EP3332586A1 - Verfahren zur steuerung der sendeleistung - Google Patents

Verfahren zur steuerung der sendeleistung

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EP3332586A1
EP3332586A1 EP16751541.0A EP16751541A EP3332586A1 EP 3332586 A1 EP3332586 A1 EP 3332586A1 EP 16751541 A EP16751541 A EP 16751541A EP 3332586 A1 EP3332586 A1 EP 3332586A1
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EP
European Patent Office
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transmission power
transmitter
signal
histogram
transmitters
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16751541.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Francisco Lázaro Blasco
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP3332586A1 publication Critical patent/EP3332586A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/04—Transmission power control [TPC]
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
    • H04W52/24—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters
    • H04W52/243—TPC being performed according to specific parameters using SIR [Signal to Interference Ratio] or other wireless path parameters taking into account interferences
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/04—Transmission power control [TPC]
    • H04W52/18—TPC being performed according to specific parameters
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    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
    • H04W52/04—Transmission power control [TPC]
    • H04W52/30—Transmission power control [TPC] using constraints in the total amount of available transmission power
    • H04W52/34—TPC management, i.e. sharing limited amount of power among users or channels or data types, e.g. cell loading
    • H04W52/343—TPC management, i.e. sharing limited amount of power among users or channels or data types, e.g. cell loading taking into account loading or congestion level
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04W52/00—Power management, e.g. Transmission Power Control [TPC] or power classes
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    • H04W52/30—Transmission power control [TPC] using constraints in the total amount of available transmission power
    • H04W52/36—Transmission power control [TPC] using constraints in the total amount of available transmission power with a discrete range or set of values, e.g. step size, ramping or offsets
    • H04W52/367—Power values between minimum and maximum limits, e.g. dynamic range

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the transmission power (energy per symbol), with which in a communication system signals from transmitters of a group of multiple transmitters to a receiver assigned to this group of packets in accordance with a multiplex specification, in particular random access specification, transmitted.
  • Random access is a technique for transmitting information over a transmission medium in which multiple terminals share the transmission medium. In random access techniques, there is no central control unit controlling access to the transmission medium.
  • An example of a random access technique is the Aloha protocol, in which each subscriber sends his data packets at all times and asynchronously. If more than one participant simultaneously transmits, the data packets collide and may be lost.
  • SSA Spread Spectrum Aloha
  • SIC Successive Interference Cancellation
  • Em pflinder w ith stores the received Em pflinder Wel lenform during a time window w ith a length T. Within this window begins Em pftician w ith the decoding of the pact with the highest E * / (N o + I). If the packet is successfully decoded, the receiver reconstructs the waveform from that packet and deletes it in its window. This will cancel the interference generated for all other packets. The receiver searches among those packages that are still present in his window, the package with the highest energy, decodes it and raises the interference, and the process is repeated until no white ⁇ more advanced packages are no longer present.
  • SSA w ith SIC plays performance w ith covering different ⁇ nen packages em be p Nanodia, a central Rol le in the decoding process.
  • the SIC can if all packets are m p Nanodia it the same power em, the load with respect to the standard decoding not raised stabili ⁇ hen.
  • the SIC at the receiver can significantly increase the throughput of the SSA.
  • Fig. 1 shows in the upper part the course of ⁇ over E / N (j n ⁇ -] B) fQ r ⁇ -] j e different participants.
  • the lower part Fig. 1 shows the histogram of the ratio E / Q (in dB) Fig.
  • L is the estimated attenuation suffered by the terminal in the backward link
  • ⁇ SAT is the noise and interference power level at the receiver.
  • K is defined as C / (N0 + I0)
  • T is the target value for the desired ratio of C / (N0 + 10) at the satellite transponder input and GS Satellite antenna gain is in the edge area of the radiation coverage of the antenna on the ground, and • Rrand is a random value that is uniformly distributed between 0 and -mct.
  • the parameter R-rnax is also calculated by the receiver and transmitted via the forward link to all terminals.
  • S-MI M is a mobile satellite communication system, which is why after some time the terminal moves, the distance can be attenuated and the terminal can send.
  • Fig. 3 shows the histogram of (in d B) for all packages using the power control technique described in [2]. From Fig. 3 it is obvious that the distribution of Es / N ⁇ ) (j nm jt, -] er , -jj e p a ⁇ ete is by far not a uniform distribution, there is a higher concentration of packets with low values of ⁇ / ⁇ , ⁇ ) (in d B). The reason for this is that it is impossible for the proportion q of subscribers experiencing attenuation by rain to have high values of (in dB).
  • the second example assumes a satellite beam in the reverse link, where not all of the users use the same transmission mode (physical and link layer configuration). It is angenom men that two transmission modes are used, which use the same modulation and coding scheme nd be ⁇ and occupying the same transmission bandwidth. However, the USAGE ⁇ finished spreading factor is different for the two modes. In mode 0, a spreading factor 256 is used while in mode 1 a spreading factor 64 is used. It is further assumed that all terminals have the same maximum transmission power. When using the power control according to [2], one obtains the one shown in FIG. 4 shows a histogram of E ⁇ / NQ (in dB).
  • the technique described in [2] is suitable for such mobile satellite communication operations where fade events are caused by the way to the satellite, e.g. B. is blocked by a building. As the participants move, fade events are generally short-lived. In other words, after a short time, there is a likelihood that the terminal will again be in an area with good propagation conditions.
  • the technique described in [2] is not suitable for fixed satellite communications because the fade event can be long. Fade events are usually caused by rain, which can last for minutes or even hours. If the technique described in [2] is used, subscribers with "poor" propagation conditions may have to wait a long time before being able to transmit. On the other hand, their propagation conditions would be (still) good enough to achieve error-free transmission.
  • the parameter is calculated on the basis of a random number and on the basis of probability values for the transmitters of the group within different specifiable power segments lying within the overall line area.
  • a first table in which different transmit power segments of the total transmit power range each defined by a lower limit and an upper limit are provided, a second table containing for each transmit power segment a statistical probability value indicating how many transmitters are included within the one transmit power transmission segment,
  • each probability value of the second table is assigned to a different transmission power segment, whereby the two tables define the expectation of how many transmitters of the group transmit signals with a transmission power lying within the respective transmission power segment,
  • a random number is provided for each transmitter (either by the transmitter itself or from outside), calculated from the probability values to be assigned to the respective transmitters as their associated parameters, and to each transmitter being assigned the transmit power segment within which the transmit power with which that transmitter is transmitting , and
  • the size of the transmission power with which the transmitter in question, within the transmission power segment associated with this transmitter is selected by another calculation based on a random number.
  • each transmitter has a maximum transmission power
  • each Transmitter is assigned to the transmission power segment within which its maximum transmission power lies
  • that for each transmitter a random number calculated considering a uniform distribution to a predeterminable number space is provided (either from the transmitter itself or from outside), with the aid of the probability value for the latter determines whether the transmission power of the transmitter is between the lower limit of the relevant transmission power segment and a maximum transmission power or between the lower limit of the total transmission power range and its maximum transmission power.
  • each transmitter has a maximum transmission power, that each transmitter is assigned to the transmission power segment within which its maximum transmission power lies, that a random number calculated taking into account a uniform distribution to a predeterminable number space is provided for each transmitter, which may be statistically equally distributed within the number space and in particular between zero and one, and that the transmitter concerned
  • the transmitters can transmit in different modes, in particular with different transmission rates (bit rates), wherein per mode, the transmission powers of all transmitters are controlled as described above.
  • bit rates transmission rates
  • a transmitter of the group in the event that it is assigned a transmission power lying within a transmission power segment, which exceeds its allowable maximum transmission power, transmits with a transmission power between a predetermined minimum value and its maximum transmission power, namely viewed on a logarithmic scale substantially evenly distributed when the maximum transmission power is less than the lower limit of the relevant transmission power segment.
  • This known power control scheme is for the reverse link of a communication system, where several terminals communicate with a communication node by means of a random access scheme. There are no defaults for the random access scheme; this might or might not be timed, use a spread or not, and it might or may not use replicas.
  • the communication node may or may not use a use interference cancellation or any other type of multi-party detection.
  • the terminals may use various physical and link layer (communication) configurations to transmit their data.
  • the communication node sends two signaling tables, namely Table 1 and Table 2 to the terminals.
  • Table 1 upper and lower E / I ⁇ o values are given in dB for respective transmit power segments.
  • the probability values in Table 2 assume values between 0 and 1 and define the probabilities of how many transmitters transmit with transmit power within the respective segments.
  • the terminals can the ratio of E b / 1 ⁇ Q au f cj he appreciated receiving end as a function of their transmission power.
  • the terminals can calculate this estimate using an open-loop or closed-loop mechanism.
  • the terminals then use these tables in the following manner to calculate their transmission power.
  • the terminal estimates the maximum ratio ⁇ dj e it can reach at the communication node by using its maximum transmission power. With B is the maximum ratio jn dB, which can reach the terminal. The terminal generates a pseudorandom number t uniformly distributed between 0 and 1.
  • the terminal determines what the largest n, n_max is for the B> If n_max is equal to u, the terminal sets n_max to u-1.
  • the terminal calculates "its" Es / JSlu ratio at the receiver as follows:
  • the number of modes can be arbitrary (it can be one or more).
  • the number u of columns in the table can be fixed or variable.
  • terminals send each time they estimate that they can satisfy E s / ⁇ o> - £ noi.
  • the known method is characterized by the following properties:
  • the communication node sends a table with u Values, which defines (u-1) - ⁇ - ⁇ o segments for each transmit mode.
  • the communication node sends a table with (u-1) probability values of the use of each of the ⁇ No segments.
  • the terminals arbitrarily choose a ⁇ by uniformly choosing their ⁇ no.
  • the link of a device in the middle of the beam is 29 dB.
  • the link budget loss due to the position of a terminal in the beam is ⁇ h and follows a uniform distribution (-6.0 dB).
  • the terminal estimate of ⁇ ' h, Li has a Gaussian distribution in dB with a mean ⁇ f, and a standard deviation of 0.5 dB.
  • a share of 25% of the terminals undergoes rain damping.
  • the rain attenuation L r has a Gaussian distribution in dB with a mean value of -10 dB and a standard deviation of 1 dB.
  • Rain damping L has a Gaussian distribution in dB and has a mean Lr and a standard deviation of 1 dB.
  • Fig. 5 is a graph of Fig. 1 above ⁇ ⁇ o for the power control (broken line) described in [2] and the power control proposed by the known method (solid line) using the following signaling tables:
  • the terminal sends a message with a transmission power Pa in dB over the random access channel.
  • the terminal can also calculate B, the maximum Es / No given at the communication node.
  • Example 2 consider a similar case as in Example 1, where there are no rain-attenuated terminals and there are two modes of transmission that use the same modulation and coding and occupy the same bandwidth, but mode 1 has a spreading factor of 256 and mode 2 has a spreading factor 64. Assuming a system with 1200 participants with the mode 1 and 300 participants with the mode 2.
  • Fig. 6 is a diagram of Fig. 1 for Fig. 1 for the power control (broken line) described in [2] and the power control proposed by the known method (solid line) using the following signaling tables:
  • the object of the invention is thus to further improve the known method according to [3].
  • [3] are defined a number of parameters that must be communicated to the transmitters, and the way in which the transmitters their transmission power must calculate using the parameters. If the parameters "clean" are defined, the 1 vs curve can be controlled.
  • terminals are thus meant the transmitters of a group consisting of several transmitters which transmit their signals to one of these group of transmitters associated receivers (for example, satellites) in packets in accordance with a multiplex specification, in particular a random access specification.
  • a satellite assigned as a receiver to a group of transmitters sends one and the same signal to the transmitters of its group.
  • the transmitters then return information to the satellite, namely packet according to a multiplex specification method.
  • Fig. 1 shows ⁇ over Es / No and the histogram Es / No for a system in which all transmitters are decoded
  • Fig. 2 shows ⁇ over Es / No and the histogram Es / No for a system in which some packets are lost
  • Fig. 3 shows the histogram for Es / No for a setting in which some stations
  • Fig. 4 shows a histogram of Es / No for a multi-mode setting
  • Fig. 5 shows ⁇ over Es / No for Example 1, with the broken line ⁇ at
  • Fig. 6 shows ⁇ over Es / No for a two-mode system, with the upper part of this figure corresponding to Mode 1 and the lower part to Mode 2, while the other figures show:
  • FIG. 7 shows a block diagram for the general description of the invention
  • FIG. 8 shows a first method 1 according to the invention
  • FIG. 9 shows a second method 2 according to the invention implemented as a steep drop gradient method.
  • 10 is a third method 3 of the invention implemented to maximize the maximum achievable load as a steep slope gradient method
  • FIG. 11 shows the normalized histogram of the ratio Es / No with old and new power control parameters
  • This method allows the calculation of "good" values for the power control parameters defined in [3].
  • This method can be used in the reverse link of a communication system in which several transmitters communicate by means of a random access scheme with a communication node (also called hubs). There are no defaults for the random access scheme; this could or may not be slots, or using a spread, and it might or may not use replicas.
  • the communication node may or may not use interference cancellation or any other type of multi-party detection.
  • the transmitters can use various physical and link-layer configurations (transmit modes) to transmit their data.
  • each transmitter must first define in which segment it is located.
  • the station estimates its maximum achievable A, and assigns itself to the segment "I” if, and only if + l. In this case, it can be stated that the transmitter is listening to the segment "I".
  • a pseudorandom number t is generated which is uniformly distributed between 0 and 1. If t> p 0 , i, the transmitter randomizes its transmission power to be at the receiver (in dB) uniformly between
  • the transmitter randomizes its transmission power to be that at the receiver (in dB) uniformly between and A is distributed.
  • the method described with this invention is based on the below explained assumption that the communication node knows the parameters in Table 1 and Table 2.
  • the communication node can then transmit these parameters to the transmitters using the parameters for the power control defined in [3].
  • the purpose of the method defined in this invention is that by using the new parameters, the ⁇ / ⁇ 'o distribution induced at the receiver will be "good” (high throughput and low burst loss rate).
  • the communication node can determine if the system is near overloading or not.
  • the method according to the invention works as follows.
  • the burst decoder provides a histogram of the the received bursts.
  • the histogram of ⁇ / ⁇ o is filtered.
  • a low-pass filter (in the middle range) is preferred.
  • the method 2 is performed on the initial estimate of be ⁇ Wundt. This gives a refined estimate of the Mo TO £ tr histogram.
  • the method 3 is based on the final estimate of be ⁇ Wundt. This method provides at its output a set of control parameters and an estimate of the maximum load that can be achieved using these power control parameters.
  • This method provides an estimate of the histogram of 'o m a. r based on the filtered histogram.
  • a "custom filter” should be used whose impulse response is preferably in the shape of the left side of a bell-shaped curve.
  • the / ⁇ ' ⁇ " ⁇ : ⁇ histogram is a filtered version of Z.
  • the filter is preferably a low-pass filter.
  • a "power control application” function is used which provides an estimate of the histogram after power control based on the ( -histogram
  • Method 2 is a numerical optimization method which attempts to find the Es / Nomax that induces a histogram closest to the E / N histogram obtained from the burst demodulator (see Figure 7).
  • the metric to be minimized is the Euclidean distance between the histograms (estimated one).
  • optimization methods can be used, e.g. For example, high-waste gradient methods, simulated annealing, and genetic methods.
  • the distance can be the Euclidean distance between the histograms.
  • the procedure ends, at its output the estimate of the - Output histogram. Otherwise, the / ⁇ ⁇ " ⁇ £ ⁇ histogram is modified and the procedure moves to step 1.
  • Z_k Z_k + (l-p_i) * Xj / (A1-A0 + 1)
  • Z_k Z_k + (p_i) * Xj / (A2-A1 + 1)
  • the estimated ⁇ / ⁇ 'o histogram is obtained by filtering Z with a filter whose impulse response corresponds to the left half of a bell-shaped curve as shown in FIG. Method 3
  • Method 3 is a numerical optimization method that receives as input the estimated E s / N o m ax histogram. The method attempts to find the set of power control parameters that maximizes one of these two metrics:
  • Fig. 10 an example of a high slope gradient method used to maximize the maximum achievable load is given. If the target load is not reached after a maximum number of iterations, the procedure is stopped.
  • the invention can be defined by the following properties:
  • the invention proposes a method which receives as input the E, / N () histogram of received bursts (packets) and provides as output a set of optimized power control parameters.
  • the procedure can be divided into two steps:
  • Step 1 This covers procedures 1 and 2. Based on the ⁇ ⁇ / ⁇ ' ⁇ histogram and knowing the set of power control parameters used by the transmitters, the Histogram estimated.
  • the set of optimized power control parameters is obtained by:
  • the link budget loss due to the position of a transmitter in the beam is and follows a uniform distribution (-6.0 dB).
  • the transmitter estimate of ⁇ b, L ⁇ > has a Gaussian distribution in dB with a mean ⁇ b and a standard deviation of 0.5 dB.
  • the rain attenuation L r has a Gaussian distribution in dB with a mean value of -10 dB and a standard deviation of 1 dB.
  • the transmitter estimate of rain damping L r has a Gaussian distribution in dB and has an average and a standard deviation of 1 dB.
  • the power control parameters are optimized to maximize the maximum achievable load.
  • the set of optimized power control parameters is: Mode Es / No_i Es / No_2 Es / No_3 Es / No_4 Es / No_s Es / No_6 Es / No_ ⁇
  • the set of optimized power control parameters is referred to herein as "new" power control parameters.
  • Fig. 11 it can be seen that the ⁇ VNo histogram with the new power control parameters is closer to a uniform distribution than the histogram with the old power control parameters.
  • FIG. 12 the curve of ⁇ V ⁇ vs of of ur ⁇ ea
  • the power control method allows for a 32% increase in load.
  • the invention can be used in wireless communication systems, such. In satellite communication systems and mobile communication systems. DIRECTORY OF ABBREVIATIONS
  • ETSI TS 102 721-3 VI .2.1 "Satellite Earth Stations and Systems; Air Interface for S-band Mobile Interactive Multimedia (S-MIM); Part 3: Physical Layer Specification, Return Link Asynchronous Access.”
  • EP 2 861 024 A1 (corresponding to DE 10 2013 221 866 A1)

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

Bei dem Verfahren zum Bestimmen der Leistungssteuerungsparameter zur Steuerung der Leistung, insbesondere der Energie pro Symbol, mit der in einem Kommunikationssystem Signale von Sendern einer Gruppe von mehreren Sendern zu einem dieser Gruppe zugeordneten Empfänger paketweise gemäß einer Multiplexvorgabe übertragen werden, bestimmt jeder Sender einer Gruppe seine Sendeleistung zufallsbasiert derart, dass sein Signal-/Rausch-Verhältnis am Empfänger zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegt. Dabei werden in einer ersten Tabelle die minimalen und maximalen Signal-/Rausch-Verhältnis-Werte definiert, die bestimmen, welcher Gruppe ein Sender zugehört, und in einer zweiten Tabelle der für den Sender verwendeten Wahrscheinlichkeitswert, um dessen Sendeleistung derart zu bestimmen, dass sein Signal-/Rausch-Verhältnis innerhalb des Gesamtbereichs zulässiger Signal-/Rausch-Verhältnisse oder innerhalb des Signal-/Rausch-Verhältnisses liegt, das für die Gruppe zulässig ist, welcher der Sender zugehört. Neue Werte für die ersten und zweiten Tabellen werden derart definiert, dass die maximale Last in Paketen pro Sekunde maximiert wird, die der Kommunikationskanal unter Aufrechterhaltung einer gewünschten Schwellenwert-Paketfehlerrate akzeptieren kann, und/oder die Distanz von dem Histogramm empfangener Signal-/Rausch-Verhältnisse in dB zu einem gleichförmigen Histogramm von Signal-/Rausch-Verhältnissen in dB minimiert wird.

Description

Verfahren zur Steuerung der Sendeleistung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Sendeleistung (Energie pro Symbol), mit der in einem Kommunikationssystem Signale von Sendern einer Gruppe von mehreren Sendern zu einem dieser Gruppe zugeordneten Empfänger paketweise gemäß einer Multiplexvorgabe, insbesondere Zufallszugriffsvorgabe, übertragen werden .
Mit dieser Erfindung wird eine neue Technik vorgeschlagen, mit der eine Leistungssteuerung durchgeführt werden kann, wenn eine Zufallszugriffstechnik zum Zugreifen auf ein gemeinsames Übertragungsmedium verwendet wird.
Beim Zufallszugriff handelt es sich um eine Technik zum Übertragen von Information über ein Übertragungsmedium, bei der mehrere Endgeräte das Übertragungsmedium gemeinsam benutzen. Bei Zufallszugriffstechniken ist keine zentrale Steuereinheit vorhanden, die den Zugriff auf das Übertragungsmedium steuert.
Ein Beispiel für eine Zufallszugriffstechnik ist das Aloha-Protokoll, bei dem jeder Teilnehmer seine Datenpakte zu jeder Zeit und asynchron sendet. Falls mehr als ein einziger Teilnehmer gleichzeitig eine Übertragung vornimmt, kollidieren die Datenpakete und könnten verlorengehen.
Es existieren weitere Zufallszugriffstechniken, mit denen ein höherer Durchsatz erzielt wird. Eine Technik, die sehr große Aufmerksamkeit erfahren hat, ist diejenige mit Spread Spectrum Aloha (SSA) mit Successive Interference Cancellation (SIC) am Empfänger. Wenn diese Technik ähnlich wie bei Aloha verwendet wird, senden die Endgeräte ihre Pakete zu jeder Zeit und in asynchroner Weise unter Verwendung von Spreiz-Spektrum-Techniken. Am Empfänger tritt im Wesentlichen eine Kollision der Pakete auf. Aufgrund der ver- wendeten Spreiz-Techn ik jedoch können Pakete auch dan n dekodiert werden, wenn sie Kollisionen erleiden . Ein Standard-SSA- Em pfänger versucht, jeweils ein Paket auf ein mal zu dekodieren, wobei er den Rest der Pakete als I nterfe¬ renz behandelt. Bei einem weiter fortentwickelten Empfänger wird die SIC am Empfänger verwendet. M it anderen Worten speichert der Em pfänger die empfangene Wel lenform während eines Zeitfensters m it einer Länge T. Innerhalb dieses Fensters beginnt der Em pfänger m it dem Dekodieren des Paktes mit dem höchsten E*/(No + I). Falls das Paket erfolgreich dekodiert wird, rekonstruiert der Em pfänger die Wellenform aus diesem Paket u nd löscht es in sei nem Fenster. Damit wird die für sämtliche anderen Pakete erzeugte Interferenz aufgehoben . Der Empfänger sucht unter denjenigen Paketen, die noch in seinem Fenster vorhanden sind, das Paket mit der höchsten Energie, dekodiert es und hebt die Interferenz auf, und der Vorgang wird wiederholt, bis keine wei¬ teren Pakete mehr vorhanden sind .
Wenn SSA m it SIC verwendet wird, spielt die Leistung, m it der die verschiede¬ nen Pakete em pfangen werden, eine zentrale Rol le in dem Dekodiervorgang . Tatsächlich kann, falls sämtliche Pakete m it der gleichen Leistung em pfangen werden, die SIC die Last in Bezug auf die Standard- Dekodierung nicht erhö¬ hen . Falls jedoch die Leistung, mit der die Pakete em pfangen werden, der korrekten Verteilung folgt, kann die SIC an dem Empfänger den Durchsatz des SSA beträchtlich erhöhen .
Die Bedeutung der Leistungsverteilung der Pakete wird nachfolgend anhand eines einfachen Beispiels veranschau licht. Es sei ein mit Slots betriebenes SSA-Schema angenom men, bei dem eine feste Anzah l von Teilnehmern M in jedem Zeit-Slot ei n Paket sendet. Für sämtliche Pakete wird der gleiche Über¬ tragungsmodus verwendet (Physical- und Link- Layer-Übertragungsparameter: Modulation, Kodierschema etc. ) . Es sei ^re(l defin iert als das m inimal erforderliche E /(No + l)f das ein Burst haben muss, um korrekt dekodiert werden zu können (Es= P/fs, wobei fs die verwendete Symbol rate ist) . P(i) bezeichnet die Leistung, mit der das i-te Paket empfangen wurde . Der Einfachheit halber werden die Tei lnehmer in absteigender Reihenfolge entsprechend ih rer Leistung P angeordnet, so dass P(1)> P(2)>...P(M-1) > P(M) ist. Das effektive E,/(N0 + I) für das Paket "i" beim Dekodieren sei definiert als:
NQ + /(>;) wobei
die Interferenz von sämtlichen Teilnehmern ist, bei denen noch keine Deko- dierung vorgenommen worden ist.
Es sei angenommen, dass immer dann, wenn ^ (?) :> ^V('<1 ist, das Paket "i" mit einer Wahrscheinlichkeit 1 dekodiert wird. Falls < Ir q jS , gehen das Paket "i" und sämtliche nachfolgenden Pakete, d.h. die Pakete i,i + l... M verloren.
Zur Veranschaulichung der Auswirkung der Leistungsverteilung auf die Leistungsfähigkeit des Systems werden nachfolgend zwei Beispiele aufgeführt. Fig. 1 zeigt im oberen Teil den Verlauf von Ύ über E /N (jn <-]B) fQr <-]je verschiedenen Teilnehmer. Die schwarze horizontale Grenzlinie zeigt ^re(l = -2,7 dB, wobei der Graph über ES/ Q repräsentiert. In diesem Fall können, da •7(2) > req Vi gj|^ sämtliche Pakete dekodiert werden. Der untere Teil der Fig. 1 zeigt das Histogramm des Verhältnisses E / Q (in dB). Fig. 2 zeigt das gleiche Schaubild für ein überladenes System, in dem einige Pakete verlorengehen. Konkret können sämtliche Teilnehmer, bei denen Es /Nu unter 17 dB liegt, nicht dekodiert werden. Die Anzahl der Teilnehmer ist in den beiden Beispielen der Fign. 1 und 2 gleich, wobei der einzige Unterschied in der Leistungsverteilung der Pakete besteht. Eine gute Leistungsverteilung führt zu einer Kurve von 1 über Es/No (jn ^ß), bei der 7( > Ireq i ist Im idealfall gilt 7(0 = Ireq Vi# was sich bei Verwendung einer gleichförmigen Verteilung (in dB) ergibt.
Im Folgenden wird ein in [3] offenbarter Leistungssteuermechanismus beschrieben, der es möglich macht, die Leistungsverteilung der empfangenen Pakete in einer weiten Vielfalt von Situationen zu steuern.
Im Stand der Technik ist es bekannt, dass die Leistungsverteilung der Pakete am Empfänger von zentraler Wichtigkeit für SSA mit SIC ist. In [1] zeigen die Autoren auf, dass, falls die Leistung der Pakete einer Lognormal-Verteilung folgt, der Durchsatz erhöht werden kann, falls die Standard-Abweichung der Lognormal-Abweichung zunimmt. Bei S-MIM [2], einem ETSI-Standard, wird SSA mit SIC an dem Empfänger für Mobil-Satelliten-Kommunikationsvorgänge verwendet. Um die Leistungsverteilung der eintreffenden Pakete zu verbessern, kann bei den Endgeräten ein gleichförmig verteiltes LeistungsBackoff in dB angewandt werden. Ein Endgerät setzt seine Übertragungsleistung auf:
P = L + NSAT + K + Rr(md (IBni wobei
• L die geschätzte Dämpfung ist, die das Endgerät in dem Rückwärts-Link erleidet,
• ^SAT der Rausch- und Interferenz-Leistungspegel an dem Empfänger ist.
Diese Parameter werden von dem Empfänger berechnet und über den Vorwärts- Link an sämtliche Endgeräte gesendet,
• K definiert ist als C/(N0+ I0) |T - GS, wobei C/(N0+ I0) |T der Zielwert für die das gewünschte Verhältnis aus C/(N0+ 10) am Satelliten-Transpon- der-Eingang und GS die Satellitenantennenverstärkung im Randbereich der Strahlungsabdeckung der Antenne auf dem Erdboden ist, und • Rrand ei n Zufallswert ist, der gleichförm ig zwischen 0 und -ßmct verteilt ist. Der Parameter R-rnax wird ebenfalls von dem Em pfänger berech net und über den Vorwärts- Link an sämtliche Endgeräte gesendet.
In dem Fall, dass die benötigte Leistung P die Endgeräte- Kapazität über¬ schreitet, sendet das Endgerät nicht. S- MI M ist ein Mobil-Satelliten- Kom muni- kationssystem, weshalb sich nach einiger Zeit das Endgerät bewegt, die Weg- Dämpfung abnim mt und das Endgerät senden kann .
Im Folgenden werden mehrere Beispiele angeführt, bei denen das SSA mit SIC an dem Empfänger in Satelliten-Kom munikationsvorgängen verwendet wird, wobei die gemäß [2] verwendete Technik verbessert werden kann .
• In dem ersten Beispiel sei ein Satelliten-Strahl in dem Rückwärts- Link angenom men, bei dem eine Anzahl q der Teilnehmer eine Dämpfung durch Regen erleidet. Fig . 3 zeigt das Histogramm von (in d B) für sämtliche Pakete bei Verwendung der in [2] beschriebenen Technik zur Leistungssteueru ng . Aus Fig . 3 ist offensichtlich, dass die Verteilung von E.s/N{) (jn m jt ,-]e r ,-jje pa|<ete empfangen werden, bei Weitem kei ne gleichförm ige Verteilu ng ist. Es existiert eine höhere Konzentration von Paketen m it niedrigen Werten von ^/ιΛ,Ί) (in d B) . Der Grund dafür besteht darin, dass es für den Anteil q von Teilnehmern, die eine Dämpfung durch Regen erfahren, unmöglich ist, hohe Werte von (in dB) zu erreichen .
• In dem zweiten Beispiel wird von einem Satelliten-Strahl in dem Rückwärts- Link ausgegangen, bei dem nicht sämtliche der Teilnehmer den gleichen Übertragu ngs- Modus verwenden (physische und Link- Layer- Konfiguration) . Es sei angenom men, dass zwei Übertragungsmodi verwendet werden, die das gleiche Modulations- u nd Kodierungsschema be¬ nutzen und die gleiche Übertragungsbandbreite einnehmen . Der verwen¬ dete Spreizfaktor ist jedoch bei den beiden Modi unterschiedlich . In dem Modus 0 wird ein Spreizfaktor 256 verwendet, wäh rend in dem Modus 1 ein Spreizfaktor 64 verwendet wird. Es sei ferner angenommen, dass sämtliche Endgeräte die gleiche Maximal-Übertragungsleistung haben . Bei Verwendung der Leistungssteuerung gemäß [2] erhält man das in Fig . 4 gezeigte Histogramm von E^/NQ (in dB) . Auch hier ist die Verteilung von ES/N() (jn ,-jß) nicht gleichförmig. Wiederum existiert eine höhere Konzentration von Paketen mit niedrigen Werten von (jn ,-j ) Der Grund dafür besteht nun darin, dass nur Teilnehmer aus dem Modus 0 heraus den höheren Bereich von Es/No (jn ,-j ) erzielen können .
• Die in [2] beschriebene Technik ist für solche Mobil-Satellitenkommuni- kationsvorgänge geeignet, bei denen Fade-Ereignisse dadurch verursacht werden, dass der Weg zu dem Satelliten z. B. durch ein Gebäude blockiert wird. Da sich die Teilnehmer bewegen, sind Fade-Ereignisse grundsätzlich von kurzer Dauer. Anders ausgedrückt besteht nach einer kurzen Zeit die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Endgerät wieder in einem Bereich mit guten Ausbreitungsbedingungen befindet. Die in [2] beschriebene Technik ist jedoch für Fest-Satellitenkommunikationsvorgänge nicht geeignet, da das Fade-Ereignis lang sein kann . Fade-Ereignisse werden normalerweise durch Regen verursacht, der Minuten oder sogar Stunden andauern kann . Falls die in [2] beschriebene Technik verwendet wird, müssen Teilnehmer mit "schlechten" Ausbreitungsbedingungen möglicherweise lange Zeit warten, bis sie in der Lage sind zu senden . Ihre Ausbreitungsbedingungen wären jedoch andererseits (noch) gut genug, um eine fehlerfreie Übertragung zu erzielen . im Folgenden wird ein Verfahren zur Steuerung der Sendeleistung (Energie pro Symbol) nach [3] beschrieben, mit der in einem Kommunikationssystem Signale von Sendern einer Gruppe von mehreren Sendern zu einem dieser Gruppe zugeordneten Empfänger paketweise gemäß einer Multiplexvorgabe, insbesondere Zufallszugriffsvorgabe, übertragen werden, wobei bei dem bekannte Verfahren
die Sendeleistungen, mit denen die Sender der Gruppe senden, innerhalb eines Gesamtleistungsbereichs liegen, und jedem Sender ein Parameter zugeordnet wird, der angibt, wie groß die Sendeleistung ist, mit der der betreffende Sender sendet,
wobei der Parameter anhand einer Zufallszahl sowie anhand von Wahrscheinlichkeitswerten dafür berechnet wird, dass die Sender der Gruppe innerhalb verschiedener vorgebbarer innerhalb des Gesamtleitungsbe- reichs liegender Leistungssegmente senden.
Bei diesem bekannten Verfahren wird
eine erste Tabelle bereitgestellt, in der verschiedene jeweils durch einen unteren Grenzwert und einen oberen Grenzwert definierte Sendeleistungssegmente des Gesamtsendeleistungsbereichs angegeben sind, eine zweite Tabelle bereitgestellt, in der für jedes Sendeleistungssegment ein statistischer Wahrscheinlichkeitswert enthalten ist, der angibt, wie viele Sender mit einer innerhalb des betreffenden Sendeleistungssegments liegenden Sendeleistung sendet,
wobei jeder Wahrscheinlichkeitswert der zweiten Tabelle einem anderen Sendeleistungssegment zugeordnet ist, womit durch die beiden Tabellen die Erwartung definiert wird, wie viele Sender der Gruppe Signale mit einer innerhalb des jeweiligen Sendeleistungssegments liegenden Sendeleistung senden,
für jeden Sender eine Zufallszahl bereitgestellt (entweder durch den Sender selbst oder von außerhalb), anhand der den jeweiligen Sendern zuzuordnende Wahrscheinlichkeitswerte als deren zugeordnete Parameter berechnet und damit jedem Sender das Sendeleistungssegment zugewiesen wird, innerhalb dessen die Sendeleistung liegt, mit der der betreffende Sender sendet, und
die Größe der Sendeleistung, mit der der betreffende Sender sendet, innerhalb des diesem Sender zugeordneten Sendeleistungssegments durch eine weitere anhand einer Zufallszahl erfolgende Berechnung ausgewählt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des bekannten Verfahrens ist vorgesehen, dass jeder Sender eine Maximalsendeleistung aufweist, dass jeder Sender demjenigen Sendeleistungssegment zugeordnet wird, innerhalb dessen seine Maximalsendeleistung liegt, dass für jeden Sender eine unter Berücksichtigung einer gleichmäßigen Verteilung auf einen vorgebbaren Zahlenraum berechnete Zufallszahl bereitgestellt wird (entweder von dem Sender selbst oder von außerhalb), anhand derer unter Zuhilfenahme des Wahrscheinlichkeitswerts für das dem betreffenden Sender zugeordnete Sendeleistungssegment ermittelt wird, ob die Sendeleistung des Senders zwischen der Untergrenze des betreffenden Sendeleistungssegments und einer Maximalsendeleistung oder zwischen der Untergrenze des Gesamtsendeleistungsbereichs und seiner Maximalsendeleistung liegt.
Ferner kann es bei dem bekannten Verfahren zweckmäßig sein, dass jeder Sender eine Maximalsendeleistung aufweist, dass jeder Sender demjenigen Sendeleistungssegment zugeordnet wird, innerhalb dessen seine Maximalsendeleistung liegt, dass für jeden Sender eine unter Berücksichtigung einer gleichmäßigen Verteilung auf einen vorgebbaren Zahlenraum berechnete Zufallszahl bereitgestellt wird, die statistisch gleich verteilt innerhalb des Zahlenraums und insbesondere zwischen Null und Eins liegen kann, und dass der betreffende Sender
dann, wenn seine Zufallszahl kleiner ist als der Wahrscheinlichkeitswert für das Sendeleistungssegment, dem der Sender zugeordnet ist, mit einer Sendeleistung sendet, die zwischen der Untergrenze des Sendeleistungssegments und der Maximalsendeleistung des Senders liegt, und
dann, wenn seine Zufallszahl kleiner ist als der Wahrscheinlichkeitswert für das Sendeleistungssegment, dem der Sender zugeordnet ist, mit einer Sendeleistung sendet, die zwischen der unteren Grenze des Gesamtsendeleistungsbereichs und der Maximalsendeleistung des Senders liegt.
Vorteilhafterweise können bei dem bekannten Verfahren die Sender in unterschiedlichen Modi, insbesondere mit unterschiedlichen Übertragungsraten (Bitraten) senden, wobei pro Modus eine Steuerung der Sendeleistungen sämtlicher Sender, wie oben beschrieben, erfolgt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des bekannten Verfahrens ist vorgesehen, dass vor Übertragung eines Signals vom Sender zum Empfänger und/oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen die Steuerung der Sendeleistungen der Sender so, wie oben angegeben, erfolgt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des bekannten Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Sender der Gruppe in dem Fall, dass ihm eine innerhalb eines Sendeleistungssegments liegende Sendeleistung zugewiesen wird, die seine zulässige Maximalsendeleistung übersteigt, mit einer Sendeleistung zwischen einem vorgebbaren Minimalwert und seiner Maximalsendeleistung sendet, und zwar im logarithmischen Maßstab betrachtet im Wesentlichen gleich verteilt, wenn die Maximalsendeleistung kleiner als der untere Grenzwert des betreffenden Sendeleistungssegments ist.
Dieses bekannte Leistungssteuerungsschema ist für den Rückwärts-Link eines Kommunikationssystems vorgesehen, wobei mehrere Endgeräte mittels eines Zufallszugriff-Schemas mit einem Kommunikations-Knoten kommunizieren. Es werden keine Vorgaben zu dem Zufallszugriffs-Schema getroffen; dieses könnte mit Zeitschlitzen versehen sein oder nicht, eine Spreizung verwenden oder nicht, und es könnte Repliken verwenden oder nicht. Der Kommunikations-Knoten könnte eine Benutzungs-Interferenz-Löschung oder irgendeine andere Art von Mehr-Teilnehmer-Detektion verwenden oder nicht.
Die Endgeräte können verschiedene physische und Link-Layer-Konfigurationen (Kommunikationsmodi) verwenden, um ihre Daten zu übertragen .
Es sei angenommen, dass ein Vorwärts-Link existiert, über den der Kommunikations-Knoten Broadcast-Signale an die Endgeräte senden kann.
Der Kommunikations-Knoten sendet zwei Signalisierungstabellen, nämlich Tabelle 1 und Tabelle 2 an die Endgeräte. In Tabelle 1 sind obere und untere E /I^o -Werte in dB für jeweilige Sendeleistungssegmente angegeben. Die Wahrscheinlichkeitswerte in Tabelle 2 nehmen Werte zwischen 0 und 1 an und definieren die Wahrscheinlichkeiten dafür, wie viele Sender mit Sendeleistungen innerhalb der jeweiligen Segmente senden.
Die Endgeräte können das Verhältnis aus Es/1\Q auf cjer Empfängerseite als Funktion ihrer Übertragungsleistung schätzen. Die Endgeräte können diesen Schätzwert unter Verwendung eines Mechanismus mit offener oder geschlossener Schleife berechnen.
Die Endgeräte verwenden dann diese Tabellen in der folgenden Weise, um ihre Übertragungsleistung zu berechnen.
Falls ein Endgerät mit einem Übertragungsmodus "i" senden will, wird es die i- te Reihe in Tabelle 1 und Tabelle 2 verwenden.
• Das Endgerät schätzt das maximale Verhältnis ι dje es an dem Kommunikations-Knoten durch Verwendung seiner maximalen Übertragungsleistung erreichen kann. Mit B ist das maximale Verhältnis jn dB bezeichnet, das das Endgerät erreichen kann. Das Endgerät erzeugt eine Pseudo-Zufallszahl t, die gleichförmig zwischen 0 und 1 verteilt ist.
Das Endgerät bestimmt, was das größte n, n_max ist, für das B > Falls n_max gleich u ist, setzt das Endgerät n_max auf u- 1.
Falls t < Pi,n_max , setzt das Endgerät Amin = i,n_max und Amax = l . Andernfalls setzt das Endgerät Amin /No u ncj
Das Endgerät berechnet dann "sein" Verhältnis Es/JSlu an dem Empfänger wie folgt:
Fall
ity (Das Endgerät sendet nicht).
Sonst
Falls B < Amm
gleichförmig verteilt zwischen S/AQ ii und B
Sonst
Falls B < Amax
-E'.s/NO gleichförmig verteilt zwischen Amin und B
Sonst
gleichförmig verteilt zwischen Amin und Amax
Ende
Ende
Ende
Wie bereits oben erwähnt, sind sämtliche Es/^o -Werte in dB angegeben .
Anzumerken ist, dass die Anzahl der Modi beliebig sein kann (es können einer oder mehr sein) . Die Anzahl u der Spalten in der Tabelle kann fest oder variabel sein . Der Kommunikations-Knoten kann entscheiden, die Anzahl u der Spalten dynamisch zu vergrößern oder zu reduzieren . Es sollte erwähnt werden, dass selbst bei u =2 und m = l das vorgeschlagene Schema nicht identisch mit [2] ist. Bei der vorgeschlagenen Technik senden Endgeräte jedes Mal, wenn sie schätzen, dass sie Es/^o >-£ Noi l erfüllen können . Das bekannte Verfahren ist durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet:
• Der Kommunikations-Knoten sendet eine Tabelle mit u -Werten, wodurch (u-1) -^ -^o -Segmente für jeden Sende-Modus definiert werden.
• Der Kommunikations-Knoten sendet eine Tabelle mit (u-1) Wahrscheinlichkeitswerten der Verwendung jedes der ^ No -Segmente.
• Entsprechend der Tabelle mit den Wahrscheinlichkeitswerten wählen die Endgeräte willkürlich ein ^/^o, indem sie ihren ^ No gleichförmig zufällig wählen.
• Endgeräte senden, wann immer sie ein ^ No erzielen können, das über E«fN liegt.
Beispiel 1
Es sei der Rückwärts- Link eines Satelliten-Kommunikationssystems und hier einer der Strahlen des Rückwärts- Links betrachtet. Die Endgeräte senden mittels SSA, und der Empfänger verwendet SIC. Sämtliche Endgeräte verwenden den gleichen Übertragungsmodus wie z.B. :
• BPSK-Modulation
• Code- Rate = 1/3
• Spreizfaktor 256.
• 2500 Teilnehmer
Für den Link eines in der Mitte des Strahls befindlichen Endgeräts gilt 29 dB.
Der Link-Budget-Verlust aufgrund der Position eines Endgeräts in dem Strahl ist ^'h und folgt einer gleichförmigen Verteilung (-6,0 dB). Der Endgeräte- Schätzwert von ^'h, Li, hat eine Gauß-Verteilung in dB mit einem Mittelwert ^f, und einer Standard-Abweichung von 0,5 dB. Ein Anteil von 25% der Endgeräte erfährt eine Regen-Dämpfung. Die Regen- Dämpfung Lr hat eine Gauß-Verteilung in dB mit einem Mittelwert von -10 dB und einer Standard-Abweichung von 1 dB. Der Endgeräte-Schätzwert der
Regendämpfung L, hat eine Gauß-Verteilung in dB und hat einen Mittelwert Lr und eine Standard-Abweichung von 1 dB.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm von 1 über ^ ^'o für die in [2] beschriebene Leistungssteuerung (als unterbrochene Linie) und für die mit dem bekannten Verfahren vorgeschlagene Leistungssteuerung (als durchgezogene Linie) unter Verwendung der folgenden Signalisierungstabellen :
Mode Es/No_i Es/No_2 Es/No_3 Es/No_
1 -0,8 1 ,2 22,2 31,2
Mode p_i p_2 p_3
1 0,0 0,13 0,1
Es ist ersichtlich, wie bei der in [2] beschriebenen Leistungssteuerung für einem Bereich von Werten von der Wert 1 unter ! rr(I fällt. Bei Verwen- dung des bekannten Verfahrens jedoch gilt / > >re(l im gesamten Bereich von £*/No , außer für sehr niedrige Werte von Unter gleichen Bedingungen ermöglicht die hier bekannte Leistungssteuerungstechnik im Vergleich zu der in [2] beschriebenen Technik eine Erhöhung des Durchsatzes um 10%.
Zur besseren Erläuterung des bekannten Verfahrens seien einige Details zu dem Empfänger-Verarbeitungsvorgang aufgeführt. Unter den z.B. 2500 Endgeräten pro Leistungssegment, die senden :
• wählen durchschnittlich (1 -0,0) x 2500 = 2500 Endgeräte das Es/No - Segment von -0,8 bis 14,2,
• wählen durchschnittlich (1 - 0,13) x 2500 = 2175 Endgeräte das Es/No - Segment von 0,8 bis 22,2, • wählen durchschnittlich (1 - 0,10) x 2500 = 2250 Endgeräte das Es/No - Segment von 0,8 bis 31,2.
Es sei angenommen, dass ein Endgerät sein maximales Es/No , B, dahingehend einschätzt, dass es 33 dB beträgt. Dieses Endgerät würde eine gleichmäßig verteilte Zufallszahl t zwischen 0 und 1 erzeugen.
• Falls t < 0,1 ist, wählt das Endgerät seine Übertragungsleistung derart, dass Es/No an dem Kommunikations-Knoten gleichmäßig zwischen Es/No_3 = 22,2 dB und Es/No_3 = 31,2 dB verteilt ist.
• Falls t > 0,1 ist, wählt das Endgerät seine Übertragungsleistung derart, dass Es/No an dem Kommunikations-Knoten gleichmäßig zwischen Es/No_l = -0,8 dB and Es/No_3 = 31,2 dB verteilt ist.
Es sei angenommen, dass ein zweites Endgerät sein maximales Es/No, B, dahingehend einschätzt, dass es 25 dB beträgt. Dieses Endgerät würde eine gleichmäßig verteilte Zufallszahl t zwischen 0 und 1 erzeugen.
• Falls t < 0,1 ist, wählt das Endgerät seine Übertragungsleistung derart, dass Es/No an dem Kommunikations-Knoten gleichmäßig zwischen Es/No_3 = 22,2 dB und B = 25 dB verteilt ist.
• Falls t > 0,1 ist, wählt das Endgerät seine Übertragungsleistung derart, dass Es/No an dem Kommunikations-Knoten gleichmäßig zwischen Es/No_l = -0,8 dB and B = 25 dB verteilt ist.
Es sei angenommen, dass ein drittes Endgerät sein maximales Es/No , B, dahingehend einschätzt, dass es -3 dB beträgt. Dieses Endgerät würde überhaupt nicht senden, da sein maximales geschätztes Es/No kleiner als Es/No ist.
Um eine Übertragungsleistung derart zu erzeugen, dass Es/No an dem Kommunikations-Knoten gleichförmig zwischen ZI dB und Z2 dB (ZKZ2) verteilt ist, kann das Endgerät z.B. eine gleichförmig verteilte Zufallszahl h zwischen 0 und 1 erzeugen. Es/No wird dann berechnet als Es/No = ZI + (Z2-Z1) x h. Es sei ein weiteres Beispiel angeführt, bei dem das Endgerät das an dem Kommunikations-Knoten geltende Verhältnis Es/No schätzen kann.
• Das Endgerät sendet eine Meldung mit einer Übertragungsleistung Pa in dB über den Zufallszugriffskanal.
• Der Kommunikations-Knoten antwortet auf diese Meldung, indem es das Es/No="Es/No a" in dB angibt, mit dem das Paket empfangen wurde.
• Das Endgerät empfängt diese Meldung und "weiß", dass die Leistung Pa in dB das Es/No a in dB erzeugt. Nun kann das Endgerät das durch eine Übertragungsleistung erzeugte Es/No berechnen. Beispielsweise wird unter Verwendung der Übertragungsleistung Pa-3 in dB ein Es/No=Es/No a - 3 dB an dem Kommunikations-Knoten berechnet.
Mit diesem Verfahren kann das Endgerät auch B berechnen, das maximale Es/No, welches an dem Kommunikations-Knoten gegeben ist.
Beispiel 2
In diesem zweiten Beispiel sei ein ähnlicher Fall wie in Beispiel 1 betrachtet, bei dem keine Endgeräte mit Regen-Dämpfung vorhanden sind und zwei Übertragungsmodi vorliegen, welche die gleiche Modulation und Kodierung benutzen und die gleiche Bandbreite einnehmen, wobei jedoch der Modus 1 einen Spreizfaktor 256 und der Modus 2 einen Spreizfaktor 64 hat. Vorausgesetzt sei ein System mit 1200 Teilnehmern mit dem Modus 1 und 300 Teilnehmern mit dem Modus 2.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm von 1 über ^Ά'ο für die in [2] beschriebene Leistungssteuerung (als unterbrochene Linie) und für die mit dem bekannten Verfahren vorgeschlagene Leistungssteuerung (als durchgezogene Linie) unter Verwendung der folgenden Signalisierungstabellen :
Modus Es/No_i Es/No_2 Es/No_3 Es/No_4
1 -o,8 2,2 17,2 31,2 2 -0,8 2,2 17,2 31,2
Modus P-i P-2 P-3
1 0,05 0,6 0,25
2 0 0 0
Es ist ersichtlich, wie bei der in [2] beschriebenen Leistungssteuerung für einen Bereich von Werten von E^/NQ fu r ,-jje beiden Übertragungsmodi der Wert unter 'reg fällt. Bei Verwendung des bekannten Verfahrens jedoch gilt 'EQ im gesamten Bereich von E, /NQ u ncj fQr <-]je beiden Übertagungsmodi. Unter gleichen Bedingungen ermöglicht also die bekannte Leistungssteuerungstechnik im Vergleich zu der in [2] beschriebenen Technik eine Erhöhung des Durchsatzes um 10%.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann mit dem Verfahren nach [3] die Sendeleistungssteuerung gegenüber dem Standard nach [2] deutlich verbessert werden. Dazu werden in [3] die Parameter definiert, die den Sendern mitgeteilt werden müssen.
Im Folgenden werden erfindungsgemäß Betrachtungen angestellt, wie besonders geeignete Werte für diese Parameter errechnet/definiert werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es also, das bekannte Verfahren nach [3] weiter zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
In [3] sind eine Reihe von Parametern, die den Sendern mitgeteilt werden müssen, und die Weise definiert, in der die Sender ihre Übertragungsleistung unter Verwendung der Parameter berechnen müssen. Falls die Parameter "sauber" definiert sind, kann die1 vs - Kurve gesteuert werden.
In [3] ist nicht erläutert, wie sich geeignete Parameter erhalten lassen. In einem realen System (z. B. einem Satelliten-Knotenpunkt) muss der Empfänger die Leistungssteuerungsparameter in irgendeiner Weise berechnen und sie den Terminals mitteilen .
Aus [3] wurde die Erkenntnis gewonnen, dass zur Erzielung einer guten Performance im Uplink von vielen Terminals zu einem Satelliten darauf geachtet werden sollte, dass jeweils eine bestimmte Anzahl von Terminals in unterschiedlichen Leistungssegmenten senden sollten (z.B. 60% im Leistungssegment A, 11% im Leistungssegment B, usw.). Mit der Erfindung erfolgt die Anpassung/Definition der Grenzen der einzelnen Leistungssegmente, mit denen der beabsichtigte Gesamtleistungsbereich, in dem die Terminals senden, abgedeckt ist, und die Definition der jeweiligen Anzahl von Terminals, die in dem jeweiligen Leistungssegment senden sollten. Mit "Terminals" sind somit die Sender einer Gruppe, bestehend aus mehreren Sendern gemeint, die ihre Signale an einen dieser Gruppe von Sendern zugeordneten Empfänger (beispielsweise Satelliten) paketweise gemäß einer Multiplex-Vorgabe, insbesondere einer Zufallszugriffsvorgabe, übertragen .
In dieser Erfindung wird ein Verfahren beschrieben, das die Berechnung der Werte der in [3] definierten Leistungssteuerungsparameter ermöglicht. Dies erlaubt ein Optimieren der Leistungsverteilung der empfangenen Pakete in einer breiten Vielfalt von Situationen.
Das Sende-/Empfangs-Szenario zur Umsetzung der Erfindung ist kurz zu- sammengefasst wie folgt.
Ein Satellit, der als Empfänger einer Gruppe von Sendern zugeordnet ist, sendet ein und dasselbe Signal an die Sender "seiner" Gruppe. Die Sender senden daraufhin an den Satelliten Informationen zurück, und zwar paket- weise gemäß einem Multiplex-Vorgabeverfahren. Damit sämtliche Sender ihre Informationspakete erfolgreich an den Satelliten senden, ist eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Sender über das Verhältnis Es/No erforderlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben . Dabei beziehen sich die Fign. 1 bis 6 auf den Stand der Technik gemäß [3], wobei
Fig. 1 γ über Es/No und das Histogramm Es/No für ein System, bei dem sämtliche Sender dekodiert werden, zeigt,
Fig. 2 γ über Es/No und das Histogramm Es/No für ein System, bei dem einige Pakete verlorengehen, zeigt,
Fig. 3 das Histogramm für Es/No für eine Einstellung, bei der einige Sender
Regendämpfung erfahren, zeigt,
Fig. 4 ein Histogramm von Es/No für eine Multi-Modus-Einstellung zeigt,
Fig. 5 γ über Es/No für Beispiel 1 zeigt, wobei die unterbrochene Linie γ bei
Anwendung des Verfahrens nach [2] und die durchgezogene Linie γ repräsentiert, wenn das Verfahren nach [3] eingesetzt wird, und
Fig. 6 γ über Es/No für ein System mit zwei Modi zeigt, wobei der obere Teil dieser Figur dem Modus 1 und der untere Teil dem Modus 2 entspricht, während die weiteren Figuren zeigen :
Fig. 7 ein Blockdiagramm zur allgemeinen Beschreibung der Erfindung, Fig. 8 ein erstes Verfahren 1 nach der Erfindung, Fig. 9 ein zweites Verfahren 2 nach der Erfindung, das als Gradientverfahren mit steilem Abfall implementiert ist,
Fig. 10 ein drittes Verfahren 3 nach der Erfindung, das zur Maximierung der maximal erreichbaren Last als Gradientenverfahren mit steilem Anstieg implementiert ist,
Fig. 11 das normalisierte Histogramm des Verhältnisses Es/No mit alten und neuen Leistungssteuerungsparametern und
Fig. 12 γ über Es/No mit alten und neuen Leistungssteuerungsparametern für eine Last von 150 Paketen pro Zeitschlitz.
Mit dieser Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches das Berechnen "guter" Werte für die in [3] definierten Leistungssteuerungsparameter ermöglicht. Dieses Verfahren kann in dem Rückwärts- Link eines Kommunikationssystems verwendet werden, bei dem mehrere Sender mittels eines Zufallszu- griffs-Schemas mit einem Kommunikationsknoten (auch Hubs genannt) kommunizieren. Es werden keine Vorgaben zu dem Zufallszugriffs-Schema getroffen; dieses könnte mit Slots versehen sein oder nicht, eine Spreizung verwenden oder nicht, und es könnte Repliken verwenden oder nicht. Der Kommunikations-Knoten könnte eine Interferenz-Löschung oder irgendeine andere Art von Mehr-Teilnehmer-Detektion verwenden oder nicht.
Die Sender können verschiedene physische und Link-Layer-Konfigurationen (Sende-Modi) verwenden, um ihre Daten zu übertragen.
Es sei angenommen, dass ein Vorwärts-Link existiert, über den der Kommunikations-Knoten Broadcast-Signale an die Endgeräte senden kann. Die an die Endgeräte gesendeten Signale sind in [3] definiert und in den bereits erwähnten Tabellen 1 und 2 gezeigt. Wie oben im Zusammenhang mit [3] beschrieben wurde, muss jeder Sender zuerst definieren, in welchem Segment er angeordnet ist. Der Sender schätzt sein maximal erzielbares A, und weist sich selbst dem Segment "I" zu, wenn, und nur wenn + l . In diesem Fall lässt sich feststellen, dass der Sender dem Segment "I" zugehört. Anschließend wird eine pseudozufällige Zahl t erzeugt, die gleichförmig zwischen 0 und 1 verteilt ist. Falls t > p0,i , randomisiert der Sender seine Übertragungsleistung derart, dass sein an dem Empfänger (in dB) gleichförmig zwischen
und A verteilt ist. Andernfalls randomisiert der Sender seine Übertragungsleistung derart, dass sein an dem Empfänger (in dB) gleichförmig zwischen and A verteilt ist.
Sämtliche im Zusammenhang mit dieser Erfindung verwendeten Histogramme sind in dB aufgeführt. Dies bedeutet, dass die x-Achse des Histogramms Angaben in dB aufweist.
Das mit dieser Erfindung beschriebene Verfahren basiert auf der im Folgenden erläuterten Annahme, dass der Kommunikations-Knoten die Parameter in Tabelle 1 und Tabelle 2 kennt.
Das Blockdiagramm des Verfahrensablaufs ist in Fig. 7 gezeigt. Das Verfahren benötigt drei Eingaben :
die Leistungssteuerungsparameter in den Tabellen 1 and 2;
ein Histogramm des der empfangenen Bursts;
ein Modell, das bei Vorliegen des -Histogramms eine Einschätzung des -Histogramms am Empfänger liefert. Mit ist a m Empfänger gemeint, wenn Sender ihre maximale Übertragungsleistung verwenden .
Optional kann man als Eingabe auch eine zuvor verfügbare Schätzung des Es/Nomax -Histogramms zuführen. Dies ist z. B. der Fall, wenn die Erfindung zum Verfolgen des Es/Nomax -Histogramms über der Zeit verwendet wird, wobei man den Schätzwert zum Zeitpunkt "t" als Startpunkt zum Bestimmen des the ^s/^'omax -Histogramms zum Zeitpunkt "t+τ" verwenden kann.
Bei Verwendung dieser Eingaben ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren als Ausgabe:
ein Satz "optimierter Leistungssteuerungsparameter". Der Kommunikations-Knoten kann dann diese Parameter an die Sender übermitteln, welche die Parameter für die in [3] definierte Leistungssteuerung verwenden. Der Zweck des in dieser Erfindung definierten Verfahrens besteht darin, dass durch die Verwendung der neuen Parameter die an dem Empfänger induzierte ^/^'o -Verteilung "gut" sein wird (hoher Durchsatz und niedrige Burst- Verlustrate).
ein Schätzwert der maximalen Last, die mit dem neuen Satz "optimierter Leistungssteuerungsparameter" gestützt werden kann. Mit diesem Schätzwert kann der der Kommunikations-Knoten bestimmen, ob sich das System nahe an einer Überlastung befindet oder nicht.
Das Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt.
1. Der Burst-Dekodier liefert ein Histogramm des der empfangenen Bursts.
2. Das Histogramm von ^/^o wird gefiltert. Ein Tiefpassfilter (im mittleren Bereich) wird bevorzugt.
3. Falls ein früheres -Histogramm existiert, wird dieses gewählt.
Andernfalls wird, wie im Folgenden erläutert, das Verfahren 1 an dem ge¬ filterten E /^o -Histogramm angewandt, um einen Anfangs-Schätzwert des 'omaa- -Histogramms zu erhalten.
4. Das Verfahren 2 wird an dem Anfangs-Schätzwert von ange¬ wandt. Dies ergibt einen verfeinerten Schätzwert des MoTO£tr -Histogramms.
5. Das Verfahren 3 wird an dem endgültigen Schätzwert von ange¬ wandt. Dieses Verfahren liefert an seinem Ausgang einen Satz von Leis- tungssteuerungsparametern und einen Schätzwert der maximalen Last, die unter Verwendung dieser Leistungssteuerungsparameter erzielt werden kann .
Es folgt eine detaillierte Beschreibung der Verfahren 1, 2 und 3. Verfahren 1
Das Blockschaltbild dieses Verfahrens ist in Fig . 8 gezeigt. Dieses Verfahren liefert einen Schätzwert des Histogramms von 'oma.r auf Basis des gefilterten -Histogramms.
Es sollte ein "benutzerdefinierter Filter" eingesetzt werden, dessen Impulsantwort vorzugsweise die Form der linken Seite einer glockenförmigen Kurve aufweist.
1. Berechnen der FFT des gefilterten ^Λ Α Ο -Histogramms
2. Berechnen der FFT des benutzerdefinierten Filters
3. Berechnen von X = FFT(gefiltertes ^7^ 0 -Histogramm) / FFT(benutzer- definierter Filter) .
4. Berechnen von Y = IFFT (X)
5. Berechnen von Z = abs(Y)
6. Das /Λ'ο„ω:Ι -Histogramm ist eine gefilterte Version von Z. Der Filter ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter.
Verfahren 2
In diesem Verfahren wird eine Funktion "Anwendung der Leistungssteuerung" verwendet, die basierend auf dem ( -Histogramm eine Schätzung des -Histogramms nach der Leistungssteuerung liefert. Ein Nachfolgend wird ein Beispiel dieser Funktion dargelegt. Das Verfahren 2 ist ein numerisches Optimierungs-Verfahren, welches dasjenige Es/Nomax zu finden versucht, das ein -Histogramm induziert, welches dem aus dem Burst-Demodulator erhaltenen E /N -Histogramm am nächsten kommt (siehe Fig. 7) . Bei der zu minimierenden Metrik handelt es sich um die euklidische Distanz zwischen den Histogrammen (geschätzt eins) . An diesem Punkt können zahlreiche Optimierungs-Verfahren verwendet werden, z. B. : Gradientenverfahren mit starkem Abfall, simulierte "Abkühlung" ("simulated annealing") und genetische Verfahren .
Im Folgenden wird ein Beispiel der Weise präsentiert, in der das Verfahren als Gradientenverfahren mit starkem Abfall implementiert werden könnte :
1. Anwenden der Leistungssteuerung an dem Λο Jia - H i stog ra m . Dies ergibt eine Schätzung des ^ No -Histogramms.
2. Berechnen der Distanz zwischen dem in Schritt 1 erhaltenen geschätzten
-Histogramm und dem aus dem Burst-Dekodierer erhaltenen E /A!o -Histogram (siehe Fig . 7) . Die Distanz kann die euklidische Distanz zwischen den Histogrammen sein .
3. Falls die Distanz unterhalb eines spezifizierten Ziels liegt, endet der Verfahrensablauf, wobei er an seinem Ausgang die Schätzung des - Histogramms ausgibt. Andernfalls wird das /ΛΌ„ί£ΰ- -Histogramm modifiziert, und der Verfahrensablauf rückt auf Schritt 1.
4. Der Verfahrensablauf wird wiederholt, bis die Distanz unterhalb des spezifizierten Ziels liegt oder bis eine maximale Anzahl von Iterationen durchgeführt worden ist. Anwendung der Leistungssteuerungs-Funktion
Es wird angenommen, dass die in in Tabelle 1 aufgeführten Leistungssteue- rungs-Parameter m Segmente für den Modus 0 definieren und dass das Histogramm an n Punkten X_l, X_2, ... , X_n definiert ist. Es wird Bezug genommen auf die Werte des -Histogramms als Y_l, Y_2,..., Y_n und auf die Werte des geschätzt Histogramms wie folgt:
Definieren eines Arrays mit n Elementen, Z_l, Z_2, Z_n, und Setzen sämtlicher Elemente auf 0
Für jeden Histogrammbalken X_j
Bestimmen, zu welchem Segment der Punkt gehört. Punkt X_j gehört zu Segment "I", wenn und nur wenn + l. Unter der Annahme, dass X_j zu Segment i gehört, wird folgendes durchgeführt:
Finden des Punkts X_u, der am nächsten z liegt, und Setzen A0 =u.
Finden des Punkts X_u, der am nächsten liegt, und Setzen AI =u.
Finden des Punkts X_u, der am nächsten zu liegt, und Setzen A2 =u.
Für k=A0 to k= AI, bei ansteigendem k
- Z_k= Z_k + (l-p_i) * Xj / (A1-A0+1)
Für k=Al to k= A2, bei ansteigendem k
- Z_k= Z_k + (p_i) * Xj / (A2-A1 + 1)
Nach dem Beenden der Schleife über sämtliche Histogrammbalken erhält man das geschätzte ^/Λ'ο -Histogram durch Filtern von Z mit einem Filter, dessen Impulsantwort der linken Hälfte einer glockenförmigen Kurve gemäß Fig. 6 entspricht. Verfahren 3
Das Verfahren 3 ist ein numerisches Optimierungs-Verfahren, das als Eingang das geschätzte Es/Nomax -Histogramm empfängt. Das Verfahren versucht denjenigen Satz von Leistungssteuerungsparametern zu finden, der eine von diesen beiden Metriken maximiert:
die geschätzte maximale Last (in Paketen/Zeitschlitz oder Paketen/Sekunde)
die Distanz zu einem gewünschten -Histogramm .
Bei jeder Iteration führt das Verfahren folgendes durch :
Generieren eines neuen Satzes von Leistungssteuerungsparametern Ausführen der Funktion "Anwendung der Leistungssteuerung " unter Verwendung des neuen Satzes von Leistungssteuerungsparametern und des geschätzten -Histogramms. Diese Funktion liefert eine Schätzung des E»/^o -Histogramms.
Optimierungs-Metrik. Es existieren zwei Optionen :
Berechnen der Distanz von dem geschätzten ^/^'o -Histogramm . Die
Distanz muss minimiert werden .
Schätzen der maximalen Last, die unter Verwendung des ^ ^o -Histogramms erzielt werden kann . Die Last muss maximiert werden .
Falls das E»/No -Histogramm die Ziel-Distanz oder Ziel-Last erreicht, wird der Verfahrensablauf gestoppt.
Andernfalls wird ein neuer Satz von Leistungssteuerungsparametern generiert.
Es können verschiedene numerische Verfahren angewandt werden, z. B. Gradientenverfahren mit starkem Abfall/Anstieg, simulierte "Abkühlung" und genetische Verfahren .
In Fig. 10 wird ein Beispiel eines Gradientenverfahrens mit starkem Anstieg gegeben, das zum Maximieren der maximal erzielbaren Last verwendet wird. Falls die Ziel-Last nach einer maximalen Anzahl von Iterationen nicht erreicht wird, wird der Verfahrensablauf gestoppt.
Die Erfindung lässt sich durch die folgenden Eigenschaften definieren:
Mit der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, das als Eingang das E, /N() -Histogramm empfangener Bursts (Pakete) empfängt und als Ausgang einen Satz optimierter Leistungssteuerungsparameter liefert.
Der Verfahrensablauf kann in zwei Schritte unterteilt werden:
- Schritt 1. Dieser deckt die Verfahren 1 und 2 ab. Auf der Basis des ^Λ/Λ'Ο -Histogramms und in Kenntnis des Satzes der von den Sendern verwendeten Leistungssteuerungsparameter wird das -Histogramm geschätzt.
- Schritt 2. Dieser deckt das Verfahren 3 ab. Unter Verwendung des geschätzten /Λ'οίΤΜ!2· -Histogramms wird Satz optimierter Leistungs¬ steuerungsparameter errechnet.
Der Satz optimierter Leistungssteuerungsparameter wird erhalten durch:
- Schätzen des ^/^o -Histogramms unter Verwendung der Leistungssteuerungsparameter und Minimieren der Distanz zu einem gewünschten -Histogramm (z.B. einem gleichförmig verteilten Histogramm in dB).
- Schätzen der maximalen erzielbaren Last auf Basis des geschätzten EX/JSIQ -Histogramms, das durch die Leistungssteuerungsparameter induziert ist.
Beispiel 1
Es sei der Rückwärts-Link eines Satelliten-Kommunikationssystems und insbe¬ sondere einer der Strahlen des Rückwärts- Links betrachtet. Die Sender senden mittels Spread Spectrum Aloha (SSA) mit Zeitschlitzen, und der Empfänger verwendet SIC. Sämtliche Sender verwenden den gleichen Übertragungsmo¬ dus wie z.B. : BPSK-Modulation
Code rate = 1/3
Spreading factor 32
Load 150 Packete /Zeitschlitz
Der Link-Spielraum für einen Sender, der in der Mitte des Strahls positioniert ist, beträgt 20 dB, und das erforderliche für das Dekodieren beträgt Treg = _2.7 dB.
Der Link-Budget-Verlust aufgrund der Position eines Senders in dem Strahl ist und folgt einer gleichförmigen Verteilung (-6,0 dB). Der Sender-Schätzwert von ^b, L}> hat eine Gauß-Verteilung in dB mit einem Mittelwert ^b und einer Standard-Abweichung von 0,5 dB.
Ein Anteil von 25% der Sender erfährt eine Regen-Dämpfung. Die Regen- Dämpfung Lr hat eine Gauß-Verteilung in dB mit einem Mittelwert von -10 dB und einer Standard-Abweichung von 1 dB. Der Sender-Schätzwert der Regendämpfung Lr hat eine Gauß-Verteilung in dB und hat einen Mittelwert und eine Standard-Abweichung von 1 dB.
Modus Es/No_i Es/No_2
1 0 22
Modus p_i
i o.o
In diesem Beispiel werden die Leistungssteuerungsparameter optimiert, um die maximal erzielbare Last zu maximieren.
Der Satz optimierter Leistungssteuerungsparameter lautet: Modus Es/No_i Es/No_2 Es/No_3 Es/No_4 Es/No_s Es/No_6 Es/No_^
1 -1 8 11 14 17 22
Modus p_i p_2 p_3 _ p_5 p_6
1 0.0 0.0372 0-9877 0.4170 0.1715 0.6617
Der Satz optimierter Leistungssteuerungsparameter wird hier als "neue" Leis- tungssteuerungsparameter bezeichnet.
In Fig. 11 ist erkennbar, dass das ^VNo -Histogramm mit den neuen Leistungssteuerungsparametern einer gleichförmigen Verteilung näherkommt als das Histogramm mit den alten Leistungssteuerungsparametern. In Fig. 12 ist die Kurve von of vs ^V^o fu r ^e a|ten u ncj neuen Leistungssteuerungsparameter gezeigt. Es ist ersichtlich, in welcher Weise bei den neuen Leistungssteuerungsparametern die Kurve von Ύ gegenüber ^ ) "flacher" und weiter weg von T^e^ gelegen ist.
Bei den "alten" Leistungssteuerungsparametern betrug die maximale Last 185 Pakete/Zeitschlitz, während bei den neuen Leistungssteuerungsparametern die maximale Last 245 Pakete/Zeitschlitz beträgt. Somit ermöglicht in diesem speziellen Fall das Leistungssteuerungs-Verfahren eine Erhöhung der Last um 32%.
Die Erfindung kann in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet werden, wie z. B. in Satelliten- Kommunikationssystemen und mobilen Kommunikationssystemen . VERZEICHNIS DER ABKÜRZUNGEN
IFFT Inverse Fast Fourier Transformation
FFT Fast Fourier Transformation
SIC Successive Interference Cancellation
SSA Spread Spectrum Aloha
LITERATURVERZEICHNIS
R. De Gaudenzi, 0. Del Rio Herrero, "Advances in Random Access protocols for satellite networks", 2009 International Workshop on Satellite and Space Communications, IWSSC 2009, Siena, Italien
ETSI TS 102 721-3 VI .2.1 "Satellite Earth Stations and Systems; Air Interface for S-band Mobile Interactive Multimedia (S-MIM); Part 3 : Physical Layer Specification, Return Link Asynchronous Access."
EP 2 861 024 AI (entspricht DE 10 2013 221 866 AI)

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Bestimmen der Leistungssteuerungsparameter zur Steuerung der Leistung, mit der in einem Kommunikationssystem Signale von Sendern einer Gruppe von mehreren Sendern zu einem dieser Gruppe zugeordneten Empfänger paketweise gemäß einer Multiplexvor- gabe übertragen werden, wobei bei dem Verfahren
a. die Sender in eine oder mehrere Gruppen unterteilt werden, b. die von den Sendern in einer Gruppe verwendete Sendeleistung derart bestimmt wird, dass das Signal/Interferenz-Verhältnis zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegt, c. jeder Sender einer Gruppe seine Sendeleistung zufallsbasiert derart bestimmt, dass sein Signal-/Rausch-Verhältnis am Empfänger zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegt, d. der Verfahrensablauf zum zufallsbasierten Berechnen der Sendeleistung von einem Wahrscheinlichkeitswert derart abhängt, dass in Abhängigkeit von diesem Wahrscheinlichkeitswert das am Empfänger erzielte Signal-/Rausch-Verhältnis innerhalb des Gesamtbereichs zulässiger Signal-/Rausch-Verhältnisse oder innerhalb des Signal-/Rausch-Verhältnisses liegt, das für die Gruppe zulässig ist, welcher der Sender zugehört,
e. wobei eine erste Tabelle die minimalen und maximalen Signal- /Rausch-Verhältnis-Werte definiert, die bestimmen, welcher Gruppe ein Sender zugehört,
f. wobei eine zweite Tabelle den für den Sender verwendeten Wahrscheinlichkeitswert definiert, um dessen Sendeleistung derart zu bestimmen, dass sein Signal-/Rausch-Verhältnis innerhalb des Gesamtbereichs zulässiger Signal-/Rausch-Verhältnisse oder innerhalb des Signal-/Rausch-Verhältnisses liegt, das für die Gruppe zulässig ist, welcher der Sender zugehört,
dadurch gekennzeichnet,
g. dass neue Werte für die ersten und zweiten Tabellen derart definiert werden, so dass h. die maximale Last in Paketen pro Sekunde maximiert wird, die der Kommunikationskanal unter Aufrechterhaltung einer gewünschten Schwellenwert-Paketfehlerrate akzeptieren kann, und
i. die Distanz eines Histogramms aus empfangenen Signal- /Rausch-Verhältnissen in dB zu einem gleichförmigen Histogramm aus einer Gleichverteilung von Signal-/Rausch-Ver- hältnissen in dB minimiert wird, und
k. dass das Definieren neuer Werte für die ersten und zweiten Tabellen in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei
I. in einem ersten Schritt auf Basis des Histogramms des Signal- /Rausch-Verhältnisses in dB am Empfänger und der vorherigen Werte der Tabellen das Histogramm des maximalen Sig- nal-/Rausch-Verhältnisses in dB geschätzt wird, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden, und
m . in einem zweiten Schritt, in dem als Eingang die Schätzung des Histogramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhältnis- ses in dB verwendet wird, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden, neue Werte für die ersten und zweiten Tabellen berechnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt die folgenden Unterschritte aufweist:
la. Anwenden eines Tiefpassfilters an dem Histogramm des Signal-
/Rausch-Verhältnisses in dB,
lb. Durchführen einer Anfangs-Schätzung des Histogramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhältnisses in dB, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren
Sendeleistung senden würden,
lc. Verwenden eines Modells zum Schätzen des Histogramms des
Signal-/Rausch-Verhältnisses am Empfänger auf Basis des His- togramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhältnisses in dB, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden,
iteratives Verfeinern der Schätzung des Histogramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhältnisses in Dezibel, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden, wobei durch Verwendung eines numerischen Optimierungs-Verfahrens, das versucht, das Histogramm des Signal-/Rausch-Verhältnisses am Empfänger auf Basis des Histogramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhält- nisses in Dezibel, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden, unter Verwendung des Modells gemäß Unterschritt lc) zu finden, die Distanz zu dem am Empfänger vorhandenen tiefpassgefilter- ten Histogramm des Signal-/Rausch-Verhältnisses in Dezibel minimiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt die folgenden Unterschritte aufweist:
2a. als Eingang, Verwenden des Ausgangs des ersten Unterschritts, der eine Schätzung des Histogramms des maximalen Signal- /Rausch-Verhältnisses in Dezibel ist, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden,
2b. Verwenden eines Modells zum Schätzen des Histogramms des Signal-/Rausch-Verhältnisses am Empfänger auf Basis des Histogramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhältnisses in Dezibel ist, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden,
2c. Berechnen der neuen Werte für die ersten und zweiten Tabellen, welche die in Schritt h) und/oder i) definierte Metrik optimieren.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Unterschritt ld) eines der folgenden numerischen Verfahren verwendet wird :
a. ein Gradientenverfahren
b. simulierte "Abkühlung"
c. ein evolutionärer Algorithmus
d. ein konvexes Optimierungsverfahren.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Unterschritt 2c) eines der folgenden numerischen Verfahren verwendet wird :
a. ein Gradientenverfahren
b. simulierte "Abkühlung"
c. ein evolutionärer Algorithmus
d. ein konvexes Optimierungsverfahren.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zum Schätzen des Histogramms des Signal-/Rausch- Verhältnisses am Empfänger auf Basis des Histogramms des maximalen Signal-/Rausch-Verhältnisses in Dezibel, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden, durch die folgenden Unterschritte ausgeführt wird :
a. Annahme, dass die Leistungssteuerparameter in der ersten Tabelle m Signal-/Rausch-Segmente definieren und dass das Histogramm an n Punkten X_l, X_2, ... , X_n definiert ist, wobei der Wert des Histogramms als diese n Punkte als Y_l, Y_2,..., Y_n angegeben ist,
b. Bezeichnen der "m-l"-Werte in der zweiten Tabelle durch p_l, P_2, .. p_m-l,
c. Definieren eines Arrays mit n Elementen Z_l, Z_2, Z_n, und Setzen sämtlicher Elemente auf 0,
d. für jeden Histogramm-Wert X_j, j von 1 bis n : i. Bestimmen, welchem Segment der Punkt zugehört, wobei der Punkt X_j dem Segment "i" dann und nur dann zugehört, wenn X_j zwischen dem i-1 -ten und dem i-ten Eintrag in der ersten Tabelle liegt,
ii. nachdem das Segment bestimmt worden ist und angenommen wird, dass X_j dem Segment i zugehört:
1. Finden des Punktes X_u, der näher an dem ersten Eintrag in der ersten Tablle liegt, und Definieren A0=u.
2. Finden des Punktes X_u, der näher an dem "i-1" -ten Eintrag in der ersten Tabelle liegt, und Definieren Al =u.
3. Finden des Punktes X_u, der näher an dem "i"-ten Eintrag in der ersten Tabelle liegt, und Definieren Al = u.
iii. für k=A0 zu k= AI, bei zunehmendem k
1. Z_k= Z_k + (l-p_i) * Xj / (A1-A0+1)
iv. für k=Al zu k= A2, bei zunehmendem k
1. Z_k= Z_k + (p_i) * Xj / (A2-A1 + 1)
e. nach Beenden der Schleife über die Histogramm-Werte X_j, Erhalt des geschätzten Histogramms des Signal-/Rausch-Verhältnisses am Empfänger durch Filtern des Arrays Z mittels eines Tiefpassfilters.
Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, soweit von Anspruch 2 abhängig, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsantwort des Tiefpassfilters der linken Hälfte einer glockenförmigen Kurve entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 6, soweit von Anspruch 2 abhängig, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangs-Schätzung des Histogramms des maximalen Sig- nal-/Rausch-Verhältnisses in dB, das die Sender erreichen würden, wenn sie mit ihrer maximalen verfügbaren Sendeleistung senden würden, einem Ausgang des ersten Schritts aus der Vergangenheit entspricht, der gespeichert worden ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sendeleistungen, mit denen die Sender der Gruppe senden, innerhalb eines Gesamtsendeleistungsbereichs liegen, und
- jedem Sender ein Parameter zugeordnet wird, der angibt, wie groß die Sendeleistung ist, mit der der betreffende Sender sendet,
- wobei der Parameter anhand einer Zufallszahl sowie anhand von Wahrscheinlichkeitswerten dafür berechnet wird, wie viele Sender der Gruppe mit jeweils einer Sendeleistung senden, die innerhalb verschiedener, vorgebbarer und ihrerseits ebenfalls innerhalb des Gesamtsendeleistungsbereichs liegender Sendeleistungssegmente liegen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine erste Tabelle bereitgestellt wird, in der verschiedene jeweils durch einen unteren Grenzwert und einen oberen Grenzwert definierte Sendeleistungssegmente des Gesamtsendeleistungsbereichs angegeben sind,
- eine zweite Tabelle bereitgestellt wird, in der für jedes Sendeleistungssegment ein statistischer Wahrscheinlichkeitswert enthalten ist, der angibt, wie viele Sender mit einer innerhalb des betreffenden Sendeleistungssegments liegenden Sendeleistung senden,
- wobei jeder Wahrscheinlichkeitswert der zweiten Tabelle einem anderen Sendeleistungssegment zugeordnet ist, womit durch die beiden Tabellen die Erwartung definiert wird, wie viele Sender der Gruppe Signale mit einer innerhalb des jeweiligen Sendeleistungssegments liegenden Sendeleistung senden,
- für jeden Sender eine Zufallszahl bereitgestellt wird, und zwar entweder durch den Sender selbst oder von außerhalb des Senders, anhand derer den jeweiligen Sendern zuzuordnende Wahrscheinlichkeitswerte als deren zugeordnete Parameter berechnet und damit jedem Sender das Sendeleistungssegment zugewiesen wird, innerhalb dessen die Sendeleistung liegt, mit der der betreffende Sender sendet, und
- die Größe der Sendeleistung, mit der der betreffende Sender sendet, innerhalb des diesem Sender zugeordneten Sendeleistungssegments durch eine weitere anhand einer weiteren Zufallszahl erfolgende Berechnung ausgewählt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder Sender eine Maximalsendeleistung aufweist, wobei jeder Sender demjenigen Sendeleistungssegment zugeordnet wird, innerhalb dessen seine Maximalsendeleistung liegt, wobei für jeden Sender eine unter Berücksichtigung einer gleichmäßigen Verteilung auf einen vorgebbaren Zahlenraum berechnete Zufallszahl bereitgestellt wird, und zwar entweder von dem Sender selbst oder von außerhalb des Senders, anhand derer unter Zuhilfenahme des Wahrscheinlichkeitswerts für das dem betreffenden Sender zugeordnete Sendeleistungssegment ermittelt wird, ob die Sendeleistung des Senders zwischen der Untergrenze des betreffenden Sendeleistungssegments und einer Maximalsendeleistung oder zwischen der Untergrenze des Gesamt- sendeleistungsbereichs und seiner Maximalsendeleistung liegt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- jeder Sender eine Maximalsendeleistung aufweist, wobei jeder Sender demjenigen Sendeleistungssegment zugeordnet wird, innerhalb dessen seine Maximalsendeleistung liegt, wobei für jeden Sender eine unter Berücksichtigung einer gleichmäßigen Verteilung auf einen vorgebbaren Zahlenraum berechnete Zufallszahl bereitgestellt wird, die statistisch gleich verteilt innerhalb des Zahlenraums oder zwischen Null und Eins liegen kann, und wobei der betreffende Sender dann, wenn seine Zufallszahl kleiner ist als der Wahrscheinlichkeitswert für das Sendeleistungssegment, dem der Sender zuge- ordnet ist, mit einer Sendeleistung sendet, die zwischen der Untergrenze des Sendeleistungssegments und der Maximalsendeleistung des Senders liegt, und
dann, wenn seine Zufallszahl kleiner ist als der Wahrscheinlichkeitswert für das Sendeleistungssegment, dem der Sender zugeordnet ist, mit einer Sendeleistung sendet, die zwischen der unteren Grenze des Gesamtsendeleistungsbereichs und der Maximalsendeleistung des Senders liegt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sender in unterschiedlichen Modi senden können, wobei pro Modus eine Steuerung der Sendeleistungen sämtlicher Sender, wie oben beschrieben, erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sender mit unterschiedlichen Übertragungsraten senden können, wobei pro Modus eine andere Steuerung der Sendeleistungen sämtlicher Sender, wie oben beschrieben, erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- vor Übertragung eines Signals vom Sender zum Empfänger und/oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen die Steuerung der Sendeleistungen der Sender so, wie oben angegeben, erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Multiplexvorgabe, gemäß der in dem Kommunikationssystem Signale von Sendern einer Gruppe von mehreren Sendern zu einem dieser Gruppe zugeordneten Empfänger paketweise übertragen werden, eine Zufallszugriffsvorgabe ist.
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