Title:
Verfahren zum Übertragen von Daten
Kind Code:
B4


Abstract:

Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird,
wobei der gemeinsame Zugriff auf den Übertragungskanal durch ein Random Access Verfahren erfolgt,
wobei mindestens ein Sender mindestens zwei Replikas eines zu übermittelnden Datenpakets an den Empfänger übermittelt,
wobei beim Empfänger ein Successive Interference Cancellation Verfahren durchgeführt wird,
wobei der zeitliche Abstand, in dem ein Sender zwei Replikas eines Datenpakets an den Empfänger sendet, genau q diskrete Werte annehmen kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Empfänger die folgenden Verfahrensschritte durchführt:
a) Detektieren eines Datenpakets in den empfangenen Daten,
b) Identifizieren einer zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehörenden Replika durch folgende Verfahrensschritte:
b1) Ermitteln des relativen zeitlichen Abstandes, in dem zwei Datenpakete gesendet wurden,
b2) wobei, sofern der in Verfahrensschritt b1) ermittelte relative zeitliche Abstand einem der q möglichen Werte entspricht, die der zeitliche Abstand zweier Replikas desselben Datenpakets annehmen kann, der Empfänger annimmt, dass es sich um zwei Replikas desselben Datenpakets handelt,
wobei das Verfahren folgende Schritte nach Verfahrensschritt b2) aufweist:
Kombinieren der mindestens zwei zusammengehörenden Replikas und
Versuchen das durch die mindestens zwei Replikas repräsentierte Datenpaket zu dekodieren,
wobei gemäß Verfahrensschritt b) mehrere potentielle Replikas identifiziert werden, die potentiell zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehören,
wobei die potentiell zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehörenden Replikas gemäß der Wahrscheinlichkeit sortiert werden, dass sie zum Datenpaket gehören, wobei insbesondere der Empfänger die Replikas bei seinen Dekodierversuchen in der Reihenfolge ihrer Wahrscheinlichkeit mit diesem Datenpaket kombiniert, beginnend mit der Replika mit der höchsten Wahrscheinlichkeit. embedded image




Inventors:
Clazzer, Federico, Dipl.-Ing. (82110, Germering, DE)
Lázaro Blasco, Francisco, Dipl.-Ing. (80686, München, DE)
Application Number:
DE102016202875A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
02/24/2016
Assignee:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102013210360A1N/A2014-12-18



Attorney, Agent or Firm:
dompatent von Kreisler Selting Werner - Partnerschaft von Patentanwälten und Rechtsanwälten mbB, 50667, Köln, DE
Claims:
Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird,
wobei der gemeinsame Zugriff auf den Übertragungskanal durch ein Random Access Verfahren erfolgt,
wobei mindestens ein Sender mindestens zwei Replikas eines zu übermittelnden Datenpakets an den Empfänger übermittelt,
wobei beim Empfänger ein Successive Interference Cancellation Verfahren durchgeführt wird,
wobei der zeitliche Abstand, in dem ein Sender zwei Replikas eines Datenpakets an den Empfänger sendet, genau q diskrete Werte annehmen kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Empfänger die folgenden Verfahrensschritte durchführt:
a) Detektieren eines Datenpakets in den empfangenen Daten,
b) Identifizieren einer zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehörenden Replika durch folgende Verfahrensschritte:
b1) Ermitteln des relativen zeitlichen Abstandes, in dem zwei Datenpakete gesendet wurden,
b2) wobei, sofern der in Verfahrensschritt b1) ermittelte relative zeitliche Abstand einem der q möglichen Werte entspricht, die der zeitliche Abstand zweier Replikas desselben Datenpakets annehmen kann, der Empfänger annimmt, dass es sich um zwei Replikas desselben Datenpakets handelt,
wobei das Verfahren folgende Schritte nach Verfahrensschritt b2) aufweist:
Kombinieren der mindestens zwei zusammengehörenden Replikas und
Versuchen das durch die mindestens zwei Replikas repräsentierte Datenpaket zu dekodieren,
wobei gemäß Verfahrensschritt b) mehrere potentielle Replikas identifiziert werden, die potentiell zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehören,
wobei die potentiell zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehörenden Replikas gemäß der Wahrscheinlichkeit sortiert werden, dass sie zum Datenpaket gehören, wobei insbesondere der Empfänger die Replikas bei seinen Dekodierversuchen in der Reihenfolge ihrer Wahrscheinlichkeit mit diesem Datenpaket kombiniert, beginnend mit der Replika mit der höchsten Wahrscheinlichkeit.

Verfahren zum Übertragen von Daten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der Wahrscheinlichkeit der Replikas bestimmt wird durch die Größe einer Abweichung vom zeitlichen Abstand q, zu dem die Replika relativ zu dem gem. Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gesendet wurde.

Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass gem. Verfahrensschritt a) diejenigen Daten als Datenpaket identifiziert werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um ein Datenpaket handelt, am höchsten ist.

Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch folgenden zusätzlichen Schritt zum identifizieren einer zu dem gem. Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehörenden Replika:
b3) Ermitteln von Eigenschaften des Übertragungskanals oder des Senders für jede empfangene Replika, insbesondere durch Messen der Amplitude, Phase oder Frequenz, mit der jede Replika empfangen wird
b4) Sortieren der empfangenen Replikas gem. ihrer Wahrscheinlichkeit, dass sie zum detektierten Datenpaket gehören, wobei diejenige Replika die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist, deren physikalische Eigenschaften die größte Ähnlichkeit mit den physikalischen Eigenschaften des detektierten Datenpakets aufweisen.

Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren eines Datenpakets in den empfangenen Daten gem. Verfahrensschritt a) unter Verwendung eines Frame Synchronizers erfolgt, der das Vorhandensein einer Präambel im Datenstrom detektiert, die die Präsenz eines Datenpakets anzeigt, wobei insbesondere gem. Verfahrensschritt a) dasjenige Datenpaket ausgewählt wird, dass die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist, dass es sich um ein Datenpaket handelt.

Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass als Successive Interference Cancellation Verfahren CRA, ECRA, ACRA verwendet werden.

Verfahren zum Übertragen von Daten nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender ihre Datenpakete in einem nicht-schlitzbasierten Verfahren an den Empfänger senden.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern gemeinsam genutzt wird.

In Kommunikationsnetzwerken erfolgt die Übertragung von Daten häufig durch Zufallszugriffsverfahren, nämlich ohne Koordinierung und häufig auch ohne Synchronisierung der Nutzer. Ein Beispiel hierfür ist das ALOHA-Protokoll, in welchem jeder Nutzer seine Daten direkt sendet, wenn zu übertragende Daten vorliegen. Wenn während der Übertragung der Nachricht eine Kollision mit der Nachricht eines anderen Nutzers erfolgt, gehen beide kollidierten Nachrichten verloren. Der maximal mögliche Durchsatz des ALOHA-Verfahrens ist aufgrund dieser Tatsache begrenzt auf ca. 18 % der Kanalkapazität. Der Hauptvorteil des ALOHA-Verfahrens gegenüber anderen Verfahren, wie beispielsweise Slotted-ALOHA, CSMA oder CRDSA, liegt in seiner Einfachheit, da eine Synchronisierung der Nutzer nicht notwendig ist.

Ein derartiger Bedarf an Zufallszugriffsverfahren, bei denen die einzelnen Nutzer unkoordiniert und unsynchronisiert übertragen können, besteht beispielsweise in der Satellitenkommunikation.

Da der Zugriff auf den gemeinsamen Übertragungskanal durch die mehreren Sender im Rahmen eines Radom Access Verfahrens erfolgt, treten Kollisionen zwischen den einzelnen Sendern auf. Wegen dieser Kollisionen können einzelne Pakete verloren gehen. Um verlorengegangene Daten wiederherzustellen, können beispielsweise Successive Interference Cancellation (SIC) Algorithmen verwendet werden. Hierzu werden mehrere Replikas eines Datenpaketes innerhalb eines logischen Frames gesendet, wobei jede Replika einen Pointer enthält, der die Position der weiteren Replikas in diesem Frame anzeigt.

Bei interferenzfreiem Empfangen einer der Replikas wird die durch diese Replika verursachte Interferenz von allen identischen Replikas innerhalb des logischen Frames entfernt. Hiernach wird erneut iterativ versucht, die anderen Replikas zu dekodieren. Aufgrund des Entfernens der Interferenz können andere Replikas möglicherweise interferenzfrei und damit dekodierbar sein.

Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

  1. [1] C. Kissling, „Performance Enhancements for Asynchronous Random Access Protocols over Satellite“, in: Proceedings of the ICC 2011. International Conference on Communication, ICC, 5.-9. Juni 2011, Kyoto.
  2. [2] F. Clazzer, C. Kissling „Enhanced Contention Resolution Aloha - ECRA“, in: Proceedings of the 2013 International ITG conference on Systems, Communication and Coding, 2013, Munich, Germany
  3. [3] F. Clazzer, C. Kissling patent application ECRA, DE 10 2012 219 468, Granted 23.01.2014.
  4. [4] P. Robertson. „Optimal Frame Synchronization for Continuous and Packet Data Transmission“, PhD Dissertation, 1995, Fortschrittberichte VDI Reihe 10, Nr. 376

DE 10 2013 210 360 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Sendern zu einem Empfänger über einen gemeinsamen Übertragungskanal. Beim Empfänger wird ein „successive interference cancellation“-Verfahren durchgeführt.

In nicht-schlitzbasierten Verfahren, wie z.B. Contention Resolution Aloha (CRA), kann in einem Datenpaket eine partielle Interferenz vorliegen, die nach wie vor groß genug ist, so dass die einzelnen Replikas eines Datenpakets nicht individuell dekodiert werden können. In diesem Fall ist es möglich, die einzelnen Replikas desselben Datenpakets miteinander zu kombinieren, um die Kollisionen aufzulösen. In Veröffentlichung [2] wird beispielsweise ein Selection Combining Verfahren vorgeschlagen, in dem interferenzfreie Fraktionen der Replikas miteinander kombiniert werden, um Kollisionen aufzulösen. Eine andere Möglichkeit hierfür besteht im Maximal Ratio Combining (MRC). Die Leistungsfähigkeit des MRC-Verfahrens ist derjenigen des Selection Combining Verfahrens überlegen.

In 1 ist ein beispielhaftes Szenario dargestellt, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. 1 stellt einen Frame dar, der durch seine Anfangs- und Endzeit gekennzeichnet ist. Innerhalb dieses Frames versuchen vier Sender Datenpakete zu übermitteln. Jeder Sender übermittelt zwei Replikas seines Datenpakets. Da alle Sender ohne eine Koordination untereinander (d.h. zufällig) auf den Übertragungskanal zugreifen, entstehen Kollisionen. Diese verursachen Interferenzen zwischen den einzelnen Replikas. Die interferenzbehafteten Teile der Replikas sind in 1 mit einem Kreuz markiert.

Es ist erkennbar, dass die erste Replika des ersten Senders dekodiert werden kann. Hiernach kann die durch Replika 7 verursachte Interferenz entfernt werden. Hiernach ist es möglich, Replika 8, die dann interferenzfrei wird, zu dekodieren. Hiernach kann wiederum die durch Replika 2 verursachte Interferenz entfernt werden, wodurch Replika 3 dekodiert werden kann. Hiernach kann die durch Replika 6 verursachte Interferenz entfernt werden, so dass schließlich Replikas 4 und 5 interferenzfrei werden und dekodiert werden können. Das dargestellte Verfahren entspricht der üblichen Funktion von CRA.

Dennoch entstehen Situationen, in denen Datenpakete trotz Anwendung des SIC-Verfahrens nicht dekodiert werden können. Eine solche Situation ist in 2 dargestellt.

Hier interferieren zwei Replikas des ersten Senders (gestrichelt dargestellt) mit den Replikas eines zweiten Senders (durchgehende Linie). Somit kann keine Replika individuell dekodiert werden. In diesem Fall versagt das CRA-Verfahren. Ein derartiges Muster wird üblicherweise als „Loop“ bezeichnet. In 2 ist ein sehr einfacher Loop dargestellt, der ein Dekodieren verhindert. In der Realität existieren komplexere Loops, die eine Vielzahl von Nutzern einschließen.

Das Verhältnis zwischen Signal und Interferenz + Rauschen für ein Symbol kann ausgedrückt werden durch: γs,u,r=PN+Iembedded image

P ist die Signalleistung einer Replika. N ist die Rauschleistung aus dem Kanal und I ist die Interferenzleistung, die aus interferierenden Replikas entsteht. Der Index von γ bezeichnet das s-te Symbol des u-ten Nutzers der Replika r. Jeder Nutzer oder Sender sendet d Replikas in jedem Frame.

In den Veröffentlichungen [2] und [3] wird ein verbessertes Dekodierschema für CRA vorgeschlagen (ECRA: Enhanced Contention Resolution Aloha), das erlaubt, Loops durch Selection Combining zu dekodieren. Hierzu werden interferenzfreie Teile der Replikas desselben Senders miteinander kombiniert, wonach ein Dekodierversuch unternommen wird. In Figur 2 könnte beispielsweise der Beginn der Replika 1 des ersten Senders (gestrichelte Linie) mit dem zweiten Teil der Replika 2 desselben Senders kombiniert werden, so dass ein interferenzfreies virtuelles Datenpaket kreiert werden kann, das dann dekodiert werden kann, so dass die Kollision aufgelöst wird. Selbiges gilt für die Datenpakete des anderen Senders.

Allgemein besteht das Selection Combining Verfahren darin, für jedes Bit eines Datenpakets diejenige Replika auszuwählen, die das größte Verhältnis zwischen Signal zu Rauschen und Interferenz aufweist. Somit wird für den allgemeinen Fall das genannte Verhältnis einer virtuellen Replika für das s-te Symbol des u-ten Senders zu: γs,uSC=maxr{γs,u,r}γs,u,rfür r=1,,dembedded image

Hierbei stellt d die Anzahl der Replikas dar, die durch jeden Nutzer gesendet werden. Im Selection Combining Verfahren wird somit symbolweise diejenige Replika ausgewählt, die das geringste Ausmaß an Rauschen und Interferenz aufweist, so dass aus den jeweils ausgewählten Symbolen die virtuelle Replika generiert wird. Auf diese Weise wird die Gesamtinterferenz reduziert, so dass eine höhere Erfolgswahrscheinlichkeit für das Dekodieren erreicht werden kann.

Eine andere Möglichkeit das CRA-Verfahren zu verbessern, ist das Maximal Ratio Combining (MRC) Verfahren, bei dem auch die empfangenen Signale kombiniert werden. In der weiteren Betrachtung wird angenommen, dass n Replikas eines Signals empfangen werden, wobei jede ein unabhängiges Rauschen/Interferenz aufweist. Es wird angenommen, dass das Verhältnis zwischen Signal und Interferenz + Rauschen für die r-te Replika des u-ten Nutzers γs,u,r ist. Das MRC-Verfahren berechnet eine gewichtete Summe der einzelnen Replikas des Signals, wobei die Gewichte derart gewählt werden, dass das resultierende Verhältnis zwischen Signal und Rauschen + Interferenz des kombinierten Signals maximiert wird. Im MRC-Verfahren entspricht das Verhältnis des Signals zu Rauschen + Interferenz für das kombinierte Signal γs,uMRC=k=1dγs,u,r>γs,uSCγs,u,rembedded image

Das MRC-Verfahren setzt voraus, dass das Verhältnis zwischen Signal und Rauschen + Interferenz für jede Replika bekannt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, kann jeder Replika das gleiche Gewicht zugeordnet werden. In diesem Fall handelt es sich um Equal Ratio Combining (ERC). Alternativ können die Gewichte auch angenähert werden.

Ein Schätzen des Verhältnisses zwischen Signal und Rauschen + Interferenz für jedes Symbol kann durch einen „Signal to Noise Ratio and Interference Estimator“ erfolgen. Hierzu kann beispielsweise ein Energy Detection Verfahren verwendet werden. Alternativ kann ein datengestützter Schätzer verwendet werden, wenn beispielsweise in den Replikas Pilotsymbole enthalten sind, die den Anfang eines Datenpakets kennzeichnen.

Nachteilig an dem beschriebenen Verfahren ist, dass die einzelnen Replikas eines Senders zunächst detektiert und identifiziert werden können, bevor sie miteinander kombiniert werden können, um das Datenpaket zu dekodieren. Wenn Interferenzen vorliegen, stellt das Detektieren und Identifizieren der Replikas eine Herausforderung dar. Unter Umständen kann dies zu einer sehr hohen Dekodierkomplexität führen.

Üblicherweise enthalten Replikas in ihrer Präambel eine Pseudo-Noise (PN) Sequenz, die zum Detektieren der Replikas verwendet wird. Üblicherweise verwenden alle Sender dieselbe Präambel. Der Empfänger verwendet dann einen Detektor für diese Präambel (beispielsweise einen Korrellator), um die Replikas zu detektieren und ihre Kanäle zu schätzen. Üblicherweise erlaubt dies, die undekodierten Replikas zu detektieren. Jedoch können sie hierdurch nicht identifiziert werden. Dies bedeutet, dass der Empfänger nicht weiß, welche Replika von welchem Sender stammt, so dass beispielsweise bei einem Combining Algorithmus nicht bekannt ist, welche Replikas miteinander kombiniert werden können, um anschließend gemeinsam dekodiert zu werden.

Im Folgenden wird dieser Nachteil anhand eines Beispiels näher erläutert. Es wird angenommen, dass das empfangene Signal einen Loop aufweist, so dass kein Dekodieren möglich ist. Weiterhin wird angenommen, dass jeder Sender n = 4 identische Replikas sendet und dass k = 10 Sender in dem Loop involviert sind. Dies bedeutet, dass k · n = 40 undekodierte Replikas übrig bleiben. Ein Empfänger gemäß dem Stand der Technik würde eine der genannten Combining Algorithmen verwenden (MRC, ERC oder Selection Combining), um alle möglichen Paarungen der Replikas herauszufinden und anschließend zu probieren, welche dieser Paarungen zu einem erfolgreichen Dekodieren führt. In dem genannten Beispiel würde der Empfänger eine der 40 Replikas auswählen und versuchen, diese Replika mit allen möglichen Dreierkombinationen mit den übrigen 39 Replikas zu kombinieren. Die Anzahl der möglichen Kombinationen beträgt (k n1n1).embedded image

Dies entspricht 9.139 möglichen Kombinationen. Hieraus resultiert eine sehr hohe Dekodierkomplexität.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Sendern zu einem Empfänger über einen gemeinsamen Übertragungskanal bereitzustellen, das eine geringere Dekodierkomplexität aufweist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren verwenden mehrere Nutzer gemeinsam einen Übertragungskanal zu einem Empfänger. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Szenario in der Satellitenkommunikation handeln, bei dem mehrere Nutzer Daten direkt oder indirekt an einen Satelliten senden, der diese an einen Empfänger weiterleitet. Mindestens ein Sender oder Nutzer übermittelt mindestens zwei Replikas eines zu übermittelnden Datenpakets an den Empfänger. Es ist somit nicht notwendig, dass jeder Sender mindestens zwei Replikas sendet. Es können auch Sender existieren, die nur eine Replika senden. Es ist jedoch bevorzugt, dass mindestens ein Sender oder mehrere Sender mindestens zwei Replikas an den Empfänger übermitteln. Beim Empfänger wird ein Successive Interference Cancellation Verfahren durchgeführt.

Der gemeinsame Zugriff auf den Übertragungskanal erfolgt durch ein Random Access Verfahren.

Der zeitliche Abstand, in dem ein Sender zwei Replikas eines Datenpakets an den Empfänger sendet, kann genau q diskrete Werte annehmen. Es ist bevorzugt, dass die Beschränkung, dass dieser zeitliche Abstand genau q diskrete Werte annehmen kann nicht systeminhärent, sonder eine auferlegte Beschränkung ist. Anders ausgedrückt wird festgelegt, dass der zeitliche Abstand genau q diskrete Werte annehmen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger die folgenden Verfahrensschritte durchführt:

  1. a) In den empfangenen Daten wird ein Datenpaket detektiert. Dies kann unter Verwendung von Verfahren erfolgen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann ein nicht datengestützter Schätzer verwendet werden, der zum Beispiel Energy Detection anwendet. Auch kann ein datengestützter Schätzer verwendet werden, der Pilotsymbole in den Replikas verwendet, die den Beginn eines Datenpakets anzeigen. Beispielsweise kann ein Frame Synchronizer verwendet werden, um Symbole in der Präambel eines Datenpakets zu detektieren, die den Beginn eines Datenpakets kennzeichnen. Der Synchronizer kann ein Korrelator oder eine andere Art von Frame Synchronizer sein. Derartige Frame Synchronizer sind beispielsweise in Veröffentlichung [4] dargestellt. Die dargestellte Suche in der Präambel der Datenpakete kann auch aus vorangegangenen Dekodierschritten vorhanden sein. Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden, wenn alle Sender dieselbe Präambelsequenz verwenden oder aber unterschiedliche Präambelsequenzen verwendet werden.
  2. b) Erfindungsgemäß erfolgt ein Identifizieren einer zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehörenden Replika durch die folgenden Verfahrensschritte:
    • b1) Der relative zeitliche Abstand, in dem zwei Datenpakete gesendet wurden, wird ermittelt.
    • b2) Sofern der in Verfahrensschritt b1) ermittelte relative zeitliche Abstand einen der q möglichen Werte entspricht, die der zeitliche Abstand zweier Replikas desselben Datenpakets annehmen kann, nimmt der Empfänger an, dass es sich um zwei Replikas desselben Datenpakets handelt.

Somit kann auf einfachere Weise festgestellt werden, welche Replikas demselben Datenpaket, das von einem bestimmten Nutzer gesendet wurde, entsprechen. Diese Replikas können dann im Rahmen des Successive Interference Cancellation Verfahrens weiter verwendet werden, um ein erfolgreiches Dekodieren zu erreichen. Insbesondere können diese Replikas durch die eingangs beschriebenen Combining-Algorithmen kombiniert werden (beispielsweise durch MRC, ERC oder Selection Combining). Anschließend wird versucht, das durch die zwei Replikas repräsentierte Datenpaket zu dekodieren.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass gem. Verfahrensschritt b) mehrere potentielle Replikas identifiziert werden, die potentiell zu dem gem. Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gehören.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die potentiell zu diesem Datenpaket gehörenden Replikas gem. der Wahrscheinlichkeit sortiert werden, dass sie zu diesem Datenpaket gehören. Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Empfänger die Replikas bei seinen Dekodierversuchen in der Reihenfolge ihrer Wahrscheinlichkeit mit diesem Datenpaket kombiniert und zwar beginnend mit der Replika mit der höchsten Wahrscheinlichkeit.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht mehr notwendig, sämtliche empfangenen Replikas miteinander zu kombinieren, um ein erfolgreiches Dekodieren zu erreichen. Vielmehr können nur diejenigen Replikas miteinander kombiniert werden, bei denen eine ausreichende Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie das gleiche Datenpaket repräsentieren und von einem einzigen Nutzer gesendet wurden. Hierdurch kann eine wesentlich geringere Dekodierkomplexität erreicht werden. Nähere Betrachtungen hierzu werden im Zusammenhang mit den Figuren der vorliegenden Anmeldung erläutert.

Die Reihenfolge der Wahrscheinlichkeit der Replikas kann beispielsweise bestimmt werden durch die Größe einer Abweichung vom zeitlichen Abstand q, zu dem die Replika relativ zu dem gemäß Verfahrensschritt a) detektierten Datenpaket gesendet wurde.

Es ist bevorzugt, dass gemäß Verfahrensschritt a) diejenigen Daten als Datenpaket identifiziert werden, bei denen die Wahrscheinlichkeit, dass es sich um ein Datenpaket handelt, am höchsten ist.

Das Identifizieren einer zu dem detektierten Datenpaket gehörenden Replika kann ferner folgenden zusätzlichen Schritt aufweisen:

  • b3) Es werden Eigenschaften des Übertragungskanals oder des Senders für jede empfangene Replika ermittelt. Hierbei handelt es sich um physikalische Eigenschaften, die beispielsweise durch Messen der Amplitude, Phase oder Frequenz, mit der jede Replika empfangen wird, erhalten werden können. Dieser Verfahrensschritt beruht auf der Annahme, dass jeder Sender inhärente physikalische Eigenschaften aufweist, die in den von diesem Sender empfangenen Datenpaketen erkennbar sind. Dies trifft ebenfalls auf den Übertragungskanal zu. Dieser unterscheidet sich von Sender zu Sender. Beispielsweise wird sich der Übertragungskanal bei einem einzelnen Sender nicht oder nur sehr wenig verändern, wenn sich dieser Sender nicht bewegt. Gemeinsamkeiten bezüglich der genannten Parameter in den empfangenen Replikas können somit dafür verwendet werden, um herauszufinden, ob diese Replikas vom selben Sender stammen oder nicht.
  • b4) Die empfangenen Replikas werden gemäß ihrer Wahrscheinlichkeit sortiert. Hierbei handelt es sich um die Wahrscheinlichkeit, dass die jeweilige Replika zum detektierten Datenpaket gehört, wobei diejenige Replika die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist, deren physikalische Eigenschaften die größte Ähnlichkeit mit den physikalischen Eigenschaften des detektierten Datenpakets aufweisen.

Es ist bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren ein nicht-schlitzbasiertes Verfahren ist. Dies bedeutet, dass die Zeitpunkte, zu denen die einzelnen Sender ihre Datenpakete senden, nicht zwischen den Sendern synchronisiert sind. Die Erfindung kann jedoch auch in einem schlitzbasierten Verfahren angewendet werden.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

  • 1 und 2 Die aus dem Stand der Technik bekannten Dekodierverfahren,
  • 3 eine Darstellung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zum Stand der Technik.

1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläutert.

Im Folgenden wird ein konkretes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens im Detail dargestellt:

In einer ersten Ausführungsform kann ein Frame Synchronizer eine Reihe von Datenpaket-Kandidaten detektieren, die jeweils eine Präambelsequenz aufweisen, die das Vorhandensein eines Datenpakets anzeigt. Jedem Datenpaket-Kandidaten kann ein Wert zugeordnet werden, der die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins dieser Präambelsequenz anzeigt. Im Folgenden wird angenommen, dass der Empfänger N mögliche Präambelsequenzen detektiert und dass ferner jeder Sender n Replikas jedes Datenpakets sendet.

Der Dekodierer würde dann aus den möglichen Datenpaket-Kandidaten diejenige Präambelsequenz auswählen, die die höchste Wahrscheinlichkeit aufweist. Diese wird im Folgenden als Replika A bezeichnet.

Im weiteren Verlauf wird der Empfänger bestimmen, welche der verbleibenden N - 1 Datenpakete eine Replika darstellen, die mit Replika A kompatibel ist. Dies wird zu einer Reduktion der möglichen Kandidaten-Replikas für das anschließende Combining Verfahren führen. Eine Auswahl der möglicherweise geeigneten Replika-Kandidaten erfolgt durch Betrachtung des relativen Zeitabstands (Delay), in dem diese Replikas relativ zur Replika A gesendet wurden. Es wird somit beim Empfänger jeder Replika der zeitliche Abstand zu Replika A ermittelt. Anschließend wird geprüft, ob dieser zeitliche Abstand den diskreten q möglichen Zeitabständen entspricht. Hierbei kann eine Toleranzschwelle (beispielsweise 1 ms) berücksichtigt werden. Diese kann feststehen oder für jede Replika variieren (beispielsweise in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit).

Die Kandidaten-Replikas können anhand ihrer Wahrscheinlichkeit, dass sie zum selben Sender gehören wie Replika A, sortiert werden. Der Dekodierer kann nun versuchen, Replika A mit den übriggebliebenen Kandidaten-Replikas zu kombinieren, wobei er mit den wahrscheinlichsten Replikas beginnen wird.

Wenn angenommen wird, dass der Empfänger N = 20 mögliche Präambelsequenzen detektiert und dass ferner jeder Sender n = 2 Replikas jedes Datenpakets übermittelt, ergeben sich die folgenden Betrachtungen:

Der Dekodierer wählt eine Replika A aus und ermittelt, welche der verbleibenden N - 1 = 19 Replikas mit Replika A kompatibel sein könnten.

Dies führt dazu, dass die Anzahl der möglichen Kandidaten-Replikas reduziert wird. Beispielsweise kann angenommen werden, dass nur noch vier mögliche Replikas übrig bleiben, die gemäß ihrer Wahrscheinlichkeit, dass sie zum selben Sender wie Replika A gehören, sortiert werden können.

Zusätzlich zum zeitlichen Versatz, in dem die Replikas gesendet werden, können auch weitere physikalische Parameter des Übertragungskanals oder des Senders verwendet werden, um herauszufinden, ob Replikas vom selben Sender gesendet wurden.

Anschließend kann der Dekodierer die identifizierten Replikas miteinander kombinieren und einen Dekodierversuch starten.

Im Folgenden werden einige numerische Betrachtungen dargestellt, um die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verdeutlichen:

Es wird angenommen, dass ein Loop ein Fortführen des Dekodierprozesses unmöglich macht. Es gelten die folgenden Annahmen: Jeder Sender übermittelt n = 4 Replikas jedes Datenpakets, k = 10 Sender sind im Loop involviert. Der zeitliche Abstand (Delay) zwischen den Replikas kann q unterschiedliche Werte annehmen: 1T, 2T, ... QT, wobei T die Dauer einer Replika ist. Alle Replikas verwenden dieselbe Präambel. Der Empfänger kann das Auftreten einer Präambel mit einer Unsicherheit detektieren, die gleichmäßig verteilt ist im Zeitabschnitt - α bis + α. Es wird angenommen, dass α = 1/1.000 T ist, wobei T die Dauer einer Replika darstellt. Es wird zunächst angenommen, dass der Empfänger nur den Delay verwendet, um zu ermitteln, welche Replikas miteinander kompatibel sind.

Ein Empfänger gemäß dem Stand der Technik würde eine bekannte Combining Technik (MRC, ERC oder Selection Combining) verwenden und alle möglichen Paarungen der Replikas miteinander kombinieren. Im genannten Beispiel könnte der Empfänger eine der 40 Replikas auswählen und versuchen, diese mit allen möglichen Dreierkombinationen der verbleibenden 39 Replikas zu kombinieren. Die Anzahl der möglichen Kombinationen beträgt (k n1n1),embedded imagedas heißt insgesamt 9.139 Kombinationen. Im schlimmsten Fall wird der Empfänger alle 9.139 Kombinationen überprüfen müssen. Im Durchschnitt wird die Anzahl der Kombinationen, die der Empfänger überprüfen muss 9.139/2 = 4.569,5 betragen.

Wenn das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, ist die durchschnittliche Anzahl der erforderlichen Kombinationen viel geringer. Es wird davon ausgegangen, dass die Sender asynchron senden. Dies bedeutet, dass der Zeitpunkt, in dem die erste Replika übertragen wird gleichmäßig über die Zeit verteilt ist. Es wird eine der 40 Replikas als Replika A ausgewählt. Die Startzeit dieser Replika A wird als τ bezeichnet. Wenn irgendein Sender U seine Datenübertragung im Zeitintervall τ- α+mT bis τ- α +mT startet, wobei m eine Ganzzahl ist und T die Paketdauer darstellt, werden seine Replikas als geeignete Replika-Kandidaten angesehen. Dies wird als „Frame Synch Collision“ bezeichnet. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein zufällig gewählter Sender eine solche „Frame Synch Collision“ hat, ist pfc=2αT=1/500embedded image

Die Wahrscheinlichkeit, dass für Replika A genau 0 „Frame Synch Collisions“ existieren entspricht (k10)pfc0(1pfc)k1=(1pfc)k1=(11500)9=0.9821embedded image

Dies bedeutet, dass in 98,2 % der Fälle der Empfänger nur eine einzige Wahlmöglichkeit für Kombination zweier Replikas hat. Dies bedeutet, dass wenn ein Kollisions-Loop vorliegt (und unter der Annahme, dass ein Kombinieren der korrekten Replikas zu einem erfolgreichen Dekodieren führt), eine Wahrscheinlichkeit von 98,2 % besteht, erfolgreich dekodieren zu können, indem lediglich eine mögliche Kombination probiert wird.

Entsprechend kann berechnet werden, dass die durchschnittliche Anzahl erforderlicher Kombinationen, die der Empfänger probieren muss, 1,6259 ist.

Wenn der Empfänger zusätzlich zu den bisher dargestellten Informationen über das Delay Informationen über die Frequenz, Phase oder Amplitude beim Empfang der Replikas berücksichtigt, kann die Wahrscheinlichkeit, ein erfolgreiches Dekodieren mit lediglich einer Replika-Kombination zu erreichen, weiter erhöht werden.

Beispielsweise kann angenommen werden, dass unterschiedliche Sender leicht unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Es könnte beispielsweise angenommen werden, dass die Frequenzdifferenzen zwischen den einzelnen Sendern derart sind, dass die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Sender aufgrund ihrer Frequenz während der Untersuchung der Präambel voneinander unterschieden werden können, bei 80 % liegt. In diesem Fall wird die Wahrscheinlichkeit von „Frame Synch Collisions“ um den Faktor 0,2 reduziert (pfc = 1/2500). In diesem Fall ist die Wahrscheinlichkeit für genau 0 „Frame Synch Collicions“ für Replika A 0,9964. Die durchschnittliche Anzahl der erforderlichen Kombinationen, die vom Empfänger probiert werden müssen, beträgt 1,1230.

Die genannten Unterschiede zwischen den einzelnen Sendern hinsichtlich der Frequenz können beispielsweise aufgrund von Unterschieden in den Oszillatoren der einzelnen Sender entstehen. Derartige Unterschiede können auch bewusst herbeigeführt werden, beispielsweise indem die Sender ihre Mittelfrequenz gemäß bestimmter Parameter zufällig bestimmen.

Im Folgenden wird noch die Annahme beleuchtet, dass der zeitliche Versatz zwischen zwei Replikas nicht alle möglichen Werte annehmen kann, sondern auf q mögliche diskrete Werte beschränkt ist. In 3 wird die Leistungsfähigkeit einer Datenübertragung dargestellt, bei der diskrete Delays verwendet wurden. Diese wird einer Datenübertragung gegenübergestellt, bei der das Delay zwischen zwei Replikas jeden beliebigen Wert annehmen kann. Es wurde einmal das CRA Verfahren verwendet, bei dem keine Kombinationstechnik angewandt wurde sowie das ECRA-SC Verfahren, bei dem als Combining Technik Selection Combining verwendet wurde. Wenn eine Diskretisierung angewandt wird, sind Replikas, die durch einen bestimmten Sender gesendet werden, um ein ganzzahliges Vielfaches einer Physical Layer Dauer gegenüber der ersten Replika beabstandet. Dies gilt sowohl für das CRA als auch für das ECRA-SC Verfahren mit Diskretisierung.

Wie in 3 erkennbar, nimmt die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgrund der Diskretisierung nicht maßgeblich ab. Dagegen bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine große Vereinfachung der Dekodierkomplexität.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann neben der Satellitenkommunikation auch im Mobilfunk, Richtfunk, in Sensornetzwerken und in der Luftfahrkommunikation verwendet werden. Grundsätzlich ist eine Anwendung bei jedem Kommunikationskanal möglich, auf den mehrere Nutzer in zufälliger Weise zugreifen. Von besonderem Interesse ist das erfindungsgemäße Verfahren, indem eine große Anzahl von Sendern kleine Datenmengen senden, bei denen Overhead und die Komplexität einer Zeitsynchronisierung der einzelnen Nutzer vermieden werden soll.