Title:
Verfahren zum Übertragen von Daten
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, bei dem ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird. Jeder Sender überträgt mehrere Instanzen eines zu übermittelnden Datenpakets innerhalb eines Frames an den Empfänger. Zum Dekodieren wird ein Successive Interference Cancellation Verfahren verwendet. Die Zeitschlitze und Träger, in denen eine Instanz gesendet wird, werden wie folgt bestimmt:
a) Zuordnen eines eindeutigen Identifizierungswertes zu jeder der möglichen konfliktfreien Ninstances Positionen im Frame, wobei Ninstances die Anzahl der Instanzen bezeichnet und ein Frame die Größeaufweist,
b) wobei jedem Sender und dem Empfänger eine Tabelle zur Verfügung steht, in der für jeden eindeutigen Identifizierungswert Koordinatenpaare für alle Instanzen, nämlich die Bezeichnung des jeweils zu verwendenden Zeitschlitzes und die Bezeichnung des jeweils zu verwendenden Trägers für jede Instanz, angegeben sind, so dass jeder Eintrag dieser Tabelle Ninstances Koordinatenpaare für alle Instanzen enthält,
c) wobei jeder Sender den Zeitschlitz und den Träger, in dem seine Instanzen gesendet werden, bestimmt durch Auswählen eines eindeutigen Identifizierungswertes, durch den auf einen Eintrag in der Tabelle verwiesen wird, in dem die Information über die zu verwendenden Zeitschlitze und -träger für alle Instanzen vorhanden ist.




Inventors:
Cocco, Giuseppe, Dr. Ing. (81373, München, DE)
Application Number:
DE102016214067A
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
07/29/2016
Assignee:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
dompatent von Kreisler Selting Werner - Partnerschaft von Patentanwälten und Rechtsanwälten mbB, 50667, Köln, DE
Claims:
1. Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern gemeinsam genutzt wird,
wobei jeder Sender eine oder mehrere identische Instanzen eines zu übermittelnden Datenpakets innerhalb eines Frames an den Empfänger übermittelt,
wobei jeder Frame inunterteilt ist und jede Instanz innerhalb eines Frames jeweils in einem Zeitschlitz übermittelt wird,
wobei Instanzen innerhalb eines Frames im Rahmen eines Multiple-Carrier-Mode auf einem oder mehreren Trägern übertragen werden, deren Anzahl mit Ncarriers bezeichnet wird,
wobei bei interferenzfreiem Empfang einer der Instanzen beim Empfänger ein Successive Interference Cancellation (SIC) Verfahren durchgeführt wird, in dem für alle weiteren Instanzen, die identisch zur interferenzfreien Instanz sind, die von ihnen verursachte Interferenz in anderen Instanzen entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zeitschlitze und Träger, in denen eine Instanz gesendet wird, wie folgt bestimmt werden:
a) Zuordnen jeweils eines eindeutigen Identifizierungswertes zu einer Vielzahl von möglichen Kombinationen von konfliktfreien Positionen für alle Ninstances Instanzen im Frame, wobei Ninstances die Anzahl der Instanzen bezeichnet und ein Frame die Größeaufweist,
b) wobei jedem Sender und dem Empfänger eine Tabelle zur Verfügung steht, in der für jeden eindeutigen Identifizierungswert Koordinatenpaare für alle Instanzen, nämlich die Bezeichnung des jeweils zu verwendenden Zeitschlitzes und die Bezeichnung des jeweils zu verwendenden Trägers für jede Instanz, angegeben sind, so dass jeder Eintrag dieser Tabelle Ninstances Koordinatenpaare für alle Instanzen enthält, wobei jedes Koordinatenpaar eine konfliktfreie Instanzendisposition bezeichnet,
c) wobei ein Sender den Zeitschlitz und den Träger, in dem seine Instanzen gesendet werden, bestimmt durch Auswählen eines eindeutigen Identifizierungswertes, durch den auf einen Eintrag in der Tabelle verwiesen wird, in dem die Information über die zu verwendenden Zeitschlitze und -träger für alle Instanzen vorhanden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tabelle in jedem Sender und dem Empfänger gespeichert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Inhalt der Tabelle in jedem Sender und im Empfänger durch einen Algorithmus ermittelt wird, der allen Sendern und dem Empfänger bekannt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes gemäß Verfahrensschritt c) durch einen Zufallsgenerator erfolgt, der jedem Sender und dem Empfänger zur Verfügung steht und durch den eine Ganzzahl zwischen Null und der maximalen Anzahl aller konfliktfreien Positionen der Ninstances-Instanzen generiert wird,
wobei dem Zufallsgenerator ein Zufallselement, nämlich ein Seed, zugeführt wird, wobei der verwendete Seed insbesondere im Header von jedem Sender zum Empfänger übertragen wird,
wobei der Empfänger bei erfolgreichem Dekodieren einer der Instanzen den Seed verwendet, um durch den Zufallsgenerator den eindeutigen Identifizierungswert zu bestimmen, durch den auf den entsprechenden Eintrag in der Tabelle verweisen wird, in dem die Informationen über die verwendeten Zeitschlitze und -träger für sämtliche Instanzen gespeichert sind, so dass der Empfänger hierdurch die anderen Instanzen lokalisieren und das Successive Interference Cancellation Verfahren fortsetzen kann.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes gemäß Verfahrensschritt c) Informationen aus den Nutzdaten verwendet werden, die von einem Sender zum Empfänger übertragen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sender zur Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes so viele Nutzdaten-Bits verwendet, die mindestens notwendig sind, um alle eindeutigen Identifizierungswerte des Systems binär zu kodieren, d. h. eine Anzahl von Nutzdaten-Bits, die ≥ log2 aller möglichen eindeutigen Identifizierungswerte des Systems ist, wobei dem Empfänger bekannt ist, welche Bits in den Nutzdaten zu verwenden sind, um den binär codierten, eindeutigen Identifizierungswert zu erhalten.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzdaten unmittelbar hintereinander angeordneten Nutzdaten-Bits entnommen werden, um den eindeutigen Identifizierungswert zu kennzeichnen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzdaten-Bits bestimmten Positionen der Nutzdaten entnommen werden, die nicht unmittelbar hintereinander angeordnet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sender zur Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes eine Hashfunktion verwendet, die einem Bit-String aus den Nutzdaten einen eindeutigen Identifizierungswert zuordnet.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sender zur Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes so viele Nutzdaten-Bits verwendet, die mindestens notwendig sind, um alle eindeutigen Identifizierungswerte des Systems binär zu kodieren, d. h. eine Anzahl von Nutzdaten-Bits, die größer gleich dem log2 aller möglichen eindeutigen Identifizierungswerte des Systems ist, wobei die verwendeten Nutzdaten-Bits vom Sender im Header an den Empfänger übertragen werden, der diese sowohl als Nutzdaten interpretiert als auch verwendet, um den eindeutigen Identifizierungswert zu erhalten.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zeitschlitz, unabhängig vom verwendeten Träger, höchstens eine Instanz übertragen wird, so dass eine Instanz nicht mit weiteren Instanzen kollidiert.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Sendern 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 Prozent der Kanalkapazität. Der Hauptvorteil des ALOHA-Verfahrens gegenüber anderen Verfahren, wie beispielsweise Slotted-ALOHA, CSMA oder CRDSA, liegt in seiner Einfachheit, da eine Koordinierung 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.

Während beim reinen ALOHA-Protokoll (Pure-ALOHA) jeder Nutzer zu einem beliebigen Zeitpunkt seine Übertragung starten kann, wird bei Slotted-ALOHA die Zeit in Zeitintervalle eingeteilt, sodass eine Übertragung nur zu Beginn eines Zeitintervalls gestartet werden kann. Dies setzt eine zeitliche Synchronisierung der Nutzer voraus.

Das Slotted-ALOHA-Verfahren steigert die Effizienz gegenüber dem reinen ALOHA-Verfahren auf ca. 37 Prozent. Das Slotted-ALOHA-Verfahren wurde weiterhin durch den Einsatz von SIC-Techniken (Successive Interference Cancellation) weiterentwickelt (CRDSA: Contention Resolution Diversity Slotted Aloha und IRSA: Irregular Repetition Diversity Slotted Aloha). Hierbei wird die Zeit nicht nur in Zeitschlitze, sondern auch in sogenannte Frames, nämlich Gruppen von Zeitschlitzen, unterteilt. Eine Datenübertragung (Datenpaket) wird nicht nur einmal durchgeführt. Im Gegenteil werden innerhalb eines Zeitrahmens (Frames) eine oder mehrere Instanzen eines Datenpaketes gesendet, welche Verweise auf die Positionen der anderen Instanzen besitzen. Wird eine der Instanzen erfolgreich empfangen, kann für alle Kopien die von Ihnen verursachte Interferenz aus dem jeweiligen Gesamtsignal entfernt werden. Hierdurch werden eventuell andere Pakete, welche vorher einer Interferenz unterlagen, dekodierbar. Die Decodierung findet durch iteratives Entfernen von Interferenzen statt, so dass diese Technik als Successive Interference Cancellation bezeichnet wird.

Im Rahmen von IRSA wird die Anzahl der Instanzen nicht statisch vorgegeben, sondern basierend auf einer Wahrscheinlichkeitsverteilung bestimmt.

Beschreibungen der o. g. Verfahren sowie Weiterentwicklungen hiervon sind in den folgenden Veröffentlichungen zu finden:

  • [1] N. Abramson, ”The ALOHA system – another alternative for computer communications”, in Proc. of 1970 Fall Joint Computer Conf., vol. 37, pp. 281–285, AFIPS Press, 1970.
  • [2] G. Choudhury and S. Rappaport, ”Diversity ALOHA – a random access scheme for satellite communications”, IEEE Trans. Commun., vol. 31, pp. 450–457, Mar. 1983.
  • [3] E. Casini, R. De Gaudenzi, O. del Rio Herrero, ”Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA (CRDSA): an enhanced random access scheme for satellite access packet networks”, IEEE Trans. Commun., vol. 6, num. 4, pp. 1408–1419, Apr. 2007.
  • [4] De Gaudenzi, R.; del Rio Herrero, O.; ”Advances in Random Access protocols for satellite networks”, Satellite and Space Communications, 2009. IWSSC 2009. International Workshop on, pp. 331–336, 9–11 Sept. 2009.
  • [5] Liva, G.; ”Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA”, Communications, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, pp. 477–487, February 2011.
  • [6] E. Paolini, G. Liva, and M. Chiani, ”High Throughput Random Access via Codes on Graphs: Coded Slotted ALOHA”, IEEE ICC 2011.
  • [7] Paolini, E.; Liva, G.; Chiani, M.; ”Graph-Based Random Access for the Collision Channel without Feedback: Capacity Bound”, Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE, pp. 1–5, 5–9 Dec. 2011.
  • [8] R. de Gaudenzi; O. Del Rio Herrero; G. Acar; E. Garrido Barrabes, ”Asynchronous Contention Resolution Diversity ALOHA: Making CRDSA Truly Asynchronous”, IEEE Trans. on Wireless Comm., vol. 13, no. 11, pp. 6193–6206, Nov. 2014.
  • [9] ETSI EN 301 545-2: ”Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB. Interactive Satellite System (DVB-RCS2); Part 2: Lower Layers for Satellite Standard”. V1.2.1, April 2014.
  • [10] Noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2015 217 954.0, Anmelder: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V., Erfinder: Dr. Ing. Giuseppe Cocco, 17. September 2015.

Die beschriebenen Verfahren können auf drahtlosen Übertragungskanälen oder anderen Übertragungsmedien Anwendung finden, bei denen mehrere Sender gemeinsamen Zugriff auf den Übertragungskanal haben (wie zum Beispiel auch Ethernet-Kabel oder Glasfaserleitungen). Bei derartigen Verfahren erfolgt der Zugriff auf den gemeinsamen Übertragungskanal unkoordiniert.

Bei Verwendung von mehreren Frequenzträgern ist ein Frame zusammengesetzt aus einer Anzahl von Zeitschlitzen, die wiederum in einer zweidimensionalen Matrix organisiert sind. Diese weist in einer Dimension die Zeitschlitze und in der zweiten Dimension die Anzahl der verschiedenen Träger auf, so dass jeder Schlitz im Frame eindeutig durch seine Trägernummer und den Zeitschlitz identifiziert werden kann. Die Position einer Instanz, nämlich einer Instanz in einem lokalen oder globalen Frame wird zufällig durch den Sender gewählt. Beispielsweise wird im DVB-RCS2-Standard CRDSA verwendet. Da die einzelnen Sender kostengünstig gestaltet werden sollen, kann jeder von ihnen lediglich auf einem Träger gleichzeitig senden, was bedeutet, dass zwei Kopien eines Datenpakets im selben Zeitschlitz nicht auf unterschiedlichen Trägern gesendet werden können. Die Position der Instanzen im Frame wird festgelegt durch Zuordnen einer eindeutigen Nummer zu jedem Schlitz. Anschließend werden durch einen Pseudozufallsgenerator oder einen Zufallsgenerator Zahlen generiert, die gleichförmig in dem Set von Zahlen verteilt sind, die den Zeitschlitzen im Frame entsprechen.

Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, dass, wenn die Ausgabesequenz des Zufallsgenerators zwei oder mehr Zahlen enthält, die im selben Zeitschlitz angeordnet sind, der Zufallsgenerator erneut verwendet werden muss, bis die Positionen aller Instanzen in unterschiedlichen Zeitschlitzen sind. Dies vergrößert die Berechnungskomplexität auf der Sendeseite und bindet Rechnerressourcen.

Das beschriebene Problem besteht bei allen Instanz-basierten Random Access-Verfahren, da beispielsweise auch ACRDA eine virtuelle lokale Frame-Struktur verwendet.

Das in Veröffentlichung [10] beschriebene Verfahren weist den Nachteil auf, dass jeder Sender und auch der Empfänger mit zwei Zufallsgeneratoren ausgestattet sein müssen und ferner die Seeds für die zwei Zufallsgeneratoren im Header der übertragenen Daten übermittelt werden müssen. Die Anzahl der Bits, die erforderlich sind, um diese Seeds zu kodieren, kann bei großen Frame-Größen groß sein, insbesondere wenn die Anzahl der Instanzen Ninstances klein ist. Dies verursacht einen längeren Header und damit eine Verschlechterung der Spektraleffizienz des Systems, da die Seeds keine Nutzdaten übertragen, sondern lediglich dazu verwendet werden, die Instanzen zu lokalisieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Übertragen von Daten über einen gemeinsam genutzten Übertragungskanal bereitzustellen, das eine verbesserte Effizienz 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.

Jeder Nutzer sendet eine oder mehrere Instanzen eines Datenpakets innerhalb eines Frames an den Empfänger. Bei interferenzfreiem Empfang einer der Instanzen beim Empfänger wird von diesem ein Successive Interference Cancellation Verfahren durchgeführt, in dem für alle weiteren Instanzen die identisch zur interferenzfreien Instanz sind, die von Ihnen verursachte Interferenz in anderen Instanzen entfernt wird.

Jeder Frame ist in Zeitschlitze aufgeteilt und jede Instanz wird innerhalb eines Frames jeweils in einem Zeitschlitz übermittelt. Instanzen werden innerhalb eines Frames im Rahmen eines Multiple Carrier-Mode auf mehreren Trägern übertragen. Alternativ können Instanzen innerhalb eines Frames alle über denselben Träger in unterschiedlichen Zeitschlitzen übertragen werden.

Es ist bevorzugt, dass pro Zeitschlitz unabhängig vom verwendeten Träger höchstens eine Instanz übertragen wird, so dass eine Instanz nicht mit weiteren Instanzen kollidiert. Anders ausgedrückt werden innerhalb eines Zeitschlitzes nicht mehrere Instanzen auf verschiedenen Trägern übertragen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitschlitze und -träger, in denen die Instanzen gesendet werden, wie folgt bestimmt werden:

  • a) einer Vielzahl möglicher Kombinationen von konfliktfreien Positionen und bevorzugt für alle Ninstances Instanzen im Frame wird jeweils ein eindeutiger Identifizierungswert zugeordnet. Hierbei bezeichnet Ninstances die Anzahl der Instanzen und ein Frame weist die Größe auf. Anders ausgedrückt verweist jeder eindeutige Identifizierungswert auf eine mögliche Kombination von Positionen für die Instanzen (d. h. deren Zeitschlitz und Träger, in dem die jeweilige Instanz übertragen wird), in der diese Instanzen konfliktfrei angeordnet werden können. Die eindeutigen Identifizierungswerte bezeichnen somit eine Vielzahl von möglichen Kombinationen von konfliktfreien Positionen für die Instanzen. Durch die Auswahl eines eindeutigen Identifizierungswertes wird somit jeder Instanz eine konfliktfreie Position im Frame zugeordnet, das heißt ein Zeitschlitz und ein Träger, indem keine weitere Instanz übertragen wird. Die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswerts ist somit gleichbedeutend mit der Auswahl einer konfliktfreien Instanzendisposition.
  • b) Jedem Sender und dem Empfänger steht eine Tabelle zur Verfügung, in der für jeden eindeutigen Identifizierungswert Koordinatenpaare für alle Instanzen hinterlegt sind. Diese enthalten die Bezeichnung des jeweils zu verwendenden Zeitschlitzes und die Bezeichnung des zu verwendenden Trägers für jede Instanz. Jeder Eintrag in dieser Tabelle enthält somit Ninstances Koordinatenpaare für alle Instanzen. Anders ausgedrückt enthält jeder Eintrag in der Tabelle die Information darüber, in welchem Zeitschlitz und in welchem Träger jede Instanz, d. h. jede Replika eines Datenpakets in einem Frame zu übermitteln ist. Jeder Eintrag in der Tabelle enthält diese Information, bevorzugt ausschließlich für einen einzigen Sender. Jedes Koordinatenpaar bezeichnet somit eine konfliktfreie Instanzendisposition.
  • c) Ein Sender bestimmt den Zeitschlitz und den Träger, in dem seine Instanzen im Frame gesendet werden, durch Auswählen eines eindeutigen Identifizierungswertes, durch den auf einen Eintrag in der Tabelle verwiesen wird. In diesem Eintrag sind die Informationen über die zu verwendenden Zeitschlitze und Träger für alle Instanzen, die dieser Sender senden möchte, vorhanden. Auf Basis dieser Informationen kann somit dieser Sender die zu verwendenden Zeitschlitze und Träger für jede seiner zu übermittelnden Instanzen bestimmen.

Da die Tabelle auch dem Empfänger zur Verfügung steht, kann dieser die Instanzen innerhalb eines Frames lokalisieren, da ihm die verwendeten Zeitschlitze und Träger bekannt sind. Weitere Details hierzu werden im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die Sender nicht mehr zwei Zufallsgeneratoren aufweisen müssen. In Abhängigkeit von der gewählten Ausführungsform können ferner die Informationen, die im Header der Datenpakete zu übermitteln sind, reduziert werden.

Es ist bevorzugt, dass die Tabelle in jedem Sender und in dem Empfänger gespeichert ist.

Alternativ ist es möglich, dass der Inhalt der Tabelle in jedem Sender und in dem Empfänger durch einen Algorithmus ermittelt wird, der allen Sendern und dem Empfänger bekannt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes gemäß Verfahrensschritt c) durch einen Zufallsgenerator, der jedem Sender und dem Empfänger zur Verfügung steht, und durch den eine Ganzzahl zwischen Null und der maximalen Anzahl aller konfliktfreien Positionen der Ninstances-Instanzen generiert wird. Diese Anzahl kann unter Umständen größer als Ninstances sein, zum Beispiel wenn der Frame groß ist und Ninstances klein. In diesem Fall kann diese Zahl mehrere Größenordnungen größer als Ninstances sein.

Es wird dem Zufallsgenerator ein Zufallselement, nämlich ein Seed, zugeführt, wobei der verwendete Seed, insbesondere im Header eines Datenpakets, von jedem Sender zum Empfänger übertragen wird. Bei erfolgreichem Dekodieren einer der Instanzen verwendet der Empfänger den Seed als Eingangswert für seinen Zufallsgenerator, der identisch mit dem Zufallsgenerator der Sender ist, um durch diesen Zufallsgenerator den eindeutigen Identifizierungswert zu bestimmen, durch den auf den entsprechenden Eintrag in der Tabelle verwiesen wird. In diesem sind die Informationen über die verwendeten Zeitschlitze und Träger für sämtliche Instanzen gespeichert, so dass der Empfänger hierdurch die anderen Instanzen lokalisieren und somit das Successive Interference Cancellation Verfahren fortsetzen kann.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes bei einem Sender gemäß Verfahrensschritt c) unter Verwendung von Informationen aus den Nutzdaten erfolgt, die von einem Sender zum Empfänger übertragen werden.

Beispielsweise kann hierzu ein Sender zur Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes so viele Nutzdaten-Bits verwenden, die mindestens notwendig sind, um alle eindeutigen Identifizierungswerte des Systems binär zu kodieren, d. h. eine Anzahl von Nutzdaten-Bits, die ≥ log2 aller möglichen eindeutigen Identifizierungswerte des Systems ist. Hierbei ist dem Empfänger bekannt, welche Bits in den Nutzdaten zu verwenden sind, um den binär kodierten eindeutigen Identifizierungswert zu erhalten. Bei den Nutzdaten-Bits, die den Nutzdaten entnommen werden, kann es sich um unmittelbar hintereinander angeordnete Bits handeln. Diese Ausführungsformen werden diese Bits in den Nutzdaten belassen und somit nicht im Header der Datenpakete aufgenommen. Dies geschieht in einer später beschriebenen Ausführungsform, um eine Abwärtskompatibilität zu gewährleisten.

Alternativ können die Nutzdaten-Bits bestimmten Positionen der Nutzdaten entnommen werden, die nicht unmittelbar hintereinander angeordnet sind.

Hierdurch kann eine Sequenz erreicht werden, die so gleichförmig wie möglich verteilt ist.

Beim Verwenden der Nutzdaten für die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes entsteht der Vorteil, dass die Sender keinen Zufallsgenerator aufweisen müssen und ferner kein Seed im Header von den Sendern an dem Empfänger übertragen werden muss. Hierdurch steigt die Spektraleffizienz des Systems.

Für die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes kann ein Sender auch eine Hashfunktion verwenden, die einem Bitstring aus den Nutzdaten einen eindeutigen Identifizierungswert zuordnet.

Der Vorteil der bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere gegenüber dem Stand der Technik gemäß Veröffentlichung [10], liegt darin, dass der Sender und der Empfänger keinen Zufallsgenerator aufweisen müssen. Ein weiterer Vorteil, der sich insbesondere gegenüber Veröffentlichung [1] ergibt, ist, dass keine zusätzlichen Informationen in die Header der Nachrichten aufgenommen werden müssen, da die zufällige Verteilung der Nutzdaten verwendet wird, um den eindeutigen Identifizierungswert auszuwählen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass ein Teil der zu übertragenden Informationen verwendet wird, um die Position der Instanzen festzulegen.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann ein Sender zur Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes erneut so viele Nutzdaten-Bits verwenden, die mindestens notwendig sind, um alle eindeutigen Identifizierungswerte des Systems binär zu kodieren, d. h. eine Anzahl von Nutzdaten-Bits, die ≥ log2 aller möglichen eindeutigen Identifizierungswerte des Systems ist. In dieser Ausführungsform werden allerdings die verwendeten Nutzdaten-Bits vom Sender im Header an den Empfänger übertragen, der diese sowohl als Nutzdaten interpretiert als auch verwendet, um den eindeutigen Identifizierungswert zu erhalten. Auch hier wird erneut ein Teil der Information, die übertragen wird, verwendet, um die Position der Instanzen festzustellen. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft sein, wenn es notwendig ist, dass die Information über die Position der Instanzen im Header vorhanden ist (beispielsweise um eine Abwärtskompatibilität zu gewährleisten).

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

Es zeigen:

1 einen beispielhaften Frame mit drei Zeitschlitzen und zwei Trägern,

2 ein Beispiel für die Verwendung von Nutzdaten für die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes in einer ersten Ausführungsform und

3 ein Beispiel für die Verwendung von Nutzdaten für die Auswahl des eindeutigen Identifizierungswertes in einer zweiten Ausführungsform.

Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens darzustellen, wird im Folgenden beispielhaft die Gesamtanzahl aller möglichen eindeutigen Identifizierungswerte für den Fall von zwei oder drei Instanzen berechnet. Diese Anzahl entspricht der Anzahl der Einträge in der Tabelle. Je größer diese Anzahl ist, desto größer ist die Erhöhung der Spektraleffizienz, wenn Nutzdaten verwendet werden, um den eindeutigen Identifizierungswert zu bestimmen.

Wenn die Anzahl der Instanzen zwei ist, kann in einemFrame die Gesamtanzahl aller eindeutigen Identifizierungswerte wie folgt berechnet werden:
Zunächst einmal wird die Gesamtanzahl aller möglichen Dispositionen von zwei Instanzen über dieSchlitze des Frames ermittelt. Diese beträgt:Anschließend wird von dieser Anzahl die Anzahl von konfliktbehafteten Dispositionen subtrahiert. Dies geschieht, da diese konfliktbehafteten Dispositionen (d. h. eine Verteilung der Instanzen auf Zeitschlitze und Träger, bei der z. B. zwei Instanzen auf unterschiedlichen Trägern, aber im selben Zeitschlitz, angeordnet sind) nicht in der Tabelle hinterlegt werden soll. Für jeden Zeitschlitz gibt es genaumögliche Dispositionen von zwei Instanzen. Da genauexistieren, ist die Anzahl aller möglichen konfliktbehafteten Dispositionen: Somit kann die Anzahl aller eindeutigen Identifizierungswerte für den Fall, dass zwei Instanzen eines Datenpakets in einem Frame übertragen werden, ermittelt werden gemäß:

Ähnlich kann für den Fall von drei Instanzen ermittelt werden, dass die Anzahl aller eindeutigen Identifizierungswerte ist. In ähnlicher Weise kann die Anzahl der eindeutigen Identifizierungswerte für andere Anzahlen von Instanzen in einem Frame berechnet werden.

Im Folgenden wird ein Beispiel eines Algorithmus dargestellt, durch den in Abhängigkeit von der Framegröße und der Anzahl von Instanzen die eindeutigen Identifizierungswerte ermittelt werden können. Dies ist im Folgenden gezeigt für Dies entspricht einem Frame, wie er in 1 dargestellt ist, bei dem die beiden Träger als Zeilen dargestellt sind, während die Zeitschlitze als drei Spalten dargestellt sind.

Unter Verwendung des Beispiels des in 1 dargestellten Frames wird ein Schlitz durch ein Koordinatenpaar (c, t) bezeichnet, wobei der erste Wert (c) die Träger-ID bezeichnet (die die Werte von 0 oder 1 annehmen kann), während der zweite Wert (t) die Zeitschlitz-ID bezeichnet (die die Werte 0, 1 oder 2 annehmen kann). Zum Beispiel bezeichnet das Koordinatenpaar (0, 0) den Schlitz auf dem Träger mit der ID = 0 und dem Zeitschlitz mit der ID = 0. Eine Möglichkeit für einen Algorithmus, um die eindeutigen Identifizierungswerte für den Fall von Ninstances = 2 zu bestimmen, ist der folgende Punkt. Hierbei kann mit NIL_id = 0 die Disposition mit dem Set von Koordinatenpaaren [(c1, t1)(c2, t2)] = [(0, 0)(0, 1)] bezeichnet werden. NIL_id = 0 bezeichnet den ersten Eintrag in der Tabelle mit den eindeutigen Identifizierungswerten. Jeder eindeutige Identifizierungswert stellt somit einen sogenannten Non-conflicting Instance Location identifier (NIL_id) dar, nämlich eine konfliktfreie Disposition aller Instanzen innerhalb des Frames.

Die Sets an Koordinatenpaaren zu den anderen konfliktfreien Dispositionen kann mit dem folgenden Algorithmus ermittelt werden, der in Pseudocode dargestellt ist und die NIL_id als Input verwendet und das entsprechende Set an Koordinatenpaaren [(c1, t1)(c2, t2)] ausgibt:

Where mod(NIL_id, 4) is the rest of the division between NIL_id and 4.

In 2 ist beispielhaft dargestellt, wie ein Teil der Nutzdaten-Bits ausgewählt werden kann, um den eindeutigen Identifizierungswert bei einem Sender und beim Empfänger zu bestimmen (und somit um die konfliktfreien Instanzenpositionen zu bestimmen). In 1 werden vier Nutzdaten-Bits ausgewählt, gruppiert und als eindeutiger Identifizierungswert (NIL_id) sowohl vom Sender als auch vom Empfänger interpretiert. Sowohl dem Sender als auch dem Empfänger ist die Position dieser Bits bekannt.

In 3 werden vier Bits aus dem zu übertragenden Information bit string übertragen, um den eindeutigen Identifizierungswert zu bezeichnen. Auch diese werden gruppiert und im Header jeder der Instanzen angeordnet. Die restlichen Bits des Information bit string werden als Nutzdaten in jeder der Instanzen übertragen. Auch hier ist die Position der verwendeten Bits sowohl dem Sender als auch dem Empfänger bekannt. Der Empfänger verwendet den eindeutigen Identifizierungswert (NIL_id) im Header sowohl als eindeutigen Identifizierungswert als auch als Teil der Informationsdaten.

Die vorliegende Erfindung kann in drahtlosen terrestrischen Systemen (WiFi-Netzen, Mobilfunknetzen, Sensornetzen) als auch in der Satelliten- oder Luftfahrtkommunikation verwendet werden. Allgemein ausgedrückt kann das erfindungsgemäße Verfahren in allen drahtlosen oder drahtgebundenen Systemen verwendet werden, wo ein Sender mit einem Empfänger kommunizieren möchte (oder mit mehreren Empfängern) und die Kommunikation in einem zweidimensionalen Frame stattfindet. In den dargestellten Beispielen wurde ein Zeit-Frequenz-Frame dargestellt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102015217954 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • N. Abramson, ”The ALOHA system – another alternative for computer communications”, in Proc. of 1970 Fall Joint Computer Conf., vol. 37, pp. 281–285, AFIPS Press, 1970 [0007]
  • G. Choudhury and S. Rappaport, ”Diversity ALOHA – a random access scheme for satellite communications”, IEEE Trans. Commun., vol. 31, pp. 450–457, Mar. 1983 [0007]
  • E. Casini, R. De Gaudenzi, O. del Rio Herrero, ”Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA (CRDSA): an enhanced random access scheme for satellite access packet networks”, IEEE Trans. Commun., vol. 6, num. 4, pp. 1408–1419, Apr. 2007 [0007]
  • De Gaudenzi, R.; del Rio Herrero, O.; ”Advances in Random Access protocols for satellite networks”, Satellite and Space Communications, 2009. IWSSC 2009. International Workshop on, pp. 331–336, 9–11 Sept. 2009 [0007]
  • Liva, G.; ”Graph-Based Analysis and Optimization of Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA”, Communications, IEEE Transactions on, vol. 59, no. 2, pp. 477–487, February 2011 [0007]
  • E. Paolini, G. Liva, and M. Chiani, ”High Throughput Random Access via Codes on Graphs: Coded Slotted ALOHA”, IEEE ICC 2011 [0007]
  • Paolini, E.; Liva, G.; Chiani, M.; ”Graph-Based Random Access for the Collision Channel without Feedback: Capacity Bound”, Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE, pp. 1–5, 5–9 Dec. 2011 [0007]
  • R. de Gaudenzi; O. Del Rio Herrero; G. Acar; E. Garrido Barrabes, ”Asynchronous Contention Resolution Diversity ALOHA: Making CRDSA Truly Asynchronous”, IEEE Trans. on Wireless Comm., vol. 13, no. 11, pp. 6193–6206, Nov. 2014 [0007]
  • ETSI EN 301 545-2: ”Digital Video Broadcasting (DVB); Second Generation DVB. Interactive Satellite System (DVB-RCS2); Part 2: Lower Layers for Satellite Standard”. V1.2.1, April 2014 [0007]