DE102009005352A1 - ALOHA-ähnliches Vielfachzugriffsverfahren mit reduzierter Kollisionswahrscheinlichkeit - Google Patents

ALOHA-ähnliches Vielfachzugriffsverfahren mit reduzierter Kollisionswahrscheinlichkeit Download PDF

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    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04W74/00Wireless channel access
    • H04W74/08Non-scheduled access, e.g. ALOHA

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  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vielfachzugriffsverfahren für gemeinsam genutzte Funkkanäle oder Übertragungsmedien insbesondere mit CDMA oder Mehrträgerverfahren wie OFDMA und CIFDM nach dem ALOHA oder Slotted ALOHA Prinzip mit reduzierter Kollisionswahrscheinlichkeit, welche durch redundante Mehrfachaussendung auf mindestens zwei Spreizcodes oder frequenzgetrennten Unterträgergruppen erreicht wird. Diese werden zufällig oder pseudozufällig vom Sender ausgewählt, überraschenderweise wird trotz der Doppelbelegung bei geringer und mittlerer Auslastung des Funkkanals die Kollisionswahrscheinlichkeit deutlich reduziert.

Description

  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter mehreren Teilnehmern an einem Kabel- oder Funknetz den Zugriff auf das gemeinsame Übertragungsmedium oder den gemeinsam genutzten Funkkanal so zu koordinieren, dass einerseits die Daten mit möglichst geringer Latenz übertragen werden und andererseits eine möglichst faire Verteilung der Ressourcen unter den Teilnehmern vorgenommen wird.
  • Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Point-to-Multipoint Funknetz, bei dem mehrere Teilnehmer mit einer Basisstation kommunizieren, beispielsweise um jeweils einen Internetzugang nutzen zu können. Bei der Internet-Nutzung kann im Gegensatz zur Telefonie kaum vorhergesagt werden, welcher Teilnehmer zu welchem Zeitpunkt einen hohen Datendurchsatz benötigt.
  • Während bei einem FDD System im Downlink die Verteilung wohldefiniert von der Basisstation per Scheduler vorgenommen werden kann, ergibt sich im Uplink die Problematik, dass entweder zunächst Sendezeit vom Teilnehmer-Modem bei der Basisstation beantragt und zugeteilt werden muss, wodurch sich die Latenzzeit deutlich erhöht. Gleiches gilt für TDD Verfahren mit wohldefinierter Aufteilung der Zeitrahmen in einen Uplink- und Downlink-Anteil. Entsprechende Verfahren sind z. B. in dem IEEE Standard 802.16 in verschiedenen Varianten beschrieben.
  • Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines ALOHA-Konzeptes, bei dem das Teilnehmer-Modem dann sendet, wenn es selber keine Belegung des Funkkanals feststellt (CSMA), wobei es insbesondere zum Ende einer Aussendung zu Kollisionen kommen kann, wenn jedenfalls zwei Modems gleichzeitig Daten zur Aussendung anstehen haben und gleichzeitig auf den Funkkanal zugreifen. In diesem Fall führt gewöhnlich eine Erkennung der Kollision zur Wiederholung der Aussendungen, wobei zur Vermeidung einer erneuten Kollision eine variable Wartezeit (Backoff) eingeführt wird.
  • Dieses Verfahren findet in einer Variante, welche auch das Hidden Station Problem (ein Sender kann die Belegung durch einen anderen Sender nicht erkennen, beide sehen jedoch die Basisstation) berücksichtigt, indem die mögliche Kollision von den eigentlichen Nutzdaten auf ein RTS/CTS-Steuerprotokoll verlagert wird, unter anderem Verwendung beim IEEE 802.11 WLAN.
  • Das Verfahren hat bis zu einer bestimmten Kanalbelegung den Vorteil kleiner Latenzzeiten, diese können jedoch bei hoher Kanalbelegung dramatisch ansteigen.
  • Weiterhin bekannt sind Verfahren wie Slotted ALOHA, bei denen wohldefinierte Zeitschlitze quasi zufällig belegt werden, hierdurch kommt es nicht mehr zu einer Segmentierung des Funkkanals. Auch bekannt sind ALOHA Verfahren in der Frequenz-/Zeitebene, hier wird auf die Contention Based Focused Bandwidth Requests bei IEEE 802.16 verwiesen, welche in einer Zeit-/Frequenzmatrix die kollisionsgefährdeten Bandwidth Requests unterbringen. Damit besteht die Möglichkeit, trotz des grundsätzlichen Polling- und genehmigungsorientierten Ansatzes des 802.16 Standards spontan zumindest Bandbreitenanfragen zu senden, die Zuteilung erfolgt weiterhin zentral mit entsprechender Latenzzeit.
  • Einen weiteren Überblick über den Stand der Technik zu ALOHA Verfahren geben die Patente EP 0134057 B1 , EP 1630715 B1 und EP 0177094 B1 . Allen gemeinsam ist jedoch der Nachteil einer hohen Kollisionswahrscheinlichkeit und somit schlechten Vorhersagbarkeit der Übertragungsqualität, während die Polling-basierten Zugriffsverfahren leider die Latenzzeit erheblich verlängern.
  • Die gleiche Problematik stellt sich bei Zugriffsverfahren auf ein Breitbandkabel mit Kabelmodems, auch hier kann jeweils nur ein Modem zu einer Zeit einen bestimmten Anteil des Kabelspektrums im Uplink belegen.
  • Aufgabenstellung dieser Erfindung ist es, ein Verfahren für den Vielfachzugriff zu finden, welches die Problematik der hohen Kollisionswahrscheinlichkeit bei ALOHA Verfahren und die Problematik der hohen Latenzzeit bei Pollingverfahren für die Steuerung des Vielfachzugriffs auf ein Übertrgungsmedium oder einen Funkkanal möglichst vermeidet.
  • Das Problem wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Gerät in allgemeiner Form gelöst, dessen Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird. Bei dem in Patentanspruch 2 beschriebenen Gerät handelt es sich um die für Mehrträgerverfahren spezialisierte Variante, auf die im Ausführungsbeispiel näher eingegangen wird, das in Patentanspruch 3 beschriebenen Gerät ist für CDMA Verfahren geeignet.
  • Das Ausführungsbeispiel geht zunächst von einem Mehrträgerverfahren aus, bei dem mehrere Funkmodems gleichzeitig senden können, jedoch jeweils nur ein Unterträger durch ein Modem gleichzeitig belegt werden darf, soll es nicht zu einer Kollision kommen. Die Unterträger können rein frequenzgetrennt (FDMA, SC-FDMA) oder auch orthogonal verschachtelt (OFDMA) oder hexagonal ineinandergekämmt (CIFDM) belegt werden, das gesamte Funksignal setzt sich demnach aus einer Vielzahl von Unterträgern zusammen.
  • Im Rahmen eines räumlich-zeitlichen Vielfachzugriffs kann nun ein Funkmodem sowohl eine oder mehrere Unterträgergruppen, denen jeweils bestimmte Unterträger ausschließlich zugeordnet sind, als auch einen oder mehrere Zeitschlitze zum Senden auswählen. Die einer Unterträgergruppe zugeordneten Unterträger können, müssen aber nicht im Spektrum nebeneinander liegen, eine gleichmäßig verschachtelte Verteilung kann unter Fadinggesichtspunkten sinnvoll sein.
  • Ein Funkmodem, welches im Uplink eine Nachricht – wobei es sich unmittelbar um Nutzdaten oder auch um einen Bandwidth Request handeln kann – absetzen möchte, wird nun erfindungsgemäß in diesem Ausführungsbeispiel zum Beginn eines neuen Sendezeitschlitzes mindestens zwei Unterträgergruppen zufällig oder pseudozufällig auswählen und zum Beginn des Zeitschlitzes die anstehende Nachricht redundant auf beiden Unterträgergruppen übertragen.
  • Beispielsweise könnte ein Modem aus 8 möglichen Unterträgergruppen nummeriert von 0 bis 7 die Unterträgergruppen 3 und 5 zur Übertragung auswählen, ein anderes Modem belegt die Gruppen 5 und 6. Hierdurch kommt es zwar auf der Gruppe 5 zu einer Kollision, jedoch werden die Nachrichten beide kollisionsfrei und getrennt auf den Gruppen 3 und 6 übertragen, siehe hierzu auch Bild 1.
  • Überraschenderweise sinkt in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen Kollision für zwei Nachrichten erheblich, obwohl sich die Belegung des Funkkanals verdoppelt. Im Beispiel beträgt die Kollisionswahrscheinlichkeit bei einer Einfachaussendung offensichtlich 1/8, also 0,125, während die Wahrscheinlichkeit einer beide Nachrichten zerstörenden Kollision bei redundanter Mehrfachaussendung auf nur 0,036 absinkt. Eine teilweise Kollision ist aufgrund der redundanten Aussendung irrelevant.
  • Bild 2 zeigt ein entsprechendes Diagramm für 32 Unterträgergruppen, es zeigt sich, dass selbst für stärkere Kanalbelegungen das erfindungsgemäße Verfahren den traditionellen Lösungen deutlich überlegen ist.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß Unteranspruch wird den Modems jetzt von der Basisstation im Downlink signalisiert, welche Unterträgergruppen ordnungsgemäß empfangen wurden und welche von einer lokalen Kollision betroffen sind. Trotz dieser lokalen Kollision ist in der Regel der Empfang der redundant gesendeten Nachricht auf einer anderen Unterträgergruppe möglich. Das Modem kann nun für Folgeaussendungen jene Unterträgergruppe beibehalten, auf welcher für die Bassstation der bestmögliche Empfang besteht und die kollisionsfrei ist. Gleichzeitig wird anderen Modems so signalisiert, diese Unterträgergruppe bis zur Freigabe nicht mehr in weitere Zufallsauswahlen einzubeziehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann diese Belegung dann auch als Reservierung für Folgenachrichten beibehalten werden, ein Zeitgeber steuert dann beispielsweise die Freigabe nach einer vordefinierten Zeit, falls keine weiteren Aussendungen anstehen.
  • Die Auswahl der tatsächlich genutzten Unterträgergruppe bei gar keiner Kollision anhand der Empfangsqualität kann auch dazu genutzt werden, bei CIFDM Verfahren einen Equalizer schneller konvergieren zu lassen. Typischerweise wird bei CIFDM als Ersatz für das Guard-Intervall des OFDM eine Entzerrung der Unterträger mittels adaptiven Equalizer vorgenommen, dabei können auch benachbarte Unterträger des jeweils anderen Kamms mit einbezogen werden, insbesondere bietet sich an, die sechs umliegenden Untersymbole zu einem Symbol sequentiell zu ordnen und dann, so als wären diese Untersymbole nacheinander auf nur einer Unterträger gesendet worden, einem adaptiven LMS oder RLS Filter einzuspeisen. Dabei ist von Untersymbol zu Untersymbol ggf. eine Phasenkorrektur für diese Nachbarsymbole auszuführen, da der Kehrwert deren Frequenzabstands nicht in ganzzahliger Relation zur Symboldauer steht.
  • Zur Beschleunigung der Konvergenz können jetzt im Vielfachzugriffsbereich des Funksignals unterschiedliche Koeffizienten im adaptiven Filter für typische Szenarien eingestellt werden, sofern beide (redundante) Nachrichten empfangen werden können, kann die Unterträgergruppe mit der besseren Voreinstellung fortgeführt werden.
  • Weiterhin kann es zweckmäßig sein, neben dem redundanten Anteil der eigentlichen Nachricht auch nichtredundante Prüfsummen mit zu übertragen, beispielsweise können die parallel zu sendenden Nachrichten unterschiedlich punktiert werden. Bei gleichzeitigem Empfang beider Nachrichten steht so beispielsweise eine erhöhte Zahl an LDPC Prüfbits oder ein erhöhter Anteil an Interleaved vs. Non-Interleaved Prüfbits eines Turbo-Encoders zur Verfügung. In einer sehr fortgeschrittenen Version der Erfindung wäre es auch denkbar, anhand der Prüfbits selbst die Daten auf einer Unterträgergruppe mit einer Kollision wieder zu separieren.
  • In einer weiterhin bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Anzahl der redundant gesendeten Nachrichten abhängig von der Kanalbelegung gesteuert, sofern hinreichend viele Unterträgergruppen belegt oder reserviert sind, kann beispielsweise von einer dreifachen Parallelaussendung auf eine doppelte Parallelaussendung zurückgeschaltet werden, oberhalb eines weiteren Limits wird dann ein klassisches Polling- oder Scheduling-Verfahren verwendet.
  • Sollte eine Kollision trotz der redundanten Aussendung stattfinden, so kann auf die bekannten (Backoff-)Verfahren für ALOHA-Zugriffsschemata zur zufälligen oder pseudozufälligen Wiederholung innerhalb eines Zeitintervalls, welches mit der Anzahl der Fehlversuche exponentiell vergrößert wird, zurückgegriffen werden. Hier bietet sich zusätzlich an, die Redundanz und somit die Anzahl der parallelen Aussendungen auf unterschiedlichen Unterträgergruppen im Fall der Wiederholung zu erhöhen, um eine höhere Wahrscheinlichkeit der korrekten Ankunft wenigstens einer Nachricht zu erhalten.
  • Bei der Nutzung der Erfindung sind auch Mischformen mit klassischen Verfahren denkbar, beispielsweise können Modems mit großen zu sendenden Datenmengen aus dem allgemeinen Vielfachbelegungsverfahren gemäß dieser Erfindung herausgenommen werden und auf völlig getrennten Zeitschlitzen oder Unterträgergruppen per Scheduler geführt werden.
  • Die Erfindung ist ebenfalls für CDMA Verfahren geeignet, hierbei können Nachrichten parallel und redundant auf unterschiedlichen Spreizcodes übertragen werden. Bei Zeitschlitzen ist die Nutzung der Erfindung dann sinnvoll, wenn eine Kollision auf diesen erst mit erheblicher Verzögerung erkannt und gemeldet werden kann.
  • Selbst eine Nutzung auf passiven optischen Netzen bei der Verwendung unterschiedlicher Farben oder Zeitschlitze anstelle der Unterträgergruppen ist möglich, denkbar wäre hier, mehrere auf unterschiedliche Farben (Lichtfrequenzen) abstimmbare Laser parallel zu betreiben, die Farben zufällig auszuwählen und dann die Nachricht parallel über die Laser zu übertragen. Im Fall einer Kollision mit dem Signal eines anderen Teilnehmers auf einer Farbe kann dann die nicht von der Kollision betroffene redundante Nachricht auf einer anderen Farbe genutzt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0134057 B1 [0008]
    • - EP 1630715 B1 [0008]
    • - EP 0177094 B1 [0008]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - IEEE Standard 802.16 [0003]
    • - IEEE 802.11 WLAN [0005]
    • - IEEE 802.16 [0007]
    • - 802.16 Standards [0007]

Claims (10)

  1. Funkgerät, Netzwerkgerät oder sonstiges Kommunikationsgerät oder Baugruppe einschließlich integrierter Schaltkreise eines solchen Gerätes, welches zur Aussendung einer Nachricht auf ein gemeinsam mit anderen solchen Geräten genutztes Übertragungsmedium zugreift, wobei ein Funkkanal in diesem Zusammenhang ebenfalls als Übertragungsmedium bezeichnet wird, welches weiterhin für diesen Zugriff sich eines Verfahrens mit möglichen Kollisionen auf dem Übertragungsmedium bei gleichzeitigem Zugriff mehrerer Geräte bedient, zu diesen Verfahren zählen auch ALOHA und CSMA Zugriffsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollisionswahrscheinlichkeit dadurch reduziert wird, dass zufällig oder pseudozufällig mindestens zwei unterschiedliche Slots oder Sendegelegenheiten oder Frequenzen einschließlich optischer Farben parallel für dieselbe Nachricht benutzt werden, wobei deren Information redundant auf diesen Slots oder Sendegelegenheiten oder Frequenzen oder Farben übertragen wird.
  2. Funkgerät oder sonstiges Kommunikationsgerät oder Baugruppe einschließlich integrierter Schaltkreise eines solchen Gerätes, welches zur Nachrichtenübermittlung ein Mehrträgerverfahren nutzt, insbesondere FDMA, SC-FDMA, OFDM, DMT oder CIFDM, wobei das Mehrträgerverfahren einen parallelen kollisionsfreien Sendezugriff auf einzelne Unterträger oder Gruppen von Unterträgern durch unterschiedliche Geräte erlaubt, eine Belegung der selben Unterträger oder der selben Gruppe durch zwei unterschiedliche Geräte jedoch zur Kollision der Aussendungen führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollisionswahrscheinlichkeit dadurch reduziert wird, dass zufällig oder pseudozufällig mindestens zwei unterschiedliche Unterträger oder Gruppen von Unterträgern parallel für dieselbe zu sendende Nachricht belegt werden, wobei deren Information redundant auf diesen Unterträgern oder Gruppen von Unterträgern übertragen wird.
  3. Funkgerät oder sonstiges Kommunikationsgerät oder Baugruppe einschließlich integrierter Schaltkreise eines solchen Gerätes, welches zur Nachrichtenübermittlung ein CDMA (Code Division Multiple Access) Verfahren nutzt, wobei durch unterschiedliche Spreizcodes ein paralleler kollisionsfreien Sendezugriff durch unterschiedliche Geräte möglich ist, eine Belegung desselben Spreizcodes durch zwei unterschiedliche Geräte jedoch zur Kollision der Aussendungen führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollisionswahrscheinlichkeit dadurch reduziert wird, dass zufällig oder pseudozufällig mindestens zwei unterschiedliche Spreizscodes parallel für dieselbe zu sendende Nachricht benutzt werden, wobei deren Information redundant mit diesen Spreizcodes übertragen wird.
  4. Gerät oder Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder einer Kombination dieser, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger der Nachricht eine Rückantwort sendet, welche den Sendern signalisiert, welche Slots, Sendegelegenheiten, Unterträger, Unterträgergruppen oder Spreizcodes korrekt dekodiert werden konnten, bedarfsweise unter Angabe der jeweiligen Empfangsqualität, wodurch den Sendern Gelegenheit gegeben wird, von Kollisionen betroffene Slots, Sendegelegenheiten, Unterträger, Unterträgergruppen oder Spreizcodes nicht mehr länger mit Folgeaussendungen zu belegen oder die Redundanz in der Aussendung zu eliminieren, wobei vorzugsweise jene Slots, Sendegelegenheiten, Unterträger, Unterträgergruppen oder Spreizcodes mit der besten Empfangsqualität beibehalten werden.
  5. Gerät oder Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder einer Kombination dieser, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der parallelen und damit Redundanz enthaltenden Aussendungen für eine Nachricht an die Auslastung des Übertragungsmediums angepasst wird, wobei die geforderte Anzahl paralleler Aussendungen seitens mindestens einer zentralen Einheit oder Basisstation signalisiert werden kann, wobei zusätzlich bei sehr großer Auslastung des Übertragungsmediums insgesamt oder teilweise auf ein Abfrageverfahren (Polling) für anstehende Aussendungen gewechselt werden kann.
  6. Gerät oder Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Kombination dieser, dadurch gekennzeichnet, dass parallele Aussendungen zusätzlich – nicht redundante – unterschiedliche Prüfsummen oder Forwärtsfehlerkorrekturcodes für die redundant gesendete Nachricht beinhalten oder die einzelne redundante Nachricht mit diesen jeweils unterschiedlich codiert wird, so dass im Fall des gleichzeitigen Empfangs mehrerer Aussendungen mit redundanten Nachrichtengehalt ohne Kollision eine verbesserte Forwärtsfehlerkorrektur der Nachricht ermöglicht wird.
  7. Gerät oder Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Aussendungen weiterhin nicht-redundante Informationsanteile beinhalten, welche bedarfsweise durch Nutzung der enthaltenen Prüfsummen oder Fehlerkorrekturcodes auf Slots, Sendegelegenheiten, Unterträger, Unterträgergruppen oder Spreizcodes mit Kollision vom Empfänger wieder rechnerisch abgetrennt oder herausgerechnet werden.
  8. Gerät oder Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Unterträger oder Gruppen von Unterträgern mit unterschiedlich vorbelegten Vorverzerrer- oder Entzerrer-(Equalizer-)Parameter vorbelegt werden, wobei adaptive Filter zum Einsatz kommen können, wobei im Fall des OFDM und CIFDM auch benachbarte Unterträger zur ICI-Verminderung mit in die Vorverzerrung oder Entzerrung einbezogen werden können, wobei im Fall des CIFDM auch im Zeit-/Frequenzdiagramm benachbarte Untersymbole anderer Sendekämme oder das vorzuverzerrende oder zu entzerrende Untersymbol hexagonal umgebende weitere Untersymbole mit einbezogen werden können.
  9. Gerät oder Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Kombination dieser, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall trotzdem noch vorkommender Kollisionen die Aussendungen nach einer zufällig innerhalb eines Zeitfensters gewählten Pause wiederholt werden, wobei zur Reduzierung der Kollisionswahrscheinlichkeit für diese Wiederholungen die Anzahl der parallelen Aussendungen temporär erhöht werden kann.
  10. Gerät oder Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Kombination dieser, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfolgreiche Belegung mindestens eines Slots, einer Sendegelegenheit, eines Unterträgers, einer Unterträgergruppe oder eines Spreizcodes vorbeugend für weitere Aussendungen mindestens eines Gerätes solange erhalten bleibt und die Belegung entsprechend signalisiert oder im Fall des Fehlens weiterer Daten mit Fülldaten gehalten wird, bis eine vorgegebene Zeit (Timeout) abgelaufen ist, in der keine weiteren Daten zur Übertragung angefallen sind, wobei dieser Slot, diese Sendegelegenheit, diese Unterträger, diese Unterträgergruppe oder dieser Spreizcode während seiner Belegung nicht mehr von anderen Geräten in die Zufallsauswahl einbezogen wird.
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