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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Daten, wobei ein Übertragungskanal zu einem Empfänger von mehreren Nutzern verwendet wird.
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Wenn der Kommunikationskanal zu einem Accesspoint oder Empfänger, z. B. einem Gateway, von vielen Nutzern gemeinsam genutzt wird, können unterschiedliche Übertragungstechniken angewandt werden, um das Medium zwischen ihnen aufzuteilen. Dies ist beispielsweise der Fall im digitalen, paketbasierten Uplink von mehreren Bodenstationen in Richtung eines Satelliten. Wenn keine Koordination zwischen den Nutzern existiert, d. h. wenn sie ihre Pakete auf derselben Trägerfrequenz und in derselben Zeiteinheit übertragen können und wenn ferner kein Code-Division-Multiple-Access existiert, können Pakete, die durch verschiedene Nutzer übermittelt wurden, auf dem Kommunikationsmedium oder Übertragungskanal kollidieren. Dies bedeutet, dass sie eine Interferenz in anderen Paketen verursachen werden.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Protokoll, das die Lösung dieses Problems eines unkoordinierten, mehrfachen Zugangs anstrebt, ist das Slotted-ALOHA-Schema. Im Slotted-ALOHA wird die Zeitachse (oder Frequenzachse) aufgeteilt in Frames der Länge Tf. Jeder Frame wird ferner aufgeteilt in Ns-Slots der Länge TSA = Tf/Ns. Jeder Nutzer muss seine Paketübertragung an einen Slot anpassen, d. h. eine Synchronisation mit der Framestruktur muss durch jeden Nutzer eingehalten werden. Jeder Nutzer übermittelt dann Daten unabhängig von den anderen und wartet auf eine Bestätigung vom Gateway. Wenn keine Bestätigung empfangen wird, was bedeutet, dass eine Kollision auf dem Kommunikationsmedium stattgefunden hat, überträgt der Nutzer sein Paket erneut mit einem zufälligen Delay. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die Paketübertragung erfolgreich ist. Das Konzept ist in den 1 und 2 dargestellt.
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Wie in 1 erkennbar kollidiert das von User 1 in Frame 1 gesendete Paket nicht, so dass User 1 die Bestätigung des Gateways erhält. Die Pakete der User 2 und 3 kollidieren, so dass diese Nutzer keine Bestätigung erhalten.
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Wie in 2 im Hinblick auf Frame 2 dargestellt, kollidiert das Paket des Nutzers 1 nicht und somit erhält Nutzer 1 die Bestätigung vom Gateway. Nutzer 2 und 3 versuchen, die kollidierten Pakete erneut zu übertragen. Die zufällige Auswahl des Delays führt zum Erfolg, so dass beide erneut übermittelten Pakete nicht kollidieren. Somit erhalten Nutzer 2 und 3 die Bestätigung vom Gateway.
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Das Slotted-ALOHA-Schemat hat eine Packet-Loss-Rate, die eine Funktion des vorhandenen Verkehrs G = Nutzer/Slot ist und die in 3 dargestellt ist.
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Die vorgestellten Verfahren sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
E. Casini, R. De Gaudenzi, O. Del Rio, ”Contention Resolution Diversity slotted Aloha (CRDSA): An Enhanced Random Access Scheme for Satellite Access Packet Networks”, IEEE Transaction an Wireless Communications, April 2007,
Patentanmeldung – US2006/0171418 A1,
A. W. Lam and D. V. Sarwate, ”Time-Hopping and Frequency-Hopping Multiple-Access Packet Communications,” IEEE Transactions an Communications, vol. 38, no. 6, pp. 875–888, June 1990.
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US 6,529,740 B1 beschreibt ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Teilnehmerstationen an einen gemeinsamen Empfänger. Es ist ein ”Group Control Computer” vorgesehen, der die Kommunikation zwischen den Teilnehmerstationen koordiniert, indem jeweils einer Teilnehmerstation ein Token zugewiesen wird, so dass Kollisionen während der Datenübertragung vermieden werden.
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US 2008/0253327 A1 beschreibt ein drahtloses Sensornetzwerk, bei dem die einzelnen Sensoren in Cluster aufgeteilt werden. Jeder Cluster weist einen Clusterhead auf. Die Kommunikation zwischen den einzelnen Clustern erfolgt über die Clusterheads. Hierbei wird durch die Clusterheads für jeden Cluster eine unterschiedliche Frequenz für die Kommunikation verwendet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Übertragen von Daten von mehreren Nutzern zu einem Empfänger über einen gemeinsamen Übertragungskanal unter Verwendung des Slotted-ALOHA-Protokolls bereitzustellen, wobei das Verfahren eine verringerte Packet-Loss-Rate aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Übertragen von Daten wird ein Übertragungskanal durch mehrere Nutzer verwendet. Daten werden von den Nutzern zum Empfänger oder Gateway unter Verwendung des Slotted-ALOHA-Verfahrens übertragen. Dies bedeutet, dass die Zeit oder Frequenz in Slots eingeteilt wird, so dass jeder Nutzer sein Datenpaket in einem dieser definierten Zeit- oder Frequenzslots überträgt.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzer in Cluster aufgeteilt werden, wobei mindestens einer dieser Cluster mehrere Nutzer umfasst, die in der Lage sind, untereinander zu kommunizieren. Somit werden mehrere Nutzer, die in der Lage sind, Daten untereinander auszutauschen, zu einem Cluster kombiniert. Z. B. ist es möglich, dass Nutzer oder Clustermitglieder, die zu einem ersten Cluster gehören, nicht in der Lage sind, mit Nutzern aus einem anderen Cluster zu kommunizieren.
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Gemäß der Erfindung hat jeder Cluster einen Clusterhead, der die Datenübertragung zwischen den Nutzern, die zu diesem Cluster gehören, koordiniert, so dass Kollisionen während der Datenübertragung zwischen den Clustermitgliedern dieses Clusters vermieden werden. Mit anderen Worten, können Kollisionen zwischen Datenpaketen verschiedener Nutzer nur auftreten zwischen Datenpaketen von Nutzern, die zu unterschiedlichen Clustern gehören, während Datenpakete von Nutzern, die zu demselben Cluster gehören, nicht kollidieren werden.
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Durch Verwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Packet-Loss-Rate des Slotted-ALOHA-Verfahrens, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, wie weiter unten gezeigt werden wird, verringert werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Clusterhead eines Clusters sich über die Zeit ändert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird jeder Random-Access-Frame des Slotted-ALOHA-Schemas in eine Kontrollphase, eine Informationsphase und eine Paritätsphase aufgeteilt. In der Kontrollphase stellt der Clusterhead den Clustermitgliedern Informationen bereit, die die Zuordnung von Slots und die Linearkombinationen, die durch jedes Clustermitglied erzeugt werden müssen, betreffen.
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Z. B. kann die Gesamtlänge eines Random-Access-Frame definiert werden als Ns, wobei der Control-Subframe Nc Slots hat, der Informationssubframe Ni Slots hat und der Parity-Subframe Np Slots hat, so dass Nc + Np + Ni = Ns.
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Der Control-Subframe kann die ersten Nc Slots belegen. Der Informationssubframe kann die folgenden Ni Slots belegen. Schließlich kann der Parity-Subframe die letzten Np Slots belegen.
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Es ist bevorzugt, dass in der Informationsphase jedes Clustermitglied sein eigenes Datenpaket übermittelt gemäß der Slotzuweisung, die durch den Clusterhead bereitgestellt wurde. In der Parity-Phase übermittelt jedes Clustermitglied eine Linearkombination gemäß der Slotzuweisung und der Anweisungen betreffend die Linearkombinationen, die durch den Clusterhead bereitgestellt wurden. Die Zuordnung von Slots kann durch den Clusterhead dadurch ausgeführt werden, dass entweder jedem Clustermitglied eine Timehoppingsequenz zugewiesen wird, die Kollisionen mit Sequenzen anderer Clustermitglieder verhindert, oder durch direktes Zuweisen der Slots zum Clustermitglied und durch Kommunizieren dieser Zuweisung zu ihnen. Somit können Kollisionen zwischen Nutzern, die zum selben Cluster gehören, durch diese Koordination vermieden werden.
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Mit anderen Worten, teilt der Clusthead jedem Clustermitglied mit, dass es eine bestimmte Linearkombination seiner Pakete zu berechnen hat (die Information über die exakte Linearkombination wird mitgeteilt). Es mag notwendig sein, dass ein Nutzer ein Set von Linearkombinationen berechnen muss, während Nutzer existieren können, die nicht im Parity-Subframe involviert sind, so dass einige Linearkombinationen 0 sind. Ferner werden die Nutzer durch den Clusterhead darüber informiert, dass sie die berechneten Linearkombinationen in bestimmten Slots des Parity-Subframes übermitteln müssen. In der initialen Protokollphase überträgt jeder Nutzer sein Paket in einem der Ni Slots des Information-Subframes.
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Es ist bevorzugt, dass am Ende des Information-Subframes alle Nutzer die Datenpakete kennen, die durch ihre Cluster-Gefährten gesendet wurden, nämlich durch Nutzer, die zum selben Cluster gehören.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Paritätspakete, die durch die Linearkombinationen gegeben sind, durch die Clustermitglieder berechnet werden und im Parity-Subframe übermittelt werden gemäß den vom Clusterhead empfangenen Instruktionen, wobei k Nutzer in jedem Cluster vorhanden sind. Dies entspricht der Erzeugung von n – k Parity-Paketen mit einem (n, k) linearen Blockcode.
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Das Kodieren kann beispielsweise durch Verwendung eins binären Linearblockcodes durchgeführt werden. Wenn in so einem Fall mit d0, d1, ..., dk-1, die k Dateneinheiten bezeichnet werden, werden die n – k redundanten Einheiten p0, p1, ..., pn-k-1 erhalten als Linearkombinationen der k Dateneinheiten, z. B. pi = gi,0d0 + gi,1d1 + gi,2d2 + gi,3d3 + ... + gi,k-1dk-1, wobei der Koeffizient gi,j entweder gleich 0 oder gleich 1 ist und wobei die Operationen bitweise entlang der u Bits, aus denen die Einheiten bestehen, ausgeführt werden. Codes, die verwendet werden können, sind (jedoch nicht eingeschränkt auf) Hamming-Codes, BCH-Codes, Reed-Muller-Codes, Reed-Solomon-Codes (die jedoch nicht binär sind) etc.
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Es ist ferner bevorzugt, dass jedes Clustermitglied in jedem übertragenen Paket einen Pointer auf die Position im RA-Frame hinzufügt, in der die anderen Pakete, die durch den Cluster erzeugt wurden, gesendet werden und eine Information, die es erlaubt, den durch die Clustermitglieder verwendeten (n, k) Code zu indentifizieren.
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Auf der Empfängerseite wird für jeden Slot eine Detektion durchgeführt, um das Vorhandensein einer Einheit aufzudecken. Wenn eine Einheit detektiert wurde, wird ein Dekodierversuch durchgeführt. Wenn in dem Slot nur eine Einheit vorhanden ist (d. h. es gibt keine Kollisionen), kann das Physical-Layer-Decoding erfolgreich durchgeführt werden. Sobald die Einheit und ihr Header wiederhergestellt wurden, werden sie in einem Speicher zusammen mit dem Index des Slots, in dem sie wiederhergestellt wurden, gespeichert. Wenn eine ausreichende Menge k + d von Einheiten eines Bursts wiederhergestellt wurden (bei Verwendung eines MDS-Codes, wie einem Reed-Solomon-Code entspricht diese Anzahl k) kann der Packetlevel-Decoder verwendet werden, um die verbleibenden n – k – d Einheiten zu rekonstruieren (die Kollisionen in den entsprechenden Slots erfahren haben).
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An diesem Punkt ist es möglich, die Interferenz, die durch die n – k – d Einheiten verursacht wurde, aus den Slots, in denen sie übermittelt wurden, zu entfernen (diese Information ist im Header enthalten, der jeder Einheit beigefügt ist und der somit zusammen mit den empfangenen k – d Einheiten wiederhergestellt wurde). Die Interference Cancellation (IC) kann es somit erlauben, weitere Einheiten wiederherzustellen und die Prozedur kann iterativ weitergeführt werden (IC erlaubt das Bereinigen von Slots und erlaubt ferner das Wiederherstellen anderer Einheiten, die es erlauben, andere Einheiten zu rekonstruieren, deren IC entfernt werden kann usw.).
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Clusterheads als normale Knoten oder Clustermitglieder während der Informations- und Parity-Subframes fungieren.
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Die Cluster können unterschiedliche Größen haben, so dass eine unterschiedliche Anzahl von Nutzern zu einem Cluster kombiniert werden kann, z. B. abhängig von der Frage, welche Nutzer in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungen im Kontext der Figuren beschrieben.
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1 und 2 zeigen das Slotted-ALOHA-Schema gemäß dem Stand der Technik.
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3 zeigt die Packet-Loss-Rate des Slotted-ALOHA-Schemas, das aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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4–6 zeigen ein System von Clustern, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden können.
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7 zeigt die erfindungsgemäßen Subframes des Random-Access-Frames.
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8 zeigt einen Vergleich der Packet-Loss-Rate für Slotted-ALOHA und für das erfindungsgemäße Verfahren.
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1–3 wurden bereits im Kontext des Standes der Technik beschrieben.
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Wie in den 4–6 sichtbar, werden Nutzer 10a–10f zu einem Cluster 10 kombiniert, Nutzer 12a–12f werden zu einem Cluster 12 kombiniert und Nutzer 14a–14f werden zu einem Cluster 14 kombiniert. 10a ist der Clusterhead des Clusters 10, 12a ist der Clusterhead des Clusters 12 und 14a ist der Clusterhead des Clusters 14. Die Nutzer möchten ihre Daten zu einem Empfänger übermitteln, der z. B. ein Satellit 16 sein kann. Dieser Empfänger kann als ein Gateway fungieren und diese Daten erneut übermitteln.
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5 zeigt die Kontrollphase, wo die Clusterheads 10a, 12a, 14a den Clustermitgliedern 10b–f, 12b–f, 14b–f ihre Anweisungen mitteilen.
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Gemäß diesen Anweisungen senden die Nutzer in der Informations- und Parity-Phase, die in 6 dargestellt sind, ihre eigenen Datenpakete und die Linearkombinationen zum Gateway 16.
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Ein Beispiel für einen Random-Access-Frame, der aufgeteilt ist in einen Coordination-Subframe, einen Information-Subframe und einen Parity-Subframe ist in 7 dargestellt. Wie erkennbar ist, senden nur die Clusterheads während des Coordination-Subframes. In der Informationsphase überträgt jeder Nutzer einschließlich des Clusterheads seine eigenen Pakete gemäß der Slotzuordnung. In der Parity-Phase überträgt jeder Nutzer einschließlich des Clusterheads eine Linearkombination gemäß der Slotzuordnung und der Anweisungen betreffend die Linearkombinationen, die durch den Clusterhead bereitgestellt wurden.
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Das Gateway 16 führt dann ein Dekodieren der korrekt empfangenen Pakete (d. h. der interferenzfreien Pakete) durch und stellt die fehlenden Pakete durch Erasure-Decoding wieder her. Der Interferenzbeitrag der wiederhergestellten Pakete wird von den entsprechenden Slots entfernt. Das Gateway iteriert das Dekodieren von interferenzfreien Paketen, Erasure-Decoding und Interference-Cancellation bis alle Pakete wiederhergestellt wurden.
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In 8 ist ein Beispiel der Performance des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hier wird die Packet-Loss-Rate für das Slotted-ALOHA-Schema dargestellt zusammen mit der Performance des kooperativen Protokolls gemäß der Erfindung. Das Szenario berücksichtigt Frames, die in 400 Slots aufgeteilt sind. In der Darstellung beziehen sich die Kurven auf Slotted-ALOHA und das vorgeschlagene Protokoll, wobei in jedem Cluster k = 4 Nutzer sind und wobei der verteilte Code, der durch die Nutzer im Cluster verwendet wird, ein (6,4) Reed-Solomon-Code über einem Galoisfeld der Ordnung 8 ist. Die Verbesserung der Packet-Loss-Rate ist bemerkenswert: Ein PL = 10–2 wird erreicht mit einer Last von mehr als 0,3 für das vorgeschlagene Schema, während das Slotted-ALOHA-System eine Last von ungefähr 0,01 benötigt.
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Das hier vorgeschlagene Verfahren kann angewendet werden in allen Arten von kommerziellen, drahtlosen oder drahtgebundenen Übertragungssystemen. Die diesem Patent zugrundeliegende Idee ist besonders interessant für interaktive Satellitendienste, wie DVB-RCS und drahtlose Sensornetzwerke.
