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WO2016016247A1 - Verfahren zur robusten datenübertragung - Google Patents

Verfahren zur robusten datenübertragung Download PDF

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Publication number
WO2016016247A1
WO2016016247A1 PCT/EP2015/067283 EP2015067283W WO2016016247A1 WO 2016016247 A1 WO2016016247 A1 WO 2016016247A1 EP 2015067283 W EP2015067283 W EP 2015067283W WO 2016016247 A1 WO2016016247 A1 WO 2016016247A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
data packet
symbols
receiver
dpi
transmission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2015/067283
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nedzad SILJAK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2016016247A1 publication Critical patent/WO2016016247A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/40169—Flexible bus arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a method for robust data transmission between a transmitter and at least one receiver, wherein a transmission of the data packets takes place via a severely disturbed transmission medium.
  • a data packet which consists of a sequence of symbols is sent out with a predetermined number of re-transmissions to the at least one recipient.
  • Data transfer usually refers to all methods in which information, messages or data are transmitted between at least one sender and at least one recipient.
  • sensor units or other units for automation of a power supply network with one or more central units data and / or messages usually exchanged in the form of data packets or data telegrams over a transmission medium.
  • a transmission medium for data transmission for example, a mobile radio channel, an underwater radio channel or lines of the power supply network is used, these transmission media often have strong interference.
  • the data packets or data telegrams can not be interpreted by a recipient or only incorrectly interpreted.
  • a data packet is usually a self-contained data unit.
  • a data telegram is usually a standardized data packet, which is typically transmitted digitally and serially. It usually becomes the so-called telecontrol and used for control purposes, eg in system automation or in energy automation.
  • data packets or data telegrams eg have a defined length and shape. They consist for example of at least one header or header in which additional information for a recipient (eg address information, coding information, information for error detection, etc.) are stored, and from a user data in which the actual information is transmitted. Due to the given shape and length, data packets or data telegrams, eg from the receiver, can be checked for completeness, usability and freedom from errors.
  • an information content eg a sequence of bits
  • symbols are used in digital transmission technology, from which the data packet to be transmitted is composed.
  • An illustration of a specific sequence of bits on concrete symbols takes place, for example, in the context of a line coding.
  • the simplest and most important symbol alphabets for example, are the so-called unipolar symbols, from which the values 0 or 1 can be assumed, and the so-called bipolar symbols, in which a symbol can be assumed to be 1 or -1. In both cases, a symbol can be assigned exactly the information content of one bit.
  • the individual symbols are then modulated onto a carrier signal by the transmitter as a function of the respective modulation - ie the symbols are imaged, for example, in different amplitude values and phase positions of a carrier signal.
  • a demodulation is then performed in order to separate the symbols from the carrier signal or to obtain the information content of the data packet again.
  • data packets are often sent out with a predetermined number of retransmissions. This can be done for example by a transmission with time diversity of the data packet or by using so-called repeaters.
  • the data packet is transmitted by the transmitter at different times.
  • the receiver receives a number of data packet versions corresponding to the number of retransmissions, wherein the transmitted signal profile of the respective data packet version can be more or less disturbed.
  • repeaters are used in a transmission medium / network, the repeaters should increase the effective range of the transmitted signal with the data packet and, for example, improve the transmission quality by retransmitting this data packet by the repeaters.
  • the recipient then receives the data packet originally sent by the sender as well as the retransmissions of the data packet by the repeaters in the network.
  • the receiver receives several more or less disturbed data packet versions or to the respective data packet versions associated signal waveforms. These versions or waveforms must then be assembled by the receiver, for example, according to certain specifications, for example, to perform a demodulation and to get as error-free as possible to an information content of the data packet.
  • algorithms may be developed for this composition by, for example, optimizing a particular quality of transmission feature, such as maximizing a signal-to-noise ratio, minimizing a bit error or packet error rate.
  • Such algorithms are usually very complex and require a relatively high computing power, which by a corresponding hardware (eg digital signal processors, larger and faster storage units, etc.) in the respective must be used by individual broadcasters and recipients.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method by means of which a robust and implementation-technically simple data transmission and receiver-side simple data interpretation can be realized with several retransmissions of a data packet without much additional computing and hardware expenditure and without additional costs with simple transmitters and receivers ,
  • steps b and c are repeated until a further retransmission is correctly interpreted, or a correct result is provided by the evaluation of the combined symbols, at least one to received re-transmission of the data packet is taken into account.
  • the main aspect of the proposed solution according to the invention is that a robust data transmission for severely disturbed transmission media and simple transmitters and receivers can be realized with a simple implementation method.
  • a repeated evaluation of the respectively received transmission or re-transmission of a data packet or by a simple, symbol-by-symbol combination of the received data packet transmission and of at least one of the received re-transmissions on the receiver side, which is evaluated symbol by symbol a simple implementation as well as a broad applicability, regardless of the particular modulation used (eg frequency shift keying (FSK), phase shift keying (PSK), orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), etc.).
  • FSK frequency shift keying
  • PSK phase shift keying
  • OFDM orthogonal frequency division multiplexing
  • Step c)) received re-broadcasts are used.
  • the re-transmissions considered in the combination must then be stored in the receiver, for example.
  • the method according to the invention can be implemented and used in a simple manner in very simple receivers, such as receivers in wireless sensor networks or receivers for smart grid applications or energy automation applications, even though they have only limited computing power. An extension with eg expensive hardware (eg digital signal processors, memory units, etc.) is therefore not necessary.
  • An expedient embodiment of the method according to the invention provides that a symbol-wise addition of the received symbols of the data packet with the received symbols of the respective retransmission of the data packet is performed by the receiver as a combination rule.
  • the symbols of the currently received re-transmission from the receiver are added to a result of the addition. That is to say, in the case of a first retransmission of a data packet, this retransmission and the received data packet are added symbol by symbol. For all further re-transmissions received and to be evaluated, the respective retransmission is added symbol by symbol to the current addition result.
  • all ready received re-transmissions of the data packet and the data packet itself are taken into account in the evaluation.
  • the result of the addition is then evaluated symbolwise by means of a majority decision.
  • a symbol-wise addition represents a simple arithmetic operation or combination rule, which can be realized without great effort and without complex and expensive hardware in simple receivers.
  • the symbol-wise addition result can then be decoded very easily, for example.
  • the addition result of the respective symbol positions is supplied, for example, to a corresponding decoder.
  • Symbols can often also contain additional information or soft information. Due to the symbol-wise addition, this additional information is retained and is not lost.
  • the predetermined number of retransmissions of the data packet is also sent in a header of the data packet transmitted by the transmitter.
  • the recipient is thus aware of the number of retransmissions of the data packet, which may need to be interpreted maximally, retained / buffered and combined.
  • On the receiver side can be determined in a very simple manner, if at least the header of the data packet has been received correctly, and the.
  • test methods are used by which it is possible to check whether the received data packet at least corresponds to the formal specifications (for example length, shape, etc.).
  • Such a test method is e.g. the cyclic redundancy check (CRC), in which a test value for the data packet is determined to detect errors in the transmission.
  • CRC cyclic redundancy check
  • a so-called CRC value is inserted in the data packet or for part of the data packet, which is calculated according to a specific method and with the aid of which an error occurring during the transmission can be detected.
  • the same calculation method is applied to the data packet or part of the data packet including the attached CRC value. The result then gives conclusion as to whether the data packet or the part of the data packet has arrived unadulterated.
  • the cyclic redundancy check is designed so that errors in the transmission, for example due to noise, etc. are detected with high probability, but it can not be confirmed integrity of the data.
  • the receiver thus shows in a simple way how many retransmissions are interpreted, if necessary retained and symbolically combined.
  • the data packet is transmitted via the transmission medium with a channel coding, in particular a repetition code.
  • a channel coding such as e.g.
  • the channel coding by means of repetition code can be built very cost-effective very robust transmitter / receiver combinations.
  • each bit or symbol of the data packet is repeated at a predetermined code rate (e.g., 1 to 3) prior to transmission, and then the data packet thus encoded is transmitted. This will remove from neighboring symbols - e.g. at a code rate 1 to 3 of the three adjacent symbols - the same information or the same bit transmitted.
  • the receiver can then in a very simple way e.g. First, the combination rule, in particular the addition, are applied to the symbols and then the resulting symbol sequence is decoded.
  • the use of channel coding makes data transmission between transmitter and receiver more robust or less susceptible to interference.
  • the retransmissions of the data packet are carried out offset in time by the sender.
  • the data packet and re-transmissions are transmitted by the transmitter at different times.
  • the recipient will then receive the original data packet and the retransmissions - more or less disturbed - received and can be interpreted and evaluated according to the inventive method. This means that it is first tried to correctly interpret the data packet or the respective retransmission. In case of a detected misinterpretation, the respectively currently received re-transmission is always combined to the combination of the data packet and the respectively received re-transmissions. This new combination is then evaluated.
  • the retransmissions of the data packet can also be carried out with the aid of at least one so-called repeater. In doing so, e.g. in the transmission medium
  • the receiver then receives the data packet sent out by the transmitter in original form and the re-transmissions by the repeaters contained in the transmission medium or communication network for interpretation, storage, combining and evaluation. In this way, the data packet as well as retransmissions for carrying out the method according to the invention and for finding a correct transmission of the data packet are also made available to the receiver.
  • a radio channel a so-called powerline communication channel and / or an underwater channel (eg submarine cable, etc.) are used as the transmission medium.
  • data packets can be correctly interpreted and evaluated despite temporal variations in the transmission quality and disturbances on the receiver side.
  • existing resources - such as an energy supply network for smart meter or energy automation applications by means of power line communication - can be used for error-free data transmission.
  • the transmitters and receivers for a power line communication or PLC transmission method are often kept very simple for cost reasons.
  • the inventive method can therefore without additional Hardware and / or computing effort a robust data transfer for PLC can be achieved.
  • the inventive method can for example be incorporated into existing, standardized PLC transmission methods such as PRIME, G3, etc., which is usually assumed by a relatively undisturbed transmission medium.
  • FIG. 1 shows schematically an exemplary sequence of the method according to the invention for robust data transmission for data packets.
  • FIG. 2 shows, by way of example and schematically, the sequence of the method according to the invention for robust data transmission with an exemplary channel coding.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary transmitter SEI and an exemplary receiver El, which are designed, for example, as simple transmitters SEI and receivers El, such as e.g. Transmitter / receiver in wireless sensor networks, for smart grid or energy automation applications.
  • a transmission medium UE1 such as e.g. a mobile radio channel, underwater radio channel or a powerline communication channel in which lines of a power supply network are used for data transmission, is affected by temporal fluctuations in the transmission quality and strong interference.
  • the exemplary transmitter SEI is a data packet DPI, which consists of a sequence of data units or bits, sent out with a predetermined number of retransmissions. From the transmitter SEI shown in FIG. 1, a transmission method is included for the re-transmissions, for example
  • the transmitter SEI transmits the data packet DPI to be transmitted or a corresponding analog message xl (t) generated by digital modulation at different times t1, t2, t3, etc. to the at least one receiver E1.
  • the number of time-delayed retransmission is predetermined and may be e.g. have a value of five. That From the sender SEI the message xl (t) is retransmitted five times.
  • the number of retransmissions yl (t2), yl (t3), etc. can be sent to the receiver El e.g. be communicated in a header of the transmitted by the transmitter data packet DPI.
  • the data packet DPI to be transmitted or the bit sequence to be transmitted-in FIG. 1 this is the exemplary bit sequence 1, 0, 1, 1, 0-is digitally modulated, for example, to a bipolar symbol sequence and thus to an analog message xl (t).
  • each bit is assigned a symbol, where a 1-value bit is assigned a 1-value symbol, and a 0-value bit is assigned a -1 symbol.
  • the data packet DPI has a symbol sequence of 1, -1, 1, 1, -1, which is then used for data transmission, e.g. be modulated onto a carrier. Any modulation, e.g. FSK, PSK, OFDM, wavelet OFDM, pulse amplitude modulation, etc. are used for the inventive method.
  • no channel coding e.g. a repeat coding applied.
  • the data packet DPI or the corresponding analog message xl (t) from the transmitter SEI for example, time delayed at the times tl, t2, t3, etc. the predetermined number of retransmission (eg five times) sent out in a row.
  • a first transmission yl (tl) of the analogue If xl (t) and the retransmissions yl (t2), yl (t3), etc. are received more or less erroneously by the receiver El.
  • a the receiver receives the first transmission y1 (t1) of the data packet DPI.
  • This first emission y1 (t1) is imaged in the receiver E1 by means of digital demodulation as, for example, a bipolar symbol sequence S11-eg in FIG. 1 as the first received symbol sequence S11 with the exemplary values -1, -1, 1, 1, -1.
  • This first received symbol sequence Sil exemplified in FIG. 1 can then be converted by the receiver El to a first bit sequence Dil or first data packet version Dil having the values 0, 0, 1, 1, 0.
  • the first transmission yl (tl) of the data packet DPI is then interpreted by the receiver El.
  • the receiver El Since the first received symbol sequence Sil or the first data packet version Dil is erroneous - for example, if the first symbol or first bit is incorrect, the receiver El can not perform a correct interpretation. Due to the failed interpretation, the first received symbol sequence Sil is retained by the receiver El and, in a second method step b, is re-transmitted y1 (t2), y1 (t3), etc. of the data packet DPI or the corresponding analog message x1 (t) the transmitter SEI waited. If the receiver El receives a first retransmission y1 (t2), then it is converted into the first received transmission y1 (t1) by means of digital demodulation into, for example, a bipolar symbol sequence S12. The second received symbol sequence S12 in FIG.
  • 1 has, for example, the exemplary values 1, 1, 1, 1, -1 and can be converted in the receiver E1 into a second data packet version D12 having the values 1, 1, 1, 1, 0.
  • the first re-transmission y1 (t2) of the data packet DPI or the second symbol sequence S12 is then interrogated by the receiver E1. preted. Since this second data packet version D12 or this second received symbol sequence S12 also has an error (eg at the second position), this interpretation does not result in a correct interpretation.
  • a third method step c the first received symbol sequence Sil and the second received symbol sequence S12 are combined symbol-by-symbol according to a predetermined combination rule by the receiver E1.
  • the combination rule looks e.g. For example, a symbol-wise addition of the received symbol sequences Sil, S12 (for example, in the case of bipolar symbols with the correct sign) is carried out. That in the sequence of the method according to the invention shown by way of example in FIG. 1, in the third method step c the first received symbol sequence Sil (-1, -1, 1, 1, -1) and the second received symbol sequence S12 (1, 1, 1, 1, -1) combined symbolwise and in the correct sign - eg added. An intermediate combination result has not been shown in FIG. 1 for the sake of simplicity.
  • This intermediate combination result or a result of the combination is then transmitted symbol-by-symbol from the receiver El e.g. evaluated by a majority decision.
  • the symbols of the intermediate combination result are evaluated symbol-by-symbol in accordance with the respective sign of a respective symbol position. According to the respective sign of the symbol position in the intermediate combination result, a negative value is decoded as bit information 0 and a positive value as bit information 1.
  • a fourth method step d the second and third method steps b, c are repeated until at least one further retransmission y1 (t3) of the data packet DPI is correctly interpreted, or from an evaluation of the combined symbols Kl according to the combination rule, a correct result is provided.
  • a correct result is provided.
  • receiver El processes the second method step b as a first part of the fourth method step d and waits for a further second retransmission y1 (t3) of the data packet DPI, which is converted into a third, received symbol sequence
  • a third data packet version D13 (for example with the values 1, 0, 0, 1, 0) can be derived. Since also the third symbol sequence S13 or the third data packet version (for example at the third position) has an error, the interpretation of the third, received symbol sequence S13 by the receiver El also leads to a failed interpretation.
  • the receiver then repeats the third method step c as a second part of the fourth method step d.
  • the symbols of the third received symbol sequence S13 become symbol-wise with the symbols of the first and second symbols
  • Symbol sequence S12, S13 combined according to the predetermined combination rule.
  • the symbols of these three symbol sequences Sil, S13, S13 become symbolwise and, for example, when using bipolar symbols added with the correct sign.
  • a combined symbol K1 or intermediate combination result K1 this results, for example, in a symbol sequence of 1, -1, 1, 3, -3.
  • This intermediate combination result K1 is then evaluated again by the recipient, for example by majority vote.
  • a bit sequence 1, 0, 1, 1, 0 is obtained, which corresponds to the bit sequence of the transmitted data packet. That is, the receiver El decodes the transmitted data packet correctly after the third retransmission y1 (t3). From the evaluation of the combined symbols or the intermediate combination result Kl, a correct result is provided. The receiver El no longer has to wait for the further retransmissions of the data packet DPI.
  • the fourth method step d and thus the second and third method step b, c would be repeated. If necessary, the receiver El waits for the number of retransmissions y1 (t2), y1 (t3), etc. specified in the header of the data packet DPI and takes it into account, unless a retransmission y1 (t2), y1 (t3), etc. are correctly interpreted or an evaluation of an intermediate combination result K1 has led to a correct result.
  • FIG. 2 schematically shows a further exemplary sequence of the method according to the invention for robust data transmission.
  • Figure 2 again shows an exemplary transmitter SE2 and an exemplary receiver E2, between which a very disturbed transmission medium UE2 (e.g., radio channel, underwater radio channel, PLC channel, etc.) e.g.
  • a very disturbed transmission medium UE2 e.g., radio channel, underwater radio channel, PLC channel, etc.
  • UE2 e.g., radio channel, underwater radio channel, PLC channel, etc.
  • data packets DP2 are exchanged.
  • a data packet DP2 with an exemplary bit sequence 1, 0, 1 is transmitted.
  • the channel SE2 uses channel coding with a repetition code for better transmission quality. That is, from the data packet DP2 with the example bit sequence 1, 0, 1, a coded data packet cDP2 is generated by repeating each bit of a given code rate (eg with the code rate 3) before sending. This results in a coded data packet cDP2 with an exemplary bit sequence 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, in which the respective bit is repeated in accordance with the exemplary code rate 3.
  • the coded data packet cDP2 is then imaged by the transmitter SE2 before being sent to a bipolar symbol sequence (eg 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1) and then by digital modulation to an analog message x2 (t) implemented.
  • a bipolar symbol sequence eg 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1
  • repeaters R are used for retransmissions y2 (t2) of the analog message x2 (t), for example.
  • the sender transmits the analog message x2 (t) of the coded data packet cDP2 via the transmission medium UE.
  • This message x2 (t) is received on the one hand by the repeater R and, for example, amplified by this and then retransmitted as retransmission y2 (t2) via the transmission medium UE2.
  • the transmitted analog message x2 (t) is received as the transmission y2 (t1) of the coded data packet cDP2 from the receiver E2 in the first method step a.
  • the transmission y2 (tl) is converted in the receiver E2 by means of digital demodulation into an eg bipolar symbol sequence S21 with the exemplary values (1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1 , 1) implemented.
  • an associated but defective first data packet version D21 can be derived by means of decoding, for example with the bit sequence 0, 0, 1, wherein, for example, it should be taken into account that due to the exemplary channel coding with a code 3 is always represented by three symbols a bit.
  • the transmission y2 (t1) of the coded data packet cDP2 is therefore decoded and interpreted by the receiver E2. Since this emission y2 (tl) is faulty, the receiver E2 can not perform a correct interpretation.
  • the first received symbol sequence S12 is retained by the receiver E2 and in the second method step b a re-transmission y2 (t2), etc. of the coded data packet cDP2 is awaited.
  • a first retransmission y2 (t2) of the at least one repeater R in the communication network is obtained.
  • This first received re-transmission y2 (t2) is then likewise converted by means of digital demodulation into, for example, a bipolar symbol sequence S22 (eg 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1).
  • a second data packet version D22 with the likewise faulty bit sequence 1, 1, 1 can be derived therefrom.
  • the first retransmission y2 (t2) of the coded data packet cDP2 or the second symbol sequence S12 is interpreted by the receiver El. Since this second data packet version D22 or this second received symbol sequence S22 is also erroneous, this interpretation does not result in a correct interpretation either. Therefore, the third method step c is performed. This means that the first symbol sequence S21 of the emission y2 (t1) is combined with the second symbol sequence S22 of the retransmission y2 (t2) according to the predetermined combination rule (eg symbolwise addition) and with a decoder for decoding the channel coding on the basis of the channel coding present in FIG Fed to the repetition code.
  • the predetermined combination rule eg symbolwise addition
  • a symbolic evaluation of the combination result K2 takes place, for example, only after the decoding.
  • the combination result K2 after the decoding results in a decoded, combined symbol sequence K2 with the values 2, -2, 6 for the symbol sequences which are exemplary in FIG. 2, which are then evaluated, for example by means of a majority decision, or converted into a bit sequence DP2 can. If, for example, a bit value 0 is assumed again for negative values and a bit value 1 for positive values as decoding, the bit sequence DP2 for the combination result K2 results in the values 1, 0, 1.
  • the method according to the invention is interrupted by the receiver E2.
  • the fourth method step d or the repetition of the second and third method steps b, c are therefore no longer executed.
  • the fourth method step d is carried out. That From the receiver E2, the combination result K2 is kept and waited for at least one further re-transmission of the coded data packet cDP2, for example, by a further repeater R. This at least one further re-transmission is then converted again into a symbol sequence and is used, for example, as a symbol sequence. decoded for another data package version. The further retransmission or the associated symbol sequence is interpreted in accordance with the second method step b.
  • the third method step c is then executed again, and the further symbol sequence is combined to form the combination result K2 from the first and second symbol sequences S21, S22 in accordance with the predetermined combination rule.
  • the new combination result K2 is then decoded and evaluated. If the result of the evaluation is correct, the method according to the invention is terminated. If the result of the evaluation is not correct, then the fourth method step d is repeated until either one of the further received re-transmissions y2 (t2) are correctly interpreted by the receiver, or from the evaluation of the combined symbols of the received transmission y2 (t1) and at least one until then received re-transmissions y2 (t2) of the encoded data packet cDP2 a correct result is delivered.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Detection And Prevention Of Errors In Transmission (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur robusten Datenübertragung von Datenpaketen (DP1, DP2) zwischen einem Sender (SE1, SE2) und zumindest einem Empfänger (E1, E2). Ein Datenpaket (DP1, DP2), welche aus einer Abfolge an Symbolen besteht, wird dabei eine vorgegebene Anzahl an Wiederaussendungen (y1(t2), y1(t3)...) ausgesendet. Bei erfindungsgemäßen Verfahren wird ein ausgesendetes Datenpaket (DP1, DP2) von dem zumindest einen Empfänger (E1, E2) interpretiert (a) und bei fehlgeschlagener Interpretation auf eine Wiederaussendung (y1(t2), y1(t3)...) dieses Datenpakets (DP1, DP2) gewartet, um diese zu interpretieren (b). Kann auch die Wiederaussendung (y1(t2), y1(t3)...) des Datenpakets (DP1, DP2) nicht interpretiert werden, so werden vom Empfänger (E1, E2) die Symbole (S11, S21) des ursprünglich empfangenen Datenpakets (DP1, DP2) mit den Symbolen (S12, S13, S22) der Wiederaussendung (y1(t2), y1(t3)...) gemäß einer Kombinationsregel symbolweise kombiniert und ausgewertet (c). Bei einer fehlerhaften Auswertung der kombinierten Symbole (K1, K2) werden solange entweder weitere Wiederaussendungen (y1(t2), y1(t3)...) empfangen und interpretiert oder zum ursprünglich empfangenen Datenpaket symbolweise kombiniert, bis eine weitere Wiederaussendung (y1(t2), y1(t3)...) korrekt interpretiert wird, oder von der Auswertung der kombinierten Symbole (k1, K2) ein korrektes Ergebnis geliefert wird, wobei bei einem Erstellen der kombinierten Symbole (K1, K2) zumindest eine bereits empfangene Wiederaussendung (y1(t2), y1(t3)...) mitberücksichtigt werden.

Description

Besehreibung
Verfahren zur robusten Datenübertragung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur robusten Datenübertragung zwischen einem Sender und zumindest einem Empfänger, wobei eine Übertragung der Datenpakete über ein stark gestörtes Übertragungsmedium erfolgt. Ein Datenpaket, welches aus einer Abfolge von Symbolen besteht, wird dabei mit einer vorgegebenen Anzahl an Wiederaussendungen zu dem zumindest einen Empfänger ausgesendet.
Stand der Technik
Mit Datenübertragung werden üblicherweise alle Methoden bezeichnet, bei welchen Informationen, Nachrichten bzw. Daten zwischen zumindest einem Sender und zumindest einem Empfänger übermittelt werden. So werden z.B. auf dem Gebiet der Energieautomatisierung zwischen Energiezählereinheiten (so genannten intelligenter Zähler oder Smart-Meter) , Sensoreinheiten oder anderen Einheiten für eine Automatisierung eines Energieversorgungsnetzes mit einer oder mehreren Zentraleinheiten Daten und/oder Nachrichten üblicherweise in Form von Datenpaketen oder Datentelegrammen über ein Übertragungsmedium ausgetauscht. Als Übertragungsmedium für die Datenübertragung wird beispielsweise ein Mobilfunkkanal, ein Unterwasserfunkkanal oder Leitungen des Energieversorgungsnetzes eingesetzt, wobei diese Übertragungsmedien häufig starke Störungen aufweisen. Dadurch können die Datenpakete bzw. Datentelegramme von einem Empfänger nicht oder nur fehlerhaft interpretiert werden .
Als Datenpaket wird üblicherweise eine in sich geschlossene Dateneinheit. Ein Datentelegramm ist ein meist standardisiertes Datenpaket, welches typischerweise digital und seriell übermittelt wird. Es wird meist zum so genannten Fernwirken und für Steuerungszwecke z.B. bei einer Systemautomatisierung oder in der Energieautomatisierung eingesetzt. Üblicherweise weisen Datenpakete bzw. Datentelegramme z.B. eine definierte Länge und Form auf. Sie bestehen beispielsweise zumindest aus einem Kopfteil oder Header, in welchem Zusatzinformationen für einen Empfänger (z.B. Adressinformationen, Kodierungsinformationen, Information für Fehlererkennung, etc.) hinterlegt sind, und aus einem Nutzdatenanteil, in welchem die eigentliche Information übertragen wird. Durch die vorgegebene Form und Länge können Datenpakete bzw. Datentelegramme z.B. vom Empfänger auf Vollständigkeit, Brauchbarkeit und Fehlerfreiheit geprüft werden.
Für die Übertragung eines Informationsgehalts (z.B. einer Abfolge an Bits) werden in der digitalen Übertragungstechnik Symbole eingesetzt, aus welchen sich das zu übertragenden Datenpaket zusammensetzt. Eine Abbildung einer bestimmten Abfolge von Bits auf konkrete Symbole erfolgt z.B. im Rahmen einer Leitungskodierung. Zu den einfachsten und wichtigsten Symbolalphabeten werden beispielsweise die so genannten unipolaren Symbole, von welchen die Werte 0 oder 1 angenommen werden können, und die so genannten bipolaren Symbole, bei welchen von einem Symbol den Wert 1 oder -1 angenommen werden kann. In beiden Fällen kann einem Symbol genau der Informationsgehalt von einem Bit zugeordnet werden. Für die Übertragung des Datenpakets über das Übertragungsmedium werden dann die einzelnen Symbole in Abhängigkeit der jeweiligen Modulation vom Sender auf ein Trägersignal aufmoduliert - d.h. die Symbole werden z.B. in unterschiedlichen Amplitudenwerten und Phasenlagen eines Trägersignal abgebildet. Empfängerseitig wird dann eine Demodulation durchgeführt, um die Symbole vom Trägersignal zu trennen bzw. um den Informationsgehalt des Datenpakets wieder zu erhalten. Durch z.B. physikalisch bedingte Störungen im Übertragungsmedium wie z.B. Rauschen kann es dann beispielsweise empfängerseitig zu einer fehlerhaften Demodulation und damit Interpretation der übertragenen Symbole kommen, da diese durch die Störungen verändert wurden. Um beispielsweise bei Übertragungsmedien mit ausgeprägten Störungen wie z.B. einem Funkkanal, Unterwasserfunkkanal oder einer Stromleitung, etc. eine robuste - d.h. möglichst fehlerfrei - Datenübertragung zu erhalten, werden Datenpakete häufig mit einer vorgegebenen Anzahl an Wiederaussendungen ausgesendet. Dies kann beispielweise durch einen Übertragung mit Zeitdiversität des Datenpakets erfolgen oder durch einen Einsatz von so genannten Repeatern. Bei einem Übertragungsverfahren mit Zeitdiversität wird das Datenpaket vom Sender zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgesendet. Vom Empfänger werden dann eine der Anzahl an Wiederaussendungen entsprechende Anzahl an Datenpaketversionen empfangen, wobei der übertragene Signalverlauf der jeweiligen Datenpaketversion mehr oder weniger gestört sein kann. Werden in einem Übertra- gungsmedium/-netz Repeater eingesetzt, so soll durch die Repeater die effektive Reichweite des übertragenen Signals mit dem Datenpaket erhöht und durch das Wiederaussenden dieses Datenpakets durch die Repeater z.B. die Übertragungsqualität verbessert werden. Vom Empfänger werden dann in diesem Fall einerseits das vom Sender original versendete Datenpaket sowie die Wiederaussendungen des Datenpakets durch die im Netz befindlichen Repeater empfangen.
In beiden Fällen erhält der Empfänger mehrere mehr oder weniger gestörte Datenpaketversionen bzw. zu den jeweiligen Datenpaketversionen gehörende Signalverläufe. Diese Versionen bzw. Signalverläufe müssen vom Empfänger dann beispielsweise nach bestimmten Vorgaben zusammengesetzt werden, um z.B. eine Demodulation durchzuführen und um möglichst fehlerfrei zu einem Informationsgehalt des Datenpakets zugelangen. Für dieses Zusammensetzen können beispielsweise Algorithmen entwickelt werden, indem z.B. ein bestimmtes Übertragungsqualitätsmerk- mal optimiert wird - wie z.B. Maximierung eines Signal- Rausch-Verhältnisses, Minimierung einer Bitfehler- oder Paketfehlerrate. Derartige Algorithmen sind meist sehr komplex und bedürfen einer relativ hohen Rechenleistung, welche durch eine entsprechende Hardware (z.B. digitale Signalprozessoren, größere und schnellere Speichereinheiten, etc.) in den jewei- ligen Sendern und Empfängern eingesetzt werden muss. Daher ist beispielsweise die Anwendung von mathematischen Verfahren bzw. Algorithmen, durch welche eine Signalkombination von mehreren Signalverläufen eines bestimmten Datenpakets mittels Optimierung eines Ubertragungsqualitätsmerkmals durchgeführt wird, meist kostenintensiv und aufwendig. Für einfache Sender und Empfänger sind diese Algorithmen und mathematischen Verfahren daher z.B. meist zu komplex, da diese nicht über die notwendige Rechenleistung und/oder Hardware verfügen. Ande- rerseits sind in diesen einfachen Sendern und Empfängern, wie sie beispielsweise für Fernwirken oder Fernabfragen in Energieversorgungsnetzen (z.B. Smart-Grid-Anwendungen, etc.) oder in drahtlosen Sensornetzwerken eingesetzt werden, sehr einfache Übertragungsverfahren implementiert und eine Sendeleis- tung ist begrenzt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, durch welches eine robuste und implementierungstechnisch einfache Datenübertragung und empfängerseitig einfache Dateninterpretation bei mehreren Wiederaussendungen eines Datenpakets ohne großen zusätzlichen Rechen- und Hardwareaufwand sowie ohne zusätzliche Kosten mit einfachen Sen- dern und Empfängern realisiert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt, durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art, bei welchem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
(a) ein vom Sender ausgesendetes Datenpaket wird von dem zumindest einen Empfänger interpretiert,
(b) bei einer fehlgeschlagenen Interpretation des Datenpakets wird auf eine Wiederaussendung dieses Datenpaket gewartet und dann diese Wiederaussendung interpretiert, (c) bei einer fehlgeschlagenen Interpretation der Wiederaussendung werden vom Empfänger die Symbole des ursprünglich empfangenen Datenpakets mit den Symbolen der Wie- deraussendung dieses Datenpakets anhand einer Kombmati- onsregel symbolweise kombiniert und ausgewertet,
(d) bei einer fehlerhaften Auswertung der kombinierten Symbole werden die Schritte b und c solange wiederholt, bis eine weitere Wiederaussendung korrekt interpretiert wird, oder von der Auswertung der kombinierten Symbole ein korrektes Ergebnis geliefert wird, wobei bei einem Erstellen der kombinierten Symbole zumindest eine bis dahin empfangene Wiederaussendung des Datenpakets mitberücksichtigt wird.
Der Hauptaspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass mit einem implementierungstechnisch einfachen Verfahren eine robuste Datenübertragung für stark gestörte Übertragungsmedien und einfache Sender und Empfänger realisiert werden kann. Durch eine wiederholte Auswertung der jeweils empfangenen Aussendung bzw. Wiederaussendung eines Datenpakets bzw. durch eine einfache, symbolweise Kombination der empfangenen Datenpaketaussendung und von zumindest einer der empfangenen Wiederaussendungen auf Seiten des Empfängers, welche symbolweise ausgewertet wird, wird eine einfache Implementierung sowie eine breite Anwendbarkeit - unabhängig von der jeweils verwendeten Modulation (z.B. Frequency Shift Keying (FSK) , Phase Shift Keying (PSK) , Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) , etc.) erreicht. Für eine Erstellen der kombinierten Symbole können neben der Aussendung des Datenpakets zumindest eine der bis zum Erstellen der jeweiligen Kombination (d.h. bis zur jeweiligen Wiederholung des
Schritts c) ) empfangenen Wiederaussendungen genutzt werden. D.h. es können z.B. alle bereits empfangenen Wiederaussendungen oder nur ein Teil bzw. eine Auswahl der bereits empfangenen Wiederaussendungen für die Kombination berücksichtigt werden, wobei mit einer Anzahl an verwendeten Wiederaussendungen eine Genauigkeit der kombinierten Symbole steigt. Die bei der Kombination berücksichtigten Wiederaussendungen müssen dann z.B. im Empfänger gespeichert werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache Weise in sehr einfachen Empfänger wie z.B. Empfängern in drahtlosen Sensornetzwerken oder Empfängern für Smart-Grid- Anwendungen bzw. Energieautomatisierungsanwendungen implemen- tiert und eingesetzt werden, obwohl diese nur über eine begrenzte Rechenleistung verfügen. Eine Erweiterung mit z.B. kostspieliger Hardware (z.B. digitalen Signalprozessoren, Speichereinheiten, etc.) ist daher nicht notwendig. Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren sieht dabei vor, dass als Kombinationsregel vom Empfänger eine symbolweise Addition der empfangenen Symbole des Datenpakets mit den empfangenen Symbolen der jeweiligen Wiederaussendung des Datenpakets durchgeführt wird. Dabei werden die Symbole der jeweils aktuell empfangenen Wiederaussendung vom Empfänger zu einem Ergebnis der Addition addiert. D.h. bei einer ersten Wiederaussendung eines Datenpakets werden diese Wiederaussendung und das empfangene Datenpaket symbolweise addiert. Bei allen weiteren empfangenen und auszuwertenden Wiederaussendungen wird die jeweilige Wiederaussendung symbolweise zum aktuellen Additionsergebnis addiert. Damit werden bei jeder symbolweisen Addition alle bereit empfangenen Wiederaussendungen des Datenpakets und das Datenpaket selbst bei der Auswertung berücksichtigt. Das Ergebnis der Addition wird dann symbolweise mittels einer Mehrheitsentscheidung ausgewertet. Eine symbolweise Addition stellt eine einfache Rechenoperation bzw. Kombinationsregel dar, welche ohne großen Aufwand und ohne komplexe und teure Hardware in einfachen Empfänger realisiert werden kann.
Für eine Übertragung des Datenpakets ohne Kanalkodierung kann das symbolweise Additionsergebnis dann z.B. sehr einfach dekodiert werden. Dabei wird beispielsweise bei einem Einsatz von bipolaren Symbolen ausgewertet, ob das Additionsergebnis für eine bestimmte Symbolposition in der Abfolge einen negativen oder positiven Wert aufweist. Entsprechend dem jeweiligen Vorzeichen des Additionsergebnisses an dieser Symbolposition wird das Symbol dann entweder als eine Bitinformation 1 oder eine Bitinformation 0 interpretiert. Wird ein Datenpaket kodiert bzw. mit Kanalkodierung übertragen, so wird das Additionsergebnis der jeweiligen Symbolpositionen z.B. einem entsprechenden Decoder zugeführt. Symbole können oft auch eine Zusatzinformation oder Soft-Information enthalten. Durch die symbolweise Addition wird diese Zusatzinformation beibehalten und geht nicht verloren. Die Addition als Kombinationsregel weist damit auch den Vorteil auf, dass z.B. auch von den zusammengesetzten Symbolen (= Additionsergebnis) einem nachfol- genden Decoder diese Zusatzinformation geliefert werden kann. Es wird damit auch eine Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteigert wird.
Es ist vorteilhaft, wenn in einem Kopfteil des vom Sender ausgesendeten Datenpakets die vorgegebene Anzahl an Wiederaussendungen des Datenpakets mitgesendet wird. Dem Empfänger ist damit die Anzahl der Wiederaussendungen des Datenpakets bekannt, welche gegebenenfalls maximal interpretiert, behalten/zwischengespeichert und kombiniert werden müssen. Empfän- gerseitig kann auf sehr einfache Weise festgestellt werden, ob zumindest der Kopfteil des Datenpakets richtig empfangen worden ist, und dem. Üblicherweise werden bei Datenübertragungen über gestörte Übertragungsmedien Prüfverfahren eingesetzt, durch welche geprüft werden kann, ob das empfangene Datenpaket zumindest den formalen Vorgaben (z.B. Länge, Form, etc.) entspricht. Ein derartiges Prüfverfahren ist z.B. die zyklische Redundanzprüfung (CRC) , bei welchen ein Prüfwert für das Datenpaket bestimmt wird, um Fehler bei der Übertragung zu erkennen.
Bei der zyklischen Redundanzprüfung wird beispielsweise im Datenpaket oder für eine Teil des Datenpakets ein so genannter CRC-Wert eingefügt, welcher nach einem bestimmten Verfahren berechnet wird, und mit dessen Hilfe ein bei der Übertra- gung aufgetretener Fehler erkannt werden kann. Zur Überprüfung der Daten wird dasselbe Berechnungsverfahren auf das Datenpaket bzw. einen Teil des Datenpakets einschließlich des angefügten CRC-Werts angewandt. Das Ergebnis gibt dann Auf- schluss darüber, ob das Datenpaket bzw. der Teil des Datenpakets unverfälscht angekommen ist. Die zyklische Redundanzprüfung ist dabei so ausgelegt, dass Fehler bei der Übertragung z.B. aufgrund von Rauschen, etc. mit hoher Wahrscheinlichkeit entdeckt werden, es kann aber damit keine Integrität der Daten bestätigt werden. Damit kann auf einfache Weise vom Empfänger geprüft werden, ob der Kopfteil des Datenpakets korrekt angekommen ist, und es sind damit empfängerseitig die Anzahl der Wiederaussendungen des Datenpakets bekannt. Der Empfänger weist damit auf einfache Weise, wie viele Wiederaussendungen interpretiert, gegebenenfalls behalten und symbolweise kombiniert werden müssen.
Es ist auch günstig, wenn das Datenpaket über das Übertragungsmedium mit einer Kanalkodierung, insbesondere einem Wiederholungskode, übertragen wird. Durch die Verbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Kanalkodierung wie z.B. der Kanalkodierung mittels Wiederholungskode können kostengünstig sehr robuste Sender-/Empfängerkombinationen gebaut werden. Bei einer Kanalkodierung mittels Wiederholungskode wird beispielswiese jedes Bit bzw. Symbol des Datenpakets mit einer vorgegebenen Koderate (z.B. 1 zu 3) vor dem Senden wiederholt und dann das derart kodierte Datenpaket übertragen. Dadurch wird von den benachbarten Symbolen - z.B. bei einer Koderate 1 zu 3 von den drei benachbarten Symbolen - die gleiche Information bzw. das gleiche Bit übertragen. Vom Empfänger kann dann auf sehr einfache Weise z.B. zuerst die Kombinationsregel, insbesondere die Addition, auf die Symbole angewendet werden und dann die erhaltene Symbolfolge decodiert werden. Durch den Einsatz einer Kanalkodierung wird damit die Datenübertragung zwischen Sender und Empfänger robuster bzw. weniger anfällig gegenüber Störungen.
Zweckmäßiger Weise werden die Wiederaussendungen des Datenpa- kets zeitlich versetzt vom Sender durchgeführt. Dabei werden das Datenpaket und die Wiederaussendungen vom Sender zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgesendet. Vom Empfänger werden dann das originale Datenpaket und die Wiederaussendungen - mehr oder weniger gestört - empfangen und können entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren interpretiert und ausgewertet werden. D.h. es wird zuerst versucht, das Datenpaket bzw. die jeweilige Wiederaussendung korrekt zu interpretieren. Bei einer festgestellten Fehlinterpretation wird dann immer die jeweils aktuell empfangene Wiederaussendung zur Kombination aus Datenpaket und den jeweils davor empfangenen Wiederaussendungen kombiniert. Diese neue Kombination wird dann ausgewertet.
Alternativ können die Wiederaussendungen des Datenpakets auch mit Hilfe von zumindest einem so genannten Repeater durchgeführt werden. Dabei werden z.B. im Übertragungsmedium
Repeater eingesetzt und die effektive Reichweite der Aussendung des Datenpakets zu erhöhen. Vom Empfänger wird zur Interpretation, zum Speichern, Kombinieren und Auswerten dann jeweils das von Sender original ausgesendete Datenpaket sowie die Wiederaussendungen durch die im Übertragungsmedium bzw. Kommunikationsnetz befindlichen Repeater erhalten. Damit werdendem Empfänger ebenfalls das Datenpaket sowie Wiederaussendungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und zum Finden einer korrekten Übertragung des Datenpakets zur Verfügung gestellt.
Es ist auch vorteilhaft, wenn als Übertragungsmedium ein Funkkanal, ein so genannter Powerline-Communication-Kanal und/oder ein Unterwasser-Kanal (z.B. Seekabel, etc.) eingesetzt werden. Bei einer Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für diese Übertragungsmedien können trotz zeitlicher Schwankungen in der Übertragungsqualität und Störungen emp- fängerseitig Datenpakete korrekt interpretiert und ausgewertet werden. Weiterhin können beispielsweise vorhandene Ressourcen - wie z.B. ein Energieversorgungsnetz bei Smart- Meter- oder Energieautomatisierungsanwendungen mittels Power- line-Communication - für eine möglichst fehlerfreie Datenübertragung eingesetzt werden. Die Sender und Empfänger für ein Power-Line-Communication- oder PLC-Übertragungsverfahren sind häufig aus Kostengründen sehr einfach gehalten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann daher ohne zusätzlichen Aufwand bei Hardware und/oder Rechenleistung eine robuste Datenübertragung für PLC erzielt werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch in bestehende, standardisierte PLC-Übertragungsverfahren wie z.B. PRIME, G3, etc. eingebaut werden, von welchen üblicherweise von einem relativ ungestörten Übertragungsmedium ausgegangen wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können z.B. diese PLC- Übertragungsverfahren robuster und fehlerresistenter gemacht werden .
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend schematisch in beispielhafter Weise anhand der beigefügten Figuren erläutert. Figur 1 zeigt dabei schematisch einen beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur robusten Datenübertragung für Datenpakete. In Figur 2 ist beispielhaft und schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur robusten Datenübertragung mit einer beispielshaften Kanalkodierung dargestellt.
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt in schematischer Weise einen beispielhaften Sender SEI und einen beispielhaften Empfänger El, welche bei- spielsweise als einfache Sender SEI und Empfänger El ausgestaltet sind wie z.B. Sender/Empfänger in drahtlosen Sensornetzwerken, für Smart-Grid- oder Energieautomatisierungsanwendungen. Zwischen dem Sender SEI und dem Empfänger El werden über ein Übertragungsmedium UE1 Datenpakete DPI ausge- tauscht. Das Übertragungsmedium UE1 wie z.B. einen Mobilfunkkanal, Unterwasserfunkkanal oder einen Powerline- Communcations-Kanal , bei welchen Leitungen eines Energieversorgungsnetzes für eine Datenübertragung genutzt werden, ist dabei von zeitlichen Schwankungen in der Übertragungsqualität und starken Störungen betroffen.
Vom beispielhaften Sender SEI wird ein Datenpaket DPI, welches aus einer Abfolge an Dateneinheiten bzw. Bits besteht, mit einer vorgegebenen Anzahl an Wiederaussendungen ausgesendet. Vom in der Figur 1 dargestellten Sender SEI wird für die Wiederaussendungen z.B. ein Übertragungsverfahren mit
Zeitdiversität genutzt. D.h. vom Sender SEI wird das zu über- tragende Datenpaket DPI bzw. eine durch digitale Modulation generierte zugehörige analoge Nachricht xl (t) zu unterschiedlichen Zeitpunkten tl, t2, t3, etc. an den zumindest einen Empfänger El versendet. Die Anzahl der zeitversetzten Wiederaussendung ist dabei vorgegeben und kann z.B. einen Wert von fünf haben. D.h. vom Sender SEI wird die Nachricht xl (t) fünfmal wiederausgesendet. Die Anzahl der Wiederaussendungen yl(t2), yl(t3), etc. kann dem Empfänger El z.B. in einem Kopfteil des vom Sender ausgesendeten Datenpakets DPI mitgeteilt werden.
Vor dem Versenden wird das zu übertragende Datenpaket DPI bzw. die zu übertragende Bitfolge - in Figur 1 ist dies die beispielhafte Bitfolge 1, 0, 1, 1, 0 - mittels digitaler Modulation beispielsweise auf eine bipolare Symbolfolge und da- mit auf eine analoge Nachricht xl (t) abgebildet. Bei einer bipolaren Symbolfolge wird jedem Bit ein Symbol zugeordnet, wobei einem Bit mit dem Wert 1 ein Symbol mit dem Wert 1 und einem Bit mit dem Wert 0 ein Symbol mit dem Wert -1 zugeordnet wird. D.h. für die beispielhafte Bitfolge in Figur 1 ergibt sich für das Datenpaket DPI eine Symbolabfolge von 1, -1, 1, 1, -1, welche dann für die Datenübertragung z.B. auf einen Träger aufmoduliert werden. Dabei kann eine beliebige Modulation wie z.B. FSK, PSK, OFDM, Wavelet-OFDM, Pulsamplitudenmodulation, etc. für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Bei dem in Figur 1 dargestellten beispielhaften Verfahrensablauf wird z.B. keine Kanalkodierung wie z.B. eine Wiederholungskodierung angewendet.
Nach der digitalen Modulation wird das Datenpaket DPI bzw. die zugehörige analoge Nachricht xl (t) vom Sender SEI z.B. zeitversetzt zu den Zeitpunkten tl, t2, t3, etc. die vorgegebene Anzahl an Wiederaussendung (z.B. fünfmal) hintereinander ausgesendet. Eine erste Aussendung yl(tl) der analoge Nach- rieht xl (t) sowie die Wiederaussendungen yl(t2), yl (t3) , etc. werden vom Empfänger El mehr oder weniger fehlerhaft empfangen. In Figur 1 sind der Einfachheit halber nur die erste Aussendung yl(tl) des Datenpakets DPI bzw. der zugehörigen analogen Nachricht xl (t) sowie zwei Wiederaussendungen yl(t2), yl(t3) dargestellt, wobei jede empfangene Symbolfolge Sil, S12, S13, etc. z.B. einen Fehler aufweist.
In einem ersten Verfahrensschritt a wird vom Empfänger die erste Aussendung yl(tl) des Datenpakets DPI empfangen. Diese erste Aussendung yl(tl) wird im Empfänger El mittels digitaler Demodulation als z.B. bipolare Symbolfolge Sil - z.B. in Figur als erste empfangene Symbolfolge Sil mit den beispielhaften Werten -1, -1, 1, 1, -1 - abgebildet. Diese in Figur 1 beispielhaft dargestellte erste empfangene Symbolfolge Sil kann dann vom Empfänger El auf eine erste Bitfolge Dil bzw. erste Datenpaketversion Dil mit den Werten 0, 0, 1, 1, 0 umgesetzt werden. Die erste Aussendung yl(tl) des Datenpakets DPI wird dann vom Empfänger El interpretiert. Da die erste empfangene Symbolfolge Sil bzw. die erste Datenpaketversion Dil fehlerhaft ist - es ist z.B. das erste Symbol bzw. erste Bit falsch, kann vom Empfänger El keine korrekte Interpretation durchgeführt werden. Aufgrund der fehlgeschlagenen Interpretation wird die erste empfangene Symbolfolge Sil vom Empfänger El behalten und in einem zweiten Verfahrensschritt b auf eine Wiederaussendung yl(t2), yl(t3), etc. des Datenpakets DPI bzw. der zugehörigen, analogen Nachricht xl (t) durch den Sender SEI gewartet. Wird vom Empfänger El eine erste Wiederaussendung yl(t2) empfangen, so wird diese anlog der ersten empfangenen Aussendung yl(tl) mittels digitaler Demodulation in z.B. eine bipolare Symbolfolge S12 umgewandelt. Die zweite empfangene Symbolfolge S12 in Figur 1 weist z.B. die beispielhaften Werte 1, 1, 1, 1, -1 auf und kann im Empfänger El in eine zweite Datenpaketversion D12 mit den Werten 1, 1, 1, 1, 0 umgesetzt werden. Die erste Wiederaussendung yl(t2) des Datenpakets DPI bzw. die zweite Symbolfolge S12 wird dann vom Empfänger El inter- pretiert. Da auch diese zweite Datenpaketversion D12 bzw. diese zweite empfangene Symbolfolge S12 einen Fehler (z.B. an der zweiten Position) aufweist, kommt es auch bei dieser Interpretation zu keiner korrekten Interpretation.
Daher wird in einem dritten Verfahrensschritt c vom Empfänger El die erste empfangene Symbolfolge Sil und die zweite empfangene Symbolfolge S12 symbolweise nach einer vorgegebenen Kombinationsregel kombiniert. Die Kombinationsregel sieht z.B. vor, dass eine symbolweise Addition der empfangenen Symbolfolgen Sil, S12 (z.B. bei bipolaren Symbolen vorzeichenrichtig) durchgeführt wird. D.h. bei dem in Figur 1 beispielhaft dargestellten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im dritten Verfahrensschritt c die erste empfangene Symbolfolge Sil (-1, -1, 1, 1, -1) und die zweite empfangene Symbolfolge S12 (1, 1, 1, 1, -1) symbolweise und vorzeichenrichtig kombiniert - z.B. addiert. Ein Zwischenkombinationsergebnis wurde der Einfachheit halber in Figur 1 nicht dargestellt. Diese Zwischenkombinationsergebnis bzw. ein Ergebnis der Kombination wird dann symbolweise vom Empfänger El z.B. mittels einer Mehrheitsentscheidung ausgewertet. D.h., dass beispielsweise bei einer Übertragung ohne Kanalkodierung und bei Verwendung von bipolaren Symbolen die Symbole des Zwischenkombinationsergebnisses symbolweise entsprechend dem je- weiligen Vorzeichen einer jeweiligen Symbolposition ausgewertet werden. Entsprechend dem jeweiligen Vorzeichen der Symbolposition im Zwischenkombinationsergebnis wird ein negativer Wert als eine Bitinformation 0 und ein positiver Wert als eine Bitinformation 1 decodiert.
Kann das Zwischenkombinationsergebnis vom Empfänger El nicht korrekt bzw. nur fehlerhaft ausgewertet werden, so werden in einem vierten Verfahrensschritt d der zweite und dritte Verfahrensschritt b, c solange wiederholt, bis zumindest eine weitere Wiederaussendung yl (t3) des Datenpakets DPI korrekt interpretiert wird, oder von einer Auswertung der kombinierten Symbole Kl gemäß der Kombinationsregel ein korrektes Ergebnis geliefert wird. Dabei wird beim Erstellen der kombi- nierten Symbole Kl zumindest eine der bis dahin empfangenen Wiederaussendungen yl(t2), yl(t3), etc. berücksichtigt. Für ein genaues Zwischenkombinationsergebnis - wie in Figur 1 beispielhaft dargestellt - können z.B. alle bis dahin empfan- genen Wiederaussendungen yl(t2), yl (t3) , etc. berücksichtigt werden. Es ist aber auch möglich, dass beispielsweise nur ein Teil der bis dahin empfangenen Wiederaussendungen yl(t2), yl (t3) , etc. berücksichtigt wird, um z.B. einen Speicheraufwand im Empfänger El zu reduzieren, da nur die berücksichtig- ten Wiederaussendungen yl(t2), yl(t3), etc. im Empfänger El gespeichert werden müssen.
Das bedeutet, wenn z.B. alle bereits empfangenen Wiederaussendungen yl(t2), yl(t3), etc. berücksichtigt werden sollen, dass bei einer fehlgeschlagenen Auswertung des Zwischenkombinationsergebnisses aus erster und zweiter Symbolfolge Sil,
512 von Empfänger El die erste Wiederaussendung yl(t2) bzw. die zugehörige, zweite Symbolfolge S12 behalten wird. Es wird vom Empfänger El als ein erster Teil des vierten Verfahrens- schritt d der zweite Verfahrensschritt b wiederholt und auf eine weitere, zweite Wiederaussendung yl (t3) des Datenpakets DPI gewartet, welche in eine dritte, empfangene Symbolfolge
513 (z.B. mit den Werten 1, -1, -1, 1, -1) mittels digitaler Demodulation umgesetzt wird. Aus dieser dritten Symbolfolge S13 kann eine dritte Datenpaketversion D13 (z.B. mit den Werten 1, 0, 0, 1, 0) abgeleitet werden. Da auch die dritte Symbolfolge S13 bzw. die dritte Datenpaketversion (z.B. an der dritten Position) ein Fehler aufweist, führt auch die Interpretation der dritten, empfangenen Symbolfolge S13 durch den Empfänger El zu einer fehlgeschlagenen Interpretation.
Es wird nun vom Empfänger als ein zweiter Teil des vierten Verfahrensschritt d der dritte Verfahrensschritt c wiederholt. Die Symbole der dritten, empfangenen Symbolfolge S13 werden symbolweise mit den Symbolen der ersten und zweiten
Symbolfolge S12, S13 nach der vorgegebenen Kombinationsregel kombiniert. So werden z.B. bei einer Addition als Kombinationsregel die Symbole dieser drei Symbolfolgen Sil, S13, S13 symbolweise und bei z.B. einer Verwendung von bipolaren Symbolen vorzeichenrichtig addiert. Als kombinierte Symbole Kl bzw. Zwischenkombinationsergebnis Kl ergibt sich damit beispielsweise eine Symbolfolge von 1, -1, 1, 3, -3. Dieses Zwi- schenkombinationsergebnis Kl wird dann wieder vom Empfänger z.B. mittels Mehrheitsentscheidung ausgewertet. Es wird dabei beispielsweise eine Bitfolge 1, 0, 1, 1, 0 erhalten, welche der Bitfolge des ausgesendeten Datenpakets entspricht. D.h. vom Empfänger El wird das ausgesendete Datenpaket bereits nach der dritten Wiederaussendung yl (t3) richtig decodiert. Von der Auswertung der kombinierten Symbole bzw. des Zwischenkombinationsergebnisses Kl wird ein korrektes Ergebnis geliefert. Vom Empfänger El muss daher nicht mehr auf die weiteren Wiederaussendungen des Datenpakets DPI gewartet wer- den.
Bei einer fehlgeschlagenen Auswertung des Zwischenkombinationsergebnisses Kl würde der vierte Verfahrensschritt d und damit der zweite und dritte Verfahrensschritt b, c wiederholt werden. Gegebenenfalls wird vom Empfänger El die im Kopfteil des Datenpakets DPI angegebene Anzahl an Wiederaussendungen yl(t2), yl(t3), etc. abgewartet und berücksichtigt, wenn nicht davor eine Wiederaussendung yl(t2), yl (t3) , etc. korrekt interpretiert worden ist oder eine Auswertung eines Zwi- schenkombinationsergebnis Kl zu einem korrekten Ergebnis geführt hat .
In Figur 2 ist ein weiterer beispielhafter Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur robusten Datenübertragung schema- tisch dargestellt. Figur 2 zeigt wieder einen beispielhaften Sender SE2 sowie einen beispielhaften Empfänger E2, zwischen welche über ein sehr gestörtes Übertragungsmedium UE2 (z.B. Funkkanal, Unterwasserfunkkanal, PLC-Kanal, etc.) z.B. für Anwendungen drahtloser Sensornetz, Smart-Grids oder Energie- automatisierung Datenpakete DP2 ausgetauscht werden.
Vom beispielhaften Sender SE2 wird ein Datenpaket DP2 mit einer beispielhaften Bitfolge 1, 0, 1 ausgesendet. Weiterhin wird vom Sender SE2 beispielsweise für eine bessere Übertragungsqualität eine Kanalkodierung mit einem Wiederholungskode eingesetzt. Das heißt, aus dem Datenpaket DP2 mit der beispielhaften Bitfolge 1, 0, 1 wird ein kodiertes Datenpaket cDP2 generiert, indem jedes Bit einer vorgegebenen Koderate (z.B. mit der Koderate 3) vor dem Senden wiederholt wird. Daraus ergibt sich ein kodiertes Datenpaket cDP2 mit einer beispielhaften Bitfolge 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1, in welcher das jeweilige Bit entsprechend der beispielhaften Koderate 3 wiederholt ist. Das kodierte Datenpaket cDP2 wird dann vom Sender SE2 vor dem Versenden auf eine z.B. bipolare Symbolfolge (z.B. 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1) abgebildet und dann mittels digitaler Modulation auf eine analoge Nachricht x2 (t) umgesetzt .
In Figur 2 werden für Wiederaussendungen y2(t2) der analogen Nachricht x2 (t) beispielsweise Repeater R eingesetzt. Der Einfachheit halbe ist in Figur 2 nur ein beispielhafter Repeater R mit einer beispielhaften Wiederaussendung y2(t2) dargestellt. Nach der digitalen Modulation wird vom Sender die analoge Nachricht x2 (t) des kodierten Datenpakets cDP2 über das Übertragungsmedium UE ausgesendet. Diese Nachricht x2 (t) wird einerseits vom Repeater R empfangen und z.B. vom diesen verstärkt und dann als Wiederaussendung y2(t2) über das Übertragungsmedium UE2 weitergesendet. Anderseits wird die ausgesendete analoge Nachricht x2 (t) als Aussendung y2(tl) des kodierten Datenpakets cDP2 vom Empfänger E2 im ersten Verfahrensschritt a empfangen. Die Aussendung y2(tl) wird im Empfänger E2 mittels digitaler Demodulation in eine z.B. bipolare Symbolfolge S21 mit den beispielhaften und aufgrund der gestörten Übertragung fehlerhaften Werten (1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, 1) umgesetzt. Aus dieser ersten empfangenen Symbolfolge S21 kann dann mittels Dekodierung eine zugehörige, aber fehlerhafte erste Datenpa- ketversion D21 - z.B. mit der Bitfolge 0, 0, 1 abgeleitet werden, wobei beispielsweise zu berücksichtigen ist, dass aufgrund der beispielhaften Kanalkodierung mit einem Wieder- holungskode 3 immer von drei Symbol ein Bit repräsentiert wird. Die Aussendung y2(tl) des kodierten Datenpakets cDP2 wird also vom Empfänger E2 decodiert und interpretiert. Da diese Aussendung y2(tl) fehlerhaft ist, kann vom Empfänger E2 keine korrekte Interpretation durchgeführt werden.
Aufgrund der fehlgeschlagenen Interpretation wird die erste empfangene Symbolfolge S12 vom Empfänger E2 behalten und im zweiten Verfahrensschritt b auf eine Wiederaussendung y2(t2), etc. des kodierten Datenpakets cDP2 gewartet. Von Empfänger E2 wird dann z.B. eine erste Wiederaussendung y2(t2) des zumindest einen Repeaters R im Kommunikationsnetz erhalten. Diese erste empfangene Wiederaussendung y2(t2) wird dann ebenfalls mittels digitaler Demodulation in z.B. eine bipola- re Symbolfolge S22 (z.B. 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1) umgewandelt. Mittels Dekodierung kann daraus z.B. einen zweite Da- tenpaketversion D22 mit der ebenfalls fehlerhaften Bitfolge 1, 1, 1 abgeleitet werden. Im zweiten Verfahrensschritt b wird die erste Wiederaussendung y2(t2) des kodierten Datenpakets cDP2 bzw. die zweite Symbolfolge S12 vom Empfänger El interpretiert. Da auch diese zweite Datenpaketversion D22 bzw. diese zweite empfangene Symbolfolge S22 fehlerhaft ist, kommt es auch bei dieser In- terpretation zu keiner korrekten Interpretation. Es wird daher der dritte Verfahrensschritt c durchgeführt. Das bedeutet, die erste Symbolfolge S21 der Aussendung y2(tl) wird gemäß der vorgegebenen Kombinationsregel (z.B. symbolweise Addition) mit der zweiten Symbolfolge S22 der Wiederaussendung y2(t2) kombiniert und aufgrund der in Figur 2 vorliegenden Kanalkodierung einem Decoder zum Dekodieren der Kanalkodierung mit Wiederholungskode zugeführt. Eine symbolweise Auswertung des Kombinationsergebnisses K2 erfolgt beispielsweise erst nach der Dekodierung. Das Kombinationsergebnis K2 nach der Dekodierung ergibt für die in Figur 2 beispielhaften Symbolfolgen eine dekodierte, kombinierte Symbolfolge K2 mit den Werten 2, -2, 6, welche dann z.B. mittels Mehrheitsentscheidung ausgewertet bzw. in einen Bitfolge DP2 umgesetzt werden können. Wird z.B. wieder für negative Werte eine Bitwert 0 und für positive Werte ein Bitwert 1 als Dekodierung angenommen, so ergibt die Bitfolge DP2 für das Kombinationsergebnis K2 die Werte 1, 0, 1.
Da im in Figur 2 dargestellten Beispiel bereits im dritten Verfahrensschritt c eine korrekte Auswertung des Kombinationsergebnisses K2 erzielt worden ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren vom Empfänger E2 abgebrochen. Der vierte Ver- fahrensschritt d bzw. die Wiederholung des zweiten und dritten Verfahrensschritt b, c werden daher nicht mehr ausgeführt .
Würde die symbolweise Auswertung des Kombinationsergebnisses K2 nicht zu einem korrekten Ergebnis führen, so wird der vierte Verfahrensschritt d ausgeführt. D.h. vom Empfänger E2 wird das Kombinationsergebnis K2 behalten und auf zumindest eine weitere Wiederaussendung des kodierten Datenpakets cDP2 beispielsweise durch einen weiteren Repeater R gewartet. Die- se zumindest eine weitere Wiederaussendung wird dann wieder in eine Symbolfolge umgesetzt und z.B. für eine weitere Da- tenpaketversion dekodiert. Die weitere Wiederaussendung bzw. die zugehörige Symbolfolge wird gemäß dem zweiten Verfahrensschritt b interpretiert. Bei einer fehlgeschlagenen Interpre- tation wird dann wieder der dritte Verfahrensschritt c ausgeführt und die weitere Symbolfolge wird zum Kombinationsergebnis K2 aus erster und zweiter Symbolfolge S21, S22 gemäß der vorgegebenen Kombinationsregel kombiniert. Das neue Kombinationsergebnis K2 wird dann dekodiert und ausgewertet. Ist das Ergebnis der Auswertung korrekt, so wird das erfindungsgemäße Verfahren beendet. Ist das Ergebnis der Auswertung nicht korrekt, so wird der vierte Verfahrensschritt d wiederholt, bis entweder eine der weiteren empfangenen Wiederaussendungen y2(t2) korrekt empfängerseitig interpretiert werden, oder von der Auswertung der kombinierten Symbole der empfangenen Aussendung y2(tl) und von zumindest einer bis dahin empfangenen Wiederaussendungen y2(t2) des kodierten Datenpakets cDP2 ein korrektes Ergebnis geliefert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur robusten Datenübertragung von Datenpaketen (DPI, DP2) zwischen einem Sender (SEI, SE2) und zumindest einem Empfänger (El, E2) in einem stark gestörten Übertragungsmedium (UE1, UE2), wobei ein Datenpaket (DPI, DP2), welches aus einer Abfolge von Symbolen besteht, mit einer vorgegebene Anzahl an Wiederaussendungen (yl(t2), yl (t3) , ...) ausgesendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte durchgeführt werden:
(a) ein vom Sender (SEI, SE2) ausgesendetes Datenpaket (DPI, DP2) wird von dem zumindest einen Empfänger (El, E2) interpretiert,
(b) bei einer fehlgeschlagenen Interpretation des Datenpakets (DPI, DP2) wird auf eine Wiederaussendung (yl(t2), yl(t3) ...) dieses Datenpaket (DPI, DP2) gewartet und dann diese Wiederaussendung (yl(t2), yl(t3) ...) interpretiert,
(c) bei einer fehlgeschlagenen Interpretation der Wiederaussendung (yl(t2), yl(t3) ...) werden vom Empfänger (El, E2) die Symbole (Sil, S21) des ursprünglich empfangenen Datenpakets mit den Symbolen (S12, S22) der Wiederaussendung (yl(t2), yl (t3) ...) dieses Datenpakets anhand einer Kombinationsregel symbolweise kombiniert und ausgewertet,
(d) bei einer fehlerhaften Auswertung der kombinierten Symbole (Kl, K2) werden die Schritte b und c solange wiederholt, bis eine weitere Wiederaussendung (yl(t2), yl(t3) ...) korrekt interpretiert wird, oder von der Auswertung der kombinierten Symbole (Kl, K2) ein korrektes Ergebnis geliefert wird, wobei bei einem Erstellen der kombinierten Symbole (Kl, K2) zumindest eine bis dahin empfangene Wiederaussendung (yl(t2), yl (t3) ...) des Datenpakets (DPI, DP2) mitberücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kombinationsregel vom Empfänger (El, E2) eine symbolweise Addition der empfangenen Symbole (Sil, S22) des Datenpakets (DPI, DP2) mit den empfangenen Symbolen (S12, S13, S22, ...) der jeweiligen Wiederaussendung
(yl(t2), yl(t3) ...) des Datenpakets (DPI, DP2) durchgeführt wird, wobei die Symbole (S12, S13, S22, ...) der jeweiligen Wiederaussendung (yl(t2), yl (t3) ) zu einem Ergebnis der Addition addiert werden, und dass dann das Ergebnis der Addition symbolweise mittels einer Mehrheitsentscheidung ausgewertet wird (c) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kopfteil des vom Sender (SEI, SE2) ausgesendeten Datenpakets (DPI, DP2) die vorgegebene Anzahl an Wiederaussendungen (yl(t2), yl (t3) ...) dieses Datenpakets (DPI, DP2) mitgesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenpaket (DP2 ) über das Übertragungsmedium (UE2) mit einer Kanalkodierung, insbesondere einem Wiederholungskode, zum Empfänger (E2) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederaussendungen (yl(t2), yl (t3) ...) des Datenpakets (DPI) zeitlich versetzt vom Sender (SEI) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederaussendungen (y2(t2)) des Datenpakets (DP2) mittels zumindest eines so genannten Repeaters (R) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Übertragungsmedium (UE1, UE2) ein Funkkanal, ein so genannter Powerline-Communication- Kanal und/oder ein Unterwasserkabel eingesetzt werden.
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