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Diese
Erfindung betrifft Incremental Redundancy beziehungsweise hybride
ARQ- Übertragungswiederholungsverfahren
vom Typ II oder III in Mobilkommunikationssystemen und ist insbesondere auf
Zellularsysteme anwendbar.
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Das
gebräuchlichste
Verfahren zur Fehlererkennung bei Diensten ohne Echtzeitbedingungen (Non-Realtime-Services)
basiert auf ARQ-(automatic repeat request – automatischen Anforderungswiederholungs-)
Schemata, die mit der Vorwärtsfehlerkorrektur
(Forward Error Correction – FEC)
kombiniert sind, und wird als hybrides ARQ bezeichnet. Wenn ein
Fehler durch die zyklische Redundanzprüfung (Cyclic Redundancy Check – CRC) erkannt wird,
fordert der Empfänger
den Sender auf, zusätzliche
Bits zu senden. Von den verschiedenen existierenden Schemata werden
die kontinuierlichen ARQs Stop-and-Wait-(SAW) und Selective Repeat
(Selektive Wiederholung) am häufigsten
in der Mobilkommunikation verwendet.
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Eine
Dateneinheit (PDU) wird vor dem Senden kodiert. In Abhängigkeit
von den erneut gesendeten Bits werden drei unterschiedliche ARQ-Typen beispielsweise
in S. Kallel, R. Link, S. Bakhtiyari, IEEE Transactions on Vehicular
Technology, Band 48 #3, Mai 1999, „Throughput Performance of
Memory ARQ Schemes",
definiert.
- • Typ
I: Die fehlerhafte PDU wird verworfen und eine neue Kopie dieser
PDU wird erneut gesendet und separat decodiert. Es wird kein Kombinieren früherer oder
späterer
Versionen dieser PDU durchgeführt.
- • Typ
II: Die fehlerhafte PDU, die erneut gesendet werden muss, wird nicht
verworfen, sondern mit einigen Übertragungswiederholungsbits
kombiniert, die von dem Sender zum nachfolgenden Decodieren bereitgestellt
werden. Erneut gesendete PDUs haben mitunter höhere Codierraten und werden
in dem Empfänger
mit den gespeicherten Werten kombiniert. Das heißt, dass lediglich ein wenig
Redundanz bei jeder Übertragungswiederholung
hinzugefügt
wird.
- • Typ
III: Dies ist derselbe Typ wie Typ II, nur das jetzt jede erneut
gesendete PDU selbst decodierbar ist. Dies impliziert, dass die
PDU ohne das Kombinieren mit vorherigen PDUs decodierbar ist. Dies
ist von Nutzen, wenn einige PDUs so stark beschädigt sind, dass nahezu keine
Informationen wiederverwendbar sind.
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Diese
Erfindung betrifft die Schemata vom Typ II und Typ III, bei denen
die empfangenen Übertragungen/Übertragungswiederholungen
kombiniert werden. Diese Schemata können als ein Link-Adaptation-Verfahren
betrachtet werden, da die Redundanz entsprechend den Kanalbedingungen
angepasst werden kann, wie dies beispielsweise in 3GPP TSG RAN „Physical
Layer Aspects of High Speed Downlink Packet Access TR25.848 V5.0.0" und in Amitava Ghosh,
Louay Jalloul, Mark Cudak, Brian Classon „Performance of Coded Higher
Order Modulation and Hybrid ARQ for Next Generation Cellular CDMA
Systems", Proceedings
of VTC 2000, beschrieben ist.
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Ein
weiteres Verfahren, das in diese Kategorie der Link-Adaptation fällt, ist
die adaptive Modulation und Codierung (adaptive modulation and coding – AMC).
Eine Beschreibung des AMC-Verfahrens ist in den oben aufgeführten Dokumenten
zu finden. Das AMC-Prinzip
besteht in der Änderung
des Modulations- und Codierungsformats entsprechend den Änderungen
der Kanalbedingungen oder der Systembeschränkungen. Die Kanalbedingungen
können beispielsweise
auf Basis der Rückmeldung
von dem Empfänger
geschätzt
werden. In einem System mit AMC wird Benutzern an günstigen
Positionen, beispielsweise Benutzern in der Nähe der Zellenstandorte, typischerweise
eine Modulation höherer
Ordnung mit höheren
Codierraten (zum Beispiel 64 QAM mit R=3/4 Turbocodes) zugewiesen,
währenddessen Benutzern
an ungünstigen
Positionen, beispielsweise Benutzern in der Nähe der Zellengrenze, eine Modulation
niedrigerer Ordnung mit niedrigeren Codierraten (zum Beispiel QPSK
mit R=1/2 Turbocodes) zugewiesen wird.
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Im
Folgenden werden verschiedene Kombinationen von Codierung und Modulation
als Modulationscodierschema-(MCS) Stufen bezeichnet. Die Paketgröße ist von
der MCS-Stufe sowie
der Anzahl der für
eine bestimmte Übertragung
zugewiesenen orthogonalen Codes abhängig. Die MCS-Stufe und die
Anzahl der Codes werden als Transportformat-Ressourcenkombination (Transport Format
and Resource Combination – TFRC)
bezeichnet. Eine Übertragung
wird in Sende-Zeitintervalle (Transmission Time Intervals – TTI) unterteilt,
wobei sich die MCS-Stufe in jedem TTI-Intervall ändern könnte (für HSDPA [High Speed Downlink
Packet Access] beträgt
das TTI 2 ms). Die Hauptvorteile der AMC sind erstens, dass höhere Datenübertragungsraten
für Benutzer
an günstigen
Positionen verfügbar
sind, wodurch wiederum der durchschnittliche Durchsatz der Zelle
erhöht
wird, und zweitens die verringerte Interferenzänderung aufgrund der Link-Adaptation basierend
auf Änderungen
des Modulations-/Codierschemas anstelle der Änderung der Sendeleistung.
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Neben
dem verwendeten MCS beeinflusst auch ein Bit-Kombinierverfahren
die Robustheit der Pakete gegenüber
Sendefehlern.
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Es
gibt verschiedene Kombinierschemata, so Chase Combining (CC) und
Incremental Redundancy (IR), die zum Kombinieren von Bits verwendet werden
können.
Beim Chase Combining werden stets die gleichen Informationen und
Paritätsbits
gesendet, um kombiniert zu werden, und jede Paketversion ist selbst
decodierbar. Der Satz von Paritätsbits wird
stets durch Verwenden desselben Punktierungsmusters erhalten. Incremental
Redundancy kann verschiedene Sätze
von Paritätsbits
(durch verschiedene Punktierungsmusters erhalten) in aufeinanderfolgenden
Paket-Übertragungen
verwenden. Sämtliche dieser
Gruppen von Bits, die von verschiedenen Übertragungen erhalten werden,
müssen
zum Kombinieren in dem Soft-Puffer gespeichert werden. Aus diesem
Grund bietet Incremental Redundancy eine zuverlässigere Übertragung auf Kosten erhöhter Anforderungen
an den Soft-Puffer-Speicher.
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1 zeigt
eine High-Level-Darstellung der UMTS-Architektur,
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2 illustriert
die derzeitige Architektur von UTRAN,
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3 zeigt
eine Benutzerebenen-Funkschnittstellenarchitektur von HSDPA,
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4 stellt
exemplarisch die Zeitbeziehungen eines HARQ-Prozesses dar,
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5 zeigt
die High-Level-Architektur einer HSDPA-Basisstation,
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6 illustriert
eine High-Level-Architektur einer HSDPA-Mobilstation,
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7 bis 9 illustrieren
mehrere Beispiele des prädiktiven
Koordinierens von HARQ-Prozessen.
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Die
High-Level-Architektur des UMTS (Universal Mobile Telecommunication
System) wird in 1 dargestellt. Die Netzelemente
sind funktionell in das Kernnetz (Core Network – CN), das UMTS Terrestrial
Radio Access Network (UTRAN) und das User Equipment (UE) gruppiert.
Das UTRAN ist für das
Steuern sämtlicher
funkbezogener Funktionalität zuständig, während das
CN zum Routen von Rufen und Datenverbindungen zu externen Netzen
zuständig
ist. Die Verbindungen zwischen diesen Netzelementen sind, wie in
der Figur dargestellt, durch offene Schnittstellen definiert. Es
sollte beachtet werden, dass das UMTS-System modular ist und es
aus diesem Grund möglich
ist, mehrere Netzelemente desselben Typs zu haben.
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2 illustriert
die derzeitige UTRAN-Architektur. Eine Anzahl von RNCs (Radio Network
Controllers – Funknetzsteuerungen)
ist über
verdrahtete oder drahtlose Verbindungen (Iub-Schnittstellen) mit dem
CN verbunden. Jede RNC steuert eine oder mehrere Basisstationen
(Node Bs), die wiederum über
drahtlose Verbindungen (nicht dargestellt) mit den UEs kommunizieren.
High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) ist eine neue standardisierte Technik
(siehe beispielsweise 3GPP TSG RAN „Physical Layer Aspects of
High Speed Downlink Packet Access TR 25.848" V5.0.0 oder 3GPP TSG RAN TR 25.308: „High Speed
Downlink Paket Access (HSDPA): Overall Description Stage 2", V5.2.0). Die Technik
erzielt höhere
Datenübertragungsraten
in der Abwärtsrichtung
durch das Einsetzen von Verbesserungen an der Uu-Schnittstelle,
wie beispielsweise durch die adaptive Modulation und Codierung.
HSDPA beruht auf dem hybriden automatischen Anforderungswiederholungs-(hybrid
Automatic Repeat Request – HARQ)
Protokoll vom Typ II/III, der schnellen Auswahl von Benutzern, die
auf dem gemeinsam genutzten Kanal aktiv sind, sowie der Anpassung
der Übertragungsformatparameter
entsprechend sich zeitlich verändernden
Kanalbedingungen. Die Erfindung ist insbesondere auf HSDPA anwendbar,
sie ist jedoch nicht auf dieses System beschränkt. Aus diesem Grund muss
die Datenübertragung
nicht notwendigerweise in der Abwärtsrichtung erfolgen und ist auch
nicht von einem bestimmten Funkzugriffsschema abhängig.
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Die
Benutzerebenen-Funkschnittstellenprotokollarchitektur von HSDPA
wird in 3 dargestellt. Das HARQ-Protokoll
und die Koordinierfunktion gehören
zu der Medium Access Control High Speed-(MAC-hs) Unterschicht, die
im Node B und dem UE implementiert ist. Es sollte beachtet werden, dass
ein SR-ARQ-Protokoll, das auf dem Gleitfenstermechanismus basiert,
ebenso zwischen der RNC und dem UE auf der Ebene der RLC-(Radio
Link Control – Funkverbindungssteuerung)
Unterschicht in einem Acknowledged Mode (bestätigter Modus) bereitgestellt
werden kann. Die Parameter der Protokolle werden durch Signalisieren
in der Steuerebene konfiguriert. Diese Signalisierung wird durch
ein RRC-(Radio Resource Control – Funkressourcensteuerung)
Protokoll gesteuert. Der Dienst, der von der RLC-Unterschicht für die Punkt-zu-Punkt-Verbindung
zwischen dem CN und dem UE bereitgestellt wird, wird als RAB (Radio
Access Bearer – Funktzugangsträger) bezeichnet.
Jeder RAB wird nachfolgend auf einen von der MAC-Schicht bereitgestellten Dienst abgebildet.
Dieser Dienst wird als Logical Channel (Logischer Kanal – LC) bezeichnet.
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Die
Leistung der Hochgeschwindigkeits-Paketübertragung kann von den technischen
Eigenschaften der mobilen UE-Fähigkeiten
abhängen.
Diese können
während
des Verbindungsaufbaus unter Verwendung des RCC-Protokolls von der
UE-Einheit zu der RNC-Einheit signalisiert werden.
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Über einen
Rückmeldekanal
werden Informationen von dem Empfänger zu dem Sender gesendet,
die dem Sender mitteilen, ob ein Datenpaket bestätigt (ACK) wurde oder nicht
(NAK – not
acknowledged). Normalerweise kommt es aufgrund der Verarbeitungszeit,
die der Sender für
das Demodulieren und das Decodieren benötigt, zu einer gewissen Verzögerung,
bis ACKs/NAKs gesendet werden können. HARQ-Schemata
vom Typ II/III stellen enorme Anforderungen an die Speichergröße des Empfängers, um die
Soft-Entscheidungswerte
für das
nachfolgende Kombinieren zu speichern. Dieser Puffer wird im Folgenden
als Soft-Puffer bezeichnet.
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Ein
Verfahren zum Erfüllen
dieser Anforderungen ist das Einführen eines sehr schnellen Rückmeldekanals
ohne das Einbeziehen des RLC-(Radio Link Control) Protokolls in
RNC und UE. Ein Koordinierer ist in dem Node B angeordnet, so dass Übertragungswiederholungen
schnell angefordert werden können,
wodurch geringe Verzögerungen
und hohe Datenübertragungsraten
ermöglicht
werden.
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Das
funktionelle Verhalten eines HARQ-Prozesses wird in 4 illustriert.
Ein physischer Kanal wird zum Senden von Daten zu einem Empfänger verwendet.
In diesem Fall ist es ein sogenannter HS-DSCH (High Speed – Downlink
Shared Channel), auf den mehrere Benutzer zeitmultiplexiert werden. Wie
aus der Figur ersichtlich wird, sendet eine Sender-Basisstation
(Node B) zu einem mit User Equipment (UE1) bezeichneten Empfänger. Der
Node B sendet (Tx) ein Datenpaket A zu dem UE1. Bevor die Daten
durch das UE1 empfangen (Rx) werden, gibt es eine Laufzeitverzögerung tpropa. Das UE1 demoduliert und decodiert
das Paket A. Nach einer Verarbeitungszeit tRX process des UE1s, wird eine ACK oder NAK
gesendet (in Abhängigkeit
davon, ob das Paket A korrekt empfangen wurde oder nicht). In diesem Fall
sendet das UE1 eine NAK, die anzeigt, dass das Paket A nicht korrekt
empfangen wurde. Wenn die NAK durch den Sender korrekt empfangen
und decodiert wurde (tpropa wird noch einmal
durch den Funkkanal eingesetzt), kann der Sender entscheiden, ob
er das Datenpaket nach einer Verarbeitungszeit tTX
proess erneut sendet. Aus diesem Grund ist die Anzahl der Datenpakete,
die gespeichert werden müssen,
von der Anzahl gleichzeitig aktiver HARQ-Prozesse abhängig.
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Eine
High-Level-Architektur der HSDPA-Basisstation wird in 5 dargestellt.
Es wird angenommen, dass es #1 ... #X verschiedene Datenströme (logische
Kanäle)
mit Datenpaketen gibt, die von dem Node B zu dem User Equipment
(UE) zu senden sind. Die Reihe von HARQ-Sende-und Empfangs-Einheiten,
die jeweils in dem Node B und dem UE angeordnet sind, werden als
HARQ-Prozesse bezeichnet. Die maximale Anzahl von HARQ-Prozessen
pro UE ist üblicherweise
vordefiniert. Diese Datenströme
können
verschiedene Dienstgüten
(Quality of Service – QoS)
haben, beispielsweise Verzögerungs- und Fehleranforderungen,
und können
eine andere Konfiguration der HARQ-Instanzen erfordern.
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Der
Koordinierer wird diese Parameter bei der Zuweisung von Ressourcen
zu verschiedenen UEs berücksichtigen.
Die Koordinierfunktion steuert die Zuweisung des Kanals (HS-DSCH)
zu verschiedenen Benutzern oder zu Datenströmen desselben Benutzers, die
aktuelle MCS-Stufe in einem TTI und verwaltet vorhandene HARQ-Instanzen
für jeden
Benutzer.
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Ein
Datenstrom oder selbst ein bestimmtes Paket eines Datenstromes kann
eine andere Priorität haben.
Aus diesem Grund können
die Datenpakete in unterschiedliche Prioritäts-Warteschlangen eingereiht
werden. Mehrere Datenströme
mit ähnlichen Dienstgüteanforderungen
können
auch zusammen multiplexiert werden (zum Beispiel Datenfluss #3 und #4).
Zusätzlich
zu dem HS-DSCH, der die Datenpakete transportiert, gibt es Steuerdaten,
die auf einen High Speed – Shared
Control Channel (HS-SCCH) abgebildet werden. Dieser kann Daten,
wie beispielsweise die HARQ-Prozesskennung, das Modulationsschema,
die Codezuweisung, das Transportformat und so weiter transportieren,
die von dem Empfänger benötigt werden,
um die Pakete korrekt zu empfangen, zu demodulieren, zu kombinieren
und zu decodieren.
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Wie
bereits erwähnt,
entscheidet der Koordinierer, welcher der N HARQ-Prozesse für die Übertragung
zu verwenden ist. Jeder HARQ-Prozess kann unterschiedliche Fenstergrößen haben.
Bei HSDPA gibt es lediglich einen einzigen HARQ-Prozess, der jedem
TTI zugewiesen ist und jeder Prozess fungiert als ein SAW-Protokoll,
das dem Selective-Repeat-ARQ mit der Fenstergröße 1 entspricht. In dem in 4 dargestellten
Beispiel kann eine Übertragungswiederholung
nach 5 Sende-Zeitintervallen (TTI) festgelegt werden. Es ist nicht
möglich,
denselben HARQ-Prozess früher
festzulegen, wenn das Paket-Kombinieren verwendet werden soll, da
die Verarbeitung noch andauert. Die HARQ-Prozessanzahl sowie die
Sequenznummer müssen
separat signalisiert werden, um ein ordnungsgemäßes Kombinieren zu ermöglichen,
selbst wenn das Paket nicht korrekt empfangen wird. Bei HSDPA wird
die 1-Bit-Sequenznummer als neuer Datenindikator (New Data Indicator – NDI) bezeichnet.
Immer wenn ein neues Paket gesendet wurde, wird der NDI erhöht. Bei
HSDPA werden die HARQ-Prozess-ID sowie der NDI auf dem HS-SCCH signalisiert.
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Des
Weiteren besitzt jedes Paket bei HSDPA eine Sende-Sequenznummer
(Transmission Sequence Number – TSN)
zum Umordnen von korrekt empfangenen Paketen. Diese Informationen
werden durch die Innenband-Signalisierung (auf dem HS-DSCH) in einem
Header, der Teil des Paketes ist, übermittelt. Die TSN wird für jedes
neue Paket erhöht,
das durch den Sender gesendet wird. Der Empfänger prüft die TSN nach dem erfolgreichen
Decodieren eines Paketes und übermittelt
das Paket nur an höhere
Schichten, wenn kein vorheriges Paket dieses Datenstromes fehlt.
Falls Pakete fehlen, wird das empfangene Paket in dem Umordnungs-Puffer gespeichert,
um auf noch fehlende Pakete zu warten und um die geordnete Übermittlung
zu einer höheren Schicht
sicher zu stellen. Wenn der Umordnungs-Puffer voll ist, da der Empfänger lange
auf ein fehlendes Paket warten muss, muss die Übertra gung gestoppt werden,
um das Verwerfen oder Überschreiben
von Paketen zu verhindern. Diese Situation wird als Blockieren (Stalling)
bezeichnet und kann den Datendurchsatz erheblich verringern. Das
Blockieren kann durch verschiedene Maßnahmen abgeschwächt werden,
wie beispielweise durch einen Abschalt-Timer, durch Fenstervorwärtsverschiebung und
so weiter. Der Empfänger
erkennt, dass er keine Pakete mehr empfangen wird und setzt seinen
Betrieb fort.
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Normalerweise
hat eine Übertragungswiederholung
eine höhere
Priorität
im Vergleich zu neuen Übertragungen,
um die Gesamtverzögerung
zu reduzieren. Aus diesem Grund wird ein Paket alle 6 TTIs zum sukzessiven
fehlerhaften Decodieren koordiniert. Ein grundlegendes Verfahren
ist das Anpassen der Anzahl N der HARQ-Prozesse oder der Fenstergröße eines
ARQ-Prozesses an die Round-Trip-Zeit (Round Trip Time – RTT).
Eine praktisch umsetzbare Implementierung in diesem Fall wäre ein N-Kanal-Stop-and-Wait-ARQ-Prozess.
Eine kontinuierliche Übertragung
unter Berücksichtigung der
Umlaufverzögerung
kann durch das Wechseln zwischen den HARQ-Prozessen in jedem TTI
gewährleistet
werden. Um verschiedene Prioritäten
zu unterstützen,
kann jederzeit eine neue Übertragung für einem
HARQ-Prozess initiiert werden, selbst wenn eine Übertragungswiederholung für diesen Prozess
ansteht. Dies bewirkt, dass der UE-Soft-Puffer des Prozesses geleert
wird.
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In
einem System, das N-Kanal-SAW-ARQ-Prozesse verwendet, wird die Anzahl der
HARQ-Prozesse entsprechend
der Umlaufverzögerung
gewählt,
um eine kontinuierliche Übertragung zu
gewährleisten,
während
die Anzahl der Prozesse minimiert wird. Auf dieselbe Art und Weise
wird die Fenstergröße entsprechend
der RTT für
fensterbasierte ARQ-Mechanismen
gewählt.
Da die RTT während
der Übertragung
variieren kann, könnte
die erste Konfiguration nicht mehr die optimalste sein.
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Verschiedene
Datenströme
können
verschiedene Dienstgüten
besitzen und aus diesem Grund verschiedene Prozesskonfigurationen
aufweisen (zum Beispiel die maximale Anzahl der Übertragungswiederholungen).
Ein Koordinierer kann eine bestimmte Übertragung entsprechend Dienstgüteattributen
(Priorität,
Verzögerungsanforderung,
garantierte Bitrate und weitere Parameter), die dem Koordinierer
bekannt sind, vorziehen. Die Formulierung Präemption von Daten höherer Priorität gegenüber Daten
niedrigerer Priorität
wird im Folgenden verwendet, obwohl der Grund für die Präemption ein anderes Dienstgüteattribut
als Priorität
sein kann (beispielsweise die Verzögerungsanforderung).
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Nachdem
die UE-Daten dem entsprechenden HARQ-Prozess zugewiesen wurden,
müssen das
Transportformat (beispielsweise die Transport-Blockgröße) und
die Ressourcenkombination (beispielsweise die Anzahl und der Codeindex)
für die
Daten ausgewählt
werden. In Abhängigkeit
von den Kanalbedingungen können
unterschiedliche MCS-Stufen und folglich Paketgrößen zugewiesen werden.
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Die
UE-HSDPA-Architektur wird in 6 dargestellt.
Es sollte beachtet werden, dass jedem HARQ-Prozess ein bestimmter
Soft-Puffer-Speicherumfang zum Kombinieren der Bits der Pakete von ausstehenden Übertragungswiederholungen
zugewiesen ist. Wenn ein Paket erfolgreich empfangen wird, wird
es zu dem Umordnungs-Puffer weitergeleitet, der für die geordnete Übermittlung
zu der RLC-Unterschicht zuständig
ist. Entsprechend der herkömmlichen
Architektur ist die Umordnungs-Warteschlange an eine spezifische
Priorität
gebunden.
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Es
sollte beachtet werden, dass die verfügbare Soft-Puffergröße von den
Funkzugangs-Fähigkeitsparametern
des UEs abhängig
ist. Die Verarbeitungszeit des UEs für eine bestimmte MCS-Stufe
und ein bestimmtes minimales Zwischen-TTI-Intervall (Mindestzeit
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Koordinierzeitpunkten) können ebenfalls
als Fähigkeitsparameter
betrachtet werden. Diese werden von dem UE zum der RNC durch das
RRC-Protokoll und weiter
von der RNC zu dem Node B signalisiert.
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Der
Soft-Puffer-Speicher, der für
einen HARQ-Prozess erforderlich ist, hängt von dem Folgenden ab:
- • der
Art des Kombinierens der Bits (Incremental Redundancy, Chase Combining)
und
- • der
höchst
möglichen
TFRC, das heißt,
der höchst
möglichen
MCS-Stufe sowie der maximalen Anzahl von orthogonalen Codes, die
mit einem bestimmten Prozess zu verwenden sind.
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Eine
Anforderung für
derzeitige Kommunikationssysteme ist, dass mehrere Prioritäten als
Teil der Dienstgüteanforderungen
effizient unterstützt
werden müssen.
Zukünftige
Paketvermittlungsanwendungen werden eine geringe Signalisierungsrate (beispielweise
Sitzungsinitiierungsprotokoll) haben, die verzögerungskritischer ist als die
Daten. Aus diesem Grund hat die Signalisierung im Vergleich zu dem
Datenstrom selbst eine höhe re
Priorität.
Insbesondere in Mobilkommunikationssystemen gibt es die Funkressourcensignalisierung
hoher Priorität,
wie beispielsweise das Vorbereiten auf oder das Ausführen des
Handovers beim Wechseln der Funkzelle (Serving Cell). Weitere Funkressourcen-Verwaltungsinformationen
können
ebenfalls zwischen Datenübertragungen
koordiniert werden. Diese Signalisierungsrate ist gewöhnlich gering,
sie muss jedoch sehr schnell sein, um das Verwerfen von Paketen oder
sogar von Rufen zu verhindern.
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Des
Weiteren sind Abwärtsrichtungs-Nachrichten
im Allgemeinen erheblich größer als
Aufwärtsrichtungs-Nachrichten,
da diese typischerweise mehr Parameter einschließen, wie dies ausführlicher in
3GPP TSG RAN TS 25.331 „RRC
Protocol Specification",
V 5.0.0, beschrieben ist. Gleichzeitig ist die Signalisierung zwischen
der RNC und dem UE unter Verwendung von auf dedizierten Kanälen abgebildeten
Funkträgern
aufgrund der Verzögerungen
in dem Transportnetz zwischen der RNC und dem Node B sowie aufgrund
eines größeren TTI-Intervalls
der dedizierten Kanäle
langsam. Wie beispielsweise in 3GPP TSG RAN TS 34.108 „UE Conformance
Testing", V 4.1.0
erwähnt,
sind die für
den interaktiven Abwärtsrichtungs-Verkehr
mit einer Spitzenrate von 2048 kbps konfigurierten Signalisierungs-Funkträger mit
einer Nutzlast in den RLC-Paketen von 136 Bits und einem TTI von
40 ms, das heißt,
mit einer Datenrate von 3,4 kbps, konfiguriert. Für eine typische RRC-Nachrichtengröße von 150
Achtbitzeichen beträgt
die Signalisierungsverzögerung
390 ms, wobei eine Transportnetzverzögerung von ungefähr 30 ms angenommen
wird. Für
die Nutzlast, die der niedrigsten MCS-Stufe in HSDPA (240 b) entspricht,
beträgt das
HSDPA-TTI gleich 2 ms und das minimale Zwischen-TTI-Intervall beträgt 2 ms,
die Signalisierungsverzögerung
beträgt
20 ms, wobei 2 Übertragungswiederholungen
pro Paket angenommen werden. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft
sein, einen gewissen Teil des Signalisierungsverkehrs über die
HSDPA-Verbindung zu routen.
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Aufgrund
des starken und lang anhaltenden Fadings, das wahrscheinlich ist,
wenn sich ein Mobiltelefon in der Nähe der Zellengrenze befindet,
kann es vorkommen, dass sich alle HARQ-Prozesse gleichzeitig in
dem Status des Paket-Kombinierens befinden. In solchen Fällen kann
es erforderlich sein, zu einer anderen Zelle zu wechseln. Zu diesem Zweck
ist eine gewisse Signalisierung erforderlich. Das Koordinieren sämtlicher
neuer Daten zu den belegten Prozessen hat das Leeren der Inhalte
des UE-Soft-Puffers für
diese bestimmten Prozesse zur Folge. Dies führt zu einer ineffizienten
Nutzung der Funkressourcen, da bereits gesendete Pakete (obwohl
diese nicht korrekt empfangen wurden und derzeit kombiniert werden)
verworfen werden. Es sollte beachtet werden, dass die Paketgröße der Daten,
die verworfen werden, ziemlich groß im Vergleich zu der der Signalisierung
höherer
Priorität
sein kann.
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Ein
weiteres Problem, das im Fall der geordneten Übermittlung zu höheren Schichten
auftritt, ist das Blockieren (Stalling). Das Löschen von Paketen kann zu Lücken in
der Umordnungseinheit führen. Bereits
erfolgreich empfangene Pakete können
nicht an höhere
Schichten übermittelt
werden, da vorherige Pakete fehlen. Wenn die gelöschten Daten erneut gesendet
werden können,
ist das Problem weniger ernst, es werden jedoch noch mehr Übertragungswiederholungen
benötigt,
da kombinierte Bits der nicht erfolgreich empfangenen Pakete verworfen wurden.
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In
dem Dokument
EP 1389847 wurde
aus diesem Grund vorgeschlagen, dass einige HARQ-Prozesse entweder
reservierte oder zusätzliche
HARQ-Prozesse sind, die für
Daten hoher Priorität
vorkonfiguriert werden. Dies ermöglicht
die effiziente Unterstützung
der Datenströme
verschiedener Prioritäten
und insbesondere der verzögerungskritischen
Signalisierung.
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Wenn
der Node B verzögerungssensitive Daten
einer geringen Rate empfängt,
wie beispielsweise Signalisierung höherer Priorität, wechselt
er zu den reservierten oder zusätzlichen
HARQ-Prozessen (falls erforderlich), anstatt belegte HARQ-Prozesse zu
verwenden, wodurch das Leeren des UE-Soft-Puffers bewirkt werden
würde.
Des Weiteren signalisieren der Node B oder die RNC, eine separate
Umordnungs-Warteschlange für
derartige Daten zu verwenden, um Verzögerungen zu verhindern, die durch
das Umordnen zum Zwecke der geordneten Übermittlung verursacht werden.
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Entsprechend
der herkömmlichen
Architektur kann jeder HARQ-Prozess für jede Prioritäts-Warteschlange
verwendet werden. In Übereinstimmung mit
dem vorangehend erwähnten
Dokument
EP 1389847 wird
vorgeschlagen, die Verwendung der HARQ-Prozesse zu beschränken. Einige HARQ-Prozesse
können
auf spezifische Datenströme
hoher Priorität
oder auf ein kleines Transportformat und Ressourcenzuweisung beschränkt sein,
während
andere HARQ-Prozesse ihre vollständige
Flexibilität beibehalten
können.
Derartige HARQ-Prozesse mit eingeschränkter Verwendung werden als
reser vierte HARQ-Prozesse bezeichnet. Dadurch wird sicher gestellt,
dass Daten hoher Priorität
gesendet werden können,
ohne auf das Beenden der ausstehenden Übertragungswiederholungen oder
das Leeren des UE-Soft-Puffers eines HARQ-Prozesses warten zu müssen.
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Es
sollte beachtet werden, dass die eingeschränkte Verwendung einiger HARQ-Prozesse das Koordinieren
insbesondere für
die kontinuierliche Übertragung
einschränkt.
Des Weiteren wird dadurch der Datendurchsatz verringert, da die
Anzahl der HARQ-Prozesse mit vollständiger Flexibilität zum kontinuierlichen Übertragen
während
der Umlaufverzögerung
nicht ausreichend ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des vorangehend erwähnten
Dokumentes
EP 1389847 wurde
vorgeschlagen, die Anzahl der HARQ-Prozesse in Bezug auf das Minimum
zu erhöhen,
das von der RTT benötigt
wird, um Daten höherer
Priorität
unterzubringen. Diese zusätzlichen
HARQ-Prozesse, die auch eine eingeschränkte Funktionalität aufweisen können, werden
im Folgenden als zusätzliche HARQ-Prozesse
bezeichnet. Die eingeschränkte Funktionalität wird höchstwahrscheinlich
durch das Reservieren von kleineren Soft-Puffer-Größen für zusätzliche
HARQ-Prozesse verursacht. Aus diesem Grund können lediglich einige (niedrigere)
MCS-Stufen und/oder eine geringere Anzahl von Codes mit diesen Prozessen
koordiniert werden. Des Weiteren kann es sein, dass zusätzliche
Prozesse eine weniger zuverlässige Übertragung
unterstützen
(Chase Combining anstatt Incremental Redundancy).
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Um
eine kontinuierliche Übertragung
während
einer RTT zu unterstützen,
ist eine Änderung der
RTT durch den Node B zu überprüfen, um
die reservierten Prozesse dynamisch zu konfigurieren. Wenn sich
die RTT verringert, wird eine geringere Anzahl von HARQ-Prozessen
benötigt.
Folglich kann den zusätzlichen
Prozessen mehr Funktionalität
(höherer
Maximalwert unterstützter
MCS-Stufen, Incremental Redundancy anstatt Chase Combining) zugewiesen
werden. Sollte sich die RTT erhöhen,
ist eine größere Anzahl
von HARQ-Prozessen erforderlich. Dies könnte beispielsweise eine weitere
Verringerung der Funktionalität
der zusätzlichen
Prozesse erfordern.
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Zusätzliche
HARQ-Prozesse bewirken ebenfalls einen größeren Signalisierungsbereich
zum Identifizieren des HARQ-Prozesses zu dem UE. Die Signalisierung
der HARQ- Prozess-ID über einen
gemeinsam genutzten Steuerkanal erfolgt normalerweise durch eine
festgelegte Anzahl von Bits. Für
die Signalisierung sind keine zusätzlichen Bits erforderlich, da
die Anzahl der HARQ-Prozesse, die signalisiert werden können, in
dem Bereich einer 2-er Potenz liegt (zum Beispiel 8 HARQ-Prozesse).
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Das
Verfahren zum Konfigurieren eines zusätzlichen HARQ-Prozesses erfordert
demzufolge, dass zusätzlicher
Soft-Puffer-Speicher zum Kombinieren reserviert wird. Um derartigen
Bedingungen gerecht zu werden, ist es möglich, wenn ein HARQ-Prozess
hinzugefügt
wird, dessen Verwendung nur auf bestimmte MCS-Stufen zu beschränken, so
beispielsweise die Beschränkung
seiner Verwendung auf bestimmte Paketgrößen. Dadurch wird die Soft-Puffer-Größe für solche
eingeschränkten HARQ-Prozesse
minimiert.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil des Hinzufügens
eines HARQ-Prozesses geht aus der Tatsache hervor, dass sämtliche
ablaufenden regulären
HARQ-Prozesse nicht beeinträchtigt
werden und das demzufolge der Datendurchsatz nicht reduziert wird.
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Das
Reservieren oder das Hinzufügen
von HARQ-Prozessen ermöglicht
das Übermitteln
von verzögerungskritischen
Daten hoher Priorität.
Es ist jedoch ebenfalls erforderlich, die Strategie zu definieren,
die in dem Koordinieren des Senders für diese Fälle angewandt wird.
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EP 1 207 647 A1 offenbart
ein Transportkanal-Multiplexierverfahren, das Unterblöcke auf
Basis eines Ressourcenzuweisungs-Parameters, wie beispielsweise
der Dienstgüte
oder der Priorität,
koordiniert.
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Es
ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Verwalten einer Vielzahl paralleler hybrider ARQ-Prozesse in
einem Mobilkommunikationssystem bereitzustellen, das das intelligente
Koordinieren zum effizienten Unterstützen von Datenströmen unterschiedlicher
Prioritäten
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein in dem Patentanspruch 1 definiertes
Verfahren gelöst.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung prüft der
Sender den Status sämtlicher
verfügbaren HARQ-Prozesse,
und wenn alle regulären
Prozesse ablaufen, das heißt,
wenn sie sich in dem Status des Kombinierens von Paketen befinden,
sind reservierte ARQ- Prozesse
zu verwenden. Dadurch wird die Latenzzeit für Pakete mit hohen Prioritäten verringert und
darüber
hinaus werden die verfügbaren
Funkressourcen effizient genutzt.
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Wenn
beispielsweise der verfügbare Soft-Puffer-Speicher
in dem UE gering ist, ist lediglich ein Reservieren von Prozessen
möglich.
In diesem Fall wird der Durchsatz verringert. Darüber hinaus
ist es zuweilen möglich,
zusätzliche
Prozesse nur mit beschränkter
Soft-Puffer-Größe zu konfigurieren,
das heißt,
mit einigen Beschränkungen
hinsichtlich der MCS-Stufen, die verwendet werden können. Folglich
können
bei guten Kanalbedingungen zusätzliche
Prozesse auch ohne eine signifikante Verringerung des Durchsatzes
konfiguriert werden.
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In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung sind die HARQ-Prozesse von dem Koordinieren in dem
Sender auszuwählen,
wobei zusätzliche
HARQ-Prozesse, reservierte HARQ-Prozesse oder nur HARQ-Prozesse
mit eingeschränkten
Soft-Puffer-Fähigkeiten
eingeschlossen sind. Das Koordinieren wird entsprechend wenigstens
einem Ressourcenzuweisungs-Parameter durchgeführt, der einer von Modulationscodierschema-(MCS)
Stufe, Transportformat, beispielsweise Paketgröße, Verkehrsbeschreibung, Priorität, Datenstrom-Kennung
oder logische Kanalkennung sein kann. Beispielsweise kann die Verwendung
von reservierten oder zusätzlichen
HARQ-Prozessen auf das Signalisieren mit einer separaten Datenstrom-Kennung
oder auf Datenpakete hoher Priorität beschränkt sein.
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Eine
Verkehrsbeschreibung kann dem Sender beispielweise den Datentyp
(zum Beispiel Steuerdaten, Funkressourcensteuerung, SIP-Signalisierung
und so weiter) anzeigen. Somit kennt der Sender die Eigenschaften
dieser Daten und weiß,
wie diese zu senden sind. Folglich kann eine ordnungsgemäße Auswahl
des HARQ-Kanals durchgeführt werden.
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Die
Paketgröße hat den
größten Einfluss
auf das Transportformat. Für
kleine Pakete muss lediglich eine beschränkte Anzahl von Ressourcen
zugewiesen werden (beispielsweise Codes, Frequenzen, Zeitschlitze).
Selbst wenn eine geringe Code-Rate verwendet wird, um die Übertragung
zuverlässiger
zu machen, muss keine Notwendigkeit für Modulationen höherer Ordnung
und so weiter bestehen und eine niedrige MCS- Stufe kann verwendet werden. Demzufolge
kann der Sender auf Basis dieser Parameter einen zusätzlichen
oder reservierten HARQ-Prozess auswählen.
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Im
Folgenden wird eine weitere Ausführungsform
des Koordinier-Algorithmus in Übereinstimmung
mit der Erfindung ausführlicher
beschrieben.
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Die
einfachste Form eines Koordinier-Algorithmus in dem Node B ist das
nicht prädiktive
Koordinieren. Dieses Verfahren maximiert den Gesamtsystemdurchsatz,
indem stets der Benutzer koordiniert wird, der die besten Kanalbedingungen
zu einem gegebenen Zeitpunkt in Bezug auf andere Benutzer hat. Des
Weiteren sollte beachten werden, dass die Leistung des Algorithmus
von der Aggressivität
bei der MCS-Zuweisung abhängig
ist. Sollte der Koordinieren stets die höchst mögliche MCS-Stufe zuweisen,
kann es vorkommen, dass sich sämtliche HARQ-Prozesse
mit Ausnahme der reservierten oder zusätzlichen Prozesse in dem Status
des Paket-Kombinierens befinden. Diese Prozesse dürfen nicht
verwendet werden, um das Löschen
von Daten zu verhindern. Wenn ein zusätzlicher Prozess mit eingeschränkter Funktionalität in dem
aktuellen TTI verwendet wird, wird die MCS-Stufe nicht nur basierend
auf Kanalbedingungen ausgewählt,
sondern auch so, dass der verfügbare
Soft-Puffer nicht überschritten
wird.
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Eine
weitere Form des Koordinier-Algorithmus ist das prädiktive
Koordinieren, wobei eine Anzahl von TTIs im Voraus koordiniert wird.
Wenn mehrere Datenströme
nacheinander zu einem UE koordiniert werden, kann eine intelligente
HARQ-Prozess-Zuweisung genutzt werden. Der Koordinieren sollte die
für die Übertragungen
notwendigen Transportformate berücksichtigen
und die am besten geeignete Soft-Puffer-Größe auswählen, die für die verschiedenen HARQ-Prozesse
erforderlich ist. Dadurch wird sicher gestellt, dass stets der am
besten geeignete HARQ-Prozess ohne ein Verschwenden der UE-Soft-Puffer-Kapazität verwendet
wird.
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Das
Ergebnis des prädiktiven
Koordinierens ist ein Tradeoff zwischen Kanalvorhersagegenauigkeit
und Vorhersagedauer. Die Kanalvorhersageleistung verringert sich
mit zunehmender Vorhersagedauer. Andererseits ist es leichter, die
optimale Ressourcenzuweisung hinsichtlich einer Dienstgüteanforderung
mit einem längeren
Vorhersagezeitraum zu finden. In den folgenden in den 7 bis 9 illustrierten
Beispielen wird angenommen, dass der Kanalvorhersage 6 TTIs in der
Zukunft gegeben werden, das heißt,
eine bestimmte MCS-Stufe kann jedem von 6 TTI-Intervallen entsprechend
der vorhergesagten Kanalbedingung zugewiesen werden.
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In
dem ersten Beispiel (7) entspricht die Verarbeitungszeit
dem Vorhersagezeitraum und ein HARQ-Prozess ist für Daten
hoher Priorität
reserviert. Die Datenübertragung
zu demselben UE wird nacheinander für 6 TTIs koordiniert. Der MCS-Vektor zeigt
die mögliche
MCS-Stufe entsprechend den vorhergesagten Kanalbedingungen an. Der
HARQ-Prozess-Zuweisungsvektor zeigt die Anzahl der Prozesse oder
den Typ von Prozess an, die oder der den Übertragungen in bestimmten
TTIs zugewiesen wird. Die Round-Trip-Zeit ist gleich dem Vorhersagezeitraum
und HARQ-Prozesse werden für
6 TTIs im Voraus zugewiesen. Der Ressourcenzuweisungs-Vektor zeigt
die jeweilige MCS-Stufe an, die bei den Übertragungen verwendet wird.
In dem 6. TTI werden Pakete hoher Priorität zu einem reservierten Prozess (R)
ohne eine Einschränkung
hinsichtlich der MCS-Stufe geroutet.
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In
dem zweiten Beispiel (8) ist die Round-Trip-Zeit geringer
als der Vorhersagezeitraum und beträgt 5 TTIs. Es gibt einen zusätzlichen HARQ-Prozess
mit eingeschränkter
Funktionalität (das
heißt,
lediglich die niedrigste MCS-Stufe 1 kann für die Übertragung mit diesem Prozess
verwendet werden). Die Datenübertragung
zu demselben UE wird nacheinander für 6 TTIs (Vorhersagezeitraum) koordiniert.
HARQ-Prozesse werden für
5 TTIs im Voraus zugewiesen, wobei die Entscheidung über die
Prozesszuweisung in dem 6. TTI bis zum Empfangen der ersten Rückmeldung
verschoben wird. Nach der Round-Trip-Zeit wird eine Ablehnung (NACK)
für den
Prozess 1 empfangen, es sind jedoch auch Datenpakete hoher Priorität für die sofortige Übertragung
verfügbar.
Es ist nicht möglich,
die Prozesse 2 bis 5 zu verwenden, da keine Rückmeldung für sie empfangen wurde. Es ist
nicht möglich,
den Prozess 1 zu verwenden, da sich der Prozess in dem Status des
Paket-Kombinierens befindet. Aus diesem Grund verdrängen Pakete
hoher Priorität
anstehende Übertragungswiederholungen
für den
Prozess 1, und werden zu einem zusätzlichen Prozess (A) koordiniert.
Es sollte beachtet werden, dass die verfügbare MCS-Stufe entsprechend
der Kanalvorhersage die Stufe 3 ist. Aufgrund der eingeschränkten Funktionalität wird jedoch
die MCS-Stufe 1 in dem Ressourcenzuweisungs-Vektor zugewiesen.
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Die
Annahmen für
das dritte Beispiel (9) bis zum Ablaufen der Round-Trip-Zeit
sind mit denen für
das zweite Beispiel identisch (8). Nach
der Round-Trip-Zeit wird die Bestätigung (ACK) für den Prozess
1 empfangen. Folglich sind die Prozesse 1 und A (zusätzlicher
Prozess) zu diesem Zeitpunkt verfügbar. Wir nehmen weiterhin
an, dass keine Daten hoher Priorität für die Übertragung anstehen, es jedoch
einige Pakete geringer Priorität
gibt, die unter Verwendung der niedrigsten MCS-Stufe 1 gesendet werden
können.
Der Koordinierer wird die Verwendung des Prozesses A für diese
Pakete bevorzugen, und folglich den Prozess 1 für Hochgeschwindigkeitsdaten
hoher Priorität
reservieren.
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Abgesehen
von dem Übertragungswiederholungsprotokoll
in der MAC-hs-Unterschicht kann auch ein Übertragungswiederholungsprotokoll
in der RLC-Unterschicht (wenn konfiguriert, um in dem bestätigten Modus
zu arbeiten) und in der zuverlässigen Transportsteuerungs-Protokollschicht
(beispielsweise TCP) vorhanden sein. Um die Latenzzeit zu verringern,
kann es nützlich
sein, die Pakete, die durch höhere
Schichten erneut gesendet werden, den reservierten/zusätzlichen
HARQ-Prozessen zuzuweisen.
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Die
Erfindung offenbart ein intelligentes Verfahren für ein flexibles
Koordinieren einer Vielzahl paralleler hybrider ARQ-Prozesse, wobei
Daten unterschiedlicher Prioritäten
gesendet werden. Die Latenzzeit wird verringert, ohne die Datenbits,
die den ausstehenden Übertragungswiederholungen
zugehörig
sind, in dem Soft-Puffer des UEs zu löschen. Basierend auf den Ressourcenzuweisungs-Parametern,
wie beispielsweise der Datenstrom-Kennung, der Priorität, der Verkehrsbeschreibung,
der Paketgröße und so
weiter, die mit den Daten assoziiert sind, wählt der Sender einen der verfügbaren HARQ-Prozesse
aus, um die Dienstgüteanforderungen
zu erfüllen.
Durch den Einsatz von intelligenten nicht prädiktiven und prädiktiven
Koordinierverfahren und für
eine gegebene Soft-Puffergröße nutzt
der Sender die verfügbaren
Funkressourcen effizient.