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1. (WO2019053296) METHOD FOR LINEAR ENCODING OF SIGNALS FOR THE REDUNDANT TRANSMISSION OF DATA VIA MULTIPLE OPTICAL CHANNELS
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Verfahren zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere optische Kanäle

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung handelt von einem Verfahren zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere optische Kanäle.

Hintergrund

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Drahtlose Kommunikation ist allgegenwärtig und der Bedarf für mobile Datenverbindung mit hoher Geschwindigkeit steigt immer weiter. Das Frequenzspektrum für funkbasierte Drahtloskommunikation entwickelt sich zu einer raren Ressource. Daher können in der nahen Zukunft funkbasierte Kommunikationstechnologien durch optische Drahtloskommunikation (Optical Wireless Communication, OWC) ergänzt oder sogar ersetzt werden. In einer optischen Drahtloskommunikation wird Licht als Medium für die Datenübertragung verwendet. Sichtbares Licht (Visible Light Communication, VLC), Infrarot (IR), nahes Infrarot (NIR) oder anderer Wel-lenlängen können für die Übertragung benutzt werden.

Gleichzeitig ist die lichtbasierte Übertragung unempfindlich gegenüber EMI. Dies ist beispielsweise für den Einsatz in industriellen Umgebungen von Interesse, wo Funkverbindungen etwa durch Elektromotoren, starke Magnetfelder und elektrische Schweißarbeiten gestört werden können.

Licht kann Hindernisse, wie zum Beispiel Wände und Türen, nicht beziehungsweise nur sehr schwer durchdringen. Diese Eigenschaft kann dazu ausgenutzt werden, eine drahtlose Kommunikationstechnologie lokal und abhörsicher zur Verfügung zu stellen. Dies wäre beispielsweise für Konferenzräume, oder für Einrichtungen mit erhöhten Security-Anforderungen interessant.

Aufgrund der Eigenschaften von Licht ist eine Sichtlinien (Line of Sight, LoS)-Ver-bindung für die lichtbasierte Datenübertragung vorteilhaft. Abschattungen, bei-spielsweise verursacht durch den menschlichen Körper, und Beweglichkeit, beispielsweise verursacht durch bewegen von Komponenten, zu denen Informationen übertragen werden sollen, stellen eine technische Herausforderung dar, die eine geeignete Lösung erfordert.

Um eine Datenverbindung in nahezu jeder beliebigen Ausrichtung des Kommuni-kationsgerätes zu ermöglichen und damit Abschattungen (verursacht z.B. durch den menschlichen Körper) zu vermeiden, können mehrere LoS-Verbindungen bzw. Übertragungspfade gleichzeitig für eine redundante Übertragung genutzt werden. Auf diese Weise kann, bei geeigneter Auslegung des Systems, die Datenverbindung aufrechterhalten werden, auch wenn einzelne LoS-Verbindungen bzw. die entsprechenden Übertragungspfade unterbrochen werden. Dies entspricht einer räumlich redundanten Übertragung, die die Verwendung mehrerer Sende- und Empfangskomponenten voraussetzt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten mittels solch einer lichtbasierten Kommunikation. Wie oben schon beschrieben hat die lichtbasierte Kommunikation viele Vorteile. Neben den genannten Vorteilen gibt es aber auch einige Herausforderungen, denn was aus Sicherheitsaspekten als Vorteil gesehen wird, nämlich dass die lichtbasierte Kommunikation nicht durch Wände und um Ecken geht, ist aus Sicht der Übertragungssicherheit ein Nachteil. Wenn keine sichere Übertragung mehr gewährleistet ist, nur weil der Empfänger nicht in direkter Sichtlinie zum Sender steht beziehungsweise sich einige Störquellen dazwischen befinden, fallen viele Anwendungsszenarien für die lichtbasierte Kommunikation weg. Daher ist es nötig, ein robustes, redundanzbasiertes Übertragungsverfahren zu finden, bei dem die Übertragungssicherheit auch bei schlechten Bedingungen aufgrund der Redundanz über mehrere Kanäle gegeben ist. Im Gegensatz zu funkbasierter Kommunikation gibt es bei der lichtbasierten Kommunikation wenig Einschränkungen bezüglich der Anzahl der Übertragungskanäle. Im Prinzip kann jede einzelne Lichtwellenlänge als ein Kanal angesehen werden, und die Kanäle benötigen wenig Mindestabstand voneinander, so dass im betrachteten Spektrum sehr viele Kanäle genutzt werden könnten.

In der Praxis werden natürlich die Lichtspektren genutzt werden, die eine für die lichtbasierte Kommunikation ausgerüstete Leuchte ohnehin abstrahlen würde. Daher ist die Anzahl der Kanäle praktisch aus Kostengründen schon eingeschränkt. Trotzdem stehen für die lichtbasierte Kommunikation in der Praxis genügend Kanäle zur Verfügung, die für die Übertragung genutzt werden können.

Generell ist die Problematik so, dass natürlich möglichst viele Daten pro Zeitein-heit über einen Kanal beziehungsweise über die bestehenden verfügbaren Kanäle übertragen werden sollen. Dabei spielen Randbedingungen wie die Anzahl der verfügbaren Kanäle, die Bandbreite pro Kanal, verfügbare Übertragungszeitschlitze /Übertragungszeitscheiben, Codemultiplexverfahren und Spreizsequenzen (spreading sequences), und die Kanal konfiguration eine Rolle.

Selbstverständlich bekommen die Zuverlässigkeit und die Robustheit der Übertragung in schwierigen Umgebungen einen sehr hohen Stellenwert, so dass nicht mehr nur die reine Geschwindigkeit der Datenübertragung zählt. Als Beispiele für solche Umgebungen beziehungsweise Szenarios seien hier hochdynamische mobile Umgebungen, Szenarien mit einem sehr niedrigen Signal-Rausch Abstand und Szenarien mit starken Störungen (z.B. militärische Anwendungen mit Störattacken) genannt.

Um eine sichere, robuste und zuverlässige Datenübertragung zu erreichen, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden:

Pro Kanal kann z.B. eine starke Kodierung (Forward Error Correction / FEC) verwendet werden, was aber einen hohen Berechnungsaufwand mit großem Speicherbedarf zur Folge hat. Es kann ein Übertragungsverfahren verwendet werden, welches eine Neuübertragung von Daten bei unzureichendem Empfang umfasst. Dies hat den Nachteil dass es zu Verzögerungen aufgrund der Neuversendung kommen kann. Daher sind solche Übertragungsverfahren nicht immer für Echtzeitanwendungen geeignet. Bei ungünstigen Bedingungen können die Daten auch verloren sein, da sie auch bei mehrfacher Übertragung nie fehlerfrei empfangen werden können. Schließlich besteht die Möglichkeit einer redundanten Übertra-gung über mehr als einen Kanal, was natürlich zu geringerer Datenrate führt, da Bandbreite für die Redundanz verschwendet wird. In einigen Szenarien mag dies natürlich keine Rolle spielen, da hier die Sicherheit der fehlerfreien Übertragung einen weit höheren Stellenwert einnimmt, als die„Verschwendung" mehrerer Kanäle zur Übertragung.

Generell ist es so, dass dank der sehr hohen verfügbaren Datenrate bei lichtbasierte Kommunikation die realisierbare Datenrate nicht die primäre Sorge darstellt, sondern die Sicherheit der Datenübertragung einen höheren Stellenwert einnimmt. Für die lichtbasierte Kommunikation werden idealerweise RGB (Rot-Grün-Blau) LEDs oder Laserdioden verwendet. Damit hat man drei nahezu orthogonale Ka-näle nahezu ohne gegenseitiges Übersprechen zur Verfügung. Dabei bleibt das Grundproblem der lichtbasierte Kommunikation bestehen dass eine direkte Sichtverbindung ein hervorragendes Signal mit einem sehr guten Signal-Rauschverhältnis erzeugt, wohingegen eine indirekte Verbindung über Reflektion an einer Fläche ein sehr schwaches Signal mit einem sehr kleinen Signal-Rauschabstand erzeugt.

Im Stand der Technik existieren einige Verfahren zur Datenübertragung, die auch für die lichtbasierte Kommunikation genutzt werden können.

Generell bekannt ist es, Daten gleichzeitig über mehrere Kanäle zu senden, um die Datenrate zu erhöhen. Dabei werden die Daten in einem Multiplexverfahren zerlegt und über die verschiedenen Kanäle gesendet. Eine Redundanz wird bei dieser Methode nicht erzeugt, daher ist dieses Verfahren nicht dazu geeignet, eine erhöhte Robustheit der Datenübertragung zu gewährleisten. Wird dieses Verfahren z.B. auf RGB Kanäle angewandt, so spricht man von„wavelength division multiplex", kurz WDM. Die bekannten Multiplexverfahren sind in dem Wikipedia Artikel

(httpsi//de.wikipedia.org/wiki/Multiplexyerfahren) beschrieben.

Werden jedoch dieselben Daten über mehrere Kanäle gesendet, so sind diese Kanäle redundant zueinander, somit ist hier grundsätzlich eine erhöhte Zuverlässigkeit gegeben, da bei Übertragungsfehlern in einem Kanal die gleichen Daten auf einem anderen Kanal verfügbar sind.

Zwischen diesen beiden extremen sind prinzipiell Lösungen denkbar. Dies soll im Folgenden diskutiert werden.

Wie oben schon beschrieben sind aus dem Stand der Technik zwei Verfahren bekannt, um Daten über mehrere Kanäle zu übertragen.

Das erste Verfahren ist in Fig. 1 dargestellt, und ist ein Verfahren ohne jegliche Redundanz. Die zu übertragenden Daten x werden in einen Eingang 31 eingege-ben. In einem Demultiplexer 33 werden sie in drei Datenströme aufgeteilt. Jeder Datenstrom wird in deinem Digital-Analogwandler D/A in ein analoges Signal x1 , x2, x3 umgewandelt. Dieses analoge Signal wird in je einem Sendeübertrager 371 , 372, 373 über je einen Kanal CH1 , CH2, CH3 abgestrahlt. Die Kanäle sind hier z.B. orthogonale Kanäle, die von je einer roten, einer grünen, und einer blauen LED abgestrahlt werden. Empfängerseitig wird jedes Signal auf jedem Kanal wiederum von einem Empfangsübertrager 374, 375 376 empfangen, und als Signal x1 ', χ2', x3' an je einen Analog-Digitalwandler A D angelegt, der diese Signale wieder in digitale Signale zurückverwandelt. Diese werden dann in einen Mul-tiplexer 34 eingegeben, der die drei Signale dann wiederum in ein Ausgangssignal x' überführt, welches dann an einem Ausgang 32 ausgegeben wird. Funktioniert alles ordnungsgemäß, dann ist das Ausgangssignal identisch mit dem Eingangssignal. Bei Störungen z.B. auf einem Kanal jedoch kann das originale Signal empfängerseitig nicht mehr hergestellt werden, und es kommt zu Übertragungsstörungen. Es werden also alle n=3 Kanäle fehlerfrei benötigt, um das Ausgangssignal wieder herstellen zu können. Wenn das Signal eines Kanals verloren geht, dann kann das originale Signal nicht mehr hergestellt werden.

Diese Probleme werden in einem zweiten Verfahren vermieden, bei dem die Daten mit voller Redundanz übertragen werden. Die Anordnung ist ähnlich zu der des ersten Verfahrens, ein Signal wird in einen Eingang 31 eingegeben. Der Demultiplexer 33 wird hier jedoch nicht tätig, sondern leitet Kopien des Signals an die einzelnen Digital-Analogwandler D/A weiter, der das Signal in ein analoges Signal x1 umwandelt. Dieses Signal wird dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben, welches in diesem Fall das Signal vervielfältigt, und an jeden der drei Kanäle als Signal s1 , s2, s3 abgibt. Diese drei Signale werden wiederum in je einen Sendeübertrager 371 , 372, 373 eingespeist und über je einen Kanal CH1 , CH2, CH3 (Rot, Grün, Blau) gesendet.

Empfängerseitig werden diese Signale dann wiederum von je einem Empfangsübertrager 374, 375, 376 empfangen und als Signale y1 , y2, y3 in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, die aus den drei eigentlich gleichlautenden Signalen wiederum das rekonstruierte analoge Signal x1 ' berechnet.

Dieses analoge Signal x1 ' wird dann in einem Analog-Digitalwandler in ein digitales Signal umgewandelt, und einem Multiplexer zugeführt, der in diesem Fall das Signal einfach durchleitet. Das Signal wird dann in einem Empfangsumsetzer 39 in das originale Signal gewandelt und am Ausgang 32 abgegeben.

Durch die dreifache Redundanz ist lediglich ein korrekt übermitteltes Signal eines Kanales notwendig, um das originale Signal zu Rekonstruieren. Es können also 2 Kanäle falsch oder schlecht übertragen werden, und das originale Signal kann trotzdem noch korrekt rekonstruiert werden. Wird also z.B. der rote Kanal gestört, und der Grüne Kanal ist sehr stark verrauscht, so kann der blaue Kanal verwendet werden, und das Signal korrekt übertragen werden. Durch die volle Redundanz über alle verfügbaren Kanäle kann potentiell eine hohe Betriebssicherheit und Robustheit gegenüber Störungen erreicht werden.

Nachteil dieses Verfahrens ist es jedoch, dass die Bandbreite der Datenübertragung durch die volle Redundanz wesentlich niedriger ist als beim ersten Verfahren.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des ersten und des zweiten Verfahrens zu vermeiden, und ein Verfahren zur Datenübertragung über mehrere Kanäle anzugeben, welches besser an notwendige Randbedingungen wie Übertragungs-Sicherheit und Bandbreite angepasst werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren für die redundante Übertragung von Daten mittels lichtbasierter Kommunikation mit folgen-den Schritten:

- Umsetzen der Daten zu einem Sendedatenstrom beziehungsweise Strom von bipolaren Datensymbolen in einem Sendeumsetzer,

- Aufteilen des Sendedatenstroms in mindestens einen sendeseitigen Teildatenstrom mittels eines Demultiplexers,

- Umwandeln des mindestens einen sendeseitigen Teildatenstroms in einem Redundanzfunktionsmodul in mindestens ein Signal mit mindestens einer Komponente,

- Senden dieses mindestens einen Signals in einer Sendung pro Komponente mittels mindestens einen Sendeübertrager über mindestens einen lichtbasierten Übertragungskanal,

- Empfangen des mindestens einen Signals in mindestens einem Empfangsübertrager,

- Umwandeln des mindestens eines empfangenen Signals in einem Kalkulationsmodul in mindestens einen empfangsseitigen Teildatenstrom,

- Zusammenführen der empfangsseitigen Teildatenströme in einen Empfangsdatenstrom mittels eines Multiplexers,

- Umsetzen des Empfangsdatenstroms in die ursprünglichen Daten in einem Empfangsumsetzer,

wobei zur Erzeugung der Redundanz entweder die Anzahl der lichtbasierten Über-tragungskanäle größer ist als die Anzahl der Teildatenströme, oder zur Erzeugung der Redundanz die Anzahl der Sendungen pro Kanal größer ist als die Anzahl der Teildatenströme, oder zur Erzeugung der Redundanz das Produkt der lichtbasierten Übertragungskanäle und der Sendungen pro Kanal größer ist als die Anzahl der Teildatenströme.

Besonders Vorteilhaft an diesem Verfahren ist die schrittweise Umwandlung des 5 Datenstroms, die gewährleistet, dass das Verfahren bei nahezu allen denkbaren Randbedingungen besonders effizient ist und die Daten besonders schnell und sicher übertragen werden können. Vorteilhaft ist dazu vorgesehen, mehrere verfügbare optische Kanäle für die parallele Übertragung von Teildatenströmen zu nutzen, und bei genügend Kanälen auch redundante Teildatenströme über die Kal o näle zu senden. So kann der originale Datenstrom auch bei schlechten Verhältnissen und teilweisen Kanalausfällen vorteilhaft sicher rekonstruiert werden. Wenn nicht genügend optische Kanäle zur Verfügung stehen werden die Teildatenströme beziehungsweise Symbole seriell mit zusätzlichen redundanten Daten über die verfügbaren Kanäle gesendet, damit auch bei teilweisen Kanalausfall der origi-15 nale Datenstrom sicher rekonstruiert werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung arbeitet der Demultiplexer als Pola- ritätstrennungsmodul und der Multiplexer als Polaritätskombinierungsmodul, wobei das Polaritätstrennungsmodul aus dem bipolaren Sendedatenstrom zwei unipolar positive sendeseitige Teildatenströme generiert, und das Polaritätskombinierungs-20 modul aus zwei unipolar positiven empfangsseitigen Teildatenströmen einen bipolaren Empfangsdatenstrom generiert. Dies ist bei Lichtbasierten Kanälen, die keine negativen Werte direkt übertragen können eine besonders vorteilhafte Lösung, da hier alle Werte positiv sind, und durch die besondere Verarbeitung der originale bipolare Datenstrom einfach wieder rekonstruiert werden kann.

25 In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden zur Bildung von Redundanz lineare Kombinationen der Teildatenströme gebildet, und diese über einen zusätzlichen Kanal und/oder in einer zusätzlichen Sendung übertragen. Die Linearkombinationen können dabei in der Form Ä · x = s beschrieben werden, wobei Ä eine Nxn Matrix ist. Lineare Kombinationen der Teildatenströme sind einfach

30 und mit wenig Rechenleistung zu berechnen und wieder aufzulösen, und besonders vorteilhaft können mehrere Teildatenströme in einer linearen Kombination zu einem Teildatenstrom kombiniert werden. Damit kann sehr einfach und effizient die notwendige Redundanz geschaffen werden, um das erfindungsgemäße Verfahren besonders sicher und effizient zu gestalten.

Besonders bevorzugt sind n beliebig gewählte Zeilen in der Matrix Ä linear unabhängig zueinander. Dies stellt die einfachste und effektivste Implementierung von Redundanzbildung dar.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist n=2 und N=3.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist n=2 oder n=3 und N=4.

In einer Ausführungsform ist für jede Zeile in Ä die Summe der Koeffizienten gleich 1 .

In einer Ausführungsform wird ein Bandpass-Modulationsverfahren als Ausgangssignal im Sendeumsetzer und als Eingangssignal im Empfangsumsetzer verwendet.

In einer anderen Ausführungsform wird ein Modulationsverfahren mit einem reellem Basisbandsignal als Ausgangssignal im Sendeumsetzer und als Eingangssig-nal im Empfangsumsetzer verwendet.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Modulationsverfahren mit einem unipolaren Signal als Ausgangssignal im Sendeumsetzer und als Eingangssignal im Empfangsumsetzer verwendet.

In einer anderen Ausführungsform wird ein Modulationsverfahren mit einem bipo-laren Signal als Ausgangssignal im Sendeumsetzer und als Eingangssignal im Empfangsumsetzer verwendet, wobei dieses Ausgangssignal im Polaritätstren-nungsmodul in zwei unipolar positive Signale umgewandelt wird, beziehungsweise im Polaritätskombinierungsmodul die unipolar positiven Signale in das Eingangssignal umgewandelt werden. Dies ist bei lichtbasierter Übertragung besonders vor-teilhaft, da Licht keine negativen Werte annehmen kann, sondern nur„von dunkel bis hell" modulierbar ist. Durch das invertieren der negativen Signalkomponenten gibt es nur noch unipolar positive Komponenten, die besonders vorteilhaft mittels lichtbasierten Kanälen ohne großen weiteren Modulationsaufwand übertragen werden können.

Bevorzugt wird zur Berechnung der Teildatenströme ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren verwendet. Das orthogonalesFrequenzmultiplexverfahren ist eine spezielle Implementierung der Multicarrier-Modulation, und ein Modulationsverfahren, welches mehrere orthogonale Träger zur digitalen Datenübertragung verwendet. Dadurch stören sich die einzelnen Träger nur sehr wenig, was vorteilhaft zu einer besonders robusten und anpassungsfähigen Übertragung der Daten führt.

In einer Ausführungsform wird ein orthogonales Frequenzmultiplexverfahren mit invertierten negativen Signalkomponenten verwendet. Dies ist bei lichtbasierter Übertragung besonders vorteilhaft, da Licht keine negativen Werte annehmen kann, sondern nur„von dunkel bis hell" modulierbar ist. Durch das invertieren der negativen Signalkomponenten gibt es nur noch unipolar positive Komponenten, die besonders vorteilhaft mittels lichtbasierten Kanälen ohne großen weiteren Modulationsaufwand übertragen werden können.

In einer Ausführungsform wird zum Umwandeln des mindestens eines empfangenen Signals in einem Kalkulationsmodul in mindestens einen empfangsseitigen Teildatenstrom ein bedingter Erwartungswert verwendet. Vorteilhaft funktioniert der bedingte Erwartungswert mit gleichförmigen und ungleichförmigen Quellsignaldistributionen, ebenso mit vielfältigen Typen von Kanälen beziehungsweise Übertragungssymbolen.

In einer anderen Ausführungsform wird zum Umwandeln des mindestens eines empfangenen Signals in einem Kalkulationsmodul in mindestens einen empfangs-seitigen Teildatenstrom eine Selektion von Empfangssignalen verwendet. Diese Methode funktioniert nur bei voller Redundanz der Übertragung, vorzugsweise kann die Entscheidung basierend auf der Signalstärke oder dem Signal-Rausch-Verhältnis der Empfangssignale getroffen werden.

In einer anderen Ausführungsform wird zum Umwandeln des mindestens eines empfangenen Signals in einem Kalkulationsmodul in mindestens einen empfangs-seitigen Teildatenstrom ein gewichtetes konstruktives Kombinieren nach dem Signal/Rauschverhältnis verwendet. Diese Methode kombiniert die Signalströme nach ihrem Signal-Rausch-Verhältnis gewichtet. Der Gewichtungsfaktor des Einzelsignales ist proportional zu seinem Signal-Rausch-Abstand. Die einzelnen Signalströme beziehungsweise Kanäle oder Zweige werden vorteilhaft kohärent linear kombiniert, und zwar in einer Weise, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals maximal ist.

In einer anderen Ausführungsform wird zum Umwandeln des mindestens eines empfangenen Signals in einem Kalkulationsmodul in mindestens einen empfangs-seitigen Teildatenstrom ein additives konstruktives Kombinieren verwendet. Bei dieser Methode werden die verfügbaren Signale einfach addiert. Diese Methode wird bevorzugt für ein n aus N Redundanzschema verwendet, indem die n stärksten Signale für die Lösung der linearen Gleichungen verwendet werden.

Besonders bevorzugt wird zur Übertragung über einen lichtbasierten Übertragungskanal eine Leistungsmodulation mit einer Direkterkennung beim Empfang verwendet. Dieses Verfahren ist besonders Vorteilhaft für die lichtbasierte Kommunikation geeignet, weil die optische Ausgangsleistung einer Quelle gemäß einer Eigenschaft des Modulationssignals variiert wird. Die Hüllkurve des modulierten optischen Signals ist ein Analogon des modulierenden Signals in dem Sinne, dass die momentane Leistung der Hüllkurve ein Analogon der interessierenden Eigenschaft des modulierenden Signals ist. Die Wiederherstellung des modulierenden Signals erfolgt hier bevorzugt durch direkte Detektion.

Die Verwendung des Begriffes„lichtbasiert" soll im Folgenden kurz definiert werden:„Lichtbasiert" wir synonym zu„unter Verwendung von Licht" verwendet. Als Licht sind alle elektromagnetischen Wellen anzusehen, die sich in einem Frequenzbereich befinden, der im Allgemeinen als„Licht" bezeichnet wird. Hierzu zählen das vom Menschen sichtbare Licht, aber auch die längeren und kürzeren Wellenlängen, also das infrarote Licht als auch das ultraviolette Licht. In Wellenlängen ausgedrückt ist das etwa der Bereich von 10nm bis 10μηη. Eine Übersicht zur Einordnung findet sich in der Enzyklopädie Wikipedia: https://de.wikipe-dia.orq/wiki/'Licht#/'media/File:Electromaqnetic spectrum -de c.svg

Ein„opto-elektronisches Element" ist im Folgenden ein Element, welches entweder lichtbasierte Signale erzeugen oder empfangen kann. Teil eines opto-elektro-nischen Elementes kann hier z.B. eine Leuchtdiode oder eine Photodiode sein. Es kann sich aber ebenfalls um eine Laserdiode oder einen Photowiderstand handeln. Eine eventuell notwendige Abstrahloptik oder Empfangsoptik kann Teil des opto-elektronischen Elements sein.

Ein Sendeübertrager ist im Folgenden eine Vorrichtung, die geeignet ist lichtbasierte Signale auszusenden. Ein Sendeübertrager ist daher in der Lage in ihm eingegebene Informationen in lichtbasierte Signale umzuwandeln uns abzustrahlen. Ein Sendeübertrager muss demnach ein opto-elektronisches Element aufweisen.

Ein Empfangsübertrager ist im Folgenden eine Vorrichtung, welche in umgekehrter Richtung wie der Sendeübertrager arbeitet. Ein Empfangsübertrager ist in der Lage lichtbasierte Signale in Informationen umzuwandeln und auszugeben. Ein Empfangsübertrager muss demnach ebenfalls ein opto-elektronisches Element aufweisen.

In der Praxis werden aufgrund der i.A. bidirektionalen Kommunikation Sendeübertrager und Empfängsübertrager meistens zusammen, d.h. als Paar verwendet. Die beiden Begriffe stehen im Folgenden daher auch für einen kombinierten Sende-empfangsübertrager.

Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemä-ßen Systems ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Figur 1 Ein schematisches Schaltbild der Datenströme der ersten Methode nach dem Stand der Technik,

Figur 2 ein schematisches Schaltbild der Datenströme der zweiten Methode nach dem Stand der Technik,

Figur 3 ein schematisches Schaltbild der Datenströme einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 4 eine schematische Figur zur Darstellung der Selektion von Empfangssignalen (selection combining, SC),

Figur 5 eine schematische Figur zur Darstellung des konstruktiven Kombinie- rens von Empfangssignalen (maximum ratio combining (MRC),

Figur 6 eine graphische Repräsentation der wahrscheinlichkeitstheoretischen

Zusammenhänge eines Beispiels mit N=3 Kanälen,

Figur 7 eine erste Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodierung von

Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Ka- näle,

Figur 8 eine zweite Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle,

Figur 9 eine dritte Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle,

Figur 10 eine vierte Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodierung von

Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle,

Fig. 1 1 eine erste Ausführungsform der Übertragung von bipolaren Signalen über unipolare Kanäle, wobei ein Symbol über einen Kanal in zwei Sendungen übertragen wird,

Fig. 12 eine zweite Ausführungsform der Übertragung von bipolaren Signalen über unipolare Kanäle, wobei ein Symbol über einen Kanal in drei Sendungen mit Redundanz in der dritten Sendung übertragen wird,

Fig. 13 eine dritte Ausführungsform der Übertragung von bipolaren Signalen über unipolare Kanäle, wobei ein Symbol über zwei Kanäle in einer Sendung ohne Redundanz übertragen wird,

Fig. 14 eine vierte Ausführungsform der Übertragung von bipolaren Signalen über unipolare Kanäle wobei ein Symbol über drei Kanäle in einer Sendung mit Redundanz im dritten Kanal übertragen wird,

Fig. 15 eine fünfte Ausführungsform, wobei hier zwei Symbole hintereinander in zwei Sendungen über drei Kanäle mit Redundanz im dritten Kanal übertragen werden,

Fig. 16 eine sechste Ausführungsform, wobei hier zwei Symbole parallel über zwei Kanäle in drei Sendungen mit Redundanz in der dritten Sendung übertragen werden,

Fig. 17 eine siebte Ausführungsform, wobei hier zwei Symbole parallel über zwei Kanäle in drei Sendungen mit Redundanz in der dritten Sendung übertragen werden, wobei zusätzlich ein dritter Kanal für die Übertragung von weiteren redundanten Signalkomponenten vorgesehen ist,

Fig. 18 eine achte Ausführungsform, wobei hier zwei Symbole parallel über zwei Kanäle in drei Sendungen mit Redundanz in der dritten Sendung übertragen werden, wobei zusätzlich ein dritter Kanal für die Übertragung von weiteren redundanten Signalkomponenten auch in der dritten Sendung vorgesehen ist.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des vorgeschlagenen Verfahrens, welches die Nachteile des bekannten Standes der Technik nicht aufweist.

Ein Datensignal wird in einen Eingang 31 eines Sendemoduls Tx eingegeben. Dieses Signal wird in einem Sendeumsetzer 38 in einen Sendedatenstrom x umgewandelt, und in einem Demultiplexer 33 wird dieser in 2 Teildatenströme aufgeteilt, die wiederum in zwei Digital-Analogwandlern D/A in zwei analoge Teildatenströme x1 und x2 umgewandelt werden. Diese werden in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben, welches aus den 2 Teildatenströmen 3 Signale s1 , s2, s3 für 3 unabhängige Kanäle erzeugt. Diese werden dann in 3 Sendeübertrager 371 , 372, 373 eingegeben, die jeweils ein Signal s1 , s2, s3 über einen Kanal Chi , Ch2, Ch3 abstrahlen. Der Sendeumsetzer 38 bekommt als Input die Bits/Bytes des Datensignals und wandelt diese in zeitdiskrete Symbole um. Der Sendedatenstrom x be-steht also aus einer Abfolge von zeitdiskreten Symbolen u(k), wobei k ein Index für die Abfolge der zeitdiskreten Symbole ist. Die Abfolge dieser zeitdiskreten Symbole u(k) bildet also den Sendedatenstrom x. Beispiele für zeitdiskrete Symbole sind Abtastwerte eines analogen Signals, Abtastwerte eines Bandpass-Signals (z.B. QAM, OFDM), zeitdiskrete reelle Basisbandsymbole (z.B. ASK, OFDM mit hermitescher Symmetrie), zeitdiskrete unipolare Basisbandsymbole (DCO-OFDM), oder zeitdiskrete unipolare Datensymbole (OOK, PAM) sein. Beispielhaft sind ebenfalls Symbole von temporären Zwischengrößen, wie z.B. beim Flip-OFDM Verfahren, bei dem zuerst reelle Basisbandsymbole erzeugt werden, bevor sie dann (in einem nachfolgenden Schritt) in unipolare Symbole gewandelt werden.

Die Signale werden in 3 Empfangsübertragern 374, 375, 376 empfangen und als Signale y1 , y2, y3 in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, in dem 2 Teildatenströme χ1 ', x2' aus den drei empfangenen Signalen rekonstruiert werden. Diese 2 analogen Teildatenströme werden in je einen Analog-Digitalwandler A D eingege-ben, der 2 digitale Teildatenströme aus den analogen Teildatenströmen generiert. Diese werden in einen Multiplexer 34 eingegeben, weicher den rekonstruierten Empfangsdatenstrom x' aus den Teildatenströmen x1 ' und x2' generiert. In einem Empfangsumsetzer 39 wird dieser dann in ein Empfangssignal umgewandelt und am Ausgang 32 ausgegeben. Der Empfangsumsetzer 39 arbeitet andersherum wie der Sendeumsetzer 38, er wandelt die empfangenen zeitdiskreten Symbole wieder in Bits beziehungsweise Bytes um.

Es werden also 2 Teildatenströme über 3 unabhängige Kanäle übertragen. Damit ist eine Redundanz gegeben, die es ermöglicht, bei Störungen auf einem der unabhängigen Kanäle trotzdem den originalen Sendedatenstrom x zu rekonstruieren. Die 3 unabhängigen Kanäle können zum Beispiel 3 Kanäle einer Lichtbasierten Kommunikation sein, und in Frequenzbereichen der Farben Rot, Grün und Blau angesiedelt sein. Sollte also einer der Kanäle gestört sein und keine Daten über diesen Kanal übertragen werden können, so kann der originale Sendedatenstrom trotzdem wieder Hergestellt werden.

Das Vorgeschlagene Verfahren ist also zwischen den beiden bekannten Verfahren „keine Redundanz" und„volle Redundanz" angesiedelt, und stellt damit einen Kompromiss zwischen der verfügbaren Datenrate und der Robustheit des Übertragungskanals dar.

Natürlich kann das Verfahren auch für mehr unabhängige Übertragungskanäle an-gepasst werden, es muss lediglich darauf geachtet werden, dass mehr Übertragungskanäle als Datenströme vorhanden sind, um eine (teil-)redundante Übertragung sicherzustellen.

Das Kalkulationsmodul 36 rekonstruiert aus den über die einzelnen Kanäle empfangenen Signale y1 , y2, y3 die Teildatenströme χ1 ', x2', welche im Idealfall iden-tisch zu den ursprünglichen Teildatenströmen x1 , x2 sind. Dazu lassen sich ver- schiedene mathematische Methoden formulieren, die die Vorgänge im Redundanzfunktionsmodul 35 berücksichtigen, und im Kalkulationsmodul 36 zur Anwendung kommen.

Das Redundanzfunktionsmodul 35 kann z.B. auf zwei Kanälen die zwei Teildaten-ströme x1 und x2 senden, und auf dem dritten Kanal eine lineare Kombination 1 *x1 +1 *x2 der beiden Teildatenströme senden. Dies stellt sicher, dass bei Verlust eines der drei Kanäle das Originalsignal trotzdem rekonstruiert werden kann.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass das oben beschriebene Verfahren anwendbar ist, wenn N>=2 Kanäle vorhanden sind.

Vorgaben bzgl. der Amplitude können hierbei geeignet berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere hilfreich bei Übertragungskanälen, die Licht als Übertragungsmedium nutzen, wenn dieses Licht gleichzeitig der Beleuchtung dienen soll, und zusätzlich noch dimmbar ist.

Das Verfahren kann einerseits im diskreten Zeitbereich verwendet werden, oder wie oben beschrieben im analogen Bereich. Es ist möglich sehr einfache Designs mit einem einzigen Übertrager zu realisieren.

Im Folgenden soll das Verfahren an einem Beispiel erörtert werden, welches wiederum eine lineare Kombination für die Redundanzgewinnung nutzt. Als erstes wird angenommen, dass es mehr als 2 Kanäle für die Übertragung gibt. Für mehr als 2 Kanäle können die folgenden Redundanzschemen für die Übertragung implementiert werden:

Alle n = N übertragenen Signale werden für die Dekodierung benötigt. Dies wird als N aus N Redundanz bezeichnet. Hier kann man auch sagen dass keinerlei Redundanz besteht.

- n = N -1 übertragenen Signale werden für die Dekodierung benötigt. Dies wird als N-1 aus N Redundanz bezeichnet.

- n = N -2 übertragenen Signale werden für die Dekodierung benötigt. Dies wird auch als N-2 aus N Redundanz bezeichnet.

- n = 1 aus N übertragenen Signale werden für die Dekodierung benötigt.

Dies wird auch als 1 aus N Redundanz bezeichnet, und entspricht einer vollen Redundanz.

Die N Signale, die über N Kanäle übertragen werden, werden als lineare Kombination aus n originalen Signalen x1 , x2, xn gebildet, wobei n ein Element aus {1 , 2, N} ist. Die linearen Gleichungen können folgendermaßen dargestellt werden:

a1 *x1 + a2*x2 + ... + an*xn,

wobei a1 , a2, ... an reell-wertige Koeffizienten bzw. Gewichtungsfaktoren sind. Die Wahl der Koeffizienten wird untenstehend beschrieben; es gilt jedoch, dass a1 , a2, ... an nicht gleichzeitig gleich Null sein dürfen.

Im Folgenden werden einige Beispiele gezeigt, die das Prinzip illustrieren sollen.

Beispiel 1 : N = 2 Kanäle


Für N = 2 existieren nur die n=2 aus N=2 bzw. die n=1 aus N=2 Redundanzschemata. Beispiele hierzu sind oben dargestellt. Keine Redundanz herrscht, wenn n = 2 aus den N = 2 Signalen benötigt werden um das Originale Signal wiederherzustellen. Volle Redundanz ist gegeben, wenn jedes n = 1 Signal aus den beiden N = 2 Signalen benutzt werden kann, um das originale Signal wiederherzustellen. Für jedes Redundanzschemata können die zu übertragenden Signale als lineare Kombination repräsentiert werden:

- Für keine Redundanz: a1 *x1 + a2*x2

- für volle Redundanz: a1 *x1

Beispiel 2: N = 3 Kanäle


Für N = 3 existieren die folgenden bekannten Redundanzschemata:

- keine Redundanz, wobei n = 3 aus N = 3 Signalen benötigt werden, um das Originalsignal wiederherzustellen.

- Volle Redundanz, wobei n = 1 aus N = 3 Signalen benötigt werden, um das Originalsignal wiederherzustellen.

Wie oben beschrieben wird hier ein weiteres Redundanzschemata vorgeschlagen, das als 2 aus 3 Redundanz bezeichnet wird. Hierbei sind n = 2 aus N = 3 Signale notwendig, um das Originalsignal wiederherzustellen. Dieses

Redundanzschemata liegt also zwischen den oben beschriebenen bekannten Schemata.

Auch hier kann für jedes Redundanzschemata eine lineare Kombination der übertragenden Signale angegeben werden:

- für„keine Redundanz": a1 *x1 + a2*x2 + a3*x3

- für„2 aus 3 Redundanz": a1 *x1 + a2*x2

- für„volle Redundanz": a1 *x1

Beispiel 3: N = 4 Kanäle


Für N = 4 existieren die folgenden Redundanzschemata:

- keine Redundanz, wobei n = 4 aus N = 4 Signalen benötigt werden, um das Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2 + a3*x3 + a4*x4.

- 3 aus 4 Redundanz; hierbei sind 3 der 4 Signale notwendig, um das

Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2 + a3*x3.

- 2 aus 4 Redundanz; hierbei sind 2 der 4 Signale notwendig, um das

Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2.

- Volle Redundanz, wobei n = 1 aus N = 4 Signalen benötigt werden, um das Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 .

Beispiel 4: N = 5 Kanäle


Für N = 5 existieren die folgenden Redundanzschemata:

- keine Redundanz, wobei n = 5 aus N = 5 Signalen benötigt werden, um das Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2 + a3*x3 + a4*x4 + a5*x5.

- 4 aus 5 Redundanz, hierbei sind 4 der 5 Signale notwendig, um das

Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2 + a3*x3 + a4*x4.

- 3 aus 5 Redundanz; hierbei sind 3 der 5 Signale notwendig, um das

Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2 + a3*x3.

- 2 aus 5 Redundanz; hierbei sind 2 der 5 Signale notwendig, um das

Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 + a2*x2.

Volle Redundanz, wobei n = 1 aus N = 5 Signalen benötigt werden, um das Originalsignal wiederherzustellen: a1 *x1 .

Generell kann die lineare Kombination in Matritzennotation wie folgt geschrieben werden: Ä x = s; wobei

Ä eine Nxn-Matrix ist, die die korrespondierenden Koeffizienten an für jeden Kanal und jedes originale Signal xn enthält;

x = [x1 , x2, . .. , χη]ΛΤ ein Spaltenvektor der Länge n des originalen Signals ist; s= [s1 , s2, sN]AT ein Spaltenvektor der Länge N des übertragenen Signals ist.

Im Folgenden werden die oben dargestellten Redundanzschemata des vierten Beispiels in Vektorschreibweise dargestellt.

In Vektorschreibweise sieht das Redundanzschemata„keine Redundanz" folgendermaßen aus:


X s

Das Redundanzschema„4 aus 5 Redundanz" sieht in Vektorschreibweise folgendermaßen aus:



Das Redundanzschema„3 aus 5 Redundanz" sieht in Vektorschreibweise folgendermaßen aus:

Das Redundanzschema„2 aus 5 Redundanz" sieht in Vektorschreibweise folgendermaßen aus:


X

Das Redundanzschema„1 aus 5 Redundanz" (volle Redundanz) sieht in Vektorschreibweise folgendermaßen aus:


Unter Zuhilfenahme dieser Vektor- und Matrizennotation können Bedingungen formuliert werden, damit die Signale entsprechend rekonstruiert werden können:

Betrachtet man das Redundanzschema„n aus N Redundanz", wobei n>=1 und n<=N, dann muss für die Matrix Ä gelten:

1. Die Matrix Ä hat N Zeilen und n Spalten, und

2. n beliebig gewählte Zeilen in der Matrix Ä müssen linear unabhängig zueinander sein.

Diese Bedingungen können als Konstruktionsvorschrift verstanden werden, um Matrizen Ä für Redundanzschemata„n aus N Redundanz" zu konstruieren.

Im einfachsten Fall kann eine Nxn-Matrix zufällig generiert werden, in welcher dann die Bedingung 2. geprüft wird.

Weiterhin ist es möglich diesen Vorgang zu systematisieren, wobei man mit einer nxn-Einheitsmatrix beginnt und dann sukzessive weitere Zeilen konstruiert, wel-che die Bedingung 2. erfüllen.

Beispiele wurden zuvor für n=1 ,2,...,5 und N=5 gezeigt.

Neben den oben genannten Bedingungen bzgl. der Rekonstruierbarkeit, können weitere Randbedingungen notwendig bzw. sinnvoll sein, z.B. dass die Summe der Koeffizienten a1 , a2, an für alle Zeilen in Ä gleich eins ist, um so sicherzustellen, dass alle Kanäle eine konstant gleich hohe Amplitude für die Übertragung aufweisen.

Siehe auch das Beispiel für N=3, in welchem dies erfüllt ist.

Eine gewünschte optimale Dekodierung der Signale im Kalkulationsmodul hängt von mehreren Faktoren ab:

Art der Symbole im Quellsignal

Art der Symbole, welche über die N Kanäle übertragen werden

Statistik des Quellsignals (Gleichmäßige Verteilung, Gaussverteilung etc.) - Art des Übertragungskanals (AWGN, binär, diskret etc.)

Relevantes Kriterium für die Wiedergabetreue der Dekodierung (MSE, Fehlerwahrscheinlichkeit etc.)

Für ein optimiertes Dekoder Design zum Kombinieren der Signale gibt es einige bekannte Methoden:

Conditional Mean Estimation (CME) - Bedingter Erwartungswert

Für das Redundanzschema„keine Redundanz" kann bei angenommener mittlerer quadratischer Abweichung gezeigt werden, dass der optimale individuelle Dekoder für einzelne Signale folgendermaßen lautet:

x = £'{x1 |y1}, x2 = E{x2 \y2}, ..., = |yw) , wobei E{a|b} der bedingte Erwartungswert von b ist.

Für das Redundanzschema„volle Redundanz" kann bei angenommener mittlerer quadratischer Abweichung gezeigt werden, dass der optimale individuelle Dekoder für einzelne Signale folgendermaßen lautet:

x = E{xr
y2, ... , yN], wobei E{a|b} der bedingte Erwartungswert von b ist.

Für das Redundanzschema„n aus N Redundanz" kann bei angenommener mittlerer quadratischer Abweichung gezeigt werden, dass der optimale individuelle De- koder für einzelne Signale folgendermaßen lautet:

fi = E{xl
y2, ... , yN), . wobei E{a|b} der bedingte Erwartungswert von b ist.

Der bedingte Erwartungswert funktioniert mit gleichförmigen und ungleichförmigen Quellsignaldistributionen, ebenso mit vielfältigen Typen von Kanälen be-ziehungsweise Übertragungssymbolen.

Nachteile des bedingten Erwartungswertes sind die Komplexität bei großen N und die Problematik, dass die Quell- und Kanalwahrscheinlichkeiten entweder bekannt sein müssen oder zumindest gut geschätzt werden müssen.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Bild der Selektion von Empfangssignalen (Sel-ection Combining/ SC) als Alternative zur Berechnung des bedingten Erwartungswertes. Die Selektion des Empfangssignals kann dabei nach mehreren Kriterien erfolgen. Vorzugsweise kann die Entscheidung basierend auf der Sig-nalstärke oder dem Signal-Rausch-Verhältnis der Empfangssignale getroffen werden.

Das Eingangssignal am Eingang El wird in mehrere Äste h1 , h2, .., hn aufgeteilt und abgestrahlt. Im Empfänger gibt es ein Selektionsmodul SC, welches immer den Kanal mit dem größten Signal-Rausch-Verhältnis heranzieht. Dieses Signal wird dann als Ausgangssignal am Ausgang AO ausgegeben.

Das Systemmodell lautet: y = hx + ξ

Es ist leicht zu überprüfen, dass die Selektion von Empfangssignalen nur bei voller Redundanz der übertragenen Signale funktioniert.

Fig. 5 zeigt eine weitere Methode des Kombinierens von Empfangssignalen. Hier ist die„maximum-ratio combining" Methode (MRC) dargestellt. Diese Me-thode kombiniert die Signalströme nach ihrem Signal-Rausch-Verhältnis gewichtet. Der Gewichtungsfaktor des Einzelsignales ist proportional zu seinem Signal-Rausch-Abstand. Die einzelnen Signalströme beziehungsweise Kanäle oder Zweige werden kohärent linear kombiniert, und zwar in einer Weise, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals maximal ist.

Am Eingang El wird wiederum ein Eingangssignalstrom in die Sendeeinheit Tx eingegeben. Dieser Eingangssignalstrom wird wiederum in einzelne Signalströme beziehungsweise Äste h1 , h2, hn aufgeteilt und gesendet. Im Empfänger gibt es eine MRC-Einheit, die die einzelnen Signalströme nach der„ma-ximum-ratio combining" Methode wieder zu einem Ausgangssignalstrom zu-sammensetzt. Dieser wird dann wiederum am Ausgang AO ausgegeben.

Dieses Schema ist geeignet für das 1 aus N Redundanzschema.

Eine weitere relevante Methode des Kombinierens von Empfangssignalen ist das so genannte„equal gain combining", oder kurz EGC. Bei dieser Methode werden die verfügbaren Signale einfach addiert.

Diese Methode kann für das n aus N Redundanzschema verwendet werden, indem die n stärksten Signale für die Lösung der linearen Gleichungen verwendet werden.

Um die beste Methode des Kombinierens von Empfangssignalen für ein gegebenes Redundanzschema zu finden wird im Allgemeinen ein Kompromiss zwi-sehen der Leistung und der Komplexität der auf das Redundanzschema angewandten Methode zu finden sein.

MRC ist zum Beispiel schwierig zu implementieren, liefert dafür aber die besten Ergebnisse. Einfachere Methoden wie SC liefern schlechtere Ergebnisse, sind aber einfacher zu implementieren. Methoden wie ECG liegen zwischen diesen Extremen.

Im Folgenden soll die Ermittlung eines optimalen Dekoder Designs anhand eines Beispiels erläutert werden.

Das Beispiel soll mit N=3 Kanälen arbeiten. Diese können z.B. lichtbasierte Kanäle in den Farben Rot, Grün und Blau sein. RGB LEDs sind weit verbreitet und können für diese 3 völlig unabhängigen Kanäle verwendet werden.

Es wird ein Redundanzschema mit mittlerer„2 aus 3" Redundanz verwendet. Daher wird das Eingangssignal auf zwei Signalströme x1, x2 aufgesplittet. Über die drei Kanäle werden nun folgende Signale übertragen:

Kanal 1 : Signalstrom x1

Kanal 2: Signalstrom x2

Kanal 3: x1+2=x1+x2

Die korrespondierenden Kanalausgänge lauten damit: y1, y2, y1+2.

Als Wiedergabekriterium für die mittlere quadratische Abweichung soll ein bedingter Erwartungswert (CME) verwendet werden.

Fig.6 zeigt die graphische Repräsentation der wahrscheinlichkeitstheoretischen Zusammenhänge.

Die Dekodierungsregel für den bedingten Erwartungswert lautet nun:

x = E{x1\y1,y2,y1+2} = j x1p{x1\y1,y2,y1+2}dx1

— co

Die zur Berechnung benötigten bedingten Wahrscheinlichkeiten können wie folgt beschrieben werden:

p(x1 = v\y1 = w1,y2 = w2,y1+2 = w1+2)

= 7 ^ (yi = w1,y2 = w2,y1+2 = w1+2|x1,x2,x1+2)p(x1,x2,x1+2)

Unter Annahme von unabhängigen Übertragungskanälen gilt:

I. : p(yi=wi, y2=w2, yi+2=wi+2|xi, X2, xi+2)=p(yi=wi|xi)p(y2=W2|x2)p(yi+2=wi+2|xi+2) Weiterhin können die Teildatenströme in der Regel als unabhängig angenommen werden; daher gilt:

II. : P(X1, X2, X1+2)=P(X1+2|X1, X2)P(X1, X2)=P(X1+2|X1, X2)P(X1)P(X2)

Wobei aufgrund des deterministischen Zusammenhangs zwischen x1, x2 und x1+2 gilt:

III. :

r i Λ (1; wenn χ +2 (χ + x2) = i) ρ F( ι i++22i i, ^0 ; sonst J

Aus I., II. und III. ergibt sich für die bedingte Wahrscheinlichkeit:

p(x1 = v\y1 = wlty2 = w2,y1+2 = w1+2) =

= γρ{χ = v)p(y1 = w\x1 = v)

p(y1 = w|xx = v) ΣνΧ2 ρ(χ2 ρ(ν2 = ) Σνχ1+2 Ρ(*ι+2 Ι*ι = u, x2) p{yl+2 = w1+2 |x1+2) = Y (xi = v)p(y1 = w\xx = v) p(x2) p(y2 = w2 |x2) p(y1+2 = w1+2 |x1+2 = v + x2)

w2 |x2)p(y1+2 = w1+2 |x1+2 = + x2)

Diese Berechnungen können selbstverständlich ebenfalls für x2 oder jegliche denkbare unabhängige lineare Kombination a1 *x1 +a2*x2 durchgeführt werden.

Auch eine iterative Graph-basierte Dekodierung anhand der in Fig. 6 gezeigten statistischen Zusammenhänge ist möglich.

Figur 7 zeigt nun eine erste Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle, wobei in diesem Beispiel 2 Teildatenströme über 3 Kanäle übertragen werden.

Ansonsten ist die Funktionsweise ähnlich zu der der Figur 3, weswegen hier die Ausführungen der Figur 3 ebenfalls im Wesentlichen zutreffen.

Ein Signal wird in den Eingang 31 eines Sendemoduls Tx des Systems eingegeben, und in einem Demultiplexer in zwei Teildatenströme x1 und x2 aufge- splittet. Diese senderseitigen Teildatenströme x1 und x2 werden dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben, welches diese zwei Teildatenströme x1 , x2 in drei Kanalsignale s1 , s2, s3 umwandelt. Diese werden in je einen Sendeübertrager 371 , 372, 373 eingegeben und über je einen Kanal Chi , Ch2, Ch3 abgestrahlt.

In einem Empfangsmodul Rx wird dann jeder Kanal in je einem Empfangsübertrager 374, 375, 376 empfangen und als empfängerseitiges Kanalsignal y1 , y2, y3 in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben. Hier werden aus den drei empfangenen Signalen wieder zwei empfangsseitige Teildatenströme χ1 ', x2' rekonstruiert, die in einen Multiplexer 34 eingegeben werden, der daraus wieder das Signal x' konstruiert, welches im Idealfall (d.h. bei fehlerfreiem Empfang von zwei oder drei Kanalsignalen) mit dem Originalsignal x identisch ist. Dieses wird am Ausgang 32 des Empfangsmoduls Rx ausgegeben.

Figur 8 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodie-rung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle, wobei in diesem Beispiel ebenfalls 2 Teildatenströme über 3 Kanäle übertragen werden.

Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird in der zweiten Ausführungsform die Redundanzfunktion auf das analoge Signal angewendet, d.h. das Re-dundanzfunktionsmodul 35 ist im Signalpfad erst nach der Digital Analogwandlung vorgesehen.

Ansonsten ist die Anordnung identisch zu der in Figur 7, weswegen die Funktion hier nicht noch einmal beschrieben wird.

Figur 9 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodierung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle. Bei der dritten Ausführungsform gibt es zwei Sendeumsetzer 381 , 382, die nach dem Demultiplexer angeordnet sind. Die durch die Sendeumsetzer 381 , 382 erzeugten Signale x1 und x2 werden in ein Redundanzfunktionsmo-dul 35 eingegeben, wo sie in drei sendeseitige Kanalsignale s1 , s2, s3 umgewandelt werden. Diese drei Signale werden dann je in einen Sendeübertrager 371 , 372, 373 eingegeben, wo sie in dieser Ausführungsform erst einmal Digital-Analog gewandelt werden, um dann über je einen Kanal Chi , Ch2, Ch3 abgestrahlt werden.

Empfängerseitig werden sie dann pro Kanal in je einem Empfangsübertrager

374, 375, 376 empfangen, Analog-Digitalgewandelt, und als empfängerseitiges Kanalsignal y1 , y2, y3 in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben. Hier werden aus den drei empfangenen Signalen wieder zwei empfangsseitige Teildatenströme χ1 ', x2' zusammengesetzt, die dann in einem ersten und zweiten Emp-fangsumsetzer 391 , 392 eingegeben werden. Dieser wandelt die Signale um, und gibt sie in einen Multiplexer 34 ein, der daraus wieder das Signal x' rekonstruiert. Dieses wird dann am Ausgang 32 ausgegeben.

Figur 10 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Systems zur linearen Kodie-rung von Signalen für die redundante Übertragung von Daten über mehrere Kanäle.

In der vierten Ausführungsform werden die Daten vor dem Redundanzfunktionsmodul 35 Digital-Analog gewandelt. Das Redundanzfunktionsmodul 35 verarbeitet also im Gegensatz zur dritten Ausführungsform analoge Datenströme. Der Datenstrom wird wie in den anderen Ausführungsformn in den Eingang 31 eingegeben, und vom Demultiplexer 33 in zwei Teildatenströme aufgeteilt, die wiederum in zwei Sendeumsetzern 381 , 382 umgewandelt werden. Dann werden die beiden Teildatenströme in zwei Digital-Analogwandlern in zwei analoge Teildatenströme x1 und x2 umgewandelt. Diese werden dann in einem Redundanzfunktionsmodul 35 in drei sendeseitige Kanalsignale s1 , s2, s3 umgewan-delt, welche dann in je einem Sendeübertrager 371 , 372, 373 über je einen Kanal Chi , Ch2, Ch3 gesendet werden.

Diese Kanalsignale werden in drei Empfangsübertragern 374, 375, 376 empfangen und in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben. Dieses berechnet aus den drei empfangsseitigen Kanalsignalen y1 , y2, y3 wiederum die empfänger-seitigen Teildatenströme χ1 ', x2'. Diese werden dann in je einem Analog-Digi-talwandler wieder in digitale Datenströme umgewandelt und in je einem Empfangsumsetzer umgewandelt und in einen Multiplexer 34 eingegeben, der daraus wieder das Signal x' rekonstruiert und am Ausgang 32 ausgibt.

Übertragung von bipolaren Signalen über unipolare Kanäle.

Für die drahtlose optische Kommunikation ist es oftmals notwendig, bipolare Signale in einem digitalen Datenstrom über unipolare Kanäle mit Licht als Me-dium zu übertragen. Dies ist z.B. bei der so genannten„Intensity Modula-tion/Direct Detection" (IM/DD) der Fall, die wegen ihrer Einfachheit und Kosteneffizienz favorisiert wird. Hier müssen die Signale einen realen Wert aufweisen und positiv sein.

Speziell für die drahtlose optische Kommunikation gibt es adaptierte OFDM Varianten für IM/DD, die sehr relevant sind. Um reelwertige Signale zu erhalten wird üblicherweise die hermitesche Symmetrie bei der schnellen Fouriertransformation (FFT) erzwungen.

Es gibt verschiedene Ansätze, um positive beziehungsweise unipolare Signale zu erhalten:

1 . DCO-OFDM (DC offset OFDM, zu Deutsch: Gleichspannungsoffset OFDM): Hier wird ein bipolares OFDM-Signal genommen und ein Gleich- spannungsoffset addiert, so dass als Resultat ein Unipolares Signal vorliegt.

Vorteil: Einfachheit

Nachteil: Der Gleichspannungsoffset hängt vom PAPR (Peak to Average Power Ratio / Leistungsverhältnis des Spitzen- zum Mittelwert) ab, der für OFDM Symbole sehr groß ist. Das bedeutet, dass der Gleichspannungsoff- set sehr groß sein muss, was die Effizienz beeinträchtigt.

2. ACO-OFDM (Asymmetrically Clipped OFDM / Asymmetrisch beschnittenes OFDM Signal): Senderseitiges Beschneiden der negativen Signalkomponenten.

Vorteil: Gute Leistungseffizienz

Nachteil: Hohe empfängerseitige Hardware Komplexität im Dekodierer

3. Flip-OFDM: Positive und negative Signalbestandteile werden von dem Realwertsignal extrahiert; die negativen Signalbestandteile werden invertiert und beide Teile als unipolares Signal gesendet.

Vorteil: Ähnlich gute Leistungseffizienz wie ACO-OFDM, aber weniger Empfänger/Dekodiererkomplexität.

Nachteil: Potenziell anfällig für sehr schnell variierende Signale, da beide unipolare Bestandteile direkt hintereinander gesendet werden.

Für die drahtlose Informationsübertragung mit Licht (OWC) können folgende Annahmen getroffen werden:

• Der OWC Kanal ist stark zeitvariabel, insbesondere in mobilen Szenarien

• Die zeitvariable Charakteristik des Kanals ist problematisch, insbesondere für Signalkomponenten desselben Signals, welche hintereinander über den Kanal gesendet werden (z.B. Flip-OFDM)

• Davon abgesehen ist die lichtbasierte Kommunikation generell anspruchsvoll: Die direkte Sichtverbindung wird bevorzugt, kann aber in vielen Fällen nicht garantiert werden. Signale, die nicht über eine direkte Sichtverbindung empfangen werden, weisen normalerweise eine schlechte Signalqualität / einen schlechten Signal-Rauschabstand auf.

Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass für die lichtbasierte Kommunikation der RGB Sender mit seinen 3 orthogonalen Kanälen relevant ist.

Um die aus dem Stand der Technik bekannten Methoden zu verbessern wird nun vorgeschlagen, dass ein bipolares Signal in seine positiven und negativen Bestandteile aufgesplittet wird, und lediglich eine positive lineare Kombinationen dieser Signalbestandteile separat über Kanäle gesendet werden.

Um die zeitvariable Charakteristik zu kompensieren wird vorgeschlagen, lineare Kombinationen der Signalkomponenten mit zusätzlicher Redundanz zu konstruieren, und hintereinander über den Kanal zu versenden. Die linearen Kombinationen werden derart gestaltet, dass sie die Kanalausfälle während einiger Zeitschlitze kompensieren können. Die linearen Kombinationen können ähnlich konstruiert werden, wie oben für die Figuren 3 ff erläutert.

Um den schlechten Signal-Rauschabstand der lichtbasierten Kommunikation zu kompensieren wird vorgeschlagen, die konstruierten linearen Kombinationen mit zusätzlicher Redundanz über mehrere Kanäle gleichzeitig abzustrahlen. Damit kann dann, wie unter Figur 3 beschrieben, eine deutlich bessere Signalqualität er-reicht werden.

Im Folgenden werden sieben ähnliche Ausführungsformen beschrieben, die eine gute Signalqualität bei überschaubaren Aufwand sicherstellen können.

Fig. 1 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Übertragung von bipolaren Signalen über unipolare Kanäle mit einer Flip-OFDM-ähnlichen Charakteristik. In dieser

Ausführungsform werden C=1 positive und C=1 negative Komponenten über N=1 Kanal in L=2 Übertragungen gesendet.

Der Datenstrom wird in den Eingang 31 eingegeben, wo er von einem Sendeumsetzer 38 in einen Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) umgewandelt wird. K ist hier ein laufender Index der Quellsymbole. Dieser Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) wird dann in ein Polaritätstrennungsmodul 41 eingegeben, in dem die positiven Komponenten von den negativen Komponenten des bipolaren Signals getrennt werden, und die negativen Komponenten invertiert werden, so dass nun alle Signalkomponenten unipolar positiv sind. Das Polaritätstrennungs-modul wirkt somit wie ein 1 -nach-2 Demultiplexer. Die positiven Signalkomponenten p(k) und die invertierten negativen Signalkomponenten n(k) werden dann in

ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben. Dieses formt aus den zwei parallelen Symbolen eines Indizes zwei serielle s1 (l), die hintereinander mittels eines Sendeübertragers 371 erst Digital-Analoggewandelt werden und dann das resultierende Signal x1 (t) über einen Kanal Ch 1 in zwei Übertragungen 1=1 und l=2 übertragen werden. Der Index I bezeichnet hier die Anzahl der Übertragungen pro Symbol, in diesem Fall zwei.

Für den Index 1=1 wird also das Symbol s1 (I =1 )=p(k=1 ) übertragen, und für den Index l=2 wird das Symbol s1 (l =2)=n(k=1 ) übertragen. Der Index I ist ebenfalls ein laufender Index, der schlicht hochgezählt wird.

Empfängerseitig wird das über den Kanal Ch 1 übertragene Signal y1 (t) in einem Empfangsübertrager 374 empfangen, Analog-Digitalgewandelt, und dann als Signal s1 '(l) in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, welches aus dem Signal s1 '(t) wieder zwei Signalkomponenten p'(k) und n'(k) rekonstruiert. Diese beiden Signalkomponenten p'(k) und n'(k) werden dann in ein Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 eingegeben, welches aus den beiden unipolaren Signalkomponenten p'(k) und n'(k) ein bipolares Signal u'(k) konstruiert und an einen Empfangsumsetzer 39 abgibt. Dieser wandelt das Signal dann wieder in den originalen Datenstrom um und gibt diesen am Ausgang 32 aus. Das Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 arbeitet damit wie ein 2-zu-1 Multiplexer.

Wie einfach festzustellen ist, gibt es in diesem Beispiel keine Redundanz. Sollte der Übertragungskanal für kurze Zeit ausfallen, so kann das Quellsignal nicht mehr vollständig rekonstruiert werden. Sobald eine Signalkomponente eines Symbols wegen Kanalausfall nicht mehr empfangen werden kann, ist dieses Symbol verloren und kann nicht wieder rekonstruiert werden.

Die Übertragungssymbole s1 (I) und s1 (1+1 ) können prinzipiell jede lineare Kombination der positiven p(k) und negativen n(k) Signalkomponente darstellen:

s1 (1 ,l) = a1 (1 ,l)*p(k) + a2(1 ,l)*n(k)

s1 (1 ,1+1 ) = a1 (1+1 )*p(k) + a2(1 ,1+1 )*n(k) wobei a1 () und a2() Koeffizienten sind, die derart ausgewählt wurden, dass a1 ()>0 ist und a2()>0 ist und a1 ()+a2()=1 ist. Dies stellt sicher, dass das Signal positiv ist, und die Amplitude über die Zeit gleichbleibend ist.

In diesem speziellen Beispiel werden die Koeffizienten folgendermaßen gewählt: a1 (1 ,l) = 1 ; a2(1 ,l) = 0;

a1 (1 ,l+1 )=0; a2(1 ,l+1 )=1

Fig. 12 zeigt eine zweite Ausführungsform, welche Ähnlich zur ersten Ausführungsform ist. In dieser Ausführungsform werden C=1 positive und C=1 negative

Komponenten über N=1 Kanal in L=3 Übertragungen gesendet. Die dritte Übertragung addiert im Gegensatz zur ersten Ausführungsform Redundanz um die Übertragungssicherheit zu erhöhen.

Der Datenstrom wird in den Eingang 31 eingegeben, wo er von einem Sende-Umsetzer 38 in einen Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) umgewandelt wird. K ist hier ein laufender Index der Quellsymbole. Dieser Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) wird dann in ein Polaritätstrennungsmodul 41 eingegeben, in dem die positiven Komponenten von den negativen Komponenten des bipolaren Signals getrennt werden, und die negativen Komponenten invertiert werden, so dass nun alle Signalkomponenten unipolar positiv sind. Die positiven Signalkomponenten p(k) und die invertierten negativen Signalkomponenten n(k) werden dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben. Dieses formt aus den zwei parallelen Symbolen eines Indizes drei serielle s1 (l), die hintereinander mittels eines Sendeübertragers 371 erst Digital-Analoggewandelt werden und dann das re-sultierende Signal x1 (t) über einen Kanal Ch 1 in drei Übertragungen 1=1 , l=2 und l=3 übertragen werden. Der Index I bezeichnet hier die Anzahl der Übertragungen pro Symbol, in diesem Fall drei. Dabei werden in der ersten und zweiten Übertragung die beiden Signalkomponenten an sich übertragen, in der dritten Übertragung wird eine lineare Kombination der beiden Signalkomponenten für eine zu-sätzliche Redundanz übertragen.

Für den Index I wird also das Symbol s1 (l)=p(k) übertragen, und für den Index 1+1 wird das Symbol s1 (l+1 )=n(k) übertragen. Für den Index I+2 wird zusätzlich das Symbol p(k)+n(k) übertragen. Der Index I ist wie in der ersten Ausführungsform ein laufender Index, der schlicht hochgezählt wird.

Empfängerseitig wird das über den Kanal Ch 1 übertragene Signal y1 (t) in einem

Empfangsübertrager 374 empfangen, Analog-Digitalgewandelt, und dann als Signal s1 '(l) in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, welches aus dem Signal s1 '(t) wieder zwei Signalkomponenten p'(k) und n'(k) rekonstruiert. Diese beiden Signalkomponenten p'(k) und n'(k) werden dann in ein Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 eingegeben, welches aus den beiden unipolaren Signalkomponenten p'(k) und n'(k) ein bipolares Signal u'(k) konstruiert und an einen Empfangsumsetzer 39 abgibt. Dieser wandelt das Signal dann wieder in den originalen Datenstrom um und gibt diesen am Ausgang 32 aus.

Durch die dritte Übertragung ist in dieser zweiten Ausführungsform eine gewisse Redundanz vorhanden, so dass bei kurzzeitigen Kanalausfällen das originale Symbol u(k) trotzdem rekonstruiert werden kann:

s1 (l) = p(k)

s1 (l+1 ) = n(k)

s1 (l+2) = p(k)+n(k)

In diesem speziellen Beispiel werden die Koeffizienten folgendermaßen gewählt: a1 (1 ,l) = 1 ; a2(1 ,l) = 0;

a1 (1 ,l+1 )=0; a2(1 ,l+1 )=1

a1 (1 ,l+2)=0.5; a2(1 ,l+2)=0.5

Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass eins der übertragenen Symbole verloren gehen kann, und trotzdem das originale Symbol aus den zwei verbleibenden Übertragungssymbolen wieder rekonstruiert werden kann.

Wenn also zum Beispiel das Übertragungssymbol s1 (1+1 ) wegen kurzzeitigen Kanalausfalls verlorengeht, kann die positive Komponente p(k)=s1 (l) und die nega-tive Komponente n(k)=s1 (l+2)-s1 (l) trotzdem rekonstruiert werden.

Dies entspricht einem„2 aus 3 Redundanzschema" bzgl. der Sendungen.

Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform. In dieser Ausführungsform werden C=1 positive und C=1 negative Komponenten über N=2 Kanäle in L=1 Übertragung ge-sendet.

Der Datenstrom wird in den Eingang 31 eingegeben, wo er von einem Sendeumsetzer 38 in einen Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) umgewandelt wird. K ist hier ein laufender Index der Quellsymbole. Dieser Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) wird dann in ein Polaritätstrennungsmodul 41 eingegeben, in dem die positiven Komponenten von den negativen Komponenten des bipolaren

Signals getrennt werden, und die negativen Komponenten invertiert werden, so dass nun alle Signalkomponenten unipolar positiv sind. Die positiven Signalkomponenten p(k) und die invertierten negativen Signalkomponenten n(k) werden dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben. Dieses formt aus den zwei parallelen Symbolen eines Indizes zwei parallele s1 (l) und s2(l), die mittels je eines Sendeübertragers 371 , 372 erst Digital-Analoggewandelt werden und dann die resultierenden Signale x1 (t) und x2(t) über je einen Kanal Ch 1 und Ch 2 in einer Übertragung 1=1 parallel übertragen werden. Der Index I bezeichnet hier die Anzahl der Übertragungen pro Symbol, in diesem Fall eine.

Für den Index 1=1 wird also gleichzeitig das Symbol s1 (1=1 )=p(k=1 ) und das Symbol s2(l=1 )=n(k=1 ) mittels den Signalen x1 (t) und x2(t) übertragen. Der Index I ist ebenfalls ein laufender Index, der schlicht hochgezählt wird.

Empfängerseitig werden die über die Kanäle Ch 1 und Ch 2 übertragenen Signale y1 (t) und y2(t) in je einem Empfangsübertrager 374, 375 empfangen, Analog-Digi-talgewandelt, und dann als Signale s1 '(l) und s2'(l) in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, welches aus den Signalen s1 '(I) und s2'(l) wieder zwei Signalkompo-nenten p'(k) und n'(k) rekonstruiert. Diese beiden Signalkomponenten p'(k) und n'(k) werden dann in ein Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 eingegeben, welches aus den beiden unipolaren Signalkomponenten p'(k) und n'(k) ein bipolares Signal u'(k) konstruiert und an einen Empfangsumsetzer 39 abgibt. Dieser wandelt das Signal dann wieder in den originalen Datenstrom um und gibt diesen am Ausgang 32 aus.

Durch die parallele Übertragung in einem Schritt ist hier eine geringere Latenz bei der Übertragung zu verzeichnen. Die Übertragungssymbole in diesem Beispiel werden folgendermaßen ausgewählt:

Kanal 1 : s1 (l) = p(k)

Kanal 2: s2(l) = n(k)

Wie einfach festzustellen ist, gibt es in diesem Beispiel keine Redundanz. Sollte nur einer der beiden Übertragungskanäle für kurze Zeit ausfallen, so kann das Quellsignal nicht mehr vollständig rekonstruiert werden. Sobald eine Signalkompo-nente eines Symbols wegen Kanalausfall nicht mehr empfangen werden kann, ist dieses Symbol verloren und kann nicht wieder rekonstruiert werden.

Die Übertragungssymbole s1 (l) und s2(l) können jede lineare Kombination der positiven p(k) und negativen n(k) Signalkomponente darstellen:

s1 (l) = a1 (1 ,l)*p(k) + a2(1 ,l)*n(k)

s2(l) = a1 (2,l)*p(k) + a2(2,l)*n(k) wobei a1 () und a2() Koeffizienten sind, die derart ausgewählt wurden, dass a1 ()>0 ist und a2()>0 ist und a1 ()+a2()=1 ist. Dies stellt sicher, dass das Signal positiv ist, und die Amplitude über die Zeit gleichbleibend ist.

In diesem speziellen Beispiel werden die Koeffizienten folgendermaßen gewählt: a1 (1 ,l) = 1 ; a2(1 ,l) = 0;

a1 (2,l)=0; a2(2,l)=1

Fig. 14 zeigt eine vierte Ausführungsform, welche Ähnlich zur zweiten Ausführungsform ist. In dieser Ausführungsform werden C=1 positive und C=1 negative Komponenten über N=3 Kanäle in L=1 Übertragung gesendet. Der dritte Kanal addiert Redundanz um die Übertragungssicherheit zu erhöhen.

Der Datenstrom wird in den Eingang 31 eingegeben, wo er von einem Sendeumsetzer 38 in einen Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) umgewandelt wird. K ist hier ein laufender Index der Quellsymbole. Dieser Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) wird dann in ein Polaritätstrennungsmodul 41 eingegeben, in dem die positiven Komponenten von den negativen Komponenten des bipolaren Signals getrennt werden, und die negativen Komponenten invertiert werden, so dass nun alle Signalkomponenten unipolar positiv sind. Die positiven Signalkomponenten p(k) und die invertierten negativen Signalkomponenten n(k) werden dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben. Dieses formt aus den zwei parallelen Symbolen eines Indizes drei parallele s1 (I), s2(l) und s3(l), die parallel mittels je eines Sendeübertragers 371 , 372, 373 erst Digital-Analoggewandelt werden und dann die resultierenden Signale x1 (t), x2(t) und x3(t) über je einen Kanal Ch 1 , Ch 2, Ch 3 in einer Übertragung 1=1 übertragen werden. Der Index I bezeichnet hier die Anzahl der Übertragungen pro Symbol, in diesem Fall eine. Da-her weist dieses Beispiel eine sehr gute Latenz auf. Dabei werden auf dem ersten und zweiten Kanal Ch 1 , Ch 2 die beiden Signalkomponenten an sich übertragen, auf dem dritten Kanal wird eine lineare Kombination der beiden Signalkomponenten für eine zusätzliche Redundanz übertragen.

Für den Index I werden also gleichzeitig das Symbol s1 (l)=p(k), das Symbol s2(l)=n(k) und zusätzlich das Symbol s3(l) = 0,5*p(k)+0,5*n(k) übertragen. Der Index I ist wie im ersten Ausführungsbeispiel ein laufender Index, der schlicht hochgezählt wird. Durch die parallele Übertragung wird hier ein Symbol pro Index übertragen, was eine sehr gute Latenz der Übertragung bewirkt.

Empfängerseitig werden die über die Kanäle Ch 1 , Ch 2, Ch 3 übertragenen Sig-nale y1 (t), y2(t), y3(t) in je einem Empfangsübertrager 374, 375, 376 empfangen, Analog-Digitalgewandelt, und dann als Signale s1 '(l), s2'(l), s3'(l) in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, welches aus den Signalen s1 '(l), s2'(l), s3'(l) wieder zwei Signalkomponenten p'(k) und n'(k) rekonstruiert. Diese beiden Signalkomponenten p'(k) und n'(k) werden dann in ein Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 ein-gegeben, welches aus den beiden unipolaren Signalkomponenten p'(k) und n'(k) wieder ein bipolares Signal u'(k) konstruiert und an einen Empfangsumsetzer 39 abgibt. Dieser wandelt das Signal dann wieder in den originalen Datenstrom um und gibt diesen am Ausgang 32 aus.

Durch den dritten Kanal ist in dieser vierten Ausführungsform eine gewisse Re-dundanz vorhanden, so dass bei kurzzeitigen Ausfällen eines beliebigen Kanals das originale Symbol u(k) trotzdem rekonstruiert werden kann:

s1 (l) = p(k)

s2(l) = n(k)

s3(l) = p(k)+n(k)

In diesem speziellen Beispiel werden die Koeffizienten folgendermaßen gewählt: a1 (1 ,l) = 1 ; a2(1 ,l) = 0;

a1 (2,l) =0; a2(2,l)=1

a1 (3,l) =0.5; a2(3,l)=0.5

Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass eins der übertragenen Symbole verloren gehen kann, und trotzdem das originale Symbol aus den zwei verbleibenden Übertragungssymbolen wieder rekonstruiert werden kann. Durch die parallele Übertragung der Symbole ist der Datendurchsatz und die Latenz gegenüber der zweiten Ausführungsform verbessert.

Wenn also zum Beispiel das Übertragungssymbol s2(l) wegen kurzzeitigen Kanalausfalls verlorengeht, können die positive Komponente p(k)=s1 (l) und die negative Komponente n(k)=s3(l)-s1 (I) trotzdem rekonstruiert werden.

Dies entspricht einem„2 aus 3 Redundanzschema" bzgl. der parallelen Kanäle.

Fig. 15 zeigt eine fünfte Ausführungsform, welche sehr Ähnlich zur vierten Ausführungsform ist. In dieser Ausführungsform werden C=2 positive und C=2 negative Komponenten über N=3 Kanäle in L=2 Übertragungen gesendet. Der dritte Kanal addiert Redundanz um die Übertragungssicherheit zu erhöhen. Im Prinzip ist diese Ausführungsform die Veranschaulichung der vierten Ausführungsform mit mehre-ren Symbolen. Hier werden Beispielhaft zwei Symbole hintereinander über 3 Kanäle gesendet.

Der Datenstrom wird wieder in den Eingang 31 eingegeben, wo er von einem Sendeumsetzer 38 in einen Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) umgewandelt wird. K ist hier ein laufender Index der Quellsymbole. Dieser Strom von bipolaren

Datensymbolen u(k) wird dann in ein Polaritätstrennungsmodul 41 eingegeben, in dem die positiven Komponenten von den negativen Komponenten des bipolaren Signals getrennt werden, und die negativen Komponenten invertiert werden, so dass nun alle Signalkomponenten unipolar positiv sind. Die positiven Signalkom-ponenten p(k) und die invertierten negativen Signalkomponenten n(k) werden dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben. Dieses formt aus den zwei parallelen Symbolen eines Indizes drei parallel s1 (l), s2(l) und s3(l), die parallel mittels je eines Sendeübertragers 371 , 372, 373 erst Digital-Analoggewandelt werden und dann die resultierenden Signale x1 (t), x2(t) und x3(t) über je einen Kanal Ch 1 , Ch 2, Ch 3 in einer ersten Übertragung 1=1 übertragen werden. Der Index I bezeichnet hier die Anzahl der Übertragungen, in diesem Fall zwei, da zwei Quell-Symbole übertragen werden sollen. Dabei werden auf dem ersten und zweiten Kanal Ch 1 , Ch 2 die beiden Signalkomponenten an sich übertragen, auf dem dritten Kanal wird eine lineare Kombination der beiden Signalkomponenten für eine zusätzliche Redundanz übertragen.

Für einen Index I werden also gleichzeitig das Symbol s1 (l)=p(k), das Symbol s2(l)=n(k) und zusätzlich das Symbol s3(l) = 0,5*p(k)+0,5*n(k) übertragen. Der Index I ist wie im ersten Ausführungsbeispiel ein laufender Index, der schlicht hochgezählt wird. Durch die parallele Übertragung wird hier ein Symbol pro Index übertragen, was eine sehr gute Latenz der Übertragung bewirkt. In diesem Beispiel werden zwei Symbole hintereinander mit zwei Indizes 1=1 und l=2 übertragen. Empfängerseitig werden die über die Kanäle Ch 1 , Ch 2, Ch 3 übertragenen Signale y1 (t), y2(t), y3(t) in je einem Empfangsübertrager 374, 375, 376 empfangen, Analog-Digitalgewandelt, und dann als Signale s1 '(l), s2'(l), s3'(l) in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, welches aus den Signalen s1 '(I), s2'(l), s3'(l) wieder zwei Signalkomponenten p'(k) und n'(k) rekonstruiert. Diese beiden Signalkompo-nenten p'(k) und n'(k) werden dann in ein Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 eingegeben, welches aus den beiden unipolaren Signalkomponenten p'(k) und n'(k) wieder ein bipolares Signal u'(k) konstruiert und an einen Empfangsumsetzer 39 abgibt. Dieser wandelt das Signal dann wieder in den originalen Datenstrom um und gibt diesen am Ausgang 32 aus.

Durch den dritten Kanal ist in dieser Ausführungsform eine gewisse Redundanz vorhanden, so dass bei kurzzeitigen Kanalausfällen das originale Symbol u(k) trotzdem rekonstruiert werden kann:

s1 (l) = p(k)

s2(l) = n(k)

s3(l) = p(k)+n(k)

und

s1 (l+1 ) = p(k+1 )

s2(l+1 ) = n(k+1 )

s3(l+1 ) = p(k+1 )+n(k+1 )

In diesem speziellen Beispiel werden die Koeffizienten folgendermaßen gewählt:

a1 (1 ,l) = 1 ; a2(1 ,l) = 0;

a1 (2,l) =0; a2(2,l)=1

a1 (3,l) =0.5; a2(3,l)=0.5

und

a1 (1 ,l+1 ) = 1 ; a2(1 >l+1 ) = 0;

a1 (2,1+1 ) =0; a2(2,l+1 )=1

a1 (3,1+1 ) =0.5; a2(3,l+1 )=0.5

Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass eins der übertragenen Symbole verlo-ren gehen kann, und trotzdem das originale Symbol aus den zwei verbleibenden Übertragungssymbolen wieder rekonstruiert werden kann. Durch die parallele Übertragung der Symbole ist der Datendurchsatz und die Latenz gegenüber der zweiten Ausführungsform verbessert.

Wenn also zum Beispiel das Übertragungssymbol s2(l) wegen kurzzeitigen Kanal-ausfalls verlorengeht, kann die positive Komponente p(k)=s1 (l) und die negative Komponente n(k)=s3(l)-s1 (I) trotzdem rekonstruiert werden.

Dies entspricht wiederum einem„2 aus 3 Redundanzschema" bzgl. der parallelen Kanäle; bzgl. der Sendungen gibt es keine Redundanz.

Fig. 16 zeigt eine sechste Ausführungsform, welche Ähnlich zur zweiten Ausführungsform ist. In dieser Ausführungsform werden C=2 positive und C=2 negative Komponenten über N=2 Kanäle in L=3 Übertragungen gesendet. Die dritte Übertragung addiert Redundanz um die Übertragungssicherheit zu erhöhen. In dieser Ausführungsform werden zwei Symbole gleichzeitig sequentiell über zwei Kanäle übertragen.

Der Datenstrom wird in den Eingang 31 eingegeben, wo er von einem Sendeumsetzer 38 in einen Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) umgewandelt wird. K ist hier ein laufender Index der Quellsymbole. Dieser Strom von bipolaren Datensymbolen u(k) wird dann in ein Polaritätstrennungsmodul 41 eingegeben, in dem die positiven Komponenten von den negativen Komponenten des bipolaren

Signals getrennt werden, und die negativen Komponenten invertiert werden, so dass nun alle Signalkomponenten unipolar positiv sind. Die positiven Signalkomponenten p(k) und die invertierten negativen Signalkomponenten n(k) werden dann in ein Redundanzfunktionsmodul 35 eingegeben. Dieses formt aus den zwei parallelen Symbolen eines Indizes drei serielle s1 (l), die hintereinander mittels eines Sendeübertragers 371 erst Digital-Analoggewandelt werden und dann das resultierende Signal x1 (t) über einen Kanal Ch 1 in drei Übertragungen 1=1 , l=2 und l=3 übertragen werden. Gleichzeitig gibt das Redundanzfunktionsmodul 36 drei

weitere serielle Indizes für das folgende Symbol aus, welches zeitgleich über den zweiten Sendeübertrager 372 zum Signal x2(t) gewandelt und über den zweiten Kanal Ch 2 übertragen wird Der Index I bezeichnet hier die Anzahl der Übertragungen pro Symbol, in diesem Fall drei. Dabei werden in der ersten und zweiten Übertragung die beiden Signalkomponenten an sich übertragen, in der dritten Übertragung wird eine lineare Kombination der beiden Signalkomponenten für eine zusätzliche Redundanz übertragen.

Für den Index I wird also auf dem ersten Kanal Ch 1 das Symbol s1 (l)=p(k) übertragen, und für den Index 1+1 wird das Symbol s1 (l+1 )=n(k) übertragen. Für den Index 1+3 wird zusätzlich das Symbol p(k)+n(k) übertragen. Gleichzeitig wird für den Index I auf dem zweiten Kanal das Symbol s2(l)=p(k+1 ) übertragen, und für den Index 1+1 wird das Symbol s2(l+1 )=n(k+1 ) übertragen. Für den Index I+3 wird zusätzlich das Symbol p(k+1 )+n(k+1 ) übertragen. Der Index I ist wie im ersten Ausführungsbeispiel ein laufender Index, der schlicht hochgezählt wird.

Empfängerseitig wird das über den Kanal Ch 1 und Kanal Ch 2 übertragene Signal y1 (t) beziehungsweise y2(t) in einem Empfangsübertrager 374 empfangen, Ana-log-Digitalgewandelt, und dann als Signal s1 '(l) beziehungsweise s2'(l) in ein Kalkulationsmodul 36 eingegeben, welches aus den Signalen s1 '(t) und s2'(t) wieder zwei Signalkomponenten p'(k) und n'(k) sowie p'(k+1 ) und n'(k+1 ) rekonstruiert. Diese beiden Signalkomponenten p'(k) und n'(k) beziehungsweise p'(k+1 ) und n'(k+1 ) werden dann in ein Polaritätsrekonstruierungsmodul 42 eingegeben, welches aus den unipolaren Signalkomponenten p'(k) und n'(k) / p'(k+1 ) und n'(k+1 ) zwei bipolare Signale u'(k), u'(k+1 ) konstruiert und an einen Empfangsumsetzer 39 abgibt. Dieser wandelt das Signal dann wieder in den originalen Datenstrom um und gibt diesen am Ausgang 32 aus.

Durch die dritte Übertragung ist in dieser sechsten Ausführungsform eine gewisse Redundanz vorhanden, so dass bei kurzzeitigen Kanalausfällen das originale Symbol u(k) trotzdem rekonstruiert werden kann:

s1 (l) = p(k)

s1 (l+1 ) = n(k)

s1 (l+2) = p(k)+n(k)

bzw.

s2(l) = p(k+1 )

s2(l+1 ) = n(k+1 )

s2(l+2) = p(k+1 )+n(k+1 )

In diesem speziellen Beispiel werden die Koeffizienten folgendermaßen gewählt: a1 (1 ,l) = 1 ; a2(1 ,l) = 0;

a1 (1 ,l+1 )=0; a2(1 ,l+1 )=1

a1 (1 ,l+2)=0.5; a2(1 ,l+2)=0.5

Vorteil dieser Ausführungsform ist es, dass eins der übertragenen Symbole verloren gehen kann, und trotzdem das originale Symbol aus den zwei verbleibenden Übertragungssymbolen wieder rekonstruiert werden kann.

Wenn also zum Beispiel das Übertragungssymbol s1 (1+1 ) wegen kurzzeitigen Kanalausfalls verlorengeht, kann die positive Komponente p(k)=s1 (l) und die nega-tive Komponente n(k)=s1 (l+2)-s1 (I) trotzdem rekonstruiert werden.

Durch die zwei Kanäle werden immer zwei Symbole gleichzeitig übertragen, was den Datendurchsatz und die Latenz verbessert.

Dies entspricht wiederum einem„2 aus 3 Redundanzschema" bzgl. der Sendungen; bzgl. der parallelen Kanäle gibt es keine Redundanz.

Fig. 17 zeigt die erste Variante einer siebten Ausführungsform, welche eine Mischung der fünften und der sechsten Ausführungsform ist. In dieser Ausführungs-form werden zwei Symbole, also C=2 positive und C=2 negative Komponenten über N=3 Kanäle in L=3 Übertragungen gesendet. Die dritte Übertragung und der dritte Kanal addieren Redundanz um die Übertragungssicherheit zu erhöhen. In dieser Ausführungsform werden wie in der sechsten Ausführungsform zwei Symbole gleichzeitig sequentiell über zwei Kanäle übertragen. Wie in der Fig. 17 gut zu sehen ist, entspricht die Anordnung mit den Kanälen 1 und 2 exakt der sechsten Ausführungsform. Neu ist hier ein dritter Kanal, der ähnlich wie in der fünften Ausführungsform weitere Redundanz hinzufügt, in diesem Fall die lineare Kombination des ersten und des zweiten Symbols, wobei in einer Übertragung mit Index 1=1 auf dem Kanal Ch 3 die positiven Komponenten p(k=1 ) und p(k=2) übertragen werden. In der darauffolgenden Übertragung mit Index l=2 werden dann auf dem

Kanal Ch 3 die negativen Komponenten n(k=1 ) und n(k=2) übertragen. Die dritte Übertragung mit dem Index l=3 wird auf dem Kanal Ch 3 nicht benötigt, somit wird hier nichts übertragen. Diese Übertragung könne aber für eine weitere Redundanz oder für andere Daten zur Übertragung genutzt werden.

Dies geschieht in der zweiten Variante der siebten Ausführungsform wie in Fig. 18 gezeigt. Die zweite Variante der siebten Ausführungsform ist sehr Ähnlich zur ersten Variante der siebten Ausführungsform, daher werden hier nur die Unterschiede zur ersten Variante der siebten Ausführungsform beschrieben.

In der zweiten Variante wird der freie Übertragungsplatz auf dem dritten Kanal Ch 3 mit dem Index l=3 für weitere Redundanz genutzt.

Auf diesem Übertragungsplatz werden die positiven und die negativen Komponenten beider zu übertragenden Symbole in einer linearen Kombination übertragen: 0.25*p(k=1 ) + 0.25*n(k=1 ) + 0.25*p(k=2) + 0.25*n(k=2)

Diese Information kann bei einwandfreiem Empfang dazu genutzt werden, um jede der in diesen drei Indizes übertragenen Signalkomponenten rekonstruieren zu können, da hier alle Signalkomponenten linear miteinander verknüpft sind.

Dies entspricht wiederum einem„2 aus 3 Redundanzschema" bzgl. der parallelen Kanäle und der Sendungen.

Bezugszeichenliste

ASK Amplitiude Shift Keying - Amplitudenumtastung

PAM Pulse Amplitude Modulation - Pulsamplitudenmodulation

QAM Quadrature Amplitude Modulation - Quadraturamplitudenmodulation

OWC Optical Wireless Communication - Lichtbasierte Kommunikation

CME Conditional Mean Estimation - Bedingter Erwartungswert

MSE Mean Squared Error - mittlere quatdratische Abweichung

SC Selection combining - Selektion von Empfangssignalen

MRC Maximum Ratio Combining - gewichtetes konstruktives

kombinieren nach dem Signal/Rauschverhältnis

EGC Equal Gain Combining - additives konstruktives Kombinieren

AWGN Additive White Gaussian Noise - Additives weißes gaußsches

Rauschen, ein Kanalmodell, bei dem der Einfluss des Kanals auf das Nutzsignal modelliert wird durch ein Rauschsignal mit konstanter spektraler Rauschleistungsdichte (weißes Rauschen) und gaußverteilter Signalamplitude, welches sich dem Nutzsignal überlagert (addiert).

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing - Orthogonales

Frequenzmultiplexverfahren

IM/DD Intensity Modulation/Direct Detection - Leistungsmodulation mit

Direkterkennung

FFT schnelle Furiertransformation

DCO-OFDM Gleichspannungsoffset OFDM

ACO-OFDM Asymmetrisch beschnittenes OFDM Signal

Flip-OFDM OFDM mit invertierten negativen Signalkomponenten

31 Eingang

32 Ausgang

33 Demultiplexer

34 Multiplexer

35 Redundanzfunktionsmodul

36 Kalkulationsmodul

38 Sendeumsetzer

39 Empfangsumsetzer

381 erster Sendeumsetzer

382 zweiter Sendeumsetzer

391 erster Empfangsumsetzer

392 zweiter Empfangsumsetzer 371 , 372, 373 Sendeübertrager

374, 375, 376 Empfangsübertrager

41 Polaritätstrennungsmodul

42 Polaritätskombinierungsmodul x Senderseitiger Datenstrom x1 , x2 Senderseitige Teildatenströme s1 , s2, s3 Senderseitige Kanalsignale Chi , Ch2, Ch3 Kanäle

y1 , y2, y3 Empfängerseitige Kanalsignale x1 ', x2' Empfängerseitige Teildatenströme x' Empfängerseitiger Datenstrom