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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Automatic Identification System bei Wasserfahrzeugen.
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Das Automatic Identification System (AIS) wird verwendet, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Wasserfahrzeugen zu verringern. Hierbei tauschen benachbarte Wasserfahrzeuge Informationen über ihre Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung aus. AIS-Datenkanäle sind überfrachtet, da viele andere Services ihre Daten ebenfalls in AIS-Datenkanäle einbetten und somit die AIS-Kanäle an ihre Grenzen bringen.
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Um die AIS-Kanäle zu entlasten und nicht sicherheitsrelevante Services auf dedizierte Kanäle zu verschieben, wurde neulich das VHF Data Exchange System (VDES) standardisiert. Im VDES existieren neben den beiden AIS-Kanälen zwei ASM-Kanäle (Application Specific Massages), wobei eine Bandbreite von 150 kHz für den Uplink und 150 kHz für den Downlink zwischen einer terrestrischen Datenverbindung und einer Satellitenverbindung aufgeteilt werden.
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Innerhalb dieser ersten 150 kHz werden mindesten 50 kHz für den Uplink und innerhalb der zweiten 150 kHz werden 50 kHz für den Downlink der Satellitenverbindung reserviert.
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Es ist ferner aus dem Stand der Technik bekannt, AIS-Nachrichten bei LEO-Satelliten (Low Earth Orbit) zu empfangen und zu decodieren, wodurch ein weltweites Tracking von Wasserfahrzeugen ermöglicht wird. Jedoch ist aufgrund des großen Abdeckungsbereichs eines Satelliten und der Natur des MAC-Verfahrens (Medium Access Control), das durch Slotted Aloha Verfahren schon sehr ausgereizt ist, der zu erwartende Datendurchsatz gering. Dies liegt an der sehr großen Anzahl an Wasserfahrzeugen, die sich im Abdeckungsbereich eines einzelnen Satelliten befinden, insbesondere in dicht befahrenen Regionen, so dass der hier entstehende AIS-Datenverkehr zu vielen kollidierenden Datenpaketen führt.
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Um die Auswirkungen von Paketkollisionen zu verringern, sind aus dem Stand der Technik effiziente Empfängeralgorithmen bekannt, die in intelligenter Weise mit Paketkollisionen umgehen und diese auflösen. Informationen hierzu können den folgenden Druckschriften entnommen werden:
- [1] F. Clazzer, F. Lazaro und S. Plass, „Enhanced AIS Receiver Design for Satellite Reception", CEAS Space Journal, Bd. 8, Nr. 4, S. 257-268, Dez. 2016.
- [2] F. Clazzer, F. Lazaro und S. Plass, „New Receiver Algorithms for Satellite AIS", in Proc. Deutsche Luft- und Raumfahrtkongress, S. 1-7, Rostock, September 2015.
- [3] A. Hassanin, F. Lazaro und S. Plass, „An Advanced AIS receiver using a priori information", in Proc. IEEE/MTS Oceans 2015, S. 1-7, Genua, Italien, May 2015.
- [4] P. Burzigotti, A. Ginesi, G. Colavolpe, „Advanced receiver design for satellite-based automatic indentification system signal detection", International Journal of Satellite Communications and Networking, Bd. 30, Nr. 2, S. 52-63, März/April 2012.
Dennoch sind die bekannten Verfahren nicht in der Lage, Paketkollisionen in sehr dicht befahrenen Regionen vollständig aufzulösen. In solchen Regionen können beispielsweise durchschnittlich beim Satelliten bis zu 16 Pakete pro Slot empfangen werden. Auch der intelligenteste Empfängeralgorithmus wird große Schwierigkeiten haben, all diese sich überlappenden Nachrichten zu unterscheiden und zu decodieren.
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DE 10 2012 110 540 A1 beschreibt ein Verfahren zum Übermitteln von AIS-Nachrichten zwischen verschiedenen Wasserfahrzeugen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Automatic Identification System bei Wasserfahrzeugen bereitzustellen, dass eine verbesserte Leistungsfähigkeit in dicht befahrenen Gebieten aufweist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Automatic Identification System bei Wasserfahrzeugen. Hierbei senden eine Vielzahl von Wasserfahrzeugen, die sich in einem Abdeckungsgebiet eines Satelliten befinden, ihre jeweiligen Positionen an den Satelliten. Bevorzugt senden diese Wasserfahrzeuge auch andere Informationen gemäß anderen AIS-Datenfeldern an den Satelliten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- a) Es wird für jedes Wasserfahrzeug ermittelt, ob dieses Wasserfahrzeug Daten an den Satelliten senden soll oder nicht. Hierbei wird für jedes Wasserfahrzeug ein Wahrscheinlichkeitswert p verwendet, wobei jedes Wasserfahrzeug Daten mit der Wahrscheinlichkeit p an den Satelliten sendet und mit der Wahrscheinlichkeit 1-p nicht an den Satelliten sendet. Im Gegensatz zum aus dem Stand der Technik bekannten AIS-Verfahren, das beispielsweise mit einer VDES-Satellitenverbindung kombiniert werden kann, sendet nicht jedes Wasserfahrzeug Daten an den Satelliten, sondern lediglich diejenigen Wasserfahrzeuge, die gemäß dem beschriebenen Verfahrensschritt mit der Wahrscheinlichkeit p zum Senden ausgewählt wurden. Das Ermitteln, ob ein Wasserfahrzeug Daten an den Satelliten senden soll oder nicht, kann einmal pro Slot oder aber auch in größeren Abständen, beispielsweise einmal pro Frame stattfinden.
- b) Ein gemäß Verfahrensschritt a) zum Senden ausgewähltes Wasserfahrzeug sendet seine Position und die Position benachbarter Wasserfahrzeuge zum Satelliten. Diese benachbarten Wasserfahrzeuge, deren Position von dem zum Senden ausgewählten Wasserfahrzeug an den Satelliten gesendet wird, müssen somit ihrerseits ihre Position nicht mehr an den Satelliten senden. Die Anzahl der Wasserfahrzeuge, die Daten an den Satelliten senden, wird somit erheblich reduziert, so dass es auf dem Übertragungskanal zu erheblich weniger kollidierenden Datenpaketen kommt. Der Satellit ist somit viel besser in der Lage, Datenpakete voneinander zu unterscheiden und zu decodieren, so dass der Datendurchsatz erhöht werden kann.
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Es ist bevorzugt, dass das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug neben der Position benachbarter Wasserfahrzeuge auch andere Informationen gemäß der weiteren AIS-Datenfelder an den Satelliten sendet, so dass diese Informationen ebenfalls von den benachbarten Wasserfahrzeugen nicht an den Satelliten gesendet werden.
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Es findet keine Absprache zwischen benachbarten Wasserfahrzeugen dahingehend statt, welches Wasserfahrzeug tatsächlich Daten an den Satelliten senden wird. Vielmehr entscheidet jedes Wasserfahrzeug anhand des Wahrscheinlichkeitswertes p für sich selbst, ob es Daten an den Satelliten senden wird oder nicht. Sofern diese Entscheidung positiv ausfällt, sendet dieses Wasserfahrzeug seine eigenen AIS-Datenfelder sowie die ihm zur Verfügung stehenden AIS-Datenfelder benachbarter Wasserfahrzeuge an den Satelliten. Selbstverständlich wird es bei diesem Verfahren vorkommen, dass AIS-Datenfelder eines einzigen Wasserfahrzeugs mehrmals an den Satelliten gesendet werden, da keine Absprache zwischen den Wasserfahrzeugen stattfindet. Die Gesamtanzahl der an den Satelliten gesendeten Datennachrichten kann dennoch reduziert werden, so dass es zu weniger kollidierenden Datenpaketen kommt.
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Um die Menge der an den Satelliten übermittelten Daten weiterhin zu reduzieren, ist es weiterhin bevorzugt, dass das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug lediglich einen Teil der AIS-Datenfelder auswählt und die entsprechenden Daten übermittelt und die Daten, die zu den nicht ausgewählten AIS-Datenfeldern gehören, in dem jeweiligen Zeitschlitz nicht gesendet werden. Es ist bevorzugt, dass die Position, Geschwindigkeit, Richtung und Message ID übertragen werden. Hintergrund ist, dass nur diejenigen AIS-Datenfelder übertragen werden, die wichtig für die Identifikation und Positionierung des Wasserfahrzeuges sind.
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Es ist weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wahrscheinlichkeitswert p, gemäß dem entschieden wird, ob ein Wasserfahrzeug Daten an den Satelliten sendet oder nicht, für jedes Wasserfahrzeug individuell ermittelt wird. Dieses Ermitteln kann beispielsweise für jeden Slot einmal stattfinden oder auch in größeren Abständen, zum Beispiel einmal pro Frame. Beispielsweise kann ein Frame eine Minute lang sein und in einer bevorzugten Ausführungsform mehrere 1.000 Zeitschlitze aufweisen.
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In bevorzugter Ausführungsform wird der Wahrscheinlichkeitswert p in Abhängigkeit von der Position des Wasserfahrzeugs ermittelt, wobei in Regionen mit einer höheren Dichte an Wasserfahrzeugen ein niedrigerer Wahrscheinlichkeitswert p gewählt wird als in Regionen mit einer geringeren Dichte an Wasserfahrzeugen. Hiermit kann die Anzahl an kollidierenden Datenpaketen in dicht befahrenen Regionen reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, den Wahrscheinlichkeitswert p in Abhängigkeit von der Anzahl an AIS-Nachrichten zu wählen, die ein Wasserfahrzeug von anderen Wasserfahrzeugen empfangen hat, wobei bei einer größeren Anzahl empfangener AIS-Nachrichten ein niedrigerer Wahrscheinlichkeitswert p gewählt wird als bei einer niedrigeren Anzahl empfangener AIS-Nachrichten. Der Grund hierfür ist, dass ein hohe Anzahl empfangener AIS-Nachrichten ebenfalls auf eine sehr dichte Befahrung der Umgebung hindeuten und somit die Wahl eines niedrigeren Wahrscheinlichkeitswertes p zu einer Verringerung der Anzahl der kollidierenden Datenpakete führen wird.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die benachbarten Wasserfahrzeuge ihre Positionen und weitere Informationen, die AIS-Datenfeldern entsprechen, als AIS-Nachrichten an das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug senden, bevor dieses diese Daten über eine Satellitenverbindung an den Satelliten sendet. Dieser Austausch an AIS-Daten zwischen den Wasserfahrzeugen kann in bekannter Weise, das heißt gemäß dem aus dem Stand der Technik bekannten AIS-Verfahren erfolgen.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug seine Position und die Position benachbarter Wasserfahrzeuge sowie weitere eigene AIS-Informationen und AIS-Informationen benachbarter Wasserfahrzeuge über einen VHF Data Exchange System (VDES)-Uplink an den Satelliten sendet. Bis auf die beschriebenen Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dies ebenfalls gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die in der Einleitung der vorliegenden Anmeldung erläutert wurden, erfolgen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass AIS-Informationen mehrerer Wasserfahrzeuge vom zum Senden ausgewählten Wasserfahrzeug in einer einzigen VDES-Nachricht an den Satelliten gesendet werden. Als Beispiel kann das VDES Satelliten Uplink Frame Format 4 betrachtet werden, das 512 Bits aufweist. In diesem Format ist es zum Beispiel möglich, unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die AIS-Informationen von fünf Wasserfahrzeugen zu übermitteln (einschließlich der AIS-Informationen des sendenden Wasserfahrzeugs selbst). Welche konkreten Informationen beispielsweise an den Satelliten gesendet werden, wird im Rahmen der Figurenbeschreibung der vorliegenden Anmeldung näher beschrieben.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die AIS-Datenfelder der benachbarten Wasserfahrzeuge für den Längengrad anstatt 28 Bits 19 Bits enthalten und für den Breitengrad anstatt 27 Bits 19 Bits enthalten und diese AIS-Datenfelder von den benachbarten Wasserfahrzeugen an das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug gesendet werden und das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug seinen eigenen Längen- und Breitengrad mit der vollen Anzahl von 28 bzw. 27 Bits an den Satelliten sendet. Die Längen- und Breitengrade der benachbarten Wasserfahrzeuge werden jedoch mit der reduzierten Anzahl an Bits an den Satelliten gesendet. Dies ist möglich, da es bekannt ist, dass eine AIS-Kommunikation zwischen benachbarten Wasserfahrzeugen lediglich bis zu einem Maximalabstand von 40 Seemeilen möglich ist. Dies entspricht jeweils 0,67 Breitengrad oder 0,67 Längengrad. Somit können für das AIS-Datenfeld für den Längengrad 9 Bits eingespart werden und für das AIS-Datenfeld für den Breitengrad 8 Bits eingespart werden, wobei die gleiche Genauigkeit erreicht werden kann.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1 die durchschnittliche Kanallast in Paketen pro Slot für einen LEO-Satelliten mit einem Abdeckradius von 2500 km,
- 2 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 den Datendurchsatz in Paketen pro Slot in einem AIS-System gemäß dem Stand der Technik,
- 4 die Kanallast für einen VDES Satelliten Uplink gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
- 5 den Datendurchsatz in Paketen pro Slot im erfindungsgemäßen Verfahren.
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Wie der 1 entnommen werden kann, existieren sehr dicht befahrene Regionen, in denen ein LEO-Satellit bis zu 16 Pakete pro Slot empfängt. Wie bereits dargestellt, ist eine Dekodierung unter diesen Umständen nur sehr schwer möglich.
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Erfindungsgemäß werden daher gemäß 2 AIS-Nachrichten mehrerer Wasserfahrzeuge durch ein zum Senden ausgewähltes Wasserfahrzeug gesammelt und komprimiert und anschließend als gesammelte Daten an den Satelliten geschickt.
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Hierbei ist es bevorzugt, dass nicht alle AIS-Datenfelder an den Satelliten übermittelt werden. Es soll somit eine Untermenge der AIS-Datenfelder ausgewählt und an den Satelliten übermittelt werden. Ein Beispiel für die ausgewählten AIS-Datenfelder sowie ein mögliche Kompression dieser Datenfelder ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Name | Bits | Ausgewählt | Bits komprimiert |
| Message ID | 6 | Ja (nur einmal) | 6(0) |
| Repeat indicator | 2 | Nein | 0 |
| User ID | 30 | Ja | 30 |
| Navigational Status | 4 | Nein | 0 |
| Rate of Turn | 8 | Nein | 0 |
| SOG | 10 | Ja | 9 |
| Position Accuracy | 1 | Nein | 0 |
| Longitude | 28 | Ja | 26 |
| Latitude | 27 | Ja | 25 |
| COG | 12 | Nein | 0 |
| True Heading | 9 | Ja | 9 |
| Time Stamp | 6 | Ja (nur einmal) | 6(0) |
| Sp. Man. Ind. | 2 | Nein | 0 |
| Spare | 3 | Nein | 0 |
| RAIM Flag | 1 | Nein | 0 |
| Communication State | 19 | Nein | 0 |
| | | | |
| Total | 168 | | 111(99) |
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Wie dieser beispielhaften Tabelle entnommen werden kann, werden aus den vorhandenen sechzehn Feldern lediglich sieben ausgesucht. Aus diesen sieben Feldern werden lediglich fünf für jedes Wasserfahrzeug wiederholt, während zwei Datenfelder allen Wasserfahrzeugen gemeinsam sind (nämlich die Massage ID und der Time Stamp). Auf diese Weise ist es möglich, anstelle der 168 Bits lediglich 111 Bits für die erste komprimierte AIS-Nachricht und 99 Bits für alle weiteren Nachrichten zu übermitteln.
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Somit ist es beispielsweise möglich, in einem VDES Satelliten Uplink Frame (Format 4), der 512 Bits aufweist, die Positionsinformationen von bis zu fünf Wasserfahrzeugen (einschließlich des sendenden Wasserfahrzeugs) zu übermitteln.
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Im Folgenden wird anhand der weiteren Figuren der Zugewinn an Leistungsfähigkeit dargestellt, der durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht werden kann.
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Es wird ein LEO-Satellit betrachtet, der in einer Höhe von 524 km fliegt, was in einem Abdeckungsradius von 2500 km auf der Erdoberfläche resultiert. Dieser Satellit kann VDES-Nachrichten empfangen. Auf Basis eines Wahrscheinlichkeitswerts p, der abhängig von der Kanallast G ist (gemessen in Paketen pro Slot), werden Wasserfahrzeuge zum Senden von VDES-Satellitennachrichten ausgewählt. Der Wahrscheinlichkeitswert p wird wie folgt gewählt:
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Die Anzahl m an Positionierungsnachrichten, die von dem zum Senden ausgewählten Wasserfahrzeug gesendet werden, wird wie folgt ermittelt:
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Es wird davon ausgegangen, dass ein VDES Paket im Frameformat 4 einem AIS-Paket entspricht. Die Kanallast des AIS-Systems aus Sicht des Satelliten ist in 1 dargestellt.
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Es wird weiterhin angenommen, dass ein Collision Channel den Physical Layer abbildet, wobei Wechselwirkungen zwischen AIS und VDES außer Acht gelassen werden. Der Durchsatz, das heißt die Anzahl der korrekt empfangenen Pakete pro Time Slot, für das AIS-System ist in 3 dargestellt.
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Im dichter gepunkteten Bereich ist der Datendurchsatz maximiert. Dennoch weist der der größere Teil der Erdoberfläche einen begrenzten Durchsatz auf: Einerseits nördlich und südlich des dicht gepunkteten Bereichs, wo der Datendurchsatz aufgrund der vernachlässigbaren Kanallast sehr gering ist. Im zentralen Bereich dagegen ist der Datendurchsatz gering wegen der Anzahl der Kollisionen zwischen Datenpaketen, die nicht aufgelöst werden können. Diese Region ist für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens von besonderem Interesse.
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In 4 ist die Kanallast des VDES Uplinks dargestellt, wobei die oben dargestellten Wahrscheinlichkeitswerte p verwendet wurden. Es ist erkennbar, dass die maximale Kanallast nun von 16 Paketen pro Slot im AIS-System auf maximal 3,5 Pakete pro Slot reduziert wurde. Ferner ist zu beobachten, dass der zentrale Bereich eine niedrige Kanallast aufweist, die lediglich in kleineren Bereichen mehr als 1 Paket pro Slot beträgt. Dies resultiert aus der Aggregation der Daten verschiedener Wasserfahrzeuge im erfindungsgemäßen Verfahren, so dass ein einzelnes Datenpaket die Information ersetzt, die üblicherweise von mehreren Wasserfahrzeugen gesendet wurde, so dass die Kanallast auf dem VDES Uplink Channel reduziert wird. Es wird bei dieser Simulation angenommen, dass jedes Wasserfahrzeug über seine eigene Positionsinformation sowie über die Positionsinformationen benachbarter Wasserfahrzeuge verfügt. Dies ist eine realistische Annahme, da in dicht befahrenen Regionen ein Wasserfahrzeug aufgrund empfangener AIS-Nachrichten benachbarte Wasserfahrzeuge detektieren wird. Sofern keine aktuelle Positionsinformationen benachbarter Wasserfahrzeuge zur Verfügung stehen, kann das zum Senden ausgewählte Wasserfahrzeug auch ältere Positionsinformationen benachbarter Wasserfahrzeuge an den Satelliten übermitteln, so dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
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Die Verringerung der Kanallast resultiert in einer signifikanten Verbesserung des Datendurchsatz für den VDES Satelliten Uplink (siehe 5). Der vormals dicht gepunktete Bereich mit dem hohen Datendurchsatz erstreckt sich nun bis in den zentralen Bereich mit lediglich zwei kleineren Regionen, in denen sehr hohe Kanallasten vorherrschen. Der Großteil der Erdoberfläche, der bisher nicht bedient werden konnte, weist nun einen Datendurchsatz von über 0,3 Paketen pro Slot auf, was sehr nah am maximal möglichen Datendurchsatz von 0,3678 Paketen pro Slot ist.