Medium access control, protocols and system capacity in wireless MIMO communication networks
Final Report Abstract
Die wesentliche Zielsetzung des Projekts bestand in einer gemeinschaftlichen Betrachtung der physikalischen Schicht, des MAC-Schedulers und der Admission Control in Bezug auf die Ressourcen-Zuteilung in zukünftigen paketbasierten zellularen Mobilfunknetzen. Der Sinn dieses Ansatzes ist dadurch gegeben, dass nur ein schichtenübergreifendes Gesamtkonzept eine Ballance zwischen den teilweise gegenläufigen Zielsetzungen auf den verschiedenen Schichten herstellen kann: • Optimale Ausnutzung des Mobilfunkkanals der Teilnehmer, d.h. möglichst hoher Durchsatz oder möglichst geringe Sendeleistung • bei gleichzeitiger Gewährleistung der Qualitätsanforderungen aller Teilnehmer über die gesamte Dienstdauer • in Verbindung mit einer möglichst hohen Anzahl an gleichzeitig unterstützen Teilnehmern und Diensten. Ausgangspunkt war die Definition der MAC-MIMO-Schnittstelle, welche gemeinsam mit der Arbeitsgruppe Nossek/Utschick entwickelt wurde. Hierbei wurden die Parameter festgelegt, welche zwischen beiden Schichten ausgetauscht werden. Dabei meldet die MAC-Schicht Übertragungs-Anforderungen bezüglich einer Menge von Teilnehmern an die physikalische Schicht. Dort wird eine Optimierung durchgeführt, mit dem Ziel die Anforderungen unter Minimierung der benötigten Sendeleistung zu erfüllen. Zur Gesamtoptimierung können mehrere Iterationsschritte erfolgen, um die QoS-Anforderungen der MAC-Schicht zu erfüllen und gleichzeitig das Potential der MIMO-Ubertragung auf der physikalischen Schicht voll auso zuschöpfen. Um die individuellen und vielschichtigen Qualitätsanforderungen der verschiedenen Teilnehmer während des Betriebs vergleichend betrachten zu können, wurde das Maß der ResidualTime vorgeschlagen. So können mit Hilfe entsprechender Berechnungsvorschriften die unterschiedlichen QoS-Anforderungen unter Berücksichtigung des bisher erfolgten Services und der jeweiligen Warteschlangensituation laufend auf das Maß der Residual Time für jeden Teilnehmer bzw. laufenden Dienst abgebildet werden. Die Residual Time kann als ein Dringlichkeitsmaß interpretiert werden. Es stellte sich im Verlauf des Projekts heraus, dass die Residual Time sich ausgezeichnet als Übergabe-Parameter zwischen dem MAC-Scheduler und der Physikalischen Schicht eignet, wenn sie kombiniert wird mit einer Ziel-Datenrate je Teilnehmer, die sich ebenfalls aus den Berechnungsvorschriften der Residual Time ergibt. Die Kopplung der MAC-Schicht mit der physikalischen Schicht mit Hilfe der beschriebenen Übergabe-Parameter sowie die Iterationsoption erlauben nun die Entwicklung und Verwendung unterschiedlicher Scheduling-Ansätze auf Basis der Residual Time (oder leicht abgewandelten Maßen) auf der MAC-Schicht, aber auch die Kombination mit unterschiedlichen Technologien auf der physikalischen Schicht (MIMO, SISO, TDMA, SDMA). Aufsetzend auf die gemeinsame Betrachtung von Paket-Scheduling und Physical Layer erfolgte die Einbeziehung der Admission Control. Es wurden verschiedene Parameter und Parameu terkombinationen für die Entscheidung der Admission Control betrachtet. Dabei stellte sich heraus, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Admission Control Parameter aus der physikalischen Schicht verwendet, insbesondere einen zeitlich geglätteten Wert der prozentualen Ausschöpfung der maximalen Sendeleistung. Hierbei kommt es darauf an, den Glättungskoeffizienten derart zu wählen, dass kurzfristige Sendeleistungsschwankungen weitgehend geglättet werden, während mittelfristige Schwankungen deutlich erhalten bleiben müssen. Die entwickelten Verfahren des Ressourcenmanagements wurden im Verlauf des Projekts in ein ebenfalls im Rahmen des Projekts entwickeltes Simulationstool integriert. Der Simulator wurde in objektorientierter Weise auf Basis der Programmiersprache C++ entwickelt. Er enthält die notwendigen Modelle für die Simulation auf Systemebene (Teilnehmergenerierung, Mobilität, Paketdatenverkehr, QoS-Verwaltung, Warteschlangenmanagement, Scheduling, Paketdatenübertragung). Ebenfalls integriert wurde die Schnittstelle zur physikalischen Schicht inklusive des physikalischen Kanalmodells, so dass die gemeinsame Simulation des Gesamtsystems bis hinunter zur Optimierung der Parameter auf der Physikalischen Schicht unter Einbeziehung der Algorithmen der Arbeitsgruppe Nossek/Utschick möglich wurde.
Publications
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Christian Hartmann, Robert Vilzmann
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Benno Zerlin, Christian Hartmann, Jörg Eberspächer, Josef A. Nossek
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Yikang Xiang, Jijun Luo, Christian Hartmann
