Selbstorganisierende Synchronisation und Ressourcenvergaben in OFDM-Mobilfunksystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Künftige Datenfunknetze der vierten Generation Mobilfunktechnik werden voraussichtlich keine notwendig flächendeckende Versorgung anbieten aber eine Vielzahl von Sprachund Datendiensten unterstützen. Diese Anwendungen sind zusätzlich durch unterschiedlichste und sehr individuelle Dienstgüteanforderungen gekennzeichnet, die selbstverständlich auch in zeitvarianten Übertragungsbedingungen und Nutzerszenarien eingehalten und vom System bereitgestellt werden müssen. Um dennoch stets eine optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen (Zeit, Frequenz, Code, Leistung) gewährleisten zu können, ist eine hohe Flexibilität und Adaption des Gesamtsystems an die momentane räumliche Umgebung sowie individuelle Nutzeranforderung erforderlich. Diese geforderte Flexibilität ist mit der heute bekannten und praktizierten statischen Planung eines zellularen Mobilfunknetzes in der Regel nicht möglich und auch nicht vergleichbar. Es geht in diesem Forschungsprojekt um neue Strukturen für zellulare Mobilfunksysteme. Aus diesem Grund hat die TUHH in diesem Forschungsprojekt einen völlig neuen Ansatz zum Aufbau eines zellularen Netzes untersucht, der ganz wesentlich durch eine hohe Flexibilität und Adaptivität gekennzeichnet ist, die technisch durch Verfahren der Selbstorganisation realisiert wird. Das Konzept eines Gleichwellennetzes ist aus dem Bereich des digitalen Rundfunks bekannt. Aus diesen Kenntnissen wurde ein synchronisiertes zellulares Kommunikationsnetz entwickelt, um dadurch die Möglichkeit einer sehr flexiblen Ressourcenverteilung zu bekommen. Der Begriff der Selbstorganisation spielt dabei eine wichtige Rolle, weil sich ein zellulares Netz sehr dynamisch durch Hinzufügen neuer oder auch Abbau vorhandener Stationen entwickeln kann. Techniken der Selbstorganisation werden in der Netzsynchronisation aber auch in der Ressourcenvergabe entwickelt und eingesetzt. In der vergangenen Projektlaufzeit wurden umfangreiche Untersuchungen sowohl an statischen als auch an selbstorganisierenden zellularen Netzen durchgeführt. Dabei lag ein Schwerpunkt auf der Trägerfrequenz- und Zeitsynchronisation der einzelnen Mobilstationen (MS) innerhalb einer Zelle sowie gleichzeitig der räumlich benachbarten Basisstationen (BS) in einer dezentral organisierten Netzstruktur. Ein weiterer wichtiger Aspekt lag in der Berechnung der maximalen Netzkapazität bei unterschiedlichen Nutzerszenarien. Die Betrachtung der selbstorganisierenden Synchronisation in einer zellularen Umgebung basierend auf der Idee eines Gleichwellennetzes ergab folgende Ergebnisse: • Die gleichzeitige Träger- und Zeitsynchronisation in einer zellularen Umgebung umfasst zwei Schritte: Einerseits die Synchronisation der MS auf eine BS in der Abwärtsstrecke und andererseits die Synchronisation der räumlich benachbarten BS in einer zellularen Umgebung basierend auf Signalen der Aufwärtsstrecke. • Das Verfahren liefert eine hohe Synchronisationsgenauigkeit. Die Aufgabe der dezentralen Synchronisation kann mit dem diskutierten Vorschlag und den berechneten Ergebnissen als gelöst betrachtet werden. Die Betrachtung der selbstorganisierenden Ressourcenvergabe innerhalb einer Zelle unter Vermeidung jeglicher Gleichkanalstörungen brachte folgende Ergebnisse: • Es wurde ein Protokoll für den Verbindungsaufbau ausgearbeitet, bei dem die auf jedem Subträger gemessenen Interferenzen in der Abwärts- und Aufwärtsstrecke als Kriterium zur Ressourcenvergabe verwendet werden. Ein quantitativer Vergleich mit einer konventionellen statischen Ressourcenvergabe ergab unter bestimmten Bedingungen (Funkkanal, Nutzerverteilung) eine etwas geringere Kapazität in der vorgeschlagenen dezentralen Netzstruktur, unter anderen Bedingungen aber eine erheblich höhere Kapazität. • Im Ergebnis ist das vorgeschlagene Schema zur selbstorganisierenden Ressourcenvergabe generell in der Lage, eine hohe Systemkapazität zu erreichen. Besonders bei flachen Funkkanälen oder bei ungleicher Nutzerverteilung können durch eine selbstorganisierende Vergabe doppelt so viel Benutzer in der zentralen Funkzelle versorgt werden wie mit einer konventionellen statischen Ressourcenvergabe. Ziel der zukünftigen Arbeiten an der Technischen Universität Hamburg-Harburg ist die detaillierte Entwicklung eines Systemkonzeptes für ein zellulares Mobilfunksystem. In diesem Systemkonzept sollen die Netzsynchronisation und adaptive Ressourcenvergabe in dezentraler Form durchgeführt werden, wodurch sich die Flexibilität wesentlich erhöht. Die selbstorganisierende Ressourcenvergabe bietet hierbei eine gute Möglichkeit, um auch bei einem dezentralen zellularen Netz eine gute Kapazität zu erreichen. Es bleibt zu untersuchen, ob die Einschränkungen hinsichtlich einer angenommenen wenig wechselnden Datenrate durch mögliche Signalisierungsmechanismen gelockert werden können. Zusätzlich könnten zukünftige Untersuchungen den Einsatz von Mehrantennensystemen (MIMO) mit einbeziehen, um z. B. über die Verwendung von Beamforming- Techniken die Gleichkanalstörungen zwischen benachbarten Zellen weiter zu reduzieren. Der große Vorteil des geringen Aufwands einer dezentralen Netzstruktur bietet besondere Möglichkeiten, um darauf basierende Netzwerke in wirtschaftlich tragfähigen Konzepten aufzubauen. Die Nutzung von OFDM in einem derartigen selbstorganisierenden Netz bietet eine besondere Flexibilität und hohe Granularität, die bei dieser orthogonalen Übertragungstechnik schon mit geringem Rechenaufwand gewinnbringend genutzt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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OFDM Transmission Technique- A Strong Candidate for the Next Generation Mobile Communications. In: “Mobile Multimedia Communications: Concepts, Applications and Challenges”. Edited by: Prof. Laurence S. Dooley and Dr. Gom C. Karmakar, Australia
H. Rohling
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Flexible Self-Organized Resource Allocation in Cellular OFDM Systems. Proceedings of the 10th International OFDM Workshop, Hamburg, Germany, Sept. 2005
Ch. Stimming, T. Chen, H. Rohling
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Multi-User Diversity and Self-Organized Resource Allocation in Cellular OFDM Systems. Proceedings of the 11th International OFDM Workshop, Hamburg, Germany, Aug. 2006
Ch. Stimming, H. Rohling
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PHY-Mode Selection and Multiuser Diversity in OFDM based Systems. FREQUENZ, vol. 61, pp. 7-10, Jan. 2007
M. Stemick, S. Olonbayar, H. Rohling
