Schichtübergreifende Optimierung von MIMO-OFDM zur Einhaltung vorgegebener Dienstgüten in heterogenen Mehrnutzer-Systemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projekts ist ein Cross-Layer-Scheduler entwickelt worden, der aus einem hardwareunabhängigen und einem hardwareabhängigen Teil besteht. Ausgehend von den Dienstgüteanforderungen werden zunächst anhand des Füllstands der Warteschlangen sowie der Restlebensdauer der darin enthaltenen Pakete Prioritäten für die einzelnen Nutzer ermittelt. Die Zuweisung von Kanalressourcen erfolgt anschließend anhand der Maximierung der mit den Prioritäten gewichteten Summendatenrate. Es konnte gezeigt werden, dass auf diese Weise ein geeigneter Kompromiss zwischen dem Gesamtdurchsatz und individuellen Ratenanforderungen der Teilnehmer gefunden wird und zeitkritische Datenflüsse im Falle eines gesättigten Kanals bevorzugt bedient werden. Durch die Verwendung mehrerer Sende- und Empfangsantennen können die erzielbaren Datenraten gegenüber einer einfachen OFDM-Übertragung deutlich gesteigert werden. Hierzu wurden diverse MIMO-Verfahren in Kombination mit dem prioritätsbasierten Scheduling untersucht. Da sich die Kanäle im Indoor-Bereich üblicherweise nur langsam ändern, kann eine adaptive Vorverzerrung des Sendesignals an der Basisstation erfolgen, wodurch sich insbesondere auch die Komplexität des Empfängers reduziert. Kanalschätzfehler am Sender haben im Allgemeinen einen geringen Einfluss, sofern eine leistungsfähige Kanalcodierung eingesetzt wird und die ungewollt verbleibende Interferenz empfangsseitig eliminiert werden kann. Die gezielte Zuweisung von Unterträgern bei OFDMA bietet unter den in diesem Projekt betrachteten Randbedingungen keine Vorteile. Erst die räumliche Trennung der Teilnehmer mittels SDMA führt zu deutlichen Gewinnen, vor allem wenn die Basisstation über mehr Antennen als die Mobilstationen verfügt. Durch die geeignete Auswahl der gleichzeitig auf einem Unterträger bedienten Mobilstationen ist der resultierende effektive Kanal in der Regel besser konditioniert als bei der Punkt-zu-Punkt-Übertragung. Um eine fehlerhafte Kanalkenntnig am Sender kompensieren sowie einzelne Nutzer mit hohen Datenraten versorgen zu können, sollten die Mobilstationen auch im Falle von SDMA mit mehreren Antennen ausgestattet sein, obwohl die theoretische Summenrate davon nur bedingt profitiert. Die vorgenannten OFDMA- und SDMA-Übertragungsverfahren erlauben eine Kombination mit Zuweisungsstrategien auf höheren Protokollschichten, da sie die Vergabe von Kanalressourcen aufgrund von vorgegebenen Prioritäten vornehmen. Letztere werden innerhalb dieses Projekts durch einen Scheduler im hardwareunabhängigen Teil aufgrund von Dienstgütevorgaben der einzelnen Benutzer bestimmt. Vorgegebene Werte für den Durchsatz und die Verzögerung werden mit Messungen des Leistungsverhaltens verglichen und entsprechend der Abweichungen die Prioritäten entsprechend eingestellt. Hierdurch kann die Einhaltung der Dienstgüteanforderungen erreicht werden. Der Scheduler arbeitet hierbei probabilistisch, d.h. die Einhaltung der Dienstgüte kann für einen gewissen Prozentsatz der Pakete garantiert werden. Die vorgegebenen Durchsatz- und Verzögerungsparameter sind als solche nicht konstant, sondern werden mit Hilfe einer wechselseitigen Kommunikation zwischen der Anwendung und der MAC-Schicht an den jeweiligen Kanalzustand angepasst. Bei schlechtem Kanal wird auf diese Weise zur Vermeidung von Puffer Überläufen das Verkehrsangebot der einzelnen Datenflüsse verringert. Kann eine Verbindung aufgrund von Kapazitätsengpässen nicht aufrechterhalten werden, wird sie bis zu einer Verbesserung des Kanals unterbrochen. Die vorgenannten Übertragungsverfahren der physikalischen Schicht wurden zunächst mit einem Simulator auf Bitebene untersucht. Für die Untersuchung des Zusammenspiels der PHY-Schicht mit den höheren Protokollebenen wurde der Bitebenen-Simulator mit einem System-Level-Simulator gekoppelt. Im hier behandelten Projekt liegt der Schwerpunkt auf einer Kommunikation zwischen Anwendungs-, MAC- und PHY-Schicht. Eine Erweiterung ist beispielsweise durch eine Einbeziehung der Transportschicht denkbar. Das weitverbreitete Transportprotokoll TCP reagiert im Falle einer Unterbrechung der Übertragung mit einer Verringerung der Datenrate und anschließendem langsamem Erhöhen derselben. Dieses Verhalten ist bei drahtgebundenen Netzen sinnvoll, da hier ein Paketverlust üblicherweise durch einen Überlauf der Warteschlangen verursacht ist. Im Falle von Funkkanälen ergibt sich eine Unterbrechung der Übertragung infolge einer Verschlechterung des Funkkanals, etwa durch Abschattung. Nach Beendigung der Störung können die Aussendungen unmittelbar wieder fortgesetzt werden, TCP regelt jedoch die Last nur langsam hoch, so dass Kanalkapazität ungenutzt bleibt. Durch eine Einbeziehung der Transportschicht kann hier eine Verbesserung erzielt werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse können in handelsüblicher Wireless-LAN-Hardware angewendet werden. Eine Änderung der einschlägigen Standards für drahtlose Netze ist hierbei nicht notwendigerweise erforderlich, da die für den Betrieb des Cross-Layer-Schedulers erforderlichen Steuerinformationen innerhalb des Protokollstacks gewonnen und auch nur dort ausgetauscht werden. Für die näherungsweise Bestimmung des Kanalzustandes können empfangene Pakete herangezogen werden. In der Praxis befindet sich die Anwendungsschicht üblicherweise nicht in derselben Hardwareeinheit wie die MAC- und PHY-Schicht, beispielsweise ein Server, von dem über einen Access Point Daten geladen werden. Um in einem solchen Fall Dienstgüte- und andere Steuerinformationen zwischen dem Access Point und dem Server austauschen zu können, muss eine geeignete Signalisierung vorgesehen werden. In der Praxis könnte man hierzu das ICMP-Protokoll heranziehen, das der Übertragung von Steuerinformationen in IP-basierten Datennetzen dient.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Efficient Near Maximum- Likelihood Decoding of Multistratum Space-Time Codes. In Proc. IEEE Vehicular Technology Conference, Los Angeles, USA, September 2004
R. Böhnke, V. Kühn, and K.D. Kammeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/VETECF.2004.1404751) - Multistratum Space-Time Codes for the Asynchronous Uplink of MIMO-CDMA Systems. In Proc. IEEE International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, Sydney, Australia, August 2004
R. Böhnke, V. Kühn, and K.D. Kammeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ISSSTA.2004.1371677) - Adaptive MIMO-OFDM for Future Mobile Radio Communications. In Proc. lEE International Conference on 3G & Beyond, London, Great Britain, November 2005
V. Kühn, R. Böhnke, and K.D. Kammeyer
- Diversity vs. Adaptivity in Multiple Antenna Systems. In Proc. IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications, Los Angeles, USA, June 2005
R. Böhnke, V. Kühn, and K.D. Kammeyer
- Fast Sum Rate Maximization for the Downlink of MIMO-OFDM Systems. In Proc. Canadian Workshop on Information Theory, Montreal, Canada, June 2005
R. Böhnke, V. Kühn, and K.D. Kammeyer
- Comparison of Receiver Architectures for High-Rate Space-Time Codes. In Proc. ITG / IEEE Workshop on Smart Antennas, Reisensburg, Germany, March 2006
R. Böhnke, C. Bockelmann, and K.D. Kammeyer
- Exact Outage Probability of V-BLAST with Ordered MMSE-SIC Detection. In Proc. Biennial Symposium on Communications, Kingston, Canada, May 2006
R. Böhnke and K.D. Kammeyer
- SINR Analysis for V-BLAST with Ordered MMSE-SIC Detection. In Proc. International Wireless Communications and Mobile Computing Conference, Vancouver, Canada, July 2006
R. Böhnke and K.D. Kammeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1145/1143549.1143673) - A Crosslayer Two-Stage Scheduler for Wireless LANs. In Proc. Mobile and Wireless Communications Summit, Budapest, Hungary, 2007
A. Könsgen, W. Herdt, A. Timm-Giel, C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ISTMWC.2007.4299080) - A Two-Stage QoS Aware Scheduler for Wireless LANs Based on MIMO- OFDMA-SDMA Transmission. In Proc. First International Workshop on Cross Layer Design, Jinan, China, September 2007
A. Könsgen, W. Herdt, H. Wang, A. Timm-Giel, R. Böhnke, and C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/IWCLD.2007.4379026) - Adaptive Communication in Wireless LANs. In Proc. Mobilfunktagung, Osnabrück, Germany, 2007
A. Könsgen, W. Herdt, A. Timm-Giel, C. Görg
- An Enhanced Crosslayer Two-Stage Scheduler for Wireless LANs. In Proc. Internatiorial Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications, Athens, Greece, 2007
A. Könsgen, W. Herdt, A. Tirnm-Giel, H. Wang, C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/PIMRC.2007.4394577) - Analysis of SVD-Aided, Iteratively Detected Spatial Division Multiplexing using EXIT Charts. In Proc. International OFDM- Workshop, Hamburg, Germany, August 2007
A. Ahrens and V. Kühn
- Comparison of Receiver/Transmitter Algorithms for OFDMA with Dynamic Subcarrier Allocation. In Proc. International OFDM-Workshop, Hamburg, Germany, August 2007
C. Bockelmann, M. Petermann, and K.D. Kammeyer
- On Allocation Strategies for Dynamic MIMO-OFDMA with Multi-User Beamforming. In Proc. Intemational OFDM- Workshop, Hamburg, Germany, August 2007
M. Petermann, C. Bockelmann, and K.D. Kammeyer
- Optimal Power Allocation in SVD Equalized Multicarrier Systems. In Proc. IEEE International Conference on Communications, Glasgow, United Kingdom, June 2007
A. Ahrens, C. Lange, V. Kühn, and T. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ICC.2007.738) - Sum-Rate Evaluation of Beamforming with Limited Feedback for the Evolved UTRA Downlink. In Proc. International ITC Workshop on Smart Antennas, Vienna, Austria, February 2007
M. Petermann, K.D. Kammeyer, and W. Xu
- SVD-Aided, Iteratively Detected Spatial Division Multiplexing using Long-Range Channel Prediction. In Proc. IEEE Workshop on Signal Processing Systems, Shanghai, China, October 2007
A. Ahrens, W. Lu, S. Ng, V. Kühn, L. Yang, and L. Hanzo
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/SIPS.2007.4387579) - Weighted Sum Rate Maximization for the MIMO-Downlink Using a Projected Conjugate Gradient Algorithm. In Proc. First International Workshop on Cross Layer Design, Jinan, China, September 2007
R. Böhnke and K.D. Kammeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/IWCLD.2007.4379043) - Iterative Detection for Spatial Multiplexing with Adaptive Power Allocation. In Proc. International ITG Conference on Source and Channel Coding, Ulm, Germany, January 2008
A. Ahrens, V. Kühn, and T. Weber
- Modulation-Mode and Power Assignment for MIMO-BICM Schemes. In Proc. International ITG Workshop on Smart Antennas, Darmstadt, Germany, February 2008
A. Ahrens and V. Kühn
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/WSA.2008.4475568) - Modulation-Mode Assignement for SVD-aided and BICM-assisted Spatial Division Multiplexing. Elsevier Physical Communications, vol. 1, no. 1, pp. 60-66, March 2008
A. Ahrens, S. Xin Ng, V. Kühn, and L. Hanzo
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.phycom.2008.01.002) - Mutual Information based Rate Adaptation for MIMO-OFDM Systems with Finite Signal Alphabets. In Proc. International ITG Workshop on Smart Antennas, Darmstadt, Germany, February 2008
C Bockelmann, D. Wübben, and K.D. Kammeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/WSA.2008.4475538) - Optimization of a QoS Aware Cross-Layer Scheduler by Packet Aggregation In Proc. 10th IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communcation Networks, Toulouse, France, 2008
A. Könsgen, M. S. Islam, A. Timm-Giel, C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-0-387-84839-6_12) - Weighted Sum Rate Maximization for MIMO-OFDM Systems with Linear and Dirty Paper Precoding. In Proc. International ITG Conference on Source and Channel Coding, Ulm, Germany, January 2008
R. Böhnke and K.D. Kammeyer
- Design and Simulation of Spectrum Management Methods for Wireless Local Area Networks. Dissertation, Universität Bremen, 2009
A. Könsgen
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/978-3-8348-9738-1) - Efficient Coded Bit and Power Loading for BICM-OFDM. In Proc. IEEE Vehicular Technology Conference, Barcelona, Spain, April 2009
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.D. Kammeyer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/VETECS.2009.5073525) - Impact ofthe Transmission Scheme on the Performance in Wireless LANs. In Proc. International Conference on Mobile Lightweight Wireless Systems, Athens, Greece, May 2009
A. Könsgen, A. Timm-Giel, C. Görg, and R. Böhnke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-642-03819-8_29) - Link Adaptation for MIMO-OFDM with partial CSI. In Proc. International OFDM-Workshop, Hamburg, Germany, September 2009
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.D. Kammeyer
- Optimization of a QoS Aware Cross-Layer Scheduler by Packet Aggregation In Proc. 10th IFIP International Conference on Mobile and Wireless Communcation Networks, Aachen, Germany, 2009
A. Könsgen, M. S. Islam, A. Timm-Giel, C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-0-387-84839-6_12) - Performance Analysis of Packet Agregation in WLANs with Simultaneous User Access In Proc. Int. Conf. on Communication, Computer and Power, Muscat, Oman, 2009
Md. Shahidul Islam and A. Könsgen and A. Timm-Giel and C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-642-01399-7_20) - Smart MISO vs. Dumb MIMO for Cross-Layer Scheduling in Indoor Environments. In Proc. International Workshop on Cross Layer Design, Palma de Mallorca, Spain, June 2009
R. Böhnke, K.D. Kammeyer, A. Könsgen, and C Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/IWCLD.2009.5156525) - Adaptive Applications and Resource Assignment in Wireless LANs Using Cross-Layer Scheduling In Proc. Mobilfunktagung, Osnabrück, Germany, 2010
A. Könsgen, C. Görg
- Delay Performance Analysis of a Two-Stage Cross- Layer Scheduler for Wireless LANs In Proc. International Conference on Mobile Lightiweight Wireless Systems, Barcelona, Spain, 2010
A. Könsgen, C. Görg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-642-16644-0_8) - Evaluation of Encoded MU-MISO-OFDM Systems in TDD Mode with Non-ideal Channel Reciprocity. In Proc. International ITG Conference on Source and Channel Coding, Siegen, Germany, January 2010
M. Petermann, D. Wübben, and K.D. Kammeyer
