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Schichtübergreifende Optimierung von MIMO-OFDM zur Einhaltung vorgegebener Dienstgüten in heterogenen Mehrnutzer-Systemen

Subject Area Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Term from 2005 to 2010
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5443139
 
Final Report Year 2010

Final Report Abstract

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.

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