Interferenz-Management für zukünftige paketvermittelte Zellularnetze

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Eberspächer
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 60884883

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Gegenstand des geförderten Forschungsvorhabens war die Untersuchung von Interferenz- Management Verfahren für zukünftige paketvermittelte zellulare Mobilfunksysteme wie z.B. das von der 3GPP entwickelte Long Term Evolution (LTE). Ziel der untersuchten Verfahren ist eine Beeinflussung der den zellularen Systemen inhärenten Inter-Zell-Interferenz, um die spektrale Effizienz zu steigern, die von Interferenz negativ beeinflusst wird. Der Fokus lag hierbei auf selbstorganisierenden Methoden, die mit einem geringen Signalisierungsaufwand und ohne eine zentrale Koordination auskommen. Im ersten großen Teilprojekt wurden Verfahren zur dynamischen Aufteilung von Funkkanälen in einem zellularen System betrachtet („Reuse Coordination“). Es konnte mit Hilfe einer spieltheoretischen Modellierung gezeigt werden, dass auch ohne explizite Koordination zwischen benachbarten Zellen eine stabile und interferenzvermeidende Aufteilung der Ressourcen erreicht werden kann. Die erreichte Gleichgewichtslösung ist dabei nicht weit von der optimalen Lösung entfernt, die aber auf Grund der Komplexität nur für kleine Netze berechnet werden kann. Die Methode der autonomen Koordinierung wurde in einem zweiten Schritt auf den Uplink eines LTE Systems als konkretes Anwendungsbeispiel angewandt. Auch unter Berücksichtigung vieler in der Realität auftretender Systemdetails konnte die Funktionsfähigkeit der interferenzvermeidenden Ressourcenallokation in einem Praxisszenario nachgewiesen werden. Trotz der funktionierenden verteilten Ressourcenallokation zeigte sich aber, dass entgegen der a priori Annahme in modernen Mobilfunksystemen wie LTE durch „Reuse Coordination“ keine überaus signifikante Steigerung der spektralen Effizienz möglich ist. In Folge dessen wurde in einem zweiten Teilprojekt die Koordinierung in der von MIMO-Systemen erschlossenen Raumdimension untersucht. Es wurde ein Verfahren zum Koordinierten Beamforming vorgeschlagen, das in einem LTE-System bei voller Wiederverwendung der Frequenzkanäle in allen Zellen in der Lage ist, durch dynamische Zuordnung von Nutzergruppen zu Beamformern das mittlere Interferenzniveau zu senken und gleichzeitig die Vorhersagbarkeit der Interferenz zu erhöhen, was insgesamt zu einer deutlich höheren Datenrate im Vergleich zum unkoordinierten Fall führt. Schließlich wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens Simulationswerkzeuge geschaffen, die sich durch die Offenlegung als Open Source C++-Quelltext insbesondere der universitären Forschung als nützlich erweisen sollten. Zu nennen ist hier eine Implementierung des geometriebasierten stochastischen räumlichen Kanalmodells, das von der ITU-R zwecks Evaluierung von IMT-Advanced Funktechnologien in der Richtlinie M.2135 spezifiziert wurde und zur Untersuchung von MIMO-OFDM Systemen geeignet ist. Die zur Verfügung gestellte Software erlaubt durch ihre effiziente Umsetzung die Simulation selbst großer Szenarien und ist darüber hinaus entsprechend der von der ITU und den Standardisierungsgremien aufgestellten Richtlinien vollständig kalibriert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Decentralized inter-cell interference coordination by autonomous spectral reuse decisions. In Proc. European Wireless Conference (EW 2008), Prague, Czech Republic, June 2008
  Jan Ellenbeck, Christian Hartmann, and Lars Berlemann
  
• A concept for efficient system-level simulations of OFDMA systems with proportional fair fast scheduling. In Proc. 5th IEEE Broadband Wireless Access Workshop co-located with IEEE Globecom 2009, Honolulu, USA, November 2009
  Jan Ellenbeck, Johannes Schmidt, Ulrike Korger, and Christian Hartmann
  
• Performance of decentralized interference coordination in the LTE uplink. In Proc. IEEE Vehicular Technology Conference (VTC-Fall 2009), Anchorage, USA, September 2009
  Jan Ellenbeck, Hussein Al-Shatri, and Christian Hartmann
  
• Autonomous beam coordination for the downlink of an IMT-Advanced cellular system. In Proc. European Wireless Conference (EW 2010), Lucca, Italy, April 2010
  Jan Ellenbeck, Mahmoud Hammoud, Boyan Lazarov, and Christian Hartmann
  
• Calibrating an efficient C++ implementation of the ITU-R M.2135 channel model for use in system-level simulations. In Proc. International Workshop on Propagation and Channel Modeling for Next-Generation Wireless Networks (IWPCM 2011), Lyon, France, March 2011
  Jan Ellenbeck, Obaid Mushtaq, Farid Sheikh, and Safiullah Qazi Shahrukh