Hohmann, Fabian (2020)
Cooperative Communication in Wireless OFDMA Multi-Hop Networks.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011541
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Drahtlose Kommunikation findet aktuell hauptsächlich auf zentral gesteuerte Weise statt, wobei zwischen Sender und Empfänger eine direkte Verbindung besteht. Um eine weitreichende Kommunikation zu ermöglichen, wird üblicherweise ein drahtgebundener Zugriffspunkt verwendet, welcher die Kommunikation steuert und eine Anbindung an weitverzweigte Netze ermöglicht. Diese Art der Kommunikation bietet viele Vorteile, hat jedoch auch Grenzen, vor allem in Bezug auf die Abdeckung in bestimmten Szenarien und an Orten, welche nur schwierig durch eine drahtgebundene Infrastruktur erreichbar sind. Drahtlose Multi-Hop Netze bieten eine kostengünstige Möglichkeit, um eine flächendeckende Kommunikation zu ermöglichen, ohne dabei auf eine zentral gesteuerte, drahtgebundene Infrastruktur angewiesen zu sein. In Multi-Hop Netzen dient jeder Knoten im Netz als mögliches Relais für Nachrichten, welche nicht über eine direkte Verbindung übertragen werden können. Jedoch ermöglichen klassische Routingverfahren für Multi-Hop Netze, bei denen die Datenübertragung einer zuvor festgelegten festen Abfolge von Knoten folgt, nur einen sehr geringen Datendurchsatz und sind für datenintensive Anwendungen ungeeignet. Außerdem bieten die Routingpfade häufig keine verlässliche Grundlage für eine stabile Verbindung über längere Zeit. In dieser Arbeit wird Korridor-basiertes Routing untersucht, bei welchem Routingpfade erweitert werden und jeder Abschnitt des Routingpfads aus mehreren kooperierenden Knoten besteht. Anstatt einer festgelegten Abfolge von Knoten zu folgen, bietet ein Korridor in jedem Abschnitt mehrere Relais, auf welche die zu übertragenden Daten aufgeteilt werden können. Durch die verschiedenen Positionen der Knoten ergeben sich unterschiedliche Kanalzustände auf den verfügbaren Verbindungen. Somit ergibt sich eine Grundlage für Diversitätsgewinne für den Datendurchsatz. In Kombination mit der Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) Übertragungstechnik, welche aktuell die Grundlage für eine Vielzahl von Kommunikationsstandards ist, ermöglicht ein Korridor eine effiziente Verwendung der verfügbaren Frequenzbandbreite. Mit OFDMA wird die verfügbare Bandbreite in schmale, zueinander orthogonale Subträger aufgeteilt, welche entsprechend der aktuellen Kanalbedingungen den unterschiedlichen Verbindungen innerhalb eines Abschnitts des Korridor zugewiesen werden können. Die benötigten Kanalzustandsinformationen werden hierfür nur lokal in einem Abschnitt des Korridors bereitgestellt, um eine vom restlichen Pfad unabhängige, effiziente Ressourcenverteilung zwischen den Sendeknoten eines Abschnitts zu ermöglichen. Für jeden Subträger kann somit eine Verbindung mit möglichst großer Kanalkapazität gefunden werden und dadurch ein entsprechend hoher Datendurchsatz ermöglicht werden.

Als Grundlage für das Korridor-basierte Routing muss zunächst eine Auswahl an Knoten für jeden Abschnitt gefunden werden. Hierzu wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches aus lokal ausgetauschten Kontrollnachrichten eine Lebenszeit für relevante Verbindungen ermittelt und diese bei der Auswahl geeigneter Knoten berücksichtigt. Hierdurch wird eine möglichst stabile Struktur aufgebaut, auf welcher die spätere Datenübertragung basiert. Darüber hinaus wird ein Wartungsprotokoll vorgestellt, welches eine proaktive Erneuerung des Korridors vollzieht, um möglichen Verbindungsabbrüchen zuvorzukommen. Es wird gezeigt, dass der Korridor als unterstützende Struktur für die Datenübertragung in Multi-Hop Netzen im Vergleich zu klassischen Routingverfahren eine deutliche Verbesserung bezüglich der potentiellen Übertragungskapazität, sowie der Verbindungsstabilität bietet.

Eine wesentliche Herausforderung beim Korridor-basierten Routing besteht in der Ressourcenallokation in den einzelnen Abschnitten. Um eine störungsfreie Kommunikation zu erreichen, müssen die verfügbaren Subträger exklusiv an die Sendeknoten eines Abschnitts zugewiesen werden. Um einen möglichst hohen Datendurchsatz zu erzielen, müssen dabei sowohl die Kanalzustände als auch die zu sendende Datenmenge der einzelnen Knoten berücksichtigt werden. Da sich die Zustände der Übertragungskanäle über der Zeit ändern, muss die Alloktion der Ressourcen dynamisch angepasst werden. Basierend auf einem Markov-Entscheidungsprozess-Modell und mit Hilfe von dynamischer Programmierung wird ein Zuweisungsverfahren entwickelt, welches die mittlere Anzahl an benötigten Zeitschlitzen für eine Weiterleitung der vorhandenen Daten minimiert. Um auch mit einer großen Anzahl von Zuständen im zugrundeliegenden Modell umgehen zu können, wird ein Approximationsverfahren vorgeschlagen. Dennoch erfordert das Zuweisungsverfahren große Rechen- und Speicherkapazitäten und ist beschränkt auf Modelle mit einer geringen Anzahl an Variablen und Zuständen. Deshalb wird des Weiteren ein suboptimales Ressourcenallokationsverfahren vorgeschlagen, welches auf einer Kanalqualität-vergleichenden Metrik als Entscheidungsgrundlage basiert. Es wird gezeigt, dass mit der suboptimalen Heuristik eine nur geringfügig schlechtere Performanz in Bezug auf den Datendurchsatz erreicht wird.

Schließlich wird der Betrieb von Korridor-basiertem Routing mit Fountain Codes untersucht. Fountain Codes ermöglichen im Gegensatz zu klassischen Kanalcodierungsverfahren eine automatische Anpassung der Datenübertragungsrate an den entsprechenden Übertragungskanal. Mit Fountain Codes kann eine theoretisch unbegrenzte Anzahl von kodierten Symbolen aus einer gegebenen Anzahl von Informationsbits generiert werden. Empfänger können aus einer beliebigen Teilmenge dieser kodierten Symbole die ursprünglichen Daten gewinnen, sobald die akkumulierte Transinformation aus den empfangenen Übertragungen ausreicht. Hierdurch ergeben sich Möglichkeiten, auch schwache Verbindungen über die Grenzen einzelner Etappen des Korridors hinaus für eine verbesserte Datenübertragung nutzbar zu machen. Weit entfernte Knoten können Übertragungen mithören und somit die benötigte Übertragungszeit in späteren Abschnitten verkürzen. Hierfür werden geeignete Verfahren zur Auswahl und Zuweisung von kodierten Datenpaketen und zur Ressourcenallokation entwickelt, die einen deutlich erhöhten Datendurchsatz durch das Ausnutzen der etappenübergreifenden Verbindungen erzielen. Außerdem wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Kooperation der Sendeknoten erweitert, um eine verteilte Mehrantennen-Übertragung von Daten zu ermöglichen. Hierfür wird die Beschränkung der exklusiven Nutzung von Subträgern aufgehoben. Durch eine geeignete Signalverarbeitung, angepasst an die jeweiligen Übertragungskanäle, kann so eine Strahlformung der ausgesendeten Signale erreicht werden, wodurch ein verbesserter Signalpegel am entsprechenden Empfänger erzielt werden kann. Diese Übertragungstechnik erfordert allerdings die Verfügbarkeit der gleichen Datenpaketen an mehreren Sendern, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches diese Verfügbarkeit auf eine effiziente und gewinnbringende Weise ermöglicht und so Gewinne im Datendurchsatz im Vergleich zu einer exklusiven Nutzung der Subträger ermöglicht.

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