Entwurf und Analyse von optimalen Übertragungsverfahren für verzögerungszeit-sensitiven Datenverkehr über drahtlose Mehrwege-Schwundkanäle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Kommunikationstechnik werden die Sendedaten in verschiedene Klassen nach ihren Eigenschaften eingeteilt. Man unterscheidet zum Beispiel in elastischen und nicht-elastischen Datenverkehr. Nicht-elastischer Datenverkehr beinhaltet Echtzeit-Videodaten oder zeitkritische Multimedia-Anwendungsdaten. In der Definition des neuen TCP/IP Standards werden solche Anforderungen berücksichtigt. In drahtgebundener Kommunikation können solche Service-Anforderungen verhältnismäßig leicht erfüllt werden, indem entsprechende Verbindungen/Bandbreiten zur Verfügung gestellt werden. In der drahtlosen Kommunikation entscheidet die Natur, wie gut die gesendeten Daten empfangen werden können. Zeitvariante drahtlose Schwundkanäle können sich von Kanalzugriff zu Kanalzugriff ändern und so eine garantierte Übertragung in vorgegebener Zeit erschweren. Die einfachste Form der garantierten Datenübertragung ist die Kanalinversion am Sender, d.h., der Sender gleicht den Schwundkanal durch Anpassung der Sendeleistung aus. Es war zu Projektstart bereits bekannt, dass eine solche Kanalinversion bei Systemen mit einer Antenne und sog. Rayleigh-Schwundkanal im Mittel unendliche Sendeleistung benötigt und daher nicht praktikabel ist. Interessanterweise können Freiheitsgrade in den Dimensionen Zeit, Frequenz und Raum dazu verwendet werden, diesen Ansatz praktikabel zu implementieren. In der Informationstheorie wird als Performanzkriterium für nicht-elastischen Datenverkehr die sog. Delay-Limitied Capacity (DLC) verwendet. Sie ist definiert als die Datenrate, die in jedem Kanalzustand mit mittlerer Sendeleistungsbeschränkung garantiert werden kann. Das Ziel des Projektes war es Richtlinien zum Entwurf und zur Optimierung von Mehrantennen und Mehrträger-Systemen für nicht-elastischen Datenverkehr zu erarbeiten. Die folgenden Beobachtungen konnten rigoros bewiesen werden, indem mathematische Techniken (Majorisierungstheorie und Optimierungstheorie) eingesetzt wurden: • Bei Systemen mit mehreren Sende- (MISO) oder Empfangsantennen (SIMO) fallt die DLC mit zunehmender räumlicher Korrelation, d.h., für nicht-elastischen Datenverkehr sind weit entfernte (unkorrelierte) Antennen hilfreich. • Bei Systemen mit mehreren Sende- und Empfangsantennen (MIMO) hängt das Verhalten von Signal-zu-Rausch-Abstand (SNR) ab. Bei hohem SNR fällt die DLC mit zunehmender Korrelation und bei niedrigem SNR steigt die DLC. • Gibt es eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger, dann steigt die DLC mit steigendem K-Faktor (je stärker die Sichtverbindung ausgeprägt ist), da der Schwund mit besserer Sichtverbindung abnimmt. • In einem zellularen Mobilfunksystem in der Abwärtsstrecke (Downlink) kann die DLC Region überraschenderweise durch den Umweg über den garantierten mittleren quadratischen Fehler (MSE) geschlossen gelöst werden. • Mit zunehmender räumlicher Korrelation schrumpft die DLC Region. • In Abhängigkeit des SNR ist es manchmal besser nicht-lineare Vorcodierung basierend auf partieller Kanalkenntnis durchzuführen als Beamforming mit linearer Vorcodierung bei vollständiger räumlicher Kanalkenntnis anzuwenden. • Im Gegensatz zur DLC stellt die effektive Kapazität ein allgemeineres Performanzkriterium dar. Durch einen skalaren Parameter 0 kann der Grad der Elastizität des Datenverkehrs eingestellt werden. Für ?=0 wird die mittlere Kapazität betrachtet, für ?->00 reduziert sich die effektive Kapazität zur DLC. • Die optimale Sende Strategie für ein MIMO System mit partieller Kanalkenntnis am Sender hängt ab von dem skalaren Parameter ?. Interessanterweise, ist es für starke Delay-Anforderungen (hohe ?) besser, weniger parallele Kanäle zu senden und dafür die Diversität des Kanal auszunutzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Delay-Limited Capacity of Fading MIMO Channels", Proc. ITG / IEEE Workshop on Smart Antennas 2005
E. Jorswieck and H. Boche
- "Delay-Limited Capacity of Parallel Fading Channels", Proc. IEEE Workshop on Signal Proc. Advances in Wireless Communications 2005
E. Jorswieck and H. Boche
- "Delay Limited Capacity: multiple antennas, moment constraints, and fading statistics", IEEE Trans, on Wireless Communications, vol. 6, no. 12, pp. 4202-4208, Dec. 2007
E. Jorswieck and H. Boche
- "Guaranteed Performance Region in Fading Orthogonal Space-Time Coded Broadcast Channels", Proc. IEEE Intrn. Symposion on Information Theory 2007
E. Jorswieck, B. Ottersten, A. Sezgin, A. Paulraj
- "Guaranteed Performance Region in Fading Orthogonal Space-Time Coded Broadcast Channels", EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, special issue on Theory and Applications in Multiuser/Multiterminal Communications, Volume 2008 (2008), Article ID 268979, 12 pages
E. Jorswieck, A. Sezgin, B. Ottersten, and A. Paulraj
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2008/268979) - "Effective Capacity Maximization in Multi-Antenna Channels with Covariance Feedback", Proc. IEEE Intrn. Conference on Communications 2009
E. Jorswieck, R. Mochaourab, M. Mittelbach
