Koexistenz und Kooperation vermaschter, im Spektrum konkurrierender Funknetze mit Dienstgüte-Unterstützung
Final Report Abstract
Lizenzfreie (ISM) Bänder für die Drahtloskommunikation ermöglichen den Betrieb unterschiedlicher lokaler Funksysteme wie WiFi (IEEE 802.11) und WiMAX (IEEE 802.16) im gleichen Frequenzband. Die Verbreitung dieser Systeme führen zu einer starken lokalen Auslastung der verfügbaren Frequenzbänder und zu zunehmender wechselseitiger Interferenz von benachbart betriebenen Drahtlossystemen. Drahtlose Multimedia-Geräte oder Voice-over-IP (VoIP) Telefonie stellen sehr hohe Dienstgüteforderungen an Drahtlossysteme. Daher ist es erforderlich, Möglichkeiten zur Förderung des koexistenten Betriebs zu erforschen, damit Systeme auch in unlizenzierten Bändern Dienstgüte bereitstellen können. Um Koexistenz zu ermöglichen, muss ein System die Spektrumsnutzung interferierender Systeme in seiner Umgebung erfassen und berücksichtigen. Darauf basierend werden für koexistierende Systeme geeignete Zugriffsverfahren auf die gemeinsam genutzten spektralen Ressourcen eingesetzt, um die Einhaltung von Dienstgüte der von ihnen betriebenen Verbindungen zu erreichen. Es werden neue Algorithmen entwickelt, die zunächst die Kanalbelegungsmuster benachbarter Netze auswerten. Hieraus wird der Typ der Drahtlostechnologie bestimmt, für den das betreffende Muster charakteristisch ist und danach eine Kanalbelegung durch das eigene Netz gewählt, die eine Störung des Nachbarnetzes minimiert. Die Algorithmen werden mit vollständig und teilweise überlappenden homogenen Szenarien untersucht, d.h. alle beteiligten Netze sind entweder WiMAX- oder WLAN-Netze, des Weiteren werden auch vollständig überlappende heterogene Szenarien mit einer Kombination aus WLAN- und WiMAX-Netzen betrachtet. Die Leistungsbewertung der Algorithmen erfolgt analytisch sowie durch Simulation bezüglich ihrer Eignung zur Förderung der Koexistenz benachbarter Systeme anhand von Kapazität, Spektraleffizienz und Zugriffsverzögerungszeit. Durch die Anwendung der vorgeschlagenen Algorithmen wird eine deutliche Verbesserung der genannten Leistungsparameter erzielt. Diese Arbeiten leisten Beiträge zur Entwicklung von Protokollen für kognitive Funksystemen, die eine zunehmend wichtigere Rolle in der drahtlosen Kommunikation spielen. Die vorgeschlagenen Lösungen erfordern keine Änderung bestehender WLAN- oder WiMAX-Standards, sie können vollständig mit Hilfe standardkonformer Signalisierungsprotokolle implementiert werden. Für die Verwendung in einer drahtlosen Schnittstelle muss nur der Firmwareteil für das MAC-Protokoll verändert werden, so dass vorhandene Hardware mit der oben diskutierten Funktionalität durch ein Firmware-Upgrade erweitert werden kann. Hierdurch werden sowohl Aufwand als auch Kosten minimiert, so dass der Vorschlag interessant für Hardware Hersteller und Mobilfunk Netzbetreiber ist, um gegenseitige Interferenz zu vermeiden und die Effizienz der drahtlosen Netze zu steigern. WLAN ist auch an den Standorten der Endbenutzer weit verbreitet, die zunehmend unter der gegenseitigen Interferenz leiden, z.B. in unkoordinierten Büro- und Wohnumgebungen. Die Anwendung der vorgeschlagenen Erweiterungen ist für solche Benutzer vorteilhaft, um eine bessere Koordination und somit ein besseres Leistungsverhalten ihrer drahtlosen Netze zu erzielen. Es werden auch Ergebnisse für heterogene Szenarien mit sich vollständig überlappenden Drahtlosnetzen betrachtet, wobei angenommen wird, dass alle beteiligten Netze über die vollen Informationen bzgl. der Kanalbelegung durch Nachbarnetze verfügen. Zukünftig sollten auch teilweise überlappende Netze untersucht werden, deren Information über die Kanalbelegung unvollständig ist, was insbesondere die Erkennung des benutzten Funkstandards beeinflusst. Es wurde angenommen, dass benachbarte Netze aufgrund ihres Kanalbelegungsmusters erkannt werden. Zunehmend verfügbare softwaredefinierte Funkschnittstellen erlauben mehr Flexibilität auf der PHY-Schicht, so dass Signale interferierender Netze anhand der Signalform identifiziert werden können (anhand des Modulations- und Codierverfahrens). Dadurch steht mehr Information für das Koexistenzprotokoll zur Verfügung. Die neu entwickelten Verfahren zur Förderung der Koexistenz von in ISM Bändern betriebenen Netzen eignen sich auch für die Anwendung in lizensierten Frequenzbändern, z.B. zur Förderung der Koexistenz von Femtozellen mit Macrozellen in 3GPP LTE Systemen.
Publications
- openWNS: Open Source Wireless Network Simulator, Aachen, Wissenschaftsverlag Mainz, 2008, no. 1000, pp. 121-140
M. Mühleisen, D. Bültmann, R. Jennen, S. Max, J. Mirkovic, R. Pabst, and M. Schinnenburg
- “Analysis of a TDMA Coexistence Approach for IEEE 802.16 Systems,” in Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Verlässlichkeitsbewertung von Kommunikationsnetzen und verteilten Systemen, MMBNet 2009, Hamburg, Germany, 2009, pp. 65-69
M. Mühleisen, R. Jennen, M. Siddique, and C. Görg
- “Capacity Analysis and Improvement for Coexisting IEEE 802.16 Systems in Unlicensed Spectrum,” in Proceedings of20th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC 09), Tokyo, Japan, 2009, pp. 2218-2223
M. Mühleisen, B. Wolz, M. Siddique, and C. Görg
- “IEEE 802.16 Coexistence through Regular Channel Occupation,” in Proceedings of the European Wireless, European Wireless, 2009, pp. 211-215
M. Mühleisen, R. Jennen, M. Siddique, and C. Görg
- “Generic Spectrum Sharing Method Applied to IEEE 802.11e WLANs,” in Proc. 6th Advanced International Conference on Telecommunications (AICT 2010), Barcelona, Spain, May 9-15, 2010, pp. 57-63
M. Siddique, B.-L. Wenning, M. Mühleisen, A. Timm-Giel, and C. Görg
- “Spectrum Sharing between IEEE 802.16 and IEEE 802.11 based Wireless Networks,” in Proc. 11th IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (IEEE WoWMoM 2010), Montreal, QC Canada, June 14-17, 2010, pp. 1-6
M. Siddique, M. Mühleisen, B.-L. Wenning, and C. Görg
