Kooperative Übertragung zur Erhöhung der Zuverlässigkeit in mobilen Relay-Netzen
Final Report Abstract
Das Projekt wurde gemeinsam im Arbeitsbereich Nachrichtentechnik (ANT) der Universität Bremen und im Institut fur Nachrichtentechnik (INT) der Universität Rostock durchgeführt. Ziel des Projektes war die Verbesserung der Versorgung in Zellrandbereichen von zellularen mobilen Kommunikationsnetzen durch den Einsatz von Relay-Knoten. Bei den durchgeführten Untersuchungen stand insbesondere der Vergleich orthogonaler und nicht-orthogonaler Zugriffsverfahren in Relay-Systemen im Fokus. Als orthogonale Zugriffsverfahren kamen Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) bzw. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) und als nichtorthogonale Zugriffsverfahren Interleave Division Multiplexing (IDM) bzw. Interleave Division Multiple Access (IDMA) zum Einsatz. Orthogonale Zugriffsverfahren erlauben in der Regel einfache Empfangerstrukturen, erfordern jedoch einen hohen Aufwand zur Synchronisation aller Kommunikationsknoten. Nicht-orthogonale Zugriffsverfahren vermeiden hingegen eine aufwendige Synchronisation auf Kosten erhöhter Interferenz und somit komplizierterer Empfängerstrukturen. In den Untersuchungen wurden die Stärken und Schwächen der beiden Zugriffsverfahren in Abhängigkeit von den Randbedingungen analysiert. Beide Verfahren sind in der Lage, sowohl für Einnutzer-, als auch für Mehrnutzersysteme eine ähnliche Leistungsfähigkeit hinsichtlich Fehlerraten und Systemdurchsatz zu erreichen. Bei schwach frequenzselektiven Kanälen zeigt IDMA Vorteile gegenuber OFDMA. Die aus Aufwandsgrunden verwendete suboptimale Mehrnutzerdetektion versagt jedoch bei stark frequenzselektiven Kanälen und hohen spektralen Effizienzen, so dass hier OFDMA bessere Ergebnisse erzielt. Ein weiterer Punkt, insbesondere in Mehrnutzerszenarien, ist die optimale Ressourcenallokation. Es war die Frage zu klären, wie die zur Verfügung stehenden Ressourcen Zeit, Bandbreite und Sendeleistung auf die beteiligten Quellen und Relays zu verteilen sind. Für das betrachtete OFDMA-System ist für eine hohe Leistungsfähigkeit eine dedizierte Ressourcenallokation (Träger- und Leistungszuteilung) erforderlich, welche sendeseitige Kanalkenntnis und eine entsprechende Signalisierung zwischen den Knoten erfordert. Da das bei OFDMA zu lösende Optimierungsproblem der Ressourcenallokation eine sehr hohe Komplexität aufweist, wurden suboptimale aufwandsreduzierte Allokationsalgorithmen entwickelt. Bei perfekter Kanalkenntnis erreichen diese nahezu die Kapazitätsgrenzen. Die Gewinne gegenüber einer zufälligen, kanalunabhängigen Allokation sind dabei beträchtlich. Allerdings sinkt der erzielbare Durchsatz dramatisch, wenn bei partieller Kanalkenntnis für bestimmte Links nur statistische Kanalinformationen zur Verfügung stehen. Da bei IDMA-System sämtliche Informationen zeitgleich über die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite übertragen werden, ist kein Allokationsproblem zu lösen. Dafur erhöht sich der Detektionsaufwand zur Trennung der verschiedenen Datenströme erheblich, was besonders für stark frequenzselektive Systeme zu einem Versagen des Detektionsproesses führen kann. Dieser Nachteil lasst sich jedoch durch die Kombination des nicht-orthogonalen Mehrnutzerzugriffsverfahrens IDMA mit dem orthogonalen Kanalzugriffsverfahren OFDM vermeiden. Die Komplexität der Empfängerstruktur für das so konstruierte OFDM-IDMA-System ist unabhängig vom Grad der Frequenzselektivität. Da sämtliche Daten durch das IDMA-Interleaving auf alle Unterträger verteilt werden, ist für dieses System keine aufwendige Trägerallokation notwendig und die vorhandene Frequenzdiversität wird vollständig ausgenutzt. Zudem wurden zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems verschiedene Methoden zur Ausnutzung der Zuverlässigkeitsinformation der Relays entworfen und analysiert. So wurde für das IDMA-System eine neue Empfängerstruktur für die Senke entwickelt, bei der innerhalb des iterativen Detektionsprozesses diese Information berücksichtigt wird. Im Vergleich zu den aus der Literatur bekannten Verfahren konnte hiermit eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit erzielt werden. Im Rahmen des Projektes wurden unterschiedliche Ansätze zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der betrachteten Zugriffsverfahren entwickelt. Da die Leistungsfähigkeit in hohem Maße von den konkreten Randbedingungen abhängig ist, sind die Systemparameter bei der Auswahl des entsprechenden Übertragungskonzeptes zu berücksichtigen.
Publications
- “Analyzing the Performance of Error-Prone Relay Networks”, IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing (ICASSP 2011), Prag, Tschechien, Mai 2011
S. Vorköper, V. Kühn
- “An Improved Detection Scheme for Distributed IDM-STCs in Relay-Systems”, IEEE 76th Vehicular Technology Conference (VTC2012-Fall), Quebec, Kanada, September 2012
F. Lenkeit, D. Wübben, A. Dekorsy
- “Performance Comparison of Distributed IDM-STC versus Cooperative OFDM in practical Decode-and-Forward Relay-Networks”, 16th International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 2012), Dresden, Deutschland, März 2012
S. Vorköper, F. Lenkeit, V. Kühn, D. Wubben, A. Dekorsy
- “Resource Allocation for the AF Multiple Access Relay Channel with OFDMA”, IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2012), Paris, Frankreich, April 2012
S. Schedler, A. Angierski, V. Kühn
- “Resource Allocation in Adaptive Parallel Relay Networks”, Dissertation, Universität Rostock, Deutschland, November 2012
A. Khan
- “Signalverarbeitung für die Relay-gestützte Datenübertragung”, Dissertation, Universität Bremen, Deutschland, Januar 2013
P. Weitkemper
