Cooperative Receive-Diversity in Wireless Networks: A Stochastic Geometry Approach

Kooperative Diversität basiert auf der Zusammenarbeit verteilter Kommunikationsknoten zur Bildung eines virtuellen Antennenarrays. Die hierdurch erreichbare Performancesteigerung macht Kooperation zu einer Kernkomponente aktueller drahtloser Netze. Es zeigt sich ein Trend zu heterogenen/koexistierenden Netzen mit verdichteten und opportunistisch aufgestellten Kommunikationsknoten, die nur geringe Vorplanung ermöglichen. Hierdurch wird die im Netz auftretende Interferenz quasi-zufällig und somit zu dem leistungslimitierenden Faktor.

Im Projekt StoCCNets, gefördert in der zweiten Phase des DFG-Schwerpunktprogrammes COIN, konnten mithilfe der stochastischen Geometrie Antworten gewonnen werden, die von großer Bedeutung für das vorgeschlagene Anschlussprojekt sind: 

• Tx vs. Rx diversity: Aufgrund der Sensitivität der Algorithmen gegenüber Interferenz sollte bei Selection Decode-and-Forward ein kooperierender Knoten näher am Zielknoten liegen. Zudem hat sich gezeigt, dass Sende-Diversität nicht unbedingt effizient ist.
• Diversity Order: Der durch Kooperation mögliche Gewinn kann durch alleinige Verarbeitung der Information ohne Berücksichtigung der Interferenz nicht verbessert werden. Das Vorgehen bei „normalem Relaying“ muss damit für heterogene Netze als ungeeignet eingestuft werden.
• Diversity Loss: Korrelation der Interferenz führt zu einer Abhängigkeit der Kanalzustände an Relay und Empfänger, was in einer Verringerung der möglichen Diversität und des durch Kooperation erzielbaren Gewinns resultiert. Deswegen sollte kooperative Diversität sowohl die Information als auch die Interferenz berücksichtigen und die Korrelation der Interferenz als zusätzliche Kanalinformation begreifen.

Das Projekt CREDIT vertieft diese Analysen und untersucht weitere Aspekte interferenz-verarbeitender Diversitätstechniken. Existierende Ansätze werden auf ihre Eignung in heterogenen Netzen untersucht. Besonderes Augenmerk wird auf Methoden zur Interferenzunterdrückung gelegt, die im Hinblick auf adäquate Modellierung und Quantifizierung räumlicher Korrelation der Interferenz analysiert werden. Erneut dient die stochastische Geometrie als mächtiges Analysewerkzeug, da nur so eine realitätsnahe Bewertung der kooperativen Verfahren möglich ist.

Die in 3GPP Rel-12 vorgeschlagene D2D-Kommunikation kann sich als geeigneter Grundstein zur Kooperation in heterogenen Netzen erweisen. Deshalb werden wichtige Aspekte des D2D-Links untersucht, um dessen Eignung für zukunftssichere Architekturen zur kooperativen Kommunikation zu analysieren.

Weiterhin werden suboptimale Algorithmen geringer Komplexität zur Realisierung der erarbeiteten Methoden analysiert. Die Analyse bezieht auch weitere Methoden zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit, wie z. B. Mehrantennenempfänger, mit ein. Im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung werden zudem Fragen des Protokolldesigns in heterogenen kooperativen Netzen untersucht

Stochastic Geometry for the Analysis of Coordination and Cooperation in interference-limited ad hoc Networks

Interferenz-limitierte ad hoc Netze haben sich zu einem sehr aktiven Forschungsgebiet im Bereich der Nachrichtentechnik entwickelt. Die Interferenzsituation innerhalb der Netze wird wesentlich durch die räumliche Verteilung der Netzteilnehmer in Verbindung mit der verwendeten Medienzugriffsstrategie bestimmt. Dies liegt darin begründet, dass die Interferenzausbreitung in Raumrichtung im Gegensatz zu Zeit- und Frequenzrichtung technisch nicht kontrollierbar ist. Daher hat die räumliche Verteilung der Teilnehmer einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines interferenz-limitierten Netzes.

Diese Zusammenhänge begründen die neue Forschungsrichtung „Stochastische Geometrie für drahtlose ad hoc Netze“. Hierbei werden räumliche Prozesse zur Modellierung der zufälligen Positionen der Netzteilnehmer genutzt. Dadurch wird der aus der unbekannten Netztopologie resultierende Freiheitsgrad durch die Wahl eines geeigneten räumlichen Modells ersetzt.
Die meisten bisherigen Arbeiten dieses Forschungsbereichs basieren auf einem vereinfachten Netzmodell mit unkoordiniertem Medienzugriff und nicht-kooperativer Kommunikation.

      

Ein Ziel des Forschungsprojekts StoCCNets ist es, Koordination im Medienzugriff zur Vermeidung von starker Interferenz und kooperative Kommunikation zur Erhöhung von Reichweite und Durchsatz zu untersuchen. Das Projekt stützt sich dabei sowohl bei der Modellierung als auch bei der Analyse auf die stochastische Geometrie, was eine Optimierung und einen universellen Vergleich von Koordinations- und Kooperationsstrategien ermöglicht.

Entwurf und Evaluierung von Systemkonzepten zur gemeinsamen Realisierung von Radarsensorik und Funkkommunikation auf Basis von OFDM

Im Kontext intelligenter Verkehrssysteme und Methoden zur Erhöhung der Verkehrssicherheit sind zwei Technologien von besonderer Bedeutung: Fahrzeug-Fahrzeug Kommunikation, mit dessen Hilfe sich Fahrzeuge untereinander über Verkehrssituationen oder Fahrmanöver austauschen können, und Radarsysteme, die dem Fahrzeug Informationen über die Umgebung einschließlich des restlichen Verkehrs bereitstellen können.

Das Projekt RadCom untersucht die mögliche Fusion der beiden Systeme. Ziel ist es, eine gemeinsame Hardware und ein gemeinsames Signal für die Radarsensorik und die Kommunikation zu verwenden. Dies spart Hardware und Frequenzen, ermöglicht aber auch die Ausnutzung von Synergieeffekten. Die Resultate sollen, wo möglich, auf generelle mobile Ad Hoc-Netzwerke erweiterbar sein.

RadCom läuft im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "TakeOFDM" und wird in Kooperation mit dem Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) erforscht.

MIRA wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS) gefördert.
Ultrabreitbandige Funksysteme (Ultra-Wideband, UWB) nutzen prinzipiell den gesamten Frequenzbereich von einigen 100 MHz bis über 10 GHz. Damit werden sowohl die absolute als auch die relative Bandbreite extrem groß. Die große absolute Bandbreite erlaubt eine sehr hohe Orts- bzw. Zeitauflösung für Sensor- und Positionierungsanwendungen, ohne daß Mehrdeutigkeiten auftreten. In der Kommunikationstechnik können entweder extrem große Datenraten über kurze Entfernungen oder niedrige Datenraten energieeffizient über größere Entfernungen übertragen werden. Die sehr niedrige spektrale Leistungsdichte eines UWB-Signals und der große Korrelationsgewinn sind die Voraussetzung für die Koexistenz mit herkömmlichen, schmalbandigen Systemen. Der Koexistenzproblematik kommt dabei eine viel größere Bedeutung zu als bei herkömmlichen Funksystemen. Mit den im UWB-Spektrum enthaltenen niedrigen Frequenzen ist eine Eindringung in bzw. eine Durchdringung von Objekten möglich. Mit UWB-Sensoren können gegenüber schmalbandigen Verfahren viel mehr Information über die Materialeigenschaften und die Struktur des durchdrungenen bzw. reflektierenden Mediums gewonnen werden.

Angesichts der extremen Bandbreite stellt die UWB-Technik völlig neue Anforderungen. Das betrifft die nachrichten- und hochfrequenztechnischen Systemkonzepte, die Signalverarbeitung, die Parameterschätzung, die physikalische Interpretation der Messergebnisse sowie den schaltungs- und hochfrequenztechnischen Entwurf der Komponenten. Generell bedeutet die UWB-Technik einen Paradigmenwechsel von Schmalband- zu Breitbandverfahren.

Im Rahmen von MIRA wird eine pulsbasierte Architektur mit einem nicht-kohärenten Empfänger als ein geeigneter Kandidat zur Realisierung eines kostengünstigen und einfachen UWB-Systems untersucht. Indem der Grundaufbau zu einem Mehrkanalsystem erweitert wird, können bemerkenswerte Datenraten im Bereich von mehreren hundert Mbit/s bis nahezu einem Gbit/s erreicht werden. Eine solche physikalische Schicht ermöglicht kostengünstige energieeffiziente Sender (z.B. Sensoren) für sehr niedrige Datenraten, aber auch energieeffiziente Sender/Empfänger für extrem hohe Datenraten. Da Störungen das Hauptproblem bei nicht-kohärenten UWB-Geräten darstellen, liegt der Fokus dieses Projekts auf der Definition einer PHY-Schicht und einer Sender/Empfänger-Architektur unter Beachtung eines optimierten Verhaltens in Gegenwart von Störungen. Das vorrangige Ziel dieses Projekts ist die theoretische Analyse der physikalischen Schicht einer Multiband Impulse-Radio-Architektur.

Techniken, Algorithmen und Konzepte für COFDM Systeme zur Koexistenz mit autorisierten Systemen im selben Frequenzband

Download: Technischer Bericht 1,Technischer Bericht 2, Jahresbericht 1, Jahresbericht 2

Koexistenz eines Mietsystems im Frequenzband eines Stammsystems		Die stark eingeschränkte Verfügbarkeit der Ressource Frequenz für Zwecke der drahtlosen Informationsübertragung zwingt zu einer Effizienzsteigerung bei der Nutzung des elektromagnetischen Spektrums. Daher werden in letzter Zeit vermehrt Überlegungen angestellt, in geeigneten Frequenzbändern  eine Nutzung durch koexistierende Systeme zuzulassen. Eine Koexistenzstrategie ist z.B. die „Ultra Wide Band“ (UWB) Übertragung, die bereits von der amerikanischen „Federal Communications Commisson“ (FCC) zugelassen wurde. Eine weitere Koexistenzstrategie ist der Einsatz von GPRS („General Packet Radio Service“) in GSM („Global System for Mobile Communications“) Systemen. Einen allgemeinen Ansatz bietet das „Spectrum Pooling“, das die gemeinsame Nutzung eines Frequenzbandes durch die hierfür autorisierten Teilnehmer (Stammnutzer) eines Stammsystems durch sogenannte Mietnutzer eines Mietsystems gestattet.
Das Projekt TAKOKO (Techniken, Algorithmen und Konzepte für COFDM Systeme zur Koexistenz mit autorisierten Systemen im selben Frequenzband) baut auf den Untersuchungen zum "Spectrum Pooling" auf   und untersucht eine Koexistenzstrategie, die sich explizit die Flexibilität des COFDM Verfahrens bezüglich der Spektralbelegung zunutze macht. Zur Steigerung der Spektrumseffizienz wird der Einsatz von COFDM basierten Systemen als Mietsysteme im Frequenzband eines autorisierten Stammsystems untersucht.	ineffiziente Spektralbelegung

OFDM Träger, Überlagerung des Stammsystems durch ein Mietsystem
TAKOKO ist ein gemeinsames Projekt des Instituts für Kommunikation und Navigation (DLR) und des Instituts für Nachrichtentechnik (Universität Karlsruhe) und wird im Rahmen des Schwerpunktprogramms Techniken, Algorithmen und Konzepte für zukünftige COFDM Systeme (TakeOFDM) von der DFG gefördert.

OFDM-basierte Overlay-Systeme zur dynamischen und effizienten Nutzung des Spektrums

Die stark eingeschränkte Verfügbarkeit der Ressource Frequenz für Zwecke der drahtlosen Informationsübertragung zwingt zu einer Effizienzsteigerung bei der Nutzung des elektro-magnetischen Spektrums, die beispielsweise durch die Koexistenz mehrer Systeme im selben Frequenzband realisiert werden kann. Neben "Ultra Wide Band" (UWB) oder "General Packet Radio Service" (GPRS) für GSM ("Global System for Mobile Communications") bieten so genannte Overlay-Systeme einen Ansatz, die einem Füllsystem die Übertragung in Belegungslücken im Frequenzband des autorisierten Hauptsystems gestatten.

In diesem Forschungsvorhaben wird ein Overlay-System basierend auf OFDM untersucht, das seine Übertragung durch einfaches An- und Abschalten einzelner Unterträger flexibel an die wechselnde Spektrumsbelegung anpasst. Ziel des Forschungsvorhaben ist es, die physikalische und MAC-Schicht eines OFDM-basierten Overlay-Systems so auszulegen, dass eine dynamische Anpassung an eine variable Belegungssituation des Spektrums möglich ist, die zur Verfügung stehenden Ressourcen möglichst effizient genutzt werden und gleichzeitig sicher gestellt ist, dass die autorisierten Hauptsysteme nicht durch das Füllsystem beeinträchtigt werden.

Crosslayer-Framework für Overlay-Systeme: Austausch von Daten und Signalisierungsinformation zwischen PHY und MAC Schicht

OOS ist ein gemeinsames Projekt des Instituts für Kommunikation und Navigation (DLR) und des Instituts für Nachrichtentechnik (Universität Karlsruhe).

The End-to-End Reconfigurability (E2R) research, aims at bringing the full benefits of the valuable diversity within the Radio Eco-Space, composed of a wide range of systems such as cellular, wireless local area and broadcast. The key objective of the E2R project is to devise, develop and trial architectural design of reconfigurable devices and supporting system functions to offer an expanded set of operational choices to the users, applications and service providers, operators, regulators in the context of heterogeneous mobile radio systems. Innovative research, development and proof of concept should be sought over six years in an end-to-end aspect, stretching from user device all the way up to Internet protocol, and services, and in reconfigurability support, intrinsic functionalities such as management and control, download support, spectrum management, regulatory framework and business models.

Key deficiencies in today's wireless technologies hindering immediate realisation of the IST vision "Optimally Connected Anywhere, Anytime" are limited spectral resources, missing functional features, high power consumption and cost. Luckily, an alternate but somewhat disruptive wireless technology capable to leapfrog this unsatisfactory state of "Pervasive Computing and Communication" is about to emerge: ultra-wideband radio technology (UWB-RT).

PULSERS - an industry led initiative built on the enthusiastic response and selection of 30 key industrial and academic organisations - will explore, develop and exploit the large technological and application potential of UWB-RT and contribute towards consensus building processes on coexistence and standardisation issues. The project's strategic, scientific and technological objectives are defined to strengthen Europe's knowledge base and readiness to successfully exploit the benefits of UWB-RT.

Based on typical and novel application scenarios, PULSERS will develop advanced systems and usage concepts and deliver innovative enabling physical layer and medium access technologies. The project embraces two complementary application scenarios by judiciously trading achievable data rate versus range and using UWB-RT's unique capability to fuse communication and positioning:

• larger range systems with lower data rates combined with localisation and tracking (LDR-LT);
• systems offering high and very high data rates (HDR/VHDR) over shorter range. In the HDR space, data rates of well beyond the state-of-the-art is an ultimate target while localisation accuracies below 30 cm are aimed for in the LDR-LT space.

Through leveraging of investments and results from related projects in IST/FP5 and by assembling a critical mass of key European and international researchers and engineers, PULSERS is well poised to achieve a lasting scientific and technological impact towards the beneficial use of UWB-RT by all.

PULSERS was an R&D project embedding verification procedure on real platforms.