Sendestrategien zur Steigerung der Datenrate in Mobilfunksystemen
- Dr.-Ing. Carolin Huppert
In den letzten Jahren ist die Kommunikation sowohl im geschäftlichen wie auch im privaten Bereich immer mobiler geworden. Neue Handy- und Rechnersysteme ermöglichen über verschiedenste drahtlose Systeme und entsprechende Applikationen immer in Kontakt zu bleiben und alle Daten stets zur Verfügung zu haben. Dieser Trend wird sich zukünftig weiter fortsetzen, sodass Mobilfunksysteme der nächsten Generationen immer höhere Datenraten für eine steigende Nutzerzahl zur Verfügung stellen müssen. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass das größte Datenaufkommen im sogennanten Downlink von der Basisstation zu den einzelnen Nutzern vorliegt. Da die benötigten Ressourcen, wie zum Beispiel Sendefrequenzen, beschränkt und teuer sind, gilt es Strategien zu entwickeln, die durch effiziente Nutzung den Anforderungen Rechnung tragen können.
Der Downlink eines Mobilfunksystems ist äquivalent zum informationstheoretischen Broadcastkanal. Somit liegt ein System vor, in dem ein Sender individuelle Nachrichten an mehrere Empfänger schickt. In aktuellen Systemen erfolgt die Verteilung der vorhandenen Ressourcen auf einzelne Verbindungen mit orthogonalen Zugriffsverfahren, z. B. Zeit- oder Frequenzmultiplexverfahren, bei denen der Kanal in mehrere Zeitschlitze bzw. Frequenzbänder unterteilt wird. Die einzelnen Nutzer können ihre Daten dabei innerhalb der zugeordneten Zeitfenster bzw. Frequenzbänder exklusiv übertragen. Aus Sicht der Informationstheorie ist bekannt, dass eine Steigerung des Durchsatzes durch Anwendung spezieller Broadcasttechniken anstelle der orthogonalen Zugriffsmethoden möglich ist. Bei solchen Techniken werden die individuellen Informationen mehrerer Nutzer in einer gemeinsamen Nachricht versendet, es erfolgt daher kein exklusiver Zugriff auf die Ressourcen. Allerdings sind die optimalen Methoden bisher nur für spezielle Kanäle bekannt. Weitere Nachteile dieser optimalen Allokationsstrategien sind die hohe erforderliche Rechenkomplexität sowie ein großer Signalisierungsaufwand, der benötigt wird, um die Nutzer über die erfolgte Zuweisung zu informieren. Darüber hinaus erfordert die Anwendung solcher Übertragungsstrategien aufwändigere Sender- bzw Empfängerstrukturen, verglichen mit den orthogonalen Verfahren.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Übertragungsstrategien entwickelt, die diese Nachteile möglichst umgehen und dabei lediglich geringe Performanzeinbußen, verglichen mit den optimalen Methoden erfahren. Es wurden hierbei zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wurden Allokationsstrategien entwickelt, die eine geringe Komplexität und einen kleinen Signalisierungsaufwand erfordern. Anhand von Simulationsergebnissen konnte gezeigt werden, dass die Algorithmen eine deutliche Steigerung der Datenrate oder der Zahl der bedienten Nutzer erzielen. So konnten mit einem entwickelten Ansatz in einem OFDM-Systemmodell die Zahl der bedienten Nutzer um bis zu 50% gesteigert werden. Der zweite Teil der Arbeit untersucht mögliche Umsetzungen der theoretischen Broadcastidee. Ein Vorcodierschema, das sogennante Tomlinson-Harashima-Precoding, kann hier als einfache und damit für praktische Einsätze relevante Strategie Anwendung finden. Im Rahmen dieser Dissertation wurde erstmals die zur Übertragung benötigte Sendeleistung bei Anwendung des Tomlinson-Harashima-Precodings im Broadcastkanal berechnet und gezeigt, dass hier, abhängig von den Systemparametern, sowohl ein Leistungsverlust wie auch ein Leistungsgewinn, bezogen auf die geplante Leistung, möglich ist.
Die in der Arbeit untersuchten Broadcasttechniken bilden eine interessante Möglichkeit zur weiteren Steigerung der Datenrate in zukünftigen Systemen. Ein weiterer Nutzen der Broadcastübertragungsstrukturen findet sich im Bereich der kognitiven Systeme, die derzeit große Aufmerksamkeit im Bereich der drahtlosen Datenübertragung auf sich ziehen. In kognitiven Systemen findet eine sekundäre Kommunikation neben schon vorhandenen Übertragungen statt. Ziel ist es hierbei, Daten zu übertragen, ohne die bestehende Kommunikation zu beeinträchtigen.
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