Details

Autor: Thomas Deckert
Titel: Orthogonal Frequency Division Multiplexing-based Medium Access under Rate Constraints
Typ: Dissertation
Fachgebiet: Informationstechnik
Reihe: Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 36
Auflage: 1
Sprache: Englisch
Erscheinungsdatum: September 2007
Lieferstatus: Lieferbar
Umfang: 148 Seiten
Bindung: Soft
Preis: 45,00 EUR
ISBN: 9783938860083
Umschlag: (vorn)
Inhaltsverzeichnis: (pdf)


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Abstrakt in Englisch

Modern communications systems like wireless local area networks provide high nominal data rates on the physical layer. However, it is often a challenge to exploit these data rates efficiently on higher system layers. In this context, it is important to consider the interaction between such key factors as the data traffic that the system transmits, the medium access scheme and the available physical resources (time, bandwidth, transmit power).

The major objective of this thesis is to analyze the impact that the choice of a medium access scheme has on the capacity. First the relevant parameters of the data traffic and the physical resources are characterized. Two important side constraints that restrict the network throughput are derived from that: The first limits the maximum rate that an individual user can exploit.

The second reflects that the traffic is not uniform but composed of different traffic classes. The constraint describes the average relative traffic volume of these classes. Both constraints are applied in an information-theoretic analysis of a wireless local area network. The uplink sum rate is analyzed in a one-cell scenario. The system is assumed to use an orthogonal frequency division multiplexing air interface with a large number of sub-carriers. This models future networks of that kind.

One main conclusion to be drawn from this work is that purely time-multiplexing based medium access methods, the state of the art today, are severely limited in the considered scenario. These schemes allocate the physical resources to the individual users with coarse granularity. Therefore, they only achieve low sum rates compared to the nominal physical layer data rate.
This thesis discusses two alternatives: Frequency multiplexing, and superimposing the transmissions of individual users in time and frequency. In both cases the granularity in the allocation process is reduced and the physical resources can be exploited much more efficiently. The achievable sum rate is drastically improved with these alternative schemes.

In this thesis, guidelines on when to frequency-multiplex and when to superimpose individual user transmissions are derived. The latter is appropriate whenever the receive diversity is large compared to the transmit diversity, i.e., if the number of antennas at the access point is large compared to the number of antennas of individual users. Furthermore, the average resource allocation that is needed to achieve the maximum sum rates is discussed for each scheme.

Finally, a specific receiver design for the superimposed transmission concept is discussed that is capable of separating the overlaid signals. The results obtained with this receiver design support significant aspects of the theoretical claims.

Abstrakt in Deutsch

Diese Arbeit geht der Frage nach, wie nominell hohe Datenraten, die von der physikalischen Übertragungsschicht eines Funknetzwerks angeboten werden, effizient den höheren Kommunikationsschichten zur Verfügung gestellt werden können. Von besonderem Interesse ist hierbei das grundlegende Design der Medienzugriffsschicht.

Wichtige Faktoren für diese Aufgabe sind die Eigenschaften des zu übermittelnden Datenverkehrs und der dafür vorgesehenen physikalischen Ressourcen (Zeit, Bandbreite, Sendeleistung). Zusammen führen diese auf zwei Randbedingungen für den Kanalzugriff: Die einzelnen Nutzer fordern nur beschränkte maximale Raten an, und zwischen verschiedenen Verkehrsklassen ist im Mittel ein bestimmtes Verhältnis der transportierten Datenmengen zu garantieren.

Diese Randbedingungen begrenzen den Durchsatz eines Netzwerk. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher, die genannten Ratenbeschränkungen in die Kapazitätsanalyse einzubeziehen. Dadurch wird die Betrachtung der Netzwerkkapazität aus der Sicht der physikalischen Übertragungsschicht um verkehrsbezogene Komponenten erweitert. Die Ratenbeschränkungen werden in einer informationstheoretischen Analyse auf die Summenrate in der Aufwärtsstrecke in einem Ein-Zell-Netzwerk angewendet.

Konkret wird ein Funknetzwerk für Datenübertragung im Nahbereich (WLAN = wireless local area network) betrachtet, welches orthogonalen Frequenzmultiplex (OFDM = orthogonal frequency division multiplex) einsetzt. Angelehnt an Vorstellungen für zukünftige derartige Systeme wird von einer großen Anzahl, einige hundert, an Unterträgern ausgegangen.

Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist, dass es für einen rein zeitgeteilten Medienzugriff in diesem Szenario zu starken Durchsatzbeschränkungen kommen muss. Diese Art des Medienzugriffs ist in heutigen Varianten implementiert. Sie leidet an der groben Granularität, mit der ein solches Verfahren die Ressourcen den einzelnen Nutzern zuteilt.

Erfolgt der Kanalzugriff der Nutzer im Frequenzmultiplex oder durch die zeitlich und spektral überlagerte Übertragung der entsprechenden Signale, wird die Granularität reduziert. In diesem Fall ist es möglich, die Ressourcen effizient auszunutzen. Dadurch liegt die mit diesen Verfahren zu erzielende Summenrate deutlich über der des zeitgeteilten Medienzugriffs.

In dieser Arbeit wird angegeben, wann ein frequenzgeteilter Medienzugriff sinnvoll ist und wann es günstiger ist, die einzelnen Nutzersignale zu überlagern. Letzteres ist immer dann geeignet, wenn mehr Empfangs- als Sendediversität vorherrscht, d.h. wenn der zentrale Empfänger mehr Antennen besitzt als die sendenden Nutzer. Weiterhin wird die Ressourcenzuteilung abgeleitet, die im Mittel nötig ist, um die angegebenen maximalen Summenraten zu erreichen.

Schließlich wird die Praktikabilität des Überlagerungsverfahrens demonstriert. Dazu wird für ein konkretes Basisbandmodells auf eine geeignete Empfängerstruktur eingegangen und ein Bezug zu den theoretisch gewonnenen Erkenntnissen hergestellt.