Orthogonal frequency division multiplexing based medium access under rate constraints

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.