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Cooperative Communication in Wireless OFDMA Multi-Hop Networks

Hohmann, Fabian (2020):
Cooperative Communication in Wireless OFDMA Multi-Hop Networks.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00011541,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Cooperative Communication in Wireless OFDMA Multi-Hop Networks
Language: English
Abstract:

Drahtlose Kommunikation findet aktuell hauptsächlich auf zentral gesteuerte Weise statt, wobei zwischen Sender und Empfänger eine direkte Verbindung besteht. Um eine weitreichende Kommunikation zu ermöglichen, wird üblicherweise ein drahtgebundener Zugriffspunkt verwendet, welcher die Kommunikation steuert und eine Anbindung an weitverzweigte Netze ermöglicht. Diese Art der Kommunikation bietet viele Vorteile, hat jedoch auch Grenzen, vor allem in Bezug auf die Abdeckung in bestimmten Szenarien und an Orten, welche nur schwierig durch eine drahtgebundene Infrastruktur erreichbar sind. Drahtlose Multi-Hop Netze bieten eine kostengünstige Möglichkeit, um eine flächendeckende Kommunikation zu ermöglichen, ohne dabei auf eine zentral gesteuerte, drahtgebundene Infrastruktur angewiesen zu sein. In Multi-Hop Netzen dient jeder Knoten im Netz als mögliches Relais für Nachrichten, welche nicht über eine direkte Verbindung übertragen werden können. Jedoch ermöglichen klassische Routingverfahren für Multi-Hop Netze, bei denen die Datenübertragung einer zuvor festgelegten festen Abfolge von Knoten folgt, nur einen sehr geringen Datendurchsatz und sind für datenintensive Anwendungen ungeeignet. Außerdem bieten die Routingpfade häufig keine verlässliche Grundlage für eine stabile Verbindung über längere Zeit. In dieser Arbeit wird Korridor-basiertes Routing untersucht, bei welchem Routingpfade erweitert werden und jeder Abschnitt des Routingpfads aus mehreren kooperierenden Knoten besteht. Anstatt einer festgelegten Abfolge von Knoten zu folgen, bietet ein Korridor in jedem Abschnitt mehrere Relais, auf welche die zu übertragenden Daten aufgeteilt werden können. Durch die verschiedenen Positionen der Knoten ergeben sich unterschiedliche Kanalzustände auf den verfügbaren Verbindungen. Somit ergibt sich eine Grundlage für Diversitätsgewinne für den Datendurchsatz. In Kombination mit der Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) Übertragungstechnik, welche aktuell die Grundlage für eine Vielzahl von Kommunikationsstandards ist, ermöglicht ein Korridor eine effiziente Verwendung der verfügbaren Frequenzbandbreite. Mit OFDMA wird die verfügbare Bandbreite in schmale, zueinander orthogonale Subträger aufgeteilt, welche entsprechend der aktuellen Kanalbedingungen den unterschiedlichen Verbindungen innerhalb eines Abschnitts des Korridor zugewiesen werden können. Die benötigten Kanalzustandsinformationen werden hierfür nur lokal in einem Abschnitt des Korridors bereitgestellt, um eine vom restlichen Pfad unabhängige, effiziente Ressourcenverteilung zwischen den Sendeknoten eines Abschnitts zu ermöglichen. Für jeden Subträger kann somit eine Verbindung mit möglichst großer Kanalkapazität gefunden werden und dadurch ein entsprechend hoher Datendurchsatz ermöglicht werden.

Als Grundlage für das Korridor-basierte Routing muss zunächst eine Auswahl an Knoten für jeden Abschnitt gefunden werden. Hierzu wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches aus lokal ausgetauschten Kontrollnachrichten eine Lebenszeit für relevante Verbindungen ermittelt und diese bei der Auswahl geeigneter Knoten berücksichtigt. Hierdurch wird eine möglichst stabile Struktur aufgebaut, auf welcher die spätere Datenübertragung basiert. Darüber hinaus wird ein Wartungsprotokoll vorgestellt, welches eine proaktive Erneuerung des Korridors vollzieht, um möglichen Verbindungsabbrüchen zuvorzukommen. Es wird gezeigt, dass der Korridor als unterstützende Struktur für die Datenübertragung in Multi-Hop Netzen im Vergleich zu klassischen Routingverfahren eine deutliche Verbesserung bezüglich der potentiellen Übertragungskapazität, sowie der Verbindungsstabilität bietet.

Eine wesentliche Herausforderung beim Korridor-basierten Routing besteht in der Ressourcenallokation in den einzelnen Abschnitten. Um eine störungsfreie Kommunikation zu erreichen, müssen die verfügbaren Subträger exklusiv an die Sendeknoten eines Abschnitts zugewiesen werden. Um einen möglichst hohen Datendurchsatz zu erzielen, müssen dabei sowohl die Kanalzustände als auch die zu sendende Datenmenge der einzelnen Knoten berücksichtigt werden. Da sich die Zustände der Übertragungskanäle über der Zeit ändern, muss die Alloktion der Ressourcen dynamisch angepasst werden. Basierend auf einem Markov-Entscheidungsprozess-Modell und mit Hilfe von dynamischer Programmierung wird ein Zuweisungsverfahren entwickelt, welches die mittlere Anzahl an benötigten Zeitschlitzen für eine Weiterleitung der vorhandenen Daten minimiert. Um auch mit einer großen Anzahl von Zuständen im zugrundeliegenden Modell umgehen zu können, wird ein Approximationsverfahren vorgeschlagen. Dennoch erfordert das Zuweisungsverfahren große Rechen- und Speicherkapazitäten und ist beschränkt auf Modelle mit einer geringen Anzahl an Variablen und Zuständen. Deshalb wird des Weiteren ein suboptimales Ressourcenallokationsverfahren vorgeschlagen, welches auf einer Kanalqualität-vergleichenden Metrik als Entscheidungsgrundlage basiert. Es wird gezeigt, dass mit der suboptimalen Heuristik eine nur geringfügig schlechtere Performanz in Bezug auf den Datendurchsatz erreicht wird.

Schließlich wird der Betrieb von Korridor-basiertem Routing mit Fountain Codes untersucht. Fountain Codes ermöglichen im Gegensatz zu klassischen Kanalcodierungsverfahren eine automatische Anpassung der Datenübertragungsrate an den entsprechenden Übertragungskanal. Mit Fountain Codes kann eine theoretisch unbegrenzte Anzahl von kodierten Symbolen aus einer gegebenen Anzahl von Informationsbits generiert werden. Empfänger können aus einer beliebigen Teilmenge dieser kodierten Symbole die ursprünglichen Daten gewinnen, sobald die akkumulierte Transinformation aus den empfangenen Übertragungen ausreicht. Hierdurch ergeben sich Möglichkeiten, auch schwache Verbindungen über die Grenzen einzelner Etappen des Korridors hinaus für eine verbesserte Datenübertragung nutzbar zu machen. Weit entfernte Knoten können Übertragungen mithören und somit die benötigte Übertragungszeit in späteren Abschnitten verkürzen. Hierfür werden geeignete Verfahren zur Auswahl und Zuweisung von kodierten Datenpaketen und zur Ressourcenallokation entwickelt, die einen deutlich erhöhten Datendurchsatz durch das Ausnutzen der etappenübergreifenden Verbindungen erzielen. Außerdem wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches die Kooperation der Sendeknoten erweitert, um eine verteilte Mehrantennen-Übertragung von Daten zu ermöglichen. Hierfür wird die Beschränkung der exklusiven Nutzung von Subträgern aufgehoben. Durch eine geeignete Signalverarbeitung, angepasst an die jeweiligen Übertragungskanäle, kann so eine Strahlformung der ausgesendeten Signale erreicht werden, wodurch ein verbesserter Signalpegel am entsprechenden Empfänger erzielt werden kann. Diese Übertragungstechnik erfordert allerdings die Verfügbarkeit der gleichen Datenpaketen an mehreren Sendern, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches diese Verfügbarkeit auf eine effiziente und gewinnbringende Weise ermöglicht und so Gewinne im Datendurchsatz im Vergleich zu einer exklusiven Nutzung der Subträger ermöglicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Today, wireless communication mainly takes place in a centrally controlled manner, whereby the sender and the receiver are connected over a single wireless connection. In order to enable connections over wide areas, usually, an access point is used that is connected to a wired backbone and enables a connection to a large network. This type of communication has many advantages, but also struggles with certain limitations, especially in terms of coverage in particular scenarios or at certain places that are difficult to cover with wired infrastructure. Wireless multi-hop networks offer a low-cost opportunity to enable wide-area communication, without the need for a centrally controlled wired infrastructure. In wireless multi-hop networks, each network node serves as a potential relay for messages that cannot be transmitted via a direct connection. However, traditional routing methods for multi-hop networks, which rely on a data transmission along a fixed predefined sequence of nodes, are limited in the achievable data throughput and are not suitable for data-intense applications. Furthermore, the routing paths often do not provide a reliable basis for a stable connection over a long period of time. In this thesis, Corridor-based Routing is investigated in which routing paths are widened such that each stage of the path spans multiple cooperating forwarding nodes. Instead of following a fixed routing path, a corridor offers multiple forwarding nodes per hop among which the data can be divided. Due to the varying positions of the nodes, different channel states occur on the available links. Thereby, a foundation is given for diversity gains for data throughput. In combination with Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), which is the basis for most of the current and future communication standards, the corridor enables efficient usage of the available frequency resources. In OFDMA, the available bandwidth is divided into narrow orthogonal subcarriers which can be assigned to different links according to the current channel states. The required channel state information is provided only locally within a stage of the corridor in order to enable an efficient allocation of the resources which takes place independently from the remaining stages. Therewith, a link with a preferably high channel capacity can be found for each subcarrier and therefore, a corresponding high data throughput can be achieved. The operation of Corridor-based Routing requires the selection of adequate nodes for each stage of the corridor. For this purpose, a method is proposed to determines the expected lifetime of relevant links based on locally exchanged control messages. This information is then taken into account for the selection of suitable nodes. Thereby, a stable corridor is generated that serves as a support structure for the later data transmission. In addition, a proactive maintenance protocol is proposed that checks and renews the corridor structure in order to prevent link breakages before they take place. It is shown that the corridor used as a support structure for data transmission enables significant improvements in terms of the potential transmission capacity, as well as the connection stability, compared to traditional routing methods. A major challenge in Corridor-based Routing is the resource allocation within the local stages of the corridor. To guarantee an interference-free communication, each available subcarrier needs to be allocated exclusively to a single forwarding node. To achieve the highest possible data throughput, the channel quality, as well as the data buffer levels of the nodes, need to be taken into account. Since channel states are changing over time, a dynamic adaptation of the resource allocation is required. Based on a Markov-Decision-Process model and using dynamic programming, a resource allocation policy is derived that minimizes the expected number of required time slots to forward the available data. To handle large state spaces in the underlying model, a state approximation technique is proposed. Nevertheless, the allocation procedure requires large amounts of computing and storage capacities and is limited to models with a small number of variables and states. Therefore, a suboptimal heuristic resource allocation scheme is presented, in which the decision making is based on a channel-state-comparative metric. It is shown that the suboptimal heuristic approach performs close to the optimal approach in terms of the achievable data throughput. Finally, the operation of Corridor-based Routing with fountain codes is investigated. In contrast to traditional channel coding, fountain codes allow for an automatic adaptation of the data transmission rate to the corresponding channel. With fountain codes, a transmitter can theoretically generate an infinite number of encoded symbols from a given set of information bits. Receivers can recover the original data from an arbitrary subset of these encoded symbols as far as the accumulated mutual information from the received signals is sufficient and exceeds the entropy of the original data. Fountain codes open up the possibility to efficiently exploit weak links that go beyond the boundaries of the corridor stages to improve the performance of the transmission process. Distant nodes overhear transmissions and thus, the required transmission time in subsequent stages can be reduced. To this end, suitable methods for the selection and scheduling of coded data packets and the allocation of the subcarriers are proposed which significantly increase the achievable data throughput through the exploitation of inter-stage links. In addition, a forwarding scheme is proposed that extends the cooperation among the nodes and enables data forwarding through distributed multi-antenna transmissions. To this end, the restriction of exclusive usage of subcarriers is canceled. By a suitable preprocessing of the transmit signals, which is adapted to the corresponding channel states, a beamforming effect can be achieved which results in an improved signal level at the corresponding receiver. However, this transmission scheme requires the availability of the same data packets at several transmitters, which goes along with an additional effort that needs to be spent. A procedure is proposed that enables distributed multi-antenna transmissions and includes them in Corridor-based Routing in a profitable way compared to the exclusive usage of subcarriers.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Telecommunications > Communications Engineering
Date Deposited: 02 Apr 2020 06:11
Last Modified: 02 Apr 2020 06:11
DOI: 10.25534/tuprints-00011541
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-115416
Referees: Klein, Prof. Dr. Anja and Hollick, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 9 December 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11541
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