Verbundprojekt: Cognitive Ultra Wideband Transceiver

Verbundprojekt: Cognitive Ultra Wideband Transceiver
COUWBAT (Mai 2013 – April 2016)
– Teilvorhaben: Assoziation und Linkrekonfiguration –
Einführung
Systemmodell
Zukünftige mobile drahtlose Netzwerke müssen immer höhere Datenmengen
transportieren. In den nächsten 10 Jahren ist mit einem über tausendfachen
Anstieg zu rechnen [1]. Einen vielversprechenden Ansatz bietet das Verlagern
des Datentransports aus den zellularen Netzen in kleinere Zellen, z.B. WLANOffloading.
Die Verwendung von kleinen Zugangszellen erfordert spezielle BackhaulingLösungen. So gelten kabelgebundene Technologien besonders in temporären
Aufbauten gegenüber drahtlosen als unwirtschaftlich.
Drahtlosen Verfahren steht jedoch nur ein begrenztes, i.d.R. lizensiertes
Spektrum zur Verfügung, dessen Nutzung räumlich und zeitlich variiert.
Overlay Cognitive Radio ist eine vielversprechende Technologie, die dynamisch
ungenutzte Teile des Radiospektrums verwendet.
Innovative Ansätze wie das Non-contiguous OFDM (NC-OFDM) erlauben es auch
nicht zusammenhängende Frequenzbereiche effizient zu nutzen.
Im Projekt werden Technologien und Protokolle für den Einsatz von Overlay CR
für drahtloses Backhauling kleiner Zellen (micro cells) entwickelt. Der Fokus liegt
dabei auf Datenraten im Gigabit-Bereich.
Σ=392 MHz
Europa
Σ=282 MHz
470-790
CR-STA
1
54-60
76-88
USA
174-216
470-608
614-698
CR-STA
CR-BS
Control Channel
(CR-BS to CR-BS)
Co n
tro
CR- l+Data
BS
to C Chan
R-S nel
TA
cable/fibre
Linkrekonfiguration
PU: Primärer
Nutzer
SU: Sekundärer
Nutzer
Internet
MS traffic
t1
Um die Schwankungen in der Linkkapazität
infolge der dynamischen Spektrumsnutzung zu
minimieren, wird folgender Ansatz verfolgt:
Small cell cite
served by small cells
SU Spektrumzugriff
t2
Overlay
Spektrumzugriff
Primary User
(PU)
Geographical
database
Spektrumbänder
PU aktiv
Underlay
Spektrumzugriff
Projektziele
Spektrumbänder
SU Spektrumzugriff
· Entwurf, Modellierung, Implementierung und Evaluierung eines
Kontrollprotokolls für den Linkaufbau in einem Overlay CR-System.
· Evaluation der Signalisierung und des Signalisierungsoverheads,
u.a. verursacht durch die Linkrekonfigurationen.
· Demonstration der technischen Realisierbarkeit der COUWBAT
Architektur in einer Testumgebung.
MHz
Standardisierungen
IEEE 802.22 ist der erste weltweite Standard für Wireless Regional Area Networks
(WRAN) der räumlich ungenutzte TV-Bänder (TV white spaces), zur Breitbandversorgung in ländlichen Regionen nutzt.
IEEE 802.11af ist ein Standard der Wireless Local Area Networks (WLAN) auch im
ungenutzten TV-Spektrum zwischen 54 und 790 MHz einsetzt. Im Gegensatz zum
802.22-Standard wird die erlaubte Sendestärke der Sekundärnutzer stärker
beschränkt.
[1] Net!Works, “White Paper on Broadband Wireless Beyond 2020,” 2011
[2] A. Zubow, M. Döring and A. Wolisz, “Distributed Spectrum Allocation for Autonomous Cognitive
Radio Networks”, EW 2014, Barcelona
Signalisierung
Um Sender und Empfänger in einem
Overlay CR-System zu synchronisieren, sind
zwei Ansätze denkbar:
(a) Der Empfänger ermittelt selbständig die
genutzten Frequenzbänder,
(b) Ein Kontrollkanal wird zur Übermittlung
der genutzten Frequenzbänder verwendet.
Da keine generische Präambel für alle möglichen nutzbaren Frequenzkombinationen
existiert, wird Ansatz (b) verfolgt.
(a) blind synchronization
Src
~S
S
Datenkanal (Rdc)
Dst
decoder
Durch die randomisierte Zuordnung der
physikalischen zu logischen Subchannels
(Permutation) wird das von einem einzelnen
primären Nutzer verwendete Spektrum über das
Gesamtspektrum gestreut. Dies hat zur Folge, dass
die Schwankungen im verfügbaren Spektrum für
den einzelnen Sekundärnutzer geringer ausfallen.
logische
subchannels
PU aktiv
CR-STA
CR Client
Station
(CR-STA)
7 8 9 10 11 12 13
SCH
physikalische subchannels
CR-STA
5 6
Der Datenkanal kann nicht kontinuierliches Spektrum mit Hilfe von Noncontinuous (NC-OFDM) verwenden. NC-OFDM ermöglicht das einzelne An- und
Abschalten von OFDM-Trägern. Daraus ergeben sich zwei Herausforderungen:
1.) genutzte Träger müssen dem Empfänger bekannt sein und
2.) die Menge der verwendeten Träger variiert zeitlich und räumlich, was zu zusätzlichen Schwankungen in der Linkkapazität führt.
CR-STA
S
(e mal
.g l c
.,
W ells
iFi
)
CR Base
Station
(CR-BS)
2 3 4
OFDM subcarrier index
Only
Backhaul
unit
cable/fibre
PU
Frequenz
Spectrum access
controlled by CR-BS
within a cell
cable/fibre
Zeit
Coexistence
between cells
(CR-BS)
1
CR-STA
Für Overlay CR zur Verfügung gestellte Bereiche im
Radiospektrum (TV white
space spectrum).
790-862
CR-BS
CR-STA
PU
Amplitude
Primary User
Cognitive Radio
Cognitive Radio (CR) ermöglicht die gleichzeitige
Nutzung des Spektrums durch lizensierte (primäre)
und nicht-lizensierte (sekundäre) Nutzer.
Beim Overlay CR System müssen die sekundären
Nutzer beim Auftauchen eines primären Nutzers
sofort den jeweiligen Frequenzbereich freigeben.
Im Gegensatz dazu können in sog. Underlay Systemen
(Ultra-Wideband) die Primär- und Sekundärnutzer
dasselbe Frequenzspektrum verwenden, da der
Sekundärnutzer vom Primärnutzer lediglich als
Hintergrundrauschen wahrgenommen wird.
Der Datenkanal
SCH
2
1
2
1
2
PU2
1
1
Pseudo
Random
Subchannelization
2
1
PU1
2
2
1
1
Koexistenz von Sekundärnutzern
Um Interferenz zwischen Sekundärnutzern zu vermeiden, müssen
benachbarte Sekundärnutzer in Zeit
und/oder Frequenz orthogonalisiert
werden. Man unterscheidet zwischen Sekundärnutzern derselben
Technologie und jenen, die eine
andere Technologie verwenden.
Im Zuge des Projektes wurde eine
Lösung für ersteres entwickelt [2].
Zelle 2
Zelle 1
CR-STA7
PU1
PU3
PU2
CR-BS1
CR-STA1
CR-BS2
CR-STA3
CR-STA2
CR-STA6
CR-STA4
CR-STA5
TDMA
TDMA
FDMA
PU: Primärer Nutzer
(b) non-blind synchronization
Src
Kontrollkanal (Rcc)
S
Datenkanal (Rdc)
S
Dst
decoder
Ergebnisse: Es wurden das Systemmodel, sowie Protokolle
zur Assoziation und Linkrekonfiguration entwickelt und
analytisch sowie simulativ untersucht. Der nächste Schritt
ist die prototypische Umsetzung zusammen mit dem
Projektpartner AED.
Gefördert vom