OFDM mit dynamisch-adaptiver Modulation zur Realisierung unterschiedlichen QoS bei der Übertragung von Protokoll- und Anwenderdaten über langsam veränderliche Kanäle
Final Report Abstract
Die Mehrträgerverfahren OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) und DMT (Discrete Multi-Tone), die drahtgebundene Anwendung von OFDM, sind prädestiniert, um Daten breitbandig über frequenzselektive Übertragungskanäle zu übertragen. Bei der drahtgebundenen Übertragung ist die Übertragungsfunktion der betrachteten Kanäle nahezu zeitinvariant, was eine sehr exakte Anpassung der Übertragungsparameter an die jeweiligen Übertragungsbedingungen (Dämpfung und Rauschverhältnisse) ermöglicht. Plötzlich auftretende Störungen können die Übertragungsqualität jedoch massiv beeinträchtigen. Herkömmliche Methoden, die übertragenen Daten gegen Störungen zu schützen, umfassen die Verwendung von Codierung, eines Sicherheitsabstandes und Adaptionsmethoden wie beispielsweise Bit-Swap Verfahren, die eine Anpassung der Übertragungsparameter an die Störung ermöglichen sollen. Es ist jedoch trotzdem möglich, dass diese Schutzmethoden bei einer sehr starken Störung nicht mehr greifen. Außerdem reduziert die Verwendung von Codierung die verfügbare effektive Nutzdatenrate, da zusätzlich zu den Nutzdaten Redundanz übertragen werden muss. Die Protokolldaten, die innerhalb des DMT-Symbols in die Nutzdaten eingebettet sind, steuern die Datenübertragung. Sie koordinieren ebenfalls die erforderlichen Adaptionsprozesse bei Auftreten einer Störung. Wenn diese Protokolldaten ebenfalls von der Störung betroffen sind, ist nicht mehr gewährleistet, dass die Adaption korrekt koordiniert werden kann, was schließlich zu einem Abbruch der Verbindung führt. Ein Neuaufbau der Verbindung mit angepassten Übertragungsparametern ist sehr kostspielig, da er längere Zeit in Anspruch nimmt. Im Projekt wurde daher ein Ansatz verfolgt, der einen solchen Verbindungsabbruch vermeidet und stattdessen bei Auftreten einer Störung versucht, zunächst die Protokolldaten zu sichern, d.h. verlässliche Kommunikation über die Protokolldaten zu wieder herzustellen. In einem zweiten Schritt wird der Kanal vermessen und angepasste Übertragungsparameter werden berechnet und schließlich über die gesicherten Protokolldaten ausgetauscht. Im Laufe des Projektes hat sich herausgestellt, dass es nicht zweckmäßig ist, die Protokolldaten mit Hilfe von Codierung zu schützen, da die Protokolldaten nur einen kleinen Teil der Gesamtinformation innerhalb des DMT-Symbols darstellen. Stattdessen wurden Methoden entwickelt, die die Übertragungsqualität der Protokolldaten bei einer Störung schrittweise verbessern können. Ein zentrales Element spielt hierbei eine Weiterentwicklung herkömmlicher ARQ (Automatic Repeat Request) Verfahren, das sogenannte inkrementelle ARQ, mit dessen Hilfe die Übertragung der Protokolldaten gesteuert wird. Während bei herkömmlichen ARQ-Verfahren ein fehlerhaftes Paket erneut übertragen wird, bis es korrekt empfangen wird, erfolgt in der vorliegenden Arbeit eine Verschmelzung der Modulation der Daten und der ARQ-Funktionalität. Fehlerhafte Pakete werden nicht einfach erneut übertragen, sondern sowohl die Sendeleistung als auch die Bitbeladung auf einzelnen Subträgern wird zielgerichtet verändert, um die Wahrscheinlichkeit korrekten Empfangs der Protokolldaten zu erhöhen. Da die Protokollinformation in den betrachteten Systemen nur 40 Bits umfasst, ist es möglich, sie relativ frei innerhalb des DMT-Symbols zu positionieren und zu verschieben und dadurch unterschiedliche Frequenzbereiche zur Übertragung der Protokolldaten zu nutzen. So ist es möglich, einer Störung quasi auszuweichen, wenn sie Protokolldaten in der ursprünglichen Position beeinträchtigt. Aufbauend auf diesem zentralen Punkt der dynamischen Adaption wurde das Gesamtsystem an mehreren Stellen optimiert, um einen reibungslosen Ablauf der Adaption zu gewährleisten. Es wurden Verfahren entwickelt, um die Rauschleistung auf allen Subträgern genau zu schätzen, ohne dass eine zusätzliche Übertragung von Redundanz oder die Verwendung von Pilotträgern erforderlich ist. Die Darstellungsart der angepassten Übertragungsparameter in der Bit Allocation Table und der Power Allocation Table wurde modifiziert, um eine möglichst schnelle Übertragung der Information sicherzustellen. Der Adaptionserfolg kann differenziert für jeden einzelnen Subträger erfolgen, indem Methoden der automatischen Modulationsklassifikation angewendet werden. Es zeigt sich, dass die Dauer der Adaption für unterschiedliche Varianten der Adaptionsalgorithmen aber auch für jede einzelne Störung unterschiedlich ausfällt. Da es nicht möglich ist, einen Standard-Kanal oder Standard-Störungen zu definieren und das Verhalten der Algorithmen für diese zu untersuchen, wurden stattdessen Methoden entwickelt, um die Leistungsfähigkeit und Laufzeit der einzelnen Algorithmen analysieren und bewerten zu können. Die vorgestellten analytischen Methoden ermöglichen hierbei eine umfassende Design Space Exploration während der Entwurfsphase des Übertragungssystems, da sie an vielen Stellen aufwändigere Simulationen ersetzen können. Für eine bestimmte Anwendung können typische Störungen und Übertragungskanäle eingegrenzt werden und für diese Bedingungen können die Systemparameter optimal angepasst werden. Als Ergebnis des Projektes steht daher nun eine Art Werkzeugkasten zur Verfügung, mit dessen Methoden Systeme entworfen werden können, die auch unter extrem schlechten Übertragungsbedingungen die geforderten Dienstgüten für Protokoll- und Nutzdaten wieder herstellen können und somit, abgesehen von kurzen Transitionsphasen nach Auftreten einer Störung, jederzeit optimierte Übertragungsbedingungen bereitstellen. Die entwickelten Methoden können zur Erhöhung der Störsicherheit von hochverfügbaren Punkt-zu-Punkt Verbindungen verwendet werden. Darüber hinaus können sie durch Zusammenschalten mehrerer Kommunikationseinheiten zum Aufbau redundanter intelligenter Netzwerke verwendet werden.
Publications
- DMT Transmission in the Context of Industrial Telecontrol Applications. Kleinheubacher Tagung, Miltenberg, Germany, September 26-30, 2005
Stefan Edinger, Carsten Bauer, Norbert J. Fliege
- Protected Protocol Securing Transition Phases in Dynamically Adaptive OFDM System. 10. International OFDM Workshop, Hamburg-Harburg, Germany, August 31-September 1, 2005
Stefan Edinger, Johannes Schwarz, Norbert J. Fliege
- Quality of Service and Dynamic-Adaptive Discrete Multi Tone Modulation. IEEE International Workshop on Spectral Methods and Multirate Signal Processing (SMMSP), Riga, Latvia, June 20-22, 2005
Stefan Edinger, Carsten Bauer, Markus Gaida, Johannes Schwarz
- Compact Discretized Representation of PAT Entries in Dynamic Adaptive DMT Systems. IEEE International Workshop on Spectral Methods and Multirate Signal Processing (SMMSP), Florence, Italy, 2-3 September, 2006
Stefan Edinger, Markus Gaida, Norbert J. Fliege
- Concepts of Dynamic Adaptive DMT Modulation. ISCCSP Second International Symposium on Communications, Control and Signal Processing (ISCCSP), Marrakech, Morocco, 13-15 March, 2006
Stefan Edinger, Carsten Bauer
- Improving the accuracy of noise estimation when using decision feedback. EUSIPCO 14th European Signal Processing Conference, Florence, Italy, 4-8 September, 2006
Stefan Edinger, Markus Gaida, Norbert J. Fliege
- Positioning of Protocol Data and Dynamic Adaptation in DMT Transmission. 11. International OFDM Workshop, Hamburg-Harburg, Germany, 30-31 August, 2006
Stefan Edinger, Markus Gaida, Norbert J. Fliege
- Time-Selective Error Protection Coding of Adaption Phases in Dynamic Adaptive DMT. ISCCSP Second International Symposium on Communications, Control and Signal Processing (ISCCSP), Marrakech, Morocco, 13-15 March, 2006
Stefan Edinger, Markus Gaida
- A Novel Method to Increase the Accuarcy of Decision Feedback Noise Estimation for QAM Modulation in DMT Transmission. 12. International OFDM Workshop, Hamburg-Harburg, Germany, 26-30 August, 2007
Stefan Edinger, Markus Gaida, Norbert J. Fliege
- Classification of QAM Signals for multicarrier systems. EUSIPCO 15th European Signal Processing Conference, Poznan, Poland, 03-07 September, 2007
Stefan Edinger, Markus Gaida, Norbert J. Fliege
- Signaling During Runtime Adaptation of Multicarrier Systems Using the All-Zero Symbol. 12. International OFDM Workshop, Hamburg-Harburg, Germany, 26-30 August, 2007
Stefan Edinger, Markus Gaida, Norbert J. Fliege
