Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1348
Main Title: Capacity Enhancement of Mobile Radio Networks Using Intermediate Relays
Translated Title: Kapazitätsverbesserung in mobilen Funknetzwerken unter Verwendung von zwischenliegenden Relaisstationen
Author(s): Mengesha Aberra, Seble
Advisor(s): Wolisz, Adam
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In derzeitigen infrastrukturbasierten zellularen drahtlosen Netzwerken kommunizieren mobile Teilnehmer, so genannte Terminals, direkt mit ihrem Access-Point, und der eine globale Verbindungen durch die existierende Infrastruktur ermöglicht. Wenn immer mehr Terminals im drahtlosen Netzwerk aktiv werden, wird es vorkommen, dass Terminals gleichzeitig im selben Frequenzband ihre Daten übertragen wollen, was eine Erhöhung der Interferenzen im Gesamtnetz zur Folge hat. Außerdem benutzen die Terminals relativ hohe Sendeleistungen, was zu Interferenzen mit dem restlichen Funkverkehr führt. Zwangsläufig sind die spektrale Effizienz und die maximal erreichbare Kapazität des Netzwerkes durch die interferenzbedingten Störungen begrenzt. In dieser Arbeit wird das Weiterreichen von Daten aus dem Bereich der Ad-Hoc Netzwerke übernommen und auf Infrastrukturnetze angewendet. Somit werden die Teilnehmer eines drahtlosen Netzes selber als Weiterleiter von Daten eingesetzt und die Gesamtkapazität des Netzwerkes wird erhöht. Das Grundprinzip für die Erhöhung der Kapazität ist, dass mit Hilfe von Weiterleitern die Kommunikationsdistanz zwischen einem entfernten Teilnehmer und seinem Zugangspunkt verringert wird und deshalb höhere Datenraten zum Einsatz kommen können. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht zunächst die Abschätzung des potentiellen Nutzens des entworfenen drahtlosen Netzwerkes durch getrennte Untersuchung der begrenzenden Faktoren Sendeleistung und Interferenz. Auf Basis dieser ersten Resultate werden dann Methoden zur Erhöhung der Netzwerkkapazität entwickelt: Terminals entscheiden sich, ob sie einen Weiterleiter benötigen um ihre Daten zu übertragen. Dadurch wird ein Routing-Problem gelöst. Ein Weiterleiter wird mit optimaler Sendeleistung und -rate gewählt, nachdem die Entscheidung zur Weiterleitung gefallen ist. Somit wird das Problem der Anpassung der übertragungsenergie und -rate gelöst. Drei Wege zur gerechten Verteilung der Resourcen werden vorgeschlagen: das Modell gleicher Slotgrößen, das Modell der gleich bleibenden Datenverkehrsgröße, und nachfrage-orientiertes Schema. Das Problem der Slotzuordnung wird dann gelöst, um die Kapazität weiter zu verbessern. Außerdem werden Methoden vorgestellt, um innerhalb einer Zelle zwei oder mehr Frequenzen neben der primären Frequenz der Zelle zu nutzen. Diese zusätzlichen Frequenzen werden zur Vermittlung genutzt und man führt eine Wiederbenutzung der Frequenzen benachbarten Zellen durch. Daraus resultiert ein möglicher Zuwachs der Netzkapazität von bis zu 60 %. Zusätzlich zu diesem Gewinn erreicht man, dass bei steigender Anzahl von Terminals der Durchsatz pro Terminal nicht gegen Null geht, sondern sich pro Knoten ein konstanter Durchsatz erzielen lässt.
In infrastructure-based cellular wireless networks, mobile terminals communicate directly with their access point and the access point establishes global connectivity through the infrastructure network. When more terminals are squeezed into the network, there will be terminals transmitting simultaneously in the same frequency band causing interference in the network. In addition, remote terminals communicate with their access point using relatively high transmission power which cause interference to other transmitting terminals. Inevitably, the spectral efficiency and the maximum achievable capacity of the network is limited due to the ensuing interference. In this thesis, the relaying feature of terminals in ad hoc networks is adopted in the infrastructure-based cellular wireless network so that terminals can be used as intermediate relays to improve the capacity of the network. The rationale is that the intermediate terminals reduce the communication distance and allow higher data rates. The focus of this thesis is to first assess the potential benefit of the proposed network by separately studying the network performance limiting factors--the transmission power and interference-- as transmission power limited and interference limited system. Based on these initial results, methods of increasing the network capacity are then developed: Terminals decide if they need an intermediate relay terminal to send their traffic, i.e., a routing problem is solved. A relaying terminal is selected with an optimal transmission power and rate after the relaying decision, i.e, transmission power and rate adaptation problem is solved. Different ways of fairly sharing the network resources are also suggested: The uniform slot size scheme, when terminals obtain equal share of the total TDMA frame, the uniform traffic size scheme, when terminals are allowed to send a uniform amount of data in slots of varying length and demand oriented scheme when terminals partially share the TDMA frame according to their traffic size and partially obtain an equal time share. The scheduling problem is thence solved to further improve the capacity. Furthermore, methods of using two or more frequencies within a cell, in addition to the cell's primary frequency, are presented. These additional frequencies are used for relaying and are obtained by recycling'' from neighboring cells. As a result it is possible to achieve up to 60 % increase in network capacity. And as the number of terminals increase, it is possible to achieve a per node throughput that will not actually go to zero but become a constant.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12841
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1645
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1348
Exam Date: 2-May-2006
Issue Date: 12-May-2006
Date Available: 12-May-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Gerechtigkiet
Kapazität
Slotzuordnung
Vermittlung
Wiederbenutzung der Frequenz
Capacity
Fairness
Frequency reuse
Relaying
Scheduling
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Telekommunikationssysteme » Publications

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