Möglichkeiten zur Optimierung von WLAN für die multimediale Inhaus-Vernetzung

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1 Möglichkeiten zur Optimierung von WLN für die multimediale Inhaus-Vernetzung r.-ing. Klaus Jostschulte, r.-ing. Wolfgang Endemann, Prof. r.-ing. Rüdiger Kays, Lehrstuhl für Kommunikationstechnik der Universität ortmund Kurzfassung Für die drahtlose Heimvernetzung multimedialer Geräte ist eine möglichst fehlerfreie atenüertragung auch ü- er längere Zeiträume hinweg unumgänglich. ie Standards der WLN-Familie ieten eine gute asis für diese ufgaenstellung. llerdings tritt das Prolem auf, dass der ursprüngliche Standard für die omputer-vernetzung entworfen wurde und entsprechend für die V-Vernetzung nicht optimiert ist. ie sich dadurch ergeenden Unzulänglichkeiten lassen sich durch npassungen im ereich der atenüertragung in diesem nwendungsumfeld deutlich veressern. In diesem eitrag sollen unterschiedliche Möglichkeiten einer Optimierung der Üertragung dargestellt und ezüglich des Potentials ewertet werden. Einleitung Seit mehreren Jahren schon ist die drahtlose multimediale Vernetzung ein angestretes Ziel und Gegenstand mehrerer Forschungs- und Entwicklungsinitiativen. ls Reaktion auf die Nachfrage nach diesem Szenario git es eine steigende nzahl von Geräten auf dem Markt, die eine durchgängige und unkomplizierte Vernetzung von V-Endgeräten im Haus versprechen. ie Realität der Vernetzung sieht daei allerdings häufig anders aus. ie Proleme sind daei sehr vielgestaltig, haen aer gewöhnlich einen Ursprung: en drahtlosen Inhaus-Üertragungskanal. Für die durchgängige Vernetzung im Haus stellt die Standardfamilie IEEE 82. eine gute asis dar, jedoch leidet die atenüertragung ei WLN unter den typischen Eigenschaften des Inhaus-Funkkanals. iese sind neen der Mehrwegeausreitung und schattungen durch Wände, ecken und Gegenstände auch die Interferenzen, die sich durch die konkurrierende Nutzung des Frequenzereiches ergeen. Eine zuverlässige Medienüertragung muss zur ufrechterhaltung einer konstanten atenrate die genannten Proleme durch geeignete Verfahren lösen. as Prolem der Mehrfachnutzung des Üertragungskanals durch verschiedene Netzwerkknoten wurde am Lehrstuhl für Kommunikationstechnik ereits in früheren reiten durch Modifikationen und npassungen des Standard-Medienzugriffs deutlich verringert [,2]. ie physikalische atenüertragung und deren Optimierung unter Nutzung eines OFM-Multiplexes, wie ihn der WLN-Standard vorsieht, ist Gegenstand aktueller Untersuchungen am Lehrstuhl und stellt den Schwerpunkt dieses eitrags dar. Für eine nalyse der Optimierungsverfahren war zunächst eine genaue Untersuchung der Üertragungskanäle notwendig. Hierzu wurde eine Vielzahl von Kanalmessungen in typischen Heimszenarien durchgeführt. iese Messungen führen neen ussagen zur Frequenzselektivität der Kanäle mit zu erwartenden Einruchtiefen und Kanalleistungsverteilungen auch zu ussagen üer typische Formen der Kanalüertragungsfunktion. ie wichtigsten Ergenisse dieser Untersuchungen werden in Kap. 2 zusammengefasst. Mit Hilfe der gemessenen Eigenschaften der Kanalüertragungsfunktionen lassen sich ussagen zur Leistungsfähigkeit und zum Optimierungspotential von Verfahren der Link-daptation estimmen. Zusätzlich git es noch einige spekte der Signalverareitung im Empfänger, die eenfalls zu einer deutlichen Verringerung der it- und Paketfehlerrate führen können. ie verschiedenen Veresserungsstrategien werden in Kap. 3 vorgestellt. ie Ergenisse von Simulationen zu den verschiedenen Verfahren folgen schließlich in Kap Messungen des Funkkanals ie nalyse einer Optimierung von Üertragungsparametern setzt eine präzise Kenntnis der statistischen Eigenschaften des Üertragungskanals voraus. In der Literatur findet sich eine Vielzahl von Ergenissen aus Untersuchungen zum Inhaus-Kanal ei den typischen WLN-Frequenzen. iese Untersuchungen sind jedoch weitgehend in üro-umgeungen durchgeführt worden, so dass sich die darin enthaltenen Ergenisse nicht ohne Weiteres auf die Wohnumgeung üertragen lassen. Insesondere die Raumgrößen und die damit verunden möglichen Umweglängen sind im Wohnumfeld deutlich geringer. Es ist davon auszugehen, dass die typischen maximalen Umwegverzögerungen ei 5 ns liegen, was einen starken Einfluss auf die imensionierung der OFM-Parameter esitzt und gleichzeitig eine größere Kohärenzand-

2 reite impliziert. iese wiederum führt ei uftreten starker Einrüche im Frequenzereich zu einer großen Zahl etroffener Nacharträger, was zu verschärften nforderungen an den Interleaver führt. Zur Üerprüfung dieser ussagen wurden am Lehrstuhl für Kommunikationstechnik umfangreiche Messungen des Inhaus-Üertragungskanals in unterschiedlichen Wohnumgeungen durchgeführt, deren Ergenisse zum Teil ereits in früheren Veröffentlichungen dargestellt wurden [3,4]. Neen dem ISM-and ei wurde darüer hinaus der Frequenzereich ei 5,7 GHz einer nalyse unterzogen. ie Messungen erfolgten mit einer andreite von MHz, so dass neen den Eigenschaften eines WLN-Kanals auch das Kanalverhalten in Nacharkanälen erfasst werden konnte. Hieraus lassen sich Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit von Verfahren der dynamischen Kanalwahl ziehen. Zur nalyse der örtlichen iversität wurden die Messungen mit einer automatischen ntennen- Positioniervorrichtung durchgeführt, durch die in einem engen Raster von 5 cm x 5 cm automatisiert Messungen durchgeführt werden konnten. In ild ist der mplitudengang eines typischen Ü- ertragungskanals dargestellt. Wie aufgrund der maximalen Umweglängen vorhergesagt werden kann, liegt die Kohärenzandreite in der Größenordnung der WLN-andreite, so dass enacharte Einrüche ülicherweise deutlich weiter als 2 MHz auseinander liegen. Jedoch wird hierei auch klar, dass im Falle eines Einruchs eine größere nzahl enacharter Suträger ei einem Trägerastand von 32,5 khz etroffen ist H ( f ) (d) ,4 2,42 2,44 2,46 2,48 2,5 Frequenz (GHz) ild eispiel für die mplitudenüertragungsfunktion eines Kanals im Wohnumfeld ei Zur statistischen uswertung typischer Eigenschaften wurden insgesamt üer 2. Kanalüertragungsfunktionen in verschiedenen Wohnumgeungen gemessen. Ein eispiel der Messauswertungen ist die in ild 2 dargestellte Verteilungsfunktion der maximalen Einruchtiefe von WLN-Kanälen ei direkter Sichtverindung zweier Geräte (Line-of-Sight LOS) und nordnung der Geräte in getrennten Räumen (Non- Line-of-Sight NLOS). ie Einruchtiefe wird hierei definiert als die ifferenz zwischen maximalem und minimalem Wert der logarithmischen mplitudenüertragungsfunktion. Weitergehende nalysen der Messungen sind in [3,4] dokumentiert. P(Einruchtiefe x-wert),8,6,4,2 LOS NLOS Maximale Einruchtiefe (d) ild 2 Verteilungsfunktion der maximalen Einruchtiefen innerhal eines WLN-Kanals von 2 MHz ei 3 nsätze zur Optimierung der atenüertragung Für eine zuverlässige Medienüertragung im Netzwerk ist eine rouste atenüertragung auf dem Physical Layer zwingende Voraussetzung. Wie jedoch die Messungen der Kanalüertragungsfunktionen sowie der tatsächlichen urchsatzraten typischer WLN- Karten deutlich machen, ist genau dieses mit den Standards IEEE 82.a//g nicht in der geforderten Qualität erreichar. ie Proleme liegen insesondere in den Fading-Einrüchen der Kanalüertragungsfunktion und den frequenz- und ortsahängigen ämpfungswerten. iese Einflussfaktoren können aer durch ein optimiertes esign von Sende- und Empfangsteilen und Verfahren der Link-daptation deutlich agemildert werden. Link-daptation edeutet in diesem Fall die npassung von Üertragungsparametern an die spezifische Üertragungssituation. Für OFM-Üertragungsverfahren werden in der Literatur unterschiedliche Optimierungskonzepte diskutiert (in [5] ist eine Üersicht üer mögliche Verfahren der Link-daptation gegeen). Für den Einsatz in WLN esteht die ufgae, diese Konzepte hinsichtlich der Üertragungsedingungen im Haus als auch hinsichtlich einer Kompatiilität mit dem WLN- Standard zu diskutieren. arüer hinaus esitzen eini-

3 ge der Verfahren Rückwirkung auf die Organisation des Netzwerkes.,9 LOS NLOS 3. ynamische Kanalwahl In derzeitigen WLN-Produkten wird die zur Üertragung genutzte Frequenz vom enutzer gewählt und dauerhaft eiehalten. Jedoch macht ereits ild deutlich, dass durch die Wahl einer enacharten Ü- ertragungsfrequenz signifikant höhere Empfangsleistungen erreicht werden können, wenn z.. von einem Kanal mit starkem Einruch auf einen flachen Kanal gewechselt wird. ufgrund der Tatsache, dass gewöhnlich nur geringe ewegungsgeschwindigkeiten im nwendungsumfeld auftreten, muss eine solche npassung nicht während der Üertragung eines atenpaketes erfolgen. Eine statistische uswertung des Optimierungspotentials kann auch aus den Messungen im Wohnumfeld gewonnen werden. In ild 3 ist die Verteilungsfunktion für Veresserungen der Gesamtempfangsleistung dargestellt. Es wird deutlich, dass für den kritischeren NLOS-Fall in 7% der Fälle mit Gewinnen größer 5 d zu rechnen ist. P(Gewinn x-wert),8,6,4,2 LOS NLOS Gewinn (d) ild 3 Empfangsleistungsgewinn durch Wahl der Üertragungsfrequenz 3.2 ntennen-iversity V-Geräte im heimischen Umfeld ieten aufgrund der augröße in der Regel die Möglichkeit, zwei oder mehr ntennen mit hinreichendem stand einzusetzen. us dem Grund wurden die Messungen auch hinsichtlich des Gewinns analysiert, der sich ergit, wenn 2 ntennen im stand von 5 cm zur Verfügung stehen, mit denen ein iversity-empfang realisiert wird. ie Ergenisse sind in ild 4 dargestellt. ereits hierei ergit sich ein Veresserungspotenzial von üer 5 d in % der Fälle. 25 P(Gewinn x-wert),8,7.6, Gewinn (d) ild 4 Verteilungsfunktion des Gewinns durch ntennen-iversity mit 2 ntennen im stand von 5 cm 3.3 Kanalinversion Wenn der genaue Verlauf des etrags der Kanalüertragungsfunktion dem Sendeknoten ekannt ist, kann dieser durch eine inverse Gewichtung das Sendespektrum derart formen, dass der Empfänger eine konstante mittlere Leistungsdichte auf allen Suträgern empfängt. us informationstechnischer Sicht ist diese Vorgehensweise suoptimal, da aufgrund regulatorischer Randedingungen die Gesamtsendeleistung nicht vergrößert werden darf und folglich viel Leistung im ereich der Einrüche verraucht wird. ls Resultat davon ist die gesamte Empfangsleistung kleiner als im Falle einer unangepassten Üertragung. er potentielle Vorteil dieser Technik liegt aer darin, dass durch dieses Verfahren alle Suträger die gleiche Fehlerwahrscheinlichkeit aufweisen werden und folglich ungünstige Fehlerverteilungen, wie sie sich aus einer großen nzahl enacharter und stark ageschwächter Suträger ergeen würde, verhindert werden. Im Zusammenspiel mit Interleaving und Fehlerschutzcodierung ist deshal auch diese Variante als mögliches Verfahren zur Link-daptation untersucht worden. Neen der Gesamtleistung ergit sich durch die Regulierung noch eine weitere Einschränkung. ie maximale Leistungsdichte ei der Üertragung ist limitiert. iese darf natürlich durch eine modifizierte Üertragung nicht üerschritten werden. er aktuelle Standard sieht eine kontrollierte npassung der Leistungsdichteverteilung auf Sendeseite nicht vor. Jedoch ist ein Informationsaustausch üer den Verlauf der Kanalüertragungsfunktion z.. auf asis von Steuerpaketen denkar. Ein derart modifiziertes Üertragungsschema ietet aer immer noch eine Rückwärtskompatiilität zu existierenden Standards.

4 3.4 Suträgerunterdrückung em Prolem, dass der Üertragung viel Leistung im ereich starker Einrüche verloren geht, kann dadurch egegnet werden, dass stark gedämpfte Träger nicht für die atenüertragung genutzt werden. Hierdurch kann der eingesparte Sendeleistungsanteil für anderen Suträger genutzt werden. Ein solches Verfahren ist so lange standard-konform, wie die Information dieser Suträger durch die Fehlerkorrektur am Empfänger rekonstruiert wird. In den Simulationen ist dieses Verfahren in Komination mit der Kanalinversion evaluiert worden. 3.5 it-loading ei Kenntnis der Üertragungsfunktion kann darüer hinaus die Menge an Information, die üer einen Suträger üertragen wird, an die Qualität des Üertragungskanals für jeden einzelnen Suträger angepasst werden. uf Suträgern mit einem esseren SNR wird demnach ein höherwertiges Modulationsverfahren angewendet als auf stark gedämpften Suträgern. Zusätzlich kann dann noch eine Korrektur der Verteilung der Sendeleistung zugunsten der weniger stark gedämpften Träger vorgenommen werden. iese Vorgehensweise, die insesondere ei SL-Verfahren nwendung findet, ist nicht mit den aktuellen WLN- Standards vereinar, so dass nachfolgend ausschließlich Verfahren mit gleicher Modulation auf allen Suträgern etrachtet werden. 3.6 Nutzung von SI für die ecodierung Einem Soft-ecision Viteri-ecoder wird die mplitude des tastwertes mit einer gewissen Quantisierung üergeen. Sofern an dieser Stelle die Quantisierung erhöht wird, kann zusätzlich nach dem emapper eine Information üer die Üertragungsqualität des Suträgers aufgeprägt werden (hannel State Information SI). ieses erfordert allerdings einen höheren ufwand für Speicherung und ecodierung, so dass nach Kenntnis der utoren dieses in einigen Referenzimplementierungen aus Kostengründen nicht implementiert ist. Wie die Simulationsergenisse allerdings zeigen, esitzt die exakte Implementierung des Soft-ecodings ein großes Potential für typische Inhaus- Kanalsituationen. 3.7 Interleaving Eine nalyse des durch den Standard vorgeschrieenen Interleavers macht deutlich, dass its, die am Eingang des Viteri-ecoders enachart sind, auf Suträgern üertragen werden, die nur einen stand von 937,5 khz esitzen. a typische Frequenzeinrüche im Inhaus-Kanal gewöhnlich in einem deutlich größeren Frequenzereich für eine starke ämpfung sorgen, ergit sich eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass mehrere enacharte Eingangswerte des Viteri-ecoders eine große Unsicherheit aufweisen, was zu ecodierversagen führen kann. ieses führt zu einer deutlich verringerten Leistungsfähigkeit der atenüertragung. Im Rahmen dieser reiten ist ein modifizierter Interleaver entworfen worden, der zu einer deutlich esseren Spreizung der its üer den Frequenzereich und zu einer signifikant esseren Üertragung führt, wie auch im nächsten Kapitel anhand der Simulationsergenisse gezeigt wird. iese Modifikation hat den Nachteil, dass sie den derzeitigen Standard verletzen würde. 4 Simulationsergenisse In vielen Pulikationen findet eine ewertung von Üertragungsverfahren auf asis einer nalyse der itfehlerrate in hängigkeit des E N - Verhältnisses statt. ieses erweist sich ei der nalyse von Link-daptation-Verfahren als nicht zweckmäßig, da sich der Wert für E N ei unveränderter Kanalsituation durch die genannten Verfahren ändern kann und folglich eine Vergleicharkeit nicht mehr gegeen ist. Für die nachfolgenden etrachtungen wird ein durchschnittliches E N -Verhältnis mit folgender efinition verwendet: PT E N = c o R N mit P T eff Sendeleistung R Nutzdatenrate eff N c Spektrale Leistungsdichte von Rauschen und Interferenz Kanalfaktor, der die mittlere ämpfung eines Üertragungskanals eschreit Im Folgenden sollen die Simulationsergenisse für zwei typische Kanalüertragungsfunktionen dargestellt werden. Es handelt sich um gemessene Kanäle mit Einruchtiefen von 5 d und 5 d. Wie aus ild 2 erkennar ist, tritt eine Einruchtiefe von 5 d ei typischen NLOS-Inhaus-Üertragungen mit einer

5 H ( f ) (d) -5 - Position der äußeren Suträger 5 d Einruchtiefe 5 d Einruchtiefe ild 5 mplitudenfrequenzgang der für die Simulation verwendeten Kanäle Wahrscheinlichkeit von üer 4% auf. ie Wahrscheinlichkeit für Frequenzeinrüche von 5 d liegt immerhin auch noch ei etwa 5%. er etragsgang der verwendeten Kanalüertragungsfunktionen ist in Üertragungsmodus: 54 M/s Fadingtiefe des Kanals: 5 d ild 5 dargestellt. ei den Simulationen wurde eine perfekte Kenntnis der Üertragungsfunktionen angenommen. ie Ergenisse der Simulationen sind in ild 6 für eine Ü- ertragung mit 54 M/s (64-QM, R=3/4) und in ild 7 für den 24 M/s-Üertragungsmodus (6-QM, R=/2) dargestellt. ie in diesen Simulationen aufgeführte Referenz (Kennzeichnung ) verwendet die standardisierte WLN-Üertragung ohne Link-daptation, woei auf eine Eineziehung der SI zur Viteri-ecodierung verzichtet wird. Referenz 2 (Kennzeichnung ) zieht dagegen die SI zur ecodierung heran. ie Verfahren und einhalten eine Link- daptation mit Kanalinversion, woei ei zusätzlich die schlechtesten 6 Träger deaktiviert werden. Verfahren E verzichtet auf eine Link-daptation, esitzt aer den modifizierten Interleaver, der rouster gegenüer den typischen Einrüchen ist. ie ecodierung erfolgt hierei eenfalls unter Eineziehung der Üertragungsmodus: 24 M/s Fadingtiefe des Kanals: 5 d ER ER PER<% PER<% E /N (d) E /N (d) Üertragungsmodus: 54 M/s Fadingtiefe des Kanals: 5 d Üertragungsmodus: 24 M/s Fadingtiefe des Kanals: 5 d ER ER PER<% PER<% E /N (d) ild 6 Simulationsergenisse für die eispielkanäle mit Einruchtiefen von 5 d (oen) und 5 d (unten) (Üertragungsmodus: 54 M/s) : Referenz (ohne Nutzung von SI) : Referenz 2 (mit Nutzung von SI) : Kanalinversion : Kanalinversion mit Trägerunterdrückung E: Mod. Interleaver und Soft ecoding E /N (d) ild 7 Simulationsergenisse für die eispielkanäle mit Einruchtiefen von 5 d (oen) und 5 d (unten) (Üertragungsmodus: 24 M/s) : Referenz (ohne Nutzung von SI) : Referenz 2 (mit Nutzung von SI) : Kanalinversion : Kanalinversion mit Trägerunterdrückung E: Mod. Interleaver und Soft ecoding

6 SI. us den Simulationsergenissen ergit sich, dass die Nutzung von SI zur ecodierung ei den typischen Inhaus-Kanalprofilen zu empfehlen ist. Insesondere ei Kanalprofilen mit starken Einrüchen liefert diese Maßnahme einen Gewinn von üer 2 d. arüer hinaus fällt auf, dass insesondere ei niedrigen Fehlerraten eine Kanalinversion üerraschend gute Ergenisse hervorringt, owohl aus informationstheoretischer Sicht dieses Verfahren suoptimal ist. ie egründung dafür liegt in der Vermeidung von Fehlermustern, die als urst in den ecodierprozess einfließen. ie zusätzliche eaktivierung stark gedämpfter Träger ringt hingegen nur noch ei starken Einrüchen und ei nwendung kleiner oderaten einen zusätzlichen Gewinn. Im Falle weitgehend flacher Kanalprofile und großer oderaten führt die schaltung von Trägern zu größeren Fehlerraten. In allen Simulationen als üerlegen erweist sich allerdings die Änderung des Standard-Interleavers. Im Vergleich zu den Verfahren mit Standard-Interleaver ergeen sich ei vielen kritischen Kanalprofilen Gewinne von deutlich üer d. wichtige ufgae, die noch nicht aschließend gelöst ist, so dass sich daraus zukünftige reiten ergeen. ie unterschiedlichen Möglichkeiten der Link- daptation und Protokollanpassung im Heimumfeld mit einer großen nzahl von Knoten auf engstem Raum führen zu einem neuen Prolem mit der Netzwerkorganisation. lle Knoten in einer Umgeung, die in gegenseitiger Reichweite liegen, ilden ei gloaler Sichtweise ein Gesamtsystem, das als Ganzes möglichst einen hohen Gesamtdatendurchsatz aufweisen soll. Eine Solstorganisation der Knoten ist notwendig, um hierei ein Optimum zu erreichen. as Thema Selstorganisation ist allerdings für derartige Szenarien noch nahezu gar nicht untersucht und stellt deshal eenfalls eine wichtige ufgaenstellung aktueller und zukünftiger Untersuchungen dar. 6 anksagung ie utoren möchten sich ei der "eutschen Forschungsgemeinschaft" (FG) edanken, die einen Teil der vorgestellten Untersuchungen finanziell gefördert hat. 5 Zusammenfassung und uslick er ufau und effiziente etrie von drahtlosen V- Netzwerken im Heimereich ist eine komplexe ufgaenstellung, die eine Optimierung in vielen imensionen erfordert. ie notwendige Grundlage eines Medien-Netzwerkes ist eine staile physikalische atenüertragung, deren Optimierung auf asis der WLN-Standards in diesem eitrag untersucht wurde. Einen deutlichen Gewinn ringt die dynamische Wahl einer geeigneten Üertragungsfrequenz, durch die die mittlere Empfangsleistung, aer auch die Form der Kanalüertragungsfunktion deutlich veressert werden kann. In Verindung mit einer Implementierung, die SI ei der ecodierung erücksichtigt, ergit sich ereits eine gute Veresserung mit vergleichsweise geringem ufwand. Weitere Veresserungen sind möglich, erfordern dann allerdings eine Änderung der Standards. iese sind insesondere: Modifikation des Interleavers Reduktion des Guard-Intervalls von 8 ns auf 2 ns, wodurch die Kapazität um 8% (,7 d) veressert wird. Insesondere die erücksichtigung der SI führt zu guten Resultaten, setzt aer eine möglichst exakte Kenntnis der Kanaleigenschaften voraus. ie Gewinnung dieser Information ist dementsprechend eine sehr 7 Literatur [] Jostschulte, K.; Kays, R; Endemann, W.: WLN für hochwertige V-Netzwerke im privaten Umfeld. Tagungsand der ITG Fachtagung Multimedia,. ortmunder Fernsehseminar, ortmund, Germany, , pp [2] Kays, R; Jostschulte, K.; Endemann, W.: Wireless d-hoc Networks with High Node ensity for Home V Transmission. IEEE Trans. on onsumer Electronics, Vol. 5, No. 2, May 24, pp [3] Jostschulte, K.; Kays, R; Endemann, W.: Weiterentwicklung von WLN für die Video- Heimvernetzung. 2. Tagung der FKTG, Kolenz, Germany, [4] Jostschulte, K.; Kays, R; Endemann, W.: Enhancement of Wireless LN for Multimedia Home Networking. IEEE Trans. on onsumer Electronics, Vol. 5, No., Fe. 25, S.8-86 [5] Keller, Th.; Hanzo, L.: daptive Multicarrier Modulation: onvenient Framework for Time- Frquency Processing in Wireless ommunications. Proceedings of the IEEE, Vol. 88, No. 5, May 2, pp. 6-64

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