Hardwareimplementierte latenzarme drahtlose Medienzugriffsprotokolle für höchsten Datendurchsatz

Hardware implemented low latency wireless medium access control protocols for highest data throughput

  • Der Fortschritt der Technik ermöglicht immer leistungsfähigere drahtlose Dienste mit hohen Anforderungen an Latenz, Jitter und Übertragungsgeschwindigkeit. Aktuelle digitale Protokolle für drahtgebundene hochauflösende Multimediaübertragungen (HDMI, DisplayPort) oder Peripherieschnittstellen (USB, PCIe, SATA) in der Computertechnik erreichen Datenraten im Multi-Gigabit Bereich. Die Übertragung der Inhalte z.B. Filme, Musikstreaming oder Dateiübertragungen mit Hilfe breitbandiger drahtloser Übertragungsverfahren vereinfacht die kabellose „Installation“ und die daraus folgende Benutzerfreundlichkeit (Mobilität) im Heimbereich (Indoor). Weiterhin werden Systeme mit hohen Datenraten und kleinen Latenzen unter 5 ms im Mobilfunkbereich benötigt, um Basisstationen (3G, LTE) mit dem Kernnetzwerk zu verbinden. Diese Backhaul-Verbindungen können auch im innerstädtischen Bereich zum Aufbau von Small-Cell-Installationen genutzt werden, da nicht immer eine Kabelverlegung möglich ist. Eine Verkettung der Verbindungen vergrößertDer Fortschritt der Technik ermöglicht immer leistungsfähigere drahtlose Dienste mit hohen Anforderungen an Latenz, Jitter und Übertragungsgeschwindigkeit. Aktuelle digitale Protokolle für drahtgebundene hochauflösende Multimediaübertragungen (HDMI, DisplayPort) oder Peripherieschnittstellen (USB, PCIe, SATA) in der Computertechnik erreichen Datenraten im Multi-Gigabit Bereich. Die Übertragung der Inhalte z.B. Filme, Musikstreaming oder Dateiübertragungen mit Hilfe breitbandiger drahtloser Übertragungsverfahren vereinfacht die kabellose „Installation“ und die daraus folgende Benutzerfreundlichkeit (Mobilität) im Heimbereich (Indoor). Weiterhin werden Systeme mit hohen Datenraten und kleinen Latenzen unter 5 ms im Mobilfunkbereich benötigt, um Basisstationen (3G, LTE) mit dem Kernnetzwerk zu verbinden. Diese Backhaul-Verbindungen können auch im innerstädtischen Bereich zum Aufbau von Small-Cell-Installationen genutzt werden, da nicht immer eine Kabelverlegung möglich ist. Eine Verkettung der Verbindungen vergrößert den Abstand zum Zugangspunkt des Kernnetzes und stellt zusätzliche Anschlußpunkte für Basisstationen bereit. Allerdings vergrößert sich auch die Latenz für die weiter entfernten Stationen. In dieser Arbeit wird ein MAC-Protokoll für hochratige und latenzarme drahtlose Verbindungen vorgestellt. Dazu werden sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen auf ihre speziellen Anforderungen bei der Implementierung der MAC-Komponenten in einer programmierbaren Hardware (FPGA) analysiert. Eine Integration des MAC-Protokolls zusammen mit einem OFDM-Basisbandprozessor mit Brutto-Datenraten größer 5 GBit/s erlaubt die Überprüfung der Funktionalität sowie die Messung wichtiger Protokollparameter unter realen Einsatzbedingungen. Das vorgeschlagene Medienzugriffsprotokoll unterstützt den Einsatz von Beamsteering-Verfahren zur Suche von benachbarten Kommunikationsteilnehmern und den gleichzeitigen räumlich getrennten Kanalzugriff mehrerer Kommunikationsteilnehmer. Eine Anwendungsschnittstelle für nutzerspezifische Implementierungen mit exklusivem Zugriff auf das Übertragungsmedium erleichtert die Integration zusätzlicher Funktionalität wie z.B. eine hochauflösende Entfernungsmessung. Weiterhin wird ein Verfahren zur latenzarmen Detektierung und Umschaltung blockierter Pfade vorgestellt. Umfangreiche Simulationen bestätigen die Funktionalität des MAC-Protokolls in unterschiedlichen Szenarien mit und ohne Übertragungsfehler.show moreshow less
  • The progress in the technology leads to higher performance of wireless services with high requirements in latency, jitter, and data rates. Current digital protocols for wired high definition multimedia transmissions (HDMI, Display Port) or peripheral interfaces (USB, PCIe, SATA) reach data rates in the order of several gigabits per second. The transmission of the content, e.g., movie and music streaming, or file transfers with broadband wireless transmission techniques allows more easy setup procedures and results in better usability in indoor environments. The infrastructure for mobile services requires transmission systems with high data rates and low latencies of below 5 ms for connecting mobile base stations to the core network. These connections can also be used for building up small-cells in the inner cities, because in some cases there are no wired connections possible. The daisy-chaining of the connections increases the distance between the core network and provides additional access points for the mobile base stations.The progress in the technology leads to higher performance of wireless services with high requirements in latency, jitter, and data rates. Current digital protocols for wired high definition multimedia transmissions (HDMI, Display Port) or peripheral interfaces (USB, PCIe, SATA) reach data rates in the order of several gigabits per second. The transmission of the content, e.g., movie and music streaming, or file transfers with broadband wireless transmission techniques allows more easy setup procedures and results in better usability in indoor environments. The infrastructure for mobile services requires transmission systems with high data rates and low latencies of below 5 ms for connecting mobile base stations to the core network. These connections can also be used for building up small-cells in the inner cities, because in some cases there are no wired connections possible. The daisy-chaining of the connections increases the distance between the core network and provides additional access points for the mobile base stations. However, the latency is increasing for stations with higher distance between them. This work presents a MAC protocol for high data rate and low latency connections. Therefore, the requirements for the integration of the components of the MAC protocol in a programmable hardware (FPGA) are analyzed for point-to-point and point-to-multi-point connections. The integration of the MAC protocol together with an OFDM baseband processor with gross data rates of about 5 GBit/s allows the test of the functionality and the measurement of important parameters of the protocol under real operational conditions. The proposed MAC protocol supports the use of beamsteering methods for searching of stations in the neighborhood and allows simultaneous space division access of stations. Additionally, a method for low latency detection and switching of blocked connections is presented. An application interface for user-defined implementations can assign exclusive access to the transfer medium. This facilitates the integration of additional functionality, e.g., high definition measurements of distances (ranging). Exhaustive simulations confirm the functionality of the MAC protocol in different scenarios with and without transmission errors.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ehrig, Marcus
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34828
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Kraemer, Rolf
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2014
Date of final exam:2014/12/09
Release Date:2015/05/13
Tag:Drahtlose Breitbandkommunikation; Drahtlose Medienzugriffssteuerung (MAC); Hochdirektive Antennen
Highly Directional Antennas; Wireless Broadband Communication
GND Keyword:Breitbandantenne; Breitbandkommunikation; Funktechnik; Zugangsverfahren
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Systeme
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.