Cognitive Wireless Local Area Networks (2009)

In den letzten Jahren hat IEEE-802.11-basierte WLAN-Technologie (Wireless Local Area Networks) immer weitere Verbreitung gefunden. Die gestiegenen enutzerzahlen und die Möglichkeit, Sprach-, Daten- und Videodienste auf der gleichen Kommunikationsplattform anzubieten, eröffnen neue Möglichkeiten für WLAN-Technologien am Markt. Die im Jahre 1990 begonnen Arbeiten am 802.11 WLAN-Standard sind davon ausgegangen, dass es in typischen WLAN-Installationen nur einen einzigen Access Point (AP) gibt. Wenn die Benutzerzahl nicht zu gross ist, lässt sich mit einem solchen Aufbau für die einzelnen Benutzer eine befriedigende Dienstqualit at erreichen. Durch die rapide gestiegenen Benutzerzahlen und den Wunsch nach kontinuierlicher WLAN-Abdeckung werden heutzutage WLANs mit mehreren APs realisiert, die einzelne Etagen oder sogar komplette Gebäude abdecken. Es ist mitunter notwendig, benachbarte APs auf dem gleichen Frequenzkanal zu betreiben, weil der Standard nur wenige nicht-ueberlappende Kanäle vorsieht. Dies führt zu gegenseitiger Interferenz zwischen WLAN-Knoten, erhöhter Konkurrenz beim Zugriff auf den Kanal und vergrösserten Backoff-Intervallen. Es ist nicht zu vermeiden, dass die Kapazität des WLANs und die für einzelne Benutzer erreichbaren Dienstqualitaeten unter der erhöhten Interferenz leiden. Für dichte WLAN-Installationen und bedingt durch die geringe verfügbare Anzahl an Frequenzkanälen ist Interferenz zu einem wesentlichen Problem geworden und dementsprechend gibt es grosses Interesse an Methoden, mit deren Hilfe die Interferenzsituation verbessert werden kann. Es kann davon ausgegangen werden, dass der wesentliche Grund für das Interferenzproblem in der statischen Konfiguration heutiger WLANs liegt. Eine verbesserte Leistung kann durch die Integration dynamischer und adaptiver Management-Verfahren in heute WLANs erreicht werden. Um ein effizientes WLAN-Management und bessere Dienstgüten zu erreichen, können APs und Terminals ihre Konfigurationsparameter dynamisch untereinander aushandeln. Wir bezeichnen solche WLANs als "kognitive WLANs". Ein kognitives WLAN ist ein selbstkonfigurierendes WLAN welches Veränderungen in der Radio-Umgebung und der Benutzerpopulation erkennt und sich daran anpassen kann. Ein kognitives WLAN lauscht auf dem Kanal, lernt den derzeitigen Zustand, tauscht informationen mit anderen kognitiven WLANs aus und passt seine Parameter und Konfigurationsdaten dynamisch an. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung kognitiver WLANs. Es wird ein Framework zur Verringerung der Interferenz in 802.11-basierten Infrastruktur-WLANs vorgeschlagen. Im Rahmen dieses Frameworks wird zunächst die Auswahlregel für die Zuordnung von Terminals zu APs verbessert. Das Ziel ist Interferenzen bereits in Phase des Auswahl des AP zu reduzieren. Bevor ein Terminal sich an ein Basic Service Set (BSS) assoziiert, wird es von APs über Interferenzen informiert. Mit dieser Strategie, wählt ein Terminal nicht nur ein BSS mit dem stärksten Signal aus, sondern ber ucksichtig Interferenz von Knoten der benachbarten BSSs. Während das Netzwerk aktive ist, beobachten alle Knoten die Dienstgüte in ihrem WLAN. Wenn die beobachtete Dienstgüte nicht mehr ausreichend ist, werden zunächst die Ursachen dafür mittels spezieller Diagnosealgorithmen ermittelt. Methoden zur Abschätzung der Interferenz wurden entwickelt, die die Ursache eine Verluste bestimmen und den Kanal passive beobachten. Wenn festgestellt wird, dass die Interferenz vor allem aus Hidden-Terminal-Problemen resultiert, werden die Parameter des Request to Send/Clear to Send (RTS/CTS)-Handshakes angepasst. Ein neues Kriterium zu Feinabstimmung des RTS/CTS Mechanismus für multi-rate multi-BSS Installationen wurde entwickelt. Dieses Kriterium basiert darauf der RTS/CTS Mechanismus bei aktiven verdeckten Knoten einzuschalten. Wenn das RTS/CTS nicht ausreicht, wird für das betrachtete BSS ein neues Mediumzugriffsverfahren vereinbart, insbesondere wird von Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA) zu einem Zugriffsverfahren auf der Basis fest zugewiesener Zeitslots gewechselt wenn dies eine Verbesserung verspricht. Ein hybrider Medienzugriffs Mechanismus und ein Scheduling Algorithmus für den Betrieb in einem System mit zeitgesteuerten Zugriff wurde etwickelt.