Förderjahr 2018 / Stipendien Call #13 / ProjektID: 3130 / Projekt: Spectrum Sharing
Mithilfe eines genetischen Algorithmus wird die Kanalzuweisung heuristisch optimiert. Das Verfahren wird Teil eines Modells zur Schätzung von Netzkapazitäten und wird für die Simulation von Netzen verwendet.
Das Problem der Kanalzuweisung in Funknetzen ist komplex: Für jede Verbindung muss nicht nur eine Trägerfrequenz gewählt, sondern auch die Übertragungsleistung eingestellt werden. Dabei können sich Übertragungen stören, die die gleiche Trägerfrequenz verwenden. Ziel ist es außerdem, einen möglichst hohen Durchsatz (Datenrate) für möglichst viele Nutzer (Fairness) zu erzielen. Diese Konstellation führt zu nichtlinearen Optimierungsproblemen, welche analytisch nicht lösbar sind und deren Komplexität exponentiell mit der Anzahl der Nutzer wächst.
Daher kommen für eine Lösung nur heuristische Verfahren in Frage. Im hier entwickelten Ansatz wird ein genetischer Algorithmus verwendet, der von einer Vielzahl von plausiblen, aber nicht optimalen Startkonstellationen ausgeht und unter Anwendung genetischer Operationen (Kreuzung, Mutation, Selektion) die Zuteilung sukzessive verbessert.
Ziel ist die Berechnung des „Nutzens“ einer bestimmten Frequenzzuteilung, oder einfacher ausgedrückt: Wie viele Nutzer können mit den verfügbaren Trägerfrequenzen bei optimaler Zuteilung mit welcher Datenrate versorgt werden? Es geht dabei vordergründig um die „Maximalkapazität“ des Funkspektrums im betrachteten Szenario.
Selbstverständlich hängt diese Maximalkapazität von einer Vielzahl von Parametern ab, die im Rahmen einer Simulation nicht allesamt berücksichtigt werden können. Daher wird bei der Abbildung des Funknetzes mit stark vereinfachenden Annahmen (z.B. beim Dämpfungsmodell, Nutzerverteilung, etc.) gearbeitet. Dennoch wird das Optimierungsprogramm so aufgebaut, dass mit den Werten tatsächlicher Implementierungen als Eingangsparameter gearbeitet werden kann.
Es soll nicht auf eine bestimmte Funktechnologie abgestellt werden. Lediglich gilt die Einschränkung, dass sich zufällig positionierte Nutzer mit ortsfesten Zugangspunkten verbinden um an diese Daten zu senden (oder zu empfangen). Dies ist nicht nur in Mobilnetzen der Fall, sondern auch in privaten Funknetzen (z.B. Logistik, Personenbeförderung, etc.), aber auch in lokalen WLAN-Netzen.
Neben der Ermittlung eines "Funktechnischen Kapazitätsmaximums" bestimmter Frequenzzuweisungen soll dieses Werkzeug in der Folge auch verwendet werden, um die Auswirkung einer gemeinsamen Nutzung von Frequenzen durch mehrere (gleichartige oder unterschiedliche) Systeme zu untersuchen und eine Methode zur Quantifizierung der Auswirkungen zu entwickeln.
