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Scalable and rate adaptive wireless multimedia multicast
The methods that are described in this work enable highly efficient audio-visual streaming over wireless digital communication systems to an arbitrary number of receivers. In the focus of this thesis is thus point-to-multipoint transmission at constrained end-to-end delay. A fundamental difference as compared to point-to-point connections between exactly two communicating sending and receiving stations is in conveying information about successful or unsuccessful packet reception at the receiver side. The information to be transmitted is available at the sender, whereas the information about successful reception is only available to the receiver. Therefore, feedback about reception from the receiver to the sender is necessary. This information may be used for simple packet repetition in case of error, or adaptation of the bit rate of transmission to the momentary bit rate capacity of the channel, or both. This work focuses on the single transmission (including retransmissions) of data from one source to multiple destinations at the same time. A comparison with multi-receiver sequentially redundant transmission systems (simulcast MIMO) is made.
With respect to feedback, this work considers time division multiple access systems, in which a single channel is used for data transmission and feedback. Therefore, the amount of time that can be spent for transmitting feedback is limited. An increase in time used for feedback transmissions from potentially many receivers results in a decrease in residual time which is usable for data transmission. This has direct impact on data throughput and hence, the quality of service. In the literature, an approach to reduce feedback overhead which is based on simultaneous feedback exists. In the scope of this work, simultaneous feedback implies equal carrier frequency, bandwidth and signal shape, in this case orthogonal frequency-division multiplex signals, during the event of the herein termed feedback aggregation in time. For this scheme, a constant amount of time is spent for feedback, independent of the number of receivers giving feedback about reception. Therefore, also data throughput remains independent of the number of receivers. This property of audio-visual digital transmission is taken for granted for statically configured, single purpose systems, such as terrestrial television. In the scope of this work are, however, multi-user and multi-purpose digital communication networks. Wireless LANs are a well-known example and are covered in detail herein. In suchlike systems, it is of great importance to remain independent of the number of receivers, as otherwise the service of ubiquitous digital connectivity is at the risk of being degraded.
In this regard, the thesis at hand elaborates at what bit rates audio-visual transmission to multiple receivers may take place in conjunction with feedback aggregation. It is shown that the scheme achieves a multi-user throughput gain when used in conjunction with adaptivity of the bit rate to the channel. An assumption is the use of an ideal overlay packet erasure correcting code in this case. Furthermore, for delay constrained transmission, such as in so-called live television, throughput bit rates are examined. Applications have to be tolerant to a certain level of residual error in case of delay constrained transmission. Improvement of the rate adaptation algorithm is shown to increase throughput while residual error rates are decreased. Finally, with a consumer hardware prototype for digital live-TV re-distribution in the local wireless network, most of the mechanisms as described herein can be demonstrated.Die in vorliegender Arbeit aufgezeigten Methoden der paketbasierten drahtlosen digitalen Kommunikation ermöglichen es, Fernsehinhalte, aber auch audio-visuelle Datenströme im Allgemeinen, bei hoher Effizienz an beliebig große Gruppen von Empfängern zu verteilen. Im Fokus dieser Arbeit steht damit die Punkt- zu Mehrpunktübertragung bei begrenzter Ende-zu-Ende Verzögerung. Ein grundlegender Unterschied zur Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen genau zwei miteinander kommunizierenden Sender- und Empfängerstationen liegt in der Übermittlung der Information über erfolgreichen oder nicht erfolgreichen Paketempfang auf Seite der Empfänger. Da die zu übertragende Information am Sender vorliegt, die Information über den Erfolg der Übertragung jedoch ausschließlich beim jeweiligen Empfänger, muss eine Erfolgsmeldung auf dem Rückweg von Empfänger zu Sender erfolgen. Diese Information wird dann zum Beispiel zur einfachen Paketwiederholung im nicht erfolgreichen Fall genutzt, oder aber um die Übertragungsrate an die Kapazität des Kanals anzupassen, oder beides. Grundsätzlich beschäftigt sich diese Arbeit mit der einmaligen, gleichzeitigen Übertragung von Information (einschließlich Wiederholungen) an mehrere Empfänger, wobei ein Vergleich zu an mehrere Empfänger sequentiell redundant übertragenden Systemen (Simulcast MIMO) angestellt wird.
In dieser Arbeit ist die Betrachtung bezüglich eines Rückkanals auf Zeitduplexsysteme beschränkt. In diesen Systemen wird der Kanal für Hin- und Rückweg zeitlich orthogonalisiert. Damit steht für die Übermittlung der Erfolgsmeldung eine beschränkte Zeitdauer zur Verfügung. Je mehr an Kanalzugriffszeit für die Erfolgsmeldungen der potentiell vielen Empfänger verbraucht wird, desto geringer wird die Restzeit, in der dann entsprechend weniger audio-visuelle Nutzdaten übertragbar sind, was sich direkt auf die Dienstqualität auswirkt. Ein in der Literatur weniger ausführlich betrachteter Ansatz ist die gleichzeitige Übertragung von Rückmeldungen mehrerer Teilnehmer auf gleicher Frequenz und bei identischer Bandbreite, sowie unter Nutzung gleichartiger Signale (hier: orthogonale Frequenzmultiplexsignalformung). Das Schema wird in dieser Arbeit daher als zeitliche Aggregation von Rückmeldungen, engl. feedback aggregation, bezeichnet. Dabei wird, unabhängig von der Anzahl der Empfänger, eine konstante Zeitdauer für Rückmeldungen genutzt, womit auch der Datendurchsatz durch zusätzliche Empfänger nicht notwendigerweise sinkt. Diese Eigenschaft ist aus statisch konfigurierten und für einen einzigen Zweck konzipierten Systemen, wie z. B. der terrestrischen Fernsehübertragung, bekannt. In dieser Arbeit werden im Gegensatz dazu jedoch am Beispiel von WLAN Mehrzweck- und Mehrbenutzersysteme betrachtet. Es handelt sich in derartigen Systemen zur digitalen Datenübertragung dabei um einen entscheidenden Vorteil, unabhängig von der Empfängeranzahl zu bleiben, da es sonst unweigerlich zu Einschränkungen in der Güte der angebotenen Dienstleistung der allgegenwärtigen digitalen Vernetzung kommen muss.
Vorliegende Arbeit zeigt in diesem Zusammenhang auf, welche Datenraten unter Benutzung von feedback aggregation in der Verteilung an mehrere Empfänger und in verschiedenen Szenarien zu erreichen sind. Hierbei zeigt sich, dass das Schema im Zusammenspiel mit einer Adaption der Datenrate an den Übertragungskanal inhärent einen Datenratengewinn durch Mehrbenutzerempfang zu erzielen vermag, wenn ein überlagerter idealer Paketauslöschungsschutz-Code angenommen wird. Des weiteren wird bei der Übertragung mit zeitlich begrenzter Ausführungsdauer, z. B. dem sogenannten Live-Fernsehen, aufgezeigt, wie sich die erreichbare Datenrate reduziert und welche Restfehlertoleranz an die Übertragung gestellt werden muss. Hierbei wird ebenso aufgezeigt, wie sich durch Verbesserung der Ratenadaption erstere erhöhen und zweitere verringern lässt. An einem auf handelsüblichen Computer-Systemen realisiertem Prototypen zur Live-Fernsehübertragung können die hierin beschriebenen Mechanismen zu großen Teilen gezeigt werden
Algorithm-Architecture Co-Design for Digital Front-Ends in Mobile Receivers
The methodology behind this work has been to use the concept of algorithm-hardware co-design to achieve efficient solutions related to the digital front-end in mobile receivers. It has been shown that, by looking at algorithms and hardware architectures together, more efficient solutions can be found; i.e., efficient with respect to some design measure. In this thesis the main focus have been placed on two such parameters; first reduced complexity algorithms to lower energy consumptions at limited performance degradation, secondly to handle the increasing number of wireless standards that preferably should run on the same hardware platform. To be able to perform this task it is crucial to understand both sides of the table, i.e., both algorithms and concepts for wireless communication as well as the implications arising on the hardware architecture. It is easier to handle the high complexity by separating those disciplines in a way of layered abstraction. However, this representation is imperfect, since many interconnected "details" belonging to different layers are lost in the attempt of handling the complexity. This results in poor implementations and the design of mobile terminals is no exception. Wireless communication standards are often designed based on mathematical algorithms with theoretical boundaries, with few considerations to actual implementation constraints such as, energy consumption, silicon area, etc. This thesis does not try to remove the layer abstraction model, given its undeniable advantages, but rather uses those cross-layer "details" that went missing during the abstraction. This is done in three manners: In the first part, the cross-layer optimization is carried out from the algorithm perspective. Important circuit design parameters, such as quantization are taken into consideration when designing the algorithm for OFDM symbol timing, CFO, and SNR estimation with a single bit, namely, the Sign-Bit. Proof-of-concept circuits were fabricated and showed high potential for low-end receivers. In the second part, the cross-layer optimization is accomplished from the opposite side, i.e., the hardware-architectural side. A SDR architecture is known for its flexibility and scalability over many applications. In this work a filtering application is mapped into software instructions in the SDR architecture in order to make filtering-specific modules redundant, and thus, save silicon area. In the third and last part, the optimization is done from an intermediate point within the algorithm-architecture spectrum. Here, a heterogeneous architecture with a combination of highly efficient and highly flexible modules is used to accomplish initial synchronization in at least two concurrent OFDM standards. A demonstrator was build capable of performing synchronization in any two standards, including LTE, WiFi, and DVB-H
Low-latency Networking: Where Latency Lurks and How to Tame It
While the current generation of mobile and fixed communication networks has
been standardized for mobile broadband services, the next generation is driven
by the vision of the Internet of Things and mission critical communication
services requiring latency in the order of milliseconds or sub-milliseconds.
However, these new stringent requirements have a large technical impact on the
design of all layers of the communication protocol stack. The cross layer
interactions are complex due to the multiple design principles and technologies
that contribute to the layers' design and fundamental performance limitations.
We will be able to develop low-latency networks only if we address the problem
of these complex interactions from the new point of view of sub-milliseconds
latency. In this article, we propose a holistic analysis and classification of
the main design principles and enabling technologies that will make it possible
to deploy low-latency wireless communication networks. We argue that these
design principles and enabling technologies must be carefully orchestrated to
meet the stringent requirements and to manage the inherent trade-offs between
low latency and traditional performance metrics. We also review currently
ongoing standardization activities in prominent standards associations, and
discuss open problems for future research
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