C1: Netzzentrische Sicht

Ressourcenplanung und -zuweisung in drahtlosen Netzen mit Garantien und unter Unsicherheit.

Das Teilprojekt C1 erforscht Transitionen in den unteren Schichten drahtloser Netzwerke am Rand des Internets aus einer netzzentrischen Perspektive. Insbesondere werden transitionsfähige Mechanismen für das Management, d.h. die Planung und Zuweisung von Kommunikations-, Caching- und Rechenressourcen untersucht. Hierfür werden verschiedene Funkzugangstechnologien, wie z.B. WLAN, 5G oder Millimeterwellenkommunikation, verschiedene Anforderungen an die Dienstgüte, etwa in Bezug auf die Latenz und Ausfallsicherheit, sowie verschiedene Datenverkehrstypen und Anwendungen gemeinsam betrachtet.

In MAKI Phase I wurden Netzunterstützungsstrukturen und ein transitionsfähiges Optimierungsrahmenwerk entworfen, die die optimale Mechanismenkombination auf den unteren Schichten PHY, MAC und NET unter Berücksichtigung der Anwendung finden. In Phase II lag der Fokus auf koexistenten Multi-Mechanismen, proaktiven Transitionen und Software-definierten Kommunikationssystemen. Es wurden neue Verfahren entworfen zur Zuweisung von Kommunikationsressourcen für die Verbindungen zwischen Basisstationen und Geräten (Funkzugangsnetz), zwischen Basisstationen (Backhaul) sowie zwischen Geräten (Device-to-Device, D2D). Beispielsweise wurden für Millimeterwellen-Systeme Transitionen zwischen Funkzugangsnetz- und Backhaul-Verbindungen erforscht. Hierbei kamen auch Software-definierte Mechanismen zum Einsatz. Weiterhin wurden neue Verfahren für Transitionen zwischen Funkzugangsnetz-Verbindungen und verschiedenen Modi von D2D-Verbindungen vorgeschlagen. Für Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation wurden Methoden zur proaktiven Transition zwischen optimalen Strahlformen entwickelt. Darüber hinaus wurden neuartige Verfahren entworfen, die eine sehr schnelle Verteilung von Kontrollinformation in drahtlosen Multihop-Netzen unter Ausnutzung gleichzeitiger Übertragungen ermöglichen und damit Transitionen unterstützen. In allen betrachteten Szenarien haben Transitionen zu einer signifikanten Performanzverbesserung geführt.

In den Phasen I und II wurde hauptsächlich die Zuweisung von Kommunikationsressourcen erforscht. In Phase III wird die netzzentrische Perspektive auf das gemeinsame Management aller wichtigen Ressourcen in drahtlosen Netzwerken erweitert, d.h. neben den Kommunikationsressourcen werden zusätzlich die Rechenund Cachingressourcen am Rand des Netzes einbezogen. State-of-the-Art-Methoden des Ressourcenmanagements basieren typischerweise auf Durchschnittswerten. Zukünftige Anwendungen mit missionsentscheidenden Anforderungen benötigen jedoch Performanzgarantien, die darüber hinausgehen, um den strikten Anforderungen in Bezug auf Latenz und Ausfallsicherheit unter sich dynamisch verändernden Rahmenbedingungen gerecht werden zu können. Insbesondere werden neuartige Methoden für das Ressourcenmanagement benötigt, die sowohl die Perzentile als auch die Ränder der zugrundeliegenden Verteilung mit einbeziehen. Zusätzlich sollten diese neuartigen Methoden mit seltenen Ereignissen umgehen können, welche aufgrund von Fluktuationen im Datenverkehr sowie von Änderungen der drahtlosen Umgebung auftreten können. Teilprojekt C1 zielt darauf ab, verschiedenartige statistische Performanzgarantien zu realisieren. Einerseits kann mithilfe sogenannter sicherer Transitionen das Risiko der Verletzung einer Anforderung auf eine vordefinierte Wahrscheinlichkeit beschränkt werden. Andererseits können Worst-Case-Ansätze verwendet werden, um Performanzgarantien innerhalb vordefinierter Quantile zu erfüllen. Hierzu müssen die spezifischen Eigenschaften der verschiedenen vorhandenen Funkzugangstechnologien in die gemeinsame Planung und Zuweisung der Kommunikations-, Rechen- und Cachingressourcen mit einbezogen und passende Transitionen entworfen werden. Ziel ist, Performanzgarantien durch die Abwägung zwischen allen drei Ressourcentypen und durch Transitionen besser umsetzen zu können.

Des Weiteren sollen die Unsicherheiten einbezogen werden, die sich daraus ergeben, dass nur partielles Wissen über die vorhandenen Ressourcen und Rahmenbedingungen vorliegt. Solche Unsicherheiten treten z.B. bei der Interaktion mit nicht-transitionsfähigen Kommunikationssystemen oder Kommunikationssystemen unter fremder Kontrolle auf, da deren Zustände und Entscheidungsstrategien nicht bekannt sind und selbst mithilfe von Messungen nur die Auswirkungen dieser Zustände und Entscheidungsstrategien beobachtet werden können. Folglich kann das Ressourcenmanagement nur auf Basis des limitierten vorhandenenWissens durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sollen neue Methoden, wie z.B. Federated Reinforcement Learning, erweitert und verwendet werden. Diese Methoden erlauben ein kollaboratives Lernen ohne zentrale Instanz bei limitiertem, lokalem Wissen und ermöglichen ein flexibles Anpassen an die Systemdynamik. Neue Verfahren zur expliziten und impliziten Interaktion zwischen verschiedenen drahtlosen Kommunikationssystemen zur Durchführung kooperativer Transitionen sollen vorgeschlagen werden. Analog zu den Phasen I und II basieren die Ansätze auf Optimierung oder Reinforcement Learning. Die Validierung erfolgt analytisch, mittels Simulation und experimenteller Evaluation im MAKI Software-defined Wireless Network (SDWN)-Testbed.

Innerhalb des SFB MAKI erforscht das Teilprojekt C1 somit Transitionslösungen in drahtlosen Netzen am Rand des Internet, die Garantien ermöglichen und unter Unsicherheiten funktionieren. Dies ist eine wichtige Voraussetzung, um gemeinsam mit den anderen MAKI-Teilprojekten in einer Ende-zu-Ende Betrachtung transitionsfähige Kommunikationssysteme optimal zu betreiben.

Teilprojektleitende C1:

  Name Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Matthias Hollick
+49 6151 16-25470
Prof. Dr.-Ing. Anja Klein
+49 6151 16-22380
Dr.-Ing. Andrea Ortiz
+49 6151 16-22374