Bidirektionale OFDM- bertragungsstrecke mit...

Bidirektionale

OFDM-Übertragungsstrecke mit

USRP2-Modulen

Marius Sichma

Bidirektionale

OFDM-Übertragungsstrecke

Marius Sichmap.1

Chair ofCommunication Systems

Übersicht

1 Ausgangssituation

2 Theoretische Grundlagen

3 Programmaufbau

4 Verifizierung der Ansätze

5 Zusammenfassung

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Marius Sichmap.2


AusgangssituationLabVIEW Übertragungsstrecke

Vorhandene unidirektionale Übertragungsstrecke in LabVIEW

Übertragung von Text und Bild über USRP-N200-Boards

Verwendung von CP-OFDM und konstanter Quadraturamplitudenmodulation

Ziel der Arbeit:

• Erweiterung zu einer bidirektionalen Übertragungsstrecke

• Implementierung eines adaptiven Modulationsalgorithmus

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Marius Sichmap.3


AusgangssituationUSRP-Boards

Verwendung der USRP-N200-Boards der Firma Ettus Research

Ausstattung:

• WBX-Transceiverboard

• Frequenzbereich 50 MHz bis 2.2 GHz

• GPS-Modul als Ersatz für die eingebauten Oszillatoren

• Gigabit Ethernetanschluss

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Marius Sichmap.4


Theoretische GrundlagenAllgemeine Grundlagen

Mehrträgerverfahren mit orthogonalen Unterträgern

Aufteilung eines festgelegten Frequenzspektrums in Nb Unterträger

ChannelCoding

BitSource

Inter-leaving S/P IFFT P/S

mod.

mod.

Pilots

Pre-amble

CyclicPrefix

RadioCannel

AWGN

ChannelDecoding

BitSink

Deinter-leaving S/P FFT P/S

mod.

CPremoval

andfreq.synch.

Timede-

mod.de-

Channel estimationand equalization

OFDM Transmitter

OFDM Receiver

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Marius Sichmap.5


Theoretische GrundlagenCP-OFDM

Aufgrund von Mehrwegeausbreitung und zur Detektion eines Signals wird ein

Cyclic-Prefix verwendet

Durch Reflexion/Streuung des übertragenden Signals an Hindernissen

interferieren die Signale der verschiedenen Pfade am Empfänger

Detektion eines gültigen OFDM-Blocks mit einer Kostenfunktion

Ng

N

Nb

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Marius Sichmap.6


Theoretische GrundlagenKanalzugriffsschemata

Bei der Verwendung mehrerer Transmitter muss geregelt werden, wann welche

Station wie den Funkkanal verwendet

Time

Code Frequency

Time

Code Frequency

Time

Code Frequency

TDMA CDMA FDMA

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Marius Sichmap.7


Theoretische GrundlagenAdaptive Modulation

Verfahren zur Verringerung der Bitfehleranzahl

Durch Mehrwegeausbreitung und/oder Überlagerung mit Signalen von Störern,

werden die Unterträger unterschiedlich gut übertragen

Analyse der Übertragungsfunktion des Funkkanals und Klassifizierung jedesUnterträgers

• gute Übertragungsqualität → hoher Modulationsindex

• schlechte Übertragungsqualität → niedriger Modulationsindex

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Marius Sichmap.8


Theoretische GrundlagenAdaptive Modulation

Unterträgerindex n

Bit

zuor

dnun

g

|H(n)|

0 10 20 30 40 50 600 10 20 30 40 50 600

1

2

3

0

1

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Marius Sichmap.9


ProgrammaufbauSignalaufbau

Nullen NullenTS Daten Daten Daten Daten Daten

Orientierung an dem WLAN Standard IEEE 802.11

Eine Trainingssequence vor den Datenblöcken

Verwendung eines Cyclic-Prefixes

Keine Kanal- und Quellencodierung, kein Interleaving

Modulation mit 2- bis 128-QAM

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Marius Sichmap.10


ProgrammaufbauSignalverarbeitung am Empfänger

Kompensation des ganzzahligen und fraktionalen Trägerfrequenzversatzes

• ganzzahliger Anteil mit Hilfe der Pilotsymbole

• fraktionaler Anteil mit Hilfe des Cyclic-Prefixes

Schätzung der Übertragungsfunktion mit der Zero-Forcing-Methode

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Marius Sichmap.11


ProgrammaufbauProgrammablauf

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Marius Sichmap.12


ProgrammaufbauVerfahren zur Zeitsynchronisation

Ein Transceiver ist der Taktgeber (U1), der andere Transceiver (U2) passt sich

an

Taktgeber sendet zu Beginn seines Sendezyklus eine bekannte Sequenz

U2 ermittelt aus dem Zeitpunkt an dem diese Sequenz empfangen wurde die

Startzeit des Sendezyklus von U1

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Marius Sichmap.13


ProgrammaufbauVerfahren zur Zeitsynchronisation

tZ 3tZ 5tZ 7tZ 9tZ 11tZ

U1

13tZ

tZ 3tZ 5tZ 7tZ 9tZ 11tZ

U2

13tZtFenster,1 tFenster,2 tFenster,3 tFenster,4 tFenster,5

EmpfangenSenden

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Marius Sichmap.14


ProgrammaufbauVerfahren zur adaptiven Modulation

Es werden zwei Ansätze aufgestellt:

1. Die Übertragungsfunktion des Funkkanals ändert sich für Zeitabstände von 100 ms kaum

2. Der Funkkanal ist reziprok

Einsatz von Entscheidungsverfahren zur Demodulation nicht notwendig

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Marius Sichmap.15



Messung mit 10000 Trainingssequenzen bei 12,5 MHz Bandbreite.

Dif

fere

nzin

%

Startblock0 5 10 15

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

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Marius Sichmap.16



Benutzte Unterträger

Maximaler Kanal

Minimaler Kanal

Durchschnittlicher Kanal

Nor

mal

isie

rte

durc

hsch

nitt

lich

eA

mpl

itud

e

Unterträger

Differenz für jeden Unterträger begonnen mit Sequenz 10

0 10 20 30 40 50 60 700

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

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Marius Sichmap.17


Verifizierung der AnsätzeMessaufbau

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Marius Sichmap.18


Verifizierung der Ansätze

|H(n)|

Unterträgerindex n

0 10 20 30 40 50 600.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

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Marius Sichmap.19


Verifizierung der AnsätzeSystemkonfiguration

Trägerfrequenz: 1 GHz

Bandbreite : 4 MHz

64-QAM → 288 Bits pro OFDM-Block

2,88 Millionen Bits werden zur Bestimmung des Bitfehlerverhältnisses

verwendet

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Marius Sichmap.20



BER Station 1 adap. Mod.BER Station 1 konst. Mod.BER Station 2 adap. Mod.BER Station 2 konst. Mod.B

itfe

hler

wah

rsch

einl

ichk

eit

Signal- zu Rauschverhältnis [dB]10 12 14 16 18 20 22 24

10−2

10−1

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Marius Sichmap.21



Uplink

Station1

Downlink

Uplink

Station2

Downlink

TS DATA

TS DATA

TS DATA

DemodulationModulationTransmission

TS DATA

TS DATA

TS DATA

TS DATA

TS DATA

Fehler

0 100 200

t

ms

300

∆t = 200ms

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Marius Sichmap.22


Zusammenfassung

Ein bidirektionales Übertragungssystem im Zeitduplexverfahren wurde

realisiert

Bandbreite bis 5 MHz

Verfahren zur Zeitsynchronisation erwies sich als zuverlässig

Gewählter Ansatz für die adaptive Modulation zu fehleranfällig

LabVIEW nur bedingt für ein bidirektionales Übertragungssystem geeignet

• minimale Zeitschlitzlänge von 60 ms

• kein identischer Startpunkt beim Senden der einzelnen OFDM-Signale

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Marius Sichmap.23


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