Implementierung einer adaptiven OFDM-Übertragungsstrecke...

Implementierung einer adaptivenOFDM-Übertragungsstrecke in

LabVIEW

Timo Peters

Adaptive OFDM-Übertragungsstrecke Timo Petersp.1

Chair ofCommunication Systems

Übersicht

1 Motivation und Ziel

2 Theoretischer Hintergrund

3 Implementierung

4 Fazit und Ausblick

5 Demonstration

Übersicht

3 Implementierung

5 Demonstration

Motivation und ZielMotivation

OFDM als Mehrträger-Übertragungsverfahren weit verbreitet

• Einsatzbereiche: DSL, WLAN (IEEE 802.11), DAB, DVB, LTE, ...

• Vorteile:

• Effektive Verringerung von Intersymbolinterferenz

• Vermeidung von Übersprechen zwischen den Unterträgern

• Nachteil:Minderung der Leistungsfähigkeit des gesamten Systems bei hoherÜbertragungsfehlerzahl auf einzelnen Unterträgern

Lösungsansatz: Adaptive ModulationWahl der Modulationsordnung für jeden Unterträger abhängig von seinemSignal- zu Rauschleistungsverhältnis (SNR)

• Vorteile:

Motivation und ZielAusgangssituation

Bestehende OFDM-Übertragungsstrecke aus vorangehenden Arbeiten

LabVIEW zur digitalen Basisbandsignalverarbeitung auf dem PC

NI USRP N200 Transceiver zur Hochfrequenzübertragung

Unidirektionale Übertragung

Gleiche Modulationsordnung auf allen Unterträgern

Motivation und ZielZielsetzung

Implementierung von

• adaptiver Modulation

• mit signalisierter Modulationsinformation

• bei bidirektionaler Übertragung im Time Division Duplex-Verfahren

Szenarien zur Ansteuerung beider USRP-Transceiver

• Ein gemeinsamer Host-PC

• Zwei getrennte Host-PCs für die beiden Transceiver

Test und Verifikation

Motivation und ZielZielsetzung

Implementierung von

• adaptiver Modulation

• mit signalisierter Modulationsinformation

• bei bidirektionaler Übertragung im Time Division Duplex-Verfahren

Szenarien zur Ansteuerung beider USRP-Transceiver

• Ein gemeinsamer Host-PC

• Zwei getrennte Host-PCs für die beiden Transceiver

Test und Verifikation

Übersicht

3 Implementierung

5 Demonstration

Theoretischer HintergrundEinzel- und Mehrträgerübertragung

|H(f )| t

|h(t)|

|H(f )| t

TS = NT

Einzeltrager

Mehrtrager

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Theoretischer HintergrundAdaptive Modulation bei Mehrträgerverfahren

Probleme statischer Modulation:

• Geringe Frequenzdiversität der schmalbandigen Unterträger

• In einem frequenzselektiven Kanal unterschiedliche Übertragungsqualität der einzelnenUnterträger

• Starker Einfluss einzelner Unterträger auf die Performanz des Gesamtsystems

• Angleichung der Übertragungsfehlerhäufigkeiten auf allen Unterträgern

Lösungsansatz:

• Kanalschätzung zur Abschätzung des SNR auf den Unterträgern

• Dynamische Anpassung der Modulationsordnung (Bits/Symbol) der einzelnenUnterträger, sog. adaptives Bit-Loading

Lösungsansatz:

Theoretischer HintergrundBit-Loading Beispiel

192 Bits verteilt auf 48 OFDM Unterträger

Nutzdaten-Unterträger500 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Plot 0^H

Nutzdaten-Unterträger500 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Plot 0Bitloading

Theoretischer HintergrundSignalisierung der Modulationsinformation

Kenntnis der verwendeten Modulationsparameter ist Voraussetzung fürVerarbeitung adaptiv modulierter Signale

Ablaufschema einer geschlossenen Signalisierungsschleife:

Trainingssequenz

Zu verwendende BAT

Transceiver 1 Transceiver 2

• Kanalschatzung

• Bit-Loading

• Signalisierungder BAT

Modulation derNutzdaten mitder erhaltenenBAT

Zeitliche Bedingung: Signalisierung erfolgt schneller als sich dieKanaleigenschaften verändern

Nachteil: Effizienzminderung durch Signalisierungsoverhead

Trainingssequenz

Zu verwendende BAT

• Kanalschatzung

• Bit-Loading

Nachteil: Effizienzminderung durch Signalisierungsoverhead

Trainingssequenz

Zu verwendende BAT

• Kanalschatzung

• Bit-Loading

Nachteil: Effizienzminderung durch SignalisierungsoverheadAdaptive OFDM-Übertragungsstrecke Timo Peters

p.11Chair ofCommunication Systems

Theoretischer HintergrundOFDM-BasisbandmodellSender

Quelle

Zeit- undFreq.- Sync.

(CP entfernen)

Empfanger

Cyclic Prefixhinzufgen

Trainingssequenz(en)

Modulationsinformation

Praambelhinzufugen

Praambelauswerten

undentfernen

Funkkanal

OFDM-Signalerzeugungmit adaptiver Modulation

Entzerrung

Kanalschatzung

OFDM-Signalverarbeitungmit adaptiver Demodulation

Modulationsinformation

Trainings-sequenz(en)

Übersicht

3 Implementierung

5 Demonstration

ImplementierungAufbau

Ein-PC Szenario: Zwei USRP-Module aneinem gemeinsamen Host-PC

• Signalisierung zunächst PC-intern möglich

• TDD-Synchronisation PC-internUSRP 1

Host-PC

USRP 2

Zwei-PC Szenario: Zwei Host-PCs mit jeeinem USRP-Transceiver

• Signalisierung und TDD-Synchronisation überdas Funksignal

USRP 1 USRP 2

Host-PC 1 Host-PC 2

ImplementierungAufbau

Ein-PC Szenario: Zwei USRP-Module aneinem gemeinsamen Host-PC

• Signalisierung zunächst PC-intern möglich

• TDD-Synchronisation PC-internUSRP 1

Host-PC

USRP 2

Zwei-PC Szenario: Zwei Host-PCs mit jeeinem USRP-Transceiver

• Signalisierung und TDD-Synchronisation überdas Funksignal

USRP 1 USRP 2

Host-PC 1 Host-PC 2

ImplementierungÜbertragungsparameter

Grobe Anlehnung an den WLAN Standard IEEE 802.11N = 64 Unterträger: 48 Nutzdatenträger, 4 Pilotträger, 12 ungenutzte Schutzträger

f/∆f0fc

267 21−7−21−32 32−26

Pilottrager} }Schutztrager Schutztrager

11 adaptive Modulationsstufen:keine Daten, 2-QAM, ..., 1024-QAM⇒ max. 480 Bits/OFDM-Block

Rahmenstruktur:

Nutzdatenblocke

BAT-SignalisierungsblockeTrainingssequenz

T. BAT}Praambel

f/∆f0fc

267 21−7−21−32 32−26

Rahmenstruktur:

Nutzdatenblocke

T. BAT}Praambel

f/∆f0fc

267 21−7−21−32 32−26

Rahmenstruktur:

Nutzdatenblocke

T. BAT}Praambel

ImplementierungAdaptives Bit-Loading nach Chow et. al.

Bit-Loading Algorithmus für feste Datenrate

• Relativ geringe Rechenkomplexität bei nahezuoptimalen Ergebnissen

• Berechnung basiert auf dem SNR

• Iterative Annäherung an Ziel-Bitsumme

Implementierter Ablauf:

quantisiertes Bit-Loading

Bit-Loadingb(SNR)[Bits/Symbol]

SNR [dB]

0 10 20 300

BATInitialisierung und

Plausibilitatsprufung

Teil AIterative Annaherungan Bit-Loading-Ziel

Teil BKonvergenzerzwingung

Bit-Loading-Ziel

max. Iterationenmax. Mod.-Ordnung

ImplementierungSignalisierung der Modulationsinformation

Einfügen der ermittelten BAT in das Sendesignal

Nutzdatenblocke

BAT Zu binarwandeln

P/SModulation(Mapping)

BlockbildungS/P

Einfugen vorNutz-

datenblocken

Signalisierungs-und Nutz-datenblocke

Verwendung robuster BPSK-Modulation

Begrenzung auf acht Modulationsstufen⇒ Drei Signalisierungsblöcke

Auslesen der BAT aus dem EmpfangssignalNutzdatenblocke

EntzerrteSignalisierungs-

und Nutz-datenblocke

Abtrennungder Nutz-datenblocke

Demodulation(Demapping)

ZuDezimal-Integerwandeln

S/P BAT

Nutzdatenblocke

BAT Zu binarwandeln

BlockbildungS/P

Einfugen vorNutz-

datenblocken

S/P BAT

Nutzdatenblocke

BAT Zu binarwandeln

BlockbildungS/P

Einfugen vorNutz-

datenblocken

S/P BAT

ImplementierungTDD-Synchronisationsverfahren

Ziel: Abwechselndes Senden in festem zeitlichem Abstand TTDD

Ein-PC Szenario: Einfache, programminterne Synchronisation

Zwei-PC Szenario: Master-Transceiver gibt den Sendetakt vor, Slave synchronisiert sichTx

+TTDD + tOffset

Empfangs-Akquisefenster

, OFDM-Rahmen

Master

+ 12TTDD

+TTDD + tOffset

Echtzeitanforderung: Sendesignal muss 12TTDD nach dem Empfang zur Verfügung stehen

+TTDD + tOffset

, OFDM-Rahmen

Master

+ 12TTDD

+TTDD + tOffset

, OFDM-Rahmen

Master

+ 12TTDD

+TTDD + tOffset

, OFDM-Rahmen

Master

+ 12TTDD

+TTDD + tOffset

ImplementierungHauptprogrammstruktur

Sendezweig (Nur Slave) Sendezweig

Empfangszweig

Initialisierung

· USRP

· BATn

· Melder· Variablen

· Fehler abfangen

· USRP abschalten

· Fehler ausgeben

Horchen und

Synchronisation

· Ad. Demodulation

· Kanalschätzung

· Bit Loading

Auf Sync. wartenAuf BATn

warten

· Ad. Modulation

· Signalisierung

Melder

Senden und nächsten TDD-Sendezeitpunkt

bestimmen

Auf nächsten TDD-

Empfangszeitpunkt

warten

Stopp?

Stopp?Ja

BAT Melder

· BAT

· BATL

ImplementierungZusätzliche Implementierungen ISimulationsmodus

Motivation:• Erzeugung reproduzierbarer, frequenzselektiver Kanalbedingungen

• Systemtests ohne Hardwareeinflüsse

Umsetzung:• Ein-PC-Szenario umschaltbar von USRP-Übertragung auf Simulation

• Faltung des Basisband-Sendesignals x(t) mit simulierten Kanalimpulsantworten hSim(t)

• Beaufschlagung mit weißem Gauß-Rauschen nAWGN(t)

ySim(t) = x(t) ∗ hSim(t) + nAWGN(t)

ImplementierungZusätzliche Implementierungen ISimulationsmodus

Motivation:• Erzeugung reproduzierbarer, frequenzselektiver Kanalbedingungen

• Systemtests ohne Hardwareeinflüsse

Umsetzung:• Ein-PC-Szenario umschaltbar von USRP-Übertragung auf Simulation

• Faltung des Basisband-Sendesignals x(t) mit simulierten Kanalimpulsantworten hSim(t)

• Beaufschlagung mit weißem Gauß-Rauschen nAWGN(t)

ySim(t) = x(t) ∗ hSim(t) + nAWGN(t)

ImplementierungZusätzliche Implementierungen IITestaufbau für dauerhaftes Senden

Problem im TDD-Betrieb mit Trigger-Timern:• Verzögerungen durch Schaltvorgänge der USRP-Module

• Signalverzerrungen durch Einschwingvorgänge

Lösungsansatz:• Vermeidung von Einschaltvorgängen

• Dauerhaft aktiver Sendezweig: Senden eines Nullsignals während der Wartezeit

• Timing mittels der Samplingrate und angepasster Nullpaketlänge

Ergebnis:• Keine Einschwingvorgänge

• Kürzere TDD-Intervalle realisierbar

• Kürzere TDD-Intervalle realisierbarAdaptive OFDM-Übertragungsstrecke Timo Peters

Übersicht

3 Implementierung

5 Demonstration

Fazit und AusblickResümee

Ausgang: Unidirektionale, statisch modulierende Übertragungsstrecke

OFDM-Signalverarbeitung überarbeitet

Erfolgreich erweitert um• Bidirektionale Übertragung im TDD-Verfahren,

• adaptive Modulation

• mit Signalisierung der Modulationsinformation

Mehrere Szenarien realisiert• Ein gemeinsamer Host-PC

• Zwei getrennte Host-PCs

• Simulationsmodus

Erkenntnisse über das Verhalten der USRP-Module gewonnen

Erkenntnisse über das Verhalten der USRP-Module gewonnenAdaptive OFDM-Übertragungsstrecke Timo Peters

Fazit und AusblickTestergebnisse

Implementierte Verfahren arbeiten zuverlässig

Simulation frequenzselektiver Kanäle:Merkliche Verringerung der Übertragungsfehler auf Unterträgern mitgeringem SNR erreichbar (s. Demonstration)

Laufzeiten der LabVIEW Signalverarbeitung:

• Minimal realisierbares TDD-Intervall von ca. 180 ms

• Nur für entsprechend langsam veränderliche Kanäle geeignet

• Ausreichend für Konzeptstudien und Tests

Fazit und AusblickAusblick auf mögliche Weiterentwicklungen

Verfahren zur Verringerung des Signalisierungsoverheads

• Weiter entwickelte Signalisierungsverfahren

• Automatische Modulationsschätzung am Empfänger

Verringerung der Laufzeiten bei der Signalverarbeitung

• Optimierung der LabVIEW-Programmstrukturen

• Verlagerung der Signalverarbeitung auf FPGA-Bausteine der USRP-Module

Erweiterung des Simulationsmodus auf Simulation zeitlich veränderlicherKanäle

Übersicht

3 Implementierung

5 Demonstration

Demonstration

Es folgt eine kurze Vorführung der Übertragungsstrecke.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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