erweiterung einer usrp-ofdm-Übertragungsstrecke in...
Post on 22-Oct-2019
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Erweiterung einer USRP-OFDM-Übertragungsstrecke in
LabVIEW
Biyun Lian Tobias Mohaupt
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.1
Chair ofCommunication Systems
Übersicht
1. Motivation
2. Ist-Zustand der LabVIEW-Übertragungsstrecke
3. Optimierung der Software-Struktur
4. Implementierung zusätzlicher Funktionen
5. Verifizierung der Änderungen
6. Fazit
7. Demonstration
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.2
Chair ofCommunication Systems
Motivation„Geschichte“ der Übertragungsstrecke
MATLAB-OFDM-Übertragungsstrecke
• Beschränkter Funktionsumfang
• Feste Bitsequenz, 64-QAM
Portierung nach LabVIEW (Projektarbeit)
• Verschiedene Datenquellen und Modulationsverfahren
• Ganzzahlige CFO-Korrektur
• Pilotkorrektur
Erweiterungen im Rahmen von Abschlussarbeiten
• Bidirektionale Übertragungsstrecke
• Adaptive Modulationsverfahren
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.3
Chair ofCommunication Systems
MotivationZiel der Arbeit
Optimierung der bestehenden Software-Struktur in LabVIEW
• Gliederung und Zusammenfassung von Prozessen
• Symboldetektion unter Zuhilfename mehrerer OFDM-Blöcke
Erweiterung des Funktionsumfangs der Übertragungsstrecke
• Kanalcodierung (Faltungscodierer/Viterbi-Decoder)
• Prozesssynchronisation mit Warteschleifen (Queues)
• Echtzeit-Bitfehlerraten-Messung
Erhöhung der Übertragungsqualität und -geschwindigkeit
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.4
Chair ofCommunication Systems
Ist-Zustand der LabVIEW-ÜbertragungsstreckeAufbau Hardware allgemein
USRP-N200-Boards der Firma
Ettus Research
Ausstattung
• XCVR2450-Transceiverboard (kein
Full-Duplex)
• Gigabit-Netzwerkanschluss
• GPS-Modul zur genaueren Taktung
der internen Oszillatoren
USRP N200 Sender
USRP N200 Empfänger
Windows 7 und LabVIEW
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.5
Chair ofCommunication Systems
Ist-Zustand der LabVIEW-ÜbertragungsstreckeSoftware Sender
Generierung der OFDM-Blöcke auf Software-Ebene unter LabVIEW
Erzeugung, Signalverarbeitung und Übertragung innerhalb des gleichenProzesses auf der Hauptebene
• Eingeschränkte Parallelisierung
Häufig wiederkehrende Funktionen
Bitfehlerratenmessung ist eigener Übertragungsmodus, welcher den Transfer
und die Auswertung einer bekannten Datei erfordert
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.6
Chair ofCommunication Systems
Ist-Zustand der LabVIEW-ÜbertragungsstreckeSoftware Sender
Schwachstellen
Fehlende Prozesssynchronisation führt zu Erzeuger-Verbraucher-Problem
Keine Kanalcodierung
Häufig wiederkehrende Funktionen machen Programm unübersichtlich
Datei-Bitfehlerratenmessung lässt keine Rückschlüsse auf kurzzeitige
Änderungen des Kanals zu
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.7
Chair ofCommunication Systems
Ist-Zustand der LabVIEW-ÜbertragungsstreckeSoftware Empfänger
Empfang, Signalverarbeitung und Symboldetektion innerhalb des gleichenProzesses auf der Hauptebene
• Eingeschränkte Parallelisierung
Abtastung mit fester Anzahl Abtastwerte ohne Zeitsynchronisation
Nur Betrachtung des aktuell empfangenen OFDM-Blocks möglich
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.8
Chair ofCommunication Systems
Ist-Zustand der LabVIEW-ÜbertragungsstreckeSoftware Empfänger
Schwachstellen
Fehlende Prozesssynchronisation führt
erneut zu Erzeuger-Verbraucher-Problem
Keine Kanalcodierung (Decodierung)
Zustand des Senders zu Beginn der
Abtastung im Empfänger nicht bekannt
OFDM-Block wird bei kürzeren Abständen aufeinanderfolgender Blöcke mitzunehmender Wahrscheinlichkeit nicht vollständig erfasst
• Kanalschätzung, Synchronisation und Symboldetektion nicht möglich
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.9
Chair ofCommunication Systems
Optimierung der Software-StrukturSender
Prozesssynchronisation mit Warteschleifen (Queues)
Verwendung von Warteschleifen (Queues) zur Synchronisation der Prozesse
zur Symbolerzeugung und Übertragung
Jeder Übertragungsmodus erhält eigene Funktion zur periodischen
Eingliederung neu erzeugter Symbole in eine Queue
Sende-Schleife überträgt die Elemente in der Queue kontinuierlich an das
USRP-Board
Zusätzliche Anzeigen für den Zustand der Warteschleife
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.10
Chair ofCommunication Systems
Optimierung der Software-StrukturSender
Erzeuger VerbraucherElement 1
Element 2
Element 3
.
.
.
.
.
Element N
Queue (FIFO)
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.11
Chair ofCommunication Systems
Optimierung der Software-StrukturSender
Resultat
Betrachtung des Zustandes der Warteschleife lässt Rückschlüsse auf die
Geschwindigkeit der Symbolerzeugung und des Datentransfers zu
Optimierung der maximalen Übertragungsgeschwindigkeit möglich
Zugriff auf mehrere Elemente in der Warteschleife erleichtert Symboldetektion
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.12
Chair ofCommunication Systems
Optimierung der Software-StrukturEmpfänger
Symboldetektion und Zeitsynchronisation mit Warteschleifen
Fallunterscheidung Block getroffen/Block nicht getroffen
Mögliche Betrachtung zweier aufeinanderfolgender OFDM-Blöcke in der
Empfänger-Warteschleife
Abgeschnittene OFDM-Blöcke bei kurzen Abständen können rekonstruiert
werden
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.13
Chair ofCommunication Systems
Optimierung der Software-StrukturEmpfänger
Betrachtung 1 OFDM-Block Betrachtung 2 OFDM-Blöcke
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.14
Chair ofCommunication Systems
Optimierung der Software-StrukturEmpfänger
Resultat
Signifikant kürzere Abstände zwischen aufeinanderfolgenden OFDM-Blöcken
realisierbar
Durch Warteschleifen zusätzlich Prozesssynchronisation
Rückschlüsse auf Geschwindigkeit der Signalverarbeitung und der Abtastung
möglich
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.15
Chair ofCommunication Systems
Implementierung zusätzlicher FunktionenKontinuierliche Messung der Bitfehlerrate
Baut auf dem Text-Übertragungsmodus auf
Kontinuierliche Übertragung und Vergleich
einer bekannten, festen Zeichensequenz (8 bit
pro Zeichen)
Erlaubt Rückschlüsse auf
Änderungen/Hindernisse im Kanal in Echtzeit
Zusätzlich: Numerische Anzeigen und
grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufs
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.16
Chair ofCommunication Systems
Implementierung zusätzlicher FunktionenKanalcodierung
Faltungscodierer im Sender
Viterbi-Decoder im
Empfänger
Variable Coderate und
Einflusslänge Binäre Datenquelle
Kanal-codierung
Interleaving OFDM-TX
Additives Rauschen
Kanal OFDM-RXDe-
interleaving
Kanal-decodierung
Binäre Datensenke
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.17
Chair ofCommunication Systems
Verifizierung der ÄnderungenKanalcodierung und Bitfehlerrate
Relativer Anstieg des BER
bei höherwertigen QAMs
Hohe Fehlerraten wegen
nicht ausreichender
Rechenleistung im Sender
=> Warteschleife läuft leer!
=> RX tastet Rauschen ab!
Algorithmen zur Erzeugung
der Symbole ineffizient auf
Universalrechnern 4 16 64 256 1024
10−3
10−2
10−1
QAM
BE
R
uncodiert1/41/32/3
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.18
Chair ofCommunication Systems
Verifizierung der ÄnderungenSymboldetektion und Zeitsynchronisation
Wahrscheinlichkeit für
korrekte Ermittlung des
Startzeitpunkts eines
OFDM-Blocks für
verschiedene Abstände
Betrachtung für einen
OFDM-Block und zwei
aufeinanderfolgende
OFDM-Blöcke50 40 30 20 10 5 3 2 1
0
20
40
60
80
100
Blockabstand / (Abtastwerte*100)
Wah
rsch
einl
ichk
eiti
n%
1 OFDM-Block betrachtet2 OFDM-Blöcke betrachtet
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.19
Chair ofCommunication Systems
Verifizierung der ÄnderungenÜbertragungsrate
Übertragungsrate für
verschiedene QAMs und
Coderaten
Bei Verwendung von
Kanalcodierung sinkt die
Datenrate unter sonst
gleichen Bedingungen mit
Modulationen höherer
Ordnung wieder ab4 16 64 256 1024
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
QAM
kByt
e/s
uncodiert1/41/31/22/33/4
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.20
Chair ofCommunication Systems
Fazit
Minimaler Abstand zwischen OFDM-Blöcken konnte deutlich gesenkt werden
Prozesssynchronisation zeigt Grenzen des Übertragungssystems auf
• Warteschleife im Sender läuft leer -> Symbolerzeugung zu langsam
• Warteschleife im Empfänger nicht gefüllt -> Signalverarbeitung ausreichend schnell!
Keine nennenswerte Steigerung der maximalen Übertragungsrate trotz
Verringerung des Abstandes zwischen OFDM-Blöcken
Kanalcodierung steigert die CPU-Last merklich und vermehrt bei hohen
Übertragungsraten sogar die Bitfehlerrate gegenüber uncodierter Übertragung
Besser: Auslagerung der Algorithmen zur Symbolerzeugung auf FPGA
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.21
Chair ofCommunication Systems
Live-Demonstration
Erweiterung einer
USRP-OFDM-Übertragungsstreckein LabVIEW
Lian, Mohauptp.22
Chair ofCommunication Systems
top related