erweiterung einer usrp-ofdm-Übertragungsstrecke in...

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

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Lian, Mohauptp.2


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

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Lian, Mohauptp.3


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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Erzeuger VerbraucherElement 1

Element 2

Element 3

.

.

.

.

.

Element N

Queue (FIFO)

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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

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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

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Betrachtung 1 OFDM-Block Betrachtung 2 OFDM-Blöcke

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Resultat

Signifikant kürzere Abstände zwischen aufeinanderfolgenden OFDM-Blöcken

realisierbar

Durch Warteschleifen zusätzlich Prozesssynchronisation

Rückschlüsse auf Geschwindigkeit der Signalverarbeitung und der Abtastung

möglich

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Live-Demonstration

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