Bidirektionale OFDM- bertragungsstrecke mit USRP2...
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Bidirektionale
OFDM-Übertragungsstrecke mit
USRP2-Modulen
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Übersicht
1 Ausgangssituation
2 Theoretische Grundlagen
3 Programmaufbau
4 Verifizierung der Ansätze
5 Zusammenfassung
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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ProgrammaufbauProgrammablauf
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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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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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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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ProgrammaufbauVerfahren zur adaptiven Modulation
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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ProgrammaufbauVerfahren zur adaptiven Modulation
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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Verifizierung der AnsätzeMessaufbau
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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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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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Verifizierung der Ansätze
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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Verifizierung der Ansätze
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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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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