Design and implementation of adaptive OFDM in a software defined radio framework

Zivkovic, Milan; Mathar, Rudolf

doi:33490

Design and implementation of adaptive OFDM in a software defined radio framework = Entwurf und Implementierung von adaptivem OFDM auf einer Software Defined Radio Plattform

Zivkovic, Milan (Author)

2013 & 2014

VerantwortlichkeitsangabeMilan Zivkovic

ImpressumAachen : Shaker 2013

UmfangVI, 214 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte aus der Kommunikationstechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Druckausgabe: 2013. - Onlineausgabe: 2014. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mathar, Rudolf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-09-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51589
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444739/files/5158.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Informationstechnik (613410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Software Radio (Genormte SW) ; OFDM (Genormte SW) ; Funknetz (Genormte SW) ; Ressourcenallokation (Genormte SW) ; Kognitiver Funk (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; software defined radio (frei) ; wireless networks (frei) ; resource allocation (frei) ; cognitive radio (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Aktuelle Standards zur breitbandigen drahtlosen Datenübertragung benutzen Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), ein Mehrträger-Modulationsverfahren, das sich als sehr robust gegenüber Fading aufgrund von Mehrwegeausbreitung erweist. In der vorliegenden Dissertation wird die Leistungs- und Bandbreiteneffizienz von OFDM durch Adaption der Parameter Bandbreite, Kodierung, Datenrate und Leistung unter Einhaltung bestimmter Systembeschränkungen erheblich gesteigert. In der Literatur findet sich eine Vielzahl von theoretischen Untersuchungen zur Leistungssteigerung von OFDM. Jedoch sind theoretische Konzepte in realen Systemen und Umgebungen nur eingeschränkt untersucht und bewertet worden. Dies liegt hauptsächlich an der mangelnden Verfügbarkeit kommerzieller Hardware, die es erlaubt, die Übertragungsparameter adaptiv zu variieren. Derartige Funktionalität wird derzeit nur durch die hohe Flexibilität von Software Defined Radio (SDR) Systemen ermöglicht. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, informationstheoretische Konzepte für Ressourcenmanagement in drahtlosen Systemen näher zur praktischen Anwendbarkeit zu führen, indem sie die wichtigen Herausforderungen bei Implementierung und Testen identifiziert und bearbeitet. Die Arbeit gliedert sich in einen theoretischen und experimentellen Teil. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) stellt ein Maß für die Signalqualität dar und wird als Eingabeparameter vieler Algorithmen zur Ressourcenallokation verwendet. Im theoretischen Teil wird daher ein neuartiger effizienter Algorithmus zur SNR-Schätzung in einem OFDM-Übertragungssystem vorgeschlagen. Weiterhin wird mit Hilfe einer Simulationsstudie der Leistungsverlust bei der Ressourcenallokation durch fehlerhafte Synchronisierung bei Nutzung des vorgeschlagenen SNR-Schätzers gegenüber einem idealen Übertragungssystem analysiert. Der Hauptbeitrag des experimentellen Teils ist der Entwurf und die Implementierung eines SDR-basierten vollständig konfigurierbaren Übertragungssystems zum Testen kapazitätserreichender adaptiver OFDM-Übertragung. Die Implementierung umfasst die physikalische Schicht. Sie ermöglicht eine individuelle Anpassung einzelner Unterträger, so dass Algorithmen zur Ressourcenallokation experimentell evaluiert werden können. Weiterhin wird die Übertragungsleistung des Systems durch das Konzept des SNR-Verlusts und die dazugehörige Ratenleistungsfunktion charakterisiert und analysiert. Die Leistungsevaluierung mit dem realen SDR-System wird mit der durch eine Simulationsumgebung verglichen. Es wird nachgewiesen, dass die Simulation reale Systeme genügend genau nachbildet, um die Effekte von Produktionsungenauigkeiten in der Hardware und die Robustheit des SNR-Schätzers zu bewerten. Somit bildet die Simulation eine solide Basis für den zukünftigen Entwurf effizienter Algorithmen zur Ressourcenallokation.

Current broadband wireless standards are based on Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), a multicarrier modulation scheme that provides strong robustness against multipath fading. However, due to the increasing demand for new high data rate services, an important task in the design of future OFDM systems is to exploit frequency diversity offered by a broadband channel. The efficient way to preserve power and bandwidth efficiency is to perform an efficient resource allocation by adapting transmission parameters (bandwidth, coding/data rate, power) while satisfying certain system requirements. However, the investigation and assessment of information theoretic concepts in a radio frequency (RF) environment is limited in the literature. This is mostly due to the lack of commercial hardware that can support adaptable transmission parameters. Currently, these functionalities are only offered by Software Defined Radio (SDR) technology supported by general purpose hardware. This work aims at bringing information theoretic concepts for wireless resource management closer to the practical application by identifying and addressing the important challenges that arise from the implementation of an adaptive OFDM communication system. This comprises the presence of a real radio frequency (RF) channel, as well as the critical influence of the SNR estimation and hardware imperfections on the system performance. The contributions in this theses are of theoretical and practical nature. Because the signal-to-noise ratio (SNR) provides the measure of signal quality often used as an input parameter for many resource allocation algorithms, the theoretical contribution of this work focuses largely on proposing an efficient algorithm for the SNR estimation in wireless OFDM systems. Furthermore, this work contains the study of the rate adaptive resource allocation algorithms in a synchronization mismatch scenario with the proposed SNR estimator. This discussion provides information about performance degradation of a real implementable transceiver with respect to an ideal transmission system with perfectly estimated parameters. The main practical contribution of this work is the design and implementation of an SDR-based reconfigurable framework for testing the capacity-achieving adaptive OFDM transmission in a wireless RF environment. The implementation comprises a complete OFDM physical layer transceiver with a large set of reconfigurable parameters, which are normally static in real systems. This framework enables adaptivity of individual subcarriers such that practical evaluation of resource allocation algorithms can be performed. The transceiver performance is characterized and analyzed through the concept of SNR loss and corresponding rate-power function. The performance evaluation of the resource allocation algorithms in real RF conditions using the TIGR framework is presented. The results are compared with the simulation results showing the applicability of hardware imperfections models and robustness of the proposed SNR estimator to the design of efficient resource allocation algorithms.

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