Interference analysis of WLAN communication

Abstract

Die immens wachsende IoT Branche zielt darauf ab, möglichst viele Geräte miteinander zu vernetzen und Informationen auszutauschen. Da ein großer Ansturm auf diesen Markt zu verzeichnen ist, stellte IoT sich als einer der größten Erfolgsgeschichten der letzen Jahre heraus. Thema der vorliegenden Diplomarbeit ist somit, die finanziellen Einstiegsbarrieren der genannten Branche auch für kleinere Firmen, wie zum Beispiel Start-ups, zu reduzieren. Es wurden kostengünstige Implementierungen für die Charakterisierung von IoT Geräten unter Einfluss von Interferenzen erarbeitet. IoT verwendet für das ISM Band typisch zugelassene Kommunikationsstandards, z.B. WLAN und BLE. Aus diesem Grund wurde eine Messkampagne abgehalten, um das Interferenz Szenario von WLAN Kanälen statistisch zu beschreiben. Zwei Methoden, die Zeit-Quantisierung sowie die Energiedetektion, ermöglichten es, den aufgezeichneten Datenverkehr zu analysieren. Die daraus gewonnenen Parameter bestimmen die Leistung und die Länge des Inteferenzsignals. Des Weiteren wurde ein Messaufbau errichtet, der auf einem WLAN Netzwerk basiert. Hiermit wurden die Auswirkungen von Interferenzen mit typischen leistungsbezogenen Netzwerkparametern, wie Paketfehlerraten und Datendurchsatz, zu beschrieben. Zuzüglich wurden alternative preiswerte Interferenzquellen mit professionellem Hochfrequenz Equipment verglichen. Da die ISM Band Daten überwiegend WLAN basierende Kommunikationen aufwies, erfolgte vorerst die Annahme, Inteferenzen mit einem WLAN Modul zu emulieren. Wegen limitierter Konfigurationsmöglichkeiten solcher Systeme wurde dieser Ansatz jedoch nicht weiterverfolgt. Vielmehr wurde die Ähnlichkeit der Amplitudenverteilung von Modulationstechniken, wie OFDM, und Rauschen ausgenutzt. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ISM Band Interferenzen mit einer simpel aufgebauten Rauschquelle nachzuahmen. Verglichen mit Hochfrequenz Equipment erzielte die Anwendung der Zeit-Quantisierungs Methode, zur Modellierung von Rauschsignalen, die besten Ergebnisse.

The IoT is a strongly growing branch, aiming to connect all kinds of devices exchanging information. As there is a heavy rush to this market, IoT became one of the biggest success stories in the last decade. In order to lower financial access barriers to this sector for small companies, such as start-ups, this thesis addresses low-cost implementations for device-testing methods in terms of interference. As IoT devices utilize ISM band-related communication standards, e.g., WLAN and BLE, a measurement campaign was held to describe the interference scenario of WLAN channels. Two methods have been found to analyze the traffic (time-quantized analysis and energy detection) and extract parameters for interference emulation. These parameters randomly alter the power level and the respective frame length of the interfering signals. Furthermore, an interference measurement setup based on a WLAN communication system was implemented. This setup was used to verify the introduced emulation techniques by measuring two typical performance parameters, i.e., PER and throughput. In addition to this, the performance of alternative low-cost interference sources was compared to professional RF equipment. As the ISM band traffic was dominated by WLAN communications, the first approach was to emulate interference by utilizing a WLAN module. However, because of configuration limitations of such systems, this attempt has been dropped. Therefore, similarities between common modulation techniques, such as OFDM, and noise, regarding their amplitude distributions were exploited. It was shown that it is possible to emulate ISM band traffic with a simple-structured noise source. The best performance results, compared to RF instruments, were achieved by applying the time-quantized method for modeling noise bursts.