SDR OFDM frame generation according to IEEE 802.22 : OFDMA modulation scheme for sub-GHz band

Abstract

This thesis proposes a new radio transmission protocol Amateurradio Wireless Regional Area Network (AWRAN) for access to the amateur radio network Highspeed Amateurradio Multimedia NETwork (HAMNET) that does not require LOS to the access point. Furthermore, the thesis documents and discusses the prototypical implementation of simplified frames of this protocol on software-defined radio (SDR) and the test apparatus used for this purpose.The first chapter introduces the IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network (WRAN) standard on which AWRAN is based. Terms such as Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) are described, as well as their advantages and applications. There are described the modulation techniques phase-shift keyinq (PSK) and quadrature amplitude-shift keying (QAM), channel coding for error detection and correction, and the sources of these errors. The second chapter gives a detailed description of the parameters of the proposed AWRAN protocol. OFDM parameters, frame and superframe structures are described. The method of co-existence of multiple AWRAN cells and the exact form of the fourteen control messages that allow efficient allocation of bandwidth resources among up to four base stations and up to 63 users connected to each of these stations are described.The third section describes the structure of the simplified frame that was implemented on the RPX-100 testbed. It also describes the apparatus itself and its basic hardware building blocks as well as the software library that was used to implement the simplified frame. This chapter also describes the prepared test link and the theoretical calculation of the attenuation of this link.The fourth chapter deals with the programs that were developed as part of this work. Two of them were done for a first introduction to the hardware and software libraries. Another program serves as a generator of the previously described simplified frames, which are sent using SDR. The same program could be used as well as the receiver of these frames. The last program prepared performs a simulation of the wireless transmission using a mathematical model of the channel. It calculates the dependence of bit error rate (BER) on signal-to-noise ratio (SNR) for the simulated transmission.The last section lists the functions that were defined and used in programs from the previous section.

In dieser Arbeit wird ein neues Funkübertragungsverfahren Amateurradio Wireless Regional Area Network (AWRAN) für den Zugang zum Amateurfunknetz Highspeed Amateurradio Multimedia NETwork (HAMNET) vorgeschlagen, das keine direkte Sichtverbindung zum Zugangsknoten erfordert. Des Weiteren dokumentiert und diskutiert diese Arbeit eine prototypische Implementierung von vereinfachten Datenrahmen (engl: frames) dieses Übertragungsprotokolls mittels software-defined radio (SDR) auf den dafür verwendeten Testgeräten. Im ersten Kapitel wird der Standard IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network (WRAN) vorgestellt, auf dem AWRAN basiert. Begriffe wie OFDM und OFDMA werden beschrieben, ebenso wie ihre Vorteile und Anwendungen. Beschrieben werden auch die Modulationsverfahren phase-shift keyinq (PSK) und quadrature amplitude-shift keying (QAM), die Kodierung zur Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern sowie die Fehlerquellen.Das zweite Kapitel enthält eine detaillierte Beschreibung der Parameter des vorgeschlagenen AWRAN-Protokolls. OFDM-Parameter, Rahmenstruktur und Superframes werden beschrieben. Die Methode der Koexistenz mehrerer AWRAN-Zellen und die genaue Form der vierzehn Kontrollnachrichten, die eine effiziente Zuweisung von Bandbreitenressourcen zwischen bis zu vier Basisstationen und bis zu 63 mit jeder dieser Stationen verbundenen Benutzern ermöglichen, werden beschrieben.Der dritte Abschnitt beschreibt die Struktur des Vereinfachungsrahmens, der auf dem RPX-100 Testbed implementiert wurde. Er beschreibt auch das Gerät selbst und seine grundlegenden Hardware-Bausteine sowie die Software-Bibliothek, die zur Implementierung des vereinfachten Rahmens verwendet wurde. Dieses Kapitel beschreibt auch die vorbereitete Teststrecke und die theoretische Berechnung der Dämpfung dieser Strecke.Das vierte Kapitel befasst sich mit den Programmen, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden. Zwei von ihnen wurden für eine erste Einführung in die Hardware- und Softwarebibliotheken verwendet. Ein weiteres Programm dient als Generator der zuvor beschriebenen vereinfachten Rahmen, die es dann unter Verwendung von SDR sendet. Das letzte vorbereitete Programm führt eine Simulation der drahtlosen Übertragung unter Verwendung eines mathematischen Modells des Kanals durch und berechnet darüber hinaus die Abhängigkeit von bit error rate (BER) von signal-to-noise ratio (SNR) für die so simulierte Übertragung.Im letzten Abschnitt werden die Funktionen aufgeführt, die im vorherigen Abschnitt definiert und verwendet wurden.