Real-Time Waveform Prototyping

Mobile Netzwerke der fünften Generation zeichen sich aus durch vielfältigen Anforderungen und Einsatzszenarien. Drei unterschiedliche Anwendungsfälle sind hierbei besonders relevant: 1) Industrie-Applikationen fordern Echtzeitfunkübertragungen mit besonders niedrigen Ausfallraten. 2) Internet-of-things-Anwendungen erfordern die Anbindung einer Vielzahl von verteilten Sensoren. 3) Die Datenraten für Anwendung wie z.B. der Übermittlung von Videoinhalten sind massiv gestiegen. Diese zum Teil gegensätzlichen Erwartungen veranlassen Forscher und Ingenieure dazu, neue Konzepte und Technologien für zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme in Betracht zu ziehen. Ziel ist es, aus einer Vielzahl neuer Ideen vielversprechende Kandidatentechnologien zu identifizieren und zu entscheiden, welche für die Umsetzung in zukünftige Produkte geeignet sind. Die Herausforderungen, diese Anforderungen zu erreichen, liegen jedoch jenseits der Möglichkeiten, die eine einzelne Verarbeitungsschicht in einem drahtlosen Netzwerk bieten kann. Daher müssen mehrere Forschungsbereiche Forschungsideen gemeinsam nutzen. Diese Arbeit beschreibt daher eine Plattform als Basis für zukünftige experimentelle Erforschung von drahtlosen Netzwerken unter reellen Bedingungen. Es werden folgende drei Aspekte näher vorgestellt: Zunächst erfolgt ein Überblick über moderne Prototypen und Testbed-Lösungen, die auf großes Interesse, Nachfrage, aber auch Förderungsmöglichkeiten stoßen. Allerdings ist der Entwicklungsaufwand nicht unerheblich und richtet sich stark nach den gewählten Eigenschaften der Plattform. Der Auswahlprozess ist jedoch aufgrund der Menge der verfügbaren Optionen und ihrer jeweiligen (versteckten) Implikationen komplex. Daher wird ein Leitfaden anhand verschiedener Beispiele vorgestellt, mit dem Ziel Erwartungen im Vergleich zu den für den Prototyp erforderlichen Aufwänden zu bewerten. Zweitens wird ein flexibler, aber echtzeitfähiger Signalprozessor eingeführt, der auf einer software-programmierbaren Funkplattform läuft. Der Prozessor ermöglicht die Rekonfiguration wichtiger Parameter der physikalischen Schicht während der Laufzeit, um eine Vielzahl moderner Wellenformen zu erzeugen. Es werden vier Parametereinstellungen 'LLC', 'WiFi', 'eMBB' und 'IoT' vorgestellt, um die Anforderungen der verschiedenen drahtlosen Anwendungen widerzuspiegeln. Diese werden dann zur Evaluierung der die in dieser Arbeit vorgestellte Implementierung herangezogen. Drittens wird durch die Einführung einer generischen Testinfrastruktur die Einbeziehung externer Partner aus der Ferne ermöglicht. Das Testfeld kann hier für verschiedenste Experimente flexibel auf die Anforderungen drahtloser Technologien zugeschnitten werden. Mit Hilfe der Testinfrastruktur wird die Leistung des vorgestellten Transceivers hinsichtlich Latenz, erreichbarem Durchsatz und Paketfehlerraten bewertet. Die öffentliche Demonstration eines taktilen Internet-Prototypen, unter Verwendung von Roboterarmen in einer Mehrbenutzerumgebung, konnte erfolgreich durchgeführt und bei mehreren Gelegenheiten präsentiert werden.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part listThe demand to achieve higher data rates for the Enhanced Mobile Broadband scenario and novel fifth generation use cases like Ultra-Reliable Low-Latency and Massive Machine-type Communications drive researchers and engineers to consider new concepts and technologies for future wireless communication systems. The goal is to identify promising candidate technologies among a vast number of new ideas and to decide, which are suitable for implementation in future products. However, the challenges to achieve those demands are beyond the capabilities a single processing layer in a wireless network can offer. Therefore, several research domains have to collaboratively exploit research ideas. This thesis presents a platform to provide a base for future applied research on wireless networks. Firstly, by giving an overview of state-of-the-art prototypes and testbed solutions. Secondly by introducing a flexible, yet real-time physical layer signal processor running on a software defined radio platform. The processor enables reconfiguring important parameters of the physical layer during run-time in order to create a multitude of modern waveforms. Thirdly, by introducing a generic test infrastructure, which can be tailored to prototype diverse wireless technology and which is remotely accessible in order to invite new ideas by third parties. Using the test infrastructure, the performance of the flexible transceiver is evaluated regarding latency, achievable throughput and packet error rates.:List of figures List of tables Abbreviations Notations 1 Introduction 1.1 Wireless applications 1.2 Motivation 1.3 Software-Defined Radio 1.4 State of the art 1.5 Testbed 1.6 Summary 2 Background 2.1 System Model 2.2 PHY Layer Structure 2.3 Generalized Frequency Division Multiplexing 2.4 Wireless Standards 2.4.1 IEEE 802.15.4 2.4.2 802.11 WLAN 2.4.3 LTE 2.4.4 Low Latency Industrial Wireless Communications 2.4.5 Summary 3 Wireless Prototyping 3.1 Testbed Examples 3.1.1 PHY - focused Testbeds 3.1.2 MAC - focused Testbeds 3.1.3 Network - focused testbeds 3.1.4 Generic testbeds 3.2 Considerations 3.3 Use cases and Scenarios 3.4 Requirements 3.5 Methodology 3.6 Hardware Platform 3.6.1 Host 3.6.2 FPGA 3.6.3 Hybrid 3.6.4 ASIC 3.7 Software Platform 3.7.1 Testbed Management Frameworks 3.7.2 Development Frameworks 3.7.3 Software Implementations 3.8 Deployment 3.9 Discussion 3.10 Conclusion 4 Flexible Transceiver 4.1 Signal Processing Modules 4.1.1 MAC interface 4.1.2 Encoding and Mapping 4.1.3 Modem 4.1.4 Post modem processing 4.1.5 Synchronization 4.1.6 Channel Estimation and Equalization 4.1.7 Demapping 4.1.8 Flexible Configuration 4.2 Analysis 4.2.1 Numerical Precision 4.2.2 Spectral analysis 4.2.3 Latency 4.2.4 Resource Consumption 4.3 Discussion 4.3.1 Extension to MIMO 4.4 Summary 5 Testbed 5.1 Infrastructure 5.2 Automation 5.3 Software Defined Radio Platform 5.4 Radio Frequency Front-end 5.4.1 Sub 6 GHz front-end 5.4.2 26 GHz mmWave front-end 5.5 Performance evaluation 5.6 Summary 6 Experiments 6.1 Single Link 6.1.1 Infrastructure 6.1.2 Single Link Experiments 6.1.3 End-to-End 6.2 Multi-User 6.3 26 GHz mmWave experimentation 6.4 Summary 7 Key lessons 7.1 Limitations Experienced During Development 7.2 Prototyping Future 7.3 Open points 7.4 Workflow 7.5 Summary 8 Conclusions 8.1 Future Work 8.1.1 Prototyping Workflow 8.1.2 Flexible Transceiver Core 8.1.3 Experimental Data-sets 8.1.4 Evolved Access Point Prototype For Industrial Networks 8.1.5 Testbed Standardization A Additional Resources A.1 Fourier Transform Blocks A.2 Resource Consumption A.3 Channel Sounding using Chirp sequences A.3.1 SNR Estimation A.3.2 Channel Estimation A.4 Hardware part lis

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