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Datenübertragung mit Rückkanal in Software-Defined Radio

Tobias Mailänder

Titel

Datenübertragung mit Rückkanal in Software-Defined Radio

Autor/in

Datierung

06.01.2020

Beschreibung

Die Hochschule Luzern untersucht die Möglichkeit mit SDRs eine Datenübertragung mit Rückkanal zu
entwickeln. Für die Untersuchung werden die Modelle LimeSDR mini von Lime microsystems verwendet.
Mit GNU Radio können die Funkmodule programmiert werden und ermöglicht viele verschiedene
Realisierungen der Übertragung. Die Signalverarbeitung von GNU Radio kann mit Python ergänzt werden.
Das gesendete Signal wird QPSK moduliert und bei einer Frequenz von 868.1 MHz übermittelt. Die
Empfängerseite filtert das Signal mit einem root raised cosine filter und schreibt es in einen Socket. Ein
Python Programm greift auf den Socket zu und verarbeitet die empfangenen Signale.
Die Pakete werden durch eine Korrelation der empfangenen Signale mit der Präambel erkannt und die
angehängten Symbole rekonstruiert. Mit dem Maximum Likelihood Estimation Verfahren wird der Time
Offset und Phase Drift geschätzt und die Symbole korrigiert. Nach der Korrektur wird mit einem PLL den
Oscillator Drift kompensiert und die Symbole geschätzt. Nach der Auswertung der geschätzten Symbole des
Pakets wird eine Antwort gebildet und zurückgesendet.
Eine Recherche im Internet hat gezeigt, auf welche Weise eine bidirektionale Kommunikation koordiniert
werden kann. Damit sich die Kommunikation nicht selber stört, wird der Kanal als time division duplex
(TDD) verwendet. Als ARQ Protokoll steht das Stop and Wait Verfahren im Einsatz. Zur Kontrolle, ob ein
Paket korrekt ankommt, wird mit CRC ein Prüfwert an das Ende des Pakets angefügt.
Mit einer Simulation der Kommunikation und Funkverbindung, konnte das Konzept geprüft und bestätigt
werden. Nachdem die Kommunikation mit den Funkmodulen unter realen Bedingungen ausgeführt wurde,
wurden viele Pakete nicht erkannt oder nicht akzeptiert. Was die genauen Quellen dieser Fehler sind, konnte
nicht entdeckt werden. Die Signalverarbeitung und das Konzept ist durch die Simulation bestätigt.
Damit die Kommunikation verwendet werden kann, werden die Pakete mit einem fehlerkorrigierenden Code
ergänzt. Durch eine Recherche wurde der Zyklischer Hamming Code entdeckt und umgesetzt. Die vom
Block Code generierte Bitfolge besteht aus 4 Datenbits und 3 Kontrollbits.
Das Ergebnis zeigt, dass die Pakete öfters akzeptiert werden und die Kommunikation besser vorankommt. Es
ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Funkverbindung nicht verbessert wurde. Das Konzept wurde ergänzt
um die Fehler möglichst gut zu kompensieren.

The Lucerne University of Applied Sciences and Arts is investigating the possibility of using SDRs to
develop data transmission with a return channel. For the investigation the models LimeSDR mini from Lime
microsystems are used.
With GNU Radio the radio modules can be programmed and allows many different realizations of the
transmission. The signal processing of GNU Radio can be completed with Python.
The transmitted signal is QPSK modulated and transmitted at a frequency of 868.1 MHz. The receiver side
filters the signal with a root raised cosine filter and writes it into a socket. A Python program accesses the
socket and processes the received signals.
The packets are recognized by a correlation of the received signals with the preamble and the attached
symbols are reconstructed. With the Maximum Likelihood Estimation procedure the time offset and phase
drift is estimated and the symbols are corrected. After the correction the oscillator drift is compensated with a
PLL and the symbols are estimated. After evaluation of the estimated symbols of the packet a response is
formed and sent back.
A research on the Internet has shown how bidirectional communication can be coordinated. In order to
prevent the communication from interfering itself, the channel is used as time division duplex (TDD). As
ARQ protocol the stop and wait procedure is used. To check whether a packet arrives correctly, a check value
is added to the end of the packet with CRC.
With a simulation of the communication and radio link, the concept could be tested and confirmed. After the
communication with the radio modules was carried out under real conditions, many packets were not
recognized or not accepted. What the exact sources of these errors are could not be discovered. The signal
processing and the concept is confirmed by the simulation.
In order to use the communication, the packets are supplemented with an error correcting code. Through
research the cyclic Hamming code was discovered and implemented. The bit sequence generated by the block
code consists of 4 data bits and 3 control bits.
The result shows that the packets are accepted more often and the communication progresses better.
However, it should be noted that the radio link has not been improved. The concept has been extended to
compensate the errors as good as possible.

Urheberrechtshinweis