Kỹ thuật cho radio nhận thức đa chuẩn trên FPGA

Luận án tiến sĩ phân tích techniques for multistandard cognitive radios on fpgas, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức mới cho ngành.

Trường đại học

Nanyang Technological University

Chuyên ngành

Computer Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

thesis

2015

194
3
0

Phí lưu trữ

45 Point

Tóm tắt

I. Kỹ thuật radio nhận thức đa chuẩn

Kỹ thuật radio nhận thức đa chuẩn (MSCR) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong truyền thông không dây. MSCR cho phép các thiết bị radio hoạt động trên nhiều băng tần và tiêu chuẩn khác nhau, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần. Việc áp dụng kỹ thuật radio này trên nền tảng FPGA mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng tái cấu hình linh hoạt và hiệu suất cao. Các hệ thống radio truyền thống thường gặp khó khăn trong việc thích ứng với các điều kiện kênh thay đổi, trong khi MSCR có thể điều chỉnh các tham số như công suất phát, tốc độ mã hóa và băng thông để tối ưu hóa hiệu suất. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh công nghệ nhận thức đang phát triển mạnh mẽ, nơi mà việc sử dụng phổ tần hiệu quả là rất cần thiết.

1.1. Lợi ích của FPGA trong kỹ thuật radio

FPGA (Field Programmable Gate Array) là một công nghệ quan trọng trong việc phát triển các hệ thống radio nhận thức. FPGA cho phép xây dựng các đường dẫn dữ liệu phần cứng tùy chỉnh, giúp tăng tốc độ xử lý và giảm tiêu thụ năng lượng. Việc sử dụng FPGA trong hệ thống radio mang lại khả năng xử lý song song, cho phép thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu băng thông cao và độ trễ thấp. Hơn nữa, khả năng tái cấu hình của FPGA cho phép các nhà thiết kế dễ dàng điều chỉnh hệ thống để phù hợp với các tiêu chuẩn khác nhau, từ WiFi đến GSM. Như vậy, FPGA không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tạo ra sự linh hoạt cần thiết cho các hệ thống radio hiện đại.

II. Các phương pháp đồng bộ hóa trong OFDM

Đồng bộ hóa là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Các phương pháp đồng bộ hóa hiệu quả giúp cải thiện khả năng nhận diện tín hiệu trong các kênh truyền dẫn phức tạp. Trong nghiên cứu này, các phương pháp đồng bộ hóa được phát triển nhằm tối ưu hóa hiệu suất của kỹ thuật radio trong môi trường có nhiễu. Việc sử dụng các bộ tương quan không có bộ nhân (multiplierless correlators) giúp giảm thiểu độ phức tạp tính toán và tiêu thụ năng lượng. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng các phương pháp đồng bộ hóa mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất trong các kênh AWGN và fading. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa các phương pháp đồng bộ hóa là rất cần thiết để phát triển các hệ thống radio nhận thức hiệu quả.

2.1. Thiết kế bộ tương quan cho đồng bộ hóa

Thiết kế bộ tương quan cho đồng bộ hóa trong OFDM là một thách thức lớn. Các bộ tương quan truyền thống thường yêu cầu nhiều tài nguyên phần cứng và tiêu thụ năng lượng cao. Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp thiết kế bộ tương quan không có bộ nhân, giúp giảm thiểu tài nguyên cần thiết mà vẫn đảm bảo hiệu suất cao. Kết quả cho thấy rằng bộ tương quan này có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện kênh khác nhau, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống radio nhận thức trên nền tảng FPGA. Việc tối ưu hóa thiết kế này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất và bảo trì hệ thống.

III. Quản lý rò rỉ phổ trong OFDM

Quản lý rò rỉ phổ là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống OFDM, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ nhận thức. Rò rỉ phổ có thể gây ra nhiễu cho các người dùng có giấy phép, làm giảm hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới để quản lý rò rỉ phổ, cho phép sử dụng phổ hiệu quả hơn trong các tình huống phân bổ phổ động. Phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu rò rỉ mà còn tối ưu hóa việc sử dụng phổ cho các người dùng không có giấy phép. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện thực tế.

3.1. Phân tích hiệu suất của phương pháp quản lý rò rỉ

Phân tích hiệu suất của phương pháp quản lý rò rỉ phổ cho thấy rằng việc áp dụng các kỹ thuật lọc mới có thể giảm thiểu đáng kể mức độ rò rỉ. Các mô hình tín hiệu và kênh được sử dụng để đánh giá hiệu suất của phương pháp này trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy rằng phương pháp này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giúp tăng cường khả năng tương thích với các tiêu chuẩn khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng việc quản lý rò rỉ phổ là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các hệ thống radio nhận thức đa chuẩn trên nền tảng FPGA.

09/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

NANYANG TECHNOLOGICAL UNIVERSITY Techniques for Multi-Standard Cognitive Radios on FPGAs Pham Hung Thinh School of Computer Engineering A thesis submitted to Nanyang Technological University in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy September 2015 Acknowledgments It is great pleasure to me in expressing my gratitude to all those people who have continuously supported me and had their contributions in making this thesis possible. I would like to express my sincere thanks and appreciation to my supervisors, Prof. Suhaib Fahmy, and Prof. Ian McLoughlin for giving me constant trust during the entire research of my Ph.

studies, for their helpful suggestions and advices, for their continuous support and their teachings essential to achieve this objective. I express my sincere gratitude towards Prof. Samarjit Chakraborty at Institute for Real-Time Computer Systems, TU Munich for providing me an internship opportunity in the final stage of my PhD. I also wish to thank all colleagues and technical staffs in CHiPES for their prompt support and helpful in providing all the facilities required for my research work.

Last but not least, I would like to acknowledge my family in Viet Nam, for their constant love and encouragement. i Abstract The thesis explores techniques for enabling cognitive radio design on field pro- grammable gate arrays (FPGAs). We demonstrate the strengths of FPGAs in offering a high throughput, low-power baseband platform, and develop a flexi- ble Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) baseband chain with high-level control and support for multiple standards. We present contributions in OFDM synchronisation to enable more robust radios in harsher channels, and tolerating less precise RF components.

We also present a novel technique for managing out of band leakage to enable more efficient spectral use in a dynamic spectrum allocation setting. For each of these approaches, we design, optimise, and characterise working hardware implementations of the required modules, with a focus on flexibility and low power. Finally, we present an approach for apply- ing FPGA partial reconfiguration to minimise reconfiguration time when a radio switches modes, allowing intermediate data to be buffered and processed after re- configuration is complete. These contributions form an important foundation in building a fully functional prototyping platform for cognitive radio systems.

ii Contents Acknowledgments. ii List of Abbrevations xi List of Notation .1 Cognitive and Software Defined Radio .1 Multi-Standard Cognitive Radios .2 Existing Radio Platforms .2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing .2 OFDM Radio Systems .5 Shaping OFDM Spectral Leakage .1 Spectrum Emission Masks in Recent Standards .2 Dynamic Channel Requirements .3 Filtering in OFDM Implementations .3 Field Programmable Gate Arrays .1 FPGAs for Radio Platforms .2 Power Dissipation on FPGA .3 Power Estimation Tools. 43 iii CONTENTS iv 3 Multiplierless Correlator Design for OFDM Timing Synchronisa- tion 44 3.1 Design of DSP48E1 Based Correlator .2 Design of Multiplierless Correlator .3 Simulation and Discussion. 55 4 Method for OFDM Timing Synchronisation 56 4.1 Coarse STO and Fractional CFO Estimation .2 Fractional CFO Compensation .3 Fine STO Estimation .3 Proposed Fractional CFO Estimation and Synchronisation .1 Frame Synchronisation and Fractional CFO Estimation .2 Fractional CFO Compensation .3 Simulation Results and Discussion .1 Performance in AWGN .2 Performance in Fading Channels .3 Performance with Large Frequency Offset .1 Implementation of Conventional Synchroniser .2 Implementation of Proposed Synchroniser .3 Effect of Reduced Precision.

82 5 IFO Estimation Method for OFDM Frequency Synchronisation 83 5.3 Enhanced OFDM Synchronisation Through Novel IFO Estimation Architecture. 105 CONTENTS v 6 Spectrum Efficient Shaping Method for OFDM Cognitive Radios106 6.2 Signal Model for Spectral Leakage Filtering .11p Signal and Channel Models .11af Signal and Channel Models .2 Image Spectrum Cancellation By FIR Filter .4 Proposed Spectrum Efficient Shaping Method .1 New Spectral Leakage Filtering Method .2 Novel CR Filtering Architecture .5 Simulation Results and Discussion .1 Configuration and Performance Evaluation for 802.2 Configuration and Performance Evaluation for 802.11af Spectral Efficiency. 129 7 An Architecture for Multi-Standard Cognitive Radios 131 7.3 Proposed OFDM Baseband for MSCR .4 Fine STO Estimation .5 Remove Cyclic Prefix .7 IFO Estimation and Channel Equalisation .9 Data symbol demodulation (DatSymDem) .4 Performance Analysis and Discussion .1 Latency and Stalling for PR-Based Baseband .2 Analysing the Proposed OFDM MSCR Approach. 159 8 Conclusions and Future Work 161 8.1 Summary of Contributions .1 Robust, Efficient Synchronisation .2 OFDM Spectrum Shaping .3 Multi-Standard Radio Design .2 Future Research Directions .1 Increasing Spectrum Efficiency with Shaping for NC-OFDM 163 8.2 Efficiently Adaptive Shaping Spectral Leakage .3 Standardised Software Interface for Multi-Standard Radio Platform .4 Alternative MultiCarrier Modulations Techniques .5 Higher Layer Knowledge to Minimise Reconfiguration Time 165 8.

165 Bibliography 166 List of Figures 2.1 Block diagram of a multicarrier modulated system, (a) in the countinuous- time and (b) in discrete-time .2 The spectrum of subcarriers in OFDM [1].3 OFDM transmission without cyclic prefix results in ISI among ad- jacent symbol.4 OFDM transmission with cyclic prefix avoids ISI among adjacent symbol.5 Inserting Cyclic Prefix in the OFDM symbol.6 An OFDM system model.7 Block diagram of an OFDM radio system.8 OFDM received symbol with timing offsets of -1, 1, -5 and 5 in a, b, c, d, respectively.9 Inter carrier interference (ICI) caused by frequency offset ∆f .10 The constellations of OFDM received symbol with frequency offets of 0.25 sub-carries spacing in a, b, c, d, respectively.11 The constellations of 5 consecutive OFDM received symbols with frequency offsets of 0.12 The constellations of an OFDM received symbol and 5 consecutive OFDM received symbols with phase noise variance of 0.25 rad2 in (a), (b) respectively.13 The comparison between TVBD SEM and 802.14 The comparison between traditional and DUC Front-end.1 Downlink preamble symbols for IEEE 802.2 Transposed direct form correlator.3 Structure of DSP48E1 block inside the Virtex-6 [2].4 Pipeline structure of the complex number multiply-add.5 Pipeline structure of correlator using DSP48E1 blocks.6 Structure of multiplierless correlators.7 Correlator power consumption at different frequencies.8 Correlator output with SNR = 10 dB.9 Detection failure rate with increasing SNR.1 The timing metric in [3] applied to the IEEE 802.16-2009 preamble in an AWGN channel (SNR = 10dB). 58 vii LIST OF FIGURES viii 4.2 The timing metric in [4] applied to the IEEE 802.16 preamble in an AWGN channel (SNR = 10dB) .3 Proposed timing metrics applied to the IEEE 802.16 preamble in AWGN (SNR = 10 dB, CFO = 10.4 The synchronisation flow according to the received samples within the preamble showing its packet format above the conventional syn- chronisation scheme flow (middle), and proposed scheme (bottom). With the packet timing illustrated above.5 Performance of the frame synchronisation method versus the selec- tion threshold for an AWGN channel (with SNR =10dB).6 Performance of time synchronisation in AWGN channels with a fre- quency offset of 0.7 Performance of fractional frequency offset estimation in AWGN channels.8 Frame synchronisation performance of various methods in an SUI1 channel with respect to SNR.9 Frame synchronisation performance of various methods in an SUI2 channel with respect to SNR.10 Performance of frame synchronisation in an AWGN channel with uniform random frequency offset varying from -10 to 10 times carrier spacing, with respect to SNR.11 Architecture of the conventional synchronisation FPGA implemen- tation.12 Architecture for the proposed synchronisation method implemented on FPGA.13 Implementation of energy correlator on FPGA.14 Performance of CFO estimation in an AWGN channel against SNR, with different numbers of fractional bits used in the computation of P 0.15 Performance of frame synchronisation in an AWGN channel against SNR, with different numbers of fractional bits used in the compu- tation of R0 .1 Baseband processing block diagram.2 Pilots in the long preamble of IEEE 802.3 Circuit for the known-pilots shift register.4 Resource sharing approach for computing V˜.5 Architecture of proposed IFO estimator.6 Fail rate of IFO estimation methods in AWGN channel without RTO.7 Fail rate of IFO estimation methods in AWGN channel with RTO.8 Fail rate of IFO estimation methods in SUI1 channel.9 Fail rate of IFO estimation methods in SUI2 channel.10 Fail rate for different wordlengths in AWGN channel without RTO.11 Fail rate for different wordlengths in AWGN channel with RTO.12 Fail rate for different wordlengths in SUI1 channel. 100 LIST OF FIGURES ix 5.13 Fail rate for different wordlengths in SUI2 channel.14 DSP block based 3-input adder for correlation.1 Pulse Shaping operation performed on OFDM symbols.2 Spectral envelope due to pulse shaping OFDM symbols using three smoothing functions and different roll-off factors for 802.

Class C and D spectral emission mask limits are overlaid as dotted lines.11p OFDM symbols shaped with different window functions, with the image spectrum included.4 Spectra of OFDM symbols for 802.11p using different FIR interpo- lation filters, with L = 8.5 The CR-Based architecture for adaptive OFDM spectral leakage shaping.11p signal of the proposed CR architecture after interpolation.11p signal using option Prop1 with 20th order FIR filtering.11p signal for Prop2 with 12th order FIR filtering.11af signal using the proposed CR architecture.10 Fitting Filtered Spectrum of 802.11af signal to SEMs.1 The structure of a generic MSCR system .2 The receiver FIFO module.3 Block diagram of Synchronisation module.4 Block diagram of frequency compensation module.5 Block diagram of fine STO estimation module.6 The block diagram of IFO estimation and channel equalisation .7 Block diagram of phase tracking module.8 Comparison of reconfiguration latency for a single and multiple PR modules.9 Bitstream sizes for PR modules.10 The latency of sub-modules for three standards .11 The configuration time and latency of sub-modules for OFDM- based MSCR system .12 A scenario of a transmission .13 The halting time comparison of the system for three different ap- proaches.14 A comparison of the three approaches in terms of system reconfig- uration latency and FIFO requirements.16 Block diagram of verified system .17 The verification results of the transmitter.18 Verification results of the receiver.19 Verification results of the baseband system. 159 List of Tables 3.1 Resource utilisation summary.2 Correlator power consumption at 50 MHz.1 Resources required for computing P 0 on FPGA with different word lengths, Q1.2 Resources required for computing R’ on FPGA with different word lengths, Q1.3 Total resources consumed by a full word length implementation of SoA and four reduced complexity instances of the proposed method. Dynamic (Dpwr) and quiescent power (Qpwr) consumption are re- ported in mA. Maximum frequency is reported in MHz.4 Resource comparison between two synchronisation methods.1 Resource utilisation and dynamic power of IFO estimators.1 Major parameters of 802.11af OFDM PHYs .2 Popular window-based FIR filter lengths .3 Hardware Usage for spectral shaping .1 System specifications of three supported OFDM-based standards.2 Parameterised values according to supported standards .3 Allocation vector coding.22 OFDM-based implementation .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Kỹ thuật radio nhận thức đa chuẩn trên FPGA" khám phá những ứng dụng và lợi ích của công nghệ radio nhận thức trong việc tối ưu hóa việc sử dụng tần số vô tuyến. Bài viết nhấn mạnh cách mà FPGA (Field Programmable Gate Array) có thể được sử dụng để phát triển các hệ thống radio nhận thức đa chuẩn, giúp cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và giảm thiểu nhiễu. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách thức hoạt động của công nghệ này, cũng như những thách thức và cơ hội trong việc triển khai nó trong thực tế.

Nếu bạn muốn mở rộng kiến thức của mình về các khía cạnh liên quan, hãy tham khảo bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật viễn thông nghiên cứu và thiết kế vi mạch khuếch đại nhiễu thấp băng thông rộng 618 ghz, nơi bạn có thể tìm hiểu thêm về thiết kế mạch khuếch đại trong lĩnh vực viễn thông. Ngoài ra, bài viết Luận án nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị ghi đo bức xạ hiện trường sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số dsp vào mảng các phần tử logic lập trình fpga sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng dụng của FPGA trong việc ghi đo bức xạ. Cuối cùng, bạn cũng có thể tham khảo Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử thuật toán tổng hợp mạch khả đảo đa ngõ ra hoàn chỉnh để hiểu rõ hơn về các thuật toán trong thiết kế mạch điện tử. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về công nghệ và ứng dụng của FPGA trong lĩnh vực viễn thông và điện tử.