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Wideband OFDM System for Indoor Communication at 60 GHz

Ein Breitband-OFDM-System für lokale drahtlose Kommunikation im 60-GHz-Band

  • The license-free 60 GHz band enables a new breed of wireless networks offering data rates in the range of one to a few Gigabit per second over short distances. This thesis investigates the performance of a 60 GHz system using coded OFDM modulation and directive antennas for the transmitter and receiver. The study includes the impact of the 60 GHz propagation channel, impairments of a frontend in Si-Ge technology and considerations with respect to an efficient implementation. A major part of the work consists in the specification of a physical layer, which is optimized for the given wireless link and enables an implementation with programmable logic devices at moderate clock speed. For the selection of a channel code, the performance of two coding schemes is compared for the 60 GHz channel. The first scheme consists of a standard convolutional code and an outer Reed-Solomon code, whereas the second scheme is made up of an LDPC code with similar complexity. The interleaving scheme for the convolutional code is optimized to yield bestThe license-free 60 GHz band enables a new breed of wireless networks offering data rates in the range of one to a few Gigabit per second over short distances. This thesis investigates the performance of a 60 GHz system using coded OFDM modulation and directive antennas for the transmitter and receiver. The study includes the impact of the 60 GHz propagation channel, impairments of a frontend in Si-Ge technology and considerations with respect to an efficient implementation. A major part of the work consists in the specification of a physical layer, which is optimized for the given wireless link and enables an implementation with programmable logic devices at moderate clock speed. For the selection of a channel code, the performance of two coding schemes is compared for the 60 GHz channel. The first scheme consists of a standard convolutional code and an outer Reed-Solomon code, whereas the second scheme is made up of an LDPC code with similar complexity. The interleaving scheme for the convolutional code is optimized to yield best performance. Furthermore, algorithms are developed and simulated for all essential system components of the OFDM receiver. The implementation of these components is also considered. A new synchronization scheme is introduced, which offers a high degree of robustness at low complexity. In this scheme, the fine timing synchronization shares the same hardware resources as the channel estimator. This approach results in a significant reduction of chip area. A new tracking algorithm is developed, which adequately compensates for the fluctuations of carrier phase, timing and channel impulse response. Finally, the implementation of the FFT and Viterbi decoder is discussed. The system architecture of the receiver requires a high degree of parallel processing and uses a deep processing pipeline to keep the clock frequency low. It is shown how to combine the system components into an efficient system under these conditions. The performance of the complete system is investigated for the static and time-variant channel. It is shown that despite the low complexity and high latency, the system achieves good performance. The baseband processor has been realized as a narrowband version with 400 MHz channels and broadband version with 2 GHz channels and improved algorithms. This has been done on an FPGA platform.show moreshow less
  • Das lizenzfreie 60 GHz Band ermöglicht den Einsatz von neuartigen drahtlosen Netzwerken, welche über kurze Distanzen Datenraten in der Größenordnung von ein bis mehreren Gigabit pro Sekunde bereitstellen können. Die Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit eines 60 GHz Richtfunksystems auf Basis der OFDM Modulation mit Kanalkodierung. Dies geschieht unter Berücksichtung der 60 GHz Kanaleigenschaften, Einflußfaktoren des analogen Frontends in Si-Ge Technologie und Betrachtungen hinsichtlich einer effizienten Implementierung. Einen wesentlichen Teil der Arbeit bildet die Spezifikation einer physikalischen Schicht, welche für die betrachtete Funkstrecke optimiert ist und eine Implementierung in komplexen Logikbausteinen mit moderaten Taktraten gestattet. Für die Auswahl des Kanalcodes wird ein Standard-Faltungscode mit einem äußeren Reed-Solomon Code einem LDPC-Code ähnlicher Komplexität gegenübergestellt. Hierfür wird der Interleaver für den Faltungscode optimiert, um die Korrekturfähigkeit für den 60 GHz Kanal zu erhöhen. Des WeiterenDas lizenzfreie 60 GHz Band ermöglicht den Einsatz von neuartigen drahtlosen Netzwerken, welche über kurze Distanzen Datenraten in der Größenordnung von ein bis mehreren Gigabit pro Sekunde bereitstellen können. Die Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit eines 60 GHz Richtfunksystems auf Basis der OFDM Modulation mit Kanalkodierung. Dies geschieht unter Berücksichtung der 60 GHz Kanaleigenschaften, Einflußfaktoren des analogen Frontends in Si-Ge Technologie und Betrachtungen hinsichtlich einer effizienten Implementierung. Einen wesentlichen Teil der Arbeit bildet die Spezifikation einer physikalischen Schicht, welche für die betrachtete Funkstrecke optimiert ist und eine Implementierung in komplexen Logikbausteinen mit moderaten Taktraten gestattet. Für die Auswahl des Kanalcodes wird ein Standard-Faltungscode mit einem äußeren Reed-Solomon Code einem LDPC-Code ähnlicher Komplexität gegenübergestellt. Hierfür wird der Interleaver für den Faltungscode optimiert, um die Korrekturfähigkeit für den 60 GHz Kanal zu erhöhen. Des Weiteren werden Algorithmen für die wesentlichen Systemkomponenten eines OFDM-Empfängers entwickelt, simuliert und schließlich auf Implementierungsebene betrachtet. Ein neuer Synchronisationsalgorithmus wird vorgestellt, der einen hohen Grad an Robustheit bei geringer Komplexität aufweist. Die zeitliche Feinsynchronisation und Kanalschätzung teilen sich gleiche Schaltungsressourcen, um den Hardwareaufwand zu reduzieren. Ein Tracking-Algorithmus wird erarbeitet, der die zeitlichen Schwankungen der Trägerphase, des Abtasttaktes und der Kanalimpulsantwort adäquat ausgleichen kann. Schließlich wird auf die Implementierung der FFT und des Viterbi Decoders eingegangen. Die Systemarchitektur des Digitalempfängers weist einen hohen Grad an Parallelverarbeitung auf und verwendet eine tiefe Pipeline-Prozessstrecke, um die Taktfrequenzen gering zu halten. Es wird gezeigt, wie sich die Komponenten unter diesen Umständen zu einem effizienten Gesamtsystem zusammenfügen lassen. Die Leistungsfähigkeit des Systems wird sowohl im statischen als auch zeitvarianten Kanal per Simulation ermittelt. Es wird gezeigt, dass sich trotz der relativ geringen Komplexität und hohen Latenz eine gute Gesamtperformance erreichen läßt. Der Basisbandprozessor ist als schmalbandige Variante mit 400 MHz breiten Kanälen und breitbandige Version mit 2 GHz breiten Kanälen und verbesserten Algorithmen auf einer FPGA Plattform implementiert worden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Maxim Piz
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22909
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Rolf Kraemer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2011
Date of final exam:2010/12/16
Release Date:2011/11/28
Tag:60 GHz Kommunikation; Basisband Design; OFDM; WLAN; WPAN
60 GHz Communication; Baseband Design; OFDM; WLAN; WPAN
GND Keyword:Drahtloses lokales Netz; OFDM
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Systeme
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Systeme
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