Μοντελοποίηση και προσομοίωση ασύρματου δικύου επικοινωνίας εντός οδικού περιβάλλοντος (IEEE 802.11p), σχεδίαση με χρήση της γλώσσας VHDL (IEEE 1076) και υλοποίηση σε XILINX FPGA

Abstract

The objective of this Ph.D. thesis is the analysis, the simulation and the performance improvement of the physical layer for the Automotive WLAN standard. IEEE 802.11p WAVE standard (wireless access for vehicular environment) is being considered as a promising wireless technology for enhancing transportation safety and provides safety related services like collision avoidance and emergency breaking. This includes data exchange between high-speed vehicles and between the vehicles and the roadside infrastructure in the licensed ITS band of 5.9 GHz (5.850-5.925 GHz). The standard is going to be published at the beginning of 2010. In the first chapters, the 802.11p standard was presented by analyzing the physical layer’s specifications and its operations. Performance analysis of PHY model has been evaluated into different propagation conditions (AWGN, Ricean and Rayleigh fading). In particular, BER and SNR for all the data rates have been estimated. Simulation results reveal that our system can efficiently mitigate Inter-symbol interference and Inter-carrier interference introduced by multi-path delay spread in our high mobility environment but against frequency selective fading BER values are on to increase. To overcome this problem, we propose to use a different value of guard interval (3,2psec). Another solution is the employing of two different coding schemes. More specific a comprehensive investigation of the performance of Concatenated Reed Solomon Codes with Convolutional Codes and Turbo Codes is carried out over vehicular ad-hoc networks based on IEEE 802.11p specifications. In the following chapters the FEC (Forward Error Correction) system model in the transmitter with the original coding scheme and the two alternative schemes has been implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA) from Xilinx using the System Generator tool-flow for fast prototyping. After that the OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) part of the transmitter was implemented in the FPGA not only in the baseband zone but also in the RF zone employing two evaluation boards from ANALOG DEVICES. In the last part of the thesis, we carried out experimental results of our system model for real time implementations and see the theoretical model variation.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μελέτη, ανάλυση, προσομοίωση και η βελτιστοποίηση απόδοσης του φυσικού επιπέδου ασυρμάτου δικτύου σύμφωνα με το πρότυπο της IEEE 802.11p ή αλλιώς Automotive WLAN. Πρόκειται για ένα πρότυπο το οποίο επίσημα θα δημοσιευτεί στις αρχές του 2010 από το Ινστιτούτο των Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (IEEE) και αφορά την ασύρματη πρόσβαση στις διαοχηματικές επικοινωνίες μέσα σε οδικό περιβάλλον. Ο κύριος στόχος της εφαρμογής του προτύπου είναι η πρόληψη των ατυχημάτων μέσω της έγκαιρης ανίχνευσης των κινδύνων και της κατάλληλης μεταβίβασης πληροφοριών είτε μεταξύ των κινουμένων οχημάτων είτε μεταξύ των οχημάτων και των μονάδων που βρίσκονται στην πλευρά του δρόμου στην αδειοδοτημένη ITS ζώνη συχνοτήτων των 5.9 GHz (5.850-5.925 GHz). Το πρωτόκολλο IEEE 802.11p αποτελεί μια από τις πολλά υποσχόμενες μελλοντικά τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας από την σκοπιά του συστήματος με βασικό κριτήριο την διαπερατότητα σε συνθήκες κορεσμού. Η διατριβή μπορεί να διαχωριστεί σε δυο μέρη. Το πρώτο μέρος πραγματεύεται όχι μόνο την ανάλυση και την προσομοίωση του φυσικού επιπέδου του ασύρματου δικτύου που ορίζεται από το εν λόγω πρότυπο αλλά και την βελτιστοποίηση απόδοσης αυτού μέσω αλλαγής της υπάρχουσας συνελικτικής κωδικοποίησης καναλιού άλλοτε με αναδρομικής συστηματικής συνελικτικής κωδικοποίησης και άλλοτε με κυκλικό μπλοκ Reed-Solomon κώδικα διόρθωσης λαθών. Πιο συγκεκριμένα λαμβάνεται υπόψη η λειτουργία των δυο μεγάλων κατηγοριών κωδικών (Turbo και Reed-Solomon) που χρησιμοποιούνται και δίνεται περισσότερο έμφαση στην ενσωμάτωση, στην λειτουργία αλλά και στην βελτίωση της απόδοσης του φυσικού επιπέδου του προτύπου. Μέσω του λογισμικού MATLAB αξιολογείται η επίδοση του συστήματος με την εύρεση του ρυθμού λαθών (BER) και του σηματοθορυβικού λόγου (SNR) και παρέχεται πλήρης επεξήγηση για όλα τα αποτελέσματα. Το δεύτερο μέρος αφορά την ανάπτυξη και σχεδίαση του φυσικού επιπέδου του προτύπου μέσω της γλώσσας περιγραφής υλικού VHDL και μετέπειτα την υλοποίηση σε FPGA της εταιρείας XILINX. Γίνεται μια περιγραφή των εργαλείων σχεδίασης και των αναπτυξιακών πλατφόρμων που χρησιμοποιηθήκαν με σκοπό αρχικά της σχεδίασης του πομποδέκτη και μετέπειτα την υλοποίηση του σε FPGA μέσω γλώσσας VHDL, η οποία έγινε πρότυπο του IEEE το 1987. Κρίθηκε σκόπιμο για καλύτερο έλεγχο του κώδικα ο διαχωρισμός αρχικά του πομπού και μετέπειτα του δέκτη σε δυο μέρη. Έτσι στο πρώτο μέρος υλοποιήθηκε ο αλγόριθμος για τον εμπρόσθιο κώδικα διόρθωσης λαθών (Forward Error Correction, FEC) μέσω του εργαλείου System Generator της XILINX και μετέπειτα ο αλγόριθμος για το μέρος της ορθογωνικής πολυπλεξίας διαίρεσης συχνότητας (OFDM) μέσω δημιουργίας κώδικα. Εφάμιλλη διαδικασία ισχύει και για τον δέκτη. Το τελευταίο κεφάλαιο του δευτέρου μέρους της διατριβής περιλαμβάνει εκτός από την περιγραφή των πλακετών για την μεταφορά του baseband σήματος στην RF περιοχή και την πραγματοποίηση πειραματικών μετρήσεων του πομποδέκτη μέσα στο εργαστήριο Μικροκυμάτων και Οπτικών Ινών της σχολής των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του ΕΜΠ. Η ολοκλήρωση της διατριβής πραγματοποιείται με το όγδοο κεφάλαιο αυτής το οποίο περιέχει συνοπτικά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και των πειραματικών μετρήσεων ενώ εξάγονται συμπεράσματα για την συνεισφορά της αυτής στον ερευνητικό τομέα και κατατίθενται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.