Implementierung und Analyse eines PSSS-PHYs als Codemultiplexverfahren

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein PSSS-255-PHY implementiert, der auf dem in [11] implementierten PSSS-PHY nach IEEE 802.15.4-2011 aufbaut. Es wurde gezeigt, dass die Bitfehlerrate abhängig von der Länge der Basissequenz und des Sendesymbols ist. Die Implementierung des AWGN-Kanals wurde durch Simulation einer bipolaren BPSK mit Hilfe der entsprechenden theoretischen Kurve validiert. Die Validierung der Simulation mit PSSS-Codierung erfolgte anhand der in Abschnitt 3.2 hergeleiteten Formel. Es wurde außerdem ein RRC-Filter entworfen, das eine zehnfache Überabtastung und eine Impulsformung mit Roll-Off-Faktor r = 1 durchführt. Aufgrund der Nutzung eines AWGNKanals führt dies im Gegensatz zu idealer Impulsformung nicht zu einer Verschlechterung der Bitfehlerrate. Allerdings hat die cos-förmige Filterung Auswirkungen auf die BER bei einer Laufzeitverzögerung, da bei einer Abtastung zum falschen Zeitpunkt ein Wert entsprechend der Stelle der gefilterten Flanke gemessen wird. Eventuelle weitere Auswirkungen der RRCFilterung werden sich beim Einsatz anderer Kanalmodelle zeigen. Ein Laufzeitunterschied zwischen PSSS-Sequenzen verschiedener Teilnehmer entspricht einer zyklischen Verschiebung und führt somit zu einer Verschlechterung der Bitfehlerrate der betroffenen Sequenzen proportional zur Verschiebung. Wird eine Sequenz von zwei verzögerten Sequenzen beeinflusst, so steigt die BER mit der Verschiebung schneller an. Bei einer angenommenen maximalen Laufzeitverzögerung von einem Chip wird jeweils nur die erste Sequenz benachbarter Teilnehmer beeinflusst. Nicht genutzte Sequenzen können daher zwischen die Teilnehmern gelegt werden. Auch ein Unterschied in der Empfangsleistung der Teilnehmer beeinflusst die BER des Teilnehmers mit der geringeren Leistung. Je kleiner der CIR wird, desto schlechter wird die BER, allerdings besteht hier eine zusätzliche Abhängigkeit von der Anzahl der genutzten Sequenzen. Die Verschlechterung der BER-Kurve entlang der CIR-Achse verläuft entsprechend der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Anzahl der Störsequenzen. Für die Nutzung aller vorhandenen M-Sequenzen beginnt dies schon bei einem CIR von 0 dB. Erhält eine Sequenz einen Phasen- oder Frequenzoffset, so steigt ihre Bitfehlerrate, da eine Phasenverschiebung einer Verringerung der Leistung entspricht und somit das Signal- Rausch-Verhältnis verschlechtert wird. Bereits für übliche Frequenzabweichungen von 10 ppm befindet sich die BER konstant im Bereich von 0,5. Die Veränderung der Frequenz bewirkt außerdem, dass am Empfänger effektiv keine M-Sequenzen mehr korreliert werden, sodass die Korrelationsamplitude von störenden Bits stärker beeinflusst wird und somit auch die Bitfehlerrate der anderen Sequenzen steigt. Dies geschieht allerdings erst sichtbar, wenn eine große Anzahl der Sequenzen frequenzverschoben ist. Um die durch die Nutzung von PSSS als CDMA-Verfahren entstandenen Verschlechterungen der Bitfehlerrate zu kompensieren, wurde eine Erweiterung des Empfängers implementiert, bei der eine dynamische Schwellwertanpassung durchgeführt wird. Durch diese wird für kleine Fehlerzahlen eine Orthogonalisierung des Signals erreicht, sodass die Korrelationsamplitude nicht mehr von Störbits beeinflusst wird. Somit kann eine Bitfehlerrate erreicht werden, die auf der BPSK-Kurve liegt. Die Schwellwertanpassung funktioniert allerdings nur mit senderseitiger Leistungsanpassung, da für einen CIR 6= 0 dB die Schwellen nicht korrekt bestimmt werden können. Die PSSS-Codierung an sich führt auf einem AWGN-Kanal zu einer Verschlechterung der Bitfehlerrate im Gegensatz zur bipolaren BPSK. Die durch die Nutzung als CDMA-Verfahren zusätzlichen Faktoren haben ebenfalls einen negativen Einfluss auf die Bitfehlerrate, sodass sich eine schlechte Leistungsfähigkeit des Verfahrens ergibt. Für eine Abschätzung der Gesamtperformanz von PSSS-255 sind weitere Untersuchungen zu den oben genannten Einflüssen sowie mit für Industrieumgebungen üblichen Kanalmodellen von Nöten.