Maximierte OFDM-Effizienz durch Echtzeit-Adaptivität

Broadband wireless communication is nowadays dominated by the waveform principle Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Its parameters are typically designed conservatively to cope with the expected worst case propagation channel. This makes the system more robust than required most of the time, but it does conflict with throughput maximization. Next generation standards, such as 5G, will not tolerate this waste of resources anymore and also state-of-the-art systems call for optimization, especially those in extremely varying environments. This book addresses an OFDM system, which configures itself in real time as a response to actual radio channel conditions. This makes it an adaptive radio, which has been implemented in the course of diverse aeronautical projects for Airbus Group Innovations, Germany. It runs entirely on an FPGA platform, which allows for real-time customization of various key parameters, including cyclic prefix, fast Fourier transformation, modulation and coding, dynamic spectrum access and time division multiple access. Some of these parameters are optimized through the results of an integrated channel sounder, which reveals the actual delay spread and Doppler spread of the channel. Proof of concept is provided by three demanding case studies: Aircraft-to- ground flight telemetry, a communication scenario with an unmanned aerial vehicle (UAV) and intra aircraft cabin dynamic spectrum access.Dank seiner Einfachheit und Effizienz wurde das Wellenform-Prinzip Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) in den letzten Jahren zum durchschlagendem Erfolg für die drahtlose und drahtgebundene Breitbandkommunikation. Um die stetig steigende Nachfrage nach Datenkommunikation zu decken, wird jedoch in naher Zukunft mehr Wellenform- Effizienz zwingend erforderlich. Diese Arbeit wurde im Rahmen verschiedener Luftfahrt-Forschungsprojekte bei Airbus Group Innovations, Deutschland angefertigt. Sie gibt Einblick in eine Studie zur Effizienzsteigerung von drahtlosem OFDM mittels angewandter Parameter-Flexibilität. OFDM wird gemäß tatsächlichen Kanalbedingungen und Anforderungen konfiguriert, anstatt Wellenform-Parameter auf erwartbare Extrembedingungen auszulegen, wie es dem heutigen Stand der Technik entspricht. Modulation und Kanalkodierung (MCS) ist die bislang einzig etablierte und durchgängig untersuchte Form der Echtzeit-Adaptivität. Zur Ausweitung auf andere Parameter fehlte bislang deren Echtzeit-Flexibilität. Eine Lösung ist die Umsetzung eines Software Defined Radios (SDR) vollständig auf einer Field Programmable Gate Array (FPGA)-Plattform. Teil dieser Studie ist solch ein Demonstrator mit Echtzeit-Anpassbarkeit von Schlüsselparametern zur OFDM Subträger-Nutzung, zum OFDM Frame Layout und zum Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA), als Ergänzung zu MCS. Eine zweite Grundvoraussetzung für Adaptivität ist die Entscheidungsfähigkeit des Systems über vorteilhafte Parameterkonfigurationen. Als Lösung wird ein integrierbarer Channel Sounder vorgeschlagen, der die aktuelle zeitliche Ausbreitungsverzögerung des Kanals und sein Doppler-Spektrum misst. Hiermit lassen sich das Cyclic Prefix (CP) und die Fast-Fourier Transfomation (FFT) optimieren. Darüber hinaus wurde dynamischer Spektrums-Zugriff (DSA) auf Basis spektraler Energieerfassung implementiert. Das Endergebnis ist ein leistungsstarker Prototyp eines vollständigen Kommunikationssystems. Es erstreckt sich von der Netzwerkschicht über die Daten-Link Schicht bis hin zur Komponentenebene (Hard- und Firmware). Eine Neuheit ist zudem eine spektral voll flexible Zeit- und Frequenz-Synchronisation. Umfassende Systemcharakterisierungen wurden durchgeführt in Simulationen, Hardware-in-the-Loop (HIL)-Messungen und Fallstudien. Letztere umfassen ein Kommunikationszenario mit unbemanntem Luftfahrzeug (UAV), eine DSA-Studie für die Flugzeug-Kabine sowie die Luftfahrt-Telemetrie