Ansätze zur Optimierung von Frequenzsprung-Spreizverfahren für Telemetriesysteme in interferenzlimitierten Kanälen

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Issue Date
2024-02-14
Authors
Rauh, Sebastian
Editor
Abstract

Die ganzheitliche Vernetzung von Systemen ist eines der Ziele des Internets der Dinge (IoT). Hierarchisch übergeordneten Systemen sollen so u. a. Sensordaten zur Verfügung gestellt werden. Zur Datenübertragung werden zunehmend Telemetriesysteme mit geringem Energieverbrauch bei gleichzeitig hoher Reichweite eingesetzt. Diese auch als Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN) bezeichneten Funksysteme nutzen häufig die lizenzfreien Industrial, Scientific and Medical (ISM) und Short-Range-Devices (SRD) Frequenzbänder unterhalb 1 GHz. Den Vorteilen dieser Frequenzbänder stehen nachrichtentechnische Herausforderungen gegenüber. So ist eine hohe Übertragungssicherheit nur durch störresistente Übertragungsverfahren erreichbar. Frequenzsprung-Spreizverfahren (FHSS) und die Verwendung von Kanalcodierung sind eine der Möglichkeiten. Für dynamische Störumgebungen sind zudem Adaptive (AFHSS) und Kognitive Frequenzsprung-Spreizverfahren (CFHSS) vielversprechende Ansätze. Eine Bewertung der Leistungsfähigkeit von FHSS-, AFHSS- und CFHSS-Verfahren mit geringer Latenz blieb bislang offen. Diese Arbeit knüpft hier an und untersucht die Zuverlässigkeit dieser Kanalzugriffsverfahren. Ausgangspunkt ist eine Analyse empirischer Kanalzugriffe in den sub-GHz ISM-/SRDBändern. Mit Fokus auf die Anwendung von LPWANs in industriellen Umgebungen basiert diese auf einer in einem mittelständischen Maschinenbauunternehmen durchgeführten Messkampagne. Mit dem komplexwertigen Basisbandsignal als Grundlage und einer auf Bildverarbeitungsmethoden beruhenden Signalverarbeitungskette erfolgt die Detektion konkurrierender Kanalzugriffe in Zeit- und Frequenzdimension. Die für einzelne Störsysteme abgeleiteten Zugriffsattribute Zugriffslänge, Mittenfrequenz, Bandbreite und mittlere Zugriffsrate dienen schließlich als Grundlage eines abgeleiteten Kanalzugriffsmodells. Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit von FHSS-Verfahren in interferenzlimitierten Kanälen werden die Störungen und die Nutzübertragung des LPWANs in Bezug zueinander gesetzt. Die Modellierung erfolgt hierzu durch eine zeitdiskrete homogene Markov-Kette. Durch Modellierung der Koexistenz wird die mittlere Decodierfehlerwahrscheinlichkeit der eingesetzten Kanalcodierung bestimmt. Hierbei wird die Verteilungsdichtefunktion der Überlagerungslängen von Referenzübertragung und konkurrierenden Kanalzugriffen iterativ berechnet. Mit der entwickelten Methodik wird schließlich die mittlere Paketfehlerwahrscheinlichkeit sowie deren unteren Grenzen für FHSS- und AFHSS-Verfahren semi-analytisch berechnet. Für exemplarische Szenarien wird zudem die untere Grenze von CFHSS-Verfahren simulativ untersucht und Schlussfolgerungen abgeleitet. Die entwickelte Methodik stellt somit u. a. einen Ausgangspunkt für weiterführende Entwicklungen von Verfahren zur Erzeugung und Optimierung von Frequenzsprungsequenzen und Frequenzsprung-Spreizverfahren dar.

Abstract

One of the elementary goals of the Internet of Things (IoT) is the holistic networking of systems. Among other things, sensor data are to be made available to hierarchically superordinate systems. Telemetry systems with low energy consumption and high range are increasingly being used for data transmission. These radio systems, also known as Low- Power Wide-Area Networks (LPWAN), often use the license-free Industrial, Scientific and Medical (ISM) and Short-Range Devices (SRD) frequency bands below 1 GHz. However, the advantages of these frequency bands harbors communications challenges. For example, high transmission reliability can only be achieved using interference-resistant transmission methods. Frequency-Hopping Spread-Spectrum (FHSS) and the use of channel coding are among these possibilities. For dynamic interference environments, Adaptive Frequency- Hopping Spread-Spectrum (AFHSS) and Cognitive Frequency-Hopping Spread-Spectrum (CFHSS) methods are also promising approaches. However, an evaluation of the performance of low-latency FHSS-, AFHSS-, and CFHSS-methods has remained to be done. Within the scope of this work, the necessity is taken up and the reliability of these channel access methods is investigated. The starting point is an analysis of empirical channel accesses in the sub-GHz ISM/SRD bands. Focusing on the application of LPWANs in industrial environments, this is based on a measurement campaign carried out in a medium-sized mechanical engineering company. Using the complex-valued baseband signal as a basis and a signal processing chain based on image processing methods, the detection of competing channel accesses is performed in time and frequency dimensions. Finally, the access attributes access length, center frequency, bandwidth, and average access rate derived for individual interference systems serve as the basis of a proposed channel access model. To investigate the performance of FHSS-methods in interference-limited channels, the interference and the useful transmission of the LPWAN are related to each other. For this purpose, modeling is performed by a discrete-time homogeneous Markov chain. By modeling the coexistence, the average decoding error probability of the used channel coding is determined. Here, an iterative calculation of the probability density function of the collision lengths of reference transmission and competing channel accesses is applied. Finally, the developed methodology will be used to analytically calculate the average packet error probability as well as its lower bounds for FHSS- and AFHSS-methods. In addition, the lower bounds of CFHSS-methods will be investigated for exemplary scenarios based on simulations. The developed methodology thus represents, among other things, a starting point for further developments of procedures for the generation and optimization of frequency-hopping sequences and frequency-hopping techniques.

DOI
URN
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