GNURadio Latenzmessung M2M-tauglicher GFDM-Signale

Das in GNURadio implementierte Sender-Empfänger-Modell.
Das in GNURadio implementierte Sender-Empfänger-Modell.

Ein BMBF-gefördertes Open-Source-Experiment der Universität Bremen evaluiert die Latenzzeit eines GFDM-basierten Sender-Empfänger-Modells.

Synthese der Forschungsarbeit [1] von Johannes Demel, Carsten Bockelmann, Armin Dekorsy, Department of Communications Engineering, Universität Bremen

Die 4G-Technologie entspricht mit hohen Datenraten, moderaten Latenzanforderungen und tolerierbaren Bitfehlern den Anforderungen im Verbrauchersegment.

Für die Maschinenkommunikation in einer Produktionsumgebung werden dagegen erhöhte Latenz- und Qualitätsanforderungen nötig: Die Systemdynamik spielt auf der ms-Skala, die Teilnehmer müssen ihre Transaktionen in diesem Zeitintervall abschließen. Ein Verstoß gegen die dazu notwendigen Latenzanforderungen hat einen unmittelbaren Datenverlust zur Folge.

Das im Verbrauchersegment etablierte OFDM-Modulationsverfahren ist, mit hoher Außerbandemission (OOBM), hohen Synchronisationsanforderungen und geringer spektraler Effizienz, hier unzureichend. Eine Verringerung der Außerbandemission durch FBMC-Modulation steigert aber auch die Latenzzeit. Das UFMC-Verfahren verringert zwar die Latenz, aber arbeitet nur symbolweise.

Die GFDM-Modulation

Das GFDM-Verfahren könnte beide Anforderungen erfüllen. Es geht über die Modulation einzelner Symbole im OFDM-Verfahren hinaus: Ein gesamtes Paket eines Unterträgers wird dabei zeitzyklisch gefiltert und erhält eine ein-eindeutige Phase. Mit Variation der Filterfunktionen werden Außerbandemission und Informationsverteilung auf die Unterträger angepasst.

Durch zeitzyklisches Filtern, müssen Pre- und Sufixe nicht mehr an jedem Symbol (wie bei OFDM), sondern nur noch einmal für das gesamte Paket eingefügt werden. Das verringert die Latenz erheblich.

Für das Filtern werden die Pakete in der Zeit Fouriertransformiert. Die Information wird dann auf die Unterträger verteilt. Die Informationskorrelation zwischen den Unterträgern wirkt nicht nachteilig auf die Synchronisation im Schmidl&Cox-Verfahren am Empfänger.

Benchmark

Die Latenzmessung einer GFDM-Implementierung fehlte bislang in der Literatur. Eine LabVIEW-basierte SDR-Implementierung [2] des GFDM-Verfahrens weist diesen Wert nicht aus. 

Das Modell nutzt die offene Plattform GNURadio, die VOLK-Mathematikbibliothek und den "Fastest Fourier Transform in The West"-Algorithmus unter offener Lizenz. Der FFTW-Algorithmus kann auch mit kommerzieller Lizenz genutzt werden.

Die Latenzzeiten wurden an einem generischen GFDM-Sender-Empfängermodell (Titelbild) evaluiert und bedeuten eine untere Schranke: Vorgänge wie verteilte oder periphere Anfragen sind nicht eingerechnet.

Die M2M-typische Paketgröße bei ms-Kommunikationsfenstern wird zwischen 48 und 1024 bit angenommen. In der Bench wird jeder Teilprozess zunächst einige Male auf unterschiedliche Zufallsdaten angewendet um Artefakte zu vermeiden. Anschließend wird jeder Prozess in einem Durchgang 10000-fach auf Zufallsdaten angewendet und die Latenzzeiten mit der Boost.Chrono-Bibliothek evaluiert: Die Latenzzeiten der Blöcke wachsen mit der Symbolanzahl im Paket und der Anzahl der Unterträger. Latenzen aus Ressourcenallokation und Pre-/Sufix-Prozessen sind vernachlässigbar gegenüber denen des GFDM-Modulations- und Synchronisationsprozess’.

Die Latenzzeit aus der GFDM-Modulation wächst dabei als einzigste nichtlinear mit der Sampleanzahl. Die Ursache liegt im FFTW-Algorithmus der Zeittransformation, welcher im Versuch bei primzahliger Anzahl der Symbole im Unterträgerpaket besonders schnell konvergiert. Die Latenzzeit steigt dabei mit den Primfaktoren. Die Synchronisationslatenz wird vom Aufspüren der Präambel dominiert, sie ist unabhängig von der Symbolanzahl im Paket.

Bei der GFDM-Demodulation am Empfänger bessert ein auf die verteilte Information iterierter Interferenzauslöscher die Signalqualität (SER). Dieser Prozess erhöht die Latenzzeit gegenüber der GFDM-Modulation. Die Variation mit der Sampleanzahl verläuft analog zur Modulation.

Eine Worst-Case-Latenz für das Gesamtsystem mit 128 Unterträgern und 21 Symbolen im Zeitfenster bei 20 MSps wird mit 328 µs angegeben. 

 

Die Arbeit wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Projekt HiFlecs gefördert.

[0] Das GFDM-Modell bei GitHub

[1] J. Demel, C. Bockelmann, A. Dekorsy,
IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT 2017), Toronto, Kanada, 22. - 25. März 2017

[2] M. Danneberg, N. Michailow, I. Gaspar, M. Matthé, D. Zhang, L. L.
Mendes, and G. Fettweis
, International Symposium on
Wireless Communication Systems (ISWCS), Brussels, 2015