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
Authors: Κιοκές Γεώργιος 
Published: August 2021

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.