title: Entwurf von Peilalgorithmen für mobile Anwendungen in der breitbandigen Funkaufklärung und deren Implementierung auf FPGAs
Creators: name: Bühlmeyer, Jonas
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Drahtlose Kommunikationssysteme wie WLAN, Bluetooth, ZigBee oder Mobilfunk wie GSM, LTE, 5G sind zu einem integralen Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden. Ohne diese Systeme würden viele Teile der Infrastruktur, die für das Funktionieren unserer Gesellschaft unabdingbar sind, wie zum Beispiel die Kommunikation privat und geschäftlich, der Transport von Menschen und Waren, die Industrie, Notfall- und Rettungsdienste oder die Arbeit von Ein- satzkräften wie der Polizei und Feuerwehr, nicht mehr funktionieren. Störungen dieser drahtlosen Kommunikationssysteme müssen deshalb schnell gefunden und behoben werden und auch die Überwachung dieser Systeme, sei es zur Funkaufklärung oder zur Überwachung von Staatsge- bieten, nimmt eine immer wichtigere Rolle ein. Ziel dieser Arbeit ist es, die Algorithmen für ein mobiles System für die Berechnung der Ankunftsrichtung (Direction Of Arrival, DoA) zu untersuchen und diese Algorithmen auf spezialisierter Hardware so zu implementieren, dass eine möglichst geringe Verlustleistung bei bestmöglicher Performanz erreicht wird. Dafür sollen Algorithmen wie die korrelative Interferometrie, der Capon-Beamformer, der Mehrfachsignal- Klassifikator (MUltiple SIgnal Classifier, MUSIC) oder die Schätzung von Signalparametern durch Techniken der Rotationsinvarianz (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invari- ance Techniques, ESPRIT) verwendet werden, die für entsprechende Architekturen angepasst und optimiert werden, um eine hohe Rechenleistung pro Watt zu erreichen. Dazu wird ein Li- teraturüberblick über DoA-Algorithmen für drahtlose Kommunikationssysteme gegeben und verschiedene aktuelle Algorithmen werden untersucht. Die Eignung der verschiedenen Teile dieser Algorithmen für unterschiedliche Architekturen wird analysiert. Hierzu sollen durch Si- mulationen und Analyse der einzelnen Algorithmenteile die Auflösung, die Genauigkeit, die Parallelisierbarkeit und die benötigte Rechenleistung genau betrachtet werden. Anschließend werden der MUSIC- und der Capon-Beamformer-Algorithmus für die weitere Arbeit ausgewählt. Mögliche Anpassungen dieser beiden ausgewählten Algorithmen werden untersucht, um sie für die entsprechenden Architekturen zu optimieren. Diese Anpassungen zielen auf eine ver- ringerte Verlustleistung auf spezialisierter Hardware wie zum Beispiel feld-programmierbare Gatter-Arrays (Field Programmable Gate Arrays, FPGAs). Die angepassten Algorithmen werden dann für FPGAs implementiert und die Abwägungen bei der Implementierung werden detailliert beschrieben. Die Leistung der implementierten Algorithmen wird gemessen, insbesondere be- züglich ihrer Rechenleistung und der Energieverbrauch, und die Ergebnisse werden anhand der berechenbaren Bandbreite und des Energieverbrauchs analysiert und mit denen anderer Ansätze verglichen. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner FPGA wie der Xilinx XC7A100TCSG324-1 mit einer Anzahl von 240 digitaler Signalprozessoren (DSPs), von 65 200 bistabiler Kippstufen (Flip- Flops, FFs) und einer Verlustleistung von weniger als 2W einen Prozessor wie einen Intel Xeon mit 24 Kernen und einer Verlustleistung von mehr als 200W ersetzen kann, um die angepassten Algorithmen zur Berechnung des MUSIC-Pseudospektrums auszuführen. Diese Arbeit kommt deshalb zu dem Schluss, dass die Verwendung von angepassten Algorithmen auf FPGAs die Effizienz des Signalverarbeitungssystems für die mobile Funkpeilung erheblich verbessern und einen vielversprechenden Ansatz auch für zukünftige Arbeiten bieten kann.