Konzeption und Realisierung einer Ethernet-Anbindung für OFDM-Funkübertragungsysteme


Diplomarbeit, 2005
65 Seiten, Note: 1.0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Bilderverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Verzeichnis verwendeter Abkürzungen

Verzeichnis der Begriffe und Definitionen

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel
1.3 Generelle Herangehensweise
1.4 Abgrenzung

2 Ethernet
2.1 Überblick über IEEE 802.3 und OSI-Modell
2.1.1 Das OSI Referenz Modell
2.1.2 Logical Link Control
2.1.3 Medium Access Control
2.1.4 Physical Layer
2.2 Die IEEE 802 Standards und ihre Beziehung zu OSI
2.2.1 IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection
2.2.2 IEEE 802.3x Full Duplex/ Flow Control
2.3 Die Schnittstellen in IEEE 802.3
2.3.1 Das Medium Independent Interface
2.3.2 Das Gigabit Medium Independent Interface
2.4 Auswahlkriterien für den Übertragungsstandard
2.4.1 Lösungsansätze
2.4.2 Berechnung der Übertragungsbandbreite
2.5 System on Chip (SoC)
2.5.1 Intelectual Property (IP)
2.5.2 On-Chip-Bussysteme

3 Auswahl des Standards und der Hardware
3.1 Überblick über mögliche Standards und Hardware
3.2 Entscheidung für eine Realisierungsvariante
3.3 Umsetzung in die Hardware

4 Methodische Vorgehensweise
4.1 Struktureller Entwurf mit Komponenten
4.2 Entwurfsablauf
4.2.1 Bedarfsanalyse
4.2.2 Bedarfsspezifikation
4.2.3 Designplanung
4.2.4 Designeingabe
4.2.5 RTL Simulation
4.2.6 Synthese
4.2.7 Platzieren und Routen
4.2.8 Timing Analyse
4.2.9 Gate Level Simulation
4.2.10 Validierung

5 Implementierung
5.1 Designplanung
5.1.1 Modul U01 Syscon
5.1.2 Modul U02 Ethernet Master
5.1.3 Modul U03 Ethernet IP Core
5.1.4 Modul U04 Memory
5.2 Designeingabe
5.3 RTL Simulation
5.3.1 Top-Level-Testbench
5.3.2 PHY-Chip-Modell
5.3.3 Modem-Modell
5.3.4 LVDS-Testbench
5.3.5 Simulation der Teststrecke
5.4 Synthese
5.4.1 Bausteinwahl
5.4.2 Optimierungskriterien
5.5 Platzieren und Routen
5.6 Statische Timing Analyse
5.7 Validierung

6 Ergebnisse
6.1 Simulationsergebnisse
6.1.1 Simulation verschiedener Modi
6.1.2 Senden und Empfangen von Paketen verschiedener Größe
6.2 Synthesereport
6.3 Place&Route-Report
6.4 Timing Ergebnisse nach dem Platzieren und Routen
6.5 Validierungsergebnisse

7 Schlussbetrachtung
7.1 Zusammenfassung
7.2 Ausblick

Quellenverzeichnis

Anhang
A.1 Schaltungsdesign Ethernetschnittstelle
A.2 Stückliste
B Die CD

Bilderverzeichnis

Abbildung 1: Einsatzumgebung FPGA Prototyping-Board

Abbildung 2: Ethernet-Skizze

Abbildung 3: OSI-Schichtenmodell

Abbildung 4: Aufgaben der MAC-Schicht

Abbildung 5: Normfamilie 802

Abbildung 6: LAN Standard in Beziehung zum OSI Modell

Abbildung 7: Realisierung über separate Aufsteckplatine

Abbildung 8: Umsetzungsvariante mit IP Core und PHY Chip

Abbildung 9: MII - Interface

Abbildung 10: Beschaltung PHY Chip

Abbildung 11: Entwurfsablauf mit VHDL

Abbildung 12: Testumgebung

Abbildung 13: Blockschaltbild Modul-Interconnection

Abbildung 14: Sendeprozess

Abbildung 15: Empfangsprozess

Abbildung 16: Zustandsautomat

Abbildung 17: Substate

Abbildung 19: Sendezustände

Abbildung 20: Empfangszustandsfolge

Abbildung 21: Interruptzustandsfolge

Abbildung 22: Architecture Überblick Ethernet IP Core

Abbildung 24: Testbench Ethernet

Abbildung 25: Testumgebung mit LVDS-Schnittstelle

Abbildung 26: Teststrecke

Abbildung 27: Test Halbduplexbetrieb

Abbildung 28: Test Vollduplexbetrieb

Abbildung 29: Pakete minimaler Länge

Abbildung 30: Pakete maximaler Länge

Abbildung 31: Bausteinausnutzung nach Place&Route

Abbildung 32: Timingreport

Abbildung 33: Ethereal Capture

Abbildung 34: Bildschirmausgabe Ping über Prototypingboards

Abbildung 35: Ping Statistik bei direkter Verbindung <Ende>, bei Abfrage 3x Nein

Tabellenverzeichnis

Tabelle Tabellenüberschrift

Tabelle 1: IEEE 802.3 Spezifikationen

Tabelle 2: 100 Mbit/s Teilbereich 802.3u

Tabelle 3: 1000 Mbit/s Teilbereich 802.3z

Tabelle 4: OFDMA Parameter

Tabelle 5: Übersicht Realisierungsmöglichkeiten nach 802.3

Tabelle 6: Relative Kosten bei der Fehlerfindung

Tabelle 7: funktionale und nichtfunktionale Eigenschaften von FPGAs

Tabelle 8: Hardwaresprachen

Tabelle 9: Features Virtex2Pro

Tabelle 10: Bausteinausnutzung nach Synthese

Tabelle 11: Zusammenfassung Timing nach Synthese <Ende>, bei Abfrage 3x Nein

Verzeichnis verwendeter Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Motivation

Diese Arbeit wurde im Institut für angewandte Funksystemtechnik (IAF) in Braunschweig im Zeitraum von September 2004 bis Januar 2005 angefertigt. Die Firma IAF führt anwendungsorientierte Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich der digitalen Funkübertragung durch.

Für den Aufbau von Experimentalsystemen für Forschungszwecke im Bereich Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Funkübertragungssysteme wurde eine universelle Field Programmable Gate Array (FPGA) Plattform entwickelt. Diese Plattform basiert auf Bausteinen der Firma Xilinx. Im Rahmen zukünftiger Projekte sollen sowohl der Media Access Control (MAC)­-Layer als auch der Physical (PHY)-Layer für ein Ethernet Interface implementiert werden. Der Focus soll verstärkt auf integrierbare Lösungen, wie IP Cores, gelegt werden. Dabei wird die nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten zweckmäßigste Lösung gesucht.

1.2 Ziel

Konzeption und Integration eines Ethernet Interface in einen Virtex2Pro FPGA auf dem vorhandenen Prototyping-Board unter Abwägung der Nutzung eines Intelectual Property (IP) Core, der die Aufgabe des Netzwerkcontroller mit MAC­- und PHY- Funktionen übernimmt, gegenüber einer Hardwarelösung auf einer Aufsteckplatine. Abbildung 1 zeigt einen möglichen Einsatz des Boards.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einsatzumgebung FPGA Prototyping-Board

Das Entwicklungsboard der Firma IAF soll als OFDM-Modem für Forschungszwecke eingesetzt werden. Die Ethernetschnittstelle stellt dann die Verbindung zur Außenwelt her.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.3 Generelle Herangehensweise

1. Einarbeitung in den Standard IEEE 802.3 und in verwandte Normen als Grundlage für das Ethernet.
2. Konzeption und Auswahl der geeigneten Komponenten für die Schnittstelle.
3. Anpassung des Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Design an die Anforderungen der Schnittstelle.
4. Einpassung des gewählten IP Core in das VHDL Projekt unter Nutzung der Entwicklungsumgebung von Xilinx.
5. Überprüfung des funktionalen Verhaltens der Schaltung durch Simulation mittels Testbench und dem Simulator der Firma Model Technology.
6. Synthetisierung des HDL Codes unter Verwendung der Xilinx ISE Entwicklungsumgebung.
7. Überprüfung und Nachweis der Funktionalität am Prototypenboard.

1.4 Abgrenzung

Das zweite Kapitel beschreibt das vorwiegend für Netzwerkkommunikation verwendete Open Systems Interconnection (OSI) Referenz Modell (RM) und die in dieser Arbeit relevanten Schichten. Ausserdem wird der Bezug zum Standard IEEE 802.3 hergestellt. Darauf aufbauend werden Realisierungsvarianten für die Integration der Ethernetschnittstelle mit ihren Unterschieden aufgezeigt.

In Kapitel 3 wird konkret eine Umsetzungsvariante bestimmt, die nachfolgend realisiert wird. Dazu erfolgt die Auswahl der Hard- und Firmware.

Kapitel 4 enthält die methodische Vorgehensweise bei der Entwicklung eines HDL Modells anhand der verwendeten Hilfsmittel und Werkzeuge.

Kapitel 5 macht die Umsetzung des Designs und die Erstellung der Testumgebung am erstellten Design deutlich. Dabei werden die in Kapitel 4 erörterten Schritte abgearbeitet.

Kapitel 6 stellt die Ergebnisse der Simulation, Implementation und Validierung dar.

Kapitel 7 beinhaltet eine Zusammenfassung der Ausführungen und gibt einen Ausblick auf weitere Arbeit.

2 Ethernet

Der momentan am weitesten verbreitete Standard für lokale Netze ist Ethernet. Er geht auf gemeinsame Spezifikationen von Intel, DEC und Xerox zurück. Der Name (Ether = Äther) weist noch auf die ersten Funknetze (ALOHA) hin.

Die Datenübertragung erfolgt mit dem CSMA/CD-Verfahren. Das Ethernet besteht physikalisch aus verschiedenen Typen von 50-Ohm-Koaxkabeln oder paarweise verdrillten Leitungen (Twisted-Pair), Glasfasern oder anderen Medien. Die Datenrate beträgt typisch 100MBit/s (früher 10MBit/s, gegenwärtig 100 und 1000MBit/s, zukünftig 10GBit/s).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Ethernet-Skizze

“The diagram [...] was drawn by Dr. Robert M. Metcalfe in 1976 to present Ethernet [...] to the National Computer Conference in June of that year. On the drawing are the original terms for describing Ethernet. Since then other terms have come into usage among Ethernet enthusiasts.“ /2/

Dieses Kapitel geht auf den Standard IEEE 802.3 ein und beschreibt die verwendeten Inhalte. Weiterhin wird das OSI 7-Schichten Modell vorgestellt, da der oben genannte Standard sich auf dieses Modell bezieht. Unter Betrachtung der verschiedenen Spezifikationen und der am Markt verfügbaren Hardwaremodule wird die Wahl des zweckmäßigsten Standards getroffen.

2.1 Überblick über IEEE 802.3 und OSI-Modell

Dieser Abschnitt beschreibt das OSI 7-Schichten Referenzmodell als Grundlage für Kommunikationssysteme und stellt den Bezug zum Standard IEEE 802 Teil 3 her.

2.1.1 Das OSI Referenz Modell

Das OSI Modell ist im Standard ISO/IEC 7498-1 beschrieben und stellt die Norm für den Informationsaustausch zwischen Systemen dar. Das Modell betrachtet die Kommunikation losgelöst von speziellen Umsetzungen. Es werden sieben Ebenen definiert, siehe Abbildung 3. Dabei leistet jede Ebene Dienste für die jeweils nächste Arbeitsebene und stützt sich dabei auf Dienste der darunter liegenden Ebene. Diese Dienste werden als Primitive bezeichnet. Auf den Ebenen 2 bis 7 findet eine logische Kommunikation statt. Lediglich auf Ebene 1 erfolgt tatsächlich eine physikalische Übertragung /3/.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: OSI-Schichtenmodell

Nicht immer werden alle Schichten des Referenzmodells für die Kommunikation verwendet. Das für die Internetkommunikation weit verbreitete Transmission Control Protocol/ Internet Protocol (TCP/ IP) z. B. kommt ohne die Schichten 5 und 6 aus.

Der Standard IEEE 802.3 bezieht sich auf die ersten beiden Schichten, also Bitübertragung und Sicherung. Deshalb sollen auch nur diese hier Gegenstand näherer Betrachtung sein. Schicht 2 wird auch als Datensicherungsschicht bezeichnet, denn sie ist für die zuverlässige Übertragung der Daten über die physikalische Verbindung verantwortlich. Hier sind auch Sicherheitsmechanismen implementiert, die Prüfsummen bilden und bei fehlerhafter Übertragung erneut Daten anfordern. Da diese Aufgaben recht komplex sind, unterteilt man die Schicht 2 weiterhin in zwei zusammenhängende Teile. Die untere Schicht wird dabei als Medium Access Control (MAC) und die obere als Logical Link Control (LLC) bezeichnet.

2.1.2 Logical Link Control

Die LLC Schicht übernimmt die Aufgabe der logischen Verbindungssteuerung, Zusammenfassung der Bits in Blöcke (Bytes, Frames), Flußsteuerung, Reihenfolgesicherung, Fehlererkennung in Blöcken und deren Korrektur. Sie wird in der Regel von Softwareroutinen umgesetzt und soll an dieser Stelle nicht weiter interessieren.

2.1.3 Medium Access Control

Der MAC Layer hat zwei Funktionen: Zum einen die Datenaufbereitung (Adressierung und Fehlerkontrolle) und zum anderen die Zugangskontrolle, die dafür sorgt, dass die Pakete ohne Kollisionen ins Netz gelangen. Die Kollisionshandhabung verwendet verschiedene Mechanismen, die in Abbildung 4 dargestellt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Aufgaben der MAC-Schicht

Beim Senden arbeitet ein Prozess, der "Deference" (engl.: defer: nachgeben) genannt wird. Dieser stellt fest, ob eine Aktivität im Kabel stattfindet (Carrier Sense). In diesem Fall tritt ein Deferring-Zustand ein. Wenn das Medium frei ist, wird eine Verzögerung von einem "Inter Frame Gap" initiiert und ein wartendes Paket losgeschickt. Wenn eine Kollision eintritt, wird ein Störungssignal (JAM) gesandt, wonach die Sendung abgebrochen wird und der Backoff-Prozess startet.

Zusammenfassend können die Aufgaben der MAC-Ebene wie folgt beschrieben werden:

1. Sendet Frames, in dem sie:
a. Daten von der LLC-Schicht entgegen nimmt,
b. die Frame-Länge kontrolliert und gegebenenfalls ein Pad-Feld anhängt
c. den Cyclic Redundancy Check (CRC) errechnet und am Ende des Rahmens als Frame Checksum (FCS) anhängt
d. Preamble, Start Frame Delimiter (SFD) und Adressfeld an den Anfang des Rahmens stellt
e. den Frame 4bit-weise an die Physical Layer Signalling (PLS ) sendet

2. Empfängt Frames, indem sie:
a. 4bit-weise einen Frame nach dem anderen von der PLS akzeptiert,
b. feststellt ob die Zieladresse mit der lokalen Station übereinstimmt,
c. kontrolliert ob der Frame die Mindestlänge hat und der CRC stimmt,
d. Preamble, SFD und Adressfeld sowie eventuelle Pads abschneidet,
e. Daten an die LLC übermittelt.

3. Vermeidet Kollisionen und kontrolliert den Abstand zwischen den Frames indem sie:
a. nicht sendet, wenn das Medium belegt ist,
b. wenn das Medium frei wird, einen festgesetzten Zeitraum abwartet, bevor mit dem Senden begonnen wird,
c. bei Kollision ein Störsignal in Form eines zufälligen Bitmusters von einer bestimmten Länge (Jam) sendet, damit die betroffenen Stationen die Kollision entdecken können,
d. eine Zufallzahl generiert und in dem Zeitraum nicht sendet (Backoff), der von der Zufallszahl vorgegeben wird,
e. wenn eine neue Kollision stattfindet den Versuch mehrmals bis zu einer vorgegebenen Höchstgrenze wiederholt (retry limit).

[...]

Ende der Leseprobe aus 65 Seiten

Details

Titel
Konzeption und Realisierung einer Ethernet-Anbindung für OFDM-Funkübertragungsysteme
Hochschule
Westsächsische Hochschule Zwickau, Standort Zwickau
Note
1.0
Autor
Jahr
2005
Seiten
65
Katalognummer
V43817
ISBN (eBook)
9783638415408
ISBN (Buch)
9783638707169
Dateigröße
952 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Konzeption, Realisierung, Ethernet-Anbindung, OFDM-Funkübertragungsysteme
Arbeit zitieren
Ronny Zavrtak (Autor), 2005, Konzeption und Realisierung einer Ethernet-Anbindung für OFDM-Funkübertragungsysteme, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/43817

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