The ability to accurately sense the surrounding wireless spectrum, without having any prior information about the type of signals present, is an important aspect for dynamic spectrum access and cognitive radio. Energy detection is one viable method, however its performance is limited at low SNR and must adhere to Nyquist sampling theorem. Compressive sensing has emerged as a potential method to recover wideband signals using sub-Nyquist sampling rates, under the presumption that the signals are sparse in a certain domain. In this study, the performance and some of the practical limitations of energy detection and compressive sensing are compared via simulation, and also implementation using the Universal Software Radio Peripheral (USRP) software defined radio (SDR) platform. The usefulness and simplicity of the USRP and GNU Radio software toolkit for simulation and experimentation, as well as some other application areas of compressive sensing and SDR, is also discussed.

A bidirectional two-hop relay network with decode-and-forward strategy is implemented using GNU Radio (software) and several USRPs (hardware) on Ubuntu (operating system). The relay communication system is comprised of three nodes; Base Station A, Base Station B, and Relay Station (the intermediate node). During the first time slot, Base Station A and Base Station B will each transmit data, e.g., a JPEG file, to Relay Station using DBPSK modulation and FDMA. For the final time slot, Relay Station will perform a bitwise XOR of the data, and transmit the XORed data to Base Station A and Base Station B, where the received data is decoded by performing another XOR operation with the original data.

This thesis project’s goal is to enable undergraduate students to gain insight into media access and control protocols based upon carrying out laboratory experiments. The educational goal is to de-mystifying radio and other link and physical layer communication technologies as the students can follow packets from the higher layers down through the physical layer and back up again. The thesis fills the gap between the existing documentation for the Universal Software Radio Peripheral (USRP) resources and the knowledge of undergraduate students. This was necessary because the existing document is targeted at advanced audiences rather than undergraduates. This thesis describes the design and evolution of a workbench for students to experiment with a variety of media access and control protocols, much as Wireshark gives students the ability to watch network and higher layer protocols. Another motivation for this thesis is that an increasing number of communication networks use complex media access and control protocols and existing tools do not allow students to see the details of what is taking place in these protocols, except via simulation. Today an software defined radio and computer are affordable as laboratory equipment for an undergraduate course. Hence the time is ripe for the development of undergraduate laboratory course material using these tools. The thesis is targeted at (1) instructors of undergraduates who might use this work to develop their own lesson plans and course material and (2) students of physical and link layer protocols who want a practical tool for carrying out experiments in these layers. Hopefully by de-mystifying these lower layers and by making the USRP more approachable by undergraduate students we will encourage lots of students to view wireless network technology as being just as approachable as a wired Ethernet. Due to the widespread use of wireless communications technologies, there is a great need by industry for more graduates who can understand communication systems from the physical to the application layer - rather than the current situation where there is a hard boundary between the lower two layers and the upper layers. While there has been a lot of research concerning cross layer optimization, much of this is theoretical and not very approachable by students. A desired outcome of this thesis project is that undergraduate students will be able to understand tradeoffs at all layers of the protocol stack and not be limited to the upper layers. / Detta examensarbete har som mål att göra det möjligt för studenter att få inblick i tillgång till medierna och protokoll som grundar sig på att utföra laboratorieexperiment. Det pedagogiska målet är att de-mystifierande radio och annan länk och fysiska lagret kommunikationsteknik som studenterna kan följa paket från högre skikt ner genom det fysiska lagret och upp igen. Avhandlingen fyller gapet mellan den befintliga dokumentationen för Universal Software Radio Peripheral (usrp) resurser och kunskap om studerande. Detta var nödvändigt eftersom det befintliga dokument riktar sig till avancerade publik snarare än studenter. Denna avhandling beskriver utformningen och utvecklingen av en arbetsbänk för studenter att experimentera med olika tillgång till medierna och protokoll kontroll, mycket som Wireshark ger studenterna möjlighet att titta på nätet och högre skikt protokoll. Ett annat motiv för denna tes är att ett ökande antal kommunikationsnät använda komplicerade tillgång till medierna och protokoll kontroll och befintliga verktyg inte tillåter eleverna att se detaljer om vad som sker i dessa protokoll, utom via simulering. Idag en programvarustyrd radio och dator är överkomliga laboratorieutrustning för en grundutbildningskurs. Därför är tiden mogen för utvecklingen av grundutbildningen laborationer material med hjälp av dessa verktyg. Avhandlingen riktar sig till (1) instruktörer för studenter som kan använda detta arbete för att utveckla sin egen lektionsplanering och kursmaterial och (2) studenter på fysisk och länka protokoll skikt som vill ha ett praktiskt verktyg för att utföra experiment i dessa lager. Förhoppningsvis genom de-mystifierande de undre lagren och genom att göra usrp mer tillgänglig genom att studenter ska vi uppmuntra många elever att visa trådlös nätverksteknik vara lika lättillgänglig som ett ethernet. På grund av den utbredda användningen av trådlös kommunikationsteknik, finns ett stort behov från näringslivet för fler studenter som kan förstå kommunikationssystem från det fysiska till applikationslagret - i stället för den nuvarande situationen där det finns en hård gräns mellan de två lägre skikten och de övre skikten. Samtidigt som det har varit en hel del forskning om cross lager optimering, mycket av detta är teoretisk och inte särskilt tillgänglig av studenter. Ett önskat resultat med detta examensarbete är att studenter ska kunna förstå kompromisser på alla nivåer inom den protokollstack och inte vara begränsade till de övre skikten.

No description available.

Software Defined Radio (SDR) is a growing technology that allows radio communication to become interoperable. SDR can lower the cost for a particular hardware radio to communicate with another radio that uses a different standard. In order to show the capability of SDR, this thesis shows how to implement IEEE 802.14.5, a low-rate wireless personal area network (LR-WPAN) standard, on a standalone embedded machine. The implementation is done using a universal software radio peripheral embedded, USRP E100, an open source software development toolkit for SDR, GNU Radio, and UCLA ZigBee PHY GNU Radio application. The implementation can be done on the regular non-embedded USRPs. However, without a fast host computer demodulating the packets, the USRP E100 cannot receive incoming packets. An available FPGA is used to solve this problem by doing a software-hardware hybrid design to allow the USRP E100 to communicate with other IEEE 802.15.4 devices. The final product is an IEEE 802.15.4 monitor software that detects messages from devices communicating using IEEE 802.15.4 in its range. In addition, recommendations are presented for improving SDR education and training, particularly for developers with backgrounds in disciplines other than communications engineering. / Master of Science

In today’s modern era of technology mobile communication is evolving with a higher pace than ever before. New features and applications are added in the existing networks each day. The faster development pace requires a faster way to prototype and test the mobile communication standards/ applications to offer faster delivery to the end user. In traditional practices hardware updates and new features growth take long time to market implementations. Technology tends to be obsolete by the time it is to be launched to the market. The reason being long time required for hardware production. However, in the recent days the trend is changing with the emergence of open source cellular stacks to be used with affordable software defined radio (SDR) hardware platforms. Long term evolution (LTE) open source cellular stacks along with the SDR technology are widely used in research these days. However, the performance and limitations of these SDR based open source cellular stacks needs to be explored. In this project a thorough study is performed to access the performance of an open source SDR based LTE user equipment (UE) software stack. A prototype of Category 4 LTE modem is implemented using the srsLTE application suite. Performance analysis is done by looking into the datarate, SNR and radio frequency (RF) characteristics of the implemented solution for multiple system bandwidth settings. A performance comparison is presented between the high performance SDR platform Universal Software Radio Peripheral x310 and the LimeSDR. The results show that the SDR technology is capable of handling wideband signals like LTE. The choice of SDR hardware platform and open source cellular stack depends on the application. The chosen solution for this project i.e. srsLTE performed well for LTE bandwidths 10 MHz and above in terms of downlink data rate. However, the radio frequency characteristics of selected SDR platforms do not comply fully with the 3GPP standard requirements. / I dagens moderna era av teknik utvecklas mobilkommunikation med en högre takt än någonsin tidigare. Nya funktioner och applikationer läggs till i befintliga nätverk varje dag. Den snabbare utvecklingstakten kräver ett snabbare sätt att prototypa och testa mobil kommunikationsstandarder / applikationer för att erbjuda snabbare leverans till slutanvändaren. I traditionell praxis tar hårdvaruuppdateringar och nya funktioner tillväxt lång tid att implementera marknaden. Teknik tenderar att vara föråldrad när den ska lanseras på marknaden. Anledningen är att det krävs lång tid för hårdvaruproduktion. De senaste dagarna förändras emellertid trenden med uppkomsten av cellulära stackar med öppen källkod som ska användas med programvarudefinierad radio (SDR) till överkomliga programvara. par Långtidsutveckling (LTE) med öppna källor, cellulära staplar tillsammans med SDR-tekniken används i stor utsträckning i forskning idag. Prestandan och begränsningarna för dessa SDR-baserade öppna källkodsstapelar måste dock utforskas. I detta projekt utförs en grundlig studie för att fååtkomst till prestanda för en open source SDR-baserad LTE-användarutrustning (UE) -programvarubunke. En prototyp av kategori 4 LTEmodem implementeras med srsLTE-applikationssviten. Prestandeanalys görs genom att undersöka egenskaperna för datarate, SNR och radiofrekvens (RF) för den implementerade lösningen för flera systembandbreddinställningar. En prestandajämförelse presenteras mellan den högpresterande SDR-plattformen Universal Software Radio Peripheral x310 och LimeSDR. Resultaten visar att SDR-tekniken kan hantera bredbandssignaler som LTE. Valet av SDR-hårdvaruplattform och öppen källkods cellstapel beror påapplikationen. Den valda lösningen för detta projekt, dvs srsLTE, fungerade bra för LTE-bandbredd 10 MHz och högre i termer av nedlänks datahastighet. Radiofrekvensegenskaperna för utvalda SDR-plattformar uppfyller dock inte helt 3GPP-standardkraven.

<p>At the Department of Technology and Built environment at the University of Gävle there was an interest to study GNU Radio, which is an "open source radio project. The project is based on that most of the radio signal processing is made in an ordinary PC. The idea behind this degree project was that in a laptop there are several radio transmitters/receivers that takes space, generates heat and transmit in varied frequency band etcetera.</p><p> </p><p>All these radio transmitters/receivers could be replaced with a Software Defined Radio system. It means that one common, general radio hardware is used to different communications such as: WLAN, Bluetooth, GPRS, 3G etcetera. The waveform is generated in the software, which makes the system very flexible. To transmit and receive radio signals a USB-based hardware is required, for example from Ettus Research LLC.</p><p> </p><p>During this degree project two PC:s was used for the signal processing and the signal transferring. The operating system that was used on the computers, were the Linux based Ubuntu 8.04. To generate the signals, to modulate/demodulate the signals and to get the communication on the sound cards in/out-port working, the different packages in the GNU Radio software was used and for programming the high level language, Python, was used.</p><p> </p><p>In this degree project a lot of experiments where made, for example a sine wave was generated in computer 1 and the signal was amplitude modulated and transferred to computer 2, through the sound card. In computer 2 the signal was demodulated and filtrated, before it was saved to the hard drive. When the signal was saved on computer 2, it could be sent out on the sound card and be studied on an oscilloscope. This transfer between the computers was made with a stereo cable, but also with a radio link equipment on the University of Gävle.</p><p> </p><p>The result of this degree project was satisfying, because the signal was possible to modulate, transfer, demodulate and save. In the wire transfer a lot of noise was generated on to the signal, mostly because of the sound cards. When the wireless transfer was made it appeared more noise, because of the quality of the receiver, the transmitter and the antennas.</p><p> </p><p>This work can be developed to more advanced systems.</p> / <p>Vid Högskolan i Gävle på institutionen för Teknik och Byggd miljö (ITB) fanns ett intresse att undersöka GNU Radio, som är ett open source radio-projekt. Projektet bygger på att den största delen av radiosignalbehandlingen sker i en vanlig PC. Idén som låg till grund för detta examensarbete var att det i en laptop finns ett stort antal radiosändar- och mottagarkretsar som tar plats, genererar värme och sänder på olika frekvensband med mera.</p><p> </p><p>Alla dessa radiosändar- och mottagarkretsar skulle kunna ersättas med ett Software Defined Radio-system. Vilket innebär att en gemensam, generell radiohårdvara används för olika kommunikationer som: WLAN, Bluetooth, GPRS, 3G med flera. Vågformerna genereras i mjukvaran, vilket gör systemet mycket flexibelt. För att kunna ta emot och sända radiosignaler behövs en hårdvara. Denna hårdvara har bland annat Ettus Research LLC tagit fram, med USB-anslutning.</p><p> </p><p>Under examensarbetet har två stycken PC använts för behandling av signaler, samt överföring mellan dessa. Operativsystemet som användes på datorerna var det Linuxbaserade Ubuntu 8.04. För att generera signaler, modulation/demodulation av dessa signaler samt för att få kommunikation med ljudkortets in-/utgång att fungera, användes de olika paketen i mjukvaran GNU Radio och för programmering användes högnivåspråket Python.</p><p> </p><p>I detta examensarbete utfördes ett flertal experiment, bland annat genererades en sinussignal i dator 1 och signalen amplitudmodulerades och överfördes till dator 2 via ljudkortet. På dator 2 demodulerades denna signal och filtrerades, innan den sparades på hårddisken. Signalen kunde sedan skickas ut på ljudkortet och studeras med ett oscilloskop. Överföringen mellan datorerna gjordes med en stereokabel, men också med en radiolänkutrustning som fanns på Högskolan i Gävle.</p><p> </p><p>Resultatet var tillfredställande då signalen kunde moduleras, överföras samt demoduleras och sparas. I den trådbundna överföringen uppstod mycket brus i signalen, till största delen berodde detta på ljudkorten. När den trådlösa överföringen gjordes uppstod mera brus, vilket berodde på kvalitén hos mottagare, sändare och antennerna.</p><p> </p><p>Detta arbete kan utvecklas till mer avancerade system.</p>

At the Department of Technology and Built environment at the University of Gävle there was an interest to study GNU Radio, which is an "open source radio project. The project is based on that most of the radio signal processing is made in an ordinary PC. The idea behind this degree project was that in a laptop there are several radio transmitters/receivers that takes space, generates heat and transmit in varied frequency band etcetera.   All these radio transmitters/receivers could be replaced with a Software Defined Radio system. It means that one common, general radio hardware is used to different communications such as: WLAN, Bluetooth, GPRS, 3G etcetera. The waveform is generated in the software, which makes the system very flexible. To transmit and receive radio signals a USB-based hardware is required, for example from Ettus Research LLC.   During this degree project two PC:s was used for the signal processing and the signal transferring. The operating system that was used on the computers, were the Linux based Ubuntu 8.04. To generate the signals, to modulate/demodulate the signals and to get the communication on the sound cards in/out-port working, the different packages in the GNU Radio software was used and for programming the high level language, Python, was used.   In this degree project a lot of experiments where made, for example a sine wave was generated in computer 1 and the signal was amplitude modulated and transferred to computer 2, through the sound card. In computer 2 the signal was demodulated and filtrated, before it was saved to the hard drive. When the signal was saved on computer 2, it could be sent out on the sound card and be studied on an oscilloscope. This transfer between the computers was made with a stereo cable, but also with a radio link equipment on the University of Gävle.   The result of this degree project was satisfying, because the signal was possible to modulate, transfer, demodulate and save. In the wire transfer a lot of noise was generated on to the signal, mostly because of the sound cards. When the wireless transfer was made it appeared more noise, because of the quality of the receiver, the transmitter and the antennas.   This work can be developed to more advanced systems. / Vid Högskolan i Gävle på institutionen för Teknik och Byggd miljö (ITB) fanns ett intresse att undersöka GNU Radio, som är ett open source radio-projekt. Projektet bygger på att den största delen av radiosignalbehandlingen sker i en vanlig PC. Idén som låg till grund för detta examensarbete var att det i en laptop finns ett stort antal radiosändar- och mottagarkretsar som tar plats, genererar värme och sänder på olika frekvensband med mera.   Alla dessa radiosändar- och mottagarkretsar skulle kunna ersättas med ett Software Defined Radio-system. Vilket innebär att en gemensam, generell radiohårdvara används för olika kommunikationer som: WLAN, Bluetooth, GPRS, 3G med flera. Vågformerna genereras i mjukvaran, vilket gör systemet mycket flexibelt. För att kunna ta emot och sända radiosignaler behövs en hårdvara. Denna hårdvara har bland annat Ettus Research LLC tagit fram, med USB-anslutning.   Under examensarbetet har två stycken PC använts för behandling av signaler, samt överföring mellan dessa. Operativsystemet som användes på datorerna var det Linuxbaserade Ubuntu 8.04. För att generera signaler, modulation/demodulation av dessa signaler samt för att få kommunikation med ljudkortets in-/utgång att fungera, användes de olika paketen i mjukvaran GNU Radio och för programmering användes högnivåspråket Python.   I detta examensarbete utfördes ett flertal experiment, bland annat genererades en sinussignal i dator 1 och signalen amplitudmodulerades och överfördes till dator 2 via ljudkortet. På dator 2 demodulerades denna signal och filtrerades, innan den sparades på hårddisken. Signalen kunde sedan skickas ut på ljudkortet och studeras med ett oscilloskop. Överföringen mellan datorerna gjordes med en stereokabel, men också med en radiolänkutrustning som fanns på Högskolan i Gävle.   Resultatet var tillfredställande då signalen kunde moduleras, överföras samt demoduleras och sparas. I den trådbundna överföringen uppstod mycket brus i signalen, till största delen berodde detta på ljudkorten. När den trådlösa överföringen gjordes uppstod mera brus, vilket berodde på kvalitén hos mottagare, sändare och antennerna.   Detta arbete kan utvecklas till mer avancerade system.

[pt] O rádio cognitivo é uma tecnologia que visa o compartilhamento do espectro radioelétrico entre usuários primários licenciados e os demais usuários secundários de maneira harmoniosa, sem provocar interferências que prejudiquem a prestação dos serviços e visando uma melhoria na eficiência do uso do espectro radioelétrico, que é um recurso cada vez mais escasso. No âmbito da pesquisa referente a esta dissertação, é construído e implementado no GNU Radio um esquema de avaliação de desempenho de detectores para rádio cognitivo, é construído o detector de energia, e são implementadas simulações computacionais e ensaios por meio de duas USRP para avaliar o desempenho do detector criado, visando os requisitos do padrão IEEE 802.22. / [en] Cognitive radio is a technology that aims to share the radio spectrum between licensed primary users and other secondary users in a harmonious way without causing interference that prevent the services provision and aiming at an improvement in the efficiency in the use of the radioelectric spectrum, which is a resource increasingly scarce. In the scope of the research related to this dissertation, a performance evaluation scheme of cognitive radio detectors is constructed and implemented in GNU Radio, the energy detector is constructed, and computational simulations and tests are implemented through two USRPs to evaluate the performance of the detector created, targeting the requirements of the IEEE 802.22 standard.

The Internet of Things holds great promises for the future. In the smart cities of tomorrow, wireless connectivity of everyday objects is deemed essential in ensuring efficient and sustainable use of vital, yet limited resources such as water, electricity and food. However, radio communication at the required scale does not come easily. Bandwidth is yet another limited resource that must be used efficiently so that wireless infrastructure for different IoT applications can coexist. Keeping up with the digitalization of modern society is difficult for wireless researchers and developers. The Software-Defined Radio (SDR) is a technology that allows swift prototyping and development of wireless systems by moving traditional hardware-based radio building blocks into the software domain. For developers looking to be on the bleeding edge of wireless technology, and thus keep up with the rapid digitalization, the SDR is a must. Many SDR systems consist of a radio peripheral that handles tasks such as amplification, AD/DA-conversion and resampling that are common to all wireless communication systems. The application-specific work is done in software at the baseband or an intermediate frequency by a host PC connected to the peripheral. That may include PHY-related processing such as the use of a specific modulation scheme as well as higher-layer tasks such as switching. While this setup does provide great flexibility and ease-of-use, it is not without its drawbacks. Many communication protocols specify a so-called round-trip time and devices wishing to adhere to the protocol must be able to respond to any transmission within that time. The link between the host and the peripheral is a major cause of latency and limits the use of many software-defined radio systems to proof-of-concept implementations and early prototyping since it prevents the round-trip time from being fulfilled. Overcoming the latency in the link would allow the flexibility of SDRs to be brought into field applications.This thesis aims to offload the link between the host PC and the radio peripheral in a typical SDR system. Selected parts IEEE 802.15.4, a wireless standard designed for IoT applications, were implemented by using unused programmable logic aboard the peripheral as a co-processor in order to reduce the amount of data that gets sent on the link. Frame success rate and round-trip time measurements were made and compared to measurements from a reference design without any co-processing in the radio peripheral. The co-processing greatly reduced traffic on the link while achieving a similar frame success rate as the reference design. In terms of round-trip time, the co-processing actually caused the latency to increase. Furthermore, the measurements from the coprocessing system showed a counter-intuitive behavior where the round-trip time decreased as the rate of the generated test frames increased. This unusual behavior is most likely due to internal buffer mechanisms of the operating system on the host PC. Further investigation is required in order to bring down the response time to a level more suitable for field applications. / Sakernas Internet, The Internet of Things (IoT), utlovar stora saker inom en snar framtid. I morgondagens smarta städer är trådlös uppkoppling av vardagliga ting en viktig komponent för effektiv och hållbar användning av begränsade resurser såsom vatten, elektricitet och mat. Desvärre är radiokommunikation i den skala som krävs en tuff utmaning. Bandbredd är ytterligare en begränsad resurs som måste användas effektivt så att trådlös infrastruktur för olika IoTapplikationer kan samexistera. Att hänga med i takten för det moderna samhällets digitalisering är svårt för forskare och utvecklare inom trådlösa system. Den mjukvarudefinierade radion, Software-Defined Radio (SDR), är en teknik som möjliggör smidig utveckling av trådlösa system. Grunden i tekniken är att flytta traditionella hårdvarubaserade byggblock för radio in i mjukvarudomänen. För utvecklare som vill befinna sig i framkanten för trådlösa system, och på så vis hålla takt med den snabba digitaliseringen, är SDR ett måste. Många SDR system består av en extern radiomodul som hanterar sådant som är gemensamt för de flesta trådlösa system, exempelvis förstärkning, AD/DA-omvandling och omsampling. Applikationsspecifik funktionalitet sköts av mjukvara i basbandet eller på en mellanfrekvens där mjukvaran körs på en PC. Ett SDR-system bestående av en PC med en extern radiomodul ger användaren stor flexibilitet men det har sina brister. Många kommunikationsprotokoll anger en så kallad Round-Trip Time (RTT). Enheter som strävar efter att följa protokollet måste kunna svara på alla meddelanden inom den tiden som angetts som RTT. Länken mellan PC:n och radiomodulen är en stor bidragare till fördröjningar och begränsar användandet av SDR till konceptuella tester och tidiga prototyper efter som fördröjningarna oftar innebär ett brott mot protokollets RTT. Om problemet med fördröjningar kan undvikas skulle SDR kunna användas i fältapplikationer med all den flexibilitet som SDR innebär och därmed bli ett kraftfullt utvecklingsverktyg för forskare och utvecklare inom området.Det här arbetet avser att avlasta länken mellan PC:n och radiomodulen i ett typiskt SDR system. Utvalda delar av IEEE 802.15.4, en standard för trådlös kommunikation inom IoT, implementerades med hjälp av programmerbar logik på USRP:n så att de flesta samplingarna konsumeras innan länken. Antalet framgångsrikt mottagna ramar samt RTT mättes och jämfördes med en referensdesign där samtliga beräkningar hanteras av PC:n. Användandet av den programmerbara logiken ledde till mycket reducerade datamängder på länken utan nämnvärd förändring i antalet framgångsrikt mottagna ramar jämfört med referensdesignen. Dock, vart fördröjningarna i systemet större när den programmerbara logiken användes. Dessutom visade systemet ett oväntat beteende där fördröjningen minskade under när trycket från den trådlösa trafiken ökade. Detta märkliga beteende beror högst troligt på interna buffermekanismer i operativsystemet i PC:n. Fortsatt utredning krävs innan fördröjningarna kan reduceras till en nivå som passar för fältapplikationer.