Análise e simulação do sistema de comunicações WiMAX(IEEE 802.16 - 2004) com ADS...

Capitulo 1.

Introdução

.

Neste capítulo é apresentada uma breve introdução sobre as principais motivações e objetivos desta dissertação, bem como a estrutura do trabalho.

1.1 Justificativa e Motivações.

O problema de assegurar conexão em banda larga ao usuário, normalmente, é resolvido através da tecnologia DSL (Digital Subscriber Line) ou ainda via fibra óptica. Entretanto, o alto custo de instalação, as restrições quanto à mobilidade e as limitações físicas, como no caso da DSL, têm limitado a utilização dessa ultima tecnologia. Para contornar as limitações apresentadas pela conexão banda larga via cabo, foi desenvolvido o padrão IEEE 802.16 conhecido como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), agregando interoperabilidade, suporte ao protocolo IP, altas taxas de transmissão de dados e facilidade e rapidez de instalação da rede. O objetivo dessa tecnologia é atingir regiões nas quais não existe infra-estrutura de banda larga com fio e, conseqüentemente, cobrir uma área maior, quando comparada a banda larga via cabo, além de apresentar um menor custo de manutenção.

Estas vantagens têm permitido aos prestadores de serviço aumentar o desempenho e a confiabilidade do sistema, além de reduzir os custos com equipamentos e os riscos do investimento (SIEMENS, 2004), (WiMAX FORUM, 2004).

Devido as funcionalidades da tecnologia WiMAX, uma grande variedade de serviços de banda larga sem fio poderá ser viabilizada como, por exemplo, voz sobre IP (VoIP) e vídeo sob demanda (MUPPALA, et al, 2000),( SOUZA, et al, 2006).

Em um primeiro momento, a tecnologia WiMAX vem sendo utilizada como backhaul para WiFi (IEEE Std 802.11a-1999) conectado à hot-spots públicos via cabo. Recentemente, o desenvolvimento da norma WiMAX mobile (IEEE 802.16e-2005) flexibilizou o uso desta tecnologia devido a não necessidade de conexão com hot-spots, tornando-se um possível competidor para a terceira geração de telefonia celular.

1.2. Objetivos:

O objetivo desta dissertação compreende o estudo, a simulação e análise das características do padrão WiMAX, que se encontram nas camadas do modelo OSI (GLOBAL KNOWLEDGE, 2006) MAC e PHY. Para isso foram utilizados o ADS (Advance Design Simulator) da “Agilent Tecnologies” e a linguagem de programação MATLAB, objetivando uma melhor compreensão do padrão e uma análise de desempenho do sistema.

1.3. Estrutura do Trabalho.

Capitulo 2.

Familia IEEE 802.16.

Este capítulo analisa e discute as novas característica incorporadas ao padrão IEEE 802.16 . As camadas da norma IEEE 802.16-2004 PHY e MAC, descrita no anexo A, foram revisadas e suas características apresentadas para uma melhor compreensão das hipóteses utilizadas na simulação da Camada de Banda Base.

2.1. Resumo da família IEEE 802.16

O padrão IEEE 802.16, também conhecido como IEEE WirelessMAN (Rede sem fio de área metropolitana) (IEEE WirelessMAN, 2006) é o nome dado para redes metropolitanas sem fio. Esse padrão tem como proposta inicial disponibilizar o acesso banda larga sem fio com alta velocidade de trasmissão de voz e vídeo para grandes distâncias e sem a necessidade de investimentos em infra-estrutura, como ocorre com uma rede de acesso banda larga cabeada, e sem as limitações de distância encontradas nas tecnologias DSL. Dentre as promessas deste novo padrão inclui-se a solução para o problema da “última milha” pela redução dos custos de implantação e do tempo necessário para conectar os usuários aos troncos das linhas de comunicação.

2 a 11 GHz. Além permitir o uso de menores freqüências, este novo padrão permite trabalhar sem visada direta (NLOS – Non Line of Sight) entre o transmissor e receptor (IEEE Std 802.16a-2003, 2003). Esta novidade ajudou este padrão tornar-se a tecnologia apropriada para as redes de acesso sem fio de banda larga em zonas tipicamente urbanas, nas quais obstáculos como, por exemplo, árvores e prédios, são comuns, e onde antenas são colocadas em telhados e tetos ao invés de colinas.

Portanto, a tecnologia WiMAX agrega o melhor de ambos mecanismos de cobertura permitindo atingir distâncias superiores à 30 Km (IEEE Std 802.16-2001, 2002) nas condições LOS (Line of Sight) além de estabelecer células de vários quilômetros em condições NLOS.

Finalmente, em outubro de 2004 foi publicada a última revisão do padrão IEEE 802.16-2004, (IEEE Std 802.16-802.16-2004, 2004) com o objetivo de reunir todas essas características em uma única norma. Nesta última versão, a camada física possui diferentes alternativas: WirelessMAN-SC (Metropolitan Área Networks – Single Carrier), WirelessMAN-SCa(SCa), WirelessMAN-OFDM (Ortoghonal Frequency Division Multiplexing), WirelessMAN-OFDMA(OFDM-Access) que serão descritos nos item 2.2.1.1

Dentre todas as alternativas, a que mais obteve êxito e para a qual se desenvolveu a maioria dos equipamentos fabricados, é a denominada WirelessMAN-OFDM, que é equivalente à norma IEEE 802.16a e que coincide com o padrão definido pela ETSI (European Telecommunication Standardizatition Institute), denominado HIPERMAN (HIgh PERformance Metropolitan Area Network). O tema da dissertação enfoca esta alternativa. Finalmente, foi desenvolvida a versão IEEE 802.16e em janeiro de 2006 (IEEE Std 802.16e-2005, 2006) que permite a mobilidade entre células.

Figura 2.1. Topologia de rede sem fio completa (indoor e outdoor) (MARKS, 2002).

Figura 2.2. Topologia e arquitetura da rede WiMAX (MARKS, 2002).

2.2. Revisão do padrão IEEE 802.16 - 2004

.

O padrão IEEE 802.16 – 2004, apresentada na Figura 2.3, especifica a interface aérea para freqüências de até 66 GHz e inclui a camada de enlace de dados (MAC) e múltiplas camadas físicas (PHY), segundo a arquitetura de protocolos (IEEE Std 802.16-2004, 2004). As camadas serão descritas no item 2.2.1.

Figura 2.3. Arquitetura de protocolos da tecnologia WiMAX: Camada física e de enlace de dados (IEEE Std 802.16-2004, 2004).

2.2.1. Características da camada Física (PHY).

As principais funções desempenhadas pela camada física são:

• Transmissão dos MAC PDUs.

• Definição das técnicas de transmissão digital: modulação e codificação.

• Definição de espectro de Freqüências.

• FEC (Correção de erro direta).

• Definição da técnica de duplexação.

padronizadas pelo IEEE.

2.2.1.1 Padrões da Camada Física IEEE 802.16 – 2004.

São especificados quatro padrões de camada física para o WirelessMAN: SC (Single Carrier), SCa (Single Carrier a), OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) e OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). O WirelessHUMAN, especificação do IEEE 802.16 para redes metropolitanas não licenciadas, suporta os mesmos padrões, possuindo alguns componentes específicos de canalização e transmissão de máscara espectral e que não estão incluídas neste trabalho.

O padrão SC descreve uma camada física de portadora única que opera a altas freqüências, necessária para assegurar a comunicação de linha de visada da fonte com o destino. Já no padrão SCa é possível a transmissão fora de linha de visada. As distancias que pode atingir são de até 5Km segundo (IEEE Std 802.16-2004, 2004).

O primeiro padrão OFDM foi criado para aplicações pouco exigentes, com baixo alcance, e, possivelmente, para ambientes internos. O modelo emprega FFT (Fast Fourier Transform) com 256 portadoras enquanto o padrão OFDMA, emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras transmitidas simultaneamente.

2.2.1.1.1 - WirelessMAN-SC

Opera na faixa de 10-66GHz. Suporta TDD e FDD. Permite utilizar vários perfis de transmissão adaptativos (ABPs – Adaptive Burst Profiles) além de permitir o ajuste individual dos parâmetros de trasmissão, para cada estação, quadro por quadro. O uplink é baseado em uma combinação de TDMA e DAMA (Demand Assigned Multiple Access). O downlink é TDM, fazendo o broadcast da informação destinada as estações de um mesmo setor. FDD suporta fullduplex e half-duplex, justamente porque utiliza duas freqüências distintas. Cada freqüência pode usar modulações diferentes.

No TDD o quadro possui um tamanho fixo sendo possível se ajustar a porção do quadro destinada a downlink e a uplink. Desta forma, é possível se ajustar a capacidade de transmissão em ambas as direções.

Um mapeamento de downlink é enviado pela estação base no início do subquadro para identificar onde estão os slots de tempo destinados a uma determinada estação cliente. Este mapeamento detalha quando os dados para uma determinada conexão estão sendo esperados. A alocação dos timeslots no downlink é feita pela estação base.

Para que o TDD funcione, é necessário a sincronização dos quadros na BS e SSs. Este é o maior problema do TDD, uma vez que o atraso de propagação faz com que os quadros sejam recebidos no destino somente após um intervalo de tempo. Para resolver este problema, é necessário que a SS inicie a transmissão dos seus slots de tempo no subquadro uplink, antecipadamente.

2.2.1.1.2 - WirelessMAN-Sca

estrutura dos quadros visando contornar as limitações do meio de transmissão NLOS.

2.2.1.1.3 - WirelessMAN-OFDM

É baseada na modulação OFDM (Ortoghonal Frequency Division Multiplexing), projetada para sistemas sem visada direta (NLOS) e para operar na faixa de até 11 GHz. Possui um total de 256 subportadoras. Dessas, somente 200 levam dados. Possui 55 portadoras de guarda e 8 subportadoras pilotos. Suporta TDD e FDD. Um quadro também consiste de um Downlink Subquadro e um Uplink Subquadro. Um Downlink Subquadro consiste de um único PHY PDU. Um Uplink Subquadro consiste de um ou mais PHY PDUs. Este inicia com um grande preâmbulo utilizado para fins de sincronização. Após este preâmbulo, existe um espaço de controle chamado FCH (Frame Control Header). Esse campo serve para diversos propósitos, incluindo mapeamentos. Depois do FCH existem vários Downlink Bursts, cada qual podendo utilizar diferentes ABPs. Esta camada possui estruturas de transmissão diferentes, dependendo se a topologia é PMP (Point-Multipoint) ou malha (Mesh) (item descritos no capitulo 4).

2.2.1.1.4 - WirelessMAN-OFDMA

Utiliza OFDM com 2048 subportadoras. Uma SS pode utilizar mais que uma subportadora, daí o termo Multiple Access. A utilização de 2048 subportadoras torna a FFT mais lenta e aumenta os requisitos de sincronização mas é utilizada Para objetos em movimento. Utiliza o padrão WiMAX móbile. Por este e outros motivos, este sistema tem despertado maior interesse da indústria.

Tabela 1. Sumário das designações da camada física do IEEE 802.16 - 2004.

Designação Função Operações

LOS/NLOS

Faixas de Freqüência

Tipos de Duplexação

WirelessMAN-SC Ponto a ponto LOS 10 – 66 GHz TDD, FDD

WirelessMAN-Sca Ponto a ponto NLOS 2 - 11 GHz TDD, FDD

WirelessMAN OFDM Ponto a multiponto NLOS 2 - 11 GHz TDD, FDD

WirelessMAN OFDMA Ponto a multiponto NLOS 2 - 11 GHz TDD, FDD

WirelessHUMAN Ponto a multiponto NLOS 2 - 11 GHz TDD

2.2.1.2 Vantagens e Desvantagens dos Padrões da

camada física.

Nas interfaces aéreas já mencionadas, o sistema OFDM é o mais adequado para operações (NLOS) devido a simplicidade do processo de equalização para sinais multiportadoras. Dentre os OFDM baseados em interface de ar, 256-portadoras sem fio MAN-OFDM é o mais vantajoso para os fabricantes por algumas razões, tais como:

• Utilização da transformada rápida de Fourier (FFT),

• Menor necessidade de sincronização de freqüências quando comparadas as 2048-portadoras MAN-OFDMA sem fio.

portadoras ortogonais).

• Equalização simplificada ou inexistente.

• Mais imune a fading.

• Taxa de transferência de dados pode ser definida de acordo com as condições do ambiente (centros urbanos ou zonas rurais).

Desvantagens

.

• Maior sensibilidade a ruído de fase e desvios de tempo e freqüência.

• Transmissores e receptores mais caros quando comparados aos transmissores das outras tecnologias tais como TDM, SONET (transmissão a cabo e fibra óptica).

• A eficiência na transmissão do sinal é reduzida pela necessidade de intervalo de guarda. Precisa incluir um intervalo de tempo para evitar interferência intersimbolica, assim sendo com a mesma potencia se enviem menos quadros de dados. (IEEE Std 802.16-2004, 2004).

Para assegurar a implementação global, o padrão IEEE 802.16a foi definido com uma largura de banda de canal variável. A largura de banda do canal pode ser um inteiro múltiplo de 1.25MHz, 1.5MHz, e 1.75MHz com um máximo de 20MHz. A possível opção de larguras de banda está sendo reduzida a poucas possibilidades pelo “WiMAX Fórum” (WiMAX FORUM). que tem como principal tarefa segurar a inter-operabilidade na implementação do referido padrão por diferentes fabricantes de equipamentos.

diante de cada elemento de dados de um símbolo OFDM (LANGTON, 2004), (LEITE, et al, 2002). É necessário escolher um CP (Prefixo Cíclico) maior que o máximo atraso de propagação.

Na Tabela 2 são apresentados os valores de máximo atraso da propagação em diferentes tipos de ambiente. Estes valores de atrasos da propagação permanecem sem mudar para qualquer freqüência que opera acima de 30 MHz, uma vez que os comprimentos de onda são menores que as estruturas. As medidas recentes confirmam os valores para faixas de freqüência entre 800 MHz e 6 GHz. (HOYMANN, 2005), (KEPLER, et al, 2002).

Tabela 2. Espalhamento de atraso . (HOYMANN, 2005), (KEPLER, et al, 2002).

Tipo de ambiente. Máximo Atraso de Propagação (us) Dentro de prédios (casas, oficinas)...< 0.1

Prédios maiores (Fabricas). < 0.2 Área aberta. < 0.2 Área suburbana LOS. 0.2 – 1.0 Área suburbana NLOS. 0.4 – 2.0 Área urbana. 1.0 – 3.0

Obs: outros autores citam que os espalhamentos de atraso podem atingir 50 us.

2.2.1.3 Modulação Adaptativa, codificação e taxas de

dados.

Taxa ID Tipo de Modulação e Taxa RS-CC

0 BPSK 1 / 2

1 QPSK 1 / 2

2 QPSK 3 / 4

3 16QAM 1 / 2

4 16 QAM 3 / 4

5 64 QAM 2 / 3

6 64 QAM 3 / 4

7 a 15 Reservado

Taxa ID indica o tipo de modulação e codificação utilizado nos bursts Uplink eDownlink. A codificação Taxa ID é fixo e não pode ser alterado durante a operação do sistema.

As taxas de dados que a tecnologia WiMAX pode atingir, varia de acordo com o tipo de modulação e codificação segundo o padrão IEEE 802.16 – 2004 e são apresentadas na Tabela 4.

A capacidade de alterar dinamicamente os vários esquemas de modulação definidos pelo padrão, é uma das mais interessantes características da camada física do WiMAX. Basicamente, a definição da modulação a ser adotada é realizada pelo requisito de taxa de transferência do usuário e pela relação sinal-ruído do enlace. Condições de propagação severas ou enlaces muito longos requerem esquema de modulação dos níveis menores e mais robustos. Portanto, em detrimento da taxa de transmissão, é garantida uma comunicação estável a taxas mais baixas. Esquema BPSK ou QPSK é típico.

Quando altas taxas são necessárias e as condições de propagação são favoráveis, usualmente enlaces de curta a média distâncias e esquemas de modulação de alta eficiência espectral são empregados para garantir taxas elevadas de transmissão. Nessas circunstâncias, modulações 16-QAM e 64-QAM são empregadas. A modulação 64-QAM pode suportar taxas de pico de 26 Mbps sobre um canal de 7 MHz (IEEE Std 802.16-2004, 2004) .

Figura 2.4. Esquema de modulação adaptativa adotado na tecnologia WiMAX. (MARKS, 2002).

2.2.1.4. Sistema de Antenas Adaptativas.

O AAS (Adaptative Antenna System) é apresentado na especificação do WiMAX para descrever as técnicas de conformação de feixe (beamforming) nas quais uma disposição de antenas é usado na estação rádio-base (BS) com o objetivo de aumentar o ganho na direção do usuário (SS) e anular ou minimizar a interferência de, e para, as outras SSs bem como minimizar ou anular as outras fontes de interferência. As técnicas AAS são usadas para possibilitar SDMA (Spatial Division Multiple Access), (VORNEFELD, et al, 1999). de forma que múltiplas SSs, separadas no espaço, podem transmitir e receber simultaneamente no mesmo subcanal. Pelo uso de conformação de feixe, a BS tem a habilidade de direcionar o sinal desejado para as diferentes SSs, bem como distinguir entre os sinais oriundos das diferentes SSs, ainda que estejam operando nos mesmos subcanais.

Há três categorias para os sistemas AAS (LIBERTI, 1999):

▪ Troca de feixes (Switched Beam): Várias antenas estão disponíveis em cada setor do hub do servidor para transmissão e recepção. Os apontamentos das antenas e diagrama de cada uma são fixos (o que é um limitante da técnica), de forma que é um esquema semelhante à diversidade já conhecida (de duas antenas). A cada momento é escolhido o melhor feixe de comunicação com o terminal;

▪ Direcionamento de feixe (Beam Steering): Aponta a antena de máximo ganho do setor em direção ao terminal do usuário, maximizando S/(I+N). Pode ser usada em terminais móvel ou fixa e é de complexidade intermediária entre a técnica de troca de feixes e a técnica de combinação descrita a seguir.

▪ Combinação ótima da relação S/(I+N): Sistema de realimentação, pelo qual é verificado se a saída coincide com um sinal de referência, da qual tenta-se extrair qualquer ruído ou interferência. É o esquema de implementação mais complexa por exigir o ajuste dos parâmetros de filtragem.

2.2.1.4.1. Técnicas de Antenas Adaptativas que permitem

SDMA.

Se uma disposição de antenas estiver montada na estação base (BS) IEEE 802.16, os algoritmos da formação do feixe (beamforming) permitem focalizar a potência de transmissão dentro de determinados sentidos e aumentar a relação sinal/ruído do receptor (SNR). É também possível dirigir os nulos em determinados sentidos para diminuir a interferência do co-canal. Um feixe é dirigido aplicando um peso, isto é, um número complexo a cada elemento da antena. Assim, um feixe é representado por um símbolo “ ” do vetor de peso que contenha um peso por elemento da antena (ver Figura 2.5). Se os feixes múltiplos forem aplicados, um vetor de peso por feixe tem que ser calculado . O Beamforming ou a pré-equalização maximizará o SNR enfocando a

i

w

) , ,

todos os outros sentidos. Esta técnica, junto com a natureza linear do elemento da antena, permite uma disposição de antena a transmitir um sinal em um sentido enquanto transmite um outro sinal ao mesmo tempo, na mesma freqüência e em outra direção.

Elementos de Antena

Figura 2.5. Formação de feixes (Beamformer) para múltiplos sinais (HOYMANN, C, 2006).

11

α

Um exemplo é mostrado na figura 2.6. Aplicando o padrão de antena otimizada (de linha contínua), um sinal pode ser dirigido ao usuário 1 e um zero pode ser colocado no sentido do usuário 2, supondo que os diferentes usuários estão suficientemente separados para aplicação do algoritmo. Ao mesmo tempo, na mesma freqüência um sinal diferente pode ser emitido através de um diferente padrão de antena otimizada (linha pontilhada) que é dirigido ao usuário 2 e tenha um zero dirigido ao usuário 1. Os fatores de amplitude resultantes α₁₁= 0.86 e α₂₁=0.002 apontam ao usuário 1 que significa que não existe quase nenhuma interferência entre os dois usuários em um cenário com dois usuários e quatro elementos de antenas analogamente, mais usuários podem ser beneficiados (atingidos, conectados) simultaneamente sem interações significativas. Este princípio pode ser aplicado tanto no downlink como no uplink.

2.2.2. Camada de controle de Acesso ao Meio (MAC)

.

Capitulo 3.

Estação Base 802.16a OFDM – PHY.

Neste capítulo é apresentada uma discussão mais detalhada sobre o tipo de modulação OFDM e suas características, tais como número de portadoras, ortogonalidade, desenho do transmissor OFDM, interferência intersimbólica, utilização de OFDM em WiMAX, intervalo de guarda, entre outros, bem como os parâmetros utilizados para o transmissor e receptor.

3. Modelo da Estação Base 802.16a OFDM – PHY.

A tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é um meio eficiente para superar os desafios de propagação NLOS (sem linha de visada). A forma de onda WiMAX OFDM possibilita a operação em ambientes NLOS. Além disso, através dos símbolos de tempo OFDM e o uso dos prefixos cíclicos, a modulação OFDM elimina os problemas de interferência intersímbolo (ISI), uma vez que o sinal OFDM é composto de portadoras ortogonais múltiplas. O funcionamento detalhado da tecnologia OFDM é descrito a seguir.

3.1.

Multiplexação Ortogonal por Divisão de Freqüência

(OFDM).

espectral. Ordinariamente, os canais adjacentes se sobrepondo podem interferir uns com os outros. Entretanto, as subportadoras, em um sistema OFDM, são ortogonais entre si, podendo ser sobrepostas sem que ocorram interferências. Conseqüentemente, os sistemas OFDM podem maximizar a eficiência espectral sem causar a interferência do canal adjacente. (LANGTON, 2004), (LEITE, et al, 2002).

Um exemplo do sinal no domínio da freqüência de um sistema OFDM, com três canais, é apresentado na Figura 3.1.

Canal 0. Canal 1. Canal 2.

Sobreposição de sub-portadoras.

Figura 3.1. Exemplo de sinal no domínio da freqüência de um sistema OFDM com três canais (WiMAX FORUM).

Observa-se na Figura 3.1. que existe sobreposição das sete subportadoras, os vales de cada subportadora situa-se na freqüência central de todas as outras subportadoras (interferência entre subportadoras é nula). Esta configuração permite um rendimento de dados maior quando comparado a um sistema de FDM.

3.1.1. Ortogonalidade das Subportadoras

.

Os sistemas de comunicação OFDM possibilitam o uso mais eficiente do espectro da freqüência através da sobreposição das subportadoras. Essas são configuradas para se

vez que, a máxima potencia de cada subportadora corresponde diretamente à mínima potência de cada canal adjacente (LEITE, et al, 2002), (LANGTON, 2004). Na Figura 3.2 é apresentado o domínio da freqüência de um sistema OFDM. Cada subportadora está representada por um pico diferente. Além disso, o pico de cada subportadora corresponde diretamente com o cruzamento zero de todas os canais.

Com sistemas de OFDM, um pulso em forma de sinc1 é aplicado no domínio da freqüência de cada canal. Conseqüentemente, cada subportadora permanece ortogonal a um outro.

Figura 3.2. Domínio da freqüência de um sistema OFDM. (LANGTON, 2004).

1_Sinc:

Função matemática utilizada para o processamento digital de sinais. A função Sinc é comumente definida como:

x x sin x sinc

π π ) ( ) ( =

No projeto de execução de um transmissor/receptor para envio de sinal de dados e com a utilização de subportadoras múltiplas para transmitir um canal individual, um sistema de comunicações de OFDM deve realizar vários passos, conforme descrito na Figura 3.3 e que são definidos nos seguintes itens.

Figura 3.3. Transmissor – Receptor de um sistema de comunicações de OFDM (WiMAX FORUM).

3.1.1.1. Conversão Série a paralelo.

transmitidos conjuntamente. O receptor executa o processo reverso para dividir o sinal recebido em subportadoras apropriadas e, em seguida, demodular estes individualmente antes da reconstrução do bitstream original.

3.1.1.2. Modulação com FFT Inversa.

OFDM pode ser gerado facilmente usando a Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT). A modulação dos dados em uma forma de onda complexa ocorre na IFFT do transmissor (LEITE, et al, 2002). Nesta técnica, o esquema de modulação pode ser escolhido independentemente do canal específico que está sendo usado baseado nas exigências do desenho de ambiente de trabalho. É possível para cada subportadora individual usar um esquema diferente da modulação. O papel do IFFT é modular cada subcanal na portadora apropriada (LEITE, et al, 2002).

3.1.1.3. Inserção do Prefixo Cíclico.

Como os sistemas de comunicações sem fio são suscetíveis a reflexões de multipercurso do canal, um prefixo cíclico é adicionado para reduzir a ISI (Interferência Intersímbolica) (ver item 3.1.1.5). Um prefixo cíclico é uma repetição da primeira seção de um símbolo adicionado ao fim do símbolo. Além disso, é importante porque permite representações de multipercurso do sinal original se este se desvanece de modo que não interfiram com o símbolo subseqüente.

3.1.1.4. Conversão Paralelo a Série.

3.1.1.5. Redução de Interferência Intersimbólica (ISI).

Em sistemas com portadora única, a interferência intersimbólica freqüentemente é causada pelas características de multipercurso de um canal de comunicações sem fio. Nota-se isso ao transmitir uma onda eletromagnética para cobrir uma certa distância e que obrigue o sinal passar por uma grande variedade de meios físicos. Conseqüentemente, o sinal real recebido contém o overlaid (atraso) direto trajeto com reflexões de amplitudes menores (ROHDE & SCHAWARZ, 2006) conforme apresentada na Figura 3.5. com taxas elevadas do símbolo, os sinais refletidos podem interferir com os símbolos subseqüentes. Em sistemas sem fio, isto cria uma dificuldade porque o sinal recebido pode ser ligeiramente distorcido. Neste cenário, o sinal direto do trajeto chega como esperado, mas as reflexões ligeiramente atenuadas chegam atrasadas. Estas reflexões constituem um desafio porque interferem os símbolos subseqüentes transmitidos ao longo do trajeto direto. Estas reflexões do sinal são atenuadas através de filtros, que suprime seções iniciais e finais do período de símbolo. A Figura 3.5 ilustra este problema torna-se mais significativo para taxas elevadas do símbolo, pois as reflexões compõem uma porcentagem significativa do período do símbolo.

Reflexões Propagadas por Multipercurso

Reflexões do sinal causa ISI Símbolos tipo Pulso

Tempo Potencia

Δt

Período do Símbolo

Figura 3.5. Taxas de Símbolos altos que provocam ISI (FDM) (WiMAX FORUM).

Os sistemas de OFDM contornam este problema utilizando um período comparativamente longo do símbolo. Além disso, fazem isto sem sacrificar o rendimento utilizando subportadoras múltiplas por canal. A Figura 3.6. Esquematiza no domínio de tempo os símbolos OFDM. Notar que em um sistema de OFDM, a taxa do símbolo pode ser reduzida e ainda assim conseguir rendimento similar ou igual de redução de ISI.

Intervalo de guarda

Δt Período do Símbolo

Tempo Potencia

Reflexões de Propagação por Multipercurso

Notar também na Figura 3.6. que o tempo necessário para atenuar completamente as reflexões é a mesma que antes. Entretanto, utilizando uma taxa menor do símbolo, as reflexões do sinal compõem somente uma porcentagem pequena do período total do símbolo. Assim, é possível adicionando simplesmente um intervalo de guarda para remover a interferência das reflexões sem que o rendimento do sistema seja reduzido significativamente.

3.2. OFDM em WiMAX.

Figura 3.7. Descrição das portadoras OFDM (IEEE Std 802.16-2004, 2004), (ETSI, 2005).

A forma de onda do símbolo OFDM, no domínio da freqüência é criado pela transformada inversa de Fourier do símbolo de OFDM no tempo (descrita em 3.1.1.2). O símbolo de OFDM tem duração , inclui o tempo útil do símbolo, ( = 1/ espaçamento da portadora), e um prefixo, . O prefixo, denominado de prefixo cíclico (PC), é uma cópia do fim do símbolo adicionado no começo. O intervalo do protetor, G, é definido como a relação do comprimento do PC ao tempo útil do símbolo (G = ). O padrão de IEEE 802.16-2004 especifica quatro relações para o intervalo do protetor, 1/4, 1/8, 1/16, e 1/32. O intervalo do protetor é usado pelo receptor para reduzir o multipercurso e melhorar o desempenho do sistema.

s

T T_b T_b

g

T

s

g T

T /

Para descrever o sistema OFDM. Um numero de termos são utilizados para especificar os parâmetros das propriedades físicas.

• Largura de banda nominal do canal BW(Hz). .

/n F BW = _s

• Freqüência de amostragem F_s (Hz).

• A Freqüência de amostragem F_s e sempre maior que comprimento de banda.

• Fator de amostragem “n”. n = F_s / BW.

• NFFT Tamanho da Transformada Rápida de Fourier FFT ou número de pontos para OFDM 256.

• Espaçamento da portadora Δf (Hz): é a distância entre 2 portadoras OFDM adjacentes.

f

Δ = F_s/N_FFT.

• Tempo de símbolo usado T_b(s)

b

T = 1 / Δf . Para a análise de FFT este é a longitude de intervalo analisada.

• Relação período de guarda / intervalo G(1), prefixo cíclico (CP) T_g(s)

(Valores típicos de G: ¼, 1/8, 1/16 ou 1/32) o tempo absoluto é chamado Prefixo Cíclico (T_g= G . T_b).

• Tempo do símbolo OFDM.

s

T = T_b + T_g.

A equação ( I ) especifica a tensão do sinal transmitido para a antena, em função do tempo, durante a duração dos símbolos OFDM.

⎪

⎭

⎪

⎬

⎫

⎪⎩

⎪

⎨

⎧

=

∑

.

Re

)

(

j

_c

_e

e

t

s

... ( I )

t é o tempo, percorrido desde o começo do símbolo OFDM, com 0 < t < T_sna equação ( I )

k

C corresponde a um número complexo; os dados a serem transmitidos sobre a portadora de quem a freqüência offset tem índice k, durante o símbolo OFDM. Isto especifica um ponto na constelação QAM. Na equação ( I ) (IEEE Std 802.16-2004, 2004), (ETSI, 2005).

Os principais parâmetros para a camada 256-OFDM PHY são definidos na tabela 5. e são estabelecidos pelo padrão WiMAX.

Tabela 5. Parâmetros da camada 256-OFDM PHY (IEEE Std 802.16a -2003, 2003), (ETSI, 2005).

Parâmetros Valores

FFT

N : número de pontos FFT/IFFT 256 portadoras

used

N : número de portadoras utilizadas. 200 portadoras BW

F_s/ : freqüência de amostragem com a relação à

largura de banda 8 /7 para bandas com licença

b

g T

T / : largura do prefixo cíclico. 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. número de portadoras de proteção de freqüências

baixas.

28 portadoras.

número de portadoras de proteção de freqüências altas.

27 portadoras.

Índices offset da freqüência de proteção de portadoras. -128,-127…,-101 +101,+102,…+127 Índices offset da freqüência da posição fixa básica de

proteção de portadoras. -84,-60,-36,-12,12,36,60,84 Largura de banda do canal 1,75-3,50- 7,0-10,0-20-28

Capitulo 4.

4. Estrutura do modelo de simulação 802.16a

OFDM PHY.

Este capítulo apresenta uma revisão da especificação da camada física 802.16a OFDM PHY, bem como descreve, de forma geral, a Banda RF. Em seguida, uma descrição detalhada de cada um dos blocos da Camada de Banda Base é apresentada. Para finalizar, os modelos de canal utilizados para a simulação do sistema são descritos.

4.1. Estrutura da camada 802.16a OFDM PHY.

A estrutura da camada de IEEE 802.16a OFDM PHY pode ser dividida basicamente nas seções de Banda Base e Banda de RF, conforme diagrama de blocos mostrado na Figura 4.1.

Neste trabalho serão simulados a seção de Banda Base porque nosso interesse é conhecer seu desempenho em relação a outras tecnologias de telecomunicações.

ESTAÇÃO BANDA BASE

MAC Bitstreams

LNA: Amplificador de Baixo Ruído.

DAC: Conversor Digital Analógico.

ADC: Conversor Analógico Digital.

FREQ SYN (Sintetizador de Freqüência): A função de um sintetizador é gerar um único sinal de um espectro de freqüências disponível f_LO = f_RF − f_IF utilizado para a freqüência de modulação em um transceptor com ou sem fio.

DUPLEXER: Separar os sinais de transmissão e recepção de sinais de e para a antena.

A seguir são descritas as duas seções da camada PHY WiMAX.

4.1.1. Banda RF (Radio Freqüência)

Conforme a Figura 4.1, inicialmente o sinal da seqüência de MAC bitstream proveniente da MAC (ver ANEXO A) é alimentado no transmissor da estação base. Após o processamento na estação base, a seqüência dos dados digitais é separada em parte real e imaginária (pontos 1 e 2 da Figura 4.1). Em seguida, os dados reais e imaginários são convertidos em ondas em fase e em quadratura no DAC. A onda em fase multiplica uma forma de onda senoidal IF (ponto 3 da Figura 4.1); a onda em quadratura é multiplicada com uma forma de onda cosenoidal (ponto 4 da Figura 4.1). Estas duas formas de onda são somadas para formar uma portadora com uma freqüência intermediária modulada (IF) (ponto 5 da Figura 4.1). O conjunto é multiplicado então com a portadora RF (ponto 6 da Figura 4.1) e depois o sinal é amplificado para formar a onda eletromagnética que será transmitida pela antena.

que são enviadas as linhas de transmissão. Depois o sinal passa por um filtro BPF, Este sinal é alimentado diretamente ao LNA, que prevê adequado ganho sem degradar o SNR. A freqüência do sintetizador tem a missão importante no percurso de TX e RX.

O sintetizador em conjunto com o misturador traslada o sinal RF da portadora para o sinal IF da banda base. No caso do receptor, o sintetizador LO mistura com o sinal RF e translada para o sinal da banda base. No caso do transmissor, converte o sinal de banda base modulada e desloca para o RF.

No receptor, as operações de recepção do sinal são executadas em ordem inversa ao transmissor. A sincronização é necessária para assegurar o correto processamento do sinal na Estação rádio base. A sincronização de um símbolo OFDM requer a detecção do pacote seguida do tempo da amostra e a sincronização da freqüência.

A detecção do pacote consiste em encontrar o início correto do pacote que pode ser feito com a ajuda dos símbolos pilotos, tais como os preâmbulos. Há duas maneiras usuais de conseguir isto: a primeira é executar a autocorrelação do sinal recebido, neste caso o preâmbulo é composto geralmente de duas porções idênticas de seqüências; a segunda é correlacionar o sinal recebido com os preâmbulos. Quando o pico ocorre, isto significa que o início de um pacote é detectado (ETSI, 2005).

Banda Base.

Neste projeto as simulações foram realizadas considerando-se apenas a estrutura da Estação Radio Base apresentada nas Figuras 4.2a e 4.2b. e são descritas nos seguintes itens.

Figura 4.2b. Diagrama de blocos da camada OFDM PHY 802.16a. Recepção (IEEE Std 802.16a -2003, 2003), (ETSI, 2005), (ROHDE & SCHAWARZ, 2006).

4.1.2.1

0xFF Padding:

Se a quantidade de dados MAC transmitidos não permite a criação de um número inteiro de símbolos OFDM, é necessário realizar um preenchimento de bytes com 0xFF tantos quanto forem necessários, para que um número inteiro de símbolos OFDM seja criado (IEEE Std 802.16a -2003, 2003), (ETSI, 2005).

4.1.2.2 Randomização.

Figura 4.3. Scrambler/Descrambler (ETSI, 2005).

Para o receptor a mesma estrutura é utilizada para a operação inversa.

4.1.2.3.

Tail Byte 0x00 FEC Padding.

Os dados MAC são agrupados em blocos, cujo tamanho deve ser igual ao tamanho do bloco do codificador RS menos um. Para que este coincida com o tamanho do bloco, coloca-se um byte de final 0x00 para cada bloco tal e como diz o padrão (ETSI, 2005).

4.1.2.4. Correção de erro Direto (FEC)

O FEC é um corretor de erros introduzidos na transmissão de dados, com a finalidade de eliminar os possíveis erros causados por efeitos de multipercurso e Fading no envio de dados por espaço livre. O FEC esta formada pelo codificador Reed-Solomon e pelo codificador Convolucional descritos a seguir.

4.1.2.4.1 Codificador

Reed-Solomon

.

bloco em FEC é o codificador Reed -Solomon. Os códigos do Reed -Solomon são códigos do bloco que corrigem erros dos bursts.

Os códigos, com referência ao formato RS (N, K, T), onde K é o número de bytes não codificados e N é o número de bytes codificados, T são o número dos bytes que podem ser corrigidos, Segundo (IEEE Std 802.16-2004, 2004) o codificador Reed -Solomon gera um código tal que os primeiros K bits de saída do codificador são os bits de informação e os N-K bits seguintes do codificador são os bits de verificação adicionados para a correção do erro. No padrão (IEEE Std 802.16a -2003, 2003), (ETSI, 2005) o codificador Reed -Solomon é definido como RS (255, 239, 8) com os seguintes polinômios:

Polinômio gerador de código:

HEX T

x x

x x

x

g( )=( +λ0)( +λ1)( +λ2)...( +λ2 −1),λ =02 Polinômio gerador do campo:

1 )

(x =x8 +x4 +x3 +x2 + p

4.1.2.4.2 Codificador

Convolucional

/ Decodificador

Viterbi

.

Figura 4.4. Codificador convolucional. (ETSI, 2005).

Depois da codificação RS-CC todos os bits de dados serão intercalados por um bloco de com tamanho correspondente ao número de bits codificados por um alocamento especificado, . Devido ao esquema diferente de modulação QPSK, 16QAM, 64-QAM,

estes alocamentos são iguais a 384, 768, 1152 respectivamente.

cbps

N

cbps

N

O intercalador é definido por dois passos de permutação.

cpc

N : número de bits codificados por portadora, isto é: 2, 4 ou 6 para QPSK, 16-QAM ou 64-QAM, respectivamente. S = N_cpc/ 2.

Primeira Permutação: ) 16 / ( ). 16 /

(N k_mod(16) floor k

m= _cbps + k =0,1,2,...,N_cbps −1 (2)

Segunda Permutação:

s cbps cbps floor m N

N m s m floor s

j= . ( / )+( + − (16. / ))_mod 1

,..., 1 ,

0 −

= N_cbps

onde k é o índice do bit codificado antes da primeira permutação na transmissão; m o índice após o primeiro e antes da segunda permutação; e j o índice após a segunda permutação, apenas antes do mapeamento da modulação.

A primeira permutação assegura que os bits codificados adjacentes sejam colocados em portadoras não adjacentes. Isto assegura que se um profundo fade afetar um bit, seus bits vizinhos não sejam afetados pelo fade, corrigindo os efeitos deste fenômeno.

A segunda permutação assegura que os bits codificados adjacentes sejam traçados alternadamente em menos ou em mais bits significativos da constelação. Isto torna a detecção exata evitando o longo funcionamento com baixa confiabilidade de bits.

Deintercalação é executada na ordem reversa das operações (IEEE Std 802.16a -2003, 2003), (ETSI, 2005).

4.1.2.5. Interpolação (

Interleaving)

.

O Randomizador faz a junção dos bits de transmissão para que eles sejam mais robustos ante a possibilidade de erros devido ao fading (desvanecimento seletivo em freqüência), e minimizar a probabilidade de erro nos bits na recepção (IEEE Std 802.16a -2003, 2003), (ETSI, 2005).

4.1.2.6. Montagem do Frame, pilotos, intervalo de Guarda.

Neste item são descritos a modulação dos pilotos e o intervalo de guarda

4.1.2.6.1. Modulação / Demodulação.

Tabela 6. Codificação obrigatória do canal por modulação (IEEE Std 802.16a -2003, 2003).

Taxa ID Modulação Tamanho de blocos

não codificados

(Bytes)

Tamanho de blocos codificados Taxa de codificação geral Tipos de Código RS Taxa de código CC

0 QPSK 24 48 ½ (32,24,4) 2/3

1 QPSK 36 48 ¾ (40,36,2) 5/6

2 16 QAM 48 96 ½ (64,48,8) 2/3

3 16 QAM 72 96 ¾ (80,72,4) 5/6

4 64 QAM 96 144 2/3 _{(108,96,6) 3 / 4}

5 64 QAM 108 144 ¾ (120,108,6) 5/6

4.1.2.6.2. Montagem do Frame.

Os intervalos do frame contêm transmissões (PHY PDUs) da BS e SSs, aberturas e intervalos de guarda.

O OFDM PHY suporta transmissões baseadas em frames. (IEEE Std 802.16a -2003, 2003) Um frame consiste de um downlink subframe e um uplink subframe. O downlink subframe consiste apenas de um downlink PHY PDU. Um uplink subframe consiste de um esquema de intervalos de conexão compostas por: variação inicial (initial ranging) e requerimento de banda (BW request) e um ou múltiplos uplink PHY PDUs, cada um transmitidos de um SS diferente.

O FCH é seguido por um ou múltiplos downlink bursts, cada um transmitido com perfil de burst diferente. Cada downlinkburst consiste de um número inteiro de símbolos OFDM.

Cada DL burst é composto das unidades de dados do pacote MAC (PDUs) programadas para a transmissão da DL. Opcionalmente um DL burst pode começar com um preâmbulo curto (1 símbolo OFDM) que permite uma sincronização mais realçada e uma estimação de canal das SSs.

O UL subframe consiste de intervalos programados de contenção para variação inicial (initial ranging) e requer uma largura de banda e um ou múltiplos UL PHY burst de transmissão, cada qual transmitida de uma SS diferente. Os slots para initial ranging permitem à SS entrar ao sistema por requerimento da gerência básica CIDs, para ajustar seu nível de potência e freqüência offset e correção do seu sincronismo offset.

Os slots de requerimento de largura de banda são usados por SSs para transmitir o cabeçalho de requerimento de banda. Cada um dos UL PHY burst de transmissão contém somente um UL burst e começa com um preâmbulo curto (1 símbolo OFDM).

O DLFP contêm até quatro elementos de informação (IEs). Cada IE especifica um DL burst. Assim, o DLFP pode especificar até quatro DL burst. Se o DL subframe for composto de mais de quatro burst, um DL-MAP adicional especifica os restantes. Se houver menos de quatro burst atuais, o DLFP é suficiente não sendo necessário transmitir o DL-MAP. O IE DLFP contêm o comprimento e o modo PHY do correspondente DL burst. O IE pode, adicionalmente, informar sobre o preâmbulo opcional no começo do DL burst.

DL-MAP especifica um DL burst e um IE no UL-MAP especifica um UL burst de transmissão. O último IE de cada MAP indica o final do MAP e o final do subframe.

São adicionados também os pilotos e o intervalo de guarda com o objetivo de criar o símbolo OFDM no domínio da freqüência

4.1.3. Modelo do Canal.

A fim de avaliar o desempenho do sistema de comunicação desenvolvido, uma descrição exata do canal é necessária para resolver seu ambiente de propagação.

A arquitetura de um sistema de comunicação desempenha um papel importante na modelagem de um canal. O canal sem fio é caracterizado por:

- Perda por Trajetória (incluindo sombra). - Atraso de propagação por múltiplos percursos. - Características de Fading.

- Espalhamento Doppler.

Estas características são descritas a continuação:

Todos os parâmetros do modelo são de natureza aleatória e apenas uma caracterização estatística deles é possível, ou seja, em termos de valor médio e variância uma vez que estes parâmetros são dependentes do terreno, densidade das árvores, altura e distribuição das antenas, velocidade do vento e da estação do ano.

4.1.3.1. Perdas por Trajetórias.

Devido a natureza de propagação de sem linha de visada (NLOS) de tipo WirelessMAN OFDM, o multiatraso de propagação deve ser incluídos no modelo de canal. Os atrasos de propogação por multipercusos ocorrem devido as dispersões do sinal devido as características do meio ambiente. O atraso de propagação é um parâmetro utilizado para indicar o efeito de multipercursos de propagação que dependem do tipo de terreno, da distância entre o transimssor e o receptor, diretividade das antenas e outros fatores. O valor do atraso da propagação (rms) pode ser de dezenas de nanosegundos a microsegundos.

4.1.3.3. Características Fading.

Em um ambiente de multipropagação, o sinal recebido apresenta flutuações na sua amplitude, fase e ângulo de chegada. O efeito é descrito pelo termo de multidesvanecimento (fading) (SKLAR, 2001). Devido a implantação das antenas fixas no transmissor e no receptor, o fading de pequena escala é abordado no modelo de canal.

Fading de pequena escala refere-se a mudanças drásticas da amplitude e da fase do sinal que, no entanto, resulta em pequenas alterações (da ordem de maximo meia onda) no posicionamento espacial entre um receptor e um transmissor.

Fading de pequena escala é chamado Rayleigh Fading se existem inúmeros caminhos reflexivos e não há componente do sinal na linha de visada; as envolventes de tal sinal recebidas são estatisticamente descritas por um Rayleigh pdf (SKLAR, 2001).

definido como a relação entre a componente direta da potência e as componentes dispersadas da potência.

4.1.3.4. Espalhamento Doppler

No acesso sem fio fixo, um deslocamento de freqüência Doppler é induzido no sinal devido ao movimento dos objetos no ambiente da propagação. O espectro Doppler para diferentes canais fixos sem fios é visto em (V. ERCEG, et al, 2003). O efeito Doppler ocorre no intervalo de freqüência de 0 até 12 Hz para o canal sem fio sem movimentação. A forma do espectro também é diferente do clássico Jake's (V. ERCEG, et al, 2003) espectro para canal móvel.

Juntamente com os parâmetros anteriores, a distância e interferência do co-canal, o fator de redução de ganho da antena deveria ser considerada para a modelagem do canal.

Tendo os requisitos principais para o modelo do canal, temos duas opções para desenvolver. Podemos usar um modelo matemático para cada um deles ou podemos escolher um modelo empírico que englobe os requisitos mencionados. Optamos pelo último e escolhemos o Stanford University Interim (SUI) modelo de canal para nossa simulação.

4.1.4. Modelos de Canal.

Stanford University Interim

(SUI).

2003). Os parâmetros para o modelo foram selecionados com base em alguns modelos estatísticos. As tabelas abaixo ilustram os parâmetros dos seis canais SUI.

Tabela 7: Tipo de Terreno para canais SUI.

Tipo de Terreno. Canais SUI

C (Terreno predominantemente plano com baixa densidade de árvores)

SUI-1, SUI-2

B (Terreno montanhoso com baixa densidade de árvores ou terreno plano com moderada a alta densidade de árvores)

SUI-3, SUI-4

A (Terreno montanhoso com moderada a forte densidade de árvores)

SUI-5, SUI-6

Tabela 8: Características dos canais SUI Doppler Baixo retardo por

espalhamento

Moderado Retardo por espalhamento

Alto Retardo por espalhamento Baixo SUI-1,2 (Alto fator K)

SUI-3

SUI-5

Assumimos o cenário (V. ERCEG, et al, 2003) com os seguintes parâmetros:

- Tamanho das células: 7 km.

- Altura da antena Transmissora: 30 metros. - Altura da antena do Receptor: 6m.

- Antena largura do feixe:₁₂₀0. - antena receptora: unidirecional. - Polarização: Vertical.

- 90% de cobertura das células com 99,9% de confiabilidade em cada local coberto.

Para o cenário acima, os parâmetros do canal SUI são tabulados nas tabelas 9, 10 e 11, de acordo com (V. ERCEG, et al, 2003).

Tabela 9: Retardo por Espalhamento dos Canais SUI

Tap 1 Tap 2 Tap 3 Retardo por

espalhamento Rms

Modelo de Canal

s

μ

SUI-1 0 0.4 0.9 0.111

SUI-2 0 0.4 1.1 0.202

SUI-3 0 0.4 0.9 0.264

SUI-4 0 1.5 4 1.257

SUI-5 0 4 10 2.842

Tap 1 Tap 2 Tap 3 Modelo de Canal

dB

SUI-1 0 -15 -20 SUI-2 0 -12 -15 SUI-3 0 -5 -10 SUI-4 0 -4 -8 SUI-5 0 -5 -10 SUI-6 0 -10 -14

Tabela 11: Fator K 90% (antena unidirecional) dos canais SUI

Tap 1 Tap 2 Tap 3

Modelo de Canal

SUI-1 4 0 0

SUI-2 2 0 0

SUI-3 1 0 1

SUI-4 0 0 0

SUI-5 0 0 0

SUI-6 0 0 0

4.1.5. Implementação do Modelo de Canal SUI.

O objetivo da implementação do modelo é a simulação dos coeficientes do canal.

Coeficientes de canal com a distribuição especificada e a densidade espectral de potência são gerados usando o método de ruído filtrado (BAUM S., 2001). Um sistema de números complexos com distribuição ZEROMEAN é gerado com uma variância de 0.5 para a parte real e imaginária para cada um dos taps para alcançar a média unitária total da potência. Desta forma, chegamos a uma distribuição Rayleigh (equivalente a Rice com K = 0) pela magnitude dos coeficientes complexos. No caso de uma distribuição Ricean (K> 0), uma componente m de trajetória constante tem de ser adicionado ao conjunto de coeficientes de Rayleigh. O fator K especifica a relação de potência entre a parte constante e a parte variável. A distribuição de potência é mostrada a seguir:

A potência total P para cada tap.

2 2

σ

+

= m

p (4)

Onde m é uma constante complexa e a variância do sistema gaussiano complexo, a relação de potência é:

2 σ 2 2 σ m

k = (5)

Das equações 4 e 5, a potência da gaussiana complexa e dada por:

1 1 . 2 + = k p

σ (6)

E a potência da parte constante como:

1 . 2 + = k k p

para o espalhamento de componentes dos coeficientes de canal dada por: ⎩ ⎨ ⎧ − + = 0 785 . 0 72 . 1 1 ) ( 4 0 2 0 f f f S 1 1 0 0 > ≤ f f (8)

Sendo a função f0 parametrizada pela freqüência Doppler máxima fm, ou seja.

m

f f f₀ = .

Para gerar um sistema de coeficientes de canal com a função PSD, os coeficientes originais são correlacionados com um filtro que tem a amplitude de resposta em freqüência.

) ( )

(f S f

H = (9)

Capitulo 5.

Resultados das Simulações.

Neste capítulo os resultados das simulações são apresentados e discutidos. Primeiramente, apresenta-se a implementação do simulador e, em seguida, apresenta-se os resultados da simulação, além dos valores utilizados para os diferentes parâmetros que caracterizam o desempenho da camada física.

5. Simulação do Modelo da Camada Banda Base

WiMAX.

Conforme citado anteriormente, a implementação da camada física WiMAX foi dividida em duas etapas descritas a seguir.

Primeira Etapa:

Etapa de simulação da estação rádio base incluindo todos os blocos descritos no Capítulo 4 (randomizador, FEC, interpolador, montagem do frame, pilotos, IFFT, inserção CP) (Figura 4.2a), na qual foram obtidos os quadros de dados Uplink e Downlink WiMAX do transmissor e receptor.

Segunda Etapa:

Nesta etapa, o modelo de canal de transmissão foi implementado em MATLAB incluindo-se no algoritmo o ruído branco gaussiano (AWGN), efeito fading e a interferência intersimbólica.

5.1.1 Introdução.

Os projetos de simulação WiMAX criados no ADS (explicados com maiores detalhes no ANEXO A) e MATLB são baseados no padrão de IEEE 802.16 -2004.(descrito anteriormente). Estes projetos, são focalizados na camada física do sistema WiMAX. Eles são desenvolvidos para constituir um sistema padrão para que outros projetistas tenham uma idéia mais clara de como o desempenho nominal ou ideal do sistema WiMAX é desenvolvida. As avaliações podem ser feitas a partir do desempenho degradado do sistema devido as debilidades dos componentes não ideales dos componentes utilizados.

5.1.2 Componentes da Codificação do canal.

Os componentes de codificação de canal serão usados para a construção do FCH e dos canais de dados. As componentes chaves para a codificação do canal incluem componentes do scrambler, componentes corretor de erro futuro (FEC), e um componente do interpolador.

Um interpolador (interleaver) é usado para codificação de canais (ETSI, 2005). Todos os bits de dados codificados são intercalados por um bloco interpolador com um tamanho que corresponde ao número de bits codificados pelos subcanais alocados pelo símbolo de OFDM. O interpolador é definido por uma permutação de duas etapas: o primeiro assegura-se que os bits codificados adjacentes estejam traçados em subportadoras não adjacentes; o segundo assegura que os bits codificados adjacentes estejam mapeados alternadamente para mais ou para menos bits significativos da constelação, evitando, assim, funcionamentos longos de bits com baixa confiança. O componente Interleaver802 do ADS executa a intercalação de duas etapas para o sistema de WiMAX, A Figura 5.1. Mostra a geração completa de sinal codificado, usando o esquema Reed solomon e código convolucional (RS-CC) baseado no padrão 802.16a.

cbps

sub_Puncturing Punc3 Rate_ID=Rate_ID sub_PuncRSCC PuncRSCC2 CC_CodeRate=Rate_ID VAR VAR1 Eqn Var Interleaver802 I2 NCBPS=NCBPS l=l s=s Intlv802 ConvolutionalCoder C3 CodingRate=rate 1/2 Enocder Convolutional CoderRS C2 R-S Encoder Port P2 Num=2 IntToBits I1 nBits=8 BitsToInt B1 nBits=8 Port P1 Num=1

Figura 5.1. Sub-rede FEC.

Como foi explicada no capítulo 4, a estação rádio base tem um bloco de codificação de dados descrito no diagrama da figura 5.1: A sub-rede inclui um componente do codificador Reed-Solomon RS (CoderRS), um componente do codificador convolucional (ConvolutionalCoder), e um componente do interpolador (Interleaver802). Dois componentes da sub-rede FEC foram construídas para este projeto (sub_PuncRSCC e sub_Puncturing), suas funções e características são descritas a seguir:

• Sub-rede

(sub_puncRSCC)

• Sub-rede (

sub_Puncturing

Figura 5.2. Sub rede para CC código Rate_ID = 2/3

5.1.2.1. Preâmbulos.

O frame WiMAX contêm dois preâmbulos no downlink PHY. O primeiro preâmbulo no PDU do downlink PHY consiste em dois símbolos consecutivos de OFDM (a combinação dos dois símbolos de OFDM é concebida como o preâmbulo longo). O primeiro símbolo de OFDM usa somente os índices das subportadoras que são um múltiplo de 4. Conseqüentemente, a forma de onda no domínio de tempo do primeiro símbolo consiste em 4 repetições com fragmento de 64 amostras, precedidas por um prefixo cíclico (PC). O segundo símbolo de OFDM usa somente subportadoras uniformes, resultando em uma estrutura do domínio de tempo com as duas repetições de um fragmento de 128 amostras, precedidas por um prefixo cíclico (IEEE Std 802.16-2004, 2004). No ANEXO B. a seqüência no domínio da freqüência do preâmbulo é descrita com maiores detalhes. A estrutura do domínio de tempo é ilustrada na Figura 5.4.

Figura 5.4. Estrutura do Preâmbulo Downlink da entrada do frame.

Figura 5.5. Geração dos preâmbulos Downlink PHY.

5.1.2.2. Estrutura FCH.

Como especificado na seção 8.3.4.1 de (Std IEEE 802.16 – 2004), o FCH contém o prefixo do frame do downlink para especificar o perfil burst e o comprimento do primeiro burst downlink.

Os campos do prefixo do frame de downlink são:

• Rate_ID define o perfil do burst. (especificada na tabela 3).

• Comprimento dos números de símbolos OFDM (payload PHY) no burst seguidos imediatamente do burst FCH.

• HCS (Header Check Sequence) é uma seqüência de verificação do cabeçalho de 8 bits usado para detectar erros no prefixo do downlink frame.

Como pode ser visto na Figura 5.7, o símbolo de FCH do sub_FCH será embaralhado com a seqüência gerada por ReadFile e depois passará pelo bloco LogicXOR2, o canal será codificado através do codificador do canal sub_RS_CC, traçado por um mapeador, logo ficará pronto para moldar o sinal de WiMAX.

Figura 5.6. Estrutura do FCH.

Na figura 5.8 são apresentados os blocos para a geração do subframe downlik burst da WiMAX formada pelo cabeçalho MAC, Mensagem MAC e pelo Padding e descrita anteriormente no ANEXO C. A seqüência de dados de entrada para a modulação são selecionadas como dados aleatórios de comprimento específico. Na figura 5.9 os dados empacotados são embaralhados pela ReadFile e pela LogicXOR

2

Figura 5.9. Embaralhador (scrambled), codificação do canal, e o mapeador para os símbolos dos dados.

5.1.2.4.

Modulação OFDM.

Conforme discutido no capitulo 4. a camada física WiMAX é baseada na modulação OFDM.

Um símbolo OFDM é composto de subportadoras que determinam o tamanho de FFT. Os tipos dos subportadoras WiMAX incluem:

• Subportadoras de dados responsáveis pela transmissão de dados.

• Subportadoras piloto para várias finalidades de estimação.

• Subportadoras nulos ou sem trasmissão utilizadas como banda de guarda possibilitando o sinal decair naturalmente e finalmente no meio das portadoras uma subportadora DC.

A Figura 5.10 mostra a modulação OFDM com ADS. Os dados do subframe Downlink, e o sinal FCH estão codificados e mapeados. Estes são multiplexados junto aos pilotos com o

MuxOFDMSym802 para formar o símbolo OFDM no domínio de freqüência.

completar os símbolos OFDM.

5.1.2.5. Código completo da Geração de Sinal.

O desenho Test_WMAN_CodedSignals mostra a subframe completo formada pela união de todos os blocos da estrutura do subframe OFDM para o sistema downlink de duplex divisão de freqüência WiMAX (FDD DL) em ADS já descritas neste capitulo. Uma representação simplificada e apresentada na Figura 5.11. Os componentes principais são fornecidos no nível do subsistema e incluem geração do preâmbulo, o cabeçalho de controle do frame (FCH) e a geração dos dados FDD DL, modulação OFDM, multiplexação, e modulação de RF. Os sinais são codificados inteiramente pelo codificador RS-CC.

Para mostrar o desempenho do sistema no domínio de tempo e de freqüência, TimeSink e

SpectrumAnalyzerResBW (ferramentas de ADS) são usados para a entrada e saída do transmissor, respectivamente.

FRAME DOWNLINK

OFDM WiMAX

5.1.3. Modelo de Canal e Receptor.

5.1.3.1. Demodulação do sinal WiMAX.

RECEPTOR

OFDM Demodulação

Demultiplexção

RF Demodulação NumericSink

Constellation_data Numeric

1 2 3

NumericSink

Constellation_sig Numeric

1 2 3

BusSplit2 B12 AsyncDistributor A8 BlockSizes="Carriers (NSYM*Carriers)" A QAM_Demod Q1 AsyncDistributor A6

BlockSizes="1 LoadSize Zeros LoadSize"

A FFT_Cx F8 Direction=Forward Size=FFTSize Order=Order AsyncDistributor A7 BlockSizes="Guard FFTSize" A AsyncDistributor A4

BlockSizes="Idle (2*Ts) ((NSYM+1)*Ts) "

A Delay D3 N=InsertedDelay BusSplit3 B11 Commutator2 C5 BlockSize=LoadSize BusSplit2 B9 BusSplit4 B8 Port TestData Num=1 RectToCx R5 TimedToFloat T2 TimedToFloat T5 GROUND GROUND RES R2 Temp=-273.15 R=50 Ohm RES R6 Temp=-273.15 R=50 Ohm

Figura 5.12 Receptor de sinal WiMAX (Demodulação RF, demodulação OFDM, demultiplexação).

Receptor WiMAX em ADS

CANAL

RECEPTOR

FRAME DOWNLINK OFDM WiMAX

sub_WMAN_Constellation WMAN_Constellation2 Constellation WMAN sub_WMAN_802_16dRF WMAN_16dRF WMAN 802.16d Signal Agilent Technologies NumericSink BB Numeric 1 2 3

SplitterRF S1 SplitterRF S3 MatlabLibLink M1 TimedSink Meas_V SpectrumAnalyzerResBW Meas_Spectrum ResBW SplitterRF S4 FRAME

Figura 5.13. Diagrama de blocos do Transmissor Receptor e do Canal

5.3. Medições.

As medições são fornecidas para as formas de onda, espectro, potência, constelação e curvas BER vs SNR para todas os tipos de modulação e perfis de codificação. Os modelos de TimedSink são usados diretamente para mostrar formas de onda do preâmbulo, FCH, dados da MAC, e sinal total do frame. SpectrumAnalyzerResBW é usado para medir o espectro do sinal WiMAX.

5.3.1.

Descrição da simulação WiMAX.

No projeto foram considerados todos os blocos do subframe downlink e uplink WiMAX no transmissor e receptor assim como o modelo de canal. Com isso, podemos ver as formas de onda do preâmbulo 1 (seqüência 4x64), Preâmbulo 2 (seqüência 2x128), cabeçalho do sinal (FCH), e os dados do sinal WiMAX Downlink no domínio do tempo. Também obtemos as formas de onda de BER vs SNR para todos os tipos de modulação e perfis de codificação além do espectro do sinal de dados no domínio da freqüência.

No caso do subframe Uplink WiMAX foram obtidas as formas de onda para a seqüência do preâmbulo (2x128) e os dados no domínio do tempo, e, em seguida, o espectro do sinal de dados no domínio da freqüência.

Finalmente os resultados da constelação Downlink e Uplink são apresentados. Eles incluem a constelação de BPSK para o sinal piloto, o QPSK para FCH, e o 16-QAM para os dados de controle de acesso ao médio.

5.3.2.

Parâmetros da Simulação

Parâmetro Descrição Valor Fsource Freqüência da portadora 3.5 GHz

Source Power Potência 30 dBm

Bandwidth Largura de banda 28 MHz

Rade_ID Rade_ID 2, 16 QAM, tamanho de

bloco codificado 48, tamanho de bloco não codificado 96, taxa de codificação 1/2

Data Length Longitude de dados em Bytes 256

FFT size Tamanho da FFT 512

DL Frame Time Tempo do frame de DL FDD 100 us

Guard Interval Intervalo de Guarda ¼

Idle Interval Tempo do intervalo de retardo 2 us

Data

Sub-carriers

Número de subportadoras para dados

200

Pilots carriers Número de subportadoras para pilotos

8

Measured Frames Número de medidas dos frames 2

5.3.3. Resultados das Simulações Realizadas para a transmissão

e recepção sem efeitos de desvanecimento Fading no canal.

A Figura 5.14 apresenta as formas de onda obtidas na simulação (superior, esquerdo à direita) para o Preâmbulo 1 (seqüência 4x64), Preâmbulo 2 (seqüência 2x128), cabeçalho do sinal (FEC), e dados do sinal WiMAX Downlink.

Figura 5.14. Formas de onda (esquerdo à direita) Preâmbulo 1, Preâmbulo 2, cabeçalho, e dados do sinal WiMAX Downlink.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

5 100 0.2 0.4 0.6 0.0 0.8

A Figura 5.15. apresenta o espectro do sinal de dados Downlink. Os parâmetros da simulação incluem a potência da portadora, largura de banda do sinal, e a potência do sinal. O espectro medido tem as especificações da tabela 12: A freqüência da portadora é 3.5 GHz e a largura de Banda é 28 MHz.

3.

486 3.488 3.490 3.492 3.494 3.496 3.498 5003. 3.502 3.504 3.506 3.508 3.510 3.512 3.514

3.

484 3.516

-4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 -4 5 0

F re q ue ncia (G Hz)

E s p e c tro (d B m )

Figura 5.15. Forma de onda da Potencia e Espectro WiMAX Downlink.

Preambulo1

Preambulo2

Cabecalho

Dados