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Implementação de processador banda base ofdma para downlink lte em fpga

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Natal ± RN M arço de 2011

Dissertação de Mestrado apresentada ao

(3)

Seção de Informação e Referência

Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede

Silva, Bruno Leonardo Mendes Taveres.

Implementação de processador banda base ofdma para downlink lte em fpga. / Bruno Leonardo Mendes Tavares Silva. ± Natal, RN, 2011.

107f.; il.

Orientador: Ivan Saraiva Silva.

Dissertação (Mestrado) ± Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação.

1. Tecnologia LTE ± Dissertação. 2. Processamento banda base ± Dissertação. 3. Arquitetura reconfigurável. 4. FPGA ± Dissertação. I. Silva, Ivan Saraiva. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.

(4)
(5)

4

Dedico

(6)

5

Agrad

ec

im

e

nto

s

Agradeço a Deus, por ter me dado força, perseverança e sabedoria na

concretização de mais uma importante etapa da minha vida!

Agradeço carinhosamente a minha mãe, Joselma do Nascimento e aos meus

avôs José Tavares e Zélia do Nascimento pelo amor, dedicação a minha educação e

empenho na minha formação profissional.

Ao professor Dr. Ivan Saraiva Silva por ter me acolhido no seu grupo de

pesquisa e pela orientação e amizade.

Aos professores da UFRN que contribuíram para essa etapa da minha formação

acadêmica, em especial ao professor Dr. José Alberto Nicolau pelas dicas valiosas que

muito contribuíram para realização deste trabalho.

Aos colegas da pós-graduação pelo companheirismo e amizade prestados no

decorrer do mestrado em especial, agradeço às contribuições de Marcelo, Carlos, Hélio,

Bruno e Vinícius.

Por fim, um agradecimento especial ao INPE pelo apoio financeiro e ao

(7)

6

R

e

s

umo

Esta dissertação trata da implementação de um processador banda base em

hardware para Downlink LTE. O LTE ou Long Term Evolution compreende o último

estágio de desenvolvimento das tecnologias chamadas de 3G (Telefonia Móvel de

Terceira Geração) que provê um incremento nas taxas de dados e maior eficiência e

flexibilidade na transmissão com emprego de técnicas avançadas de antenas e de

técnicas de transmissão de múltiplas portadoras. Esta tecnologia aplica em sua camada

física a técnica OFDMA (Orthogonal F requency Division Multiple Access) para

geração de sinais e mapeamento dos recursos físicos no downlink e tem como base

teórica à técnica de múltiplas portadoras OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Com recente finalização das especificações da tecnologia LTE, diversas

soluções em hardware tem sido propostas e desenvolvidas, principalmente, ao nível de

processamento de símbolo em que a implementação do processador OFDMA em banda

base é comumente considerada, visto que ela é também considerada como arquitetura

básica de outras importantes aplicações. Para implementação do processador, hardwares

reconfiguráveis oferecidos por dispositivos como FPGA são considerados que visa não

só atender os altos requisitos de flexibilidade e adaptabilidade do LTE como também

oferecem a possibilidade de uma implementação rápida e eficiente. A implementação do

processador em hardware reconfigurável atendeu as especificações da camada física

LTE bem como se mostrou flexível o suficiente para atender outros padrões e

aplicações que utilizem o processador OFDMA como arquitetura básica de seus

sistemas. Os resultados obtidos através de simulação e verificação funcional do sistema

atestam a funcionalidade e a flexibilidade do processador implementado.

Palavras-chave: Tecnologia LTE, Processamento Banda Base, Arquitetura

(8)

7

Ab

s

tra

c

t

This work treats of an implementation OFDMA baseband processor in hardware

for LTE Downlink. The LTE or Long Term Evolution consist the last stage of

development of the technology called 3G (Mobile System Third Generation) which

offers an increasing in data rate and more efficiency and flexibility in transmission with

application of advanced antennas and multiple carriers techniques. This technology

applies in your physical layer the OFDMA technical (Orthogonal Frequency Division

Multiple Access) for generation of signals and mapping of physical resources in

downlink and has as base theoretical to OFDM multiple carriers technique (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing). With recent completion of LTE specifications,

different hardware solutions have been developed, mainly, to the level symbol

processing where the implementation of OFDMA processor in base band is commonly

considered, because it is also considered a basic architecture of others important

applications. For implementation of processor, the reconfigurable hardware offered by

devices as FPGA are considered which shares not only to meet the high requirements of

flexibility and adaptability of LTE as well as offers possibility of an implementation

quick and efficient. The implementation of processor in reconfigurable hardware meets

the specifications of LTE physical layer as well as have the flexibility necessary for to

meet others standards and application which use OFDMA processor as basic

architecture for your systems. The results obtained through of simulation and

verification functional system approval the functionality and flexibility of processor

implemented.

Keywords: LTE technology, Bandbase Processing, Reconfigurable

(9)

8

Sumário

1 ± INT R O DU Ç Ã O.... ... 15

1.1 ± MOTIVAÇÃO... ... 16

1.2 ± OBJETIVO DO TRABALHO... ... 17

1.2 ± ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO... ... 18

2 ± A T E C N O L O G I A L T E... ... 19

2.1 O PADRÃO 3GPP LONG TERM EVOLUTION ... 19

2.2 CONCEITOS BÁSICOS DA TECNOLOGIA LTE ... 21

2.2.1 TÉCNICA OFDM ... 21

2.2.1.1 TÉCNICA OFDMA ... 25

2.2.1.2 TÉCNICA SC- FDMA ... 29

2.2.2 TÉCNICA MIMO ... 31

2.2.3 MODOS DE OPERAÇÃO LTE ... 33

2.3 CAMADA FÍSICA LTE ... 34

2.3.1 CAMADA FÍSICA PARA O DOWNLINK LTE ... 36

2.3.1.1 SINAIS E CANAIS FÍSICOS PARA O DOWNLINK LTE ... 37

2.3.1.2 ESTRUTURA DO SLOT PARA O DOWNLINK LTE ... 37

2.3.1.3 PROCESSAMENTO BANDA BASE DA CAMADA FÍSICA NO DOWNLINK ... 39

2.4 PROCESSAMENTO BANDA BASE OFDMA PARA DOWNLINK LTE ... 41

2.4.1 MAPEAMENTO DE RECURSOS FÍSICOS LTE ... 42

2.4.2 IFFT LTE ... 43

2.4.3 PREFIXO CÍCLICO LTE ... 46

3 ± I MPL E M E NT A Ç Ã O D A C A M A D A FÍSI C A L T E ... 48

3.1 PROCESSAMENTO BANDA BASE DO DOWNLINK LTE ... 48

3.2 IMPLEMENTAÇÕES EM SOFTWARE E HARDWARE... ... ...49

3.3 IMPLEMENTAÇÕES EM HARDWARE DO DOWNLINK LTE ... ... ...51

4 ± A R Q UI T E T UR A PR OPOST A E I MPL E M E N T A D A ... 57

4.1 ARQUITETURA PROPOSTA ... 57

4.2 METODOLOGIA DE PROJETO ... 59

4.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE IMPLEMENTAÇÃO ... 61

4.4 ARQUITETURA IMPLEMENTADA ... 62

4.4.1 ARQUITETURA DO MAPEADOR DE RECURSOS FÍSICOS... 64

4.4.2 ARQUITETURA DA IFFT ... 65

4.4.2.1 ARQUITETURA DA UNIDADE PROCESS UNIT ... 67

4.4.2.2 ARQUITETURA DA UNIDADE AGU ... 70

4.4.2.3 ARQUITETURA DA UNIDADE WK ... 75

4.4.2.4 ARQUITETURA DA UNIDADE CONTROL ... 79

4.4.3 ARQUITETURA CYCLIC PREFIX LTE ... 80

4.4.3.1 ARQUITETURA DA UNIDADE CONTROL CP ... 84

5 ± SI M UL A Ç Õ ES E RESU L T A D OS ... 87

5.1 METODOLOGIA DE VERIFICAÇÃO ... 87

5.2 AMBIENTE DE VERIFICAÇÃO ... 91

5.3 SIMULAÇÕES ... 92

6 ± C O N C L USÕ ES ...102

(10)

9

Li

s

ta de

Figura

s

Figura 2.1 Geração do sinal OFDM...21

Figura 2.2 Espectro do sinal OFDM...22

Figura 2.3 Densidade espectral de potência para uma transmissão OFDM empregando uma janela temporal do tipo cosseno levantado...23

Figura 2.4 Recepção do sinal OFDM...23

Figura 2.5 Alocação de subportadoras OFDM e OFDMA...25

Figura 2.6 Estrutura genérica de um frame LTE...26

Figura 2.7 Grid de recursos no Downlink...28

Figura 2.8 Emprego do sinal de referência no grid de recursos do Downlink...28

Figura 2.9 Distribuição de amplitudes do sinal OFDM...30

Figura 2.10 Diagrama de blocos do transmissor e receptor SC-FDMA...30

Figura 2.11 Distribuição das subportadoras SC-FDMA...32

Figura 2.12 Esquema MIMO LTE...33

Figura 2.13 Sinais de referência para computação da resposta do canal...33

Figura 2.14 Modos de operação FDD e TDD...34

Figura 2.15 Arquitetura do protocolo de interface de rádio...35

Figura 2.16 Relação entre as especificações da camada física...35

Figura 2.17 Frame genérico LTE...37

Figura 2.18 Estrutura de frame para o Downlink...38

Figura 2.19 Processamento da camada física LTE no Downlink...40

Figura 2.20 Embaralhamento de dados no Downlink...40

Figura 2.21 Modulação no Downlink. ...41

Figura 2.22 Grid de recursos físicos LTE...42

Figura 2.23 Diagrama de fluxo de dados para uma FFT de 8 pontos...45

Figura 2.24 Complexidade computacional da IFFT...45

Figura 3.1 Processamento banda base LTE...49

Figura 3.2 Exemplo de particionamento de hardware e software para o processamento banda base LTE...50

(11)

10

Figura 3.4 Exemplo do aumento do radix da FFT...52

Figura 3.5 Arquitetura da FFT baseada em memória...52

Figura 3.6 Arquitetura baseada em memória...54

Figura 3.7 Implementação da IFFT com diferentes funções base...55

Figura 3.8 Exemplo de um adicionador de prefixo...56

Figura 4.1 Processamento ao nível de símbolo do Downlink LTE...58

Figura 4.2 Arquitetura proposta para o processamento ao nível de símbolo do Downlink...58

Figura 4.3 Fluxo de projeto...60

Figura 4.4 Arquitetura implementada para o processamento ao nível de símbolo do Downlink LTE...63

Figura 4.5 Arquitetura do core básico para o processamento ao nível de símbolo de um único stream...63

Figura 4.6 Mapeador de recursos físicos implementado...64

Figura 4.7 Diagrama de estados que implementa unidade de controle do CONTROL MAPPING do Mapeador de recursos LTE...65

Figura 4.8 Arquitetura da IFFT implementada...66

Figura 4.9 Arquitetura da Process Unit...68

Figura 4.10 Arquitetura da Process Unit em nível RTL...68

Figura 4.11 Arquitetura do multiplicador de dados complexos em nível RTL...69

Figura 4.12 Arquitetura da AGU...71

Figura 4.13 Memória de inicialização da ROM WK...77

Figura 4.14 Arquitetura da ROM WK...77

Figura 4.15 Posição dos dados para diferentes configurações LTE...79

Figura 4.16 Diagrama de estados da unidade CONTROL...80

Figura 4.17 Arquitetura da Cyclic Prefix implementada...81

Figura 4.18 Diagrama de estados da unidade CONTROL CP...85

Figura 5.1 Fluxo de verificação proposto...88

Figura 5.2 Fluxo de projeto implementado...89

Figura 5.3 Ambiente de desenvolvimento textual do Matlab...90

Figura 5.4 Ambiente de desenvolvimento gráfico do Matlab...90

Figura 5.5 Ambiente de verificação. ...92

(12)

11

Figura 5.7 Simulação da etapa de aquisição de dados da IFFT...94

Figura 5.8 Simulação da etapa de saída de dados da IFFT...94

Figura 5.9 Simulação da geração de prefixo para o modo LTE de 128 subportadoras com prefixo curto e com L = 3...95

Figura 5.10 Sinais de configuração para o processador banda base OFDMA LTE...96

Figura 5.11 Simulação das funções exponenciais...97

Figura 5.12 Simulação das funções exponenciais no Simulink...97

Figura 5.13 Modulação QAM-64...98

Figura 5.14 Modulação QAM-16...98

Figura 5.15 Modulação QPSK...99

Figura 5.16 Espectro de freqüência do sinal OFDMA...99

Figura 5.17 Geração de stream de dado OFDMA...100

Figura 5.18 Sinal OFDM no domínio do tempo para um conjunto de 4 subportadoras...101

(13)

12

Li

s

ta de

Tabe

la

s

Tabela 2.1 Parâmetros do 3GPP LTE...26

Tabela 2.2 Disposição de recursos físicos no Downlink...27

Tabela 2.3 Configurações para o prefixo cíclico no Downlink...39

Tabela 2.4 Disposição de recursos no Downlink...39

Tabela 2.5 Configurações do prefixo cíclico LTE em função do modo de operação e do símbolo OFDMA...46

Tabela 4.1 Seqüência de processamento da Process Unit...69

Tabela 4.2 Representação binária do index0 para uma IFFT de 256 pontos...72

Tabela 4.3 Nova ordenação de bits da butterfly para diferentes configurações LTE...73

(14)

13

Li

s

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Símbolo

s

e Abr

e

viatura

s

3GPP Generation Partnership Project AGU Address Generator Unit BFP Block Floating Point BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CQI Channel Quality Indicator CP Cyclic Prefix

CRC Cyclic Redundancy Check DFT Discrete Fourier Transform

Downlink Enlace de decida na comunicação rádio-móvel eNode-B Evolved Node B

E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform FIFO First In First Out

FPGA Field Programmable Gate Array FDD Frequency Division Duplex HARQ Hybrid Automatic Repeat Request HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSUPA High Speed Uplink Packet Access IFFT Inverse Fast Fourier Transform ISI Inter symbolic Interference LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control

MBMS Multimedia Broadcast and Multicast Service

MBSFN Multicast/Broadcast over Single Frequency Network MIMO Multiple Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PBCH Physical Broadcast Channel

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PDCCH Physical Downlink Control Channel PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator Channel PMCH Physical Multicast Channel

PRACH Physical Random Access Channel PRB Physical Resources Block

PUCCH Physical Uplink Control Channel PUSCH Physical Uplink Shared Channel QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality on Service

(15)

14 RLC Radio Link Control

ROM Read Only Memory RRC Radio Resource Control

RSSI Received Signal Strength Indicator RSRP Reference Signal Received Power RSRQ Reference Signal Received Quality RTL Register Transfer Level

SAP Service Access Point

SC-FDMA Single-Carrier Frequency Division Multiple Access SIMO Single Input Multiple Output

SISO Single Input Single Output STA Statistical Timing Analysis TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access TX Diversity Transmit Diversity UE User Equipment

(16)

15

Capítulo 1

Introdu

ç

ão

O Long Term Evolution ou simplesmente LTE foi padronizado pelo 3rd

Generation Partnership Project (3GPP), e representa último o estágio de

desenvolvimento rumo à tecnologia conhecida como 4G (Telefonia móvel de quarta

geração) [1, 2, 3, 4]. Tal tecnologia implementa inúmeras melhoras em relação aos

padrões anteriores [1, 2, 3] como alta eficiência espectral, menor latência, melhor

mobilidade e cobertura, que se traduzem em altas taxas e numa melhor performance.

Para implementação destas melhorias ela combina tecnologias de acesso baseadas na

técnica de múltiplas portadoras OFDM com técnicas avançadas de antenas MIMO

(Multiple Input Multiple Output). A camada física LTE é baseada na técnica OFDM

cujas variantes SC ± FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) e

OFDMA, são aplicadas no Uplink e Downlink, respectivamente [1, 3]. Com recente

finalização das especificações do LTE [2, 5], várias soluções vêem sendo propostas e

desenvolvidas, sobretudo, quanto ao processamento em banda base que se divide em

duas etapas: o processamento ao nível de bit e o processamento ao nível de símbolo. O

processamento ao nível de bit (FEC, Turbo codes, scrambling, etc), é comumente

implementado em software com DSP devido à baixa complexidade de seus algoritmos.

Já o processamento ao nível de símbolo (geração do sinal OFDMA e SC-FDMA), é

normalmente implementado em hardware, apresentando maior complexidade e devido

sua importância é mais comumente estudado e explorado na literatura [6, 7, 8, 9].

Sob pontos de vista de implementação em hardware, o LTE demanda

arquiteturas altamente flexíveis que sejam capazes de suportar as diferentes

configurações e modos de operação. Além disso, sua arquitetura deve ser eficiente,

capaz de suportar a grande carga computacional exigida pelos algoritmos complexos

que implementa em sua camada física (OFDMA e SC-FDMA) e o processamento

MIMO, que demanda o processamento banda base para cada antena considerada (Até

quatro antenas para o par transmissor ± receptor) [1, 2]. Devido a isso hardwares

(17)

16

capacidade de reconfiguração destes dispositivos assim como os mesmos representam

uma alternativa eficiente e de rápida prototipagem do sistema a ser implementado [7, 8,

9]. Quanto à implementação, destacam-se ainda as diferentes metodologias de projeto

como o uso de núcleos de hardware pré-validados os chamados IP cores (Intelectual Property) [10, 11], que propiciam maior agilidade no design; a proposição de novos

algoritmos para geração do símbolo OFDMA, principalmente, os algoritmos da

FFT/IFFT elementos principais na sua geração [12] e por fim o particionamento em

Hardware/Software com o uso de DSP e FPGA [7, 8, 9].

1

.

1

Motivaç

ão

A tecnologia LTE é sem dúvida de extrema importância tecnológica e comercial

para o setor de telecomunicações. Na esfera comercial, o mercado de telefonia móvel se

beneficia das significativas melhoras técnicas que a tecnologia implementa em relação

aos seus antecessores [1, 2, 3], agregando mais valor e qualidade aos seus serviços e

possibilitando as ofertas de novos como internet banda larga, aplicações multimídia, etc

[3], contribuindo assim para o aumento de suas receitas. No âmbito tecnológico a

proximidade do LTE da futura geração 4G de Rádio por Software [13, 14, 15, 16],

contribui para uma transição mais gradual e assegura que futuras modificações na rede

móvel possam ser mais facilmente implementadas com menor ou sem qualquer custo

adicional as operadoras de telefonia móvel. Em outras palavras, o LTE representa um

desenvolvimento mais contínuo e sustentável para telefonia móvel. Desde o início da

sua especificação em 2004, a tecnologia LTE tem sido alvo de intensa pesquisa,

sobretudo pelos desenvolvedores de IP baseados nas plataformas da Altera e Xilinx [7,

8, 9] e de desenvolvedores de modelos pra teste e validação como Agilent [17], sendo

constantemente, reportados na literatura. À medida que sua arquitetura ia evoluindo,

principalmente, quanto aos algoritmos a serem implementados na sua camada física [1,

2], várias soluções em hardware e software foram sendo propostas, visando oferecer

alternativas viáveis para os fabricantes de dispositivos móveis [5, 6, 7, 8]. Esta corrida

pela proposição de soluções que atendessem a tecnologia LTE concentrou-se,

principalmente, na implementação do processamento banda base da camada física LTE

em hardware [6]. Sob este aspecto duas frentes de pesquisa foram consideradas:

(18)

17

última teve maior destaque, pois visa não só propor uma arquitetura que atenda,

simplesmente as especificações LTE como também visa otimizar parâmetros como área

e consumo importantes para os dispositivos móveis que apresentam várias limitações

nestes parâmetros [6]. Dentre os algoritmos considerados na especificação da camada

física LTE, o OFDMA responsável pelo Downlink se destaca visto que o mesmo é

também a arquitetura básica de outros sistemas como WIMAX [18] e a plataforma de

hardware das futuras redes 4G [13, 14]. Devido ao exposto é proposto neste trabalho à

implementação do processador banda base OFDMA em hardware para atender o padrão

LTE assim como oferecer uma arquitetura alternativa para os sistemas atuais e futuros

que se utilizam da mesma técnica.

1

.

2

Obje

tivo do T rabalho

O objetivo desta dissertação é a implementação de um processador banda base OFDMA

para Downlink da camada física LTE em FPGA que atenda as especificações do LTE, e que

seja ainda flexível para atender outras aplicações que têm o processador banda base OFDMA

como arquitetura básica de seus sistemas. A técnica OFDMA é responsável pela geração de

sinais e mapeamento dos recursos físicos no Downlink LTE. Ela é também a base da técnica

SC-FDMA aplicada no Uplink da camada física LTE como também é base de outras

importantes aplicações a exemplo do WIMAX e de futuras redes 4G. Desse modo o

processsador banda base OFDMA constitui a base tecnológica de inúmeras aplicações que é

resultado da convergência da várias plataformas de hardware de comunicação, sobretudo para o

processamento banda base, para uma plataforma comum baseada na técnica OFDMA. Daí a

motivação e objetivo deste trabalho na implementação de um processador banda base OFDMA

seja para atender o padrão LTE que é uma tecnologia nova e emergente como futuro padrão de

comunicação móvel seja para atender outras aplicações que se utilizam do mesmo núcleo básico

OFDMA para o seu processamento banda base explorando esta convergência. Um estudo sobre

a técnica OFDM, que constitui a base teórica do OFDMA, será realizado, bem como um estudo

e caracterização da tecnologia LTE também será realizado, em particular da sua camada física,

visando definir os requisitos funcionais e arquiteturais do processador banda base OFDMA. Na

implementação do processador, arquiteturas reconfiguráveis oferecidas por dispositivos como

FPGA serão considerados, visando: a redução no tempo de projeto através da possibilidade de

uma prototipagem rápida; eficiência e exploração de sua flexibilidade através da sua

(19)

18

algoritmos para otimização de hardware serão considerados, visando atender os requisitos de

flexibilidade e adaptabilidade do padrão LTE.

1

.

3

O rganizaç

ão da Di

ss

e

rtação

No capítulo II, apresentará a tecnologia LTE e os seus conceitos básicos como a técnica

OFDM e suas variantes SC-FDMA e OFDMA assim como os seus modos de operação. Serão

discutidos também as especificações e os requisitos funcionais e arquiteturais necessários a

implementação do Downlink LTE. Caso o leitor seja familiarizado com esta tecnologia e os

seus conceitos pode seguir diretamente para o capítulo III.

No capítulo III, será feito um estudo sobre as diferentes metodologias de projeto para a

implementação do processamento banda base LTE, discutindo o estado da arte desta, sobretudo,

no que tange sua implementação a nível de processamento de símbolo em hardware.

No capítulo IV, será apresentada a arquitetura proposta e implementada de acordo com

especificações descritas no capítulo II e as considerações de projeto discutidas no capítulo III.

Neste capítulo, será discutido, fundamentalmente, a proposta, considerações de projeto e a

implementação do processador banda base OFDMA em hardware reconfigurável.

No capítulo V, será mostrado os resultados e os testes de validação. Aqui os resultados

são mostrados, comentados e analisados quanto a funcionalidade requerida conforme as

especificações discutidas no capítulo II.

No capítulo VI, será mostrado as conclusões e considerações finais assim como as

(20)

19

Capítulo 2

A T

ec

nologia L T E

Neste capítulo, serão abordados a aplicabilidade, características e as especificações do

padrão 3GPP Long Term Evolution tanto sobre ponto de vista funcional como arquitetural. Serão mostrados ainda os fundamentos da técnica OFDM e das suas variantes OFDMA e

SC-FDMA e da técnica MIMO como forma de auxiliar a compreensão do padrão e dos seus

benefícios. Este capítulo está dividido em quatro seções da seguinte forma: Na seção 2.1, tratará

do padrão do 3GPP LTE. Na seção 2.2, tratará dos conceitos básicos da tecnologia. Na seção

2.3, abordará as especificações e as características funcionais e arquiteturais da camada física.

Na seção 2.4, tratará do processamento banda base OFDMA para Downlink LTE objeto de

estudo deste trabalho.

2

.

1 O Padrão 3GPP Long T

e

rm Evolution

A tecnologia 3GPP Long Term Evolution, ou simplesmente, 3G LTE é o

próximo passo das tecnologias de comunicação móvel de terceira geração (3G LTE Mobile System) e foi padronizado pelo 3rd Generation Partnership Project 3GPP, no Release 8 em Abril de 2009 que estabeleceu os requisitos mínimos em termos de

conectividade mútua e compartilhada [2]. O LTE, como mais comumente é conhecido,

implementa inúmeras melhoras, sobretudo, quanto à eficiência e capacidade de

transmissão [1, 2]. Para implementação destas melhorias, dois aspectos são

fundamentais: a largura de banda escalonável e uma maior eficiência espectral. As

técnicas de múltiplas portadoras OFDM e a técnica MIMO são as responsáveis diretas

por estas características, propiciando um sistema mais flexível na alocação de banda e

na eficiência de seu uso. A camada física LTE é baseada na técnica OFDM cujas

variantes SC ± FDMA e OFDMA são responsáveis pelo Uplink e Downlink,

respectivamente [1, 2]. As técnicas SC-FDMA e OFDMA são as principais

responsáveis pela robustez do sistema ao multipercurso e altas taxas oferecidas pelo

LTE, sendo o MIMO um bom complemento no aumento da capacidade do sistema [3,

(21)

20

desvantagens associadas à técnica OFDM que tornaram possível sua implementação em

dispositivos moveis [20, 21]. Nas seções a seguir, será visto mais detalhes acerca destas

melhoras. Dentre as diversas características do LTE, pode-se destacar:

- Incremento das taxas de dados: 100 Mbps no Downlink de e 50 Mbps no Uplink;

- Redução da latência para 10 ms;

- Melhoria do broadcast1

;

- Largura de banda escalonável;

- Suporte aos modos FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex);

- Uso de antenas MIMO;

O incremento das taxas de dados está associado diretamente com o uso da técnica

OFDM combinado com a técnica MIMO, que juntas oferecem maior eficiência

espectral e capacidade de transmissão [17, 19, 20]. A melhoria do broadcast também

está associada ao uso do OFDM, em redes de freqüência única SFN (Single Frequency Network), tanto que o mesmo já é considerado há algum tempo para transmissões

contínuas como no broadcast de áudio e vídeo digital (DVB ± Digital Video Broadcast

e DAB - Digital Audio Broadcast) [20]. A largura de banda escalonável é uma

característica também associada à técnica OFDM que pode ser obtida a partir da

aplicação do OFDM de N pontos (N subportadoras). As demais características como

redução da latência, otimização para IP, e suporte aos modos FDD e TDD são baseados

nos padrões anteriores, sendo suas melhorias uma continuidade do desenvolvimento

destes.

Outro aspecto a ser ressaltado sobre a tecnologia LTE é que ela abre caminho para

as tecnologias conhecidas como 4G que prometem taxas de transmissão muito mais

elevadas. Isso porque a tecnologia LTE apresenta uma arquitetura flexível e adaptativa,

além de aplicar técnicas e algoritmos que possibilitam uso mais eficiente do espectro e

uma maior robustez aos efeitos dispersivos do canal [15, 16]. Em outras palavras, a

tecnologia LTE emprega alguns dos princípios do 4G em sua plataforma constituindo

1

Broadcast: O termo broadcast GR LQJOrV ³WUDQVPLWLU´ RX UDGLRGLIXVmR p R SURFHVVR SHOR TXDO VH

(22)

21

assim uma importante base tecnológica para esta. Nas seções a seguir, será visto os

conceitos que regem a tecnologia LTE.

2

.

2 Conceito

s

s

ico

s

da T

ecnologia L T E

Nesta seção, será discutido os conceitos básicos da tecnologia LTE e seus modos

de operação, que auxiliaram no entendimento das especificações da camada física e da

implementação proposta.

2.2.1 Técnica O F D M

A modulação OFDM consiste na geração de N subseqüências de n bits (função

do tipo de modulação) a partir de uma seqüência original e única (stream de bits)

geradas através de um conversor série-paralelo e que são posteriormente mapeadas em

subsímbolos complexos (BPSK, QPSK, QAM-16, QAM-64, etc), ou seja, levados ao

domínio da freqüência. Estes subsímbolos complexos irão modular N subportadoras

ortogonais geradas pela IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Com têm-se um

símbolo útil OFDM, agora no domínio do tempo. Em seguida, o símbolo último OFDM

é acrescido, em seu início de amostras finais do mesmo denominado de prefixo cíclico,

formando o símbolo OFDM ciclicamente estendido [20, 21, 22]. No caso do padrão

LTE, assim como em outros padrões 802.11a, 802.11b, 802.11g, 802.11n e 802.16, etc,

o emprego do prefixo cíclico implica em uma maior robustez ao espalhamento de

retardo do canal, sendo um dos inúmeros benefícios que a técnica traz para o padrão

LTE [1, 2, 16, 20, 21, 23]. A geração do símbolo OFDM é ilustrada na Figura 2.1.

(23)

22

O espectro do sinal OFDM obtido é ilustrado na Figura 2.2. Na Figura 2.2, vê-se

nitidamente a ortogonalidade entre as subportadoras em que cada uma, representada

aqui por funções sinc [20, 24, 25], é colocada em pontos de cruzamento nulo das

demais, resultando assim numa sobreposição espectral, e implicando conseqüentemente

numa maior eficiência no uso da largura de banda [20]. No capítulo IV, será mostrado

em detalhes como obter essas subportadoras ortogonais a partir dos algoritmos da FFT e

como estes podem ser implementados de maneira eficiente em hardware.

Figura 2.2 ± Espectro do sinal OFDM.

Embora não ilustrado na Figura 2.1 em casos práticos, é comum a adição do zero padding (subsímbolos nulos) e de portadoras piloto (ou sinais de referência)

conjuntamente aos dados mapeados no processo de geração do símbolo OFDM. O zero padding é empregado com intuito de diminuir a complexidade dos filtros necessários à

conversão D/A assim como no controle da banda passante do sinal [20]. As portadoras

piloto são sinais que não carregam informação, sendo empregadas com intuito de

estimar as características do canal para compensar os efeitos dispersivos do mesmo na

recepção, a exemplo de perdas de sincronismo de fase e freqüência [17, 20, 26].

A Figura 2.2 mostra também que cada subportadora modulada caracteriza um

subcanal e que apesar de mais 90% da energia deste estar dentro da faixa de interesse,

parte desta energia é irradiada nas bandas adjacentes. Como existem limites para esta

interferência, é necessário o emprego de algum método que a reduza ou a elimine. Estes

limites são definidos na literatura como sendo a máscara espectral do sinal e cujos

limites em termos de potência e freqüência variam em função da aplicação [21]. O

emprego de um filtro passa-faixa seria uma opção, entretanto, isto acarretaria em um

acréscimo na complexidade do transmissor. Uma solução de menor complexidade é o

(24)

23

espectral de potência fora da faixa de interesse. O problema é que estas janelas exigem

uma perda na eficiência espectral. Como a transmissão OFDM pode utilizar um período

de guarda, no caso o prefixo cíclico, para reduzir a ISI (Inter symbolic Interference) de

símbolos consecutivos, pode-se aproveitar este período para também reduzir a

interferência nas bandas adjacentes. Na Figura 2.3, têm-se um exemplo da densidade

espectral de um sinal OFDM empregando uma janela temporal tipo co-seno levantado

[21].

Figura 2.3 ± Densidade espectral de potência para uma transmissão OFDM empregando uma janela temporal tipo cosseno levantado [21].

A recepção do sinal OFDM compreende ao inverso da transmissão e está

ilustrado na Figura 2.4.

(25)

24

Para entender enfim os ganhos da técnica OFDM para o estudo em questão e pra

os demais padrões e aplicações que se utilizam desta técnica, são enumerados abaixo as

principais características da técnica OFDM.

- O emprego N subportadoras pela técnica OFDM implica ter N subcanais de faixa tão

estreitas quanto número destas empregadas, ou seja, a largura de banda por subcanal é

BW/N (BW ± Largura de banda), diferentemente, dos métodos convencionais de

transmissão que empregam uma única portadora ocupando toda largura de banda BW

do canal, e é justamente esta característica que torna o sinal OFDM menos susceptível

ao multipercurso [24]. Em outras palavras, significa reverter o desvanecimento seletivo

em freqüência (dispersão temporal) presente neste tipo de canal num desvanecimento

plano ou quase-plano, tornando o processo de equalização, geralmente complexo, em

um processo simples ou desnecessário [19]. Entretanto, em situações em que o canal é

submetido a um desvanecimento profundo uso de técnicas como MIMO se fazem

necessárias para assegurar uma transmissão robusta [19, 20].

- O emprego do prefixo cíclico que torna o símbolo transmitido mais longo e mais

robusto ao retardado de canal;

- Uma maior eficiência espectral assegurada pela ortogonalidade numérica entre as

subportadoras;

- O emprego dos algoritmos da IFFT/FFT para geração das subportadoras ortogonais

que podem ser implementados eficientemente em hardware.

Embora a técnica OFDM seja usada há a vários anos em diversos sistemas de

comunicação o uso da mesma em dispositivos móveis é mais recente. O principal

limitador do seu uso era potência requerida para realização das operações da FFT,

considerada o elemento principal na geração do sinal OFDM, demandando alto custo

computacional para aplicações móveis. Com redução gradual do custo do

processamento digital de sinais, a técnica OFDM é agora considerada como um método

de transmissão sem fio viável para dispositivos móveis. Entretanto, há além destas

outras desvantagens associadas à técnica OFDM como sensibilidade a erros de

freqüência, ruídos de fase e desvio Doppler [20, 21] que foram sendo transpostos no

decorrer do tempo com emprego de diferentes esquemas de codificação (FEC, Códigos

convolucionais, etc) [19, 20] e com combinação de outras técnicas (TDMA, CDMA,

etc) [4, 16], consolidando-a como estado da arte das comunicações sem fio [14, 16]. A

(26)

25

são aplicadas, respectivamente, no Downlink e no Uplink do LTE, e que representam

algumas destas melhoras que serão discutidas nas seções a seguir [1, 2, 3, 17].

2.2.1.1 Técnica O F D M A

O OFDMA consiste de uma tecnologia de múltiplo acesso, baseada na técnica

OFDM, que apresenta uma maior eficiência e menor latência em relação a esquemas de

multiplexação orientadas a pacotes como o caso do CSMA (Carrier Sense Multiple Access) do padrão IEEE802. 11a [4, 23]. Tal técnica incorpora elementos do TDMA

(Time Division Multiple Access), permitindo subconjuntos de subportadoras ser

alocados dinamicamente para diferentes usuários sobre o canal, resultando num sistema

mais eficiente e com maior capacidade. A alocação dinâmica das subportadoras

OFDMA para diferentes usuários contribui também para redução do PAPR (Peak to Average Power Ratio), uma das principais desvantagens associadas à técnica OFDM em

aplicações móveis [20, 21]. Na seção 2.2.1.2, será mostrado mais detalhes acerca deste

importante parâmetro de transmissão. Na Figura 2.5, é ilustrado a alocação de

subportadoras para as técnicas OFDM e OFDMA.

Figura2. 5 ± Alocação de subportadoras OFDM e OFDMA [19].

Como OFDMA é baseada na técnica OFDM o processo de geração do seu sinal,

é basicamente o mesmo descrito na seção 2.2.1, exceto pela sua peculiaridade quanto à

alocação das subportadoras. A técnica OFDMA é responsável também pela tecnologia

LTE apresentar uma transmissão escalonável para diferentes alocações de banda através

do emprego de diferentes modos de operação, conforme pode ser observado na Tabela

(27)

26

Tabela 2.1 Parâmetros do 3GPP LTE.

Modo 1 2 3 4 5

I F F T(N) 128 256 512 1024 2048

Números

de

símbolos

O F D M A por slot

7/6

Símbolo curto ou normal (9).(L=1..6) (10).(L=0) (18).(L=1..6) (20).(L=0) (36).(L=1..6) (40).(L=0) (72).(L=1..6) (80).(L=0) (144).(L=1..6) (160).(L=0) Símbolo

longo 32 64 128 512 1024

Os dados da Tabela 2.1 ficam ainda mais claros quando se observa a estrutura de

um frame genérico da camada física LTE, conforme mostra a Figura 2.6. O frame LTE

tem uma duração de 10 ms, possuindo 10 sub-frames de duração de 1 ms cada. Cada

sub-frame por sua vez compreende de dois slots 0,5 ms, consistindo cada slot de um

conjunto de 6 ou 7 símbolos OFDM dependentes da extensão do prefixo cíclico

empregada [4, 17]. A opção entre 6 ou 7 símbolos OFDM, que compreende do símbolo

de prefixo longo e curto, respectivamente, depende da área de cobertura e da condição

de canal [6].

Figura 2.6 ± Estrutura genérica de um frame LTE [4].

No método OFDMA, os usuários são alocados por um número especifico de

subportadoras para um determinado montante de tempo. Esses são referenciados como

PRBs (Physical Resources Blocks), possuindo cada um, uma dimensão de tempo e

(28)

27

tendo o LTE seis possíveis larguras de banda, conforme Tabela 2.2 [4, 17]. Será

mostrado no capítulo IV que o número de possibilidades para largura de banda (Modos

LTE) se restringirá somente a cinco (Ver Tabela 2.1) devido os comprimentos da

FFT/IFFT serem potências de 2 (N ) em função dos algoritmos normalmente usados

para implementação do seu cálculo como algoritmo butterfly2

.

Tabela 2.2Disposição dos recursos físicos no Downlink.

Largura de banda de transmissão

(M Hz) 1

,25 2,5 5 10 15 20

F reqüência de amostragem

(M Hz)

1,92 3,84 7,68 15,36 23,04 30,72

Largura de banda das subportadoras

(k H z) 15

Largura de banda das

PRBs

(k H z)

180

Número de PRBs

disponíveis 6 12 25 50 75 100

Cada PRB consiste de 12 subportadoras consecutivas para cada slot (6 ou 7

símbolos OFDM), tendo um tamanho total de 180 kHz (12x15 kHz = 180 kHz) no

domínio da freqüência e de 0.5 ms no domínio tempo, e compreendendo de um pequeno

elemento de alocação de recurso assinalado pela estação base. O Sinal de Downlink

pelo qual o método OFDMA é responsável consiste de Nbw subportadoras por uma

duração Nsymb OFDM, e podendo ser visto ainda como um grid de tempo-freqüência,

conforme mostra a Figura 2.7 [4, 17]. Na Tabela 2.2, observa-se também que o

espaçamento das subportadoras é de 15 kHz para todos os modos e que a freqüência de

amostragem assim como o tamanho da FFT (ver Tabela 2.1) são proporcionais à largura

de banda utilizada [1, 2].

2

(29)

28

Figura 2.7 ±Grid de recursos no Downlink [17].

Cada caixa do grid representa um subportadora de um período de símbolo, sendo

referenciada como um elemento de recurso (Resource Element). Diferentemente, de

redes orientadas a pacotes [23] o LTE não utiliza preâmbulo e sim sinais de referência

ou sinais piloto nos PRB como mostra a Figura 2.8 [4, 17].

Figura 2.8 ±Grid de recursos do Downlink [4].

Esses sinais são empregados com intuito de estimar offsets de portadoras,

condições de canal e de sincronismo. Os sinais de referência são transmitidos durante o

(30)

29

durante o primeiro e quarto símbolo OFDM quando o prefixo cíclico é longo [4, 17]. A

densidade de sinais piloto ou sinais de referência depende diretamente da eficiência na

estimação do canal no projeto do receptor. O emprego do mesmo constitui um tradeoff

com a eficiência de transmissão de dados. Quanto à disposição dos sinais piloto, o grid

de recursos LTE, dependendo da variação do canal, pode ser: retangular ou hexagonal.

Quando o canal varia lentamente emprega-se um grid retangular e quando varia

rapidamente, cenário de alta mobilidade, emprega-se um grid hexagonal. Em alguns

casos, só o emprego de sinais pilotos é ineficiente para garantir uma estimação precisa

do canal, sendo assim é comum a aplicação de filtros de alta ordem [6]. Entretanto, estes

filtros somente se aplicam à recepção do sinal OFDMA.

2.2.1.2 Técnica SC-F DM A

Os requerimentos do Uplink LTE diferem em vários pontos do Downlink, porém

o aspecto principal está associado ao consumo dos terminais móveis. O alto PAPR

(Peak to Average Power Ratio) é apontado como a principal desvantagem da técnica

OFDM [4, 17, 20]. O PAPR consiste de um parâmetro que mede a relação entre a

potência média e de pico do sinal, e como o sinal OFDM apresenta uma distribuição de

amplitudes na forma de uma gaussiana, conforme mostra a Figura 2.9, ou seja,

apresenta um alto PAPR, o sinal sofre um ceifamento. Isso porque amplificadores de

potência utilizados nas etapas de RF (Rádio Freqüência) possuem um alto rendimento,

operando próximo do seu ponto de saturação. Desse modo os picos do sinal OFDM

levam o amplificador à condição de corte causando o ceifamento do sinal amplificado,

aumentando a taxa de erro de bit do sinal recebido [4, 20, 21].

(31)

30

Para compensar esse efeito são necessários amplificadores de potência de alta

linearidade que são ineficientes e caros, incrementando o custo dos terminais e o

consumo das baterias [20]. Em razão disso, utiliza-se no Uplink LTE a técnica

SC-FDMA, que compreende a uma versão pré-codificada do sinal OFDM, sendo muito

similar a técnica OFDMA, conforme pode ser observado na Figura 2.10. A técnica

SC-FDMA combina o baixo PAPR de sistemas de transmissão de única portadora, como

GSM e CDMA, com a resistência ao multipercurso e a flexibilidade na alocação de

freqüências do OFDMA [4, 17]. Na Figura 2.10, é ilustrado o diagrama de blocos do

transmissor e receptor SC-FDMA.

Figura 2.10 ± Diagrama de blocos do transmissor e receptor SC-FDMA [4].

Abaixo segue a descrição de cada unidade funcional da cadeia de transmissão do

SC-FDMA.

Constellation M apper: Converte o stream bits de entrada em símbolos de uma única

portadora (BPSK, QPSK ou 16-QAM) dependendo das condições do canal.

Serial/Parallel convert: Formata os símbolos de SC (Single Carrier) no domínio do tempo em blocos para entrada da FFT.

M - point D F T: Converte os símbolos SC no domínio do tempo em M tons discretos.

Subcarrier M apping: Mapea os tons de saída da DFT para as subportadoras

especificas de transmissão, ou seja, distribui os dados sobre determinadas

subportadoras. Os Sistemas SC-FDMA utilizam tons contínuos (localizados) ou tons

(32)

31

N - point ID F T: Converte as subportadoras mapeadas para domínio do tempo para

transmissão.

Cyclic Prefix and Pulse Shaping: O prefixo é adicionado para compor o sinal

SC-FDMA, tornando-o imune ao multipercurso como descrito na seção 2.2.1. Já o Pulse

Shaping assegura a máscara espectral do sinal através do uso de janelas temporais,

conforme descrito na seção 2.1.

R F E: Converte o sinal digital para formato analógico e depois faz o Upconvert para

transmissão em RF.

Para recepção o processo é essencialmente inverso ao descrito. Em razão da

aplicação da DFT, o SC-FDMA é também conhecido como Discrete Fourier Transform

Spread O F DM ou DFT-SOFDM [19]. Quanto ao problema do alto PAPR, o SC-FDMA

o soluciona também agrupando os blocos de recursos PRB (Ver Figura 2.11) o que

reduz a necessidade de linearidade e, conseqüentemente, o consumo nos amplificadores

de potência. Além disso, as subportadoras SC-FDMA, diferentemente, do OFDM não

são moduladas de maneira independente, contribuindo também para redução do PAPR.

A redução do PAPR além de diminuir o consumo dos terminais móveis também

melhora a cobertura e o desempenho na borda de célula [4, 6, 17].

Figura 2.11 ± Distribuição das subportadoras SC-FDMA [4].

2.2.2 Técnica M IM O

A tecnologia LTE utiliza um esquema de múltiplos transceptores com intuito de

aumentar a robustez do sinal e a taxa de dados. Tal método é chamado de MIMO

(33)

32

OFDM, pelo aumento da eficiência espectral, e conseqüentemente, da taxa de

transmissão de dados [4, 17, 19]. O uso de múltiplas antenas em ambos os enlaces

(transmissor-receptor) de um sistema de comunicação móvel sem fio cria um sistema

linear com múltiplas entradas e múltiplas saídas, caracterizado por uma matriz de canal

que relaciona os sinais de entrada com os sinais de saída. Em tal modelo de canal, a

capacidade cresce com o número de antenas utilizado, aproximadamente, o dobro da

quantidade de informação pode ser transmitido usando-se duas antenas no transmissor e

duas antenas no receptor, sem gasto adicional de tempo, largura de banda ou potência.

Esse ganho de capacidade define-se como ganho de multiplexação espacial. Por outro

lado, em uma ambiente onde o desvanecimento se faz presente, como no caso dos

sistemas de comunicações móveis, a qualidade do enlace pode variar muito em função

do movimento do transmissor e do receptor e também devido aos fenômenos físicos do

ambiente como a reflexão e o espalhamento [17, 19]. Em tal ambiente com o uso de

múltiplas antenas se torna menos provável que o canal experimente desvanecimento

profundo, possibilitando assim uma transmissão confiável entre o transmissor e o

receptor. Isso se deve aos múltiplos enlaces criados entre o par transmissor-receptor

quando múltiplas antenas são consideradas, conforme pode ser observado na Figura

2.12. O par transmissor-receptor tem agora múltiplas possibilidades de atingir uma

transmissão confiável, e a esse número de possibilidades é denominada de diversidade.

A técnica MIMO não só aumenta a capacidade do sistema como também estende a área

de cobertura [19].

Figura 2.12 ± Esquema MIMO LTE [4].

Em particular, para caso da tecnologia LTE é utilizado ainda sinais de referência

ou sinais piloto com objetivo de estimar e compensar os efeitos do canal rádio-móvel

como pode ser observado na Figura 2.13 (ver seção 2.2.1.1). Em outras palavras, tais

(34)

33

processador banda base possa compensar os efeitos do canal no sinal recebido [4].

Figura 2.13 ± Sinais de referência para computação da resposta do canal [4].

Os ganhos de diversidade e de multiplexação oferecidos pelo sistema MIMO

embora aumentem a capacidade do sistema, demanda alta carga computacional sobre o

processamento banda base LTE. Isso porque o processador banda base deverá fazer

todas as etapas do processamento necessárias à geração do sinal para cada antena

considerada pra sistemas como quatro antenas. Em outras palavras, isto significa

processar até quatro símbolos OFDM simultaneamente [1, 2]. No capítulo III e IV, será

discutido melhor sobre o impacto do aumento da carga computacional sobre o

desempenho geral do sistema.

2.2.3 Modos de operação L T E

A tecnologia LTE utiliza dois modos de operação: o FDD (Frequency Division

Duplex) de espectro pareado e TDD (Time Division Duplex) de espectro não pareado. O

FDD é mais usual e é empregado num maior volume de dispositivos e infra-estruturas,

enquanto o TDD representa um bom complemento como, por exemplo, no centro de

gaps de espectro. Todos os sistemas de celular hoje usam FDD e mais de 90% das

freqüências disponíveis para aplicações móveis são pareadas. No modo TDD, a

transmissão no Uplink e Downlink é descontínua dentro da mesma banda de freqüência,

conforme pode ser observado na Figura 2.14. Por exemplo, se o tempo entre o

Downlink e Uplink é dividido, o Downlink usará à metade do tempo, logo a potência

média para cada enlace corresponderá à metade da potência de pico. Como a potência

do sinal é limitada por requerimentos regulatórios, o resultado é que para a mesma

(35)

34

Figura 2.14 ± Modos de operação FDD e TDD [17].

Por isso os operadores alocam mais da metade dos seus recursos para taxas de

pico do Downlink. Em outras palavras, se a relação Downlink/Uplink é de 3/1, por

exemplo, significa ter 120% mais sites para o TDD comparado ao FDD para cobrir a

mesma área [17]. Neste trabalho, será tratado apenas o modo FDD na descrição da

camada física LTE.

2

.

3 Camada F í

s

ica L T E

A Figura 2.15 mostra a arquitetura do protocolo de interface de rádio LTE que

auxiliará na compreensão das atribuições da camada física. A camada L1 provê os

serviços de transporte de dados para as camadas superiores. Esses serviços são

acessados através de canais de transporte via subcamada do MAC (Medium Access Control). A camada física dispõe de canais de transporte para a subcamada do MAC da

camada L2, e o MAC por sua vez dispõe de canais lógicos para a subcamada RLC

(Radio Link Control) na camada L2. Os canais de transporte são caracterizados pelas

informações que são transferidas pela interface de rádio. Os círculos no diagrama, na

Figura 2.15, entre as diferentes camadas e subcamadas, indicam os pontos de acesso de

serviço (Service Access Point). A camada física faz interface também com a camada

(36)

35

Figura 2.15 ± Arquitetura do protocolo de interface de rádio [1].

A camada física LTE conforme pode se observar têm várias atribuições que

possibilitam o transporte de dados e que vão desde a detecção de erros sobre os canais

de transporte até o processamento de RF. Essas atribuições estão expressas nas suas

especificações, estruturadas em quatro seções, como mostra a Figura 2.16 [2, 17].

Figura 2.16 ± Relação entre as especificações da camada física [1].

MODULAÇÃO E CANAIS FÍSICOS ± Estas especificações descrevem os sinais e

canais físicos do Downlink e Uplink, como são modulados e como são mapeados na

estrutura do frame LTE. Nesta especificação, está incluso também o processamento para

suportar técnicas de múltiplas antenas.

MULTIPLEXAÇÃO E CODIFICAÇÃO DE CANAL - Estas especificações descrevem

o processamento dos dados dos canais de transporte e de controle, incluindo

multiplexação, esquemas de codificação de canal, informações de controle do

(37)

36

PROCEDIMENTOS DA CAMADA FÍSICA - Estas especificações descrevem as

características dos procedimentos da camada física incluindo procedimentos de

sincronismo, sincronismo de tempo e busca de célula, controle de potência,

procedimento de acesso randômico, reportagem de CQI (Channel Quality Indicator) e

feedback MIMO, toque da UE (User Equipment), e a detecção de ACK/NACK.

MEDIÇÃO DA CAMADA FÍSICA - Estas especificações descrevem as características

de medição da camada física a ser realizada na camada L1 da UE e da eNodeB, e como

o resultado dessas medições são reportados as camadas superiores e a rede. Estas

especificações incluem também medições para suporte ao handover3

.

Dentre as especificações explicitadas, apenas a referente à modulação e canais

físicos será abordada [2]. Sendo assim, o presente estudo limitará a descrição de como

os sinais e canais físicos são gerados e como estão organizados na estrutura do frame

LTE, em particular para os sinais do Downlink objeto de estudo deste trabalho.

2.3.1 Camada Física para o Downlink

Para descrição da camada física no Downlink será reportado novamente à

estrutura de um frame genérico LTE. Conforme já mencionado, a tecnologia LTE utiliza

dois modos de operação o FDD e TDD em que para este trabalho apenas o modo FDD

foi considerado. Isso porque a estrutura de um frame no modo FDD é mais usual e

comumente aplicada em sistemas móveis [4]. Na Figura 2.17, mostra uma estrutura de

frame genérico LTE para o modo FDD.

Figura 2.17 ± Frame genérico LTE [4].

3

Handover: O termo handover ou handoff são termos usados nas comunicações rádio-móvel (celular)

(38)

37

Como descrito, anteriormente, na seção 2.2.1.1, a transmissão LTE é

segmentada em frames de 10 ms de duração. Os frames consistem de 20 slots de 0.5 ms

de duração. Cada subframe possui dois slots, tendo a duração de 1 ms cada [4, 17]. A

seguir será detalhada a estrutura do frame para o Downlink LTE.

2.3.1.1 Sinaise Canais Físicos para o Downlink

A transmissão no Downlink consiste de pequenas unidades de tempo-frequência

que representam elementos de recursos que são definidas em termos de canais e sinais

físicos. Os canais físicos correspondem a elementos de recursos que carregam

informação para as camadas superiores e são definidos conforme o tipo de informação

que transportam, conforme é mostrado abaixo.

- Physical Downlink Shared Channel, PDSCH - Physical Broadcast Channel, PBCH

- Physical Multicast Channel, PMCH

- Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH - Physical Downlink Control Channel, PDCCH

- Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH

Já os sinais físicos são elementos usados pela própria camada física e desse

modo não carregam informação, são eles:

- Sinais de Referência - Sinais de sincronismo

2.3.1.2 Estrutura do Slot para o Downlink

A camada física LTE é projetada para acomodar as larguras de bandas entre 1.25

MHz e 20 MHz. No Downlink, têm-se canais físicos para informar as camadas

superiores e têm-se sinais físicos para uso exclusivo da camada física, e que denotam os

elementos de recursos [2, 4, 17]. A Figura 2.18 mostra a estrutura de um slot para

Downlink e sua alocação de recursos. A estrutura do frame é referenciada por Ts que é o

menor intervalo de tempo do sistema definido como . Este valor

representa a freqüência de amostragem de 30,72 MHz para FFT de 2048 pontos na

(39)

38

Figura 2.18 ± Estrutura de frame para o Downlink [17].

Para este exemplo, o mapeamento dos sinais físicos do Downlink é feito da

seguinte forma:

- RS é transmitido pela primeira subportadora do símbolo 0 e pelo quarto símbolo da

quarta subportadora OFDMA de cada slot. Isto é um simples caso do uso de uma única

antena. As posições de RS variam de acordo com número de antenas aplicado e o

tamanho do CP (Cyclic Prefix).

- P-SCH é transmitido sobre o símbolo 6 do slot 0 e 10 de cada frame OFDMA e ocupa

62 subportadoras centradas em torno da subportadora DC.

- S-SCH é transmitido sobre o símbolo 5 do slot 0 e 10 de cada frame OFDMA e ocupa

também 62 subportadoras centradas em torno da subportadora DC.

- PBCH é transmitido sobre o símbolo 0 a 3 do slot 1 e ocupa 72 subportadoras

centradas em torno da subportadora DC.

As Tabelas 2.3 e 2.4 são mostradas, respectivamente, as configurações para o CP

e os parâmetros de modulação. Para o CP curto ou normal, o comprimento é função do

número do símbolo (0 a 6), enquanto, para CP longo o comprimento, independe do

número do símbolo, sendo sempre N/4 ou N/2, quando for considerado um cenário de

MBSFN (Multicast/Broadcast over Single Frequency Network). Na Tabela 2.3, mostra um exemplo para uma FFT de 2048 pontos na largura de banda de 20 MHz para qual o

(40)

39

Tabela 2.3 Configurações para prefixo cíclico no Downlink.

Configuração Comprimento do prefixo cíclico Ncp,l

Prefixo curto ou

normal BW = 15 kHz 160 para L = 0

144 para L = 1, 2, .. , 6 Prefixo longo BW = 15 kHz 512 para L = 0, 1,2, .. , 5

BW = 7,5 kHz 1024 para L = 0, 1,2

Na Tabela 2.4, mostra os parâmetros de modulação onde se pode observar que o

espaçamento das subportadoras é sempre 15 kHz independente da largura de banda o

que é assegurado pelo comprimento da FFT e pela freqüência de amostragem que

mantém sempre a mesma proporção BWsub . O espaçamento das

subportadoras pode ser ainda de 7,5 kHz, conforme Tabela 2.3, quando considerado um

cenário de MBSFN em que para este caso número de subportadoras consecutivas por

PRB deverá ser de 24 (24.7,5 kHz = 180 kHz), assegurando que a dimensão em

freqüência das PRB seja sempre o mesmo para todos os modos [4, 17].

Tabela 2.4 Disposição de recursos no Downlink.

Parâmetros Valores

Largura de banda de transmissão

(M H Z)

1,25 2,5 5 10 15 20

Espaçamento dassubportadoras (k H z) 15

F reqüência de amostragem (M Hz) 1,92 3,84 7,68 15,36 23,04 30,72

Comprimento da I F F T 128 256 512 1024 1536 2048

Número desubportadoras ocupadas

76 151 301 601 901 1201

2.3.1.3 Processamento banda base da Camada Física no Downlink

Com já mencionado, a camada física LTE faz interface com MAC por meio de

canais de transporte. Os dados recebidos pela camada física são recebidos em formas de

blocos de variados tamanhos e seu processamento consiste dos seguintes passos,

(41)

40

Figura 2.19 ± Processamento da camada física LTE no Downlink [2].

Embaramento: O scrambling consiste no embaralhamento dos dados codificados (Code Words), visando oferecer robustez aos dados, sendo uma etapa complementar da

codificação de canal e sendo caracterizado como processamento ao nível de bit [2]. O

processo de scrambling é ilustrado na Figura 2.20.

Figura 2.20 ± Embaralhamento de dados no Downlink [2].

M apeador de Símbolos Modulados: Este passo consiste no mapeamento dos bits

embaralhados em símbolos modulados de valor complexo QPSK, 16 ou

QAM-64. A modulação resulta em M/L símbolos complexos onde L é igual a 2, 4 ou 6 onde L

compreende ao número de bits utilizado na representação dos símbolos QPSK, QAM-16

e QAM-64. O diagrama de blocos do processo de modulação está ilustrado na Figura

2.21.

Figura 2.21 ± Modulação no Downlink [2].

Mapeamento de Camadas: Esta etapa consiste no mapeamento dos símbolos modulados

de valor complexo para uma ou várias camadas de transmissão em que cada camada

(42)

41

pode ser configurado para suportar multiplexação espacial (MIMO), diversidade de

transmissão (MISO) e recepção (SIMO) cujas configurações se distinguem pelo número de

camadas e palavras-código utilizadas, ou seja, o número de antenas no par

transmissor-receptor.

Pre-codificação: Os símbolos modulados de valor complexos mapeados por camada, na

etapa anterior, são agora transformados em vetores de dados e distribuídos para cada porta

de antena. Essa etapa varia também em função da configuração LTE aplicada, conforme

item anterior (multiplexação espacial, diversidade de transmissão e esquemas MIMO). Esta

etapa, juntamente com a etapa anterior constitui o processamento banda base MIMO e não

serão implementados neste trabalho.

M apeamento de Elementos de Recurso: Esta etapa consiste no mapeamento dos

blocos de símbolos modulados de valor complexo para cada porta de antena, ou seja, é

nesta etapa que o grid recursos físicos no Downlink é formado.

Geração do sinal O F D M : Esta etapa finaliza o processamento banda base do símbolo

no Downlink, consistindo da geração do símbolo OFDM com extensão cíclica. Esta

etapa, juntamente, com anterior, consiste no processamento ao nível de símbolo

OFDMA.

2.4 Processamento banda base O F D M A para Downlink L T E

O processamento banda base LTE para o Downlink é divido em três tipos de

processamento: o processamento ao nível de bit, o processamento MIMO e o

processamento ao nível de símbolo, conforme Figura 2.19. O processamento ao nível de

bit, que compreende as etapas de codificação de fonte e canal discutidas na seção

2.3.1.3, será abordada com mais detalhes no capítulo III e o processamento MIMO

discutido apenas de forma conceitual na seção 2.2.2 não será abordado neste trabalho.

O processamento ao nível de símbolo LTE que a emprega a técnica OFDMA será

discutido nesta seção, ilustrando em maiores detalhes as etapas de mapeamento de

recursos, IFFT e adição de prefixo que compõem seu processamento e que auxiliaram

no entendimento da implementação do processador banda base OFDMA para Downlink

Imagem

Figura 2.3 ± Densidade espectral de potência para uma transmissão OFDM empregando uma janela  temporal tipo cosseno levantado [21]
Tabela 2.1 Parâmetros do 3GPP LTE.
Tabela 2.2 Disposição dos recursos físicos no Downlink. Largura de  banda de  transmissão  (M Hz)  1 , 25  2 , 5  5  10  15  20  F reqüência de  amostragem  (M Hz)  1,92  3,84  7,68  15,36  23,04  30,72  Largura de  banda das  s ubportadoras  (k H z)  15
Figura 2.8  ± Grid de recursos do Downlink [4].
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Referências

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