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Natal ± RN M arço de 2011
Dissertação de Mestrado apresentada ao
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
Dedico
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
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
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
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
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
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
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
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
13
Li
s
ta de
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
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
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
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:
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
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
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,
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
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
Bá
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.
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
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.
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
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
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
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
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
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].
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
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
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
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
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
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
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)
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
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
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,
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
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