Implementação da geração e detecção das sequências de treino 802.11p

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Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática 2011

Bruno

Rodrigues Braz de

Carvalho

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encias de Treino 802.11p

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Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática 2011

Bruno

Rodrigues Braz de

Carvalho

Implementa¸

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encias de Treino 802.11p

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunica¸cões, realizada sob a orienta¸cão cient´ıfica do Professor Doutor Arnaldo S. R. Oliveira e co-orienta¸cão cient´ıfica do Profes-sor Doutor João Nuno Matos, Professores do Departamento de Electrónica, Telecomunica¸cões e Informática da Universidade de Aveiro

(4)

(5)

o j´uri / the jury

presidente / president Prof. Doutor Jos´e Alberto Gouveia Fonseca Professor Associado da Universidade de Aveiro

vogais / examiners committee Prof. Doutor Arnaldo Silva Rodrigues de Oliveira Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro (orientador)

Prof. Doutor Jo˜ao Nuno Pimentel da Silva Matos Professor Associado da Universidade de Aveiro (co-orientador)

Prof. Doutor António José Duarte Araújo

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Eletrot´ecnica e de Computa-dores da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

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(7)

agradecimentos / acknowledgements

Este trabalho marca o culminar de uma alegre, por´em por vezes dif´ıcil cam-inhada na Universidade de Aveiro. No decorrer destes anos, muitos foram aqueles que estiveram ao meu lado. A eles, o meu profundo agradecimento. A Deus, o meu maior orientador.

Aos meus Pais; pelo exemplo de determina¸c˜ao com que olham a vida, por estarem ao meu lado a cada momento, mesmo que por vezes me deixem trope¸car, para que possa aprender qual o melhor caminho.

Aos meus Irmãos; são os meus melhores amigos, estão sempre ao meu lado e, apesar de mais novos, ajudam-me a crescer.

`

A Margarida; pelo conforto nas horas dif´ıceis e orienta¸cão nas horas de devaneio. Pelo sorriso com que me brindas pela manhã, pelo amor e por toda a alegria que dás ao meu dia.

Aos outros elementos do grupo dos cinco; pela disponibilidade nos melhores e nos piores momentos, pelas noites de boa disposi¸c˜ao, pelas conversas mais ou menos interessantes, pela palha¸cada e pela uni˜ao.

`

A Rep´ublica do Terra¸co; pelas noites de estudo regadas com boa disposi¸c˜ao, e pelo companheirismo e alegria com que me foram brindando ao longo dos anos.

Aos meus amigos; por me ouvirem, por se rirem de mim, pelas cr´ıticas e pelo encorajamento. S˜ao parte importante da minha vida.

Por fim, mas n˜ao menos importante, aos meus orientadores Prof. Doutor Arnaldo Oliveira e Prof. Doutor Jo˜ao Nuno Matos, pela cr´ıtica, conheci-mento e apoio.

(8)

(9)

Resumo As comunica¸cões veiculares são um campo da comunica¸cão rádio ainda pouco disseminado. O tipo de comunica¸cões efectuado no âmbito veicular, até agora, resume-se a um conjunto muito restrito de aplica¸cões, de entre as quais se destaca o tolling. No entanto, e dada a crescente necessidade de comunica¸cões nos mais variados cenários, o grupo de standards IEEE 802.11 desenvolveu uma norma que permitirá comunica¸cão rádio com alta largura de banda em ambientes veiculares - a norma IEEE 802.11p.

Um dos maiores problemas das comunica¸cões neste tipo de ambientes passa pela fraca qualidade do canal, bem como as suas caracter´ısticas bastante variáveis. É neste âmbito que surge a necessidade de implementa¸cão de um forte mecanismo de sincroniza¸cão e recupera¸cão das tramas transmiti-das. A norma encontra-se munida de ferramentas capazes de auxiliar tanto a sincroniza¸cão no dom´ınio do tempo como no dom´ınio das frequências. Contempla a utiliza¸cão de sequências de treino bem definidas e de porta-doras piloto, capazes de incorporar sistemas de sincroniza¸cão potenciadores de uma comunica¸cão mais estável.

Com este trabalho, pretende-se desenvolver uma ferramenta capaz de, quando implementado num sistema completo de comunica¸cões veiculares, proceder à sincroniza¸cão no dom´ınio temporal.

Num primeiro momento e, após o estudo da norma e das suas sequências de treino, foi abordada a implementa¸cão da gera¸cão destas mesmas sequências paralelamente ao processamento da trama completa, com o intuito de diminuir o impacto temporal que a sua sintetiza¸cão provocaria na cadeia de transmissão. Posteriormente, foi implementado um modelo de gera¸cão de tramas e sincroniza¸cão das mesmas utilizando a biblioteca System Gen-erator do Simulink e o XtremeDSP Development Kit-IV, um kit de desen-volvimento constitu´ıdo por três FPGAs da Xilinx.

Esta disserta¸cão resultou na implementa¸cão de um gerador de tramas sim-plificado, dado que cada trama apenas contém uma sequência de treino e um conjunto de dados gerado de forma aleatória, e ainda num mecanismo de sincroniza¸cão da trama no dom´ınio do tempo. Como forma de teste, foi ainda introduzido um conjunto de blocos responsável pela introdu¸cão de ru´ıdo. No entanto, o modelo apresenta algumas limita¸cões, já que a sua im-plementa¸cão foi desenvolvida sem o aux´ılio de toda a cadeia de transmissão e recep¸cão prevista na norma IEEE 802.11p.

(10)

(11)

Abstract Vehicle communication is a radio communication subject poorly dissemi-nated. Communications including vehicles as one of its nodes so far boil down to a very limited set of applications, among which stands out tolling. However, given the growing need for communications in a variety of sce-narios, the IEEE 802.11 standards group has developed a standard that will allow high bandwidth radio communication in vehicular environments -IEEE 802.11p.

One of the biggest problems of communication in these environments is the poor quality of the channel, as well as its rather variable characteristics. This context arises the need to implement a strong synchronization mechanism and transmitted frames recovery. The standard is provided with tools to assist both the synchronization in the time domain as in the frequency domain. Contemplates the use of well-defined training sequences and pilot carriers, able to incorporate synchronization systems enhancers of a more stable communication.

This work is intended to develop a tool capable of proceeding with time domain synchronization, when implemented in a vehicle communications’ complete system.

At first, and after studying the standard and its training sequences, the implementation of parallel training sequences generation was implemented, in order to decrease the delaying impact that would cause the transmission chain . Subsequently, it was implemented a model of generation and syn-chronization of the same streams using the library System Generator from Simulink and resorting to XtremeDSP Development Kit-IV, a development kit consisting of three Xilinx FPGAs.

This thesis resulted in the implementation of a simplified stream generator, since each frame contains only a training sequence and a set of randomly generated data, and also a time domain synchronization mechanism for the received stream. For a test purpose, it was also introduced a set of blocks ehich objective was to generate noise. However, the model has some limitations, since its implementation has been developed without the aid of the transmission and reception chain planned in the IEEE 802.11p standard.

(12)

(13)

Conte´

udo

Conte´udo i

Lista de Figuras v

Lista de Tabelas vii

Acr´onimos ix

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Enquadramento . . . 1

1.2 Motiva¸c˜ao . . . 5

1.3 Objectivos . . . 5

2 Comunica¸cões Veiculares 7 2.1 Tecnologias utilizadas no âmbito das comunica¸cões veiculares . . . 7

2.2 Projectos desenvolvidos ou em desenvolvimento . . . 9

2.3 Espectro de Radiofrequˆencias . . . 11

2.4 Comunica¸c˜oes Veiculares Baseadas em DSRC 5.9 GHz / WAVE / 802.11p . 13 2.4.1 DSRC 5.9 GHz . . . 14

2.4.2 WAVE/IEEE 802.11p . . . 14

3 Sincroniza¸cão em sistemas OFDM 19 3.1 Técnicas de Acesso Múltiplo . . . 19

3.1.1 FDMA . . . 20

3.1.2 TDMA . . . 20

3.1.3 CDMA . . . 20

(14)

3.2 OFDM . . . 21

3.2.1 Caracter´ısticas . . . 21

3.2.2 Transmiss˜ao e recep¸c˜ao do sinal OFDM . . . 23

3.3 Fontes de degrada¸c˜ao do desempenho da t´ecnica OFDM . . . 27

3.3.1 Efeitos de multi-percurso . . . 28

3.3.2 Efeito de Doppler . . . 29

3.3.3 Atenua¸c˜oes . . . 30

3.3.4 Ru´ıdo de Fase . . . 30

3.4 Sincroniza¸c˜ao e recupera¸c˜ao do sinal . . . 31

3.4.1 Detec¸c˜ao da trama . . . 31

3.4.2 Sincroniza¸c˜ao na frequˆencia . . . 33

3.4.3 Correc¸c˜ao de erros . . . 34

4 Implementa¸cão 37 4.1 Gera¸cão das sequências de treino . . . 37

4.2 Implementa¸c˜ao recorrendo `a biblioteca System Generator . . . 39

4.2.1 Gerador da trama OFDM . . . 40

4.2.2 Introdu¸c˜ao de ru´ıdo . . . 42

4.2.3 DAC para ADC . . . 42

4.2.4 Cadeia de Sincroniza¸cão . . . 42 4.3 Co-simula¸cão em FPGA . . . 49 4.3.1 Implementa¸cão . . . 49 5 Resultados 51 5.1 Gerador de Trama . . . 51 5.2 Cadeia de sincroniza¸cão . . . 52 5.2.1 Auto-correla¸cão . . . 52 5.2.2 Correla¸cão cruzada . . . 53 5.2.3 Resultado final . . . 54 5.3 Co-simula¸cão . . . 56

5.3.1 Recursos utilizados na FPGA . . . 56

6 Conclus˜oes 57 6.1 Resumo do trabalho realizado . . . 57

(15)

6.2.1 Implementa¸cão num sistema completo . . . 58 6.2.2 Sincroniza¸cão na frequência . . . 58

Appendices 58

A Short Training Sequences 59

B XtremeDSP Development Kit-IV 61

(16)

(17)

Lista de Figuras

1.1 Arquitectura WAVE incorporando a norma IEEE 802.11p [3] . . . 3

1.2 QPSK . . . 4

1.3 OFDM . . . 4

2.1 Algumas das topologias de redes veiculares poss´ıveis [12] . . . 10

2.2 Espectro de radiofrequˆencias . . . 12

2.3 Espectro de radiofrequˆencias na zona do DSRC 5.9GHz [19] . . . 13

3.1 Compara¸c˜ao entre FDMA, TDMA e CDMA . . . 21

3.2 Cadeia de transmiss˜ao e recep¸c˜ao do sinal OFDM . . . 23

3.3 Exemplo de codifica¸c˜ao/descodifica¸c˜ao . . . 24

3.4 Exemplo da utiliza¸c˜ao do Interleaver . . . 25

3.5 Codifica¸cão binária das constela¸cões . . . 25

3.6 IFFT/FFT . . . 26

3.7 Efeito de multi-percurso . . . 28

3.8 Estrutura das training sequences [29] . . . 32

3.9 Aloca¸c˜ao das portadoras piloto segundo a norma IEEE 802.11 . . . 34

4.1 Esquema com blocos Simulink representativo do processamento offline das Short Training Sequencess (STSs) . . . 38

4.2 Esquema com blocos Simulink representativo do processamento offline das Long Training Sequencess (LTSs) . . . 39

4.3 Esquema com blocos do System Generator representativo de toda a cadeia . . 40

4.4 Gera¸c˜ao das tramas . . . 41

4.5 Introdu¸c˜ao de ru´ıdo . . . 41

(18)

4.7 Cadeia de sincroniza¸c˜ao . . . 43

4.8 Auto-correla¸c˜ao . . . 44

4.9 Bloco de atraso . . . 45

4.10 Multiplicador . . . 45

4.11 Filtro FIR (Somador) . . . 46

4.12 Diagrama de blocos de um filtro FIR . . . 47

4.13 Diagrama de blocos da implementa¸cão da fun¸cão Módulo . . . 47

4.14 Correla¸c˜ao cruzada . . . 48

4.15 Bloco de co-simula¸c˜ao . . . 50

5.1 Sequˆencia de treino processada . . . 52

5.2 Trama completa transmitida . . . 52

5.3 Trama de dados transmitida com ru´ıdo adicionado . . . 53

5.4 Resultado da auto-correla¸c˜ao . . . 54

5.5 Resultado da correla¸c˜ao cruzada . . . 55

5.6 Resultado final da correla¸c˜ao . . . 55

5.7 Trama presente `a sa´ıda da DAC . . . 56

(19)

Lista de Tabelas

1.1 Categorias das aplica¸c˜oes em redes veiculares . . . 3

2.1 802.11p vs 802.16e . . . 8

2.2 Pilha de protocolos WAVE [21] . . . 15

2.3 Nomenclatura resumida da arquitectura WAVE [21] . . . 16

2.4 IEEE 802.11a em compara¸c˜ao com IEEE 802.11p [19] . . . 17

5.1 Recursos utilizados . . . 56

A.1 Short Training Sequences no dom´ınio do tempo (1a parte) . . . 59

(20)

(21)

Acr´

onimos

ADC Analog-to-Digital Converter

ANACOM Autoridade Nacional de Telecomunica¸c˜oes ATM Asynchronous Transfer Mode

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access

COOPERS Cooperative Systems for Intelligent Road Safety CORDIC COordinate Rotation DIgital Computer

CVIS Coopertative Vehicle Infrastructure Systems DAC Digital-to-Analog Converter

DC Direct Current

DSRC Dedicated Short-Range Communications EUA Estados Unidos da Am´erica

FDM Frequency Division Multiplexing FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform

FIR Finit Impulse Response

(22)

GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System

GSM Global System for Mobile Communications HDL Hardware Description Language

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform

ISI Inter-Symbol Interference

JSK Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving LTS Long Training Sequences

MAC Medium Access Control NoW Network on Wheels OBU On Board Unit

OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing PAPR Peak-to-Average Power Ratio

PLCP Physical Layer Convergence Procedure PSK Phase Shift Keying

QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying ROM Read-Only Memory

RF RadioFrequˆencia

RFID Radio-Frequency Identification RSU Road Side Unit

(23)

SDMA Space Division Multiple Access SNR Signal-to-Noise Ratio

STS Short Training Sequences

TDMA Time Division Multiple Access

UMTS Universal Mobile Telecommunications System V2I Vehicule to Infrastructure

V2V Vehicule to Vehicle

VANET Vehicular Ad-hoc Network

WAVE Wireless Access in the Vehicular Environment WBSS WAVE Basic Service Set

WiBro Wireless Broadband

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network

(24)

(25)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Enquadramento

As VANETs tratam-se de um tipo de redes nas quais os ve´ıculos e as infraestruturas que se encontram instaladas junto às estradas funcionam como nós de comunica¸cão. Assim sendo, formam uma rede capaz de partilhar e oferecer informa¸cão, que poderá estar relacionada com aspectos tão dispares como a seguran¸ca ou o lazer. Estas redes são consideradas fundamentais para que num futuro próximo nos seja poss´ıvel observar uma coopera¸cão entre a condu¸cão dos diversos ve´ıculos que populam as estradas.

As VANETs caracterizam-se por [1]:

• Uma topologia confinada a um conjunto de infra-estruturas (ve´ıculos e infraestruturas junto à estrada (RSUs)), porém bastante variável em forma (depende do número de ve´ıculos e RSUs, e da forma como se distribuem);

• Um poss´ıvel grande n´umero de n´os.

• Condi¸cões de comunica¸cão muito variáveis e usualmente pouco favoráveis, dado serem contrárias às condi¸cões ideais de propaga¸cão rádio (possibilidade de existência de obstáculos entre os ve´ıculos, velocidades relativas dos nós da rede elevadas);

Actualmente, as redes veiculares encontram-se muito pouco disseminadas. Mas os esfor¸cos por criar condi¸cões de condu¸cão cada vez mais eficientes, confortáveis e acima de tudo mais seguras já come¸caram. Procura-se, com o desenvolvimento deste tipo de redes, fazer diminuir a mortalidade rodoviária que se situa nos 1.2 milhões de pessoas por ano em todo o Mundo, o número de feridos que se situa em aproximadamente 40 vezes o número de fatalidades e ainda

(26)

tentar diminuir as perdas de tempo e de combust´ıvel que se verificam nos congestionamentos de trˆansito [2].

O desenvolvimento deste tipo de redes é de grande interesse económico, já que as co-munica¸cões entre ve´ıculos permitem a partilha de canais wireless para aplica¸cões móveis, aumentam a capacidade de planeamento de rotas, controlo do congestionamento de tráfego e ainda uma melhoria na seguran¸ca de todos aqueles que viajam nas estradas. Trata-se de um tipo de rede que tem vindo a adquirir, cada vez mais, uma posi¸cão de relevo no âmbito das redes sem fios [3].

´

E de prever ainda, que num futuro não muito long´ınquo, seja poss´ıvel ao Homem viajar com um n´ıvel de seguran¸ca elevad´ıssimo e com condi¸cões de comodidade muito próximas às que se verificam nas habita¸cões de cada um.

Existem trˆes grandes grupos de aplica¸c˜oes alvo das redes veiculares [4]:

• Seguran¸ca rodoviária: Este tipo de aplica¸cões tem como grande objectivo diminuir o número de acidentes e mortes nas estradas, alertando o condutor para potenciais riscos; • Eficiência de tráfego: Esta categoria engloba todo o tipo de aplica¸cões que procuram descongestionar o tráfego, ajudando a monitorizar as estradas e oferecendo itinerários complementares aos condutores. Além de favorecerem os condutores, este grupo de aplica¸cões favorecem o meio ambiente, já que menor congestionamento leva a menores n´ıveis de emissões de gases.

• Servi¸cos de valor acrescentado: Aplica¸cões que promovam o conforto, o divertimento ou a melhor gestão de uma viagem fazem parte desta categoria. Podem ser gratu-itas ou sujegratu-itas a uma taxa, e algumas delas podem promover uma melhor gestão do combust´ıvel.

´

E necessário garantir que a troca de mensagens entre os vários nós desta rede, imple-mentada sob condi¸cões adversas ao seu funcionamento, seja efectuada rápida e eficazmente. Convém então que sejam utilizados protocolos standard de comunica¸cão muito robustos, já que em alguns casos (mensagens de seguran¸ca), podem ser vidas a depender do bom fun-cionamento desta rede.

´

E neste contexto que surgem os conjuntos de protocolos Dedicated Short-Range Communi-cations (DSRC)/Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) [5] que estabelecem padrões necessários ao envio de mensagens de emergência, com grande fiabilidade e de latência muito limitada, para os ve´ıculos circundantes e em rápida aproxima¸cão.

(27)

Categoria da aplica¸c˜ao Latˆencia tolerada

Alcance Exemplos (latência máxima aceitável)

Seguran¸ca Rodoviária Baixa Local - Alerta pré-acidente (50ms); - Alerta de risco de colisão (100ms)

Eficiência de tráfego Média Médio - Itinerário recomendado (500ms)

Servi¸cos de valor acres-centado

Média Médio - Notifica¸cão de pontos de in-teresse (500ms)

Tabela 1.1: Categorias das aplica¸c˜oes em redes veiculares

Figura 1.1: Arquitectura WAVE incorporando a norma IEEE 802.11p [3]

Espera-se que este tipo de protocolos beneficie enormemente de técnicas de flooding, já que em ambientes de alta mobilidade, como o rodoviário, existe uma baixa probabilidade de que um broadcast efectuado recorrendo a apenas um salto para todos os ve´ıculos na proximidade tenha sucesso, devido às atenua¸cões do canal e à possibilidade de existência de zonas de sombra. Os protocolos que definem este tipo de rede necessitam de responder com sucesso em vários tipos de cenários, sendo por isso, necessariamente, bastante versáteis; A rede pode corresponder a um conjunto de apenas dois ve´ıculos, podendo no entanto alargar-se, numa situa¸cão de um engarrafamento citadino, a centenas de ve´ıculos.

Em 2004, o esfor¸co de normaliza¸cão deste tipo de comunica¸cões (DSRC) é assumido pela associa¸cão IEEE, através do seu grupo de desenvolvimento da norma IEEE 802.11. O enquadramento e necessidades deste tipo de comunica¸cões rádio, cujas diferen¸cas para a norma IEEE 802.11a se situam essencialmente na contempla¸cão da altera¸cão da gama de frequências

(28)

utilizada e em pormenores referentes ao tipo de canal utilizado leva ao aparecimento da norma IEEE 802.11p [6]. Esta procura solucionar as contrariedades inerentes à comunica¸cão em movimento com canal de qualidade variável ao n´ıvel da camada f´ısica, baseando-se sempre na norma IEEE 802.11a. São estes protocolos e normas que regulam a forma como a comunica¸cão é efectuada, tanto a n´ıvel das caracter´ısticas do hardware utilizado como a n´ıvel do formato e processamento das mensagens responsáveis pela comunica¸cão.

A necessidade de comunica¸cões sem fios com altas taxas de transmissão, modula¸cões variáveis, vários utilizadores e robustez a interferências do meio, levou o grupo IEEE 802.11 a incorporar na norma a modula¸cão Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Esta modula¸cão caracteriza-se pela divisão da largura de banda por várias portadoras e sobrepostas no tempo, porém ortogonais. A ortogonalidade permite que as várias portadoras não interfiram entre si, ou seja, idealmente não existirão quaisquer tipo de interferências.

Figura 1.2: QPSK

Figura 1.3: OFDM

Nas figuras acima está explicita a capacidade de economiza¸cão de largura de banda que o OFDM confere ao sinal, devido à sua ortogonalidade.

Existem, no entanto alguns inconvenientes no uso desta técnica de modula¸cão, que passam pelas altera¸cões nas frequências provocadas por exemplo pelo efeito de Doppler e ainda a possibilidade de existirem atrasos temporais na propaga¸cão dos s´ımbolos. A altera¸cão na frequência provocará uma interferência entre portadoras, enquanto que atrasos no tempo

(29)

dar˜ao origem a interferˆencias entre s´ımbolos.

A solu¸cão encontrada para contornar estas barreiras constitui a incorpora¸cão de um inter-valo de guarda e um prefixo c´ıclico em qualquer trama OFDM. O primeiro procurar prevenir o sinal para um atraso inferior a este mesmo tempo de guarda, enquanto que o segundo em adi¸cão ao primeiro garante ainda a manuten¸cão de ortogonalidade do sinal.

O prefixo c´ıclico contém um conjunto de informa¸cões, nas quais se incluem mecanismos de controlo e ferramentas como as short e long training sequences. As training sequences são um conjunto de s´ımbolos bem determinados e conhecidos que servem de referência para determinar o in´ıcio de cada trama e ainda, no caso das long training sequences determinar o desvio do sinal na frequência.

1.2 Motiva¸

c˜

ao

Os enormes benef´ıcios, para todos aqueles que viajam nas estradas, do desenvolvimento de um módulo capaz de melhorar de uma forma significativa a experiência de condu¸cão levou `

a cria¸cão de um projecto no qual este trabalho se integra. Este projecto procura a cria¸cão de um módulo capaz de estabelecer liga¸cões dentro de uma rede veicular seguindo os protocolos baseados no standard WAVE e, desta forma, garantir a cria¸cão de um produto capaz de integrar qualquer rede deste tipo devido à sua configura¸cão segundo as normas.

´

E neste contexto que a gera¸cão e deteçcão das sequências de treino se tornam essenciais, já que, sem o desenvolvimento deste tipo de mecanismos, a troca de informa¸cão entre os vários componentes das redes veiculares se tornaria praticamente irrealizável. Os processos responsáveis pela sincroniza¸cão da trama são, desta forma, elementos chave para o bom funcionamento de uma rede de comunica¸cão sem fios.

1.3 Objectivos

Este trabalho visa munir um transmissor/receptor para comunica¸cões veiculares com a capacidade de gerar e detectar as training sequences, tornando assim poss´ıvel a deteçcão do in´ıcio de cada trama, promovendo desta forma a correcta troca de informa¸cão entre os diferentes nós nas redes veiculares.

Com este trabalho pretende-se criar dois blocos (Pré-processamento das Training Se-quences na parte do transmissor, e Sincroniza¸cão temporal implementado no receptor) perten-centes à camada f´ısica do módulo de comunica¸cões veiculares baseado no DSRC 5.9GHz/WAVE.

(30)

Com esta finalidade, torna-se necessário, inicialmente, compreender os standards sobre os quais acenta esta implementa¸cão (WAVE, DSRC e IEEE 802.11p), bem como adquirir conhecimentos sólidos acerca do funcionamento da camada f´ısica deste projecto e ainda de como se processa a modula¸cão OFDM. Numa fase seguinte, será crucial possuir um overview acerca dos blocos presentes no conjunto System Generator da Xilinx implementáveis em ambiente Simulink.

A fase final do trabalho consiste em, finalmente, implementar numa FPGA, e recorrendo aos blocos do System Generator, ao invés de uma linguagem de descri¸cão de hardware (HDL), as fun¸cões inicialmente propostas.

(31)

Cap´ıtulo 2

Comunica¸

c˜

oes Veiculares

Redes de comunica¸cões veiculares, como já referido, tratam-se de uma nova classe de redes sem fios que emergiu gra¸cas aos avan¸cos verificados, tanto na tecnologia de redes wireless e rádios, como na industria automóvel [7].

O facto deste tipo de rede assentar num ambiente veicular, em que alguns dos seus nós (ve´ıculos) se movimentam a velocidades relativamente elevadas, requer que a infraestrutura re-sponsável pelo seu suporte apresente um conjunto de caracter´ısticas que lhe garantam grande estabilidade e qualidade de sinal próximo ao verificado nas casas de cada um. Este contexto despoletou o desenvolvimento de um conjunto de tecnologias sem fios desenhadas especial-mente para ambientes de alta mobilidade e que procuram cumprir com as necessidades de redes com estas caracter´ısticas. Deste conjunto, há a destacar o Wi-Fi (IEEE 802.11p), WiMAX (IEEE 802.16e), MBWA (IEEE 802.20) e ainda a tecnologia 3G [8].

2.1 Tecnologias utilizadas no ˆ

ambito das comunica¸

c˜

oes

veicu-lares

Como referido, este trabalho incide na temática das comunica¸cões veiculares, mais propri-amente no protocolo IEEE 802.11p pertencente ao grupo DSRC/WAVE. Convém no entanto apontar que além deste tipo de tecnologia, existem outros que tornam ou tornarão poss´ıveis as comunica¸cões entre ve´ıculos.

As técnicas que poderão passar a fazer parte das comunica¸cões veiculares variam entre o reaproveitar de tecnologia já amplamente implementada, como as redes celulares (GSM, GPRS, ...) e a implanta¸cão de novas redes, como as baseadas no DSRC/WAVE. Teremos, para além das tecnologias DSRC/WAVE, os seguintes grandes conjuntos de tecnologias:

(32)

• Redes Celulares: Este tipo de tecnologia tem vindo a desenvolver-se com uma enorme rapidez, acompanhando as necessidades cada vez mais crescentes das redes móveis. Os sistemas 2G como o GSM suportam taxas de transmissão relativamente diminutas (até 171kbps). No entanto, UMTS/HSDPA (sistemas 3G) apresentam uma melhoria na taxa de transmissão, variando entre os 144kbps para ambientes de alta mobilidade e os 2Mbps [9] para ambientes estacionários.

O comportamento de sistemas 3G foi testado em ambientes veiculares por Quereshi et al.[10]. Não foi encontrada uma rela¸cão directa entre o n´ıvel de sinal e a velocidade do ve´ıculo, mas sim com a posi¸cão geográfica (devido à posi¸cão das antenas). De real¸car ainda o acontecimento esporádico de curtas disconexões (sempre inferiores a 30 segundos).

• WiMAX/802.16e: A norma 802.16e ou Worldwide Interoperability for Microwave Ac-cess (WiMAX) como é mais conhecida tem como grande objectivo constituir a plataforma final de uma rede de banda larga como alternativa ao cabo, já que permite taxas de transmissão bastante razoáveis (até 40Mbps) e através de longas distâncias (até 10Km). Esta tecnologia vem assim tentar preencher o vazio entre o 3G e os standards Wireless Local Area Network (WLAN) como o 802.11.

No caso em concreto do WiMAX e como existe um estudo que procura comparar este standard com o abordado neste trabalho (IEEE 802.11p) num contexto de comunica¸c˜ao entre o veiculo e a infraestrutura, ser´a pertinente contrastar as suas caracter´ısticas.

Tabela 2.1: 802.11p vs 802.16e [4]

(33)

oferece uma grande cobertura, altas taxas de transmiss˜ao e delays bastante baixos. No entanto, constatou-se que a tecnologia baseada em 802.11p era mais apropriada para quantidades de dados mais reduzidas, para as quais apresenta latˆencias extremamente reduzidas mesmo a altas velocidades.

Num outro estudo conduzido por Han et al. [11], em que foi medida a performance do WiBro (tecnologia desenvolvida na Coreia do Sul com base na tecnologia WiMAX) no metro em que a velocidade m´axima era de 90Km/h e conclu´ıram que as taxas de trans-miss˜ao variavam entre os 2Mbps e os 5.3Mbps e que os atrasos dos pacotes raramente excediam os 200ms.

• WLAN: As redes Wi-Fi ou WLAN também suportam servi¸cos de banda-larga sem fios. O conceito de Wardriving, que consiste em procurar redes Wi-Fi desprotegidas ou livres enquanto se desloca num veiculo, já existe há algum tempo e é possuidor de software próprio. No entanto não está muito explorado, já que é utilizado num contexto mais lúdico.

Este tipo de redes pode, no entanto, integrar a rede de comunica¸cões veiculares de uma forma mais secundária, não estando tão ligada à transferência de dados entre as viaturas e as infraestruturas.

Na figura 2.1 est˜ao representadas algumas das topologias exequ´ıveis com o conjunto de tecnologias sem fios aqui abordadas [12].

2.2 Projectos desenvolvidos ou em desenvolvimento

O primeiro projecto de pesquisa em comunica¸cões entre ve´ıculos foi conduzido pela Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving (JSK) do Japão no inicio da década de 80 [20]. Este trabalho considerou comunica¸cões veiculares, primeiramente, como sistemas de informa¸cão do tráfego e do condutor incorporado em Asynchronous Transfer Modes (ATMs).

Mais tarde, projectos como o norte-americano PATH [13] ou o europeu ”Chaffeur”[14] investigaram e implementaram sistemas autónomos, constitu´ıdos por vários ve´ıculos, através da transmissão de dados entre estes.

No inicio do novo milénio, o evoluir das comunica¸cões sem fios veio proporcionar condi¸cões para que se desenvolvessem cada vez mais investiga¸cões na área da seguran¸ca veicular. É neste

(34)

V2V V2I V2I-I2V Internet Gateway /WiFi (a) DSRC/WiFi V2I Internet Cellular /WiMAX V2I (b) Cellular/WiMax V2I Internet Cellular /WiMAX V2V V2I-I2V Gateway /WiFi (c) DSRC/WiFi + Cellular/WiMax

Figura 2.1: Algumas das topologias de redes veiculares poss´ıveis [12]

contexto que, desde o ano 2000, projectos como o CarTALK2000 ou o FleeNet, financiados pela industria automóvel, empresas privadas e institutos de investiga¸cão, foram criados com o objectivo comum de procurar estabelecer uma plataforma de comunica¸cão que visa possibilitar a comunica¸cão entre ve´ıculos.

Nos tempos que correm, existem inúmeros projectos em actividade, que procuram in-vestigar, desenvolver e implementar redes de comunica¸cões veiculares. Um conjunto de en-tidades composto por membros da indústria automóvel, empresas privadas como a Brisa e institutos de investiga¸cão como o Instituto de Telecomunica¸cões procuram desenvolver um sistema inteligente de transportes. Projectos como o caso nacional do HeadWay ou pertencentes a grandes consórcios internacionais como os Network on Wheels (NoW) [15], Coopertative Vehicle Infrastructure Systems (CVIS) [16], Cooperative Systems for Intelligent Road Safety (COOPERS) [17] ou GeoNet [18] fazem ou fizeram recentemente parte deste esfor¸co mundial por diminuir a enorme mortalidade rodoviária e modernizar a forma como conduzimos no dia-a-dia. Este é um conjunto de projectos que investigam ou investigaram recentemente nesta área:

(35)

• NoW - Trata-se de um projecto alemão que incorpora um grande consórcio de comu-nica¸cões designado CAR 2 CAR. Foca a sua actividade nos aspectos da comunica¸cão, entre ve´ıculos e entre estes e as infraestruturas, baseada em tecnologia WLAN. O ob-jectivo deste projecto passa por contribuir, através da resolu¸cão de problemas técnicos nos protocolos de comunica¸cão e de seguran¸ca, para o aparecimento dos standards que regerão as comunica¸cões veiculares.

• COOPERS - Este é um projecto cuja área de investiga¸cão se centra no desenvolvi-mento de aplica¸cões inovadoras em telemática. Procura melhorar as aplica¸cões para a infraestrutura de sensores rodoviária e de controlo de tráfego.

• GeoNet - Um projecto da União Europeia cujo inicio data de Fevereiro de 2008 e que procura implementar um sistema de referência para redes veiculares ad-hoc. De real¸car que este projecto irá ser integrado num conjunto de outros projectos integrantes do consórcio CAR 2 CAR e, como tal, poderá obter um conjunto de resultados muito significativo.

As comunica¸cões entre ve´ıculos estão cada vez mais próximas de se tornarem uma reali-dade no dia-a-dia de cada um. O esfor¸co financeiro produzido pelos grandes construtores da industria automóvel e das autoridades para os transportes, aliado ao conhecimento cient´ıfico de institutos de investiga¸cão tornarão poss´ıvel uma rede rodoviária bastante mais segura, cómoda e interactiva.

2.3 Espectro de Radiofrequˆ

encias

Quando, no final do século dezanove, Marconi conseguiu comunicar sem fios através do canal da Mancha, baseando-se na teoria de Maxwell e nas experiências de Hertz, estava longe de imaginar o quão ”povoado”se iria tornar o espectro de radiofrequências.

O aumento exponencial das transmissões rádio suscitou a necessidade de tornar os sistemas espectralmente eficientes e ainda de organizar todos os tipos de comunica¸cões rádio de acordo com a aloca¸cão de banda de frequências necessária. É neste contexto que surge o espectro de radiofrequências que, em Portugal, é regulamentado pela Autoridade Nacional de Teleco-munica¸cões (ANACOM) e que garante que não existam incompatibilidades ou interferências entre os diversos sistemas utilizadores deste espectro.

Como é percept´ıvel através da figura 2.2, existe um número extremamente elevado de aloca¸cões dentro do espectro, o que torna assim essencial a sua gestão cuidada.

(36)

Figura 2.2: Espectro de radiofrequˆencias

Para as comunica¸cões veiculares foi alocada uma pequena largura de banda em torno dos 5.9 GHz. Os Estados Unidos da América alocaram inicialmente (1999) uma largura de banda de 75 MHz para sistemas inteligentes de transporte (ITS). O objectivo passava por criar a oportunidade de salvar vidas e de melhorar as situa¸cões de congestionamento de tráfego. É só mais tarde (2008) que a Europa disponibiliza 30 MHz do espectro para comunica¸cões entre ve´ıculos e entre estes e as infraestruturas junto às estradas [20].

A largura de banda de 75 MHz (alocada nos EUA) e os 70 MHz que já constam da última tabela, de aloca¸cão e utiliza¸cão de frequências, disponibilizada pelo Electronic Communica-tions Committee (ECC) permitem a coexistência de 7 canais de 10 MHz cada. Assim, é poss´ıvel a existência de quatro canais de servi¸co, um de controlo e dois de caracter´ısticas especiais, um para emergência e preserva¸cão da vida e outro de alta potência para seguran¸ca pública [21].

Esta faixa do espectro é livre, no entanto licenciada. Isto significa que apesar de ser gratuita a sua utiliza¸cão, existem regras, estando restrita à utiliza¸cão de um determinado

(37)

Figura 2.3: Espectro de radiofrequˆencias na zona do DSRC 5.9GHz [19]

conjunto de tecnologias e aplica¸c˜oes.

2.4 Comunica¸

c˜

oes Veiculares Baseadas em DSRC 5.9 GHz /

WAVE / 802.11p

Prevê-se que, num futuro próximo, todos os tipos de ve´ıculos, como carros, autocarros e camiões sejam capazes de operar em rede, partilhando informa¸cão entre eles, desde dados sobre o congestionamento de tráfego e estado da via, até sinais de alarme relativos a acidentes ou potenciais situa¸cões de perigo. Desta forma será poss´ıvel efectuar decisões de navega¸cão e seguran¸ca com base em mensagens que são enviadas pelos nós vizinhos da rede constitu´ıda quer pelos ve´ıculos, quer pela infra-estrutura fixa suportada pelo operador ou concessionário da via. Esta informa¸cão poderá também ser utilizada e integrada nos sistemas de navega¸cão baseados em GPS de forma a dotá-los de novas funcionalidades, tais como a divulga¸cão em tempo-real de avisos ao condutor e a determina¸cão dos melhores caminhos tendo em conta diversos factores como o congestionamento das vias. Além disso, as comunica¸cões ve´ıculo-a-ve´ıculo e entre ve´ıculo-a-ve´ıculo e a infra-estrutura abrem novas oportunidades de aplica¸cões, incluindo a dissemina¸cão de informa¸cão baseada em localiza¸cão, social networking, videojogos, entre outras.

(38)

2.4.1 DSRC 5.9 GHz

Dedicated Short-Range Communications (DSRC) trata-se de um conjunto de normas base responsáveis pela defini¸cão de um canal de comunica¸cão para mensagens trocadas no âmbito das comunica¸cões veiculares [22].

O desenvolvimento e aparecimento do DSRC data do inicio da década de 90 quando se tornou claro que a rede de portagens nas autoestradas se poderia tornar mais eficiente utilizando transponders RFID como no caso Português da Via Verde da Brisa. Entretanto, o grupo de construtores deste tipo de material, chegaram à conclusão de que este tipo de comunica¸cão teria potencial para outro tipo de aplica¸cões e formaram um consórcio para desenvolvimento do DSRC.

Inicialmente, procurou-se estandardizar o DSRC 915 MHz, mas rapidamente se chegou à conclusão de que a abordagem do IEEE 802.11 e os 5.9 GHz seriam a melhor op¸cão, já que esta permite um modo ad-hoc. Este desenvolvimento culminou nos standards IEEE 802.11p e 1609.x [23].

O DSRC 5.9 GHz difere dos modelos anteriores de DSRC tanto na frequˆencia a que operam como na largura de banda que utilizam. Os sistemas anteriores operavam ou a 915 MHz ou a 1800/1900 MHz (sistema Onstar, implementado em alguns ve´ıculos nos EUA) com uma largura de banda inferior a 1 KHz, contrastando com a largura de banda de 10 MHz por canal oferecida pelo DSRC 5.9 GHz [24].

2.4.2 WAVE/IEEE 802.11p

Em 2004, O Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) iniciou a estandard-iza¸cão das comunica¸cões em redes veiculares dentro do grupo de trabalho do IEEE 802.11. Este padrão é agora conhecido como IEEE 802.11p WAVE. A arquitectura WAVE define-se num conjunto de seis standards: IEEE 1609.1, IEEE 1609.2, IEEE 1609.3, IEEE 1609.4, IEEE 802.11 e IEEE 802.11p.

As várias camadas de um sistema de comunica¸cões veiculares serão então definidas por diversos standards. A camada f´ısica inferior é definida pelo padrão IEEE 802.11, mais propri-amente pela norma p e, como se trata da camada sobre a qual incide este trabalho, ser-lhe-à dado maior relevo.

Os padrões da fam´ılia IEEE 1609 definem grande parte das camadas, não se restringindo apenas à parte superior da camada f´ısica e da camada Medium Access Control (MAC).

(39)

Tabela 2.2: Pilha de protocolos WAVE [21]

conjunto de padrões para que os diferentes fabricantes de automóveis possam tornar poss´ıvel a comunica¸cão entre ve´ıculos (V2V) e entre estes e a infraestrutura (V2I). Assim, poderá existir uma interoperabilidade entre dispositivos de diversas proveniências.

Os grupos responsáveis pela elabora¸cão dos standards têm ainda de ter em considera¸cão as caracter´ısticas particulares inerentes às comunica¸cões veiculares. Como tal, as altas ve-locidades desenvolvidas pelos ve´ıculos, bem como a necessidade de baixas latências e de comunica¸cões efectuadas num curto espa¸co de tempo devem ser tidas em conta.

A arquitectura WAVE considera ainda um determinado conjunto de dispositivos dos quais fazem parte as On Board Unit (OBU) e as Road Side Unit (RSU) por exemplo.

Na tabela 3.2 encontram-se referenciados um conjunto de dispositivos que alicer¸cam a arquitectura WAVE. As OBU e RSU serão os elementos mais vis´ıveis desta arquitectura, já que se encontram espalhados ora pelas estradas (dentro dos ve´ıculos em movimento) ora junto a estas (unidades estacionárias junto às estradas). Convém no entanto reter os termos WAVE Basic Service Set (WBSS) e WAVE Short Message (WSM) já que, o primeiro será responsável por ”alimentar a rede”e o segundo por tornar poss´ıvel a comunica¸cão.

(40)

Dispositivo WAVE Dispositivo que implementa a subcamada MAC e a camada f´ısica de acordo com o padr˜ao WAVE

Unidade de Bordo Dispositivo WAVE m´ovel capaz de trocar

(On Board Unit – OBU) informac¸˜ao com outras OBUs ou RSUs

Unidades de Acostamento Dispositivo WAVE estacion´ario que suporta

(Road Side Unit – RSU) a troca de informac¸˜ao com OBUs

WBSS Conjunto de estac¸˜oes WAVE consistindo de um provedor

(WAVE Basic Service Set) de WBSS e zero ou mais usu´arios de WBSS

WSM (WAVE Short Message) Mensagem curta WAVE, enviada pelo protocolo WSMP

Provedor de WBSS Dispositivo iniciador de um WBSS ou emissor de WSMs

Usu´ario de WBSS Dispositivo associado a um WBSS ou destinat´ario de WSMs

Tabela 2.3: Nomenclatura resumida da arquitectura WAVE [21]

IEEE 802.11p

A massifica¸cão das novas tecnologias e a procura cada vez mais exacerbada pela informa¸cão e comunica¸cão tornou necessário o aparecimento de protocolos de comunica¸cões sem fios com vista a suplantar as limita¸cões óbvias apresentadas por qualquer tipo de liga¸cão f´ısica. Neste momento já se verifica uma utiliza¸cão massiva de comunica¸cões sem fios, seja através da utiliza¸cão de telemóveis ou de computadores portáteis, no caso do mero utilizador particular, quer a sua implementa¸cão em redes de grande dimensão no caso de uma unidade fabril, por exemplo.

A plataforma que rege este tipo de comunica¸cões de dados sem fios é o grupo de standards IEEE 802.11 dos quais constam as normas a, b, g ou n (sendo as últimas três as mais con-hecidas). No entanto, este conjunto de normas não se encontra ainda preparado para abarcar com a grande mobilidade requerida, pelo que a utiliza¸cão de qualquer uma destas não seria poss´ıvel nos termos da comunica¸cão veicular. Assim sendo, tornou-se necessária a cria¸cão de uma nova norma que permitisse a implementa¸cão global das comunica¸cões Vehicule to Vehicle (V2V) e Vehicule to Infrastructure (V2I). O grupo do IEEE 802.11 decidiu criar assim o 802.11p.

A norma 802.11p modifica o standard 802.11 de forma a permitir a sua utiliza¸cão em situa¸cões de comunica¸cão entre ve´ıculos ou destes com a infraestrutura fixa. O IEEE 802.11a foi criado para ambientes interiores, com uma alta taxa de transmissão e que não permite ao utilizador uma grande mobilidade. O 802.11p vem assim, tendo por base o 802.11a, permitir uma grande mobilidade (comunica¸cões veiculares) [25]. As diferen¸cas entre esta nova norma e a base do IEEE 802.11 baseiam-se principalmente no facto de esta funcionar em half-clocked mode, resultando assim num conjunto de caracter´ısticas que a tornam mais robusta

(41)

`

a grande mobilidade requerida pelo ˆambito das comunica¸c˜oes veiculares. Na tabela que se segue encontram-se comparadas as caracter´ısticas que diferenciam o 802.11p do 802.11a.

Tabela 2.4: IEEE 802.11a em compara¸c˜ao com IEEE 802.11p [19]

Da tabela acima é percept´ıvel que a norma 802.11p possui metade da taxa de transmissão e o dobro dos ”tempos”. Assim sendo, é de destacar o seguinte conjunto de parâmetros alterados:

• Largura de Banda: Normalmente é utilizada uma largura de banda de 10MHz para dotar a transmissão de uma maior robustez relativamente ao fenómeno de fading. • Tamanho do s´ımbolo: Torna-se o dobro, sendo assim, por isso, mais um recurso que

vai de encontro `a robustez do sinal.

• Intervalo de guarda: ´E aumentado para o dobro, conferindo assim um maior inter-valo de tempo para sincroniza¸c˜ao da trama;

(42)

(43)

Cap´ıtulo 3

Sincroniza¸

c˜

ao em sistemas OFDM

Como o próprio nome indica, o Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) trata-se de uma técnica de acesso múltiplo (multiplexagem) capaz de dividir um canal, com uma maior largura de banda, num conjunto de canais, ortogonais entre si e cuja largura de banda não passa de uma pequena fraçcão do canal original, em que os dados são transmitidos em paralelo.

Convém, no entanto, situar o OFDM entre as restantes técnicas de acesso múltiplo e identificar os seus pontos fortes, pontos fracos e respectivas solu¸cões.

3.1 T´

ecnicas de Acesso M´

ultiplo

O avan¸co no ramo das tecnologias da comunica¸cão e do processamento de informa¸cão levaram tanto ao aparecimento de novas aplica¸cões, produtos e servi¸cos, como à procura cada vez mais desenfreada por este tipo de tecnologia por parte dos utilizadores. Sendo assim, tornou-se vital o desenvolvimento de técnicas capazes de suportar uma utiliza¸cão exaustiva, por parte das grandes massas, sem que se verificasse uma quebra substancial na qualidade do servi¸co. É nestas circunstâncias que surge a massifica¸cão das técnicas de acesso múltiplo, responsáveis pela possibilidade de partilha de um determinado canal de comunica¸cão por múltiplos utilizadores.

As Técnicas de Acesso Múltiplo são utilizadas para permitir que uma determinada por¸cão finita do espectro de radiofrequência seja acedida por um conjunto de utilizadores, de forma simultânea. Estas técnicas têm de garantir que esta aloca¸cão de banda não resulte em degrada¸cão da qualidade do sistema.

(44)

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) • TDMA (Time Division Multiple Access) • CDMA (Code Division Multiple Access) • SDMA (Space Division Multiple Access)

• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

3.1.1 FDMA

Esta técnica caracteriza-se pela divisão do espectro num conjunto de de várias frequências que, por seu lado, serão atribu´ıdas a cada um dos utilizadores. Assim, garante-se que cada uti-lizador possa emitir e receber em simultâneo [26]. De real¸car que esta técnica é habitualmente utilizada em canais wired.

3.1.2 TDMA

Trata-se de uma técnica de acesso múltiplo temporal, na qual a mesma frequência ou banda é partilhada por todos os utilizadores, sendo que estes tomam parte do canal em slots temporais d´ıspares. Neste caso não é poss´ıvel a simultaneidade de envio e recep¸cão, pelo que apenas uma destas açcões é pass´ıvel de acontecer por cada slot temporal.

3.1.3 CDMA

Com o evoluir da tecnologia tornou-se praticável a multiplexagem de utilizadores por código. Nesta técnica é atribu´ıdo a cada utilizador um código; vai ser a des-correla¸cão entre os diferentes códigos que permitirá a deteçcão dos diferentes utilizadores. Esta técnica possui um número elevado de variáveis como por exemplo o DS (Direct Sequence) - CDMA, o FH (Frequency Hoping) - CDMA ou o TH (Time Hoping) - CDMA, variando assim as técnicas utilizadas na codifica¸cão.

3.1.4 SDMA

Trata-se de uma técnica ainda muito pouco explorada e que, baseando-se em técnicas de processamento de sinal avan¸cadas, procura adaptar a direçcão do sinal aos utilizadores, preterindo os interferidores. Assim, torna-se poss´ıvel ”reutilizar”uma dada banda de frequências

(45)

Figura 3.1: Compara¸c˜ao entre FDMA, TDMA e CDMA

já que é criada a capacidade direccionar o sinal de acordo com a localiza¸cão de quem necessita de utilizar o sistema.

Na prática, esta técnica passa pela utiliza¸cão de um array de antenas e com base em pro-cessamento de sinal, ”separar”o sinal para que vários utilizadores utilizem a mesma frequência ao mesmo tempo. De real¸car ainda a utiliza¸cão de uma técnica similar ao CDMA para dis-tinguir os diferentes sinais com base no destino.

3.2 OFDM

O OFDM trata-se de uma técnica robusta e eficaz para aplica¸cões com alta taxa de transmissão. Possui um tempo de s´ımbolo relativamente elevado e um prefixo c´ıclico sufi-cientemente longo, conferindo-lhe uma tolerância às interferências provenientes do canal. No entanto, problemas como a alta sensibilidade a desloca¸cões na frequência das portadoras e o facto de necessitar de um amplificador linear de alta potência, capaz de lidar com o grande PAPR introduzido pelos s´ımbolos OFDM, conferem a este tipo de sistemas uma notória complexidade [27].

3.2.1 Caracter´ısticas

Num sistema convencional de transmissão, os s´ımbolos são enviados em sequência através de uma única portadora, cujo espectro ocupa toda a faixa de frequências dispon´ıvel. A car-acter´ıstica base que sustenta o OFDM é a divisão da informa¸cão a ser transmitida por um conjunto de portadoras com modula¸cão QAM ou PSK, com uma largura de banda correspon-dente a uma fraçcão da original. Teremos assim que a informa¸cão a transferir será dividida por N frequências, por seu lado, com uma taxa de transmissão inversamente proporcional

(46)

(1/N) `a taxa original.

Trata-se de um caso especial de Frequency Division Multiplexing (FDM), em que a diferen¸ca reside na ortogonalidade. Esta particularidade concede, como grande benef´ıcio, a possibili-dade de transmissão simultânea de um elevado número de portadoras numa largura de banda bastante reduzida, sem que se verifique interferência entre cada uma delas. Esta redu¸cão é de próximo de 50% face ao caso geral de FDM.

A modula¸cão e desmodula¸cão da informa¸cão podem ser efectuadas, de uma forma bastante eficiente, recorrendo à FFT e à IFFT. A interferência entre s´ımbolos (ISI) é praticamente eliminada através da introdu¸cão de um tempo de guarda em cada s´ımbolo, sendo este intervalo ciclicamente estendido, uma cópia da parte final do s´ımbolo, reproduzida antes do in´ıcio desse mesmo s´ımbolo. A dura¸cão deste tempo de guarda num sinal OFDM é escolhido tendo em conta o atraso médio esperado por s´ımbolo, resultante da propaga¸cão multipercurso.

Assim sendo, os benef´ıcios desta técnica vão muito além da alta eficiência na utiliza¸cão do espectro já referenciada, destacando-se ainda:

• Resistˆencia a atenua¸c˜oes;

• Baixa interferˆencia entre s´ımbolos; • Robusto contra interferˆencia co-canal;

• Suporta condi¸cões severas do canal sem recorrer a equaliza¸cões complexas. No entanto, esta técnica não é perfeita, pelo que acarreta algumas desvantagens na sua utiliza¸cão, nomeadamente:

• Sensibilidade ao efeito Doppler;

• Consumo de energia do transmissor ineficiente, j´a que necessita de uma grande linearidade no sistema;

• Dif´ıcil sincroniza¸c˜ao do sinal; • Existˆencia de ru´ıdo de fase;

Em ambientes veiculares, a existência de efeito de Doppler torna-se evidente, devido ao movimento dos ve´ıculos. O deslocamento na frequência que da´ı advém leva a uma perda de ortogonalidade entre portadoras, resultando em interferência entre s´ımbolos. Mesmo um desvio muito ligeiro resultará numa rota¸cão da constela¸cão QAM desmodulada [24].

(47)

Este conjunto de inconvenientes na utiliza¸cão desta técnica serão abordados com maior detalhe, bem como as poss´ıveis solu¸cões para minimizar o seu impacto no processo de comu-nica¸cão.

3.2.2 Transmiss˜ao e recep¸c˜ao do sinal OFDM

Figura 3.2: Cadeia de transmiss˜ao e recep¸c˜ao do sinal OFDM

A figura 3.2 representa, de uma forma geral, a cadeia de transmiss˜ao e recep¸c˜ao para um sistema OFDM

Como é vis´ıvel, o processo de transmissão é mais simples do que o de recep¸cão. Esta realidade prende-se com a necessidade de adquirir um sinal que vem do meio (neste caso o ar), sendo por isso necessário considerar todas as fontes de ru´ıdo que degradam o sinal a receber, e assim, dotar o nosso sistema de solu¸cões para a recupera¸cão poss´ıvel do sinal.

Torna-se relevante conhecer, um pouco, as fun¸cões de cada bloco ou conjunto de blocos. Será feita referência a cada bloco da cadeia de transmissão e ao conjunto de blocos responsáveis pela sincroniza¸cão, já que o que resta da cadeia de recep¸cão tem a fun¸cão inversa da cadeia de transmissão descrita.

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Convolutional Encoder

A fun¸cão deste bloco passa por codificar a informa¸cão (conjunto de bits) que se pretende transmitir. O processo é descrito na norma 802.11 e é percept´ıvel pelo esquema da figura 3.3

Figura 3.3: Exemplo de codifica¸c˜ao/descodifica¸c˜ao

Interleaver

O Interleaver é utilizado em técnicas de transmissão de dados digital com o intuito de diminuir o efeito dos burst errors. Quando um s´ımbolo é afectado por este tipo de erros, uma grande parte do seu conteúdo é corrompida, pelo que se torna imposs´ıvel a sua correcta descodifica¸cão. Assim sendo, este bloco é responsável pelo ”entrela¸camento”da trama por forma a que este tipo de fenómeno não atinja um grande conjunto de bits de um único s´ımbolo.

A figura 3.4 dá um exemplo de como a trama se pode transformar de forma a tornar o seu conteúdo a um qualquer fenómeno relativamente prolongado que possa introduzir erro.

(49)

Figura 3.4: Exemplo da utiliza¸c˜ao do Interleaver

Mapeamento

Figura 3.5: Codifica¸cão binária das constela¸cões

Este bloco é responsável por mapear a informa¸cão binária nos pontos do sinal constelado. No modelo do IEEE 802.11p é usado um código Gray. Quatro tipos de modula¸cões são contempladas:

• BPSK; • QPSK; • 16-QAM; • 64-QAM.

(50)

Cada s´ımbolo é mapeado de acordo com a modula¸cão pretendida criando uma constela¸cão como a da figura 3.5, que corresponde ao conjunto de modula¸cões contempladas pela norma IEEE 802.11p.

Pilot Insertion

Cada s´ımbolo OFDM, de acordo com a norma IEEE 802.11p, possui quatro subportadoras piloto. Estas portadoras são utilizadas posteriormente para sincroniza¸cão na frequência e elimina¸cão do ru´ıdo de fase, como aprofundado posteriormente. Este é o bloco responsável pela sua introdu¸cão no conjunto de informa¸cão a emitir.

S/P, FFT e P/S

Figura 3.6: IFFT/FFT

Este conjunto de blocos tem como finalidade converter o sinal do dom´ınio da frequência para o dom´ınio do tempo. Realce ainda para a capacidade do bloco FFT para alocar as difer-entes portadoras de forma ortogonal de modo a que não exista interferência entre sómbolos. Assim, as diferentes portadoras são colocadas proximamente umas das outras, economizando espectro.

(51)

A figura 3.6 ilustra a forma como o fluxo de dados se altera do dom´ınio dos tempos para o das frequˆencias e vice-versa.

Introdu¸c˜ao do prefixo c´ıclico e windowing

Este bloco é responsável pela introdu¸cão do prefixo c´ıclico, que constitui a inser¸cão da réplica da parte final do s´ımbolo no seu in´ıcio. A fun¸cão de windowing é aplicada neste bloco e é a razão pela qual não existem varia¸cões muito abruptas de potência entre dois s´ımbolos cont´ıguos.

Bloco de sincroniza¸c˜ao no tempo e na frequˆencia

Tratando-se de um sistema de elevado débito de transmissão, é utilizado um esquema de modula¸cão coerente. Esta caracter´ıstica torna necessário o conhecimento com grande precisão da amplitude e fase de cada sub-portadora. É neste contexto que se torna essencial a implementa¸cão de técnicas de sincroniza¸cão robustas para que sinais degradados possam ser correctamente recuperados.

Os inconvenientes da utiliza¸cão da técnica OFDM, já apontados, bem como a forma como diferentes processos de sincroniza¸cão os podem mitigar, tornam-se de extrema relevância no contexto deste trabalho.

3.3 Fontes de degrada¸

c˜

ao do desempenho da t´

ecnica OFDM

Um canal rádio ideal seria constitu´ıdo por um único caminho que ligasse dois pontos e no qual se verificaria um sinal recebido exactamente igual ao anteriormente transmitido. No entanto, um canal rádio real é composto por um conjunto de variáveis que tornam o sinal recebido em algo distante do que se havia transmitido. O sinal recebido será constitu´ıdo por uma combina¸cão de reflexões, refraçcões, difraçcões e atenua¸cões do sinal original. Além de todos estes efeitos da propaga¸cão multi-percurso, existe a possibilidade do próprio canal possuir fontes de ru´ıdo e de, no caso de existirem movimentos por parte do transmissor e/ou receptor, se notarem altera¸cões nas frequências das portadoras, devido ao efeito de Doppler.

´

E essencial conhecer o tipo de canal onde se pretende operar, bem como os efeitos de todas as variáveis que afectarão o sinal para que seja projectável um sistema rádio o mais imune poss´ıvel.

(52)

3.3.1 Efeitos de multi-percurso

Numa liga¸cão rádio, por mais curta que seja, o sinal RF proveniente do transmissor poderá ser reflectido por objectos tão variáveis como pessoas, ve´ıculos e edif´ıcios ou animais, árvores e montes. Este tipo de obstáculos aumentará o número de poss´ıveis percursos a percorrer pelo sinal até chegar ao receptor.

Figura 3.7: Efeito de multi-percurso

O sinal chegará assim em momentos diferentes, sendo que estas réplicas possuirão carac-ter´ısticas dispares da que faz o caminho mais curto, como a intensidade do sinal.

Atrasos de propaga¸c˜ao

Como já referido, em ambientes reais, o sinal rádio recebido é composto pelo conjunto formado pelo sinal directo e todas as reflexões proporcionadas por obstáculos no caminho de propaga¸cão. Os sinais reflectidos demoram mais tempo que o transmitido directamente. Observa-se, por isso, que a potência total transmitida é espalhada ao longo do tempo. Os atrasos de propaga¸cão provocados pelas reflexões tornam-se assim importantes fontes de in-terferência entre s´ımbolos (ISI). Em sistemas possuidores de altas taxas de transmissão, como o caso do IEEE 802.11p, as interferências entre s´ımbolos tende a ser cr´ıtica. Este problema torna-se deveras problemático quando o atraso de propaga¸cão chega a aproximadamente 50% do tempo s´ımbolo.

(53)

O facto das comunica¸cões veiculares se desenrolarem em ambientes exteriores constitui um acréscimo do sistema se tornar v´ıtima deste tipo de interferência, já que no exterior as reflexões podem ocorrer em pontos muito distantes, aumentando o tempo de propaga¸cão e por conseguinte a probabilidade de interferir com um s´ımbolo posterior.

Rayleigh fading

A fase relativa entre os vários sinais reflectidos e o próprio sinal pode causar interferência construtiva ou destrutiva no receptor. No entanto, este tipo de atenua¸cões só é verificado para transmissões a distâncias muito curtas (também apelidado de fast fading), tipicamente na ordem de metade do comprimento de onda. Assim, para comunica¸cões do tipo veicular, esta fonte de ”ru´ıdo”não será considerada significativa, já que como as comunica¸cões são efectuadas a 5.9 GHz, o efeito só seria de notar para comunica¸cões a aproximadamente 5 cm.

3.3.2 Efeito de Doppler

Quando o transmissor e o receptor se movem em rela¸cão um ao outro, observa-se que a frequência do sinal recebido não corresponde àquela do sinal transmitido.

Quando o emissor se aproxima do receptor observa-se um crescendo na frequência, já que como cada onda é emitida mais próximo do receptor demora ligeiramente menos tempo a chegar ao destino, tornando-se assim mais curta e logo com maior frequência. No caso em que o transmissor se afasta é observado o efeito oposto.

Este efeito é percept´ıvel no dia-a-dia, por exemplo, quando um ve´ıculo passa por um indiv´ıduo a buzinar e se torna aud´ıvel uma varia¸cão no som produzido pela buzina. Este efeito é de uma extrema importância em sistemas rádio móveis, como o caso dos sistemas que integram as comunica¸cões veiculares.

A varia¸cão da frequência, consequência do efeito de Doppler, é proporcional à velocidade relativa entre receptor e transmissor e à velocidade de propaga¸cão da própria onda.

A varia¸c˜ao da frequˆencia por efeito de Doppler pode ser descrita, de forma simplificada, como:

∆f ≈ ±f0

v

c (3.1)

onde ∆f se trata da varia¸cão da frequência do ponto de vista do receptor, f0é a frequência

emitida, v ´e a diferen¸ca de velocidades entre o emissor e o transmissor e c corresponde `a velocidade da luz.

(54)

Desta expressão é fácil extrapolar que mesmo para velocidades relativamente baixas, para um contexto veicular, como 80 Km/h, poderemos observar, para o caso da transmissão a 5.9 GHz, uma varia¸cão de 437 Hz. Num caso em que ambos os ve´ıculos se movem em direçcões opostas a esta velocidade observar-se-ia o dobro do deslocamento na frequência. Para um sistema OFDM, o estudo deste efeito torna-se preponderante para que seja poss´ıvel obter uma boa comunica¸cão, já que deslocamentos desta ordem comprometem completamente a ortogonalidade do sinal.

3.3.3 Atenua¸c˜oes

A atenua¸cão de um sinal consiste na diminui¸cão da potência de um sinal quando transmi-tido de um ponto para outro. Pode ser causado por várias caracter´ısticas do percurso do sinal como obstru¸cões ou a distância percorrida. Este efeito é de notar em situa¸cões de ”sombra”, nas quais obstru¸cões como edif´ıcios, serras, árvores ou outros obstáculos criam zonas às quais o sinal chega com menor intensidade ou é mesmo inexistente.

O n´ıvel de Shadowing (n´ıvel de sombra) varia tanto com a quantidade e dimensões dos obstáculos como com a frequência a que o sinal é transmitido. Sinais com frequências mais baixas são mais difractados, acabando por chegar a mais zonas sem linha de vista, enquanto sinais com frequências mais elevadas acabam por depender inteiramente da existência de linha de vista.

O facto de as comunica¸cões veiculares poderem ocorrer tanto em ambientes rurais como urbanos impede que se padronize o efeito que esta fonte terá nas comunica¸cões.

3.3.4 Ru´ıdo de Fase

No processo de modula¸cão das sub-portadoras é introduzido ru´ıdo de fase por parte do oscilador local. Num oscilador comum, esta varia¸cão de fase aleatória modulará em fase a portadora gerada. Pequenas varia¸cões deste tipo produzirão um efeito considerável na qualidade do sinal e por conseguinte no seu SNR

Este ru´ıdo de fase produzirá altera¸cões em todas as sub-portadoras, produzindo uma rota¸cão na constela¸cão do sinal.

Osciladores com maior qualidade (mais caros) apresentarão, tipicamente, um menor ru´ıdo de fase, enquanto que um oscilador mais barato produzirá uma maior varia¸cão na fase das sub-portadoras. Desta forma, será espectável que uma RSU seja mais imune ao ru´ıdo de fase que uma OBU.

(55)

3.4 Sincroniza¸

c˜

ao e recupera¸

c˜

ao do sinal

O processo de sincroniza¸cão pode ser dividido, de uma forma concisa, em três fases [28]: 1. Deteçcão da trama;

2. Estimativa do offset de frequência da portadora e posterior correçcão; 3. Correçcão de erros na amostra.

A primeira das três fases (Deteçcão de trama) está directamente relacionada com a ca-pacidade de procurar, no dom´ınio do tempo, a trama. Neste contexto, será referida como sincroniza¸cão do sinal no tempo.

Na fase correspondente à estimativa do deslocamento da frequência de portadora será feita uma estimativa do efeito do canal na frequência das portadoras piloto e, posteriormente, a sua correçcão.

Na última fase, e através de interpola¸cão, são aplicados os conhecimentos adquiridos na fase anterior, para correçcão de erros em toda a amostra recebida.

3.4.1 Detec¸c˜ao da trama

Como já referido, a maioria dos sistemas com elevados débitos de transmissão necessitam de esquemas de modula¸cão coerentes, tornando-se necessário conhecer com enorme precisão a fase e a amplitude de cada sub-portadora.

Assim, torna-se imperativo efectuar uma correcta sincroniza¸cão no tempo para o in´ıcio de cada s´ımbolo OFDM e encontrar a posi¸cão correcta para a janela da FFT. Uma sincroniza¸cão pouco precisa no tempo poderá provocar interferências bastantes prejudiciais à comunica¸cão, quer sejam entre s´ımbolos ou entre portadoras.

As técnicas para sincroniza¸cão no tempo baseiam-se quer em sequências de treino, quer no próprio sinal e partindo do intervalo de guarda com extensão c´ıclica.

Os processos recorrem às fun¸cões matemáticas de:

• auto-correla¸cão, no caso daquelas que se baseiam na extensão c´ıclica, já que apenas se recorre ao próprio sinal e à propriedade de possuir parte do sinal igual no in´ıcio da trama, para identificar onde se situa exactamente o come¸co do s´ımbolo;

• correla¸cão cruzada, para os casos em que a sincroniza¸cão se socorre de uma sequência previamente conhecida. Neste caso é poss´ıvel dotar o receptor com a informa¸cão da sequência e depois efectuar uma correla¸cão cruzada.

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Na norma 802.11 está definida a existência de uma sequência predeterminada e, no âmbito deste trabalho, torna-se relevante o seu conhecimento para uma correcta utiliza¸cão desta ferramenta para obten¸cão de sincronismo temporal.

Training sequences

No caso das comunica¸cões veiculares e, como o standard que se utiliza na camada f´ısica é o IEEE 802.11p e este se baseia no standard base IEEE 802.11, a estrutura base da trama mantém-se inalterada pelo que será vis´ıvel a existência de training sequences, tanto as curtas como as longas. Estas training sequences fazem parte do preâmbulo PLCP que tem como principal finalidade facilitar uma posterior sincroniza¸cão tanto no dom´ınio do tempo como no dom´ınio da frequência. Este preâmbulo é composto por dez s´ımbolos curtos e dois s´ımbolos longos, sendo que estes últimos são precedidos de um.

t₁ t₂t3 t4 t5t6t7t8 t9 GI2 T1 T2 GI SIGNAL GI Data 1 GI Data 2 8 + 8 = 16 μs

10 × 0.8 = 8 μs 2 × 0.8 + 2 × 3.2 = 8.0 μs 0.8 +3.2 = 4.0 μs 0.8 + 3.2 = 4.0 μs 0.8 + 3.2 = 4.0 μs

Signal Detect, AGC, Diversity

Coarse Freq.

Offset EstimationChannel and Fine Frequency RATE SERVICE + DATA DATA

t₁₀

Selection Timing Synchronize Offset Estimation LENGTH

Figura 3.8: Estrutura das training sequences [29]

Como se constata da figura 3.8, os s´ımbolos da sequência de treino curta são os com-preendidos entre t1 e t10, enquanto os que incorporam a sequência de treino longa são T1 e

T10. As separa¸cões entre s´ımbolos nesta figura correspondem a repeti¸cões que se devem à

periodicidade da IFFT.

Convém referir que os valores para a dura¸cão de s´ımbolo referem-se a uma transmissão a 20 MHz, significando por isso que para o caso do modo half-clocked, os tempos serão o dobro. Na sequência de transmissão de dados, ao preâmbulo Physical Layer Convergence Procedure (PLCP) seguem-se os campos de sinal (SIGNAL) e de dados (DATA).

Neste ponto, é de extrema relevância revelar quais os valores para as diferentes sequências de treino. Estes valores fazem parte do standard IEEE 802.11 e é o facto de serem conhecidos e bem determinados que permite a sua posterior utiliza¸cão para correçcão de erros.

(57)

S−26,26 = r 13 6 × {0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, –1–j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, –1–j, 0, 0, 0, –1–j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, –1–j, 0, 0, 0, –1–j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0, 0, 1 + j, 0, 0} (3.2) A multiplica¸cão pela constante serve para normalizar a potência média do s´ımbolo OFDM resultante, já que apenas 12 de cada 52 portadoras é diferente de zero. Aliás, é o facto de apenas as portadoras múltiplas de 4 serem diferentes de zero que provoca o aparecimento de portadoras com periodicidade TF F T/4=0.8 µs e que por seu lado leva a que a sequência de

treino curta tenha s´ımbolos mais pequenos e a que TSHORT corresponda a 10 per´ıodos, ou

seja 8 µs.

Por seu lado, uma sequência de treino longa é composta por 53 portadoras, sendo que uma destas se trata de um 0 a DC. Estas portadoras serão moduladas pelos elementos da sequência L que se segue:

L−26,26 = {1, 1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1, 1, 1,

1, 1, 0, 1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1, 1, −1, −1, −1, −1, −1, 1, 1, −1, −1, 1, −1,

1, −1, 1, 1, 1, 1} (3.3)

Serão transmitidos dois per´ıodos deste desta sequência de treino por forma a aumentar a precisão da possibilidade de uma posterior correçcão, assim sendo teremos TLON G=1.6+2×3.2=8 µs

O standard IEEE 802.11 já nos fornece, tanto as sequências de treino no dom´ınio da frequência e o modelo matemático que nos permite chegar aos valores no tempo, como os valores esperados após estes cálculos e passagem pela IFFT. O conjunto de valores fornecidos em standard é por isso completo no que toca a estas sequências.

3.4.2 Sincroniza¸c˜ao na frequˆencia

Erros nas frequências das portadoras resultam de um deslocamento do espectro do sinal recebido no dom´ınio das frequências. No caso em que o erro é um valor (n), múltiplo inteiro do espa¸camento entre as portadoras (∆f), teremos deslocamentos da ordem de n.∆f. Assim sendo, a ortogonalidade entre s´ımbolos manter-se-ia no sinal recebido, porém, os s´ımbolos mapeados no espectro OFDM apareceriam nos locais errados depois de desmodelados. Este problema resultaria num BER de 0,5.