Implementação em FPGA da cadeia Tx downlink de uma DU 4G

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Universidade de Aveiro Departamento deEletrónica, Telecomunicações e Informática 2019

Pedro

Brandão Moreira

Implementação em FPGA da Cadeia Tx Downlink

de uma DU 4G

Implementation in FPGA of the Tx Downlink

Chain of a DU 4G

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Universidade de Aveiro Departamento deEletrónica, Telecomunicações e Informática 2019

Pedro

Brandão Moreira

Implementação em FPGA da Cadeia Tx Downlink

de uma DU 4G

Implementation in FPGA of the Tx Downlink

Chain of a DU 4G

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrónica e Telecomunicações, realizada sob a orientação científica de Prof. Doutor Arnaldo Oliveira e de Prof. Doutor Adão Silva, Professores Auxiliares do Departamento Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro.

Este trabalho foi financiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER), através do Programa Operacional Regional de Lisboa (POR LISBOA 2020) e do Programa Operacional Competitividade e Internacionalização (COMPETE 2020) do Portugal 2020 [Projeto 5G com o no 024539 (POCI-01-0247-FEDER-024539)].

This work was supported by the European Regional Development Fund (FEDER), through the Regional Operational Programme of Lisbon (POR LISBOA 2020) and the Competitiveness and Internationalization Operational Programme (COMPETE 2020) of the Portugal 2020 framework [Project 5G with Nr. 024539 (POCI-01-0247-FEDER-024539)].

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Para o Sr. António da casa da Joana do lugar das Agras. Um Abraço, Avô.

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o júri / the jury

presidente / president Professor Doutor Valeri Skliarov

Professor Catedrático da Universidade de Aveiro

vogais / examiners committee Professor Doutor Arnaldo Silva Rodrigues de Oliveira

Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro (orientador)

Doutor Daniel António da Costa Dinis

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agradecimentos / acknowledgements

Começo por expressar o meu profundo sentimento de gratidão para com os meus Pais, Fernando e Cristina, e para com as minhas irmãs, Joana e Mariana, por todo o apoio que me deram ao longo do meu percurso académico.

Gostaria de agradecer aos meus orientadores, o Prof. Doutor Arnaldo Oliveira e o Prof. Doutor Adão Silva, por toda a ajuda que me deram ao longo do trabalho desenvolvido e por terem sempre tirado o melhor de mim. Um obrigado à Universidade de Aveiro, particularmente ao Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática e ao Instituto de Telecomunicações por fornecerem as condições necessárias de trabalho e aprendizagem. Uma palavra de amizade também para os alunos de doutoramento do Instituto de Telecomunicações de Aveiro, com quem aprendi muito, nomeadamente João Milheiro, Pedro Marques e Samuel Pereira. Por último deixo um obrigado a todos os meus familiares, amigos e colegas que me ajudaram a chegar até aqui, especialmente, Rosária Rosa de Sousa, Mário de Pinho Brandão, Palmira Gomes Soares, Bruno Brandão, José Antunes, Hélder Antunes, Jorge Brandão e Rui Antunes.

First of all I would like to express my immense gratitude to my parents, Fernando and Cristina, and also thank my sisters, Joana and Mariana, for all the support they have given me throughout my academic career.

I would like to thank my advisors, Prof. Doctor Arnaldo Oliveira and Prof. Doctor Adão Silva, for all the help they provided me throughout the year and for always pushing me to be better. I also would like to thank the University of Aveiro, particularly the Department of Electronics, Telecommunications and Informatic, and the Institute of Telecommunications for providing the necessary conditions for my work and for being a crucial part on my learning path. A word of acknowledgment also for the doctoral students of the Institute of Telecommunications of Aveiro, with whom I learned a lot, namely João Milheiro, Pedro Marques and Samuel Pereira. Lastly, I would like to thank all my family, friends and colleagues who helped me to get here, especially Rosária Rosa de Sousa, Mário de Pinho Brandão, Palmira Gomes Soares, Bruno Brandão, José Antunes, Hélder Antunes, Jorge Brandão and Rui Antunes.

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Palavras-chave 4G, LTE, Downlink Tx, Camada física, FPGA, Estação base LTE, Split 7.1. Resumo A tecnologia LTE e, posteriormente, o LTE-Advanced, também conhecida como a quarta geração móvel ou 4G, são os standards de comunicação móvel em vigor actualmente, e servirão de ponte para o futuro, o 5G.

Apesar da tecnologia 5G se encontrar em desenvolvimento e estarmos relativamente perto desta ser uma realidade, é importante notar que as redes 5G terão de estar preparadas para suportar a tecnologia 4G. A implementação de uma arquitectura versátil da cadeia Tx Downlink de uma DU 4G, será muito útil futuramente, nomeadamente no processo de integração da tecnologia 4G em redes 5G. A garantia de compatibilidade com tecnologias precedentes, especialmente no processo de transição entre standards, é fundamental no mundo das telecomunicações. Além disso, o facto de termos a camada phy-low 4G implementada em FPGA permitirá testar toda esta arquitectura com terminais actuais.

A escolha do Split 7.1 e a consequente implementação da DU 4G, advém da versatilidade ao nível de fronthaul, nomeadamente o suporte de técnicas de processamento MIMO, CoMP e digital beamforming, assim como da capacidade de integração com OAI.

A maior taxa de transmissão de dados que resultam do LTE, veio exigir mais da componente de processamento em todas as partes do sistema de rede móvel. As FPGAs podem ser um bom suporte de todo este processamento de sinal LTE. Numa era onde o desempenho é a base de tudo, as FPGAs destacam-se no que toca à realização de tarefas em paralelo, parte essencial ao processamento digital de sinal.

O objectivo desta dissertação consiste na implementação da cadeia Tx Downlink de uma DU, referente à tecnologia LTE, em FPGA.

Para o desenvolvimento da cadeia de processamento de sinal LTE foi usado o Simulink, uma ferramenta de simulação integrada no software MATLAB, que permite modelar, simular e analisar sistemas dinâmicos.

O código VHDL, para posterior implementação em FPGA, foi gerado através do HDL Coder, uma ferramenta integrada no software MATLAB, que gera código VHDL e Verilog a partir de funções MATLAB e modelos Simulink. A análise e validação de resultados é feita através da comparação com um sinal de referência obtido através da toolbox LTE Downlink RMC Generator do MATLAB.

A FPGA escolhida para implementação foi a Xilinx Zynq ZCU102, e todo o trabalho em VHDL foi desenvolvido em Vivado.

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Keywords 4G, LTE, Downlink Tx, Physical Layer, FPGA, Base Station LTE, Split 7.1. Abstract LTE technology and later on, LTE-Advanced, also known as the fourth mobile generation or 4G, are the current standards of mobile communication, and will serve as a bridge to the future, the 5G. Although the 5G technology is still in development and we are relatively close to see it as a reality, it is important to note that 5G networks must be prepared to support 4G technology. The implementation of a versatile architecture regarding a Tx Downlink chain of a DU 4G, can be really useful in the future, particularly in the process of integration of 4G technology on 5G networks. Ensuring compatibility with previous technologies, especially in the transition between standards, is essential in the world of telecommunications. In addition, the fact that we have the phy-low layer of 4G implemented in FPGA will allow us to test all this architecture with current terminals.

The choice of the Split 7.1 and consequent implementation of the DU 4G, comes from the fact that, at this particular level, it provides us versatility regarding the fronthaul, such as, the support of MIMO processing techniques, CoMP and digital beamforming, as well as the ability to integrate the DU with OAI.

The higher rate of data transmission that results from LTE has demanded more from the processing components in all parts of the mobile network system. FPGAs can be a good support for all this LTE signal processing. In an era where performance is the base of everything, FPGAs stand out in parallel tasks, essential part of the digital signal processing.

The purpose of this dissertation is to implement the Tx Downlink chain of a DU, based on 4G-LTE standard, in an FPGA.

Simulink, a simulation tool integrated in MATLAB software, which allows modeling, simulation and analysis of dynamic systems, was used for the development of the LTE signal processing chain.

For VHDL code generation, to implement in FPGA, it was used the HDL Coder, a tool integrated in the MATLAB software, which generates VHDL and Verilog code from MATLAB functions and Simulink models. The analysis and validation of the results is done by comparison with a reference signal obtained through the toolbox LTE Downlink RMC Generator of MATLAB. The FPGA chosen for implementation was the Xilinx Zynq ZCU102, and the whole work in VHDL was developed in Vivado.

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Índice

Índice i

Lista de figuras iii

Lista de tabelas vii

Lista de acrónimos ix 1 Introdução 1 1.1 Enquadramento . . . 1 1.2 Motivação . . . 2 1.3 Objectivos . . . 9 1.4 Estrutura . . . 9 2 Conceitos LTE 11 2.1 Introdução . . . 11

2.2 Frequências Reservadas para Transmissão . . . 11

2.2.1 Frequências Reservadas para Transmissão em Portugal . . . 13

2.3 Larguras de Banda . . . 14

2.4 Resource Grid . . . 15

2.4.1 Organização no Tempo . . . 15

2.4.2 Organização na Frequência . . . 16

2.5 Canais Downlink . . . 18

2.5.1 Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) . . . 18

2.5.2 Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel (PHICH) . . . 19

2.5.3 Physical Downlink Control Channel (PDCCH) . . . 21

2.5.4 Physical Broadcast Channel (PBCH) . . . 22

2.5.5 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) . . . 22

2.5.6 Cell Specific Reference Signal (CSR) . . . 23

2.6 Sinais de Sincronização . . . 23

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2.6.2 Secondary Synchronization Signal (SSS) . . . 24

2.7 Ortogonal Frequency Division Mutiplexing (OFDM) . . . 26

2.8 Prefixo Cíclico (Cyclic Prefix ) . . . 27

2.9 Espaçamento entre Sub-Portadoras . . . 29

3 Modelação e Síntese 31 3.1 Introdução . . . 31

3.2 Simulink . . . 33

3.3 HDL Coder . . . 35

3.4 Camada Phy-Low Downlink . . . 37

3.4.1 OFDM Symbol Mapping . . . 39

3.4.2 FFT Shift . . . 41

3.4.3 IFFT . . . 41

3.4.4 Cyclic Prefix Extension and Windowing . . . 43

4 Simulação 51 4.1 Introdução . . . 51

4.2 Simulação Comportamental . . . 51

4.3 Simulação Funcional em VHDL . . . 63

4.3.1 Leitura de um ficheiro . . . 63

4.3.2 Resultados da leitura de um ficheiro . . . 64

4.3.3 Leitura de uma ROM . . . 75

4.3.4 Resultados da leitura de uma ROM . . . 75

5 Implementação em FPGA 83 5.1 Introdução . . . 83

5.1.1 Plataforma de Desenvolvimento (FPGA) . . . 83

5.1.2 Projecto em Vivado . . . 84

5.2 Teste em tempo real com Integrated Logic Analyzer (ILA) . . . 87

5.3 Métricas da implementação em FPGA . . . 90

6 Conclusão e Trabalho Futuro 97 6.1 Conclusão . . . 97

6.2 Trabalho Futuro . . . 98

6.2.1 Integração com Front-end . . . 98

6.2.2 Integração com Fronthaul . . . 99

6.2.3 Modulador LTE preparado para múltiplas larguras de banda . . . 99

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Lista de figuras

1.1 Estrutura do eNodeB. . . 3

1.2 Visão geral da arquitectura EUTRAN. . . 3

1.3 Visão geral sobre a evolução da arquitectura Radio Access Network (RAN) de 4G para 5G [7]. . . 4

1.4 Visão geral sobre a arquitectura de rede parcialmente centralizada para 5G [7]. 5 1.5 Visão geral de possíveis splits ao nível da camada física [7]. . . 6

1.6 Visão detalhada de possíveis splits ao nível da camada física. . . 7

2.1 Parte do resource grid de uma trama completa LTE. . . 15

2.2 Visão detalhada sobre uma trama LTE nomeadamente o enquadramento no domínio do tempo [1]. . . 16

2.3 Visão geral sobre a organização de uma trama LTE. . . 17

2.4 Estrutura do resource grid ao nível de uma sub-trama LTE. . . 17

2.5 Diagrama de codificação PCFICH. . . 19

2.6 Diagrama de codificação para PHICH. . . 20

2.7 Parte do resource grid de uma trama completa LTE. . . 22

2.8 Estrutura de um resource block, onde é observável a presença do Cell Specific Reference Signal (CSR). . . 23

2.9 PSS no modo FDD [13] . . . 24

2.10 PSS no modo TDD [13]. . . 25

2.11 Mapeamento do PSS e do SSS, em modo FDD [1]. . . 25

2.12 Visão geral do processo de modulação OFDM. . . 26

2.13 OFDM vs FDM. . . 27

2.14 Exemplo referente à propagação de sinal LTE. . . 28

3.1 (À esquerda) Possíveis splits ao nível da camada física. (À direita) Estrutura da Distributed Unit (DU) uma vez seleccionado o Split 7.1 para 5G. De notar que a única diferença entre tecnologias 4G e 5G nesta parte será apenas o bloco SS Burst Addition que não irá fazer parte da DU em LTE. . . 32

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3.3 Bibliotecas presentes na ferramenta Simulink. . . 34

3.4 Visão geral sobre o que é pretendido da ferramenta HDL Coder. . . 35

3.5 Visão geral da Cadeia Tx Downlink DU 4G, que a partir de agora é referenciada como Modulador LTE. . . 36

3.6 Estrutura do bloco OFDM Symbol Mapping do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . . 38

3.7 Estrutura do bloco FFT Shift do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . 40

3.8 Estrutura do bloco IFFT do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . . . 41

3.9 Estrutura do bloco CP_Windowing do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . . 42

3.10 Processo de Windowing e Insertion of CP. . . 44

3.11 Estrutura do bloco CP_Compute_CP_Pass_Through_Index presente no bloco CP_Windowing do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . . 45

3.12 Estrutura do bloco Multiply_by_Window presente no bloco CP_Windowing do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . . 47

3.13 Estrutura do bloco Overlap_and_Add presente no bloco CP_Windowing do modelo da cadeia desenvolvida em Simulink. . . 48

4.1 Processo de validação em Simulink. . . 52

4.2 Toolbox MATLAB, sinal LTE Downlink 5 MHz. . . 53

4.3 Comparação do sinal teórico com obtido a partir da simulação em Simulink para uma largura de banda de 5 MHz (primeiras 100 amostras da parte real). . 55

4.4 Erro associado a cada amostra da parte real (5 MHz). . . 55

4.5 Comparação do sinal teórico com obtido a partir da simulação em Simulink para uma largura de banda de 5 MHz (primeiras 100 amostras da parte imaginária). 56 4.6 Erro associado a cada amostra da parte imaginária (5 MHz). . . 57

4.7 Toolbox MATLAB, sinal LTE Downlink 20 MHz. . . 59

4.8 Comparação do sinal teórico com o da simulação em Simulink para uma largura de banda de 20 MHz (primeiras 100 amostras da parte real). . . 60

4.10 Comparação do sinal teórico com o obtido a partir da simulação em Simulink para uma largura de banda de 20 MHz (primeiras 100 amostras da parte imaginária). . . 61

4.11 Erro associado a cada amostra da parte imaginária (20 MHz). . . 62

4.12 Processo de validação em VHDL (leitura de dados de um ficheiro). . . 63

4.13 Simulação do Modulator LTE em VHDL. . . 65

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4.17 Constelação do sinal recebido (Posterior à desmodulação OFDM do sinal à saída

do Modulator LTE ). . . 68

4.18 Comparação do sinal teórico com o da simulação em VHDL para uma largura de banda de 5 MHz (primeiras 100 amostras da parte real). . . 69

4.20 Comparação do sinal teórico com o da simulação em VHDL para uma largura de banda de 5 MHz (primeiras 100 amostras da parte imaginária). . . 70

4.26 Processo de validação em VHDL (leitura de dados de uma ROM). . . 75

4.27 Constelação do sinal injectado na entrada do Modulador LTE. . . 76

4.28 Constelação do sinal recebido (Posterior à desmodulação OFDM do sinal à saída do Modulador LTE ). . . 76

5.1 Xilinx Zynq ZCU102. . . 83

5.2 Estrutura em Vivado. . . 84

5.3 Utilização de recursos da FPGA. . . 85

5.4 Parâmetros de consumo energético do sistema implementado em FPGA. . . 85

5.5 Diagrama para teste em FPGA. . . 86

5.6 Visão geral da interface gráfica do ILA. . . 88

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5.8 Comparação do sinal teórico com o da operação em tempo real em FPGA para uma largura de banda de 5 MHz (primeiras 100 amostras da parte real). . . 90 5.9 Erro associado a cada amostra da parte real em FPGA (5 MHz). . . 91 5.10 Comparação do sinal teórico com o da operação em tempo real em FPGA para

uma largura de banda de 5 MHz (primeiras 100 amostras da parte imaginária). 91 5.11 Erro associado a cada amostra da parte imaginária em FPGA (5 MHz). . . 92 5.12 Comparação do sinal teórico com o da operação em tempo real em FPGA para

uma largura de banda de 20 MHz (primeiras 100 amostras da parte real). . . . 93 5.13 Erro associado a cada amostra da parte real em FPGA (20 MHz). . . 94 5.14 Comparação do sinal teórico com o da operação em tempo real em FPGA para

uma largura de banda de 20 MHz (primeiras 100 amostras da parte imaginária). 94 5.15 Erro associado a cada amostra da parte imaginária em FPGA (20 MHz). . . 95 6.1 Módulo AD9371. . . 98

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Lista de tabelas

1.1 Opções de splits tendo por base a figura 1.6. . . 8

2.1 Tabela com as bandas de operação Downlink no modo FDD [1]. . . 12

2.2 Tabela com as bandas de operação Downlink no modo TDD [1]. . . 13

2.3 Frequências utilizadas em Portugal. . . 13

2.4 Tabela com as larguras de banda em LTE. . . 14

2.5 32 bits associados aos diferentes valores que CFI pode tomar [1]. . . 18

2.6 Formatos DCI [1]. . . 21

2.7 Tabela com as especificações para os dois tipos de prefixo cíclico . . . 29

3.1 Tabela com tamanho da IFFT para as diferentes larguras de banda. . . 39

4.1 Tabela com valor do erro associado à simulação em Simulink para largura de banda de 5 MHz. . . 56

4.2 Tabela com valor do erro associado à simulação em Simulink para largura de banda de 20 MHz. . . 62

4.3 Tabela com valor do erro associado à simulação em VHDL para um sinal com largura de banda de 5 MHz. (Ficheiro) . . . 71

4.4 Tabela com valor do erro associado à simulação em VHDL para um sinal com largura de banda de 20 MHz. (Ficheiro) . . . 74

4.5 Tabela com valor do erro associado à simulação em VHDL (5 MHz). (ROM) . . 78

4.6 Tabela com valor do erro associado à simulação em VHDL (20 MHz). (ROM) . 82 5.1 Tabela com valor do erro associado à operação em tempo real em FPGA (5 MHz). . . 92

5.2 Tabela com valor do erro associado à operação em tempo real em FPGA (20 MHz). . . 95

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Lista de acrónimos

3GPP Third Generation Partnership Project

ACK Acknowledge

ADC Analog to Digital Converter

ASICs Application Specific Integrated Circuits

BBU Baseband Unit

BPSK Binary Phase Shift Keying CFI Control Format Indicator

CI Circuito Integrado

CoMP Coordinated Multiple Point

CP Cyclic Prefix

C-RAN Centralized, Cooperative, Cloud and Clean RAN CSR Cell Specific Reference Signal

DAC Digital to Analog Converter DCI Dowlink Control Information

DU Distributed Unit

DU-H Distributed Unit - High eNodeB enhanced Node Base station

EPC Evolved Packet Core

EUTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network FDD Frequency Division Duplex

FDM Frequency Division Multiplexing

FFT Fast Fourier Transform

FPGA Field-Programmable Gate Array HARQ Hybrid Automatic Repeat Request

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IFFT Inverse Fast Fourier Transform ILA Integrated Logic Analyzer

IMT-Advanced Telecommunications Union International Mobile Telecommunication JTAG Joint Test Action Group

LTE Long Term Evolution

LUT Look Up Table

MIB Master Information Block

MIMO Multiple Input Multiple Output

NACK Negative Acknowledge

OAI Open Air Interface

OFDM Ortogonal Frequency Division Multiplexing PBCH Physical Broadcast Channel

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDSCH Physical Downlink Shared Channel PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel PSS Primary Synchronization Signal

QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RAM Random Access Memory

RAN Radio Access Network

RF Radio Frequency

ROM Read-Only Memory

RRU Remote Radio Unit

SSS Secondary Synchronization Signal

TDD Time Division Duplex

UE User Equipment

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Capítulo 1

Introdução

1.1 Enquadramento

Vivemos numa era de evolução constante em termos de telecomunicações. Com a expansão do mercado de smartphones, tablets, notebooks e laptops, o cidadão comum é cada vez mais exigente em relação aquilo que são os sistemas de comunicação. Já lá vão os tempos simples de mera voz e telefonia. O aumento da utilização de serviços e aplicações móveis que requerem um uso intensivo de dados e um grande fluxo de informação, como navegação na Web, redes sociais, música e streaming de vídeo, jogos interactivos, aplicações críticas em tempo real, tornou-se uma força motriz para o desenvolvimento da próxima geração de comunicação sem fios. Como resultado, novas normas (standards) estão a ser desenvolvidas por forma a garantir taxas de transmissão de dados e capacidade de rede necessárias para suportar as exigências deste novo mundo: o mundo da informação.

A tecnologia Long Term Evolution (LTE) foi desenvolvida para responder às necessidades desta época e com o objectivo de alcançar comunicações móveis globais com um desempenho elevado. As metas desta tecnologia no mundo das telecomunicações passam por atingir altas taxas de transmissão, melhor capacidade de cobertura por parte da rede, operações flexíveis de largura de banda, melhor eficiência espectral, baixa latência, custos operacionais reduzidos, suporte de múltiplas antenas e uma integração adequada com as infraestruturas e sistemas de comunicação móvel existentes. De certa forma, LTE e o LTE-Advanced são representantes do que é conhecido como quarta geração de serviços móveis (4G) que pode ser considerada uma evolução natural da terceira geração. No entanto, mesmo tendo por base a evolução de muitos pontos de tecnologias anteriores, em termos de tecnologia de transmissão subjacente, a quarta geração demarca-se das tecnologias precedentes [1].

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

1.2 Motivação

Ao contrário das gerações anteriores de redes móveis, espera-se que a quinta geração (5G) transforme o papel que a tecnologia de telecomunicações tem no mundo actual. Um dos grandes propósitos da tecnologia 5G passa pela digitalização generalizada, onde não só teremos dispositivos móveis ligados à rede, mas também muitos outros dispositivos criando um mundo com tudo interligado (Internet of Everything) [2]. O aparecimento do 5G vai portanto, criar condições para o desenvolvimento de várias áreas, como smart cities, agricultura inteligente, novos serviços de logística, condução autónoma, entre outros [3].

Apesar do 5G prometer ser uma tecnologia revolucionária, não deixa de ter como uma das suas bases a evolução daquilo que é o standard de comunicações móveis em vigor, o LTE. A garantia de compatibilidade com tecnologias precedentes, especialmente no processo de transição entre standards, é fundamental no mundo das telecomunicações.

Num sistema de comunicações móveis, a RAN consiste nos elementos que disponibilizam a tecnologia de acesso ao meio a cada terminal móvel e o liga ao núcleo da rede, o core network. Analisando a arquitetura da RAN referente ao standard LTE, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN), verifica-se que é essencial enunciar três elementos fundamentais. Por um lado temos o terminal móvel, que o LTE referencia como User Equipment (UE). Por outro lado temos a estação base, que no LTE é referenciada como enhanced Node Base station (eNodeB), sendo este constituído por duas partes. Primeiro, a Remote Radio Unit (RRU), que consiste na componente de antenas, na parte de front-end RF e nas Digital to Analog Converter (DAC)’s e Analog to Digital Converter (ADC)’s usadas para transmissão e recepção, respectivamente. Segundo, a Baseband Unit (BBU) que consiste em módulos digitais que processam todos os sinais enviados e recebidos pela RRU, e actua como uma interface entre a core network através de uma ligação fronthaul de alta velocidade, ver figura 1.1. De notar que neste tipo de arquitectura, EUTRAN, a BBU e RRU encontram-se co-localizadas ao nível do eNodeB. E por fim temos o Evolved Packet Core (EPC) que corresponde à parte de core network [4]. Na figura 1.2 é apresentada uma visão geral sobre a arquitectura EUTRAN.

No entanto a EUTRAN apresenta alguns pontos que podem ser melhorados, nomeadamente ao nível de custos de operação, capacidade e cobertura da rede, entre outros. Para aumentar a cobertura e a capacidade da rede, podem ser instaladas novas estações base de modo a suportar mais utilizadores. Contudo, com este aumento do número de estações base resulta um maior investimento ao nível da criação de infraestruturas, sendo que é importante evidenciar que o grande número de estação bases irá originar um maior consumo de energia e um maior nível de interferência, o que, por sua vez, irá ter um efeito negativo na cobertura e na capacidade da rede.

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO CPRI RF Antennas Remote Radio Unit (RRU) -DAC/ADC -RF Equipment Baseband Unit (BBU)

Figura 1.1: Estrutura do eNodeB.

OFDMA LTE SC-FDMA UE eNode B E-UTRAN Packet Switched (EPC)

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Figura 1.3: Visão geral sobre a evolução da arquitectura RAN de 4G para 5G [7].

Para dar resposta a estes problemas, as próximas gerações de redes móveis têm como principais objectivos, uma gestão mais eficiente de recursos, o aumento da capacidade e qualidade de serviços (QoS) e, ao mesmo tempo, uma redução de custos com as infraestruturas. É neste contexto que surge o Centralized, Cooperative, Cloud and Clean RAN (C-RAN).

Numa visão simplista, C-RAN consiste na separação física entre a BBU e a RRU, ver figura 1.3. Isto é o eNodeB passa a ter uma BBU centralizada com a capacidade de ligar a diferentes RRU’s o que promove uma maior flexibilidade e reduz o custo referente à infraestrutura da rede móvel, como é ilustrado na figura 1.4. O objectivo desta nova arquitectura é centralizar o mais possível o processamento do sinal LTE em banda base passando depois o sinal para mais simples e eficientes RRU’s que vão ser responsáveis pela passagem do sinal de banda base para Radio Frequency (RF) [5] [6].

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Figura 1.4: Visão geral sobre a arquitectura de rede parcialmente centralizada para 5G [7].

A implementação do standard LTE trouxe uma alta taxa de transmissão de dados. Agora com o aparecimento do 5G haverá um aumento ainda maior nesse campo. Com isto, a exigência na capacidade de processamento em todas as partes do sistema de rede móvel é cada vez maior. Libertar o software de algumas operações ao nível da camada física, implementando partes do processamento em harware é o caminho a seguir para melhorar o nível de desempenho. As Field-Programmable Gate Array (FPGA)’s podem ser um bom suporte de todo este processamento de sinal. Numa era onde o desempenho é uma das bases de tudo, as FPGA’s destacam-se no que toca à realização de tarefas em paralelo, parte essencial ao processamento digital de sinal. Outra vantagem inerente às FPGA’s é o facto destas não possuírem uma estrutura de hardware fixa ao contrário de um microprocessador ou Application Specific Integrated Circuits (ASICs) por exemplo, isto é, a estrutura de hardware da FPGA pode ser programada de acordo com as necessidades do utilizador. Assim a adaptabilidade e a capacidade de processamento paralelo jogam a favor das FPGA’s, e estas serão com certeza parte importante no futuro das telecomunicações.

O processamento de sinal LTE, nomeadamente ao nível da BBU, pode ser decomposto em várias fases, como é apresentado na figura 1.5. É importante analisar os possíveis splits para assim decidir quais as componentes que devem passar para o lado de uma BBU mais centralizada e as componentes que ficam do lado da RRU de modo a termos uma rede parcialmente centralizada, mais eficiente e com um custo ao nível de operação e infraestruturas mais reduzido. Estas são as premissas nas quais assenta a motivação deste trabalho.

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO Coding L1 Rate matching Scrambling Modulation Layer Mapping Pre-coding RE mapping IFFT/CP addition Digital to Analog Analog BF Analog to Digital Analog BF De-coding RF Rate de-matching De-scrambling De-modulation IDFT Channel estimation /Equalization RE de-mapping FFT/CP removal Option 7-1 Option 7-2 Option 6 Option 7-3 (DL only) MAC

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Como podemos observar pela tabela 1.1, o split 7.1 é aquele que nos oferece uma solução de compromisso entre flexibilidade e débito ao nível do fronthaul. Em termos de flexibilidade, temos técnicas de processamento Multiple Input Multiple Output (MIMO), Coordinated Multiple Point (CoMP) e digital beamforming tanto para downlink (transmissão no sentido: estação base para o dispositivo móvel) como para uplink (transmissão no sentido: dispositivo móvel para estação base) .

Tabela 1.1: Opções de splits tendo por base a figura 1.6.

Opções de Split

7.1 7.2 7.3 6

DL UL DL UL DL DL UL

MIMO Sim Sim Parcial Sim Parcial Parcial Não

CoMP Sim Sim Parcial Sim Parcial Parcial Não

Beamforming Sim Sim Parcial Sim Parcial Parcial Não

Data rate(Gbps) 37.8∼86.1 53.8∼86.1 10.1∼22.2 13.6∼21.6 4.133 4.133 5.64 Latência(uS) 100∼250 100∼250 100∼250 100∼250

OAI Sim Não Não Parcial

De notar que o split ideal seria um split 8, situado na parte de RF do sinal, no entanto não é possível implementar este split na prática, uma vez que a taxa de transmissão nesse nível atingiria valores muito altos que iriam originar uma ocupação desmedida de largura de banda ao nível do fronthaul.

Com isto, podemos concluir que o split 7.1 é aquele que apresenta a melhor relação de compromisso entre flexibilidade e débito no fronthaul. Assim teremos as componentes de resource mapping e Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) implementadas em hardware do lado da RRU aumentando o desempenho do sistema. O uso de uma FPGA prende-se com o facto da necessidade da realização de várias tarefas em paralelo, por exemplo ao nível da operação de IFFT. Além disso, um split ao nível do eNodeB levará a que uma BBU esteja associada a várias RRU’s diminuindo assim o custo em termos de infraestruturas. A implementação de uma arquitectura versátil da cadeia Tx Downlink de uma DU 4G, será muito útil no futuro do sistema particularmente no campo do processamento de sinal LTE e terá ainda mais aplicações práticas, nomeadamente no processo de integração da tecnologia 4G em redes 5G. Além disso, o facto de termos a camada phy-low 4G implementada em FPGA permitirá testar toda esta arquitectura com terminais usados actualmente. É importante frisar que o conceito de DU está directamente ligado à tecnologia 5G e à arquitectura C-RAN, no entanto estará também associado ao LTE por questões de coexistência de tecnologias.

(33)

1.3 Objectivos

O objectivo deste trabalho de dissertação de mestrado é a implementação de uma cadeia Tx Downlink de uma DU 4G capaz de processar sinais LTE em tempo real. Sumariamente, pretende-se:

• Compreender o standard LTE e as características do sinal a enviar.

• Elaborar a cadeia Tx Downlink de uma DU 4G em Simulink.

• Simular e validar o modelo criado em Simulink.

• Gerar o código VHDL a partir do modelo criado em Simulink através da ferramenta HDL Coder.

• Simular e validar o o código Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) gerado.

• Implementar em FPGA.

• _{Analisar os resultados obtidos.}

1.4 Estrutura

Uma vez enunciada a motivação do tema da dissertação e dada uma introdução a todo o trabalho desenvolvido, é altura de apresentar a estrutura desde documento. Os restantes cinco capítulos desta dissertação são organizados da seguinte maneira:

• No segundo capítulo, intitulado Conceitos LTE, é dada uma visão geral sobre a tecnologia LTE, e tem como propósito dar a conhecer as principais características do standard, nomeadamente a maneira como os dados a serem enviados são organizados e todo o processo de envio de informação, mais concretamente na ligação downlink.

• No terceiro capítulo, intitulado Modelação e Síntese, é apresentada a cadeia a Tx Downlink de uma DU 4G e é dada uma explicação pormenorizada sobre cada um dos seus blocos. É também justificada a utilização de Simulink e de HDL Coder, assim como apresentada uma visão geral sobre o funcionamento das duas ferramentas.

• No quarto capítulo, intitulado Simulação, pretende-se apresentar o processo de simulação comportamental com recurso ao Simulink e simulação comportamental em VHDL com recurso a testbench passando depois para a análise dos resultados obtidos .

• No quinto capítulo, intitulado Implementação em FPGA, pretende-se apresentar o processo de implementação em FPGA e analisar os resultados obtidos.

(34)

• No sexto capítulo, intitulado Conclusão, pretende-se enunciar o que se conclui com este trabalho e sugerir alguns pontos de trabalho futuro.

(35)

Capítulo 2

Conceitos LTE

2.1 Introdução

O foco deste capítulo é a tecnologia LTE, e tem como objectivo apresentar as principais características do standard e dar uma visão geral sobre os canais inerentes à ligação downlink. O LTE especifica protocolos de comunicação de dados para as comunicações uplink e downlink. Na nomenclatura do Third Generation Partnership Project (3GPP), a estação base é referida como eNodeB e a unidade móvel é referida como UE.

Neste capítulo, serão abordados tópicos relacionados com a comunicação de dados ao nível da phy-low e protocolos de transmissão da norma LTE. Primeiramente é apresentada uma visão geral das bandas de frequência, dos modos duplex, Frequency Division Duplex (FDD) e Time Division Duplex (TDD), da alocação de largura de banda e da representação tempo-frequência dos recursos presentes numa trama LTE. Em seguida, estudaremos em detalhe todos os canais inerentes à ligação downlink. O objectivo deste capítulo é apresentar uma visão geral sobre o que é o standard LTE para assim ser possível compreender melhor o processo de modelação e processamento phy-low downlink.

2.2 Frequências Reservadas para Transmissão

A norma LTE especifica as bandas de frequência disponíveis ao nível do espectro de rádio. Um dos objectivos da norma LTE é a interoperabilidade com os sistemas móveis anteriores. Como tal, as bandas de frequências já definidas para as normas 3GPP estão disponíveis para implementação. Além dessas bandas, comuns a tecnologias precedentes (2G e 3G), algumas novas bandas de frequência também são introduzidas pela primeira vez na especificação LTE. Os regulamentos que regem estas bandas de frequências variam em função do país. Portanto, é concebível que não apenas uma, mas muitas das bandas de frequência possam ser usadas por qualquer um dos fornecedores de serviços na área das telecomunicações [1] [8].

(36)

CAPÍTULO 2. CONCEITOS LTE

Como foi o caso com os standards 3GPP anteriores, 2G e 3G, o LTE suporta os modos FDD e TDD, com bandas de frequência específicas para cada um dos modos.

As bandas de frequência FDD permitem a transmissão simultânea em duas frequências: uma para a ligação downlink e outra para a ligação uplink.

As bandas de frequência TDD não permitem transmissão simultânea, uma vez que as transmissões de ligação downlink e uplink partilham o mesmo canal de frequência, ou seja, a portadora é a mesma. As transmissões nas direcções de uplink e downlink são multiplexadas no tempo. As especificações 3GPP para LTE dadas pela IMT-Advanced são apresentadas nas tabela 2.1 e tabela 2.2, para diferentes bandas de frequência.

Tabela 2.1: Tabela com as bandas de operação Downlink no modo FDD [1]. Índice da Banda de Operação Downlink -Banda de operação (MHz) Uplink - Banda de operação (MHz) Modo duplex 1 2110–2170 1920-1980 FDD 2 1930–1990 1850-1910 FDD 3 1805–1880 1710-1785 FDD 4 2110–2155 1710-1755 FDD 5 869–894 824-849 FDD 6 875–885 830-840 FDD 7 2620–2690 2500-2570 FDD 8 925–960 880-915 FDD 9 1844.9–1879.9 1749.9-1784.9 FDD 10 2110–2170 1710-1770 FDD 11 1475.9–1495.9 1427.9-1447.9 FDD 12 729–746 699-716 FDD 13 2110–2170 777-787 FDD 14 758–768 788-798 FDD 15 Reservado Reservado FDD 16 Reservado Reservado FDD 17 734–746 704-716 FDD 18 860–875 815-830 FDD 19 875–890 830-845 FDD 20 791–821 832-862 FDD 21 1495.9-1510.9 1447.9-1462.9 FDD 22 3510-3590 3410-3490 FDD 23 2180–2200 2000-2020 FDD 24 1525–1559 1626.5-1660.5 FDD 25 1930–1995 1850-1915 FDD

(37)

Tabela 2.2: Tabela com as bandas de operação Downlink no modo TDD [1]. Índice da Banda de Operação Uplink e Downlink -Banda de operação (MHz) Modo duplex 33 1900–1920 TDD 34 2010–2025 TDD 35 1850–1910 TDD 36 1930-1990 TDD 37 1910-1930 TDD 38 2570–2620 TDD 39 1880–1920 TDD 40 2300-2400 TDD 41 2496-2690 TDD 42 3400–3600 TDD 43 3600–3800 TDD

2.2.1 Frequências Reservadas para Transmissão em Portugal

Na tabela 2.3 são apresentadas as frequências ocupadas em Portugal para comunicações móveis [9].

Tabela 2.3: Frequências utilizadas em Portugal.

Operador Downlink (MHz) Uplink (MHz) Faixa Tecnologia

MEO 791.00 801.00 832.00 842.00 800 Neutralidade Tecnológica MEO 950.90 958.90 905.90 913.900 900 GSM / UMTS / WIMAX / LTE MEO 1845.00 1865.00 1750.00 1770.00 1800 GSM / UMTS / WIMAX / LTE

MEO 2149.90 2169.70 1959.90 1979.70 2100 UMTS

MEO 2670.00 2690.00 2550.00 2570.00 2600 Neutralidade Tecnológica NOS 811.00 821.00 852.00 862.00 800 Neutralidade Tecnológica NOS 943.10 950.90 898.10 905.90 900 GSM / UMTS / WIMAX / LTE NOS 1825.00 1845.00 1730.00 1750.00 1800 GSM / UMTS / WIMAX / LTE

NOS 2130.10 2144.90 1940.10 1954.90 2100 UMTS

NOS 2650.00 2670.00 2530.00 2550.00 2600 Neutralidade Tecnológica Vodafone 801.00 811.00 842.00 852.00 800 Neutralidade Tecnológica Vodafone 930.00 935.00 885.00 890.00 900 GSM / UMTS / WIMAX / LTE Vodafone 935.10 943.10 890.10 898.10 900 GSM / UMTS / WIMAX / LTE Vodafone 1805.00 1825.00 1710.00 1730.00 1800 GSM / UMTS / WIMAX / LTE Vodafone 2110.30 2130.10 1920.30 1940.10 2100 UMTS

Vodafone 2570.00 2595.00 - - 2600 Neutralidade Tecnológica Vodafone 2630.00 2650.00 2510.00 2530.00 2600 Neutralidade Tecnológica

(38)

2.3 Larguras de Banda

As directrizes do Telecommunications Union International Mobile Telecommunication (IMT-Advanced) exigem flexibilidade de espectro na norma LTE. Isso leva à escalabilidade no domínio da frequência, que é manifestada por uma lista de larguras de banda que varia entre 1.4 MHz e 20 MHz.

As larguras de banda no LTE são formadas como concatenações de blocos de recursos (resource blocks) constituídos por um total de 12 sub-portadoras. Como as sub-portadoras são separadas por 15 kHz, a largura de banda total de um resource block é de 180 kHz. Isto permite configurações de largura de banda de transmissão que variam de 6 a 100 resource blocks numa única portadora ao nível da frequência. A tabela 2.4 ilustra a relação entre a largura de banda do canal e o número de resource blocks transmitidos por uma portadora LTE. Para larguras de banda de 3 a 20 MHz, a totalidade de blocos de recursos na largura de banda de transmissão ocupa cerca de 90% da largura de banda do canal. No caso de 1.4 MHz, a percentagem de ocupação cai para cerca de 77% [1].

Tabela 2.4: Tabela com as larguras de banda em LTE. Largura de Banda (MHz) Resource Blocks 1.4 6 3 15 5 25 10 50 15 75 20 100

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2.4 Resource Grid

A compreensão do processo de transmissão LTE tem por base um entendimento claro da representação de dados ao longo do tempo e da frequência. A estrutura em que a norma mapeia estes dados é conhecida como resource grid. É importante perceber a organização desta estrutura, o resource grid, porque é dele que advém a informação que será processada e transformada num sinal pronto para transmissão.

No LTE o esquema de transmissão é bastante organizado. Optando por uma visão simplista o Resource Grid pode ser visto como um conjunto de dados organizados em matriz, sendo o eixo do xx a variável tempo e o eixo yy a frequência, na figura 2.1 é apresentado parte do resource grid de uma trama completa.

RB = 99 RB = 52 Frequência RB = 47 RB = 0 0 6 0 6 0 0 6 Símbolo

OFDM Sub-trama 0 Sub-trama 1 Sub-trama 5

Tempo 6 RBs (=72subcarriers) PDCCH/PCFICH PBCH P-SS S-SS PDSCH

Slot 0 Slot 1 Slot 2 Slot 10

DC

Figura 2.1: Parte do resource grid de uma trama completa LTE.

2.4.1 Organização no Tempo

No domínio do tempo, o LTE organiza a transmissão como uma sequência de tramas com 10ms de duração. Cada trama é então sub-dividida em 10 sub-tramas com duração de 1ms. Cada sub-trama é composta por dois slots, tendo cada um eles um período igual a 0.5ms.

Finalmente, cada slot consiste em um número total de 6 ou 7 símbolos OFDM, dependendo do uso de um prefixo cíclico normal ou estendido (extended ). A estrutura no domínio do tempo do resource grid é ilustrada na figura 2.2.

(40)

Figura 2.2: Visão detalhada sobre uma trama LTE nomeadamente o enquadramento no domínio do tempo [1].

2.4.2 Organização na Frequência

A figura 2.4 ilustra o resource grid de uma sub-trama LTE da ligação downlink quando é usado um prefixo cíclico normal. Um resource element é a intersecção de um símbolo OFDM e uma sub-portadora. Um resource block é definido como um grupo de 12 sub-portadoras ou 180kHz no domínio da frequência e um slot ou 0.5 ms no domínio do tempo, ver figura 2.4.

No LTE, salvo um caso em particular, o espaçamento entre sub-portadoras é de 15kHz e, no caso do prefixo cíclico normal, há 14 símbolos OFDM por sub-trama ou sete símbolos por slot.

Na figura 2.3 é apresentada uma visão geral sobre a organização de uma trama LTE. No caso de um prefixo cíclico normal, com sete símbolos OFDM por slot, cada resource block consiste em 84 resource elements. No caso de um prefixo cíclico estendido, com seis símbolos OFDM por slot, o resource block contém 72 resource element [1].

(41)

14 Símbolos OFDM

Largura de Banda Trama (10ms)

Sub-trama (1ms)

Figura 2.3: Visão geral sobre a organização de uma trama LTE.

Frequência Δf= 15 kHz ... Slot 1 1 Sub-trama = 1ms Resource grid Resource block Resource element Slot 2 0.5 1

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A definição de resource block é importante porque representa a unidade do domínio da frequência no processo de transmissão, isto é, o número de resource blocks vai indicar a largura de banda que pretendemos transmitir.

Como referido anteriormente, as especificações de LTE permitem que uma portadora de RF consista em qualquer número de resource block no domínio da frequência, variando entre o mínimo de 6 e o máximo de 100 resource block. Isso corresponde a larguras de banda de transmissão que variam de 1.4 MHz a 20.0 MHz.

2.5 Canais Downlink

Existem três tipos de informações numa trama LTE, dados para transmissão, sinais de sincronização e informação de controlo.

De seguida são apresentados os canais presentes numa ligação LTE downlink [1][10].

2.5.1 Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH)

O Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) transporta informação acerca do número de símbolos Ortogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ocupados pela região de controlo em cada sub-trama. No LTE esta informação é conhecida por Control Format Indicator (CFI).

A descodificação de outros canais, nomeadamente o Physical Downlink Control Channel (PDCCH), depende directamente do valor de CFI, logo este precisa de ser descodificado primeiramente e de uma forma correcta. Para cumprir esse requisito, o PCFICH é sempre mapeado no primeiro símbolo OFDM em cada sub-trama. Sendo o número de símbolos OFDM disponíveis para a região de controlo limitado a quatro, o valor CFI irá variar entre um e quatro. A tabela 2.5 representa os valores que o CFI pode tomar.

Na figura 2.5 é apresentado o processo de codificação e mapeamento do CFI. Tabela 2.5: 32 bits associados aos diferentes valores que CFI pode tomar [1].

CFI CFI codeword (b0,b1,b2...,b31)

1 0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1 2 1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0 3 1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1 4 (reservado) 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

(43)

Rate 1/16 block code

2-bit CFI 32-bit CFI

code word 32-bit scrambled bits 16 symbols 16 symbols on each antenna port 8 symbols on each layer Scrambling 4 symbols

First OFDM symbol

4 symbols 4 symbols 4 symbols

QPSK

modulation Layer mapping

Precoding Mapping

to REs

Figura 2.5: Diagrama de codificação para PCFICH [10].

2.5.2 Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel (PHICH)

O canal Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel (PHICH) tem como objectivo confirmar a recepção de informação enviada pelo Uplink Shared Channel (acknowledge ou not acknowledge). Os acknowledgements são representados por um bit, em que 0 indica Negative Acknowledge (NACK) e 1 indica Acknowledge (ACK).

Se um ACK for descodificado incorrectamente como NACK pelo terminal móvel, isso resulta numa utilização desnecessária do canal uplink, para retransmissão de um bloco de dados correctamente descodificado na estação base. Por outro lado se um NACK for incorrectamente descodificado como ACK pelo terminal tem como consequência a perda de informação.

Portanto, este canal exige uma codificação mais rigorosa do que, por exemplo, o PCFICH ou Physical Downlink Shared Channel (PDSCH). Para atender a esse requisito, o PHICH usa uma modulação Binary Phase Shift Keying (BPSK) em detrimento da modulação Quadrature Phase Shift Keying (QPSK).

Os símbolos de dados presentes neste canal são mapeados ao longo do primeiro símbolo OFDM de cada sub-trama.

(44)

4 symbols

First OFDM symbol 1 bit HARQ 1 bit HARQ 4 symbols 4 symbols 4 symbols Mapping to REs 3 times

repetition modulationPHICH

Group alignment layer mapping and precoding Summon all PHICH within group Group alignment layer

mapping and precoding PHICH

modulation 3 bits

One PHICH group

6 or 12 symbols 6 or 12 symbols 3 bits 3 times repetition 12 symbols

(45)

2.5.3 Physical Downlink Control Channel (PDCCH)

O PDCCH contém a informação que cada terminal requer para receber, equalizar e desmodular os pacotes de dados com sucesso. Na estrutura de dados downlink o PDCCH ocupa os primeiros símbolos OFDM de cada sub-trama. O número exacto de símbolos OFDM no início de cada sub-trama ocupados pelo PDCCH é dado pelo CFI [11]. As informações de controlo transmitidas no PDCCH são conhecidas como Dowlink Control Information (DCI). No LTE a DCI pode ter vários formatos, como é apresentado na tabela 2.6. Cada formato contém os seguintes tipos de informações de controlo [1]:

• _{Informações de alocação de recursos.}

• Informações de transporte, como configuração de múltiplas antenas, tipo de modulação, taxa de codificação e tamanho da informação útil do bloco de transporte.

• Informações relacionadas ao Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ).

Tabela 2.6: Formatos DCI [1].

Formato Caso de uso

0 Uplink scheduling assignment

1A Downlink scheduling for one PDSCH codeword in SISO and SIMO modes

1B

Compact version of format 1 scheduling for one PDSCH codeword or dedicated preamble

assignment to iniate random access 1C

Very compact downlink scheduling for one PDSCH codeword used in MIMO mode number

6

1D

Compact downlink scheduling for one PDSCH codeword with MIMO precoding and power

offset information necessary for multi-user MIMO

2 Downlink scheduling assignment for MIMO with closed-loop spatial multiplexing 2A Downlink scheduling assignment for MIMO

with open-loop spatial multiplexing 3

Transmit Power Control (TPC) information for PUCCH and PUSCH with 2 bit power

adjustment 3A

Transmit power control (TPC) information for PUCCH and PUSCH with 1 bit power

(46)

2.5.4 Physical Broadcast Channel (PBCH)

O Physical Broadcast Channel (PBCH) transporta o Master Information Block (MIB), que contém as informações básicas do sistema e as informações específicas da célula, cruciais no processo de associação por parte do terminal móvel à rede. Uma vez descodificado o MIB pelo terminal, este pode começar o processo de leitura dos canais de controlo e posteriormente dos canais de dados.

O PBCH está sempre confinado aos primeiros quatro símbolos OFDM encontrados no segundo slot da primeira sub-trama de uma trama downlink. Ao nível da frequência, o PBCH ocupa 72 sub-portadoras centradas na sub-portadora DC.

O MIB é repartido ao longo de 4 tramas, precisando assim de um período de 40 ms para ter uma transmissão completa. Na figura 2.7 é possível observar onde é mapeado o canal PBCH no resource grid. RB = 99 RB = 52 Frequência RB = 47 RB = 0 0 6 0 6 0 0 6 Símbolo

OFDM Sub-trama 0 Sub-trama 1 Sub-trama 5

Tempo 6 RBs (=72subcarriers) PDCCH/PCFICH PBCH P-SS S-SS PDSCH

Slot 0 Slot 1 Slot 2 Slot 10

DC

Figura 2.7: Parte do resource grid de uma trama completa LTE.

2.5.5 Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)

O PDSCH é o canal responsável pela transmissão de dados e pode utilizar vários tipos de modulação: QPSK, 16-Quadrature Amplitude Modulation (QAM), 64-QAM. O tipo de modulação escolhido advém de camadas superiores e depende da condição do canal de rádio e da capacidade de buffering, ou seja, será sempre uma situação de compromisso entre robustez e taxa de transmissão.

(47)

2.5.6 Cell Specific Reference Signal (CSR)

Os CSR são transmitidos em cada sub-trama e em todos os resource blocks no domínio da frequência, estando assim presentes ao longo de toda a banda de transmissão. Os CSR são utilizados pelo terminal para estimação de canal e desmodulação coerente de todos os canais da ligação downlink.

Na figura 2.8 é ilsutrado como é feito o mapeamento dos CSR.

Sub-portadoras Região de Controlo

1-3 Símbolos OFDM 11-3 Símbolos OFDMZona de Dados

Dados Símbolos OFDM Cell Specific reference signal Informação de controlo 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 14

Figura 2.8: Estrutura de um resource block, onde é observável a presença do CSR.

2.6 Sinais de Sincronização

Além dos sinais de referência, no LTE também existem sinais de sincronização. Os sinais de sincronização da ligação downlink são utilizados em vários processos, como a detecção de limites da trama, determinação do número de antenas, pesquisa inicial de células, pesquisa de células vizinhas, entre outros.

Na ligação downlink existem dois sinais de sincronização, o Sinal de Sincronização Primário (PSS) e o Sinal de Sincronização Secundário (SSS). Na figura 2.11 é apresentado o mapeamento dos mesmos ao longo de uma trama LTE.

(48)

2.6.1 Primary Synchronization Signal (PSS)

O sinal de sincronização primário (PSS) baseia-se numa sequência da constelação Zadoff-Chu no domínio da frequência.

No modo FDD o Primary Synchronization Signal (PSS) é mapeado dentro dos seis resource blocks centrados na sub-portadora DC, isto é, na posição central no eixo da frequência do resource grid. O PSS ocupa o sexto símbolo OFDM nas sub-tramas 0 e 5. Como não há sobreposição com sinais CSR nesses símbolos, este sinal de sincronização é mapeado em 72 sub-portadoras consecutivas [12]. 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 #0 #1 #2 #3 10mS radio frame 1 subframe #4 #5 #6 #7 #8 #9

Primary synchronisation signal 1 OFDM symbol Bandwidth 72 subcarriers 1 slot 1 slot 6 1 slot 1 slot Figura 2.9: PSS no modo FDD [13]

No caso do modo TDD o PSS é também mapeado dentro dos seis resource blocks centrais. No entanto, neste modo ocupam o terceiro símbolo OFDM da sub-trama 1 e o terceiro símbolo OFDM da sub-trama 6. Na 2.9 é apresentado o mapeamento do PSS em modo FDD, e na 2.10 em TDD. De notar que o sinal ocupa apenas 62 das 72 posições disponibilizadas, deixando 5 na parte superior e 5 na para inferior livres que servem como bandas de guarda.

2.6.2 Secondary Synchronization Signal (SSS)

No caso do modo FDD o Secondary Synchronization Signal (SSS) é mapeado dentro dos seis resource blocks centrados na sub-portadora DC, isto é, na posição central no eixo da frequência do resource grid. O SSS ocupa o quinto símbolo OFDM nas sub-tramas 0 e 5. Como não há sobreposição com sinais CSR nesses símbolos, este sinal de sincronização é mapeado em 72 sub-portadoras consecutivas.

No caso do modo TDD o PSS é também mapeado dentro dos seis resource blocks centrais. No entanto, neste modo ocupam o último símbolo OFDM da sub-trama 0 e o último símbolo OFDM da sub-trama 5 [12].

(49)

CAPÍTULO 2. CONCEITOS LTE 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 #0 #1 #2 #3 10mS radio frame 1 subframe #4 #5 #6 #7 #8 #9

Primary synchronisation signal 1 OFDM symbol Bandwidth 72 subcarriers 1 slot 1 slot 6 1 slot 1 slot Figura 2.10: PSS no modo TDD [13].

De notar que o sinal ocupa apenas 62 das 72 posições disponibilizadas, deixando 5 na parte superior e 5 na para inferior livres que servem como bandas de guarda.

PDSCH Subframe 0

Slot 0 Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 10 Slot 11 Slot 16 Slot 17

Subframe 1 Subframe 5 Subframe 6 Subframe 9

CSR

SSS PSS

BCH PDCCH

(50)

2.7 Ortogonal Frequency Division Mutiplexing

(OFDM)

Um dos pontos mais importantes na camada física de um sistema de comunicação sem fios é a tecnologia responsável por realizar a modulação de dados ao longo dos recursos de rádio-frequência. No LTE, na ligação downlink, é utilizada a tecnologia OFDM para modular os recursos de rádio-frequência consoante os dados de entrada. A modulação OFDM distribui os símbolos, cada um deles com componentes real (I) e imaginária (Q), por várias sub-portadoras ortogonais que irão ser transmitidas em paralelo. A utilização da modulação OFDM oferece vantagens significativas em relação às tecnologias alternativas e representa um passo em frente no mundo das telecomunicações, sendo também um salto qualitativo significativo em comparação com as gerações precedentes ao 4G. Entre as vantagens destacam-se a elevada eficiência espectral, adaptabilidade para transmissão de dados em banda larga, resistência a interferência entre símbolos e suporte natural a esquemas MIMO [14].

O sinal OFDM pode ser descrito como um conjunto de sub-portadoras Frequency Division Multiplexing (FDM). No domínio da frequência, cada sub-portadora transmitida resulta num espectro com uma função f (x) = sinc(x) com lóbulos laterais que vão estar sobrepostos com o espectro de outras sub-portadoras, ver figura 2.13. Isto resulta em interferência entre sub-portadoras. A solução para evitar interferência passa por termos sub-portadores com frequências espaçadas ortogonalmente [4]. Na figura 2.12 é apresentado o processo de modulação OFDM, de notar que o bloco QPSK serve apenas de exemplo e poderia ser substituído por outra modulação (16-QAM, 64-QAM, BPSK...).

Data

High bit rate signal

Parallel low bit rate signals S/P _ModulationOFDM QPSK QPSK QPSK QPSK Tu Tu Fc1Fc2Fc3 f = 1

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Em frequências ortogonais, os picos individuais das sub-portadoras alinham-se com os nulos das outras sub-portadoras, ver figura 2.13. Essa sobreposição de energia espectral não interfere na capacidade do sistema de recuperar o sinal original. O receptor multiplica (isto é, correlaciona) o sinal de entrada por um conjunto conhecido de sinusóides para recuperar o conjunto original de bits enviados para parte do transmissor.

Individual Channels

Frequency

Frequency Overlapping Sub-Carriers

Channel 0 Channel 1 Channel 2

FDM

OFDM

Figura 2.13: OFDM vs FDM.

Após a adição todas sub-portadoras num dado instante de tempo, um símbolo OFDM é gerado. O sinal no domínio do tempo resulta da operação IFFT.

2.8 Prefixo Cíclico (Cyclic Prefix )

Quando um sinal LTE é enviado pela antena de uma estação base, não é enviado num ambiente ideal. O sinal irá sofrer reflexão, difracção e multipath, isto é, várias versões do mesmo sinal podem chegar ao receptor, ver figura 2.14. Tudo isto causa dificuldades ao nível da recepção, podendo até impossibilitar a desmodulação da informação enviada.

À primeira vista, a inserção de prefixo cíclico pode ser considerada como uma operação inútil, uma vez que é meramente uma cópia dos dados existentes no final do símbolo OFDM para a parte inicial, não sendo adicionada nenhuma informação nova. No entanto, é muito importante por várias razões. Em primeiro lugar, ajuda a manter a ortogonalidade entre sub-portadoras no receptor, que é um dos fundamentos de uma transmissão com divisão de

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CAPÍTULO 2. CONCEITOS LTE A B C D A B C D A B C D A B C D Path 1 Path 2 Path 3 Path 1 Path 2 Path 3

Figura 2.14: Exemplo referente à propagação de sinal LTE.

frequência ortogonal. Ele fornece também uma extensão periódica para o sinal OFDM através do qual a operação de convolução linear executada no sinal transmitido pelo canal pode ser aproximada por uma operação de convolução circular. A validade da equalização do domínio da frequência realizada no receptor só é assegurada se a resposta do canal puder ser vista como uma convolução circular, algo que a inserção do prefixo cíclico pode garantir [10]. O prefixo cíclico funciona como intervalo de guarda entre símbolos OFDM, prevenindo assim a interferência entre símbolos. A inserção de prefixo cíclico é, portanto, essencial durante o processo de construção do sinal a enviar.

A duração do prefixo cíclico é um parâmetro bastante relevante no projecto de um sistema de transmissão. Por um lado, é necessário ter duração suficiente para dar robustez ao sinal LTE e assim atenuar os vários fenómenos de degradação do sinal. Por outro lado, o prefixo cíclico é uma adição de dados redundantes e tendo duração excessiva acaba por ser uma sobrecarga desnecessária sobre o sistema afectando negativamente a taxa de transmissão.

Como o nome “prefixo” indica, a primeira parte do sinal OFDM recebido é descartada no receptor. Portanto, o LTE especifica uma relação de compromisso. Por um lado a duração do prefixo cíclico deve ser o menor possível para minimizar a sobrecarga e maximizar a eficiência espectral, por outro lado, o maior possível para garantir robustez. Para atender a esta realidade, o standard LTE especifica a duração do prefixo cíclico como uma aproximação do atraso esperado do canal de propagação e fornece uma margem de erro para compensar possíveis diferenças no alinhamento temporal.

Como apresentado na tabela 2.7, a norma LTE especifica três valores diferentes de prefixo cíclico: normal (4.7µs) e estendido (16.6µs) para espaçamento entre sub-portadoras de 15kHz e estendido (33µs) para espaçamento entre sub-portadoras de 7.5 kHz [1].

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Tabela 2.7: Tabela com as especificações para os dois tipos de prefixo cíclico

Configuração (MHz) Espaçamento entre sub-portadores (kHz) Número de subportadoras por resource block Número de símbolos OFDM por resource block

Prefixo Cíclico Normal 15 12 7

Prefixo Cíclico Estendido 15 12 6

Prefixo Cíclico Estendido 7.5 24 3

De notar que o espaçamento de sub-portadora de 7.5 kHz só pode ser usado num contexto de multicast / broadcast. A duração do prefixo cíclico normal de 4.7µs é apropriado para transmissões na maioria dos ambientes urbanos e suburbanos e tem em consideração os valores típicos de atraso de sinal para esses ambientes. Dado que o tempo ocupado por cada símbolo OFDM é de cerca de 66.7µs, o prefixo cíclico no modo normal é responsável por uma sobrecarga de cerca de 7%. A sobrecarga associada a um prefixo cíclico estendido de duração 16.7µs é de 25%. Essa sobrecarga mais excessiva é necessária para transmissões em ambientes rurais com maior atraso de propagação e para serviços de transmissão de maior alcance [1].

2.9 Espaçamento entre Sub-Portadoras

O pequeno espaçamento entre sub-portadoras garante que o desvanecimento (fading) em cada sub-portadora seja de frequência não selectiva. No entanto, o espaçamento entre sub-portadoras não pode ser arbitrariamente pequeno. O desempenho degrada-se à medida que o espaçamento da sub-portadora diminui além de um certo limite, devido ao efeito de Doppler e ao ruído de fase.

O efeito de Doppler é causado quando um terminal móvel se move numa determinada direcção, causando assim a aparente interferência/mudança ao nível da velocidade de propagação das ondas electromagnéticas, alterando momentaneamente a frequência de transmissão. O efeito de Doppler causa interferência entre sub-portadoras e as degradações resultantes são amplificadas mediante a excessiva diminuição da distância entre sub-portadoras.

O ruído de fase resulta de flutuações na frequência do oscilador local e causará interferência entre portadoras. Para minimizar as degradações causadas pelo ruído de fase e pelo efeito de Doppler, é especificado um espaçamento entre sub-portadoras de 15kHz na norma LTE, o que é um bom compromisso entre eficiência espectral e robustez [1].

Um vez apresentada uma visão geral sobre o standard LTE, particularmente, sobre aquilo que é a ligação downlink, passamos agora para a parte de elaboração da cadeia de processamento de sinal LTE referente à ligação downlink Tx.

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Capítulo 3

Modelação e Síntese

3.1 Introdução

Como enunciado anteriormente, a EUTRAN apresenta algumas limitações que perfazem um conjunto de problemas.

Para dar resposta a esse conjunto de problemas, as próximas gerações de redes móveis têm como principais objectivos uma gestão mais eficiente de recursos, o aumento da capacidade e qualidade de serviços (QoS) e, ao mesmo tempo, uma redução de custos com as infraestruturas. É neste contexto que surge o C-RAN.

Numa visão simplista o C-RAN consiste na separação física entre a BBU e RRU. Isto é, o eNodeB passa a ter uma BBU centralizada com a capacidade de ligar a várias RRU’s. O que promove uma maior flexibilidade, uma melhor gestão de recursos, um maior controlo sobre a rede móvel e reduz o custo referente às infraestruturas da mesma. Com isto o que se pretende é ter o processamento do sinal LTE em banda base o mais centralizado possível, passando depois o sinal para RRU’s mais simples e eficientes que vão ser responsáveis pela passagem do sinal de banda base para RF e sua radiação [15].

O escalar da exigência na taxa de transmissão, ao nível das comunicações móveis por parte do utilizador, leva a uma demanda cada vez maior na capacidade de processamento em todas as partes do sistema de rede móvel. Libertar o software de algumas operações ao nível da camada física, implementando partes do processamento em hardware é o caminho a seguir para melhorar o nível de desempenho. Numa era onde o desempenho é a base de tudo, as FPGAs podem ser um bom suporte para todo este processamento de sinal.

O processamento de sinal LTE, nomeadamente ao nível da BBU, pode ser decomposto em várias fases, como é apresentado na figura 3.1. É importante fazer uma análise às várias etapas e daí concluir onde se encontram as componentes que melhor se adequam a serem implementadas em hardware ao nível do eNodeB. É importante analisar os possíveis splits para assim decidir quais as componentes que devem passar para o lado de uma BBU mais centralizada e as componentes que ficam do lado da RRU de modo a termos uma rede

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CAPÍTULO 3. MODELAÇÃO E SÍNTESE

parcialmente centralizada, mais eficiente e com um custo ao nível de operação e infraestruturas muito mais reduzido.

De facto o split 7.1 é aquele que traz mais vantagens e nos dá tudo aquilo que pretendemos sem ser necessário uma ocupação desmedida de largura de banda para atingirmos a taxa de transmissão necessária para a sua implementação, ver figura 3.1.

Figura 3.1: (À esquerda) Possíveis splits ao nível da camada física. (À direita) Estrutura da DU uma vez seleccionado o Split 7.1 para 5G. De notar que a única diferença entre tecnologias 4G e 5G nesta parte será apenas o bloco SS Burst Addition que não irá fazer parte da DU em LTE.

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Para a implementação de uma arquitectura versátil da cadeia Tx Downlink de uma DU 4G, optou-se por usar a ferramenta Simulink uma vez que este usa uma interface gráfica em que os modelos são criados sob a forma de diagramas de blocos, facilitando assim a interacção com o utilizador. O Simulink permite também a utilização da ferramenta HDL Coder, o que será muito útil para posterior implementação em FPGA. Na secção 3.2 e secção 3.3 é dada uma explicação pormenorizada acerca destas duas ferramentas.

O objectivo deste capítulo é explicar como foi desenvolvida a cadeia Tx Downlink de uma DU 4G em Simulink e gerado o código VHDL para a posterior implementação em FPGA.

Primeiramente é abordado o Simulink e o HDL Coder enquanto ferramentas e são enunciadas as suas principais características e o porquê de serem úteis ao que é pretendido nesta dissertação.

De seguida é apresentada a cadeia Tx Downlink de uma DU 4G em Simulink e analisado cada um dos blocos que a compõe.

3.2 Simulink

O Simulink é uma ferramenta de simulação integrada no software MATLAB, que permite modelar, simular e analisar sistemas dinâmicos. Com a ajuda do Simulink uma grande variedade de sistemas podem ser projectados e testados em ambiente de simulação, nomeadamente sistemas de controlo, sistemas de processamento de sinal, sistemas de comunicação, sistemas logísticos, entre muitos outros.

Assim como em MATLAB, o Simulink possui uma grande variedade em termos de tipo de dados, atributos, sinais e parâmetros: inteiros simples, doubles, signed ou unsigned de 8, 16 ou 32 bits, Boolean e fixed point, entre outros. Isto permite-nos monitorizar os efeitos, que o dimensionamento das variáveis de um modelo, vão ter na precisão de cálculo de um determinado algoritmo.

Ao contrário da programação habitual em MATLAB que utiliza a linha de comandos ou scripts, o Simulink usa uma interface gráfica em que os modelos são criados sob a forma de diagramas de blocos, facilitando assim a interacção com o utilizador. É apresentada a página inicial da ferramenta Simulink na figura 3.2. Ainda assim, esta ferramenta pode ser interligada com o MATLAB, podendo inclusive o desenvolvimento de modelos ser feito através de scripts originais o que alia o melhor de dois mundos. Por um lado temos a facilidade de uma interface simples com diagramas de blocos pré-definidos, por outro lado, temos a possibilidade de criar novos blocos totalmente adaptados às nossas necessidades [16].

Esta ferramenta já inclui várias bibliotecas com blocos pré-definidos, como é possível observar na figura 3.3. Nesta dissertação foi feito um uso intensivo desses mesmos blocos seguindo um caminho em que não foi necessário a criação de novos blocos [17].

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Figura 3.2: Página inicial da ferramenta Simulink.