3gpp report

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Desenvolvimento e Teste de SistemasRdio-sobre-Fibra tica usando Sinais

SC-FDMA e OFDM

Rben Emanuel Martins Neto

VERSO DE TRABALHO

Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotcnica e de Computadores

Orientador: Prof. Dr. Henrique Manuel de Castro Faria Salgado

Co-orientador: Dr. Joo Manuel Barbosa de Oliveira

18 de Fevereiro de 2014

c Rben Neto, 2014

Resumo

Esta proposta de dissertao surge na sequncia da distoro intermodulao, IMI (Inter-modulation Interference), sofrida pelos sinais RF (Radio Frequency) analgicos devida no-linearidade dos vrios componentes do sistema RoF (Radio-over-Fiber), tais como: os amplifi-cadores de micro-ondas e conversores electro-ticos. Esta interferncia especialmente nocivapara sinais multi-portadora, como caso da modulao OFDM (Orthogonal Frequency DivisionMultiplex) utilizada na ligao descendente do standart 4G LTE (Long Term Evolution) .

Para contornar este efeito, o standart 4G LTE prope uma modulao mono-portadora baseadana modulao OFDM, SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), porquepossui um dbito e uma complexidade idnticos modulao OFDM, e ainda tem a vantagem depossui um PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) baixo, que previne a IMI excessiva.

neste contexto que se focar a minha dissertao. Assim, o objetivo principal do projetopassa por desenvolver um sistema RoF em MATLAB e testa-lo usando os sinais SC-FDMA eOFDM.

Palavras-chave: 4G, LTE, RoF, OFDM, SC-FDMA, MATLAB

i

Abstract

This dissertation proposal follows the intermodulation distortion, IMI (Intermodulation Inter-ference), suffered by analog RF (Radio Frequency) signals due to the nonlinearity components ofthe system RoF (Radio-over-Fiber), such as microwave amplifiers and electro-optical converters.This is especially harmful interference for multicarrier signals, as is the case of OFDM (Orthogo-nal Frequency Division Multiplex) used in the downlink standart 4G LTE (Long Term Evolution).

To circumvent this effect, standard 4G LTE proposes a single carrier modulation based inOFDM , SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access), because has a similarthroughput and complexity to OFDM modulation, and also has the advantage of has a low PAPR(Peak-to-Average Power Ratio), which prevents excessive IMI.

In this context we will focus my dissertation. Thus, the main goal of the project involvesdeveloping a RoF system in MATLAB and test it using the SC-FDMA and OFDM signals.

Keywords: 4G, LTE, RoF, OFDM, SC-FDMA, MATLAB

iii

The science of today is the technology of tomorrow.

Edward Teller

v

Contedo

1 Introduo 11.1 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Estrutura do documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Reviso Bibliogrfica 32.1 Radio-sobre-Fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.2 Vantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.3 Desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.4 Aplicaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.1 Vantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.2 Desvantagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.3 Acesso mltiplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Orthogonal Frequency Division Multiplex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.1 Sistema OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Single Carrier - Frequency Division Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.1 SC-FDMA vs OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4.2 Transmisso e receo dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4.3 Mapeamento das subportadoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.5 Desempenho do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5.1 BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5.2 SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5.3 Probabilidade de erro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5.4 Densidade espetral de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Caracterizao do problema 213.1 O problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Soluo proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3 Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Plano de trabalho 234.1 Fase de desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2 Ferramentas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2.1 MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3 Tecnologias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

vii

viii CONTEDO

4.3.1 Fibra tica monomodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3.2 Conversores E/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.3.3 Conversores O/E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Referncias 29

Lista de Figuras

2.1 Arquitetura genrica de uma rede RoF [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Esquemas de transporte do sinal wireless [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Transmisso dos smbolos no OFDMA e no SC-FDMA [3] . . . . . . . . . . . . 92.4 Adio do prefixo cclico ou CP [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5 Espetro do sinal OFDM [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.6 Sistema OFDM [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.7 Transmissor e recetor dos sistemas SC-FDMA e OFDMA [2] . . . . . . . . . . . 162.8 Mapeamento localizado e mapeamento distribudo [6] . . . . . . . . . . . . . . . 172.9 Mapeamentos localizado e intercalado [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Diagrama de bloco do sistema SC-FDMA a simular . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 a) estrutura do laser DFB; b) funcionamento da realimentao distribuda; c) radi-ao de um nico modo [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Esquema interno do MZM [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3 Esquema externo do MZM [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

ix

x LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

1.1 Comparao entre redes de telecomunicaes [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

4.1 Plano de trabalhos - fase de desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

xi

xii LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Smbolos

3GPP 3rd Generation Partnership ProjectBER Bit Error RateBPSK Binary Phase Shift KeyingBS Base StationCDS Channel Dependent SchedulingCO Central OfficeCP Cyclic PrefixCS Central StationDAB Digital Audio BroadcastingDFB Distributed feedback laserDFT Discrete Fourier TransformDVB Digital Video BroadcastingE/O Electro-OpticFDD Frequency Division DuplexFFT Fast Fourier TransformFiWi Fiber-WirelessGSM Global System for Mobile CommunicationsHSDPA High Speed Uplink Packet AccessHSPA+ Evolved High Speed Packet AccessHSUPA High Speed Uplink Packet AccessIBI Inter-Block InterferenceICI Inter-Carrier InterferenceIDFT Inverse Discrete Fourier TransformIF Intermediate FrequencyIFDMA Interleaved Frequency Division Multiple AccessIFFT Inverse Fast Fourier TransformIMI Intermodulation InterferenceIM-DD Intensity Modulation with Direct DetectionISI Intersymbol InterferenceLAN Local Area NetworkLFDMA Localized Frequency Division Multiple AccessLO Local OscilatorLTE Long Term EvolutionMIMO Multiple Input Multiple OutputMMSE Minimum Mean Square ErrorMMW Milimetre WaveMZM Mach-Zehnder Modulator

xiii

xiv ABREVIATURAS E SMBOLOS

ODSB Optical Double SidebandO/E Opto-ElectronicsOFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexOFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple AccessPAPR Peak to Average Power RatioPON Passive Optical NetworkPSK Phase Shift KeyingQAM Quadrature Amplitude ModulationQPSK Quadrature Phase Shift KeyingRBS Remote Base StationRF Radio FrequencyRIN Relative Intensity NoiseRoF RF over fiberRU Remote UnitSC-FDMA Single Frequency Division Multiple AccessSNR Sinal to Noise RatioTDD Time Division DuplexTTI Transmit Time IntervalsW-CDMA Wide-Band Code-Division Multiple AccessUMTS Universal Mobile Telecommunication SystemWDM Wavelength-divison MultiplexingWiMAX World-wide Interoperability for Microwave AcccessZF Zero Forcing

Captulo 1

Introduo

Este captulo apresenta os objetivos do trabalho proposto, a motivao e interesse que justifi-

cam a realizao deste projeto, e a estrutura e organizao do documento.

1.1 Enquadramento

As comunicaes sem fios, conhecidas pelo anglicismo Wireless, consistem na propagao de

ondas eletromagnticas em espao livre. Este tipo de comunicaes vantajosa para o utilizador

porque lhe garante mobilidade de comunicar e aceder Internet sem necessitar de uma ligao

fsica, e tambm permite a partilha de recursos como o caso da reatribuio de canal a outro

utilizador depois de ser utilizado por outro.

A evoluo das comunicaes sem fios tem sido grande desde do primeiro transporte de uma

sinal RF numa fibra tica realizado em 1980 por Brenci e Checcaci [11], nomeadamente, na rea

das redes mveis. A transio da segunda gerao de sistemas de comunicao mveis (2G)

suportada pelo GSM (Global System for Mobile Communications) que oferecia um dbito binrio

de 9.6 Kbits/s para terceira gerao de sistemas de comunicao mveis (3G) suportada pelo

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ocorreu por volta do ano 2002 e aumentou

os dbitos para, tipicamente entre os 64 e os 384 Kbits/s. Com a extenso HSPA (High Speed

Packet Access) foram obtidos dbitos at 7.2 Mbits/s na ligao descendente [12]. Contudo, era

claro que os sistema 3G no eram uma soluo final, tendo sido necessrios novos sistemas que

aumentassem ainda mais os dbitos existentes como so o WiMAX (World-wide Interoperability

for Microwave Acccess) e a quarta gerao de sistemas de comunicao mveis (4G) suportada

pelo LTE (Long Term Evolution), visto que os servios emergentes tm requisitos cada vez mais

exigentes em termos de dbito binrio e largura de banda.

O LTE veio permitir dbitos de 100 Mbits/s na ligao descendente (downlink) usando a tc-

nica de multiacesso OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), uma extenso da

modulao OFDM, e 50 Mbits/s na ligao ascendente (uplink) usando a tcnica de multiacesso

SC-FDMA [13].

1

2 Introduo

Tabela 1.1: Comparao entre redes de telecomunicaes [10]

UMTS (W-CDMA) HSPA HSPA+ LTE

Pico no uplink 384 Kbits/s 14.4 Mbits/s 168 Mbits/s 86.4 Mbits/s

Pico no downlink 128 Kbits/s 5.76 Mbits/s 672 Mbits/s 326.4 Mbits/s

Round Trip Time 150 ms 100 ms 50 ms 10 ms

Release 3GPP Rel 99/4 Rel 5/6 Rel 7 Rel 8/9

Acesso mltiplo CDMA/FDD CDMA/FDD CDMA/FDD OFDMA/SC-FDMA

1.2 Objetivos

O principal objetivo deste projeto passa por estudar e avaliar o desempenho de uma ligao

ponto-a-ponto de um sistema RoF baseado na modulao SC-FDMA comparativamente modu-

lao OFDM.

Para isso, o primeiro passo o desenvolvimento em MATLAB do transmissor e do recetor SC-

FDMA, assim como a respetivas integrao e simulao num sistema RoF completo baseado em

modelos j disponveis de conversores electro-ticos (E/O), nomeadamente lasers e moduladores

Mach-Zehnder.

O passo seguinte ser a avaliao do sistema SC-FDMA usando diferentes parmetros de sinal

e de converso E/O. Ser tambm realizada uma comparao com ligaes equivalentes usando

modulaes OFDM j desenvolvidas.

No final, sero validados os resultados obtidos na simulao atravs da realizao de testes

experimentais usando lasers e/ou moduladores ticos e o equipamento laboratorial necessrio.

1.3 Motivao

A aposta do standard LTE na tcnica SC-FDMA para a ligao ascendente vem reduzir o PAPR

(Peak to Average Power Ratio) muito elevado da modulao OFDM, que requeria amplificadores

de elevado custo, ineficientes e com elevadas exigncias de linearidade, que encurtavam a vida da

bateria de qualquer dispositivo mvel.

1.4 Estrutura do documento

Este relatrio encontra-se dividido em 5 captulos. O captulo 1, j introduzido anteriormente,

serve de introduo para que o leitor se enquadre no contexto do trabalho realizado. No captulo

2 apresentada a reviso da bibliogrfica e o levantamento do estado da arte. No captulo 3 so

caracterizados os problemas a tratar e as solues propostas, assim como a arquitetura do sis-

tema. No captulo 4 apresenta-se as tecnologias e ferramentas a usar. No captulo 5, so retiradas

algumas concluses e descrito o trabalho futuro.

Captulo 2

Reviso Bibliogrfica

2.1 Radio-sobre-Fibra

Desde o incio dos anos 80 que tm vindo a a ser desenvolvidos mtodos para transportar

sinais RF (Radio Frequency) em fibras ticas, sendo o primeiro transporte realizado pro Brenci

e Checcacci em 1980 [14]. Em 1990, Cooper efetuou a primeira transmisso RoF (Radio-over-

Fiber) ligada s redes mveis, onde props e demonstrou uma aplicao de telefone sem fios de

curto alcance (CT2) a operar sobre uma ligao de fibra tica.

Nos ltimos anos, com a implementao dos sistemas de quarta gerao de redes mveis (4G)

ou tambm conhecida com LTE (Long Term Evolution) c com os sistemas MIMO ()Multiple-

Input Multiple-Output a serem cada vez mais utilizados, a tecnologia RoF passou a ser associada

a estas tecnologias. Um dos projetos mais recentes que utilizam a tecnologia RoF o projeto

FUTON [15], iniciado em 2008 e finalizado em 2010, onde foi desenvolvida e implementada

uma arquitetura RoF assente no sistema LTE que permitiu o tratamento conjunto de informao

de vrias RBSs (Remote Base Station).

Um sistema RoF pode ser descrito por um sinal RF modulado sobre uma portadora tica,

que transmitido numa fibra tica e recebido por um fotodetetor. Estes sistemas tm como

principal objetivo de simplificar as BSs, porque todo o processamento dos sinais transmitidos

esta centralizado na CS (Central Station). Os sinais so enviados atravs de uma fibra tica de

uma forma transparente, at unidade remota ou RU (Remote Unit), formado por uma antena

para a receo e a emisso do sinal e por um sistema de converso O-E (Opto-Electronics)/ E-O

(Electro-Optic). O sinais RF transportados sobre as portadoras ticas so normalmente modulado

em intensidade com deteo direta ou IM-DD (Intensity Modulation with Direct Detection).

2.1.1 Arquitetura

Um sistema RoF composto por uma CS e uma ou mais BSs que cobrem uma determinada

rea. No sentido descendente (downlink), a CS realiza a multiplexagem, modulao e processa-

mento do sinal a enviar para a BS. No sentido ascendente (uplink), a CS realiza a desmultiplexa-

gem e a desmodulao do sinal recebido da BS. No downlink, as BSs realizam a converso O-E

3

4 Reviso Bibliogrfica

dos sinais recebidos para que estes possam ser amplificados e radiados pela antena. No uplink, os

sinais eltricos que chegam antena, vindo de estaes mveis tm de ser convertidos em ticos

atravs de um conversor E-O, para serem transmitidos pela fibra tica at CS, tal como visvel

na Figura 2.1

Figura 2.1: Arquitetura genrica de uma rede RoF [1]

Genericamente, existem 3 mtodos de transporte dos sinais rdio usando uma ligao tica,

representados na Figura 2.2:

RF-sobre-fibra (Radio Frequency-over-fiber): o esquema mais simples de transportar umsinal rdio sobre uma rede de fibra tica passa por transportar diretamente o sinal sobre a

fibra (RF-over-fiber), sem ser necessria uma translao em frequncia na BS remota. Nesta

configurao, o sinal modulado externamente pela portadora tica, resultando num sinal

tico de banda lateral dupla ou ODSB (Optical Double Sideband). As duas bandas laterais

esto localizadas frequncia da portadora rdio, longe da portadora tica. Aps a deteo

na estao base, o sinal recuperado via deteo direta usando um fotodetetor de elevada

velocidade de resposta. O transporte RF-over-fiber tem a vantagem de simplificar o projeto

da BS, com benefcios adicionais de controlo centralizado. A necessidade de tcnicas de

modulao tica de elevada velocidade, o efeito significativo da disperso cromtica na

deteo dos sinais e a necessidade de fotodetetores de elevada velocidade para converter o

sinal tico modulado de volta para o domnio RF constituem as trs principais desvantagens

deste esquema [2].

IF-sobre-fibra (Intermediate Frequency-over-fiber): os sinais rdio so convertidos na CSpara uma frequncia intermdia (IF) menor, antes da transmisso tica. Os efeitos da dis-

perso cromtica na distribuio tica de sinais IF so reduzidos significativamente. Alm

disso, os esquemas de transporte de IF-sobre-fibra tm a vantagem de usarem dispositivos

O/E de baixa velocidade de resposta. Este esquema requer uma oscilador local estvel (LO)

2.1 Radio-sobre-Fibra 5

e misturadores de elevada velocidade de resposta para a translao em frequncia proces-

sada na BS. Contudo, a atualizao ou a reconfigurao da rede para a incluso de canais

rdio adicionais ou para a alterao da frequncia rdio torna-se difcil. Esta limitao pode

ser em parte ultrapassada com a entrega remota via fibra tica do sinal do LO a partir da CS,

permitindo uma controlo centralizado dos sinais dos osciladores locais [2].

BB-sobre-fibra (Baseband-over-fiber): este esquema transporta o sinal rdio como um si-nal banda base sobre a fibra e converte a informao para a frequncia rdio necessria na

antena da BS. Este esquema tem a vantagem de utilizar circuitos eletrnicos e digitados

j solidificados para o processamento do sinal na BS. Alm disso, permite a utilizao de

dispositivos O/E de baixa velocidade de resposta na BS, reduzindo significativamente os

efeitos da disperso cromtica e permite ainda a entrega remota dos sinais dos LOs a partir

da CO, sem necessitar de osciladores locais fsicos na BS. Este esquema, requer que a BS

tenha a capacidade de processar os sinais rdio, antes de os enviar de volta em banda base

para a CS, o que implica um aumento drstica da complexidade da BS [2].

Figura 2.2: Esquemas de transporte do sinal wireless [2]

Um dos principais desafios na implementao de sistemas RoF passa por distribuir eficien-

temente os sinais rdio, usando um funcionamento simples e um design compacto da BS para

tal. Logo, entre os trs esquemas, o esquema de transporte RF-sobre-fibra apresenta um potencial

maior para simplificar o design da BS de sistemas RoF.

2.1.2 Vantagens

Os sistemas Rdio-sobre-Fibra apresentam algumas vantagens, tais como:


Baixa atenuao: o sistemas RoF apresentam um atenuao muito baixa quando compara-dos com outras solues para transporte dos mesmos sinais como so a distribuio eltrica

de microondas e ondas milimtricas (MMW). A distribuio eltrica por microondas pode

ser realizada atravs do espao livre, onde as perdas por absoro e reflexo devidas ao au-

mento da frequncia so um problema, ou pode ser realiza usando linhas de transmisso,

cuja impedncia aumenta com a frequncia. A distribuio de ondas milimtricas pode ser

realizada atravs de linhas de transmisso, mas apresenta perdas muito elevadas.

Largura de banda elevada: as fibras ticas garantem larguras de banda bastante elevadasatravs da combinao de trs principais janelas de transmisso, situadas nos comprimentos

de onda de 850 nm, 1310 nm, e 1550 nm. Numa fibra monomodo, a combinao das larguras

de banda destas trs janelas de transmisso podem exceder os 50THz [16]. A utilizao toda

a largura de banda permitida pela fibra apenas limitada pelos equipamentos eletrnicos

presentem no sistema.

Eficincia de consumo: a reduo da complexidade da BS, diminui o nmero de equipa-mentos utilizados, diminuindo tambm o consumo de potncia [17].

Imunidade s interferncia das frequncias rdio: como so transmitidos apenas sinaisticos, o sistema RoF imune s interferncia eletromagnticas.

Transparente ao tipo de modulao: permite o envio de sinais com modulaes sem res-tries, ou seja, permite a distribuio de diferentes servios ao mesmo tempo [18].

2.1.3 Desvantagens

Os sistemas Rdio-sobre-Fibra so afetados por:

Fontes de rudo: que incluem o RIN (Relative Intensity Noise) do laser, o rudo de fase dolaser, o rudo do fotododo, o rudo trmico associado resistncia de polarizao do dodo

e o rudo do amplificador.

Disperso da fibra monomodo: que inclui a disperso cromtica que limita o alcance dasligaes e pode causar desfasamentos.

Distoro do laser: o laser e o MZM ( Mach-Zehnder Modulator) contribuem para o au-mento deste efeito.

2.1.4 Aplicaes

Os sistemas Rdio-sobre-Fibra so aplicveis a:

Distribuio de multiservios: devido sua transparncia ao tipo de modulao, o sistemaRoF pode ser utilizado nas redes ticas passivas ou PONs (Passive Optical Network) para a

distribuio de sinais de: televiso de alta definio, Internet, voz ou vdeo-vigilncia.

2.2 Long Term Evolution 7

Wireless LAN: trata-se de uma rea com elevada adeso dos utilizadores devido qualidadedo servio.

Redes mveis: permite melhorar a cobertura de zonas de sombra e de difcil acesso por-que possvel colocar uma BS nessas zonas com um custo reduzido e utilizando uma rea

reduzida.

2.2 Long Term Evolution

O LTE ou Long Term Evolution teve as suas origens na indstria das telecomunicaes e no

na comunidade da rede computacional, tendo sido lanado pela TeliaSonera [19] em Dezembro

de 2009. O seu standard foi desenvolvido pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) e est

especificado nos documentos Release 8 [20] e Release 9 [21]. As operadoras de telecomunicaes

mveis esto estrategicamente evoluindo das suas infraestruturas da terceira gerao (3G) para a

quarta gerao (4G), de modo a poder angariar clientes no mercado competitivo do acesso de

banda larga, onde as telecomunicaes de circuito comutados no so mais o servio principal

apesar do ainda ser o maior contributo para as receitas das operadoras.

Os protocolos LTE so baseados no protocolo TCP/IP para controlar a comutao de paco-

tes. Para englobar a elevada variedade de contedos, o LTE definiu vrias classes de QoS e um

modo inativo (sleep mode) [22] para que o ncleo da rede possa gerir o consumo de potncia. O

LTE, assim como o 3G, utiliza as modulaes: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16-QAM

(16-Quadrature Amplitude Modulation) e 64-QAM nas duas direes de transmisso e de uma

forma adaptativa porque so mais robustas em ambientes ruidosos. Utiliza ainda dois modos de

duplexao para separar o trfego do uplink e do downlink: TDD (Time Division Duplex) e FDD

(Frequency Division Duplex).

Um dos elementos-chave do LTE o uso da tcnica OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplex) como como portadora do sinal associado a esquemas de acesso como a tcnica OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e a tcnica SC-FDMA (Single Frequency Divi-

sion Multiple Access), ao contrrio da IEEE 802.16 (WiMAX) que usa a tcnica OFDMA para o

uplink e para o downlink.

2.2.1 Vantagens

O LTE apresenta vantagens aos consumidores e operadores como:

Desempenho e capacidade: permite dbitos de pico at 299.6 Mbits/s na ligao descen-dente e at 75.4 Mbits/s na ligao ascendente, dependendo dos equipamentos utilizados.

Garante ainda uma latncia de transferncia menor de 5 ms na rede de acesso rdio [23].

Flexibilidade e simplicidade: suporta portadoras com largura de banda flexvel de menosde 1.4 MHz at 20 MHz nos modos FDD e TDD [23]. Simplifica a construo e gesto de


redes de prxima gerao porque permite uma autoconfigurao e uma auto-otimizao da

rede.

Diversidade de terminais: permite que dispositivos como telemveis, computadores e ou-tros dispositivos eletrnicos incorporem mdulos LTE que suportam handcover e roaming

para as redes j existentes, sejam sistemas 3GPP ou no.

2.2.2 Desvantagens

O LTE apresenta algumas desvantagens, tais como:

Conectividade limitada: claro que o nmero de regies que possuem 4G est aumentandoa cada dia, no entanto, a conectividade limitada em regies especficas.

Segurana: o risco de sofrer um ataque de vrus e um tracking atravs das cookies numsistema de endereamento IP aumenta significativamente [24].

Custos: a escolha dos melhores processadores para determinada aplicao, o modem ou omodo de gesto de energia so determinantes desempenho e para a vida til da bateria que os

consumidores exigem [25]. O investimento nestes equipamentos acarreta custos adicionais

para as empresas que pretendem utilizar a tecnologia 4G nas suas redes.

2.2.3 Acesso mltiplo

A implementao desta tecnologia apresenta diferena entre o downlink (da BS at o dispo-

sitivo mvel) e o uplink (do dispositivo mvel at BS) como resultado dos diferentes requisitos

entre as duas direes e dos diferentes equipamentos em cada uma das extremidades. O LTE uti-

liza esquemas de acesso mltiplo rede de acesso rdio, para o downlink usa OFDMA e para o

uplink usa o SC-FDMA.

A tcnica OFDMA foi escolhida em vez da CDMA porque menos complexa e mais robusta

a interferncias multicaminho por espalhamento das portadoras sobre o espetro atribudo. Na

Figura 2.3 apresentada a diferena entre a transmisso OFDMA e a SC-FDMA. Enquanto que o

OFDMA envia 4 smbolos QPSK em paralelo com as suas subportadoras, o SC-FDMA envia-os

em srie com 4 vezes a taxa ocupada para a mesma largura de banda oacupada pelos 4 smbolos

OFDMA.

Ainda neste captulo sero descritas estas duas tcnicas em pormenor.

2.3 Orthogonal Frequency Division Multiplex

O OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) uma evoluo do convencional FDM

(Frequency Division Multiplex), onde as subportadoras so sobrepostas porque so ortogonais en-

tre si, no existindo interferncia entre subportadoras e sendo o espetro necessrio reduzido em

2.3 Orthogonal Frequency Division Multiplex 9

Figura 2.3: Transmisso dos smbolos no OFDMA e no SC-FDMA [3]

50 %. A grande diferena entre o OFDM e o FDM est no facto de no FDM, os dados trans-

mitidos so modulados numa nica portadora ou SC (Single Carrier), enquanto que no OFDM,

os dados so transmitidos em paralelo em algumas subportadoras, onde o dbito de cada uma

inversamento proporcional ao nmero de subportadoras usadas na transmisso.

O sistema OFDM baseado numa tecnologia digital, usando a FFT (Fast Fourier Transform)

para transportar o sinal do domnio das frequncias e a IFFT (Inverse Fast Fourier Transform)

para transportar de volta o sinal para o domnio do tempos sem nenhuma perda da informao

original. O comprimento da FFt dever ser mltiplo de 2 para reduzir o nmero de multiplicaes

necessrias.

O sinal OFDM em LTE compreende um mximo de 2048 subportadoras diferentes com um

espaamento de 15 KHz e o tempo de durao do smbolo OFDM igual a 1/f + prefixo cclico(CP). Embora seja obrigatrio que os dispositivos mveis sejam capazes de receber as 2048 sub-

portadoras, nem todas so transmitidas pela estao base, que apenas tem de ser capaz de transmitir

72 sub-portadoras. Desta forma, os dispositivos mveis so capazes de comunicar com qualquer

estao base [26].

Sumariamente, as principais caractersticas do OFDM so:

Modulao usando multiportadoras

Ortogonalidade entre as multiportadoras

Uso do prefixo cclico (CP)

Fcil implementao de equalizadores no domnio das frequncias


2.3.1 Sistema OFDM

Quando necessrio transmitir a um dbito elevado num canal de radio seletivo em frequncia

com um elevado atraso mximo de propagao multicaminho (max) comparado com o tempo desmbolo, a alternativa abordagem clssica monoportadora ou SC dada pela tcnica de trans-

misso OFDM. A ideia genrica da tcnica de transmisso OFDM passa por dividir a largura de

banda total disponvel em vrios sub-canais de banda estreita a frequncia equidistantes. O espetro

do sub-canal sobreposto sobre outro mas as subportadoras dos sinais permanecem ortogonais.

Cada sub-canal modulado individualmente e transmitido simultaneamente de forma sobreposta

e paralela. Um sinal OFDM consiste em N subportadoras adjacentes e ortogonais espaadas por

f. Para sistemas OFDM, o tempo de smbolo TS=1/f deve ser muito maior que o atraso mximodo multicaminho max e a subportadora no modulada do sinal k-simo descrita pela seguintefuno exponencial complexa com uma frequncia de portadora igual a kf [5].

gk(t) = e j2pik f t , t [0,TS] (2.1)

Como a largura de banda do sistema subdividida em N sub-canais de banda estreita, o tempo

de smbolo OFDM N vezes maior que no caso de um sistema de transmisso SC para a mesma

largura de banda. O nmero de subportadoras escolhido de modo que o tempo de smbolo seja

suficientemente maior que o max. Para manter a interferncia entre portadoras ou ICI (Inter-Carrier Interference) a um nvel tolervel, o espaamento f deve ser maior o suficiente para quea frequncia mxima de Doopler ou fDmax.

4max Ts 0.03fDmax (2.2)

O tempo de smbolo do sinal da subportadora, gk(t), estendido por um tempo de guarda TG,

isto , ao smbolo adicionado um prefixo cclico (CP) formado por uma cpia da ltima poro

do smbolo a transmitir. O tempo de smbolo deve ser maior que o max de modo a prevenir aISI (Intersymbol Interference) que pode ocorrer no tempo de transio entre dois smbolos OFDM

adjacentes num canal multicaminho. Assim, o tempo total de smbolo OFDM igual TS+TG.

gk(t) = e j2pik f t , t [TG,TS] (2.3)

A frequncia da subportadora no afetada pelo canal, isto , todas as subportadoras conti-

nuam ortogonais entre si no recetor e sada do canal porque o canal apenas afeta as amplitudes

e as fase individualmente. Com esta propriedade, o sinal recebido formado pelas subportadoras

sobrepostas pode ser dividido diretamente em diferentes sub-canais pela transformada de Fourier

e cada sinal da subportadora pode ser recuperado individualmente usando um equalizador e um

desmodulador no recetor.


Figura 2.4: Adio do prefixo cclico ou CP [4]

Do lado do transmissor, cada sinal da subportadora modulado individualmente e de uma

forma independente pelo valor do smbolo complexo de modulao Sn,k, onde n se refere ao inter-

valo de tempo e k se refere ao nmero da subportadora no smbolo OFDM.

sn(t) =N1k=1

Sn,kgk(tnT ) (2.4)

O sinal transmitido em total que engloba todos os smbolos OFDM transmitidos sequencial-

mente descrito pela seguinte equao:

sn(t) =

n=0

N1k=0

Sn,ke j2pik f (nnT )rect(

2(tnT )+TGTS2T

)(2.5)

A expresso analtica do sinal mostra que aplicado a cada subportadora um impulso rectan-

gular, o que faz com que o espetro de todos os sinais das subportadoras seja formado por funes

senocardinal equidistantes em frequncia.O espetro do sinal da subportadora k descrito pela

seguinte equao e visvel na Figura 2.5.

Gk( f ) = T.sinc[piT ( f k f )] (2.6)

Como os sinais continuam ortogonais entre si, os smbolos modulados transmitidos Sn,k podem

ser recuperados atravs de um tcnica de correlao em cada recetor.

Corr =1TS

TS0

sn(t)gk(t)dt = 1TS TS

0

N1

m=0Sn,mgm(t)gk(t)dt

=N1

m=0Sn,m

1TS

TS0

gm(t)gk(t)dt =N1

m=0Sn,mm,k = Sn,k

(2.7)

Em aplicaes prticas, o sinal OFDM transmitido sn(t) gerado em tempo discreto na banda


Figura 2.5: Espetro do sinal OFDM [4]

base digital. O sinal transmitido deve ser amostrado com um intervalo de amostragem t=1/B=1/Nf.A equao abaixo descreve a transformada discreta de Fourier inversa aplicada a cada Sn,k de todas

as subportadoras de um nico smbolo OFDM.

s(t) =N1k=0

Sn,ke j2pik f t (2.8)

s(it) =N1k=0

Sn,ke j2pik f it (2.9)

sn,i =N1k=0

Sn,ke j2piik/N (2.10)

O sinal recebido representado pela convolao do sinal temporal transmitido com a resposta

impulsional do canal h(t) e um termo de rudo branco Gaussiano aditivo.

rn(t) = sn(t)hn(t)+n(t) (2.11)

O sinal recebido em tempo contnuo r(t) pode ser separado em componentes ortogonais mesmo

com situaes de desvanecimento, aplicando a seguinte tcnica de correlao:

Rn,k =1TS

TS0

rn(t)e j2pik f tdt (2.12)


Figura 2.6: Sistema OFDM [5]

Equivalentemente, o processo de correlao no recetor pode ser aplicado ao sinal discreto

recebido da sada do conversor A/D e pode ser aplicada a DFT (Discrete Fourier Transform):

Rn,k =1N

N1i=0

rn,ie j2pik/N (2.13)

Se tempo de smbolo OFDM for escolhido de modo a ser muito menor que o tempo coe-

rente do canal de radio Tc, a funo de transferncia variante no tempo do canal radio H(f,t)

pode ser considerada como constante durante o intervalo T de cada smbolo modulado Sn,k para

todas as subportadoras. Neste caso, o efeito do canal radio em situaes de propagao por mul-

ticaminho pode ser descrita analiticamente pela multiplicao de canal subportadora gk(t) com

Hn,k=H(kf,nT), e a sada da DFT descrita pelas seguintes expresses:

rn(t) = sn(t)hn(t)+n(t) (2.14)rn,i = sn,i hn,i+nn,i (2.15)

Rn,k = Sn,k Hn,k +Nn,k (2.16)

O sistema OFDM inclui um processo IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform), um intervalo

de guarda, um conversor D/A, um conversor ascendente e outro descendente da parte RF, um canal

de rdio seletivo em frequncia, um conversor A/D e um processo DFT. Os clculos da IDFT

e da DFT podem ser implementados de forma eficiente atravs de algoritmos da transformada

rpida de Fourier (FFT) como o Radix 2, que permite reduzir a complexidade computacional.

A sincronizao em frequncia no recetor deve ser precisa para prevenir qualquer interferncia


interportadoras (ISI). A diviso da largura de banda disponvel em vrias sub-bandas permite

adaptar a subportadora aos parmetros de transmisso como o esquema de modulao e a potncia

de transmisso de acordo com estado do canal medido e observado.

2.4 Single Carrier - Frequency Division Multiple Access

Acesso mltiplo por diviso em frequncia de uma nica portadora ou SC-FDMA (Single Fre-

quency Division Multiple Access) uma forma modificada do OFDMA e trata-se de uma tcnica

promissora no futuro dos sistemas de telecomunicaes na ligao ascendente com dbito binrio

elevado.

2.4.1 SC-FDMA vs OFDMA

O SC-FDMA tem um dbito similar e essencialmente a mesma complexidade global que o

OFDMA utilizado na ligao descendente do standard LTE. A principal vantagem do SC-FDMA

a sua menor razo entre a potncia pico e a potncia mdia (PAPR) do que o OFDMA.

Em aplicaes mveis, a grande vantagem do OFDMA a sua robustez na presena de pro-

pagao de sinais de caminhos mltiplos devida ao facto da transmisso de informao utilizar

M portadoras a frequncias ortogonais, onde cada uma opera a 1/M vezes a taxa de bit do sinal

de informao. Contudo, a forma de onda OFDMA exibe vrias flutuaes pronunciadas no en-

velope resultantes do elevado PAPR, que se reflete na necessidade de amplificadores de potncia

de elevada linearidade para prevenir a distoro de intermodulao excessiva. Para conseguir essa

linearidade, o amplificador tem que operar numa zona afastada da regio que garante a potncia

potncia de pico, resultando numa diminuio da eficincia de potncia.

Outra desvantagem da utilizao do OFDMA na ligao ascendente deriva do inevitvel des-

vio nas referncias em frequncia dos diferentes terminais que transmitem simultaneamente, o

que resulta na destruio da ortogonalidade das transmisses e consequente introduo de inter-

ferncias de acesso. Para ultrapassar estas desvantagens, 3GPP utiliza uma forma modificada do

OFDMA para transmisses LTE na ligao ascendente para sistemas mveis, o SC-FDMA.

Os transmissores em sistemas SC-FDMA usam diferentes frequncias ortogonais (subporta-

doras) para transmitir os smbolos de informao, tal como o OFDMA. Mas, a transmisso das

subportadoras realizada sequencialmente, em vez de ser em paralelo, que comparativamente

com o OFDMA, acaba por reduzir consideravelmente as flutuaes no envelope da forma de onda

transmitida, tornando o PAPR do SC-FDMA mais baixo que o OFDMA. Assim sendo, o custo do

processamento do sinal reduzido porque o amplificador no necessita de operar numa regio to

afastada da que garante a potncia de pico, uma vez que a substancial interferncia intersimblica

do sinal que chega estao base cancelada com uma igualizao adaptativa no domnio das

frequncias.

2.4 Single Carrier - Frequency Division Multiple Access 15

2.4.2 Transmisso e receo dos dados

A transmisso e a receo de num sistema SC-FDMA est ilustrada na Figura 2.7 e apresenta

as seguintes etapas:

1. O transmissor de um sistema SC-FDMA converte um sinal binrio de entrada numa sequn-

cia de subportadoras moduladas. O processamento do sinal repetitivo em alguns intervalos

de tempo diferentes (intervalos temporais de transferncia ou TTIs, que para 3GPP igual

a 0.5 ms). Os TTIs so divididos em intervalos temporais referidos como blocos (intervalo

de tempo necessrio para transmitir todas as subportadoras). Na entrada do transmissor, um

modulador de banda base transforma uma entrada binria com uma sequncia multi-nvel

de nmeros complexos num dos vrios formatos de modulao: BPSK, QPSK, 16-QAM ou

64-QAM [2].

2. O primeiro passo na modulao das portadoras SC-FDMA passa pela utilizao de uma

transformada discreta de Fourier (DFT) de N pontos para obter a representao em frequn-

cias dos smbolos de entrada. Cada uma das N sadas da DFT d origem a M subportadoras

ortogonais que podem ser transmitidas. O fator de expanso da largura de banda da sequn-

cia de smbolos igual a Q = M/N e indica que o sistema pode processar Q transmisses

simultneas sem interferncia entre canais, quando todos os terminais transmitem N smbo-

los por bloco.

3. O resultado do mapeamento das subportadoras um conjunto M amplitudes diferentes de

subportadoras complexas, onde N amplitudes so diferentes de zero.

4. Em seguida, tal como no OFDMA, a IDFT com M pontos transforma as amplitudes das

subportadoras num sinal complexo no domnio dos tempos.

5. Antes da transmisso so realizadas duas outras operaes de processamento: a primeira

insere um conjunto de smbolos denominados de prefixo ciclo (CP) de forma a garantir

um tempo de guarda para prevenir interferncias entre os blocos (IBI) devida propagao

multicaminho, e a segunda operao realiza a filtragem linear denominada de pulse shaping

de modo a reduzir a energia do sinal fora da banda. Notar que o CP uma cpia da ltima

parte do bloco e adicionado ao princpio do bloco por duas razes: primeiro, como o

CP atua como um tempo de guarda entre blocos sucessivos, o tamanho do CP deve ser

maior que o mximo atraso de espalhamento do sinal, ou mais grosseiramente, maior que

o comprimento da resposta impulsional do canal para que no ocorra IBI; segundo, como

o CP uma cpia da ltima parte do bloco, este converte uma convoluo linear em tempo

discreto numa convoluo circular em tempo discreto.

6. Assim, os smbolos transmitidos sequencialmente propagam-se no canal podem ser mo-

delado como uma convoluo circular entre a resposta impulsional do canal e o bloco de


Figura 2.7: Transmissor e recetor dos sistemas SC-FDMA e OFDMA [2]

dados transmitido, que no domnio das frequncias representa uma multiplicao das amos-

tras DFT. Para remover a distoro do canal, a DFT do sinal recebido pode ser simplesmente

dividida pela resposta impulsional do canal.

7. O recetor remove o CP, transporta o sinal recebido para o domnio das frequncias usando

a DFT, retira o mapeamento das subportadoras e depois realiza uma equalizao no dom-

nio das frequncias para combater a interferncia intersimblica (ISI) devida modulao

monoportadora usada no SC-FDMA.

8. Ainda no recetor, depois da equalizao, os smbolos so novamente transportados para o

domnio dos tempos usando a IDFT, e a deteo e a descodificao tem lugar tambm no

domnio dos tempos.

Todas as consideraes praticas referidas anteriormente favorecem o erro quadrtico mdio

mnimo ou MMSE (Minimum Mean Square Error) da equalizao no domnio dos tempos, que

comparativamente com o forar a zero ou ZF, (Zero Forcing) mais robusta contra o rudo [2].

O transmissor e o recetor SC-FDMA so muito semelhantes aos da modulao OFDMA, Fi-

gura 2.7, a nica diferena a existncia de uma DFT no transmissor SC-FDMA e uma IDFT

no recetor SC-FDMA, por esta razo a modulao SC-FDMA muitas vezes referida como

frequency-spread OFDMA ou DFT-spread OFDMA.

2.4 Single Carrier - Frequency Division Multiple Access 17

2.4.3 Mapeamento das subportadoras

Tal como no OFDMA, existem algumas abordagens para o mapeamento dos smbolos transmi-

tidos nas subportadoras SC-FDMA que podem ser consideradas e esto divididas em dois grupos:

distribuda e localizada. No mapeamento localizado, cada terminal usa um conjunto de suporta-

doras adjacentes para transmitir os seus smbolos, confinando a sua largura de banda a um frao

da largura de banda do sistema. Alternativamente, no mapeamento distribudo, as subportadoras

usadas so espalhadas pelo terminal sobre toda a banda do sinal, tal como ilustram as Figura 2.8.

Figura 2.8: Mapeamento localizado e mapeamento distribudo [6]

No modo mapeamento distribudo de subportadora, utilizado na tcnica Interleaved SC-FDMA,

as sadas DFT so alocadas ao longo da largura de banda com os zeros a ocupar as subportado-

ras no utilizadas, resultando num espetro com forma de pente no contnuo. No modo de ma-

peamento localizado de subportadora, utilizado na tcnica Localized SC-FDMA, as portadoras

consecutivas so ocupadas pelas sadas da DFT, resultando num espetro contnuo que ocupa uma

frao da largura de banda total disponvel, tal como visvel na Figura 2.9.

Figura 2.9: Mapeamentos localizado e intercalado [6]


Para cada mtodo de mapeamento de suportadoras existem dois tipos de mtodos de plane-

amento: um dependente do canal (CDS) e estticos. Os CDS delegam as subportadoras para os

utilizadores de acordo com resposta em frequncia do canal de cada utilizador. Para os dois mto-

dos de planeamento, o mapeamento distribudo de subportadoras garante diversidade de frequncia

porque o sinal transmitido espalhado por toda a largura de banda. Em contraste, CDS o grande

benefcio para o mapeamento localizado de subportadora porque proporciona uma diversidade

significativa de multiutilizador.

2.4.3.1 PAPR

O PAPR definido como a razo entre a potncia de pico e a potncia mdia do sinal transmi-

tido num determinada bloco de transmisso. Sem pulse shaping, isto , usando um pulse shaping

rectangular, a taxa de amostragem dos smbolos ir obter o mesmo PAPR que no domnio contnuo

dos tempo, caso a SC-FDMA seja modulada usando uma nica portadora.

A comparao do PAPR entre as tcnicas OFDMA e SC-FDMA com as variantes interleaved

SC-FDMA e localized foi realiza no [2]. Sem filtros de pulse shaping, o interleaved SC-FDMA

apresenta um melhor PAPR. Comparado com o PAPR do OFDMA, o PARP do interleaved SC-

FDMA com modulao QPSK cerca de 10 dB menor, enquanto que o PAPR do localized SC-

FDMA cerca de 3 dB menor. Usando a modulao 16-QAM, a diferena de cerca de 7 dB e 2

dB, respetivamente.

Logo, o interleaved SC-FDMA a tcnica de modulao preferida para reduzir o PAPR. Os

filtros de pulse shaping acabam por degradar o nvel do PAPR do interleaved SC-FDMA, mas no

afetam o localized SC-FDMA.

2.5 Desempenho do sistema

Alm do parmetro PAPR j abordado na seco anterior, o desempenho de sistema RoF pode

ser avaliado segundo parmetros como: a BER, a SNR, a probabilidade de erro ou a densidade

espetral de potncia.

2.5.1 BER

A BER (Bit Error Rate) ou taxa de bits errados igual razo entre o nmero de bits errados

e o nmero total de bits transferidos para um determinado intervalo de tempo. Onde, o nmero

de bits so os bits que foram alterados durante seu transporte no canal de comunicao devido ao

rudo, s interferncias ou distoro. Em qualquer modulao adotada, a BER pode ser sempre

expressa em funo da relao sinal-rudo (SNR).

2.5.2 SNR

A relao sinal-rudo ou SNR (Signal to Noise Ratio) representa a razo entre a energia de bit

(Eb) e a densidade espetral da potncia do ruido (N0), e normalmente expressa em dB.

2.5 Desempenho do sistema 19

SNR =EbN0

(2.17)

2.5.3 Probabilidade de erro

A probabilidade de erro (Pb) representa a taxa de erros presentes no sinal recebido. Utili-

zando uma deteo coerente e para um canal AWGN, a probabilidade de smbolo errado para as

modulaes M-PSK e M-QAM descrita pelas expresses abaixo.

No caso de modulaes M-PSK, a probabilidade de smbolo errado igual a [27]:

Pe = 2Q

2Eb log(M)N0

sin( pi

M

)= er f c[EbN0

sin( pi

M

)](2.18)

A relao entre a funo complementar de erro (erfc) e a funo-Q igual a [27]:

Q(x) =12

er f c(

x2

)(2.19)

No caso das modulaes M-QAM, a probabilidade de smbolo dada pela seguinte equao:

Pe = 4(

1 1M

)Q

[3Eav

(M1)N0

]= 2

(1 1

M

)er f c

(3Eav

2(M1)N0

)(2.20)

Onde, Eav - valor mdio da energia do smbolo transmitido numa modulao M-QAM

2.5.4 Densidade espetral de potncia

A densidade espetral de potncia ou PSD (Power Spectral Density) uma funo que descreve

a distribuio da potncia do sinal na frequncia respetiva. Numa simulao MATLAB, a funo

spectrum estima o espetro caracterstico do sinal e a funo psd descreve a potncia caracterstica

do sinal. A potncia mdia do sinal na respetiva banda de frequncias determinada pela razo

entre o resultado da funo psd e da funo spectrum.

Captulo 3

Caracterizao do problema

3.1 O problema

O principal problema a tratar passa por conceber e testar um sistema rdio-sobre-fibra que

utilize sinais SC-FDMA a partir de um sistema OFDM j desenvolvido.

3.2 Soluo proposta

A soluo proposta passa por desenvolver numa primeira fase, o transmissor e o recetor SC-

FDMA utilizando a linguagem MATLAB, integrando-os, posteriormente, num sistema RoF, de-

senvolvido tambm em MATLAB, constitudo por elementos, descritos na seco 4.3, como: um

laser DFB, um modulador Mach-Zehnder, um fotododo PIN e um desmodulador Mach-Zehnder.

Sero abordados vrios cenrios, variando para isso parmetros da simulao como: o nmero

de subportadoras, o comprimento do prefixo cclico, a modulao (BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-

QAM) e a largura de banda do sistema. Tentando assim, garantir o melhor desempenho possvel.

A avaliao do seu desempenho ser realizada recorrendo a parmetros descritos na subseco

2.5 como: o PAPR, a taxa de bits errados ou BER (Bit Error Rate), a relao sinal-rudo ou SNR

(Signal to Noise Ratio), a probabilidade de erro e a densidade espetral de potncia ou PSD (Power

Spectral Density).

21

22 Caracterizao do problema

3.3 Arquitetura do sistema

O sistema a simular representado na Figura 3.1 composto por 3 mdulos: um transmissor

SC-FDMA, um canal e um recetor SC-FDMA.

O modulador, mais concretamente, o modulador DPSK pode ser formado por um modula-

dor Mach-Zehnder, descrito na subseco 4.3.2.2, e o desmodulador deve ser formado por um

desmodulador Mach-Zehnder.

O transmissor e o recetor foram descritos anteriormente na subseco 2.4.2 e foram incorpo-

rados na arquitetura representada na Figura 3.1.

Na prtica existem algumas perdas no canal que podem ser simuladas, como: o rudo do canal

assumindo que se trata de rudo branco gaussiano aditivo (AWGN) e o desvanecimento seletivo

em frequncia do canal, usando o modelo do desvanecimento de Rayleigh.

Figura 3.1: Diagrama de bloco do sistema SC-FDMA a simular

Captulo 4

Plano de trabalho

4.1 Fase de desenvolvimento

A fase de desenvolvimento compreende 18 semanas de dedicao exclusiva seguindo o plano

de trabalhos representado na Tabela 4.1.

Tabela 4.1: Plano de trabalhos - fase de desenvolvimento

Tarefa Data de incio Data de fim

Implementao do transmissor e recetor OFDM 17/02/14 23/02/14

Desenvolvimento e implementao do transmissor e recetor SC-FDMA

24/02/14 06/04/14

Implementao dos vrios elementos do canal tico (laser, modu-ladores Mach-Zehnder, fontes de rudo)

07/04/14 20/04/14

Avaliao do desempenho dos vrios sistemas RoF implementa-dos atravs de simulao usando diferentes parmetros de sinal(SC-FDMA e OFDM)

21/04/14 18/05/14

Implementao laboratorial dos sistemas simulados, avaliaodos seus desempenhos e comparao com os resultados de simu-lao

19/05/14 1/06/14

Escrita da tese 2/06/14 23/06/14

23

24 Plano de trabalho

4.2 Ferramentas

4.2.1 MATLAB

O MATLAB ou MATrix LABoratory um software direcionado para o calculo numrico, per-

mitindo operaes como: o calculo de matrizes, o processamento de sinaise e a construo de

grficos. Este programa apresenta algumas extenses, sendo o Simulink a mais importante porque

disponibiliza ao utilizador uma interface de diagrama de blocos.

A linguagem MATLAB uma combinao de linguagem bastante utilizadas como Java, C e

Basic.

O Simulink ser fundamental para a construo do sistema RoF, porque sero utilizados os

modelos disponveis para o modulador Mach-Zehnder, laser, a fibra monomodo ou o fotodetetor.

Neste projeto sero tambm necessrias funes MATLAB como: fft, ifft, rayleighchan, awgn,

erfc, series2parallel ou parallel2series.

4.3 Tecnologias

4.3.1 Fibra tica monomodo

A fibra tica monomodo, tal como todas as fibras ticas, constituda por um ncleo (com um

ndice de refrao n1) e circundado por uma bainha (com um ndice de refrao n2), onde n1 > n2.

utilizada porque comparativamente com uma fibra multimodo (apresenta bastantes modos de

propagao):

Suporta apenas um nico modo de propagao

Apresenta menores perdas permitindo um maior alcance das ligaes

Apresenta maior largura de banda, permitindo a evoluo para futuros novos servios debanda larga

Assegura uma instalao duradoura, exibindo um tempo mdio de vida superior a 25 anos

4.3.2 Conversores E/O

4.3.2.1 Laser DFB (Distributed feedback)

Um avano tecnolgico na rea de lasers de semicondutor consistiu na substituio de lasers

Fabry-Perot por lasers de realimentao distribuda (DFB). No laser DFB no estritamente ne-

cessrio o uso das faces refletoras na cavidade do laser, uma vez que a reflexo realizada ao longo

de toda a cavidade, de modo distribudo, devido a uma variao peridica no ndice de refrao na

zona ativa imposta pela rede de Bragg (Bragg grating).

Assim, otimizando a estrutura do DFB, consegue-se um espectro bastante puro, isto , prati-

camente monocromtico (com um comprimento de onda B) e com uma boa relao de supressodos modos secundrios ou tambm conhecida como SMSR (Side Mode Supression Ratio).

4.3 Tecnologias 25

B = 2ne f f , (4.1)

onde o perodo do grating, ne f f = nsin(), e n o ndice de refrao do meio, tal como visvel na Figura 4.1 b).

Figura 4.1: a) estrutura do laser DFB; b) funcionamento da realimentao distribuda; c) radiaode um nico modo [7]

4.3.2.2 Modulador Mach-Zehnder

O modulador MZM (Mach-Zehnder) desempenha um papel muito importante no domnio das

comunicaes ticas atuais, por exemplo, para ultrapassar os efeitos negativos da modulao direta

de lasers, mais propriamente o chirp. O funcionamento do modulador Mach-Zehnder baseia-se

num efeito eletro-tico linear. A tenso aplicada muda o ndice de refrao do material eletro-

tico. A sua estrutura tica integrada transforma o deslocamento de fase ptico induzido numa

mudana na intensidade, com o dispositivo a exibir uma caracterstica de cosseno elevado. A

no-linearidade do MZM conduz a produtos de intermodulao.

O mecanismo utilizado garante que a luz que se propaga no guia de onda ramificada em duas

direes e a corrente do sinal modulado flui pelo centro de cada ramo. A fase do sinais propagados

em cada ramo so simtricas, sendo o avano e o atraso de fase compensados quando os dois sinais

so mais tarde combinados, tal como visvel na Figura 4.2.

A razo entre o campo eltrico sada e entrada do MZM dada por:

Eout(t)Ein(t)

=12(e j1(t)+ e j2(t))e jc(t) (4.2)


Figura 4.2: Esquema interno do MZM [8]

Figura 4.3: Esquema externo do MZM [9]

i(t) =piVpi

Vi(t), i = 1,2 (4.3)

Segundo a frmula de Euler:

e ji(t) = cos(i(t))+ j sin(i(t)) (4.4)

Ignorando o termo e jc(t) da equao 4.2 porque se trata de um desfasamento que no dete-

tado pelo fotodetetor.

Eout(t)Ein(t)

=12{cos[1(t)]+ cos[2(t)]+ j sin[1(t)]+ j sin[2(t)]}

= cos[1(t)2(t)

2]e

1(t)+2(t)2

(4.5)

4.3 Tecnologias 27

4.3.3 Conversores O/E

4.3.3.1 Fotododo PIN

O fotododo um fotodetetor que converte a potncia tica em corrente eltrica, isto , trata-se

de um conversor opto-eletrnico. Um fotododo PIN composto por duas regies p e n que so

fortemente dopadas, que esto separadas por uma regio intrnseca de depleo levemente dopada

para aumentar a absoro que gera a corrente eltrica na sua sada e para diminuir a capacidade de

juno P-N.

Quando a energia absorvida do foto incidente maior que a diferena dos nveis de energias

correspondente banda de conduo e banda de conduo, gerado um par eletro-lacuna

porque o foto faz o eletro deslocar-se da banda de valncia para a banda de conduo. Este

processo combinado com o elevado campo eltrico na regio de depleo, origina um movimento

de cargas que gera um fluxo de corrente no circuito exterior, a corrente foto-detetada.

Referncias

[1] H. B. Kim, Radio over Fiber based Network Architecture. Thesis, Technische UniversittBerlin, 2005.

[2] H. G. Myung, J. Lim, and D. J. Goodman, Single carrier fdma for uplink wireless transmis-sion, EEE Vehicular Technology Magazine, 2006.

[3] M. Rumney, 3gpp lte: Introducing single-carrier fdma, Agilent Measurement Journal,vol. 4, 2008.

[4] E. M. D. Conde, Tcnicas de deteco para o sistema LTE no sentido ascendente. Thesis,Universidade de Aveiro, 2012.

[5] H. Rohling, Concepts for Future Communication Systems. Springer, 2011.

[6] XIRIA, Single carrier fdma in lte. http://www.ixiacom.com/pdfs/library/white_papers/SC-FDMA-INDD.pdf. [Online; accessed 4-Fev-2014].

[7] N. Instruments, Laser diodes. http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/125.[Online; accessed 13-Fev-2014].

[8] S. V. Hum, Electro-optic modulators for radio-on-fiber applications. Thesis, University ofCalgary,Department of Electrical and Computer Engineering, 2001.

[9] J. M. B. Oliveira, H. M. Salgado, and M. R. D. Rodrigues, Large signal analysis of mach-zehnder modulator intensity response in a linear dispersive fiber,

[10] CEDET, Lte: Long term evolution arquitetura bsica e acesso mlti-plo. http://www.cedet.com.br/index.php?/Tutoriais/Telecom/lte-long-term-evolution-arquitetura-basica-e-acesso-multiplo.html. [Online; accessed 4-Fev-2014].

[11] L. Kazovsky, S.-W. Wong, T. Ayhan, K. M. Albeyoglu, M. R. N. Ribeiro, and A. Shastri,Hybrid opticalwireless accessnetworks, Proceedings of the IEEE, vol. 100, 2012.

[12] H. G. Myung, Introduction to single carrier fdma, in 15th European Signal ProcessingConference, EURASIP, 2006.

[13] C. Ciochina and H. Sari, A review of ofdma and single-carrier fdma, 2010.

[14] M. Brenci and P. Checcacci, Rf reference signal transport by optical fibers, IEEE Transac-tions on Communications, vol. 28, no. 10, pp. 1847 1848, 1980.

[15] Futon - fibre-optic networks for distributed extendible heterogeneous radio architectures andservice provisioning. http://www.ict-futon.eu/. [Online; accessed 2-Fev-2014].

29

30 REFERNCIAS

[16] G. Keiser, Optical Fiber Communications. McGraw Hill, Singapore, 1991.

[17] H. Chettat, L. Simohamed, Y. Bouslimani, and H. Hamam, Rof networks : A comprehensivestudy, 2008.

[18] W. Jemison, E. Funk, M. Bystrom, and P. Herczfeld, Fiber radio: from links to networks,2002.

[19] Wikipdia, Teliasonera. http://en.wikipedia.org/wiki/TeliaSonera. [On-line; accessed 3-Fev-2014].

[20] 3GPP, Overview of 3gpp release 8, report, 2013.

[21] 3GPP, Overview of 3gpp release 9, report, 2013.

[22] R. Wang, J. Thompson, and H. Haas, A novel time-domain sleep mode design for energy-efficient lte, 2010.

[23] Wikipdia, Long term evolution. http://pt.wikipedia.org/wiki/Long_Term_Evolution. [Online; accessed 3-Fev-2014].

[24] S. Harnal, Analysis on 4g technology, International Journal of Advanced Research in Com-puter Science and Software Engineering (IJARCSSE), vol. 3, no. 3, pp. 624628, 2013.

[25] B. Krenik, 4g wireless technology: When will it happen? what does it offer?, 2008.

[26] Radio-Electronics, Lte ofdm, ofdma and sc-fdma. http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/lte-long-term-evolution/lte-ofdm-ofdma-scfdma.php. [Online; acces-sed 4-Fev-2014].

[27] W.-S. Wuen, Mobile communications digital modulation and detection. http://www.burakkurt.net/dersler/TEL413E-Introduction_to_Mobile_Communications/05_modulation_handout_3_Aralik.pdf. [Online; acces-sed 14-Fev-2014].

Pgina de RostoContedoLista de FigurasLista de Tabelas1 Introduo1.1 Enquadramento1.2 Objetivos1.3 Motivao1.4 Estrutura do documento

2 Reviso Bibliogrfica2.1 Radio-sobre-Fibra2.1.1 Arquitetura2.1.2 Vantagens2.1.3 Desvantagens2.1.4 Aplicaes

2.2 Long Term Evolution2.2.1 Vantagens2.2.2 Desvantagens2.2.3 Acesso mltiplo

2.3 Orthogonal Frequency Division Multiplex2.3.1 Sistema OFDM

2.4 Single Carrier - Frequency Division Multiple Access2.4.1 SC-FDMA vs OFDMA2.4.2 Transmisso e receo dos dados2.4.3 Mapeamento das subportadoras

2.5 Desempenho do sistema2.5.1 BER2.5.2 SNR2.5.3 Probabilidade de erro2.5.4 Densidade espetral de potncia

3 Caracterizao do problema3.1 O problema3.2 Soluo proposta3.3 Arquitetura do sistema

4 Plano de trabalho4.1 Fase de desenvolvimento4.2 Ferramentas4.2.1 MATLAB

4.3 Tecnologias4.3.1 Fibra tica monomodo4.3.2 Conversores E/O4.3.3 Conversores O/E

Referncias

3gpp report

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