Otimização do Código Convolucional Turbo do WiMAX em Ponto Fixo

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1 Otimização do Código Convolucional Turbo do WiMAX em Ponto Fixo Ailton Akira Shinoda 1 1 Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista - UNESP, Ilha Solteira, SP, Resumo: Este artigo descreve a implementação otimizada do código convolucional turbo, em ponto fixo, de um sistema OFDM baseado no controle adaptativo da taxa de dados da camada física do WiMAX de acordo com o padrão IEEE Keywords: otimização, código convolucional turbo, WiMAX. 1. INTRODUÇÃO A predição feita pelo ITU (International Telecommunication Union) mostra que a demanda dos usuários por serviços de banda larga, mobilidade do terminal e disponibilidade de roaming está tornando-se cada vez mais intensivo. A tendência de operação das novas redes está se concentrando cada vez mais em acesso e coberturas sem fio. E as redes locais sem fio (WLAN) têm alcançando um grande sucesso nesse setor. Mas no momento, a WLAN apresenta várias limitações como pequenas áreas de cobertura (alcance de transmissão) e problemas de interferência devido ao emprego da faixa de freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical). Para superar essas limitações, o comitê do IEEE desenvolveu os padrões x adotada pelo fórum Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) [1], que especifica o acesso banda larga sem fio (WBA). O padrão define a camada física e o MAC (Medium Access Control) do sistema WBA na faixa 2-66 GHz. Pode operar com uma taxa máxima de dados de 75 Mbps e cobertura celular de até 50 km. Os padrões IEEE x consiste de vários subpadrões , a, d e e [2-4]. O IEEE define o acesso banda larga sem fio fixo (FWBA) na faixa GHz em linha de visada; IEEE a estende para 2-11 GHz sem linha de visada. O IEEE d é a revisão dos dois com algumas melhorias no enlace reverso; o IEEE e suporta mobilidade até uma velocidade de 120 km/h e uma estrutura de enlace assimétrica. A seção 2 apresenta a arquitetura e topologia de rede do WiMAX. A seção 3 descreve os principais elementos da camada física (PHY) e a modulação adaptativa do WiMAX no simulador. A seção 4 apresenta o funcionamento da codificação convolucional turbo empregado no WiMAX. A seção 5 mostra os resultados e validação do código convolucional turbo otimizada em ponto fixo. 2. ARQUITETURA E TOPOLOGIA DA REDE A topologia e a arquitetura de rede especificada pelo IEEE está ilustrada na Figura 1. Figura 1 Topologia e arquitetura da rede WiMAX São definidos os elementos Base Station (BS) e Subscriber Station (SS). A BS realiza a interface entre a rede sem fio e uma rede-núcleo (Core Network), suportando interfaces IP, ATM, Ethernet ou E1/T1 [2]. A SS permite ao usuário acessar a rede, por intermédio do estabelecimento de enlaces com a BS, em uma topologia Ponto-Multiponto. Como alternativa à topologia Ponto-Multiponto, o padrão especifica a topologia Mesh (opcional), na qual uma SS pode se conectar a uma ou mais SS intermediárias, até atingir a BS. Nesse caso, trata-se de uma rede multihop, que representa uma estratégia interessante para expandir a área de cobertura total da rede sem a necessidade de um aumento proporcional do número de BSs, o que representa uma economia significativa nos custos de implantação, já que as SSs deverão ter custo bem inferior ao das BSs. 3. CAMADA FÍSICA O padrão a/d define sete combinações de modulação e taxa de codificação que pode ser empregada para alcançar a taxa de dados mais conveniente, baseada nas 1 Serra Negra, SP - ISSN

2 Titulo do Trabalho Autor 1, Autor 2, Autor 3, etc. condições do canal e interferência. A Tabela 1 ilustra essas possíveis combinações. Taxa (ID) Tabela 1 Esquemas de modulação e codificação para o WiMAX. Modulação Taxa de Código Inf. bits/ Símbolo Inf. Bits/ símbolo OFDM Taxa de pico em 5 MHz (Mbps) 0 BPSK 1/2 0,5 88 1,89 1 QPSK 1/ ,95 2 QPSK 3/4 1, , QAM 1/ , QAM 3/ , QAM 2/ , QAM 3/4 4, ,36 A Figura 2 ilustra os vários estágios funcionais do WiMAX PHY. Figura 3 Esquema da modulação adaptativa Trata-se da seleção da modulação a ser utilizada na camada física (QPSK, QAM-16, QAM-64) a partir do nível da relação sinal-ruído percebida no receptor. A partir da negociação entre as estações base e cliente, a modulação a ser adotada é dinamicamente adaptada às condições do enlace de rádio. Esta técnica a ser adotada é dinamicamente adaptada às condições do enlace de rádio. Esta técnica confere maior robustez e flexibilidade ao sistema, Figura 2 Estágios funcionais do WiMAX PHY O primeiro conjunto de estágios está relacionado aos códigos corretores de erros (FEC), que inclui a codificação do canal (no caso desse trabalho empregou-se o código convolucional turbo) e o casamento da taxa de dados (puncturing ou repetição), interleaving e o mapeamento dos símbolos. O próximo conjunto de estágios funcionais trata da construção dos símbolos OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) no domínio da frequência. Durante esse estágio, os dados são mapeados em sub-canais e subportadoras mais apropriados. A seguir são inseridos os símbolos pilotos, responsáveis pela estimação e rastreamento das condições do canal na recepção. Esse estágio também é responsável por qualquer codificação temporal/espacial de diversidade na transmissão, caso seja requerido. O conjunto final de funções está relacionado à conversão dos símbolos OFDM no domínio da frequência para o domínio do tempo. Na tecnologia WiMAX, além do esquema de multiplexação OFDM, adota-se um esquema de modulação adaptativa, conforme a Figura 3. empregada largarmente na tecnologia Wi-Fi [2]. 4. CÓDIGO CONVOLUCIONAL TURBO A idéia básica dos códigos turbos é o emprego de dois códigos convolucionais em paralelo com interleaving entre eles. Códigos convolucionais são utilizados para codificar um fluxo contínuo de dados, mas nesse caso assume-se que os dados estão configurados em blocos fixos, associado ao tamanho do interleaver. A Figura 4 mostra um codificador turbo geral. Figura 4 Codificador Turbo 2 Serra Negra, SP - ISSN

3 O código convolucional turbo (CTC) implementado em ponto fixo foi baseado na especificação do IEEE Std [4] mostrado na Figura 5. mais largo sob a mesma taxa de codificação (o bloco definido pela modulação 64-QAM). A Tabela 2 [4] especifica a concatenação das diversas alocações de subcanais e modulações. Tabela 2 Canal CTC otimizado por modulação Modulação Dados (bytes) Dado Codificado (bytes) Taxa N P0 P1 P2 P3 QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / Figura 5 Código CTC Os bits são alternadamente enviados para A e B, iniciando-se com o bit mais significativo (MSB) do primeiro byte sendo transmitido por A. O codificador é alimentado por blocos de k bits ou N tuplas (k=2*n bits). Para qualquer tamanho de quadro, k é um múltiplo de 8 e N é um múltiplo de 4. Além disso, 8 N/ Os polinômios que descrevem as conexões na notação simbólica são: Ramo da realimentação: 1+D+D 3 Bit de paridade Y: 1+D 2 +D 3 Bit de paridade W: 1+D 3 Inicialmente, o codificador é alimentado por uma sequência natural (posição 1) com endereço incremental i=0...n-1. Esse primeiro codificador é denominado de código C 1. A seguir o codificador é alimentado por uma sequência do interleaver (comutador na posição 2) com endereço incremental j=0,...n-1. Esse segundo codificador é denominado de código C 2. A ordem em que o bit codificado é agrupado na saída é: A,B,Y 1,Y 2,W 1,W 2 = A 0,B 0,..., A N-1,B N-1,Y 1,0,Y 1,1,,Y 1,N-1, Y 2,0,Y 2,1,,Y 2,N-1, W 1,0,W 1,1,,W 1,N-1, W 2,0,W 2,1,,W 2,N-1 O tamanho do bloco codificado depende dos sub-canais alocados e da modulação. A concatenação de sub-canais deve ser feita à fim de aumentar os blocos de codificação onde isso seja possível, contanto que não exceda o bloco QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QPSK / QAM / QAM / QAM / QAM / QAM / RESULTADOS A implementação do CTC foi separado em 3 blocos, mostrado na Figura 6. 3 Serra Negra, SP - ISSN

4 Titulo do Trabalho Autor 1, Autor 2, Autor 3, etc. Figura 6 Diagrama de bloco da geração de pacotes do CTC O esquema do interleaving utilizado, segundo a especificação [4], está ilustrado na Figura 7. Figura 7 Diagrama de bloco do esquema do interleaving A plataforma utilizada para implementar os blocos foi o Simulink [5], mostrada na Figura 8, e os parâmetros do CTC empregado nesse trabalho estão hachurados em vermelho na Tabela 2. No ramo superior estão os blocos implementados no Simulink, de acordo com o esquema da Figura 6, empregando o C MEX S-function [5]. Figura 8 Plataforma de desenvolvimento Figura 9 Trecho do código sfun_encode_sequence A Figura 9 mostra uma parte do código do sfun_encode_sequence, referente ao primeiro bloco (rosa) da Figura 6. 4 Serra Negra, SP - ISSN

5 O ramo inferior (Figura 8) ilustra os blocos correspondentes em ponto fixo, nesse trabalho foi assumido uma quantidade de 8 bits. Figura 10 Trecho do código Encode_Sequence A Figura 10 mostra uma parte do código Encode_Sequence em ponto fixo implementado no Simulink [5]. A Figura 11 mostra um frame aleatório de 96 bits como entrada do bloco sfun_encode_sequence e também do Encode_Sequence (Figura 8). Figura 12 Saída parcial do sfun_encode_sequence (Encode_Sequence) A Figura 12 mostra a saída parcial do bloco em ponto fixo Encode_Sequence e do bloco de validação sfun_encode_sequence. A Figura 13 mostra a saída parcial do bloco em ponto fixo Subblock_Interleaver além do bloco de validação sfun_subblock_interleaver. Figura 11 Frame de 96 bits Figura 13 Saída parcial do sfun_subblock_interleaver (Subblock_Interleaver) A Figura 14 mostra a saída do Puncturing, além do bloco de validação sfun_puncturing, quando o fluxo de dados é descrito pela Figura 11. A Figura 15 mostra o fluxo de dados entre os blocos do CTC implementado em ponto fixo. 5 Serra Negra, SP - ISSN

6 Titulo do Trabalho Autor 1, Autor 2, Autor 3, etc. Figura 14 Saída do sfun_puncturing (Puncturing) Figura 15 Fluxo de dados entre os blocos do CTC desenvolvido em ponto fixo 6. CONCLUSÃO O artigo descreveu a implementação otimizada do código convolucional turbo, em ponto fixo, de um sistema OFDM baseado no controle adaptativo da taxa de dados 6 Serra Negra, SP - ISSN

7 da camada física do WiMAX de acordo com o padrão IEEE Para validar o código gerado, também foi desenvolvido blocos do CTC em s-function [5] e os resultados obtidos foram idênticos para o mesmo fluxo de entrada de bits. Os próximos passos são a conversão do código CTC ponto fixo gerado em linguagem VHDL e a posterior implementação em um dispositivo FPGA. AGRADECIMENTO Ao CNPq pelo suporte através do processo / REFERÊNCIAS [1] A. Ghosh et al, Broadband Wireless Access with WiMAX/802.16: Current Performance Benchmarks and Future Potencial, IEEE Communication Mag., vol. 43, no.2, pp , [2] IEEE , IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Network Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems, Apr. 8, [3] IEEE a, IEEE Standard a, Amendment 2: Medium Access Control Modifications and Additional Physical Layer Specifications for 2-11 GHz, [4] IEEE e, IEEE e TGe Working Document, (Draft Standard) Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licenses Bands, e/D4, [5] MathWorks Inc., Simulink User Manual, Serra Negra, SP - ISSN

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