Codificação de canal no UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
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- Maria do Pilar Coimbra Teves
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1 Departamento de Engenharia Electrotécnica Secção de Telecomunicações Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Comunicação sem fios 2004/2005 Grupo: nº e Codificação de canal no UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 1
2 Introdução Nos sistemas de comunicações digitais, a presença de ruído afecta o desempenho dos sistemas, na medida em que pode introduzir erros nos bits enviados. Para atenuar estes efeitos pode-se recorrer às técnicas ARQ (Automatic Repeat on Request) e FEC (Forward Error Correction) ou ARQ/FEC. Na primeira a detecção de erros implica necessariamente um pedido de retransmissão dos dados recebidos, o que pode acarretar tempos de espera por vezes inaceitáveis em comunicações bidireccionais em tempo real. A segunda técnica, permite a correcção de erros, mas dada a capacidade limitada de correcção de erros podem existir situações onde o número de erros após a correcção seja superior ao número de erros existente antes da correcção. Isto deve-se ao facto do código utilizado ter uma capacidade limitada de correcção de erros. A ultima técnica, obtida por conjugação das duas anteriores, comporta-se melhor, uma vez que existe detecção com identificação do tipo de erro recebido, permitindo verificar se existe ou não capacidade correctora do mesmo. Logo sendo o código capaz de corrigir o erro, evita-se o pedido de retransmissão, evitando-se deste modo retransmissões desnecessárias. Uma propriedade óbvia nas técnicas anteriores é a necessidade da existência de um código que possibilite a detecção ou correcção dos erros na informação recebida. No ambiente típico das comunicações móveis, além do ruído há que considerar os efeitos do canal, devido principalmente ao fading associado à propagação multi-percurso. Assim é de esperar erros não só devido à presença do ruído, como também rajadas de erros devido ao fading. Admitindo que o canal pode apresentar desvanecimento de Rayleigh ou de Rice, torna-se claro que os bits afectados por um fading profundo, têm a sua potência muito atenuada o que acarreta a sua recepção defeituosa. Torna-se claro que a importância dos códigos utilizados para efeitos de transmissão toma particular importância neste contexto. Usualmente recorre- 2
3 se a códigos que introduzem uma dependência estatística entre os sucessivos conjuntos de bits obtidos na saída do codificador. Esta dependência e a redundância introduzida na informação enviada, permitem ao nível do descodificador obter a sequência de bits que foi efectivamente enviada, desde que o número de conjuntos de bits ou símbolos sucessivos afectados por erro não seja muito elevado devido aos efeitos do canal e ruído. Para não comprometer a capacidade correctora de erros dos códigos mais usuais, há que garantir que os erros em rajada não sejam suficientemente longos. Logo além dos códigos são igualmente necessárias técnicas que permitam atenuar os efeitos do canal, nomeadamente na criação de rajadas de erros, entre as quais se destaca o interleaving. De forma a evitarem-se situações de rajadas de erro, em que o código utilizado seja incapaz de corrigir ou detectar, pode-se utilizar o Interleaving que consiste basicamente nos seguintes procedimentos: Após o codificador, o conjunto de bits/símbolos gerado em vez de ser enviado segundo a sequência pela qual foi gerado é baralhado numa sequência aleatória, de modo a garantir que sejam enviados fora de sequência No receptor é realizado o de-interleaving para desbaralhar os bits ou símbolos enviados e repor a ordem segundo a qual foram gerados à saída do codificador A sequência obtida é posteriormente descodificada utilizando para esse efeito um descodificador apropriado para o código utilizado. Executando estes passos garante-se que o canal ao afectar um conjunto de bits/símbolos transmitidos sucessivos, não cria ao nível da sequência obtida na saída do descodificador erros em rajada, uma vez que os bits/símbolos afectados durante a transmissão encontram-se segundo uma sequência distinta da efectivamente gerada. Assim após a operação de de-interleaving, uma vez reposta a sequência de envio original, eventuais rajadas de erros na 3
4 sequência recebida transformam-se em erros isolados na sequência de bits ou símbolos codificada. Dadas as limitações de potência inerentes aos terminais utilizados em comunicações móveis, recorre-se igualmente à concatenação de códigos, isto é, aplicação de um código corrector de erros a uma sequência de bits resultante de uma codificação anterior. Embora a utilização de um código já permita uma melhor eficiência de potência, melhorias adicionais podem ser obtidas mediante uma nova codificação da sequência segundo um codificador distinto do primeiro. Sistema UMTS No sistema UMTS, dados os requisitos de qualidade de serviço impostos e o tipo de canal utilizado, efectua-se a codificação/descodificação dos dados provenientes do nível MAC (Medium Access Control) ou níveis superiores, de forma a oferecer serviços de transporte de dados através do canal de rádio. O esquema de codificação de canal consiste numa combinação de códigos com capacidade correctora de erros e de detecção. Recorre-se à concatenação de códigos e ao interleaving dos bits/símbolos obtidos na saída do segundo codificador, o que permite obter bons desempenhos para o nível de potência empregue durante a transmissão. Devido a limitações de potência, emprega-se uma modulação do tipo 4PS (4 Phase Shift eying) ou 8PS. As modulações de fase do tipo M-PS têm envolvente constante o que permite a utilização de amplificadores a operar em zonas não lineares, sem introdução de distorção do sinal. Esta propriedade é importante, na medida em que a amplificação ao poder ser realizada com os amplificadores a funcionar na zona não linear, apresenta rendimentos melhores. Transmissão e multiplexagem de serviços no UMTS O processo de codificação do canal de transporte e multiplexagem em vários canais associado ao Uplink e Downlink, encontra-se esquematizado na figura 4
5 I. Como se pode ver os dados são entregues ao bloco que realiza a codificação e multiplexagem em blocos em cada intervalo de transmissão. As durações dos intervalos de tempo associados à transmissão, estão definidas para o canal de transporte, podendo assumir qualquer um dos valores do conjunto {10 ms, 20 ms, 40 ms, 80 ms}. O processo de transmissão de dados pode ser reduzido ao conjunto de operações apresentadas a seguir: - Adição de CRC (Cyclic Redundancy Check) a cada bloco de dados a transportar - Concatenação TrBk e segmentação de blocos de código - Codificação de canal - Normalização de tamanho de trama - Interleaving ( em dois estágios se necessário) - Segmentação de tramas - Adaptação de ritmos - Multiplexagem dos canais de transporte - Segmentação do canal físico - Mapeamento em canais físicos 5
6 a, a im1, aim2, aim3, b, b im1, bim2, bim3, o, o ir1, oir 2, oir3, c, c i1, ci 2, ci3, t, t i1, ti2, ti3, d, d i1, di2, di3, ie i it i ir i ima i CRC attachment imb i TrBk concatenation / Code block segmentation it i Channel coding Radio frame equalisation 1 st interleaving Radio frame segmentation e, e i1, ei 2, ei 3, in i Rate matching Rate matching f, f i1, fi2, fi3, s, 1, s2, s3, s S p1, u p2, u p3, iv i u, u v Physical channel segmentation pu ( t)1, v( t )2, v( t)3,, v( t) U ( t ) TrCH Multiplexing 2 nd interleaving Physical channel mapping w, w p1, wp2, wp3, pu PhCH#2 PhCH#1 Figura I Codificação, multiplexagem e transmissão no Uplink e Downlink 6
7 Convêm salientar que o WCDMA (Wide Code Division Multiple Access) oferece três classes de serviços básicos relativamente a códigos empregando a metodologia FEC: Serviços standard com codificação convolucional Serviços de alta qualidade com concatenação de código externo sobre código convolucional Serviços com códigos específicos, para os quais o nível 1 do WCDMA não tem nenhum código pré-especificado Código interno e interleaving Quanto à estrutura de codificação adoptada, consiste num código convolucional interior de rate 1/3 para ritmos baixos e rate ½ quando são exigidos ritmos mais elevados. Os polinómios geradores dos códigos convolucionais internos são os que se apresentam na forma octal na figura II onde constam igualmente as estruturas dos respectivos codificadores convolucionais. Input D D D D D D D D (a) Codificador convolucional de Rate 1/2 Output 0 G 0 = 561 (octal) Output 1 G 1 = 753 (octal) Input D D D D D D D D (b) Codificador convolucional de Rate 1/3 Figura II - Esquemas dos codificadores convolucionais adoptados Output 0 G 0 = 557 (octal) Output 1 G 1 = 663 (octal) Output 2 G 2 = 711 (octal) 7
8 Convêm frisar que o tipo de codificação empregue não é o mesmo para os diversos canais existentes no UMTS, tendo canais distintos esquemas de codificação diferentes de acordo com os ritmos e qualidade de serviço pretendidos, conforme exemplificado na tabela I. Tipo de canal de Transporte Tipo de codificação Rate de código BCH PCH FACH RACH DCH, DSCH, USCH Convolucional 1/2 1/3, 1/2 Turbo código 1/3 Sem código Tabela I - Tipos de canais e codificações associadas O interleaving é aplicado após o codificador convolucional. O tipo de interleaving depende obviamente do tipo de atraso associado ao serviço em questão. Assim para serviços com atrasos relativamente baixos aplica-se um interleaving dentro dos bits da trama com um comprimento de duração 10 ms. No caso de os atrasos serem consideráveis realiza-se também interleaving entre tramas com uma duração máxima de 150 ms, ou seja, 15 tramas. Código externo e interleaving Em serviços que requeiram uma taxa de erros compreendida entre 10 3 e 10 6, é necessário um código externo que consiste num turbo-código em paralelo. Após esta codificação externa é realizado um interleaving ao nível dos símbolos que compõem cada bloco obtido. Multiplexagem de serviços Normalmente múltiplos serviços pertencendo à mesma conexão são multiplexados no tempo, podendo esta multiplexagem ser realizada antes ou depois da codificação interna ou externa, conforme exemplificado na figura. Os canais de transporte associados aos serviços são convertidos num único fluxo de bits que posteriormente pode ser mapeado num ou vários canais 8
9 físicos, se o ritmo requerido exceder o limite para uma transmissão com código único. Alternativamente, os vários serviços podem ser tratados paralelamente com códigos e interleavings independentes e mapeados em diversos canais do tipo CCTrCH (Coded Composite Transport Channels), o que corresponde à existência de vários feixes de bits em paralelo, podendo cada um deles ser posteriormente mapeado num ou vários canais físicos. Adopta-se desta forma um modo de transmissão que implica um controlo de potência e qualidade de cada serviço independente. Nesta situação é necessária uma transmissão multi-código em WCDMA, com o consequente impacto na complexidade da estação móvel. Adaptação de ritmos Após a codificação e multiplexagem, realiza-se a adaptação de ritmos de acordo com os atributos de adaptação de ritmo definidos pelos níveis superiores, para cada canal TrCH (Transport Channels). Esta adaptação é feita com recurso a operações de repetição de bits ou eliminação (A eliminação de bits também é conhecida como Perfuração ou Puncturing). Os atributos definidos pelos níveis superiores são essenciais para o conhecimento dos bits que se têm de repetir ou no caso da perfuração definem a regra a aplicar nesta operação. Objectivos Embora sejam utilizados vários códigos num processo de concatenação na codificação realizada no UMTS, não é objectivo do presente trabalho estudar e simular a codificação utilizada no sistema, dada a complexidade inerente. Restringindo a análise ao código interno utilizado no UMTS, pretende-se estudar e simular o desempenho apresentado, na presença de vários tipos de canais, de forma a avaliar o impacto do efeito do canal. Dado que existem dois tipos de código convolucionais com rates distintas, é possível identificar as seguintes situações: 9
10 I. Modulações 4 e 8PS não codificadas para canais do tipo a) Rayleigh e Rice b) AWGN II. Código convolucional de rate ½ 1. Ausência de interleaving e canais do tipo a) Rayleigh e Rice b) AWGN 2. Existência de interleaving e canais do tipo a) Rayleigh e Rice b) AWGN II. Código convolucional de rate 1/3 1. Ausência de interleaving e canais do tipo a) Rayleigh e Rice b) AWGN 2. Existência de interleaving e canais do tipo c) Rayleigh e Rice d) AWGN Consoante a paridade do número do grupo, é atribuído o código do tipo I ou II. Devem ser avaliados os desempenhos apresentados, para as situações previstas em cada um dos códigos. Como elementos adicionais é fornecido o código referente ao descodificador de rate ½ e de rate 1/3, bem como o código referente ao interleaving, ambos realizados em C++. 10
11 Dos trabalhos devem constar os seguintes elementos: - Código em disquete - Relatório do trabalho realizado 11
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