Capitulo 1. Introdução.

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1 16 Capitulo 1. Introdução. Neste capítulo é apresentada uma breve introdução sobre as principais motivações e objetivos desta dissertação, bem como a estrutura do trabalho. 1.1 Justificativa e Motivações. O problema de assegurar conexão em banda larga ao usuário, normalmente, é resolvido através da tecnologia DSL (Digital Subscriber Line) ou ainda via fibra óptica. Entretanto, o alto custo de instalação, as restrições quanto à mobilidade e as limitações físicas, como no caso da DSL, têm limitado a utilização dessa ultima tecnologia. Para contornar as limitações apresentadas pela conexão banda larga via cabo, foi desenvolvido o padrão IEEE conhecido como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), agregando interoperabilidade, suporte ao protocolo IP, altas taxas de transmissão de dados e facilidade e rapidez de instalação da rede. O objetivo dessa tecnologia é atingir regiões nas quais não existe infra-estrutura de banda larga com fio e, conseqüentemente, cobrir uma área maior, quando comparada a banda larga via cabo, além de apresentar um menor custo de manutenção. A principal aplicação de WiMAX é a rede de acesso sem fio de banda larga. Ela compete diretamente com tecnologias como a DSL, mencionada anteriormente, e as fibras óticas em regiões onde elas já se encontram estabelecidas, pois oferecem serviços similares a um preço competitivo. Esta solução é atrativa tanto para empresas como para usuários domésticos: Além disso, a tecnologia WiMAX permite a conexão em banda larga em regiões de difícil acesso ou carente de infra-estrutura, uma vez que ela não requer instalações físicas complexas ou a conexão via cabo como nas tecnologias tradicionais.

2 17 Estas vantagens têm permitido aos prestadores de serviço aumentar o desempenho e a confiabilidade do sistema, além de reduzir os custos com equipamentos e os riscos do investimento (SIEMENS, 2004), (WiMAX FORUM, 2004). Devido as funcionalidades da tecnologia WiMAX, uma grande variedade de serviços de banda larga sem fio poderá ser viabilizada como, por exemplo, voz sobre IP (VoIP) e vídeo sob demanda (MUPPALA, et al, 2000),( SOUZA, et al, 2006). Em um primeiro momento, a tecnologia WiMAX vem sendo utilizada como backhaul para WiFi (IEEE Std a-1999) conectado à hot-spots públicos via cabo. Recentemente, o desenvolvimento da norma WiMAX mobile (IEEE e-2005) flexibilizou o uso desta tecnologia devido a não necessidade de conexão com hot-spots, tornando-se um possível competidor para a terceira geração de telefonia celular Objetivos: O objetivo desta dissertação compreende o estudo, a simulação e análise das características do padrão WiMAX, que se encontram nas camadas do modelo OSI (GLOBAL KNOWLEDGE, 2006) MAC e PHY. Para isso foram utilizados o ADS (Advance Design Simulator) da Agilent Tecnologies e a linguagem de programação MATLAB, objetivando uma melhor compreensão do padrão e uma análise de desempenho do sistema. A estrutura da camada PHY do padrão pode ser subdividida em Banda Base e Banda RF. Isto implica estudar, através de simulação, os vários tipos de modulação e esquemas de codificação PHY, através do desempenho da BER (Bit Erro Rate) para vários modelos de canal com multipercursos e desvanecimento (fading).

3 Estrutura do Trabalho. Este trabalho está organizado em cinco capítulos. O primeiro capítulo apresenta uma introdução geral sobre o trabalho da dissertação. O segundo capítulo é uma introdução à família do padrão IEEE , datas das publicações e as características das mesmas. O terceiro capítulo descreve a estação banda base OFDM PHY. A multiplexação por divisão de freqüência ortogonal é descrita em detalhe, analisando-se as portadoras utilizadas para levar a informação, suas características, tipos de interferência, vantagens e desvantagens, bem como sua complexidade. O quarto capítulo analisa todos os módulos da camada a OFDM PHY da banda RF (antena, duplexers, LNAS, filtros, osciladores, DAC, ADS) e da banda base (Randomizador, codificador RS, codificador convolucional, interpolador, IFFT, inserção do CP, montagem do quadro). No quinto capítulo descreve-se a implementação em ADS e MATLAB do modelo descrito no capitulo três e analisam-se os resultados obtidos pelas simulações para a avaliação do sistema. Finalmente, no capítulo seis são apresentadas as conclusões dos modelos e propostas de trabalhos futuros.

4 19 Capitulo 2. Familia IEEE Este capítulo analisa e discute as novas característica incorporadas ao padrão IEEE As camadas da norma IEEE PHY e MAC, descrita no anexo A, foram revisadas e suas características apresentadas para uma melhor compreensão das hipóteses utilizadas na simulação da Camada de Banda Base Resumo da família IEEE O padrão IEEE , também conhecido como IEEE WirelessMAN (Rede sem fio de área metropolitana) (IEEE WirelessMAN, 2006) é o nome dado para redes metropolitanas sem fio. Esse padrão tem como proposta inicial disponibilizar o acesso banda larga sem fio com alta velocidade de trasmissão de voz e vídeo para grandes distâncias e sem a necessidade de investimentos em infra-estrutura, como ocorre com uma rede de acesso banda larga cabeada, e sem as limitações de distância encontradas nas tecnologias DSL. Dentre as promessas deste novo padrão inclui-se a solução para o problema da última milha pela redução dos custos de implantação e do tempo necessário para conectar os usuários aos troncos das linhas de comunicação. O primeiro padrão da família de BWA foi o IEEE , esboçado em dezembro 2001 e apresentado na versão final publicada em 8 de abril de 2002 (IEEE Std , 2002). As bandas de freqüência alocadas para esse padrão situam-se na faixa de 10 a 66 GHz, com propagação de linha de visada (LOS) e com modulação single carrier. A topologia da rede usada nesse padrão é a rede ponto-multiponto, pois o tráfego ocorre entre a estação base (BS) ou subscritores múltiplos (SS).

5 20 Em janeiro de 2003, a IEEE aprovou o padrão a com bandas situadas no intervalo de 2 a 11 GHz. Além permitir o uso de menores freqüências, este novo padrão permite trabalhar sem visada direta (NLOS Non Line of Sight) entre o transmissor e receptor (IEEE Std a-2003, 2003). Esta novidade ajudou este padrão tornar-se a tecnologia apropriada para as redes de acesso sem fio de banda larga em zonas tipicamente urbanas, nas quais obstáculos como, por exemplo, árvores e prédios, são comuns, e onde antenas são colocadas em telhados e tetos ao invés de colinas. Portanto, a tecnologia WiMAX agrega o melhor de ambos mecanismos de cobertura permitindo atingir distâncias superiores à 30 Km (IEEE Std , 2002) nas condições LOS (Line of Sight) além de estabelecer células de vários quilômetros em condições NLOS. Finalmente, em outubro de 2004 foi publicada a última revisão do padrão IEEE , (IEEE Std , 2004) com o objetivo de reunir todas essas características em uma única norma. Nesta última versão, a camada física possui diferentes alternativas: WirelessMAN-SC (Metropolitan Área Networks Single Carrier), WirelessMAN- SCa(SCa), WirelessMAN-OFDM (Ortoghonal Frequency Division Multiplexing), WirelessMAN-OFDMA(OFDM-Access) que serão descritos nos item Dentre todas as alternativas, a que mais obteve êxito e para a qual se desenvolveu a maioria dos equipamentos fabricados, é a denominada WirelessMAN-OFDM, que é equivalente à norma IEEE a e que coincide com o padrão definido pela ETSI (European Telecommunication Standardizatition Institute), denominado HIPERMAN (HIgh PERformance Metropolitan Area Network). O tema da dissertação enfoca esta alternativa. Finalmente, foi desenvolvida a versão IEEE e em janeiro de 2006 (IEEE Std e-2005, 2006) que permite a mobilidade entre células. Na Figura 2.1 é apresentada uma rede sem fio completa (indoor e outdoor). Nesta rede estão os quatro tipos que existem no mercado: UWB, Bluetooth, Wifi e WiMAX as quais se complementam tanto no interior e exterior aos edifícios.

6 21 Figura 2.1. Topologia de rede sem fio completa (indoor e outdoor) (MARKS, 2002). Na Figura 2.2 são apresentadas a topologia e arquitetura de uma rede WiMAX, incluindo estações radio base, repetidores, e estações cliente (empresas e residencias). Esta rede esta unida a uma rede externa que pode ser de tipo ATM, SONET etc.

7 22 Figura 2.2. Topologia e arquitetura da rede WiMAX (MARKS, 2002) Revisão do padrão IEEE O padrão IEEE , apresentada na Figura 2.3, especifica a interface aérea para freqüências de até 66 GHz e inclui a camada de enlace de dados (MAC) e múltiplas camadas físicas (PHY), segundo a arquitetura de protocolos (IEEE Std , 2004). As camadas serão descritas no item A figura 2.3 mostra o diagrama de blocos do protocolo que utiliza o padrão WiMAX. A camada PHY e a camada MAC do modelo OSI. A camada MAC esta subdividida em três subcamadas: subcamada de convergência especifica, subcamada de parte comum e subcamada de segurança (descritas no ANEXO A).

8 23 Figura 2.3. Arquitetura de protocolos da tecnologia WiMAX: Camada física e de enlace de dados (IEEE Std , 2004) Características da camada Física (PHY). As principais funções desempenhadas pela camada física são: Transmissão dos MAC PDUs. Definição das técnicas de transmissão digital: modulação e codificação. Definição de espectro de Freqüências. FEC (Correção de erro direta). Definição da técnica de duplexação. Construção dos quadros e subquadros de transmissão.

9 24 A seguir são apresentados, em termos gerais, os principais aspectos das camadas físicas padronizadas pelo IEEE Padrões da Camada Física IEEE São especificados quatro padrões de camada física para o WirelessMAN: SC (Single Carrier), SCa (Single Carrier a), OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) e OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). O WirelessHUMAN, especificação do IEEE para redes metropolitanas não licenciadas, suporta os mesmos padrões, possuindo alguns componentes específicos de canalização e transmissão de máscara espectral e que não estão incluídas neste trabalho. O padrão SC descreve uma camada física de portadora única que opera a altas freqüências, necessária para assegurar a comunicação de linha de visada da fonte com o destino. Já no padrão SCa é possível a transmissão fora de linha de visada. As distancias que pode atingir são de até 5Km segundo (IEEE Std , 2004). O primeiro padrão OFDM foi criado para aplicações pouco exigentes, com baixo alcance, e, possivelmente, para ambientes internos. O modelo emprega FFT (Fast Fourier Transform) com 256 portadoras enquanto o padrão OFDMA, emprega FTT com 2048 e 4096 portadoras transmitidas simultaneamente. As modulações utilizadas dependem da especificação de cada modelo de camada física. Modulações com muitos símbolos alcançam taxas de dados elevadas, mas possuem alcances reduzidos. Elas incluem: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) e QPSK com mapeamento de Gray com constelação de 4 símbolos, 16-QAM (16-State Quadrature Amplitude Modulation) com constelação de 16 símbolos, 64-QAM (64-State Quadrature Amplitude Modulation) com constelação de 64 símbolos, 256-QAM (256-State Quadrature Amplitude Modulation) com constelação de 256 símbolos, BPSK e Spread BPSK (Binary Phase-Shift Keying) com constelação de 2 símbolos.

10 WirelessMAN-SC Opera na faixa de 10-66GHz. Suporta TDD e FDD. Permite utilizar vários perfis de transmissão adaptativos (ABPs Adaptive Burst Profiles) além de permitir o ajuste individual dos parâmetros de trasmissão, para cada estação, quadro por quadro. O uplink é baseado em uma combinação de TDMA e DAMA (Demand Assigned Multiple Access). O downlink é TDM, fazendo o broadcast da informação destinada as estações de um mesmo setor. FDD suporta fullduplex e half-duplex, justamente porque utiliza duas freqüências distintas. Cada freqüência pode usar modulações diferentes. No TDD o quadro possui um tamanho fixo sendo possível se ajustar a porção do quadro destinada a downlink e a uplink. Desta forma, é possível se ajustar a capacidade de transmissão em ambas as direções. Um mapeamento de downlink é enviado pela estação base no início do subquadro para identificar onde estão os slots de tempo destinados a uma determinada estação cliente. Este mapeamento detalha quando os dados para uma determinada conexão estão sendo esperados. A alocação dos timeslots no downlink é feita pela estação base. Para que o TDD funcione, é necessário a sincronização dos quadros na BS e SSs. Este é o maior problema do TDD, uma vez que o atraso de propagação faz com que os quadros sejam recebidos no destino somente após um intervalo de tempo. Para resolver este problema, é necessário que a SS inicie a transmissão dos seus slots de tempo no subquadro uplink, antecipadamente WirelessMAN-Sca É baseada em transmissão de portadora simples (SC Single Carrier), projetada para sistemas sem visada direta (NLOS) e para operar na faixa de abaixo de 11 GHz. Suporta

11 26 TDD e FDD. Downlink é TDM ou TDMA. Uplink é TDMA. Acrescenta melhorias na estrutura dos quadros visando contornar as limitações do meio de transmissão NLOS WirelessMAN-OFDM É baseada na modulação OFDM (Ortoghonal Frequency Division Multiplexing), projetada para sistemas sem visada direta (NLOS) e para operar na faixa de até 11 GHz. Possui um total de 256 subportadoras. Dessas, somente 200 levam dados. Possui 55 portadoras de guarda e 8 subportadoras pilotos. Suporta TDD e FDD. Um quadro também consiste de um Downlink Subquadro e um Uplink Subquadro. Um Downlink Subquadro consiste de um único PHY PDU. Um Uplink Subquadro consiste de um ou mais PHY PDUs. Este inicia com um grande preâmbulo utilizado para fins de sincronização. Após este preâmbulo, existe um espaço de controle chamado FCH (Frame Control Header). Esse campo serve para diversos propósitos, incluindo mapeamentos. Depois do FCH existem vários Downlink Bursts, cada qual podendo utilizar diferentes ABPs. Esta camada possui estruturas de transmissão diferentes, dependendo se a topologia é PMP (Point-Multipoint) ou malha (Mesh) (item descritos no capitulo 4) WirelessMAN-OFDMA Utiliza OFDM com 2048 subportadoras. Uma SS pode utilizar mais que uma subportadora, daí o termo Multiple Access. A utilização de 2048 subportadoras torna a FFT mais lenta e aumenta os requisitos de sincronização mas é utilizada Para objetos em movimento. Utiliza o padrão WiMAX móbile. Por este e outros motivos, este sistema tem despertado maior interesse da indústria. A tabela 1 mostra o sumario dos padrões da camada física WiMAX.

12 27 Tabela 1. Sumário das designações da camada física do IEEE Designação Função Operações LOS/NLOS Faixas de Freqüência Tipos de Duplexação WirelessMAN-SC Ponto a ponto LOS GHz TDD, FDD WirelessMAN-Sca Ponto a ponto NLOS 2-11 GHz TDD, FDD WirelessMAN OFDM Ponto a multiponto NLOS 2-11 GHz TDD, FDD WirelessMAN OFDMA Ponto a multiponto NLOS 2-11 GHz TDD, FDD WirelessHUMAN Ponto a multiponto NLOS 2-11 GHz TDD Vantagens e Desvantagens dos Padrões da camada física. Nas interfaces aéreas já mencionadas, o sistema OFDM é o mais adequado para operações (NLOS) devido a simplicidade do processo de equalização para sinais multiportadoras. Dentre os OFDM baseados em interface de ar, 256-portadoras sem fio MAN-OFDM é o mais vantajoso para os fabricantes por algumas razões, tais como: Utilização da transformada rápida de Fourier (FFT), Menor necessidade de sincronização de freqüências quando comparadas as portadoras MAN-OFDMA sem fio. Todo os perfis definidos por WiMAX Fórum (WiMAX FORUM) especificam as 256-portadoras OFDM PHY.

13 28 Maior eficiência devido ao espaçamento de canal reduzido (sobreposição de portadoras ortogonais). Equalização simplificada ou inexistente. Mais imune a fading. Taxa de transferência de dados pode ser definida de acordo com as condições do ambiente (centros urbanos ou zonas rurais). Desvantagens. Maior sensibilidade a ruído de fase e desvios de tempo e freqüência. Transmissores e receptores mais caros quando comparados aos transmissores das outras tecnologias tais como TDM, SONET (transmissão a cabo e fibra óptica). A eficiência na transmissão do sinal é reduzida pela necessidade de intervalo de guarda. Precisa incluir um intervalo de tempo para evitar interferência intersimbolica, assim sendo com a mesma potencia se enviem menos quadros de dados. (IEEE Std , 2004). Para assegurar a implementação global, o padrão IEEE a foi definido com uma largura de banda de canal variável. A largura de banda do canal pode ser um inteiro múltiplo de 1.25MHz, 1.5MHz, e 1.75MHz com um máximo de 20MHz. A possível opção de larguras de banda está sendo reduzida a poucas possibilidades pelo WiMAX Fórum (WiMAX FORUM). que tem como principal tarefa segurar a inter-operabilidade na implementação do referido padrão por diferentes fabricantes de equipamentos. As distâncias dos enlaces, isto é, os tamanhos das células, variam de acordo com as faixas de freqüência usadas, o ambiente, condições da propagação e ganho das antenas. O sistema atinge distâncias entre 5 a 8 Km para NLOS e de 25 a 30 Km para LOS Para ganho de antenas de 30 db (IEEE Std , 2004). O fenômeno de atraso de propagação esta associado a dispersão de multipercurso que produz fading. A fim de evitar a interferência intersimbólica e a interferência das interportadoras, um prefixo cíclico (CP) é introduzido

14 29 diante de cada elemento de dados de um símbolo OFDM (LANGTON, 2004), (LEITE, et al, 2002). É necessário escolher um CP (Prefixo Cíclico) maior que o máximo atraso de propagação. Na Tabela 2 são apresentados os valores de máximo atraso da propagação em diferentes tipos de ambiente. Estes valores de atrasos da propagação permanecem sem mudar para qualquer freqüência que opera acima de 30 MHz, uma vez que os comprimentos de onda são menores que as estruturas. As medidas recentes confirmam os valores para faixas de freqüência entre 800 MHz e 6 GHz. (HOYMANN, 2005), (KEPLER, et al, 2002). Tabela 2. Espalhamento de atraso. (HOYMANN, 2005), (KEPLER, et al, 2002). Tipo de ambiente. Máximo Atraso de Propagação (us) Dentro de prédios (casas, oficinas)...< 0.1 Prédios maiores (Fabricas). < 0.2 Área aberta. < 0.2 Área suburbana LOS Área suburbana NLOS Área urbana Obs: outros autores citam que os espalhamentos de atraso podem atingir 50 us Modulação Adaptativa, codificação e taxas de dados. O padrão define sete níveis de combinações de modulação e codificação que podem ser utilizadas para alcançar várias trocas de nível e robustez de dados, dependendo do canal e condições de interferência. Estas possíveis combinações são apresentadas na Tabela 3.

15 30 Tabela 3. Tipos de modulação WiMAX. (IEEE Std , 2004). Taxa ID Tipo de Modulação e Taxa RS-CC 0 BPSK 1 / 2 1 QPSK 1 / 2 2 QPSK 3 / QAM 1 / QAM 3 / QAM 2 / QAM 3 / 4 7 a 15 Reservado Taxa ID indica o tipo de modulação e codificação utilizado nos bursts Uplink e Downlink. A codificação Taxa ID é fixo e não pode ser alterado durante a operação do sistema. As taxas de dados que a tecnologia WiMAX pode atingir, varia de acordo com o tipo de modulação e codificação segundo o padrão IEEE e são apresentadas na Tabela 4. Tabela 4. Taxas de dados, tipos de modulação e largura de banda em MHz (IEEE Std , 2004).

16 31 A capacidade de alterar dinamicamente os vários esquemas de modulação definidos pelo padrão, é uma das mais interessantes características da camada física do WiMAX. Basicamente, a definição da modulação a ser adotada é realizada pelo requisito de taxa de transferência do usuário e pela relação sinal-ruído do enlace. Condições de propagação severas ou enlaces muito longos requerem esquema de modulação dos níveis menores e mais robustos. Portanto, em detrimento da taxa de transmissão, é garantida uma comunicação estável a taxas mais baixas. Esquema BPSK ou QPSK é típico. Quando altas taxas são necessárias e as condições de propagação são favoráveis, usualmente enlaces de curta a média distâncias e esquemas de modulação de alta eficiência espectral são empregados para garantir taxas elevadas de transmissão. Nessas circunstâncias, modulações 16-QAM e 64-QAM são empregadas. A modulação 64-QAM pode suportar taxas de pico de 26 Mbps sobre um canal de 7 MHz (IEEE Std , 2004). A modulação adaptativa proporciona um aumento na faixa de modulação desde que seja feita feita a adaptação, conforme a distância e as condições de desvanecimento (particularmente crítico em ambientes NLOS), como ocorre nos sistemas tradicionais, manter um esquema de modulação fixo, eficiente para as piores condições. A Figura 2.4 apresenta um diagrama simplificado do conceito apresentado anteriormente. Os valores de SNR (relação sinal-ruído) são de referência (IEEE Std , 2004).

17 32 Figura 2.4. Esquema de modulação adaptativa adotado na tecnologia WiMAX. (MARKS, 2002) Sistema de Antenas Adaptativas. O AAS (Adaptative Antenna System) é apresentado na especificação do WiMAX para descrever as técnicas de conformação de feixe (beamforming) nas quais uma disposição de antenas é usado na estação rádio-base (BS) com o objetivo de aumentar o ganho na direção do usuário (SS) e anular ou minimizar a interferência de, e para, as outras SSs bem como minimizar ou anular as outras fontes de interferência. As técnicas AAS são usadas para possibilitar SDMA (Spatial Division Multiple Access), (VORNEFELD, et al, 1999). de forma que múltiplas SSs, separadas no espaço, podem transmitir e receber simultaneamente no mesmo subcanal. Pelo uso de conformação de feixe, a BS tem a habilidade de direcionar o sinal desejado para as diferentes SSs, bem como distinguir entre os sinais oriundos das diferentes SSs, ainda que estejam operando nos mesmos subcanais. Em linhas gerais, os sistemas de antenas adaptativas ajustam-se de forma a atender determinado critério de desempenho pré-estabelecido como, por exemplo, a maximização da relação sinal a Interferência com ruído S/(I+N).

18 33 Há três categorias para os sistemas AAS (LIBERTI, 1999): Troca de feixes (Switched Beam): Várias antenas estão disponíveis em cada setor do hub do servidor para transmissão e recepção. Os apontamentos das antenas e diagrama de cada uma são fixos (o que é um limitante da técnica), de forma que é um esquema semelhante à diversidade já conhecida (de duas antenas). A cada momento é escolhido o melhor feixe de comunicação com o terminal; Direcionamento de feixe (Beam Steering): Aponta a antena de máximo ganho do setor em direção ao terminal do usuário, maximizando S/(I+N). Pode ser usada em terminais móvel ou fixa e é de complexidade intermediária entre a técnica de troca de feixes e a técnica de combinação descrita a seguir. Combinação ótima da relação S/(I+N): Sistema de realimentação, pelo qual é verificado se a saída coincide com um sinal de referência, da qual tenta-se extrair qualquer ruído ou interferência. É o esquema de implementação mais complexa por exigir o ajuste dos parâmetros de filtragem Técnicas de Antenas Adaptativas que permitem SDMA. Se uma disposição de antenas estiver montada na estação base (BS) IEEE , os algoritmos da formação do feixe (beamforming) permitem focalizar a potência de transmissão dentro de determinados sentidos e aumentar a relação sinal/ruído do receptor (SNR). É também possível dirigir os nulos em determinados sentidos para diminuir a interferência do co-canal. Um feixe é dirigido aplicando um peso, isto é, um número complexo a cada elemento da antena. Assim, um feixe é representado por um símbolo do vetor de peso que contenha um peso por elemento da antena (ver Figura 2.5). Se os feixes múltiplos forem aplicados, um vetor de peso por feixe tem que ser calculado ( w0, w1, w K 1 ). O Beamforming ou a pré-equalização maximizará o SNR enfocando a w i

19 34 energia transmitida no sentido desejado. Ao mesmo tempo minimiza a energia emitida para todos os outros sentidos. Esta técnica, junto com a natureza linear do elemento da antena, permite uma disposição de antena a transmitir um sinal em um sentido enquanto transmite um outro sinal ao mesmo tempo, na mesma freqüência e em outra direção. Elementos de Antena Figura 2.5. Formação de feixes (Beamformer) para múltiplos sinais (HOYMANN, C, 2006). α11 coeficiente de amplitude para o usuário 1 e α 21 coeficiente de amplitude de usuário 1 com respeito ao usuário 2. notar que α 21 é quase zero porque não existe interferência entre os feixes Figura 2.6. Dois exemplos de diagramas de radiação de feixes otimizados e correspondentes fatores de amplitude (α ). (HOYMANN, C, 2006).

20 35 Um exemplo é mostrado na figura 2.6. Aplicando o padrão de antena otimizada (de linha contínua), um sinal pode ser dirigido ao usuário 1 e um zero pode ser colocado no sentido do usuário 2, supondo que os diferentes usuários estão suficientemente separados para aplicação do algoritmo. Ao mesmo tempo, na mesma freqüência um sinal diferente pode ser emitido através de um diferente padrão de antena otimizada (linha pontilhada) que é dirigido ao usuário 2 e tenha um zero dirigido ao usuário 1. Os fatores de amplitude resultantes α 11 = 0.86 e α 21=0.002 apontam ao usuário 1 que significa que não existe quase nenhuma interferência entre os dois usuários em um cenário com dois usuários e quatro elementos de antenas analogamente, mais usuários podem ser beneficiados (atingidos, conectados) simultaneamente sem interações significativas. Este princípio pode ser aplicado tanto no downlink como no uplink Camada de controle de Acesso ao Meio (MAC). A camada MAC está descrita no ANEXO A deste trabalho.

21 36 Capitulo 3. Estação Base a OFDM PHY. Neste capítulo é apresentada uma discussão mais detalhada sobre o tipo de modulação OFDM e suas características, tais como número de portadoras, ortogonalidade, desenho do transmissor OFDM, interferência intersimbólica, utilização de OFDM em WiMAX, intervalo de guarda, entre outros, bem como os parâmetros utilizados para o transmissor e receptor. 3. Modelo da Estação Base a OFDM PHY. A tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) é um meio eficiente para superar os desafios de propagação NLOS (sem linha de visada). A forma de onda WiMAX OFDM possibilita a operação em ambientes NLOS. Além disso, através dos símbolos de tempo OFDM e o uso dos prefixos cíclicos, a modulação OFDM elimina os problemas de interferência intersímbolo (ISI), uma vez que o sinal OFDM é composto de portadoras ortogonais múltiplas. O funcionamento detalhado da tecnologia OFDM é descrito a seguir Multiplexação Ortogonal por Divisão de Freqüência (OFDM). OFDM é um subconjunto da técnica FDM - multiplexação por divisão de freqüência - na qual um único canal utiliza subportadoras múltiplas em freqüências adjacentes. Além disso, as subportadoras em um sistema OFDM são sobrepostas para maximizar a eficiência

22 37 espectral. Ordinariamente, os canais adjacentes se sobrepondo podem interferir uns com os outros. Entretanto, as subportadoras, em um sistema OFDM, são ortogonais entre si, podendo ser sobrepostas sem que ocorram interferências. Conseqüentemente, os sistemas OFDM podem maximizar a eficiência espectral sem causar a interferência do canal adjacente. (LANGTON, 2004), (LEITE, et al, 2002). Um exemplo do sinal no domínio da freqüência de um sistema OFDM, com três canais, é apresentado na Figura 3.1. Canal 0. Canal 1. Canal 2. Sobreposição de sub-portadoras. Freqüência Figura 3.1. Exemplo de sinal no domínio da freqüência de um sistema OFDM com três canais (WiMAX FORUM). Observa-se na Figura 3.1. que existe sobreposição das sete subportadoras, os vales de cada subportadora situa-se na freqüência central de todas as outras subportadoras (interferência entre subportadoras é nula). Esta configuração permite um rendimento de dados maior quando comparado a um sistema de FDM Ortogonalidade das Subportadoras. Os sistemas de comunicação OFDM possibilitam o uso mais eficiente do espectro da freqüência através da sobreposição das subportadoras. Essas são configuradas para se

23 38 sobreporem parcialmente e assim evitar interferência nas subportadoras adjacentes, uma vez que, a máxima potencia de cada subportadora corresponde diretamente à mínima potência de cada canal adjacente (LEITE, et al, 2002), (LANGTON, 2004). Na Figura 3.2 é apresentado o domínio da freqüência de um sistema OFDM. Cada subportadora está representada por um pico diferente. Além disso, o pico de cada subportadora corresponde diretamente com o cruzamento zero de todas os canais. Com sistemas de OFDM, um pulso em forma de sinc 1 é aplicado no domínio da freqüência de cada canal. Conseqüentemente, cada subportadora permanece ortogonal a um outro. Figura 3.2. Domínio da freqüência de um sistema OFDM. (LANGTON, 2004). 1 Sinc: Função matemática utilizada para o processamento digital de sinais. A função Sinc é comumente definida como: sinc( x) = sin(π x) πx Esta função tem uma singularidade evitável em zero, que geralmente se redefine especificamente como igual a 1. A função sinc é analítica em todas suas partes.

24 39 No projeto de execução de um transmissor/receptor para envio de sinal de dados e com a utilização de subportadoras múltiplas para transmitir um canal individual, um sistema de comunicações de OFDM deve realizar vários passos, conforme descrito na Figura 3.3 e que são definidos nos seguintes itens. Figura 3.3. Transmissor Receptor de um sistema de comunicações de OFDM (WiMAX FORUM) Conversão Série a paralelo. Em um sistema OFDM cada canal pode ser dividido em várias subportadoras. O emprego de subportadoras propicia uma utilização ótima do espectro de freqüência, mas também requer processamento adicional para o transmissor e o receptor. Este processamento adicional é necessário para converter um bitstream (todo e qualquer objeto de informação que possa ser representado através de uma seqüência de dígitos binários) série em diversos bitstreams paralelos a serem divididos entre as subportadoras individuais. Uma vez que o bitstream foi dividido entre as subportadoras individuais, cada subportadora está modulada

25 40 como se fosse um canal individual antes que todos os canais sejam combinados, unidos e transmitidos conjuntamente. O receptor executa o processo reverso para dividir o sinal recebido em subportadoras apropriadas e, em seguida, demodular estes individualmente antes da reconstrução do bitstream original Modulação com FFT Inversa. OFDM pode ser gerado facilmente usando a Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT). A modulação dos dados em uma forma de onda complexa ocorre na IFFT do transmissor (LEITE, et al, 2002). Nesta técnica, o esquema de modulação pode ser escolhido independentemente do canal específico que está sendo usado baseado nas exigências do desenho de ambiente de trabalho. É possível para cada subportadora individual usar um esquema diferente da modulação. O papel do IFFT é modular cada subcanal na portadora apropriada (LEITE, et al, 2002) Inserção do Prefixo Cíclico. Como os sistemas de comunicações sem fio são suscetíveis a reflexões de multipercurso do canal, um prefixo cíclico é adicionado para reduzir a ISI (Interferência Intersímbolica) (ver item ). Um prefixo cíclico é uma repetição da primeira seção de um símbolo adicionado ao fim do símbolo. Além disso, é importante porque permite representações de multipercurso do sinal original se este se desvanece de modo que não interfiram com o símbolo subseqüente Conversão Paralelo a Série. Uma vez que o prefixo cíclico foi adicionado, os canais da subportadora devem ser transmitidos como um sinal único. Assim, o estado de conversão paralelo a série é o processo de somar todas as subportadoras e de combiná-las em um sinal. Conseqüentemente, todas as subportadoras são geradas simultaneamente.

26 Redução de Interferência Intersimbólica (ISI). Em sistemas com portadora única, a interferência intersimbólica freqüentemente é causada pelas características de multipercurso de um canal de comunicações sem fio. Nota-se isso ao transmitir uma onda eletromagnética para cobrir uma certa distância e que obrigue o sinal passar por uma grande variedade de meios físicos. Conseqüentemente, o sinal real recebido contém o overlaid (atraso) direto trajeto com reflexões de amplitudes menores (ROHDE & SCHAWARZ, 2006) conforme apresentada na Figura 3.5. com taxas elevadas do símbolo, os sinais refletidos podem interferir com os símbolos subseqüentes. Em sistemas sem fio, isto cria uma dificuldade porque o sinal recebido pode ser ligeiramente distorcido. Neste cenário, o sinal direto do trajeto chega como esperado, mas as reflexões ligeiramente atenuadas chegam atrasadas. Estas reflexões constituem um desafio porque interferem os símbolos subseqüentes transmitidos ao longo do trajeto direto. Estas reflexões do sinal são atenuadas através de filtros, que suprime seções iniciais e finais do período de símbolo. A Figura 3.5 ilustra este problema torna-se mais significativo para taxas elevadas do símbolo, pois as reflexões compõem uma porcentagem significativa do período do símbolo. Figura 3.4. Exemplo de atraso de sinal (Overlaid) entre o transmissor e receptor (LANGTON, 2004).

27 42 Potencia Símbolos tipo Pulso Reflexões Propagadas por Multipercurso Δt Período do Símbolo Reflexões do sinal causa ISI Tempo Figura 3.5. Taxas de Símbolos altos que provocam ISI (FDM) (WiMAX FORUM). Os sistemas de OFDM contornam este problema utilizando um período comparativamente longo do símbolo. Além disso, fazem isto sem sacrificar o rendimento utilizando subportadoras múltiplas por canal. A Figura 3.6. Esquematiza no domínio de tempo os símbolos OFDM. Notar que em um sistema de OFDM, a taxa do símbolo pode ser reduzida e ainda assim conseguir rendimento similar ou igual de redução de ISI. Potencia Reflexões de Propagação por Multipercurso Δt Período do Símbolo Intervalo de guarda Tempo Figura 3.6. Redução da ISI com Taxa de Símbolo baixa (OFDM) (WiMAX FORUM).

28 43 Notar também na Figura 3.6. que o tempo necessário para atenuar completamente as reflexões é a mesma que antes. Entretanto, utilizando uma taxa menor do símbolo, as reflexões do sinal compõem somente uma porcentagem pequena do período total do símbolo. Assim, é possível adicionando simplesmente um intervalo de guarda para remover a interferência das reflexões sem que o rendimento do sistema seja reduzido significativamente OFDM em WiMAX. A modulação OFDM em WiMAX tem a seguinte distribuição: Segundo o Padrão IEEE a. os dados são emitidos em forma de símbolos de OFDM. Um símbolo de OFDM é composto de portadoras, e o tamanho de FFT é determinado pelo número de portadoras. Neste padrão são determinados 256 portadoras. Três tipos de portadoras são usados aqui: dados, piloto, e nulos. Para transmissão de dados são utilizadas 192 portadoras; das quais 8 portadoras são para pilotos, espaçadas ao longo do espectro OFDM e utilizadas em estimativas; e 56 portadoras nulas, reservadas para faixas do protetor e remoção do subportadora de freqüência central (DC). As bandas de guarda têm o objetivo de permitir que o sinal decaia naturalmente e criar a forma de muralha do FFT. A sub-portadora DC equivale à freqüência RF central da estação. A figura 3.7. Esquematiza a descrição das portadoras OFDM.

29 44 Figura 3.7. Descrição das portadoras OFDM (IEEE Std , 2004), (ETSI, 2005). A forma de onda do símbolo OFDM, no domínio da freqüência é criado pela transformada inversa de Fourier do símbolo de OFDM no tempo (descrita em ). O símbolo de OFDM tem duração T, inclui o tempo útil do símbolo, T ( T = 1/ espaçamento da s b b portadora), e um prefixo, T g. O prefixo, denominado de prefixo cíclico (PC), é uma cópia do fim do símbolo adicionado no começo. O intervalo do protetor, G, é definido como a relação do comprimento do PC ao tempo útil do símbolo (G = T g / T s ). O padrão de IEEE especifica quatro relações para o intervalo do protetor, 1/4, 1/8, 1/16, e 1/32. O intervalo do protetor é usado pelo receptor para reduzir o multipercurso e melhorar o desempenho do sistema. Figura 3.8 Esquema da estrutura do domínio de tempo do símbolo de OFDM (IEEE Std , 2004), (ETSI, 2005).

30 45 Para descrever o sistema OFDM. Um numero de termos são utilizados para especificar os parâmetros das propriedades físicas. Largura de banda nominal do canal BW(Hz). BW = F / n. s Freqüência de amostragem F s (Hz). A Freqüência de amostragem F s e sempre maior que comprimento de banda. Fator de amostragem n. n = F s / BW. NFFT Tamanho da Transformada Rápida de Fourier FFT ou número de pontos para OFDM 256. Espaçamento da portadora Δ f (Hz): é a distância entre 2 portadoras OFDM adjacentes. Δ f = F / N. s FFT Tempo de símbolo usado T b (s) T b = 1 / Δf. Para a análise de FFT este é a longitude de intervalo analisada. Relação período de guarda / intervalo G(1), prefixo cíclico (CP) T g (s) (Valores típicos de G: ¼, 1/8, 1/16 ou 1/32) o tempo absoluto é chamado Prefixo Cíclico ( T = G. T ). g Tempo do símbolo OFDM. T = T + T. s b g b A equação ( I ) especifica a tensão do sinal transmitido para a antena, em função do tempo, durante a duração dos símbolos OFDM. s( t) Nusd / j2πfct = Re e k= N k 0 2 usd / 2 c. e k j2πkδf ( t T ) g... ( I ) (IEEE Std , 2004), (ETSI, 2005).

31 46 N usd Numero de harmônicas. t é o tempo, percorrido desde o começo do símbolo OFDM, com 0 < t < T s na equação ( I ) C k corresponde a um número complexo; os dados a serem transmitidos sobre a portadora de quem a freqüência offset tem índice k, durante o símbolo OFDM. Isto especifica um ponto na constelação QAM. Na equação ( I ) (IEEE Std , 2004), (ETSI, 2005). Os principais parâmetros para a camada 256-OFDM PHY são definidos na tabela 5. e são estabelecidos pelo padrão WiMAX. Tabela 5. Parâmetros da camada 256-OFDM PHY (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005). Parâmetros Valores N FFT : número de pontos FFT/IFFT 256 portadoras N used : número de portadoras utilizadas. 200 portadoras F s / BW largura de banda : freqüência de amostragem com a relação à 8 /7 para bandas com licença T g / T b : largura do prefixo cíclico. 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. número de portadoras de proteção de freqüências baixas. número de portadoras de proteção de freqüências altas. Índices offset da freqüência de proteção de portadoras. Índices offset da freqüência da posição fixa básica de proteção de portadoras. 28 portadoras. 27 portadoras. -128,-127, ,+102, ,-60,-36,-12,12,36,60,84 Largura de banda do canal 1,75-3,50-7,0-10, (MHz).

32 47 Capitulo Estrutura do modelo de simulação a OFDM PHY. Este capítulo apresenta uma revisão da especificação da camada física a OFDM PHY, bem como descreve, de forma geral, a Banda RF. Em seguida, uma descrição detalhada de cada um dos blocos da Camada de Banda Base é apresentada. Para finalizar, os modelos de canal utilizados para a simulação do sistema são descritos Estrutura da camada a OFDM PHY. A estrutura da camada de IEEE a OFDM PHY pode ser dividida basicamente nas seções de Banda Base e Banda de RF, conforme diagrama de blocos mostrado na Figura 4.1. Neste trabalho serão simulados a seção de Banda Base porque nosso interesse é conhecer seu desempenho em relação a outras tecnologias de telecomunicações. MAC Bitstreams ESTAÇÃO BANDA BASE Figura 4.1 Transceiver a OFDM PHY.(FUJITSU, 2004).

33 48 BPF: Filtro Passa Banda. LNA: Amplificador de Baixo Ruído. DAC: Conversor Digital Analógico. ADC: Conversor Analógico Digital. FREQ SYN (Sintetizador de Freqüência): A função de um sintetizador é gerar um único sinal de um espectro de freqüências disponível de modulação em um transceptor com ou sem fio. f LO = f f utilizado para a freqüência RF IF DUPLEXER: Separar os sinais de transmissão e recepção de sinais de e para a antena. A seguir são descritas as duas seções da camada PHY WiMAX Banda RF (Radio Freqüência) Conforme a Figura 4.1, inicialmente o sinal da seqüência de MAC bitstream proveniente da MAC (ver ANEXO A) é alimentado no transmissor da estação base. Após o processamento na estação base, a seqüência dos dados digitais é separada em parte real e imaginária (pontos 1 e 2 da Figura 4.1). Em seguida, os dados reais e imaginários são convertidos em ondas em fase e em quadratura no DAC. A onda em fase multiplica uma forma de onda senoidal IF (ponto 3 da Figura 4.1); a onda em quadratura é multiplicada com uma forma de onda cosenoidal (ponto 4 da Figura 4.1). Estas duas formas de onda são somadas para formar uma portadora com uma freqüência intermediária modulada (IF) (ponto 5 da Figura 4.1). O conjunto é multiplicado então com a portadora RF (ponto 6 da Figura 4.1) e depois o sinal é amplificado para formar a onda eletromagnética que será transmitida pela antena. O amplificador de baixo ruído (LNA) é um elemento importante no receptor. A antena recebe as ondas eletromagnéticas vindas do espaço livre e as converte em sinais elétricos

34 49 que são enviadas as linhas de transmissão. Depois o sinal passa por um filtro BPF, Este sinal é alimentado diretamente ao LNA, que prevê adequado ganho sem degradar o SNR. A freqüência do sintetizador tem a missão importante no percurso de TX e RX. O sintetizador em conjunto com o misturador traslada o sinal RF da portadora para o sinal IF da banda base. No caso do receptor, o sintetizador LO mistura com o sinal RF e translada para o sinal da banda base. No caso do transmissor, converte o sinal de banda base modulada e desloca para o RF. No receptor, as operações de recepção do sinal são executadas em ordem inversa ao transmissor. A sincronização é necessária para assegurar o correto processamento do sinal na Estação rádio base. A sincronização de um símbolo OFDM requer a detecção do pacote seguida do tempo da amostra e a sincronização da freqüência. A detecção do pacote consiste em encontrar o início correto do pacote que pode ser feito com a ajuda dos símbolos pilotos, tais como os preâmbulos. Há duas maneiras usuais de conseguir isto: a primeira é executar a autocorrelação do sinal recebido, neste caso o preâmbulo é composto geralmente de duas porções idênticas de seqüências; a segunda é correlacionar o sinal recebido com os preâmbulos. Quando o pico ocorre, isto significa que o início de um pacote é detectado (ETSI, 2005). A freqüência offset pode ser estimada com a ajuda dos preâmbulos porque os deslocamentos de fase na constelação representam os deslocamentos da freqüência das portadoras. A valor previo pode ser executada no domínio de tempo e no domínio da freqüência baseados em determinados critérios estatísticos, tais como a probabilidade máxima. A saída estimada será realimentada para ajustar o LO.

35 Descrição do Bloco de Transmissão e Recepção da Estação Banda Base. Neste projeto as simulações foram realizadas considerando-se apenas a estrutura da Estação Radio Base apresentada nas Figuras 4.2a e 4.2b. e são descritas nos seguintes itens. Figura 4.2a. Diagrama de blocos da camada OFDM PHY a Transmissão.

36 51 Figura 4.2b. Diagrama de blocos da camada OFDM PHY a. Recepção (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005), (ROHDE & SCHAWARZ, 2006) xFF Padding: Se a quantidade de dados MAC transmitidos não permite a criação de um número inteiro de símbolos OFDM, é necessário realizar um preenchimento de bytes com 0xFF tantos quanto forem necessários, para que um número inteiro de símbolos OFDM seja criado (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005) Randomização. O uso do scrambler tem por objetivo impedir uma seqüência longa de 1 s e de 0 s que causaria problema para recuperação de tempo no receptor. No padrão a o scrambler é executado com um registro de deslocamento de 15 bits e duas portas de XOR (Figura 4.3) para o frame downlink, (DL. Transferência de dados da estação base para a estação de subscritores) o vetor inicial para o registro de deslocamento é e o scrambler deve ser restaurado no início de cada frame (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005).

37 52 Figura 4.3. Scrambler/Descrambler (ETSI, 2005). Para o receptor a mesma estrutura é utilizada para a operação inversa Tail Byte 0x00 FEC Padding. Os dados MAC são agrupados em blocos, cujo tamanho deve ser igual ao tamanho do bloco do codificador RS menos um. Para que este coincida com o tamanho do bloco, coloca-se um byte de final 0x00 para cada bloco tal e como diz o padrão (ETSI, 2005) Correção de erro Direto (FEC) O FEC é um corretor de erros introduzidos na transmissão de dados, com a finalidade de eliminar os possíveis erros causados por efeitos de multipercurso e Fading no envio de dados por espaço livre. O FEC esta formada pelo codificador Reed-Solomon e pelo codificador Convolucional descritos a seguir Codificador Reed-Solomon. FEC introduz redundância nos dados antes que sejam transmitidos. Os dados redundantes (verificação de símbolos) são transmitidos com os dados originais ao receptor. O primeiro

38 53 bloco em FEC é o codificador Reed -Solomon. Os códigos do Reed -Solomon são códigos do bloco que corrigem erros dos bursts. Os códigos, com referência ao formato RS (N, K, T), onde K é o número de bytes não codificados e N é o número de bytes codificados, T são o número dos bytes que podem ser corrigidos, Segundo (IEEE Std , 2004) o codificador Reed -Solomon gera um código tal que os primeiros K bits de saída do codificador são os bits de informação e os N- K bits seguintes do codificador são os bits de verificação adicionados para a correção do erro. No padrão (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005) o codificador Reed - Solomon é definido como RS (255, 239, 8) com os seguintes polinômios: Polinômio gerador de código: T 1 g( x) = ( x + λ )( x + λ )( x + λ )...( x + λ ), λ = 02 HEX Polinômio gerador do campo: p ( x) = x + x + x + x Codificador Convolucional / Decodificador Viterbi. O codificador convolucional mostrado na Figura 4.4 é usado para corrigir erros aleatórios. A taxa de codificação é 1/2 e o comprimento do confinamento é 7. Desde que 6 taxas de dados diferentes são suportadas em a OFDM PHY. Para o receptor, o decodificador Viterbi é usado para decodificar os códigos convolucionais com um traço posterior de profundidade 34.

39 54 Figura 4.4. Codificador convolucional. (ETSI, 2005). Depois da codificação RS-CC todos os bits de dados serão intercalados por um bloco de com tamanho correspondente ao número de bits codificados por um alocamento especificado, N cbps N cbps. Devido ao esquema diferente de modulação QPSK, 16QAM, 64-QAM, estes alocamentos são iguais a 384, 768, 1152 respectivamente. O intercalador é definido por dois passos de permutação. N cpc : número de bits codificados por portadora, isto é: 2, 4 ou 6 para QPSK, 16-QAM ou 64-QAM, respectivamente. S = N cpc / 2. Primeira Permutação: m = N cbps /16). k + floor( k /16) k 0,1,2,..., N 1 (2) ( mod( 16) = cbps Segunda Permutação: j = s. floor( m / s) + ( m + N floor(16. m / cbps N cbps )) mod s m 0,1,..., N 1 (3) = cbps

40 55 onde k é o índice do bit codificado antes da primeira permutação na transmissão; m o índice após o primeiro e antes da segunda permutação; e j o índice após a segunda permutação, apenas antes do mapeamento da modulação. A primeira permutação assegura que os bits codificados adjacentes sejam colocados em portadoras não adjacentes. Isto assegura que se um profundo fade afetar um bit, seus bits vizinhos não sejam afetados pelo fade, corrigindo os efeitos deste fenômeno. A segunda permutação assegura que os bits codificados adjacentes sejam traçados alternadamente em menos ou em mais bits significativos da constelação. Isto torna a detecção exata evitando o longo funcionamento com baixa confiabilidade de bits. Deintercalação é executada na ordem reversa das operações (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005) Interpolação (Interleaving). O Randomizador faz a junção dos bits de transmissão para que eles sejam mais robustos ante a possibilidade de erros devido ao fading (desvanecimento seletivo em freqüência), e minimizar a probabilidade de erro nos bits na recepção (IEEE Std a -2003, 2003), (ETSI, 2005) Montagem do Frame, pilotos, intervalo de Guarda. Neste item são descritos a modulação dos pilotos e o intervalo de guarda Modulação / Demodulação. Após a intercalação dos bits, os bits de dados são incorporados em série ao mapa da constelação. QPSK, 16-QAM e 64-QAM são suportados. As constelações multiplicarão uma constante c (ETSI, 2005) para conseguir uma possível potência média para todas as modulações. Portanto, o valor de c será igual a 2 para QPSK, 10 para 16-QAM e 42 para 64-QAM.

41 56 A tabela 6. mostra a relação de taxa de codificação e modulação. Tabela 6. Codificação obrigatória do canal por modulação (IEEE Std a -2003, 2003). Taxa ID Modulação Tamanho de blocos não codificados (Bytes) Tamanho de blocos codificados Taxa de codificação geral Tipos de Código RS Taxa de código CC 0 QPSK ½ (32,24,4) 2/3 1 QPSK ¾ (40,36,2) 5/ QAM ½ (64,48,8) 2/ QAM ¾ (80,72,4) 5/ QAM /3 (108,96,6) 3 / QAM ¾ (120,108,6) 5/ Montagem do Frame. Os intervalos do frame contêm transmissões (PHY PDUs) da BS e SSs, aberturas e intervalos de guarda. O OFDM PHY suporta transmissões baseadas em frames. (IEEE Std a -2003, 2003) Um frame consiste de um downlink subframe e um uplink subframe. O downlink subframe consiste apenas de um downlink PHY PDU. Um uplink subframe consiste de um esquema de intervalos de conexão compostas por: variação inicial (initial ranging) e requerimento de banda (BW request) e um ou múltiplos uplink PHY PDUs, cada um transmitidos de um SS diferente. O downlink PHY PDU começa com um longo preâmbulo utilizado para sincronização PHY. O preâmbulo é seguido por um burst FCH (cabeçalho). Este O burst FCH corresponde a um símbolo OFDM transmitido usando-se um BPSK igual a ½ e com um esquema de codificação obrigatório. O FCH contém DL_Frame_Prefix (DLFP) para especificar o perfil, a longitude, a taxa e a posição de um ou vários downlink burst que são imediatamente seguidos ao FCH.

42 57 O FCH é seguido por um ou múltiplos downlink bursts, cada um transmitido com perfil de burst diferente. Cada downlink burst consiste de um número inteiro de símbolos OFDM. Cada DL burst é composto das unidades de dados do pacote MAC (PDUs) programadas para a transmissão da DL. Opcionalmente um DL burst pode começar com um preâmbulo curto (1 símbolo OFDM) que permite uma sincronização mais realçada e uma estimação de canal das SSs. O UL subframe consiste de intervalos programados de contenção para variação inicial (initial ranging) e requer uma largura de banda e um ou múltiplos UL PHY burst de transmissão, cada qual transmitida de uma SS diferente. Os slots para initial ranging permitem à SS entrar ao sistema por requerimento da gerência básica CIDs, para ajustar seu nível de potência e freqüência offset e correção do seu sincronismo offset. Os slots de requerimento de largura de banda são usados por SSs para transmitir o cabeçalho de requerimento de banda. Cada um dos UL PHY burst de transmissão contém somente um UL burst e começa com um preâmbulo curto (1 símbolo OFDM). O DLFP contêm até quatro elementos de informação (IEs). Cada IE especifica um DL burst. Assim, o DLFP pode especificar até quatro DL burst. Se o DL subframe for composto de mais de quatro burst, um DL-MAP adicional especifica os restantes. Se houver menos de quatro burst atuais, o DLFP é suficiente não sendo necessário transmitir o DL-MAP. O IE DLFP contêm o comprimento e o modo PHY do correspondente DL burst. O IE pode, adicionalmente, informar sobre o preâmbulo opcional no começo do DL burst. O DL burst 1 contêm as mensagens do controle do MAC broadcast, isto é, o DL e o UL canal descritor (DCD, UCD) além dos UL- e o DL-MAP. DCD e UCD definem as características dos canais físicos. O DL-MAP define o acesso ao canal DL e o UL-MAP aloca o acesso ao canal UL. Assim, o frame inteiro do MAC é especificado pelas mensagens do MAC incluídas no FCH e o DL burst 1.

43 58 Entre outras coisas, os MAPs contém um IE para cada um dos burst do frame. Cada IE no DL-MAP especifica um DL burst e um IE no UL-MAP especifica um UL burst de transmissão. O último IE de cada MAP indica o final do MAP e o final do subframe. São adicionados também os pilotos e o intervalo de guarda com o objetivo de criar o símbolo OFDM no domínio da freqüência Figura 4.5. Estrutura do quadro (frame) OFDM com FDD (IEEE Std a -2003, 2003).

44 Modelo do Canal. A fim de avaliar o desempenho do sistema de comunicação desenvolvido, uma descrição exata do canal é necessária para resolver seu ambiente de propagação. A arquitetura de um sistema de comunicação desempenha um papel importante na modelagem de um canal. O canal sem fio é caracterizado por: - Perda por Trajetória (incluindo sombra). - Atraso de propagação por múltiplos percursos. - Características de Fading. - Espalhamento Doppler. Estas características são descritas a continuação: Todos os parâmetros do modelo são de natureza aleatória e apenas uma caracterização estatística deles é possível, ou seja, em termos de valor médio e variância uma vez que estes parâmetros são dependentes do terreno, densidade das árvores, altura e distribuição das antenas, velocidade do vento e da estação do ano Perdas por Trajetórias. Perdas por trajetória são afetadas por vários fatores, tais como: contorno dos terrenos, tipo de ambiente (urbano ou rural, presença de vegetação e folhagem), meios de propagação (ar seco ou úmido), a distância entre o transmissor e o receptor, a altura e a localização das antenas entre outros fatores.

45 Atraso de Propagação por Multipercursos. Devido a natureza de propagação de sem linha de visada (NLOS) de tipo WirelessMAN OFDM, o multiatraso de propagação deve ser incluídos no modelo de canal. Os atrasos de propogação por multipercusos ocorrem devido as dispersões do sinal devido as características do meio ambiente. O atraso de propagação é um parâmetro utilizado para indicar o efeito de multipercursos de propagação que dependem do tipo de terreno, da distância entre o transimssor e o receptor, diretividade das antenas e outros fatores. O valor do atraso da propagação (rms) pode ser de dezenas de nanosegundos a microsegundos Características Fading. Em um ambiente de multipropagação, o sinal recebido apresenta flutuações na sua amplitude, fase e ângulo de chegada. O efeito é descrito pelo termo de multidesvanecimento (fading) (SKLAR, 2001). Devido a implantação das antenas fixas no transmissor e no receptor, o fading de pequena escala é abordado no modelo de canal. Fading de pequena escala refere-se a mudanças drásticas da amplitude e da fase do sinal que, no entanto, resulta em pequenas alterações (da ordem de maximo meia onda) no posicionamento espacial entre um receptor e um transmissor. Fading de pequena escala é chamado Rayleigh Fading se existem inúmeros caminhos reflexivos e não há componente do sinal na linha de visada; as envolventes de tal sinal recebidas são estatisticamente descritas por um Rayleigh pdf (SKLAR, 2001). Quando uma componente do sinal sem fading dominante está presente como, por exemplo em uma propagação com linha de visada, a envolvente do Fading de pequena escala é descrito por um Rician pdf em (SKLAR, 2001). No nosso modelo de canal iremos considerar distribuição Rician fading. O principal parâmetro desta distribuição é o fator K,

46 61 definido como a relação entre a componente direta da potência e as componentes dispersadas da potência Espalhamento Doppler No acesso sem fio fixo, um deslocamento de freqüência Doppler é induzido no sinal devido ao movimento dos objetos no ambiente da propagação. O espectro Doppler para diferentes canais fixos sem fios é visto em (V. ERCEG, et al, 2003). O efeito Doppler ocorre no intervalo de freqüência de 0 até 12 Hz para o canal sem fio sem movimentação. A forma do espectro também é diferente do clássico Jake's (V. ERCEG, et al, 2003) espectro para canal móvel. Juntamente com os parâmetros anteriores, a distância e interferência do co-canal, o fator de redução de ganho da antena deveria ser considerada para a modelagem do canal. Tendo os requisitos principais para o modelo do canal, temos duas opções para desenvolver. Podemos usar um modelo matemático para cada um deles ou podemos escolher um modelo empírico que englobe os requisitos mencionados. Optamos pelo último e escolhemos o Stanford University Interim (SUI) modelo de canal para nossa simulação Modelos de Canal. Stanford University Interim (SUI). Os modelos de canal SUI são uma extensão do trabalho anterior da AT & T Wireless e Erceg et all (SKLAR, 2001). Nesse modelo um conjunto de seis canais foi escolhido considerando-se três tipos diferentes de terreno típicos nos Estados Unidos (V. ERCEG, et al, 1999). Este modelo pode ser utilizado para simulações, desenvolvimento e testes de

47 62 tecnologias apropriadas para aplicações de banda larga sem fio fixas (V. ERCEG, et al, 2003). Os parâmetros para o modelo foram selecionados com base em alguns modelos estatísticos. As tabelas abaixo ilustram os parâmetros dos seis canais SUI. Tabela 7: Tipo de Terreno para canais SUI. Tipo de Terreno. C (Terreno predominantemente plano com baixa densidade de árvores) B (Terreno montanhoso com baixa densidade de árvores ou terreno plano com moderada a alta densidade de árvores) A (Terreno montanhoso com moderada a forte densidade de árvores) Canais SUI SUI-1, SUI-2 SUI-3, SUI-4 SUI-5, SUI-6 Tabela 8: Características dos canais SUI Doppler Baixo retardo por espalhamento Moderado Retardo por espalhamento Alto Retardo por espalhamento Baixo SUI-1,2 (Alto fator K) SUI-5 SUI-3 Alto SUI-4 SUI-6

48 63 Assumimos o cenário (V. ERCEG, et al, 2003) com os seguintes parâmetros: - Tamanho das células: 7 km. - Altura da antena Transmissora: 30 metros. - Altura da antena do Receptor: 6m. 0 - Antena largura do feixe: antena receptora: unidirecional. - Polarização: Vertical. - 90% de cobertura das células com 99,9% de confiabilidade em cada local coberto. Para o cenário acima, os parâmetros do canal SUI são tabulados nas tabelas 9, 10 e 11, de acordo com (V. ERCEG, et al, 2003). Tabela 9: Retardo por Espalhamento dos Canais SUI Modelo de Canal Tap 1 Tap 2 Tap 3 Retardo por espalhamento Rms μ s SUI SUI SUI SUI SUI SUI

49 64 Tabela 10: Potencia dos Taps (antena unidirecional) de Canais SUI. Modelo de Canal Tap 1 Tap 2 Tap 3 SUI SUI SUI SUI SUI SUI db Tabela 11: Fator K 90% (antena unidirecional) dos canais SUI Modelo de Canal Tap 1 Tap 2 Tap 3 SUI SUI SUI SUI SUI SUI Estes parâmetros obtidos nas tabelas foram obtidos pelas equações que são descritas na seguinte seção e como estes parâmetros foram incorporadas para implementar o modelo de canal SUI para nossa simulação.

50 Implementação do Modelo de Canal SUI. O objetivo da implementação do modelo é a simulação dos coeficientes do canal. Coeficientes de canal com a distribuição especificada e a densidade espectral de potência são gerados usando o método de ruído filtrado (BAUM S., 2001). Um sistema de números complexos com distribuição ZEROMEAN é gerado com uma variância de 0.5 para a parte real e imaginária para cada um dos taps para alcançar a média unitária total da potência. Desta forma, chegamos a uma distribuição Rayleigh (equivalente a Rice com K = 0) pela magnitude dos coeficientes complexos. No caso de uma distribuição Ricean (K> 0), uma componente m de trajetória constante tem de ser adicionado ao conjunto de coeficientes de Rayleigh. O fator K especifica a relação de potência entre a parte constante e a parte variável. A distribuição de potência é mostrada a seguir: A potência total P para cada tap. 2 2 p = m +σ (4) Onde m é uma constante complexa e relação de potência é: 2 σ a variância do sistema gaussiano complexo, a 2 m k = (5) 2 σ Das equações 4 e 5, a potência da gaussiana complexa e dada por: 2 1 σ = p. (6) k + 1 E a potência da parte constante como: 2 k m = p. (7) k + 1

51 66 O modelo de canal SUI especifica uma função de densidade de potência espectral (PSD) para o espalhamento de componentes dos coeficientes de canal dada por: f ( ) = 0 f S f f f > 1 (8) Sendo a função f 0 parametrizada pela freqüência Doppler máxima, ou seja. f m f = f 0. f m Para gerar um sistema de coeficientes de canal com a função PSD, os coeficientes originais são correlacionados com um filtro que tem a amplitude de resposta em freqüência. H ( f ) = S( f ) (9) Para a uma eficiente implementação são utilizados um filtro não recursivo e a superposição de domínio da freqüência adicionado ao método. Não existem componentes com freqüência superior a f m (para a construção da fórmula S(f)): assim, o canal pode ser representado com uma freqüência de amostragem mínima de 2 f m segundo o teorema de Nyquist. Por esta razão, escolhemos a freqüência de amostragem igual a 2 f m. A potência do filtro deve ser normalizada a 1, de modo que a potência total do sinal de saída é igual à potência de entrada.

52 67 Capitulo 5. Resultados das Simulações. Neste capítulo os resultados das simulações são apresentados e discutidos. Primeiramente, apresenta-se a implementação do simulador e, em seguida, apresenta-se os resultados da simulação, além dos valores utilizados para os diferentes parâmetros que caracterizam o desempenho da camada física. 5. Simulação do Modelo da Camada Banda Base WiMAX. Conforme citado anteriormente, a implementação da camada física WiMAX foi dividida em duas etapas descritas a seguir. Primeira Etapa: Etapa de simulação da estação rádio base incluindo todos os blocos descritos no Capítulo 4 (randomizador, FEC, interpolador, montagem do frame, pilotos, IFFT, inserção CP) (Figura 4.2a), na qual foram obtidos os quadros de dados Uplink e Downlink WiMAX do transmissor e receptor. Segunda Etapa: Nesta etapa, o modelo de canal de transmissão foi implementado em MATLAB incluindose no algoritmo o ruído branco gaussiano (AWGN), efeito fading e a interferência intersimbólica. Através deste canal os frames de dados são transmitidos ao receptor. Com isto, foram avaliados os cálculos de BER versus SNR para os diferentes tipos de modulação (BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM) utilizados em WiMAX.

53 Implementação com o simulador ADS Introdução. Os projetos de simulação WiMAX criados no ADS (explicados com maiores detalhes no ANEXO A) e MATLB são baseados no padrão de IEEE (descrito anteriormente). Estes projetos, são focalizados na camada física do sistema WiMAX. Eles são desenvolvidos para constituir um sistema padrão para que outros projetistas tenham uma idéia mais clara de como o desempenho nominal ou ideal do sistema WiMAX é desenvolvida. As avaliações podem ser feitas a partir do desempenho degradado do sistema devido as debilidades dos componentes não ideales dos componentes utilizados Componentes da Codificação do canal. Os componentes de codificação de canal serão usados para a construção do FCH e dos canais de dados. As componentes chaves para a codificação do canal incluem componentes do scrambler, componentes corretor de erro futuro (FEC), e um componente do interpolador. Um interpolador (interleaver) é usado para codificação de canais (ETSI, 2005). Todos os bits de dados codificados são intercalados por um bloco interpolador com um tamanho que corresponde ao número de bits codificados pelos subcanais alocados pelo símbolo N cbps OFDM. O interpolador é definido por uma permutação de duas etapas: o primeiro assegurase que os bits codificados adjacentes estejam traçados em subportadoras não adjacentes; o segundo assegura que os bits codificados adjacentes estejam mapeados alternadamente para mais ou para menos bits significativos da constelação, evitando, assim, funcionamentos longos de bits com baixa confiança. O componente Interleaver802 do ADS executa a intercalação de duas etapas para o sistema de WiMAX, A Figura 5.1. Mostra a geração completa de sinal codificado, usando o esquema Reed solomon e código convolucional (RS-CC) baseado no padrão a. de

54 69 Port P1 BitsToInt Num=1 B1 nbits=8 R-S Encoder CoderRS C2 IntToBits I1 nbits=8 Convolutional Enocder ConvolutionalCoder C3 CodingRate=rate 1/2 Intlv802 Interleaver802 sub_puncrscc I2 PuncRSCC2 s=s CC_CodeRate=Rate_ID l=l NCBPS=NCBPS Port P2 Num=2 Var Eqn VAR VAR1 sub_puncturing Punc3 Rate_ID=Rate_ID Figura 5.1. Sub-rede FEC. Como foi explicada no capítulo 4, a estação rádio base tem um bloco de codificação de dados descrito no diagrama da figura 5.1: A sub-rede inclui um componente do codificador Reed-Solomon RS (CoderRS), um componente do codificador convolucional (ConvolutionalCoder), e um componente do interpolador (Interleaver802). Dois componentes da sub-rede FEC foram construídas para este projeto (sub_puncrscc e sub_puncturing), suas funções e características são descritas a seguir: Sub-rede (sub_puncrscc) (Figura 5.2.) É usada somente para dados codificados a 2/3 do código CC (ver a tabela 6). Esta sub -rede pode ser modificada para qualquer taxa. Se todas as taxas do código do CC necessitarem ser suportadas, uma sub-rede para cada Rate_ID distinta será necessária. Sub-rede (sub_puncturing) (Figura 5.3). Suporta todas as taxas do código do CC definidas em d (ver tabela 6). Para importar funções do MATLAB, um parâmetro da função de MatlabLibLink é especificado.

55 70 Figura 5.2. Sub rede para CC código Rate_ID = 2/3 Figura 5.3. Sub rede para todas as taxas de código CC.

56 Preâmbulos. O frame WiMAX contêm dois preâmbulos no downlink PHY. O primeiro preâmbulo no PDU do downlink PHY consiste em dois símbolos consecutivos de OFDM (a combinação dos dois símbolos de OFDM é concebida como o preâmbulo longo). O primeiro símbolo de OFDM usa somente os índices das subportadoras que são um múltiplo de 4. Conseqüentemente, a forma de onda no domínio de tempo do primeiro símbolo consiste em 4 repetições com fragmento de 64 amostras, precedidas por um prefixo cíclico (PC). O segundo símbolo de OFDM usa somente subportadoras uniformes, resultando em uma estrutura do domínio de tempo com as duas repetições de um fragmento de 128 amostras, precedidas por um prefixo cíclico (IEEE Std , 2004). No ANEXO B. a seqüência no domínio da freqüência do preâmbulo é descrita com maiores detalhes. A estrutura do domínio de tempo é ilustrada na Figura 5.4. Figura 5.4. Estrutura do Preâmbulo Downlink da entrada do frame. A Figura 5.5. mostra a geração do preâmbulo longo para um transmissor do downlink WiMAX FDD.

57 72 Figura 5.5. Geração dos preâmbulos Downlink PHY Estrutura FCH. Como especificado na seção de (Std IEEE ), o FCH contém o prefixo do frame do downlink para especificar o perfil burst e o comprimento do primeiro burst downlink. Os campos do prefixo do frame de downlink são: Rate_ID define o perfil do burst. (especificada na tabela 3). Comprimento dos números de símbolos OFDM (payload PHY) no burst seguidos imediatamente do burst FCH. HCS (Header Check Sequence) é uma seqüência de verificação do cabeçalho de 8 bits usado para detectar erros no prefixo do downlink frame. O índice básico do símbolo de FCH é o downlink Prefix frame (DLPF) implementado na Figura 5.6. No FCH, os parâmetros chaves Rate_ID e o comprimento são incluídos no cabeçalho. A geração de HCS pode ser modelada por uma verificação do CRC (Verificação de Redundância Cíclica), donde o transmissor toma o Rate_ID e a longitude de bytes como entrada do codificador CRC e saída do código HCS.

58 73 Como pode ser visto na Figura 5.7, o símbolo de FCH do sub_fch será embaralhado com a seqüência gerada por ReadFile e depois passará pelo bloco LogicXOR2, o canal será codificado através do codificador do canal sub_rs_cc, traçado por um mapeador, logo ficará pronto para moldar o sinal de WiMAX. Figura 5.6. Estrutura do FCH. Figura 5.7. embaralhador (Scrambling), Canal de Codificação, e Mapeamento para o símbolo FCH.

59 Geração do subframe Downlink Burst. Na figura 5.8 são apresentados os blocos para a geração do subframe downlik burst da WiMAX formada pelo cabeçalho MAC, Mensagem MAC e pelo Padding e descrita anteriormente no ANEXO C. A seqüência de dados de entrada para a modulação são selecionadas como dados aleatórios de comprimento específico. Na figura 5.9 os dados empacotados são embaralhados pela ReadFile e pela LogicXOR2, depois é codificado atravez do sub_rs_cc, Em seguida, os dados são mapeados estando aptos a receber o sinal do subframe WiMAX. Figura 5.8. Bloco para geração do subframe Downlink Burst de WiMAX.

60 75 Figura 5.9. Embaralhador (scrambled), codificação do canal, e o mapeador para os símbolos dos dados Modulação OFDM. Conforme discutido no capitulo 4. a camada física WiMAX é baseada na modulação OFDM. Um símbolo OFDM é composto de subportadoras que determinam o tamanho de FFT. Os tipos dos subportadoras WiMAX incluem: Subportadoras de dados responsáveis pela transmissão de dados. Subportadoras piloto para várias finalidades de estimação. Subportadoras nulos ou sem trasmissão utilizadas como banda de guarda possibilitando o sinal decair naturalmente e finalmente no meio das portadoras uma subportadora DC. A Figura 5.10 mostra a modulação OFDM com ADS. Os dados do subframe Downlink, e o sinal FCH estão codificados e mapeados. Estes são multiplexados junto aos pilotos com o MuxOFDMSym802 para formar o símbolo OFDM no domínio de freqüência. LoadIFFTBuff802 e FFT_Cx realizam a inversa da FFT para formar os símbolos

61 76 WiMAX OFDM no domínio de tempo. AddGuard adiciona um intervalo de guarda para completar os símbolos OFDM. Figura Desenho da Modulação de um símbolo OFDM.

62 Código completo da Geração de Sinal. O desenho Test_WMAN_CodedSignals mostra a subframe completo formada pela união de todos os blocos da estrutura do subframe OFDM para o sistema downlink de duplex divisão de freqüência WiMAX (FDD DL) em ADS já descritas neste capitulo. Uma representação simplificada e apresentada na Figura Os componentes principais são fornecidos no nível do subsistema e incluem geração do preâmbulo, o cabeçalho de controle do frame (FCH) e a geração dos dados FDD DL, modulação OFDM, multiplexação, e modulação de RF. Os sinais são codificados inteiramente pelo codificador RS-CC. Para mostrar o desempenho do sistema no domínio de tempo e de freqüência, TimeSink e SpectrumAnalyzerResBW (ferramentas de ADS) são usados para a entrada e saída do transmissor, respectivamente.

63 78 FRAME DOWNLINK OFDM WiMAX Figura Blocos da geração do subframe downlink OFDM WiMAX.

64 Modelo de Canal e Receptor Demodulação do sinal WiMAX. RF Demodulação RECEPTOR Demultiplexção A Numeri c NumericSink Constellation_data GROUND RES R6 R=50 Ohm Temp= OFDM Demodulação AsyncDistributor BusSplit2 A8 B12 BlockSizes="Carriers (NSYM*Carriers)" Numeri c NumericSink Constellation_sig TimedToFloat T5 A A A Port TestData QAM_Demod Num=1 Q1 TimedToFloat T2 RectToCx R5 Delay D3 N=InsertedDelay AsyncDistributor A4 BusSplit3 B11 BlockSizes="Idle (2*Ts) ((NSYM+1)*Ts) " AsyncDistributor BusSplit2 A7 B9 BlockSizes="Guard FFTSize" FFT_Cx F8 Order=Order Size=FFTSize Direction=Forward AsyncDistributor BusSplit4 A6 BlockSizes="1 LoadSize B8 Zeros LoadSize" Commutator2 C5 BlockSize=LoadSize RES R2 R=50 Ohm Temp= GROUND Figura 5.12 Receptor de sinal WiMAX (Demodulação RF, demodulação OFDM, demultiplexação). Conforme mostrado na Figura 5.12 este diagrama integra a demodulação RF, demodulação OFDM, demultiplexação para dados e sinal, e, finalmente, mostra os dados e o Sinal das constelações.

65 Diagrama de Blocos do Transmissor, Modelo de canal e Receptor WiMAX em ADS FRAMEDOWNLINK FRAME OFDM WiMAX WMAN d Signal Agilent Technologies Numeric NumericSink BB CANAL RECEPTOR WMAN Constellation sub_wman_constellation WMAN_Constellation2 ResBW sub_wman_802_16drf WMAN_16dRF SplitterRF S1 MatlabLibLink M1 SplitterRF S3 SpectrumAnalyzerResBW Meas_Spectrum SplitterRF S4 TimedSink Meas_V Figura Diagrama de blocos do Transmissor Receptor e do Canal Na figura 5.13 é apresentado os diagramas simplificados do Transmissor modelo de canal e Receptor WiMAX que foram desenvolvidos com ADS e MATLAB. Com os blocos podemos realizar as medições do sinal, constelação e curvas BER vs SNR.

66 Medições. As medições são fornecidas para as formas de onda, espectro, potência, constelação e curvas BER vs SNR para todas os tipos de modulação e perfis de codificação. Os modelos de TimedSink são usados diretamente para mostrar formas de onda do preâmbulo, FCH, dados da MAC, e sinal total do frame. SpectrumAnalyzerResBW é usado para medir o espectro do sinal WiMAX Descrição da simulação WiMAX. No projeto foram considerados todos os blocos do subframe downlink e uplink WiMAX no transmissor e receptor assim como o modelo de canal. Com isso, podemos ver as formas de onda do preâmbulo 1 (seqüência 4x64), Preâmbulo 2 (seqüência 2x128), cabeçalho do sinal (FCH), e os dados do sinal WiMAX Downlink no domínio do tempo. Também obtemos as formas de onda de BER vs SNR para todos os tipos de modulação e perfis de codificação além do espectro do sinal de dados no domínio da freqüência. No caso do subframe Uplink WiMAX foram obtidas as formas de onda para a seqüência do preâmbulo (2x128) e os dados no domínio do tempo, e, em seguida, o espectro do sinal de dados no domínio da freqüência. Finalmente os resultados da constelação Downlink e Uplink são apresentados. Eles incluem a constelação de BPSK para o sinal piloto, o QPSK para FCH, e o 16-QAM para os dados de controle de acesso ao médio Parâmetros da Simulação. Os parâmetros utilizados nas simulações são apresentados a seguir na Tabela 12.

67 82 Tabela 12. Valores para as medidas de WiMAX. Parâmetro Descrição Valor Fsource Freqüência da portadora 3.5 GHz Source Power Potência 30 dbm Bandwidth Largura de banda 28 MHz Rade_ID Rade_ID 2, 16 QAM, tamanho de bloco codificado 48, tamanho de bloco não codificado 96, taxa de codificação 1/2 Data Length Longitude de dados em Bytes 256 FFT size Tamanho da FFT 512 DL Frame Time Tempo do frame de DL FDD 100 us Guard Interval Intervalo de Guarda ¼ Idle Interval Tempo do intervalo de retardo 2 us Data Sub-carriers Número de subportadoras para dados Pilots carriers Número de subportadoras para 8 pilotos Measured Frames Número de medidas dos frames Resultados das Simulações Realizadas para a transmissão e recepção sem efeitos de desvanecimento Fading no canal. A Figura 5.14 apresenta as formas de onda obtidas na simulação (superior, esquerdo à direita) para o Preâmbulo 1 (seqüência 4x64), Preâmbulo 2 (seqüência 2x128), cabeçalho do sinal (FEC), e dados do sinal WiMAX Downlink. O tempo gasto pela trasmissão dos símbolos no preâmbulo 1, preâmbulo 2 e cabeçalho é aproximadamente 10us. O tempo de duração para a trasmissão de dados no downlink WiMAX é de aproximada de 60us completando assim os 100us do total do subframe. A magnitude do sinal é de, aproximadamente, 5 v para todo o subframe.

68 Preambulo1 Preambulo2 Cabecalho Dados time(us) Figura Formas de onda (esquerdo à direita) Preâmbulo 1, Preâmbulo 2, cabeçalho, e dados do sinal WiMAX Downlink. A Figura apresenta o espectro do sinal de dados Downlink. Os parâmetros da simulação incluem a potência da portadora, largura de banda do sinal, e a potência do sinal. O espectro medido tem as especificações da tabela 12: A freqüência da portadora é 3.5 GHz e a largura de Banda é 28 MHz Espectro (dbm) Frequencia (GHz) Figura Forma de onda da Potencia e Espectro WiMAX Downlink.

69 84 A Figura mostra as formas de onda para a seqüência do preâmbulo (2x128) e os dados do sinal WiMAX Uplink. O tempo gasto pelo símbolo do preâmbulo é aproximadamente 10ms assim como no cabeçalho. O tempo de duração dos dados transmitidos downlink WiMAX é de aproximada de 80 ms completando assim os 100ms do total do subframe. A magnitude do sinal é de, aproximadamente, 3.5v para todo o subframe. Ma gni tu de Preambulo Dados time(us) Figura Formas de onda Preâmbulo e dados do sinal WiMAX Uplink Espectro (dbm) Frequencia (GHz) Figura Forma de onda da Potencia e Espectro WiMAX Uplink.

70 85 A Figura mostra o espectro do sinal de dados Downlink. Os parâmetros da simulação incluem a potência do carrier, largura de banda do sinal, e a potência do sinal. O espectro medido tem as especificações da tabela 12: A freqüência da portadora é 3.5 GHz e a largura de Banda é 28 MHz. Os resultados das simulações obtidos dos sinais no transmissor e no receptor mostram praticamente a mesma sinal. Isto devido a que não existe desvanecimento ou perda do sinal no canal de transmissão. O simulador mostra também as formas de onda no tempo e freqüência do frame (Preambulo1, preâmbulo2, cabeçalho, dados). Na figura 5.18 mostramos as diferentes formas de onda e os tempos de cada um deles na freqüência de 3.5GHz. A tabela da figura 5.18 mostra as estatísticas de transmissão da freqüência da portadora que é 3.5GHz, também o tempo total do subframe downlink que é 112us, preambulo1 10us, preâmbulo2 10us, cabeçalho 10us, e tempo total dos dados 80us.

71 86 RF_FSource / ( 1 MHz) RF_R BurstTime / (1usec) TimeStep / (1nsec) IdleTime/ ( 1 usec) LongPreambleTime / (1 usec) ShortPreambleTime / (1 usec) OFDM_SymbolTime / (1 usec) DataTime / (1 usec) SIGNAL_Time / (1 usec) RF_V IEEE802.16d Forma de onda Time (usec) dbm IEEE802.16d Forma de onda Frequency 3500 (MHz) Frequencia(MHz) RF_V Preambulo Time (usec) dbm 20 Preambulo Frequency (MHz) Frequencia(MHz) RF_V Preambulo Time (usec) dbm 20 Preambulo Frequency (MHz) Frequencia(MHz) RF_V Cabecalho Time (usec) dbm 20 Cabecalho Frequency (MHz) Frequencia(MHz) RF_V DADOS Time (usec) dbm 20 DADOS Frequency (MHz) Frequencia(MHz) Figura Tabela estatística de transmissão e formas de onda do subframe downlink. As formas de onda mostradas A figura 5.18 mostra as formas de onda no tempo e freqüência de um quadro Downlink operando na freqüência da portadora de 3.5 GHz. Podese observar que os tempos utilizados pelas portadoras dos preâmbulos, cabeçalhos e de

72 87 dados comprem os requerimentos estabelecidos no padrão (ETSI, 2005), assim como na largura de banda (28 MHz) e potencia no transmissor (20dBm) Resultados do desempenho da Camada Física com efeitos de canal de transmissão. O objetivo da simulação da camada física PHY em ADS e MATLAB, foi estudar o rendimento do BER sob diferentes condições de canal e variações de parâmetros que caracterizam o desempenho. Mas, a fim de retransmitir sobre qualquer resultado da simulação da camada PHY devemos ter alguns resultados para que possamos fazer as validações, em termos de tendências gerais. A próxima seção apresenta um conjunto de gráficos de constelações espalhadas que identificam tendências na qualidade de recepção que variam com diferentes parâmetros Gráficas BER. Nesta seção, apresentamos diversos gráficos BER vs SNR para todos os perfis de codificação e modulação obrigatória, conforme especificado no padrão em modelos de canais similares. Figura 5,19, 5,20 e 5,21 mostram o desempenho em SUI 1, 2 e 3 modelos de canal, respectivamente. Pode ser visto das figuras que o esquema de modulação e codificação mais baixas oferecem melhor desempenho com menos SNR. Isto pode ser facilmente visualizado se olharmos para o seu mapeamento de constelação; maiores distâncias entre pontos adjacentes podem tolerar maior ruído (o que faz com que o ponto se desloque da origem) com o custo de taxa de codificação. Ao definir o limiar(setting) SNR, os esquemas de modulação adaptativa podem ser utilizados para atingir velocidades de transmissão mais altas com um alvo BER. SNR necessárias para atingir nível de são tabulados na tabela BER

73 88 Figura Gráfica BER vs. SNR Para diferentes tipos de codificação sobre Canal SUI-1 Figura Gráfica BER vs. SNR Para diferentes tipos de codificação sobre Canal SUI-2

74 89 Figura Gráfica BER vs SNR Para diferentes tipos codificação sobre o canal SUI-3 Tabela 13 : SNR requerido para nível de BER de 10 3 e codificação., para diferentes perfils de modulação Modulação Código de BPSK QPSK QPSK 16-QAM 16-QAM 64-QAM 64-QAM 1/2 1/2 3/4 1/2 ¾ 2/3 3 / 4 taxa SNR(dB) para BER nivel Canal SUI SUI SUI Após observar o desempenho de diferentes perfis sob o mesmo modelo de canal, vamos observar as variações com a mudança nas condições do canal. A Figura 5,22 mostra o desempenho do 16QAM ½ sobre SUI-1, 2 e 3 modelos de canal. Nesta figura observa-se

75 90 que a gravidade da corrupção é mais elevada no modelo de canal SUI-3 e menor no modelo de canal SUI-1. A ordem da gravidade da corrupção pode ser facilmente compreendido pela análise da potência tap e os atrasos dos modelos do canal, uma vez que o efeito doppler é razoavelmente pequeno para uma implantação numa posição fixa. Todos os três modelos possuem mesma quantidade de atrasos nos correspondentes tap exceto o tap 3 do modelo SUI-2 que tem 0,2 μ a mais do que o correspondente tap dos outros dois modelos. Mas, neste caso domina a potência tap na determinação da ordem de gravidade da corrupção. SUI-3 tem o tap de potência com maior valor e SUI-1 tem o valor mais baixo. Figura 5.22 Gráfica BER vs SNR Para 16QAM ½ sobre os diferentes canais SUI Na figura 5.22 percebe-se fácilmente que para o modelo de canal SUI-1 requer-se menor potencia (SNR) do que SUI-2 e SUI-3, para poder alcançar um BER razoável e ter uma qualidade do sevicio ótima, isto porque para o modelo SUI-1 tem menor desvanecimento do sinal que o SUI-2 e este menor do que SUI-3.

76 Efeitos do Corretor de Erro Futuro FEC Uma interessante simulação do FEC é que, sem o concatenador ReedSolomon e o codificador Convolutional, a degradação do desempenho fará cair o SNR. Para descobrir o quanto melhora o desempenho do sinal com o código concatenado, o perfil de modulação e codificação QPSK ½ é escolhido sobre o modelo de canal SUI3. A figura 5,23 mostra o desempenho do RS-CC comparado a outro que não apresenta FEC. Os 3 códigos FEC melhoram o desempenho do BER por quase 6dB para o nível do BER 10. As observações feitas na Figura 5,23 são repetidas também para os perfis de modulação e codificação 16QAM 1/2 e 64QAM 2/3. Isto pode ser visto na Figura 5,24 e 5,25 onde os ganhos de 7dB FEC melhoram o nível do BER. No caso de 64QAM 2/3, a Figura 5,25 mostra 4,5 db de melhoria em de nível do BER. Figura Efeitos FEC em QPSK ½ sobre o modelo de canal SUI-3

77 92 Figura Efeitos FEC em 16QAM ½ sobre o modelo de Canal SUI-3 Figura Efeitos FEC em 64QAM 2/3 sobre o modelo de canal SUI-3

78 93 Nas figuras 5.23, 5.24, e 5.25 se observa o desempenho do RS-CC comparado a outro que não apresenta FEC. Notamos claramente que os códigos FEC melhoram significativamente o desempenho do BER e que variam de acordo com as características do canal que são transmitidos. Neste caso para SUI-1 a pratir de 15dB para SUI-2 e SUI-3 é de 20dB e 27dB respectivamente. Por isso que na transmissão dos quadros num sistema WiMAX é obrigatória a utilização dos códigos FEC Gráficos de Dispersão. (Scatter Plots) Figura 5,26 a 5,29 mostra os gráficos de dispersão dos diferentes esquemas de codificação e modulação quando os valores de SNR são alterados sob o modelo de canal SUI1. O símbolo '+' denota os dados transmitidos e os símbolos ' * ' denotam os dados recebidos. Esses gráficos são obtidos através do envio de um mesmo frame de dados do transmissor ao receptor através do canal repetidamente 1000 vezes. A entrada do frame foi tomada da secção do padrão IEEE d. Mas, isto não confirma a presença de todos os pontos da constelação, como pode ser visto no gráfico de dispersão de modulação 64QAM (Figure. 5,29), onde alguns pontos da constelação estão faltando. Isto pode ser observado a partir dos gráficos onde a redução do espalhamento é tomada com os crescentes valores de SNR. Este cenário valida a implementação do modelo de canal. É importante notar também que a dispersão de propagação dá um indicio forte sobre as estatísticas BER quando os valores SNR são variados. O efeito de um modelo de canal de dispersão em um SNR de 35 db, a variação é mais acentuada nos modelo SUI-4, 5,6 incluso para maiores valores de SNR. É claro que a equalização é necessária para esses três modelos de canal.

79 94 A) SNR = 10dB B) SNR = 15dB Figura Gráficas de dispersão Para modulação BPSK (RS-CC) sobre modelo de canal SUI-1 A) SNR = 10dB B) SNR = 20dB Figura Gráficas de dispersão Para modulação QPSK (RS-CC 1/2) sobre modelo de canal SUI-1

80 95 A) SNR = 20dB B) SNR = 30dB Figura Gráficas de dispersão Para modulação 16QAM (RS-CC 3/4) sobre modelo de canal SUI-1 A) SNR = 20dB B) SNR = 25dB Figura Gráficas de dispersão Para modulação 64QAM (RS-CC 2/3) sobre modelo de canal SUI-1

81 96 Capitulo 6. Conclusões e Trabalhos Futuros Este capítulo apresenta uma primeira conclusão sobre o modelo em ADS que foi elaborado para este projeto e, em seguida, uma análise dos esforços sobre o projeto é apresentada. Por último, várias sugestões para futuramente se melhorar o modelo são discutidas Conclusões. A principal contribuição deste trabalho foi a implementação da camada PHY OFDM do padrão IEEE , usando as plataformas ADS e MATLAB, a fim de avaliar o desempenho da camada PHY em relação ao modelo de canal. A camada PHY implementada suporta todos os esquemas de modulação e codificação, bem como os comprimentos do prefixo cíclico dentro do quadro (CP) definidos na especificação do padrão. Para se manter a simplicidade da simulação, evitou-se fazer oversampling das amostras de dados antes de sua utilização no modelo do canal. No lado do receptor, supomos como perfeita a estimação de canal, a fim de evitar o efeito de um determinado método de estimação nos resultados, embora a inserção dos símbolos das subportadoras piloto no OFDM faz uso de qualquer estimador possível (combtype). O simulador desenvolvido pode ser facilmente modificado para implementar novos recursos, a fim de melhorar o desempenho na camada PHY. A Simulação foi a metodologia utilizada para investigar o desempenho da camada PHY. O método de avaliação foi concentrado principalmente sobre o efeito do canal na camada PHY. O sistema global de desempenho também foi avaliado sob diferentes condições de canal. Gráficos de dispersão

82 97 foram gerados para validar o modelo em termos das tendências gerais na qualidade da recepção resultantes dos diferentes parâmetros. Uma medida chave do desempenho de um sistema de comunicação sem fio é o BER. O resultado da simulação sobre o BER não é uma estatística precisa, mas uma observação média da verificação no FEC. Os valores de SNR definidos neste modelo são para a atenuação de canal tipo Rayleigh. As curvas BER foram utilizadas para comparar o desempenho de diferentes tipos de esquema de modulação e codificação. Os efeitos da FEC e interleaving também foram avaliados sob a forma de BER. Estes fornecem uma avaliação do desempenho da camada física OFDM para diferentes estados do canal sem fio Trabalhos Futuros. O modelo implementado da camada PHY precisa ainda algumas melhorias. A sincronização entre o transmissor e receptor é uma parte necessária a ser desenvolvida num trabalho futuro. Neste modelo, assumir atraso de recepção zero, assim os pacotes de detecção não são necessárias. Mas no caso real isto não pode acontecer. Um conjunto de métodos de sincronização podem ser desenvolvidos para o sistema OFDM (IEEE Std , 2004). É um trabalho duro, mas com muitos desafios. O padrão IEEE 802,16 vem com muitas características opcionais na camada PHY, que podem ser implementadas para melhorar o desempenho. O bloco opcional de codificação Turbo (BTC) (ETSI, 2005) podem ser implementado para melhorar o desempenho do FEC. Código de Bloco de Tempo espaço (STBC) (ETSI, 2005) podem ser empregadas em DL para fornecer diversidade de transmissão.

83 98 A codificação tempo espaço é sugerido no padrão a. Ela é usada para atingir Multi Input Multi Output (MIMO), o que pode melhorar a qualidade da comunicação, adicionando a diversidade do espaço.

84 99 REFERENCIAS AGILENT Technologies Characterizing Digitally Modulated Signals with CCDF Curves Available from: AGILENT Technologies Advanced Design System Capability Overview AGILENT Technologies Advanced Design System BAUM S. DANIEL, Simulating the SUI Channel Models, IEE c01_53, April 12, 2001 BENOIT LOUAZEL. Implementation of IEEE a in GloMoSim/QualNet. Dublin City University School of Electronic Engineering. August 2004 CICCONETTI, C; LENZINI, L; MINGOZZI, E. Quality of Service Support in IEEE Networks. IEEE Network,, pp , March/April EKLUND, C.; MARKS R. B.; STANWOOD K. L.; WANG, S. IEEE Standard : A Technical Overview of the WirelessMAN Air Interface for Broadband Wireless Access, IEEE Communications Magzine, vol.40, no.6, pp , June ETSI, Broadband Radio Access Networks (BRAN); HIPERMAN; Physical (PHY) Layer. Standard TS V1.2.1, FUJITSU Microelectronics America, WiMAX Technology and Deployment White Paper, August 2004.

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89 104 ANEXO A Camada de controle de Acesso ao Meio (MAC). As principais funções da camada MAC são: Suporte à qualidade de serviço, adaptação do tráfego de outras tecnologias para a rede WiMAX, suporte ao ajuste adaptativo das técnicas de transmissão digital em função do meio de transmissão, multiplexação de fluxos de tráfego em conexões, escalonamento e alocação dinâmica de recursos de transmissão, suporte à segurança da comunicação, controle de acesso e transmissão de informações, suporte à topologia da rede (IEEE Std , 2004). Figura 6. Esquema do Controle de Acesso ao Meio (MAC) e as Funções da Camada. (YAGHOOBI, 2003)

90 105 A seguir apresentamos alguns detalhes das três subcamadas da camada MAC. 1. Sub-camada de convergência específica (CS). Esta subcamada inclui as funcionalidades específicas de adaptação necessárias aos possíveis clientes da rede WiMAX. Estas funcionalidades são ditas específicas, porque diferem para cada tecnologia de comunicação de dados. Atualmente, apenas 2 especificações da subcamada de convergência (CS) estão disponíveis: a ATM CS e a Packet CS. A primeira é uma interface lógica que associa diferentes serviços ATM com a subcamada de convergência comum da MAC. Esta foi especificamente definida para dar suporte a convergência dos PDUs (Protocolo de Unidade de Dados) gerados pelo protocolo da camada ATM. A Packet CS é usada para o transporte de todos os protocolos baseados em pacotes, tais como: IP, PPP e Ethernet. 2. Sub-camada de convergência comum (CPS). Esta subcamada inclui as funcionalidades comuns de adaptação necessárias aos possíveis clientes da rede WiMAX. Estas funcionalidades são comuns, porque são as mesmas para todas as tecnologias de comunicação de dados. Dentre as principais funções desempenhadas pela subcamada CPS estão: escalonamento e alocação dinâmica de recursos de transmissão, estabelecimento e manutenção de conexões, construção dos dados do MAC, suporte à camada física, suporte ao ajuste adaptativo das técnicas de transmissão digital em função do meio de transmissão (ABPs Adaptive Burst Profiles), inicialização das estações, suporte ao multicast e suporte à qualidade de serviço. A seguir apresentaremos maiores detalhes sobre algumas destas funções.

91 Suporte à Topologia da Rede O CPS provê o suporte a duas topologias: Ponto-Multiponto (PMP Point-Multipoint) e Malha (Mesh). (EKLUND, et al, 2002). A topologia ponto-multiponto permite apenas a comunicação entre a estação base e as estações assinantes. Na topologia em malha, o tráfego pode ser roteado através das estações assinantes, passando diretamente entre elas sem passar pela estação base. A topologia ponto-multiponto é mais barata, pois reduz-se complexidade e a necessidade de equipamentos mais sofisticados (roteadores e comutadores) nas estações assinantes. Em síntese, a topologia PMP é bastante semelhante a uma rede de telefonia celular, com a exceção de que por enquanto os assinantes são fixos. Figura 7. Arquitetura Mesh. (BENOIT, 2004).

92 Estabelecimento e Manutenção de Conexões MAC As conexões WiMAX fornece um mecanismo de requerimento de largura de banda, associando QoS e parâmetros do tráfego, transportando e distribuindo dados à subcamada de convergência apropriado. Estas conexões tem identificadores de 16 bits chamados CID (Connection ID) (EKLUND, et al, 2002). Assim, podem existir no máximo conexões dentro de cada canal de uplink e downlink. Na topologia PMP, durante o processo de inicialização de uma SS, dois pares de conexões de gerência (uplink e downlink) devem ser estabelecidos entre a SS e BS: conexão básica e conexão primária de gerência. Um terceiro par pode ser utilizado opcionalmente: conexão secundária de gerência. De acordo com (EKLUND, et al, 2002), a conexão básica é usada para enviar pequenas mensagens de gerência urgentes entre a SS e a BS. A conexão primária é usada para enviar mensagens de gerência não tão urgentes e maiores, que toleram atrasos maiores. A conexão secundária de gerência é usada para enviar mensagens de outros protocolos padronizados tolerantes ao atraso A Construção e Transmissão do MAC PDU. Os MAC PDUs possuem tamanho variável e são divididos em três porções: um cabeçalho genérico MAC de tamanho fixo (6 bytes); um payload de tamanho variável e um código de redundância cíclica (CRC) opcional de (4 bytes). O tamanho máximo de uma MAC PDU é 2048 bytes (2 Kbytes). O payload pode estar vazio ou preenchido com sub-cabeçalhos, MAC SDUs (unidade de serviço de dados) ou fragmentos de MAC-SDUs. Existem dois tipos de cabeçalhos das MAC PDUs: genérico e de negociação de banda, que não possui payload e serve exclusivamente para solicitar banda de uplink para uma determinada conexão. Existem seis tipos de sub-cabeçalhos que podem estar presentes no payload da MAC PDU (EKLUND, et al, 2002): Na Figura 8. mostra-se o formato do MAC PDU.

93 108 Figura 8. Formato do MAC PDU. (IEEE Std , 2004) Convergência de transmissão. - Duplexação (Duplexing). Duas técnicas de duplexing são fornecidas pelo protocolo MAC (IEEE Std , 2004): TDD (Time Division Duplexing) e FDD (Frequency Division Duplexing). No TDD as transmissões no uplink e no downlink são multiplexadas no tempo e utilizam uma mesma freqüência na camada física. O TDD tem uma duração fixa e é dividido em duas porções: uma porção de uplink (uplink subframe) e uma porção de downlink (downlink subframe). Estes sub-quadros são divididos em um número inteiro de PHY slots (PLs), a fim de facilitar a divisão da largura de banda. A largura de banda alocada para cada uma das direções pode variar. A forma como os slots são utilizados depende da camada física abaixo da MAC. Para as camadas físicas SC(single carrier) e SCa, vários slots podem ser agrupados para formar um minislot, que serve de base para as alocações de banda no uplink. Dependendo do tipo de grant, um número inteiro de minislots pode ser alocado para cada conexão de uma SS ou para toda a SS. No FDD é possível a transmissão contínua de dados no downlink. Um quadro de duração fixa é usado tanto no downlink quanto no uplink, facilitando o uso de diferentes tipos de modulação. Suporta SSs fullduplex e opcionalmente half-duplex.

94 109 - Mapeamento O mapeamento é a técnica utilizada para controle de acesso e alocação de banda na MAC. Ela difere em função do tipo de camada física utilizada abaixo da MAC: single carrier (SC e SCa) ou OFDM (OFDM e OFDMA). No caso single carrier, para determinar em quais PHY slots uma SS pode transmitir, a BS envia no sub-quadro de downlink um mapa de uplink (UL-MAP) contendo os slots que cada estação está apta a transmitir. Além disto, o sub-quadro de downlink contém um mapa de downlink (DL-MAP), que indica que estação deve receber em qual time slot. A MAC da BS constrói o sub-quadro de downlink iniciando por uma seção de controle, que contém o DLMAP e o UL-MAP. Todas as estações recebem estes mapas. Assim, o esquema de mapeamento define: a banda alocada para cada estação, através do número de slots disponíveis; os time slots em que cada estação transmite e recebe; e o perfil de transmissão (burst profile) a ser utilizado. O DL-MAP sempre diz respeito ao quadro atual. Suporte ao Ajuste Adaptativo das Técnicas de Transmissão O termo usado para descrever os processos de ajuste adaptativo das técnicas de transmissão visando manter a qualidade do rádio enlace é chamado de ranging. Processos distintos são usados no uplink e downlink. E mais, alguns processos são dependentes da camada física utilizada. A principal idéia por de trás do ajuste adaptativo está na troca do perfil de transmissão (burst profile) em função do estado do enlace. Inicialmente, a BS faz um broadcast dos perfis escolhidos para o downlink e uplink. Os perfis são escolhidos em função das chuvas na região, características dos equipamentos e outros fatores que por ventura venham a degradar a qualidade do sinal. Durante o acesso inicial de uma a SS, é feita uma medida da potência e de alcance do sinal. Estas medidas são transmitidas para a BS usando a janela inicial de manutenção através de uma mensagem de requisição de ranging (RNG-REQ). Os ajustes de sincronismo e de potência são retornados para a SS através de uma mensagem de resposta de ranging (RNG-RSP). Posteriormente, a BS monitora a qualidade do sinal de uplink recebido da SS. A BS comanda a SS para usar um determinado perfil de uplink simplesmente incluindo o perfil adequado na UL-MAP. A SS pode solicitar um determinado perfil de downlink transmitindo a sua escolha para a BS. A piora nas condições do downlink pode forçar a SS a requisitar um perfil mais robusto. Uma

95 110 vez que as condições sejam restabelecidas, a SS requisita um perfil mais eficiente. Isto permite que seja feito um balanço entre a robustez e a eficiência da transmissão. No downlink, a SS monitora a qualidade do sinal recebido determinando quando o perfil de downlink deve ser alterado. A BS, entretanto o controle desta mudança cabe a BS. Resolução de Contenções A BS controla a alocação de banda no uplink através das mensagens de UL-MAP (IEEE Std , 2004). Mesmo assim, é possível que hajam colisões em um determinado minislot. Colisões podem acontecer durante a fase de inicialização e nos intervalos de requisição de banda. Uma vez que uma SS pode ter vários fluxos de tráfego de uplink, cada qual com o seu CID, as decisões para contornar uma colisão são feitas por CID ou por classe de serviço. O método obrigatório para a resolução de contenções é baseado no truncated binary exponential backoff. A BS controla o tamanho das janelas de backoff Suporte à Retransmissão O suporte a retransmissão no MAC é opcional (EKLUND, et al, 2002). é feito com ARQ (Requerimento automático de repetição). ARQ é um método de controle do erro para a transmissão de dados que usa reconhecimentos e intervalos de parada para conseguir a transmissão de dados de confiáveis. Um reconhecimento é uma mensagem emitida pelo receptor ao transmissor para indicar que recebeu corretamente um frame de dados. Um intervalo de parada é tempo de espera razoável depois que o transmissor emite o frame de dados; se o transmissor não receber um reconhecimento antes do intervalo de parada, este geralmente retransmitira o frame até que receba um reconhecimento ou exceda um número predefinido de retransmissões.

96 Alocação de Recursos de Transmissão. A requisição de banda é o processo no qual uma SS indica para uma BS que ela precisa de alocação de largura de banda. Uma requisição pode vir como um pedido isolado (MAC PDU com cabeçalho de requisição de banda) ou inband (através do piggyback request subheader). As requisições de banda podem ser incrementais ou agregadas (EKLUND, et al, 2002). As requisições agregadas substituem a informação de banda necessária para a conexão, enquanto que as incrementais acrescentam a banda necessária a já existente. Requisições via piggyback são sempre incrementais. A natureza de auto correção do protocolo de requisição/consessão de banda requer que as SSs estejam periodicamente enviando requisições de banda. O período das atualizações é uma função de classes de serviço e das qualidades dos enlaces. O processo pelo qual uma BS aloca banda para uma SS especificamente para que ela possa fazer a suas requisições de banda é chamado de polling. Estas alocações podem ser por SS ou por grupos de SSs, e visam oferecer largura de banda para que uma SS possa negociar banda para as suas conexões. Quanto as concessões elas podem ser de dois tipos: por CID (GPC Grant Per Connection) ou por SS (GPSS Grant Per SS). Porém, em ambos os casos, as requisições por banda são feitas por CID, permitindo assim um melhor controle por parte da BS da largura de banda alocada no uplink. No GPC a banda é concedida para uma conexão específica, enquanto o GPSS ela é concedida para a SS, que decide como melhor utilizá-la. 3. Subcamada de segurança. Essa sub-camada fornece privacidade aos assinantes da rede wireless através da encriptação das conexões entre a SS (suscriber station) e a BS (basestation) (IEEE Std , 2004). A BS é protegida contra acessos não autorizados aos serviços de transporte de dados forçando a encriptação dos serviços de fluxo através da rede. Nessa sub-camada são empregados uns protocolos de encapsulamento, para encriptação dos pacotes de dados (este protocolo também define as criptografias suportadas), algoritmos de autenticação, e regras

97 112 de aplicação destes algoritmos no MAC PDU payload. Também é utilizado um protocolo de gerenciamento de chaves (Key Management Protocol - PKM). Esse protocolo é utilizado pela SS para obter autorização e tráfego dos dados da chave da BS, reautorização periódica e atualização de chave. O PKM utiliza certificação digital X.509 (ITU, 2000), algoritmo de encriptação RSA de chave públicas e fortes algoritmos de encriptação para atuar na troca de chaves entre a SS e a BS (THAPLIYAL, et al, 2005).

98 113 ANEXO B ADS (Advanced Design System) O sistema de projeto avançado Advanced Design System (ADS) (AGILENT ) é o líder da indústria no desenho de alta freqüência. Este sistema suporta e desenvolve com engenheiros da Agilent desenhos de RF de todo tipo, dos mais simples ate os mais complexos, de módulos de RF/microondas a MMIC integrados para comunicações e aplicações de defesa aeroespaciais. Com um sistema completo de tecnologias para simulação que estendem-se a circuitos de simulação no domínio do tempo e freqüência ate simulação de campos eletromagnéticos, ADS permite aos desenhadores total liberdade para caracterizar e otimizar desenhos. O único, ambiente integrado de desenho fornece simuladores de sistemas e de circuitos, junto com o esquemático, capture, layout e capacidade de verificação, a disposição, e a potencialidade esquemáticas da verificação, eliminando as paradas e os começos associados com os câmbios de ferramentas de desenho em médio do ciclo. O sistema de desenho avançado de tecnologias da Agilent. É escolhida para o desenho de projetos de comunicações de alta freqüência. ADS oferece facilidade de desenho, começando do diagrama esquemático ate a fabricação; tecnologias de simulação poderosa; kits para layout, integração com fluxo de desenho e outras ferramentas de desenho, enlaces para e de instrumentos Agilent, e suporte com ajuda técnica, treinamentos e inovações de produtos (AGILENT -2005). A simulação adaptativa wizard simplifica e automatiza a configuração da simulação e dados mostrados nos displays, para os tipos de desenho que freqüentemente são utilizados.

99 114 Com as guias de desenho que ADS proporciona, os usuários podem seguir as aproximações que os expertos da Agilent fazem com ADS para desenhar amplificadores, misturadores, osciladores, PLL, e outros blocos funcionais amplamente utilizados. A exibição dos dados em ADS faz fácil de ver os resultados das simulações, otimizações, análises estatísticas, e medidas. O pos - processamento de desenho orientado de grande alcance, adiciona potencia e flexibilidade para maior penetração uniforme de desenho. Potencia na Simulação. Os modelos de simulação e os modelamentos de soluções que ADS brinda são sem igual para uma exata simulação e escala de validade. As bibliotecas de desenho de ADS nos permitem também desenhar os últimos padrões de comunicação sem fio. ADS oferece a gama mais amplia da industria de sistemas, de circuito, e das simulações físicas para a caracterização completa de cada desenho. A co - simulação de ADS permite combinar domínios e tipos de simulação para a análise integrada do sistema. Os usuários de ADS têm também a vantagem de melhoramento continuo, de velocidade e convergência da simulação. Integração de fluxo de desenho. A integração de fluxo de desenho. Faz possível usar dinamicamente simulações de ADS dentro de um fluxo de desenho de cadencia. Usando ADS e Cadencia no mesmo ambiente de desenho, erros da tradução são prevenidos. Não há nenhuma necessidade de manter múltiplos copias do mesmo diagrama esquemático. Kits de desenho de layout da maior provedora mundial de modelos RFIC e MMIC são colocados para os desenhos de ADS, suportando a transição de desenho para a fabricação.

100 115 Verificação de desenho Os usuários de ADS beneficiam-se de enlaces para e da instrumentação da Agilent em tarefas simples tais como medições dos parâmetros S em simulações de ADS e em analise de sinais conexões no extremo final. Em todas as etapas do processo de desenho, o analise de conexão de sinais permite utilizar sinais verdadeiras e simuladas, componentes, e blocos funcionais juntos. As opções do projeto podem ser exploradas inteiramente, sem protótipos caros do projeto. Simulação Wizard ADS tem guias de desenhos que permitem aos usuários observar todos os aspectos do desempenho do desenho sem ter que ser um experto em simulação. Porque ADS e criado e atualizado por desenhadores da Agilent com muita experiência. Cada uma das guias de desenho oferecem una gama completa de displays pré-configuradas dos parâmetros e dados da simulação. Figura B1. a simulação do balance harmônica de dois-tons

101 116 Por exemplo, na figura B1. a simulação do balance harmônica de dois-tons é ajustada já acima nos termos de uma freqüência central de RF e do afastamento da freqüência entre tons. Display de dados. Figura B2. A potencia e a simplicidade dos displays de dados em ADS permitem-nos observar exatamente os resultados na maneira que são feitas.