Onésimo Ferreira, João Paulo C. L. Miranda * Este artigo apresenta os resultados das simulações de uma rede de acesso banda larga satéliteterrestre. Será apresentada uma avaliação da tecnologia de multiplexação por divisão de frequências ortogonais como uma interface rádio por satélite. O objetivo da utilização dessa interface rádio nos sistemas satelitais é obter maior margem de enlace e maior eficiência espectral. Na análise feita, foram considerados os seguintes cenários: canal com ruído gaussiano branco aditivo, canal não linear, impacto do backoff (recuo da saturação) e erro de frequência da portadora. Palavras-chave: LTE 450 MHz. OFDM. Satélite geoestacionário. Enlace de descida. Desempenho. Abstract This article presents the results of a land satellite broadband access network simulation. An evaluation of orthogonal frequency division multiplexing technology as a radio interface by satellite will be presented. The purpose of using this radio interface in satellite systems is to obtain a larger connection margin and greater spectrum efficiency. The analysis considers the following scenarios: channel with additive white Gaussian noise, non-linear channel, back-off impact (drop in saturation) and carrier frequency error. Key words: LTE 450 MHz. OFDM. Geostationary satellite. Downlink. Performance. * Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: jmiranda@cpqd.com.br. 1 Introdução Este artigo apresenta um estudo de viabilidade que avalia o uso de uma interface rádio por satélite que, por sua vez, emprega multiplexação por divisão de frequências ortogonais (Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM) num enlace de descida (downlink), com resultados das simulações realizadas na camada física. A adoção da interface rádio OFDM resulta em uma maior margem de enlace em condições de propagação fundamentais, como é o caso de propagação sem linha de visada (No Line Of Sight NLOS), e quando é considerado componente complementar terrestre (Complementary Ground Component CGC). O artigo de Cioni e autores (2006) considera a aplicação de técnicas OFDM na camada física de um sistema satélite dedicado à prestação de serviços de radiodifusão multimídia digital (Digital Multimedia Broadcasting DMB), que são o foco de extensos esforços de pesquisa e desenvolvimento. Em particular, o trabalho demonstra que a alta eficiência espectral do OFDM pode ser mantida mesmo em canais de propagação desfavoráveis, afetados pelas distorções linear e não linear, introduzidas, respectivamente, pela propagação em multipercursos e pelo amplificador de alta potência. Esse desempenho é alcançado através do projeto e da aplicação de técnicas de pré-distorção e de codificação, conforme descrito no artigo. Com base nos resultados apresentados, o documento analisa também a comparação das técnicas OFDM e High Speed Downlink Packet Access (HSDPA). O HSDPA é a interface de rádio padronizada para redes móveis terrestres 3G. Vários sistemas DMB estão sendo desenvolvidos em todo o mundo. O projeto integrado Maestro (CHUBERRE et al., 2004) se concentrou em uma arquitetura baseada em um sistema de transmissão via satélite para interagir com sistemas 3G e 4G e proporcionar serviços de transmissão multimídia digital via satélite (S-DMB) para terminais portáteis e palmtop. A arquitetura híbrida resultante permitiu obter a máxima eficiência tecnológica para o sistema terrestre e para o sistema de transmissão via satélite. A fim de melhorar a cobertura oferecida pelo sistema satélite em ambientes urbanos e suburbanos, Cione e autores (2006) recomendam a utilização de Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014
repetidores terrestres, também conhecidos como repetidores de módulo intermediário (Intermediate Module Repeaters IMR). Trata-se de repetidores transparentes, simples e de baixo custo, situados sobre os telhados ou colocalizados em estações-base, que cobrem áreas construídas de forma muito eficaz, em detrimento da introdução de um maior espalhamento de retardo. Embora a aplicação inicial do conceito Maestro S-DMB tenha se baseado na utilização do padrão W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) (HOLMA & TOSKALA, 2004), os autores do presente trabalho, bem como Cioni e colaboradores (2006), trabalharam na análise de uma interface aérea altamente eficiente, que adota a tecnologia OFDM. Notavelmente, OFDM tem sido o foco de interesse também no 3GPP (3GPP, 2004). O OFDM é conhecido por ter maior eficiência espectral em comparação ao WCDMA; no entanto, o OFDM é também caracterizado por uma relação de potência pico-média (PAPR) bastante elevada, que o torna particularmente sensível à distorção não linear introduzida pelo amplificador de alta potência (HPA). Existe, portanto, uma necessidade de provar que OFDM é uma solução adequada para a interface aérea de um sistema satelital. Neste artigo, são empregadas as seguintes definições: downlink: enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais de um satélite para um equipamento do usuário ou terminal (User Equipment UE). uplink: enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais a partir de um UE para um satélite. forward link download outbound: enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais a partir de um GateWay (GW) para um UE via satélite. return link upload inbound (enlace de retorno): enlace rádio unidirecional para a transmissão de sinais de um UE para um gateway através de um satélite. repetidor: dispositivo, e.g. CGC, que recebe, amplifica e transmite a portadora de radiofrequência (Radio Frequency RF) irradiada ou conduzida tanto na direção downlink (do satélite para a área do terminal) como na direção uplink (do terminal para o satélite). célula: área geográfica dentro da cobertura do CGC. spot: área geográfica que está dentro da cobertura do feixe satelital. rice factor: a relação de potência entre o componente de linha de visada (Line Of Sight LOS) e o componente de difusão. A Seção 2 apresenta as principais características da tecnologia OFDM. Na Seção 3, são discutidos a aplicação do OFDM em sistemas satelitais e os efeitos da não linearidade dos amplificadores. Já na Seção 4, são mostradas as técnicas existentes de compensação das distorções não lineares. Na Seção 5, é feito um detalhamento das técnicas de pré-distorção digital. Na Seção 6, são descritos os cenários de referência para a análise da interface rádio OFDM em sistemas digitais via satélite. Para finalizar, na Seção 7, são apresentados os resultados das simulações realizadas, considerando-se canal com ruído gaussiano branco aditivo, canal não linear, impacto do backoff (recuo da saturação) e erro de frequência da portadora, seguidos das conclusões gerais. 2 Tecnologia OFDM para cenário satélite e terrestre A tecnologia OFDM tem características intrínsecas que são, geralmente, reconhecidas como bem adequadas para o ambiente de rádio móvel terrestre. No caso do sistema de transmissão digital via satélite, essas características são úteis para o canal CGC. Em particular, as seguintes características são dignas de nota (HARA & PRASAD, 2003): tempo de dispersão: a utilização de várias subportadoras paralelas no OFDM permite que a duração do símbolo seja maior, o que faz com que o sinal seja inerentemente robusto à dispersão no tempo, ou seja, ao desvanecimento seletivo na frequência. Além disso, um período de guarda pode ser adicionado para combater melhor a interferência intersimbólica (Inter Symbol Interference ISI). eficiência espectral: a tecnologia OFDM faz uso de portadoras ortogonais entre si, permitindo a separação estreita entre as frequências e, consequentemente, possibilitando alta eficiência espectral. recepção: mesmo em cenários de dispersão no tempo relativamente grande, a recepção de um sinal OFDM requer apenas a implementação de uma transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform FFT) no UE. Não é necessário um esquema intracelular de cancelamento de interferência. Além disso, por causa da inserção de prefixo cíclico, a tecnologia OFDM é 66 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014
relativamente insensível aos erros de aquisição de temporização. Por outro lado, o OFDM requer correção dos deslocamentos de frequência. Na Seção 3, são discutidos a aplicação do OFDM em sistemas satelitais e os efeitos da não linearidade dos amplificadores. 3 OFDM e o ambiente satélite: efeitos da não linearidade Ao projetar sistemas de comunicação sem fio e, em particular, enlaces satélite, existem algumas deficiências ou dificuldades ligadas à presença do canal rádio, que pode ser seletivo na frequência ou no tempo, causando forte distorção linear. Outra fonte de degradação severa é introduzida pelos amplificadores de alta potência (High Power Amplifiers HPA), que podem causar distorção não linear no sinal transmitido, degradando o desempenho geral do sistema. Isso ocorre quando o HPA é operado próximo da saturação, de forma a explorar toda a potência de saída disponível e aumentar a eficiência de potência. Isso é particularmente verdadeiro para a interface rádio OFDM, que é caracterizada por uma relação potência picomédia (Peak-to-Average Power Ratio PAPR) bastante elevada (SESIA, TOUFIK & BAKER, 2009). Além desses fatores, o custo do aparato é outra questão fundamental: para explorar adequadamente o caro equipamento, é necessário conduzi-lo até o limite. Esse é, certamente, o caso do satélite com HPA acoplado, mas também se aplica aos terminais terrestres concebidos para o mercado de massa, em que a redução de pequenos custos por dispositivo pode garantir grandes lucros totais. Os modelos de amplificadores de potência comumente utilizados nos satélites são Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA) e o TWTA linearizado (linearized TWTA LTWTA). Uma consequência desses fatos é que, normalmente, o impacto da distorção não linear sobre o sinal transmitido é muito forte, pois atua diretamente sobre o fluxo de pulsos limitados em banda. A degradação inclui distorção na amplitude e na fase, descritas como características AM/AM e características AM/PM, e geração de frequências intermodulares dentro e fora da banda. Esse fenômeno leva a um aumento da interferência de canal adjacente (Adjacent Channel Interference ACI), decorrente de um alargamento do espectro do sinal transmitido. Em particular, no receptor, cada ponto da constelação do sinal é distorcido, de modo que é gerada a ISI. Esses efeitos podem ser mais ou menos graves para o sistema dependendo das características do HPA considerado e da distância da saturação. As técnicas capazes de neutralizar a distorção não linear são numerosas e incluem o uso de forte codificação de canal, de técnicas de equalização no receptor e de técnicas de prédistorção no transmissor. Todas essas abordagens tentam mitigar a perda da relação sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio SNR) para uma dada taxa de erro de bit (Bit Error Rate BER) e permitem aumentar a potência de saída do amplificador. Outra solução é, obviamente, o recuo (backoff) de saturação, mas na maioria dos casos não é desejável, pois envolve restrições rigorosas de potência. O projeto de um compensador da não linearidade (Non Linear NL) deve considerar uma variedade de fatores, tais como: modelos de modulação e codificação, subsistema estimador de canal, requisitos de serviço do sistema, restrições eficientes na conversão corrente direta radiofrequência (Direct Current-Radio Frequency DC-RF), complexidade e custo do sistema, potência de saída e especificações de interferência de canais adjacentes. Na Seção 4, são mostradas as técnicas existentes de compensação das distorções não lineares. 4 Técnicas de compensação Na literatura científica são propostas várias técnicas, como meios de mitigar a distorção não linear (CHANG & POWERS, 2002): A possibilidade mais simples é o recuo (backoff) da saturação, conduzindo o HPA para uma região mais linear, à custa de uma diminuição da potência de saída de RF disponível, dificultando o dimensionamento de enlace (link budget) e reduzindo a eficiência da conversão DC-RF. Claramente, essa solução não deve ser aplicada para amplificadores onboard, em virtude do rigor necessário na eficiência e dos requisitos no dimensionamento de enlace. Por outro lado, para os amplificadores do gateway terrestre, esta é uma maneira fácil de evitar os efeitos não lineares indesejados. Outra solução envolve técnicas de mitigação no lado do receptor. Isso pode ser eficientemente alcançado através da utilização de equalizadores, que tentam compensar a ISI e a distorção do ponto da constelação. Elas representam uma boa opção quando há complexidades pontuais e restrições de custo no transmissor e, ainda, quando a complexidade pode ser concentrada no receptor. A principal desvantagem é que Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014 67
o sinal é processado após a distorção não linear, o que impede a possibilidade de eliminar a interferência de canal adjacente indesejável (BENEDETTO & BIGLIERI, 1983). A fim de evitar a geração de interferência de canal adjacente, a compensação pode ser introduzida antes do HPA, de modo que sua saída seja uma versão do sinal original amplificada linearmente. Essa abordagem é comumente referenciada como pré-distorção, uma vez que consiste no processamento do sinal a ser transmitido por meio de uma função não linear, para compensar a distorção introduzida pelo HPA (CAVERS, 1990). Na Seção 5, é feito um detalhamento das técnicas de pré-distorção digital. 5 Técnicas de pré-distorção digital Técnicas de pré-distorção propostas na literatura podem ser divididas em duas classes principais: pré-distorsores digitais e pré-distorsores analógicos. Essencialmente, o pré-distorsor (analógico) de forma de onda compensa a não linearidade sem memória do HPA e é colocado após o filtro formatador de pulso em banda RF (ou possivelmente em Frequência Intermediária IF); o pré-distorsor digital é necessário para compensar a não linearidade com memória gerada pela cascata do filtro linear formatador de pulso, que introduz a memória e o HPA, e pode ser concebido como uma não linearidade sem memória colocada logo após o filtro formatador de pulso na bandabase. O pré-distorsor digital apresenta uma maior flexibilidade na determinação dos seus coeficientes, quando comparado com o analógico, uma vez que o algoritmo de aprendizagem no pré-distorsor digital é programável. Isso sugere que o pré-distorsor digital pode ser mais dinamicamente adaptativo quando as características do sistema mudam, como uma consequência de uma variação das características do sinal (isto é, a função densidade de probabilidade ou Probability Density Function PDF) ou das características do amplificador de potência (por exemplo, como uma função da temperatura ou em decorrência de flutuações da polarização). Técnicas de pré-distorção digital podem ser subdivididas em duas categorias, denominadas pré-distorção de constelação de dados e pré-distorção fracional, de acordo com a localização do compensador. Os pré-distorsores de constelação de dados são colocados no sistema de banda-base antes do filtro transmissor formatador de pulsos, enquanto os pré-distorsores fracionais estão localizados depois do filtro transmissor formatador de pulsos. Cada uma dessas técnicas de pré-distorção pode ser implementada de modo a realizar uma compensação estática dos efeitos da não linearidade do HPA ou para realizar uma compensação adaptativa. Na Seção 6, são descritos os cenários de referência para a análise da interface rádio OFDM em sistemas digitais via satélite. 6 Cenários de avaliação da tecnologia Esta seção descreve os cenários de referência para a análise da interface rádio OFDM no contexto de serviços de dados de alta velocidade para sistemas digitais via satélite. Uma configuração do sistema de referência será proposta para avaliar um downlink OFDM (downlink do LTE). Na configuração proposta, um pacote de serviços de dados de alta velocidade é fornecido através da utilização de uma portadora separada, downlink de 5 MHz, suportando a transmissão OFDM do canal físico compartilhado para transporte de dados do enlace de descida (Physical Downlink Shared Channel PDSCH). Para os testes em questão, foram considerados os seguintes parâmetros de configuração de referência: número de blocos de recursos disponibilizados para download: 25; largura de banda no download: 5 MHz; modulação no download: 16QAM e QPSK; frequência central no download do CGC: 464.5 MHz LTE 450 MHz; frequência downlink do satélite: 12 GHz Banda ku; frequência uplink do satélite: 14 GHz Banda ku; potência máxima da enodeb: +30 dbm; duração do subquadro (subframe): 1 ms = 2 slots = 2 x 0.5 ms; duração do quadro (frame): 10 ms = 10 subquadros; 1 slot: 7 símbolos OFDM prefixo cíclico normal; 1 bloco de recurso: 12 subportadoras x 7 símbolos; FFT size (points): 512; espaçamento entre as subportadoras: 15 khz. A principal diferença em relação à contraparte terrestre deste estudo consiste na introdução do segmento espacial, incluindo fontes de distorção linear e não linear. Isso pode ter um impacto 68 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014
muito significativo no desempenho, a menos que sejam adotadas técnicas de modulação inteligente, pré-distorção e equalização. Na Seção 7, são apresentados os resultados das simulações realizadas, considerando-se canal com ruído gaussiano branco aditivo, canal não linear, impacto do backoff (recuo da saturação) e erro de frequência da portadora. 7 Resultados de simulação 7.1 Canal com ruído gaussiano branco aditivo (Additive White Gaussian Noise AWGN) Primeiramente, a interface OFDM é considerada no canal AWGN. Os resultados das simulações são apresentados nas Figuras 1 e 2, adotando-se os modelos de modulação QPSK e 16QAM. Independentemente do formato da modulação, o modelo OFDM apresentará uma ligeira degradação da BER no que diz respeito ao caso da portadora única. Essa degradação é perfeitamente previsível tendo em conta o fato de que o prefixo cíclico é descartado no lado do receptor. Em outras palavras, do ponto de vista do receptor, o prefixo cíclico representa apenas uma perda de energia e é quantificável como se segue (1): SNR perda = (N + N p ) / N (1) em que N é o número de pontos bins ou subportadoras de IFFT/FFT, e N p é o número de amostras do prefixo cíclico. 7.2 Canal não linear A introdução do satélite com sua não linearidade causada pelo HPA com TWT (TWTA) é considerada no canal não linear. As Figuras 1 e 2 reportam o desempenho caracterizado em termos da BER para vários valores de recuo de entrada (Input Backoff IBO) sem técnicas de pré-distorção, considerando os modelos de modulação QPSK e 16QAM. Para um IBO = 20 db, em que a não linearidade do HPA é insignificante, ambos os formatos de modulação confirmariam a degradação da BER discutida no item anterior. Em relação ao modelo de modulação QPSK, para IBO = 15 db, a perda de desempenho da BER = 10-4 é da ordem de 0,5 db, ao passo que para IBO = 2 db, é notável que a BER tenda para 10-3. Por outro lado, o formato de modulação 16QAM é mais sensível aos efeitos da não linearidade. Em particular, para IBO = 15 db, a perda de desempenho na BER = 10-4 já está na ordem de 2 db, ao passo que para IBO = 2 db, a BER é fixada em 0,06. IBO = 20 ou 15 db corresponde a HPA trabalhando na região linear, enquanto IBO = 2 db significa muito perto da região de saturação. A técnica de pré-distorção fracionária também é avaliada nas Figuras 1 e 2. Para ambas as modulações e IBO = 15 db, pode-se notar que o pré-distorsor desenvolvido compensa completamente os efeitos não lineares do HPA. Na medida em que o modelo de modulação QPSK é considerado, um desempenho melhorado é notado para IBO = 2 db, pois a BER não tende mais para 10-3, atingindo menores taxas de erro. Por outro lado, o ganho de desempenho do 16QAM com pré-distorsor fracionário é menos apreciável do que no regime QPSK. No entanto, observando o intervalo de E b /N 0 no qual um sistema de codificação trabalha (de 4 db a 6 db), a mesma BER (ou seja 10-1 ) é obtida com uma melhoria de 2 db a 3 db. Figura 1 Desempenho do OFDM para vários valores de IBO sem e com técnicas de prédistorção e em canal AWGN para a modulação QPSK Figura 2 Desempenho OFDM para vários valores de IBO sem e com pré-distorção fracionária e em canal AWGN para a modulação 16QAM 7.3 Impacto do backoff O impacto do IBO sobre o desempenho do OFDM é mostrado na Figura 3 para um canal Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014 69
com múltiplos percursos de um sistema de transmissão digital via satélite. Como esperado, diminuindo-se o ponto de trabalho, ou seja, aplicando-se o recuo da saturação, através do aumento do backoff (IBO), o desempenho da taxa de erro de pacote (Packet Error Rate PER) no OFDM melhora. Além disso, é introduzido o modelo LTWTA. Nesse caso, o desempenho entre TWTA IBO = 2 db e LTWTA IBO = 2 db é comparável. Figura 3 Impacto do IBO sobre o desempenho do OFDM Finalmente, o erro de frequência de portadora é considerado na Figura 4. Pode-se notar que a perda de degradação é quase insignificante para os erros de frequência residual normalizada até 0,1/N (em que N é o número de pontos de IFFT/FFT). Quando um erro igual a 0,2/N é simulado, a perda de desempenho do OFDM é da ordem de 1,5 db com PER = 10-2. neste artigo, podem ser extraídas as conclusões e indicações apresentadas a seguir. Não obstante a alta PAPR, é possível transmitir, eficientemente, sinais OFDM através de enlaces satelitais não lineares com valores muito pequenos de IBO. Esse resultado é fruto da combinação do cuidadoso projeto de pré-distorção e do aplicativo de codificação de correção de erro (forward error correction coding application). Em condições de canal com múltiplos percursos (enlaces satélite e CGC), o OFDM mostra a sua robustez e, para os perfis de canais de sistemas de transmissão digital via satélite considerados e com estimação ideal de canal, o OFDM apresenta excelentes resultados. Estudos mostram que a recepção adequada do serviço pode ser alcançada em satélite com condições LOS. Em satélites com condições de propagação NLOS, um serviço de recepção adequado não poderia ser alcançado com essa interface de rádio quando se considera um terminal portátil em decorrência de uma margem de enlace negativa. No entanto, o uso de CGCs pode ser uma solução viável para restaurar a recepção adequada do serviço em áreas nas quais a recepção por satélite é crítica. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto RASFA Redes de Acesso Sem Fio Avançadas, que conta com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL), do Ministério das Comunicações, através do convênio n o 01.09.0631.00 com a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP). Referências Figura 4 Impacto do erro de frequência da portadora no desempenho do OFDM A próxima seção apresenta as conclusões finais. 8 Conclusão A partir do conjunto de resultados discutido 3GPP TR 25.892 Feasibility Study for OFDM for UTRAN enhancement (Release 6), jun. 2004. BENEDETTO, S.; BIGLIERI, E. Nonlinear equalization of digital satellite channels, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, v. 1, p. 57-62, jan. 1983. CAVERS, J. K. Amplifier Linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements, IEEE Transactions On Vehicular Technology, v. 39, p. 31-40, nov. 1990. CHANG, S.; POWERS, E. J. Compensation of nonlinear distortion in RF power amplifiers. In: PROAKIS, J. J. (Ed.). Wiley Encyclopedia of 70 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014
Telecommunications. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2002. CHUBERRE, N. et al. Satellite Digital Multimedia Broadcasting for 3G and beyond 3G systems, IST Mobile Summit 2004, Lyon France, 28-30, jun. 2004. CIONI, S. et al. On the Use of OFDM Radio Interface for Satellite Digital Multimedia Broadcasting Systems, International Journal of Satellite Communications and Networking, Wiley InterScience, vol. 24, n. 2, p. 153-167, Feb. 2006. HARA, S.; PRASAD, R. Multicarrier techniques for 4G mobile communications. Artech House, 2003. HOLMA, H.; TOSKALA, A. WCDMA for UMTS - Radio Access for Third Generation Mobile Communications, Ed. John Wiley & Sons Ltd., Aug. 2004. SESIA, S.; TOUFIK, I; BAKER, M. LTE The UMTS Long Term Evolution. John Wiley & Sons Ltd., 2009. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 10, n. 1, p. 65-72, jan./jun. 2014 71