PROPOSTA PRELIMINAR DE PROJETO Estudo de viabilidade técnica e levantamento de requisitos para um canal de comunicação ( DOWNLINK ) para o SARVANT INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
CONTEÚDO Introdução... 3 Características do sistema... 4 Informações a serem fornecidas pela ORBISAT... 4 Estudos a serem realizados... 4 Topologia... 4 Candidatos à modulação... 5 Codificação de canal... 6 Link Budget... 6 Estrutura de trabalho... 7 Topologia... 7 Ferramentas... 7 Etapas... 7 Cronograma Preliminar... 9 Resultado Esperado... 9 Equipe... 9 Orçamento... Erro! Indicador não definido.
Estudo de viabilidade técnica e levantamento de requisitos para um canal de comunicação ( dowlink ) aplicado a SAR embarcado em um VANT Introdução Neste documento, apresentamos uma proposta de estudos a serem realizados para analisar a viabilidade técnica da implementação em Radio Definido por Software (RDS), do modelo proposto em estudo de viabilidade técnica, de um canal de comunicação para enlace de dados num radar SAR embarcado num VANT ( downlink ), embarcado em placa SPOS (Orbisat) e desenvolvimento de interface de RF adequado aos requisitos do sistema proposto. Este projeto é de interesse das Divisões de Engenharia Eletrônica e de Engenharia Aeronáutica e Espaço, pois ele se insere perfeitamente nos objetivos institucionais dos novos laboratórios recentemente criados. As atividades correntes em VANTs e satélites toram o conhecimento proposto como gargalo às aplicações visadas e explicam a grande motivação da equipe. Este trabalho constitui uma proposta de estrutura modular compatível com os requisitos de arquitetura já existente da placa SPOS (Orbisat), além de previsão de otimização de recursos lógicos a fim de manter disponibilidade para futuras funções e expansões necessárias no desdobramento da integração das etapas de controle e sequenciamento de dados nas comunicações (FIFO). Devido às características do sistema, é proposta uma solução do tipo half duplex, com taxa instantânea de 22 Mbps, com taxa efetiva proporcional ao tempo de utilização do canal em cada direção. Durante a execução do projeto será identificada a melhor frequência portadora dentro da Banda C e a melhor solução de otimização dos recursos lógicos. 3
Características do sistema Taxa de dados instantânea(downlink): 22Mbps Taxa de dados instantânea (uplink): 22Mbps Taxa efetiva dependente do tempo de utilização do canal Banda de transmissão: 400MHz Frequência de transmissão: A ser definida na Banda C Alcance do sistema: 200 km Potência de transmissão: a definir Antenas de transmissão e recepção: a definir Sensibilidade do receptor: a definir Taxa de erros: menor que 10-8 Informações a serem fornecidas pela ORBISAT Altura de voo em relação ao solo; Altura da antena da estação em terra; Máxima e mínima velocidade de vôo operacional (com transmissão de dados); Restrições de potência e frequência já conhecidas (normas da ANATEL, restrição de técnica de equipamentos, se houver); Modo de transmissão de dados: stream de bits e/ou pacotes (incluir tamanho médio do pacote de dados). Estudos a serem realizados Topologia Dado o alcance desejado do sistema, pelo menos duas topologias podem ser analisadas: Sistema com receptor em terra com antena elevada limitado a distância de 200km: a viabilidade deste sistema depende, entre outros fatores, da altura em que a antena receptora pode ser posicionada. Para esta topologia, o canal deve ser modelado com a presença de fading (desvanecimento) devido à proximidade da antena receptora com o solo e consequentes multipercursos existentes. Prováveis modelos para o fading incluem, mas não se limitam, às distribuições de Rice e Nakagami-m. Os resultados sobre banda de coerência e tempo de coerência do canal são fatores determinantes na escolha da solução a ser utilizada a seguir, seja ela a utilização de equalização, diversidade espaçotemporal ou soluções alternativas. A viabilidade implementação das soluções 4
que vierem a ser propostas depende da capacidade de processamento do receptor. Sistema com relay (repetidor) em aeronave para distâncias maiores que 200km: neste sistema, uma aeronave (possivelmente um segundo VANT) age como ponte de comunicação entre o transmissor e o receptor quando alcances maiores são necessários. Para este caso, no mínimo dois canais terão que ser avaliados: o canal ar-ar (fonte-relay) e o canal ar-terra (relay-destino). A posição da aeronave atuante como relay influenciará nos modelos dos canais a serem utilizados. Os modelos podem ser na pior das hipóteses semelhantes aos da topologia anterior, e na melhor das hipóteses podem ser simplificados para canais Gaussianos. O relay deve receber e transmitir dados com altas taxas, e para isto deve haver alguma forma de gerenciamento destas funções, como por exemplo uma multiplexação temporal. Candidatos à modulação Três possíveis modulações são inicialmente identificadas: PSK (Phase-Shift Keying): A principal vantagem desta modulação é a facilidade de implementação do transmissor e receptor. A recepção também pode ser simplificada ao se utilizar o PSK diferencial (DPSK), evitando-se assim o problema de ambigüidade de fase da portadora. Dependendo do modelo do canal, a utilização de um equalizador bem projetado pode ser fundamental para o bom funcionamento do sistema, o que poderia aumentaria a complexidade do mesmo. Alternativamente pode-se utilizar a combinação da modulação BPSK (PSK binário) com um sistema OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) para a obtenção de diversos canais binários em paralelo, na expectativa de que, na média, boa parte destes canais esteja funcional (devido a pouca influência do fading) a qualquer instante, mesmo sem a presença de um equalizador. Em contrapartida, a sincronização torna-se mais trabalhosa. MFSK(Multiple Frequency Shift Keying): Modulação com implementação do transmissor relativamente mais complexa do que o PSK, possui diversas vantagens: tem bom desempenho para canais com baixo tempo e banda de coerência sem a necessidade de equalização; pode-se utilizar detecção não coerente(sem necessidade de sincronismo da fase da portadora); permite o acesso múltiplo com pequenas modificações; pode ter as mensagens criptografadas sem perda de taxa; é resistente a interferências externas desejadas ou não desejadas. É possível a implementação futura de sistemas de acesso múltiplo, caso se deseje que vários transmissores transmitam dados para o mesmo receptor ao mesmo tempo. Para o caso do OFDM isto pode ser feito dividindo-se os canais entre os usuários. Para o 5
caso da modulação MFSK isto pode ser feito através da implementação de um sistema FH-CDMA (Frequency Hopping Code Division Multiple Access) ou técnicas híbridas que combinam o controle de acesso múltiplo com a codificação de canal. O estudo de acesso múltiplo não está incluído no escopo deste projeto. Codificação de canal Do ponto de vista de codificação do canal, a análise preliminar da viabilidade técnica depende do tipo de codificação/decodificação a ser realizada. Pode-se obter resultados satisfatórios com códigos tradicionais como, por exemplo, Reed Solomon. Desempenhos próximos aos limites teóricos podem ser obtidos com técnicas mais modernas como a concatenação de códigos, usada entre outros sistemas na transmissão de TV digital e em sistemas de telefonia celular de última geração. Há diferenças entre o projeto de códigos para modulações PSK, OFDM e MFSK. Para modulações PSK, uma solução tradicionalmente utilizada é a construção TCM (Trellis Coded Modulation). O projeto do código TCM leva em conta a modulação utilizada de forma a extrair a menor probabilidade de erro possível. O código TCM pode ser combinado com vários outros códigos, como por exemplo, códigos convolucionais, Reed Solomon ou outros códigos de bloco, para obtenção de um sistema de códigos concatenados. Dada a ortogonalidade par a par dos sinais das modulações OFDM e MFSK, a análise pode ser simplificada ao se utilizar códigos RA (Repeat Accumulate), cuja complexidade de codificação é relativamente baixa. Na maioria dos cenários, o estado da arte para a recepção utiliza algoritmos iterativos. A iteratividade pode inclusive ser ampliada para a estimação do estado do canal e equalização, se necessário. Caso seja necessário, a complexidade destes algoritmos pode ser ajustada ao variar-se o tamanho dos blocos de transmissão e do alfabeto de processamento na recepção (exemplo binário, ternário, contínuo, etc.). Entretanto, a simplificação excessiva do método de recepção pode resultar em desempenhos não satisfatórios. Link Budget Após os estudos anteriores, é possível levantar requisitos para o sistema no que se refere à potência de transmissão, sensibilidade dos receptores e requisitos para as antenas, deforma a garantir que o sistema opere num nível de relação sinal ruído que resulte numa probabilidade de erro satisfatória. 6
Estrutura de trabalho Topologia SPOS Placa de Alto Desempenho para Aquisição e Processamento de Sinais de Banda Larga, desenvolvida pela Orbisat; Interface de RF, desenvolvida solução durante a execução do projeto; Antena, desenvolvida e fornecida pela Orbisat. Ferramentas Matlab e Simulink. ISE Design Suite 13 (Xilinx). Etapas 1. Representação no Matlab/Simulink do modelo desenvolvido de modulação/demodulação de up-link/downlink; 2. Conversão para descrição VHDL; 3. Otimização de código; 4. Avaliação e testes. Na figura 1, abaixo, pode ser visualizado o programa de estudo e desenvolvimento proposto em fases distintas: 7
Fig. 1 Diagrama estrutura de desenvolvimento 8
Cronograma Preliminar Tópico Levantamento de informações* Topologias Modulações Codificação de canal Link Budget Proposta de solução Semana 1 2 3 4 5 6 7 8 9 *Mais informações podem ser requisitadas durante a execução das outras atividades Resultado Esperado Relatório técnico com o detalhamento dos estudos e proposta de solução a ser adotada. Tendo em vista as dependências entre os estudos e ramificações possíveis, decisões técnicas de solução devem ser feitas ao longo do trabalho para adequar-se aos requisitos e possíveis restrições ou necessidades de desenvolvimento e integração da placa SPOS com toda a estrutura de controle de transmissão de dados e gerenciamento necessários. Equipe Os seguintes professores estarão envolvidos no projeto detalhado: 1. Manish Sharma: Codificação e modulação (ITA); 2. Waldecir João Perrella: Codificação e modulação (ITA); 3. Elói Fonseca: Sistemas Embarcados com FPGA (ITA); e 4. André Pierre Mattei: Gerência e Sistemas Embarcados com FPGA (ITA). Caso a equipe do ITA seja escolhida para desenvolvimento do projeto, teremos os seguintes professores adicionais na equipe: 5. Roberto D'Amore: Teste, validação e otimização de códigos VHDL - (ITA); e 6. Onofre Trindade: Geração de códigos C, RTL e VHDL com Matlab - (USP/ICMC). 9
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