Post on 02-Jan-2016
description
SIMULATION TO EVALUATE SIMULATION TO EVALUATE CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR
POWERLINE COMMUNICATIONPOWERLINE COMMUNICATION
Adriano Fávaro, Adriano Fávaro, Eduardo Parente RibeiroEduardo Parente Ribeiro
Departamento de Engenharia Elétrica - UFPRDepartamento de Engenharia Elétrica - UFPR
CILAMCE 2004, Recife, PE
22
SUMÁRIOSUMÁRIO
1.1. INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO
2.2. ESPALHAMENTO ESPECTRAL e RUÍDOESPALHAMENTO ESPECTRAL e RUÍDO
3.3. PROPOSIÇÃO E METODOLOGIAPROPOSIÇÃO E METODOLOGIA
4.4. RESULTADOSRESULTADOS
5.5. CONCLUSÕESCONCLUSÕES
33
Vantagens da Rede ElétricaVantagens da Rede Elétrica
Está presente em praticamente todo Está presente em praticamente todo lugar (alta penetração)lugar (alta penetração)
Não exige a criação de um segunda Não exige a criação de um segunda rede paralelarede paralela
O mesmo ponto serve para O mesmo ponto serve para conectividade à rede elétrica e de conectividade à rede elétrica e de dadosdados
44
Técnica de Espalhamento Técnica de Espalhamento EspectralEspectral
Surgiu em meados da década de 1950.Surgiu em meados da década de 1950. Objetivo inicial foi para uso militar na Objetivo inicial foi para uso militar na
elaboração de sistemas com sigilo e anti-elaboração de sistemas com sigilo e anti-sabotagem. sabotagem.
É preciso conhecer o código para demodular É preciso conhecer o código para demodular a informação corretamente.a informação corretamente.
Faz um sinal ocupar uma banda muito maior Faz um sinal ocupar uma banda muito maior do que a necessária para transmitir a do que a necessária para transmitir a informação.informação.
Usa códigos pseudo-aleatórios.Usa códigos pseudo-aleatórios.
55
Direct Sequence Spread SpectrumDirect Sequence Spread Spectrum
Consiste no envio de um código pseudo-Consiste no envio de um código pseudo-aleatório ou de seu complemento, aleatório ou de seu complemento, dependendo se o símbolo transmitido é “1” dependendo se o símbolo transmitido é “1” ou “0”.ou “0”.
1 0
66
CDMACDMA É um sistema de múltiplo acesso É um sistema de múltiplo acesso
constituído a partir da técnica de constituído a partir da técnica de espalhamento em espalhamento em seqüência diretaseqüência direta..
Cada usuário modula sua informação Cada usuário modula sua informação em DS e transmiti simultaneamente na em DS e transmiti simultaneamente na mesma banda de freqüência.mesma banda de freqüência.
O sinal no receptor é a soma O sinal no receptor é a soma (interferência) dos vários usuários. A (interferência) dos vários usuários. A correlação com o código do usuário de correlação com o código do usuário de interesse permite a demodulação.interesse permite a demodulação.
77
CDMCDM
• Os canais estão misturados tanto no tempo quanto em freqüência. Somente o código com qual cada informação foi modulada é diferente.
88
CódigosCódigos Ortogonais:Ortogonais:
<pn<pnii . pn . pnkk>= 1 para i=k>= 1 para i=k <pn<pnii . pn . pnkk>= 0 para i≠k>= 0 para i≠k
Código Walsh:Código Walsh: Número grande de códigos ortogonaisNúmero grande de códigos ortogonais Códigos são ortogonais se sincronizadosCódigos são ortogonais se sincronizados
2/2/
2/2/
NN
NNN HH
HHH
onde:• H1 é por definição igual a 1• N representa a ordem da matriz
99
Espalhamento e InterferênciaEspalhamento e Interferência
ktb pndtx . kbr pnrxd .
kkktr pnIpnpndd ...
f f
Modulador em seqüência direta
Demodulador em seqüência direta
Interferência
dt drtxb
I
rxb
PSD
f
f
PSD
PSD
PSD f
PSD
1010
Ruídos na Rede ElétricaRuídos na Rede Elétrica A rede elétrica não pode ser bem A rede elétrica não pode ser bem
representada como canal AWGN.representada como canal AWGN. Ruído observado na rede elétrica é colorido, Ruído observado na rede elétrica é colorido,
variante com o tempo e com a localização. variante com o tempo e com a localização. Imperfeições típicas na rede elétrica:Imperfeições típicas na rede elétrica:
• Efeito Multi-caminhoEfeito Multi-caminho• Ruído Impulsivo PeriódicoRuído Impulsivo Periódico• Ruído Impulsivo AssíncronoRuído Impulsivo Assíncrono
Não existe um modelo único amplamente Não existe um modelo único amplamente aceito para a rede elétricaaceito para a rede elétrica
1111
MetodologiaMetodologia Simulações com a ferramenta Simulink do Simulações com a ferramenta Simulink do
MATLAB R 6.0MATLAB R 6.0 Uso de modelos básicos disponíveis no Uso de modelos básicos disponíveis no
Simulink: estágios QAM, filtros FIR, gerador Simulink: estágios QAM, filtros FIR, gerador de bits, medidor de erro, ...de bits, medidor de erro, ...
Avaliação de desempenho através de Avaliação de desempenho através de simulações pelo método de Monte-Carlo.simulações pelo método de Monte-Carlo.
Comparação de desempenho entre uso de Comparação de desempenho entre uso de CDM e QAM convencional para os principais CDM e QAM convencional para os principais tipos de adversidades tipicamente tipos de adversidades tipicamente encontradas em um canal PLC.encontradas em um canal PLC.
1212
Diagrama em Blocos do SimulinkDiagrama em Blocos do Simulink
InformaçãoInformaçãoModuladorModulador
CDMCDMModuladorModulador
QAM8QAM8
DeModuladorDeModuladorCDMCDM
DeModuladorDeModuladorQAM8QAM8
CanalCanalPLCPLC
CálculoCálculoBERBER
MedidorMedidor
SNRSNR
1313
Bloco de InformaçãoBloco de Informação
Características:Características:• Gera dados aleatórios a uma taxa de 224kbps (7bits x Gera dados aleatórios a uma taxa de 224kbps (7bits x
32kHz)32kHz)• Gera 7 bits de informação na forma bipolar e paralela Gera 7 bits de informação na forma bipolar e paralela
(7x32kbps)(7x32kbps)
1414
Modulador CDMModulador CDM
1515
Bloco Modulador CDMBloco Modulador CDM Características:Características:
• Usa 7 códigos Walsh de 8bits Usa 7 códigos Walsh de 8bits • Modula independentemente em DS cada Modula independentemente em DS cada
um dos 7 bits de informação um dos 7 bits de informação • Soma os sinais modulados em DS Soma os sinais modulados em DS
gerando o sinal CDM (valores de -7 a 7 gerando o sinal CDM (valores de -7 a 7 em passos de 2)em passos de 2)
• Taxa de informação de 224kbps (7bits a Taxa de informação de 224kbps (7bits a 32kHz) 32kHz) Taxa bruta de 768kbps (8 chips Taxa bruta de 768kbps (8 chips x 32kHz x 3bits)x 32kHz x 3bits)
• Gera o sinal CDM para o modulador QAM-Gera o sinal CDM para o modulador QAM-8 (mapeamento 8 (mapeamento 0 a 7) 0 a 7)
1616
Demodulador CDMDemodulador CDM
1717
Bloco DeModulador CDMBloco DeModulador CDM
Características:Características:• Recebe o sinal CDM do demodulador Recebe o sinal CDM do demodulador
QAM8 e o transforma no equivalente QAM8 e o transforma no equivalente bipolar (-7 a 7 em passos de 2)bipolar (-7 a 7 em passos de 2)
• Correlaciona separadamente o sinal Correlaciona separadamente o sinal CDM com cada código WalshCDM com cada código Walsh
1818
Estágio QAMEstágio QAM
Características:Características:• Valores de 0 a 7 são mapeados usando a constelação Valores de 0 a 7 são mapeados usando a constelação
QAMQAM
1919
Medidor SNRMedidor SNR
Características: Características: • Determina separadamente a Potência média do Determina separadamente a Potência média do
sinal e do ruído (entrada do demodulador)sinal e do ruído (entrada do demodulador)
1
0
2][
1 Q
n
nxQ
xP
2020
Parâmetros de SimulaçãoParâmetros de Simulação
Proposição com CDMProposição com CDM• Taxa 224kbpsTaxa 224kbps• Taxa bruta 768kbpsTaxa bruta 768kbps• Portadora 500kHzPortadora 500kHz• fs = 2.048k amostras / sfs = 2.048k amostras / s• W = 512kHz (banda passante)W = 512kHz (banda passante)
QAM ConvencionalQAM Convencional• Taxa 768kbpsTaxa 768kbps• Taxa bruta 768kbpsTaxa bruta 768kbps• Portadora 500kHzPortadora 500kHz• fs = 2.048k amostras / sfs = 2.048k amostras / s• W= 512kHz (banda passante)W= 512kHz (banda passante)
Implementação dos Ruídos Implementação dos Ruídos Típicos da Rede ElétricaTípicos da Rede Elétrica
2222
Simulação do Efeito Multi-CaminhoSimulação do Efeito Multi-Caminho
7 caminhos 7 caminhos refletidos com refletidos com atraso entre eles atraso entre eles igual ao tempo igual ao tempo de amostragem de amostragem (3,42(3,42μμs)s)
Valores de hn0 Valores de hn0 até hn7 foram até hn7 foram arbitrariamente arbitrariamente atribuídosatribuídos
hn 0
hn 1
hn 2
hn 3
hn 4
hn 5
hn 6
hn 7
G
1
Out
z-7
z-1
z-3
z-2
z-4
z-6
z-5
-K-
-K-
-K-
-K-
-K-
-K-
-K-
-K-
1
1
In
2323
Exemplo de Sinal com efeito Multi-Exemplo de Sinal com efeito Multi-CaminhoCaminho
0 1 2 3 4 5 6 7 8
x 10-5
-2
0
2
Sinal na entrada do Canal MultiPath
Tempo (s)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
x 10-5
-3
-2
-1
0
1
2Sinal na saida do Canl MultiPath
Tempo (s)
2424
Função de Transferência obtida em Função de Transferência obtida em Simulações para Multi-CaminhoSimulações para Multi-Caminho
0 1 2 3 4 5 6
x 106
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Amplitude da Função de Transferência para Canal com Efeito Multi-Caminho
Frequencia (rads/sec)
Am
plit
ud
e
0 1 2 3 4 5 6
x 106
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Fase da Função de Transferência para Canal com Efeito Multi-Caminho
Frequencia (rads/sec)
Ân
gu
lo
2525
Simulação Ruído Impulsivo Simulação Ruído Impulsivo PeriódicoPeriódico
Chave seleciona uma amostra do gerador de Chave seleciona uma amostra do gerador de ruído (1 “spike” a cada 31,25ruído (1 “spike” a cada 31,25μμs = 1/32kHz)s = 1/32kHz)
Simula ruídos de elementos como fonte Simula ruídos de elementos como fonte chaveadachaveada
1
out
Zero-OrderHold
Rst 1
N-SampleSwitch
Ground
1
Gain
Discrete PulseGenerator
Band-LimitedWhite Noise
1
In
2626
Exemplo de Ruído Impulsivo Exemplo de Ruído Impulsivo PeriódicoPeriódico
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10-3
-10
-5
0
5
10
15
20Ruido Impulsivo Periodico
Tempo (s)
2727
Ruído Impulsivo AssíncronoRuído Impulsivo Assíncrono
Ruído impulsivo periódico é atrasado aleatoriamente Ruído impulsivo periódico é atrasado aleatoriamente no intervalo de 0 até no máximo 100 amostras no intervalo de 0 até no máximo 100 amostras (48,83(48,83μμs)s)
Simula os eventos de ligar-desligar equipamentos.Simula os eventos de ligar-desligar equipamentos.
1
Out
Zero-OrderHold
In
DelayOutz
-i
VariableInteger Delay
Random int
Random-IntegerGenerator
Dot Product
Discrete PulseGenerator
Band-LimitedWhite Noise
1
In
2828
Exemplo de Ruído Impulsivo Exemplo de Ruído Impulsivo AssíncronoAssíncrono
0 0.3 0.5 1 1.5-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10Ruido Impulsivo Assincrono
Tempo (s)
2929
Aspectos sobre as SimulaçõesAspectos sobre as Simulações Em média, a transmissão simulada de Em média, a transmissão simulada de
≈75kbits de informação demora cerca de ≈75kbits de informação demora cerca de 4min em um K6-II-500Mhz. 4min em um K6-II-500Mhz. Taxa de ≈ 300 bits de dados simulados / s de Taxa de ≈ 300 bits de dados simulados / s de
simulação #simulação # Para taxa de erro mais alta as simulações Para taxa de erro mais alta as simulações
foram feitas até se obter 1.000 bits errados foram feitas até se obter 1.000 bits errados e pelo menos 50kbits transmitidos.e pelo menos 50kbits transmitidos.
Para taxas de erros de ≈ 10Para taxas de erros de ≈ 10-5-5, devido ao , devido ao elevado tempo computacional, simulou-se elevado tempo computacional, simulou-se até se obter ≈250 bits errados (≈ 18h de até se obter ≈250 bits errados (≈ 18h de simulação para transmissão de ≈25Mbits).simulação para transmissão de ≈25Mbits).
# Tempo de simulação depende da complexidade do cenário simulado.
ResultadosResultados
3131
Validação da Simulação e do Validação da Simulação e do Sistema de Medição SNRSistema de Medição SNR
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
0 2 4 6 8 10 12
Eb/No
BE
R
QAM 16Teórico
QAM16Simulado
3232
Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído AWGNRuído AWGN
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
SNR (dB)
BE
R QAM 8
CDM
CDM 5dB melhor para
BER 10-3
3333
Curva em Eb/No CDM x QAM8 Curva em Eb/No CDM x QAM8 para Ruído AWGNpara Ruído AWGN
R
W
P
P
N
E
WPRP
N
E
N
SB
N
S
B .00
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
0 2 4 6 8 10 12 14
Eb/No (dB)
BE
R
QAM 8
CDM
CDM ≈0,25dBPior p/
BER 10-3
3434
Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Efeito Multi-CaminhoEfeito Multi-Caminho
1,0E-07
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
SNR (dB)
BE
R
QAM 8 comAWGN
CDM8 comAWGN
CDM - Multi-Caminho
QAM 8 -Multi-Caminho
CDM 8dB melhor
para BER 10-3
3535
Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Efeito Multi-Caminhopara Efeito Multi-Caminho
1,0E-07
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
0 2 4 6 8 10 12 14
Eb/Jo (dB)
BE
R
QAM8comAWGN
CDM8comAWGN
QAM 8 -Multi-Caminho
CDM -Multi-Caminho
CDM 3dB melhor
para BER 10-3
3636
Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo PeriódicoRuído Impulsivo Periódico
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27
SNR (dB)
BE
R
QAM8 comAWGN
CDM8 comAWGN
CDM -ImpulsivoSíncrono
QAM8 -ImpulsivoSíncrono
CDM 11dB melhor para
BER 10-3
3737
Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Periódicopara Ruído Impulsivo Periódico
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
0 3 6 9 12 15 18 21 24
Eb/Jo (dB)
BE
R
QAM8comAWGN
CDM8comAWGN
QAM8ImpulsivoSíncrono
CDM8ImpulsivoSíncrono
CDM 5dB melhor
para BER 10-3
3838
Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo AssíncronoRuído Impulsivo Assíncrono
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27
SNR (dB)
BE
R
CDM -ImpulsivoSíncrono
QAM8 -ImpulsivoSíncrono
CDM -ImpulsivoAssíncr.
QAM 8 -ImpulsivoAssíncr.
CDM 8dB melhor
para BER 10-3
3939
Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Assíncronopara Ruído Impulsivo Assíncrono
1,0E-06
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Eb/Jo (dB)
BE
R
QAM8ImpulsivoSíncrono
CDM8ImpulsivoSíncrono
QAM 8 -ImpulsivoAssíncr.
CDM -ImpulsivoAssíncr.
CDM 3dB melhor
para BER 10-3
4040
Sumário dos ResultadosSumário dos Resultados
CenárioDiferença em SNR
Diferença em Eb/No
Melhor Desempenho
AWGN 5 dB -0,25 dB QAM
Multi-Caminho
8 dB 3 dB CDM
Impulsivo Periódico
11 dB 5 dB CDM
Impulsivo Assíncrono
8 dB 3 dB CDM
4141
ConclusõesConclusões SimulinkSimulink possibilitou ambiente simples, possibilitou ambiente simples,
amigável e flexível.amigável e flexível. Para ruído AWGN, CDM não propiciou ganho Para ruído AWGN, CDM não propiciou ganho
em relação ao QAM convencional.em relação ao QAM convencional. CDM sugere melhor desempenho para as CDM sugere melhor desempenho para as
imperfeições típicas da rede elétrica: imperfeições típicas da rede elétrica: • multi-caminho multi-caminho • ruído impulsivo periódicoruído impulsivo periódico• ruído impulsivo assíncronoruído impulsivo assíncrono
4242
ConclusõesConclusões
Nas simulações com CDM o Ruído Nas simulações com CDM o Ruído Impulsivo Assíncrono se mostrou mais Impulsivo Assíncrono se mostrou mais prejudicial do que Ruído Impulsivo prejudicial do que Ruído Impulsivo PeriódicoPeriódico
Para modulação QAM convencional a taxa Para modulação QAM convencional a taxa de erro obtida com as simulações foi de erro obtida com as simulações foi independente do ruído ser Impulsivo independente do ruído ser Impulsivo Periódico ou AssíncronoPeriódico ou Assíncrono
4343
FIMFIM
4444
Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros Ampliação do estudo para outros tipos de Ampliação do estudo para outros tipos de
ruídos.ruídos. Estudo com outras técnicas de modulação Estudo com outras técnicas de modulação
em banda passante (ASK, FSK, PSK,...)em banda passante (ASK, FSK, PSK,...) Estudo com a aplicação de códigos Estudo com a aplicação de códigos
corretores de erro.corretores de erro. Estudo da aplicação de CDM e OFDMEstudo da aplicação de CDM e OFDM Outras constelações no estágio QAMOutras constelações no estágio QAM Estudo com outros códigos pseudo-Estudo com outros códigos pseudo-
aleatórios (Walsh 16bits, Gold code, m-aleatórios (Walsh 16bits, Gold code, m-sequence)sequence)
Estudo de novas arquiteturas para Estudo de novas arquiteturas para Demodulador CDM.Demodulador CDM.
Informação Modulador
CDM
Modulador
QAM 8
Demodulador
CDM
Demodulador
QAM 8
Canal deComunicação
Verificador de erro
Medidor
SNR
224kbps32kbps 7 bits em paralelo
7 código 8 chips/bit
768kbps
32kbps 7 bits em paralelo
256ksym/s
3 bits/sym
256ksym/s
256ksym/s768kbps