F FA AC CU ULLT TA AD DD DE E IIN NG GE EN NIIE ER RÍÍA AE ELLÉ ÉC CT TR RIIC CA A

Departam ento de Telecomunicaciones y Electrónica

Trabajo de Diploma “Implementación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 del 2004 en MatLab/Simulink y Xilinx ISE utilizando modulación QAM”

Autor: Yudeisy Molina Rodrí guez Tutor: I ng. Yakdiel Rodrí guez-Gallo Guerra

Santa Clara 2011 “ Año 53 de la Revolución”

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA “Implementación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 del 2004 en MatLab/Simulink y Xilinx ISE utilizando modulación QAM”

Autor: Yudeisy Molina Rodríguez. E-mail: [email protected] Tutor: Ing Yakdiel Rodríguez-Ga llo Guerra E-mail: [email protected]

Santa Clara 2011 “ Año 53 de la Revolución”

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor

Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor

Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de Informació n Científico-Técnica

Pensamiento

PENSAMIENTO

PENSAMIENTO

Feliz el hombre que ha hallado la sabiduría, dichoso el que adquiere la inteligencia. Mejor es poseerla que tener plata; el oro no procura tantos beneficios. Proverbio Bíblico

I

Dedicatoria

DEDICATORIA

DEDICATORIA

A nuestro Señor y salvador Jesucristo, por ser la luz que hace resplandecer todo mi universo. A mi amado esposo Lazarito, por estar a mi lado incondicionalmente y ayudarme a hacer realidad este sueño. A mis queridos padres Molina y Deisy, por todo el cariño y apoyo que me han dado en estos seis años de estudio.

II

Agradecimientos

AGRADECIMIENTOS

AGRADECIMIENTOS

Agradecer: A todos aquellos que han contribuido de una forma u otra en la realización de este trabajo, especialmente a mi tutor Yakdiel por todos los consejos y conocimientos brindados para el desarrollo del mismo. Sinceramente, muchas gracias.

III

Tarea Técnica

TAREA TECNICA

TAREA TÉCNICA Para el logro de los objetivos propuestos en el presente trabajo, la investigación sigue una línea definida por un grupo de tareas, las cuales son:  Revisión bibliográfica y estudio de trabajos relacionados con la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004.  Realización de una investigación sobre las facilidades que brinda el MatLab/Simulink y la herramienta System Generator del software Xilinx ISE para la implementación de las capas físicas de los estándares de la IEEE.  Implementación en MatLab/Simulink de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004 utilizando modulación QAM.  Implementación usando

System Generator de un bloque de la capa física

WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004 que se integre al sistema confeccionado en MatLab/Simulink.  Generación y síntesis en Xilinx ISE del código VHDL del bloque de la capa física implementado utilizando System Generator.  Evaluación de los resultados obtenidos en la investigación.  Elaboración del informe final del trabajo de diploma.

Firma del Autor

Firma del Tutor

IV

Resumen

RESUMEN

RESUMEN

El presente trabajo de diploma se enfoca en la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004 utilizando modulación QAM. Para su realización se hizo una búsqueda de información, la cual permitió crear el marco teórico de la investigación. Los softwares que se emplearon fueron el MatLab/Simulink y el Xilinx ISE, debido a que son utilizados por los investigadores del tema. Los resultados obtenidos se encuentran en correspondencia a lo que indica el estándar de la IEEE. Este trabajo sienta las bases para que en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, en un futuro próximo, se comience a investigar el comportamiento de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004 en FPGAs.

V

Índice

INDICE

ÍNDICE

PENSAMIENTO ....................................................................................................................................... I DEDICATORIA ........................................................................................................................................ II AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................................... III TAREA TÉCNICA.................................................................................................................................. IV RESUMEN............................................................................................................................................... V ÍNDICE .................................................................................................................................................... VI INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................... 1 Estructura de la Tesis ........................................................................................................................ 3 CAPÍTULO 1 : MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX ............................. 4 1.1

Introducción al software MatLab/Simulink ........................................................................... 4

1.2

Introducción al software Xilinx ISE. ..................................................................................... 7

1.3

Los FPGAs de Xilinx. ............................................................................................................. 8

CAPÍTULO 2 : LOS ESTÁNDARES DE LA IEEE 802.16. LA CAPA FÍSICA WIRELESSMANOFDM DEL ESTÁNDAR IEEE 802.16 DEL 2004........................................................................... 14 2.1 2.1.1 2.2 2.2.1 2.3

Surgimiento de los protocolos 802.16 ................................................................................ 14 Caracterización de los estándares .............................................................................. 15 Interfaces físicas del estándar 802.16 del 2004 ................................................................ 17 La capa física WirelessMan-OFDM .............................................................................. 18 Tipos de Modulación ............................................................................................................. 28 VI

INDICE

2.3.1

Modulación BPSK .......................................................................................................... 30

2.3.2

Modulación QPSK .......................................................................................................... 31

2.3.3

Modulación QAM ............................................................................................................ 32

2.4

Costo de implementación de la capa física WirelessMan-OFDM ................................. 34

2.4.1

Fabricantes de la tecnología WiMAX .......................................................................... 35

CAPÍTULO 3 : MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM. .......................................................................................................................... 37 3.1

Simulación de la capa física en el software MatLab/Simulink. ...................................... 37

3.1.1

Bloques que integran el transmisor............................................................................. 37

3.1.2

Bloques que conforman el receptor. ........................................................................... 40

3.1.3

El canal de transmisión. ................................................................................................ 40

3.2

Integración de los bloques desarrollados. ......................................................................... 40

3.3

Análisis del comportamiento de la capa física simulada................................................. 41

3.4

Simulación de la capa física usando MatLab/Simulink y System Generator. .............. 42

3.5

Generación del código VHDL desde MatLab/Simulink. .................................................. 43

3.6

Código VHDL generado en Xilinx ISE. .............................................................................. 44

CONCLUSIONES................................................................................................................................. 46 RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 47 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.................................................................................................. 48 ANEXOS Anexo 1: SFF SDR Development Platform Anexo 2: Características de los equipos BreezeMAX del fabricante Alvarion Anexo 3: Catálogo de productos de la BreezeMAX, específicamente el BreezeAccess LB Anexo 4: Tranzeo WiMAX y sus características VII

Introducción

INTRODUCCION

INTRODUCCIÓN

Las tecnologías para la transmisión de información, se han desarrollado exponencialmente durante los últimos años y se dirigen siempre hacia mayores velocidades de transmisión, permitiendo utilizar menor ancho de banda, alto rendimiento, mejor calidad de transmisión, menor número de errores, a un costo reducido. Los sistemas inalámbricos de banda ancha (BWA), son considerados actualmente la mejor alternativa para proveer los servicios digitales. El término "inalámbrico" hace referencia a la tecnología sin cables que permite conectar varias máquinas entre sí. Las conexiones inalámbricas que se establecen entre los empleados remotos y una red, confieren a las empresas flexibilidad y prestaciones muy avanzadas. Actualmente el término se refiere a comunicación sin cables, usando frecuencias de radio u ondas infrarrojas. Las plataformas inalámbricas han crecido y en la actualidad son una gran industria, llevando miles de transmisiones alrededor del mundo. La tecnología WiMAX, (Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas) es un sistema de acceso inalámbrico de banda ancha de largo alcance que puede entregar grandes cantidades de información de forma económica y se utiliza principalmente para ofrecer cobertura a zonas de difícil acceso, con lo que se evita un cableado que puede resultar de complejo despliegue y ser poco rentable. Además, brinda a las empresas y a los consumidores un acceso ininterrumpido a una gran variedad de aplicaciones como: juegos en línea, música digital, televisión, videoconferencias y otros servicios en tiempo real. Actualmente existe una tendencia a nivel global de llevar a software los equipos electrónicos, específicamente las interfaces físicas de diversos sistemas, ejemplo de esto

1

INTRODUCCION

es la capa física de los protocolos de comunicaciones inalámbricas, lo cual se conoce como radio implementada por software (SDR). En la facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas no existen trabajos de diploma, ni abunda información sobre la implementación de protocolos de comunicaciones inalámbricas en herramientas de software y de hardware, de ahí la novedad de este trabajo que se enfoca en la implementación del estándar 802.16 del 2004 del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) usando la herramienta MatLab/Simulink y Xilinx ISE para su posterior implementación en una FPGA.

El problema de investigación afrontado en este trabajo consiste en la necesidad de implementar la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004 usando las herramientas

disponibles

en la

universidad, lo

cual permita

su estudio

y futura

implementación en una FPGA.

De lo expuesto anteriormente se desprenden las siguientes interrogantes científicas:  ¿Cómo se aborda en la actualidad la implementación de las capas físicas del estándar IEEE 802.16 del 2004 a través de herramientas de software?  ¿Cómo implementar la capa física WirelessMan-OFDM utilizando los softwares MatLab/Simulink y Xilinx ISE?  ¿Cuán efectiva será la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM con modulación QAM utilizando las herramientas disponibles?

Para el desarrollo de este trabajo de diploma se planteó un objetivo general, el cual consiste en implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando los softwares MatLab/Simulink y Xilinx ISE. Para lograr lo propuesto en la investigación se trazaron los siguientes objetivos específicos:  Investigar las

facilidades

que

brinda

implementación de la capa física. 2

MatLab/Simulink

y Xilinx ISE para la

INTRODUCCION

 Caracterizar la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004.  Implementar la capa física WirelessMan-OFDM con modulación QAM utilizando los softwares MatLab/Simulink y Xilinx ISE. Estructura de la Tesis

Este trabajo está compuesto por introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas.

Introducción: Se define la importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda.

Capítulo 1: Se enfoca en la descripción teórica de los softwares utilizados en el proyecto: MatLab/Simulink, y Xilinx ISE. Además, se abordan las características generales de los FPGAs de Xilinx, específicamente del kit de desarrollo Nexys2.

Capítulo 2: Se realiza una descripción de los estándares de la IEEE 802.16, especificando en la interfaz física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004, la cual es la que se implementa en este trabajo usando modulación QAM.

Capítulo 3: Se muestra la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 del 2004 utilizando modulación QAM en MatLab/Simulink, analizándose su comportamiento. Además, aparece la implementación de un decodificador de Viterbi usando System Generator, el cual se integró con el sistema desarrollado en MatLab/Simulink. Al final de este capítulo se genera el código VHDL del decodificador y se sintetiza en Xilinx ISE .

3

Capítulo 1

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

Capítulo 1 : MatLab/Simulink, Xilinx ISE y los FPGAs de Xilinx

En este capítulo se realiza una caracterización de los softwares MatLab/Simulink, y del software disponible para el diseño digital con FPGAs de Xilinx, el paquete informático ISE Xilinx. Se abordan además las características de los FPGAs de Xilinx, específicamente en el kit de desarrollo Nexys2.

1.1

Introducción al software MatLab/Simulink

El laboratorio de matrices (MatLab) es un software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las plataformas Unix, Windows y Apple Mac OS X. Ver figura 1.1.

Figura 1.1: Software MatLab (MathWorks, 2009)

4

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

Entre sus prestaciones básicas se hallan:  Manipulación de matrices.  Representación de datos y funciones.  Implementación de algoritmos.  Creación de interfaces de usuario .  Comunicación con programas en otros lenguajes. (Guichal, 2005)

El paquete MATLAB dispone de dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones: la plataforma de simulación multidominio (SIMULINK) y el editor de interfaces de usuario (GUIDE). Además, se pueden ampliar las capacidades de MATLAB con las cajas de herramientas (toolboxes), dichos toolboxes constituyen colecciones abarcadoras de funciones que extienden el ambiente de MATLAB para así solucionar problemas muy particulares; y las de SIMULINK con los paquetes de bloques (blocksets).

Los usos y aplicaciones típicos de MATLAB son:  Matemática y computación.  Desarrollo de algoritmos.  Adquisición de datos.  Modelado y simulación.  Análisis y procesamiento de datos.  Gráficos científicos y de ingeniería.  Desarrollo de aplicaciones, entre otros.

MATLAB ha evolucionado a lo largo de varios años. En ambientes universitarios es la herramienta de instrucción estándar para cursos introductorios y avanzados en matemáticas, ingenierías y ciencias. En industrias es la herramienta de preferencia usada para investigaciones de alta productividad, desarrollo y análisis. (MathWorks, 2009)

5

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

SIMULINK es un software para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Soporta tanto sistemas lineales como no lineales; realiza simulaciones de cualquier sistema que pueda ser definido por ecuaciones diferenciales continuas y ecuaciones diferenciales discretas, esto significa que se pueden modelar sistemas continuos en el tiempo, discretos en el tiempo o sistemas híbridos. Los sistemas pueden ser también multifrecuencia, es decir, tienen diferentes partes que se muestrean o actualizan con diferentes velocidades. Miles de científicos e ingenieros en todo el mundo usan SIMULINK para modelar y resolver problemas reales en gran variedad de industrias, incluyendo:  Aeroespacial y Defensa.  Automotriz.  Comunicaciones.  Electrónica y Procesamiento Digital de Señales (DSP).  Instrumentación Médica.

SIMULINK tiene dos fases de uso: la definición del modelo y el análisis del modelo. La definición del modelo significa construir el modelo a partir de elementos básicos construidos previamente, tales como, fuentes de valor constante, compuertas lógicas, terminales, etc. El análisis del modelo significa ejecutar la simulación y valorar los resultados obtenidos. Las herramientas de análisis de modelos que incluyen linealización y determinación de estados estacionarios pueden ser accedidas desde la línea de comandos del MATLAB, así como las muchas utilidades que MATLAB y sus toolboxes de aplicación poseen, y como MATLAB y SIMULINK están integrados, pueden simular, analizar y revisar sus modelos en uno u otro entorno en cualquier momento. (MathWorks, 2009) En SIMULINK, un modelo es una colección de bloques que, en general, representa un sistema. Hay dos clases principales de elementos: bloques y líneas. Los bloques se utilizan para generar, modificar, combinar, salida y visualización de señales. Las líneas se utilizan para transferir señales de un bloque a otro. SIMULINK incluye una amplia biblioteca de bloques de terminales, fuentes, componentes lineales y no lineales y conectores. Permite además personalizar y crear bloques propios. Ver figura 1.2.

6

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

Figura 1.2: Librería Simulink (MathWorks, 2009)

1.2

Introducción al software Xilinx ISE.

La herramienta de software ISE de Xilinx, integra en un mismo ambiente de desarrollo todas las etapas del flujo de diseño digital. Ver figura 1.3.

Figura 1.3: Software XILINX ISE

7

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

Al usar la herramienta ISE hay que seguir una serie de pasos, para llevar a cabo un diseño hasta la implementación en el dispositivo programable. Estos pasos son los siguientes:  Descripción.  Simulación funcional.  Síntesis.  Implementación.  Programación.

Cada una de las etapas del flujo de diseño puede realizarse dentro del mismo ISE o bien utilizar herramientas como ModelSim, las cuales son integrables en ISE, si están convenientemente instaladas y pueden ser llamadas dentro del propio entorno de ISE.(Zamora, 2010) El software Xilinx ISE posee la herramienta System Generator, esta es una herramienta de diseño de DSP de la Xilinx la cual se integra con el MatLab/Simulink, para el diseño de las FPGAs, estos diseños son tomados en un ambiente de modelado en el Simulink, usando un conjunto de bloques específicos de Xilinx. Todos los pasos para la implementación son automáticamente ejecutados para generar un archivo de programación en la FPGA. (Xilinx, 2010) 1.3

Los FPGAs de Xilinx.

Un arreglo de puertas programables por campo (FPGAs) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad se puede programar. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una compuerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip. (Gutiérrez, 2004) Los FPGAs son fabricados por una gran variedad de productores a nivel mundial, destacándose las compañías: Xilinx y Altera que producen FPGAs de propósito general. Ver figura 1.4. (Instruments, 2009)

8

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

Figura 1.4: FPGAs de las compañías Xilinx y Altera

Cada chip FPGA está compuesto de un número finito de recursos predefinidos con interconexiones programables para implementar un circuito digital reconfigurable. La arquitectura de un FPGA, consiste en arreglos de bloques lógicos que se comunican entre sí, a través de canales de conexión vertical y horizontal. En la figura 1.5 se muestra un diagrama en bloque de un FPGA de XILINX, mediante el cual se observa la estructura de dichos dispositivos.

Figura 1.5: Diagrama general de un FPGA de XILINX. (Guichal, 2005)

9

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

Estos FPGAs contienen los siguientes elementos principales:  Bloque lógico configurable (CLB): Estos son los bloques básicos que se utilizarán en la implementación de un circuito digital.  Bloque de entrada-salida (IOB): Estos bloques proveen la interface entre los pines del integrado y la lógica interna.  Estructura de interconexión: Es una estructura versátil y multinivel de interconexión entre los otros componentes del FPGA.

Además de los bloques lógicos básicos que ocupan la mayor parte de los FPGAs, estos dispositivos constan de bloques que cumplen ciertas funciones específicas. No todos los bloques se encuentran en todos los FPGAs, aunque casi todas tienen la estructura general presentada en la figura 1.5. La arquitectura específica de cada FPGA dependerá del fabricante y la aplicación a la que está orientada. Desde que Xilinx los inventó en 1984, los FPGAs han pasado de ser sencillos chips de lógica de acoplamiento a reemplazar a los circuitos integrados de aplicación específica (ASICs) y procesadores para procesamiento de señales y aplicaciones de control. Beneficios Principales de la Tecnología FPGA  Rendimiento: Los FPGAs exceden la potencia de cómputo de los DSP, rompiendo el paradigma de ejecución secuencial y logrando más en cada ciclo de reloj. BDTI, una destacada firma analista que realiza evaluaciones de referencia, lanzó evaluaciones mostrando cómo los FPGAs pueden entregar significativamente más potencia de procesamiento

por

dólar,

que

una

solución

de

DSP

en

algunas

aplicaciones(Benchmarking, 2006). El controlar entradas y salidas (E/S) a nivel de hardware ofrece tiempos de respuesta más veloces y funcionalidad especializada que coincide con los requerimientos de una aplicación.  Flexibilidad: La tecnología FPGA, ofrece flexibilidad y capacidad de rápido desarrollo de prototipos. Se puede probar una idea o un concepto y verificarlo en hardware, sin 10

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

tener que pasar por el largo proceso de fabricación por el que pasa un diseño personalizado de ASIC. (Thompson, 2004 ). Posteriormente se podrán implementar cambios y realizar iteraciones de un diseño FPGA en cuestión de horas en vez de semanas.  Precio: El precio de la ingeniería no recurrente de un diseño personalizado ASIC excede considerablemente al de las soluciones de hardware basadas en FPGA. La fuerte inversión inicial de los ASICs es fácilmente justificable para los fabricantes de equipos originales que embarcan miles de chips por año, pero muchos usuarios finales necesitan la funcionalidad de un hardware personalizado para decenas o cientos de sistemas en desarrollo. La misma naturaleza programable del silicio implica que no hay precio de fabricación o largo plazo de ejecución de ensamblado. Los requerimientos de un sistema van cambiando con el tiempo, y el precio de cambiar incrementalmente los diseños FPGAs es insignificante al compararlo con el precio de implementar cambios en un ASIC antes de su lanzamiento.  Fiabilidad: Mientras que las herramientas de software ofrecen un entorno de programación, los circuitos de un FPGA son una implementación segura de la ejecución de un programa. Los sistemas basados en procesadores frecuentemente implican varios niveles de abstracción para programar las tareas y compartir los recursos entre procesos múltiples. Los FPGAs, los cuales no necesitan sistemas operativos, minimizan los retos de fiabilidad con ejecución paralela y hardware preciso dedicado a cada tarea. (Instruments, 2011)

Debido a todas estas ventajas es necesario dominar la teoría, propiedades y configuración de estos chips, los cuales tienen un amplio campo de aplicaciones como:  Procesamiento digital de señales.  Radio definido por software.  Sistemas aeroespaciales y de defensa.  Prototipos de ASICs. 11

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

 Sistemas de imágenes para medicina.  Sistemas de visión para computadoras.  Reconocimiento de voz.  Bioinformática.  Emulación de hardware de computadora, entre otras.

En el Anexo 1 se muestra la plataforma de desarrollo SFF SDR, una de las FPGAs que actualmente están siendo comercializadas a nivel mundial. Nuestra facultad tiene un Kit Nexys2 de Digilent el cual posee un FPGA XC3S500E Spartan3E de Xilinx. Ver figura 1.6.

Figura 1.6: NEXYS2 Spartan 3E Kit (Digilent, 2008b)

La tarjeta Nexys2, es una plataforma desarrolladora de circuitos basada en la FPGA Spartan3 de Xilinx. Posee un puerto USB de alta velocidad, 16Mbytes de RAM y ROM, varios dispositivos de I/O y puertos que la hacen una plataforma ideal para sistemas digitales. El kit Nexys2 se puede utilizar con una computadora para crear una estación de diseño portátil; trae tecnologías que cualquier persona puede utilizar para ganar experiencia en el diseño digital. En esta tarjeta se pueden diseñar sistemas digitales basados en FPGAs y estos pueden crecer fácilmente más allá de la tarjeta, usando los cinco conectores de extensión. 12

CAPITULO 1: MATLAB/SIMULINK, XILINX ISE Y LOS FPGAS DE XILINX

La figura 1.7 muestra el diagrama en bloques de esta tarjeta. Para más información ver (Digilent, 2008a).

Figura 1.7: Diagrama en bloque de la tarjeta Nexys2. (Digilent, 2008a)

13

Capítulo 2

CAPITULO 2: LOS ESTÁNDARES DE LA IEEE 802.16. LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN -OFDM DEL ESTANDAR IEEE 802.16 DEL 2004

Capítulo 2 : Los estándares de la IEEE 802.16. La capa física WirelessManOFDM del estándar IEEE 802.16 del 2004

En este capítulo se realiza una descripción de los estándares de la IEEE 802.16. Además, se brinda una descripción de la interfaz física WirelessMan-OFDM correspondiente al estándar de la IEEE 802.16 del 2004, destacándose las técnicas de modulación que utiliza. Al final del capítulo se realiza un acercamiento al costo de una red inalámbrica fija que utiliza este tipo de interfaz física.

2.1

Surgimiento de los protocolos 802.16

El grupo de trabajo IEEE 802.16 desarrolla normas y hace recomendaciones para el desarrollo y despliegue de las redes inalámbricas de banda ancha de área metropolitana (WMAN). El IEEE 802.16 es parte del comité de normas IEEE 802 LAN/MAN (Local Area Network/ Metropolitan Area Network). El grupo de trabajo 802.16 se formó en julio de 1999, y en un principio estaba pensado únicamente para redes inalámbricas de banda ancha fijas. Más adelante, el objetivo del comité IEEE 802.16 fue diseñar un sistema de comunicación

inalámbrica,

que

incorpora

nuevas

tecnologías

de

comunicación

y

procesamiento digital de señales para ofrecer Internet de banda ancha, telefonía por Internet (voz sobre IP), y demás servicios, a usuarios móviles en un área metropolitana. En la tabla 2.1 se listan algunas de las fechas importantes para este comité.

14

CAPITULO 2: LOS ESTÁNDARES DE LA IEEE 802.16. LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN -OFDM DEL ESTANDAR IEEE 802.16 DEL 2004

FECHA

EVENTO

Julio 1999

Primera reunión del grupo de trabajo IEEE 802.16.

Junio 2001

Se establece el WiMAX Fórum.

Diciembre 2001

Estándar IEEE 802.16 para frecuencias menores a 11GHz terminado.

Enero 2003

Estándar 802.16a terminado.

Junio 2004

Estándar IEEE 802.16 -2004 terminado y aprobado.

Septiembre 2004

Intel comienza el envío del primer chip WiMAX.

Diciembre 2005

Estándar IEEE 802.16e terminado y aprobado.

Enero 2006

Primer anuncio de productos certificados por el WiMAX Fórum para aplicaciones fijas.

Agosto 2006

Sprint Nextel anuncia sus planes para desplegar WiMAX móvil en los Estados Unidos.

Tabla 2.1: Fechas importantes para el estándar 802.16.

Las redes implementadas conforme al estándar IEEE 802.16, presentan una estructura celular. Cada célula está constituida por 2 bloques principales, la estación base (BS) y una o más estaciones suscriptoras (SS) (Inc, 2011), dependiendo de la topología implementada; esta última generalmente es denominada equipo local del cliente (CPE). Las transmisiones tienen lugar a través de dos canales: el canal Downlink (DL) de la BS a la SS y el canal Uplink (UL) de la SS a la BS. El canal UL es compartido por todas las SS, mientras que el canal DL es exclusivo de la BS. Las BS proveen los servicios a las SS. (J. Andrews, 2007) 2.1.1 Caracterización de los estándares IEEE 802.16a Aprobado en enero de 2003 el estándar 802.16a especifica un protocolo que, entre otras cosas, soporta aplicaciones de baja latencia, tales como voz y vídeo. Proporciona conectividad de banda ancha sin necesidad de una línea de vista directa entre las terminales y la estación base. El estándar 802.16a, se diseñó para funcionar en bandas entre 2 y 11 GHz. Un rango tan amplio de bandas de frecuencia es lo que permite al estándar funcionar sin línea de vista (NLOS).

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CAPITULO 2: LOS ESTÁNDARES DE LA IEEE 802.16. LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN -OFDM DEL ESTANDAR IEEE 802.16 DEL 2004

IEEE 802.16b

Anexado al estándar 802.16a, el 802.16b está diseñado para operar en las bandas de frecuencia no licenciadas de 5 a 6 GHz, utilizando anchos de banda por canal de 10 MHz, 20 MHz y 5MHz de forma opcional. Actualmente este estándar está obsoleto. IEEE 802.16c

Publicado en enero de 2003, el 802.16c opera en las bandas de frecuencia entre 10 y 66 GHz. Provee niveles mayores de interoperabilidad, protocolos y estructuras test-suit (conjunto de pruebas). Al igual que los estándares anteriores, después de la publicación del estándar 802.16d del 2004 se le consideró obsoleto. IEEE 802.16d

Publicación realizada en Junio de 2004, es la fusión entre IEEE 802.16: 2001 e IEEE 802.16c: 2002 integrando toda la familia de estándares existentes en ese momento bajo un mismo documento. Se ha considerado como la solución inalámbrica para el acceso a Internet de banda ancha de última milla. E mplea OFDM (Múltiple División de Frecuencias Ortogonales) para la optimización de servicios inalámbricos de datos y se basa en la multiplexación de 256 subportadoras.

IEEE 802.16e

El 802.16e, se completó en diciembre de 2005 y se publicó formalmente como IEEE 802.16e-2005. Esta versión del estándar, define tres diferentes capas físicas (PHY): portadora sencilla, OFDM, y acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA). La técnica de acceso múltiple utilizada en las dos primeras especificaciones de capa física es acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), pero la tercera especificación, OFDMA, ocupa ambas dimensiones, tiempo y frecuencia, para la asignación de recursos. De estas

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CAPITULO 2: LOS ESTÁNDARES DE LA IEEE 802.16. LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN -OFDM DEL ESTANDAR IEEE 802.16 DEL 2004

tres tecnologías de capa física, el WiMAX Fórum ha seleccionado OFDMA como la tecnología básica necesaria para servicios móviles. El estándar 802.16e soporta d ú plex por división de tiempo (TDD) y d úplex por división de frecuencia (FDD). Sin embargo, la versión inicial de los perfiles para WiMAX móvil sólo considera el TDD porque, entre otras características, permite la asignación dinámica de recursos tanto en el canal UL, como en el canal DL, lo que permite soportar el tráfico DL/UL asimétrico como el producido por las aplicaciones de Internet. (Marca, 2008) 2.2

Interfaces físicas del estándar 802.16 del 2004

La capa física es la primera de las siete capas del modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI), es la encargada de las conexiones físicas, funciones (tipo de modulación, codificación y tasa de transmisión binaria) que se requieren para transportar los bits de datos entre cada extremo físico del enlace de comunicación. Es por ello que se encarga de transformar una trama de datos proveniente del nivel de enlace en una señal adecuada al medio físico utilizado en la transmisión, dichos impulsos pueden ser eléctricos en una transmisión por cable o electromagnéticos en la transmisión sin cables. Estos últimos (dependiendo de la frecuencia/longitud de onda de la señal) pueden ser ópticos, de microondas o de radio. Por otro lado, cuando se está en el modo de recepción de bits el trabajo es inverso ya que se encarga de transformar la señal transmitida en tramas de datos binarios que serán entregados al nivel de enlace. Para las redes WirelessMAN basadas en el estándar 802.16 del 2004 se definen cinco interfaces aéreas distintas para la capa física.

Estas interfaces son las siguientes: WirelessMAN-SC WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA WirelessHUMAN

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CAPITULO 2: LOS ESTÁNDARES DE LA IEEE 802.16. LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN -OFDM DEL ESTANDAR IEEE 802.16 DEL 2004

Las primeras cuatro versiones soportan tanto TDD, como FDD, mientras que la interfaz WirelessHUMAN únicamente soporta TDD. Otra de las características es que únicamente la primera interfaz, WirelessMan-SC, está orientada a conexión con línea de vista (LOS). El resto de las interfaces soportan conexiones NLOS.

2.2.1 La capa física WirelessMan-OFDM

El estándar 802.16d define en su capa física la interfaz WirelessMan-OFDM. Esta interfaz usa OFDM con 256 puntos de FFT, lo que le permite operar sin línea de vista. Opera en las bandas entre 2 y 11GHz y es obligatoria para las bandas exentas de licencia. Fue desarrollado para soportar conexiones punto a punto (PTP) y punto a multipunto (PMP). La capa MAC del 802.16d también soporta la topología Mesh (Malla). La gran diferencia entre PMP y la topología Mesh es que en PMP la comunicación se da únicamente entre estaciones suscriptoras y la estación base, y en la topología Mesh las SS pueden comunicarse con otras SS en el vecindario. El modo de acceso es Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA). Esta capa física permite subcanalización en el UL. Dicha subcanalización permite hasta 16 subcanales, con 12 subportadoras por canal que pueden activarse o desactivarse de forma individual. La interfaz WirelessMan-OFDM soporta los modos de operación TDD y FDD y permite a las SS operar tanto en modo FDD como Half-FDD (semi-FDD). El estándar soporta varios niveles de modulación como son:  Modulación por desplazamiento en fase binaria (BPSK)  Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK)  Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)

Incluye

además, de forma

opcional, diversas

transmisiones sobre el DL usando

Codificación Tiempo Espacio (STC), y Adaptive Antenna System (AAS) con Acceso Múltiple por División de Espacio (SDMA). (Ohrtman, 2005)

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Parámetros OFDM

En el esquema OFDM de 256 portadoras, ver figura 2.1, estas se distribuyen de la siguiente manera:  256 portadoras OFDM (200 usadas)  Pilotos: 8 fijas (-84, -60, -36, 12, 12, 36, 60, 84)  Portadoras de Guarda: 28 izquierda, 27 derecha  Ancho de Banda del Canal (BW): 1.5-28 MHz  Prefijo cíclico (CP) puede variar entre:1/4, 1/8, 1/16, 1/32  Modulación: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM

Figura 2.1: Diagrama de las Subportadoras para OFDM.(Gonzalo, 2005)

La sincronización en el aire se basa en tramas consecutivas subdivididas en ranuras. Ver figura 2.2.

Figura 2.2: Estructura de la trama. (Gonzalo, 2005)

19

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El tamaño de cada trama, y el tamaño de cada ranura en la trama, pueden variar trama a trama dependiendo de las necesidades de cada SS. Las tramas se dividen en subtramas DL y UL. Las subtramas están compuestas por un preámbulo, una trama de control de cabecera (FCH), y una serie de ráfagas de datos. La FCH contiene el perfil de la ráfaga y la longitud de una o más ráfagas DL, que siguen a la FCH. El mapa DL (DL-MAP), el mapa UL (UL-MAP), la descripción de los canales DL y UL, la descripción del canal DL (DCD) y la descripción del canal UL (UCD) respectivamente, y cualquier otro mensaje que describa el contenido de la trama se envían al principio, en las ranuras iniciales. El resto de las subtramas DL están compuestas por ráfagas de datos para cada SS. Cada ráfaga está compuesta por un número entero de símbolos OFDM y se le asigna un perfil de ráfaga que especifica el algoritmo de codificación, la tasa de codificación y el tipo de modulación para los datos transmitidos en la ráfaga. La subtrama UL, está compuesta por un período de contención inicial, asignación de ancho de banda y unidades de datos de protocolos (PDUs) UL de diferentes SS. Los mapas UL-MAP y DL-MAP, contienen una descripción completa del contenido de las subtramas UL y DL respectivamente. En ellos se especifica qué SS está transmitiendo y a qué SS está siendo enviada cada ráfaga, el subcanal que cada SS utiliza para transmitir, la tasa de codificación y tipo de modulación para cada ranura y en cada subcanal. (Ohrtman, 2005) En la figura 2.3, se muestra un diagrama a bloques que representa el proceso que los datos recorren, en este caso los datos son PDUs de capa física, antes de llegar al medio físico: aire.

Figura 2.3: Cadena de Transmisión pa r a la c a pa fís ic a OFDM.

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El proceso de codificación del canal en una capa física OFDM se compone de tres pasos:

1) Aleatorización de datos ( Randomizer) 2) Corrección de errores hacia delante (FEC) 3) Interpolación o entrelazado (Interleaving)

LLevándose a cabo en ese orden en la transmisión y en el orden inverso en la recepción. Ver figura 2.3. La codificación de canal se desarrolló con el fin de minimizar los daños de las interferencias sobre la información.

Randomizer

El Randomizer, no es una técnica de corrección de errores, es un mecanismo de prevención de errores implementado en todos los sistemas de transmisión digital. Sirve para conseguir una densidad de potencia más uniforme en el ancho de banda de transmisión para cualquier tipo de portadora digital transmitida, convirtiendo cualquier flujo de bits de información a un número igual de unos y ceros. La aleatorización es necesaria tanto para las BS como las SS. El Randomizer se realiza sobre cada ráfaga de datos, tanto en el DL como en el UL, lo que significa que para un bloque de datos en cada caso (subcanales en el dominio de la frecuencia

y símbolos

OFDM en el dominio

del tiempo), la aleatorización será

independiente. Si la cantidad de datos a transmitir no se ajusta exactamente a la cantidad de datos asignados, un relleno (padding), de 0xFF (sólo1’s), se añadirá al final del bloque de transmisión. Para la codificación de datos Reed-Solomon-código convolucional (RS-CC) o (CC) el relleno agregado al final del bloque de transmisión podrá ser hasta por la cantidad total de datos asignados menos un byte, esto es, que todo el bloque de transmisión podría ser de relleno con la excepción de un único byte de ceros que introduce el FEC. En el caso de Bloque de turbo código (BTC) y C o nvo luc i o na l d e tur b o c ó d i g o ( CTC), el relleno podría ser hasta por la cantidad total de datos asignados, es decir, el bloque estaría compuesto sólo por el relleno. (802.16-2004, 2004) 21

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Cada byte de datos a ser transmitido deberá entrar en forma secuencial en la aleatorización, empezando por los bits más significativos (MSB). El preámbulo está exento de esta etapa. El valor inicial o semilla será usado para calcular los bits aleatorios, que se combinan mediante una operación XOR con el flujo de bits en serie de cada ráfaga. La secuencia de aleatorización sólo se aplica a los bits de información. (802.16-2004, 2004) El generador de Secuencia Binaria Pseudo-Aleatoria (PRBS) usado para la aleatorización se muestra en la figura 2.4.

Figura 2.4: PRBS para aleatorización de datos (802.16-2004, 2004)

El registro de desplazamiento para la aleatorización se reinicia con cada nueva ráfaga. Para la capa física OFDM, en el DL, comenzará al inicio de cada trama con una secuencia predeterminada (1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0). La aleatorización no se reiniciará al comienzo de la ráfaga # 1. Al inicio de las siguientes tramas, empezando en la trama #2, la secuencia de aleatorización será inicializada como se observa en la figura 2.5. El número de trama usado por la inicialización hace referencia a la trama donde la ráfaga DL es trasmitida.

Figura 2.5: Vector de inicialización DL para la aleatorización OFDM a partir de la ráfaga # 2

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Para UL, la aleatorización inicializa con el vector mostrado en la figura 2.6. El número de trama usado por la inicialización hace referencia a la trama de la ráfaga UL que fue trasmitida. (802.16a, 2003)

Figura 2.6: Vector de inicialización UL para la aleatorización OFDM (802.16a, 2003).

FEC

El FEC, es un método de corrección de errores que permite al receptor corregir los datos erróneos sin necesidad de una retransmisión de la información original. Se utiliza para sistemas en tiempo real, donde no se puede esperar a la retransmisión para corregir los datos. La corrección de errores se realiza agregando al mensaje original bits de redundancia. Para la interfaz WirelessMan-OFDM, se define un FEC conformado por la concatenación de un código Reed-Solomon (externo), y una tasa compatible de código convolucional (interno), que es obligatorio tanto en el DL como en el UL. Soporta también, de forma opcional, BTC y CTC. El perfil de ráfaga más completa o, en todo caso, el modo de codificación más sólido debe emplearse cuando se solicite el acceso a la red y en las ráfagas FCH. Los datos provenientes del randomizer son enviados al codificador, que es el encargado de añadir los bits de redundancia, de acuerdo con la tasa de codificación interna, en este caso CC. A la salida del codificador se obtiene una palabra de código, bits de información más bits de redundancia, la relación entre ambos está dada por el codificador externo, Reed-Solomon. Esta palabra de código es enviada al receptor y éste, mediante un decodificador y aplicando los algoritmos de corrección de errores, obtendrá la secuencia de datos original. 23

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Reed-Solomon

Reed-Solomon, es un código cíclico no binario y es también una subclase de los códigos Bose-Chaudhuri-Hocquenghem (BCH), que son códigos cíclicos con diversos parámetros, con óptimos resultados para tamaños de bloque de algunos cientos de bits. Apoyado en las matemáticas de campos finitos, un código Reed-Solomon se define como RS (n, k) con símbolos de s bits. Si s = 8, los símbolos son bytes. El codificador RS opera de la siguiente forma: el codificador toma k bytes de información y añade bytes de paridad para obtener una palabra de código de n bytes. Hay tantos bytes de paridad como n-k, es decir, sólo los bytes necesarios para completar la palabra de código. Un decodificador puede corregir hasta t bytes errados por palabra de código, donde 2t = n - k. Un código RS y sus variables n, k y t pueden escribirse como un vector de la siguiente forma RS (32, 24, 4), esto es un código RS con una palabra de código, n = 32 bytes, de los cuales son bytes de información k = 24, y puede corregir hasta t = 4 bytes en error. En la tabla 2.3 se muestran los vectores de RS definidos para esta interfaz. La tabla 2.2 muestra el tamaño del bloque y las tasas de codificación, utilizadas para las diferentes modulaciones y tipos de código.

MODULACIÓN

BPSK

TASA DE CODIFICACIÓN CC

BLOQUE DE DATOS, CODIFICADOS (BYTES)

TASA TOTAL DE CODIFICACIÓN

12

24

1/2

(12,12,0)

1/2

24

48

1/2

(32,24,4)

2/3

36

48

3/4

(40,36,2)

5/6

38

96

1/2

(64,48,8)

2/3

72

96

3/4

(80,72,4)

5/6

96

144

2/3

(108,96,6)

3/4

108

144

3/4

(120,108,6)

5/6

BLOQUE DE DATOS SIN CODIFICAR (BYTES)

CÓDIGO RS

QPSK

16QAM

64QAM

Tabla 2.2: C odificación de canales por modulación.

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Código Convolucional

Un código convolucional es un código lineal, donde la suma de dos palabras de código, no importa cuales, es también una palabra de código. Este código se utiliza para mapear k bits de información dentro de una palabra de código de n bits. La implementación de este tipo de código da una codificación continua, donde la secuencia de bit codificada depende, además de los bits actuales, de los bits previos. El código trabaja de la siguiente manera: por cada k bits de información, cuando se codifican se obtienen n bits, donde k/n es la tasa de codificación, por ejemplo en una tasa de codificación de1/2 por cada bit de información se agrega un bit de redundancia. Esta codificación se

realiza

usando

un

registro

de

desplazamiento,

formado

por la

concatenación de m flip-flops, y una lógica combinacional, 1 implementada por compuertas XOR para realizar la suma módulo 2. En este codificador se definen las siguientes variables:

k es el número de bits que entra en el codificador, n es el número de bits a la salida del codificador, m es la memoria del codificador, es decir el número de flip-flops en el sistema, K es la profundidad del codificador y está definido como m+1, que es el número de desplazamientos que le toma a un bit entrar y salir del codificador.

En la figura 2.7, está la representación de un codificador convolucional de tasa ½, con los polinomios generadores: G1=171oct, para la salida X, y G2 =133oct, para la salida Y (802.16-2004, 2004).

Figura 2.7: Codificador Convoluciona l de Tasa ½ (802.16-2004, 2004).

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En este codificador, entran k bits por segundo y el codificador devuelve n = 2k bits. El bit de entrada se mantiene estable durante el ciclo de codificación, el cual comienza con cada ciclo de reloj. En cada ciclo de reloj, la salida del flip-flop izquierdo entra en el flipflop derecho, es decir, todos los bits dentro del codificador se corren una posición y el bit en la entrada del codificador pasa a la salida del primer flip-flop, y un nuevo bit se coloca a la entrada del codificador. Durante el ciclo de reloj el multiplexor de salida se mueve entre las dos posiciones, de tal forma que primero selecciona la salida del sumador superior (la salida X) y después la salida del sumador inferior (la salida Y), generando así el símbolo de dos bits. Después de la codificación se remueven algunos de los bits de paridad, este proceso es conocido como puncturing. El patrón de puncturing sirve para adaptar la tasa de los canales de transporte a la velocidad binaria disponible en los canales físicos, en algunos sistemas este patrón es sustituido por un patrón de repetición con el mismo fin. Los patrones de puncturing y orden de señalización que son usadas para realizar diferentes tasas de codificación, se definen en la tabla 2.3. En la tabla, "1" significa un bit trasmitido y "0" denota un bit retirado, mientras que X e Y hacen referencia a la figura 2.7.

TASA DE CÓDIGO Tasa

1/2

2/3

3/4

5/6

dfree

4

6

5

4

X

1

10

101

10101

Y

1

11

110

11010

XY

X1 Y1

X1Y1Y2

X1Y1 Y2X3

X1Y1Y2X3 Y4 X5

Tabla 2.3: Código Convoluc iona l Interno con Configuración Puncturing.

Cuando se usa la subcanalización en el UL, el FEC salta la parte de RS y utiliza la tasa de codificación general, definida en la tabla 2.2 como tasa de codificación CC. El tamaño de bloque

no codificado y el tamaño de bloque codificado, pueden ser calculados

multiplicando los valores que figuran en la tabla anterior por el número de subcanales asignados dividido por 16 (802.16a, 2003), en este caso al usar la configuración por 26

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default, 16 canales, los tamaños del bloque sin codificar y el codificado son los de la tabla. Para la modulación BPSK puede obviarse la parte del codificador RS. Interleaving

El interleaving, es en informática una forma de ordenar datos de manera no-contigua para mejorar su desempeño. La interpolación es utilizada principalmente en comunicación de datos, transmisión de radio (por ejemplo en satélites) o por línea de suscripción asimétrica digital (ADSL). El módulo o bloque que realiza este proceso es conocido como interleaver. En esta sección se ocupa el término interleaving, ya que e ste es el término utilizado en las revisiones del estándar IEEE 802.16a (802.16a, 2003) y IEEE 802.16 -2004 (802.16-2004, 2004), donde se describen los parámetros de esta etapa. El interleaving se utiliza en las tecnologías de transmisión de datos digitales para proteger la transmisión contra ráfagas de errores. Este tipo de errores puede amontonarse sobre una parte de la transmisión y dañar secciones completas de la información y, como la mayoría de las técnicas de corrección de errores esperan que los errores se distribuyan más uniformemente a lo largo de la transmisión, este tipo de errores puede resultar abrumador. El interleaving ayuda a evitar esto. Todos los bits de datos codificados son intercalados por un bloque interleaving, el tamaño de dicho bloque está dado por el número de bits codificados por subcanal (Ncbps), los subcanales asignados y los bits por símbolo OFDM. El interleaving se define por una permutación de dos pasos. La primera asegura que los bits codificados adyacentes sean destinados a subportadoras no adyacentes. La segunda permutación asegura que los bits codificados adyacentes sean destinados, significativos

alternativamente, en bits menos

o más

de la constelación, evitando así que la fiabilidad de los datos baje

demasiado. El de-interleaving, que lleva a cabo la operación inversa, también se define por dos permutaciones. La primera permutación en el de-interleaving es la inversa de la segunda permutación en el interleaving, y viceversa. En la tabla 2.4 se listan los tamaños para los bloques de interleaving de acuerdo con el número de subcanales. 27

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16 SUBCANALES (POR DEFAULT)

8 SUBCANALES

4

2

1

SUBCANALES

SUBCANALES

SUBCANAL

Ncbps BPKS

192

96

48

24

12

QPSK

384

192

96

48

24

16QAM

768

384

192

96

48

64QAM

1152

576

288

144

72

Tabla 2.4: Tamaño de Bloque del Interleaving en bits.

2.3

Tipos de Modulación

Como a menudo no es práctico propagar señales de información a través de cables metálicos o de fibra óptica, o a través de la atmósfera terrestre, con frecuencia es necesario modular la información de la fuente, con una señal analógica de mayor frecuencia, llamada portadora. En esencia, la señal portadora transporta la información a través del sistema. La señal de información modula a la portadora, cambiando su amplitud, su frecuencia o su fase. Modulación no es más que el proceso de cambiar una o más propiedades de la portadora, en proporción con la señal de información.(Tomasi, 2003) La modulación se realiza con el objetivo de obtener un mejor aprovechamiento del canal de transmisión y proteger la señal del ruido. Según la portadora sea una señal analógica o digital, las diferentes formas de modulación pueden clasificarse en dos grandes grupos:  Modulación por onda continua  Modulación por pulsos

La tabla 2.5 menciona la clasificación de la modulación por onda continua dentro de la cual se categoriza la modulación por amplitud, frecuencia y fase.

28

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Modulación por onda continua Modulación de

Modulación de

Modulación de Fase

Amplitud (ASK)

Frecuencia (FSK)

(PSK)

FSK de banda angosta

PSK convencional

FSK de banda ancha

DPSK (Differential Phase Shift Keying) Modulación multifase o

4PSK

multinivel

8PSK 16PSK 16QAM N QAM

Tabla 2.5: Métodos de modulación

La modulación adaptiva es una técnica que permite incrementar la tasa de datos que pueden ser transmitidos a través de canales que atenúan la señal. Su funcionamiento básico es un enlace con una atenuación uniforme mediante la adaptación variable del nivel de potencia de transmisión, la tasa de transmisión de símbolos, tamaño de la constelación, tasa (razón) de bits errados (BER), el modelo de la tasa de codificación o cualquier combinación de estos parámetros. La modulación adaptiva da una gran cantidad de parámetros que pueden ser ajustados y relacionados con la atenuación del canal, pero deben considerarse solo aquellos parámetros que den el mejor desempeño en la transmisión de la señal. La modulación adaptiva ha demostrado grandes beneficios para la transmisión inalámbrica de datos de alta velocidad al utilizar OFDM, ya que permite optimizar el ancho de banda utilizado. La modulación por desplazamiento de fase es una forma de modulación angular, la cual consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. Dependiendo del número de posibles fases a tomar, es la manera en que recibe las diferentes denominaciones. Dado que lo más común es codificar un número entero de bits por cada símbolo, el número de fases a tomar es una potencia de dos:  BPSK con 2 faces  QPSK con 4 fases la cual es equivalente a 4-QAM

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A mayor número de fases, mayor es la cantidad de información que se puede transmitir utilizando el mismo ancho de banda, pero mayor es también su sensibilidad frente a ruidos e interferencias. 2.3.1 Modulación BPSK

La modulación PSK consiste en codificar los valores binarios como cambios de fase de la señal portadora, la PSK binaria se denomina BPSK. La modulación BPSK utiliza dos estados para las fases +/- π/2. La figura 2.8 muestra los diagramas de bloques de un modulador (a) y un demodulador (b) BPSK.

Figura 2.8:a) Modulador b) Demodulador

La figura 2.9 indica que conforme la señal digital de entrada cambia, la fase de la salida varía entre 0° y 180°.

Figura 2.9: Constelación de la modulación BPSK

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2.3.2 Modulación QPSK

La modulación por cambio de fase en cuadratura está conformada por dos moduladores BPSK combinados en paralelo, como puede observarse en la figura 2.10.

Figura 2.10: Esquema de modulación QPSK

En esta modulación hay cuatro fases como se muestra en la figura 2.11 en la que se representan los dígitos 00, 01, 11, 10 donde cada fase transmite dos bits.

Figura 2.11: Constelación de la modulación QPSK.

31

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2.3.3 Modulación QAM

La modulación de amplitud en cuadratura, es una forma de modulación digital donde la información está contenida tanto en la amplitud como en la fase de la portadora. Una de las ventajas de este tipo de modulación es que al tener, por ejemplo en 8-QAM cuatro desfasamientos y dos amplitudes, se tienen 8 estados diferentes de transmisión, por lo que se pueden codificar 3 bits diferentes para cada símbolo transmitido, lo que incrementa la velocidad de transmisión. Características de la modulación 16-QAM

16-QAM es un sistema M-ario, donde M= 16. Esta modulación actúa sobre los datos de entrada en grupos de cuatro (24 = l6). Como con el 8-QAM donde, tanto la fase como la amplitud de la portadora transmisora, son variadas. La figura 2.12 muestra el diagrama de bloques para un transmisor de 16-QAM donde los datos de entrada binaria se dividen en cuatro canales: I, I’, Q y Q’ y la tasa de bits de cada canal es igual a un cuarto de la tasa de bits de entrada.

Figura 2.12: Esquema de modulación 16-QAM

32

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En la modulación 16-QAM hay dieciséis fases como se muestra en la figura 2.13 en la que se representan los dígitos 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111 donde cada fase transmite cuatro bits.

Figura 2.13: Constelación de la modulación 16-QAM.

Características de la modulación 64-QAM

El modulador es una extensión del concepto anterior con 6 paquetes de datos en paralelo en lugar de 4. La figura 2.14 muestra la distribución de códigos en cada fase con 64 combinaciones de bits.

Figura 2.14: Constelación de la modulación 64-QAM

33

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2.4

Costo de implementación de la capa física WirelessMan-OFDM

La arquitectura de una red inalámbrica fija puede estar diseñada como muestra la figura 2.15.

Figura 2.15: Ejemplo de arquitectura de una red inalámbrica fija (Union., 2011)

Esta tecnología todavía es nueva, por lo que el costo de los prototipos o componentes existentes es variable. Estos costos son estimados asumiendo una tendencia exitosa de la implementación de esta tecnología. El costo de instalación de un equipo de una estación base es mostrado en la tabla 2.6.

40 000,00 €

Base station

3 000,00 €

Sector antenna

43 000,00 €

Total base station Total bandwidth (Mb/s)

320

Tabla 2.6: Análisis del costo para la tecnología WiMAX fija (Union., 2011)

34

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2.4.1 Fabricantes de la tecnología WiMAX

A continuación se muestra una lista de algunos fabricantes de WiMAX.  Airspan  Albentia Systems  Infinet Wireless  Motorola  Siemens  Samsung  Telsima  RedLine  Proxim  Alvarion

BreezeMAX es una de las industrias líderes en tecnología WiMAX perteneciente a la Alvarion. Ofrece una moderna tecnología de OFDM que soporta operación NLOS, modulación hasta 64-QAM con una alta eficiencia espectral. Algunos de los productos que comercializa esta compañía se muestran en la figura 2.16. Las características técnicas de estos pueden verse en el Anexo 2. En el Anexo 3 se muestra el catálogo de productos, específicamente el BreezeACCESS LB.

Figura 2.16: Productos de la industria BreezeMAX

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Tranzeo WiMAX

El Tranzeo TR-WMX-3-17-W 3.5GHz es una unidad de suscriptor de instalaciones externas para aplicaciones de empresas o residencias, ver figura 2.17. El Anexo 4 muestra las características del mismo. Fue diseñado para interoperar con la familia Tranzeo 3GHz de la Estación Base pico y está basado en el estándar IEEE 802.16 del 2004 y el chipset NP7256Wavesat.(Inc, 2011).

Figura 2.17: Tranzeo TR-WMX-3-17-W 3.5GHz

36

Capítulo 3

CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

Capítulo 3 : Montaje de la capa física WirelessMan-OFDM utilizando modulación QAM.

En el presente capítulo se muestra la simulación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 del 2004 a través de las herramientas MatLab/Simulink. Además, se hace un análisis de su comportamiento y se integra el software System Generator con el Simulink, a través de la utilización de un decodificador de Viterbi. En los últimos epígrafes, aparece la generación del código VHDL y su simulación en Xilinx ISE.

3.1

Simulación de la capa física en el software MatLab/Simulink.

A continuación se presentan los bloques que se conformaron en MatLab/Simulink, según el estándar, para implementar la capa física WirelessMan-OFDM. 3.1.1 Bloques que integran el transmisor.

La composición del transmisor es la siguiente:  Randomizer.  Codificador Reed Solomon.  Codificador Convolucional.  Interleaver.  Modulador 16-QAM.  Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT).

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

Para conformar el Randomizer, se utilizó, el “PN Sequence Generador” que genera una secuencia lineal con retroalimentación con un polinomio generador como parámetro y se utilizó además una compuerta lógica XOR la cual es empleada para realiza la función booleana A'B+AB'. El codificador Reed-Solomon fue tomado de una biblioteca especial, creada en Simulink por el grupo de trabajo de la IEEE, para que sea utilizada por los investigadores. Está basado en lo que expresa la sección 8.3.3.2.1 del estándar 802.16 del 2004 para la interface física WirelessMan-OFDM. A continuación se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1: Codificador Reed-Solomon.

El codificador convolucional se obtuvo de las bibliotecas del Simulink. Se configuró con los valores indicados para este tipo de modulación. El interleaver se adquirió de la biblioteca especial de la IEEE. Es específico para este tipo de estándar y para esta interfaz física. Se basa en lo que aparece en la sección 8.3.3.3 de la norma. Se puede observar en la figura 3.2.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

Figura 3.2: Interleaver.

El modulador 16-QAM, se encuentra en las bibliotecas del Simulink. Se configuró con los parámetros correspondientes. En la figura 3.3 se observa como quedó después de su implementación.

Figura 3.3: Modulación 16-QAM.

La IFFT se encuentra en la librería del procesamiento digital del Simulink.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

3.1.2 Bloques que conforman el receptor.

La composición del receptor es la que a continuación se muestra:  De-Randomizer.  Decodificador Reed-Solomon.  Decodificador Convolucional.  Deinterleaver.  Demodulador 16-QAM.  Transformada Rápida de Fourier (FFT).

Para crear los módulos correspondientes al receptor se utilizaron las librerías del Simulink y de la IEEE, programándolos con los parámetros que especifica el estándar para este tipo de modulación. 3.1.3 El canal de transmisión.

En este trabajo, el canal que se implementó fue el de Ruido Blanco Gaussiano debido a que es el más utilizado por los investigadores del tema y la norma lo recomienda para realizar este tipo de análisis. 3.2

Integración de los bloques desarrollados.

Después de implementar los bloques correspondientes al transmisor, el receptor y al canal de comunicación, estos se integraron, obteniéndose la simulación que se muestra en la figura 3.4, la cual responde al comportamiento de la capa física WirelessMan-OFDM con modulación 16-QAM.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

Figura 3.4: Capa física WirelessMan-OFDM con modulación 16-QAM.

3.3

Análisis del comportamiento de la capa física simulada.

Se efectuaron varias iteraciones de la capa física implementada para comprobar su correcto funcionamiento, cambiándose la relación señal a ruido en el canal de transmisión, obteniéndose la gráfica 3.1.

Gráfica 3.1: Comportamiento de la Capa Física WirelessMan-OFDM en MatLab/Simulink.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

En la gráfica 3.1 se observa que cuando aumenta la razón señal a ruido (SNR), la razón de bits errados disminuye, por lo que el BER se hace cero alrededor de los 25 dB de la SNR, siendo lo que la norma establece para este tipo de sistema, comprobándose su correcto funcionamiento.

3.4

Simulación de la capa física usando MatLab/Simulink y System Generator.

El software Xilinx ISE posee la herramienta System Generator, la cual se integra con el MatLab/Simulink, como se explicó anteriormente. De su librería se tomó el decodificador de Viterbi, el cual aparece en la figura 3.5.

Figura 3.5: Decodificador de Viterbi.

Este decodificador se adaptó y reemplazó por el que se había usado de las bibliotecas del Simulink, lográndose interrelacionar y simular los dos software, como se muestra en la figura 3.6. Posteriormente se analizó su funcionamiento, dando como resultado una gráfica prácticamente igual a la gráfica 3.1, confirmándose su correcto funcionamiento.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

Figura 3.6: Compilación de la capa física utilizando System Generator.

3.5

Generación del código VHDL desde MatLab/Simulink.

System Generator tiene la ventaja de que a través de él se puede generar el código VHDL. En su ventana de compilación se introdujeron los datos del Kit de desarrollo Nexys2 y se activó la opción de generar el código en VHDL, como se puede observar en la figura 3.7.

Figura 3.7: Generación del código VHDL.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

3.6

Código VHDL generado en Xilinx ISE.

System Generator genera un proyecto en Xilinx ISE, donde aparece el código VHDL del decodificador de Viterbi. Esto se refleja en la figura 3.8.

Figura 3.8: Generación del código VHDL.

Después se sintetiza el proyecto, dejándolo listo para su implementación en la FPGA , lo cual se muestra en la figura 3.9.

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CAPITULO 3: MONTAJE DE LA CAPA FÍSICA WIRELESSMAN-OFDM UTILIZANDO MODULACIÓN QAM

Figura 3.9: Decodificador de Viterbi sintetizado en Xilinx ISE.

45

Conclusiones

CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

Con la realización de este trabajo se arribó a las siguientes conclusiones:  La realización de la búsqueda de información permitió elaborar el marco teórico de la investigación para la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 del 2004.  Se evidenciaron las ventajas que brinda el software Matlab/Simulink para la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM.  Se estudió el software System Generator y su vínculo con MatLab/Simulink para su utilización en la implementación de la capa física.  MatLab/Simulink es un software que brinda una gran variedad de prestaciones para los programadores, lo cual se evidenció al integrarse con la herramienta System Generator de Xilinx ISE  Se

integró

la

herramienta

System Generator con el sistema

simulado

en

MatLab/Simulink, lográndose obtener el código VHDL del decodificador de Viterbi implementado en ella y su posterior síntesis en Xilinx ISE.  Se analizó el comportamiento de los sistemas simulados comprobándose su correcto funcionamiento.

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Recomendaciones

RECOMENDACIONES

RECOMENDACIONES

Se proponen las siguientes recomendaciones:  Realizar el análisis del funcionamiento del decodificador de Viterbi en el Kit de desarrollo Nexys2 que posee la facultad.  Trabajar en la implementación de un sistema que agrupe todos los tipos de modulación que aparecen en el estándar 802.16 del 2004 para la capa física WirelessMan-OFDM.  Confeccionar nuevos módulos de la capa física WirelessMan-OFDM utilizando la herramienta System Generator para su posterior implementación en el Kit de desarrollo.  Continuar los estudios de investigación sobre la implementación de las capas físicas de los estándares de la IEEE en FPGAs.

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Anexos

ANEXOS

ANEXOS Anexo 1: SFF SDR Development Platform

Lyrtech’s small form factor (SFF) software-defined radio (SDR) development platforms (part Lyrtech’s advanced development solutions lineup) are especially designed to address the special SDR needs of the military, public safety, and commercial markets. Lyrtech platforms are designed as low-cost, off-the-shelf, integrated hardware and software development solutions, and pack some of the latest DSP and FPGA technology—Lyrtech's expertise. Features and Benefits  Embedded, independent power monitoring for each processor in the system  Tools for real-time data exchanges with the host device CPU  Seamless hardware and software integration from baseband to antennas  Real-time and hardware-in-the-loop co-simulation capabilities

ANEXOS

 General-purpose processor (GPP), DSP, and FPGA, which makes it easy to implement all protocol layers  Capable of remote Ethernet access  Supports many tunable and WiMAX RF modules  Supports an optional, GPS-disciplined clock synchronization module for mutual boards synchronization or tight clock performance applications  SFF SDR development platform include the following leading-edge features:  One Texas Instruments DM6446 DM SoC providing benefits of both DSP and reduced instruction

set

computer

(RISC)

technologies,

incorporating

a

high-performance

TMS320C64x+ DSP core and an ARM926EJ-S MPU core  One Xilinx Virtex-4 SX35 FPGA, optimized for high-performance signal processing  128 MB DDR2 SDRAM  128 MB NAND flash memory  One LYRIO interface to add a data conversion module. The interface is composed of two, 32-bit, 500-MBps synchronous interfaces (4 Gbps, full-duplex) Applications  GSM, GPRS, EDGE (pico and femto base stations)  Software-defined radio  Cognitive radio  Public safety applications (TETRA and APCO bands)  MILCOMs (gateways, handsets, and man-pack systems)  White-space devices  Mesh networking  WiMAX  Wi-Fi

ANEXOS

Anexo 2: Características de los equipos BreezeMAX del fabricante Alvarion.

ANEXOS

Anexo 3: Catálogo de productos de la BreezeMAX, específicamente el BreezeAccess LB

ANEXOS

Anexo 4: Tranzeo WiMAX y sus características