CILAMCE 2004, Recife, PE
SIMULATION TO EVALUATE
CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR
POWERLINE COMMUNICATION
Adriano Fávaro, Eduardo Parente Ribeiro
Departamento de Engenharia Elétrica - UFPR
SUMÁRIO
1.
2.
3.
4.
5.
INTRODUÇÃO
ESPALHAMENTO ESPECTRAL e RUÍDO
PROPOSIÇÃO E METODOLOGIA
RESULTADOS
CONCLUSÕES
2
Vantagens da Rede Elétrica
Está presente em praticamente todo
lugar (alta penetração)
 Não exige a criação de um segunda
rede paralela
 O mesmo ponto serve para
conectividade à rede elétrica e de
dados

3
Técnica de Espalhamento
Espectral





Surgiu em meados da década de 1950.
Objetivo inicial foi para uso militar na
elaboração de sistemas com sigilo e antisabotagem.
É preciso conhecer o código para demodular
a informação corretamente.
Faz um sinal ocupar uma banda muito maior
do que a necessária para transmitir a
informação.
Usa códigos pseudo-aleatórios.
4
Direct Sequence Spread Spectrum
1

0
Consiste no envio de um código pseudoaleatório ou de seu complemento,
dependendo se o símbolo transmitido é “1”
ou “0”.
5
CDMA
É um sistema de múltiplo acesso
constituído a partir da técnica de
espalhamento em seqüência direta.
 Cada usuário modula sua informação
em DS e transmiti simultaneamente na
mesma banda de freqüência.
 O sinal no receptor é a soma
(interferência) dos vários usuários. A
correlação com o código do usuário de
interesse permite a demodulação.

6
CDM
Os canais estão misturados tanto no tempo
quanto em freqüência. Somente o código com qual
cada informação foi modulada é diferente.
•
7
Códigos

Ortogonais:
<pni . pnk>= 1 para i=k
 <pni . pnk>= 0 para i≠k


Código Walsh:
Número grande de códigos ortogonais
 Códigos são ortogonais se sincronizados

H N / 2 H N / 2 
HN  

H N / 2  H N / 2 
onde:
• H1 é por definição
igual a 1
• N representa a ordem
da matriz
8
Espalhamento e Interferência
PSD
f
PSD
Interferência
PSD
PSD
f
dt
PSD
f
Modulador em
seqüência
direta
txb  dt . pnk
txb
f
I
f
rxb
Demodulador
em seqüência
direta
dr
d r  rxb . pnk
dr  dt .  pnk . pnk   I . pnk
9
Ruídos na Rede Elétrica




A rede elétrica não pode ser bem
representada como canal AWGN.
Ruído observado na rede elétrica é colorido,
variante com o tempo e com a localização.
Imperfeições típicas na rede elétrica:
• Efeito Multi-caminho
• Ruído Impulsivo Periódico
• Ruído Impulsivo Assíncrono
Não existe um modelo único amplamente
aceito para a rede elétrica
10
Metodologia




Simulações com a ferramenta Simulink do
MATLAB R 6.0
Uso de modelos básicos disponíveis no
Simulink: estágios QAM, filtros FIR,
gerador de bits, medidor de erro, ...
Avaliação de desempenho através de
simulações pelo método de Monte-Carlo.
Comparação de desempenho entre uso de
CDM e QAM convencional para os principais
tipos de adversidades tipicamente
encontradas em um canal PLC.
11
Diagrama em Blocos do Simulink
Informação
Modulador
CDM
Modulador
QAM8
Medidor
Cálculo
BER
SNR
DeModulador
CDM
Canal
PLC
DeModulador
QAM8
12
Bloco de Informação

Características:
• Gera dados aleatórios a uma taxa de 224kbps (7bits x
32kHz)
• Gera 7 bits de informação na forma bipolar e paralela
(7x32kbps)
13
Modulador CDM
14
Bloco Modulador CDM

Características:
• Usa 7 códigos Walsh de 8bits
• Modula independentemente em DS cada
um dos 7 bits de informação
• Soma os sinais modulados em DS
gerando o sinal CDM (valores de -7 a 7
em passos de 2)
• Taxa de informação de 224kbps (7bits a
32kHz)  Taxa bruta de 768kbps (8 chips
x 32kHz x 3bits)
• Gera o sinal CDM para o modulador QAM8 (mapeamento  0 a 7)
15
Demodulador CDM
16
Bloco DeModulador CDM

Características:
• Recebe o sinal CDM do demodulador
QAM8 e o transforma no equivalente
bipolar (-7 a 7 em passos de 2)
• Correlaciona separadamente o sinal
CDM com cada código Walsh
17
Estágio QAM

Características:
• Valores de 0 a 7 são mapeados usando a constelação
QAM
18
Medidor SNR
1 Q1
2
P x   x[n]
Q n 0

Características:
• Determina separadamente a Potência média do
sinal e do ruído (entrada do demodulador)
19
Parâmetros de Simulação

Proposição com CDM
•
•
•
•
•

Taxa 224kbps
Taxa bruta 768kbps
Portadora 500kHz
fs = 2.048k amostras / s
W = 512kHz (banda passante)
QAM Convencional
•
•
•
•
•
Taxa 768kbps
Taxa bruta 768kbps
Portadora 500kHz
fs = 2.048k amostras / s
W= 512kHz (banda passante)
20
Implementação dos Ruídos
Típicos da Rede Elétrica
Simulação do Efeito Multi-Caminho
hn 0
1
-K-
1
In
Out
hn 1
-1
z

-Khn 2
-2
z
-Khn 3
-3
z
-K-
G

hn 4
-4
z
1
-K-
7 caminhos
refletidos com
atraso entre eles
igual ao tempo
de amostragem
(3,42μs)
Valores de hn0
até hn7 foram
arbitrariamente
atribuídos
hn 5
-5
z
-K-
-6
z
-K-
hn 6
hn 7
-7
z
-K-
22
Exemplo de Sinal com efeito MultiCaminho
Sinal na entrada do Canal MultiPath
2
0
-2
0
1
2
3
4
Tempo (s)
5
6
7
8
-5
x 10
Sinal na saida do Canl MultiPath
2
1
0
-1
-2
-3
0
1
2
3
4
Tempo (s)
5
6
7
8
-5
x 10
23
Função de Transferência obtida em
Simulações para Multi-Caminho
Amplitude da Função de Transferência para Canal com Efeito Multi-Caminho
3.5
Amplitude
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
1
2
3
4
Frequencia (rads/sec)
5
6
6
x 10
Fase da Função de Transferência para Canal com Efeito Multi-Caminho
0
Ângulo
-10
-20
-30
-40
-50
-60
0
1
2
3
4
Frequencia (rads/sec)
5
6
6
x 10
24
Simulação Ruído Impulsivo
Periódico
1
1
In
out
Band-Limited
White Noise Ground
1
Rst
1
N-Sample
Switch
Zero-Order
Hold
Gain
Discrete Pulse
Generator


Chave seleciona uma amostra do gerador de
ruído (1 “spike” a cada 31,25μs = 1/32kHz)
Simula ruídos de elementos como fonte
chaveada
25
Exemplo de Ruído Impulsivo
Periódico
Ruido Impulsivo Periodico
20
15
10
5
0
-5
-10
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Tempo (s)
1.2
1.4
1.6
1.8
2
-3
x 10
26
Ruído Impulsivo Assíncrono
1
1
In
Out
Discrete Pulse
Generator
In
Dot Product
Zero-Order
Hold
Band-Limited
White Noise
Delay
-i
z
Out
Variable
Integer Delay
Random int
Random-Integer
Generator


Ruído impulsivo periódico é atrasado aleatoriamente
no intervalo de 0 até no máximo 100 amostras
(48,83μs)
Simula os eventos de ligar-desligar equipamentos.
27
Exemplo de Ruído Impulsivo
Assíncrono
Ruido Impulsivo Assincrono
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
0
0.3
1
0.5
1.5
Tempo (s)
28
Aspectos sobre as Simulações

Em média, a transmissão simulada de
≈75kbits de informação demora cerca de
4min em um K6-II-500Mhz.
Taxa de ≈ 300 bits de dados simulados / s de
simulação #


Para taxa de erro mais alta as simulações
foram feitas até se obter 1.000 bits errados
e pelo menos 50kbits transmitidos.
Para taxas de erros de ≈ 10-5, devido ao
elevado tempo computacional, simulou-se
até se obter ≈250 bits errados (≈ 18h de
simulação para transmissão de ≈25Mbits).
# Tempo de simulação depende da complexidade do cenário simulado.
29
Resultados
Validação da Simulação e do
Sistema de Medição SNR
0
2
4
6
8
10
12
1,0E+00
BER
1,0E-01
QAM 16
Teórico
1,0E-02
QAM16
Simulado
1,0E-03
1,0E-04
Eb/No
31
Curva em SNR CDM x QAM8 para
Ruído AWGN
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18
CDM 5dB
melhor para
BER 10-3
1,0E+00
1,0E-01
BER
1,0E-02
QAM 8
1,0E-03
CDM
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06
SNR (dB)
32
Curva em Eb/No CDM x QAM8
para Ruído AWGN
0
2
4
6
8
10
14
CDM
≈0,25dB
Pior p/
BER 10-3
1,0E+00
1,0E-01
BER
12
1,0E-02
1,0E-03
1,0E-04
QAM 8
1,0E-05
CDM
1,0E-06
Eb/No (dB)
EB
N0
 PS

R
 
 PN

W


  E B  PS . W
N0
PN
R



33
Curva em SNR CDM x QAM8 para
Efeito Multi-Caminho
0
4
6
8 10 12 14 16 18
BER
1,0E+00
1,0E-01
1,0E-02
1,0E-03
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06
1,0E-07
2
CDM 8dB
melhor
para BER
10-3
QAM 8 com
AWGN
CDM8 com
AWGN
CDM - MultiCaminho
SNR (dB)
QAM 8 MultiCaminho
34
Curva em Eb/Jo CDM x QAM8
para Efeito Multi-Caminho
BER
0
1,0E-01
1,0E-02
1,0E-03
1,0E-04
1,0E-05
1,0E-06
1,0E-07
2
4
6
8 10 12 14
CDM 3dB
melhor
para BER
10-3
QAM8
com
AWGN
CDM8
com
AWGN
QAM 8 MultiCaminho
Eb/Jo (dB)
CDM MultiCaminho
35
Curva em SNR CDM x QAM8 para
Ruído Impulsivo Periódico
0
3
6
9 12 15 18 21 24 27
1,0E-01
CDM 11dB
melhor para
BER 10-3
BER
1,0E-02
1,0E-03
QAM8 com
AWGN
1,0E-04
CDM8 com
AWGN
1,0E-05
1,0E-06
SNR (dB)
CDM Impulsivo
Síncrono
QAM8 Impulsivo
Síncrono
36
Curva em Eb/Jo CDM x QAM8
para Ruído Impulsivo Periódico
0
3
6
9
12 15 18 21 24
1,0E+00
BER
1,0E-01
QAM8
com
AWGN
1,0E-02
CDM8
com
AWGN
1,0E-03
1,0E-04
QAM8
Impulsivo
Síncrono
1,0E-05
1,0E-06
CDM 5dB
melhor
para BER
10-3
Eb/Jo (dB)
CDM8
Impulsivo
Síncrono
37
Curva em SNR CDM x QAM8 para
Ruído Impulsivo Assíncrono
0
3
6
9 12 15 18 21 24 27
1,0E+00
CDM 8dB
melhor
para BER
10-3
BER
1,0E-01
1,0E-02
CDM Impulsivo
Síncrono
1,0E-03
QAM8 Impulsivo
Síncrono
1,0E-04
CDM Impulsivo
Assíncr.
1,0E-05
1,0E-06
SNR (dB)
QAM 8 Impulsivo
Assíncr.
38
Curva em Eb/Jo CDM x QAM8
para Ruído Impulsivo Assíncrono
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
1,0E-01
1,0E-02
CDM 3dB
melhor
para BER
10-3
BER
QAM8
Impulsivo
Síncrono
1,0E-03
1,0E-04
CDM8
Impulsivo
Síncrono
1,0E-05
QAM 8 Impulsivo
Assíncr.
1,0E-06
Eb/Jo (dB)
CDM Impulsivo
Assíncr.
39
Sumário dos Resultados
Cenário
Diferença Diferença
Melhor
em SNR em Eb/No Desempenho
AWGN
5 dB
-0,25 dB
QAM
MultiCaminho
8 dB
3 dB
CDM
Impulsivo
Periódico
11 dB
5 dB
CDM
Impulsivo
Assíncrono
8 dB
3 dB
CDM
40
Conclusões



Simulink possibilitou ambiente simples,
amigável e flexível.
Para ruído AWGN, CDM não propiciou ganho
em relação ao QAM convencional.
CDM sugere melhor desempenho para as
imperfeições típicas da rede elétrica:
• multi-caminho
• ruído impulsivo periódico
• ruído impulsivo assíncrono
41
Conclusões


Nas simulações com CDM o Ruído
Impulsivo Assíncrono se mostrou mais
prejudicial do que Ruído Impulsivo
Periódico
Para modulação QAM convencional a taxa
de erro obtida com as simulações foi
independente do ruído ser Impulsivo
Periódico ou Assíncrono
42
FIM
43
Trabalhos Futuros







Ampliação do estudo para outros tipos de
ruídos.
Estudo com outras técnicas de modulação
em banda passante (ASK, FSK, PSK,...)
Estudo com a aplicação de códigos
corretores de erro.
Estudo da aplicação de CDM e OFDM
Outras constelações no estágio QAM
Estudo com outros códigos pseudoaleatórios (Walsh 16bits, Gold code, msequence)
Estudo de novas arquiteturas para
Demodulador CDM.
44
32kbps 7
bits em
paralelo
224kbps
Informação
256ksym/s
Modulador
CDM
3 bits/sym
Modulador
QAM 8
256ksym/s
768kbps
7 código  8 chips/bit
Verificador
de erro
32kbps 7
bits em
paralelo
Medidor
SNR
Canal de
Comunicação
Demodulador
Demodulador
QAM 8
CDM
768kbps
256ksym/s