Ademar Luiz Pastro
AVALIAÇÃO DA TÉCNICA MÚLTIPLO
ACESSO POR DIVISÃO DE CÓDIGO(CDMA)
PARA IMPLANTAÇÃO DE UMA REDE
LOCAL SOBRE A REDE ELÉTRICA
Orientador: Prof. Dr. Eduardo Parente Ribeiro
1
Sumário:
• Introdução
• Objetivo
• Espalhamento de espectro
• Modelo proposto
• Metodologia
• Resultados
• Conclusões
• Trabalhos futuros
2
Introdução:
A rede elétrica representa um meio atrativo para
implementação de uma rede local
• Está presente em todas as instalações prediais;
• Todos os equipamentos elétricos estão necessariamente ligados à rede;
• Não há necessidade da instalação de infraestrutura adicional de cabeamento
3
Histórico:
• A propagação de sinais de telecomunicações
através da rede elétrica é conhecida há mais de
50 anos
 Uso exclusivo da concessionária
 Objetivo de gerenciar e racionalizar a operação do sistema
• Abertura e desregulamentação (década de 90)
 Concessionárias iniciaram pesquisas em
novas tecnologias, como fator de competitividade
4
Áreas de aplicação:
• Acesso à Internet
• Serviços da Concessionária de Distribuição de Energia
• Automação Residencial
• Automação Comercial
• Automação Industrial
5
Objetivo:
Avaliação da implementação de uma rede local
(LAN) sobre a rede elétrica, utilizando CDMA
• Proposta de uma topologia
• Avaliação da capacidade, através de
simulações
6
Espalhamento de Espectro:
Características
A técnica de Espalhamento de Espectro foi desenvolvida inicialmente para uso na área militar
• Alta imunidade à interferência intencional ou
não intencional
• Dificuldade de recepção por receptores não
autorizados
• Possibilita acesso múltiplo a uma mesma faixa
de frequências
• A largura da faixa utilizada é muitas vezes maior
que a largura da faixa do sinal que contém a
informação
7
Espalhamento de Espectro:
Sinais Digitais
Representação de um sinal Digital
X(t)
T
-4T
-3T
-2T
-T
0
T
2T
3T
4T
5T
6T
t
td
T = duração de um bit
8
Espalhamento de Espectro:
Sinais Digitais
Densidade Espectral de Potência:
-3
2
x 10
 sin(fT ) 
SX ( f )  A T 


fT


2
2
Densidade Espectral de Potencia - Sinal Binario
1.8
1.6
1.4
Sx(f)
1.2
Taxa = 1000 bps
Fs = 16.000 Hz
1
1/T
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-8000
-6000
-4000
-2000
0
f (Hz)
2000
4000
6000
8000
9
Espalhamento de Espectro:
Sinais Digitais
Autocorrelação
Rx(τ)
A2
-T
0
T
τ
10
Espalhamento de Espectro:
Espalhamento de Espectro por Sequência Direta
Canal
b(t)
r(t)
s(t)
z(t)
Σ
c(t)
n(t)
c(t)
11
Espalhamento de Espectro:
-3
x 10
Densidade Espectral de Potencia - Sinal Binario
8
Sx(f)
6
4
2
0
-8000
-6000
-3
x 10
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
Densidade Espectral de Potencia - Sinal Espalhado
8000
f (Hz)
8
Taxa = 1000bps
FS = 16000Hz
N
= 8
Sx(f)
6
4
2
0
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
f (Hz)
12
Espalhamento de Espectro: Sequência Pseudo Aleatória
c(t)
Sequência PN : N = 7
Período = N·Tc
1
t
-1
Tc
Chip
Registrador de Deslocamento
1
2
3
x
13
Espalhamento através da Sequência Pseudo Aleatória
bt
Tb
1
t
-1
sinal binário: 1010
PN
N·Tc
1
t
-1
Tc
seqüência PN: 1001110
s
1
t
-1
sinal espalhado
14
“Desespalhamento”
d
1
t
-1
sinal espalhado
PN
N·Tc
1
t
-1
Tc
br
seqüência PN: 1001110
Tb
1
t
-1
sinal recuperado: 1010
15
Autocorrelação para uma sequência m:
Rc(τ)
1
0
-N·Tc
-Tc
Tc
1/N
N·Tc
τ
16
Sequências Gold:
Um conjunto de N + 2 Sequências Gold pode ser obtido
a partir de 2 sequências m de comprimento N.
y
1
2
0/1
0/1
3
0/1
mux
Seqüência
Gold
1
2
3
x
17
Topologia proposta para a LAN:
Fibra ótica
AT
R
C
Rede Externa
UE1
UEp-1
UE4
UE3
UEp-1
UE2
R
UEp
R
UI1
UIb
Rede Interna
Rede Interna
UI3
UI2
UIk-1
UIa
UIk
18
Topologia proposta para a LAN: Rede Interna
R
UI1
UIb
Rede Interna
UI3
UI2
UIk-1
UIa
UIk
Mensagem:
a→b
19
Topologia proposta para a LAN: Rede Interna
R
UI1
Rede Interna
Mensagem com código Comum
Endereço Lógico de b
Código Espalhamento de a
UIb
UI3
UI2
UIk-1
UIa
b recebe a mensagem
Responde enviando seu código
de Espalhamento
UIk
20
Topologia proposta para a LAN: Rede Interna
R
UI1
UIb
Rede Interna
UI3
Canal exclusivo entre a e b
UI2
UIk-1
UIa
UIk
21
Topologia proposta para a LAN: Rede Interna
R
UI1
UIb
Rede Interna
UI3
UI2
UIk-1
UIa
UIk
22
Topologia proposta para a LAN: Rede Interna
Ponte entre as redes interna
e externa
R
UI1
UIb
Rede Interna
UI3
UI2
UIk-1
UIa
UIk
23
Topologia proposta para a LAN: Rede externa
Fibra ótica
AT
R
C
Rede Externa
UE1
UEp-1
UE4
UE3
UEp-1
UE2
R
UEp
• Concentrador (ou roteador) envia mensagem utilizando código de espalhamento da unidade de destino
• Unidades enviam mensagem ao concentrador utilizando código de espalhamento do concentrador
24
Topologia proposta para a LAN: Rede externa
Fibra ótica(cabo)
AT
R
C
Rede Externa
UE1
UEp-1
UE4
UE3
UEp-1
UE2
R
UEp
• Não comunicação entre duas unidades quaisquer
• Acesso à Internet é feito através do roteador
25
CDMA:
Esquema
b1
bk
bn
PNk
PNn
PN1
fc
sk
sn
s1
fc
fc
Modulador
Modulador
m1
Modulador
mk
mn
. . . . .
. . . . .
Acoplamento
Rede
Elétrica
Filtro
rn
fc
Demodul.
dn
PNn
Correlator
bn
26
CDMA:
Correlator / Autocorrelação
r(t)
pn0
Tc
r(t-Tc)
Tc
r(t-2Tc)
··
·
pn1
Tc
r(t-(N-1)Tc)
Tc
pnN-2
pnN-1
+
Rc
Autocorrelaçao: Filtro FIR
40
30
20
10
N = 31
0
-10
-20
-30
-40
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
27
CDMA:
Autocorrelação para N = 127
sinal binario
2
b(t)
1
0
-1
-2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t
9
-3
x 10
Auto Correlaçao
100
Rc
50
0
-50
-100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
t
9
-3
x 10
28
Modelo utilizado:
b1
Geração do sinal
binário
Geração do sinal
binário
s1
Espalhamento
do espectro
bn
m1
Modulação
(BPSK)
sn
Espalhamento
do espectro
Modulação
(BPSK)
mn
ms
srs
Demodulação
dn
bn
Recuperação
do sinal
Sinal
binário
r
bk
Geração do sinal
binário
Adição de ruído
(AWGN/rede)
sk
Espalhamento
do espectro
Modulação
(BPSK)
mk
29
Fluxograma da metodologia:
AWGN
Função AWGN(Matlab)
Início
Geração sinal
binário(usuário)
Inserir
erro
Espalhamento
do sinal
Demodulação
do sinal
Rede
Ps
)
 2 Pr
SNRdB  10 log(
N
Modulação
do sinal
Recuperação
do sinal binário
Soma do sinais
modulados
Cálculo da
Taxa de erro
Último
usuário
S
N
Eb/No
final
S
Fim
30
Resultados:
0
Teoria x Prática
Taxa de erro de bits : AWGN
10
BPSK: Teorica
BPSK: Simulada
Gold N=63: Simulada
-1
BER
10
 Eb 
1

Pb  erfc 

2
 N0 
-2
10
-3
10
-4
10
-5
0
5
10
15
EbN0 (dB)
31
Resultados:
0
Teoria x Prática
Taxa de erro de bits CDMA: (AWGN)
10
Teoria
Simul.
Simul.
Simul.
Simul.
-1
10
-2



1
1
Pb  erfc 
2
  K 1
N0

 2
  3  N 2  Eb

N = 63
Numero de usuarios = 10
10
BER
1
2
3
4
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-5
0
5
10
15
20
25
30
Eb/No (dB)
32





 
 
Resultados:
Taxa de erro de bits
Taxa de erro de bits CDMA: N = 63
0
10
k= 5 AWGN
k= 5 r040
k= 5 r200
k= 5 r20n
k= 5 calc
k=15 AWGN
k=15 r040
k=15 r200
k=15 r20n
k=15 calc
-1
10
-2
BER
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-5
0
5
10
15
20
25
30
Eb/Jo (dB)
33
Resultados:
0
Taxa de erro de bits
Taxa de erro de bits CDMA: N = 127
10
-1
10
-2
BER
10
-3
10
-4
10
-5
10
-5
k=10 AWGN
k=10 r040
k=10 r200
k=10 r20n
k=10 calc
k=20 AWGN
k=20 r040
k=20 r200
k=20 r20n
k=20 calc
k=25 AWGN
k=25 r040
k=25 r200
k=25 r20n
k=25 calc
0
5
10
15
20
25
30
Eb/Jo (dB)
34
Conclusões:
• Foi proposta uma topologia para uma rede local sobre
a rede elétrica utilizando CDMA.
• O modelo proposto foi simulado, com objetivo de avaliar
o número de usuários que podem compartilhar simultaneamente a rede.
• A taxa de erro para um canal com ruído medido foi maior
do que a taxa de erro para um canal sujeito ao ruído
branco.
• Os resultados das simulações mostraram a viabilidade
da topologia proposta sobre a rede elétrica, utilizando
CDMA.
35
Conclusões:
Capacidade do canal
Limite de transmissões simultâneas
N
Teórica
Observada
15
4
4
31
7
6
63
14
13
127
27
21
Obs.: O número de usuários simultâneos é o
dobro do número de transmissões
36
Trabalhos futuros:
• Aumentar a quantidade de experimentos com ruído medido, para se obter uma estatística ampliada.
• Estudar a influência da resposta em frequência do canal.
• Aprimoramento do modelo teórico.
• Estudo detalhado do protocolo de comunicação que
viabilize a implementação da topologia proposta.
• Implantação de protótipo utilizando DSP, para avaliar o
funcionamento da topologia proposta.
37
Artigos:
“Local Area Network over Power-Line using CDMA”
8th International Symposium on Power-Line Communications and Its
Applications (ISPLC2004)
“Simulation of Code Division Multiple Access for a local Area Network
over Power Line”
The IASTED International Conference on Applied Simulation and
Moddeling – ASM2004
“Uma Rede Local Sobre a Rede Elétrica Utilizando CDMA”
XXI Simpósio Brasileiro de Telecomunicações - SBT’04
“Simulation of Code Division Multiple Access for a local Area Network
over Power Line”
XXV CILAMCE – Iberian Latin America Congress on Computational
Methods
38