Avaliação de Códigos Corretores de Erro para
Comunicação de Dados em OFDM na Rede Elétrica
Aluna: Michelle Foltran Miranda
Orientador: Prof. Eduardo Parente
Co-orientador: Prof. Walter Godoy Jr.
1
1 Introdução

Rede elétrica:
– Presente em construções e residências;
– Meio conveniente e barato para a comunicação de dados;

Dificuldades na implementação para a transmissão de dados:
– Características hostis como meio de comunicação:
• Alta interferência devido a cargas ruidosas;
• Elevado ruído colorido e impulsivo;
– Modelo preciso para a rede elétrica ainda não está disponível;
– Quantidade excessiva de interferência radiada;

Necessária escolha de bons códigos corretores de erro;
2
1 Introdução

Objetivo:
– Verificar desempenhos de códigos corretores de erro através
de simulações com ruídos sintéticos e amostras de ruído da
rede elétrica;
– Códigos convolucionais, RS e turbo;
– OFDM 16-QAM;
– Método de Monte Carlo;
3
1 Introdução
Sistema OFDM;
 Códigos corretores de erro:

– Reed-Solomon;
– Convolucional;
– Códigos turbo;
Metodologia;
 Resultados;
 Conclusões;

4
2 Sistema OFDM


Transmissão com múltiplas portadoras;
Aumentar robustez;
5
2.1 Vantagens e Desvantagens

Vantagens:
– Robusto à interferência multipercurso;
– Melhor capacidade do sistema - dados por subcanal
distribuídos de acordo com o SNR de certo subcanal;
– Eficiente contra interferência de banda estreita;

Desvantagens:
– Sensível ao ruído de fase na portadora;
– Implementação com maior complexidade computacional.
6
3 Códigos Corretores de Erro


Armazenar/transmitir dados – Confiabilidade;
Aplicações:
–
–
–
–
–
Sistemas de comunicações via satélite;
Redes locais de computadores;
Discos a laser;
Sistemas de tele-supervisão e controle;
Automação bancária.
7
3 Códigos Corretores de Erro

Sistema de Transmissão Típico:
8
3.1 Tipos de Códigos de Canal

Aplicação:
– Detectores;
– Corretores;

Estrutura:
– Códigos de Bloco:
•
•
•
•
Mensagens com comprimento fixo;
Hamming;
BCH;
Reed-Solomon;
– Códigos Convolucionais:
• Fluxo contínuo de dados;
• Codificador com memória;
• Códigos Turbo;
9
3.2 Códigos de Reed-Solomon



RS(n,k);
Subclasse não-binária de BCH;
Definidos por blocos de símbolos com m bits:
n  2m  1
k  2m  dmin

Códigos de bloco mais utilizados:
– Boas propriedades de distância;
– Decodificadores eficientes: Berlekamp e Massey;
– Utilizados em canais com ruído em rajada;
10
3.3 Códigos Convolucionais



Codificador com memória;
Fluxo contínuo;
Implementação:
– registradores de deslocamento;
– Somadores módulo 2;
– Ex: R= ½, g = (133,171);

Decodificação:
– Viterbi;
– Decisão suave: estimativa ótima da seqüência codificada;
11
3.4 Códigos Turbo

Codificação com concatenação em paralelo
12
3.4 Códigos Turbo

Decodificação iterativa:
13
3.4 Códigos Turbo

Turbo Code R=1/2 para BPSK
14
3.5 Simulação com Controle de Erro


Método de Monte Carlo
Dados de entrada:
– Eb/N0 (dB) ou SNR (dB);
– Número de transmissões para contagem de erro;

Resultado:
– Número de bits errados em função de SNR (dB);
Eb 1
Eb bN s r
SNRi 

N0 BTb N0 BTs
15
4 Metodologia

Verificar desempenho de um sistema de comunicação:
– OFDM 16-QAM;
– 256 portadoras;
– Canais:
• AWGN;
• Ruído Colorido;
• Ruído medido da rede elétrica;
– Codificadores:
• RS(216,255) em GF(256);
• Convolucional R=1/2;
• Código turbo R=1/2;
16
4.1 OFDM sem Codificação



N = 256;
bi = 4 bits;
IFFT: 512 pontos;
17
4.2 OFDM com RS




RS(216,255) em GF(256);
N = 256;
bi = 4 bits;
IFFT: 512 pontos;
18
4.3 OFDM com Convolucional



Alternativa para codificação em treliça: codificador binário + QAM;
Código Gray: maneira eficiente para fornecer as bases para obtenção das
métricas na decodificação;
Mapeamento:
– Valores em fase e quadratura tratados como sinais PAM de 4 níveis;

Re-mapeamento:
– Valores em fase e quadratura re-mapeados em duas métricas;
19
4.3 OFDM com Convolucional




R = ½; g = [133, 171];
N = 256;
bi = 4 bits;
IFFT: 512 pontos;
20
4.4 OFDM com Código Turbo





R = ½; g=[11111; 10001];
N = 256;
bi = 4 bits;
IFFT: 512 pontos;
Decodificação: 3 iterações;
21
4.5 Simulações


Simulação: Programa Matlab 6.5;
Canais considerados:
– Ruído AWGN: randn()
– Ruído colorido:
• AWGN filtrado: PF - 12kHz e 16kHz;
• AWGN filtrado: PF - 15kHz e 16kHz;
– Ruído medido da rede elétrica:
•
•
•
•
•
Conversor A/D 12 bits e fs = 40kHz : 60.000 amostras;
PA, fc = 200 Hz;
PB (anti-aliasing) = 20 kHz;
Duas medições extras: sinal senoidal 19kHz, amplitudes 1V e 6V;
Função de transferência: passa-altas para reproduzir o acoplamento
do transceptor com a rede;
22
4.5 Simulações



Sistemas sem e com codificação foram implementados;
Modulação OFDM 16-QAM;
Canais:
– AWGN;
– Colorido;
– Rede elétrica;



Largura de banda: 20kHz;
Transmissão a partir de 10kHz;
Entrada receptor:
– PA butterworth (ordem 5 e fc = 6 kHz);
– Eliminar resquícios da freqüência de 60 Hz e suas harmônicas;

Método de Monte Carlo:
– Curvas BER x SNR;
– Dado de entrada: SNR (dB);
– Resultado: BER até 500 bits errados.
23
4.5 Simulações

Densidade Espectral de Potência dos ruídos coloridos, AWGN e da rede elétrica
24
4.6 Fluxograma
SNR dB  10log(
PS
)
2
 PR
Ps
Pr

SNR dB
10
10
Eb bN s r
SNRi 
N0 BTs
25
5 Resultados

Desempenhos teórico e simulado no canal AWGN
26
5 Resultados

Desempenhos dos sistemas para o canal com AWGN
2 dB
7 dB
27
5 Resultados

Desempenhos dos sistemas com ruído colorido (12kHz a 16kHz)
28
5 Resultados

Desempenhos dos sistemas com ruído colorido (15kHz a 16kHz)
29
5 Resultados

Desempenhos dos sistemas com ruído medido da rede elétrica
2 dB
6 dB
30
5 Resultados

Comparação do desempenho dos sistemas com convolucional
1 dB
31
5 Resultados

Comparação do desempenho dos sistemas com turbo
3 dB
1 dB
32
5 Resultados

Comparação do desempenho dos sistemas com RS
33
6 Conclusões

Cenário para simulação foi implementado o testado;
– Pode ser facilmente alterado para outras faixas de freqüências (MHz);




Verificou-se um diferente desempenho no canal AWGN e no
canal medido da rede elétrica;
Códigos distintos tiveram diferentes variações para os canais
estudados;
Escolha cuidadosa do código para melhores desempenhos na
rede elétrica;
Superioridade dos códigos turbo também nos exemplos de
ruído estudado da rede elétrica;
– Exceção: ruído colorido com largura de banda muito estreita;
– RS melhor devido a suas propriedades;
34
7 Trabalhos Futuros



Incorporação de mais medidas do ruído da rede elétrica (em diversos
locais/regiões, horários diferentes) a fim de realizar um estudo estatístico
ampliado;
Avaliação de sistemas com maiores constelações (64-QAM, 128-QAM);
Avaliação dos códigos corretores de erro em esquemas adaptativos, uma vez
que as características da rede elétrica variam com o tempo devido à
remoção ou inserção de cargas elétricas.
– Nível de potência adaptativa:
• Através do controle da potência, parâmetros de transmissão são inalterados com as
variações do canal;
– Tamanho de constelação adaptativa:
• Modulação adaptativa aumenta a eficiência da transmissão de dados;
• Tamanho da constelação variada para adaptar modulação ao SNR do canal;
– Taxa de código adaptativa:
• Esquema de codificação pode responder às variações de canal alterando-se a taxa de
código;
35
Perguntas
36