Otimização do Código Convolucional Turbo do WiMAX em Ponto Fixo
Ailton Akira Shinoda 1
1
Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista - UNESP, Ilha Solteira, SP, [email protected]
Resumo: Este artigo descreve a implementação otimizada
do código convolucional turbo, em ponto fixo, de um
sistema OFDM baseado no controle adaptativo da taxa de
dados da camada física do WiMAX de acordo com o padrão
IEEE 802.16.
Keywords:
WiMAX.
otimização,
código
convolucional
turbo,
2. ARQUITETURA E TOPOLOGIA DA REDE
A topologia e a arquitetura de rede especificada pelo
IEEE 802.16 está ilustrada na Figura 1.
1. INTRODUÇÃO
A
predição
feita
pelo
ITU
(International
Telecommunication Union) mostra que a demanda dos
usuários por serviços de banda larga, mobilidade do terminal
e disponibilidade de roaming está tornando-se cada vez
mais intensivo. A tendência de operação das novas redes
está se concentrando cada vez mais em acesso e coberturas
sem fio. E as redes locais sem fio (WLAN) têm alcançando
um grande sucesso nesse setor.
Mas no momento, a WLAN apresenta várias limitações
como pequenas áreas de cobertura (alcance de transmissão)
e problemas de interferência devido ao emprego da faixa de
freqüência ISM (Industrial, Scientific and Medical). Para
superar essas limitações, o comitê do IEEE desenvolveu os
padrões 802.16x adotada pelo fórum Worldwide
Interoperability for Microwave Access (WiMAX) [1], que
especifica o acesso banda larga sem fio (WBA). O padrão
define a camada física e o MAC (Medium Access Control)
do sistema WBA na faixa 2-66 GHz. Pode operar com uma
taxa máxima de dados de 75 Mbps e cobertura celular de até
50 km.
Os padrões IEEE 802.16x consiste de vários subpadrões 802.16, 802.16a, 802.16d e 802.16e [2-4]. O IEEE
802.16 define o acesso banda larga sem fio fixo (FWBA) na
faixa 10-66 GHz em linha de visada; IEEE 802.16a estende
para 2-11 GHz sem linha de visada. O IEEE 802.16d é a
revisão dos dois com algumas melhorias no enlace reverso;
o IEEE 802.16e suporta mobilidade até uma velocidade de
120 km/h e uma estrutura de enlace assimétrica.
A seção 2 apresenta a arquitetura e topologia de rede do
WiMAX. A seção 3 descreve os principais elementos da
camada física (PHY) e a modulação adaptativa do WiMAX
no simulador. A seção 4 apresenta o funcionamento da
codificação convolucional turbo empregado no WiMAX. A
seção 5 mostra os resultados e validação do código
convolucional turbo otimizada em ponto fixo.
Figura 1 Topologia e arquitetura da rede WiMAX
São definidos os elementos Base Station (BS) e
Subscriber Station (SS). A BS realiza a interface entre a
rede sem fio e uma rede-núcleo (Core Network), suportando
interfaces IP, ATM, Ethernet ou E1/T1 [2]. A SS permite ao
usuário acessar a rede, por intermédio do estabelecimento de
enlaces com a BS, em uma topologia Ponto-Multiponto.
Como alternativa à topologia Ponto-Multiponto, o
padrão especifica a topologia Mesh (opcional), na qual uma
SS pode se conectar a uma ou mais SS intermediárias, até
atingir a BS. Nesse caso, trata-se de uma rede multihop, que
representa uma estratégia interessante para expandir a área
de cobertura total da rede sem a necessidade de um aumento
proporcional do número de BSs, o que representa uma
economia significativa nos custos de implantação, já que as
SSs deverão ter custo bem inferior ao das BSs.
3. CAMADA FÍSICA
O padrão 802.16a/d define sete combinações de
modulação e taxa de codificação que pode ser empregada
para alcançar a taxa de dados mais conveniente, baseada nas
1
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Autor 1, Autor 2, Autor 3, etc.
condições do canal e interferência. A Tabela 1 ilustra essas
possíveis combinações.
Tabela 1 Esquemas de modulação e codificação para o WiMAX.
Taxa
(ID)
Modulação
Taxa de
Código
Inf. bits/
Inf. Bits/
Taxa de pico em 5 MHz
Símbolo símbolo OFDM
(Mbps)
0
BPSK
1/2
0,5
88
1,89
1
QPSK
1/2
1
184
3,95
2
QPSK
3/4
1,5
280
6,00
3
16QAM
1/2
2
376
8,06
4
16QAM
3/4
3
568
12,18
5
64QAM
2/3
4
760
16,30
6
64QAM
3/4
4,5
856
18,36
Figura 3 Esquema da modulação adaptativa
Trata-se da seleção da modulação a ser utilizada na
camada física (QPSK, QAM-16, QAM-64) a partir do nível
da relação sinal-ruído percebida no receptor. A partir da
negociação entre as estações base e cliente, a modulação a
ser adotada é dinamicamente adaptada às condições do
enlace de rádio. Esta técnica a ser adotada é dinamicamente
adaptada às condições do enlace de rádio. Esta técnica
confere maior robustez e flexibilidade ao sistema,
A Figura 2 ilustra os vários estágios funcionais do
WiMAX PHY.
empregada largarmente na tecnologia Wi-Fi [2].
Figura 2 Estágios funcionais do WiMAX PHY
O primeiro conjunto de estágios está relacionado aos
códigos corretores de erros (FEC), que inclui a codificação
do canal (no caso desse trabalho empregou-se o código
convolucional turbo) e o casamento da taxa de dados
(puncturing ou repetição), interleaving e o mapeamento dos
símbolos. O próximo conjunto de estágios funcionais trata
da construção dos símbolos OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing) no domínio da frequência. Durante
esse estágio, os dados são mapeados em sub-canais e subportadoras mais apropriados. A seguir são inseridos os
símbolos pilotos, responsáveis pela estimação e
rastreamento das condições do canal na recepção. Esse
estágio também é responsável por qualquer codificação
temporal/espacial de diversidade na transmissão, caso seja
requerido. O conjunto final de funções está relacionado à
conversão dos símbolos OFDM no domínio da frequência
para o domínio do tempo.
Na tecnologia WiMAX, além do esquema de
multiplexação OFDM, adota-se um esquema de modulação
adaptativa, conforme a Figura 3.
4. CÓDIGO CONVOLUCIONAL TURBO
A idéia básica dos códigos turbos é o emprego de dois
códigos convolucionais em paralelo com interleaving entre
eles. Códigos convolucionais são utilizados para codificar
um fluxo contínuo de dados, mas nesse caso assume-se que
os dados estão configurados em blocos fixos, associado ao
tamanho do interleaver. A Figura 4 mostra um codificador
turbo geral.
Figura 4 Codificador Turbo
2
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mais largo sob a mesma taxa de codificação (o bloco
definido pela modulação 64-QAM). A Tabela 2 [4]
especifica a concatenação das diversas alocações de subcanais e modulações.
O código convolucional turbo (CTC) implementado em
ponto fixo foi baseado na especificação do IEEE Std 802.16
[4] mostrado na Figura 5.
Tabela 2 Canal CTC otimizado por modulação
Modulação
Dados
(bytes)
Figura 5 Código CTC
Os bits são alternadamente enviados para A e B,
iniciando-se com o bit mais significativo (MSB) do
primeiro byte sendo transmitido por A. O codificador é
alimentado por blocos de k bits ou N tuplas (k=2*N bits).
Para qualquer tamanho de quadro, k é um múltiplo de 8 e
N é um múltiplo de 4. Além disso, 8≤ N/4 ≤1024.
Os polinômios que descrevem as conexões na
notação simbólica são:
•
Ramo da realimentação: 1+D+D3
•
Bit de paridade Y:
1+D2+D3
Bit de paridade W:
3
•
1+D
Inicialmente, o codificador é alimentado por uma
sequência natural (posição 1) com endereço incremental
i=0...N-1. Esse primeiro codificador é denominado de
código C1. A seguir o codificador é alimentado por uma
sequência do interleaver (comutador na posição 2) com
endereço incremental j=0,...N-1. Esse segundo codificador é
denominado de código C2.
A ordem em que o bit codificado é agrupado na saída é:
A,B,Y1,Y2,W1,W2=
A0,B0,..., AN-1,BN-1,Y1,0,Y1,1,…,Y1,N-1, Y2,0,Y2,1,…,Y2,N-1,
W1,0,W1,1,…,W1,N-1, W2,0,W2,1,…,W2,N-1
Dado
Codificado
Taxa
N
P0
P1
P2
P3
(bytes)
QPSK
6
12
1/2
24
5
0
0
0
QPSK
12
24
1/2
48
13
24
0
24
QPSK
18
36
1/2
72
11
6
0
6
QPSK
24
48
96
7
48
24
72
QPSK
30
60
1/2
120
13
60
0
60
QPSK
36
72
1/2
144
17
74
72
2
QPSK
48
96
1/2
192
11
96
48
144
QPSK
54
108
1/2
216
13
108
0
108
QPSK
60
120
1/2
240
13
120
60
180
QPSK
9
12
3/4
36
11
18
0
18
QPSK
18
24
3/4
72
11
6
0
6
QPSK
27
36
3/4
108
11
54
56
2
QPSK
36
48
3/4
144
17
74
72
2
QPSK
45
60
3/4
180
11
90
0
90
QPSK
54
72
3/4
216
13
108
0
108
16-QAM
12
24
1/2
48
13
24
0
24
16-QAM
24
48
1/2
96
7
48
24
72
16-QAM
36
72
1/2
144
17
74
72
2
16-QAM
48
96
1/2
192
11
96
48
144
16-QAM
60
120
1/2
240
13
120
60
180
1/2
5. RESULTADOS
O tamanho do bloco codificado depende dos sub-canais
alocados e da modulação. A concatenação de sub-canais
deve ser feita à fim de aumentar os blocos de codificação
onde isso seja possível, contanto que não exceda o bloco
A implementação do CTC foi separado em 3 blocos,
mostrado na Figura 6.
3
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Autor 1, Autor 2, Autor 3, etc.
Figura 7 Diagrama de bloco do esquema do interleaving
A plataforma utilizada para implementar os blocos foi o
Simulink® [5], mostrada na Figura 8, e os parâmetros do
CTC empregado nesse trabalho estão hachurados em
vermelho na Tabela 2.
Figura 6 Diagrama de bloco da geração de pacotes do CTC
O esquema do interleaving utilizado, segundo a
especificação [4], está ilustrado na Figura 7.
Figura 8 Plataforma de desenvolvimento
No ramo superior estão os blocos implementados no
Simulink®, de acordo com o esquema da Figura 6,
empregando o C MEX S-function [5].
Figura 9 Trecho do código sfun_encode_sequence
A Figura 9 mostra uma parte do código do
sfun_encode_sequence, referente ao primeiro bloco (rosa)
da Figura 6.
4
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O ramo inferior (Figura 8) ilustra os blocos
correspondentes em ponto fixo, nesse trabalho foi
assumido uma quantidade de 8 bits.
Figura 12 Saída parcial do sfun_encode_sequence
(Encode_Sequence)
A Figura 12 mostra a saída parcial do bloco em ponto
fixo Encode_Sequence e do bloco de validação
sfun_encode_sequence.
Figura 10 Trecho do código Encode_Sequence
A Figura 13 mostra a saída parcial do bloco em ponto
fixo Subblock_Interleaver além do bloco de validação
sfun_subblock_interleaver.
A Figura 10 mostra uma parte do código
Encode_Sequence em ponto fixo implementado no
Simulink® [5].
A Figura 11 mostra um frame aleatório de 96 bits
como entrada do bloco sfun_encode_sequence e também
do Encode_Sequence (Figura 8).
Figura 13 Saída parcial do sfun_subblock_interleaver
(Subblock_Interleaver)
A Figura 14 mostra a saída do Puncturing, além do
bloco de validação sfun_puncturing, quando o fluxo de
dados é descrito pela Figura 11.
Figura 11 Frame de 96 bits
A Figura 15 mostra o fluxo de dados entre os blocos
do CTC implementado em ponto fixo.
5
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Autor 1, Autor 2, Autor 3, etc.
Figura 14 Saída do sfun_puncturing (Puncturing)
Figura 15 Fluxo de dados entre os blocos do CTC desenvolvido em ponto fixo
O artigo descreveu a implementação otimizada do
código convolucional turbo, em ponto fixo, de um sistema
OFDM baseado no controle adaptativo da taxa de dados
6. CONCLUSÃO
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da camada física do WiMAX de acordo com o padrão
IEEE 802.16.
Para validar o código gerado, também foi
desenvolvido blocos do CTC em s-function [5] e os
resultados obtidos foram idênticos para o mesmo fluxo de
entrada de bits. Os próximos passos são a conversão do
código CTC ponto fixo gerado em linguagem VHDL e a
posterior implementação em um dispositivo FPGA.
AGRADECIMENTO
Ao CNPq pelo
472686/2008-9.
suporte
através
do
processo
REFERÊNCIAS
[1] A. Ghosh et al, “Broadband Wireless Access with
WiMAX/802.16: Current Performance Benchmarks
and Future Potencial,” IEEE Communication Mag.,
vol. 43, no.2, pp. 129-136, 2005.
[2] IEEE 802.16-2001, “IEEE Standard for Local and
Metropolitan Area Network – Part 16: Air Interface
for Fixed Broadband Wireless Access Systems”, Apr.
8, 2002.
[3] IEEE 802.16a, “IEEE Standard 802.16a, Amendment
2: Medium Access Control Modifications and
Additional Physical Layer Specifications for 2-11
GHz”, 2003.
[4] IEEE 802.16e, “IEEE 802.16e TGe Working
Document, (Draft Standard) – Amendment for
Physical and Medium Access Control Layers for
Combined Fixed and Mobile Operation in Licenses
Bands, 802.16e/D4”, 2004.
[5] MathWorks Inc., “Simulink User Manual”, 2009.
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