SIMULATION TO EVALUATE SIMULATION TO EVALUATE CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR

POWERLINE COMMUNICATIONPOWERLINE COMMUNICATION

Adriano Fávaro, Adriano Fávaro, Eduardo Parente RibeiroEduardo Parente Ribeiro

Departamento de Engenharia Elétrica - UFPRDepartamento de Engenharia Elétrica - UFPR

CILAMCE 2004, Recife, PE

22

SUMÁRIOSUMÁRIO

1.1. INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

2.2. ESPALHAMENTO ESPECTRAL e RUÍDOESPALHAMENTO ESPECTRAL e RUÍDO

3.3. PROPOSIÇÃO E METODOLOGIAPROPOSIÇÃO E METODOLOGIA

4.4. RESULTADOSRESULTADOS

5.5. CONCLUSÕESCONCLUSÕES

33

Vantagens da Rede ElétricaVantagens da Rede Elétrica

Está presente em praticamente todo Está presente em praticamente todo lugar (alta penetração)lugar (alta penetração)

Não exige a criação de um segunda Não exige a criação de um segunda rede paralelarede paralela

O mesmo ponto serve para O mesmo ponto serve para conectividade à rede elétrica e de conectividade à rede elétrica e de dadosdados

44

Técnica de Espalhamento Técnica de Espalhamento EspectralEspectral

Surgiu em meados da década de 1950.Surgiu em meados da década de 1950. Objetivo inicial foi para uso militar na Objetivo inicial foi para uso militar na

elaboração de sistemas com sigilo e anti-elaboração de sistemas com sigilo e anti-sabotagem. sabotagem.

É preciso conhecer o código para demodular É preciso conhecer o código para demodular a informação corretamente.a informação corretamente.

Faz um sinal ocupar uma banda muito maior Faz um sinal ocupar uma banda muito maior do que a necessária para transmitir a do que a necessária para transmitir a informação.informação.

Usa códigos pseudo-aleatórios.Usa códigos pseudo-aleatórios.

55

Direct Sequence Spread SpectrumDirect Sequence Spread Spectrum

Consiste no envio de um código pseudo-Consiste no envio de um código pseudo-aleatório ou de seu complemento, aleatório ou de seu complemento, dependendo se o símbolo transmitido é “1” dependendo se o símbolo transmitido é “1” ou “0”.ou “0”.

1 0

66

CDMACDMA É um sistema de múltiplo acesso É um sistema de múltiplo acesso

constituído a partir da técnica de constituído a partir da técnica de espalhamento em espalhamento em seqüência diretaseqüência direta..

Cada usuário modula sua informação Cada usuário modula sua informação em DS e transmiti simultaneamente na em DS e transmiti simultaneamente na mesma banda de freqüência.mesma banda de freqüência.

O sinal no receptor é a soma O sinal no receptor é a soma (interferência) dos vários usuários. A (interferência) dos vários usuários. A correlação com o código do usuário de correlação com o código do usuário de interesse permite a demodulação.interesse permite a demodulação.

77

CDMCDM

• Os canais estão misturados tanto no tempo quanto em freqüência. Somente o código com qual cada informação foi modulada é diferente.

88

CódigosCódigos Ortogonais:Ortogonais:

<pn<pnii . pn . pnkk>= 1 para i=k>= 1 para i=k <pn<pnii . pn . pnkk>= 0 para i≠k>= 0 para i≠k

Código Walsh:Código Walsh: Número grande de códigos ortogonaisNúmero grande de códigos ortogonais Códigos são ortogonais se sincronizadosCódigos são ortogonais se sincronizados

2/2/

2/2/

NN

NNN HH

HHH

onde:• H1 é por definição igual a 1• N representa a ordem da matriz

99

Espalhamento e InterferênciaEspalhamento e Interferência

ktb pndtx . kbr pnrxd .

kkktr pnIpnpndd ...

f f

Modulador em seqüência direta

Demodulador em seqüência direta

Interferência

dt drtxb

I

rxb

PSD

f

f

PSD

PSD

PSD f

PSD

1010

Ruídos na Rede ElétricaRuídos na Rede Elétrica A rede elétrica não pode ser bem A rede elétrica não pode ser bem

representada como canal AWGN.representada como canal AWGN. Ruído observado na rede elétrica é colorido, Ruído observado na rede elétrica é colorido,

variante com o tempo e com a localização. variante com o tempo e com a localização. Imperfeições típicas na rede elétrica:Imperfeições típicas na rede elétrica:

• Efeito Multi-caminhoEfeito Multi-caminho• Ruído Impulsivo PeriódicoRuído Impulsivo Periódico• Ruído Impulsivo AssíncronoRuído Impulsivo Assíncrono

Não existe um modelo único amplamente Não existe um modelo único amplamente aceito para a rede elétricaaceito para a rede elétrica

1111

MetodologiaMetodologia Simulações com a ferramenta Simulink do Simulações com a ferramenta Simulink do

MATLAB R 6.0MATLAB R 6.0 Uso de modelos básicos disponíveis no Uso de modelos básicos disponíveis no

Simulink: estágios QAM, filtros FIR, gerador Simulink: estágios QAM, filtros FIR, gerador de bits, medidor de erro, ...de bits, medidor de erro, ...

Avaliação de desempenho através de Avaliação de desempenho através de simulações pelo método de Monte-Carlo.simulações pelo método de Monte-Carlo.

Comparação de desempenho entre uso de Comparação de desempenho entre uso de CDM e QAM convencional para os principais CDM e QAM convencional para os principais tipos de adversidades tipicamente tipos de adversidades tipicamente encontradas em um canal PLC.encontradas em um canal PLC.

1212

Diagrama em Blocos do SimulinkDiagrama em Blocos do Simulink

InformaçãoInformaçãoModuladorModulador

CDMCDMModuladorModulador

QAM8QAM8

DeModuladorDeModuladorCDMCDM

DeModuladorDeModuladorQAM8QAM8

CanalCanalPLCPLC

CálculoCálculoBERBER

MedidorMedidor

SNRSNR

1313

Bloco de InformaçãoBloco de Informação

Características:Características:• Gera dados aleatórios a uma taxa de 224kbps (7bits x Gera dados aleatórios a uma taxa de 224kbps (7bits x

32kHz)32kHz)• Gera 7 bits de informação na forma bipolar e paralela Gera 7 bits de informação na forma bipolar e paralela

(7x32kbps)(7x32kbps)

1414

Modulador CDMModulador CDM

1515

Bloco Modulador CDMBloco Modulador CDM Características:Características:

• Usa 7 códigos Walsh de 8bits Usa 7 códigos Walsh de 8bits • Modula independentemente em DS cada Modula independentemente em DS cada

um dos 7 bits de informação um dos 7 bits de informação • Soma os sinais modulados em DS Soma os sinais modulados em DS

gerando o sinal CDM (valores de -7 a 7 gerando o sinal CDM (valores de -7 a 7 em passos de 2)em passos de 2)

• Taxa de informação de 224kbps (7bits a Taxa de informação de 224kbps (7bits a 32kHz) 32kHz) Taxa bruta de 768kbps (8 chips Taxa bruta de 768kbps (8 chips x 32kHz x 3bits)x 32kHz x 3bits)

• Gera o sinal CDM para o modulador QAM-Gera o sinal CDM para o modulador QAM-8 (mapeamento 8 (mapeamento 0 a 7) 0 a 7)

1616

Demodulador CDMDemodulador CDM

1717

Bloco DeModulador CDMBloco DeModulador CDM

Características:Características:• Recebe o sinal CDM do demodulador Recebe o sinal CDM do demodulador

QAM8 e o transforma no equivalente QAM8 e o transforma no equivalente bipolar (-7 a 7 em passos de 2)bipolar (-7 a 7 em passos de 2)

• Correlaciona separadamente o sinal Correlaciona separadamente o sinal CDM com cada código WalshCDM com cada código Walsh

1818

Estágio QAMEstágio QAM

Características:Características:• Valores de 0 a 7 são mapeados usando a constelação Valores de 0 a 7 são mapeados usando a constelação

QAMQAM

1919

Medidor SNRMedidor SNR

Características: Características: • Determina separadamente a Potência média do Determina separadamente a Potência média do

sinal e do ruído (entrada do demodulador)sinal e do ruído (entrada do demodulador)

1

0

2][

1 Q

n

nxQ

xP

2020

Parâmetros de SimulaçãoParâmetros de Simulação

Proposição com CDMProposição com CDM• Taxa 224kbpsTaxa 224kbps• Taxa bruta 768kbpsTaxa bruta 768kbps• Portadora 500kHzPortadora 500kHz• fs = 2.048k amostras / sfs = 2.048k amostras / s• W = 512kHz (banda passante)W = 512kHz (banda passante)

QAM ConvencionalQAM Convencional• Taxa 768kbpsTaxa 768kbps• Taxa bruta 768kbpsTaxa bruta 768kbps• Portadora 500kHzPortadora 500kHz• fs = 2.048k amostras / sfs = 2.048k amostras / s• W= 512kHz (banda passante)W= 512kHz (banda passante)

Implementação dos Ruídos Implementação dos Ruídos Típicos da Rede ElétricaTípicos da Rede Elétrica

2222

Simulação do Efeito Multi-CaminhoSimulação do Efeito Multi-Caminho

7 caminhos 7 caminhos refletidos com refletidos com atraso entre eles atraso entre eles igual ao tempo igual ao tempo de amostragem de amostragem (3,42(3,42μμs)s)

Valores de hn0 Valores de hn0 até hn7 foram até hn7 foram arbitrariamente arbitrariamente atribuídosatribuídos

hn 0

hn 1

hn 2

hn 3

hn 4

hn 5

hn 6

hn 7

G

1

Out

z-7

z-1

z-3

z-2

z-4

z-6

z-5

-K-

-K-

-K-

-K-

-K-

-K-

-K-

-K-

1

1

In

2323

Exemplo de Sinal com efeito Multi-Exemplo de Sinal com efeito Multi-CaminhoCaminho

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-5

-2

0

2

Sinal na entrada do Canal MultiPath

Tempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 10-5

-3

-2

-1

0

1

2Sinal na saida do Canl MultiPath

Tempo (s)

2424

Função de Transferência obtida em Função de Transferência obtida em Simulações para Multi-CaminhoSimulações para Multi-Caminho

0 1 2 3 4 5 6

x 106

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Amplitude da Função de Transferência para Canal com Efeito Multi-Caminho

Frequencia (rads/sec)

Am

plit

ud

e

0 1 2 3 4 5 6

x 106

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Fase da Função de Transferência para Canal com Efeito Multi-Caminho

Frequencia (rads/sec)

Ân

gu

lo

2525

Simulação Ruído Impulsivo Simulação Ruído Impulsivo PeriódicoPeriódico

Chave seleciona uma amostra do gerador de Chave seleciona uma amostra do gerador de ruído (1 “spike” a cada 31,25ruído (1 “spike” a cada 31,25μμs = 1/32kHz)s = 1/32kHz)

Simula ruídos de elementos como fonte Simula ruídos de elementos como fonte chaveadachaveada

1

out

Zero-OrderHold

Rst 1

N-SampleSwitch

Ground

1

Gain

Discrete PulseGenerator

Band-LimitedWhite Noise

1

In

2626

Exemplo de Ruído Impulsivo Exemplo de Ruído Impulsivo PeriódicoPeriódico

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10-3

-10

-5

0

5

10

15

20Ruido Impulsivo Periodico

Tempo (s)

2727

Ruído Impulsivo AssíncronoRuído Impulsivo Assíncrono

Ruído impulsivo periódico é atrasado aleatoriamente Ruído impulsivo periódico é atrasado aleatoriamente no intervalo de 0 até no máximo 100 amostras no intervalo de 0 até no máximo 100 amostras (48,83(48,83μμs)s)

Simula os eventos de ligar-desligar equipamentos.Simula os eventos de ligar-desligar equipamentos.

1

Out

Zero-OrderHold

In

DelayOutz

-i

VariableInteger Delay

Random int

Random-IntegerGenerator

Dot Product

Discrete PulseGenerator

Band-LimitedWhite Noise

1

In

2828

Exemplo de Ruído Impulsivo Exemplo de Ruído Impulsivo AssíncronoAssíncrono

0 0.3 0.5 1 1.5-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10Ruido Impulsivo Assincrono

Tempo (s)

2929

Aspectos sobre as SimulaçõesAspectos sobre as Simulações Em média, a transmissão simulada de Em média, a transmissão simulada de

≈75kbits de informação demora cerca de ≈75kbits de informação demora cerca de 4min em um K6-II-500Mhz. 4min em um K6-II-500Mhz. Taxa de ≈ 300 bits de dados simulados / s de Taxa de ≈ 300 bits de dados simulados / s de

simulação #simulação # Para taxa de erro mais alta as simulações Para taxa de erro mais alta as simulações

foram feitas até se obter 1.000 bits errados foram feitas até se obter 1.000 bits errados e pelo menos 50kbits transmitidos.e pelo menos 50kbits transmitidos.

Para taxas de erros de ≈ 10Para taxas de erros de ≈ 10-5-5, devido ao , devido ao elevado tempo computacional, simulou-se elevado tempo computacional, simulou-se até se obter ≈250 bits errados (≈ 18h de até se obter ≈250 bits errados (≈ 18h de simulação para transmissão de ≈25Mbits).simulação para transmissão de ≈25Mbits).

# Tempo de simulação depende da complexidade do cenário simulado.

ResultadosResultados

3131

Validação da Simulação e do Validação da Simulação e do Sistema de Medição SNRSistema de Medição SNR

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 2 4 6 8 10 12

Eb/No

BE

R

QAM 16Teórico

QAM16Simulado

3232

Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído AWGNRuído AWGN

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

SNR (dB)

BE

R QAM 8

CDM

CDM 5dB melhor para

BER 10-3

3333

Curva em Eb/No CDM x QAM8 Curva em Eb/No CDM x QAM8 para Ruído AWGNpara Ruído AWGN

R

W

P

P

N

E

WPRP

N

E

N

SB

N

S

B .00

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 2 4 6 8 10 12 14

Eb/No (dB)

BE

R

QAM 8

CDM

CDM ≈0,25dBPior p/

BER 10-3

3434

Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Efeito Multi-CaminhoEfeito Multi-Caminho

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

SNR (dB)

BE

R

QAM 8 comAWGN

CDM8 comAWGN

CDM - Multi-Caminho

QAM 8 -Multi-Caminho

CDM 8dB melhor

para BER 10-3

3535

Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Efeito Multi-Caminhopara Efeito Multi-Caminho

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

0 2 4 6 8 10 12 14

Eb/Jo (dB)

BE

R

QAM8comAWGN

CDM8comAWGN

QAM 8 -Multi-Caminho

CDM -Multi-Caminho

CDM 3dB melhor

para BER 10-3

3636

Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo PeriódicoRuído Impulsivo Periódico

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

SNR (dB)

BE

R

QAM8 comAWGN

CDM8 comAWGN

CDM -ImpulsivoSíncrono

QAM8 -ImpulsivoSíncrono

CDM 11dB melhor para

BER 10-3

3737

Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Periódicopara Ruído Impulsivo Periódico

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Eb/Jo (dB)

BE

R

QAM8comAWGN

CDM8comAWGN

QAM8ImpulsivoSíncrono

CDM8ImpulsivoSíncrono

CDM 5dB melhor

para BER 10-3

3838

Curva em SNR CDM x QAM8 para Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo AssíncronoRuído Impulsivo Assíncrono

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

1,0E+00

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27

SNR (dB)

BE

R

CDM -ImpulsivoSíncrono

QAM8 -ImpulsivoSíncrono

CDM -ImpulsivoAssíncr.

QAM 8 -ImpulsivoAssíncr.

CDM 8dB melhor

para BER 10-3

3939

Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Assíncronopara Ruído Impulsivo Assíncrono

1,0E-06

1,0E-05

1,0E-04

1,0E-03

1,0E-02

1,0E-01

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Eb/Jo (dB)

BE

R

QAM8ImpulsivoSíncrono

CDM8ImpulsivoSíncrono

QAM 8 -ImpulsivoAssíncr.

CDM -ImpulsivoAssíncr.

CDM 3dB melhor

para BER 10-3

4040

Sumário dos ResultadosSumário dos Resultados

CenárioDiferença em SNR

Diferença em Eb/No

Melhor Desempenho

AWGN 5 dB -0,25 dB QAM

Multi-Caminho

8 dB 3 dB CDM

Impulsivo Periódico

11 dB 5 dB CDM

Impulsivo Assíncrono

8 dB 3 dB CDM

4141

ConclusõesConclusões SimulinkSimulink possibilitou ambiente simples, possibilitou ambiente simples,

amigável e flexível.amigável e flexível. Para ruído AWGN, CDM não propiciou ganho Para ruído AWGN, CDM não propiciou ganho

em relação ao QAM convencional.em relação ao QAM convencional. CDM sugere melhor desempenho para as CDM sugere melhor desempenho para as

imperfeições típicas da rede elétrica: imperfeições típicas da rede elétrica: • multi-caminho multi-caminho • ruído impulsivo periódicoruído impulsivo periódico• ruído impulsivo assíncronoruído impulsivo assíncrono

4242

ConclusõesConclusões

Nas simulações com CDM o Ruído Nas simulações com CDM o Ruído Impulsivo Assíncrono se mostrou mais Impulsivo Assíncrono se mostrou mais prejudicial do que Ruído Impulsivo prejudicial do que Ruído Impulsivo PeriódicoPeriódico

Para modulação QAM convencional a taxa Para modulação QAM convencional a taxa de erro obtida com as simulações foi de erro obtida com as simulações foi independente do ruído ser Impulsivo independente do ruído ser Impulsivo Periódico ou AssíncronoPeriódico ou Assíncrono

4343

FIMFIM

4444

Trabalhos FuturosTrabalhos Futuros Ampliação do estudo para outros tipos de Ampliação do estudo para outros tipos de

ruídos.ruídos. Estudo com outras técnicas de modulação Estudo com outras técnicas de modulação

em banda passante (ASK, FSK, PSK,...)em banda passante (ASK, FSK, PSK,...) Estudo com a aplicação de códigos Estudo com a aplicação de códigos

corretores de erro.corretores de erro. Estudo da aplicação de CDM e OFDMEstudo da aplicação de CDM e OFDM Outras constelações no estágio QAMOutras constelações no estágio QAM Estudo com outros códigos pseudo-Estudo com outros códigos pseudo-

aleatórios (Walsh 16bits, Gold code, m-aleatórios (Walsh 16bits, Gold code, m-sequence)sequence)

Estudo de novas arquiteturas para Estudo de novas arquiteturas para Demodulador CDM.Demodulador CDM.

Informação Modulador

CDM

Modulador

QAM 8

Demodulador

CDM

Demodulador

QAM 8

Canal deComunicação

Verificador de erro

Medidor

SNR

224kbps32kbps 7 bits em paralelo

7 código 8 chips/bit

768kbps

32kbps 7 bits em paralelo

256ksym/s

3 bits/sym

256ksym/s

256ksym/s768kbps