SIMULATION TO EVALUATE CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR POWERLINE COMMUNICATION

1. CILAMCE 2004, Recife, PE SIMULATION TO EVALUATE CODE DIVISION MULTIPLEXING FOR POWERLINE COMMUNICATION Adriano Fávaro, Eduardo Parente Ribeiro Departamento de Engenharia Elétrica - UFPR

2. SUMÁRIO • INTRODUÇÃO • ESPALHAMENTO ESPECTRAL e RUÍDO • PROPOSIÇÃO E METODOLOGIA • RESULTADOS • CONCLUSÕES

3. 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

4. Técnica de Espalhamento Espectral • Surgiu em meados da década de 1950. • Objetivo inicial foi para uso militar na elaboração de sistemas com sigilo e anti-sabotagem. • 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.

5. 1 0 Direct Sequence Spread Spectrum • Consiste no envio de um código pseudo-aleatório ou de seu complemento, dependendo se o símbolo transmitido é “1” ou “0”.

6. 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.

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

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

9. PSD f PSD PSD PSD PSD f f f f Interferência I Demodulador em seqüência direta dt Modulador em seqüência direta txb rxb dr Espalhamento e Interferência

10. 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

11. 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.

12. Diagrama em Blocos do Simulink Modulador QAM8 Modulador CDM Informação Medidor SNR Cálculo BER Canal PLC DeModulador CDM DeModulador QAM8

13. 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)

14. Modulador CDM

15. 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 QAM-8 (mapeamento  0 a 7)

16. Demodulador CDM

17. 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

18. Estágio QAM • Características: • Valores de 0 a 7 são mapeados usando a constelação QAM

19. Medidor SNR • Características: • Determina separadamente a Potência média do sinal e do ruído (entrada do demodulador)

20. 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)

21. Implementação dos Ruídos Típicos da Rede Elétrica

22. Simulação do Efeito Multi-Caminho • 7 caminhos refletidos com atraso entre eles igual ao tempo de amostragem (3,42μs) • Valores de hn0 até hn7 foram arbitrariamente atribuídos

23. Exemplo de Sinal com efeito Multi-Caminho

24. Função de Transferência obtida em Simulações para Multi-Caminho

25. Simulação Ruído Impulsivo Periódico • Chave seleciona uma amostra do gerador de ruído (1 “spike” a cada 31,25μs = 1/32kHz) • Simula ruídos de elementos como fonte chaveada

26. Exemplo de Ruído Impulsivo Periódico

27. Ruído Impulsivo Assíncrono • Ruído impulsivo periódico é atrasado aleatoriamente no intervalo de 0 até no máximo 100 amostras (48,83μs) • Simula os eventos de ligar-desligar equipamentos.

28. Exemplo de Ruído Impulsivo Assíncrono

29. 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.

30. Resultados

31. Validação da Simulação e do Sistema de Medição SNR

32. Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído AWGN CDM 5dB melhor para BER 10-3

33. Curva em Eb/No CDM x QAM8 para Ruído AWGN CDM ≈0,25dB Pior p/ BER 10-3

34. Curva em SNR CDM x QAM8 para Efeito Multi-Caminho CDM 8dB melhor para BER 10-3

35. Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Efeito Multi-Caminho CDM 3dB melhor para BER 10-3

36. Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Periódico CDM 11dB melhor para BER 10-3

37. Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Periódico CDM 5dB melhor para BER 10-3

38. Curva em SNR CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Assíncrono CDM 8dB melhor para BER 10-3

39. Curva em Eb/Jo CDM x QAM8 para Ruído Impulsivo Assíncrono CDM 3dB melhor para BER 10-3

40. Sumário dos Resultados

41. 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

42. 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

43. FIM

44. 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 pseudo-aleatórios (Walsh 16bits, Gold code, m-sequence) • Estudo de novas arquiteturas para Demodulador CDM.

45. 256ksym/s 3 bits/sym 32kbps 7 bits em paralelo 224kbps Modulador CDM Modulador QAM 8 Informação 256ksym/s 768kbps Verificador de erro 7 código  8 chips/bit Medidor SNR Canal de Comunicação 32kbps 7 bits em paralelo Demodulador QAM 8 Demodulador CDM 256ksym/s 768kbps