Metodología para implementar en Matlab/Simulink y Xilinx ISE la capa física WirelessMan OFDM del estándar de la IEEE 802 16 de 2004 utilizando modulación BPSK

Texto completo

(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Metodología para implementar en Matlab/Simulink y Xilinx ISE la capa física WirelessMan-OFDM del estándar de la IEEE 802.16 de 2004 utilizando modulación BPSK”. Autor: Robert Serge GUIBINGA NGOUESSI. Tutor: Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra. Santa Clara 2011. “Año 53 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA “Metodología para implementar en Matlab/Simulink y Xilinx ISE la capa física WirelessMan-OFDM del estándar de la IEEE 802.16 de 2004 utilizando modulación BPSK” Autor: Robert Serge GUIBINGA NGOUESSI E-mail: [email protected]. Tutor: Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo. Guerra.. E-mail: [email protected] Santa Clara 2011.

(3) “Año 53 de la Revolución”. Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total, y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “Toda buena dádiva , conocimiento y todo don perfecto desciende de lo alto , del padre de la luces …”. Biblia : Santiago: 1/17. i.

(5) DEDICATORIA. Dedico el fruto de mi esfuerzo a: DIOS, por permitir este logro. MIS PADRES Monique. Ngouessi Hilaire, Nieguitsila Elisabeth, Koumba François, Moutsinga. a quienes me apoyaron , alentaron y transmitieron confianza en todo los. momentos y con todo mi amor y gratitud les dedico este triunfo.Además de manera especial Al actual. Ministro del interior de gabon. jean françois. Ndongou. por darme la. posibilidad de continuar mis estudios .. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS. A Dios, porque como lo pedía, me ha ayudado a decir la verdad delante de los fuertes, y a no decir mentiras para ganarme el aplauso de los débiles; porque cuando me ha dado el éxito me ha dado la humildad sin quitarme la dignidad; y cuando me ha quitado el éxito me ha dado la fuerza para aprender del fracaso, y permitirme esta experiencia de aprendizaje.. A la Revolución cubana por haberme dado la posibilidad y permitido, la realización de un sueño. Agradezco. en primer lugar a mi tutor, Ing. Yakdiel Rodríguez-Gallo Guerra, quien ha. contribuido en la realización de este trabajo, pues fue quien me acogió y sugirió la idea inicial, rompiendo toda la incertidumbre que me embargaba, y cuyos sabios consejos, orientación y asesoramiento incondicional, me han sido fuente de inestimable valor.. A mi familia Ngouessi : Mis PADRES, Mi amada KENTASHIA Salomon Maritha Williams, por su incansable. ayuda, amor y paciencia. Mis hermanos Dr. Missi Murielle, Ing. Felicite Ngouessi, Lic. Marinette Ngouessi, Lic. Mfoubou Christiane, M.Sc.Valery Ngouessi, Lic. Reine Ngouessi, Diane Ngouessi,Lc. Lambert Ngouessi, Mr. Ange Ngouessi , Mi Tío Lic. Maniangou Roger y su esposa Janine, a las Hermanas major Bigouagou Marguerite y Nieguitsila Marie Josephine, a mi hermanos y primos MAMFOUMBI Víctor, Bousounga Esmeralda y Helena. iii.

(7) Ndiniangou por el apoyo que me han brindado durante todos estos años de estudio, y porque siempre los llevo en mi corazón. A mis profesores, quienes me guiaron siempre para poder formarme como profesional de estos tiempos, con un agradecimiento especial al Dr. Félix A. Paliza, Dr. José A. Chaljub, M.Sc.Hiram del Castillo y al Dr. Ing. Juan Pablo Barrios Rodríguez , decano de la Facultad de Ingeniería Eléctrica .. A la Universidad Central de Las Villas, y muy especialmente a nuestra Facultad de Ingeniería Eléctrica, que nos formó como profesionales de las ciencias técnicas. A Relaciones Internacionales, especialmente a la Dra. Alina Montero; M.Sc. Luis Romero; Amelita, mi mamá en Cuba, quienes se nos acercaron y brindaron su cooperación y apoyo desinteresado, alentándonos e impulsándonos en nuestro empeño.. A mis compañeros de Gabon en cuba: Manguinga stredice, Mouandza Morile, Babongui. Latifa ,Tsimba Aminata , Akogue. Nadia, Bifoune Ndong Ludvine. Ondo. Ndong Thierry , Wenscelas koumba, Tongo Pierre ,Nzingou jean,Badinga Fils, Paterne Olomo Joel .. A mis amigo y compañero de Estudio : Anoul Luis de Haiti, Maria Cardenas de Bolivia,Chi levan de Vietnam ,Shaun Mc laun de Sta lucia ,Dr. Harun Nderitu de Kenya Youssouf koke Camara de Guinea Konakri mi hermanito, Leiber Alejandro de Cuba.Boulsa Loita Mohamed de Djibouti , Roland Mibei de Kenya , Yassa Dimitri y Taty Pambou Francis de Gabon .. iv.

(8) TAREA TÉCNICA. Con la intención de darle cumplimiento a los objetivos trazados se tuvieron en cuenta un grupo de tareas, las cuales fueron:. Revisión bibliográfica y caracterización de los estándares de la IEEE 802.16, especificando en la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004.. Análisis de los software Matlab/Simulink y Xilinx ISE para conocer sus prestaciones con el objetivo de implementar la capa física. Investigación de las ventajas y características principales de los FPGAs. Confección de una metodología de trabajo sobre la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM usando la modulación BPSK. Elaboración del informe final del trabajo de diploma.. ____________________ Firma del Autor. ___________________ Firma del Tutor. v.

(9) RESUMEN. En esta investigación se presenta la metodología desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004 utilizando modulación BPSK. Para su realización se hizo una caracterización de esta capa física, especificándose en su estructura interna. Además, se investigaron las prestaciones de los software Matlab/Simulink, Xilinx ISE y de su herramienta System Generator, las cuales fueron usadas en este trabajo. Se realizó un acercamiento a los FPGAs, y en especial al kit Nexys2. La finalidad del trabajo consiste en ofrecer una metodología que puede servir como herramienta. y al mismo tiempo como punto de partida para la implementación de. capas físicas de la IEEE en la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas.. vi.

(10) ÍNDICE. PENSAMIENTO ............................................................................................................................ i DEDICATORIA ............................................................................................................................. ii AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA..........................................................................................................................v RESUMEN.....................................................................................................................................vi ÍNDICE ..........................................................................................................................................vii INTRODUCCIÓN........................................................................................................................ 11 CAPÍTULO 1.. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004.. Costo de implementación de esta tecnología........................................................................ 14 1.1. Reseña histórica del estándar 802.16 ......................................................................... 14 1.1.1. IEEE 802.16 a ......................................................................................................... 15 1.1.2. IEEE802.16 b............................................................................................................ 15 1.1.3. IEEE 802.16 c........................................................................................................... 15 1.1.4 IEEE 802.16 d o IEEE802.16-2004........................................................................ 16 1.1.5 IEEE 802.16e- 2005 ................................................................................................. 16 1.2. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004 ......................... 17 1.2.1. Introducción .............................................................................................................. 17 1.2.2. Randomizer............................................................................................................... 18 vii.

(11) 1.2.3. Forward Error Correction o FEC Adaptativo (Primera Corrección de Error).. 19 1.2.4. Reed-Solomon.......................................................................................................... 20 1.2.5. Código Convolucional ............................................................................................. 20 1.2.6. Interleaving................................................................................................................ 21 1.2.7. Modulación BPSK .................................................................................................... 22 1.2.8. La transformada rápida de Fourier (FFT) y su Inversa (IFFT).......................... 23 1.2.9. Codificación del canal ............................................................................................. 25 1.2.10. El decodificador de Viterbi.................................................................................... 25 1.3. Costo de Implementación de la capa física WirelessMAN-OFDM ........................ 26 1.3.1. Análisis técnico de los equipos.............................................................................. 26 1.3.2. Axxcelera Broad Band Wireless ............................................................................ 27 1.3.3. Aperto ........................................................................................................................ 28 CAPÍTULO 2.. Softwares utilizados en la implementación de la capa física. WirelessMan-OFDM. Los FPGAS. .......................................................................................... 30 2.1. Matlab / Simulink y sus bibliotecas .............................................................................. 30 2.1.1. Matlab ........................................................................................................................ 30 2.1.2. Simulink ..................................................................................................................... 32 2.1.3. Bibliotecas ................................................................................................................. 33 2.2. Introducción al software XILINX ISE ........................................................................... 35 2.2.1. Herramienta ISE Xilinx. ........................................................................................... 35 2.2.2. System Generator .................................................................................................... 36 2. 3. Introducción a la tecnología FPGA ............................................................................. 37 2.3.1. Características generales de los FPGAS ............................................................ 38 2.3.2 Kit de desarrollo Nexys2 .......................................................................................... 39. viii.

(12) 2.3.2. Costo de implementación de los FPGAs ............................................................. 41 CAPÍTULO 3.. Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física. WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK................................................................... 45 3.1. Implementación de la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK en Matlab-Simulink ................................................................................................................. 45 3.1.1. Estudio del estándar de la IEEE 802.16 de 2004 y del software MatlabSimulink ................................................................................................................................ 45 3.1.2. Simulación del transmisor. .................................................................................... 46 3.1.1.1.. Randomizer.................................................................................................... 46. 3.1.1.2.. Codificador convolucional............................................................................ 47. 3.1.1.3.. Interleaver ...................................................................................................... 47. 3.1.1.4.. Modulador BPSK........................................................................................... 48. 3.1.1.5.. IFFT. ................................................................................................................ 48. 3.1.2.. Simulación del receptor....................................................................................... 49. 3.1.2.1.. FFT. ................................................................................................................. 49. 3.1.2.2.. Demodulador BPSK. .................................................................................... 50. 3.1.2.3.. Deinterleaver. ................................................................................................ 50. 3.1.2.4.. Decodificador de Viterbi............................................................................... 51. 3.1.2.5.. De Randomizer. ............................................................................................ 51. 3.1.3.. Simulación del canal de comunicación............................................................. 52. 3.1.4.. Integración de todos los subsistemas ............................................................... 52. 3.2.. Implementación de la capa física WirelessMan-OFDM con modulación BPSK. usando Matlab-Simulink y Xilinx ISE................................................................................... 53 3.2.1.. Implementación. de. un. codificador. convolucional. usando. System. Generator. ............................................................................................................................ 53. ix.

(13) CONCLUSIONES....................................................................................................................... 57 RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 58 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................ 59 ANEXOS ...................................................................................................................................... 61 Anexo 1: Mecanismo de aleatorización de datos.............................................................. 61 Anexo 2: Código convolucional. ........................................................................................... 62 Anexo 3: Equipos ExxcelMax y AB-MAX .......................................................................... 64 Anexo 4: Fabricante TELSIMA............................................................................................ 66. x.

(14) Introducción. INTRODUCCIÓN. En los últimos años ha aumentado el interés por la utilización de dispositivos lógicos programables como los FPGAs, debido a la variedad de prestaciones que ellos brindan. Las capas físicas de los estándares de la IEEE 802.16, son algunos de los sistemas que se están implementando en FPGAs, a lo cual se le conoce con el nombre de radio implementada por software (SDR). La tecnología WiMAX está basada en el estándar IEEE 802.16, norma que también se le llama WirelessMan. El grupo de trabajo de la IEEE802.16 se formó en 1998 con el objetivo de desarrollar un estándar para la interfaz aérea en las comunicaciones inalámbricas de banda ancha. El enfoque inicial del grupo fue el desarrollo de una línea de vista directa (LoS) basada en la conexión punto a multipunto en los sistemas inalámbricos de banda ancha, para su funcionamiento entre frecuencias comprendidas en el rango de 10 a 66 GHZ. En la Facultad existen trabajos de diploma anteriores sobre la tecnología FPGA, desarrollados con diferentes herramientas, pero sobre la implementación en Matlab/ Simulink y Xilinx ISE de un estándar de la IEEE no abunda información; de ahí que este trabajo sentará las pautas para futuras investigaciones. Teniendo en cuenta estos antecedentes se deriva como problema de investigación para la presente tesis la necesidad de desarrollar una metodología para implementar en Matlab/Simulink y Xilinx ISE la capa física WirelessMan-OFDM del estándar de la IEEE 802.16 de 2004 utilizando modulación BPSK.. 11.

(15) Introducción. De lo expuesto anteriormente se desprenden las siguientes interrogantes científicas:  ¿Cómo se aborda en la actualidad el diseño del estándar IEEE 802.16 de 2004 a través de herramientas de software?  ¿Cómo interrelacionar los software Matlab/Simulink y Xilinx ISE para la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM utilizando modulación BPSK?  ¿Cómo elaborar una metodología que permita implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK, del estándar IEEE 802.16 de 2004, utilizando las herramientas disponibles en la universidad?. Para lograr lo propuesto en la investigación se trazaron los objetivos siguientes:. Objetivo general Desarrollar una metodología para implementar en Matlab/Simulink y Xilinx ISE la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004. Objetivos específicos  Caracterizar la capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004 para implementarla en Matlab/Simulink y Xilinx ISE.  Analizar las facilidades que brindan los software Matlab/Simulink y Xilinx ISE para la implementación de la capa física Wireless Man-OFDM.. 12.

(16) Introducción.  Confeccionar una metodología de trabajo sobre la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM usando la modulación BPSK con las herramientas de software Matlab/Simulink y Xilinx ISE. Este trabajo queda estructurado de la manera siguiente: Introducción, Capitulario, Conclusiones, Recomendaciones, Referencias bibliográficas y Anexos. En la Introducción queda definida la importancia, actualidad y necesidad de estudiar el tema que se aborda. En el Capítulo 1 se muestra una reseña histórica de los estándares de la IEEE 802.16, brindándose una descripción de las características más relevantes de cada uno. Se realiza una caracterización de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16d, mostrándose. todos los módulos que la componen. Además, se refleja el costo de. implementación de esta tecnología. En el Capítulo 2 se realiza un acercamiento a los software que se utilizaron para implementar la capa física WirelessMan-OFDM: Matlab/Simulink, Xilinx ISE y su herramienta System Generador, reflejándose las facilidades que ellos brindan.También se muestran características y ventajas de los FPGAs, y se brindan ejemplos de su costo. Por último, en el tercer capítulo aparece la metodología desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004 utilizando modulación BPSK. Se reflejan las librerías usadas del Simulink, así como la utilizada para implementar, en System Generador, un codificador convolucional del cual se generó su código VHDL y se sintetizó en Xilinx ISE.. 13.

(17) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. CAPÍTULO 1.. La capa física WirelessMan-OFDM del. estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. En este capítulo aparece una reseña histórica de los estándares de la IEEE 802.16. Se realiza una caracterización de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16d, y se muestra su estructura. Se reflejan ejemplos del costo de implementación de esta tecnología.. 1.1. Reseña histórica del estándar 802.16 El proyecto para la creación de este estándar se inició en 1998, pero fue realizado entre 2000 y 2003. El objetivo era hacer que el acceso a la banda ancha inalámbrica fuera más barato y mayormente difundido, además de una mayor disponibilidad, a través de un estándar para Redes de Área Metropolitana Inalámbricas (Wireless MAN) (Tarhini, 2007) Este estándar hace referencia a un sistema de BWA (Broad band Wireless Access o acceso. inalámbrico de banda ancha) de alta transmisión de datos y gran alcance. (hasta 50 km). Fue la norma original, y en diciembre de 2001 fue completado. Utiliza una banda de frecuencia que se encuentra en el rango de 10 a 66 GHz, con necesidad de LOS (Línea de visión directa) entre la estación base y el equipo abonado. Este fue diseñado para aplicaciones de enlaces de radio.. 14.

(18) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. 1.1.1. IEEE 802.16 a Esta es una variante del estándar 802.16 y. fue aprobado en enero de 2003. El. estándar 802.16a se caracteriza por ser un protocolo que soporta aplicaciones de baja latencia,. como. voz. y. video.. Proporciona. la. conectividad. de. banda. ancha. independientemente de la línea directa entre los terminales y la estación base. El estándar 802.16a fue diseñado para funcionar en la banda de 2 a 11 GHz. Este rango en la banda de frecuencia tan amplio, es lo que permite al estándar funcionar sin línea de vista (NLOS). Dentro de las aplicaciones que esta especificación agregó al estándar original se encuentra que soporta el Acceso Múltiple de División de Frecuencia Ortogonal (Ortogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA), como una opción de la capa de acceso al medio (MAC).. 1.1.2. IEEE802.16 b Fue anexado al estándar 802.16a y está diseñado. para operar en el rango de las. bandas de frecuencia no licenciadas de 5 a 6 GHz, usando un ancho de banda por canal de 10 MHz, 20 MHz y 5 MHz, de forma opcional. Hoy día este estándar es obsoleto.. 1.1.3. IEEE 802.16 c Divulgado en enero de 2003. Este estándar opera en las bandas de frecuencias entre 10 y 66 GHz. Provee niveles de mayor interoperabilidad, protocolos y estructuras testsuit (conjunto de prueba). El mismo se desarrolló para especificar cuáles serían las características obligatorias y cuáles serían las opcionales. Al igual que los estándares anteriores, después de la publicación. del estándar 802.16-2004 se le consideró. obsoleto.. 15.

(19) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. 1.1.4 IEEE 802.16 d o IEEE802.16-2004 Fue aprobado en 2004. Esta versión agrupó las mejores características de los estándares anteriores y añadió otras aplicaciones nuevas, haciéndolos obsoletos. Es conocido como WiMAX Fijo. El estándar 802.16 de 2004 opera en la banda de frecuencia de 2 a 11GHz, y fue desarrollado para soportar las conexiones punto a punto (PTP) y conexiones punto a multipunto (PMP). Este estándar soporta la Duplicación por División de Tiempo (TDD) y la Duplicación por División de frecuencia (FDD), además de ser Half-duplex FDD es semi-duplex FDD. (Zhang, 2005). 1.1.5 IEEE 802.16e- 2005 El estándar 802.16e se hizo en diciembre de 2005 y fue publicado oficialmente como IEEE802.16e-2005. Esta versión define tres capas físicas (PHY): portadora sencilla, OFDM, y OFDMA. La técnica de acceso múltiple utilizada en las dos primeras especificaciones de la capa física es solamente de TDMA (acceso múltiple por división de tiempo), pero la tercera especificación, OFDMA, ocupa ambas dimensiones, de tiempo y frecuencia, para la asignación de los recursos. De las tres tecnologías de capa física, el WiMAX FORUM ha seleccionado OFDMA como la tecnología básica para los servicio móviles. Además, incluye otras nuevas modificaciones a la capa de acceso al medio (MAC) para soportar movilidad de alta velocidad. Esta especificación tiene un vector de desplazamiento vehiculado en las bandas de frecuencias licenciadas de 2 a 6 GHz (WiMAX Forum, 2006) El estándar 802.16e soporta TDD y FDD, pero la versión inicial de los perfiles para WiMAX móvil consideraba solamente el TDD porque permite la asignación dinámica de recursos en el canal Uplink (UL) y en el canal Down link (DL), lo cual posibilita 16.

(20) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. soportar el tráfico DL/UL asimétrico, como el producido por Internet. La otra característica del modo TDD es que tanto DL como UL están sobre el mismo canal de frecuencia y proveen mayor flexibilidad para la asignación del espectro. Este estándar se conoce como WiMAX Móvil.. 1.2. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004 1.2.1. Introducción La OFDM del inglés Orthogonal Frequency Division Multiplexing o Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal, es una técnica de multiplexación multiportadora que proviene de la década de los sesenta, pero que ha resurgido en la actualidad por sus aplicaciones en transmisiones inalámbricas.. La tecnología OFDM fue planteada por. los Laboratorios BELL, e incorporada en varios equipos de líneas en suscriptor digital (DSL); se basa en el proceso matemático de la llamada Transformada Rápida de Fourier (FFT). La tecnología OFDM permite obtener una alta eficiencia espectral y habilitar los canales para ser procesados en el receptor de forma más eficiente. OFDM es popular en aplicaciones inalámbricas, ya que es resistente a las interferencias y degradaciones por efectos de multitrayectoria y retardos. Los recursos, en los sistemas OFDM, en el dominio del tiempo se denominan símbolos OFDM y en el dominio de la frecuencia se denominan subportadoras. En la frecuencia se pueden organizar subcanales, los cuales se pueden asignar a un usuario; de la estructura de subcanales se genera OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). OFDM es una técnica de modulación multiportadora, que permite solucionar los problemas debidos a la propagación multicamino. En lugar de transmitir la información 17.

(21) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. en una única portadora, se divide el ancho de banda disponible en un conjunto de portadoras. En la figura 1.1 se muestra un sistema multiportadora.. FIGURA1.1. Diagrama con las subportadoras OFDM. La tecnología OFDM permite que en una sola estación se usen todos los subcanales dentro de un período de transmisión, o en su caso admite a múltiples clientes transmitidos simultáneamente cada uno en una porción del número total de subcanales. El estándar 802.16d define como una de sus capas físicas a la WirelessMan-OFDM, la que utiliza 256 subportadoras. Estas subportadoras se le asignan de la forma siguiente: 192 subportadoras son para los datos, 56 son subportadoras nulas usadas como bandas de guarda, 28 al inicio y 27 al final, y una central como frecuencia DC; y 8 subportadoras para pilotos. 1.2.2. Randomizer El Randomizer o aleatorización de datos, es un mecanismo de prevención de errores implementado en los sistemas de transmisión digital. Se utiliza para conseguir una densidad de potencia más uniforme en el ancho de banda de transmisión para cualquier tipo de portadora digital transmitida, convirtiendo los flujos de bits de 18.

(22) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. información a un número igual de unos y ceros. La aleatorización es importante tanto para la estación base (BS) como para la estación subscriptora (SS). En el Anexo 1 se puede encontrar más información sobre el mecanismo de aleatorización de datos. Para cada UL, la aleatorización se inicializa con el vector que se muestra en la figura 1.4. El número de trama usado por la inicialización hace referencia a la trama de la ráfaga uplink que fue transmitida (Network, 2009).. FIGURA 1.2. Inicialización del vector UL de Randomizer en OFDM. 1.2.3. Forward Error Correction o FEC Adaptativo (Primera Corrección de Error). El FEC o corrección de errores hacia adelante, es una técnica de corrección de errores que permite al receptor corregir los datos erróneos sin la necesidad de una retransmisión de la información original. La interfaz WirelessMan-OFDM define un FEC conformado por la concatenación de un código Reed-Solomon externo, y una tasa compatible de código convolucional interno, el cual es obligatorio tanto en el DL como en el UL. También soporta de forma opcional BTC y CTC. El perfil de ráfaga completa, en el modo de codificación más sólido debe emplearse cuando se solicite el acceso a la red y en las ráfagas FCH. Los datos provenientes del Randomizer se envían al codificador. Él se encarga de añadir los bits de redundancia, de acuerdo con la tasa de codificación interna. A la 19.

(23) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. salida del codificador se obtiene una palabra de código, bits de información más bits de redundancia; y la relación entre ambos está dada. por el codificador externo Reed. Solomon. Esta palabra de código es enviada al receptor y mediante un decodificador, aplicando los algoritmos de corrección de errores, se obtendrá la secuencia de datos original.. 1.2.4. Reed-Solomon El Reed-Solomon es un código cíclico y no binario; es también una subclase de los códigos Bose Chaudhuri-Hocquengehen (BCH), que son códigos que tienen diversos parámetros, con un resultado optimizado para un tamaño de bloque de algunos cientos de bits. Sobre la base de las matemáticas de campos finitos, el código Reed Solomon se define como RS (n, k). El codificador RS trabaja de la forma siguiente:  El codificador toma k bytes de información y añade los bytes de paridad de la siguiente forma para obtener palabra de código de n bytes.  Hay tantos bytes de paridad como n-k, es decir, solo los bytes necesarios para complementar la palabra de código.  El decodificador puede corregir hasta t bytes errados por palabra de código, donde 2t = n-k.  Un código RS con sus variables n, k y t puede escribirse como un vector de la forma siguiente RS (32, 24,4).. 1.2.5. Código Convolucional. 20.

(24) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. El código convolucional es un código lineal, donde la suma de dos palabras de código, no importa cuales, es también una palabra del código. Este código se utiliza para mapear k bits de información dentro de la palabra de código de n. bits. La. implementación de este tipo de código da una codificación de forma continua, donde la secuencia de bits codificada depende de los bits actuales y de los bits previos. En el Anexo 2 se encuentra más información. La representación de un codificador convolucional de tasa ½, se muestra en la figura 1.3 con salida X y salida Y (802.16-2004, 2004). FIGURA 1.3. Codificador convolucional de tasa ½.. Hay que señalar que para la modulación BPSK se puede obviar la parte correspondiente al codificador Reed Solomon (RS). 1.2.6. Interleaving. 21.

(25) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. El interleaving, llamado interpolación o entrelazado, es una forma de ordenar datos de una forma no-contigua para mejorar su desempeño. La interpolación se usa principalmente en la transmisión de datos de radio, como por ejemplo en los satélites, o por ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). El bloque que realiza este proceso es conocido como interleaver. (802.16-2004, 2008). El interleaving se utiliza en la tecnología de trasmisión de datos digital para proteger la transmisión contra ráfagas de errores. Este tipo de errores puede acumularse sobre una parte de la transmisión y dañar secciones de la información. El interleaving ayuda a evitar esto. Todos los datos codificados son intercalados por un bloque interleaving. Dicho bloque tiene un tamaño dado por el número de bits codificados por subcanal (Ncbps), los subcanales asignados y por los bits por símbolos OFDM. El interleaving se define por una permutación de dos pasos. La primera asegura que los bits codificados adyacentes sean destinados a subportadoras no adyacentes. La segunda permutación asegura que los bits codificados adyacentes sean destinados, alternativamente, en los bits menos significativos o más significativos de la constelación. El de-interleaving lleva a cabo el proceso de la operación inversa, también está definido por dos permutaciones. La primera permutación en el de-interleaving es la inversa de la segunda permutación en el interleaving, y viceversa. 1.2.7. Modulación BPSK. La capa física permite el uso de diferentes modulaciones de subportadora, desde BPSK hasta 64QAM. La modulación por desplazamiento de fase PSK (Phase Shift Keying) o BPSK (Binary Phase Shift Keying) con 2 fases, es una forma de modulación angular la cual consiste en hacer variar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. En dependencia del número de posibles fases a tomar, es la manera en que recibe las diferentes denominaciones. Dado que lo más común es codificar un número entero de bits por cada símbolo, el número de fases a tomar es una potencia. 22.

(26) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. de dos. Cuanto más compleja sea la modulación, más capacidad tiene la capa física, es decir, a mayor número de fases, mayor es la cantidad de información que se puede transmitir utilizando el mismo ancho de banda, pero mayor es también su sensibilidad frente a ruidos e interferencias. Esta mayor capacidad se consigue a cambio de una mayor relación Señal-Ruido (SNR), que se traduce en un menor alcance del radioenlace. Para la modulación BPSK no es necesaria la implementación del codificador Reed Solomon (RS). En esta modulación, son posibles dos fases de salida para la portadora con una sola frecuencia. Una fase de salida representa un 1 lógico y la otra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180° fuera de fase. La siguiente figura muestra la fase de salida contra la relación de tiempo para una forma de onda BPSK. (Couch, 2010). FIGURA 1.4. Señal transmitida y la fase de salida. 1.2.8. La transformada rápida de Fourier (FFT) y su Inversa (IFFT). 23.

(27) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. La utilización de la transformada rápida de Fourier (FFT) y su inversa (IFFT) reducen la complejidad en el receptor haciendo la implementación de OFDM más sencilla. La implementación del sistema digital OFDM se logra a través de las operaciones matemáticas llamadas transformada discreta de Fourier (DTF) y transformada discreta inversa de Fourier (IDFT). Estas dos operaciones son utilizadas para la transformación de datos en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. En la práctica los sistemas utilizan los bloques de FFT e IFFT para la versión matemática equivalente de DFT e IDFT respectivamente. En la etapa de transmisión se considera que los datos fuentes están en el dominio de la frecuencia; estos datos se introducen a un bloque IFFT que lleva la señal al dominio del tiempo. El sistema. divide el flujo de datos en N flujos paralelos, donde N es una. potencia de dos (2), y cada uno de estos flujos es mapeado a una subportadora. Las funciones de la base de IFFT están constituida por N sinusoides ortogonales, una portadora, cada una de las cuales posee una frecuencia diferente, desde 0 (DC) hasta el valor máximo soportado por la banda base, y la IFFT recibe N símbolos a la vez. Cada valor complejo de los N símbolos de entrada determinan la amplitud y fase de la sinusoide para cada portadora y a la salida de la IFFT se obtienen varios armónicos en formato discreto, que es la suma de las N sinusoides. La longitud del símbolo OFDM se denota como NT donde T representa el período del símbolo de la entrada de la IFFT. El Bloque IFFT provee una manera de modular los datos sobre N subportadoras ortogonales. Después de la modulación, los datos son convertidos nuevamente a una forma serial y se agrega un intervalo de guarda a cada símbolo OFDM. La recepción es el proceso inverso, es decir se realiza la conversión de los datos del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia.. 24.

(28) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. 1.2.9. Codificación del canal Todos los tipos de enlaces: cable, fibra óptica, radio, entre otros, son susceptibles de sufrir interferencia de algún tipo. La codificación del canal se desarrolló con el fin de minimizar los daños de dichas interferencias sobre la información. Tiene por funciones primarias, la prevención y la corrección de errores de transmisión. Se eligió un Canal de Ruido Blanco Gaussiano (AWGN) para la implementación, según recomiendan la norma y los investigadores del tema.. 1.2.10. El decodificador de Viterbi Se utilizan dos algoritmos básicos para la decodificación de códigos convolucionales: el algoritmo de Viterbi y el algoritmo de codificación secuencial. El algoritmo de decodificación secuencial ofrece y tiene una cierta ventaja cuando los códigos son profundos, es decir con k muy grande, aunque el proceso de codificación tiene una duración variable. El algoritmo de Viterbi se emplea en un tiempo de decodificación fijo, lo que es una gran ventaja si se requiere implementar mediante hardware. Pero este algoritmo, mientras más profundo sea el código convolucional más recursos computacionales requerirá para su implementación, porque sus requerimientos crecen exponencialmente; por lo que en la práctica solo se implementa para código convolucional con k menor o igual a 9. El algoritmo de decodificación de Viterbi está basado en los diagramas de Trellis, este diagrama de Trellis es un diagrama en forma de red, en donde cada línea horizontal corresponde con uno de los estados del codificador y cada línea vertical corresponde a uno de los niveles del árbol del código (Andrew J. Viterbi, 2008). En la figura 1.5 se muestra un diagrama de Trellis.. 25.

(29) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. FIGURA 1.5. Diagrama de Trellis para un codificador.. 1.3. Costo de Implementación de la capa física WirelessMAN-OFDM En este epígrafe se va a realizar el análisis de varios equipos con Tecnología WiMAX, los cuales cumplen con los requerimientos que fueron analizados de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004.. 1.3.1. Análisis técnico de los equipos En el mercado existen algunos fabricantes de equipos WiMAX que poseen diferentes modelos y trabajan en varias bandas de frecuencia. Cada fabricante oferta sus equipos de acuerdo con ellas. A continuación se mencionan características técnicas y costos de algunos equipos WiMAX. utilizados en la actualidad según cada fabricante. Se puede encontrar más. información en los Anexos 3 y 4.. 26.

(30) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. 1.3.2. Axxcelera Broad Band Wireless Axxcelera Broad Band Wireless es una compañía que brinda soluciones de tecnología inalámbrica de banda ancha para acceso a Internet. Axxcelera es un miembro principal en el Foro WiMAX. Esta compañía fabricó varios equipos de. la tecnología FPGA. (Arreglos de compuertas programables en campo, Field Programmable Gate Array), que trabajan en diferentes bandas de frecuencias como el ExxcelMax y el AB-MAX. ExxcelMax y el AB-MAX son equipos de banda ancha que podrán ser utilizados no solo por la parte del mercado empresarial sino también en el mercado residencial.. El ExxcelMax es una estación base punto-multipunto que está diseñada para operar en la banda 3.3-3.8 GHz., soporta tres modos de duplexación Full Duplex y Half Duplex en FDD y TDD; mientras que el AB-MAX trabaja en las bandas 5.25-5.35 GHz, 5.47- 5.725 GHz y 5.725-5.850 GHz.. Trabajan con el estándar WiMAX 2004 y no necesitan línea de vista (NLOS), brindan calidad de servicios (QoS) para las diferentes aplicaciones lo que permite que un proveedor de servicios pueda ofrecer un servicio diferente para los diferentes usuarios.. A continuación en la tabla 1.1 se enumeran algunas características técnicas de la tecnología FPGA y WiMAX 2004. de los dos equipos incluyendo los precios que se. maneja en el mundo en estos momentos.. CARACTERÍSTICAS. ExxcelMax. AB – Max 5,25 - 5,35 GHz, 5,47 5,725 GHz, 5,725 - 5850. Banda de Frecuencia Estándar. 3,3 - 3,8 GHz 802,16 – 2004. GHz 802,16 – 2004 27.

(31) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. PHY. OFDM. Duplexing Mode. OFDM. Full Duplex FDD, Half. Full Duplex FDD Half. Duplex FDD, TDD. Duplex FDD TDD. 14 MHz (opcional), 10 MHz , 7 MHz, 3,5 MHz Ancho de Canal. Tipo de Modulación Potencia de Transmisión Sensibilidad de Recepción. 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz Y. y 1,75 MHz. 20 MHz. 64 QAM, 16QAM, QPSK,. 64 QAM, 16QAM, QPSK,. BPSK. BPSK. 27 dBm. 18 dBm 21 dBm (opcional). - 100 dBm. - 92 dBm. Antena Externa 16,5 dBi (60°), 14 dBi (90°), 10 Ganancia de la Antena Interfaz. Precio. dBi (omnidireccional). 18 dBi. 10/100 Base T Full Duplex. 100 Base T Ethernet. $3,021.00. $3,415.00. TABLA 1.1.Características Técnicas. 1.3.3. Aperto Aperto® Networks es un proveedor líder de soluciones de acceso inalámbrico de banda ancha de nueva generación. Ofrece sus soluciones a mercados globales. Aperto® entrega sistemas de acceso de última milla punto-multipunto y punto a punto de nivel “carrier class” para operar en las bandas de frecuencia de 2.5 GHz, 3.5 GHz y 5 GHz. La tecnología de Aperto® satisface las necesidades de los proveedores de servicios y operadores, al ofrecer una plataforma que permite desplegar servicios de acceso de banda ancha a escala masiva. Las familias de sistemas PacketWave® y PacketMAX® 28.

(32) CAPÍTULO 1. La capa física WirelessMan-OFDM del estándar IEEE 802.16 de 2004. Costo de implementación de esta tecnología.. permiten una implementación rápida, escalable, con soporte a servicios múltiples (voz, datos, video), efectivos contra el costo y de fácil instalación.. 29.

(33) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM. Los FPGAS.. En. este capítulo se brindan las características generales de los softwares que se. utilizan en este trabajo para la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004: Matlab/Simulink, Xilinx ISE y su herramienta System Generator. Al final aparecen características y ventajas de los FPGAs, y se muestran ejemplos de su costo.. 2.1. Matlab / Simulink y sus bibliotecas A continuación se realiza un acercamiento al Matlab/Simulink, el cual es uno de los software utilizados en este trabajo debido a la gran variedad de prestaciones que brinda, lo cual lo ha situado como uno de los más empleados en la Universidad.. 2.1.1. Matlab Matlab de su abreviatura (MATrix LABoratory o laboratorio de matrices) es un software que contiene programación de alto nivel y que se acompaña de un conjunto de librerías o herramientas (toolboxes); y las de Simulink con los paquetes de bloques (blocksets). Fue creado por Cleve Moler en 1984; la primera versión surgió con la idea de emplear paquetes de subrutinas escritas en Fortran en los cursos de algebra lineal y análisis numérico, sin necesidad de escribir programas en dicho lenguaje.. 30.

(34) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. En los últimos años esta herramienta de software ha aumentado el número de prestaciones, como por ejemplo la de programar directamente procesadores digitales de señal o código VHDL. Dentro sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la presentación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos de hardware. Es un software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las plataformas Unix, Windows, entre otras. El entorno de trabajo de MATLAB es gráfico e intuitivo, similar al de otras aplicaciones profesionales de Windows. Dicha herramienta está formada por componentes importantes en su entorno de trabajo y especificados de la forma siguiente: 1. El Escritorio de Matlab (Matlab Desktop), que es la ventana o contenedor de máximo nivel en la que se pueden situar las demás componentes. 2. Las componentes individuales, orientadas a tareas concretas, entre las que se pueden citar:  La ventana de comandos (Command Windows).  La ventana histórica de comandos (Command History).  El espacio de trabajo (Workspace).  La plataforma de lanzamiento (Launch Pad).  El directorio actual (Current Directory).  La ventana de ayuda (Help).  El editor de ficheros y depurador de errores (Editor & Debugger).  El editor de vectores y matrices (Array Editor). 31.

(35) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS..  La ventana que permite estudiar cómo se emplea el tiempo de ejecución (Profiler).. Para más información se sugiere consultar la guía de usuario del Matlab o ir al sitio de Mathwork. (www.mathwork.com), 2009). 2.1.2. Simulink El paquete. Matlab. dispone. de. herramientas. adicionales. que. expanden sus. prestaciones, como es el caso del Simulink (plataforma de simulación multidominio). El Simulink es una herramienta gráfica que sirve para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos lineales y no lineales. Los sistemas son dibujos en pantalla como diagramas de bloques. Muchos elementos del diagrama de bloques son utilizados como funciones de transferencias, sumadores, uniones, etc. También como entradas y salidas virtuales de dispositivos tales como generadores, osciloscopios. Simulink está integrado con Matlab y los datos pueden ser fácilmente transferidos entre programas. Para modelar Simulink proporciona una interfaz de usuario gráfica (GUI) con vistas a construir los modelos como diagramas de bloque, utilizando operaciones con el ratón del tipo pulsar y arrastrar. Con esta interfaz se pueden dibujar los modelos de la misma forma que lo representan la mayoría de los expertos e ingenieros en sus trabajo de investigaciones. Miles de especialistas e ingenieros en el mundo usan Simulinx para modelar y resolver problemas reales en gran variedad de industrias (FABIO, 2007), como las que se muestran a continuación:  La aeroespacial.  La automotriz.  Las comunicaciones.  La electrónica.. 32.

(36) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS..  La instrumentación médica. Simulink tiene dos fases de uso en su inicialización de pantalla: la descripción del modelo y. de las líneas, y el análisis del modelo y su simulación. Los bloques o. modelos se usan para generar, modificar, combinar, sacar y desplegar señales. Las líneas son usadas para transferir señales de un bloque a otro. El análisis del modelo significa ejecutar la simulación y valorar los resultados obtenidos.. 2.1.3. Bibliotecas Los entornos Matlab y Simulink con sus archivos de datos pueden simular sistemas complejos y grandes tan fácilmente como los sistemas simples, sin límites sobre la cantidad de bloques o conexiones gracias su amplia gama de Librería. Simulink ofrece al usuario un entorno gráfico que facilita el análisis, el diseño y la simulación de sistemas de control electrónico. El conjunto de componentes que contiene el programa Simulink, incluye bibliotecas de fuentes de señal, dispositivos de presentación de datos, sistemas lineales y no lineales, conectores y funciones matemáticas. La herramienta Simulink se inicia desde el icono. y el acceso a la librería desde el. botón “Simulink Librery Browser ” (Biblioteca de Simulink) de la ventana de comando. Entre los bloques más importantes de cada biblioteca se encuentran los siguientes: Sources:  Sine wave ramps and squares waves (ondas senoidales, rampas y cuadradas).  Noise (ruido). Sinks:  Scopes and graph blocks (osciloscopios y bloques gráficos).  File output (salidas hacia archivos).  Output to the Matlab Workspace (salidas hacia el espacio de trabajo de Matlab) Discrete: 33.

(37) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS..  Transfer functions and state-space blocks (bloques de función transferencia y espacio de estados). Linear:  Transfer functions, state-space, gain blocks (bloques de función transferencia, espacio de estados y ganancia). Nonlinear:  Limiters, hysteresis blocks, and quantizers (limitadores, bloques histéresis, y cuantizadores).  Logical and relational operators (operadores lógicos y relacionales). Connections:  Multiplexing and demultiplexing blocks (bloques multiplexores y demultiplexores).  Input ports and output ports (puertos de entrada y salida). BlockSets & Extras:  Simulink_extras (librerías de bloques extras entre las que se encuentran bloques extras visualizadores, discretos, lineales, transformaciones, flips-flops y bloques para linealización).. Los BlockSets que aparezcan dependerán de los Toolboxes que se encuentren instalados.. 34.

(38) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. FIGURA 2.1. Librería de la IEEE 802-2004 y de los bloques de comunicación en Simulink. En la figura 2.1 se pueden visualizar algunas librerías del Maltab/Simulink utilizadas en la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM.. 2.2. Introducción al software XILINX ISE La. herramienta Xilinx ISE (Integrated Software Environment) es una herramienta. profesional que permite el diseño de circuitos, su análisis y su posterior implementación en una FPGA. A continuación se realiza un acercamiento a ella. 2.2.1. Herramienta ISE Xilinx. El paquete informático ISE de XILINX está formado por un conjunto de herramientas que permiten diseñar circuitos digitales mediante esquemas lógicos o utilizando lenguajes de descripción de hardware como VHDL, Verilog. También permite simular el comportamiento de los circuitos diseñados y sintetizarlos sobre dispositivos lógicos programables de XILINX.. 35.

(39) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. Los lenguajes Verilog y VHDL son utilizados para realizar la descripción de un diseño. VHDL significa lenguaje de descripción de hardware para circuitos integrados de alta velocidad. Verilog es también un lenguaje de descripción de hardware usado para modelar sistemas electrónicos. Algunas veces se le llama Verilog HDL. Se usa principalmente para programar los PLD (Programmable Logic Device-Dispositivo Lógico Programable) y los FPGAs. 2.2.2. System Generator System Generator es una de las herramientas de software que permite crear y verificar diseños de hardware para las FPGAS de Xilinx ISE. Esta herramienta es integrada en el entorno de Xilinx y trabaja en conjunto con Simulink y Matlab. Además, permite la generación automática de código HDL a partir de un modelo en Simulink y posibilita al usuario crear sus propias bibliotecas. A continuación se explican brevemente algunos de los bloques que se encuentran en las librerías del System Generator:. Mcode: permite hacer una llamada a un archivo .m de Matlab y lo ejecuta. La simulación e implementación de diseños a través de System Generator con la herramienta Mcode, ofrece ventaja tales como: minimizar los recursos en los FPGAs y la simplicidad de los diseños. (www.xilinx.com, 2010). Gateway In: permite hacer una aproximación al comportamiento de una señal en hardware. Gateway out: Regresa una aproximación del comportamiento de la señal en hardware al modo de simulación. Mult: Realiza la función de multiplicación en una o más entradas.. 36.

(40) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. System Generator: Provee el control del sistema y parámetros de simulación. Es usada para el código generado. Resource Estimator: Presenta los recursos utilizados en la simulación del circuito. FDATool: Interfaz que permite configurar las características de un filtro. (CASTELLÓ, 2010). FIGURA 2.6. Librerías del System Generator. La figura 2.6 muestra bloques de las librerías del System Generator en Simulink.. 2. 3. Introducción a la tecnología FPGA Seguidamente se tratan las características generales de los FPGA (Arreglo de compuertas programables por campo, del inglés Field Programmable Gate Array), sus prestaciones fundamentales y principales productores.. 37.

(41) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. 2.3.1. Características generales de los FPGAS Los. FPGAs. son chips. de. silicio. reprogramables.. Una. FPGA presenta las. características siguientes: Consumo medio de potencia, aunque hay familias especializadas en bajo consumo. Velocidad intermedia. Fiabilidad alta. Equipamiento sencillo. La arquitectura de una FPGA consiste en arreglos de varios bloques programables (bloques lógicos) los cuales están interconectados entre sí y con celdas de entrada/salida mediante canales de conexión verticales y horizontales. (Bozich Eduardo Carlos, 2010), como se muestra en la figura 2.7.. FIGURA 2.7. Arquitectura de un FPGA. Una FPGA tiene una gran cantidad de canales de interconexión y tienden a tener pequeñas celdas lógicas con muchas entradas y salidas. Ellas generalmente utilizan la 38.

(42) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. tecnología ANTIFUSE y SRAM para ser programadas por el usuario, la cual comercializan distintos fabricantes como Altera, Xilinx, Actel. La tecnología SRAM se basan en la. tecnología. de. memoria. estática, en sistemas programables y. reprogramables. Los FPGAs que utilizan tecnología ANTIFUSE se pueden programar una sola vez, además no son reutilizables; por el contrario, disminuyen considerablemente el tamaño y costo de los dispositivos. 2.3.2 Kit de desarrollo Nexys2 La tarjeta Nexys2 es una plataforma desarrolladora de circuitos basada en la FPGA Spartan3 de Xilinx que existe en nuestra Facultad. Posee un puerto USB de alta velocidad, 16 Mbytes de RAM y ROM, varios dispositivos de I/O y puertos que la hacen una plataforma ideal para sistemas digitales de todas las clases. El kit Nexys2 se. puede. utilizar con un computador para. crear una. estación de. diseño. verdaderamente portátil; trae tecnologías de primera que cualquier persona puede utilizar para ganar experiencia en el diseño digital. En esta tarjeta se pueden diseñar incontables sistemas digitales basados en FPGAs, y estos pueden crecer fácilmente más allá de la tarjeta, usando los cinco conectores de extensión. La figura 2.11 muestra el diagrama en bloques de esta tarjeta.. 39.

(43) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. FIGURA 2.11. Diagrama en bloque de la tarjeta Nexys2 (Digilent, 2008a). Las señales accesibles por el usuario en la tarjeta son protegidas contra cortocircuitos, asegurando una larga vida de operación en cualquier ambiente. La tarjeta Nexys2 es completamente compatible con todas las versiones de las herramientas de Xilinx ISE. La entrada de energía a la tarjeta se puede suministrar desde el cable de USB, de 5Vdc a 15Vdc. En la figura 2.12 se muestran las diferentes formas de alimentación.. FIGURA 2.12. Diagrama en bloque de la fuente de alimentación.. 40.

(44) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. El tablero Nexys2 incluye un oscilador de 50 MHz y un socket para un segundo oscilador. Las señales de reloj de los osciladores se conectan con los pines de entrada del reloj global que conducen a los bloques sintetizadores del reloj, disponibles en el FPGA. Para más información ver: (Digilent, 2008b). 2.3.2. Costo de implementación de los FPGAs La adopción de chips FPGA en la industria ha sido impulsada por el hecho de que los FPGAs combinan lo mejor de los ASICs y de los sistemas basados en procesadores. Ofrecen velocidades temporizadas por hardware y fiabilidad, pero sin requerir altos volúmenes de recursos para compensar el gran gasto que genera un diseño personalizado de ASIC. El silicio reprogramable tiene la misma capacidad de ajustarse que un software que se ejecuta en un sistema basado en procesadores, pero no está limitado por el número de núcleos disponibles. A diferencia de los procesadores, los FPGAs llevan a cabo diferentes operaciones de manera paralela, por lo que éstas no necesitan competir por los mismos recursos. Cada tarea de procesos independientes se asigna a una sección dedicada del chip, y puede ejecutarse de manera autónoma sin ser afectada por otros bloques de lógica. (Francisco, 2010) Alvarion como miembro del Foro WiMAX es uno de los principales interesados en el desarrollo de la tecnología WiMAX para producir equipos implementados en los FPGAS de Xilinx , los cuales manejen el estándar 802.16 de 2004 . Desde el principio de la industria, Alvarion ha sido un líder en el mercado de acceso inalámbrico de banda ancha (BWA), siendo el vendedor más grande del mundo en equipos para diseñar redes inalámbricas con chips FPGA de bajo costo.. 41.

(45) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. FIGURA 2.8. Equipamiento FreezeMAX en FPGAS.. En la tabla 2.1 se indican las características de los equipos de la familia BreezeMAX utilizando la tecnología de los FPGAs.. CARACTERÍSTICAS. BreezeMAXEstación Base BreezeMAX CPE 802,16. Estándar. -. 2004,futuro 802,16. 802.16 e 1.5GHz;. -. 2004,. futuro. 802.16 e 2.3GHz. WCS; 1.5GHz;. 2.3GHz. WCS;. Banda de. 2.5GHz. 2.5GHz. Frecuencias. BRS ; 3.3 - 3.8GHz ; 5 GHz. BRS ; 3.3 - 3.8GHz ; 5 GHz. OFDM 256 FFT with uplink. OFDM 256 FFT with uplink. OFDMA and future support OFDMA of PHY Duplexing Mode. SOFDMA. mobile. WiMAX FDD, TDD 64QAM. Modulación. for. to. FDD, TDD BPSK 64QAM. to. BPSK. (8adaptivelevels). (8adaptivelevels). 1.75MHz, 3.5GHz, 5MHz,. 1.75MHz, 3.5GHz, 5MHz,. Ancho de Canal. 7MHz, 10 MHz. 7MHz, 10 MHz. Potencia de. 34dBm. 20 y 24 dBm. Transmisión 42.

(46) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. Antena Externa 60°, 90°, Ganancia Antena. 120°. Antena Interna 18 dBi. Omnidireccional 10/100 Interfaz. 10/100/1000 Base-T, E1/T1. Base-T,. 802.11g. Wi-Fi, RJ-11 POTS, E1/T1. Precio. $3,714.00. $711.00. TABLA 2.1. Características Técnicas. Equipos Alvarion.. También existe un hardware comercial listo para usarse con diferentes tipos de E/S ya conectados a un chip FPGA programable por el usuario, como se observa en la figura 2.9, en el kit de desarrollo Spartan-3A de los FPGAs de Xilinx. (Francisco, 2010, BORENSZTEJN, 2009). FIGURA 2.9: Kit de desarrollo Spartan-3A. Este kit de desarrollo Spartan-3A de los FPGAs de Xilinx posee un emulador de estación base y una estación suscriptora en módulo mini-PCI. Además, incluyen la capa física, niveles bajos MAC y circuitería de radiofrecuencia, soportando el estándar IEEE 802.16-2004. Provee compatibilidad hacia adelante para movilidad básica mediante IEEE 802.16e. 43.

(47) CAPÍTULO 2. Softwares utilizados en la implementación de la capa física WirelessManOFDM. Los FPGAS.. FIGURA 2.10. Estación base SFFSDR. Estos. equipos. inalámbricamente). electrónicos. SFFSDR. son los FPGAs que. (interfaz. de. radio. para. transmitir. se están usando como estación base. actualmente en el mundo. La adopción de la tecnología FPGA continúa creciendo, mientras que las herramientas de alto nivel evolucionan para ofrecer a los ingenieros e investigadores con diferentes niveles de experiencia los beneficios del silicio reprogramable.. 44.

(48) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. CAPÍTULO 3. Metodología. de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. En el presente capítulo aparece la metodología desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM del estándar 802.16 de 2004, utilizando modulación BPSK. Se reflejan las librerías usadas del Simulink, así como la utilizada para implementar en System Generator un codificador convolucional, del cual se generó su código VHDL y se sintetizó en Xilinx ISE.. 3.1.. Implementación. de. la. capa. física. WirelessMan-OFDM usando. modulación BPSK en Matlab-Simulink En el Capítulo 2 se caracterizó el software Matlab-Simulink, poniéndose en evidencia las ventajas que brinda para la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM, debido a la diversidad de prestaciones que tiene. A continuación se describen los pasos seguidos para simular en Simulink la capa física WirelessMan-OFDM. 3.1.1. Estudio del estándar de la IEEE 802.16 de 2004 y del software Matlab-Simulink Para lograr implementar la capa física WirelessMan-OFDM de la IEEE, debido a su gran complejidad, se realizó un estudio exhaustivo de cada uno de los módulos que la componen, lográndose comprender toda la teoría concerniente al transmisor, el. 45.

(49) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. receptor y al canal de comunicación, basándose en todos los datos que brinda el estándar de la IEEE. Después fue necesario vincular toda la teoría aprendida con el software Simulink. Para lograr esto se analizaron todas las bibliotecas del mismo, a las cuales se hace un acercamiento en el Capítulo 2 de este trabajo. Seguidamente se implementaron todos los bloques correspondientes al transmisor, después al receptor, y se finalizó con el canal. A continuación aparecen cada uno de ellos. 3.1.2. Simulación del transmisor. El transmisor está compuesto por los bloques siguientes: Randomizer. Codificador convolucional. Interleaver. Modulador BPSK. Transformada Inversa de Fourier (IFFT). 3.1.1.1.. Randomizer.. Se encuentra integrado por un generador de secuencia (PN Sequence Generator) y una compuerta lógica XOR, como se muestra en la figura 3.1.. Randomizer. Figura 3.1 Randomizer. 46.

(50) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. El generador de secuencia se encuentra en el bloque perteneciente a las comunicaciones y la compuerta lógica en el bloque general del Simulink. 3.1.1.2.. Codificador convolucional.. El codificador convolucional se encuentra en la biblioteca de las comunicaciones, llenándose los campos concernientes conforme a lo que aparece en la norma para la modulación BPSK, tal y como se muestra en la figura 3.2. El estándar señala que no es necesario poner un codificador Reed Solomon delante del convolucional, por lo que no se implementó en este trabajo.. Figura 3.2 Codificador convolucional 3.1.1.3.. Interleaver. Para la implementación del interleaver se usó una biblioteca especial que brinda la IEEE sobre este estándar, implementada por ellos en Simulink, con el objetivo de que la usen los investigadores del tema. Solamente se ajustaron los valores concernientes a este tipo de modulación. Aparece en la figura 3.3.. 47.

(51) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. Figura 3.3. Interleaver 3.1.1.4.. Modulador BPSK.. El modulador BPSK se encuentra en la biblioteca de las comunicaciones. Se muestra en la figura 3.4.. Figura 3.4 Modulador BPSK. 3.1.1.5.. IFFT.. La transformada inversa de Fourier (IFFT) se encuentra en el bloque del procesamiento de señales. A continuación se muestra en la figura 3.5.. 48.

(52) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. Figura 3.5 IFFT 3.1.2. Simulación del receptor. El receptor está compuesto por los bloques siguientes: Transformada Rápida de Fourier (FFT). Demodulador BPSK. Deinterleaver. Decodificador de Viterbi. De Randomizer. 3.1.2.1.. FFT.. La transformada rápida de Fourier se encuentra, al igual que la IFFT, en la biblioteca perteneciente al procesamiento digital de señales. A continuación se muestra una figura de ella. 49.

(53) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. Figura 3.6 FFT. 3.1.2.2.. Demodulador BPSK.. El Simulink tiene implementado en sus bibliotecas el demodulador BPSK. Este se encuentra en la librería perteneciente a las comunicaciones, como puede apreciarse en la figura 3.7.. Figura 3.7. Demodulador BPSK 3.1.2.3.. Deinterleaver.. El deinterleaver, al igual que se hizo con el interleaver, se tomó de la librería especial que brinda la IEEE, como se puede observar en la figura 3.8.. 50.

(54) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. Figura 3.8 Deinterleaver 3.1.2.4.. Decodificador de Viterbi.. El decodificador convolucional que se implementó fue el algoritmo de Viterbi, según indica el estándar de la IEEE. Este decodificador se encuentra en el bloque perteneciente a las comunicaciones.. Figura 3.9 Decodificador de Viterbi 3.1.2.5.. De Randomizer.. El De Randomizer se implementó utilizando el PN Sequence y la compuerta lógica XOR, con los datos que brinda la norma. A continuación se muestra en la figura 3.10 el PN Sequence, llenado con la información del estándar.. 51.

(55) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. Figura 3.10 De Randomizer 3.1.3. Simulación del canal de comunicación. En el estándar aparece reflejado que para realizar estudios se recomienda utilizar un canal de Ruido Blanco Gaussiano (AWGN), por lo que es el utilizan los investigadores. El Simulink lo tiene implementado en la librería de las comunicaciones, como se muestra en la figura siguiente.. Figura 3.11 Canal AWGN 3.1.4. Integración de todos los subsistemas Al terminar la programación de todos los bloques, estos se integraron, obteniéndose como resultado la implementación de la capa física WirelessMan-OFDM utilizando modulación BPSK, la cual se muestra en la figura 3.12. Después se verificó su correcto 52.

(56) Capítulo 3: Metodología de trabajo desarrollada para implementar la capa física WirelessMan-OFDM usando modulación BPSK.. funcionamiento al realizarse varias simulaciones del sistema, analizándose los resultados con los que establece la norma.. Figura 3.12 Capa física WirelessMan-OFDM en Matlab-Simulink 3.2. Implementación de la capa física WirelessMan-OFDM con modulación BPSK usando Matlab-Simulink y Xilinx ISE. Una de las desventajas que presenta el Matlab/Simulink es que la mayoría de los módulos que se encuentran en sus librerías no están preparados para generar su código VHDL. Para contrarrestar esta deficiencia se implementó, haciendo uso del sistema previamente montado, un bloque utilizando System Generator, el cual es una herramienta de Xilinx ISE, como se explicó en el capítulo anterior, que posee la ventaja de integrarse con el Matlab. 3.2.1. Implementación de un codificador convolucional usando System Generator.. 53.