Estudio de un sistema HAPS codificado en banda Ka y con lluvia

1. Estudio mediante simulación de un
sistema de radiocomunicación codificado HAPs
en banda Ka y con presencia de lluvia
Autor: Alessandro Tomasi
Director: Prof. Dr. Ing. José A. Delgado Penín
PROYECTO FINAL de CARRERA
Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de
Telecomunicació de Barcelona

2. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

3. INTRODUCCIÓN
Sistemas de radiocomunicación
de banda ancha
 servicios de gran ancho de banda
 bajo despliegue de infraestructuras
 ideales para zonas de difícil acceso
Tipos de alternativas
 redes celulares terrestres
 comunicaciones vía-satélite
(GEO-MEO-LEO)
 comunicaciones vía - HAPs Proyecto
CAPANINA

4. INTRODUCCIÓN
HAPs (High Altitude Platforms)
 plataformas aéreas quasi-estacionarias
 colocadas en la estratosfera a una altura de 21-25 km
 sin tripulación
 alimentadas mediante energía solar
 disponibilidad para una larga duración
 con posibilidad de ser reconfiguradas o reparadas
después de su ciclo de utilización

5. ITU-R: frecuencias a utilizar
 amplia disponibilidad de reparto de frecuencias
 ancho de banda significativo
 longitudes de onda milimétricas
 sensibilidad a los hidrometeoros
INTRODUCCIÓN
27-31 GHz (Banda Ka)
absorción de gases
centelleo
lluvia

6. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

7. MODELO DE CANAL
Atenuación del canal
 perdidas de propagación
 propagación multicamino
 atenuación atmosférica
debida a los hidrometeoros,
sobretodo a la lluvia
Caracterización de los efectos
de la lluvia
 distribución Log-Normal
 series temporales

8. MODELO DE CANAL
Modelo de canal desarrollado
Basado en el generador de series temporales
sintetizado por Fiebig
Medidas llevadas a cabo a 40 GHz
AWGN
Generador de
series temporales
RXTX

9. Tabla de los
valores de las
distribuciones
condicionales
MODELO DE CANAL
Generador de series temporales
r(t-Δt) – r(t) ≤ 1 Constante
r(t-Δt) – r(t) >1 Decreciente
r(t-Δt) – r(t) < -1 Creciente
Δt = 64 seg.
Generador
Gaussiano
r (t-Δt) - r (t)
Nuevas
media y
desviación
Estimación
monotonía
Serie temporal
r (t)

10. MODELO DE CANAL
Escalado de frecuencias
)(
)(
2
1
2
1
fg
fg
A
A
 272.17
72.1
)(1031
)(
f
f
fg

 
donde
Atenuación con f = 40 GHz1 Atenuación con f = 28 GHz2

11. Variación de fase
MODELO DE CANAL
Δφ puede modelarse con
variable aleatoria gaussiana
de media 0 y desv. estándar σ
Vilar y Catalan
3/52
2
)(
2
46,1)( 


 LCn







12. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

13. TURBO CÓDIGOS
Para aumentar la fiabilidad de
los datos recibidos
Técnicas de
codificación del canal
 aumento de la calidad de la
transmisión
 aumento de la complejidad del
sistema
Códigos de corrección de errores:
(TURBO CÓDIGOS)

14. Entrelazador
TURBO CÓDIGOS
Estructura del Turbo codificador
Rate del código = 1/3 , variable mediante perforación
Mayor rate Mayor eficiencia
espectral
P
e
r
f
o
r
a
d
o
M
u
l
t
i
p
l
e
x
a
d
o
r
ck
s
ck
1p
ck
2p
codpunct [ ]RSC 1
RSC 2
Diagrama de
perforado
frame [ ]

15. TURBO CÓDIGOS
 perforación mediante diagrama de perforado
 longitud entrelazador 65536 bits
 información enviada dividida en frames de la
misma longitud de entrelazador
 RSC constituyentes iguales
 RSC constituyentes “terminados”
Importante en
decodificación
Características del Turbo codificador

16. TURBO CÓDIGOS
Estructura de la decodificación iterativa
Λ valores soft de la salida del demodulador
calculados a través de relaciones de verosimilitud
(likelihood ratio)
0, APP (u =0)≥0.5k
1, APP (u =0)<0.5k
Entrelazador
De-entrelazador
Entrelazador
DEC 1 DEC 2
D
e
m
u
x
Λ
ξ
1 ξ’ = δ1 2
ξ = δ2 1
ξ’2
Λ
k
s
k
ûk
Λ
k
2p
Λ
k
1p
Λ
k
‘ s

17. TURBO CÓDIGOS
Al aumentar el número de iteraciones en la
decodificación mejoran las prestaciones del código

18. TURBO CÓDIGOS
Esquema SISO del decodificador MAP
δ = información a priori
Λ = valor soft del demodulador al que está
asociado un bit de singularidad
Λ = valor soft del demodulador al que está
asociado un bit de paridad
ξ = información extrínseca
APP = probabilidad a posteriori
s
p
BCJRΛ
δ
ξ
APPΛ
s
p

19. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

20. MODULACIONES UTILIZADAS
Para aumentar la eficiencia
espectral
Aumentar el número M de
señales de la constelación
Nuevo estándar de transmisión
digital DVB-S2
QPSK
8-PSK
16-APSK
32-APSK
M-APSK vs M-QAM
 menor distancia mínima
 mayor protección frente a las no linealidades
 menor número de niveles energéticos

21. MODULACIONES UTILIZADAS
Estructura de las M-APSK
ρ
1
ρ
2

22. MODULACIONES UTILIZADAS
Etiquetado
8-PSKQPSK

23. MODULACIONES UTILIZADAS
Etiquetado
32-APSK16-APSK

24. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

25. MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Diagrama de bloques
LSFR
Secuencia
recibida
Turbo
Codificador
Decodificador
MAP
Canal con lluvia
Calculo BER
Modulador
Demodulador
Filtro TX
Filtro RX
I Q

26. Enviar otro
frame?
Fin programa
Inicialización de las
variables que se necesitan
para la simulación
Iniciar otra
simulación?
Adquisición de las
especificaciones declaradas en
los ficheros de entrada
MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
El programa de simulación
input.txt
modula.txt
perm.txt
punct.txt
Elaboración del frame
por parte de los
bloques del sistema
Calculo de la BER y
escritura de los resultados
de la simulación actual
resultados.txt
No
Si
No
Si

27. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

28. RESULTADOS
Parámetros de la simulación
 frecuencia de transmisión: 28 GHz
 estados de los RSC constituyentes: 16
 longitud frame: 65536 bits
 número frames: 25
 iteraciones decodificación: 8
 factor roll-off filtro: 0.35
 parámetros modulaciones:
Parámetro QPSK 8-PSK 16-APSK 32-APSK
Núm. Círculos 1 1 2 3
Puntos por círculo 4 8 4-12 4-12-16
Radio círculos 1 1 1-2.7 1-2.7-4.1
Desfase círculos 0º 22.5º 0º-0º 0º-0º-11.25º

29. RESULTADOS
Rate del código 1/3 Rate del código 1/2
 Al variar la modulación

30. RESULTADOS
Rate del código 2/3 Rate del código 4/5
 Al variar la modulación

31. RESULTADOS
16-APSK 32-APSK
 Al variar el rate

32. INDICE
 INTRODUCCIÓN
 MODELO DE CANAL
 TURBO CÓDIGOS
 MODULACIONES UTILIZADAS
 MODELO DE SISTEMA DE TRANSMISIÓN
 RESULTADOS
 CONCLUSIONES

33. CONCLUSIONES
 Los Turbo códigos asociados a la decodificación
MAP permiten alcanzar BER aceptables (10-4) también
en condiciones de lluvia
Al aumentar la eficiencia espectral del sistema de
transmisión la Eb/N0 necesaria aumenta
 Transmisiones con códigos de grandes rates son
viables; pero no aconsejables para las modulaciones
multinivel a causa de la Eb/N0 requerida
Líneas de investigación futuras
 Estudio de técnicas de modulación adaptativa
 Rate variable de transmisión

34. Muchas gracias por vuestra atención …

35. … Preguntas?