Evaluación de las prestaciones de un sistema OFDM sobre la red de alimentación de un vehículo
J. J. Sánchez-Martínez, A. B. Vallejo-Mora, J. A. Cortés, F. J. Cañete y L. Díez
Ingeniería de Comunicaciones, Universidad de Málaga
Índice• 1. Introducción
¿Qué es el PLC?
Aplicación a vehículos
Objetivos y motivación de este trabajo
• 2. Modelo del sistema Características del canal
Modelo de canal
Parámetros del sistema. Estándar G.hn
¿Por qué usar pulsos no rectangulares?
• 3. Análisis de prestaciones Evaluación con pulse-shaping en transmisión
Mejora por usar windowing en recepción
• 4. Conclusiones
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
2
Índice• 1. Introducción
¿Qué es el PLC?
Aplicación a vehículos
Objetivos y motivación de este trabajo
2. Modelo del sistemaCaracterísticas del canal
Modelo de canal
Parámetros del sistema. Estándar G.hn
¿Por qué usar pulsos no rectangulares?
3. Análisis de prestacionesEvaluación con pulse-shaping en transmisión
Mejora por usar windowing en recepción
4. Conclusiones
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
3
¿Qué es el PLC?• PLC, Power Line Communications
• Historia del PLC. Uso de las líneas eléctricas
Redes inteligentes (Powerline Smart Grid): gestión eficiente de recursos.
• ¿Aplicación a vehículos?
• Evolución tecnológica vehículos: Control, Seguridad, Fiabilidad, Confort
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Red única para la alimentacióneléctrica y la transmisión de datos
Transmisión de datos a través de la red eléctrica
Redes eléctricas de interior: redes de área local
De media y baja tensión: acceso a redes de área extensa
4
Aplicación a vehículos
• Coste de dispositivos eléctricos y electrónicos ≈20 ó 25% del coste total de producción de un vehículo.
• Automóvil de alta gama ≈70 unidades de control que intercambian hasta 2500 señales.
• Buses dedicados.
• Ventajas del PLC
Peso: cableado de hasta 4 km de longitud con un peso de hasta 90 kg
-Menor consumo y contaminación
Coste: de fabricación (cobre) y de montaje (manual)
Espacio: zonas saturadas (puerta del conductor o zona del volante)
Nuevas funciones: sin necesidad de nuevo cableado
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
LIN (1998) 20 kbit/s
CAN (1985) <=1 Mbit/s
FlexRay (2000) 10 Mbit/s
5
Aplicación a vehículos
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
6
Objetivos y motivación
• Otros ámbitos: aeroespacial, ferroviario, naval y aeronáutico
Trabajos previos
• Medidas de canales de la red eléctrica
• Medidas de ruido
• OFDM usando estándares HomePlug y HD-PLC. Hasta 30 MHz.
• Productos comerciales básicos (Toyota, Yamar)
Trabajo actual
• Evaluar un sistema OFDM ajustando los parámetros al nuevo estándar G.hn (11/06/2010) aprobado por la ITU.
• Banda de frecuencia hasta 100 MHz.
• Análisis de mejora por usar ventana no rectangular en recepción (windowing).
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
7
Índice1. Introducción
¿Qué es el PLC?
Aplicación a vehículos
Objetivos y motivación de este trabajo
• 2. Modelo del sistema Características del canal
Modelo de canal
Parámetros del sistema. Estándar G.hn
¿Por qué usar pulsos no rectangulares?
3. Análisis de prestacionesEvaluación con pulse-shaping en transmisión
Mejora por usar windowing en recepción
4. Conclusiones
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
8
Características del canalRespuesta de canal
• Estructura arborescente: líneas en circuito abierto o dispositivos conectados
▫ Fenómeno de propagación multicamino
▫ Desvanecimientos profundos en la respuesta en frecuencia
Ruido
• Diferentes componentes:
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
• Ruido de fondo • Interferencias de banda estrecha • Componentes de ruido impulsivo
0 20 40 60 80 100
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Frecuencia (MHz)
|H(f
)| (
dB
)
0 20 40 60 80 100-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
Frecuencia (MHz)
DE
P d
e r
uid
o (
dB
m/k
Hz)
Respuestas en frecuenciaDEP de ruido
9
Características del canal
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Fusibles
Analizador de redes
Osciloscopio digital
Valores medios Apagado Ralentí 2000 rpm
Delay Spread (µs) 0.12 0.12 0.13
Ancho de banda de coherencia (kHz)
527.06 568.6 482.92
Amplitud media (dB) -37.93 -38.21 -39.15
Respuesta de canal
.12
Rango dinámico >60 dB
Nivel ruido de fondo [-115 , -120] dBm/kHz
Componentes de banda estrecha de alto nivel
[87.5 , 100] MHz
Ruido
Banda medida: [0-100] MHz
10
Modelo de canal y de sistema
• Modelo de canal:
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Filtro lineal e invariante en el tiempo (LTI) y ruido coloreadoestacionario
Transmisor ReceptorCanal
h(t)H(f)
n(t)Sn(f)
x(t) y(t)
Respuesta
de canal
DEP de ruido
11
Modelo de canal y de sistema
• Modelo de canal:
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Filtro lineal e invariante en el tiempo (LTI) y ruido coloreadoestacionario
Transmisor ReceptorCanal
h(t)H(f)
n(t)Sn(f)
x(t) y(t)
Respuesta
de canal
DEP de ruido
Conjunto de medidas seleccionadas:
• 36 respuestas en frecuencia• 2 DEP de ruido
Total de 72 canales
12
Modelo de canal y de sistema
• Modelo de canal:
• Modelo de sistema:
Modulación multiportadora adecuada para combatir selectividad en frecuencia
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Filtro lineal e invariante en el tiempo (LTI) y ruido coloreadoestacionario
Transmisor ReceptorCanal
h(t)H(f)
n(t)Sn(f)
x(t) y(t)
Respuesta
de canal
DEP de ruido
Conjunto de medidas seleccionadas:
• 36 respuestas en frecuencia• 2 DEP de ruido
Total de 72 canales
Sistema OFDM ajustado a la capa física del nuevo estándar G.hn
13
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
14
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
15
Shaping, overlap and
add (α)
Añade(cp+α)
......
Z0
ZN-1
...
IDF
T
Transmisor
Símbolos Transmitidos
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
16
Shaping, overlap and
add (α)
Añade(cp+α)
......
Z0
ZN-1
...
IDF
T
Transmisor
Símbolos Transmitidos
Ncp
αα
Shaping2
La salida de la IFFT se extiende 1 IFFT outputα+cpα
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
17
Shaping, overlap and
add (α)
Añade(cp+α)
......
Z0
ZN-1
...
IDF
T
Transmisor
Símbolos Transmitidos
Ncp
αα
α α
N+cp+α
cp
Shaping2
Pulse-shaped OFDM
N
La salida de la IFFT se extiende 1
Overlapping 3
IFFT outputα+cpα
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
Ncp
αα
α α
N+cp+α
cp
Shaping2
Pulse-shaped OFDM
N
La salida de la IFFT se extiende 1
Overlapping 3
IFFT outputα+cpα
18
Shaping, overlap and
add (α)
Añade(cp+α)
......
Z0
ZN-1
...
IDF
T
Transmisor
Símbolos Transmitidos
Z0
ZN-1
...
Det
ecto
r
DF
T
......
Elimina(α+ cp)
Símbolos recibidos
Windowing (β)
Elimina(α+cp-β)
Receptor
A
B
Canal
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
Ncp
αα
α α
N+cp+α
cp
Shaping2
Pulse-shaped OFDM
N
La salida de la IFFT se extiende 1
Overlapping 3
IFFT outputα+cpα
19
Shaping, overlap and
add (α)
Añade(cp+α)
......
Z0
ZN-1
...
IDF
T
Transmisor
Símbolos Transmitidos
Z0
ZN-1
...
Det
ecto
r
DF
T
......
Elimina(α+ cp)
Símbolos recibidos
Windowing (β)
Elimina(α+cp-β)
Receptor
A
B
Canal
N
α αN+cp+α
cp NN
No Windowing
A
Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.
▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
A
B
Ncp
αα
α α
N+cp+α
cp
Shaping2
Pulse-shaped OFDM
N
La salida de la IFFT se extiende 1
Overlapping 3
IFFT outputα+cpα
20
N
α αN+cp+α
cp NN
N
β
β
N
No Windowing WindowingB
Shaping, overlap and
add (α)
Añade(cp+α)
......
Z0
ZN-1
...
IDF
T
Transmisor
Símbolos Transmitidos
Z0
ZN-1
...
Det
ecto
r
DF
T
......
Elimina(α+ cp)
Símbolos recibidos
Windowing (β)
Elimina(α+cp-β)
Receptor
A
B
Canal
A
21
• Estándar para redes de interior. OFDM con pulse-shaping.
• 3 planes de frecuencia: 2 paso bajo y 1 paso banda
• Nº de subportadoras (N) depende de la banda de frecuencia
• Máscara de DEP de transmisión
Parámetros sistema: Estándar G.hn
Cable eléctrico
Línea telefónica
Cable coaxialCat-5 cable
Posibilidad de en mercado unificado
50 MHz- B
0 50 100
100 MHz-B
200MHz
100 MHz-B
Planes de frecuencia
paso bajo
Plan de frecuencia
paso banda
N=2048 N=4096 N=1024
2 10030MHz
-20
-50
dBm/kHz
N=4096cp=512α=512
α αN+cp+α
cp NN
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
30 dB
¿Por qué usar pulsos no rectangulares?
Ventana rectangular: reducido confinamiento espectral con un espectro en forma de sinc.
Ventana no rectangular: con una pendiente adecuada es posible atenuar los lóbulos secundarios y minimizar la radiación fuera de banda.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
1000 2000 3000 4000 50000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
[n] muestras
Am
plit
ud (
v)
= 0
= 64
=128
=512
100 200 300 400 5000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
[n] muestras
Ventana rectangular
Suavizado en extremos
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
/
Espectr
o n
orm
aliz
ado (
dB
)
= 0
= 64
=128
=512
0 1 2 3 4 5 6
x 10-3
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
/
Ventana rectangular
22
Pulse-shaping en el transmisor
• Permite utilizar un mayor número de portadoras próximas a los bordes de la máscara de DEP de transmisión
• Reduce la ICI en el receptor: la interferencia entre portadoras será menorpues existe un mayor confinamiento espectral.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
29 30 31 32 33-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (MHz)
Norm
aliz
ed t
ransm
itte
d P
SD
(dB
)
= 0
= 64
=128
=512
No cumple con la máscara de DEP
30dB
23
Pulse-shaping en el transmisor
• Permite utilizar un mayor número de portadoras próximas a los bordes de la máscara de DEP de transmisión
• Reduce la ICI en el receptor: la interferencia entre portadoras será menorpues existe un mayor confinamiento espectral.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
29 30 31 32 33-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (MHz)
Norm
aliz
ed t
ransm
itte
d P
SD
(dB
)
= 0
= 64
=128
=512
No cumple con la máscara de DEP
30dB
24
Pulse-shaping en el transmisor
• Permite utilizar un mayor número de portadoras próximas a los bordes de la máscara de DEP de transmisión
• Reduce la ICI en el receptor: la interferencia entre portadoras será menorpues existe un mayor confinamiento espectral.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
29 30 31 32 33-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (MHz)
Norm
aliz
ed t
ransm
itte
d P
SD
(dB
)
= 0
= 64
=128
=512
25 26 27 28 29 30 31 32-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
Frequency (MHz)
Norm
aliz
ed t
ransm
itte
d P
SD
(dB
)
= 0
= 64
=128
=512
No cumple con la máscara de DEP
Portadoras próximas a la frecuencia de transición reducen supotencia para cumplicarcon la máscara de DEP
30dB
25
Windowing en el receptor
• Reduce la distorsión. La interferencia entre portadoras es menor por un mayor confinamiento espectral.
• Una ventana no rectangular minimiza el ruido aditivo por subportadora.
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
10
20
30
40
50
60
70
Frecuencia (MHz)
SN
DR
(d
B)
= 40
= 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
2
4
6
8
10
12
Frecuencia (MHz)
Bits p
or
po
rta
do
ra
= 40
= 0
SNDR (dB) Bits por portadora
>20 dB
>4 bits
26
Índice1. Introducción
¿Qué es el PLC?
Aplicación a vehículos
Objetivos y motivación de este trabajo
2. Modelo del sistemaCaracterísticas del canal
Modelo de canal
Parámetros del sistema. Estándar G.hn
¿Por qué usar pulsos no rectangulares?
• 3. Análisis de prestaciones Evaluación con pulse-shaping en transmisión
Mejora por usar windowing en recepción
4. Conclusiones
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
27
Parámetros de simulación
• Cálculo de régimen binario en dos etapas
1. Transmisón sobre todas las portadoras útiles y cálculo de SNDR
Asignación de bits por portadora
2. Si sobre alguna de las portadoras no se puede transmitir se repite el paso 1
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Simulaciones:BPSK y M-QAM, M=2b, b=2..12 bitsRestricción de BER de 10-3
N=4096cp=512α=512
α αN+cp+α
cp NN
Ventana coseno alzado tanto para pulse-shaping en transmisión como windowing en recepción
72 canales
28
β
Análisis de prestaciones
CDF Tasa binaria
50% 315 Mbps
0% 169 Mbps
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
100 200 300 400 500 600 700 800 9000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tasa binaria media (Mbit/s)
CD
F
0 5 10 15 20 25 300
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Ganancia de tasa binaria media (%)C
DF
= 2
= 4
= 10
= 20
= 40
=100
CDF de Tasa binaria media (Mbit/s) CDF de Ganancia de tasa binaria media (%)
β=0
β CDF Ganancia
2 50% >2.5%
100 50% >6%
Pulse-shaping Pulse-shaping + windowing
29
Índice1. Introducción
¿Qué es el PLC?
Aplicación a vehículos
Objetivos y motivación de este trabajo
2. Modelo del sistemaCaracterísticas del canal
Modelo de canal
Parámetros del sistema. Estándar G.hn
¿Por qué usar pulsos no rectangulares?
3. Análisis de prestacionesEvaluación con pulse-shaping en transmisión
Mejora por usar windowing en recepción
• 4. Conclusiones
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
30
Conclusiones
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
31
Evaluación sistema OFDM sobre la red de alimentación de un vehículo basado en estándar G.hn
Uso de medidas en la banda [0-100] MHz
Pulse shaping
▫ Regímenes binarios >315 Mbps en el 50% de los canales
▫ Se alcanzan valores superiores a 800 Mbps (canales directos)
▫ Regímen binario mínimo de 169 Mbps
• Beneficio de windowing
▫ Ganancias sin necesidad de modificar el transmisor!!
▫ En el 50% de los canales
con β=2 se consigue una ganancia del 2.5% (8 Mbps para 315)
con β=100 se consigue una ganancia del 7% (22 Mbps para 315)
Determinar parámetros óptimos
Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010
Alguna pregunta
Gracias por su atención
Este trabajo ha sido subvencionado por la Junta de Andalucía bajo el proyecto nº TIC-03007
Los autores agradecen la colaboración de Fiat Málaga
32