Estudo e implementação de técnicas de modulação multiportadora baseadas em filtros aplicadas a redes sem fio industriais

Abstract

As técnicas de modulação multiportadora, tais como F-OFDM (Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e FBMC (Filter Bank MultiCarrier), são consideradas novas formas de modulação para tratar alguns requisitos dos sistemas de comunicação sem fio futuros, que não são efetivamente tratados pelos sistemas atuais. Esses requisitos incluem taxas de transferência de dados mais altas, melhor utilização da banda de RF, redução de latência e menor consumo de energia. A OFDM é uma técnica de modulação multiportadora utilizada em diversos sistemas de comunicações, entre eles, o 4G LTE e o IEEE 802.11 a/g/n/ah. Apesar de apresentar diversas vantagens, tais como, implementação de baixa complexidade, maior flexibilidade no esquema de modulação de subportadora, equalização simples e possibilidade de estimativa de canal, a OFDM tem limitações que a tornam menos eficiente para atingir os requisitos de ocupação espectral. A OFDM requer alta precisão de sincronização, onde qualquer erro compromete a ortogonalidade entre as subportadoras e, por consequência, reduz a robustez à ISI (Inter Symbol Interference). Ainda, pelo uso do CP (Cyclic Prefix), que limita a eficiência espectral, a OFDM também apresenta alta OOBE (Out Of Band Emission) resultante da grande potência dos lobos laterais. Portanto, sugere-se uma nova MCM (Multicarrier Modulation), especialmente com vistas a substituir a OFDM em aplicações onde se requer alta robustez, como no Wi-Fi em uso industrial. A FBMC é uma técnica candidata de modulação multiportadora alternativa ao OFDM, pois possui muitas características vantajosas. Por exemplo, a FBMC não inclui CP, em vez disso, adiciona uma filtragem adicional em transmissão e recepção, além de IFFT / FFT estendida, onde filtra-se cada saída da FFT usando um filtro passa-baixa. Esse filtro, denominado filtro protótipo, propicia aumento da eficiência no uso de banda. Esta tese propõe o desenvolvimento da técnica de modulação multiportadora F-OFDM aplicada a redes IEEE 802.11ah, empregando SDR (Software Defined Radio), com o objetivo de melhorar a QoS (Quality of Service). O projeto do filtro sinc usando janelas para a técnica F-OFDM foi aplicado aos parâmetros da camada física do IEEE 802.11ah e simulações no MATLAB, indicam que sua implementação é viável. Simulações no GNU radio mostram que a F-OFDM tem uma menor BER (Bit Error Rate) com relação a CP-OFDM para o modelo de canal dinâmico com desvanecimento Rayleigh-NLOS. Resultados experimentais também demonstram a capacidade do filtro de modelagem espectral da F-OFDM em reduzir o sinal de interferência do canal adjacente na faixa de sinal desejada, melhorando a robustez do enlace.

Multicarrier modulation techniques, such as F-OFDM (Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing) and FBMC (Filter Bank MultiCarrier), are considered new forms of modulation to address some requirements of wireless communication systems futures, which are not effectively handled by current systems. These requirements include higher data transfer rates, better RF bandwidth utilization, reduced latency, and lower power consumption. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) is a multicarrier modulation technique used in several communications systems, including 4G LTE and IEEE 802.11 a/g/n/ah. Despite presenting several advantages, such as low complexity implementation, greater flexibility in the subcarrier modulation scheme, simple equalization and possibility of channel estimation, OFDM has limitations that make it less efficient in achieving spectral occupancy requirements. OFDM requires high synchronization precision, where any error compromises the orthogonality between the subcarriers and, consequently, reduces robustness to ISI. Furthermore, due to the use of CP, which limits spectral efficiency, OFDM also presents high OOBE (Out Of Band Emission) resulting from the high power of the side lobes. Therefore, a new MCM (Multicarrier Modulation) is suggested, especially with a view to replacing OFDM in applications where high robustness is required, such as Wi-Fi in industrial use. FBMC is a candidate multicarrier modulation technique alternative to OFDM, as it has many advantageous characteristics. For example, FBMC does not include CP, instead it adds additional filtering on transmit and receive, in addition to IFFT / extended FFT, where it filters each output of the FFT using a low-pass filter. This filter, called a prototype filter, provides increased bandwidth efficiency. This thesis proposes the development of the F-OFDM multicarrier modulation technique applied to IEEE 802.11ah networks, using SDR (Software Defined Radio), with the objective of improving QoS (Quality of Service). The design of the sinc filter using windows for the F-OFDM technique was applied to the physical layer parameters of IEEE 802.11ah and simulations in MATLAB indicate that its implementation is viable. Simulations on GNU radio show that F-OFDM has a lower BER (Bit Error Rate) with respect to CP-OFDM in dynamic channel estimation with Rayleigh-NLOS fading. Experimental results also demonstrate the ability of the F-OFDM spectral shaping filter to reduce the interference signal from the adjacent channel to the desired signal range, improving link robustness.