Para Llevar 5G a las Áreas Remotas Brasileñas en una Fracción de Tiempo, Inatel Genera Prototipos del Transceptor GFDM

Luciano L. Mendes, Inatel

"La plataforma de radio definido por software con USRP y el Paquete para Comunicaciones de LabVIEW ofreció flexibilidad y productividad incomparables para que el equipo pudiera alcanzar mejores resultados en una fracción del tiempo. En la investigación de 5G, con requerimientos tan exigentes, esto es obligatorio y la solución de NI ayuda a hacerlo posible."

- Luciano L. Mendes, Inatel

El Reto:

La mayoría de la población en Brasil, especialmente en zonas rurales y remotas, carecen de acceso a internet. Los teléfonos móviles que soportan la tecnología 5G pueden conectar a la población más pobre con el mundo exterior, pero Brasil necesita una red confiable y más rápida para servir a 112.7 millones de teléfonos inteligentes. La carrera para cubrir las necesidades y proporcionar la quinta generación de redes inalámbricas (5G) para el 2020 está aumentando.

La Solución:

Usamos el Paquete para Comunicaciones de LabVIEW, USRP RIO y PXI para impulsar la productividad, y desarrollar algunos bloques elementales de un transceptor vectorial de 10 a 20 veces más rápido. Because of this improvement, we could demonstrate a full-duplex Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) transceiver with only six months of development, just a small fraction of what it would have taken with our previous approach.

Autor(es):

Luciano L. Mendes - Inatel
Henry D. Rodrigues - Inatel

 

 

 

Introducción

Inatel, una universidad de ingeniería ubicada en Santa Rita do Sapucaí, Brasil, se especializa en telecomunicaciones, PCs, control y automatización y bioingeniería. Nuestro objetivo principal es asegurar que se cubran las demandas de la sociedad brasileña en términos de infraestructura de comunicación en los futuros estándares de comunicación. Hoy en día, nuestra compañía es el principal competidor en América del Sur que trabaja en la investigación y el desarrollo de la quinta generación de sistemas inalámbricos. 5G se considera la próxima revolución en la comunicaciones. Necesitamos baja latencia y robustez para aplicaciones críticas como cirugía médica a distancia. El Internet de las Cosas (IoT) exigirá que una gran cantidad de dispositivos, que van desde dispositivos portátiles y electrodomésticos hasta vehículos, se conecten a la red. Las zonas remotas y rurales, que hoy no están cubiertas por ninguna solución, pueden beneficiarse con comunicación 5G de largo alcance. Esto permitiría el acceso a Internet a personas de estas áreas, pero también permitiría conectar maquinaria agrícola a la red para convertirse en parte del Internet de las Cosas IoT. Claramente, la capa física 5G debe ser flexible para abordar estos desafiantes y a veces contradictorios.

 

Inatel está impulsando la investigación de 5G para zonas remotas, un tema importante no solamente para Brasil, sino también para varios países con grandes territorios que carecen de una cobertura de Internet aceptable. Las tecnologías disponibles hoy en día no pueden ofrecer soluciones confiables y económicamente viables para el acceso a Internet en zonas remotas.

 

La meta de nuestra investigación es incluir el escenario de zona remota como un modo operativo para redes 5G para contar con capacidades de radio cognitivo asociadas con formas de onda innovadoras y códigos de canal que pueden soportar gran cobertura y baja emisión fuera de banda, permitiendo la selección automática y el uso del espectro libre en cada zona específica.

 

 

 

Información General de la Aplicación


5G para zonas remotas implica dos grandes retos. El primero es técnico. Necesitamos desarrollar una solución con alta eficiencia espectral, utilizando asignación de espectro dinámico y fragmentado y gran cobertura (radio de la celda de 5 km o más). La velocidad de datos pico al límite de la celda debe ser por lo menos igual a 100 Mbps. El otro reto es la estandarización, lo que significa que necesitamos convencer a 3GPP, ITU y otras organizaciones de estandarización que esta solución es factible. Inatel está trabajando en estas dos actividades en asociación con institutos y compañías europeas y brasileñas.

El reto técnico es clave para hacer que 5G para zonas remotas sea comercialmente viable. Depende de espectro licenciado pero libre. Requerimos capacidades cognitivas para diseñar un radio que identifique que una porción del espectro fue ocupada por su propietario principal y entonces la libere. Además de esto, la celda necesita tener más de 50 km de cobertura para obtener un buen número de usuarios y garantizar que el espectro no utilizado no sea continuo para un área tan grande. Requerimos baja emisión fuera de banda para permitir el uso de varias porciones pequeñas y libres de espectro que no son continuas. Sin una capa física (PHY) innovadora que podamos usar para proporcionar un servicio confiable y la estandarización apropiada de la tecnología, no podemos implementar 5G para una red de área remota.

 

Este proyecto consiste en una propuesta de PHY para 5G para aplicaciones de área remota. Usamos la modulación GFDM como forma de onda. Estamos desarrollando estimación de canales, sincronización y codificación basada en múltiples entradas, múltiples salidas (MIMO) en esta forma de onda innovadora. Elegimos GFDM porque el prefijo cíclico es más eficiente en comparación con una multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) y también tiene menor fuga fuera de banda.

 

El mayor problema con esta innovación es el hardware (kits de desarrollo), pues normalmente tiene funcionalidad limitada para comunicación así como el tiempo necesario para probar una idea con el hardware-in-the-loop. Los dispositivos USRP (Universal Software Radio Peripheral) combinan un cabezal de RF avanzado con un FPGA de gran tamaño para procesamiento de señales digitales (DSP). NI ofrece una solución integrada de hardware y software para generar prototipos de transceptores inalámbricos rápidamente y de alto rendimiento. Comenzamos a trabajar con NI debido a los dispositivos USRP, ya que tienen todo lo que necesitamos en una sola caja. Por lo tanto, ya no tenemos que preocuparnos por el hardware y podemos enfocarnos en nuestras contribuciones. Además, encontramos muy interesante la flexibilidad que ofrece el Paquete para Comunicaciones de LabVIEW al combinar VHDL y componentes de software que se ejecutan en el procesador en un solo entorno. Ha sido muy útil, el tener una sola interfaz en la que podemos ejecutar bloques implementados en diferentes herramientas de programación (The MathWorks, Inc. Matlab software, C/C++, y VHDL) Nuestro equipo incluye varios especialistas de VHDL y Verilog que usaron las plataformas de Altera y Xilinx para desarrollo VHDL.

 

Proceso de Validación Desde la Simulación Hasta el Prototipo


Validamos nuestro diseño en el siguiente proceso. Al principio, comparamos el error cuadrático medio normalizado entre el diseño simulado y la salida del procesador, iteramos hasta que recibimos resultados satisfactorios, luego movimos los bloques de programación necesarios al FPGA del USRP para lograr operaciones en tiempo real y realizar la prueba de hardware-in-the-loop.

 

 

 

Usamos herramientas en LabVIEW Communications para implementar el proceso fácilmente. La integración de estos bloques es fácil y no necesitamos emplear tiempo convirtiendo bloques para probar una determinada idea o solución. Un beneficio importante que encontramos fue la habilidad de probar rápidamente nuestras ideas dentro del FPGA usando el Multirate Diagram, una herramienta en LabVIEW Communications en la que se pueden implementar algoritmos DSP de tasa variable de manera intuitiva. Algunos bloques, que desarrollamos en una herramienta de bajo nivel para programar el FPGA, tardaron varios meses en ser implementados correctamente. Debido a algunas modificaciones en nuestro sistema, tuvimos que rediseñarlos. Decidimos comenzar desde cero usando el Multirate Diagram y terminamos en menos de una semana. Así que usar el Multirate Diagram fue de 10 a 20 veces más rápido que el desarrollo FPGA inicial de bajo nivel.

 

 

Estos son algunos ejemplos de lo que hemos hecho con cada lenguaje de programación:

  • Multirate Diagram (herramienta de síntesis de alto nivel)—estimación de canales en el dominio de frecuencia (FFT en potencia de dos, multiplicación, IFFT, relleno de ceros, DFT sin potencia de dos), combinador de codificación espacio-tiempo de bloques (STBC), IDFT no potencia-de-dos
  • VHDL—adaptación de velocidad (inserción/eliminación de bytes dummy para mantener velocidad constante), multiplexor de marco (creación de una estructura de marco), codificador de STBC, inserción y ventanas CP/CS, mapper/demapper de recursos
  • Lógica Gráfica Controlada por Reloj—modem GFDM, sincronización, linealización de pre-distorsión, archivos de alto nivel
  •  VI de FPGA Optimizado (herramienta síntesis de alto nivel)—estimación de SNR y ecualizador SISO

 

 

El transceptor se ejecuta completamente en el FPGA. Aprovechamos la flexibilidad de usar diferentes lenguajes en el mismo proyecto para optimizar nuestro desarrollo y reutilizar código que ya teníamos.

 

El Multirate Diagram nos fue extremadamente útil. Además, usamos la herramienta de LabVIEW Communications para conversión automática de punto flotante a punto fijo para alcanzar rápidamente un radio de error de modulación (MER) de 57 dB (máximo) en el demodulador sin gastar mucho tiempo en conversiones manuales del código simulado en punto flotante para poder ejecutarlo en el FPGA. Esto es importante al usar una constelación de de alto orden como 256 QAM, por ejemplo.

 

 

 

 

Nuestra Solución


Los principales beneficios de nuestra solución son que:

  •  Proporciona una referencia para futuros productos y desarrollo de equipos basados en GFDM
  • Ofrece una solución para la evaluación de rendimiento GFDM en términos de BER, productividad, eficiencias de potencia y espectro, emisión fuera de banda, amplificador de potencia no lineal, deformaciones de cabezal de radio y condiciones reales de canal.
  •  Demuestra que la tecnología actual puede usarse para combatir la carencia conectividad en zonas remotas
  • LabVIEW Communications y el USRP han ofrecido una plataforma consistente para que nuestros ingenieros de desarrollo puedan enfocarse en la implementación de algoritmos, sin perder tiempo desarrollando hardware personalizado o adaptando el código de simulación para poder ser ejecutado en hardware.  El uso del Multirate Diagram en este flujo de trabajo ha reducido drásticamente el tiempo de desarrollo y el tiempo transcurrido desde la idea hasta el prototipo con código funcional ejecutado en el interior del FPGA de algunos meses a semanas.

Creo que podríamos haber logrado los mismos resultados con otras soluciones, pero habría llevado mucho más tiempo. En nuestro margen de tiempo limitado, no podríamos haber alcanzado los resultados que tenemos sin la combinación de LabVIEW Communications, USRP y PXI.

 

No conocemos ningún otro sistema MIMO-GFDM que se ejecute completamente en hardware de alto rendimiento y con todos los bloques PHY necesarios (codificación de canales, estimación de canales, sincronización, MIMO, estructura de marco y más) e implementados para ejecutarse en un FPGA. Creemos que el framework que tenemos hoy en día en LabVIEW Communications es de los primeros diseños de referencia en el mundo para transceptores GFDM.

 

Información del Autor:

Luciano L. Mendes
Inatel

Figura 1. Principales Vectores de 5G
Figura 2. GFDM en Comparación con Emisión OFDM Fuera de Banda
Figura 3a. El Resultado Entre Simulación e Implementación de Bloques del Lado del Procesador
Figura 3b. Comparación del Resultado Entre Simulación e Implementación de Bloques en el FPGA
Figura 4. Código de Diagrama de Velocidad Variable
Figura 5. Diagrama de Bloques de Transceptor GFDM
Figura 6. Transceptor GFDM