Inatel prototipa transceptor GFDM para levar o 5G a áreas remotas do Brasil em uma fração de tempo

Luciano L. Mendes, Inatel

"A plataforma de rádio definido por software da NI, com o USRP e o LabVIEW Communications, ofereceu flexibilidade e produtividade sem iguais, o que permitiu à equipe atingir resultados melhores em uma fração do tempo. Na pesquisa do 5G, com tantos requisitos apertados, isso é obrigatório e a solução da NI ajuda a tornar possível."

- Luciano L. Mendes, Inatel

O desafio:

Uma grande parte da população brasileira, especialmente em áreas rurais ou remotas, não tem acesso à Internet. Os telefones móvel com tecnologia 5G podem conectar as pessoas de mais baixa renda ao restante do mundo, mas o Brasil precisa de uma rede mais rápida e de alta confiabilidade para servir 112,7 milhões de smartphones. A corrida para conseguir fornecer redes sem fio de quinta geração (5G) até 2020 está cada vez mais acirrada.

A solução:

Para aumentar a produtividade de nossa equipe, adotamos o LabVIEW Communications System Design Suite, o USRP RIO e o PXI, o que nos permitiu acelerar de 10 a 20 vezes o desenvolvimento de alguns blocos de nosso transceptor. Com essa melhoria, conseguimos fazer a primeira demonstração de um transceptor de multiplexação por divisão de frequência generalizada (GFDM) em apenas 6 meses de desenvolvimento, uma pequena fração do tempo que seria necessário pela abordagem que utilizávamos anteriormente.

Autor(es):

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

 

 

Introdução

O Inatel é um instituto brasileiro de engenharia localizado em Santa Rita do Sapucaí, Minas Gerais, especializado em telecomunicações, sistemas de controle e automação, computação e bioengenharia. Nosso principal objetivo é garantir o atendimento às demandas de infraestrutura de comunicações da sociedade brasileira dentro dos futuros padrões. Atualmente, nossa instituição é a principal referência na América do Sul na pesquisa e desenvolvimento da quinta geração de sistemas sem fio, uma tecnologia que é considerada a nova revolução das comunicações. Nós precisamos de baixa latência e robustez para aplicações de missão crítica, como por exemplo a realização de cirurgias médicas à distância. A Internet das Coisas (IoT) exigirá uma enorme diversidade de dispositivos, de equipamentos vestíveis e eletrodomésticos a veículos conectados à rede. Áreas remotas e rurais, que atualmente não são atendidas por nenhuma solução, podem se beneficiar com um modo de longo alcance. Esse modo proporcionaria o acesso à Internet às pessoas dessas áreas, mas pode também possibilitar a conexão de máquinas agrícolas, por exemplo, para que elas aproveitem os benefícios da IoT. Claro que a camada física do 5G precisa ter flexibilidade para atender a esses desafiadores e muitas vezes conflitantes requisitos.

 

O Inatel está levando à frente a pesquisa do 5G para áreas remotas, um tópico que é importante não apenas para o Brasil, mas também para diversos países com áreas de grande extensão territorial que não contam com uma cobertura aceitável da Internet. As tecnologias atualmente disponíveis não são capazes de fornecer soluções confiáveis e economicamente viáveis para o acesso à Internet em áreas remotas.

 

O objetivo de nossa pesquisa é incluir o cenário de área remota como um modo operacional das redes 5G, introduzindo recursos de rádio cognitivo associados a formas de onda e códigos de canal inovadores que possam proporcionar ampla cobertura e baixas emissões fora da faixa, permitindo a seleção automática e o uso do espectro livre em cada área específica.

 

 

Visão geral da aplicação


O uso do 5G em áreas remotas apresenta dois desafios. O primeiro é técnico. Nós precisávamos desenvolver uma solução que proporcione alta agilidade na alocação de espectro, usando a alocação dinâmica de espectro fragmentado e cobertura ampla (raio de 50 km ou mais em cada célula). A taxa de dados de pico nas fronteiras das células precisa ser pelo menos de 100 Mbps. O outro desafio é a padronização, o que significa que precisamos convencer o 3GPP, a UIT e outros grupos de padronização de que essa solução é viável. O Inatel está trabalhando nessas duas atividades, em parceria com outros institutos e empresas do Brasil e da Europa.

 

O desafio técnico é essencial para tornar o 5G comercialmente viável para áreas remotas. Isso depende de haver espectro licenciado, mas não utilizado. Nós precisamos de recursos cognitivos para projetar o rádio de forma que ele possa descobrir que um slot do espectro foi ocupado por seu proprietário principal e disparar a liberação desse slot pelo rádio. Além disso, a célula precisa ter uma cobertura maior que 50 km, para ter um número razoável de usuários, com espectro livre não contínuo ao longo de toda essa extensa área. Precisamos também ter baixos níveis de emissões fora da faixa, para possibilitar o uso de muitos slots pequenos de espectro livre que não sejam contínuos. Sem uma camada física (PHY) inovadora, que possamos utilizar para fornecer um serviço confiável e a devida padronização da tecnologia, não é possível implementar o 5G em uma rede de área remota.

 

Esse projeto consiste em uma proposta de camada física para aplicações em áreas remotas com o 5G. Nós utilizamos a modulação GFDM como forma de onda. Estamos desenvolvendo estimativas de canal, sincronização e codificação baseadas na tecnologia MIMO nessa forma de onda inovadora. Escolhemos o GFDM porque seu prefixo cíclico é mais eficiente em comparação com a multiplexação OFDM e também porque apresenta um menor vazamento fora da faixa.

O maior problema com essa inovação é o hardware (kits de desenvolvimento), que normalmente oferece funções de comunicação limitadas, e o tempo necessário para se testar uma ideia com sistemas hardware-in-the-loop. Os dispositivos USRP combinam um front-end avançado de RF com um FPGA de alta capacidade para o processamento digital de sinais (DSP). A NI oferece uma solução integrada de hardware e software para a rápida prototipagem de sistemas de transceptor sem fio de alto desempenho. Nós começamos a usar a NI por causa dos dispositivos USRP, que têm tudo do que precisávamos em um único equipamento. Assim, não precisávamos mais nos preocupar com o hardware, podendo manter o foco em nossas contribuições tecnológicas. Além disso, consideramos atraente a flexibilidade oferecida pelo LabVIEW Communications System Design Suite, que combina em um único ambiente o VHDL e os componentes de software que operam no processador. Having a single interface where we can run blocks implemented in different programming tools (The MathWorks, Inc. MATLAB® software, C/C++, and VHDL) has also been useful. Em nossa equipe, temos diversos especialistas em VHDL e Verilog, que utilizaram plataformas Altera e Xilinx para o desenvolvimento em VHDL.

 

Processo de validação da simulação ao protótipo


Passemos agora à descrição do processo de validação de nosso projeto. Inicialmente, comparamos o erro médio quadrático normalizado entre o projeto da simulação e a saída do processador, fizemos iterações até recebermos resultados satisfatórios e então passamos os blocos necessários ao FPGA do USRP para o testes hardware-in-the-loop para obtermos a operação em tempo real.

 

 

As ferramentas no LabVIEW Communications nos permitiram implementar facilmente esse processo. A integração dos blocos foi fácil e não precisamos gastar tempo convertendo blocos para testar uma determinada ideia ou solução. Um benefício importante que encontramos foi a possibilidade de testarmos rapidamente as nossas ideias com o Multirate Diagram, uma ferramenta do LabVIEW Communications na qual você pode implementar algoritmos de DSP para streaming em múltiplas taxas de maneira intuitiva. Alguns blocos, que havíamos desenvolvido em uma ferramenta de baixo nível para programar o FPGA, exigiram vários meses para serem implementados adequadamente. Devido a algumas modificações em nosso sistema, tivemos de reprojetar esses blocos. Nós decidimos começar esses projetos do zero. Utilizando o Multirate Diagram, essas tarefas foram finalizadas em menos de uma semana.. Dessa forma, utilizando o Multirate Diagram concluímos esses projetos de 10 a 20 vezes mais rapidamente do que o desenvolvimento realizado dos FPGAs em baixo nível.

 

 

 

Apresentamos a seguir alguns exemplos do que fizemos com cada linguagem de programação:

  • Multirate Diagram (ferramenta de síntese de alto nível) — estimativa de canais no domínio da frequência (FFT computada com potência de dois, multiplicação, IFFT, preenchimento com zeros (zero padding), DFT com potência diferente de dois), combinador com codificação em blocos no espaço-tempo (STBC), IDFT com potência diferente de dois.
  • VHDL — adaptação de taxa (inserção/retirada de bytes de enchimento para manter uma taxa constante), multiplexador de quadros (criação de uma estrutura de quadro), codificador STBC, inserção de CP/CS e janelamento, mapeador/demapeador de recursos.
  • Lógica gráfica orientada por clock — modem GFDM, sincronização, linearização por pré-distorção digital, arquivos de alto nível
  •  VI otimizado para FPGA (ferramenta de síntese de alto nível) — estimativa de S/R e equalizador SISO

 

 

O transceptor é totalmente executado no FPGA. Nós aproveitamos as vantagens da flexibilidade do uso de diferentes linguagens no mesmo projeto para otimizar o nosso desenvolvimento e a reutilização dos códigos que já haviam sido desenvolvidos anteriormente.

 

 

Em nossa opinião, o Multirate Diagram foi extremamente útil. Além disso, nós utilizamos essa ferramenta para a conversão automatizada de ponto flutuante para fixo no LabVIEW Communications, o que nos permitiu obter rapidamente uma taxa de erro de modulação de 57 dB (máxima) no demodulador sem que tivéssemos que gastar um tempo longo demais na conversão do código do ponto flutuante na simulação ao ponto fixo para a execução do FPGA. Isso é importante para o uso de uma constelação de alta ordem, como 256 QAM, por exemplo.

 

 

 

A nossa solução


Os principais benefícios de nossa solução:

  •  Oferece uma referência para o desenvolvimento de produtos e equipamentos futuros baseados no GFDM.
  • Fornece uma solução para a avaliação de desempenho do GFDM em termos de BER, taxa de transmissão, eficiências de energia e espectro, emissões fora da faixa, amplificador de potência não linear, descasamentos no front-end e condições dos canais reais.
  •  Demonstra que a tecnologia atual pode ser utilizada para oferecer conectividade ininterrupta em áreas remotas.
  • O LabVIEW Communications e o USRP ofereceram uma plataforma coerente para que os nossos engenheiros de desenvolvimento pudessem se concentrar na implementação do algoritmo, sem gastar tempo desenvolvendo hardware customizado ou adaptando códigos de simulação para execução no hardware.  A introdução do Multirate Diagram nesse fluxo de trabalho reduziu drasticamente o tempo de desenvolvimento, acelerando a implementação de ideias nos blocos executados dentro do FPGA, de alguns meses a semanas.

 

Eu acredito que poderíamos ter obtido os mesmos resultados com outras soluções, mas isso teria levado muito mais tempo. Com nossos prazos limitados, não poderíamos ter obtido os resultados que conseguimos sem a combinação do LabVIEW Communications, USRP e PXI.

 

Não conhecemos nenhum outro sistema MIMO-GFDM executado totalmente no hardware, com alta taxa de transmissão e todos os blocos necessários para a camada física (codificação de canais, estimativa de canais, sincronização, MIMO, estrutura de quadros e mais), implementados para a execução em um FPGA. Acreditamos que a estrutura que temos hoje no LabVIEW Communications é um projeto de referência do primeiro mundo para transceptores GFDM.

 

Informações sobre o autor:

Luciano L. Mendes
Inatel

Figura 1. Principais vetores do 5G
Figura 2. Comparação entre emissões fora da faixa do GFDM e OFDM.
Figure 3a. Resultados entre a simulação e a implementação de blocos no lado do processador
Figure 3b. Comparação do resultado entre a simulação e a implementação de blocos no FPGA
Figura 4. Código de diagrama de múltiplas taxas
Figura 5. Diagrama de blocos do transceptor GFDM
Figura 6. Transceptor GFDM