ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA TRASMISSIONE DI UN SEGNALE LTE SU COLLEGAMENTO OTTICO ANALOGICO

Transcript

1 ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di laurea magistrale in Ingegneria delle Telecomunicazioni Dipartimento di Elettronica, Informatica e Sistemistica Tesi di laurea in Sistemi e circuiti ottici e a radiofrequenza M TRASMISSIONE DI UN SEGNALE LTE SU COLLEGAMENTO OTTICO ANALOGICO Candidato: VALERIO FRANCESCO PIRRERA Relatore: Prof. Ing. GIOVANNI TARTARINI Correlatore: Ing. DAVIDE VISANI Anno Accademico Sessione III

2 1. Capitolo introduttivo 1.1 Sistemi Radio over Fiber Caratteristiche generali Con il termine Radio over Fiber (RoF) si indica la tecnologia usata per la trasmissione di un segnale radio su un collegamento in fibra ottica attraverso la modulazione della radiazione emessa da un diodo Laser. Anche se la trasmissione del segnale radio su fibra viene utilizzata per diversi scopi, come ad esempio nella televisione via cavo (CATV), nelle reti cellulari e nelle stazioni di base satellitari, il termine RoF è di solito applicato quando la trasmissione è effettuata per garantire un accesso wireless al segnale nei sistemi mobili cellulari. Nei sistemi RoF i segnali radio sono trasportati in forma ottica tra una stazione centrale trasmittente detta Base Trasmission Station (BTS) e una serie di destinazioni, comunemente note come RAU (Remote Antenna Unit) o RS (Remote station), prima di essere irradiati verso i dispositivi mobili che si trovano all'interno dell'area servita dalla RS. Figura 1.1 Sistema Radio over Fiber (RoF) 1

3 Architetture I sistemi di trasmissione RoF sono generalmente classificati in due categorie principali a seconda del campo di frequenza del segnale trasportato: sistemi RoF a RF (Radio Frequency) e sistemi RoF a IF (Intedermediate Frequency) a) Architettura RoF a Radio Frequency Il segnale dati ad alte frequenze (generalmente superiori a 10 Ghz) viene modulato ed è successivamente trasportato sul collegamento ottico fino alle RS. Quindi il segnali è distribuito per via ottica alle stazioni base direttamente ad alte frequenze e convertito poi dal dominio ottico a quello elettrico sulle stesse RS, prima di essere amplificato e irradiato da un'antenna. Come risultato nelle diverse stazioni di base non è richiesta nessuna conversione di frequenza in salita ottenendo in tal modo un implementazione delle BS semplice e piuttosto conveniente b) Architettura RoF a Intermediate Frequency Il segnale, generalmente a frequenze superiori ai GHZ, è trasmesso sul collegamento ottico a frequenze intermedie. Pertanto, prima della trasmissione wireless verso i dispositivi mobili, il segnale deve essere convertito a RF nell'antenna remota. Vantaggi L'uso della tecnologia RoF si è ampiamente sviluppato negli ultimi anni per una serie di indubbi vantaggi che ne derivano: basso costo delle trasmissione, bassa complessità, ecc... a)bassa attenuazione I segnali trasmessi su fibra ottica subiscono generalmente un attenuazione con la distanza inferiore a quella di altri mezzi trasmissivi, soprattutto se confrontati con un trasmissione wireless. Questo mi permette di ridurre notevolmente il numero di ripetitori lungo il percorso del segnale. b) Bassa complessità La tecnologia RoF fa uso del concetto di stazione remota, precedentemente menzionato. Tale stazione è costituita solo da un convertitore ottico-elettrico (O / E) ( e un convertitore opzionale di frequenza), dagli opportuni amplificatori e dall'antenna. Ciò significa che la gestione delle risorse radio, nonché la circuiteria necessaria alla generazione del segnale, è spostata dalla RS alla BTS, semplificando cosi l'architettura. c) Riduzione del costo Una struttura più semplice della RS, cosi come definita nel punto precedente, significa costi minori in termini di installazione delle infrastrutture e di consumo energetico dei dispositivi e contribuisce in maniera decisiva ad abbassare i costi dell'installazione e della manutenzione della rete. 2

4 d) Usi futuri La tecnologia Rof è una tecnologia cosiddetta protocol transparent, ovvero non prevede protocolli specifici da seguire nell'utilizzo, ed è quindi adattabile a diversi tipi di reti, anche a future generazioni di reti. Applicazioni a) Accesso alle dead zones Un'importante applicazione di RoF è data dalla possibilità di fornire una copertura wireless anche in zone in cui non è possibile il collegamento backhaul wireless. Queste zone possono essere aree interno di una struttura come un tunnel, le aree dietro gli edifici, luoghi o aree montane isolate, zone con un alta densità di persone, ma temporanea, come avviene negli eventi sportivi. In questi casi tramite la fibra si possono raggiungere piccole antenne poste nei luoghi citati che re irradiano il segnale a bassa potenza con un notevole vantaggio in termini di consumo di potenza ( e quindi di durata delle batterie dei terminali mobili) nonché di inquinamento elettromagnetico. b) FTTA (Fiber to the Antenna) Utilizzando un collegamento ottico direttamente connesso all'antenna, il venditore di dispositivi può ottenere diversi vantaggi, come perdite di linea basse, immunità ai fulmini / scariche elettriche e una complessità ridotta della stazione base. Obiettivo della tesi è stato in prima istanza il miglioramento di un sistema precedentemente realizzato, costituito da un trasmettitore e un ricevitore realizzati secondo le specifiche dello standard 3GPP LTE da utilizzare in un collegamento RoF. Tale miglioramento è volto al recupero alla sincronizzazione di frame all'interno del segnale ricevuto nonché ad una equalizzazione più continua della fase del segnale, passi necessari per una corretta interpretazione del segnale stesso. In seconda istanza il segnale generato dal trasmettitore è stato trasmesso attraverso un canale RoF reale, nella fattispecie diversi tipi di fibra ottica, per potere effettuare delle misure che mi permettessero di valutare la qualità del segnale ricevuto. Le misure considerate sono state quelle del' ALCR ( Adjacent Channel Leakage power Ratio) e dell' EVM (Error Vector Magnitude), il cui significato sarà illustrato in seguito. Nella figura 1.2 in pagina seguente è stato rappresentato uno schema riassuntivo del sistema usato. 3

5 Figura 1.2 Sistema di trasmissione e ricezione di un segnale LTE realizzato nella tesi Nella figura è stato messo in evidenza innanzitutto il trasmettitore, realizzato su un comune PC in ambiente Matlab e tramite il software Simulink. Un esempio del software è riportato nel fumetto sovrastante il trasmettitore. I campioni del segnale generato dal trasmettitore sono stati portati con la chiavetta sullo strumento MS8230A, che a partire da essi genera un segnale analogico da trasmettere su un mezzo fisico quale la fibra ottica riportata in figura. Lo strumento ha la medesima fibra sia come input che come output. Il segnale ricevuto dopo la trasmissione sulla fibra è stato quindi nuovamente campionato dal MS e tramite chiavetta i campioni sono stati riportati sul PC. Sul PC i campioni sono stati inseriti in ingresso al ricevitore, realizzato sempre in ambiente Matlab ma tramite linguaggio Matlab per una maggiore semplicità. Il ricevitore mi permette di analizzare e valutare la qualità della trasmissione. Le misure di cui prima, ACLR e EVM, sono state realizzate rispettivamente sullo strumento e sul ricevitore. 4

6 1.2 Lo standard LTE Lo standard LTE ( Long Term Evolution), è uno standard per la comunicazione wireless di dati ad alta velocità per telefoni cellulari e terminali di dati. Si basa sulle precedenti tecnologie di rete GSM/EDGE e UMTS/HSPA, aumentandone però la capacità e la velocità di trasmissione grazie all'adozione di nuove tecniche di modulazione. Lo standard è stato sviluppato dal consorzio 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). Anche se comunemente indicato come un tipo di servizio wireless 4G, l'attuale versione dello LTE (Release 8), non soddisfa ancora i requisiti imposti dall'organizzazione ITU-R per la quarta generazione dei telefoni cellulari, che saranno soddisfatti solo con le future versione ( LTE advanced) Le specifiche dello standard Lo standard LTE prevede le seguenti specifiche: Download e Upload rate In download e in upload sono previste rates massime rispettivamente di Mbit/sec e di 75.4 Mbit/s, raggiungibili o meno a seconda della categoria del terminale mobile ( User Equipment UE). Lo standard prevede infatti 5 categorie di terminali mobili, capaci di processare fino a 20 MHz di banda di canale. Latenze Lo standard prevede tempi di latenza nel trasferimento dati inferiori ai 5msec in condizioni ottimali, nonché tempi di latenza nell'handover e nel tempo di set up della connessione inferiori a quelli dei precedenti standard. Tecniche di modulazione Le tecniche di modulazione previste sono l' OFDMA nella tratta di downlink, versione della tecnica di modulazione ortogonale OFDM, e la SC-FDAM in quella di uplink (Single Carrier FDMA). Tecniche di duplex ing Lo standard supporta sia la tecnica di trasmissione FDD ( Frequency Division Duplexing), ovvero con trasmissione in downlink e uplink su bande diverse e dedicate, che la tecnica TDD (Time Division Duplexing), ovvero una trasmissione sulla stessa banda di frequenze in entrambi i versi ma in intervalli di tempo alternati. Nella tesi abbiamo preso in 5

7 considerazione il canale di downlink con tecnica di duplexing FDD per la realizzazione del trasmettitore e del ricevitore. Bande operative Le bande operative previste sono differenti a seconda della tecnica di duplexing. Nelle condizioni di cui prima (downlink, FDD) abbiamo scelto tra le bande operative la banda 1 (2110 MHz 2170 MHz) e la banda 5 ( 869 MHz 894 MHz). Le larghezza di banda ( channel bandwidth o CB) previste per il canale di trasmissione sono le seguenti: 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 20 MHz, variabili a seconda delle esigenze degli operatori e dei servizi celle. Nella tesi effettueremo la trasmissione del segnale con tre di queste bande, ovvero a 1,4 MHz, 3 MHz, 20 MHz. Ampiezza celle Le celle in cui avviene le trasmissione variano dalle femto-celle di poche decine di metri di raggio fino a macro-celle di 100 km. Nelle aree urbane le celle sono tipicamente dell'ordine di 1 km o inferiore. Architettura Lo standard non prevede Base Station classiche ma i cosiddetti enodeb, ovvero stazioni base in cui però la gestione delle risorse è demandata a livelli superiori dell'architettura La tecnica OFDMA L' 'Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) è una tecnica di trasmissione consistente in un tipo di modulazione multi-portante, ovvero che utilizza un numero elevato di sotto-portanti tra loro ortogonali. Questo semplifica notevolmente le architetture del trasmettitore e del ricevitore, evitando l'introduzione di singoli filtri per ciascun sotto-canale. Ortogonalità significa anche un'elevata efficienza spettrale, a parità di bitrate, arrivando ad utilizzare pienamente la banda disponibile, con uno spettro quasi bianco. Di contro l'ortogonalità richiede una sincronizzazione estremamente elevata tra le frequenze locali del ricevitore e del trasmettitore, perché una deviazione di frequenza causerebbe il fenomeno del cross talk ( interferenza co-canale). La trasmissione binaria viene quindi divisa dapprima in N flussi paralleli, ognuno dei quali corrisponde a una diversa portante all'interno della banda di frequenza scelta. Gli N flussi paralleli vengono creati tutti nello stesso istante e poi inviati ai modulatori, per una modulazione di tipo convenzionale e eventualmente diversa da portante a portante. Nello standard LTE si usano modulazione QAM a diversi livelli, nello specifico 4-QAM (equivalente al QPSK), 16-QAM e 64-QAM, con un basso symbol rate, in modo da mantenere un data rate simile agli schemi a singola 6

8 portante. La suddivisione in sotto-portanti permette di non incrementare la frequenza di simbolo per aumentare la velocità di trasmissione. Il vantaggio primario dell'ofdm rispetto agli schemi a singola portante usati in standard precedenti per reti cellulari è la possibilità di effettuare la comunicazione anche in condizione pessime del canale, ad esempio nel caso in cui il canale di comunicazione sia affetto dal fenomeno del multipath. Tale fenomeno avviene quando arrivano sul ricevitore diverse repliche del segnale, a causa ad esempio di ostacoli che riflettono il segnale durante la propagazione- Quando le repliche del segnale si combinano al ricevitore possono verificarsi fenomeni di interferenza costruttiva (repliche combinate in fase) o distruttiva (repliche in controfase), di conseguenza il segnale ricevuto risulta distorto per un fenomeno di fading selettivo. Il sistema OFDM risulta molto robusto al fading selettivo, rispetto alle modulazioni a singola portante, in quando le portanti a banda stretta occupano una piccola porzione dello spettro, dove la risposta del canale è sostanzialmente piatta, non distorcente. Mantenere un basso symbol rate permette inoltre di ridurre l'interferenza inter simbolo ( ISI) grazie alla presenza di intervalli di guardia di durata accettabile tra i segnali trasmessi. La riduzione dell' ISI è inoltre aumentata dall'uso del prefisso ciclico o CP, ovvero la ripetizione dell ultima parte del simbolo stesso. In ricezione le repliche del segnale giungono in istanti diversi e, se il ritardo è inferiore alla durata del prefisso stesso, non vi è sovrapposizione fra simboli successivi (con riferimento ai simboli effettivi, escludendo il prefisso). Il CP viene quindi rimosso in quanto non rilevante per il ricevitore. OFDMA è una versione multiutente dello schema di modulazione digitale appena visto. In OFDMA l'accesso multiplo è ottenuto assegnando a ciascun utente gruppi di sotto-portanti per un determinato periodo di tempo, permettendo così di assegnare ad ogni utente quella banda di frequenze in cui il canale presenta condizione di trasmissione più favorevoli Figura 1.3 Multiplazione OFDM all'interno dello standard LTE ( 5 MHz CB) 7