Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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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

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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

Page 2: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 3: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 4: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

¿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

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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

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Aplicación a vehículos

Valladolid, 27-29 de septiembre de 2010

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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

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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

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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

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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

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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

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Page 12: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 13: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

Page 14: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

Modelo de sistema▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor.

▫ OFDM con pulse-shaping en el transmisor y windowing en el receptor.

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A

B

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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

Page 16: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

Page 17: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

Page 18: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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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

Page 20: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

Page 21: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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• 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

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¿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

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Page 23: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 24: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 25: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 26: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 27: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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Page 28: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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

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β

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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

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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

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Page 31: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

Conclusiones

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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

Page 32: Evaluacion prestaciones sistema_ofdm_sobre_red_alimentacion_vehiculo

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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

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