Una Arquitectura Hardware Flexible para Estimación de Relación Señal a Interferencia en Sistemas WCDMA

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1 Una Arquitectura Hardware Fexibe para Estimación de Reación Seña a Interferencia en Sistemas WCDMA Autor : Juan Caros Sáez Ruiz Asociado no..746 Coegiado no. 0.7 Tutor : Peter Nisson Department of Eectroscience, Digita ASIC University of Lund Fecha de ectura : 7/06/0 Caificación : Matrícua de Honor (0)

2 taba de contenidos Introducción.... La Sociedad de a Información.... 3G....3 E Proyecto Fina de Carrera....4 Terminoogía... Sistemas CDMA.... Introducción.... Técnicas de Acceso Mútipe....3 Cómo funciona CDMA....4 Ventajas e inconvenientes Definiciones WCDMA Eección de a soución Introducción Agoritmo de medida de SIR Agoritmo en punto fijo Modeo software de sistema UMTS Introducción Descripción de modeo software Descripción de a arquitectura hardware Introducción Jerarquía superior E coprocesador Boques... 6 Resutados y concusiones Frecuencia de reoj Error de estimación Especificaciones y recursos hardware necesarios Concusión... 4

3 Introducción Introducción. La Sociedad de a Información La evoución de as teecomunicaciones está siendo un factor determinante en a sociedad de finaes de sigo pasado y principios de presente. Tanto a teefonía móvi como Internet no soo están revoucionando a forma de comunicarse, sino que están aupando a una sociedad contemporánea, que dispone cada vez de más información en menor tiempo y mayor faciidad de acceso a ea. Es cada vez más utiizado e término Sociedad de a Información en este principio de sigo que promete acercarnos a mayores avances y faciidades en as comunicaciones entre os hombres, destinadas, como fin útimo, a obtener a prosperidad y bienestar que nuestra propia naturaeza nos impusa a buscar.. 3G Son dos eementos, moviidad y entramado, os que proporcionan a teefonía móvi e Internet, os que se han instaado en nuestra vida cotidiana durante os útimos años. Era obvio pensar que e siguiente paso natura fuera su convergencia. Esa es a tendencia a día de hoy, y para eo nace a idea de Teefonía Móvi de 3ª Generación (3G). La Unión de Teecomunicaciones Internaciona (Internation Teecommunication Union, ITU) comenzó en 985 a especificar os requisitos mínimos que os servicios 3G deberían prestar para ser considerados como taes. Lamó a conjunto de sistemas que cumpían estos requisitos IMT000 (Internaciona Mobie Teecommunications 000), pues, en un principio, fue e año 000 e hito señaado para e anzamiento de os servicios 3G. Durante os útimos años, esta tecnoogía ha sido objeto de intensa investigación y desarroo en todo e mundo, donde su anzamiento es inminente. Motivos comerciaes y poíticos son os que propician que no haya una soa tecnoogía unificada para os servicios 3G. E conjunto IMT000 contiene todas estas tecnoogías. En Europa e sistema 3G es amado Sistema de Teecomunicaciones Móvies Universa (Universa Mobie Teecommunication System, UMTS), y está basado en a técnica de Acceso Mútipe por División de Código de Banda Ancha (Wideband Code Division Mutipe Access, WCDMA)..3 E Proyecto Fina de Carrera E presente texto pretende resumir os contenidos de Proyecto Fina de Carrera, con títuo Una arquitectura hardware fexibe para estimación de a Reación Seña a Interferencia en sistemas WCDMA (A Fexibe WCDMA Hardware Architecture for SIR Estimation), desarroado por Juan Caros Sáez Ruiz en Ericsson Mobie Communications AB a través de un acuerdo Erasmus con a Universidad de Lund... En todo momento se pretende dar una descripción simpe, sin entrar en profundo detae, aunque sin restar, por eo, fiabiidad ni corrección a contenido. Se han omitido as referencias a textos externos, por o que para ampiar e detae se invita a ector a consutar a documentación competa de Proyecto Fina de Carrera..4 Terminoogía La mayoría de os textos originaes sobre 3G, UMTS o WCDMA, y e desarroo competo de estas tecnoogías, se han reaizado en e idioma ingés. Por eo surgen ciertas discrepancias a a hora de traducir a terminoogía. En e presente documento se ha tratado de traducir os términos técnicos a españo con a máxima fideidad de significado, tratando de evitar a masonancia y a incomodidad en e manejo de términos, p.e. señaes de espectro ensanchado (spread spectrum signas). Se ha preferido dejar sin traducir términos que ya están extendidos en nuestro entorno, p.e. software, handover. En cuaquier caso, a a hora de presentar por primera vez un concepto técnico, irá acompañado de su traducción ingesa en cursiva. En genera, siempre que se utiice una paabra de haba extranjera se usará una tipografía cursiva.

4 Sistemas CDMA Sistemas CDMA. Introducción Los sistemas móvies UMTS son sistemas WCDMA. WCDMA está basado en sistemas CDMA. Este capítuo trata de iniciar a ector en esos sistemas mediante una terminoogía sencia. E objetivo es presentar e fundamento y a probemática de estos sistemas para comprender así a finaidad de Proyecto Fina de Carrera, en cuya documentación competa se recoge con mayor detae a descripción de estos sistemas. Sin embargo, no es e objetivo de presente texto, ni de texto competo, e estudio exhaustivo de estos sistemas.. Técnicas de Acceso Mútipe En un sistema de comunicaciones móvies os usuarios no conectan directamente con otro usuario, ago que a veces a distancia entre eos haría imposibe. La comunicación se reaiza a través de una estación base, que cubrirá as transmisiones de un área deimitada amada ceda. E conjunto de as estaciones de sistema componen una estructura ceuar, que hace que ha os sistemas de teefonía móvi se es amen sistemas ceuares. Existen varias técnicas para permitir que os equipos de usuario (user equipment, UE) y a estación base (base station, BS) se comuniquen, compartiendo e mismo medio. usuario usuario usuario usuario usuario usuario + usuario a) FDMA b) TDMA c) CDMA Figura -. Técnicas de acceso mútipe. Acceso Mútipe por División de Frecuencia (Frequency Division Mutipe Access, FDMA): Esta técnica divide e espectro en frecuencia y cada usuario usa una portadora diferente para comunicarse con a estación base durante todo e tiempo. Ver Figura -a. Acceso Mútipe por División de Tiempo (Time Division Mutipe Access, TDMA): Esta técnica divide cada portadora de frecuencia en diferentes ranuras de tiempo, en cada una de as cuaes usa un usuario para acceder a a estación base. Ver Figura -b. Acceso Mútipe por División de Código (Code Division Mutpe Access, CDMA): Esta técnica usa a misma portadora de frecuencia durante todo e tiempo y para todos os usuarios. Los usuarios codifican su seña mediante un código único, antes de transmitira, de forma que es posibe discernir más tarde cada una de as señaes por separado, a pesar de que comparten e mismo espectro en frecuencia. Ver Figura -c. Esta técnica parece ser a que se impondrá mayoritariamente para os sistemas 3G..3 Cómo funciona CDMA Imaginen una habitación con varios interocutores, con conversaciones cruzadas y todos habando a a vez. Seguramente sería un caos. Sin embargo, imaginen que os interocutores utiizan diferentes idiomas. En ese caso cada uno podría captar e mensaje que se transmite en su idioma y abstraero de resto, de forma que as conversaciones en diferente idioma a suyo serían simpemente ruido o interferencia. Ese es e principio fundamenta de Acceso Mútipe por División de Código o CDMA. bit seña de datos chip código PN seña codificada Figura -. Proceso de ensanchamiento de a seña.

5 Sistemas CDMA De entre as diferentes variantes de CDMA, a utiizada en os sistemas comerciaes es CDMA de Secuencia Directa (Direct Sequence CDMA, DS-CDMA). En esta técnica, a seña que contiene a información, en adeante seña de datos, se codifica mutipicando ésta por un código pseudo-aeatorio parecido a ruido o código PN (Pseudo-random Noise-ike Code, PN-Code). Este código se compone de un número N de símboos, a os que amaremos chip para distinguiros de os símboos pertenecientes a a seña de datos a transmitir. La Figura - nos muestra este proceso para una seña en a que e código se compone de 0 chips. En ea, cada uno de os símboos de a seña de datos es mutipicado por todo e código competo, es decir, os 0 chips. Eo revea que e régimen de chips (chip rate) ha de ser 0 mayor que e régimen binario (bit rate) en este caso, y N veces mayor en un caso genera. Así, a seña resutante también tendrá un régimen binario N veces mayor e igua a chip rate. E ancho de banda ocupado será también N veces mayor y, puesto que a potencia transmitida no puede aumentar, su Densidad Espectra de Potencia quedará repartida, de forma que a potencia de a seña resutante contenida en un pequeño margen de espectro será muy baja. A este tipo de señaes se es conoce como señaes de espectro ensanchado (spread spectrum signas)..4 Ventajas e inconvenientes Los sistemas CDMA aprovechan as ventajas que brindan as señaes de espectro ensanchado, que es un concepto más ampio que os propios sistemas CDMA, y que por eo han sido utiizadas a o argo de os años en comunicaciones miitares. Baja Probabiidad de Intercepción: A mutipicar a seña por un código, soamente conocido por e emisor y e receptor, evitamos que a seña pueda ser escuchada por un tercero. Además, a baja densidad espectra de potencia hace muy difíci su detección. Rechazo a as interferencias: A tratarse de señaes de banda ancha y baja densidad espectra de potencia, parecida a a de ruido, hacen también imposibe interferencia intencionada de a seña. Capacidad de Acceso Mútipe: Cuando una seña de espectro ensanchado es recibida, esta es mutipicada de nuevo por e mismo código PN y de esa forma es recuperada. Para una seña recibida por ese receptor y que no haya sido codificada mediante ese código PN, ese proceso generaría de nuevo una seña con e mismo régimen binario e igua a chip rate, con o cua a seña se vería como ruido frente a a seña recuperada. Además de eo existe una ventaja adiciona a compartir a misma porción de espectro, y es que as estaciones base contiguas también usarán a misma frecuencia, o que se convierte en una reutiización de frecuencias idea. Un termina de usuario podrá escuchar a o 3 estaciones base a a vez y así combatir os efectos nocivos de cana de radio tipo Rayeigh o cana de radio con desvanecimientos (Rayeigh fading channe). En a Figura -3 podemos observar a característica tempora de este tipo de canaes. Existen grandes desvanecimientos puntuaes que podrían acabar por cortar a conexión. Sin embargo, usando trayectorias diferentes, provenientes de diferentes puntos de refexión o diferentes estaciones base, y combinando as señaes se evitan estos cortes. La posibiidad de escuchar varias estaciones base, todas a a vez, hace también posibe e Soft Handover, que no es otra cosa que una transición suave entre cedas y que mejora a caidad de servicios, sobre todo os de voz, evitando cortes inoportunos en as comunicaciones. Figura -3. Respuesta impusiona de un cana de radio tipo Rayeigh. Utiizaremos desde este punto a paabra símboo, para generaizar a terminoogía a casos en os que a codificación no sea binaria. Si a codificación fuera binaria, se podría usar e término bit sin ninguna pérdida de rigor. La Densidad Espectra de Potencia representa a cantidad de potencia de a seña en cada componente de frecuencia. 3

6 Sistemas CDMA Los probemas de sistema CDMA provienen, a igua que agunas ventajas, de compartir a misma porción de espectro durante todo e tiempo para acceder a a estación base. Es ógico pensar que si todos os usuarios transmiten con a misma frecuencia y a mismo tiempo, cada uno de eos se convierte en una interferencia para e resto y viceversa. En a Figura -4 podemos observar como hay dos terminaes transmitiendo en una céua. Si a potencia transmitida por ambos terminaes es a misma, en BS a potencia recibida de UE será mayor que a potencia recibida de UE, puesto que éste está más cercano a BS. UE es una interferencia para UE, y si a Reación Seña a Interferencia (Signa to Interference Ratio, SIR) no es suficiente para UE, a seña de este termina no será detectada por a estación base. Este probema es conocido como efecto cerca-ejos (near-far effect). UE BS UE Figura -4. Efecto cerca-ejos (near-far effect). E efecto cerca-ejos es un factor determinante de a capacidad de a ceda, puesto que un soo termina cercano a a estación base podría boquear a resto de terminaes. La única forma de soucionar esto es controando a potencia con a que transmiten os terminaes, de forma que a potencia recibida por a estación base de cada uno de os terminaes sea exactamente a misma. Existen dos técnicas posibes para e contro de potencia. Contro de Potencia en Buce Abierto (Open-oop Power Contro): Esta técnica trata de estimar as pérdidas de cana para cacuar a potencia con a que transmitir. Contro de Potencia en Buce Cerrado (Cosed-oop Power Contro): Esta técnica mide a Reación Seña a Interferencia, SIR, de a seña recibida en BS, proveniente de un UE, y envía un comando de Contro de Potencia de Transmisión (Transmit Power Contro, TPC), indicando si es necesario aumentar o reducir a potencia. E primer método, e contro de potencia en buce abierto, no tiene en cuenta a naturaeza característica de os rápidos e impredecibes desvanecimientos de os Rayeigh fading channes. La función de transferencia de estos canaes es impredecibe, cambia rápidamente y es diferente en cada trayectoria y por tanto es diferente en a conexión BS a UE o downink y en a conexión UE a BS o upink. E segundo método, e contro de potencia en buce cerrado, es capaz incuso de corregir os desvanecimientos si se hiciera o suficientemente rápido. En a tecnoogía CDMA es, por tanto, preferibe un contro de potencia en buce cerrado. Así es especificado en a normativa UMTS. De mismo modo que controamos a potencia de upink, también podemos controar a potencia de downink. De ese modo optimizamos a capacidad de a ceda y a eficiencia en potencia, controando e consumo de energía. Además una ceda congestionada transmite mayor potencia, aumentando su tamaño e interfiriendo a as cedas vecinas. E contro de potencia en downink controa a interferencia interceuar, a igua que e contro de potencia en upink controa a interferencia intraceuar..5 Definiciones WCDMA Wideband CDMA, WCDMA, basa competamente su funcionamiento en e sistema DS-CDMA (ver sección.3). Su uso en UMTS sigue una normativa desarroada por e 3GPP (3 rd Generation Partnership Project). Esta normativa define parámetros como e chip rate, os tipos de moduación en upink y downink, e tipo de contro de potencia, os factores de ensanchamiento (spreading factors) utiizados o e método para generar os códigos PN. Atendiendo a a arquitectura de red de sistema, en a capa física encontramos canaes comunes, que son transmitidos y recibidos por todos os usuarios, y canaes dedicados, que son excusivos para cada uno de os usuarios. Cada UE conocerá excusivamente os códigos de os canaes comunes y os dedicados a é, pero no os códigos de os canaes dedicados a resto de UEs. 4

7 Sistemas CDMA Datos TPC TFCI Datos Pioto sot sot 0 sot sot i sot 4 trama Figura -5. Estructura de una trama de cana dedicado en a conexión downink. Cada uno de os canaes tendrá una estructura de trama definida. En a Figura -5 podemos observar a estructura de trama de cana dedicado en a conexión downink. Cada trama se compone de 5 sots, y cada sot tiene símboos de datos, de contro y símboos pioto 3. Para conocer más sobre a estructura de as tramas y os canaes de a capa física y de transporte de UMTS, as estructuras de os canaes y os parámetros WCDMA, consutar a documentación competa de proyecto. 3 Símboos pioto son enviado por e transmisor y que e receptor ya conoce. Con eos es posibe estimar ciertas características de cana. 5

8 Eección de a soución 3 Eección de a soución 3. Introducción La finaidad de este proyecto es e desarroo de una soución hardware para medida de a Reación Seña a Interferencia, SIR, desde e termina móvi o equipo de usuario. Cómo se expica en e capítuo, esta medida va destinada fundamentamente a formar parte de a impementación de Contro de Potencia en Buce Cerrado de a conexión downink, estrictamente necesario en sistemas WCDMA. Es posibe que no se comprenda a compejidad de os objetivos si no se conocen ciertos detaes sobre os detaes que rodearon e desarroo de este proyecto. Hasta e día de su finaización no existían ninguna soución que proveyera en e suficiente tiempo una estimación de SIR, para poder impementar e Contro de Potencia en Buce Cerrado, pues a cantidad de cácuos necesarios eran demasiada carga para un DSP que controara a arquitectura competa de termina móvi. Eso hacía necesario e desarroo de arquitecturas específicas que se encargaran de procesado de a seña con a suficiente rapidez. Hasta ese momento soamente era posibe e Contro de Potencia en Buce Abierto, mientras que as especificaciones UMTS dejan caro que e Contro de Potencia en Buce Cerrado es fundamenta para e correcto funcionamiento de a tecnoogía. 3. Agoritmo de medida de SIR Una vez definido e entorno en e que nos movemos, os probemas que debemos resover y a importancia de a tarea que tenemos entre manos, es necesario abordar e método que usaremos para medir a SIR. Para eo, es necesario que conozcamos a seña transmitida, ago que no es totamente obvio. Las tramas transmitidas incuyen, dentro de su estructura, símboos de datos, símboos de contro y símboos pioto. Conviene saber que os símboos transmitidos están moduados en QPSK antes de proceso de obtención de a seña de espectro ensanchado. Esto significa que hay cuatro símboos posibes, os cuaes representaremos como números compejos. Como a expicación pretende ser simpe, se omite e uso de a terminoogía propia de a arquitectura de red, centrándose en os dos eementos esenciaes para a impementación de Contro de Potencia en Buce Cerrado: os símboos pioto (piot symbos) y e comando de contro de potencia (TPC). En a Figura -5 se observa e ugar que ocupan os símboos pioto dentro de cada sot transmitido. También se identifica e TPC dentro de a estructura de sot. Cada trama está compuesta de 5 sots. En a Figura 3- podemos observar a imitación de tiempo que tendrá e sistema para estimar a SIR. Dado que e termina móvi soo puede escuchar un número imitado de trayectorias de a seña, e tiempo que transcurra entre a recepción de os útimos símboos pioto y e envío de siguiente TPC está deimitado. Este ímite corresponde a 33.3 µs. sot sot sot 3 sot 4 sot 5 sot sot sot 3 sot 4 sot 5 sot sot T T T min =33.3 µs Figura 3-. Limitación de tiempo para a estimación de SIR y e cácuo de próximo comando TPC. Definida a estructura de a seña recibida y nuestras imitaciones, a tarea se centra en encontrar un agoritmo para poder estimar a SIR. Existen varias opciones, aunque a mayoría pasan por e uso de símboos pioto. Se pueden usar os símboos pioto de cana dedicado, os de cana común o incuso estimar símboos de datos. Los métodos más óptimos combinan as anteriores souciones, sin embargo, a carga computaciona es eevada y a imitación de tiempo en e cácuo podría peigrar, a a vez que aumentarían as especificaciones de ocupación de área en siicio o e consumo de potencia de a soución hardware. 6

9 Eección de a soución La soución eegida se basará únicamente en os símboos pioto contenidos en e cana dedicado a usuario. E agoritmo de cácuo es e presentado en as ecuaciones [ 3- ], [ 3- ] y [ 3-3 ]. Este agoritmo es definido y desarroado en a documentación competa de proyecto. L L = Sˆ = 0 og = = Iˆ [ 3- ] SIR[] k 0 og ˆ γ [] k N [ 3- ] S ˆ [] k = r ( i, k) p( i, k) [ 3-3 ] I Iˆ N i= N * [ k] [ k] * [] k r ( i, k) p( i, k) r ( j, k) p( j, k) [] k = α Iˆ [ k ] + ( α ) I [] k N N = i= j= N * La ecuación [ 3- ] nos da a estimación de SIR en db 4 de cada sot k, tras combinar a Reación Seña a Interferencia de L trayectorias diferentes. En a sección.4 se expica como a tecnoogía WCDMA aprovecha a seña proveniente de varias trayectorias para compensar os desvanecimientos inesperados de cana. La estimación de a potencia de a seña, S, para cada una de as trayectorias se reaiza haciendo a estimación de cana. Esta estimación se reaiza mutipicando cada símboo pioto recibido, r, por e compejo conjugado de teórico símboo pioto de que se trata, p. La estimación de a interferencia, I, se reaiza de un modo parecido, soo que a esta estimación se e reaiza un fitrado (con pesos α y (-α)) con a estimación de sot anterior. De ese modo se consigue una estimación más fiabe, puesto que es esperado que a interferencia recibida no cambie bruscamente. También debemos observar que e termino N se refiere a número de símboos pioto presentes en cada sot recibido, que varía dependiendo de a veocidad de transmisión eegida, pero que en cuaquier caso corresponde a os vaores fijos,4,8 y Agoritmo en punto fijo En a arquitectura de a soución hardware a aritmética se reaizará en punto fijo, por razones obvias. La perdida de precisión frente a as souciones en coma fotante no compensa con e incremento de ocupación de área y consumo de potencia en este tipo de apicaciones. Echando un vistazo a agoritmo es fáci visuaizar que a estimación de a potencia de a seña, S, y de a interferencia, I, tienen agunos cácuos comunes, y que as divisiones presentes en esos cácuos no tienen dificutad, pues se tratan de divisiones por mútipos de. Incuso a división por e factor N- puede abordarse como una mutipicación por un factor /N-, y guardar esos vaores en una taba, pues se trata de un número fijo de vaores y no excesivamente grande (4 vaores). E probema reamente compicado es a división de S por I, ya que se trata de números con un vaor y un rango impredecibe. Las divisiones en as souciones hardware significan gran ocupación de área y varios cicos de computación, ago reamente grave en nuestro caso. E trabajo más duro, por tanto, es idear una soución capaz de reaizar de forma sencia esa división. Para abordar a soución de una forma más estructurada se divide e proceso en partes diferenciadas, a estimación de S e I y a estimación de SIR a partir de S e I. En esa útima parte se reaiza a división. Durante e proceso de diseño, una de as tareas más tediosas es a correcta eección de a anchura de paabra que se utiizará para a arquitectura hardware. En este caso concreto os datos de entrada son números compejos, que se representarán mediante paabras de 6 bits, 8 para a parte rea y 8 para a imaginaria. E dato de saida, a estimación de SIR, será un dato de 3 bits, con una representación 4.8 (4 bits para a parte entera y 8 bits para a parte decima). 8 bits 8 bits Parte Imaginaria Parte Rea Figura 3-. Formato de amacenamiento de os datos de entrada en memoria. 4 La aparición de a función ogaritmo en as ecuaciones es a que denota que a unidad es db en ugar de unidades ineaes. 7

10 Eección de a soución 3.3. Obtención de as estimaciones de S e I En a Figura 3-3 se muestra e fujo de cácuo necesario para obtener tanto as estimaciones de S como de I. Ambas estimaciones se obtienen en e mismo fujo, debido a que ambas comparten ciertos cácuos. En e paso 3 se obtiene a estimación de a potencia de a seña S, y e resto reaizan a estimación de a potencia de a interferencia, I. Es necesario controar e rango de os vaores manejado, para evitar que exista saturación en os vaores. Este proceso se detaa minuciosamente en a documentación competa de proyecto. (8) 8 (6) (7) 4680 (6) 376 (7) (8) 50 (5) shift right - + STEP STEP STEP 3 shift right (9) 8 (7) (8) 6989 (8) 6989 () N z ( α ) STEP 4 STEP 5 STEP 6 Figura 3-3. Fujo de cácuo y operadores para a estimación de S e I Obtención de a estimación de SIR A partir de as estimaciones de S e I obtenemos a estimación de SIR en db. E obstácuo, como ya se ha comentado, es a división de S entre I, por o que se intenta evitar usando ogaritmos. Una división dentro de un ogaritmo se convierte en una resta de ogaritmos. La representación interna de coprocesador es binaria, por o que se usa base para os ogaritmos. Eso reporta ciertas ventajas. La ecuación [ 3- ]queda como se expresa en [ 3-4 ]. [ ] L L [ 3-4 ] [] Sˆ k 0 SIR k = 0 og = og [] = Iˆ k og0 = α og ( Sˆ [ k ]) og [ ] Iˆ k En esta nueva ecuación, [ 3-4 ], se observan ciertos cambios. E cácuo de ogaritmo en base 0 se ha sustituido por e ogaritmo en base, y desaparece e cácuo de a división. En su ugar aparece a exponencia de base como nueva operación. De a senciez de cácuo de a aproximación de estas funciones, a a vez que de a precisión de esa aproximación, dependerá e éxito de todo e trabajo reaizado. En un principio se baraja a posibiidad de usar aproximaciones poinomiaes de Tayor, ago que se descarta debido a ampio rango de os datos de entrada a a función ogaritmo y exponencia. En su ugar se investiga sobre una posibiidad sencia pero efectiva de poder aproximar a función en un rango muy estrecho con más o menos precisión, para posteriormente extender e resutado a todo e rango. Aproximación Linea de a función ogaritmo en base En e caso de a función ogaritmo, se expresa e vaor de og(x) 0.9 Aproximación inea entrada, x, como un número en coma fotante con de a función 0.8 representación binaria, es decir, que e exponente está 0.7 expresado con respecto a una base. x = m n m: mantisa ; n:exponente m < Con esta representación, a función ogaritmo en base se puede aproximar como se expresa en a ecuación [ 3-5 ]. og(x) x Figura 3-4. Aproximación inea de a función ogaritmo en base. 8

11 Eección de a soución De este modo, se reduce a necesidad de aproximación de a función ogaritmo soamente para e rango de vaores [,[. Se reaiza mediante una simpe aproximación inea en un soo paso, como se puede ver en a Figura 3-4. [ 3-5 ] og m = m og x= og ; n ( m ) m < = og m + n En e caso de a función exponencia, e vaor de entrada, x, se descompone en parte entera y parte decima. x = i + d ; 0 d < i : parte entera d : parte decima Mutipicar (o dividir) por un mútipo de en un sistema de representación binaria significa despazar os dígitos significativos a a izquierda (o a a derecha). En a ecuación[ 3-6 ], i impone e número de despazamientos que se e reaizarán a término exponencia d. La dirección de os despazamientos viene determinada por e signo de i. La aproximación de a función exponencia en base, en e rango [0,[, se reaiza de forma inea también, como se expresa en a Figura 3-5 y en a [ 3-6 ]. x og x x = m + n Aproximación Linea de a función exponencia en base Aproximación inea de a función x Figura 3-5. Aproximación inea de a función exponencia en base. [ 3-6 ] d x = d + = i d ; 0 d < = shift ( i) d, ( d, i) x = shift + Este método obtiene os resutados esperados en e rango competo de os datos de entrada a as funciones. La Figura 3-6 representa os operadores necesarios para estas aproximaciones, así como e fujo competo de cácuo de a estimación de SIR a partir de as estimaciones de S e I, junto con e rango de os vaores de os datos de saida. E rango dinámico de a estimación de SIR en db es [-5,0], e cua cubre perfectamente e rango de vaores de interés de este parámetro. '+' '+' [0,6989] [,[ [0,[ + mant / exp separator m - [-8,7] + - [-5,34] int / frac separator d [0,[ [,[ shift ( d +, i ) 8 4 [, ] n [-8,6] i [-8,4] -base Logarithm -base Logarithm '+' 8 4 [, ] 5 6 [, ] mant / exp separator - [,[ [0,[ + m [-5,7] [-5,0] n -base Exponetia [-5,6] 0 og0 Figura 3-6. Fujo de cácuo y operadores en a estimación de SIR a partir de as estimaciones de S e I. 9

12 Modeo software de sistema UMTS 4 Modeo software de sistema UMTS 4. Introducción Los modeos de simuación software son parte fundamenta en e desarroo de un nuevo producto, porque posibiitan a comprobación funciona, de eficiencia y de error de precisión de a soución antes de que e proceso de desarroo haya concuido. Estos modeos juegan siempre un pape importante en a toma de decisiones sobre metodoogías de desarroo y a búsqueda de caminos aternativos más sencios para abordar as souciones sin pérdida de eficiencia. A mismo tiempo, estos modeos presentan unos resutados con garantías para evauar as ganancias que una nueva soución puede aportar, sin necesidad de competar e desarroo de producto. 4. Descripción de modeo software E modeo software desarroado durante este Proyecto Fina de Carrera simua una conexión downink de un sistema de teefonía móvi UMTS. En a Figura 4- se aprecia un diagrama de boques de modeo, en e que es fáci distinguir todos os eementos básicos. La estación base, BS, transmite hacia e equipo de usuario, UE, a través de un modeo software de cana de radio. La función de a conexión desde UE hasta BS es excusivamente a impementación de Contro de Potencia de Transmisión en Buce Cerrado. Esta conexión no pasa a través de ningún modeo de cana de radio y soamente transmite e comando de Contro de Potencia de Transmisión, TPC. ESTACIÓN BASE BS CANAL DE RADIO h( t, τ ) EQUIPO DE USUARIO UE CONTROL DE POTENCIA EN BUCLE CERRADO Figura 4-. Diagrama de boques de modeo software de sistema UMTS. BS genera os datos a transmitir siguiendo a estructura de as tramas de os canaes físicos de sistema UMTS (ver sección.5). Estos datos transmitidos son pasados a través de un modeo de cana de radio tipo Rayeigh (Rayeigh fading channe). E modeo de cana de radio está descrito según as especificaciones de ETSI 5, y simua hasta 3 tipos de entorno: interior (Indoor Office), exterior a interior (Outdoor to Indoor)y vehícuo en movimiento (Pedestrian and Vehicuar). A a saida de modeo de cana de radio tipo Rayeigh se añade ruido gausiano banco aditivo, que simua a interferencia interceuar, es decir, a interferencia que crean as estaciones base contiguas a BS y que son a causa que hace necesario e Contro de Potencia de Transmisión en Buce Cerrado en a conexión downink. UE es un modeo de un receptor tipo RAKE. Estos receptores son capaces de combinar señaes procedentes de varias trayectorias para mejorar a recepción en canaes de radio con desvanecimientos. E modeo de receptor sigue fiemente a estructura de un receptor RAKE rea, prestando especia atención a os conversores anaógico digitaes y su resoución. Dentro de UE se reaiza a estimación de SIR. Esta estimación se reaiza con precisión en coma fotante y utiizando a aproximación en punto fijo descrita en a sección 3.3, y que modea a a arquitectura hardware que es diseñada en este proyecto. La comparación de estas dos estimaciones nos aportará a medida de error de precisión necesaria para evauar a eficiencia de agoritmo en coma fotante y a soución hardware proyectada. Finamente, a estimación de SIR en coma fija se usa para cacuar e comando TPC, que es enviado de UE a BS para impementar e contro de potencia en buce cerrado. Esto útimo es esencia para comprobar que ta se comporta e agoritmo de estimación en coma fija dentro de un sistema competamente funciona. Símboos pioto recibidos Estimación Punto Fijo SIR est Estimación Punto Fotante SIR ref Figura 4-. Boques de estimación dentro de UE. 5 ETSI : European Teecommunication Standardisation Institute, Coegio de Estandarización de Teecomunicaciones Europeo. 0

13 Descripción de a arquitectura hardware 5 Descripción de a arquitectura hardware 5. Introducción La descripción hardware es e producto fina de proyecto. E objetivo primordia de diseño es e cácuo de a SIR utiizando e agoritmo descrito en e capítuo 3. Sin embargo, os continuos avances técnicos a os que estamos acostumbrados en os útimos años, han acortado e tiempo de vida de os productos. Es recomendabe invertir cierto tiempo de desarroo en dotar de fexibiidad a as souciones hardware, pues eo puede aargar considerabemente a vida comercia de un producto. 5. Jerarquía superior E termina móvi que aoja a soución hardware diseñada en este proyecto posee una arquitectura compuesta por una CPU que controa a funcionaidad de termina y e resto de dispositivos, una memoria RAM que se comunica con a CPU y e resto de dispositivos a través de un único bus de datos compartido, y otros dispositivos de os cuaes en este documento soamente estamos interesados en a Unidad de Cácuo o Coprocesador de Estimación de SIR. Este coprocesador comienza e cácuo de SIR a petición de a CPU e indica a esta cuando ha terminado. Los datos de entrada para e cácuo se encuentran amacenados en a memoria RAM compartida. La CPU tendrá además a habiidad de eer y escribir a memoria de programa de coprocesador. 5.3 E coprocesador La fexibiidad decarada de este procesador se traduce en a posibiidad de actuaización de software 6, a a vez que existe un juego de instrucciones ampio y versáti, capaz de reaizar cácuos, pero también estructuras condicionaes o de manejo de posiciones de memoria y registros. La Figura 5- presenta e esquema de data-path de coprocesador. Se trata de una unidad segmentada con 4 etapas. Las unidades segmentadas presentan incontabes ventajas respecto a as souciones en un soo cico entre as que están una profundidad ógica menor y por eo posibiidad de mayores frecuencias de reoj, y una menor atencia en os cácuos, ya que as instrucciones se ejecutan en paraeo. E formato de juego de instrucciones es fijo y de una soa paabra por instrucción, o cua resta compejidad a contro. 5.4 Boques Memoria RAM interna : se usa para amacenar os cácuos internos reaizados en cada paso. ALU y ALU : Se encargan de os cácuos aritméticos entre as posiciones de memoria. Banco de registros de propósito genera : Se usa fundamentamente para amacenar parámetros y para apuntar a posiciones de memoria. También tienen una ALU con a que reaizan cácuos aritméticos y ógicos. Memoria ROM : Existen boques de memoria ROM, que amacenan coeficientes y os patrones de símboos pioto, que no son más que os símboos pioto que se transmiten normaizados. Separación en mantisa-exponente o parte entera-parte decima : Este boque reaiza una abor especia necesaria para impementar a división de números reaes (ver sección 3.3). 6 E contro-path es programabe, por o que existe una memoria de programa y e coprocesador ejecuta as instrucciones como cuaquier otro procesador.

14 Descripción de a arquitectura hardware '+' PROGRAM MEMORY INSTR. REG PC INSTR. DECODER DATA '0' ALU WP_se [hi ow] P_se P_se SHIFT / EXT 'k' rt_se [:0] SI LNP NP NF '0' '+' ADDRESS hi ow hi hi hi hi ow ow hi hi ow ow [3:] ROM Coeff. rt_se PILOT PATTERN MEMORY ALU MANT / EXP SEPARATE INT / FRAC SEPARATE ALU SHIFT LEFT '6' ow hi Figura 5-. Data-path de a arquitectura hardware diseñada.

15 Resutados y concusiones 6 Resutados y concusiones 6. Frecuencia de reoj No es posibe aportar un dato fiabe sobre frecuencia de reoj máxima a a que puede funcionar e circuito impementado. Para eo sería necesario disponer de código de a descripción hardware, reaizar a síntesis de ese código y simuar con e resutado obtenido. Esa simuación se reaiza a nive estructura RTL o nive de retardos reaes. Sin embargo, si que podemos reaizar una estimación de a frecuencia mínima necesaria para e circuito acance e resutado dentro de ímite de tiempo descrito en a sección.5. La frecuencia mínima necesaria para eo es arededor de 0 MHz. 6. Error de estimación E error de estimación es definido como a media de a diferencia entre SIR ref, a estimación de SIR reaizada con e agoritmo en coma fotante, y a SIR est, a estimación de SIR reaizada con e agoritmo en coma fija, es decir, a arquitectura hardware diseñada en e proyecto y usando e programa de agoritmo que aparece en e apéndice C de a documentación competa de proyecto. Se muestran resutados de un cana de entorno interior (IndoorA) y un cana de entorno vehícuo en movimiento (VehicuarB). Cada una de as gráficas presenta resutados para diferentes regímenes binarios o veocidades de transmisión en e cana. Mayores veocidades de transmisión arrojan peores resutados, sin embargo, en cuaquier caso, e error es siempre muy bajo en e rango de -5 a 0 db. 8 Indoor ( trayectoria) A 8 Vehicuar (3 trayectorias) B 6 6 mean(sirref SIRest) [db] mean(sir ref est - SIR ) [db] kbps 0 kbps 30 kbps SIR [db] ref kbps 0 kbps 30 kbps SIR [db] ref Figura 6-. Error de estimación para un cana de entorno interior. Figura 6-. Error de estimación para un cana de entorno vehícuo en movimiento. 6.3 Especificaciones y recursos hardware necesarios Representación en coma fija de 3 bits (4.8) Cácuos con números reaes y compejos Memoria RAM externa Bus de datos (6 bits) Bus de direcciones (8 bits) Contro microprogramado. 30 instrucciones diferentes. Modo de direccionamiento inmediato y por registro paabra por instrucción y formato fijo. Paabra de instrucción de 6 bits Taba 6-. Especificaciones de a arquitectura hardware diseñada. 3

16 Resutados y concusiones RAM Interna ALU Puertos de Saida Sumador (3 bits) Puerto de Entrada Mutipicador (6 bits) Direccionabe por media paabra (64 bits/paabra) 34 paabras. ALU (registros) Boque de Registros Sumador (8 bits) Registros de 8 bits Mutipicador (5 bits) 8 Registros ROM para patrones de símboos pioto 75 paabras (x8 bits/paabra) Unidad Lógica Especia ROM de Coeficientes Separador Mantisa Exponente 8 Paabras (6 bits/paabra) Separador Entero Decima Memoria de Programa 56 Paabras (6 bits/paabra) Taba 6-. Recursos hardware necesarios en a arquitectura. 6.4 Concusión Los recursos hardware requeridos no son excesivos y presentan gran versatiidad para poder ejecutar otros agoritmos o sufrir pequeñas variaciones de diseño sin gran coste de desarroo. La frecuencia mínima de reoj, requerida para obtener a estimación SIR dentro de ímite de tiempo, no es muy ata. Una frecuencia de 0 MHz es fácimente acanzabe por este tipo de souciones impementadas en ASIC o incuso en FPGA. Los resutados de error de estimación presentan un comportamiento de agoritmo y de procesador que entra dentro de os requerimientos. E error de estimación se mantiene bajo dentro de rango de -5 a 0 db. Este rango es satisfactorio para todos os servicios que UMTS debe ofrecer. La precisión en a impementación de un correcto Contro de Potencia en Buce Cerrado no es tan necesaria como a rapidez. Sin embargo, se ha demostrado que con esta soución es capaz de obtener ambas cosas, con o que a estimación SIR es idónea para poder utiizarse en otros procesos 7 en a que es necesaria. Todo eo hace que esta soución sea idónea para impementarse en os nuevos terminaes móvies UMTS, os cuaes se espera que estén dentro de poco en os bosios de os usuarios. 7 Existen otros procesos, como a Estimación de Cana (Channe Estimation), en a que es necesaria una estimación precisa de SIR, y e tiempo también es un factor crítico. 4