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Introduzione
L’interesse di questo elaborato si è concentrato sul sistema UMTS – Long Term Evolution, che rappresenta la più convincente proposta per il futuro delle telecomunicazioni cellulari; questo sistema può essere considerato l’evoluzione della terza generazione della rete cellulare (UMTS).
Long Term Evolution (LTE) nasce da un consorzio misto industriale e accademico, denominato Third Generation Partnership Project (3GPP), che tra i vari progetti ha proposto appunto quello
che interessa il futuro delle reti mobili cellulari. La maggior parte del lavoro svolto è stato dedicato allo studio e alla messa a punto software dell’algoritmo di recupero del sincronismo di timing, da implementare in un ricevitore LTE che, come è noto, rappresenta uno dei blocchi più critici per l’intera catena di trasmissione. Durante lo sviluppo di queste funzioni, sono inoltre state prese in considerazione le problematiche inerenti una futura possibile esecuzione del codice su una piattaforma hardware, progettata e assemblata per tale applicazione, composta principalmente da un FPGA e da un DSP. Nel capitolo 1 viene introdotto il presente delle reti mobili cellulari, ovvero UMTS, con tutte le principali specifiche di sistema e la tecnica di accesso al mezzo CDMA; di questa tecnica ne viene poi presentata la provenienza dall’ambiente militare per la sua robustezza alle interferenze sia a banda stretta che a banda larga. Successivamente viene descritto il graduale passaggio da UMTS fino a LTE, attraverso soluzioni intermedie quali HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) e HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). In seguito vengono esposti gli obiettivi che si prefigge LTE in termini di velocità trasmissive, allocazione ed efficienza spettrale, gestione della mobilità, copertura e compatibilità con reti cellulari di generazioni precedenti. Successivamente viene presentata brevemente la tecnica di trasmissione multiportante OFDM, che per la prima volta viene utilizzata in questo tipo di sistemi di trasmissione e che consente di raggiungere gli obiettivi sopra accennati. Infine, al termine di questo capitolo, viene presentato lo standard LTE, in direzione downlink, che, stando alla base dell’argomento centrale del presente elaborato di tesi è stato esaminato a fondo. Quindi vengono presentati il framing di LTE, l’allocazione delle risorse trasmissive sia nel tempo che in frequenza, i segnali di riferimento ed i segnali di sincronismo primario e secondario.
Introduzione
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Nel capitolo 2 vengono per prima cosa presentati i ricevitori per trasmissioni OFDM, mostrando in particolare l’architettura di due esempi di ricevitori rispettivamente ottimizzati per due diverse applicazioni. In seguito si introduce la parte simulativa oggetto di questa tesi, illustrando prima la catena di trasmissione su cui sono state effettuate le simulazioni e, successivamente, presentando lo schema a blocchi del trasmettitore utilizzato per studiare le prestazioni del ricevitore LTE sotto test. Il capitolo termina con l’analisi dello schema a blocchi del ricevitore, soffermandosi sulle operazioni da esso svolte, quali in particolare il filtro di ricezione e l’equalizzazione.
Il terzo capitolo è incentrato sulla descrizione funzionale e dettagliata del blocco di sincronismo temporale (time recovery) implementato per il ricevitore LTE, e già introdotto nel capitolo 2. L’algoritmo di time recovery del ricevitore costituisce la parte principale, che è stata testata con le simulazioni effettuate nell’ambito di questo lavoro di tesi. Tale algoritmo viene eseguito in due fasi, una prima fase detta di sincronismo coarse ed una successiva di sincronismo fine. La trattazione dettagliata della parte relativa al sincronismo coarse non è oggetto di questa tesi, tuttavia per questioni di completezza e per maggiore comprensione del sincronismo fine è anch’essa presentata seppur sommariamente. Il sincronismo fine, invece, viene descritto in maniera esaustiva, iniziando col mostrare lo schema logico delle funzioni svolte da tale blocco e, successivamente, entrando nel dettaglio delle operazioni implementate, inserendo laddove ritenuto opportuno, trattazioni analitiche, grafici e tabelle. Alla fine del capitolo vengono fatti dei cenni alle implementazioni software, soffermandosi in particolare su come i blocchi logici si mappino sulle funzioni che compongono il codice scritto. Questa sezione non deve essere intesa come una guida istruzione per istruzione del codice scritto, per la quale si rimanda all’appendice software, inserita più avanti, quanto piuttosto come una descrizione logica sequenziale delle macro‐operazioni più importanti eseguite dal software.
Il capitolo 4 presenta per prima cosa il file di configurazione del simulatore del ricevitore LTE implementato; vengono descritte tutte le impostazioni del software, controllabili dall’esterno, che consente così di simulare scenari trasmissivi diversi. In particolare sarà possibile, ad esempio, impostare la banda trasmissiva, le condizioni di rumorosità su cui effettuare le simulazioni ed un’eventuale scostamento di frequenza tra il clock di trasmissione e quello di ricezione. Successivamente vengono presentate le curve di probabilità d’errore sul bit (BER), ottenute come risultato di molteplici simulazioni, al variare del rapporto segnale‐rumore per il
Introduzione 5 ricevitore LTE, sia nel caso di trasmissione su 5 MHz, sia nel caso di trasmissione su 10 MHz, che sono le bande trasmissive che interessano l’applicazione. Tali curve consentono una valutazione delle prestazioni di tale ricevitore, in quanto negli stessi grafici viene anche riportato l’andamento delle BER nel caso di trasmissione ideale. Infine viene introdotta la tecnica del MIMO (Multiple Input Multiple Output), come possibile evoluzione da aggiungere al codice attuale, dato che consente di ottenere miglioramenti in termini di velocità trasmissive e di regioni di copertura senza dover utilizzare bande aggiuntive o aumenti di potenza trasmessa. Viene infine inserita un’appendice software, che contiene tutto il codice, scritto in linguaggio di programmazione C++, relativo all’implementazione del blocco di sincronismo.
