Geração em FPGA de sinais LTE

Abstract

O crescimento do tráfego de dados está a colocar exigências sem precedentes nas redes móveis atuais. Os avanços nas tecnologias de acesso rádio estão a acompanhar os requisitos de aumento da capacidade da rede, da qualidade do serviço e do uso mais eficiente do espetro disponível. Estes avanços têm levado ao crescimento de dispositivos cada vez mais sofisticados e, consequentemente, à qualidade das aplicações oferecidas. A contínua evolução da Radio Access Network (RAN) faz-se acompanhar por um conjunto de inovações tecnológicas que ajudam os operadores de telecomunicações a melhorar o desempenho, a cobertura e a qualidade das redes. A tecnologia LTE e, posteriormente, o LTE-Advanced foram os últimos passos dados na transformação das redes de acesso móveis em redes de banda larga móvel, naquela que é conhecida como a quarta geração móvel ou 4G. De forma a otimizar a utilização de recursos de rede e, simultaneamente, minimizar o consumo energético surge o paradigma C-RAN. Esta nova arquitetura propõe uma reorganização e simplificação das atuais arquiteturas de redes de acesso rádio, ao separar as unidades de rádio remotas (RRH) da unidade de processamento de banda base (BBU), permitindo, assim, que diversas RRHs interajam com uma BBU que passa a estar centralizada. Adicionalmente, esta arquitetura necessita de equipamentos com elevada flexibilidade e interoperabilidade como soluções baseadas em Software Defined Radio (SDR). O objetivo principal deste trabalho de dissertação é o projeto e implementação de um gerador de sinais LTE baseado em Field Programmable Gate Array (FPGA) e assente no paradigma SDR e, posteriormente, a integração de uma cadeia de transmissão rádio frequência (RF), implementada com base num front end rádio e responsável pela conversão do sinal entre o domínio digital e o analógico. Com base no sistema desenvolvido, faz-se ainda a apresentação de um demonstrador C-RAN, onde a interface entre a BBU e a RRH é feita segundo a especificação Common Public Radio Interface (CPRI), garantindo assim a total transparência entre equipamentos de diferentes fabricantes. Nesta dissertação, são ainda apresentadas as arquiteturas e os aspetos de implementação dos sistemas e são discutidos os resultados obtidos mediante a análise de medidas de qualidade em banda base e em RF.

The growth in data traffic is placing unprecedented demands on current mobile networks. Breakthroughs in radio access technologies go along with the requirements of increased network capacity and service quality, as well as with a more efficient use of the available spectrum. These breakthroughs have led to a growth of increasingly sophisticated devices and, thus, to a higher quality of the apllications provided.The continuous development of Radio Access Network (RAN) has been accompanied by a number of technological innovations that help telecom operators to improve the performance, coverage and quality of their networks. LTE technology and, later, LTE-Advanced were the latest steps in the transformation of mobile access networks into mobile broadband networks, in what is known as the fourth mobile generation or 4G. In order to optimize the use of network resources while minimizing power consumption, C-RAN paradigm emerges. This new architecture proposes a reorganization and simplification of the current architectures of radio access networks by separating the remote radio units (RRH) from the baseband processing unit (BBU), thus enabling that multiple RRHs interact with one BBU which is now centralized. Additionally, equipment with high flexibility and interoperability is required in this architecture, such as Software Defined Radio (SDR) solutions. The main goal of this study is the design and implementation of an LTE signal generator based on Field Programmable Gate Array (FPGA) and SDR paradigm. Subsequently, it also aims to integrate a radio frequency (RF) transmission chain which is implemented on the basis of a radio front-end and is responsible for signal conversion between the digital and analog domain. Based on the developed system, a C-RAN demonstrator is also presented where the interface between BBU and RRH is according to the Common Public Radio Interface (CPRI) specification, thus ensuring full interoperability between different equipment manufacturers. This study also presents the systems’ architecture and implementation aspects and the results achieved are discussed by analyzing base band and RF measurements.