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O que é Prefixo Cíclico (CP) no LTE?

Postado por leopedrini terça-feira, 18 de novembro de 2014 06:01:00 Categories: Curso LTE
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Continuando o estudo de pequenos (porém muito importantes) conceitos LTE, vamos falar hoje sobre o CP (Cyclic Prefix).

 

 Objetivo

Nosso objetivo hoje é bem simples e direto: entender o que é o Prefixo Cíclico (CP) e como é utilizado nos sistemas LTE.

 

 

 

O que é CP?

Partindo do próprio nome CP (Ciclyc Prefix), é intuitivo imaginarmos que se trata de um prefixo, uma informação, que se repete periodicamente - é cíclico.

 

Mas precisamos de um pouco mais de informação para saber exatamente do que estamos falando.

Como estamos falando de LTE (embora o conceito se aplique a qualquer tecnologia que utilize símbolos para transportar informação), vamos partir dos símbolos LTE.

 

O nosso tutorial sobre ISI (Interferência entre Símbolos) já nos dá uma pista bem forte do assunto. Quando temos transferência de símbolos (de um receptor a um transmissor) estamos sujeitos ao surgimento dessa interferência.

Se você entendeu bem o que é ISI, e agora já sabe que o CP tem a ver com transferência de símbolos, provavelmente já deve estar concluindo o objetivo do CP: funcionar como uma banda de guarda entre os símbolos LTE.

Já aprendemos que minimizamos bastante a ISI quando tornamos o tamanho do símbolo maior (o tamanho do delay spread se torna relativamente menor comparado ao tamanho maior). Mas por mais que pudéssemos aumentar esse tamanho do símbolo, os efeitos da ISI sempre estariam presentes.

 

Para resolver definitivamente esse problema, a solução é encontrar uma forma onde a parte que seria ‘perdida’ do símbolo pudesse ser ‘recuperada’.

A uma forma de fazer isso é copiando, ou duplicando uma parte inicial do símbolo, e inserindo no final do mesmo. É claro que isso significa aumentar o ‘tamanho’ total deste mesmo símbolo, mas os ganhos compensam.

 

Considerando os mesmos símbolos que utilizamos para demonstrar o problema da ISI, percebemos que com o CP esse problema não mais existe.

 

O que o CP faz é copiar uma pequena parte das informações iniciais (por isso o nome prefixo) para o final de cada símbolo (por isso o nome cíclico).

Dessa forma, o receptor consegue identificar os pontos finais de cada símbolo e correlacionar corretamente as informações, eliminando assim o problema da interferência.

 

Entendemos então porque é um ‘prefixo’, e porque é ‘cíclico’. Falta agora entendermos outro ponto importante.

Esse 'período de guarda' após cada símbolo é um método simples, porém bastante eficiente para os problemas da recepção multipath.

 

O receptor já ‘conhece’ a parte final do símbolo, assim que recebe a primeira componente do sinal, pelo caminho multipath mais curto.

Nesse caso, ele pode fazer a correlação com as informações das demais componentes de multipath, fazendo as correlações correspondentes e obtendo a informação completa.

Além disso, o CP também ajuda a fazer uma estimativa inicial de sincronismos de frequência e tempo, usando o mesmo raciocínio de correlação de informações conhecidas e que chegam ao longo do tempo.

 

E o que podemos então concluir sobre o CP? Quanto maior o CP, mais ‘apto’ ele está a eliminar a ISI, porém maior o tempo total do símbolo - leva mais tempo para transferir a ‘mesma’ informação.

Além disso, dependendo das condições de propagação, pode ser que a parte que seria ‘perdida’ nos símbolos seja diferente.

Por exemplo, em um ambiente urbano, as múltiplas componentes (multipath) vêm de distâncias relativamente pequenas – e o CP pode ser menor.

Já em locais onde as componentes podem vir de distâncias maiores até que 4 km, como uma zona rural.

 

E o que fazer então para se adequar a cada caso?

A solução encontrada foi criar tamanhos diferentes de CP. Um maior, que pudesse ser aplicado em locais com maior probabilidade de multipath de curta distância, e outro complementar, para ser usado em locais com probabilidade de multipath mais longos.

Temos então dois tamanhos de CP definidos pelo 3GPP:

  • Normal CP: com duração de 4.7 micro segundos. Para ser usado no primeiro caso descrito acima. Equivalente a 7 símbolos por slot. Observação: No Normal CP, temos um caso diferente, onde temos 160 time slots para o primeiro símbolo (5.2 micro segundos) e 144 para os demais (4.7 micro segundos). Veremos com mais detalhes o porque disso num próximo tutorial por enquanto, entenda que na Configuração Normal CP usamos 7 símbolos, ou 4.7 micro segundos.
  • Extended CP: com duração de 16.67 micro segundos. Usado no segundo caso. Equivalente a 6 símbolos por Slot (ou 16.7 micro segundos).

Nota: em geral, os ranges de CP em sistemas OFDM variam de 1/4 a 1/32 do período de um símbolo.

Como vimos: se temos dois possíveis tamanhos de CP, podemos ter, dentro de uma mesma rede, valores diferentes de CP!

Considerando um PRB com 7 símbolos (não vamos falar sobre PRB hoje, mas não se preocupe, é assunto do nosso próximo tutorial), temos as correspondências entre tempos de propagação para um CP Normal (até 1.4 km).

 

Vantagens e Desvantagens

Como vimos hoje, é bem simples de entender as vantagens e desvantagens do CP.

A vantagem é que elimina a ISI, e a desvantagem é que reduz o número de símbolos que pode ser transmitido no mesmo intervalo de tempo.

Mas não existiria um método mais eficiente de lidar com os problema derivados da recepção multipath?

Em um outro tutorial já conhecemos por exemplo o Rake Receiver, que tem uma eficiência muito melhor. Mas precisamos sempre analisar o ponto de vista de custo x benefício.

A implementação do Rake Receiver é bem mais complexa, e se não for bem feita, pode até piorar a situação (degradar ainda mais o sistema). Além disso, a capacidade de hardware requerida para sua implementação é muito maior (comparado com o CP).

Como o CP atende bem a necessidade, é a forma utlizada no LTE para eliminação da ISI.

 

Conclusão

Conhecemos hoje mais um conceito utilizado em redes LTE, o Cyclic Prefix (CP), também utilizados em outras tecnologias que utilizam a transferência de símbolos em sua comunicação, preservando porém a ortogonalidade das subportadoras em uma transmissão OFDM.

O CP é um conjunto de amostras que são duplicadas (copiadas e coladas) do fim de cada símbolo transmitido para o seu início, funcionando como um intervalo de guarda, permitindo eliminar a interferência inter símbolos (ISI), praticamente sem a necessidade de hardwares adicionais.