Protótipo de Sistema sem Fio para SBCS

Com o crescente aumento na adoção de BEV, a infraestrutura de carregamento enfrenta desafios para atender à demanda de maneira eficiente e sustentável [45]. Um desses desafios é como gerenciar e coordenar em tempo real, de forma eficiente, as operações bidirecionais de carregamento e descarregamento de BEV em uma SG sem causar, por exemplo, sobrecargas à rede elétrica. Uma solução possível para contornar este desafio consiste no uso de tecnologias de comunicação de baixa latência, alta confiabilidade e taxas de transmissão de dados adequadas para esse tipo de aplicação.

Neste contexto, foi desenvolvido um protótipo de sistema de comunicação digital sem fio empregando diferentes técnicas de modulação para aplicações de e–mobilidade, levando em consideração os resultados obtidos nas simulações dos modelos computacionais. O protótipo usa como base a plataforma de SDR (Software Defined Radio) X115 da Nuand [46], [47]. A vantagem do uso do conceito de SDR é que é possível desenvolver sistemas compatíveis com diferentes padrões de comunicação sem a necessidade de mudanças de Hardware, bastando apenas a elaboração de diferentes códigos de Software e conhecimentos fundamentais de processamento digitais de sinais e telecomunicações.

Adicionalmente, como o conhecimento do canal de propagação é uma parte importante das análises, torna-se relevante sua caracterização para aplicações de e–mobilidade. Os modelos de canal podem ser determinados através de simulações computacionais e por medidas de campo. A realização de medidas de campo pode trazer uma maior precisão nas análises e validar os resultados de simulação. Neste contexto, o uso de um analisador de espectro portátil como o adquirido no projeto foi fundamental para a análise do set–up de testes e os resultados obtidos, além de possibilitar a realização das medidas em diferentes ambientes e condições de mobilidade [32], [48], [49].

A Figura 1 apresenta a plataforma SDR X115 utilizada no desenvolvimento dos sistemas de comunicação digitais sem fio analisados.

Figura 1 – Plataforma SDR X115 utilizada.

O sistema de comunicação para SBCS foi desenvolvido para diferentes esquemas de modulação digital convencionais, como o QPSK (Quartenary Phase Shift Keying), 8PSK (8 Phase Shift Keying), 16QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation), e 64QAM (64 Quadrature Amplitude Modulation). Com o intuito de aumentar a robustez do sistema aos efeitos de desvanecimento seletivo em frequência causados pela propagação por multipercursos e melhorar sua eficiência espectral, de forma a melhorar a qualidade da comunicação entre as SBCs e a SG, o sistema também possibilita o uso conjunto da técnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), amplamente empregada nas tecnologias WiFi, 4G e 5G [2], [16], [50].

A Figura 2 apresenta o desempenho do sistema do ponto de vista de BER (Bit Error Rate) em função da Eb/N0 (Bit Energy to Noise Power Spectral Density Ratio) para as diferentes configurações de modulação analisadas. Na Figura 2.a, são apresentados os resultados para os esquemas de modulação convencionais e na Figura 2.b são mostrados os resultados quando a técnica OFDM é adicionada.

(a) (b)

Figura 2 – Desempenho do sistema de comunicação sem fio empregando esquemas de modulação convencionais (a) e esquemas com OFDM (b).

Analisando os resultados obtidos, pode-se verificar que os valores medidos de BER foram muito próximos aos obtidos nas simulações computacionais para canais AWGN (Aditive White Gaussian Noise). Por exemplo, para uma Eb/N0 de 7 dB, tanto o esquema QPSK como o OFDM–QPSK, apresentaram uma BER medida e simulada da ordem de 1·10–3. Também é possível notar que os valores medidos e simulados apresentaram maior similaridade quando empregadas modulações digitais convencionais (Figura 2.a do que quando utilizada a técnica OFDM (Figura 2.b). Por exemplo, para o esquema OFDM–16QAM, a diferença entre a Eb/N0 medida e simulada foi da ordem de 2,5 dB para uma BER de 1·10–3. Este efeito ocorre quando o sinal transmitido apresenta uma PAPR (Peak Average Power Ratio) elevada. Neste caso, à medida que a potência de transmissão aumenta, o amplificador de radiofrequência (RF) satura, gerando distorção [51]. Apesar deste efeito ser mais pronunciado quando a técnica OFDM é utilizada, ele também pode ser notado em menor escala nos esquemas de modulação convencionais à medida que a ordem de modulação aumenta. Por exemplo, para o esquema 64QAM, a diferença entre a Eb/N0 medida e simulada foi da ordem de 0,8 dB para uma BER de 1·10–3.

Visando atender de forma eficiente ao número crescente de SBCS sem a necessidade de um aumento do espectro de frequência, também foi realizado o estudo do uso conjunto das técnicas NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) e OFDM (NOMA-OFDM). Esta característica permite manter a QoS (Qualidade de Serviço) em regiões nas quais o número de carregadores é elevado como, por exemplo, em bairros com alta concentração de BEV e redes públicas de carregamento de BEV.

Dentre as técnicas NOMA existentes, a PD-NOMA (Power-Domain NOMA) tem se mostrado uma das mais interessantes por sua simplicidade de implementação e eficiência. Nesta técnica, os sinais transmitidos pelos dispositivos do sistema são sobrepostos na frequência utilizando alocações distintas de potência. Para a separação dos sinais e recuperação individual das informações enviadas por cada dispositivo é utilizada a técnica SIC (Sucessive Interference Cancellation). Assim, combinando a técnica PD-NOMA com a técnica OFDM, chamada aqui por simplicidade de NOMA-OFDM, pode-se transmitir a informação de mais de um dispositivo em cada um dos subcanais de frequencia do sistema OFDM e aumentar sua eficiência espectral.

Para analisar o desempenho do sistema proposto, foi desenvolvido um protótipo de sistema NOMA-OFDM empregando mapeamento QPSK, onde cada subcanal de frequência do sistema é utilizado para a transmissão simultânea da informação de dois dispositivos, dobrando assim a capacidade do sistema. O usuário que apresenta o pior canal de propagação (usuário U1), transmite com 90% da potência disponível no subcanal, enquanto o outro usuário (usuário U2) transmite com 10% da potência.

A Figura 3 apresenta os resultados de desempenho simulados e medidos do sistema NOMA-OFDM, além do desempenho do sistema OFDM, usado como referência. Os resultados apresentados mostram que os valores medidos experimentalmente são semelhantes aos de simulação para canais AWGN (condições experimentais se aproximam de um canal AWGN). Pode-se verificar adicionalmente que no sistema NOMA-OFDM, U2 requer um acréscimo de aproximadamente 12 dB da Eb/N0 em relação ao necessário no sistema OFDM, enquanto U1 requer um acréscimo de 6 dB. Portanto, nas aplicações onde seja possível aumentar a relação Eb/N0, de modo a manter o desempenho do ponto de vista de BER, pode-se dobrar a capacidade total do sistema e possibilitar a conexão de um número maior de dispositivos sem a necessidade de expansão espectral.

Figura 3 – Desempenho do sistema de comunicação NOMA-OFDM.