Diseño de arquitecturas eficientes basadas en dispositivos lógicos programables para técnicas de acceso al medio en comunicaciones PLC

Abstract

En el trabajo propuesto en esta tesis se han estudiado, analizado y desarrollado nuevas arquitecturas para la implementación de técnicas de acceso al medio en comunicaciones PLC de banda ancha. Estas arquitecturas se han incluido como periféricos avanzados en un sistema SoC general basado en FPGAs que integra un microprocesador soft encargado de realizar la supervisión del sistema y la gestión de las transferencias de datos. Además, la arquitectura SoC general dispone de un módulo DMA que asegura el flujo de datos necesario para cada técnica de acceso al medio, permitiendo que todo el sistema opere en tiempo real, atendiendo a los requisitos del estándar de PLC de banda ancha. Para la definición de las distintas arquitecturas, se ha realizado un exhaustivo estudio de las técnicas de acceso al medio consideradas. Dentro de este estudio se ha efectuado un análisis de distintos algoritmos para su implementación, evaluándose las opciones más idóneas en cada caso. El análisis de distintas alternativas ha permitido obtener una arquitectura con un bajo consumo de recursos y que a su vez disponga de un tiempo de cómputo que permita la implementación en tiempo real. Esto se ha conseguido con el ratio de paralelismo, el cual ha permitido una reutilización a lo largo del tiempo de los recursos implicados, obteniéndose un compromiso entre tiempo de procesamiento y recursos empleados. Asimismo, dado que las arquitecturas se van a implantar sobre un dispositivo FPGA, es necesario considerar en todo este estudio el efecto de la precisión finita, ya que es determinante a la hora de obtener unas prestaciones adecuadas. Para ello, se ha tenido en especial consideración el dispositivo en el que se iba a realizar la implementación, utilizando el ancho de palabra máximo de las celdas aritméticas y de las memorias disponibles. Para la comprobación de la calidad de las arquitecturas diseñadas se han desarrollado modelos de simulación en coma flotante y en coma fija. La utilización de modelos de simulación permite realizar análisis cuantitativo del efecto de la precisión finita y a su vez comprobar que la implementación desarrollada es correcta. Tanto los modelos de simulación, como las posteriores pruebas experimentales, han sido evaluados en distintas escenarios prácticos, permitiendo una verificación precisa de los datos obtenidos y su corroboración con los resultados simulados. Los escenarios considerados han tenido en cuenta distintos tipos de canales de transmisión, incrementando el nivel de ruido y atenuación gradualmente. En el primer caso se ha empleado un canal ideal, que ha permitido realizar un estudio del efecto de la precisión finita sobre las arquitecturas propuestas. En el segundo caso se ha empleado un cable SMA como canal de transmisión. El cable SMA presenta una buena respuesta en frecuencia y por tanto se puede comparar la calidad de las arquitecturas en un sistema de transmisión completo, cuyo canal se aproxima al ideal. Por último, el tercer caso introduce un canal más agresivo formado por un cable eléctrico de doce metros. Con este canal se ha realizado una estimación del comportamiento de la técnica de acceso al medio en un canal similar al real sin el empleo de ningún módulo de estimación e igualación de canal