O primeiro conjunto de resultados apresentado constitui uma comparação entre as topologias descritas no Capítulo 3. Cada uma das três topologias tem suas particularidades de propagação e distribuição de estações, de forma que o perfil de interferência em cada um desses cenários será único e particular. Além disso, foram empregadas antenas com e sem conformação de feixes para todos os casos simulados, sendo a conformação de feixes empregada com painéis de 8x8 e 4x4 antenas para as estações base e terminais de usuário, respectivamente. As antenas sem conformação de feixe utilizadas para os terminais de usuário são isotrópicas, enquanto para as estações base são utilizadas antenas setorizadas, nas topologias macrocelular e hotspot, ou isotrópicas, na topologia indoor. Todas as topologias apresentam aproximadamente o mesmo número de enlaces simulados. As simulações apresentadas nesta seção se aproximam do caso ideal de aplicação do full duplex, com cancelamento de autointerferência perfeito e mesma carga nos enlaces de descida e subida. Dessa forma, é avaliada somente a interferência extra causada pelo full duplex, mediante a variação
da topologia, e consequentemente da densidade e distância média entre estações, e do tipo de antena utilizada. Para todas as topologias são considerados três terminais de usuário por célula e fator de carga de 20%. Na topologia macrocelular, a distância entre sítios é de 500 m; na hotspot ela é de 339 m, com hotspot de 100m de raio de cobertura. O full duplex analisado aqui é bidirecional e a vazão de dados total da rede nas direções de descida e subida em cada iteração de simulação é utilizada como métrica de desempenho. Dessa forma, a interferência extra que o full duplex causa para a direção de descida, a interferência entre terminais de usuário, e subida, entre estações base, terá um impacto direto nas taxas de dados alcançadas pelas estações e, consequentemente, na vazão total por iteração.
A Figura 4.1 mostra a distribuição cumulativa da vazão de dados agregada na direção de descida para cada uma das topologias e configurações de antena simuladas. É possível notar que a topologia que apresenta a maior vazão de dados é a hotspot, chegando a uma vazão média de 10,5 Gbps para o caso full duplex com conformação de feixe, contra 4,8 e 8,7 Gbps para as topologias macrocelular e indoor, respectivamente. Isso se dá pois, na topologia hotspot, a densidade de estações não é tão baixa quanto a da topologia macrocelular, reduzindo assim a distância entre estações conectadas e aumentando a potência de sinal recebida. Além disso, a topologia hotspot não apresenta densidade de estações tão alta quanto a da topologia indoor, tendo então menor interferência intercelular. Esse padrão se repete em todas as configurações de antena e tipos de duplexação, consolidando a distribuição em pequenas células como a mais adequada para comunicações em ondas milimétricas, dados os parâmetros e premissas seguidos neste trabalho.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Vazão de dados [Gbps] 0% 20% 40% 60% 80% 100% Distribuição cumulativa
Full Duplex, macrocélula, BS 8x8, UE 4x4 Half Duplex, macrocélula, BS 8x8, UE 4x4 Full Duplex, macrocélula, BS setor, UE omni Half Duplex, macrocélula, BS setor, UE omni Full Duplex, hotspot, BS 8x8, UE 4x4 Half Duplex, hotspot, BS 8x8, UE 4x4 Full Duplex, hotspot, BS setor, UE omni Half Duplex, hotspot, BS setor, UE omni Full Duplex, indoor, BS 8x8, UE 4x4 Half Duplex, indoor, BS 8x8, UE 4x4 Full Duplex, indoor, BS omni, UE omni Half Duplex, indoor, BS omni, UE omni
Figura 4.1: Distribuição cumulativa da vazão de dados agregada na direção de descida em diversas topologias.
No que tange ao ganho do full duplex, nota-se que as topologias macrocelular e hotspot têm ambas um ganho de cerca de 100%, como pode ser visto na Figura 4.2. Na topologia indoor, na qual as células estão mais próximas umas das outras e a interferência entre terminais de usuário é mais significativa, esse ganho está um pouco, mas não muito, abaixo do ganho teórico de 100%. Isso mostra que, em ondas milimétricas na direção de descida, a interferência intercelular extra que terminais de usuário percebem quando operam em full duplex não é o suficiente para reduzir significativamente o ganho da tecnologia, quando comparada com o half duplex. Essa observação se torna mais evidente quando se leva em consideração o fato de que terminais de usuário transmitem
a baixas potências e têm altas perdas de propagação entre si nessas faixas de frequência.
BS 8x8
UE 4x4 BS setorUE omni UE 4x4BS 8x8 BS setorUE omni BS 8x8UE 4x4 BS omniUE omni
0 20 40 60 80 100 Ganho de vazão [%] 100.4% 101.3% 100.0% 100.5% 99.9% 96.6% Macrocélula Hotspot Indoor
Figura 4.2: Ganho de vazão agregada média proporcionado pelo full duplex para a direção de descida.
A Tabela 4.1 mostra a razão sinal-ruído-interferência média nos enlaces de descida dos cenários simulados. A topologia que apresenta os piores níveis de sinal é a macrocelular, seguida pela indoor e pela hotspot, nessa ordem. A topologia macrocelular apresenta esse desempenho devido à maior distância entre os terminais de usuário e as estações base nessa topologia, enquanto na indoor, a potência de transmissão das estações base especificada pela UIT [84] é menor do que nos outros cenários, o que reduz a potência recebida pelos terminais de usuário. Os dados da Tabela 4.1 mostram que a interferência extra inserida pelo full duplex na direção de descida, a interferência entre terminais de usuário, é muito pequena quando comparada com outras fontes, uma vez que a diferença entre os valores de razão sinal-ruído-interferência para o half duplex e full duplex é muito pequena. A alta perda de propagação entre células e a baixa potência de transmissão dos terminais de usuário contribui para esse fato.
Tabela 4.1: Razão sinal-ruído-interferência média de descida para os cenários simulados.
Macrocélula Hotspot Indoor
BS 8x8 UE 4x4 half duplex 10,4 dB 34,9 dB 26,2 dB full duplex 10,5 dB 34,9 dB 26,2 dB BS setor/omni UE omni half duplex -15,9 dB 8,4 dB -2,9 dB full duplex -16,0 dB 8,5 dB -3,6 dB
Na direção de subida a interferência extra causada pelo full duplex tem consequências mais visíveis. Mais uma vez, as topologias hotspot e indoor apresentam melhor desempenho, enquanto a macrocelular tem os menores níveis de vazão das três topologias, como pode ser visto na Figura 4.3. Como terminais de usuário transmitem com potências menores e têm taxa de dados máxima menores do que estações base, a vazão na direção de subida é menor que que a vazão na de descida. A Figura 4.4 mostra o ganho de vazão média proporcionado pelo full duplex para a direção de subida. Para a topologia macrocelular, a interferência entre setores de um mesmo sítio reduz
0 1 2 3 4 5 6 7 8 Vazão de dados [Gbps] 0% 20% 40% 60% 80% 100% Distribuição cumulativa
Full Duplex, macrocélula, BS 8x8, UE 4x4 Half Duplex, macrocélula, BS 8x8, UE 4x4 Full Duplex, macrocélula, BS setor, UE omni Half Duplex, macrocélula, BS setor, UE omni Full Duplex, hotspot, BS 8x8, UE 4x4 Half Duplex, hotspot, BS 8x8, UE 4x4 Full Duplex, hotspot, BS setor, UE omni Half Duplex, hotspot, BS setor, UE omni Full Duplex, indoor, BS 8x8, UE 4x4 Half Duplex, indoor, BS 8x8, UE 4x4 Full Duplex, indoor, BS omni, UE omni Half Duplex, indoor, BS omni, UE omni
Figura 4.3: Distribuição cumulativa da vazão de dados de subida agregada em diversas topologias.
significativamente o ganho do full duplex, especialmente quando não é empregada conformação de feixes. Quando comparado com enlace de descida, o ganho do full duplex na direção de subida é menor para as topologias macrocelular e hotspot, sugerindo que nessas topologias a interferência entre estações base é mais significativa do que a interferência entre terminais de usuário. Além disso, a topologia indoor se sobressai no ganho de vazão média de subida, sugerindo que a maior proximidade entre terminais de usuário faz com que a interferência entre eles seja mais relevante do que a interferência entre estações base.
0 20 40 60 80 100 Ganho de vazão [%] 88.5% BS 8x8 UE 4x4 30.0% BS setor UE omni 98.2% BS 8x8 UE 4x4 94.0% BS setor UE omni 99.9% BS 8x8 UE 4x4 98.6% BS omni UE omni Macrocélula Hotspot Indoor
Figura 4.4: Ganho de vazão agregada média proporcionado pelo full duplex para a direção de subida.
Ao se analisar a razão sinal-ruído-interferência média de subida dos cenários simulados, mos- trada na Tabela 4.2, é possível perceber como a interferência extra impacta a qualidade do sinal recebido pelas estações base. Os valores de razão sinal-ruído-interferência obtidos para o full duplex são menores do que os obtidos para o half duplex, demonstrando assim que a interferência entre estações base pode dominar a interferência total no full duplex. No caso da topologia macrocelular sem painel de antenas, por exemplo, a razão sinal-ruído-interferência média é quase 30 dB menor para o full duplex do que para o half duplex, principalmente devido a interferência entre setores em um mesmo sítio. Mais uma vez, as topologias que se destacaram foram a hotspot e a indoor,
com a topologia macrocelular apresentando os piores níveis de sinal.
Tabela 4.2: Razão sinal-ruído-interferência média de subida para os cenários simulados.
Macrocélula Hotspot Indoor
BS 8x8 UE 4x4 half duplex 5,7 dB 15,1 dB 14,7 dB full duplex 3,7 dB 14,7 dB 14,7 dB BS setor/omni UE omni half duplex -17,2 dB 5,8 dB -0,5 dB full duplex -44,2 dB 4,7 dB -0,7 dB
Dados os resultados acima, é possível concluir que as topologias hotspot e indoor são as mais adequadas para se utilizar o full duplex em ondas milimétricas. Por isso, as simulações apresentadas nas próximas seções utilizarão essas topologias. Mais do que isso, ganhos de vazão iguais ou muito próximos de 100% podem ser alcançados pelo full duplex com cancelamento de autointerferência perfeito e carga equilibrada. Essas são, no entanto, premissas inverossímeis, de forma que o ganho do full duplex em situações mais realistas é avaliado a seguir.