atribuição de bits para cada antena transmissora pode ser otimizada tendo em vista a SNR. Desse modo, o algoritmo de water-filling requer a informação sobre a qualidade do canal, trocada entre o transmissor e o receptor através de um canal de retroalimentação, possibilitando um total conhecimento da CSI no transmissor.
No Gráfico 2.3 compara-se as curvas de capacidade em bps/Hz em relação à SNR quando o sistema possui CSI e quando não possui CSI, usando quatro antenas de Tx e Rx. Observa-se que quando o sistema possui CSI, sua curva oferece ganho na capacidade em relação ao caso sem CSI. Analisando as Equações (2.23) (2.29), quando a SNR tende ao infinito, observa-se que as curvas convergem para uma mesma taxa, já que o ruído e a CSI tornam-se irrelevantes tendo em vista uma SNR de valor infinito. Porém, para baixos valores de SNR, evidencia-se a eficiência do canal quando há CSI no transmissor, como pode-se observar nos pontos de SNR em 0, 5 e 10 dB no Gráfico 2.3.
Gráfico 2.3 – Comparação das taxas em bps/Hz atingida com CSI e sem CSI usando quatro antenas de Tx e quatro de Rx. 0 5 10 15 20 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 SNR [dB] Capacidade [bps/Hz]
Canal Sem CSI Canal Com CSI
Fonte: Elaborado pelo autor.
Na seção seguinte é feito um breve estudo sobre a diversidade no canal MIMO.
2.6 Diversidade no Canal MIMO
Técnicas de diversidade têm como objetivo fornecer melhorias no enlace sem fio, aumentando a confiabilidade nas comunicações. Desse modo, explora-se a natureza aleatória
2.6 Diversidade no Canal MIMO 36 da propagação das ondas de rádio, fazendo uso de seus diversos caminhos com desvanecimento independentes. Assim, o conceito de diversidade pode ser explicado de modo bem simples: quando um dos diversos caminhos de rádio sofre uma atenuação profunda, outro caminho independente pode ter um sinal com alta SNR, e por haver mais de um caminho como opção para ser selecionado, é possível escolher o caminho com maior SNR, melhorando a qualidade do sinal no receptor e assim aumentando as SNR’s média e instantânea [Haykin e Moher 2008, Goldsmith 2005].
Algumas técnicas de diversidade são necessárias para atenuar os efeitos do desvanecimento, em que pode-se citar a micro-diversidade e macro-diversidade que atenuam os efeitos do desvanecimento de multipercursos e que objetivam mitigar os efeitos de sombreamento de edifícios e objetos em torno do transmissor e/ou receptor geralmente implementada através da combinação de sinais recebidos por várias estações base ou pontos de acesso, exigindo uma coordenação implementada como parte dos protocolos de rede e infraestrutura baseada em redes sem fio [Goldsmith 2005, Rappaport 2001].
Assim como o canal MIMO pode fornecer ganho de capacidade, também pode fornecer ganho de diversidade dispondo de M antenas transmissoras e N antenas receptoras, pois todos os enlaces entre as antenas transmissoras e receptoras representam canais estatisticamente descorrelacionados e independentes. O número de enlaces independentes é denominado ordem de diversidade, podendo o caso MIMO fornecer uma proteção M · N vezes maior ao efeito do desvanecimento que o caso mono antena. Esta proteção contra o efeito do desvanecimento pode ser vista como um ganho de diversidade.
A ordem de diversidade mede o quanto o transceptor MIMO explora os múltiplos enlaces de modo a fornecer robustez ao efeito do desvanecimento sem considerar o uso de um codificador de canal convencional. Uma medida que quantifica a ordem de diversidade é a probabilidade de erros par-a-par, denotada por PEP (do inglês, Pairwise Error Probability), que é a probabilidade de que o decodificador selecione como sua estimativa uma sequência errônea ˜y = (˜y1, ˜y2, ..., ˜yT) quando na verdade a sequência correta transmitida por uma antena qualquer tenha sido y = (y1, y2, ..., yT), em que y e ˜y são matrizes e (y1, y2, ..., yT) e (˜y1, ˜y2, ..., ˜yT) são vetores, e T é o comprimento do quadro de símbolos em cada antena [Freitas 2006, Goldsmith 2005].
[Tarokh, Seshadri e Calderbank 1998] apresentaram um critério de desempenho caracterizando matematicamente a ordem de diversidade em um sistema MIMO com (M · N) antenas, em que a ordem de diversidade pode ser obtida usando o critério do posto da matriz de distância euclidiana das palavras código.
2.6 Diversidade no Canal MIMO 37 y − ˜y, em que a diferença em B(y, ˜y) é tomada em todas as M antenas transmissoras de forma que se tenha uma matriz definida para cada um destes vetores diferença.
B(y, ˜y) = y − ˜y =
y11− ˜y11 y12− ˜y12 ··· y1T− ˜y1T y21− ˜y21 y22− ˜y22 ··· y2T− ˜y2T
... ... . .. ...
yM1− ˜yM1 yM2− ˜yM2 ··· yMT − ˜yMT . (2.33)
Observa-se que pode ser construída uma matriz de distância par-a-par entre as palavras código, A(y, ˜y), de dimensão M × M, definida como
A(y, ˜y) = B(y, ˜y) · BH(y, ˜y). (2.34)
Demonstra-se em [Tarokh, Seshadri e Calderbank 1998] que a ordem de diversidade (χ) é igual ao produto do número de antenas receptoras N e o posto mínimo da matriz B(y, ˜y) como se pode observar abaixo:
χ(T, N, y) = N · min
˜y6=y∈Yposto(B(y, ˜y)), (2.35)
em que, Y é o conjunto que contém todos os símbolos que podem ser transmitidos e min(·) representa o valor mínimo.
Dado que cada matriz B(y, ˜y) tem dimensão M × T, e o posto é no máximo igual a min(M, T ) tem-se,
χ(T, N, y) ≤ N · min(M,T ). (2.36)
Porém, a igualdade só é obtida quando B(y, ˜y) é de posto completo, possibilitando que o transceptor MIMO obtenha a diversidade plena FD (do inglês, Full Diversity).
χ(T, N, y) = N · min(M,T ). (2.37)
Observa-se que os sinais recebidos por diferentes antenas podem ser combinados por várias técnicas das quais destacam-se as técnicas SC (do inglês, Selection Combining), MRC (do inglês, Maximum Ratio Combining) e EGC (do inglês, Equal Gain Combining) [Cho et al. 2010].
O próximo capítulo trata sobre os sistemas com multipontos coordenados, fazendo uma breve introdução sobre os sistemas cooperativos e enfatizando algumas de suas características, estruturas e abordagens.
38
CAPÍTULO 3
SISTEMAS COM MULTIPONTOS COORDENADOS
A
constante necessidade de evolução e aprimoramento das redes celulares levam à busca no sentido de obter uma maior eficiência espectral e maior taxa de transmissão, ou seja, obter uma melhor Alocação dos Recursos de Rádio (RRA do inglês, Radio Resource Allocation).Por esses motivos o sistema CoMP (do inglês, Coordinated Multi-Point) aparece como uma tecnologia promissora para aumentar a taxa de transferência do sistema e permitir uma distribuição eficiente desses recursos de rádio, podendo reduzir a potência de transmissão [Gesbert et al. 2010, Parkvall et al. 2008].
Um sistema CoMP é composto por um conjunto de Estações Rádio Base (ERB) distribuídas geograficamente e conectadas através de uma Estação Rádio Base Central (ERBC), onde a quantidade de pontos de acesso remoto do sistema depende de vários fatores, dos quais um deles é a carga do sistema, representada pelo número de Equipamentos de Usuários (UE) (do inglês, User Equipment) [Maciel et al. 2009].
Nos sistemas CoMP, a transmissão coordenada pode ser vista como uma maneira eficiente de suprimir a interferência intercélula e aumentar a capacidade de enlace direto dos sistemas celulares. Desse modo, transmitir ou receber usando CoMP surge como um conceito promissor para empregar uma maior reutilização de frequência e ao mesmo tempo suprimir a interferência intercélula. Isso se torna possível através da troca de informações sobre a qualidade do canal CQI (do inglês, Channel Quality Indicator) ou da informação dos estados do canal CSI (do inglês, Channel State Information) de forma coordenada entre as várias ERBs [Gesbert et al. 2010].
3 Sistemas com Multipontos Coordenados 39 Figura 3.1 – Sistema CoMP.
ERB ERBC ERB ERB UE ERB ERB ERB UE UE
Fonte: Elaborada pelo autor.
Em uma arquitetura cooperativa, o conjunto de pontos de transmissão (ERBs) utiliza suas antenas como uma arquitetura distribuída através da qual se introduz novos aspectos com relação aos sistemas convencionais tais como:
◮ Macro-diversidade e processamento: em geral, a distância dos UE’s a uma ERB será consideravelmente menor que no caso co-localizado. Isso permite associar os UEs às ERBs com melhor situação de canal, o que pode levar a ganhos de macro-diversidade, que por sua vez, presente nos sistemas abre espaço para a utilização de técnicas de processamento avançadas tomando proveito desta diversidade.
◮ Sincronização: problemas de sincronismo na decodificação dos sinais oriundos das antenas distribuídas, que podem chegar a um dado usuário com uma diferença significativa de tempo devido à grande distância entre eles.
◮ Limitação de potência e autoconfiguração: diferente dos sistemas com antenas co-localizadas, as restrições de potência de transmissão nos sistemas de antenas distribuídas podem estar associadas agora a cada antena em particular. Outro ponto importante é que os enlaces diretos entre as antenas distribuídas podem permitir a cooperação entre elas para a adaptação da cobertura através da alocação de potência. Essa característica favorece o desenvolvimento de algoritmos que se autoconfigurem de acordo com a distribuição de usuários ou tráfego no sistema.
◮ Restrições de sinalização: na prática, os enlaces entre as antenas distribuídas possuem capacidade limitada. Desse modo, os algoritmos de alocação de recursos de rádio e de transmissão cooperativa precisam levar tais limitações em consideração, de modo a
3.1 Sistemas CoMP 40 procurar atingir um bom compromisso entre desempenho, complexidade e requisitos de sinalização, que são fatores importantes para a implementação de algoritmos em sistemas reais.
◮ Localização de fontes: situadas em posições geograficamente distintas e por estarem conectadas por um enlace direto a uma ERBC ou apenas entre elas mesmas, as antenas distribuídas podem ser consideradas ora como um arranjo distribuído de antenas, ora como antenas individuais, possibilitando uma melhor localização das fontes de sinal.
Segue agora uma breve introdução sobre os sistemas CoMP e sua ideia de funcionamento.
3.1 Sistemas CoMP
Sistemas CoMP podem ser vistos como múltiplos pontos de transmissão (ERBs) distribuídos geograficamente constituindo um conjunto de antenas cooperando entre si. Para que a transmissão cooperativa seja possível, é necessário que os dados sejam compartilhados entre os múltiplos pontos de transmissão, e a maneira pela qual esses dados serão disponibilizados entre os pontos e transmitidos por eles, definirá a abordagem de transmissão CoMP a ser utilizada.
As técnicas de transmissão CoMP tiram proveito das características da arquitetura de rede cooperativa para implementar eficientes estratégias de RRA. Um dos principais desafios inerentes à cooperação entre os vários pontos de transmissão no enlace direto é melhorar a eficiência espectral do sistema e prover uma melhor taxa de transferência para usuários na borda da célula, tendo em vista que tais usuários sofrem forte interferência intercélula [Batista et al. 2010].
Desse modo, o processamento nas arquiteturas CoMP tem como finalidade estabelecer a transmissão cooperativa bem como gerir as interferências dentro do sistema, de modo que, ao viabilizar a coordenação entre os pontos de transmissão, tais interferências possam ser reduzidas ou até mesmo completamente eliminadas dependendo da abordagem de transmissão e da disponibilidade das informações dos estados do canal (CSI) transmitidas através de canais de feedback.
Para os sistemas de última geração, as arquiteturas CoMP são consideradas uma promessa de elevado desempenho em termos de eficiência espectral e cobertura quando há uma perfeita CSI disponível no transmissor. No entanto, em implementações reais utilizando técnicas cooperativas, se faz necessário uma quantidade significativa de sinalizações para garantir uma
3.2 Informações dos Estados do Canal em Sistemas CoMP noDownlink 41