O terceiro tipo de diversidade, a diversidade espacial, pode tamb´em ser chamado de diversidade de antena, ´e o m´etodo mais eficiente e efetivo para combater os efeitos do desvanecimento multipercurso (JANKIRAMAN, 2004) (TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999) (TSE; VISWANATH, 2005).
Neste m´etodo podem ser utilizadas diversas configura¸c˜oes de transmiss˜ao e recep¸c˜ao. Quando s˜ao utilizadas v´arias antenas para transmiss˜ao e apenas uma para recep¸c˜ao MISO, ´e explorada em partes a diversidade espacial, obtendo-se apenas a diversidade de trans- miss˜ao. Pode-se tamb´em utilizar a configura¸c˜ao com v´arias antenas na recep¸c˜ao e apenas uma antena na transmiss˜ao SIMO, onde tamb´em ´e explorada parcialmente a diversidade espacial, obtendo-se, para este caso, apenas diversidade de recep¸c˜ao. J´a quando se faz o uso de v´arias antenas tanto para transmiss˜ao como para recep¸c˜ao MIMO, tem-se uma explora¸c˜ao total do dom´ınio espacial (SILVA, 2011). Esses tipos de configura¸c˜ao podem ser vistos na Figura 15.
Figura 15: Configura¸c˜oes de sistemas com e sem diversidade. Receptor SISO Transmissor (a) Receptor SIMO Transmissor 𝑟𝑥0 𝑟𝑥1 (b) Receptor MISO Transmissor 𝑡𝑥0 𝑡𝑥1 (c) Receptor MIMO Transmissor 𝑡𝑥0 𝑡𝑥1 𝑟𝑥0 𝑟𝑥1 (d)
Com o emprego de MIMO, s˜ao transmitidas v´arias r´eplicas do mesmo sinal pelas v´arias antenas, do mesmo modo que o sinal ´e recebido tamb´em por v´arias antenas. As antenas devem apresentar uma separa¸c˜ao suficiente para que os sinais recebidos em cada uma sejam descorrelacionados entre si e, consequentemente, apresentem desvanecimentos independentes. Esta t´ecnica apresenta como vantagem n˜ao afetar a eficiˆencia espectral, uma vez que as c´opias do sinal s˜ao redundantes no dom´ınio espacial (SILVA, 2011).
Na diversidade no espa¸co, duas ou mais antenas, separadas fisicamente por m´ultiplos do comprimento de onda utilizado na transmiss˜ao, s˜ao utilizadas em um mesmo trans- missor e/ou receptor (BAKSHI; BAKSHI, 2009).
Segundo o estudo de Zhang (1999), a varia¸c˜ao da correla¸c˜ao entre os sinais das antenas de recep¸c˜ao ocorre de acordo com a distˆancia entre as antenas. A descorrela¸c˜ao entre os sinais ´e aumentada significativamente quando a distˆancia entre as antenas segue a Equa¸c˜ao 2 (OLANDIM, 2015), onde λ ´e o comprimento de onda em quest˜ao e x ´e um n´umero inteiro positivo, ou seja, a distˆancia ´e representada por m´ultiplos do comprimento de onda.
d = x × λ (2)
A Figura 16 (HO, 2006) ilustra parte do receptor em um sistema de comunica¸c˜ao por irradia¸c˜ao de radiofrequˆencia que utiliza diversidade no espa¸co.
Figura 16: Receptor com diversidade no espa¸co. Oscilador Local Misturador 2 AFI 1 2 AFI 2 𝑟1(𝑡) 𝑟2(𝑡) Antena 1 1 FPB 1 FPB 2 Antena 2 ABR 1 ABR 2 Misturador 1
Fonte: Modificado e trad. de Ho (2006).
No receptor, FPB (1 e 2) s˜ao os filtros passa banda de entrada, respons´aveis por separar somente a faixa de frequˆencia onde se encontra a portadora transmitida. ABR (1 e 2) s˜ao os amplificadores de baixo ru´ıdo, respons´aveis por elevar o n´ıvel do sinal com m´ınima adi¸c˜ao de ru´ıdo. O oscilador local ´e respons´avel por gerar uma frequˆencia que, combinada com a frequˆencia da portadora, resulte na frequˆencia intermedi´aria desejada. Os Misturadores 1 e 2 s˜ao respons´aveis por multiplicar o sinal de entrada pela frequˆencia do oscilador local, resultando no sinal em frequˆencia intermedi´aria desejado. AFI (1 e 2) s˜ao os amplificadores de frequˆencia intermedi´aria, respons´aveis por amplificar os sinais em frequˆencia intermedi´aria. r1(t) e r2(t) s˜ao as c´opias com desvanecimento descorrelacionado dos sinais resultantes do sistema (HO, 2006).
Desta forma, a diversidade no espa¸co n˜ao necessita de aumento na largura de banda e nem no tempo de transmiss˜ao. A ´unica necessidade ´e a adi¸c˜ao de mais antenas no receptor (HO, 2006).
A diversidade espacial pode ser classificada em diversidade de transmiss˜ao e de re- cep¸c˜ao. Na de transmiss˜ao, s˜ao utilizadas v´arias antenas no transmissor. Com isso, as
mensagens s˜ao processadas e posteriormente enviadas por meio das diversas antenas. J´a quando se utilizam m´ultiplas antenas no receptor, torna-se poss´ıvel captar as c´opias in- dependentes do sinal transmitido e, consequentemente, essas r´eplicas s˜ao adequadamente combinadas para atenuar os efeitos do desvanecimento causado pelo multipercurso e me- lhorar a SNR recebida (LIU G. B. GIANNAKIS; MUQUET, 2001).
Existem alguns tipos de diversidade no espa¸co, como, por exemplo, a de Polariza¸c˜ao e a Angular. No primeiro caso, os sinais s˜ao transmitidos e recebidos nas polariza¸c˜oes vertical e horizontal, o que assegura que os dois sinais sejam descorrelacionados sem a necessidade de se distanciar as antenas, como acontece em sistemas MIMO conven- cionais (VALENZUELA-VALDES et al., 2009) (MOLINA-GARCIA-PARDO; RODRI- GUEZ; JUAN-LLACER, 2008). Este sistema, apesar de possuir uma implementa¸c˜ao mais complicada, representa uma alternativa que pode permitir o aumento da eficiˆencia de uso do espectro ou ainda a melhoria da robustez do enlace sem fio frente `as diferen¸cas de polariza¸c˜ao existentes entre o transmissor e o receptor dos sistemas de comunica¸c˜oes atuais (BONTEMPO et al., 2016).
Al´em dos obst´aculos na constru¸c˜ao de uma antena, o padr˜ao de irradia¸c˜ao tamb´em deve ser analisado quando se deseja fazer uso de dupla polariza¸c˜ao. E desej´´ avel que se apresente um padr˜ao de irradia¸c˜ao omnidirecional, especialmente para aplica¸c˜oes de pequeno volume, como pontos de acesso e repetidores (BONTEMPO et al., 2016).
Alguns testes de transmiss˜ao de TV digital com qualidade 8K j´a foram executados, como, por exemplo, no Jap˜ao, onde duas esta¸c˜oes experimentais foram instaladas na ´area de Hitoyoshi em Kumamoto, utilizando antenas com tecnologia MIMO, dupla polariza¸c˜ao e modula¸c˜oes OFDM de ordem superior (por exemplo, 1024QAM ou 4096QAM). Este sistema ´e a extens˜ao do convencional sistema de TV digital no Jap˜ao, chamado de ISDB- Tn (SAITO et al., 2016).
Em 2014, a Corpora¸c˜ao de Radiodifus˜ao Japonesa (NHK) conseguiu realizar a pri- meira transmiss˜ao 8K terrestre do mundo (91 Mbps) a uma distˆancia de 27 quilˆometros ao longo de um canal de banda ´unica Ultra High Frequency (UHF) (6 MHz de largura de banda) com um sistema MIMO 2 × 2. Em 2015, testes de campo com um sistema MIMO 4 × 2 foram realizados em duas esta¸c˜oes experimentais que compunham uma rede avan¸cada de frequˆencia ´unica ou SFN usando a codifica¸c˜ao de tempo e espa¸co (SAITO et
al., 2016).
Na Figura 17 (SAITO et al., 2016), s˜ao mostrados os resultados destes testes de campo com as configura¸c˜oes MIMO 2 × 2 e 4 × 2.
Figura 17: Testes de campo de antenas com dupla polariza¸c˜ao no Jap˜ao.
Fonte: (SAITO et al., 2016).
No segundo caso, a diversidade angular ´e conseguida por meio do uso de antenas diretivas. Nesta t´ecnica os sinais s˜ao transmitidos com diferentes ˆangulos, de modo que no receptor sejam recebidos tamb´em em ˆangulos diferentes, a fim de proporcionar r´eplicas
descorrelacionadas dos sinais transmitidos. Esse ´ultimo tipo ´e comumente aplicado em transmiss˜oes com frequˆencia de portadora superior a 10 GHz (NAGUIB; CALDERBANK, 2001) (GARG V. K.; WILKES, 1996).
Em um sistema com m´ultiplas antenas de transmiss˜ao e recep¸c˜ao, assume-se que os Mt× Nr caminhos entre as antenas de transmiss˜ao e recep¸c˜ao sofrem desvanecimentos independentes, onde Mt ´e o n´umero de elementos no transmissor e Nr ´e o n´umero de elementos no receptor (GARG, 2007). Portanto, para o sistema MIMO a ordem de diver- sidade m´axima alcan¸c´avel ser´a de Mt× Nr e, comparativamente a um sistema SISO, o ganho alcan¸cado ser´a igualmente Mt× Nr, ou seja, um sistema MIMO tem a vantagem de apresentar uma prote¸c˜ao contra o desvanecimento Mt× Nr vezes maior que um sistema SISO (SILVA, 2011).
Com o prop´osito de satisfazer os requisitos de desempenho dos sistemas pr´aticos, pode- se realizar a combina¸c˜ao de dois ou mais dos sistemas convencionais citados anteriormente. Assim, ´e poss´ıvel proporcionar diversidade multidimensional (SIMON; ALOUINI, 2000).