4- Sistemas com Múltiplas Antenas
5.1 Introdução:
Nos últimos anos a evolução tecnológica atingiu um ponto em que os investigadores começaram a desenvolver arquitecturas de rede sem fios que afastam-se da ideia tradicional de comunicação de uma base individual ponto-a-ponto com uma estação base central de controlo. Tal é o caso dos sensores de redes ad-hoc sem fios, onde à hierarquia tradicional de uma rede tem sido moldada para permitir que qualquer um dos nós possa ajudar a transmitir a informação de outros nós, podendo obter-se assim ganhos de desempenho consideráveis.
A comunicação cooperativa é um novo paradigma que vem das ideias de usar a natureza como canal de transmissão sem fios, usando os nós de comunicação com o fim de ajudarem-se uns aos outros, implementando um processo de comunicação de uma forma distribuída e obtendo as mesmas vantagens, como aqueles encontrados em sistemas tradicionais MIMO [2].
O resultado final é um conjunto de novas ferramentas que aumentam a taxa de transferência, reduz o consumo da bateria, aumenta a vida da rede e aumenta a cobertura [19][20], ou seja temos,
Diminuição dos efeitos de desvanecimento: O uso de caminhos cooperativos permite tornar o sistema menos sensível aos fenómenos de interferência e propagação multipercurso.
Reconfigurações dos utilizadores/receptores que constituem a rede móvel funcionam como um sistema de antenas múltiplas. Funcionando como relays ou não, estes têm mobilidade e podem ser reconfigurados com bastante facilidade para adaptar‐se às necessidades do sistema.
Cobertura: O uso de relays pode possibilitar a comunicação de utilizadores que não estejam directamente abrangidos pela área de cobertura da Estacão Base. Indirectamente a área de cobertura da móvel é aumentada através destes esquemas e quanto mais relays, maior a cobertura conseguida (sendo posicionados da melhor maneira).
Num sistema convencional, sem cooperação, existe uma transmissão directa onde um receptor descodifica a informação baseada somente no sinal directo. Este tipo se sistemas não são tão fiáveis na transmissão a longas distancias, nem em ambientes com obstáculos, uma vez que o sinal que ira ser recebido no receptor será inevitavelmente de má qualidade. Este problema pode ser mitigado através do uso de um terceiro terminal, designado na terminologia inglesa por relay, que geralmente é escolhido no caso de ter um canal com melhor qualidade que o canal directo ou não cooperativo. Assim, no receptor as cópias do sinal recebidas através do canal directo e cooperativo são combinadas aumentando, nalguns cenários, de forma significativa o desempenho do sistema. O conceito de diversidade cooperativa resulta no facto de a diversidade ser conseguida através de várias antenas localizadas em terminais diferentes “cooperativos”, contrariamente aos sistemas clássicos em que as antenas estão localizadas no mesmo terminal
Nas comunicações cooperativa, os caminhos independentes entre o utilizador e a estação base são geradas através da introdução de um canal de retransmissão tal como ilustrado na Figura 5.1.
O canal de retransmissão pode ser entendido como um canal auxiliar ao canal de transmissão directo entre o emissor e o receptor. Um ponto essencial no processo da comunicação cooperativa é o processamento feito pelo relay, do sinal recebido a partir do nó de origem. Estas variedades de tratamento do sinal resultam em diferentes protocolos de comunicações cooperativas que serão estudadas logo a seguir.
5.1.1 Protocolo de retransmissão Fixa e Adaptativa
Os diferentes protocolos da comunicação Cooperativa [2], podem ser categorizados em esquemas de retransmissão fixa (fixed relaying), ou adaptativa (adaptive relaying). No protocolo de retransmissão fixa, os recursos do canal são divididos entre o emissor e o relay de uma maneira fixa (modelo determinístico), enquanto no adaptativo esses recursos são distribuídos de forma não determinística pelo sistema.
O tratamento do sinal feito pelo relay difere de acordo com o protocolo que este tem implementado. Por exemplo, nos esquemas de retransmissão fixa temos o protocolo Amplify-and-
Forward, também denominado de AF, e também o protocolo decode-and-forward, ou também
chamado de DF. Já nos esquemas de retransmissão adaptativa, temos os protocolos selective
relaying e incremental relaying.
Os esquemas de retransmissão fixa, fixed relaying, são de fácil implementação mas tem a desvantagem de ter uma baixa eficiência espectral, isto deve-se ao facto de que metade dos recursos é alocada no relay para a transmissão, o que reduz a taxa de transmissão global. Esta desvantagem é mais grave no caso em que o canal emissor - receptor tenha boas condições de transmissão, uma vez que uma grande percentagem de pacotes transmitidos entre o emissor - receptor poderiam ser recebida correctamente pelo receptor e aí as retransmissões feitas pelo
relay seriam desperdiçadas. Os esquemas de retransmissão adaptativa, Adaptive relaying, tentam
superar esta desvantagem.
5.1.2 Modos de Operação dos Relays
Uma característica fulcral de um sistema cooperativo é o método de funcionamento do relay. Se este tiver a capacidade de fazer simultaneamente a transmissão e recepção de sinais, diz-se que o
relay esta em funcionamento full‐duplex. Se não tiver essa capacidade, a designação é de half‐duplex [22]. Considera-se nesta dissertação que os relays não podem transmitir e receber sinais no mesmo canal, considerando assim apenas relays half-duplex
(
bastante mais simples de implementar e requer uma configuração física muito menos dispendiosa), ou seja, a recepção e transmissão são feitas em momentos diferentes. Estes momentos serão definidos consoantes a implementação do sistema, que podem ser de dois tipos,Time Division Duplex (TDD) – Neste caso as retransmissões são feitas em instantes de tempo diferentes. Numa primeira fase o sinal é recebido pelos relays, na segunda fase o sinal é transmitido para o receptor. Durante este processo, nomeadamente na primeira fase, é feita a transmissão do sinal através do caminho directo emissor-receptor. Na segunda fase, pode ou não haver a transmissão através do caminho directo, consoante o sistema cooperativo implementado. Uma vez que o sinal já terá sido enviado no primeiro instante temporal, a sua recepção junto com o sinal enviado do relay teria que contemplar algum algoritmo de separação dos sinais na antena receptora, o que aumentaria a sua complexidade. Uma desvantagem da divisão da transmissão em dois instantes temporais é de reduzir a capacidade do sistema. Sendo assim, esta técnica não é recomendada para sistemas que necessitem de altas velocidades de transmissão [2].
Frequency Division Duplex (FDD) – Aplicando esta implementação, recepção e transmissão podem ser feitas durante o mesmo instante temporal, mas para o fazer, requer de duas bandas de frequência diferentes. Tal como a anterior, esta implementação não é recomendada para sistemas em que o aproveitamento espectral seja um factor importante [2].
Code Division Duplex (CDD) – Esta implementação é a mais flexível de todas, uma vez que permite
transmissões em modo half ou full‐duplex. No Code Division Duplex é feita a atribuição de dois códigos, um para os processos de recepção e outro para os processos de envio. Se o fluxo do sinal recebido do emissor for contínuo, a recepção e transmissão do sinal poderá ser feita em modo
full-duplex. Os sistemas que utilizam esta implementação são bastante complexo de caracterizar
já que usam mais que um relay, o que implica vários códigos para os diferentes caminhos estabelecidos entre emissor-receptor e relay [2].