Técnicas de Acesso Múltiplo

Como é sabido em comunicações móveis a escassez de espectro é um dos principais problemas. Assim, torna-se imperioso usar o espectro disponível da forma mais eficiente possível fornecendo alta capacidade em termos de número máximo de utilizadores permitido pelo sistema. A escolha adequada de técnicas de modulação e acesso múltiplo para canais rádio é pois fulcral para atingir esse objectivo. Define-se um sistema de acesso múltiplo como um sistema com vários utilizadores os quais usam um meio de transmissão comum para comunicar com um nó central. Nas técnicas de acesso múltiplo a discriminação de sinais pode ser feita de várias formas: na frequência, no tempo, por código ou ainda no espaço.

3.3.1 Discriminação dos Utilizadores na Frequência - FDMA

O FDMA é uma técnica de acesso múltiplo bastante usada em satélites, cabo e redes de rádio. Neste caso a LB disponível é dividida em N_sb sub-bandas, as quais estão disponíveis durante todo o tempo de transmissão, sendo atribuído a cada utilizador uma dessa sub-bandas. Assim, se houver uma filtragem adequada não há interferência de um utilizador sobre o outro. No entanto, é necessário uma largura de banda de guarda suficiente entre sub-bandas adjacentes de forma a ter em conta os desvios de frequência dos osciladores locais e minimizar a interferência entre canais adjacentes. As principais vantagens desta técnica são: requer baixa potência de transmissão e não necessita de equalização de canal ou usa uma, que geralmente é mais simples, do que as que são necessárias usar noutras técnicas. Contudo, apresenta como desvantagem o facto de num sistema celular ser necessário implementar N_sb moduladores e desmoduladores na EB.

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3.3.2 Discriminação dos Utilizadores no Tempo - TDMA

No caso do TDMA, a cada utilizador é atribuído um intervalo temporal que ele usa para enviar/receber informação. Em rigor no TDMA em cada instante apenas um utilizador está a transmitir/receber informação. No entanto, essa "reserva" do canal ocorre apenas durante um TS, e não para um período correspondente à duração de toda a mensagem. Para a mesma informação transmitida o FDMA usa uma banda estreita e um longo período de tempo, enquanto que o TDMA usa uma banda bastante maior e um curto período de tempo, o que faz com que no TDMA seja necessário o uso de técnicas de equalização mais complexas, sobretudo para aplicações com grandes taxas de transmissão. Estes dois esquemas apresentam como desvantagem a pouca flexibilidade, i.e., se um determinado utilizador não transmite, uma parte do tempo ou da frequência não podem ser usados. Alem disso no TDMA, a potência transmitida é relativamente elevada nos períodos activos e nula nos períodos sem transmissão, o que leva a picos de interferência em sistemas multicelulares, i.e., os utilizadores podem causar interferência em células vizinhas. Esta técnica é bastante usada em vários standards, tais como o HIPERLAN/2 [9] e o IEEE 802.11 [7].

3.3.3 Discriminação dos Utilizadores Pelo Código – CDMA

Contrariamente aos esquemas apresentados em cima, no CDMA os utilizadores activos transmitem ao mesmo tempo sobre a mesma portadora e usando uma LB maior do que os sistemas baseados em TDMA. Os sinais dos vários utilizadores são discriminados pela atribuição de um código a cada utilizador com boas propriedades de correlação cruzada. As principais vantagens deste esquema são: imunidade contra distorções multipercurso, facilidade no planeamento de frequências, resistência a interferências e grande flexibilidade, i.e., permite taxas de transmissão variáveis. Apresenta como principal desvantagem a limitação da capacidade devido à interferência de acesso múltiplo.

3.3.4 Discriminação dos Utilizadores pela sua Localização no Espaço – SDMA

A partir de um agregado de antenas é possível usar um novo esquema de acesso múltiplo, designado na literatura inglesa por Space Division Multiple Access (SDMA). A descriminação é feita pela posição angular do utilizador dentro de um determinado sector ou célula. A EB comunica com vários utilizadores usando para cada um deles um padrão de feixe de antena diferente, i.e., um beam. Recentemente foram propostos sistemas mais sofisticados que usam agregados de antenas adaptativos com padrões de feixes que seguem o movimento dos utilizadores. Contrariamente aos outros esquemas de acesso múltiplo,

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este não separa os sinais dos utilizadores, mas antes explora o facto de eles estarem em posições diferentes dentro da célula.

3.3.5 Modos de Operação

De uma forma geral, existem dois modos de operação para estabelecer uma ligação bidireccional, i.e., UL→DL e DL→UL: TDD em que a ligação bidireccional é conseguida atribuindo-se períodos de tempo (TS) para o UL e para o DL; FDD em a ligação é conseguida atribuindo-se uma faixa de frequências para o UL e outra para o DL. Estes dois modos estão representados na Figura 3.2.

Tempo F re q u ê n c ia UL DL BG UL DL TG Tempo F re q u ê n c ia 10 ms Quase simétrico 4:1 DL/UL 14:1 DL/UL

TS para transmissão Uplink TS para transmissão Downlink

a) b) c)

Figura 3.2: a) Modo FDD; b) Modo TDD; c) Exemplo de uma configuração para o modo TDD do UMTS.

O modo TDD requer um tempo de sincronização bastante preciso da EB e do TM de forma a assegurar que a ordem do TS no UL e DL seja respeitada. É necessário o uso de um tempo de guarda (TG) entre TS adjacentes. Este modo é particularmente bem adaptado em ambientes com grande densidade de tráfego, onde as aplicações exigem grandes taxas de transmissão e tendem criar grande assimetria, isto é, grande parte da transmissão é apenas efectuada num sentido UL ou DL, ex. Internet, como mostra a Figura 3.2 c) [87]. No entanto, devido à grande exigência em termos de sincronismo o seu uso está praticamente limitado a ambientes interiores e a micro e pico-células. Uma vez que, neste modo o UL e DL usam a mesma portadora, o canal entre TS consecutivos de UL e de DL, pode ser considerado idêntico, admitindo que a duração desses TS consecutivos é inferior ao tempo de coerência do canal. Neste caso, o sistema pode beneficiar da reciprocidade do canal, i.e., usa as estimativas do canal no UL para formatar o sinal no DL, tendo como objectivo eliminar as distorções provocadas no sinal pelo canal e eliminar a IAM.

No modo FDD as bandas de frequências são separadas por uma banda de guarda (BG), o que significa perda de LB e alguma perda de flexibilidade pelo facto de uma determinada LB estar sempre atribuída ao UL e ao DL, independentemente das condições de tráfego no sistema. Uma vantagem é a facilidade de sincronização, sendo usado em macro-células com taxas de transmissão moderadas e a média/alta velocidade. Neste modo o

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desvanecimento do canal difere consideravelmente na ligação UL e DL, uma vez que a BG entre as duas ligações geralmente é superior à LB de coerência do canal. Neste caso, a pré- filtragem exige o uso de um canal de feedback entre o TM e a EB. Convêm referir, que alguns parâmetros do canal podem ser considerados idênticos nas duas ligações, por exemplo a DOA. Uma discussão mais detalhada, sobre estes dois modos de operação, pode ser encontrada em [88].