Tecnologia MIMO aplicada ao ATSC 3.0

A utiliza¸c˜ao da tecnologia MIMO aplicada ao padr˜ao ATSC 3.0 tem o objetivo de aperfei¸coar o padr˜ao precursor. Dessa forma, quando comparada com a vers˜ao anteces- sora do padr˜ao ATSC, a Rela¸c˜ao Sinal-Ru´ıdo, do inglˆes SNR do ATSC 3.0 apresentou uma melhoria de 30% em sua capacidade, ou seja, mostrou-se um sistema mais robusto com qualidade semelhante, al´em de apresentar avan¸cos na funcionalidade, desempenho,

eficiˆencia espectral, flexibilidade e etc. Com isso, torna-se poss´ıvel a transmiss˜ao de te- levis˜ao utilizando UHD, tanto para equipamentos fixos, como, por exemplo, televisores residenciais, como para dispositivos m´oveis (celulares, Global Positioning System (GPS)s e etc) (FAY et al., 2016).

Al´em disso, analisando a sua utiliza¸c˜ao comercial, este novo sistema oferece tecnologias recentes, com a op¸c˜ao de diversos m´etodos de funcionamento, que ser˜ao definidos de acordo com a escolha entre uma melhor robustez ou um desempenho superior. Essa variabilidade facilitar´a, no futuro, a atualiza¸c˜ao do sistema para novas tecnologias, que poder˜ao ser testadas pelas emissoras de televis˜ao sem que o servi¸co atual tenha que ser interrompido (FAY et al., 2016).

Para se ter uma vis˜ao geral de como funciona o ATSC 3.0, ´e necess´ario conhecer a sua camada f´ısica e todas as tecnologias que ele utiliza. Ele usa uma modula¸c˜ao OFDM, para corrigir os erros s˜ao utilizados os c´odigos BCH e o LDPC, com dois comprimentos de c´odigo (16200 e 64800 bits) e doze taxas de c´odigo (de 15/02 at´e 13/15) (FAY et al., 2016) (ATSC, 2016). Este sistema tem suporte para seis tipos de modula¸c˜ao (QPSK at´e 4096 QAM, trˆes modos de multiplexagem para dados: tempo, frequˆencia e potˆencia (com duas camadas, conhecida como Multiplexa¸c˜ao por Divis˜ao em Camadas, do inglˆes LDM). Al´em disso, podem ser utilizadas as tecnologias SISO, MISO e MIMO, juntamente com 12 comprimentos de Intervalo de Guarda (IG) e 3 tamanhos de FFT. Com isso, o ATSC 3.0 permite descodificar at´e 4 PLPs em paralelo, o que possibilita a separa¸c˜ao dos com- ponentes, como v´ıdeo, ´audio e metadados a serem enviados com diferentes configura¸c˜oes de robustez (FAY et al., 2016).

Como foi dito anteriormente, a utiliza¸c˜ao de MIMO acarreta numa robustez superior (diversidade espacial adicional) e num acrescimento da capacidade de transmiss˜ao (dois fluxos de dados num ´unico canal), por meio da multiplexa¸c˜ao espacial, que, por sua vez, aplica um ganho somente poss´ıvel quando se utiliza MIMO. Se for utilizado o modo com uma antena transmissora e m´ultiplas receptoras, do inglˆes SIMO ou o SISO, somente obter-se-´a a diversidade espacial adicional (ATSC, 2016).

Na pr´atica, o MIMO pode trabalhar com polariza¸c˜ao cruzada (vertical e horizontal). A transmiss˜ao utiliza blocos, como c´odigos FEC, entrela¸cadores de bit, constela¸c˜oes e entrela¸cadores de frequˆencia e tempo. Este processamento s´o ser´a aplicado ao caminho

de dados e n˜ao deve ser aplicado a elementos de sinaliza¸c˜ao (ATSC, 2016).

O diagrama de blocos da Figura 6 (ATSC, 2016) exemplifica o funcionamento do sistema de transmiss˜ao utilizando MIMO, com duas antenas.

Figura 6: Diagrama de blocos da sequˆencia de transmiss˜ao utilizando MIMO (2 antenas). CODIFICAÇÃO DE

ENTRADA

BICM

FEC – Correção de erros BIL – Entrelaçador de bits

Demultiplexador MIMO Mapeador Mapeador

Pré-codificador MIMO

Forma de Onda 1 Forma de Onda 2

Fonte: Modificado e trad. de ATSC (2016).

A Figura 6 (ATSC, 2016) mostra a sequˆencia de blocos de opera¸c˜ao utilizada no sistema ATSC 3.0 utilizando MIMO. Boa parte destes blocos s˜ao tamb´em utilizados para a transmiss˜ao sem a utiliza¸c˜ao das m´ultiplas entradas e m´ultiplas sa´ıdas. As ´unicas inclus˜oes necess´arias s˜ao as dos blocos MIMO Demultiplexer (MIMO Demux ) (Demultiplexador MIMO) e MIMO Precoder (MIMO Precoder ) (Pr´e-codificador MIMO) (ATSC, 2016).

O bloco de Codifica¸c˜ao de entrada (Input Formatting) realiza algumas fun¸c˜oes, como o encapsulamento e compress˜ao dos dados recebidos, adapta¸c˜ao para banda base e um programador para controle de informa¸c˜ao. O bloco de Modula¸c˜ao e Codifica¸c˜ao dos bits entrela¸cados, do inglˆes Bit-Interleaved Coded Modulation (BICM) compreende um grupo de blocos respons´aveis, primeiramente, pela corre¸c˜ao de erros por meio dos C´odigos BCH, do Verificador de redundˆancia c´ıclico, do inglˆes Cyclic Redundancy Check (CRC) e LDPC. Em seguida ´e feito o entrela¸camento dos bits, que depois ser˜ao mapeados de acordo com a constela¸c˜ao desejada e, no caso do uso de MIMO, tamb´em existir´a um demultiplexador (MIMO Demux ). Este ´ultimo ´e necess´ario para distribuir os bits recebidos do BICM em duas constela¸c˜oes (uma para cada antena de transmiss˜ao), portanto, ambas as antenas transmitir˜ao a mesma constela¸c˜ao, como ´e mostrado na Tabela 3 (ATSC, 2016).

Tabela 3: Tipos de modula¸c˜ao de acordo com o n´umero de bits/c´elula unit´aria.

Bits por c´elula unit´aria Modula¸c˜ao MIMO

4 Antena 1 e Antena 2 - QPSK

8 Antena 1 e Antena 2 - 16QAM

12 Antena 1 e Antena 2 - 64QAM

16 Antena 1 e Antena 2 - 256QAM

20 Antena 1 e Antena 2 - 1024QAM

24 Antena 1 e Antena 2 - 4096QAM

Fonte: Modificado e trad. de ATSC (2016).

O pr´oximo bloco ´e o MIMO Precoder , que recebe o par de s´ımbolos da constela¸c˜ao gerados anteriormente, os codifica e gera dois novos s´ımbolos na sa´ıda. Estes podem ser transmitidos sobre o mesmo s´ımbolo OFDM e portadora, um pela Antena 1 e outro pela Antena 2 (ATSC, 2016).

Ato seguinte, os dados passam pelo bloco Framing/Interleaving, onde ocorrem o en- trela¸camento no tempo, o enquadramento e tamb´em o entrela¸camento na frequˆencia. No caso do uso de MIMO, como existem dois fluxos de dados, s˜ao necess´arios dois blocos deste trabalhando em paralelo e agindo de forma idˆentica sobre ambos. Como cada en- trela¸cador no tempo necessita de uma mem´oria, para a utiliza¸c˜ao de MIMO requerer-se-´a

o dobro de mem´oria, quando comparado com o sistema que utiliza apenas uma antena de transmiss˜ao e uma de recep¸c˜ao. E para o enquadramento usando MIMO, ser˜ao uti- lizadas t´ecnicas de multiplexa¸c˜ao, como Multiplexa¸c˜ao por Divis˜ao de Tempo, do inglˆes Time-Division Multiplexing (TDM), Multiplexa¸c˜ao por Divis˜ao de Frequˆencia, do inglˆes Frequency-Division Multiplexing (FDM) e a Multiplexa¸c˜ao por Divis˜ao de Frequˆencia e Tempo, do inglˆes Time and Frequency Division Multiplexing (TFDM). E depois de todos estes passos, s˜ao geradas duas formas de onda para a transmiss˜ao pelo ar (ATSC, 2016).