Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica 2010 Telecomunicações e informática
Ruben Wilmer Pré-Codificação para Sistemas Distribuídos
Gonçalves Gonçalves Sem Fios
Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica 2010 Telecomunicações e informática
Ruben Wilmer Pré-Codificação para Sistemas Distribuídos
Gonçalves Gonçalves Sem Fios
Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em MIEET realizada sob a orientação científica do Professor Dr. Adão Silva, Professor auxiliar do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e informática da Universidade de Aveiro.
Dedico este trabalho à toda minha família e a todos meus amigos (as) pelo grande apoio dado ao longo de estes 5 anos de formação académica.
O Júri
Presidente Prof. Dr. Paulo Jorge Santos Gonçalves Ferreira
Professor catedrático do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro
Vogais
Prof. Dr. Carlos Miguel Nogueira Gaspar RibeiroProfessor do Departamento de Engenharia Electrotécnica da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria
Prof. Dr. Adão Paulo Soares Silva
Professor auxiliar do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro (Orientador)
Prof. Dr. Atílio Manuel da Silva Gameiro
Professor associado do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro (Co-Orientador)
Agradecimentos:
À Universidade de Aveiro e Instituto de Telecomunicações pelas ajudas e condições disponibilizadas ao longo de realização da dissertação.
Aos Professores Dr. Adão Silva e Dr. Atílio Gameiro pela coordenação exemplar deste projecto.
À Eng. Andreia Moço pela ajuda importante que me deu no desenvolvimento desta dissertação.
A todos os professores e colegas que contribuíram para a minha formação académica e pessoal ao longo destes 5 anos.
A minha família pelo apoio incondicional que me deram ao longo da minha formação académica.
A todos meus amigos (as) que ao longo destes 5 anos deram todo o seu apoio.
Palavras-chave
Diversidade cooperativa, MIMO, OFDM, relay, Decode and
Forward, sistemas de portadora múltipla, propagação
multipercurso, path loss, correlação, Backhaul-channel, alocação de potência, canal de transmissão.
Resumo
As comunicações cooperativas são uma das áreas de investigação em maior crescimento e é provável que sejam uma tecnologia chave para o uso eficiente do espectro rádio nos próximos anos. A ideia chave da cooperação do utilizador é a de partilhar os recursos existentes entre os nós da rede, ou seja, haver uma inter-ajuda entre os nós, inter-ajudando assim a uma melhor transmissão da informação, de forma a melhorar o desempenho global do sistema. Esta dissertação insere-se na área das comunicações sem fios e tem como objectivo estudar, implementar e avaliar o desempenho de esquemas de pré-codificação, projectados para sistemas de comunicações móveis cooperativos de portadora múltipla (OFDM). Especificamente, o sistema cooperativo estudado é constituído por uma estação base (EB), dois relays equipados com um agregado de antenas e dois terminais móveis (TM) equipados cada um com apenas uma antena. É assumido que os relays estão fisicamente ligados. Esta ligação permite optimizar o sistema através de uma melhor alocação de potência para cada terminal móvel. i.e., a potência total disponível é redistribuída de uma for mais eficiente pelos vários TM. O sistema referido foi implementado de acordo com as especificações do LTE e avaliado em diversos cenários de propagação.
Keywords
Cooperative Diversity, MIMO, OFDM, relay, Decode and Forward, multicarrier systems, multipath propagation, path loss, correlation, Backhaul-channel, power allocation, transmission channel.
Abstract
Co-operative communication is one of the principal and fastest growing research areas relevant to daily life. The key principle of user co-operation is the sharing of existing resources between network nodes, that is to say, the deployment of communal resources, thus creating an improved transmission of information, leading to improved overall system performance. This dissertation deals with the area of wireless communication and its purpose is to study, implement and evaluate the performance of pre-coding
schemes, designed for cooperative multiplex mobile
communications carrier systems (OFDM). Specifically, the co-operative system studied consists of a base station (EB) two relays with multiple antenna and two portable terminals, each equipped with only one antenna. It is assumed that the relays are connected via a backhaul channel. This type of connection allows for improved power allocation for each individual mobile terminal, that is to say, the total available power is redistributed through a more efficient system between the various mobile terminals. The system referred to was implemented in accordance with the specifications of LTE and was tested in various different propagation situations.
Índice
Acrónimos e Abreviações……….……….……….……10
Índice de figuras……….…………12
1-Introducao 1.1 Evolução dos sistemas de comunicação móvel: ... 15
1.2 Objectivos e Motivações ... 22
1.3 Organização ... 23
2-Canal de comunicação móvel 2.1 Conceitos básicos ... 26
2.1.1 Desvanecimento rápido
... 27
2.1.2 Desvanecimento lento
... 28
2.2 Modularização do canal
... 29
2.3 Tempo de Coerência e Largura de banda de Coerência. ... 30
2.4 Distribuição Rayleigh e de Rice. ... 31
3- Sistemas de portadora múltipla 3.1 Sistemas de portadora múltipla ... 35
3.2 Modos de operação ... 39
3.3 LTE ... 39
4- Sistemas com Múltiplas Antenas 4.1 Introdução ... 42
4.2 Diversidade ... 43
4.3 Sistema MIMO ... 44
4.3.1 Vantagens das técnicas com múltiplas antenas
... 45
4.4 Sistema SIMO ... 46
4.5 Sistema MISO ... 48
4.6 Codificação no espaço-tempo ... 49
5- Sistemas Cooperativos
5.1 Introdução: ... 54
5.1.1 Protocolo de retransmissão Fixa e Adaptativa
... 55
5.1.2 Modos de Operação dos Relays
... 56
5.2 Sistema cooperativo elementar ... 57
5.3 Protocolos de diversidade cooperativos ... 58
5.3.1 Amplify and Forward (AF)
... 58
5.3.2 Decode and Forward (DF)
... 60
5.3.3 Equalize and Forward (EF)
... 61
5.3.4 Outros protocolos de cooperação
... 61
5.3.5 Selective DF Relaying
... 62
5.3.6 Incremental Relaying
... 63
5.4 CODIV ... 63
6-Sistema Cooperativo Proposto 6.1 Esquema de diversidade cooperativa proposto ... 66
6.1.1 Descrição do sistema:
... 66
6.1.2 Projecto dos vectores de pré-codificação
... 68
6.1.3 Alocação da potência
... 69
6.1.3.1 Alocação de potência mas apenas para cada portadora individualmente ... 69
6.1.3.2 Alocação de potência feita sobre todas as portadoras ... 74
6.1.4 Simulação do sistema proposto
... 75
6.1.4.1 Sistema com os canais não correlacionados e sem Path Loss ... 77
6.1.4.2 Sistema com os canais não correlacionados e considerando Path loss ... 78
6.1.4.3 Sistema com os canais correlacionados e sem path loss. ... 79
6.1.4.4 Sistema com os canais correlacionados e considerando Path loss ... 80
6.1.4.5 Sistema usando pré-codificação………..81
7-Conclusões-Trabalho Futuro….…….………….………..……….……..82
Acrónimos e Abreviações
1G ‐ 1ª Geração 2G ‐ 2ª Geração 3G ‐ 3ª Geração
3GPP ‐ 3rd Generation Partnership Project AF ‐ Amplify and Forward
AMPS ‐ Advanced Mobile Phone Service AWGN ‐ Additive White Gaussian Noise BER ‐ Bit Error Rate
CDD ‐ Code Division Duplex
CDMA ‐ Code Division Multiple Access
CODIV ‐ Enhanced Wireless Communication Systems Employing Cooperative DIVersity CP ‐ Cyclic Prefix
D‐AMPS ‐ Digital Advanced Mobile Phone Service DEP ‐ Densidade Espectral de Potência
DF ‐ Decode and Forward EB- Estacão base
EDGE ‐ Enhanced Data Rates for Global Evolution ETSI ‐ European Telecommunications Standards Institute EVDO ‐ Evolution Data Only
EVDV ‐ Evolution Data Voice FDD ‐ Frequency Division Duplex
FDMA ‐ Frequency Division Multiple Access FFT ‐ Fast Fourier Transform
GPRS ‐ General Packet Radio Services
GSM ‐ Global System for Mobile Communications HSPA ‐ High‐Speed Packet Access
IFFT ‐ Inverse Fast Fourier Transform IP ‐ Internet Protocol
ISI ‐ Inter Symbol Interference
ITU ‐ International Telecommunications Union Kbps ‐ Kilo bits por Segundo
LAN ‐ Local Area Networks LTE ‐ Long Term Evolution Mbps ‐ Mega bits por Segundo
MIMO ‐ Multiple Input Multiple Output MISO ‐ Multiple Input Single Output
NMT ‐ Nordic Mobile Telephone
OFDM ‐ Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMA ‐ Orthogonal Frequency Division Multiple Access PCS ‐ Personal Communications Service
PDC ‐ Personal Digital Cellular
QAM ‐ Quadrature Amplitude Modulation QPSK ‐ Quadrature Phase Shift Keying RTT ‐ Radio Transmission Technology SDF ‐ Selective Decode and Forward SIMO ‐ Single Input Multiple Output SISO ‐ Single Input Single Output SNR ‐ Signal Noise Ratio
STBC ‐ Space Time Block Coding
TACS ‐ Total Access Communication System TCP ‐ Transmission Control Protocol
TDD ‐ Time Division Duplex VoIP ‐ Voice Over IP
WAP ‐ Wireless Application Protocol
WCDMA ‐ Wideband Code Division Multiple Access WiFi ‐ Wireless Fidelity
Índice de figuras
Figura 2.1 Gráfico do sinal em um ambiente rádio móvel………...……….…26
Figura 2.2 Cenário de Multipercurso [5]……….……….………...…...……...27
Figura 2.3 FDP da distribuição de rice [10] ……….…………..……….………....32
Figura 2.4 FDP da distribuição de Rayleigh [10] ………..….…………...33
Figura 3.1 Espectro de um sistema com modulação OFDM………..…...35
Figura 3.2 Período total do símbolo OFDM ..……….……….………..….……...…..37
Figura 3.3 Transmissão com atraso multipercurso: sem
TGe com
TG………….……….……….37
Figura 3.4 Esquema completo de um sistema com modulação OFDM [2]……….………..………….38
Figura 3.5 Parâmetros do LTE para a transmissão downlink [26]………...………..…...40
Figura 4.1 Esquema do sistema MIMO [2]……….………..………….…..44
Figura 4.2 Esquema geral de uma antena receptora a receber um conjunto de sinais [1}…………....47
Figura 4.3 Esquema de transmissão com múltiplas antenas ……….………..…...48
Figura 4.4 Matriz da codificação no espaço-tempo………..………...….…49
Figura 4.5 Pré-codificação baseada na multiplexagem espacial [1]………..………….…..………....51
Figura 4.6 Ortogonalização de sinais multiplexados espacialmente pela pré-codificação[1]…….…..52
Figura 5.1 Ilustração de um esquema de diversidade cooperativa [28]. ..…….……….…….………....55
Figura 5.2 Modelo simples de Cooperação [2]………..……….…..……….………..57
Figura 5.3 Protocolo de diversidade cooperativa AF [27]……….……...……….60
Figura 5.4 Protocolo de diversidade cooperativa DF[27]……….………..……...61
Figure 5.5 Protocolo de diversidade cooperativa Coded Cooperation [27]……….…………...….….62
Figura 6.1 Esquema de diversidade cooperativa proposto ..………….……….….…………..……66
Figura 6.2 Sistema com os canais independentes e sem considerar path-loss...…77
Figura 6.3 Sistema com os canais independentes e considerando path-loss………..…..…....…78
Figura 6.4 Sistema com os canais correlacionados e sem considerar path-loss……….…..…..……...79
Figura 6.5 Sistema com os canais correlacionados e considerando path-loss………...80
Capítulo 1
1.1 Evolução dos sistemas de comunicação móvel:
Os primeiros desenvolvimentos no que se refere às comunicações móveis foram dados pelo monopólio das operadoras telefónicas com fios. A grande aceitação por parte dos utilizadores e o seu uso veio quando à comunicação móvel tornou-se uma preocupação internacional e a indústria foi “convidada” para dentro desta grande e importante preocupação. O primeiro sistema internacional de comunicação móvel foi o sistema analógico NMT (Nordic Mobile Telefonia), que foi introduzido nos países nórdicos, em 1981, ao mesmo tempo que o AMPS analógico (Advanced
Mobile Phone Service) foi introduzido na América do Norte América. Outras tecnologias móveis
analógicas foram implementadas em todo o mundo como TACS e J-TACS. Todas estas tecnologias tinham em comum os equipamentos muito volumosos e a qualidade de voz por muitas vezes incoerentes, com cross-talk entre utilizadores a ser um problema comum [1].
Devido à utilização de sistemas internacionais, tal como o NMT, surgiu o conceito de roaming, com o fim de proporcionar um bom serviço aos utilizadores que viajam para fora da sua zona de cobertura. Este conceito de roaming originou ainda mais mercado para os telemóveis, atraindo mais empresas no negócio de comunicações móveis.
Com o desenvolvimento da comunicação digital, durante a década de 80, a oportunidade de desenvolver uma segunda geração de comunicação móvel de normas e sistemas baseados em tecnologia digital “explodiu”. Esta tecnologia trouxe a oportunidade de aumentar a capacidade dos sistemas dando assim uma qualidade mais consistente do serviço e desenvolveu o dispositivo de forma a este ficar muito mais atraente e verdadeiramente móvel (nomeadamente equipamentos menores) [2].
Na Europa, o CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations), que consiste num grupo de administradoras telefónicas de 48 países, iniciou o projecto GSM para desenvolver um sistema Pan-europeu de comunicações móveis. As actividades do GSM começaram em 1989 e continuou no recém-formado ETSI (European Telecommunications
Standards Institute). Após as avaliações de várias tecnologias, tais como o TDMA, CDMA e FDMA
propostas em meados de 1980, a tecnologia de interface-ar escolhida para o GSM foi o TDMA. O desenvolvimento da tecnologia digital móvel foi feito simultaneamente pela TIA nos E.U.A. resultando no standard IS-54 baseado TDMA, depois simplesmente designado como US TDMA. Um pouco mais tarde houve o desenvolvimento do CDMA chamado IS- 95 que foi completado pela TIA em 1993. No Japão, a segunda geração baseada no TDMA também foi desenvolvida, tendo sido referidos como PDC.
Todas estas normas foram orientadas com o fim de serem utilizadas nos serviços de banda estreita, tais como a voz. Com a segunda geração de comunicações digitais móveis, veio também a oportunidade de fornecer serviços de dados sobre as redes de comunicações móveis. Os serviços básicos de dados introduzidos em 2G foram mensagens de texto (SMS) e dados comutados por circuitos, serviços esses que permitiram o envio de e-mail e outras aplicações de dados. As taxas de transmissões de dados no sistema 2G foram inicialmente 9,6 kbps. Os sistemas 2G foram evoluindo de forma a suportarem taxas de transmissões cada vez mais elevadas. Os pacotes de dados, em relação aos sistemas móveis, tornou-se uma realidade durante a segunda metade do 1990 com o GPRS (General Packet Radio Services). Introduzidas no GSM, os pacotes de dados também são adicionados as outras tecnologias móveis, como o PDC japonês. Estas tecnologias são muitas vezes referida como 2.5G. O sucesso dos serviços de dados sem fios iMode no Japão, deu uma indicação muito clara do potencial para aplicações em pacotes de dados em sistemas móveis, apesar da relativamente baixa taxas de dados suportados nesse momento.
A internacionalização da normalização móvel ajudou ao aparecimento da tecnologia 3G. Apesar de o GSM ser um projecto Pan-europeu, este atraiu rapidamente o interesse a nível mundial quando o standard GSM foi implementado em uma série de países fora Europa. Existem hoje apenas três países no mundo onde o GSM não é usado. Esta integração do GSM fora da Europa proporcionou ganhos em grande escala na economia, uma vez que o mercado tornou-se cada vez maior. Isto tem conduzido a uma cooperação internacional muito mais apertado em torno de tecnologias móveis de terceira geração (3G) que as gerações anteriores.
Com o desenvolvimento da tecnologia 3G baseada na interface de rádio com maior largura de banda, apareceu a possibilidade de uma ampla gama de novos serviços que foram apenas insinuadas com o 2G e 2.5G. As especificações dos sistemas 3G são hoje responsabilidade do 3GPP [29]. No entanto, os passos iniciais para a especificação dos sistemas 3G foram tomados no início de 1990, muito antes de o 3GPP ter sido formado.
A implementação das redes móveis, especialmente das redes 3G produziu um maior crescimento no mercado das Telecomunicações. Na disputa pelo cliente, as operadoras têm aumentado a oferta de serviços e aplicações. E o perfil de tráfego dessas redes se diferencia em muito do serviço de voz simples, consumindo mais banda para a descarga de arquivos de vídeo, por exemplo. Isso exigirá das operadoras uma maior capacidade volume de tráfego nas suas redes, além da alteração do horário de pico
.
Pode-se afirmar que a comunicação móvel revolucionou o mercado das telecomunicações. A procura por serviços de voz e dados sem fios, com cobertura satisfatória, tem crescido
tecnológica só tornou-se possível graças ao conceito de comunicação móvel. A primeira geração dos sistemas móveis, que ficou caracterizada pela modulação analógica de sinal, logo foi substituída pela era digital. No entanto, antes mesmo de ser explorado todo o potencial desta fase evolutiva, deu-se início ao desenvolvimento da terceira geração, com o objectivo de fornecer aos utilizadores taxas mais altas de transmissão com maior qualidade.
Na tabela 1.1 são descritas as diferentes tecnologias, das diferentes gerações, que serão abordadas neste capítulo.
Tabela 1.1 Diferentes tecnologias nas diferentes gerações.
Primeira Geração - 1G
Com a primeira geração o serviço móvel passou a funcionar através da divisão de uma cidade ou região em pequenas áreas geográficas. Cada uma destas áreas é servida pelo seu próprio conjunto de rádios transmissores e receptores. Quando a chamada de um móvel alcança um “nó” de transmissão e recepção, a mesma é transferida para o sistema de telefonia fixa regular. Cada área possui diversos canais com o objectivo de fornecer serviços para muitos utilizadores em simultâneo. À medida que um utilizador se movimenta na área de cobertura, o sinal do seu telefone móvel passa automaticamente de uma área para outra, sem sofrer interrupções técnica denominada de handoff. O primeiro sistema telefónico móvel ficou conhecido pela sigla AMPS [3].
AMPS:
Um dos exemplos da tecnologia 1G é a AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Esta começou a ser utilizada em 1983 e fazia a alocação completa de um canal durante a transmissão de voz. A sua utilização já usava protocolos de transferência de sinal entre áreas, o processo de handover. A utilização excessiva deste sistema, saturou o número de1G
2G
2,5G
3G
+3G
AMPS
IS-95, GSM
GPRS, EDGE,
CDMA-2000 1x ou 1xRTT
UMTS, CDMA
1xEV-DO , CDMA 1xEV-DV
, HSDPA, WIFI
canais disponível por áreas, atingindo o seu limite principalmente nas áreas com mais uso, ou seja as áreas metropolitanas.
Segunda Geração - 2G
Ao fim de algum tempo, os sistemas analógicos atingiram o limite da sua capacidade. A necessidade de ter sistemas com uma maior capacidade (sistemas digitais), dá origem às tecnologias da segunda geração, apresentando diversas vantagens sobre os sistemas analógicos, tais como: codificação digital de voz mais poderosas, maior eficiência espectral, melhor qualidade de voz, facilidade da comunicação de dados e a criptografia, etre outro. O sinal, que agora é digital, é ainda transportado da mesma maneira que na tecnologia 1G. Nesta segunda geração destacam-se dois grandes grupos evolutivos que se formaram: IS-95 baseado no CDMA[Ref] e o GSM baseado no TDMA [3].
IS-95:
Este sistema era baseado no CDMA, ao contrário das utilizadas até então, usando a técnica do espalhamento espectral (spread spectrum), na qual, para um determinado canal seria usada toda a largura de banda disponível (1,23MHz), muitas das vezes maior do que necessária, para a transmissão de um único sinal. O que parecia ser uma grande desvantagem, torna-se uma grande vantagem, quando se consideram as condições em que esse canal de banda larga é utilizado. Como multiplos utilizadores podem utilizar exatamente a mesma banda ao mesmo tempo, a diferenciação entre cada utilizadorno sistema CDMA é feita por códigos especiais associados a cada transmissão, do móvel para a estação rádio base e da estação rádio base para o móvel. Cada ligação em andamento e identificada por um código específico, nunca tendo duas ligações diferentes o mesmo codigo. Esse código permite a separação eficiente de todas as chamadas que estão utilizando a mesma banda. A capacidade máxima alcançada depende, entre outros fatores, do controlo da potência de cada chamada e dos sinais interferentes (por exemplo ruido). Como é logico, quanto menor a potência, maior é a capacidade (ou seja, maior o número de chamadas simultâneas) do sistema. Esta tecnologia opera nas freqüências de 800 e 1900MHz e compete diretamente com a GSM.GSM (Global System for Mobile Communication):
Desenvolvida na Europa e adoptada em boa parte do mundo, diferencia-se das outras tecnologias pelo uso de cartões de memória SIM Card nos aparelhos, o que possibilita levar as características do utilizador para outro aparelho ou rede GSM. O GSM opera nas faixas de 850, 900, 1800 e 1900MHz. Utiliza uma combinação das técnicas de acesso FDMA e TDMA onde uma portadora de rádio frequência do GSM (denominada ARFCN) possui largura de banda de 200kHz que,
Entre Segunda e Terceira Geração - 2,5G:
A grande diferen
ç
a entre esta tecnologia e a 2G, é que esta tecnologia usa uma técnica avançada de modulação (comparado ao 2G), permitindo a comutação de pacotes ao invés de circuitos, a mesma técnica de transmissão adoptada pelo IP da arquitectura TCP/IP. [3]GPRS (General Packet Radio Service):
O GPRS é a evolução da tecnologia GSM em 2,5G. Esta tecnologia oferece velocidades máximas de dados de 115kbps e uma taxa de transferência média de 30 a 40kbps. Os dados a enviar são divididos em pacotes para depois serem transmitidos, o que favorece os utilizadores, já que tem uma conexão permanente de dados e assim estes não tem a necessidade de acederam ao sistema cada vez que desejarem ter acesso a serviços de dados. Outra das grandes vantagens é que os utilizadores só pagam pelos dados e não pagam pelo tempo de permanência, ou seja, não pagam o tempo no “ar”, nomeadamente o tempo em que se faz a conexão e o tempo de carregamento. É o GPRS que permite a conexão da maior parte dos smartphones e telemóveis à internet. Actualmente, o GPRS é o padrão que oferece a maior cobertura móvel para aparelhos de mão com acesso à internet.EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution):
Esta tecnologia tem causado muita
controvérsia, já que pode ser considerada como uma tecnologia 2,5 ou 3G. A EDGE é uma tecnologia de transmissão de dados e acesso à Internet de alta velocidade, que transmite dados até 384kbps e tem uma taxa média de transmissão entre 110 e 120kbps. As taxas médias de transmissão são rápidas o suficiente para permitir serviços de dados avançados, como streaming de áudio e vídeo, acesso rápido à Internet e download de arquivos relativamente grandes. A EDGE também suporta serviços "push-to-talk". Esta tecnologia também é denominada de GPRS ampliada (E-GPRS; Enhanced GPRS), pois aumenta em três ou quatro vezes a capacidade e o throughput de dados da tecnologia GPRS. A EDGE também é um serviço baseado em pacotes que oferece aos clientes uma conexão permanente para transmissão de dados.CDMA-2000 1x ou 1xRTT (1xRadio Transmission Technology):
É a evolução do CDMA, sendo considerada como uma tecnologia 2,75G ou 3G, segundo o padrão da ITU-T, por possuir taxas de transmissão superiores a 144Kbps. O CDMA2000 1X foi a pioneira no mercado das altas taxas de velocidade de dados, hoje disponíveis em todo o mundo e que oferecem aos consumidores e profissionais uma total conectividade sem fios. A velocidade de transmissão teórica desta tecnologia é de aproximadamente 153,6Kbps. A nomenclatura CDMA contida na sigla diz respeito apenas à técnica de modulação usada na interface aérea de sistemas móveis e não quer dizer que sejam totalmente compatíveis entre si. Na maioria dos casos, os sistemas 2,5G são implementados directamente sobreas redes 2G existentes. Como resultado, um sistema 2,5G não é uma rede comutada a pacotes “pura”. Na verdade, pacotes de dados são transmitidos sobre redes de circuitos comutados.
Terceira Geração - 3G
Os sistemas com tecnologia 3G oferecem serviços de telefónicos e de comunicação de dados a velocidades maiores que as tecnologias anteriores. O standard 3G especifica 144kbps em ambientes móveis, 384kbps em ambientes pedestres e 2Mbps em ambientes fixos [3].
UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service):
Pode-se afirmar que esta tecnologiaé
a evolução do GSM, mas que ainda se baseia na tecnologia GSM, embora o acesso por rádio seja diferente do que no GMS. Esta tecnologia utiliza uma das técnicas CDMA chamada de DS-WCDMA (Direct Sequence Wideband), por isso é comum o uso intercalado do UMTS e WCDMA, embora a sigla UMTS se refira ao sistema inteiro. Esta tecnologia opera principalmente em 1900MHz mas em algumas regiões opera em 850MHz. A UMTS é uma tecnologia baseada em IP que suporta voz e dados em pacotes, oferecendo taxas máximas de transmissão de dados até 2Mbps e velocidades médias de 220 a 320kbps quando o utilizador está em movimento. A UMTS foi desenvolvida para fornecer serviços com altos níveis de consumo de banda, tais como streaming, transferência de grandes arquivos e videoconferências para uma grande variedade de aparelhos como telemóveis, PDAs e laptops. A UMTS écompatível com a EDGE e a GPRS permitindo ao utilizador sair de uma área de cobertura UMTS e ser automaticamente transferido para uma rede EDGE ou GPRS, dependendo de factores como disponibilidade de rede e o consumo de banda do seu aplicativo.CDMA 1xEV-DO (Evolution, Data-Optimized):
O CDMA 1xEV-DO é a tecnologia 3G do CDMA, que possui alta performance para transmissão de dados com picos de até 2,4 Mbps. São necessárias diferentes portadoras para dados e voz neste tipo de sistema.CDMA 1xEV-DV (Evolution, Data and Voice):
É a evolução do CDMA 1xEV onde agora
uma mesma portadora pode ser utilizada para a transmissão de voz e dados. A 1xEV-DO, tem uma portadora de 1,25 MHZ que é dedicada apenas para dados, enquanto na 1xEV-DV tem uma mesma portadora dedicada para dados e voz.HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) / HSUPA (High Speed Uplink Packet
Access):
O HSDPA/HSUPA permite que os utilizadores enviem e recebam e-mails com tamanho relativamente grandes, joguem interactivamente em tempo real, recebam e enviem imagens e vídeos de alta resolução, façam download de conteúdos de vídeo e de música ou permaneçam conectados sem fio a seus PCS no escritório – tudo usando o mesmo dispositivo móvel. HSDPA, como se pode ver pelo nome, refere-se à alta velocidade com a qual os utilizadores podem receber arquivos de dados, o "downlink", e podem enviar arquivos de dados, o "uplink."WIFI:
Do termo Wireless Fidelity (WiFi), esta norma tornou-se de longe a mais utilizada forma de acesso sem fios dos últimos anos. Este standard foi desenvolvido pelo grupo 11 do comité IEEE 802 recebendo assim a designação de IEEE 802.11. Foi desenvolvido inicialmente para acesso a redes pessoais, como computadores portáteis e PDAs mas rapidamente se implementaram técnicas de acesso a redes com maior alcance como Internet e Voice Over IP (VoIP). Divide-se basicamente em três principais padrões: 801.11b, 802.11a e 802.11g. Destes destaca-se o 802.11g por ser o mais utilizado e por surgir da conjugação dos restantes: utiliza a velocidade do 802.11a com a alta compatibilidade do 802.11b. Atinge uma taxa de transmissão de cerca de 54 Mbps e opera na 2.4 GHz que não necessita de licenciamento. Utiliza a tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) para taxas de transmissão superiores a 20Mbps e requer um Complementary Code Keying (CCK) para assegurar a compatibilidade com os dispositivos 802.11b.
Acima de 3G
As tecnologias móveis especificadas pelo 3GPP são as mais amplamente utilizadas no mundo, com mais de 2,6 bilhão de utilizadores em 2008. O último passo a ser estudado e desenvolvido pelo 3GPP é a evolução da 3G, numa evolução de acesso de rádio referido como o LTE e numa evolução do núcleo de acesso do pacote de rede na arquitectura do sistema em evolução (SAE) [1].
LTE:
O Long Term Evolution foi estabelecido pelo 3GPP como a próxima tecnologia IP baseada na modulação OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Surge como um sucessor das tecnologias de rede do GSM e do UMTS utilizando a sua interface a atmosfera, mas difere destas num melhor aproveitamento espectral no Downlink, utilizando um sistema de múltiplas antenas (Multiple Input Multiple Output ‐ MIMO). Os principais objectivos do projecto foram definidos nas seguintes áreas: transferência dedados de ponta; eficiência espectral; largura de banda do canal flexível, latência; complexidade do dispositivo e custo global do sistema.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)
é um protocolo de telecomunicações que oferece acesso fixo e totalmente móvel à internet. A revisão actual WiMAX oferece até 40 Mbit / s , com o IEEE 802.16m a sua actualização deverá oferecer velocidades de até 1 Gbit / s fixo. (WiMAX é baseado no padrão IEEE 802.16, também chamado de Broadband Wireless Access. O nome "WiMAX" foi criado pelo WiMAX Forum, que foi formada em Junho de 2001 para promover a conformidade e interoperabilidade do padrão. O fórum descreve WiMAX [4] como "uma tecnologia baseada em padrões que permitam o fornecimento de acesso em banda larga sem fio de última milha como uma alternativa ao cabo e DSL”. Designada de WIMAX (WorldWide Interoperability forMicrowave Access) esta norma tem semelhanças ao LTE visto que também é
completamente orientada para comutação de pacotes. Utiliza as técnicas de FDD e TDD e contempla modulações Quadrature Phase Shift Keying e Quadrature Amplitude
Modulation.
1.2 Objectivos e Motivações
A utilização da diversidade espacial será um elemento importante nos futuros sistemas de comunicações sem fios, uma vez que através destes, obtêm-se um melhor aproveitamento da diversidade inerente em canais sem fios e consequentemente alcança-se maiores taxas de transmissão. A diversidade espacial poderá ser obtida usando agregados de antenas em um ou ambos os terminais. No entanto, utilizar agregados de antenas no terminal móvel (TM) pode não ser praticável devido à sua complexidade, dimensão, custo e limitações do hardware. Além disso, há uma correlação significativa entre os canais rádio em alguns ambiente o que prejudica o desempenho do sistema. Uma forma eficaz e interessante de contornar estas questões é explorar a diversidade espacial através da cooperação de múltiplos utilizadores e/ou de relays dedicados (diversidade cooperativa) de forma a permitir por exemplo que terminais equipados com apenas uma antena partilhem as respectivas antenas, criando um sistema MIMO (Multiple Input Multiple
Output) distribuído ou “virtual”. Em sistemas em que o transmissor conhece a resposta do canal
antes da transmissão, a dimensão espacial pode ser usada de uma forma muito mais eficiente, aumentando consideravelmente o desempenho do sistema em questão.
O objectivo desta dissertação é estudar, implementar e avaliar o desempenho de esquemas de pré-codificação, projectados para sistemas de comunicações móveis cooperativos de portadora múltipla (OFDM). Especificamente, o sistema cooperativo considerado consiste numa estação base (EB), dois relays equipados com um agregado de antenas e um conjunto de terminais móveis equipados com apenas uma antena. É assumido que os relays estão ligados, através do que na literatura inglesa se designa por backhoul-channel. Esta ligação permite optimizar o sistema através de uma melhor alocação de potência para cada terminal móvel. i.e., a potência total disponível é redistribuída de uma for mais eficiente pelos vários TM. O sistema referido foi implementado de acordo com as especificações do LTE e avaliado em diversos cenários de propagação. Verificou-se que o desempenho sistema proposto é melhor que o caso em que a potência alocada a cada TM é a mesma.
1.3 Organização
A restante dissertação está dividida em mais 6 capítulos, separados em diferentes secções, cada um com um tema essencial para a realização desta dissertação.
No segundo capítulo é feito um breve estudo sobre o canal de comunicação. Neste estudo é explicado os fenómenos que actuam no sinal quando este se propaga pelo canal de comunicação, fenómenos esses que o degradam e desvanecem. Também será explicado os diversos modelos para a modulação do canal, que é sempre importante, pois é fundamental saber como o canal de transmissão ira comportar-se ao longo da transmissão. Outro ponto também estudado neste capítulo é o tempo de coerência e largura de banda de coerência. Finalmente para concluir este capítulo, será explicado de forma breve o conceito de distribuição de Rayleigh e de Rice.
O terceiro capítulo é dedicado ao estudo de sistemas de portadora múltipla e acesso múltiplo, nomeadamente sistemas baseados na modulação OFDM. É também feita referência ao sistema LTE, explicando alguns conceitos importantes e apresentando os parâmetros mais importantes do LTE para a transmissão downlink.
O tema do quarto capítulo é sistemas com múltiplas antenas. Aqui é feita uma pequena introdução sobre a importância destes sistemas. É explicado o conceito de diversidade, tanto no tempo, como no espaço e na frequência. Sistemas MIMO, SIMO e MISO são explicados ainda neste capítulo, incorporando os conceitos de diversidade no receptor (múltiplas antenas no receptor) e diversidade no emissor (múltiplas antenas no emissor). Ainda neste capítulo é feita uma abordagem a codificação no espaço-tempo, nomeadamente a codificação de Alamouti. Para finalizar este capítulo é abordado o tema da Pré-codificação.
Sistemas cooperativos é o tema dominante do quinto capítulo. Aqui é feita uma pequena introdução sobre a evolução dos sistemas de transmissão ate os sistemas cooperativos de hoje em dia. É explicado como funciona este tipo de sistemas, bem como as diferentes técnicas de diversidade cooperativa. São ainda descritos os principais protocolos de diversidade cooperativos, que pode ser implementado em cada relay, dependendo do que queiramos obter como resultado final. Como último ponto neste capítulo, é abordado o projecto CODIV.
No sexto capítulo é descrito e explicado o sistema proposto para esta dissertação, sendo apresentadas as deduções das fórmulas importantes para a realização desta dissertação. Por último é apresentado os resultados das simulações obtidas, simulações essas feitas através das feitas na ferramenta MATLAB.
No capítulo 7 é feita uma conclusão/discussão dos resultados, acerca da realização desta dissertação.
Capítulo 2
2.1 Conceitos básicos
Para fazer o projecto de um sistema de comunicação, deve-se ter em conta três elementos essenciais: um emissor, um receptor e um canal de propagação/comunicação. Este canal de propagação é definido como sendo o meio físico pelo qual o sinal a enviar propaga-se, desde o emissor até ao receptor, sendo que existem sempre perdas de percurso durante as transmissões dos diversos sinais.
As perdas de percurso de um canal de propagação podem ser entendidas como a relação entre a potência do sinal recebida pelo receptor e a potência do sinal transmitida pelo emissor para um determinado canal de propagação. Estas perdas estão relacionadas com a distância de propagação do sinal, ou seja, quanto maior for a distancia pelo qual o sinal deve-se propagar, maiores serão as perdas sofridas na propagação.
Ao longo dos anos, tem-se desenvolvido modelos de propagação relativamente simples e eficazes, que descrevem com precisão o comportamento estatístico dos canais, dependendo do meio e do cenário onde o sistema está inserido. Estes tipos de canais chamam-se de Fading
Channels (canais de desvanecimento). Estes desvanecimentos são originados pelos obstáculos
encontrados pelos sinais na sua transmissão, que resultam de reflexões, difracções, entre outros fenómenos que prejudicam a qualidade do sinal.
2.1.1 Desvanecimento rápido
Este desvanecimento [5] é provocado pelas atenuações rápidas e é causado pelos fenómenos de propagação por multipercursos e pelo efeito Doppler.
Multipercurso
O sinal que ira ser recebido pelo terminal móvel será composto pela soma vectorial dos vários sinais, que serão cópias do sinal (original) enviado pela EB, oriundos dos diferentes caminhos entre o transmissor e o receptor. Estas cópias do sinal enviado pela EB, oriundas dos diferentes caminhos, são originados pela reflexão, difracção e/ou espalhamento. Isto acontece quando o sinal original transmitido pela EB atinge estruturas próximas ao receptor, tais como edifícios, árvores, postes, carros, etc, como se pode observar na figura 2.2. A soma vectorial dos vários sinais dos multipercursos pode resultar em uma interferência construtiva ou destrutiva do sinal recebido pelo terminal móvel. Com o movimento, as estruturas em torno do receptor vão se modificando e, por consequência, as interferências passam constantemente da situação construtiva para a destrutiva, fazendo com que a intensidade do sinal recebido varie rapidamente [6]. O desvanecimento por multipercursos, ou fast-fading, pode ser entendido como essa alteração na intensidade do sinal recebido e esta relacionado com a velocidade de movimentação (emissor ou receptor), uma vez que quanto maior a velocidade de movimentação, mais rápidas serão as variações no sinal recebido.
Efeito Doppler
O efeito Doppler [7] , que da origem ao desvanecimento acima falado, é a percepção de uma frequência diferente daquela que realmente está sendo transmitida por uma determinada fonte. Este efeito acontece devido ao movimento relativo entre o emissor e o receptor. Quanto maior a velocidade de deslocamento do receptor em relação à direcção de propagação da onda de rádio, maior o desvio de frequência percebido. Pode-se deduzir o valor do desvio Doppler em função da velocidade de movimento através de uma abordagem relativista ou por simples geometria. Ambos os resultados levam à expressão,
.cos
v
fD
(2.1)
Onde v é a velocidade do terminal móvel e
é o ângulo entre a direcção do movimento e a direcção de propagação da onda electromagnética.Numa situação real, como o sinal recebido é oriundo de várias direcções e como as características das estruturas variam conforme a posição do terminal móvel, cada um dos sinais dos multipercursos sofrerá diferentes desvios de Doppler e como resultado, tem-se não mais um desvio, mas sim um espectro de Doppler. Este espectro é formado a partir da variação aleatória da frequência percebida em cada multipercurso, conforme a variação das estruturas ao redor do receptor, dando origem ao que é denominado Ruído FM Aleatório (Random FM Noise), ruído esse que é o responsável pela existência de um patamar mínimo para a probabilidade de erro de bit em vários sistemas de comunicação móvel digital. Esse patamar não pode ser reduzido mesmo com o aumento da potência de transmissão.
2.1.2 Desvanecimento lento
O desvanecimento lento [5] é provocado pelas atenuações lentas, e é originado principalmente, pelo afastamento do emissor do receptor. Mesmo sem movimentação do receptor, este desvanecimento pode ocorrer devido as alterações significativas no ambiente como, por exemplo, variações temporais no índice de refracção da atmosfera. Portanto este desvanecimento depende das características do ambiente que não se alteram bruscamente, originando assim variações lentas ao longo da distância entre o emissor e receptor, ou seja, ao longo do tempo. O desvanecimento lento é devido sobretudo a duas situações: efeito sombra e perdas de propagação, designadas na terminologia Inglesa por path-loss.
componentes do sinal que vão ser afectados pela “sombra” que esses obstáculos provocam. Este fenómeno denomina-se por shadowing ou efeito sombra, e tem como consequência variações no valor médio do sinal, podendo haver inclusive interrupções instantâneas da comunicação.
Em qualquer ambiente de comunicação via móvel, a intensidade ou nível do sinal recebido diminui conforme o receptor se afasta do transmissor. Muitos modelos de predição da atenuação com a distância (path-loss models) foram propostos, tanto analíticos quanto empíricos. Todos os modelos de predição da atenuação, sejam eles empíricos ou analíticos, indicam que a potência média do sinal recebido decai de forma logaritma com a distância, seja em ambientes internos ou externos (“indoor” ou “outdoor”). O path-loss é muito frequente em comunicações sem fios e na transmissão do sinal. Estas perdas podem ser originadas por muitos efeitos, tais como perda no espaço livre, refracção, difracção, reflexão, perda média de acoplamento da abertura, e de absorção. O path-loss também é influenciado pelos contornos do terreno (efeito shadowing), o ambiente (rural ou urbana, vegetação e folhagem), meio de propagação (ar seco ou húmido), distância entre o transmissor e o receptor, altura e localização das antenas.
No desvanecimento lento a amplitude do canal pode ser modulada por uma distribuição
log‐normal com um desvio padrão descrito pelo modelo de log‐distance path-loss.
2.2 Modularização do canal
Análise, projecto, simulação e implementação de sistemas de comunicação, são quatro factores essenciais que requerem o entendimento por completo do canal de comunicação a ser utilizado. O conhecimento prévio do canal pode ser importante e decisivo na escolha da modulação e na codificação utilizada para a transmissão do sinal, para assim determinar a taxa e potência de transmissão, capacidade do sistema e para a escolha dos tipos de receptores e técnicas de processamento de dados utilizadas na recepção. Na impossibilidade de implementar tais sistemas devido ao elevado custo e tempo gasto, a sua modulação matemática e ou computacional tem sido uma ferramenta ampla e muito útil, utilizada na pesquisa e desenvolvimento de novas técnicas de transmissão e recepção. Como consequência, a modulação matemática e ou computacional de canais de comunicação é factor indispensável, motivando pesquisas com o objectivo de construir modelos cada vez mais fieis aos canais de comunicação físicos (canais reais).
Assim, podemos distinguir três maneiras diferentes de caracterizar a modulação de canal de rádio móvel: modelos determinísticos, modelos estatísticos ou escolásticos e modelos híbridos.
Modelos Determinísticos
Este método é utilizado quando se procura a melhor localização para uma estação base, em sistemas de redes móveis, ou até redes locais.
Este tipo de modelo tenta prever exactamente as características do canal, numa determinada localização, usando informação proveniente do emissor e do receptor, assim como do meio em que este está situado. Tendo em conta esta última característica, este modelo resultante será apenas válido para essa localização específica. A grande desvantagem deste modelo é a sua difícil implementação [8].
Modelos Estatísticos
No caso dos modelos estatísticos, estes não são utilizados para o estudo do comportamento do canal numa localização específica. Este tenta modular as características estatísticas do canal. Ao contrário de um sistema determinístico, este utiliza conceitos como densidade espectral de potência (DEP), como a DEP de Doppler, e distribuições de potência como as de Rice e Rayleigh [8]
Modelos Híbridos
Os modelos híbridos englobam as medições efectuadas na propagação de ondas para uma determinada zona, segundo o determinístico, e a partir destas utiliza o modelo estatístico para determinar aproximações a esse comportamento. Assim, categorizando os vários meios onde se dá a propagação, o comportamento do canal pode ser estimado com mais exactidão [9].
2.3 Tempo de Coerência e Largura de banda de Coerência
Colocando de maneira simples, coerência é a medida da correlação entre as fases medidas em diferentes pontos de uma onda. Entretanto mesmo sendo esta uma propriedade de uma onda que se propaga, a coerência está directamente relacionada as características da fonte da onda.
Tempo de Coerência e Largura de banda de Coerência
coerência fornece uma medida da gama de frequências em que o canal mostra uma resposta de frequência plana, no sentido de que todos os componentes espectrais têm aproximadamente à mesma amplitude que uma mudança linear de fase. Isto significa que se a largura de banda do sinal transmitido é menor que a largura de banda de coerência do canal, em seguida, todas as componentes espectrais do sinal será afectada pela atenuação e mesmo por uma mudança linear de fase. Neste caso, o canal é dito ser um canal flat fading. De outra forma, uma vez que vê o sinal de um canal com a resposta de frequência plana, o canal é frequentemente chamado de um canal de banda estreita. Se, pelo contrário, a largura de banda do sinal transmitido é maior do que a largura de banda de coerência do canal, então as componentes espectrais do sinal será afectada por diferentes atenuações. Neste caso, o canal é dito ser selectivo na frequência ou um canal de banda larga [2]. O tempo de Coerência, Tc, [6] é uma medida estatística que nos dá o intervalo de
tempo dentro do qual os sinais recebidos possuem grande correlação de amplitude e é inversamente proporcional ao espalhamento Doppler. O tempo de coerência é importante, pois a partir dele podem ser desenhados técnicas de interleaving e codificação de canal que exploram a diversidade temporal do canal, que só se pode ser feito se as varias cópias de um determinado símbolo for transmitido em instantes de tempo diferentes e com separação superior ao Tc. Se o
ritmo de símbolo for superior a
c
T
1
, o canal não causará distorção devido ao movimento.
O tempo de coerência pode ser expresso da seguinte forma:
max
2
1
D cf
T
(2.2)2.4 Distribuição Rayleigh e de Rice
Distribuição de Rice
Esta distribuição é usada quando existe uma linha de transmissão directa entre o emissor e receptor existindo então um sinal dominante. A modelagem estatística [10] feita a partir da distribuição de Rice é utilizada onde o sinal na recepção é composto pela combinação de uma onda dominante com diversas ondas reflectidas de intensidade menor. A distribuição de Rice é dada por, (2.3)
Sendo a potência dos sinais reflectidos, a potência do sinal directo (componente dominante) e é a função modificada de Bessel de primeira classe de ordem zero, definida como, (2.4) A potência associada a distribuição de rice, pode ser definida como,
(2.5)
Esta distribuição é geralmente caracterizada em termos de um parâmetro que não é mais que o factor de rice. Este parâmetro é definido como sendo o quociente entre a potência da componente dominante e a potência média de propagação multipercurso.
Distribuição Rayleigh
Quando não existe um sinal com potência predominante, ou seja, quando não existe caminho de ligação directo entre emissor e receptor, a distribuição que melhor modela o canal será a de Rayleigh [11]. Pode-se obter esta distribuição a partir da distribuição de rice, fazendo tender [10], ou seja não existe componente dominante nesta situação.
Sendo assim a FDP desta distribuição será dada por,
(2.6) Onde é variância das componentes em fase e em quadratura que compõem o sinal r.
A potência associada a distribuição de Rayleigh, é agora definida como,
(2.7)
Capítulo 3
3.1 Sistemas de portadora múltipla
Uma forma de obter sistemas ainda mais fiáveis e conseguir fazer um melhor aproveitamento racional do espectro electromagnético é usar técnicas de modulação de portadoras múltiplas. Um sistema de portadoras múltiplas é caracterizado por fazer a divisão de uma sequência de informação a transmitir, em várias sub-sequências de menor tamanho, que serão enviadas através do mesmo número de canais. A informação a ser enviada por cada um desses sub-canais terá uma taxa de transmissão mais baixa do que a original, assim como largura de banda utilizada por esse canal.
O OFDM [2] (orthogonal frequency-division multiplexing) é uma técnica de modulação que vem sendo adoptada em diversos sistemas de comunicação com elevadas taxas de transmissão, tais como WiFi (IEEE 802.11) WiMAX(IEEE 802.16) e LTE. Esta técnica de modulação, ao contrário das técnicas tradicionais que transmitem um fluxo de símbolos de dados com uma taxa de transmissão elevada ou com
Ts
pequeno, divide o fluxo de símbolos original em diversos fluxos com taxas de transmissão mais baixa, que serão transmitidos por sub-canais paralelos, sendo que cada um desses sub-canais será modulado com uma sub-portadora diferente. Para isso a modulação OFDM utiliza uma técnica muito eficiente, chamada DFT (discrete Fourier transform), e uma implementação também eficiente desta técnica, a FFT (fast Fourier transform), para assim criar os diversos sub-canais utilizando apenas uma frequência de rádio, como se pode observar na figura 3.1 [2].Figura 3.1 Espectro de um sistema com modulação OFDM
O sinal OFDM s(t)a ser transmitido pode então ser representado como sendo um somatório de
c
1 0 21
)
(
N k t T k j k OFDMe
c
N
t
s
, para t < TOFDM (3.1)Onde
t
0é o intervalo inicial de sub-símbolo, e TOFDM a duração de um sub-símbolo.O tempo total de envio dos símbolos OFDM será dado por
T
OFDM
N
c.
Ts
, onde Nc é o númerode sub-portadoras, e
Ts
é a duração dos símbolos de dados.A tecnologia OFDM é usada para combater eficazmente os efeitos negativos introduzidos pelo desvanecimento multipercurso característico dos canais rádio móveis. Uma das suas grandes vantagens quando comparada com a técnica de modulação com uma única portadora, é a redução da complexidade na equalização de um canal dispersivo. Mas por outro lado, os sistemas OFDM’s, assim como qualquer sistema baseado na técnica de multiportadora, são bem mais sensíveis a problemas de sincronização, tal como offsets na frequência da portadora, do que os sistemas com portadora simples. Consequentemente, temos que o tempo de cada símbolo (
Ts
) é maior tornando o sinal menos sensível a ruídos, a multiplicidade de caminhos e a interferência entre símbolos (intersymbol interference - ISI). Para prevenir a interferência entre os sinais das portadoras adjacentes, é necessário garantir que estas são ortogonais entre si. Essa ortogonalidade significa que cada portadora tem um número inteiro de ciclos por cada período de símbolo [12]. Assim garante-se que o espectro de cada portadora tem um nulo na frequência central de outra portadora no sistema.
À codificação dos símbolos de dados que vão ser transmitidos deve ser feita no domínio da frequência.Em cada símbolo OFDM é inserido um tempo de guarda (TG) maior que o atraso máximo do canal, para deste modo, eliminar por completo a ISI (interferência entre símbolos), mantendo a ortogonalidade entre os sinais nas diferentes sub-portadoras. Este tempo de guarda não é mais que uma extensão cíclica de cada símbolo OFDM como mostra a figura 3.2.
Assim a duração do novo símbolo OFDM é dada por,
TOFDM TOFDM TG
' (3.2)
Note que a inserção do tempo de guarda reduz a eficiência espectral, uma vez que diminui o ritmo de transmissão. Geralmente o TG é dimensionado de forma a ser menor que 20% a 25% do
tempo de duração do símbolo OFDM, o que corresponde a um aumento de potência de transmissão menor que 1dB [11]. Logo o tamanho do TG deve ser dimensionado de forma a
conta o atraso máximo do canal para eliminar por completo a IES. Um outro aspecto a considerar no dimensionamento de um sistema OFDM está relacionado com a interferência entre portadoras (IEP). De forma a eliminar este efeito, o espaçamento entre sub-portadoras dever ser muito maior que o espalhamento de Doppler f 2fD,max. Além disso deve-se ter presente que um espaçamento pequeno entre sub-portadoras faz com o sistema fique mais sensível a variações de frequência e de ruído de fase [11].
A figura abaixo mostra duas situações de transmissões sofridas pelo símbolo OFDM, com atraso provocado por multipercurso. Na primeira situação não existe o TG, e na segunda já existe o TG,
Para a desmodulacão do sinal OFDM, são necessárias duas operações por parte do receptor. A primeira é a sincronização temporal, que consiste em determinar o tempo óptimo no qual a
Figura 3.2 Período total do símbolo OFDM
leitura dos símbolos deve ser feita. A estrutura utilizada pelo OFDM permite um grau razoável de erro de sincronização temporal sem que isto acarrete erro na recepção. A segunda operação, a sincronização em frequência, consiste em alinhar ao máximo a frequência das portadoras do receptor e do sinal transmitido. Isto deve ser feito com muita precisão, pois a recepção correcta do sinal depende da ortogonalidade das sub-portadoras, o que pode ser severamente afectado se esta sincronização não for precisa. Outro problema que o OFDM apresenta quanto à implementação está na razão pico-média (peak-to-average ratio – PAR). Como o sinal transmitido é igual, no domínio do tempo, à soma de diversos sinais em banda mais estreita, ele possui alta variação de valor. Isto implica em menor eficiência e necessidade de um melhor amplificador de potência, um dos componentes mais caros de um sistema de rádio. Algumas técnicas para diminuir o PAR são o cancelamento de pico – como filtros e clipping – e mapeamento de sinal – esquemas que prefiram palavras de código de baixo PAR.
Na figura 3.4 ilustra-se o esquema básico de um sistema com modulação OFDM.
3.2 Modos de operação
Existem dois modos de operação para estabelecer uma ligação bidireccional (ULDL e DLUL): TDD onde esta ligação é conseguida atribuindo-se períodos de tempo (
Ts
) ao UL e ao DL, e FDD em que a ligação é conseguida atribuindo-se uma faixa de frequência para o UL e outra para o DL. O modo TDD necessita de um tempo de sincronização extremamente preciso da EB e do TM para que assim, seja respeitada a ordem doTs
no UL e DL. Também é necessário um tempo de guarda (TG) entreTs
consecutivos, para assim evitar sobreposições deTs
. Este modo é geralmente usado em ambientes onde exista uma grande densidade de tráfego, sendo que as aplicações exigem elevadas taxas de transmissão e tendem a criarem grande assimetria, ou seja, a maior parte da transmissão é feita num único sentido.No modo FDD as bandas de frequências são separadas por uma banda de guarda para, tal como no TDD, evitar sobreposições. Ao introduzir a BG, implica a perda de alguma largura de banda e também alguma perda de flexibilidade, já que tem-se uma LB que vai estar sempre atribuída ao UL e outra ao DL. A fácil sincronização é a grande vantagem de este modo, sendo este modo usado em macro-celulas onde sejam precisas taxas de transmissão moderadas e a média/alta velocidade.
3.3 LTE
Procurando soluções para tornar a transmissão de dados mais eficiente, ao mesmo tempo em que o volume desse tráfego encontra-se em ascensão, o LTE foi proposto como o próximo passo rumo ao sistema móvel da 4ª Geração. O seu desenvolvimento visa fornecer melhorias de desempenho, além de reduzir o custo por bit.
O sistema LTE adopta a tendência para redes móveis de se basear no protocolo IP. Com isso, o tráfego de voz será suportado principalmente através da tecnologia VoIP, possibilitando melhores integrações com serviços de multimédia. A tecnologia LTE já se coloca em meio à transição do uso da comutação de circuito para a comutação de pacotes no tráfego de voz [14].
Com o objectivo de oferecer velocidades maiores de transmissão de dados, a tecnologia LTE alcança taxas de transmissão de 75 Mbit/s no uplink e até 300 Mbit/s no sentindo de downlink. Por basear-se no protocolo IP, com a transição de redes combinando comutação de circuito e pacotes, a arquitectura do sistema deve ser simples. No LTE, essa arquitectura é conhecida como
EPC (Evolved Packet Core), caracterizada pela simplicidade e pela integração com as outras redes baseadas no IP [14].
Outro ponto-chave desta tecnologia diz respeito à automação de processos de rede, conhecida como Self-Organizing Network. Essa característica permite que as redes possam configurar-se e sincronizar-se com redes adjacentes.
No caso do LTE, utilizando o canal de 20 MHz, o esquema proposto pela multiplexagem OFDM divide o espectro disponível em milhares de sub-canais estreitos, cada um carregando parte do sinal ao máximo, sendo combinados posteriormente para gerar o dado transmitido. Com isso, o OFDMA associa diferentes sub-canais para utilizadores diferentes, evitando problemas causados por reflexões em múltiplos caminhos, enviando os bits de um dado a baixas velocidades, combinados no receptor para formar uma mensagem de alta velocidade.
Como referido a técnica de modulação OFDM foi adoptada em vários standards. O sistema implementado nesta dissertação é baseado em parte nas especificações para a camada física do LTE para o downlink. Na figura abaixo é descrito alguns dos principais parâmetros do LTE.
Capítulo 4
4.1 Introdução
As comunicações sem fios [2] têm sido alvo de constantes evoluções tecnológica, todas elas extraordinariamente rápidas. Embora separados por apenas algum período de tempo, neste caso, alguns anos, cada nova geração de sistemas sem fios trouxe melhorias significativas em termos da velocidade de comunicação dos links do dispositivo, vida útil da bateria, aplicações, etc.
Os sistemas de comunicação de dados actuais operam com taxas de transmissão cada vez maiores. Consequentemente, é necessário projectar equipamentos que suportem estas taxas de transmissão respeitando algumas limitações práticas como largura de banda, potência de transmissão, etc. Este projecto fica ainda mais complexo quando a transmissão dos sinais é feita por ondas de rádio, pois as adversidades encontradas no canal de comunicação sem fios dificultam em muito a transmissão de informação por este meio. Uma grande ajuda na transmissão sem fios é a utilização de técnicas de diversidade, que permitem ao receptor “ver” o sinal transmitido, sob condições de canais diferentes tornando mais fiável a transmissão de dados a altas taxas de transmissão em sistemas sem fios. Uma das técnicas de diversidade, a diversidade espacial (múltiplas antenas), vem sendo muito utilizada pois fornece grandes ganhos sem induzir perdas na eficiência do espectro. Adicionalmente, a capacidade de sistemas com múltiplas antenas, também conhecidos como sistemas com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO,
do inglês: Multiple Input Multiple Output), tem um aumento significativo quando comparada a de
sistemas que utilizam apenas uma antena transmissora e uma receptora [15].
Uma das contribuições mais importantes para os progressos das comunicações sem fios dos últimos anos tem sido a tecnologia MIMO, tendo sido mesmo adoptado recentemente no LTE. Esta tecnologia melhora significativamente a qualidade do sinal recebido e aumenta a taxa de transmissão de dados sem comprometer a largura de banda do sistema. Este desempenho é conseguido utilizando as técnicas de processamento digital de sinais para formatar e combinar os sinais recebidos a partir dos vários canais estabelecidos entres as antenas dos receptores e transmissores.
4.2 Diversidade
A diversidade [2] é uma técnica na qual réplicas de um sinal são combinadas na recepção com o intuito de obter maior fiabilidade na detecção do sinal transmitido.
Num canal de rádio móvel terrestre, podemos ter um sinal recebido pelo receptor com intensidade insuficiente para a recuperação do sinal transmitido devido aos efeitos dos multipercursos, num determinado instante. No caso em que dois ou mais sinais iguais são transmitidos através desse canal com uma separação temporal superior ao tempo de coerência do canal ou por portadoras com uma separação superior à largura de banda de coerência, a ordem de diversidade alcançada é máxima. Em determinado instante uma réplica poderá estar em situação de desvanecimento profundo, mas será grande a probabilidade de que outras réplicas não estejam nessa situação. Assim, elas podem ser combinadas para fornecer ao processo de detecção um sinal mais “estável” que aquele obtido se não houvesse réplicas não correlacionadas. São várias as formas de diversidade. Entre elas pode-se citar a diversidade espacial, a diversidade temporal, a diversidade em frequência, etc.
Diversidade Espacial
A diversidade espacial [2]ou diversidade de antena, como também é conhecida, é obtida através de sistemas MIMO, consistindo no uso de múltiplas antenas para emissão ou recepção dos sinais. Nestes sistemas pode-se atingir a máxima ordem de diversidade se considerarmos os sinais descorrelacionados. Para isso é necessário que a separação entre antenas do sistema seja superior a pelo menos dez comprimentos de ondas. Uma das vantagens da diversidade espacial é que ao contrário das outras técnicas de diversidade, esta não provoca a diminuição da eficiência espectral do sistema, mas tem como desvantagem o envio de sinais através de múltiplas antenas, o que exige do sistema outros recursos a nível de processamento, além de custos da implementação física de várias antenas. Resumidamente na diversidade espacial, antenas receptoras são fisicamente separadas de maneira que os sinais recebidos por cada uma delas estejam descorrelacionados. Os sinais provenientes dessas antenas são então combinados pelo receptor.
Diversidade Temporal
Na diversidade temporal [2], as réplicas da informação são enviadas em instantes de tempo distintos, sendo que o intervalo de separação entre essas réplicas deve ser superior ao tempo de coerência do canal para que assim haja sinais descorrelacionados na recepção. No receptor, as cópias dos símbolos terão que ser combinados.
