Wimax: Estudo e Simulação da Camada Física do Padrão IEEE 802.16d
Este tutorial tem por objetivo analisar a operacionalidade e o desempenho do WiMAX em termos de taxa de erro de bit, nas diferentes técnicas de modulação do padrão IEEE 802.16d, realizando simulações do padrão IEEE 802.16d e utilizando a plataforma MATLAB, buscando-se verificar o comportamento de taxa de erro de bit ao se empregar as diversas técnicas de modulação suportadas.
Portando, devido aos fatores que levam a degeneração de um sinal modulado transmitido entre uma antena transmissora e receptora equidistante, é necessário analisar o melhor método empregando-se alguns fatores corretivos para a minimização do ruído. As técnicas de modulação variam através da localização espacial que o usuário se encontra, garantindo taxas consideráveis e qualidade de serviço, chamado de modulação adaptativa. A variável ruído presente em um canal Additive White Gaussian noise (AWGN) de média zero, implica-se na taxa de erro de bit, sendo o foco deste trabalho além das visões das análises do WiMAX no cenário mundial atual.
Filipe T. S. Ribeiro
Engenheiro Eletricista pela PUC Minas – Campus Poços de Caldas (MG, 2012). Certificado pela Cisco com o CCNA1 (Cisco Certificate Networking Associate) no modulo1.
Foi Estagiário na Phelps Dodge, tendo sido responsável pelo controle do fluxo de desperdício de fios e cabos, pela elaboração de projetos mecânicos e pela utilização das ferramentas: OEE (Overall Equipment Effectiveness), SMED (Single Minute Exchange of Die), Lean Manufacturing, Six Sigma, 5s e PDCA. Atualmente é Diretor administrativo da PEET (Projeto de Engenharia Elétrica e Telecomunicações) e coordenador de projetos elétricos.
Email:filipi44@hotmail.com
Categoria: Redes de Dados Wireless
Nível: Introdutório Enfoque: Técnico
Duração: 20 minutos Publicado em: 14/01/2013
Wimax: Padrão IEEE 802.16D
O grupo de trabalho “d” do IEEE consolida os padrões 802.16a e 802.16c em um único padrão 802.16d ou 802.16 2004. Este padrão passou a suportar antenas MIMO, aumentando a confiabilidade do alcance de sinais e considerando o padrão Nomádico (Fixo) apenas portátil não comuta, ou seja, não
possui handoff entre Estações Rádio Base (ERBs) em altas velocidades (PRADO, 2006). Este padrão passou a suportar camadas físicas adicionais: Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) eOrthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) (BACIOCCOLA; CICCONETTI, 2009).
O acesso banda larga sem fio para este padrão suporta topologias ponto-multiponto e malha, e também disponibiliza cobertura de 30 a 40 km LOS e 8 a 12 km NLOS em faixas de frequências com ou sem licenciamento (2,4 GHz e 3,5 GHz, respectivamente), abrangendo um espectro de 2 a 11 GHz a uma velocidade de até 70 Mbit/s (PROAKIS, 2001).
Este padrão suporta a modulação OFDM com 256 portadoras e OFDMA com 2048 portadoras, que possibilita a modulação adaptativa das subportadoras (QPSK, 16-QAM, ou 64-QAM) de acordo com o ruído ou com a distância do transmissor (PINHEIRO, 2008).
Tabela 1: Especificações técnicas para o padrão 802.16
PADRÃO CARACTERÍSTICAS
IEEE 802.16 - Aprovada em dezembro de 2001. - Faixa de frequência de (10 a 66 GHz). - Operação somente em LOS.
- Corresponde à especificação original, projetado para padronizar implementações LMDS.
- Especificação de práticas para operação de múltiplos sistemas BWA. IEEE 802.16a - Aprovada em outubro de 2003.
- Faixa de frequência licenciada e não - licenciada - 2 a 11 GHz. - Operação em NLOS alcançando 50 km.
IEEE 802.16b - Uso de aplicações que permitem acesso à faixa de frequências (5 a 6 GHz) não licenciadas.
- Trata aspectos relativos à qualidade de serviço. IEEE 802.16c - Aprovada em dezembro de 2002.
- Interoperabilidade das frequências até 66 GHz LOS
- Especificação de perfis visando interoperabilidade entre equipamentos de vários fabricantes.
IEEE 802.16d ou
IEEE 802.16 - 2004
- Publicado em outubro de 2004.
- Também chamada de 802.16-2004 ou WiMAX Fixo.
- Especificação de regras para interoperabilidade nas frequências até 66 GHz.
- Definição de uso de subcanalização. - Suporta arranjos de antenas inteligentes.
- Atualização do padrão 802.16 que consolida as revisões dos padrões 802.16a e 802.16c em um único padrão, substituindo o 802.16a como padrão base.
- Entre as alterações pode-se destacar a provisão de suporte de antenas MIMO, o que aumenta a confiabilidade do alcance com multipercurso. - Facilita instalações com o uso de antenas indoor.
IEEE 802.16e - Ratificada em dezembro de 2005.
- Também chamada de 802.16-2005 ou WiMAX Móvel. - Incompatível com o WiMAX Fixo.
- Faixa de frequência licenciada e não licenciada - 2 a 6 GHz. - Mobilidade até 60 km e controle de potência.
- Usa a modulação S-OFDMA. IEEE 802.16f - Publicado em agosto de 2004.
- Introduziu conceito de redes em malha. IEEE 802.16g - Publicado em agosto de 2004.
- Evolução para suporte a mobilidade. IEEE 802.16m - Reconhecido em 2010 pela ITU.
- Frequência de 20 MHz, utilizando antenas MIMO. Fonte: Adaptado pelo próprio autor
Wimax: Modulação
Embora pareça ser simples a transmissão de um sinal e a recepção do mesmo, é muito complexo ao se tratar de inúmeras possibilidades e cenários que podem ocorrer, principalmente em um sistema sem fio. Um sistema de comunicação qualquer transmite informação de um local para o outro. É fundamental definir a potência da informação, o meio de transmissão e os usuários (transmissor e receptor). Para um sistema de comunicação sem fio, a informação que sai do transmissor precisa ser modulada. No receptor é feito a demodulação, sendo o processo inverso, que trará a informação original, como mostra o diagrama de blocos representado na Figura 1 (ZANONI, 2011 e Telecomhall, 2011).
Figura 1: Processo de transmissão devido à modulação e demodulação Fonte: Adaptado pelo autor
A modulação é a técnica onde as características da portadora (sinal que é modulado) são modificadas com a finalidade de transmitir as informações, sendo feitas as alterações combinadas de frequência, amplitude ou fase, conforme pode ser observado respectivamente, na Figura 2. Essa onda portadora modulada trafega por um canal de comunicações transportando toda informação (MEDEIROS, 2004).
Figura 2: Portadoras senoidais e suas alterações de frequência, amplitude e fase Fonte: Adaptado pelo autor
Modulação adaptativa
O WiMAX adota um esquema de modulação adaptativa no entanto, objetivando a seleção de modulação a ser utilizada na camada física que em seu padrão IEEE 802.16d utiliza QPSK, 16QAM e 64QAM, a partir do nível da relação sinal-ruído presente no receptor. Por sua vez, é realizada uma negociação entre
estação base e cliente, para que a modulação adotada seja adaptada às condições do enlace de rádio, como mostra a Figura 3 (ANSI/IEEE, 2009).
Figura 3: Raios de célula relativos, conforme esquema de modulação Fonte: WiMAX Fórum, 2010
A modulação adaptativa permite manter a Bit Error Rate (BER) constante, além de produzir melhor eficiência espectral média do que as técnicas de modulação fixa. A desvantagem que esta técnica
emprega, consiste em um canal de retorno definido como controle, afim de que o transmissor conheça as condições do canal. Além disso, o receptor deve estimar ou ser informado da modulação empregada, conforme lustrado na Figura 4 (GALDINO, 2008).
Após a modulação, o sinal é transmitido através de um canal com desvanecimento plano e é corrompido por ruído aditivo gaussiano branco.
É possível atingir baixos valores de BER usando-se modulações com elevada eficiência espectral quando o canal apresenta altos valores de SNR instantâneos, e modulações com eficiências espectrais menores quando o canal apresenta condições severas de propagação (SNR instantâneas baixas). Obtém-se assim uma pequena flutuação da BER ao longo do tempo, bem como uma BER média constante independente da SNR média do enlace. Isso pode ser atingido com a criteriosa escolha dos limiares de adaptação para cada valor de SNR média (GALDINO, 2008).
Figura 4: Sistema de comunicação com modulação adaptativa Fonte: Galdino, 2008
QPSK
Conforme Medeiros, 2004, a modulação QPSK consiste no chaveamento por desvio de fase, alterando-se a fase da portadora em um ou mais pontos da senóide entre (0 e 2π) rad. Neste tipo de modulação a frequência e a amplitude não sofrem variações mantendo-se constantes como mostra na Figura 5.
Figura 5: Variação da fase QPSK Fonte: Próprio autor
Devido ao chaveamento da portadora, em dois bits por vez, são gerados quatro pontos na constelação, ilustrado na Figura 6.
Figura 6: Constelação do sinal QPSK Fonte: Nascimento, 2005
Este sinal modulado é composto por duas componentes de sinal em quadratura, podendo ser transmitido dois bits simultaneamente, assim a velocidade de transmissão é igual ao dobro da velocidade de
modulação, apresentando melhor imunidade a ruídos. Por isso é necessário à utilização de duas portadoras defasadas de 90° (NASCIMENTO, 1999).
A relação entre a velocidade de transmissão e a velocidade de modulação é igual ao número de bits presente em cada símbolo. De acordo com Equação 1 a variável N, representa o número de bits codificados em cada símbolo; Vm representa a velocidade de modulação em bauds; e Vt representa a velocidade de transmissão em bits por segundos (NASCIMENTO, 1999).
(1)
Onde:
Vt – Velocidade de transmissão N – Número de bits
Vm – Velocidade de modulação
QAM
A modulação QAM é caracterizada pela superposição de duas portadoras em quadratura moduladas em amplitude. Esta modulação é utilizada em modens analógicos e rádios digitais de alta velocidade. A principal característica é permitir a modulação com maior número de símbolos em sua constelação, aumentando a velocidade de modulação (NASCIMENTO, 1999).
A característica da portadora sofre duas mudanças: amplitude e fase. Por existir diversos outros bits por símbolo, o QAM é conhecido por Multi Level Quadrature Amplitude Modulation (MQAM), sendo (M) igual a um exponencial de (x), onde (x) são múltiplos de 2, como QAM (16, 64, 256) (MEDEIROS, 2004).
O sinal transmitido após a modulação por quadratura é demodulado no receptor no qual o mesmo detecta a modulação e o transforma de volta no sinal original. As constelações da modulação de 16QAM são exibidas na Figura 7, onde cada símbolo representa quatro bits. Para a modulação 64QAM, são transmitidos seis bits por símbolo ilustrado na Figura 8 (DUARTE, 2004).
Figura 7: Constelação do sinal com modulação 16QAM Fonte: Próprio autor
Figura 8: Constelação do sinal com modulação 64QAM Fonte: Próprio autor
Devido aos números de bits presentes na modulação 16QAM, a velocidade de transmissão é quatro vezes maior que a velocidade de modulação. O sinal 16QAM possui uma constelação mais densa ficando mais suscetível a ruídos em relação aos outros sinais como: PSK, QPSK, entre outros (NASCIMENTO, 1999). A modulação 64QAM permite enviar mais bits por símbolo em relação ao 16QAM, porém é necessária uma melhor SNR para ser possível sobrepor às interferências e manter uma determinada taxa de erro de bits (CARLOS, 2004).
OFDM
A técnica de multiplexação OFDM é baseada na multiplexação por divisão de frequência, onde são enviados múltiplos sinais em frequências diferentes, porém, ortogonais entre si, sendo uma transmissão em múltiplos sinais com menor ocupação espectral (FRENZEL, 2009).
Na Frequency Division Multiplexing (FDM), os símbolos são enviados em sequência através de uma única portadora, cujo espectro ocupa toda faixa de frequências disponível. A técnica OFDM consiste na transmissão paralela de dados em diversas subportadoras com modulação QAM ou PSK, conforme pode ser visto na Figura 9. Quanto maior for o número de subportadoras à transmissão de um sinal, menor será a taxa de transmissão por subportadora. À redução na taxa de transmissão aumenta a duração dos
símbolos presentes em cada subportadora e a diminuição na sensibilidade à seletividade em frequência (LEITE; PENEDO, 2002).
Uma das vantagens que a técnica OFDM possui é a não utilização das bandas de guarda entre subportadoras, o que aumenta a banda usada em até 50% (PINTO; ALBUQUERQUE, 2002).
Figura 9: Exemplo de distribuição de três subportadoras na técnica OFDM Fonte: Michalczuk, 2004, Leite e Penedo 2002
A técnica de modulação OFDM disponibiliza o canal apenas para o acesso fixo, ou seja, não permite o acesso à BS se o usuário estiver em movimento. Na modulação OFDM para o padrão 802.16d é definida a banda de 11 a 66 GHz, operando em ambientes LOS; e 11GHz, operando em ambientes NLOS. Está técnica permite uma melhoria no QoS oferecendo suporte necessário para o uso de Streaming
(transmissão de áudio e vídeo), segurança e voz sobre IP (VoIP).
Para os ambientes NLOS, o sinal é refletido em prédios e paredes, causando atenuações durante o percurso do mesmo. O OFDM, por trabalhar com centenas de portadoras ao mesmo tempo, possui um protocolo LLC (Logical Link Controller) capaz de minimizar os sinais perdidos (FIGUEIREDO, 2004). A Figura 10 representa um sinal modulado em OFDM e implementado com bancos de filtros
(FIGUEIREDO, 2004). Uma sequência de bits transmitida a uma taxa de R bits é multiplexada em N subcanais, resultando na transmissão de R/N bits sobre cada subportadora.
Figura 10: Modulação OFDM implementada por um banco de filtros
Fonte: Figueiredo, 2004
A probabilidade de interferência inter-simbólica (IIS) aumenta de acordo com a velocidade de
transferência dos símbolos. Com a alta demanda por maiores taxas de transmissão, o efeito IIS torna-se mais significativo em relação aos ruídos que o meio físico provoca. O efeito multipath (multi caminhos) é a deformação da onda eletromagnética devido a três efeitos: refração, difração e espalhamento. As ondas se propagam em várias direções causando uma diferença de tempos na recepção, como mostra a Figura 11 (RICARDO, 2010).
Figura 11: Multipath Fonte: Ricardo, 2010
Existem três maneiras de amenizar o efeito multipath: diversidade, intervalo de guarda e prefixo cíclico. A diversidade consiste em instalar duas antenas receptoras para aproveitar de forma significativa o sinal recebido por ambas. Ao Intervalo de guarda adiciona-se um intervalo de proteção em cada símbolo transmitido. Já no prefixo cíclico insere-se um prefixo na estrutura de cada símbolo para o monitoramento no receptor (RICARDO, 2010).
Wimax: Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT)
Na técnica OFDM é utilizada a transformada rápida de Fourier e a sua inversa gerando um símbolo OFDM, sendo ainda composto pelo prefixo cíclico. O intervalo de guarda é inserido no início de cada símbolo, contendo uma cópia da última parte do símbolo OFDM, chamado prefixo cíclico (EDFORD; SANDELL; VAN DE BEEK, 1996).
O processo de geração de um sinal OFDM é composto inicialmente por um conversor série paralelo (S/P) de forma que os dados são formatados em série para o tamanho de palavra necessária na transmissão. Conforme a Figura 12, os dados são transmitidos em paralelo através da distribuição de cada palavra a um transportador. Os dados transmitidos nas portadoras são codificados e em seguida, mapeados a um
processo de modulação quaisquer. Os sub-símbolos complexos (di) determinam os pontos da constelação de cada subportadora. É aplicada uma IFFT a este bloco de sub-símbolos que levará a forma de onda da frequência para o tempo, fornecendo Ns amostras e (Si) correspondendo a símbolos OFDM em sua saída. Por final é adicionado um intervalo de guarda dividindo-se em duas seções: primeiramente a metade do tempo de guarda é um período de transmissão de amplitude zero. À outra metade é uma extensão cíclica do símbolo a ser transmitido. Depois da inserção do intervalo de guarda, todos os símbolos são
convertidos de volta a uma forma de onda em série, sendo feita a operação paralelo série (P/S). Por final é realizado a conversão Digital - Analógico (D/A) para a transmissão do sinal OFDM ao canal (CARLSON, 1986 e LAWREY 2001).
Figura 12: Transmissão digital do sinal Fonte: Carlson, 1986
A recepção do sinal analógico é convertida para digital novamente, retira-se o intervalo de guarda juntamente a extensão cíclica. Os dados são transpostos para forma paralela novamente, onde é feita a FFT a fim de recuperar a onda no domínio da frequência. Os sub-símbolos presente em cada
subportadora, são apresentados pelo processo da demodulação do sinal. Por final é transposto os dados para uma forma P/S onde o sinal é recebido, ilustrado na Figura 13.
Figura 13: Recepção do digital do sinal Fonte: Carlson, 1986
OFDMA
O espectro de 2 a 11 GHz não requer LOS e nem direção, porém são necessárias algumas técnicas de modulação que suportem a propagação do sinal por vários caminhos. Devido o fator refração das camadas atmosféricas, o sinal pode sofrer desvios possibilitando uma transmissão de longo alcance. As técnicas OFDMA e OFDM são os tipos de modulações que mais atende os aspectos da reflexão em vários pontos (MARKS, 2004).
A técnica de modulação que transmite sinais simultâneos em diferentes frequências com espaçamento ortogonal para evitar interferências é conhecido como OFDM. Emprega-se na tecnologia do WiMAX Fixo 2004 a subcanalização apenas no uplink. Já no OFDMA o canal é dividido em vários subcanais alocados a diferentes assinantes que acessam a estação base simultaneamente por diferentes canais de tráfego ilustrado na Figura 14. Os subcanais permitem um link balanceado entre o Downlink e
ouplink (MARKS, 2004) e (Figueiredo, 2004).
Figura 14: Princípios de subcanalização nos sistemas OFDMA Fonte: Marks e Figueiredo, 2004
Signal Noise Rate (SNR)
Um sinal transmitido através de um sistema de telecomunicações sofrerá algumas perturbações de várias naturezas. A classificação dos ruídos é de suma importância para o entendimento, presente na tabela 2, que dispõem do ruído de equipamento, interferência e eco (Silva, 2004).
Tabela 2: Ruído térmico variável
TIPO CARACTERÍSTICAS
Ruído de equipamento Ruído térmico fixo ou ruído básico
Ruído de intermodulação Ruído de MODEM e amplificadores de B.B
Ruído de TX – RX
Ruído de interferência Interferência co-canal
Interferência de canal adjacente
Interferência de equipamentos da mesma estação Interferência devido à intermodulação entre portadoras Interferência de outros sistemas
Ruído de eco Reflexão no trajeto entre as antenas Reflexão no sistema de guia de onda
Fonte: Adaptado pelo próprio autor
O ruído térmico tem sua origem no ruído branco que por definição possui a potência distribuída
uniformemente no espectro de frequência. Sua analogia advém do espectro eletromagnético da luz, onde contém todas as frequências do espectro visível em relação à luz branca. O ruído branco está presente nos circuitos existentes próximo ao receptor (Silva, 2004).
A relação sinal ruído é obtida através do cálculo do logaritmo da relação entre a potência do sinal e a potência do ruído é obtido através da relação sinal/ruído, conforme a Equação 2 (Medeiros, 2004).
(2)
Onde:
S – Potência do sinal N – Potência do ruído
A potência é proporcional à média da amplitude do sinal para as modulações 16 QAM e 64 QAM. As constelações do QPSK estão sobre um rotacional e possuem a mesma distância. A potência de ruído média pode ser obtida através de sua variância.
Ao comparar com um sinal, o ruído elevado pode tornar a informação ininteligível, inviabilizando as comunicações. Para esta relação S/N são considerados nos cálculos matemáticos: abertura da antena, a figura de ruído e os ganhos dos estágios de Rádio Frequência (RF) do receptor. Para obter uma qualidade de transmissão é necessário um valor mínimo de relação sinal ruído no receptor (Medeiros, 2004).
Evolução
Grande parte do sistema WiMAX está concentrado na Ásia (48%), apenas 5% está na região do Caribe e América Latina (CALA), conforme ilustra a Figura 15.
Figura 15: Associados WiMAX 2012 por região Fonte: WiMAX Fórum, 2012
Em 30 de outubro de 2012 em Chicago, foi realizada uma conferência mundial de 4G. O WiMAX Fórum anunciou uma listagem de grandes indústrias a fim de colaborar com o crescimento e a evolução
doWimax Advanced. Este foi projetado para trabalhar com diversas tecnologias dentro de uma redeWimax Advanced conforme ilustra a Figura 16.
Sua proposta é seguir um roteiro que apoia a harmonização entre as tecnologias disponíveis em IP (Internet Protocol), podendo suportar múltiplas interfaces aéreas, incluindo o próprio padrão 802.16 e oTime Division - Long Term Evolution (TD-LTE) do Generation Partnership Project (3GPP). Esse novo sistema possui subconfigurações especializadas e voltadas para o mercado-chave como a tecnologia WiGrid, que proporciona a comunicação sob uma infraestrutura através gerenciamento de economia de energia (WATABABE, 2012).
Figura 16: Evolução e desenvolvimento da tecnologia WiMAX Fonte: WiMAX Fórum, 2012
Wimax: Metodologia
Todas as informações foram obtidas consultando artigos embasados na literatura WiMAX, a fim de fornecer informações necessárias para o desenvolvimento desse trabalho.
Para a segunda etapa deste trabalho, através do programa MATLAB foram realizadas as simulações demonstrando a taxa de erro de bit (BER- Bit Error Rate) para a análise da qualidade do sinal em diferentes condições de operação.
Com base no diagrama representado na Figura 17, foi desenvolvido um programa em MATLAB para comprovar o desempenho e a operacionalidade de uma transmissão de dados em diferentes configurações e condições, atendendo o padrão WiMAX Fixo ou 802.16d. Foram definidas as variáveis de simulação do programa tais como esquema de modulação com o respectivo número de símbolos, subportadoras, prefixo cíclico e bits a serem transmitidos.
Inicialmente foi implementado o comando “laço” para que a simulação ocorresse de forma repetitiva a fim de convergir para uma média real da taxa de erro de bits, para cada uma das relações sinal-ruído estabelecidas.
Os bits transmitidos passam por um modulador alterando-se a fase e amplitude do sinal transmitido. Em seguida, independente da modulação escolhida, é realizado a IFFT do sinal modulado, alterando-se o domínio do sinal de frequência para o tempo. A cada símbolo gerado pela etapa de modulação, associa-se a uma das N subportadoras da multiplexação OFDM.
Antes de ser transmitido é agregado ao sinal o CP, que consiste em inserir um intervalo de guarda contendo uma cópia da última parte do símbolo OFDM no início deste mesmo símbolo, servindo para mitigar os efeitos da IIS. Foi considerado um canal AWGN para a simulação dos bits transmitidos. Para a recepção do sinal transmitido, inicialmente, retira-se o CP e então é feita a FFT do sinal recebido,
recuperando as amostras dos símbolos presentes nas subportadoras para frequência. A seguir, o sinal recebido é equalizado a fim de diminuir a sensibilidade provocada pelas interferências. Para que a recuperação completa do sinal é feito a demodulação, que resulta na informação transmitida.
Figura 17: Diagrama de Blocos da Simulação OFDM Fonte: Próprio autor
Wimax: Resultados Obtidos
A alteração discreta da fase da portadora entre os ângulos 0 e 180 graus, está relacionado com a
modulação BPSK. Apesar de não ser um esquema de modulação implementado no padrão IEEE 802.16d do WiMAX, este esquema de modulação foi o primeiro utilizado na elaboração do simulador e também para o melhor entendimento em relação às outras técnicas de modulação.
A modulação BPSK consiste de 2 pontos em sua constelação; portanto, menor será a taxa de erro de bit em relação aos outros esquemas de modulação.
As constelações da modulação PSK, estão sobre um rotacional, de forma que independente do número de constelações, o raio unitário define a potência do sinal igual a 1. Porém, quanto mais pontos na
constelação menor será a distância mínima entre tais símbolos que levará a uma maior taxa de erro de bit. Foram utilizados 256 subportadoras, valor esse que é o máximo permitido para o padrão 802.16d. Na tabela 3, observa-se que a modulação BPSK registrou um gasto menor de energia, considerando uma mesma taxa de erro de bit. A modulação QPSK apresentou variações condizentes de aproximadamente 4 (dB) a mais que o BPSK e 4 (dB) a menos que o 16QAM.
Na modulação 16QAM são transmitidos 4 bits por símbolo. Estes símbolos por sua vez são mapeados às subportadoras da multiplexação OFDM. A relação entre as modulações é dependente da distância entre cada símbolo para uma SNR melhor. Pois quanto maior for essa distância menor probabilidade de ocorrer erros na transmissão dos dados, diferentemente se houver uma distância menor, entre os símbolos, maior será a taxa de erro de bit.
Tabela 3: Comparação da média de erro
MODULAÇÃO BER E-1 (dB) BER E-2 (dB) BER E-3 (dB)
BPSK 26,0 29,5 32,5
QPSK 30,5 34,0 37,0
16 QAM 34,1 40,5 44,0
64QAM 38,0 47,0 53,00
Fonte: Próprio autor
De acordo o gráfico da Figura 18, para cada 1000 bits transmitidos, em média, ocorreu um erro para uma SNR de 37 (dB) modulado por QPSK, 44 (dB) para uma modulação em 16QAM e 53 (dB) para a
modulação em 64QAM. Verificou-se um gasto maior de energia à medida que o número de símbolos aumentou nas respectivas modulações para manter uma mesma taxa de erro de bit. Em contra partida, um maior número de bits por símbolo implica em uma maior taxa de transmissão do sinal.
Por sua vez a modulação 64 QAM tem um maior gasto de energia em relação às outras modulações estudadas, pois é necessária uma maior SNR para uma mesma taxa de erro de bit em relação às demais modulações devido ao maior número de símbolos na constelação e suas respectivas distâncias mínimas entre os símbolos vizinhos. É sabido que para esse esquema de modulação a taxa de transmissão é maior e eficiente para boas condições de transmissão do canal, tanto em downlink como em uplink.
Figura 18: Variação da BER em função da SNR nas respectivas modulações: BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
Fonte: Próprio autor
Wimax: Considerações Finais
Com base nos resultados obtidos no presente estudo, é possível concluir que o desempenho da modulação adaptativa do WiMAX no padrão IEEE 802.16d quando se analisa a taxa de erro de bit destes esquemas, estão de acordo com o disponibilizado na bibliografia. Para uma mesma taxa de erro de bit, o esquema de modulação que apresenta a menor SNR é o QPSK, sendo seguido pelo esquema 16-QAM e 64-QAM, respectivamente.
Conforme descrito ao longo do trabalho, quanto maior o número de símbolos que o esquema de modulação apresenta, menor a distância mínima entre os pontos adjacentes, o que leva a uma maior probabilidade de geração de erros na recepção do sinal, dependendo da magnitude do ruído adicionado ao sinal de informação.
Porém, sabe-se que, quanto o maior o número de símbolos maior a taxa de transmissão e menor a área abrangida representada pela técnica de modulação 64QAM.
Desta forma, conclui-se que para um sistema WiMAX trabalhar de forma eficiente, faz-se necessário o uso desta técnica de modulação adaptativa, que trará aumento na taxa de transmissão de dados aos usuários que estiverem com boas condições de canal, por meio da utilização de esquemas 64QAM, mas também irá garantir o acesso do usuário à rede quando este não estiver com condições ideais de
propagação do sinal, com uma taxa de transmissão de dados inferior, porém com elevada qualidade, por meio da utilização de esquemas QPSK.
Para desenvolvimento do programa foi adicionado um equalizador “zero forcing”, dessa forma houve redução da sensibilidade provocada pelas interferências, que diminuiu a SNR entre as demais técnicas de modulação abordadas no trabalho.
Referências
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Wimax: Teste seu entendimento
1. Qual dos padrões abaixo refere-se à versão do Wimax Móvel?
IEEE 802.16c. IEEE 802.16e. IEEE 802.16b. IEEE 802.16d.
2. Quais são os tipos de ruídos presentes num sinal transmitido por rádio?
Ruído de equipamento. Ruído de interferência. Ruído de eco.
Todos os anteriores.
3. Conforme o resultado obtido pela simulação realizada, para uma mesma taxa de erro de bit, o esquema de modulação que apresenta a menor SNR?
QPSK. 16-QAM. 64-QAM. FSK.
