UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
ELOISE DE CARVALHO RODRIGUES
PAREAMENTO DE SUBPORTADORAS, ALOCAÇÃO DE POTÊNCIA E SELEÇÃO DE MODO EM REDES COOPERATIVAS OFDM
SOBRAL 2019
ELOISE DE CARVALHO RODRIGUES
PAREAMENTO DE SUBPORTADORAS, ALOCAÇÃO DE POTÊNCIA E SELEÇÃO DE MODO EM REDES COOPERATIVAS OFDM
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Computação do da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do grau de bacharel em Engenharia de Computação. Orientador: Prof. Dr. Francisco Rafael Marques Lima
SOBRAL 2019
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará
Biblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
R612p Rodrigues, Eloise de Carvalho.
Pareamento de subportadoras, alocação de potência e seleção de modo em redes cooperativas OFDM / Eloise de Carvalho Rodrigues. – 2019.
40 f. : il. color.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) – Universidade Federal do Ceará, Campus de Sobral, Curso de Engenharia da Computação, Sobral, 2019.
Orientação: Prof. Dr. Francisco Rafael Marques Lima.
1. Pareamento de subportadoras. 2. alocação de potência. 3. seleção de modo. 4. sistemas cooperativos. I. Título.
ELOISE DE CARVALHO RODRIGUES
PAREAMENTO DE SUBPORTADORAS, ALOCAÇÃO DE POTÊNCIA E SELEÇÃO DE MODO EM REDES COOPERATIVAS OFDM
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Computação do da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do grau de bacharel em Engenharia de Computação.
Aprovada em:
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Francisco Rafael Marques Lima (Orientador)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
Prof. Me. Yuri Victor Lima de Melo Universidade Federal do Ceará (UFC)
Prof. Me. Anderson Barbosa Rodrigues Centro Universitário INTA (UNINTA)
À minha mãe, pelo “não” que me trouxe até aqui.
AGRADECIMENTOS
Essa é, provavelmente, uma das seções mais importantes desse trabalho, pois o mesmo dificilmente seria concluído sem a imprescindível ajuda de alguns seres humanos e de Deus, em primeiro lugar. A todos, toda a minha gratidão.
Agradeço, especialmente, ao meu orientador Prof. Dr. Rafael Lima por todo o conhecimento compartilhado e pela paciência nos últimos quase cinco anos de orientação acadêmica. Seus exemplos de profissionalismo e gentileza sempre foram um espelho para mim e contribuíram em muito para o meu crescimento pessoal e profissional. Obrigada por tudo.
Agradeço aos professores do curso de Engenharia da Computação, em especial aos professores da vertente de telecomunicações, Prof. Dr. Carlos Alexandre Rolim Fernandes, Prof. Dr. Daniel Benevides da Costa e Prof. Me. Yuri Victor Lima de Melo, pelo comprometimento com nosso aprendizado e pela disponibilidade todas as vezes em que precisei de ajuda. Agradeço, ainda, ao Prof. Dr. Iális Cavalcante de Paula Júnior pelo exemplo de humanidade e dedicação ao nosso curso.
Agradeço, também, a Alexandre Matos Pessoa por suas indispensáveis contribuições. Aos membros da banda examinadora, Prof. Me. Yuri Victor Lima de Melo e Prof. Me. Anderson Barbosa Rodrigues, meus sinceros agradecimentos por terem aceitado o convite e por toda a compreensão.
Não poderia deixar de agradecer aos amigos que ganhei na universidade (pessoas tão grandes que não caberiam nessa folha). A Francisco Evangelista Nobre Filho e Victória Tomé minha gratidão por toda a paciência durante os últimos anos e por terem me ajudado a acreditar que eu seria capaz de tanto. Obrigada por serem verdadeiros anjos. Agradeço, também, à minha “panelinha", Isaac Ben Judá, Isaac Newton Melo Machado, Laercio Santana, Magdiel Campelo e Syllas Rangel por terem me acompanhado durante essa jornada, por terem compartilhado tantos momentos marcantes, pelas pizzas (e sorvetes) e por serem verdadeiros amigos. Parte de todas essas conquistas também é de vocês.
Finalmente, e mais importante, gostaria de agradecer à minha mãe, Bernardete Borges de Carvalho Rodrigues, por sempre ser o meu pilar. Eu não sei o que teria sido de mim sem seus preciosos conselhos e todo o encorajamento. Obrigada por acreditar em mim quando todos, inclusive eu, duvidavam. Minha graditão, também, ao meu pai, Luiz das Chagas Rodrigues, por todo o esforço e ajuda que me incentivaram a não desistir, mesmo quando tudo parecia impossível.
“A melhor maneira de fazer os sonhos se torna-rem realidade é acordando."
RESUMO
A quarta geração das comunicações móveis proporciona benefícios como maiores taxas de dados, menor consumo de potência e menor latência. Comunicação cooperativa consiste em um conceito chave para estes sistemas que permite obter ganhos em taxa de dados e confiabilidade. O potencial das comunicações cooperativas pode ser melhor explorado quando essa tecnologia é utilizada em conjunto com estratégias de alocação de recursos de rádio. Neste trabalho, foi formulado um problema de maximização da taxa de dados que leva em consideração o pareamento de subportadoras OFDM (do inglês, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), alocação de potência de transmissão e seleção de modo (com ou sem diversidade no receptor). Além disso, foi considerada uma adaptação de enlace realista entre SNR (do inglês, Signal-to-Noise Ratio) e taxa de transmissão.
Palavras-chave: Pareamento de subportadoras, alocação de potência, seleção de modo, sistemas cooperativos.
ABSTRACT
The fourth generation of mobile communications provides many benefits such as high transmit data rates, low transmit power consumption and reduced latency. Cooperative communication consists in a key concept to those systems that allows the achievement of gains in transmit data rates and reliability. The potential of cooperative communications can be better exploited when this technology is used joinlty with radio resource allocation strategies. In this work we formulate the data rate maximization problem that takes into account pairing of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) subcarriers, transmit power allocation and transmit mode selection (with or without diversity in the receiver). Besides, we also consider a realistic link adaptation model that maps SNR (Signal-to-Noise Ratio) in transmit data rate.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Espectros FDM e OFDM. . . 17
Figura 2 – Diagrama de blocos do sistema OFDM. . . 18
Figura 3 – Sistema cooperativo simplificado. . . 20
Figura 4 – Modelo do sistema. . . 26
Figura 5 – Mapeamento discreto entre SNR e taxa de dados para as subportadoras dos dois saltos. . . 27
Figura 6 – Cenários simulados. . . 35
Figura 7 – CDF da eficiência espectral total para a solução proposta e as outras duas soluções de referência no cenário 1. . . 36
Figura 8 – CDF da eficiência espectral total para a solução proposta e as outras duas soluções de referência no cenário 2. . . 37
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS
4G Fourth Generation 5G Fifth Generation AF Amplify-and-Forward BPSK Binary phase-shift keying
BS Base Station
CAGR Compound Annual Growth Rate CP Cyclic Prefix
CSI Channel State Information DF Decodify-and-Forward DFT Discrete Fourier Transform FDM Frequency Division Multiplexing IDFT Inverse Discrete Fourier Transform
ILP Integer Linear Programmingou Integer Linear Problem ISI Inter-Symbol Interference
LPF Low-Pass Filter
LP Linear Programmingou Linear Problem LTE Long Term Evolution
LTE-A Long Term Evolution Advanced MCS Modulation and Coding Schemes MRC Maximal Ratio Combining MS Mobile Station
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing QAM Quadrature amplitude modulation
QoS Quality of Service
QPSK Quadrature phase-shift keying RRA Radio Resource Allocation
RS Relay Station
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO . . . 13
1.1 Contexto e motivação . . . 13
1.2 Objetivos gerais e específicos . . . 15
1.2.1 Objetivos gerais . . . 15
1.2.2 Objetivos específicos . . . 15
1.3 Produção científica . . . 15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . 16
2.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing . . . 16
2.2 Diversidade e sistemas cooperativos . . . 18
2.2.1 Diversidade: conceitos básicos . . . 18
2.2.2 Comunicações cooperativas . . . 19
2.2.2.1 Amplify-and-forward. . . 20
2.2.2.2 Decodify-and-forward . . . 20
2.3 Alocação de recursos de rádio . . . 21
2.3.1 Programação Linear e Programação Linear Inteira . . . 21
2.3.2 Branch and Bound . . . 22
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . 23
4 MODELAGEM DO SISTEMA . . . 26
5 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA E SOLUÇÃO ÓTIMA . . . 30
6 ANÁLISE DE DESEMPENHO . . . 34
6.1 Parâmetros de simulação . . . 34
6.2 Resultados . . . 36
7 CONCLUSÕES . . . 38
13
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo serão apresentados, na Seção 1.1, o contexto e as principais motivações que levaram a escolha do tema abordado no presente trabalho; na Seção 1.2, os objetivos gerais e específicos e, na Seção 1.3, a produção científica resultante das atividades de pesquisa aqui discutidas.
1.1 Contexto e motivação
O número de dispositivos móveis e de usuários de internet sem fio aumentou nota-velmente nas últimas décadas. Os avanços nas tecnologias que envolvem conexão à internet, especialmente comunicações sem fio, trouxeram muitas mudanças na vida cotidiana, desde serviços personalizados de TV banda larga até e-health ou saúde digital, realidade aumentada e cidades inteligentes. Dados mostram que o tráfego global de dados móveis cresceu 63% em 2016 e o tráfego de dados móveis crescerá a uma taxa de crescimento anual composta (do inglês, Compound Annual Growth Rate, CAGR) de 47% de 2016 a 2021, chegando a 49,0 exabytes por mês até 2021 (CISCO, 2019).
Esses fatos, combinados com a demanda dos usuários por taxas de dados mais altas, baixas latências, melhor qualidade de serviço (do inglês, Quality of Service, QoS) e custos mais baixos, levou as operadoras e engenheiros de telecomunicações a reconhecerem que a melhor maneira de aumentar a capacidade em sistemas de comunicação futuros é a eficiência espectral (XIANG et al., 2017), que refere-se à taxa de informação que pode ser transmitida em uma determinada largura de banda. A quarta geração de redes de comunicações sem fio, 4G (do inglês, 4th Generation), apresenta uma série de avanços tecnológicos que solucionam tais questões e estão sendo aprimorados durante o período de transição entre a 4G e a 5G (do inglês, 5th Generation), que deve durar uma década ou mais (BANGERTER et al., 2014).
Uma importante tecnologia de modulação estudada e implementada há muito tempo para combater as deficiências dos canais de transmissão é a multiplexação por divisão de frequência ortogonal - OFDM (do inglês, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) (HARA; PRASAD, 2003). Essa técnica consiste, basicamente, em transmitir dados em paralelo, mo-dulando um conjunto de subportadoras ortogonais. OFDM foi escolhida como técnica de transmissão básica em sistemas 4G tal qual LTE-A (do inglês, Long-Term Evolution-Advanced) principalmente devido à sua alta eficiência espectral e combate à seletividade em frequência do
14
canal móvel que causa interferência intersimbólica (LIU et al., 2009).
Além dessa tecnologia, o paradigma de comunicações cooperativas introduz um modelo de sistema em que os nós compartilham e coordenam seus recursos para melhorar a qualidade da transmissão. Caminhos independentes entre fonte e destino são gerados através da introdução de relays entre os mesmos e, ao passo que o coeficiente de correlação entre esses caminhos diminui, probabilidade de que a mensagem não alcance o destino é significativamente reduzida (HONG et al., 2007). Esse modelo de comunicação permite que a natureza broadcast de canais sem fio seja melhor explorada e, ao utilizar-se dessa característica, permite a inserção do conceito de diversidade espacial, que também contribui para melhor performance do sistema.
Mesmo com o advento de tais tecnologias, prover altas taxas de dados, que são cada vez mais requisitadas por aplicações que utilizam redes sem fio, continua sendo um grande desafio. Técnicas de alocação de recursos de rádio ou RRA (do inglês, Radio Resource Allocation) são de grande importância para um melhor aproveitamento dos benefícios trazidos pelo modelo de comunicações cooperativas e para um gerenciamento eficaz dos recursos disponíveis na rede.
Problemas envolvendo alocação de recursos em sistemas OFDM cooperativos, tais como pareamento de subportadoras, alocação de potência e seleção de modo, têm sido am-plamente estudados. Na técnica de pareamento de subportadoras, a mensagem transmitida pela fonte em uma subportadora no primeiro salto (fonte-relay) é encaminhada pelo relay ao destino em uma subportadora, não necessariamente igual à mesma usada antes, no segundo salto (relay-destino). A alocação de potência visa distribuir de forma ótima os recursos de potência disponíveis entre os recursos em frequência alocados aos nós de rede, enquanto a seleção de modo permite ao sistema configurar de forma automática e oportunista o uso ou não da diversidade cooperativa no receptor destino.
Nesse contexto, este trabalho aborda a alocação ótima de recursos de rádio com o objetivo de maximizar a taxa de dados em um cenário cooperativo composto por um nó fonte, um nó relay e um nó de destino. O problema estudado leva em consideração o pareamento de subportadoras OFDM, alocação de potência de transmissão e seleção de modo. Além disso, foi considerada uma adaptação realista entre SNR (do inglês, Signal-to-Noise Ratio) e taxa de transmissão, o que torna o cenário estudado mais próximo ao cenário real.
15
1.2 Objetivos gerais e específicos
1.2.1 Objetivos gerais
Estudar e analisar o desempenho da alocação de potência e o pareamento de subpor-tadoras OFDM em um sistema cooperativo de três nós, onde pode-se aplicar ou não diversidade cooperativa ao receptor.
1.2.2 Objetivos específicos
• Formular matematicamente o problema de otimização, selecionando estrategicamente os objetivos;
• Modelar as restrições do problema de modo a representar as reais restrições do cenário cooperativo estudado;
• Resolver o problema de forma ótima utilizando bibliotecas computacionais baseadas em otimização inteira;
• Analisar o desempenho da solução proposta em relação a soluções de referência.
1.3 Produção científica
Os resultados obtidos nesse trabalho resultaram na publicação do seguinte artigo:
RODRIGUES, E. C. ; PESSOA, A. M. ; LIMA, F. R. M. ; MACIEL, T. F. ; CAVALCANTI, F. R. P. . “Pareamento de subportadoras, alocação de potência e seleção de modo em redes cooperativas OFDM", XXXV Simpósio Brasileiro de Telecomunicações e Processamento de Sinais (SBrT 2017), 2017, São Pedro - SP. p. 537-541.
16
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nesse capítulo serão apresentados alguns conceitos essenciais para a compreensão do presente Trabalho de Conclusão de Curso. Na seção 2.1 são introduzidos os conceitos básicos de OFDM, características e funcionamento. Na seção 2.2 são apresentados os conceitos de diversidade e sistemas cooperativos e protocolos de cooperação. Finalmente, na seção 2.3, são discutidos os conceitos de alocação de recursos de rádio, como alocação de potência e pareamento de subportadoras.
2.1 Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDM é uma técnica de modulação multiportadora amplamente utilizada em siste-mas de comunicação modernos devido à sua robustez contra interferência intersimbólica (do inglês, Inter-Symbol Interference - ISI) para canais de banda larga (XIANG et al., 2017). Essa técnica foi adotada na maioria dos padrões de comunicações sem fio, como as variações dos padrões IEEE 802.11 (Wi-Fi) e IEEE 802.16 (WiMAX), LTE e LTE-Advanced. Aplicações mais atuais vão de radares cognitivos até comunicações acústicas submarinas e comunicações ópticas.
Esse tipo de modulação é uma boa opção para comunicações ponto-a-ponto e down-linkpor oferecer uma complexidade mínima e alcançar uma boa eficiência em largura de banda quando comparado, por exemplo, com FDM (do inglês, Frequency Division Multiplexing), como pode ser visto na Figura 1. Sua baixa complexidade é uma consequência do fato de que cada símbolo OFDM é sintetizado como uma soma de tons puros (sinais sinusoidais de valor complexo) que são modulados por um conjunto de símbolos de dados modulados em QAM (do inglês, Quadrature Amplitude Modulation) (FARHANG-BOROUJENY; MORADI, 2016).
O princípio básico do OFDM é dividir o espectro disponível em N canais paralelos de banda estreita, referidos como subportadoras, e transmitir informação nestes canais paralelos a uma taxa de sinalização reduzida. O objetivo é permitir que cada canal sofra um desvanecimento quase plano, simplificando o processo de equalização do canal (KHAN, 2009). O desvanecimento plano acontece quando é satisfeita a condição
N B
(∆B)c
(2.1) em que B é a largura de banda do sinal e (∆B)cé a banda de coerência do canal (FUKUDA, 2016).
Em outras palavras, em um sistema de dados serial convencional, os símbolos são transmitidos sequencialmente, com o espectro de frequência de cada símbolo podendo ocupar toda a largura
17
Figura 1 – Espectros FDM e OFDM.
Fonte: Retirado de (PESSOA, 2015)
de banda disponível. Nesses casos, o largura de banda do sinal tende a ser maior que a banda de coerência do canal, causando desvanecimento seletivo em frequência e ISI. Já em OFDM, é possível obter sinais com a larguras de banda muito menores que a banda de coerência do canal para valores de N suficientemente grandes, o que praticamente neutraliza os efeitos de interferência intersimbólica.
A Figura 2 mostra os principais componentes de um sistema OFDM. No transmissor, um bloco de bits portadores de informação é mapeado em símbolos de uma determinada constelação (por exemplo BPSK, QPSK, ou QAM), sendo logo em seguida convertido de serial a paralelo em N subportadoras. A modulação da forma de onda ortogonal é realizada usando a transformada inversa discreta de Fourier (do inglês, Inverse Discrete Fourier Transform - IDFT). Logo depois, adiciona-se o prefixo cíclico (CP+) e o dado é, então, convertido de paralelo para serial. Os símbolos passam por um formatador de pulso g(t), a informação é convertida de digital para analógica (D/A), para banda passante com portadora fc e o sinal s(t) é, finalmente,
enviado para o canal sem fio. Cada bloco transmitido é referido como um símbolo OFDM. No receptor, o sinal corrompido pelo canal, r(t), é multiplicado por um oscilador senoidal de frequência fce passa por um filtro passa-baixas (do inglês, Low-Pass Filter - LPF),
voltando para banda-base. Os dados são convertidos de analógico para digital (D/A), o prefixo cíclico é retirado (CP-) e a transformada discreta de Fourier é aplicada (DFT). O sinal é convertido de paralelo para serial e os símbolos são demodulados (FUKUDA, 2016).
18
Figura 2 – Diagrama de blocos do sistema OFDM.
Fonte: Retirado de (FUKUDA, 2016)
2.2 Diversidade e sistemas cooperativos
2.2.1 Diversidade: conceitos básicos
Quando uma onda de rádio de frequência única e em estado estacionário é transmitida por um longo caminho, observa-se que a amplitude da envoltória do sinal recebido flutua no tempo. Esse fenômeno é conhecido como desvanecimento e sua existência constitui uma das condições limitantes para o projeto de sistemas de rádio (BRENNAN, 2003). Uma das técnicas mais poderosas para mitigar os efeitos do desvanecimento é o uso de diversidade.
A ideia por trás das técnicas de diversidade é fornecer múltiplos caminhos para o sinal, idealmente independentes, utilizando-se do fato de que caminhos independentes possuem uma baixa probabilidade de experimentarem desvanecimentos profundos simultaneamente (GOLDSMITH, 2005), ou seja, ao aumentar a quantidade de caminhos possíveis entre origem e destino, a chance de que haja ao menos um caminho suficientemente forte é bem maior. O objetivo dessas técnicas é fazer uso dos vários sinais recebidos para melhorar a relação sinal-ruído ou algum outro critério de desempenho (BRENNAN, 2003).
Em sua forma mais simples, os múltiplos caminhos podem conter várias cópias distorcidas da mensagem original. No entanto, um melhor desempenho pode ser alcançado aplicando algum tipo de codificação aos sinais enviados através dos múltiplos caminhos e combinando de maneira construtiva as cópias do sinal recebidas.
O processamento feito no receptor com o objetivo de combinar construtivamente os sinais que foram recebidos dos vários percursos é um passo essencial quando se trata de técnicas
19
de diversidade. O objetivo de combinar os sinais é obter um sinal resultante de melhor qualidade e com maior probabilidade de sucesso na recepção. O processamento a ser aplicado a cada sinal depende dos objetivos do projeto.
Os tipos mais conhecidos de combinador são (LIU et al., 2009) o selection combiner ou combinador de seleção, em que a saída é a entrada com melhor SNR (do inglês, Signal-to-Noise Ratio), o threshold combiner ou combinador de limiar, que varre sequencialmente os sinais recebidos e a saída é o primeiro com SNR excedendo um limite e o MRC (do inglês, Maximal Ratio Combiner), que combina linearmente os sinais para maximizar a SNR do sinal resultante.
O MRC combina vários sinais cofasando-os primeiro, em seguida ponderando cada amostra proporcionalmente à SNR do caminho correspondente e, finalmente, combina todos os sinais. O sinal resultante na saída do MRC terá uma SNR igual à soma das SNRs correspondentes a cada percurso. A SNR maximizada resultante na saída do MRC pode ser expressada por (LIU et al., 2009):
γMRC=
(∑L−1k=0h2k) N0
(2.2) em que L é a quantidade de caminhos, h é o ganho de canal e N0é a potência do ruído.
2.2.2 Comunicações cooperativas
Comunicações cooperativas é um paradigma de comunicação no qual se gera cami-nhos independentes entre a estação base e o usuário introduzindo um canal de retransmissão. Esse paradigma de comunicação foi proposto com a finalidade explorar os ganhos de diversidade espacial inerentes a sistemas multiusuários sem a necessidade de múltiplas antenas em cada nó. Isso é possível porque, nesse modelo de sistema, os usuários retransmitem as mensagens uns dos outros e então formam múltiplos possíveis caminhos de transmissão para o destino.
A Figura 3 ilustra um sistema cooperativo simplicado, composto por uma fonte, um relaye um destino. Nesse sistema, o sinal transmitido pela fonte percorre dois caminhos: um deles é o link direto entre a fonte e o destino e o outro é um caminho no qual o sinal enviado é primeiro processado pelo relay e então retransmitido ao destino. O destino, então, combina os sinais recebidos, criando diversidade espacial (LIU et al., 2009).
O processamento feito no relay antes da retransmissão é chamado protocolo de cooperação e é de extrema importância para definir o funcionamento do sistema. Dois dos
20
protocolos de cooperação que mais se destacam na literatura são amplifica e encaminha (do inglês, AmplifyandForward AF) e decodifica e encaminha (do inglês, DecodifyandForward -DF). Mais detalhes sobre os dois protocolos são apresentados nas subseções 2.2.2.1 e 2.2.2.2.
Figura 3 – Sistema cooperativo simplificado.
Fonte: Retirado de (MAGALHAES, 2018)
2.2.2.1 Amplify-and-forward
O protocolo Amplify-and-Forward é um dos protocolos de cooperação mais simples e de baixa complexidade. Nesse protocolo, o sinal enviado pela fonte é recebido pelo relay, amplificado e retransmitido para o destino, sem nenhum tratamento adicional. O receptor aplica os processamentos necessários para combinar os sinais vindos do relay e do link direto fonte-destino.
Ao amplificar o sinal, o relay pode aplicar um ganho fixo, caso o mesmo não tenha informações sobre o canal, ou um ganho variável, caso as informações do enlace estejam disponíveis.
2.2.2.2 Decodify-and-forward
No protocolo Decodify-and-Forward, o sinal transmitido é processado pelo relay, que realiza um processo de detecção e decodificação do sinal, sendo logo em seguida recodificado e amplificado para ser, finalmente, retransmitido ao destino. No receptor, os sinais recebidos são combinados normalmente.
Apesar de mais complexo, o protocolo DF reduz a taxa da erro de bit nas transmissões fonte-destino pois é capaz de fazer correções no processo de decodificação, algo que não ocorre no AF (PESSOA, 2015). Uma desvantagem é que, caso a detecção seja feita de maneira incorreta, os erros serão propagados e isso poderá prejudicar o desempenho do sistema.
21
2.3 Alocação de recursos de rádio
Os futuros sistemas de comunicação sem fio devem suportar um grande número de usuários com flexibilidade em seus requisitos de QoS. No entanto, existem diversos fatores e limitações que são verdadeiros desafios na busca por satisfazer tais requisitos, tais como limitações de potência disponível, disponibilidade do espectro de frequência, capacidade de transmissão ou mesmo a própria natureza do canal sem fio.
Algoritmos de alocação de recursos de rádio (RRA) são responsáveis pelo gerencia-mento de diversos recursos de rádio, tais como intervalos de tempo, canais espaciais e faixas de frequência (LIMA, 2012). Técnicas eficientes de RRA são cruciais para o combate dos efeitos de desvanecimento nos canais sem fio e para promover uma QoS satisfatória para os usuários. Dependendo do tipo de cenário, os algoritmos que apresentam a solução ótima para a alocação dos recursos de rádio são inviáveis em termos de complexidade computacional, forçando os projetistas desses sistemas a trabalhar com soluções sub-ótimas (PESSOA, 2015).
A solução ótima de problemas de alocação de recursos, tal qual o apresentado nesse trabalho, é frequentemente expressa através problemas de otimização que podem ser resolvidos por meio de técnicas de programação linear.
2.3.1 Programação Linear e Programação Linear Inteira
Programação linear (do inglês, Linear Programming - LP) é uma técnica para otimi-zação de uma função objetivo linear sujeita a restrições lineares de igualdade ou desigualdade. Um problema de otimização linear pode ser descrito como nas equações 2.3a e 2.3b, em que 2.3a representa a função objetivo, 2.3b representam as restrições, x é o vetor de variáveis a ser determinadas (solução do problema), c e b são vetores de coeficientes pré-determinados, A é uma matriz de coeficientes pré-determinados e (.)T é a matriz transposta.
max cTx, (2.3a)
Sujeito a:
Ax ≤ b e x ≥ 0 (2.3b)
Problemas de otimização lineares apresentam um espaço de soluções convexo, pois x∈ R, e são resolúveis em tempo polinomial (BRADLEY et al., 1977).
22
Já na programação linear inteira (do inglês, Integer Linear Programming - ILP), diferentemente da LP, x admite valores inteiros, o que torna a solução ótima mais realista. Problemas de otimização do tipo ILP são NP-difíceis, o que significa que não é possível obter sua solução ótima em tempo polinomial. Além disso, esses problemas são não-convexos e devem ser resolvidos usando algoritmos de otimização global, como o Branch and Bound usado nesse trabalho.
2.3.2 Branch and Bound
O Branch and Bound - BB é um algoritmo geralmente usado para resolver problemas de otimização combinatória. Esses problemas são tipicamente exponenciais em termos de complexidade de tempo e podem exigir a exploração de todas as permutações possíveis no pior dos casos. A técnica soluciona esses problemas de forma relativamente rápida.
Essa abordagem baseia-se no princípio de que o conjunto total de soluções viáveis pode ser particionado em subconjuntos menores de soluções. Esses subconjuntos menores podem ser avaliados sistematicamente até que a melhor solução seja encontrada (TAYLOR, 2006).
23
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo, serão discutidas algumas das contribuições encontradas na literatura que foram usadas como referência para a modelagem do sistema proposto nesse Trabalho de Conclusão de Curso.
A alocação de potência e o pareamento de subportadoras são tratados em (DANG et al., 2010) com o objetivo de maximizar a taxa de transmissão fim-a-fim em um sistema OFDM cooperativo multi-relay de dois saltos que utiliza o protocolo AF (do inglês, Amplify and Forward), porém sem uso de seleção de modo. Um problema semelhante foi estudado em (SHAAT; BADER, 2011), em que foi considerado um sistema cognitivo com uma fonte, um relay e um destino, utilizando o protocolo DF (do inglês, Decode and Forward) sem uso de diversidade no receptor, cujo objetivo era maximizar a taxa de transferência. Os pares de subportadoras e as potências foram otimizadas conjuntamente de forma a maximizar o rendimento total do sistema sem causar interferência excessiva no sistema primário. Os autores desse trabalho propõem um algoritmo subótimo em que o pareamento de subportadoras é realizado considerando a qualidade do canal e a interferência introduzida ao sistema.
Em (SINGH et al., 2016) os autores estudaram a alocação de potência e o pareamento de subportadoras ótimos em uma rede de relays AF de duas vias com multi-portadoras, tendo como objetivo maximizar a eficiência energética e manter as restrições de QoS requisitadas, sem considerar diversidade no receptor. Foi proposto um algoritmo subótimo que diminui a complexidade do pareamento de subportadoras. Em outro trabalho (PESSOA, 2015), os autores investigam a maximização da taxa de dados em um cenário OFDM cooperativo de dois saltos. Nesse trabalho, os autores assumiram um mapeamento discreto entre SNR e taxa ou MCS (do inglês, Modulation and Coding Schemes) e realizam o pareamento de subportadoras e a alocação de potência ótimos, porém sem considerar diversidade no receptor e seleção de modo.
Um estudo de seleção de modo, atribuição de grupo de recursos e alocação de potência em sistemas de comunicação celular D2D (do inglês, Device to Device) foi realizado em (HOANG et al., 2017). O problema tratado visa maximizar a taxa total do sistema de todos os links D2D e celulares, garantindo ao mesmo tempo as taxas mínimas requisitadas de linkscelulares e D2D. Para resolver este problema, foi caracterizada a alocação de potência ideal quando um link D2D opera no modo direto ou no modo relay. Em seguida, usando esses resultados de alocação de potência, a seleção do modo e a atribuição de grupos de recursos puderam ser formuladas como um problema de atribuição de tarefas cuja solução ótima pode ser
24
obtida em tempo polinomial. Operando em modo relay, utiliza-se o protocolo DF, mas também não considera-se diversidade na recepção.
O objetivo do trabalho (HSU et al., 2011) é maximizar a soma ponderada da taxa em um sistema OFDM contendo uma fonte, um relay e um destino em que o protocolo DF é aplicado; isso foi feito através da otimização conjunta do pareamento de subportadoras e alocação de potência. Para evitar interferência, cada nó transmite em um time slot e, além disso, o destinatário combina os sinais recebidos da fonte e do relay através do método MRC (do inglês, Maximal Ratio Combining).
No trabalho (HUANG; HSU, 2015) são estudados os impactos do modo de transmis-são, potência de transmissão e posicionamento do relay na capacidade e no consumo de potência, tendo como objetivo melhorar a eficiência energética. Os modos de transmissão considerados são: direto, através do relay ou cooperativo com diversidade, utilizando MRC para combinar os sinais. A seleção de modo é feita baseada ou na taxa de transferência ou na intensidade do sinal, aferindo-se que a seleção orientada a taxa de transferência obteve melhores resultados. O estudo não considera o pareamento de subportadoras e, além disso, a seleção de modo é feita de forma heurística e não de forma ótima.
Em (CHAOPING et al., 2015) é considerado um problema cujo objetivo é minimizar a energia total gasta na fonte e no relay, considerando um sistema cooperativo OFDM de dois saltos. A transmissão pode ser feita no modo direto ou cooperativo, tendo-se total conhecimento sobre as condições do canal para escolha do modo. O destino faz, então, a seleção de modo (que não é realizada de forma otimizada juntamente com os demais recursos), o pareamento de subportadoras e a alocação de potência. Adota-se o protocolo DF e assume-se, de forma irrealista, que a adaptação entre SNR (do inglês, Signal-to-Noise Ratio) e taxa é regida por uma função log convexa (a equação da capacidade de Shannon).
Com exceção de (HUANG; HSU, 2015) e (PESSOA, 2015), os trabalhos supracitados consideram que a relação entre SNR e taxa é uma função contínua e logarítmica. Embora essas funções ofereçam maiores facilidades na análise matemática, sistemas reais dispõem de um conjunto de taxas de transmissão de dados realizáveis discreto e finito. Apesar de mais aderente à realidade, a modelagem da adaptação de enlace através de funções discretas que emulam MCSs oferecem maiores desafios, pois tornam os problemas de otimização totalmente combinatoriais, que são mais complexos (PESSOA et al., 2016). Somente em (HSU et al., 2011), (HUANG; HSU, 2015) e (CHAOPING et al., 2015) foi considerada diversidade e seleção de modo no
25
receptor, porém esses trabalhos propuseram heurísticas para seleção de modo, não o resolvendo de forma ótima e integrada às outras funcionalidades de pareamento de subportadoras e alocação de potência.
A principal contribuição deste trabalho é a formulação do problema integrado de pareamento de subportadoras, alocação de potência e seleção de modo em redes cooperativas considerando um mapeamento discreto entre SNR e taxa. Além disso, propomos a solução ótima deste problema através do uso de bibliotecas computacionais baseadas em otimização inteira. Por fim, realizamos uma análise de desempenho em que os ganhos da solução proposta são demonstrados em relação a soluções de referência.
26
4 MODELAGEM DO SISTEMA
Neste capítulo, será apresentado o modelo de sistema cooperativo adotado e as principais considerações acerca do mesmo.
O cenário empregado é um sistema cooperativo de três nós: uma estação base (do inglês, Base Station - BS), um estação retransmissora ou relay (do inglês, Relay Station - RS) e uma estação móvel de destino (do inglês, Mobile Station - MS). O sistema possui dois saltos: o enlace entre a BS e o relay e o enlace entre relay e destino, além de um link direto entre fonte e destino. A Figura 4 ilustra o cenário adotado. Assume-se que o sistema possui um total de N subportadoras OFDM que sofrem desvanecimento Rayleigh e podem ser utilizadas para transmissão tanto no enlace fonte-relay (BS-RS) quanto no enlace relay-destino (RS-MS) e no enlace direto fonte-destino (BS-MS). Nesse sistema, considera-se que todas as informações sobre o estado do canal estão disponíveis (do inglês, Channel State Information - CSI).
Figura 4 – Modelo do sistema.
+ MRC Modo direto
BS-RS RS-MS
BS-MS
Modo cooperativo com diversidade no receptor
Fonte: Produzido pelo autor.
O sistema opera no modo half-duplex, o que significa que os nós podem receber e transmitir dados, mas não simultanemente. Dessa forma, é possível evitar interferência devido ao reuso de subportadoras. A comunicação é realizada em dois slots: no primeiro slot, ocorre a transmissão da fonte utilizando possivelmente todas as N subportadoras; no segundo slot, ocorre a transmissão do relay utilizando potencialmente todas as mesmas N subportadoras.
No modelo proposto, a transmissão pode ser feita de dois modos, ∀s ∈ {1, 2}: • Modo direto (s = 1): os dados são transmitidos diretamente da fonte através das N
27
• Modo cooperativo com diversidade (s = 2): os dados são igualmente transmitidos através das N subportadoras dos links BS-MS e BS-RS-MS. Nesse modo, os dois sinais que chegam no destino são combinados pelo algoritmo MRC de modo melhorar a qualidade da SNR experimentada pelo receptor.
Na maioria dos trabalhos encontrados na literatura, o mapeamento entre SNR e taxa de dados, R, é representado pela equação de Shannon (Eq. 4.1) mostrada a seguir
R= log2(1 + SNR). (4.1)
Essa é uma abordagem matematicamente vantajosa por ser representada por uma função contínua, mas fisicamente irrealista, pois, em sistemas práticos, o mapeamento entre SNR, ou razão sinal-ruído, (do inglês, Signal-to-Noise Ratio) e taxa de dados é feito de forma discreta (PESSOA, 2015).
Por esses motivos, foi considerado um mapeamento discreto entre SNR e taxa de dados representado por um esquema de modulação e codificação (do inglês, Modulation and Coding Schemes - MCS), como mostrado na Figura 5. Esse esquema nada mais é que uma aproximação discreta do limite de Shannon. Uma função monotônica crescente f (·) foi adotada para representar tal mapeamento. Essa função admite que a taxa rmserá atingida se uma dada
SNR estiver dentro de um certo limiar, ou seja, γm≤ SNR < γm+1. De um total de M níveis de
MCS, cada subportadora deve atingir uma taxa rm, ∀m ∈ {1, 2, . . . , M}.
Figura 5 – Mapeamento discreto entre SNR e taxa de dados para as subportadoras dos dois saltos.
28
Além disso, assume-se que o relay emprega o protocolo DF, que consiste em de-codificar o sinal recebido da fonte, recodificá-lo e retransmiti-lo ao destino. A SNR final (ou equivalente) γeq∈ {γ1, γ2, . . . , γM} do sinal recebido no destino pode ter duas expressões distintas
dependendo do modo de transmissão empregado (com ou sem cooperação), conforme mostrado na equação (4.2) (HONG et al., 2007):
γeq= γnSD, se s = 1, min{γnSR, γnSD+ γqRD}, se s = 2, (4.2)
em que γnSD, γnSR e γqRDrepresentam, respectivamente, a SNR atingida pela subportadora n do enlace BS-MS, a SNR atingida pela subportadora n do enlace BS-RS e a SNR atingida pela subportadora q do enlace RS-MS. Além disso, quando o sistema opera no modo cooperativo (s = 2), o uso do MRC no receptor requer que os sinais combinados na MS possuam mesma modulação e codificação, isto é, os dois fatores dentro do operador min{·} da equação (4.2) devem ser iguais.
A potência total disponível na fonte, PtotS , e a potência total disponível no relay, PtotR, devem ser distribuídas de forma otimizada entre as subportadoras OFDM em cada salto. A variável Pn,s,mS é definida como a potência mínima necessária para a subportadora n dos enlaces BS-RS e BS-MS transmitir no nível de MCS m ao operar nos modos s = 2 e s = 1, respectivamente. Outra variável a ser definida é Pn,q,s,mR , que representa a potência mínima necessária para que a subportadora n do enlace BS-RS que foi pareada com a subportadora q do enlace RS-MS transmita no nível de MCS m quando o sistema opera no modo s = 2.
Finalmente, define-se gSDn = |hSDn |2 σ2 , g SR n = |hSR n |2 σ2 e g RD q = |hRD q |2
σ2 como sendo os
ga-nhos de canal normalizados pela potência do ruído térmico σ2 de cada subportadora n, q ∈ {1, 2, . . . , N} dos enlaces BS-MS, BS-RS e RS-MS, respectivamente, sendo hSD
n , hSRn e hRDq as
respostas em frequência dos canais.
Substituindo Pn,s,mS , Pn,q,s,mR , gSRn , gSDn e gRDq , ∀(n, q) ∈ {1, 2, . . . , N}, na equação (4.2) podemos obter os possíveis valores de potência que podem ser alocados para as subportadoras de cada salto de modo que os respectivos níveis de MCS sejam atingidos, conforme mostrado nas equações (4.3) e (4.4). Pn,s,mS = γm gSD n , se s= 1 (não cooperativo), γm gSR n , se s= 2 (cooperativo). (4.3)
29 Pn,q,s,mR = 0, se s = 1 ou gSRn < gSDn , γm gRD q 1 −gSDn gSR n , se s = 2 e gSRn ≥ gSD n . (4.4)
Como citado em seções anteriores, ao utilizar o protocolo DF assume-se o risco de que o sinal seja retransmitido com erros, caso não haja uma detecção adequada no relay. Levando isso em consideração, na equação (4.4), é adicionada uma condição que garante que só será alocada potência no segundo salto se o ganho de canal do enlace fonte-relay for superior ou igual ao ganho de canal do enlace direto entre fonte e destino, evitando a alocação desnecessária de potência.
Por fim, quanto ao pareamento de subportadoras, para o caso de transmissão no modo 2 (modo cooperativo com diversidade) cada subportadora do salto BS-RS deve estar pareada a uma, e somente uma, subportadora do salto RS-MS.
30
5 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA E SOLUÇÃO ÓTIMA
Neste capítulo, será apresentada a formulação do problema de otimização inteiro que expressa a alocação de potência, pareamento de subportadoras e seleção de modo em redes cooperativas OFDM, além dos parâmetros para o cálculo da solução ótima.
Como já discutido, o principal objetivo do problema aqui estudado é a maximização da taxa de dados total em um sistema cooperativo OFDM de dois saltos, composto por um nó transmissor, um nó relay e um nó receptor. A formulação do problema que considera restrições de potência disponível na fonte e no relay pode ser modelado matematicamente como mostrado nas equações abaixo.
max {xn,q,s,m}
∑
∀n∑
∀q∑
∀s∑
∀m rmxn,q,s,m, (5.1a) Sujeito a:∑
∀n∑
∀q∑
∀s∑
∀m Pn,s,mS xn,q,s,m≤ PtotS, (5.1b)∑
∀n∑
∀q∑
∀s∑
∀m Pn,q,s,mR xn,q,s,m≤ PtotR, (5.1c)∑
∀q∑
∀s∑
∀m xn,q,s,m≤ 1, ∀n, (5.1d)∑
∀n∑
∀s∑
∀m xn,q,s,m≤ 1, ∀q. (5.1e)A variável binária xn,q,m,sé a variável de otimização deste problema. Essa assume o
valor 1 caso a n-ésima subportadora do primeiro salto esteja pareada com a q-ésima subportadora do segundo salto e atinja o nível de MCS m transmitindo no modo s, ∀s ∈ {1, 2}. Caso contrário, essa variável assume o valor 0.
As restrições (5.1b) e (5.1c) asseguram que a potência de transmissão nos nós fonte e relay não ultrapassem seus respectivos limites. Para s = 1, a restrição (5.1d) assegura que cada subportadora do salto 1 esteja utilizando apenas um nível de MCS. Para s = 2 essa mesma restrição garante que cada subportadora n do primeiro salto esteja pareada com apenas uma subportadora q do segundo salto e transmita em um único nível de MCS. Já a restrição
31
(5.1e) assegura que cada subportadora q do segundo salto deve estar pareada com apenas uma subportadora n do salto 1 e utilizar somente um nível de MCS para o modo s = 2.
Com o problema equacionado na forma de um ILP (do inglês, Integer Linear Problem), a solução ótima desse pode ser obtida utilizando um algoritmo do tipo Branch and Bound- BB, que é capaz de reduzir drasticamente o espaço de busca quando comparado com o método da busca exaustiva (IBM, 2019). Esse algoritmo usa o modelo matricial para trabalhar com dados numéricos.
Dessa forma, o problema expresso em (5.1a)-(5.1e) deve ser descrito matricialmente para que possa ser resolvido por softwares especializados em problemas ILP, como mostrado a seguir.
De início, é necessário pré-calcular os vetores−→r ,−P→S e−P→R, que contém os valores das taxas, potência mínima fornecida pela fonte às subportadoras do primeiro salto e potência mínima fornecida pelo relay às subportadoras do segundo salto, respectivamente. O vetor−→x, de dimensões 2N2M× 1, é o vetor de otimização.
− →x = x1,1,1,1 x1,1,1,2 .. . x1,1,1,M x1,1,2,1 x1,1,2,2 .. . x1,1,2,M x1,2,1,1 x1,2,1,2 .. . x1,N,2,M x2,1,1,1 .. . xN,N,2,M − →r = r1,1,1,1 r1,1,1,2 .. . r1,1,1,M r1,1,2,1 r1,1,2,2 .. . r1,1,2,M r1,2,1,1 r1,2,1,2 .. . r1,N,2,M r2,1,1,1 .. . rN,N,2,M −→ PS= P1,1,1S P1,1,2S .. . P1,1,MS P1,2,1S .. . P1,2,MS P2,1,1S .. . PN,2,MS −→ PR= P1,1,1,1R P1,1,1,2R .. . P1,1,1,MR P1,1,2,1R .. . P1,1,2,MR P1,2,1,1R .. . P1,N,2,MR P2,1,1,1R .. . PN,N,2,MR
32
• A função objetivo (5.1a) pode ser expressa como −→rT−→x, em que−→r T é o vetor transposto de−→r ;
• A restrição de desigualdade (5.1b) limita a alocação de potência para as subportadoras do primeiro salto de acordo com a potência disponível na fonte. Existe um vetor A de dimensões 2N2M× 1 tal que −→AT−→x ≤ PStot, em que −→AT é o vetor transposto de −→A.
Assim: − → AT = [ 2M z }| { P1,1,1S , P1,1,2S , . . . , P1,1,MS , P1,2,1S , . . . , P1,2,MS , 2M z }| { P1,1,1S , . . . P1,2,MS . . . 2M z }| { P1,1,1S , . . . P1,2,MS , . . . , PN,2,MS ] (5.2) • A restrição de desigualdade (5.1c) limita a alocação de potência para as subportadoras do segundo salto de acordo com a potência disponível no relay. Existe um vetor B de dimensões 2N2M× 1 tal que−→BT−→x ≤ PR
tot, em que
− →
BT é o vetor transposto de−→B. Assim:
− → BT = [ 2NM z }| { P1,1,1,1R , P1,1,1,2R , . . . , P1,1,1,MR , . . . , P1,1,2,MR , . . . , P1,N,2,MR , 2NM z }| { P2,1,1,1R , . . . , P2,N,2,MR . . . 2NM z }| { PN,11,1R , . . . , PN,N,2,MR ] (5.3)
• A restrição (5.1d) assegura que cada subportadora do salto 1 utilize apenas um nível de MCS quando s = 1 e que cada subportadora n esteja pareada com apenas uma subportadora q e atinja apenas um nível de MCS quando s = 2. Existe uma matriz C de dimensões N× 2N2Mtal que C N×2N2M−→x2N2M×1= − → 1N×1. Assim: C= 1 1 . . . 1 0 0 . . . 0 . . . 0 0 . . . 0 0 0 . . . 0 1 1 . . . 1 . . . 0 0 . . . 0 .. . . .. ... 0 0 . . . 0 0 0 . . . 0 . . . 1 1 . . . 1 , (5.4)
em que cada bloco de 1’s nas linhas dessa matriz possui 2NM elementos.
• A restrição (5.1e) assegura que cada subportadora q do segundo salto utilize apenas um nível de MCS e esteja pareada com apenas uma subportadora n do primeiro salto quando s= 2. Existe uma matriz D de dimensões N × 2N2Mtal que DN×2N2M−→x2N2M×1=
− →
33
Seja 11×2M um vetor linha unitário com 2M elementos e /01×2M um vetor linha de zeros
com 2M elementos. Assim:
D= 11×2M /01×2M · · · /01×2M 11×2M /01×2M · · · /01×2M · · · 11×2M /01×2M · · · /01×2M /01×2M 11×2M · · · /01×2M /01×2M 11×2M · · · /01×2M · · · /01×2M 11×2M · · · /01×2M .. . ... . .. ... ... ... . .. ... ... ... ... . .. ... /01×2M /01×2M · · · 11×2M /01×2M /01×2M · · · 11×2M · · · /01×2M /01×2M · · · 11×2M (5.5)
em que cada bloco diagonal de 1’s nessa matriz possui 2NM elementos, formando N blocos de 2NM elementos em cada linha.
Resultados práticos mostram que em geral o algoritmo BB é capaz de encontrar a solução ótima em um tempo aceitável quando a dimensão dos dados de entrada é pequena. (ZHANG; LETAIEF, 2004). No pior caso, a ordem de complexidade desse algoritmo é exponen-cial em função do número de subportadoras e de níveis de MCSs (PESSOA, 2015).
34
6 ANÁLISE DE DESEMPENHO
Nesta seção serão analisados os principais impactos da alocação de potência e de subportadoras com seleção de modo em redes cooperativas. Essa análise foi realizada comparando a solução ótima anteriormente modelada com duas outras soluções de referência. Na seção 6.1 são apresentados os cenários e parâmetros de simulação, enquanto na seção 6.1 são analisados os resultados obtidos e comparados com as soluções de referência.
6.1 Parâmetros de simulação
Um simulador computacional foi construído para modelar o sistema proposto nesse Trabalho de Conclusão de Curso. A Tabela 1 mostra os principais parâmetros usados nas simulações. Os parâmetros de simulação foram baseados em (PESSOA et al., 2016). Em resumo, o sistema considerado adota 32 subportadoras OFDM, cada uma com largura de banda de 15kHz, usadas para transmissão nos saltos BS-MS, BS-RS e RS-MS. A potência total disponível na fonte e no relay é de 8W para cada e são considerados 12 níveis de MCS. O canal de comunicação utilizado foi modelado considerando os principais mecanismos de propagação: perda de percurso, desvanecimento em larga escala (ou Lognormal) e desvanecimento em pequena escala (ou Rayleigh). A SNR mínima para transmitir rm bits foi considerada como
sendo obtida através da discretização da curva de Shannon, isto é, SNRm= 2rm− 1, tal qual
usado em (PESSOA et al., 2016). Finalmente, considerou-se 500 amostras de Monte Carlo para cada ponto simulado, de forma a assegurar uma boa confiabilidade estatística.
Tabela 1 – Parâmetros utilizados nas simulações.
Parâmetros de simulação
Banda por subportadora (B) 15 kHz
Níveis de MCS (M) 12
Subportadoras por salto (N) 32
Potência total da fonte (PtotS ) 8 W
Potência total do relay (PtotR) 8 W
Potência do ruído térmico na banda de uma subportadora (σ2) 5,9716 x 10−17W Perda de percurso (L = 10n log10(d), sendo d a distância em metros) 3,75
35
Figura 6 – Cenários simulados.
300 m 300 m
300 m
300 m 100 m
Cenário 1 Cenário 2
Fonte: Produzido pelo autor.
Duas outras soluções foram utilizadas para validar as contribuições deste trabalho. A primeira delas é a solução ótima proposta em (PESSOA, 2015) para o problema de alocação de potência e pareamento de subportadoras em um sistema cooperativo sem seleção de relays. Em (PESSOA, 2015), assume-se que o enlace entre fonte e destino não é utilizado e, portanto, não há combinação por diversidade. A segunda solução consiste de uma solução não cooperativa convencional, sem a utilização do relay. Portanto, esta solução equivale à maximização da taxa de dados entre fonte e terminal móvel utilizando-se o algoritmo HH (Hughes Hartogs) para alocação de potência (BOHGE et al., 2007). A primeira solução é identificada nos gráficos da próxima seção como “Otim. coop. s/ comb. no RX"enquanto que a segunda é identificada como “Otim. direta BS-MS". Por fim, a solução proposta neste trabalho está identificada nos gráficos
como “Otim. coop. c/ seleção de modo".
A Figura 6 ilustra os dois cenários simulados para obtenção dos resultados a serem apresentados nesse trabalho. O primeiro cenário considera o caso onde fonte, relay e destino estão igualmente a 300 metros de distância entre si, como se estivessem dispostos em um triângulo equilátero. Já o segundo cenário considera um caso onde fonte, relay e destino estão distrubuídos em uma linha reta, com a fonte a 300 metros do relay e o relay um pouco mais afastado da fonte, a 100 metros de distância do receptor. O intuito é emular a dinâmica do sistema cooperativo, em que a distância entre os nós podem mudar dependendo do movimento do terminal móvel ao longo da área de cobertura.
36
6.2 Resultados
Figura 7 – CDF da eficiência espectral total para a solução proposta e as outras duas soluções de referência no cenário 1.
3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Taxa de Dados (bits/s/Hz)
Função de Distribuição Acumulada
5,02
5,28
5,80 Otim. coop. c/ seleção de modo
Otim. direta BS−MS Otim. coop. s/ comb. no RX
Fonte: Produzido pelo autor.
O gráfico da Figura 7 representa o cenário no qual a fonte, o relay e o destino estão distribuídos nos vértices de um triângulo equilátero com distância de 300 metros entre eles. Como pode-se inferir ao analisar a figura, a solução proposta nesse trabalho, que considera diversidade cooperativa, e a solução que considera apenas o modo de transmissão direto, obtiveram melhores desempenhos. A solução aqui proposta obtém um ganho no 50◦percentil de aproximadamente 13,5% em relação à solução com cooperação, mas sem combinação no receptor e de 9% em relação à solução que utiliza apenas o modo direto. Isso acontece porque, com essa disposição dos nós, a transmissão direta entre fonte e destino se torna uma boa opção, já que a distância entre fonte-destino e relay-destino é a mesma e espera-se que os ganhos de canal sejam comparáveis. A solução cooperativa sem diversidade, no entanto, não considera a transmissão direta e, como pode-se observar, obtém o pior resultado.
A Figura 8 mostra os resultados obtidos através de simulações no segundo cenário, conforme mostrado na Figura 6. Na Figura 8, observa-se que a solução que emprega apenas o modo direto apresenta um desempenho inferior à solução que emprega modo cooperativo
37
Figura 8 – CDF da eficiência espectral total para a solução proposta e as outras duas soluções de referência no cenário 2.
3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Taxa de Dados (bits/s/Hz)
Função de DIstribuição Acumulada
Otim. coop. c/ sel. de modo Otim. direta BS−MS Otim. coop. s/ comb no RX
4,54 5,28 5,52
Fonte: Produzido pelo autor.
sem diversidade. Esse comportamento é justificado pela grande distância entre fonte e destino, algo que leva a uma atenuação significativa do sinal recebido no modo direto. Esse mesmo problema tem efeitos menos significativos na solução que emprega sempre o modo cooperativo sem diversidade, pois a presença do repetidor reduz os efeitos da atenuação do canal entre fonte e destino. Por fim, a solução proposta nesse artigo obtém um ganho no 50◦percentil de aproximadamente 4,5% em relação à solução com cooperação, mas sem combinação no RX e de 17,8% em relação à solução que utiliza apenas o modo direto.
Em ambos cenários analisados, a solução com seleção de modo proposta nesse trabalho obteve os melhores resultados. O modelo proposto possui uma característica de forte adaptação ao sistema, uma vez que permite que o modo de transmissão que melhor atenderá aos requisitos de qualidade seja selecionado, obtendo as melhores taxas. Observa-se que, enquanto no cenário 1 o modo de transmissão direto (sem cooperação) foi usado de forma oportunista em algumas subportadoras pelo seletor de modo a fim de reduzir a potência transmitida na fonte, o modo com cooperação e diversidade no receptor foi escolhido com frequência nas subportadoras no cenário 2 com o objetivo de compensar a maior distância entre fonte e destino.
38
7 CONCLUSÕES
Neste Trabalho de Conclusão de Curso foi estudado um problema de alocação de potência, pareamento de subportadoras OFDM experimentando desvanecimento Rayleigh e seleção de modo em um sistema cooperativo composto por uma fonte, um relay, onde o protocolo DF é aplicado, e um destino. A informação pode ser transmitida em dois modos: diretamente da fonta ao destino ou utilizando diversidade, sendo os sinais combinados no receptor através da técnica MRC, no caso de transmissão com diversidade. Considerou-se, também, uma adaptação de enlace realista entre taxa de dados e SNR.
Foi formulado um problema de otimização linear inteiro com o objetivo de maximizar a taxa de dados do sistema, sujeito a restrições de potência disponível na fonte e no relay. O problema foi resolvido de forma ótima pelo algoritmo de complexidade exponencial Branch and Bound. Foram realizados testes considerando um cenário com distâncias iguais entre fonte-relay, relay-destino e fonte-destino, e um cenário com o relay mais afastado da fonte e próximo ao destino. Esses testes permitiram analisar o comportamento da solução diante da dinâmica do canal de comunicação cooperativa. Os resultados foram comparados a soluções de referência a fim de comprovar a eficiência do modelo proposto.
Os resultados mostram que a solução comportou-se melhor que algumas soluções de referências colhidas a literatura que não consideram seleção de modo e diversidade. De fato, a solução proposta consegue atingir taxas bem mais elevadas devido ao fato de considerar todos os modos de transmissão possíveis e, com isso, conseguir melhor adaptar-se às mudanças na disposição dos nós do sistema.
39
REFERÊNCIAS
BANGERTER, B.; TALWAR, S.; AREFI, R.; STEWART, K. Networks and devices for the 5g era. IEEE Communications Magazine, IEEE, v. 52, n. 2, p. 90–96, 2014.
BOHGE, M.; GROSS, J.; WOLISZ, A.; MEYER, M. Dynamic resource allocation in ofdm systems: an overview of cross-layer optimization principles and techniques. IEEE network, IEEE, v. 21, n. 1, p. 53–59, 2007.
BRADLEY, S. P.; HAX, A. C.; MAGNANTI, T. L. Applied mathematical programming. 1977. BRENNAN, D. Linear diversity combining techniques. Proceedings of the IEEE, IEEE, v. 91, n. 2, p. 331–356, 2003.
CHAOPING, G.; JUNGANG, Y.; CHENG, B.; MEI, G.; LIJU, C. An energy pricing-based subcarrier pairing and power allocation for cooperation ofdm system. In: IEEE. 2015 Sixth International Conference on Intelligent Systems Design and Engineering Applications (ISDEA). [S.l.], 2015. p. 112–115.
CISCO. Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2017–2022 White Paper. 2019. Disponível em: <https://www.cisco.com/c/en/us/solutions/ collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white-paper-c11-738429.html>. Acesso em: 27 fev. 2019.
DANG, W.; TAO, M.; MU, H.; HUANG, J. Subcarrier-pair based resource allocation for cooperative multi-relay ofdm systems. IEEE Transactions on Wireless Communications, IEEE, v. 9, n. 5, p. 1640–1649, 2010.
FARHANG-BOROUJENY, B.; MORADI, H. Ofdm inspired waveforms for 5g. IEEE Communications Surveys & Tutorials, IEEE, v. 18, n. 4, p. 2474–2492, 2016.
FUKUDA, R. M. Sistema de Comunicação OFDM: da Fundamentação Conceitual à Implementação em Plataforma DSP. Dissertação (Trabalho de Conclusão de Curso) — Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2016.
GOLDSMITH, A. Wireless communications. [S.l.]: Cambridge university press, 2005. HARA, S.; PRASAD, R. Multicarrier techniques for 4G mobile communications. [S.l.]: Artech House, 2003.
HOANG, T. D.; LE, L. B.; LE-NGOC, T. Joint mode selection and resource allocation for relay-based d2d communications. IEEE Communications Letters, IEEE, v. 21, n. 2, p. 398–401, 2017.
HONG, Y.-W.; HUANG, W.-J.; CHIU, F.-H.; KUO, C.-C. J. Cooperative communications in resource-constrained wireless networks. IEEE Signal processing magazine, IEEE, v. 24, n. 3, p. 47–57, 2007.
HSU, C.-N.; SU, H.-J.; LIN, P.-H. Joint subcarrier pairing and power allocation for ofdm transmission with decode-and-forward relaying. IEEE Transactions on Signal Processing, IEEE, v. 59, n. 1, p. 399–414, 2011.
40
HUANG, J.-H.; HSU, S.-Y. Joint power assignment and relay location design for cooperative power-efficient networks with adaptive transmission mode selection. In: IEEE. 2015 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC). [S.l.], 2015. p. 1141–1146.
IBM. IBM ILOG CPLEX Optimizer. 2019. Disponível em: <https://www.ibm.com/analytics/ cplex-cp-optimizer>. Acesso em: 01 mar. 2019.
KHAN, F. LTE for 4G mobile broadband: air interface technologies and performance. [S.l.]: Cambridge university press, 2009.
LIMA, F. R. M. Maximizing spectral efficiency under minimum satisfaction constraints on multiservice wireless networks. Tese (Tese de doutorado) — Universidade Federal do Ceará, Departamento de Teleinformática, 2012.
LIU, K. R.; SADEK, A. K.; SU, W.; KWASINSKI, A. Cooperative communications and networking. [S.l.]: Cambridge university press, 2009.
MAGALHAES, S. R. C. Seleção de relay em sistemas OFDM cooperativos com
amplificadores de potência não lineares. Dissertação (Trabalho de Conclusão de Curso) — Universidade Federal do Ceará, Sobral, 2018.
PESSOA, A. M. Alocação de Recursos com Uso de Repetidores para Otimização em Redes Móveis de Última Geração. Dissertação (Trabalho de Conclusão de Curso) — Universidade Federal do Ceará, Sobral, 2015.
PESSOA, A. M.; LIMA, F. R. M.; MACIEL, T. F.; CAVALCANTI, F. R. P. Joint bit loading and subcarrier matching in two-hop cooperative systems. XXXIV Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, SBrT, 2016.
SHAAT, M.; BADER, F. Joint subcarrier pairing and power allocation for df-relayed ofdm cognitive systems. In: IEEE. 2011 IEEE Global Telecommunications Conference-GLOBECOM 2011. [S.l.], 2011. p. 1–6.
SINGH, K.; GUPTA, A.; KU, M.-L.; RATNARAJAH, T. Joint subcarrier pairing and power allocation for two-way energy-efficient relay networks. In: IEEE. 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM). [S.l.], 2016. p. 1–6.
TAYLOR, B. Integer Programming: The Branch and Bound Method. 2006. Disponível em: <http://web.tecnico.ulisboa.pt/mcasquilho/compute/_linpro/TaylorB_module_c.pdf>. Acesso
em: 20 abril 2019.
XIANG, W.; ZHENG, K.; SHEN, X. S. 5G mobile communications. [S.l.]: Springer, 2017. ZHANG, Y. J.; LETAIEF, K. B. Multiuser adaptive subcarrier-and-bit allocation with adaptive cell selection for ofdm systems. IEEE Transactions on wireless communications, IEEE, v. 3, n. 5, p. 1566–1575, 2004.
