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3
3
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G
pós 3G é a designação oficial do IEEE para a maioria dos estágios da tecnologia de comunicação sem fio que alguns chamam de 4G ou rádio de quarta geração. Ao longo dos anos, toda a evolução conceitual
dessa tecnologia tendo sido caracterizada como uma mudança de geração. Com
uma boa dose de percepção, a maioria
dos sistemas de rádio bem como suas gerações podem ser classificados em categorias como mostrado na Tabela 1. Poucos sistemas de primeira geração (1G) ainda se mantêm em operação, exceto nos Estados Unidos, onde o AMPS (Sistema de Avançado de Telefonia Móvel) é mantido apenas como um sistema básico universal. A maioria dos serviços é atualmente de segunda geração (2G) denominada Sistema Global de Comunicações Móveis (GSM) e compreende ampla disseminação do desenvolvimento de acesso múltiplo
por divisão de código (CDMA). CDMA é um avanço conceitual de sistemas 2G, tipificados
como GSM, que são então classificados, ge- ralmente, como 2,5G. A terceira geração oferece um aumento significativo de ca-
pacidade, sendo o sistema ótimo de aces- so a dados em banda larga. A terceira
geração inclui redes de banda larga móveis de multimídia e sistemas móveis de banda larga mistos. Os
sistemas móveis suportam taxas de transmissão de dados variá-
veis dependendo da demanda e do grau de mobilidade. Tipica- mente uma taxa de 144 kb/s é suportada para mobilidade vei- cular total e bandas mais largas para pedestres em movimento. Técnicas de rádio por chaveamen- to de pacotes e sistemas como o CDMA de banda larga (como tam- bém é o canal físico) são necessárias para suportar esse ambiente de largura de banda sob demanda, ao invés de esque- mas de atribuição de canal físico (referido como circuito comutado). Há dois conceitos essenciais após 3G. Um deles é a disponibiza-ção da transmissão de dados a taxas de 100 Mb/s em movimento e 1Gb/s em estado estacio- nário. O outro é o de redes pervasivas nas quais um equipamento suporta muitas tecnologias de acesso (por exemplo, celular, UMTS e WiFi)
Michael Steer (e-mail: mbs@ncsu.edu) is with the Department of Electric and Computer Engineering,
North Carolina State University, Raleigh, NC 27695-7914 USA.
simultaneamente ou com transição suave entre elas.
Por exemplo, para suportar dados de alta velocidade, é mais eficiente usar uma rede WiFi disponível que uma rede UMTS.
Dois avanços tecnológicos que viabilizaram o conceito de alta taxa de transmissão de dados se constituem nas bases da evolução das comunicações celulares e das redes wireless. Um avanço é a OFDM, multiplexação ortogonal por divisão de freqüência, que envia múltiplas seqüências de bits relativamente lentas, cada seqüência por uma de um grande número de portadoras. A OFDM reduz o impacto do desvanecimento, uma vez que os símbolos são espalhados através de longos períodos de tempo. O outro avanço é MIMO, múltiplas entradas e múltiplas saídas, que se baseia em multipercursos para enviar múltiplas versões de várias seqüências de bits transmitidas por várias antenas. Esses esquemas são discutidos abaixo sendo com eles possível aumentar sobremaneira a eficiência espectral.
OFDM
Em OFDM, dados são transmitidos simultaneamente em múltiplos subportadoras com a propriedade especial que as subportadoras são ortogonais e espaçadas precisamente em freqüência. Cada subportadora é modulada de tal modo que cada uma se torna um subcanal transportando sua seqüência de dados própria. Isso é mostrado no espectro da Figura 1, onde as setas no topo indicam pontos de amostragem para duas subportadoras. As duas subportadoras são idealmente ortogonais. Isso pode ser visto, em parte, notando-se que o pico de uma portadora está exatamente nos zeros das outras. Quando uma portadora é amostrada, a contribuição de todas as outra é zero – elas são ortogonais. Os espectros das subportadoras se sobrepõem, mas isso não importa. Este esquema viabiliza a transmissão de dados em alta velocidade através de canais possivelmente hostis de uma banda não regulamentada. OFDM é uma técnica de espalhamento espectral em um grande número de subportadoras. O impacto do desvanecimento é mitigado uma vez que cada subportadora tem uma banda relativamente estreita ou, em tempo, uma duração longa. Assim, tendo em efeito muitas relativamente lentas seqüências de bits, o efeito de multipercurso pode ser reduzido relativamente a uma única seqüência de bits de alta velocidade. A intensidade do sinal e a interferência e, portanto, a relação sinal-interferência pode ser diferente em cada subcanal e isso pode ser compensado com taxas
de bits diferentes em cada subcanal e ajustando-se a potência em cada subcanal.
OFDM pode ser implementado utilizando-se moduladores e demoduladores separados para cada subacanal. É também possível e mais prático substituir os moduladores e demoduladores separados por uma implementação de transformada rápida de Fourier (FFT) e da transformada inversa (iFFT), respectivamente, em um processador digital (DSP). Esta implementação FFT/iFFT é denominada multitom discreta (DMT) ou OFDM/DMT.Nela as subportadoras compartilham uma portadora comum e as saídas em freqüência da FFT das seqüências de bits são as subportadoras. Geralmente cada subportadora tem sua própria seqüência de bits sendo a seqüência de bits total transportada por 256 subportadoras, por exemplo. Com codificação com correção de erros à frente (FEC), uma grande parte dos bits pode ser perdida (porque cada subportadora “colide”com outros sinais) mas a seqüência de dados ainda pode ser recuperada.
Infelizmente a relação potência de pico – potência média (PAR) em OFDM é alta. Como resultado, a distorção não-linear no estágio de recepção de entrada é mais problemática que para outros tipos de sinal e daí a necessidade de se ter amplificadores mais lineares. Uma abordagem deste problema e enxergar o sinal OFDM como a composição de um grande número de tons. Na prática, a PAR é reduzida por ceifamento do sinal no DSP (assim alguns dados são perdidos). Entretanto, através de codificação é possível livrar-se desses erros e regenerar os bits perdidos. Na situação ideal, as subportadoras são ortogonais, mas deslocamentos de tempo e freqüência fazem com que os subcanais interfiram uns nos outros. Essa interferência pode ser reduzida limitando-se o número de subcanais e usando-se formas de pulso especiais que são mais robustas a erros de tempo. OFDM é o método apropriado de transmissão por rádio digital, TV digital, redes de alta velocidade sem fio locais e de áreas metropolitanas [WLAN e WMAN, respectivamente, p.ex., WiFi, (especificamente o padrão de WLAN IEEE 802.11a atingindo 54 Mb/s [1]-[3]) e WiMax (especificamente o padrão WMA N IEEE 802.16 atingindo 18.36 Mb/s [4]-[6])], e Internet de banda larga através de linhas telefônicas digitais de assinante (DSL). A da eficiência espectral do OFDM e próxima da eficiência espectral máxima. O sistema OFDM implementado no padrão IEEE 802.11a, um tipo de WiFi, emprega vários formatos de modulação, com diferentes taxas, como mostrado na Tabela 2. A diferença entre o número de bits de dados por símbolo e o número de bits codificados por símbolo corresponde a codificação adicionada no DSP para correção de erros e para fornecer informações adicionais sobre o canal. A relação entre o número de bits de dados e o número de bits de código é a taxa de codificação.
O sistema descrito no padrão IEEE 802.16, em geral conhecido como WiMax, também utiliza OFDM. Ele é projetado para cobrir uma vasta área geográfica e, por isso, é designado como uma WMAN. É um sistema celular de aplicação universal com reutilização de freqüências e com células que normalmente tem poucos quilômetros de diâmetro.
OFDM reduz o impacto do
desvanecimento pois os símbolos
estão espalhados relativamente por
um longo período de tempo.
A taxa de enlace de descida tem tipicamente uma média de 3 Mb/s em uma banda de 5 MHz quando há uma única antena receptora e antenas de transmissão de três setores. Na mesma banda de 5 MHz, 7 Mb/s podem ser obtidos com duas antenas receptoras e com células de seis sectores (e, conseqüentemente, menor interferência vinda de outras células). WiMax usa vários formatos de modulação, como mostrado na Tabela 3. Uma modulação de ordem superior, tal como 64 – QAM, só pode ser alcançada quando a interferência for baixa.
Capacidade
O conceito de eficiência espectral é importante em comparação com diferentes taxas e sistemas de modulação. A eficiência espectral tem a sua origem no teorema de Shannon que expressa a capacidade de transmissão de informações de um canal como
Ĉ= ln (1 + ⁄ ) (1)
onde Ĉ é a capacidade em bits por segundo, é BC a largura do canal em Hertz, S e N são o sinal e a potencia de ruído, sendo portanto S/N a relação sinal-ruído (SNR). Assume-se que N é um ruído Gaussiano e assim a interferência pode ser aproximada como Gaussiana e pode ser incorporada por adição de potencias de ruídos e interferências, sendo assim mais adequado utilizar SIR. Desse modo, o teorema de capacidade de Shannon (1) torna-se
Ĉ = ln [1 + ⁄( + 1)] = ln (1 + ) (2)
O teorema de Shannon, não pode ser provado, mas é amplamente aceito como limite superior para a capacidade de transmissão de informação de um canal. Assim, maior potência do sinal, ou menor interferência, definem a maior capacidade de transporte de informações de um canal. Na verdade, se não há ruído e nenhuma interferência, a capacidade de transporte de informação é infinita. A equação de capacidade de Shannon (2) nos diz que o aumento do nível de interferência resultando em menor SIR, tem um efeito menor sobre a redução da capacidade do que poderia ser inicialmente esperado. Em outras palavras, duplicando-se o nível de interferência, C não é reduzida a metade. É esta a visão conceitual que permite o uso de células menores e reutilização de freqüências com o conseqüente aumento da interferência, sendo seu efeito moderado sobre a capacidade, compensado pelo aumento do número de células.
O limite de capacidade de transporte de Shannon nunca foi atingido, mas os atuais sistemas de rádio estão muito próximos disso. Diferentes sistemas de modulação de
OFDM é uma técnica de espalhamento
espectral onde os dados são
distribuídos por um grande número de
subportadoras.
rádio aproximaram-se do limite, sendo que duas quantidades foram introduzidas para descrever o desempenho dos diferentes esquemas. A partir da fórmula de capacidade, podemos definir uma medida útil para o desempenho de esquemas de modulação. E a chamada eficiência do canal (ou a eficiência do espectro de canal, ou, às vezes, eficiência espectral do canal) dada por
= / (3)
onde Rc (em bits por segundo) é a taxa de bits
transmitidos no canal, sendo portanto ηc são os bits
unitários por segundo por hertz (b/s/Hz). A unidade de b/s/Hz é adimensional, uma vez que Hertz tem unidade de s-1. Entretanto, a utilização de b/s/Hz mantém informação sobre o significado dessa grandeza. (Da mesma forma decibel é adimensional, mas é um quantificador importante).
Em um sistema celular, o número de células por grupo também deve ser incorporado para se obter um sistema de medida [7]. Os canais disponíveis são divididos entre as células de um grupo, e um canal de uma célula e considerado como uma interferência para uma célula correspondente de outro grupo. Assim, a SIR é aumentada, e a capacidade do canal diminuída. Contudo, o rendimento do sistema aumenta, devido a diminuição do tamanho das células. Desse modo, a taxa de transferência do sistema é função do padrão de reutilização de freqüências. A métrica adequada é a eficiência do espectro de radiofreqüências ηr que incorpora o número de células K por grupo
=
=
(4) Aqui, Rb é a taxa de bits de informação útil, isto é descontando-se a codificação da taxa de bits do canal Rc (Rc é superior a Rb devido a codificação). Codificação é utilizada para permitir correção de erros, auxiliar a identificar o início e o fim de um pacote de dados e permitir ortogonalidade de usuários em alguns sistemas em que estes se sobrepõem, como no CDMA. A unidadede ηr é bits por segundo por hertz por célula ou seja
b/s/Hz/célula. A diminuição da capacidade do canal resultante do aumento da SIR associada com menos células em um grupo e, portanto, mais próximas, ou seja, menor K, é mais que compensada pelo aumento da vazão do sistema.
Ha duas definições de eficiência espectral; uma é a eficiência do espectro do canal ηc que caracteriza a eficiência de um esquema de modulação e outra é a eficiência do espectro de rádio ηr, que incorpora a interferência adicional devida à reutilização de freqüências. Na verdade, a interferência devida a reutilização de freqüências é o ruído dominante em um sistema celular, e o ruído de fundo é muitas vezes ignorado na avaliação de desempenho. Geralmente, ambas as medidas de eficiência são referidas como eficiência espectral e apenas as unidades distinguem a que se referem.
Em resumo:
Ĉ é a taxa de bit de canal máxima teórica sob certas condições.
Rc é a taxa de bit de canal real sob as mesmas
condições.
Rb é a taxa de bit de canal real sob as mesmas
condições menos sobrecarga associada à codificação.
MIMO
A tecnologia MIMO utiliza várias antenas para transmitir e receber sinais. O conceito de MIMO foi desenvolvido na década de 1990 [8] - [10] e aplicado em uma variedade de sistemas WLAN e na evolução das normas de comunicações celulares. Há vários aspectos em MIMO. Primeiramente, cada antena transmissora envia diferentes fluxos de dados simultaneamente na mesma freqüência de canal utilizada por outras antenas de transmissão. Em seguida, a característica mais interessante em que a tecnologia MIMO se baseia são sinais se propagando por vários percursos entre uma matriz de antenas de transmissão e uma série de antenas de recepção. Em um sistema de comunicação convencional, os diversos percursos resultam em interferências e desvanecimento, mas em MIMO estes percursos são utilizados para transportar mais informação. Em um sistema MIMO, cada percurso propaga uma imagem de um sinal transmitido (a partir de uma antena) que difere em am- plitude e fase das imagens em outros caminhos. Cada imagem chega a uma das antenas de recepção por vezes,
OFDM é um método de transmissão
para rádio digital, TV digital, rede sem
fio de alta velocidade local e
metropolitana e Internet de
banda larga sobre linhas
digitais de assinante
com tempos ligeiramente diferentes e as diferenças de fase são usadas para diferenciá-las. Efetivamente, há múltiplas conexões entre cada antena transmissora e cada antena receptora; veja Figura 2. Para simplificar, três antenas de transmissão e três antenas receptoras são mostradas aqui. MIMO, no entanto, pode trabalhar com apenas duas antenas de transmissão e uma receptora, mas a capacidade é muito maior com mais antenas. Um fluxo de dados de alta velocidade é dividido em vários fluxos de dados mais lentos como mostrado na Figura 2, os fluxos de dados a, b, e c. Os fluxos de bits são mapeados em diferentes versões de fluxos de dados, são combinados, modulados e enviados a partir de cada antena transmissora como uma constelação de diagramas rotulados A, B e C. O sinal de cada antena transmissora atinge todas as antenas receptoras seguindo percursos diferentes.
A saída de cada antena receptora é uma combinação linear dos vários feixes de dados transmitidos com amostras de diagramas fasoriais de RF rotulados M, N e
O. (não é realmente apropriado chamar essas constelação
de diagramas.) Em outras palavras, cada antena recebe uma combinação linear diferente das imagens múltiplas. Com efeito, a saída de cada antena de recepção pode ser considerada como sendo a solução de uma equação linear com cada percurso correspondendo a uma equação. Seguindo a mesma analogia, o sinal de cada antena de transmissão representa uma variável. Assim, o conjunto
de equações simultâneas pode ser resolvido para se obter os fluxos de bits originais. Isto é feito por demodulação e mapeamento com algum conhecimento das características do canal que realiza a transmissão original dos sinais modificados por interferências. O resultado é que a constelação de diagramas de W, X e Y é obtida. O canal composto pode ser caracterizado utilizando-se sinais de teste. A codificação especial de espaço-tempo (ou espaço-temporal) que é uma codificação contida no fluxo de dados transmitidos, também permite uma estimação da matriz de comunicação. Ela codifica cada fluxo de dados transmitidos com
informações que podem ser utilizadas para auxiliar na reconstrução dos sinais sobre os outros. Esta é a caracterização de canal mais robusta com sinais de teste enviados em tempos diferentes.
Com o advento da tecnologia MIMO, é necessário alterar a expressão do limite da capacidade de Shannon pois os sistemas MIMO podem exceder de forma global o limite de Shannon definido para um único canal. O limite da capacidade de Shannon em um sistema MIMO torna-se
Ĉ = ln (1 + ) (5)
onde H é um fator de capacidade de MIMO que depende de min(M, N) e efetivamente dos múltiplos sinais SIR [12].
Em um sistema MIMO, cada trajeto
propaga uma imagem de um sinal
transmitido que difere em amplitude
e fase das imagens que seguem por
outros trajetos.
escalas aproximadamente lineares com o mínimo de M e
N, min (M, N), onde M é o número de antenas
transmissoras e N é o número de antenas receptoras (desde que exista um grande numero de percursos) [12] [13]. Assim, um sistema com M = N = 4 terá quatro vezes a capacidade de um sistema com apenas uma antena de transmissão e uma antena de recepção. Sob condições piores, a capacidade obtida é ligeiramente inferior. A Tabela 4 apresenta a capacidade de um sistema MIMO com modulação por chaveamento de fase (PSK) ideal (ou seja, sem modificações para controlar a PAR) e duas antenas transmissoras e receptoras. Este sistema é comparado com a capacidade de um sistema convencional (não-MIMO). A capacidade é apresentada em bits por segundo por Hertz. Nota-se que aumentos significativos de rendimento são obtidos quando a SIR é alta. MIMO é incorporada nas normas WiMax (IEEE 802.16d) e Wi-Fi (IEEE 802.11n) tendo eficiências espectrais de 6,35 b/s/Hz sido obtidas em sistemas comerciais.
Em resumo, sistemas MIMO atingem taxas e faixas melhores através de quatro vantagens obtidas simultaneamente:
1) O ganho médio resultante dos arranjos aumenta através da redução da SNR obtida pela combinação coerente dos sinais de entrada e de saída. Para explorar isso, o canal deve ser caracterizado. Isto aumenta a cobertura e a qualidade de serviço (QoS). 2) O ganho de diversidade obtido mediante a presença no receptor de múltiplas cópias idênticas de um dado sinal combate os desvanecimentos. Isso também aumenta a cobertura e a QoS.
3) O ganho de multiplexação por transmissão independente dos sinais de dados a partir de diferentes antenas aumenta a taxa de transmissão. Isso aumenta a eficiência espectral.
4) Redução de interferências co-canal. Isso aumenta a capacidade celular.
MIMO pode ser combinado com espalhamento para se obter um esquema denominado CDMA. MIMO-CDMA consegue maior capacidade que MIMO-OFDM quando a SIR é baixa, geralmente abaixo de 10 dB [14]. No entanto, com SIR alta, MIMO-OFDM alcança maior capacidade que MIMO-CDMA.
Resumo
Parece haver poucas dúvidas que, após os sistemas de comunicação celular 3G, novas tecnologias serão baseadas em uma combinação de OFDM e MIMO (MIMO-OFDM) ou uma combinação de MIMO e CDMA (MIMO-CDMA). Há um enorme aumento na capacidade de transporte de canal, especialmente quando a SIR é alta. A capacidade média da taxa de dados de sistemas 2G (GSM e CDMA) é contrastada com a capacidade da rede
3G (WCDMA) que são denominados sistemas 3G e 4G avançados na Figura 3. Um sistema 3G avançado (evolução de terceira geração celular) incorpora muitas das características de 4G. Quarta geração é a implementação de tecnologias MIMO e OFDM ou CDMA com codificação de espaço-tempo. Para ser um projetista eficaz de hardware de RF, os engenheiros precisam estar intimamente familiarizados com as propriedades dos sinais e compreender conceitos de comunicações cada vez mais sofisticados.
Referências
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[3] IEEE Std 802.11a-1999, Information Technology— Telecommunications and Information Exchange Between Systems—Local and Metropolitan Area Networks—Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 1: High-Speed Physical Layer in the 5 GHz Band, 2000.
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