5 Modulação Adaptativa do Sistema HSDPA em Presença de Multipercursos

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1 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 65 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos esse capítulo, a modulação adaptatva no sstema HSDA é analsada em presença de multpercursos. Incalmente, é descrta a técnca de modulação adaptatva, em como alguns crtéros de adaptação. Em seguda, é apresentado o modelo de smulação utlzado, com as prncpas característcas do smulador desenvolvdo. or fm, são mostrados alguns aspectos de valdação desse smulador. 5.. Modulação Adaptatva Como ntroduzdo no Capítulo 3, o HSDA fo proposto com o ojetvo de proporconar taxas anda mas altas utlzando a tecnologa WCDMA com 5 MHz de largura de anda. As técncas de adaptação de enlace, onde a modulação, a taxa de códgo e/ou outros parâmetros de transmssão do snal são dnamcamente adaptados, de acordo com as condções varáves do canal, vêm emergndo nos últmos anos como poderosas ferramentas para aumentar a taxa de dados e a efcênca espectral das redes de dados sem fo. Um mportante ndcador da populardade de tas técncas é a nclusão delas em recentes propostas para servços por pacotes de dados para a tercera geração de sstemas celulares []. Os sstemas HSDA, por exemplo, têm a adaptação de enlace como uma de suas prncpas característcas. ele, algumas das mas mportantes técncas de adaptação de enlace são usadas na transmssão do enlace de descda, sendo a prncpal delas a Modulação e Codfcação Adaptatvas (MCA). Outras técncas, como a Retransmssão Automátca Hírda (HARQ), são descrtas em [] [4]. Um nteressante aspecto da adaptação de enlace é a possldade de enefcar o usuáro, em termos de taxas de dados oferecdas, a partr de estruturas receptoras mas sofstcadas, que façam cancelamento de nterferênca. Isso dfere dos sstemas CDMA tradconas, onde os enefícos alcançados com o uso de

2 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 66 receptores avançados vão para o operador do sstema, em termos de uma maor capacdade (menor potênca de transmssão requerda). esses sstemas o usuáro não é enefcado em termos de uma melhor qualdade no servço [3]. o HSDA, um grupo de esquemas de modulações e códgos é aplcado na transmssão de dados no enlace de decda. O prncípo da Modulação e Codfcação Adaptatvas é mudar a modulação e a codfcação, de forma adaptatva, aseando-se nas condções do canal. ara sso, é feta uma estmação da qualdade do canal e essa nformação é envada à estação ase transmssora. Esta, a partr de tal nformação, selecona a modulação e o códgo aproprados para a transmssão no enlace de descda. A técnca de Modulação e Codfcação Adaptatvas é mas aproprada para aplcações que não exgem uma taxa de transmssão constante, uma vez que o fundamento da técnca é aumentar a taxa quando o canal apresentar oa qualdade e dmnuí-la em condções adversas. As técncas de Modulação e Codfcação Adaptatvas foram popularzadas por sstemas celulares, como o EDGE e o cdma xev-do, que é um sstema de tercera geração. O que ocorre, na prátca, é que os parâmetros de transmssão (modulação e codfcação) são organzados em grupos, chamados de modos de transmssão. Como cada modo de transmssão possu dferentes taxas de dados e níves de roustez (valor mínmo de razão snal-ruído necessáro para atvar o modo), eles são utlzados em dferentes condções do canal. O prncpal ojetvo da Modulação e Codfcação Adaptatvas é garantr que o modo de transmssão mas efcente seja usado so determnada condção do canal, aseado no crtéro de seleção utlzado. É mportante ter dsponíves modos de transmssão que garantam a comuncação mesmo em condções precáras do canal, dando roustez ao sstema. or outro lado, so oas condções do canal, deve-se dspor de modos com alta efcênca espectral, como uma forma de aumentar a vazão do sstema. Em contraste a sso, os sstemas que não fazem uso de nenhuma técnca de adaptação de enlace são orgados a utlzarem apenas um modo de transmssão, que é destnado a garantr o desempenho em níves acetáves, mesmo em condção desfavorável do canal. Em outras palavras, esses sstemas são projetados para o por caso, resultando em uma nefcente utlzação da capacdade do canal [].

3 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 67 O desempenho de um enlace dgtal é aseado em duas condções áscas, relaconando os prncpas parâmetros de desempenho. A prmera delas é o lmtante na taxa de ts na entrada do modulador, mposto pela faxa B do canal (lmtação de faxa), dado por: R L B, (5.) onde L é o número de ts por símolo usado na modulação. A outra condção (lmtação de potênca) é o lmtante na taxa de ts na entrada do modulador em função da taxa de erro de t requerda, da potênca do snal no receptor, s e da densdade espectral de potênca de ruído no canal, /, dado por: R s E req, (5.) onde E req é a razão mínma entre a energa por t e o doro da densdade espectral de potênca de ruído no receptor, necessára para se operar à taxa de erro de t requerda. A partr de (5.) e (5.), otemos as seguntes expressões de efcênca espectral (ps/hz): R L B, (5.3) R B B s E req RSR E req, (5.4) onde RSR é a razão snal-ruído. ara valores de RSR axos, prevalece a equação (5.4) até um valor máxmo a partr do qual o lmtante passa a ser (5.3).

4 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 68 A Fgura 8 lustra o ganho de capacdade oferecdo por um sstema com adaptação de modulação sore um outro que não faz uso de nenhuma técnca de adaptação de enlace. Fgura 8 Efcênca espectral para váras modulações em função da razão snal-ruído essa fgura é representada a efcênca espectral (ps/hz), resultante da comnação dos lmtantes (5.3) e (5.4), em função da razão snal-ruído (db) para quatro modulações (QSK, 8-SK, 6-QAM e 64-QAM) não codfcadas. A taxa de erro requerda é E BER 3 req, correspondendo a 6,7895dB req para o QSK, E req,db para o 8-SK, E req,54db para o 6- QAM e E req 4,7675dB para o 64-QAM. A curva de cada modulação representa um sstema não-adaptatvo, que só faz uso dessa modulação. Já a curva mas grossa representa um sstema que utlza modulação adaptatva, fazendo uso das quatro modulações ctadas acma. É fácl

5 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 69 notar que cada modulação é ótma para o uso em quatro dferentes regões e que o sstema adaptatvo selecona aquela com melhor efcênca espectral. O desempenho dos dos sstemas é o mesmo até valores de razão snal-ruído guas a 3 db. A partr desse valor, a efcênca do sstema adaptatvo só aumenta, chegando a ser três vezes maor que o sstema não-adaptatvo para altos valores de razão snal-ruído. Um aspecto essencal na adaptação de enlace é a forma como se estma a qualdade do canal para, com essa nformação, escolher-se o modo de transmssão mas adequado. Isto pode ser feto de váras formas, dependendo do crtéro de desempenho estaelecdo [4]. este traalho, o crtéro é da maxmzação da vazão e a escolha da modulação é feta pela comparação da razão snal-ruído estmada com lmares estaelecdos prevamente. A razão snal-ruído é calculada a partr das amostras colhdas no detetor com ase na análse desenvolvda na Seção 4.. Este processo é descrto com detalhes a segur Crtéros de Adaptação A Fgura 8 mostra a efcênca espectral do sstema de modulação adaptatva com ase nas taxas de ts transmtdas para uma taxa de erro de t especfcada. este traalho procura-se maxmzar a vazão defnda como a taxa de ts efetvamente transferdos com sucesso. Ovamente, o valor da vazão dependerá do crtéro utlzado para a transferênca efetva dos ts. a transmssão de pacotes de dados, de comprmento defnda por: ts, a vazão pode ser η ( ER), (5.5) R onde ER é a proaldade de perda do pacote, ou seja, é a proaldade de ocorrênca de c ou mas erros no pacote. Supondo que os erros são estatstcamente ndependentes, podemos escrever: ER BER ( BER). (5.6) c

6 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 7 artcularzando para c, temos: ( ) ER BER, (5.7) onde BER é a taxa de erro de t. As equações (5.5) e (5.6) se aplcam em transmssões com taxa de erro de t constante. o caso de transmssão com canal varante no tempo e modulação adaptatva, elas podem ser aplcadas, de forma aproxmada, para cada pacote. ara sto, supomos que as varações do canal ao longo do ntervalo de um pacote são pequenas, de forma a consderá-lo nvarante no tempo. Deste modo, podemos escrever para cada modulação: [ ER ( )] η ( δ ) R, δ. (5.8) onde R, é a taxa de transmssão da -ésma modulação, cujos valores estão na Taela 6, ER é a taxa de perda de pacote assocada à modulação e δ é o valor nstantâneo da razão δ E /. A vazão méda, para cada modulação utlzada, fo determnada analtcamente, através segunte expressão: [ ER ( δ )] f ( δ dδ η R, ). (5.9) As curvas de vazão estão mostradas na Fgura 9, onde SIR é a razão snal-ruído-nterferênca, dada por: SIR s, ( I ) W (5.) OC onde s é a potênca do snal transmtdo, W é a largura de anda do canal espalhado, é o doro da densdade espectral de potênca do ruído do receptor

7 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 7 e I OC é a densdade espectral de potênca que aproxma a nterferênca de outras células. SIR se relacona com E / através de: E G p SIR, (5.) onde G p W é o ganho de processamento. R, Modulação Taxa de Transmssão QSK R B 8-SK R 3B 6-QAM R 4B 64-QAM R 6B Onde B taxa de transmssão de um sstema BSK Taela 6 Taxa de transmssão para dferentes modulações Fgura 9 Vazão teórca para as dferentes modulações

8 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 7 Através da Fgura 9 tamém podem ser otdos os lmares de adaptação. Esses lmares (valores de SIR ) permtem determnar qual modulação maxmza a vazão em cada stuação e são mostrados na Taela 7. SIR Modulação a ser usada SIR <,5 db QSK,5 SIR < 3,4 db 8-SK 3,4 SIR < db 6-QAM SIR db 64-QAM Taela 7 Lmares de adaptação para vazão máxma Consderando que a escolha das modulações é feta com ase nos lmares, podemos então escrever a segunte expressão para a vazão méda: η E L L [ η] B [ ER ( δ )] f ( δ ) dδ 3B [ ER ( δ )] f ( δ ) dδ L (5.) L3 L 4B [ ER3 ( δ )] f ( δ ) dδ 6B [ ER4 ( δ )] f ( δ ) dδ. L3 onde ER (δ ) é a proaldade de perda de pacote com a modulação, L, L e L 3 são os lmares de adaptação e B é a taxa de transmssão de um sstema BSK, cujas relações com as taxas das modulações utlzadas estão na Taela 6. Em canal com desvanecmento plano com dstrução de Raylegh, a razão δ E / tem f.d.p. exponencal, dada por: δ f ( δ ) exp, para δ, (5.3) δ δ onde δ E[ ] temos: δ E médo. Em relação ao índce e aos lmares de adaptação, e δ < L para o QSK; e L δ < L para o 8-SK;

9 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 73 3 e L δ < L3 para o 6-QAM; 4 e L δ < para o 64-QAM Adaptação Através do Snal Recedo o método de adaptação descrto anterormente, a razão snal-ruído deve ser montorada a cada quadro transmtdo. ara a determnação teórca deste parâmetro, é necessáro o conhecmento da ntensdade do desvanecmento no canal. orém, uma estmatva pode ser feta a partr do snal recedo no receptor, como proposto em [4]. Em um canal seletvo em freqüênca, o desempenho da transmssão será dretamente afetado, além da razão snal-ruído, pela função de transferênca do canal. Assm, nesse caso, a adaptação tera que levar em conta essa função de transferênca. or outro lado, consderando o uso de um receptor Rake assocado a um códgo de espalhamento, amos funconando de forma deal, ou seja, permtndo a comnação perfeta dos dversos raos, a proaldade de erro será determnada uncamente pela razão snal-ruído resultante da comnação. A estmação desta razão snal ruído é explcada nessa suseção. a Fgura está representado o processamento em um dos raços do receptor Rake onde são ndcadas as operações de descramlng, desespalhamento, ntegração dscreta e multplcação pelo fator de ponderação. Este é determnado a partr do quadrado da própra saída do ntegrador (que é uma forma aproxmada de mplementar a comnação de máxma razão []), normalzado pela soma dos coefcentes de acordo com (4.58). n(t) knt c Códgo de Códgo de Scramlng Espalhamento x (t) r(t) h(t) z,k, Fgura Esquema do raço do receptor Rake na presença de multpercursos

10 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 74 A análse feta na Suseção 4.3. pode ser entendda como a análse equvalente a um dos raços do receptor Rake mostrado na Fgura 7. Assm, para o raço, temos: n kt c r z ', ) (. (5.4) Após a comnação dos dversos snas l z, de cada raço, temos, de acordo com a Fgura 7, o snal: L l l l Z z,. (5.5) Este valor é usado para deteção do símolo e será usado tamém para oter uma estmatva da razão snal-ruído resultante da comnação. Logo, para o caso de estudo deste traalho, ou seja, L, temos: k c k c kt n kt n v v d Z z z Z,, ). ( ) ( ) ( (5.6) Assm, o valor esperado da potênca de Z é: (5.7) Usando a propredade deduzda de (4.47), ctada na Suseção 4..3, têm-se: (5.8) [ ] [ ]. ) ( ) ( ' n v v d E Z E [ ] [ ] [ ], ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ' ' ' ' n n n n Z E E Z E v v d E E

11 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 75 onde n' Rc. ortanto, a partr de (5.8) é estmada a razão snal-ruído para cada quadro transmtdo. Essa razão snal-ruído é utlzada no processo de adaptação através do snal recedo. o smulador desenvolvdo, são tomadas as amostras { Z }, com,..., S, onde S é o número de símolos por quadro. Com essas amostras, é calculado o valor esperado da potênca de Z, de acordo com a equação aaxo: E [ ] S Z s Z. (5.9) Anda no smulador, calcula-se n' Rc e otêm-se os valores dos fatores de ponderação e através de (4.57) ou (4.58), dependendo do crtéro de comnação utlzado. Desta forma, a modulação do próxmo quadro a ser transmtdo é escolhda a partr do quadro anteror. ota-se que o processo acma ndepende do modo de comnação utlzado no receptor Rake (EGC ou MRC). 5.. Modelo da Smulação essa seção são apresentadas as prncpas característcas do smulador, desenvolvdo na plataforma Matla e que corresponde ao sstema de transmssão dgtal, cuja modelagem fo apresentada no Capítulo 4. Vale lemrar que esse sstema corresponde ao enlace de descda do sstema WCDMA/HSDA. Depos, são defndos os parâmetros usados na análse de desempenho do sstema Descrção do Smulador Em [4] utlzou-se um smulador desenvolvdo em plataforma Matla que corresponda ao sstema de transmssão do enlace de descda do sstema WCDMA/HSDA, com adaptação de enlace, em canal com desvanecmento Raylegh plano e efeto Doppler. este traalho fo mplementado um canal com desvanecmento seletvo, devdo a multpercursos, de acordo com (4.3). Em

12 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 76 partcular, é avalado um canal com duplo percurso, procurando-se determnar a nfluênca do rao secundáro no desempenho. Entre as modfcações fetas no smulador está a nclusão do receptor Rake com seus modos de comnação. A Fgura representa o dagrama de locos do sstema e tamém do smulador. Dados de Entrada TRASMISSOR Confgura o canal físco Gera os símolos Aplca códgo corretor de erro Aloca códgos OVSF Aloca códgos de scramlng Decsão do modo de transmssão a ser utlzado no próxmo quadro, aseada na estmatva de RSR RECETOR Fltragem com fltro casado Aplca códgo de scramlng Desespalha o snal Comna as componentes Decodfca o snal comnado Dados de Saída MODULADOR CAAL Gera o formato do pulso Fltra a seqüênca de chps Aplca desvan. Raylegh Adcona RAGB Fgura Representação de um sstema de transmssão dgtal no enlace de descda com adaptação de enlace Os dversos locos representados na Fgura são explcados aaxo, onde estão apresentadas as prncpas etapas do funconamento do smulador.. Geração do snal a ser transmtdo, a partr de uma seqüênca de ts pseudo-aleatóra, de acordo com a especfcação relatva ao fator de espalhamento, tamanho do quadro, códgos OVSF e códgo de scramlng. A modulação é escolhda, a partr da nformação do estado do canal, determnado através do método de adaptação utlzado. A formatação dos pulsos é feta através de fltragem de forma a se oter pulsos com espectro em raz quadrada do cosseno levantado.. Reprodução do efeto do canal através de (4.3). ara a geração dos processos v l (t) fo usado o método descrto em [], que consste na geração de ruído ranco Gaussano complexo, o qual é fltrado por um fltro de função de transferênca dada pelo espectro Doppler especfcado em (4.4). Ao snal resultante é adconado ruído ranco Gaussano. 3. Implementação do receptor Rake de acordo com a Fgura 7, onde as prncpas etapas são:

13 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 77 a. fltragem por fltro casado com função de transferênca em raz quadrada de cosseno levantado e amostragem na taxa de chp;. multplcação, em cada raço, pelos códgos de descramlng e de desespalhamento, amos sncronzados com o respectvo rao; c. comnação das componentes dos raços do Rake de acordo com o método utlzado (EGC ou MRC). 4. Demodulação coerente, com recuperação de fase e controle automátco de ganho deas, seguda de comparação com os ts orgnas para contagem dos erros. 5. Determnação do estado do canal no ntervalo correspondente ao quadro transmtdo e estmação do estado no ntervalo segunte. O estado do canal é defndo como o valor médo da razão snal-ruído ao longo do ntervalo de quadro, calculada após a soma das componentes em (3c). Consderando que a varação do canal é muto pequena dentro do ntervalo de quadro, estma-se para o próxmo ntervalo de quadro o mesmo valor. 6. Após smular o equvalente a n quadros de transmssão, o smulador calcula os parâmetros de desempenho do sstema Valdação do Smulador A segur são apresentados alguns resultados vsando a valdação do smulador, soretudo em relação aos novos recursos mplementados. Outros resultados de valdação podem ser encontrados em [4]. rmeramente, são apresentados alguns testes de valdação consderando o sstema operando apenas com o rao prncpal. arâmetros da Transmssão SK: ara a modulação QSK, foram especfcadas as ampltudes a k ± (,77 j,77) e fltros de transmssão com função de transferênca em raz quadrada de cosseno levantado com fator de roll-off α,. O valor de alguns parâmetros mportantes otdos pelo modelo analítco e pela smulação fo comparado, otendo-se oa concordânca como lustrado pela Taela 8. Em partcular, os resultados analítcos das duas últmas

14 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 78 lnhas foram otdos a partr das oservações na saída do fltro de recepção, servndo em partcular, para valdar a mplementação deste fltro. arâmetros Análse Smulação otênca transmtda,w,99w Densdade espectral de potênca do ruído,3 7,33 7 Varânca das amostras do snal na saída,, 99 do fltro de recepção Taela 8 arâmetros otdos analtcamente x otdos por smulação A segur, são mostrados alguns gráfcos de proaldade de erro em presença de dos raos. Fgura roaldades de erro para o QSK com potênca do segundo rao gual à do rao prncpal

15 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 79 Fgura 3 roaldades de erro para o QSK com potênca do segundo rao 3dB aaxo da potênca do rao prncpal rmeramente, é comparada a proaldade de erro otda por smulação com a proaldade de erro calculada por um processo hírdo, onde o snal é smulado e a proaldade de erro, dependente apenas do ruído, é calculada a partr da formulação analítca. Ou seja, para um valor oservado do snal no receptor, determna-se o valor nstantâneo de E, defndo no Apêndce B, assocado àquela amostra e aplca-se à expressão da proaldade de erro da modulação correspondente. Ao fnal, determna-se a méda destas proaldades. Os gráfcos das Fguras e 3 mostram estas comparações, para dferentes ampltudes do segundo rao, consderando a modulação QSK, velocdade do usuáro de 3 km / h, SIR 3dB e receptor Rake EGC. Foram smulados 5 quadros, cada um com três janelas de tempo do WCDMA. Já os gráfcos das Fguras 4 e 5 mostram as mesmas comparações, para a modulação 6-QAM.

16 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 8 Fgura 4 roaldades de erro para o 6-QAM com potênca do segundo rao gual à do rao prncpal Fgura 5 roaldades de erro para o 6-QAM com potênca do segundo rao 3dB aaxo da potênca do rao prncpal ode-se oservar nos quatro gráfcos apresentados que, ndependentemente da potênca do segundo rao (gual ou metade da potênca do rao prncpal), as

17 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 8 curvas das proaldades de erro smuladas estão astante próxmas das curvas de proaldade de erro calculadas da forma hírda. Outro ponto a ser oservado é que as proaldades de erro das Fguras e 4, ou seja, com as potêncas dos dos raos guas, são menores que as proaldades de erro das Fguras 3 e 5, respectvamente. Isso se deve a termos, no prmero caso, dos raos fortes para serem comnados, enquanto que, no segundo caso, temos um rao forte e um outro com metade de sua potênca. A Fgura 6 aaxo lustra sso. Fgura 6 roaldades de erro smuladas para QSK e 6-QAM, varando a potênca do segundo rao A segur, é feta a comparação da proaldade de erro smulada com a aquela calculada na forma hírda, com os coefcentes de desvanecmento guas a. Essa proaldade será chamada de proaldade de erro teórca. Os gráfcos das Fguras 7 e 8 mostram essas comparações para o caso onde a potênca do segundo rao é metade daquela do rao prncpal.

18 5 Modulação Adaptatva do Sstema HSDA em resença de Multpercursos 8 Fgura 7 roaldades de erro para o QSK com potênca do segundo rao 3dB aaxo da potênca do rao prncpal e SIR-7dB Fgura 8 roaldades de erro para o 6-QAM com potênca do segundo rao 3dB aaxo da potênca do rao prncpal e SIR -3dB os gráfcos, percee-se um om ajuste, tanto para o QSK, quanto para o 6-QAM, comprovando mas uma vez a efcênca do smulador.