Pré-Codificação para Sistemas Distribuídos

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1 Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica 2010 Telecomunicações e informática Ruben Wilmer Gonçalves Gonçalves Pré-Codificação para Sistemas Distribuídos Sem Fios 1

2 Universidade de Aveiro Departamento de Electrónica 2010 Telecomunicações e informática Ruben Wilmer Gonçalves Gonçalves Pré-Codificação para Sistemas Distribuídos Sem Fios Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em MIEET realizada sob a orientação científica do Professor Dr. Adão Silva, Professor auxiliar do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e informática da Universidade de Aveiro. 2

3 Dedico este trabalho à toda minha família e a todos meus amigos (as) pelo grande apoio dado ao longo de estes 5 anos de formação académica. 3

4 O Júri Presidente Prof. Dr. Paulo Jorge Santos Gonçalves Ferreira Professor catedrático do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro Vogais Prof. Dr. Carlos Miguel Nogueira Gaspar Ribeiro Professor do Departamento de Engenharia Electrotécnica da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria Prof. Dr. Adão Paulo Soares Silva Professor auxiliar do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro (Orientador) Prof. Dr. Atílio Manuel da Silva Gameiro Professor associado do Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática da Universidade de Aveiro (Co-Orientador) 4

5 Agradecimentos: À Universidade de Aveiro e Instituto de Telecomunicações pelas ajudas e condições disponibilizadas ao longo de realização da dissertação. Aos Professores Dr. Adão Silva e Dr. Atílio Gameiro pela coordenação exemplar deste projecto. À Eng. Andreia Moço pela ajuda importante que me deu no desenvolvimento desta dissertação. A todos os professores e colegas que contribuíram para a minha formação académica e pessoal ao longo destes 5 anos. A minha família pelo apoio incondicional que me deram ao longo da minha formação académica. A todos meus amigos (as) que ao longo destes 5 anos deram todo o seu apoio. 5

6 Palavras-chave Diversidade cooperativa, MIMO, OFDM, relay, Decode and Forward, sistemas de portadora múltipla, propagação multipercurso, path loss, correlação, Backhaul-channel, alocação de potência, canal de transmissão. Resumo As comunicações cooperativas são uma das áreas de investigação em maior crescimento e é provável que sejam uma tecnologia chave para o uso eficiente do espectro rádio nos próximos anos. A ideia chave da cooperação do utilizador é a de partilhar os recursos existentes entre os nós da rede, ou seja, haver uma interajuda entre os nós, ajudando assim a uma melhor transmissão da informação, de forma a melhorar o desempenho global do sistema. Esta dissertação insere-se na área das comunicações sem fios e tem como objectivo estudar, implementar e avaliar o desempenho de esquemas de pré-codificação, projectados para sistemas de comunicações móveis cooperativos de portadora múltipla (OFDM). Especificamente, o sistema cooperativo estudado é constituído por uma estação base (EB), dois relays equipados com um agregado de antenas e dois terminais móveis (TM) equipados cada um com apenas uma antena. É assumido que os relays estão fisicamente ligados. Esta ligação permite optimizar o sistema através de uma melhor alocação de potência para cada terminal móvel. i.e., a potência total disponível é redistribuída de uma for mais eficiente pelos vários TM. O sistema referido foi implementado de acordo com as especificações do LTE e avaliado em diversos cenários de propagação. 6

7 Keywords Cooperative Diversity, MIMO, OFDM, relay, Decode and Forward, multicarrier systems, multipath propagation, path loss, correlation, Backhaul-channel, power allocation, transmission channel. Abstract Co-operative communication is one of the principal and fastest growing research areas relevant to daily life. The key principle of user co-operation is the sharing of existing resources between network nodes, that is to say, the deployment of communal resources, thus creating an improved transmission of information, leading to improved overall system performance. This dissertation deals with the area of wireless communication and its purpose is to study, implement and evaluate the performance of pre-coding schemes, designed for cooperative multiplex mobile communications carrier systems (OFDM). Specifically, the cooperative system studied consists of a base station (EB) two relays with multiple antenna and two portable terminals, each equipped with only one antenna. It is assumed that the relays are connected via a backhaul channel. This type of connection allows for improved power allocation for each individual mobile terminal, that is to say, the total available power is redistributed through a more efficient system between the various mobile terminals. The system referred to was implemented in accordance with the specifications of LTE and was tested in various different propagation situations. 7

8 Índice Acrónimos e Abreviações Índice de figuras Introducao 1.1 Evolução dos sistemas de comunicação móvel: Objectivos e Motivações Organização Canal de comunicação móvel 2.1 Conceitos básicos Desvanecimento rápido Desvanecimento lento Modularização do canal Tempo de Coerência e Largura de banda de Coerência Distribuição Rayleigh e de Rice Sistemas de portadora múltipla 3.1 Sistemas de portadora múltipla Modos de operação LTE Sistemas com Múltiplas Antenas 4.1 Introdução Diversidade Sistema MIMO Vantagens das técnicas com múltiplas antenas Sistema SIMO Sistema MISO Codificação no espaço-tempo Pré-codificação

9 5- Sistemas Cooperativos 5.1 Introdução: Protocolo de retransmissão Fixa e Adaptativa Modos de Operação dos Relays Sistema cooperativo elementar Protocolos de diversidade cooperativos Amplify and Forward (AF) Decode and Forward (DF) Equalize and Forward (EF) Outros protocolos de cooperação Selective DF Relaying Incremental Relaying CODIV Sistema Cooperativo Proposto 6.1 Esquema de diversidade cooperativa proposto Descrição do sistema: Projecto dos vectores de pré-codificação Alocação da potência Alocação de potência mas apenas para cada portadora individualmente Alocação de potência feita sobre todas as portadoras Simulação do sistema proposto Sistema com os canais não correlacionados e sem Path Loss Sistema com os canais não correlacionados e considerando Path loss Sistema com os canais correlacionados e sem path loss Sistema com os canais correlacionados e considerando Path loss Sistema usando pré-codificação Conclusões-Trabalho Futuro Referências 85 9

10 Acrónimos e Abreviações 1G 1ª Geração 2G 2ª Geração 3G 3ª Geração 3GPP 3rd Generation Partnership Project AF Amplify and Forward AMPS Advanced Mobile Phone Service AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate CDD Code Division Duplex CDMA Code Division Multiple Access CODIV Enhanced Wireless Communication Systems Employing Cooperative DIVersity CP Cyclic Prefix D AMPS Digital Advanced Mobile Phone Service DEP Densidade Espectral de Potência DF Decode and Forward EB- Estacão base EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution ETSI European Telecommunications Standards Institute EVDO Evolution Data Only EVDV Evolution Data Voice FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform GPRS General Packet Radio Services GSM Global System for Mobile Communications HSPA High Speed Packet Access IFFT Inverse Fast Fourier Transform IP Internet Protocol ISI Inter Symbol Interference ITU International Telecommunications Union Kbps Kilo bits por Segundo LAN Local Area Networks LTE Long Term Evolution Mbps Mega bits por Segundo MIMO Multiple Input Multiple Output MISO Multiple Input Single Output MRC Maximum Ratio Combining 10

11 NMT Nordic Mobile Telephone OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PCS Personal Communications Service PDC Personal Digital Cellular QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RTT Radio Transmission Technology SDF Selective Decode and Forward SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output SNR Signal Noise Ratio STBC Space Time Block Coding TACS Total Access Communication System TCP Transmission Control Protocol TDD Time Division Duplex VoIP Voice Over IP WAP Wireless Application Protocol WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access 11

12 Índice de figuras Figura 2.1 Gráfico do sinal em um ambiente rádio móvel Figura 2.2 Cenário de Multipercurso [5] Figura 2.3 FDP da distribuição de rice [10] Figura 2.4 FDP da distribuição de Rayleigh [10] Figura 3.1 Espectro de um sistema com modulação OFDM Figura 3.2 Período total do símbolo OFDM Figura 3.3 Transmissão com atraso multipercurso: sem TG e com T G...37 Figura 3.4 Esquema completo de um sistema com modulação OFDM [2] Figura 3.5 Parâmetros do LTE para a transmissão downlink [26] Figura 4.1 Esquema do sistema MIMO [2] Figura 4.2 Esquema geral de uma antena receptora a receber um conjunto de sinais [1}...47 Figura 4.3 Esquema de transmissão com múltiplas antenas Figura 4.4 Matriz da codificação no espaço-tempo Figura 4.5 Pré-codificação baseada na multiplexagem espacial [1] Figura 4.6 Ortogonalização de sinais multiplexados espacialmente pela pré-codificação[1]...52 Figura 5.1 Ilustração de um esquema de diversidade cooperativa [28] Figura 5.2 Modelo simples de Cooperação [2] Figura 5.3 Protocolo de diversidade cooperativa AF [27] Figura 5.4 Protocolo de diversidade cooperativa DF[27] Figure 5.5 Protocolo de diversidade cooperativa Coded Cooperation [27] Figura 6.1 Esquema de diversidade cooperativa proposto Figura 6.2 Sistema com os canais independentes e sem considerar path-loss Figura 6.3 Sistema com os canais independentes e considerando path-loss Figura 6.4 Sistema com os canais correlacionados e sem considerar path-loss Figura 6.5 Sistema com os canais correlacionados e considerando path-loss...80 Figura 6.6 Sistema proposto com codificação.81 12

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14 Capítulo 1 Introdução 14

15 1.1 Evolução dos sistemas de comunicação móvel: Os primeiros desenvolvimentos no que se refere às comunicações móveis foram dados pelo monopólio das operadoras telefónicas com fios. A grande aceitação por parte dos utilizadores e o seu uso veio quando à comunicação móvel tornou-se uma preocupação internacional e a indústria foi convidada para dentro desta grande e importante preocupação. O primeiro sistema internacional de comunicação móvel foi o sistema analógico NMT (Nordic Mobile Telefonia), que foi introduzido nos países nórdicos, em 1981, ao mesmo tempo que o AMPS analógico (Advanced Mobile Phone Service) foi introduzido na América do Norte América. Outras tecnologias móveis analógicas foram implementadas em todo o mundo como TACS e J-TACS. Todas estas tecnologias tinham em comum os equipamentos muito volumosos e a qualidade de voz por muitas vezes incoerentes, com cross-talk entre utilizadores a ser um problema comum [1]. Devido à utilização de sistemas internacionais, tal como o NMT, surgiu o conceito de roaming, com o fim de proporcionar um bom serviço aos utilizadores que viajam para fora da sua zona de cobertura. Este conceito de roaming originou ainda mais mercado para os telemóveis, atraindo mais empresas no negócio de comunicações móveis. Com o desenvolvimento da comunicação digital, durante a década de 80, a oportunidade de desenvolver uma segunda geração de comunicação móvel de normas e sistemas baseados em tecnologia digital explodiu. Esta tecnologia trouxe a oportunidade de aumentar a capacidade dos sistemas dando assim uma qualidade mais consistente do serviço e desenvolveu o dispositivo de forma a este ficar muito mais atraente e verdadeiramente móvel (nomeadamente equipamentos menores) [2]. Na Europa, o CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations), que consiste num grupo de administradoras telefónicas de 48 países, iniciou o projecto GSM para desenvolver um sistema Pan-europeu de comunicações móveis. As actividades do GSM começaram em 1989 e continuou no recém-formado ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Após as avaliações de várias tecnologias, tais como o TDMA, CDMA e FDMA propostas em meados de 1980, a tecnologia de interface-ar escolhida para o GSM foi o TDMA. O desenvolvimento da tecnologia digital móvel foi feito simultaneamente pela TIA nos E.U.A. resultando no standard IS-54 baseado TDMA, depois simplesmente designado como US TDMA. Um pouco mais tarde houve o desenvolvimento do CDMA chamado IS- 95 que foi completado pela TIA em No Japão, a segunda geração baseada no TDMA também foi desenvolvida, tendo sido referidos como PDC. 15

16 Todas estas normas foram orientadas com o fim de serem utilizadas nos serviços de banda estreita, tais como a voz. Com a segunda geração de comunicações digitais móveis, veio também a oportunidade de fornecer serviços de dados sobre as redes de comunicações móveis. Os serviços básicos de dados introduzidos em 2G foram mensagens de texto (SMS) e dados comutados por circuitos, serviços esses que permitiram o envio de e outras aplicações de dados. As taxas de transmissões de dados no sistema 2G foram inicialmente 9,6 kbps. Os sistemas 2G foram evoluindo de forma a suportarem taxas de transmissões cada vez mais elevadas. Os pacotes de dados, em relação aos sistemas móveis, tornou-se uma realidade durante a segunda metade do 1990 com o GPRS (General Packet Radio Services). Introduzidas no GSM, os pacotes de dados também são adicionados as outras tecnologias móveis, como o PDC japonês. Estas tecnologias são muitas vezes referida como 2.5G. O sucesso dos serviços de dados sem fios imode no Japão, deu uma indicação muito clara do potencial para aplicações em pacotes de dados em sistemas móveis, apesar da relativamente baixa taxas de dados suportados nesse momento. A internacionalização da normalização móvel ajudou ao aparecimento da tecnologia 3G. Apesar de o GSM ser um projecto Pan-europeu, este atraiu rapidamente o interesse a nível mundial quando o standard GSM foi implementado em uma série de países fora Europa. Existem hoje apenas três países no mundo onde o GSM não é usado. Esta integração do GSM fora da Europa proporcionou ganhos em grande escala na economia, uma vez que o mercado tornou-se cada vez maior. Isto tem conduzido a uma cooperação internacional muito mais apertado em torno de tecnologias móveis de terceira geração (3G) que as gerações anteriores. Com o desenvolvimento da tecnologia 3G baseada na interface de rádio com maior largura de banda, apareceu a possibilidade de uma ampla gama de novos serviços que foram apenas insinuadas com o 2G e 2.5G. As especificações dos sistemas 3G são hoje responsabilidade do 3GPP [29]. No entanto, os passos iniciais para a especificação dos sistemas 3G foram tomados no início de 1990, muito antes de o 3GPP ter sido formado. A implementação das redes móveis, especialmente das redes 3G produziu um maior crescimento no mercado das Telecomunicações. Na disputa pelo cliente, as operadoras têm aumentado a oferta de serviços e aplicações. E o perfil de tráfego dessas redes se diferencia em muito do serviço de voz simples, consumindo mais banda para a descarga de arquivos de vídeo, por exemplo. Isso exigirá das operadoras uma maior capacidade volume de tráfego nas suas redes, além da alteração do horário de pico. Pode-se afirmar que a comunicação móvel revolucionou o mercado das telecomunicações. A procura por serviços de voz e dados sem fios, com cobertura satisfatória, tem crescido exponencialmente e com perspectivas de evolução constante. Entretanto, esta revolução 16

17 tecnológica só tornou-se possível graças ao conceito de comunicação móvel. A primeira geração dos sistemas móveis, que ficou caracterizada pela modulação analógica de sinal, logo foi substituída pela era digital. No entanto, antes mesmo de ser explorado todo o potencial desta fase evolutiva, deu-se início ao desenvolvimento da terceira geração, com o objectivo de fornecer aos utilizadores taxas mais altas de transmissão com maior qualidade. Na tabela 1.1 são descritas as diferentes tecnologias, das diferentes gerações, que serão abordadas neste capítulo. Tabela 1.1 Diferentes tecnologias nas diferentes gerações. 1G 2G 2,5G 3G +3G AMPS IS-95, GSM GPRS, EDGE, CDMA x ou 1xRTT UMTS, CDMA 1xEV- DO, CDMA 1xEV-DV, HSDPA, WIFI LTE, WiMAX Primeira Geração - 1G Com a primeira geração o serviço móvel passou a funcionar através da divisão de uma cidade ou região em pequenas áreas geográficas. Cada uma destas áreas é servida pelo seu próprio conjunto de rádios transmissores e receptores. Quando a chamada de um móvel alcança um nó de transmissão e recepção, a mesma é transferida para o sistema de telefonia fixa regular. Cada área possui diversos canais com o objectivo de fornecer serviços para muitos utilizadores em simultâneo. À medida que um utilizador se movimenta na área de cobertura, o sinal do seu telefone móvel passa automaticamente de uma área para outra, sem sofrer interrupções técnica denominada de handoff. O primeiro sistema telefónico móvel ficou conhecido pela sigla AMPS [3]. AMPS: Um dos exemplos da tecnologia 1G é a AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Esta começou a ser utilizada em 1983 e fazia a alocação completa de um canal durante a transmissão de voz. A sua utilização já usava protocolos de transferência de sinal entre áreas, o processo de handover. A utilização excessiva deste sistema, saturou o número de 17

18 canais disponível por áreas, atingindo o seu limite principalmente nas áreas com mais uso, ou seja as áreas metropolitanas. Segunda Geração - 2G Ao fim de algum tempo, os sistemas analógicos atingiram o limite da sua capacidade. A necessidade de ter sistemas com uma maior capacidade (sistemas digitais), dá origem às tecnologias da segunda geração, apresentando diversas vantagens sobre os sistemas analógicos, tais como: codificação digital de voz mais poderosas, maior eficiência espectral, melhor qualidade de voz, facilidade da comunicação de dados e a criptografia, etre outro. O sinal, que agora é digital, é ainda transportado da mesma maneira que na tecnologia 1G. Nesta segunda geração destacam-se dois grandes grupos evolutivos que se formaram: IS-95 baseado no CDMA[Ref] e o GSM baseado no TDMA [3]. IS-95: Este sistema era baseado no CDMA, ao contrário das utilizadas até então, usando a técnica do espalhamento espectral (spread spectrum), na qual, para um determinado canal seria usada toda a largura de banda disponível (1,23MHz), muitas das vezes maior do que necessária, para a transmissão de um único sinal. O que parecia ser uma grande desvantagem, torna-se uma grande vantagem, quando se consideram as condições em que esse canal de banda larga é utilizado. Como multiplos utilizadores podem utilizar exatamente a mesma banda ao mesmo tempo, a diferenciação entre cada utilizadorno sistema CDMA é feita por códigos especiais associados a cada transmissão, do móvel para a estação rádio base e da estação rádio base para o móvel. Cada ligação em andamento e identificada por um código específico, nunca tendo duas ligações diferentes o mesmo codigo. Esse código permite a separação eficiente de todas as chamadas que estão utilizando a mesma banda. A capacidade máxima alcançada depende, entre outros fatores, do controlo da potência de cada chamada e dos sinais interferentes (por exemplo ruido). Como é logico, quanto menor a potência, maior é a capacidade (ou seja, maior o número de chamadas simultâneas) do sistema. Esta tecnologia opera nas freqüências de 800 e 1900MHz e compete diretamente com a GSM. GSM (Global System for Mobile Communication): Desenvolvida na Europa e adoptada em boa parte do mundo, diferencia-se das outras tecnologias pelo uso de cartões de memória SIM Card nos aparelhos, o que possibilita levar as características do utilizador para outro aparelho ou rede GSM. O GSM opera nas faixas de 850, 900, 1800 e 1900MHz. Utiliza uma combinação das técnicas de acesso FDMA e TDMA onde uma portadora de rádio frequência do GSM (denominada ARFCN) possui largura de banda de 200kHz que, por meio da técnica TDMA, é subdividida em oito intervalos de tempo. 18

19 Entre Segunda e Terceira Geração - 2,5G: A grande diferença entre esta tecnologia e a 2G, é que esta tecnologia usa uma técnica avançada de modulação (comparado ao 2G), permitindo a comutação de pacotes ao invés de circuitos, a mesma técnica de transmissão adoptada pelo IP da arquitectura TCP/IP. [3] GPRS (General Packet Radio Service): O GPRS é a evolução da tecnologia GSM em 2,5G. Esta tecnologia oferece velocidades máximas de dados de 115kbps e uma taxa de transferência média de 30 a 40kbps. Os dados a enviar são divididos em pacotes para depois serem transmitidos, o que favorece os utilizadores, já que tem uma conexão permanente de dados e assim estes não tem a necessidade de acederam ao sistema cada vez que desejarem ter acesso a serviços de dados. Outra das grandes vantagens é que os utilizadores só pagam pelos dados e não pagam pelo tempo de permanência, ou seja, não pagam o tempo no ar, nomeadamente o tempo em que se faz a conexão e o tempo de carregamento. É o GPRS que permite a conexão da maior parte dos smartphones e telemóveis à internet. Actualmente, o GPRS é o padrão que oferece a maior cobertura móvel para aparelhos de mão com acesso à internet. EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution): Esta tecnologia tem causado muita controvérsia, já que pode ser considerada como uma tecnologia 2,5 ou 3G. A EDGE é uma tecnologia de transmissão de dados e acesso à Internet de alta velocidade, que transmite dados até 384kbps e tem uma taxa média de transmissão entre 110 e 120kbps. As taxas médias de transmissão são rápidas o suficiente para permitir serviços de dados avançados, como streaming de áudio e vídeo, acesso rápido à Internet e download de arquivos relativamente grandes. A EDGE também suporta serviços "push-to-talk". Esta tecnologia também é denominada de GPRS ampliada (E-GPRS; Enhanced GPRS), pois aumenta em três ou quatro vezes a capacidade e o throughput de dados da tecnologia GPRS. A EDGE também é um serviço baseado em pacotes que oferece aos clientes uma conexão permanente para transmissão de dados. CDMA x ou 1xRTT (1xRadio Transmission Technology): É a evolução do CDMA, sendo considerada como uma tecnologia 2,75G ou 3G, segundo o padrão da ITU-T, por possuir taxas de transmissão superiores a 144Kbps. O CDMA2000 1X foi a pioneira no mercado das altas taxas de velocidade de dados, hoje disponíveis em todo o mundo e que oferecem aos consumidores e profissionais uma total conectividade sem fios. A velocidade de transmissão teórica desta tecnologia é de aproximadamente 153,6Kbps. A nomenclatura CDMA contida na sigla diz respeito apenas à técnica de modulação usada na interface aérea de sistemas móveis e não quer dizer que sejam totalmente compatíveis entre si. Na maioria dos casos, os sistemas 2,5G são implementados directamente sobre 19

20 as redes 2G existentes. Como resultado, um sistema 2,5G não é uma rede comutada a pacotes pura. Na verdade, pacotes de dados são transmitidos sobre redes de circuitos comutados. Terceira Geração - 3G Os sistemas com tecnologia 3G oferecem serviços de telefónicos e de comunicação de dados a velocidades maiores que as tecnologias anteriores. O standard 3G especifica 144kbps em ambientes móveis, 384kbps em ambientes pedestres e 2Mbps em ambientes fixos [3]. UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service): Pode-se afirmar que esta tecnologia é a evolução do GSM, mas que ainda se baseia na tecnologia GSM, embora o acesso por rádio seja diferente do que no GMS. Esta tecnologia utiliza uma das técnicas CDMA chamada de DS-WCDMA (Direct Sequence Wideband), por isso é comum o uso intercalado do UMTS e WCDMA, embora a sigla UMTS se refira ao sistema inteiro. Esta tecnologia opera principalmente em 1900MHz mas em algumas regiões opera em 850MHz. A UMTS é uma tecnologia baseada em IP que suporta voz e dados em pacotes, oferecendo taxas máximas de transmissão de dados até 2Mbps e velocidades médias de 220 a 320kbps quando o utilizador está em movimento. A UMTS foi desenvolvida para fornecer serviços com altos níveis de consumo de banda, tais como streaming, transferência de grandes arquivos e videoconferências para uma grande variedade de aparelhos como telemóveis, PDAs e laptops. A UMTS é compatível com a EDGE e a GPRS permitindo ao utilizador sair de uma área de cobertura UMTS e ser automaticamente transferido para uma rede EDGE ou GPRS, dependendo de factores como disponibilidade de rede e o consumo de banda do seu aplicativo. CDMA 1xEV-DO (Evolution, Data-Optimized): O CDMA 1xEV-DO é a tecnologia 3G do CDMA, que possui alta performance para transmissão de dados com picos de até 2,4 Mbps. São necessárias diferentes portadoras para dados e voz neste tipo de sistema. CDMA 1xEV-DV (Evolution, Data and Voice): É a evolução do CDMA 1xEV onde agora uma mesma portadora pode ser utilizada para a transmissão de voz e dados. A 1xEV-DO, tem uma portadora de 1,25 MHZ que é dedicada apenas para dados, enquanto na 1xEV- DV tem uma mesma portadora dedicada para dados e voz. 20

21 HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) / HSUPA (High Speed Uplink Packet Access): O HSDPA/HSUPA permite que os utilizadores enviem e recebam s com tamanho relativamente grandes, joguem interactivamente em tempo real, recebam e enviem imagens e vídeos de alta resolução, façam download de conteúdos de vídeo e de música ou permaneçam conectados sem fio a seus PCS no escritório tudo usando o mesmo dispositivo móvel. HSDPA, como se pode ver pelo nome, refere-se à alta velocidade com a qual os utilizadores podem receber arquivos de dados, o "downlink", e podem enviar arquivos de dados, o "uplink." WIFI: Do termo Wireless Fidelity (WiFi), esta norma tornou-se de longe a mais utilizada forma de acesso sem fios dos últimos anos. Este standard foi desenvolvido pelo grupo 11 do comité IEEE 802 recebendo assim a designação de IEEE Foi desenvolvido inicialmente para acesso a redes pessoais, como computadores portáteis e PDAs mas rapidamente se implementaram técnicas de acesso a redes com maior alcance como Internet e Voice Over IP (VoIP). Divide-se basicamente em três principais padrões: b, a e g. Destes destaca-se o g por ser o mais utilizado e por surgir da conjugação dos restantes: utiliza a velocidade do a com a alta compatibilidade do b. Atinge uma taxa de transmissão de cerca de 54 Mbps e opera na 2.4 GHz que não necessita de licenciamento. Utiliza a tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) para taxas de transmissão superiores a 20Mbps e requer um Complementary Code Keying (CCK) para assegurar a compatibilidade com os dispositivos b. Acima de 3G As tecnologias móveis especificadas pelo 3GPP são as mais amplamente utilizadas no mundo, com mais de 2,6 bilhão de utilizadores em O último passo a ser estudado e desenvolvido pelo 3GPP é a evolução da 3G, numa evolução de acesso de rádio referido como o LTE e numa evolução do núcleo de acesso do pacote de rede na arquitectura do sistema em evolução (SAE) [1]. LTE: O Long Term Evolution foi estabelecido pelo 3GPP como a próxima tecnologia IP baseada na modulação OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Surge como um sucessor das tecnologias de rede do GSM e do UMTS utilizando a sua interface a atmosfera, mas difere destas num melhor aproveitamento espectral no Downlink, utilizando um sistema de múltiplas antenas (Multiple Input Multiple Output MIMO). Os principais objectivos do projecto foram definidos nas seguintes áreas: transferência de 21

22 dados de ponta; eficiência espectral; largura de banda do canal flexível, latência; complexidade do dispositivo e custo global do sistema. WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é um protocolo de telecomunicações que oferece acesso fixo e totalmente móvel à internet. A revisão actual WiMAX oferece até 40 Mbit / s, com o IEEE m a sua actualização deverá oferecer velocidades de até 1 Gbit / s fixo. (WiMAX é baseado no padrão IEEE , também chamado de Broadband Wireless Access. O nome "WiMAX" foi criado pelo WiMAX Forum, que foi formada em Junho de 2001 para promover a conformidade e interoperabilidade do padrão. O fórum descreve WiMAX [4] como "uma tecnologia baseada em padrões que permitam o fornecimento de acesso em banda larga sem fio de última milha como uma alternativa ao cabo e DSL. Designada de WIMAX (WorldWide Interoperability for Microwave Access) esta norma tem semelhanças ao LTE visto que também é completamente orientada para comutação de pacotes. Utiliza as técnicas de FDD e TDD e contempla modulações Quadrature Phase Shift Keying e Quadrature Amplitude Modulation. 1.2 Objectivos e Motivações A utilização da diversidade espacial será um elemento importante nos futuros sistemas de comunicações sem fios, uma vez que através destes, obtêm-se um melhor aproveitamento da diversidade inerente em canais sem fios e consequentemente alcança-se maiores taxas de transmissão. A diversidade espacial poderá ser obtida usando agregados de antenas em um ou ambos os terminais. No entanto, utilizar agregados de antenas no terminal móvel (TM) pode não ser praticável devido à sua complexidade, dimensão, custo e limitações do hardware. Além disso, há uma correlação significativa entre os canais rádio em alguns ambiente o que prejudica o desempenho do sistema. Uma forma eficaz e interessante de contornar estas questões é explorar a diversidade espacial através da cooperação de múltiplos utilizadores e/ou de relays dedicados (diversidade cooperativa) de forma a permitir por exemplo que terminais equipados com apenas uma antena partilhem as respectivas antenas, criando um sistema MIMO (Multiple Input Multiple Output) distribuído ou virtual. Em sistemas em que o transmissor conhece a resposta do canal antes da transmissão, a dimensão espacial pode ser usada de uma forma muito mais eficiente, aumentando consideravelmente o desempenho do sistema em questão. 22

23 O objectivo desta dissertação é estudar, implementar e avaliar o desempenho de esquemas de pré-codificação, projectados para sistemas de comunicações móveis cooperativos de portadora múltipla (OFDM). Especificamente, o sistema cooperativo considerado consiste numa estação base (EB), dois relays equipados com um agregado de antenas e um conjunto de terminais móveis equipados com apenas uma antena. É assumido que os relays estão ligados, através do que na literatura inglesa se designa por backhoul-channel. Esta ligação permite optimizar o sistema através de uma melhor alocação de potência para cada terminal móvel. i.e., a potência total disponível é redistribuída de uma for mais eficiente pelos vários TM. O sistema referido foi implementado de acordo com as especificações do LTE e avaliado em diversos cenários de propagação. Verificou-se que o desempenho sistema proposto é melhor que o caso em que a potência alocada a cada TM é a mesma. 1.3 Organização A restante dissertação está dividida em mais 6 capítulos, separados em diferentes secções, cada um com um tema essencial para a realização desta dissertação. No segundo capítulo é feito um breve estudo sobre o canal de comunicação. Neste estudo é explicado os fenómenos que actuam no sinal quando este se propaga pelo canal de comunicação, fenómenos esses que o degradam e desvanecem. Também será explicado os diversos modelos para a modulação do canal, que é sempre importante, pois é fundamental saber como o canal de transmissão ira comportar-se ao longo da transmissão. Outro ponto também estudado neste capítulo é o tempo de coerência e largura de banda de coerência. Finalmente para concluir este capítulo, será explicado de forma breve o conceito de distribuição de Rayleigh e de Rice. O terceiro capítulo é dedicado ao estudo de sistemas de portadora múltipla e acesso múltiplo, nomeadamente sistemas baseados na modulação OFDM. É também feita referência ao sistema LTE, explicando alguns conceitos importantes e apresentando os parâmetros mais importantes do LTE para a transmissão downlink. O tema do quarto capítulo é sistemas com múltiplas antenas. Aqui é feita uma pequena introdução sobre a importância destes sistemas. É explicado o conceito de diversidade, tanto no tempo, como no espaço e na frequência. Sistemas MIMO, SIMO e MISO são explicados ainda neste capítulo, incorporando os conceitos de diversidade no receptor (múltiplas antenas no receptor) e diversidade no emissor (múltiplas antenas no emissor). Ainda neste capítulo é feita uma abordagem a codificação no espaço-tempo, nomeadamente a codificação de Alamouti. Para finalizar este capítulo é abordado o tema da Pré-codificação. 23

24 Sistemas cooperativos é o tema dominante do quinto capítulo. Aqui é feita uma pequena introdução sobre a evolução dos sistemas de transmissão ate os sistemas cooperativos de hoje em dia. É explicado como funciona este tipo de sistemas, bem como as diferentes técnicas de diversidade cooperativa. São ainda descritos os principais protocolos de diversidade cooperativos, que pode ser implementado em cada relay, dependendo do que queiramos obter como resultado final. Como último ponto neste capítulo, é abordado o projecto CODIV. No sexto capítulo é descrito e explicado o sistema proposto para esta dissertação, sendo apresentadas as deduções das fórmulas importantes para a realização desta dissertação. Por último é apresentado os resultados das simulações obtidas, simulações essas feitas através das feitas na ferramenta MATLAB. No capítulo 7 é feita uma conclusão/discussão dos resultados, acerca da realização desta dissertação. 24

25 Capítulo 2 Canal de comunicação móvel 25

26 2.1 Conceitos básicos Para fazer o projecto de um sistema de comunicação, deve-se ter em conta três elementos essenciais: um emissor, um receptor e um canal de propagação/comunicação. Este canal de propagação é definido como sendo o meio físico pelo qual o sinal a enviar propaga-se, desde o emissor até ao receptor, sendo que existem sempre perdas de percurso durante as transmissões dos diversos sinais. As perdas de percurso de um canal de propagação podem ser entendidas como a relação entre a potência do sinal recebida pelo receptor e a potência do sinal transmitida pelo emissor para um determinado canal de propagação. Estas perdas estão relacionadas com a distância de propagação do sinal, ou seja, quanto maior for a distancia pelo qual o sinal deve-se propagar, maiores serão as perdas sofridas na propagação. Ao longo dos anos, tem-se desenvolvido modelos de propagação relativamente simples e eficazes, que descrevem com precisão o comportamento estatístico dos canais, dependendo do meio e do cenário onde o sistema está inserido. Estes tipos de canais chamam-se de Fading Channels (canais de desvanecimento). Estes desvanecimentos são originados pelos obstáculos encontrados pelos sinais na sua transmissão, que resultam de reflexões, difracções, entre outros fenómenos que prejudicam a qualidade do sinal. Figure 2.1 Sinal em um ambiente rádio móvel 26

27 2.1.1 Desvanecimento rápido Este desvanecimento [5] é provocado pelas atenuações rápidas e é causado pelos fenómenos de propagação por multipercursos e pelo efeito Doppler. Multipercurso O sinal que ira ser recebido pelo terminal móvel será composto pela soma vectorial dos vários sinais, que serão cópias do sinal (original) enviado pela EB, oriundos dos diferentes caminhos entre o transmissor e o receptor. Estas cópias do sinal enviado pela EB, oriundas dos diferentes caminhos, são originados pela reflexão, difracção e/ou espalhamento. Isto acontece quando o sinal original transmitido pela EB atinge estruturas próximas ao receptor, tais como edifícios, árvores, postes, carros, etc, como se pode observar na figura 2.2. A soma vectorial dos vários sinais dos multipercursos pode resultar em uma interferência construtiva ou destrutiva do sinal recebido pelo terminal móvel. Com o movimento, as estruturas em torno do receptor vão se modificando e, por consequência, as interferências passam constantemente da situação construtiva para a destrutiva, fazendo com que a intensidade do sinal recebido varie rapidamente [6]. O desvanecimento por multipercursos, ou fast-fading, pode ser entendido como essa alteração na intensidade do sinal recebido e esta relacionado com a velocidade de movimentação (emissor ou receptor), uma vez que quanto maior a velocidade de movimentação, mais rápidas serão as variações no sinal recebido. Figura 2.2 Cenário de Multipercurso 27

28 Efeito Doppler O efeito Doppler [7], que da origem ao desvanecimento acima falado, é a percepção de uma frequência diferente daquela que realmente está sendo transmitida por uma determinada fonte. Este efeito acontece devido ao movimento relativo entre o emissor e o receptor. Quanto maior a velocidade de deslocamento do receptor em relação à direcção de propagação da onda de rádio, maior o desvio de frequência percebido. Pode-se deduzir o valor do desvio Doppler em função da velocidade de movimento através de uma abordagem relativista ou por simples geometria. Ambos os resultados levam à expressão, v fd. cos (2.1) Onde v é a velocidade do terminal móvel e é o ângulo entre a direcção do movimento e a direcção de propagação da onda electromagnética. Numa situação real, como o sinal recebido é oriundo de várias direcções e como as características das estruturas variam conforme a posição do terminal móvel, cada um dos sinais dos multipercursos sofrerá diferentes desvios de Doppler e como resultado, tem-se não mais um desvio, mas sim um espectro de Doppler. Este espectro é formado a partir da variação aleatória da frequência percebida em cada multipercurso, conforme a variação das estruturas ao redor do receptor, dando origem ao que é denominado Ruído FM Aleatório (Random FM Noise), ruído esse que é o responsável pela existência de um patamar mínimo para a probabilidade de erro de bit em vários sistemas de comunicação móvel digital. Esse patamar não pode ser reduzido mesmo com o aumento da potência de transmissão Desvanecimento lento O desvanecimento lento [5] é provocado pelas atenuações lentas, e é originado principalmente, pelo afastamento do emissor do receptor. Mesmo sem movimentação do receptor, este desvanecimento pode ocorrer devido as alterações significativas no ambiente como, por exemplo, variações temporais no índice de refracção da atmosfera. Portanto este desvanecimento depende das características do ambiente que não se alteram bruscamente, originando assim variações lentas ao longo da distância entre o emissor e receptor, ou seja, ao longo do tempo. O desvanecimento lento é devido sobretudo a duas situações: efeito sombra e perdas de propagação, designadas na terminologia Inglesa por path-loss. Num sistema onde existam obstáculos relativamente grandes (montanhas, edifícios, carros, postes,..) entre as duas antenas que estão a comunicar entre si, o sinal no terminal móvel vai ter 28

29 componentes do sinal que vão ser afectados pela sombra que esses obstáculos provocam. Este fenómeno denomina-se por shadowing ou efeito sombra, e tem como consequência variações no valor médio do sinal, podendo haver inclusive interrupções instantâneas da comunicação. Em qualquer ambiente de comunicação via móvel, a intensidade ou nível do sinal recebido diminui conforme o receptor se afasta do transmissor. Muitos modelos de predição da atenuação com a distância (path-loss models) foram propostos, tanto analíticos quanto empíricos. Todos os modelos de predição da atenuação, sejam eles empíricos ou analíticos, indicam que a potência média do sinal recebido decai de forma logaritma com a distância, seja em ambientes internos ou externos ( indoor ou outdoor ). O path-loss é muito frequente em comunicações sem fios e na transmissão do sinal. Estas perdas podem ser originadas por muitos efeitos, tais como perda no espaço livre, refracção, difracção, reflexão, perda média de acoplamento da abertura, e de absorção. O path-loss também é influenciado pelos contornos do terreno (efeito shadowing), o ambiente (rural ou urbana, vegetação e folhagem), meio de propagação (ar seco ou húmido), distância entre o transmissor e o receptor, altura e localização das antenas. No desvanecimento lento a amplitude do canal pode ser modulada por uma distribuição log normal com um desvio padrão descrito pelo modelo de log distance path-loss. 2.2 Modularização do canal Análise, projecto, simulação e implementação de sistemas de comunicação, são quatro factores essenciais que requerem o entendimento por completo do canal de comunicação a ser utilizado. O conhecimento prévio do canal pode ser importante e decisivo na escolha da modulação e na codificação utilizada para a transmissão do sinal, para assim determinar a taxa e potência de transmissão, capacidade do sistema e para a escolha dos tipos de receptores e técnicas de processamento de dados utilizadas na recepção. Na impossibilidade de implementar tais sistemas devido ao elevado custo e tempo gasto, a sua modulação matemática e ou computacional tem sido uma ferramenta ampla e muito útil, utilizada na pesquisa e desenvolvimento de novas técnicas de transmissão e recepção. Como consequência, a modulação matemática e ou computacional de canais de comunicação é factor indispensável, motivando pesquisas com o objectivo de construir modelos cada vez mais fieis aos canais de comunicação físicos (canais reais). Assim, podemos distinguir três maneiras diferentes de caracterizar a modulação de canal de rádio móvel: modelos determinísticos, modelos estatísticos ou escolásticos e modelos híbridos. 29

30 Modelos Determinísticos Este método é utilizado quando se procura a melhor localização para uma estação base, em sistemas de redes móveis, ou até redes locais. Este tipo de modelo tenta prever exactamente as características do canal, numa determinada localização, usando informação proveniente do emissor e do receptor, assim como do meio em que este está situado. Tendo em conta esta última característica, este modelo resultante será apenas válido para essa localização específica. A grande desvantagem deste modelo é a sua difícil implementação [8]. Modelos Estatísticos No caso dos modelos estatísticos, estes não são utilizados para o estudo do comportamento do canal numa localização específica. Este tenta modular as características estatísticas do canal. Ao contrário de um sistema determinístico, este utiliza conceitos como densidade espectral de potência (DEP), como a DEP de Doppler, e distribuições de potência como as de Rice e Rayleigh [8] Modelos Híbridos Os modelos híbridos englobam as medições efectuadas na propagação de ondas para uma determinada zona, segundo o determinístico, e a partir destas utiliza o modelo estatístico para determinar aproximações a esse comportamento. Assim, categorizando os vários meios onde se dá a propagação, o comportamento do canal pode ser estimado com mais exactidão [9]. 2.3 Tempo de Coerência e Largura de banda de Coerência Colocando de maneira simples, coerência é a medida da correlação entre as fases medidas em diferentes pontos de uma onda. Entretanto mesmo sendo esta uma propriedade de uma onda que se propaga, a coerência está directamente relacionada as características da fonte da onda. Tempo de Coerência e Largura de banda de Coerência A largura de banda de coerência é a faixa de frequências em que a amplitude dos dois componentes espectrais da resposta do canal está correlacionada. A largura de banda de 30

31 coerência fornece uma medida da gama de frequências em que o canal mostra uma resposta de frequência plana, no sentido de que todos os componentes espectrais têm aproximadamente à mesma amplitude que uma mudança linear de fase. Isto significa que se a largura de banda do sinal transmitido é menor que a largura de banda de coerência do canal, em seguida, todas as componentes espectrais do sinal será afectada pela atenuação e mesmo por uma mudança linear de fase. Neste caso, o canal é dito ser um canal flat fading. De outra forma, uma vez que vê o sinal de um canal com a resposta de frequência plana, o canal é frequentemente chamado de um canal de banda estreita. Se, pelo contrário, a largura de banda do sinal transmitido é maior do que a largura de banda de coerência do canal, então as componentes espectrais do sinal será afectada por diferentes atenuações. Neste caso, o canal é dito ser selectivo na frequência ou um canal de banda larga [2]. O tempo de Coerência, T c, [6] é uma medida estatística que nos dá o intervalo de tempo dentro do qual os sinais recebidos possuem grande correlação de amplitude e é inversamente proporcional ao espalhamento Doppler. O tempo de coerência é importante, pois a partir dele podem ser desenhados técnicas de interleaving e codificação de canal que exploram a diversidade temporal do canal, que só se pode ser feito se as varias cópias de um determinado símbolo for transmitido em instantes de tempo diferentes e com separação superior ao 1 ritmo de símbolo for superior a, o canal não causará distorção devido ao movimento. T c T c. Se o O tempo de coerência pode ser expresso da seguinte forma: 1 Tc (2.2) 2 f D max 2.4 Distribuição Rayleigh e de Rice Distribuição de Rice Esta distribuição é usada quando existe uma linha de transmissão directa entre o emissor e receptor existindo então um sinal dominante. A modelagem estatística [10] feita a partir da distribuição de Rice é utilizada onde o sinal na recepção é composto pela combinação de uma onda dominante com diversas ondas reflectidas de intensidade menor. A distribuição de Rice é dada por, (2.3) 31

32 Sendo a potência dos sinais reflectidos, a potência do sinal directo (componente dominante) e como, é a função modificada de Bessel de primeira classe de ordem zero, definida A potência associada a distribuição de rice, pode ser definida como, (2.4) (2.5) Esta distribuição é geralmente caracterizada em termos de um parâmetro que não é mais que o factor de rice. Este parâmetro é definido como sendo o quociente entre a potência da componente dominante e a potência média de propagação multipercurso. Figure 2.3 FDP da distribuição de rice 32

33 Distribuição Rayleigh Quando não existe um sinal com potência predominante, ou seja, quando não existe caminho de ligação directo entre emissor e receptor, a distribuição que melhor modela o canal será a de Rayleigh [11]. Pode-se obter esta distribuição a partir da distribuição de rice, fazendo tender [10], ou seja não existe componente dominante nesta situação. Sendo assim a FDP desta distribuição será dada por, (2.6) Onde é variância das componentes em fase e em quadratura que compõem o sinal r. A potência associada a distribuição de Rayleigh, é agora definida como, (2.7) Figure 2.4 FDP da distribuição de Rayleigh 33

34 Capítulo 3 Sistemas de Portadora Múltipla 34

35 3.1 Sistemas de portadora múltipla Uma forma de obter sistemas ainda mais fiáveis e conseguir fazer um melhor aproveitamento racional do espectro electromagnético é usar técnicas de modulação de portadoras múltiplas. Um sistema de portadoras múltiplas é caracterizado por fazer a divisão de uma sequência de informação a transmitir, em várias sub-sequências de menor tamanho, que serão enviadas através do mesmo número de sub-canais. A informação a ser enviada por cada um desses subcanais terá uma taxa de transmissão mais baixa do que a original, assim como largura de banda utilizada por esse canal. O OFDM [2] (orthogonal frequency-division multiplexing) é uma técnica de modulação que vem sendo adoptada em diversos sistemas de comunicação com elevadas taxas de transmissão, tais como WiFi (IEEE ) WiMAX(IEEE ) e LTE. Esta técnica de modulação, ao contrário das técnicas tradicionais que transmitem um fluxo de símbolos de dados com uma taxa de transmissão elevada ou com Ts pequeno, divide o fluxo de símbolos original em diversos fluxos com taxas de transmissão mais baixa, que serão transmitidos por sub-canais paralelos, sendo que cada um desses sub-canais será modulado com uma sub-portadora diferente. Para isso a modulação OFDM utiliza uma técnica muito eficiente, chamada DFT (discrete Fourier transform), e uma implementação também eficiente desta técnica, a FFT (fast Fourier transform), para assim criar os diversos sub-canais utilizando apenas uma frequência de rádio, como se pode observar na figura 3.1 [2]. Figura 3.1 Espectro de um sistema com modulação OFDM O sinal OFDM s(t) a ser transmitido pode então ser representado como sendo um somatório de N c sub-portadoras, conforme mostra a equação abaixo, para um sinal em banda base [13]. 35

36 s( t) 1 N N 1 k 0 c k e 2k j t T OFDM, para t < T OFDM (3.1) Onde t 0 é o intervalo inicial de sub-símbolo, e T OFDM a duração de um sub-símbolo. O tempo total de envio dos símbolos OFDM será dado por T de sub-portadoras, e Ts é a duração dos símbolos de dados. Nc Ts, onde N c é o número OFDM. A tecnologia OFDM é usada para combater eficazmente os efeitos negativos introduzidos pelo desvanecimento multipercurso característico dos canais rádio móveis. Uma das suas grandes vantagens quando comparada com a técnica de modulação com uma única portadora, é a redução da complexidade na equalização de um canal dispersivo. Mas por outro lado, os sistemas OFDM s, assim como qualquer sistema baseado na técnica de multiportadora, são bem mais sensíveis a problemas de sincronização, tal como offsets na frequência da portadora, do que os sistemas com portadora simples. Consequentemente, temos que o tempo de cada símbolo (Ts ) é maior tornando o sinal menos sensível a ruídos, a multiplicidade de caminhos e a interferência entre símbolos (intersymbol interference - ISI). Para prevenir a interferência entre os sinais das portadoras adjacentes, é necessário garantir que estas são ortogonais entre si. Essa ortogonalidade significa que cada portadora tem um número inteiro de ciclos por cada período de símbolo [12]. Assim garante-se que o espectro de cada portadora tem um nulo na frequência central de outra portadora no sistema. À codificação dos símbolos de dados que vão ser transmitidos deve ser feita no domínio da frequência. Em cada símbolo OFDM é inserido um tempo de guarda ( T G ) maior que o atraso máximo do canal, para deste modo, eliminar por completo a ISI (interferência entre símbolos), mantendo a ortogonalidade entre os sinais nas diferentes sub-portadoras. Este tempo de guarda não é mais que uma extensão cíclica de cada símbolo OFDM como mostra a figura 3.2. Assim a duração do novo símbolo OFDM é dada por, T ' OFDM T OFDM T G (3.2) Note que a inserção do tempo de guarda reduz a eficiência espectral, uma vez que diminui o ritmo de transmissão. Geralmente o T G é dimensionado de forma a ser menor que 20% a 25% do tempo de duração do símbolo OFDM, o que corresponde a um aumento de potência de transmissão menor que 1dB [11]. Logo o tamanho do T G deve ser dimensionado de forma a limitar ao mínimo a redução da eficiência espectral por um lado, mas por outro dever ter em 36

37 conta o atraso máximo do canal para eliminar por completo a IES. Um outro aspecto a considerar no dimensionamento de um sistema OFDM está relacionado com a interferência entre portadoras (IEP). De forma a eliminar este efeito, o espaçamento entre sub-portadoras dever ser muito maior que o espalhamento de Doppler f 2 f D, max. Além disso deve-se ter presente que um espaçamento pequeno entre sub-portadoras faz com o sistema fique mais sensível a variações de frequência e de ruído de fase [11]. Figura 3.2 Período total do símbolo OFDM A figura abaixo mostra duas situações de transmissões sofridas pelo símbolo OFDM, com atraso provocado por multipercurso. Na primeira situação não existe o T G, e na segunda já existe o T G, Figura 3.3 Transmissão com atraso multipercurso (a) sem T G, (b) com T G Para a desmodulacão do sinal OFDM, são necessárias duas operações por parte do receptor. A primeira é a sincronização temporal, que consiste em determinar o tempo óptimo no qual a 37

38 leitura dos símbolos deve ser feita. A estrutura utilizada pelo OFDM permite um grau razoável de erro de sincronização temporal sem que isto acarrete erro na recepção. A segunda operação, a sincronização em frequência, consiste em alinhar ao máximo a frequência das portadoras do receptor e do sinal transmitido. Isto deve ser feito com muita precisão, pois a recepção correcta do sinal depende da ortogonalidade das sub-portadoras, o que pode ser severamente afectado se esta sincronização não for precisa. Outro problema que o OFDM apresenta quanto à implementação está na razão pico-média (peak-to-average ratio PAR). Como o sinal transmitido é igual, no domínio do tempo, à soma de diversos sinais em banda mais estreita, ele possui alta variação de valor. Isto implica em menor eficiência e necessidade de um melhor amplificador de potência, um dos componentes mais caros de um sistema de rádio. Algumas técnicas para diminuir o PAR são o cancelamento de pico como filtros e clipping e mapeamento de sinal esquemas que prefiram palavras de código de baixo PAR. Na figura 3.4 ilustra-se o esquema básico de um sistema com modulação OFDM. Figura 3.4 Esquema complete de um sistema com modulação OFDM 38

39 3.2 Modos de operação Existem dois modos de operação para estabelecer uma ligação bidireccional (ULDL e DLUL): TDD onde esta ligação é conseguida atribuindo-se períodos de tempo (Ts ) ao UL e ao DL, e FDD em que a ligação é conseguida atribuindo-se uma faixa de frequência para o UL e outra para o DL. O modo TDD necessita de um tempo de sincronização extremamente preciso da EB e do TM para que assim, seja respeitada a ordem do Ts no UL e DL. Também é necessário um tempo de guarda ( T G ) entre Ts consecutivos, para assim evitar sobreposições de Ts. Este modo é geralmente usado em ambientes onde exista uma grande densidade de tráfego, sendo que as aplicações exigem elevadas taxas de transmissão e tendem a criarem grande assimetria, ou seja, a maior parte da transmissão é feita num único sentido. No modo FDD as bandas de frequências são separadas por uma banda de guarda para, tal como no TDD, evitar sobreposições. Ao introduzir a BG, implica a perda de alguma largura de banda e também alguma perda de flexibilidade, já que tem-se uma LB que vai estar sempre atribuída ao UL e outra ao DL. A fácil sincronização é a grande vantagem de este modo, sendo este modo usado em macro-celulas onde sejam precisas taxas de transmissão moderadas e a média/alta velocidade. 3.3 LTE Procurando soluções para tornar a transmissão de dados mais eficiente, ao mesmo tempo em que o volume desse tráfego encontra-se em ascensão, o LTE foi proposto como o próximo passo rumo ao sistema móvel da 4ª Geração. O seu desenvolvimento visa fornecer melhorias de desempenho, além de reduzir o custo por bit. O sistema LTE adopta a tendência para redes móveis de se basear no protocolo IP. Com isso, o tráfego de voz será suportado principalmente através da tecnologia VoIP, possibilitando melhores integrações com serviços de multimédia. A tecnologia LTE já se coloca em meio à transição do uso da comutação de circuito para a comutação de pacotes no tráfego de voz [14]. Com o objectivo de oferecer velocidades maiores de transmissão de dados, a tecnologia LTE alcança taxas de transmissão de 75 Mbit/s no uplink e até 300 Mbit/s no sentindo de downlink. Por basear-se no protocolo IP, com a transição de redes combinando comutação de circuito e pacotes, a arquitectura do sistema deve ser simples. No LTE, essa arquitectura é conhecida como 39

40 EPC (Evolved Packet Core), caracterizada pela simplicidade e pela integração com as outras redes baseadas no IP [14]. Outro ponto-chave desta tecnologia diz respeito à automação de processos de rede, conhecida como Self-Organizing Network. Essa característica permite que as redes possam configurar-se e sincronizar-se com redes adjacentes. No caso do LTE, utilizando o canal de 20 MHz, o esquema proposto pela multiplexagem OFDM divide o espectro disponível em milhares de sub-canais estreitos, cada um carregando parte do sinal ao máximo, sendo combinados posteriormente para gerar o dado transmitido. Com isso, o OFDMA associa diferentes sub-canais para utilizadores diferentes, evitando problemas causados por reflexões em múltiplos caminhos, enviando os bits de um dado a baixas velocidades, combinados no receptor para formar uma mensagem de alta velocidade. Como referido a técnica de modulação OFDM foi adoptada em vários standards. O sistema implementado nesta dissertação é baseado em parte nas especificações para a camada física do LTE para o downlink. Na figura abaixo é descrito alguns dos principais parâmetros do LTE. Figure 3.5 Parâmetros do LTE para a transmissão downlink 40

41 Capítulo 4 Sistemas com Múltiplas Antenas 41

42 4.1 Introdução As comunicações sem fios [2] têm sido alvo de constantes evoluções tecnológica, todas elas extraordinariamente rápidas. Embora separados por apenas algum período de tempo, neste caso, alguns anos, cada nova geração de sistemas sem fios trouxe melhorias significativas em termos da velocidade de comunicação dos links do dispositivo, vida útil da bateria, aplicações, etc. Os sistemas de comunicação de dados actuais operam com taxas de transmissão cada vez maiores. Consequentemente, é necessário projectar equipamentos que suportem estas taxas de transmissão respeitando algumas limitações práticas como largura de banda, potência de transmissão, etc. Este projecto fica ainda mais complexo quando a transmissão dos sinais é feita por ondas de rádio, pois as adversidades encontradas no canal de comunicação sem fios dificultam em muito a transmissão de informação por este meio. Uma grande ajuda na transmissão sem fios é a utilização de técnicas de diversidade, que permitem ao receptor ver o sinal transmitido, sob condições de canais diferentes tornando mais fiável a transmissão de dados a altas taxas de transmissão em sistemas sem fios. Uma das técnicas de diversidade, a diversidade espacial (múltiplas antenas), vem sendo muito utilizada pois fornece grandes ganhos sem induzir perdas na eficiência do espectro. Adicionalmente, a capacidade de sistemas com múltiplas antenas, também conhecidos como sistemas com múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO, do inglês: Multiple Input Multiple Output), tem um aumento significativo quando comparada a de sistemas que utilizam apenas uma antena transmissora e uma receptora [15]. Uma das contribuições mais importantes para os progressos das comunicações sem fios dos últimos anos tem sido a tecnologia MIMO, tendo sido mesmo adoptado recentemente no LTE. Esta tecnologia melhora significativamente a qualidade do sinal recebido e aumenta a taxa de transmissão de dados sem comprometer a largura de banda do sistema. Este desempenho é conseguido utilizando as técnicas de processamento digital de sinais para formatar e combinar os sinais recebidos a partir dos vários canais estabelecidos entres as antenas dos receptores e transmissores. 42

43 4.2 Diversidade A diversidade [2] é uma técnica na qual réplicas de um sinal são combinadas na recepção com o intuito de obter maior fiabilidade na detecção do sinal transmitido. Num canal de rádio móvel terrestre, podemos ter um sinal recebido pelo receptor com intensidade insuficiente para a recuperação do sinal transmitido devido aos efeitos dos multipercursos, num determinado instante. No caso em que dois ou mais sinais iguais são transmitidos através desse canal com uma separação temporal superior ao tempo de coerência do canal ou por portadoras com uma separação superior à largura de banda de coerência, a ordem de diversidade alcançada é máxima. Em determinado instante uma réplica poderá estar em situação de desvanecimento profundo, mas será grande a probabilidade de que outras réplicas não estejam nessa situação. Assim, elas podem ser combinadas para fornecer ao processo de detecção um sinal mais estável que aquele obtido se não houvesse réplicas não correlacionadas. São várias as formas de diversidade. Entre elas pode-se citar a diversidade espacial, a diversidade temporal, a diversidade em frequência, etc. Diversidade Espacial A diversidade espacial [2] ou diversidade de antena, como também é conhecida, é obtida através de sistemas MIMO, consistindo no uso de múltiplas antenas para emissão ou recepção dos sinais. Nestes sistemas pode-se atingir a máxima ordem de diversidade se considerarmos os sinais descorrelacionados. Para isso é necessário que a separação entre antenas do sistema seja superior a pelo menos dez comprimentos de ondas. Uma das vantagens da diversidade espacial é que ao contrário das outras técnicas de diversidade, esta não provoca a diminuição da eficiência espectral do sistema, mas tem como desvantagem o envio de sinais através de múltiplas antenas, o que exige do sistema outros recursos a nível de processamento, além de custos da implementação física de várias antenas. Resumidamente na diversidade espacial, antenas receptoras são fisicamente separadas de maneira que os sinais recebidos por cada uma delas estejam descorrelacionados. Os sinais provenientes dessas antenas são então combinados pelo receptor. Diversidade Temporal Na diversidade temporal [2], as réplicas da informação são enviadas em instantes de tempo distintos, sendo que o intervalo de separação entre essas réplicas deve ser superior ao tempo de coerência do canal para que assim haja sinais descorrelacionados na recepção. No receptor, as cópias dos símbolos terão que ser combinados. 43

44 Diversidade na Frequência A diversidade na frequência [2] usa réplicas da informação que são transportadas por portadoras distintas. Estas portadoras estão separadas na frequência num valor superior à largura de banda de coerência do canal, para que assim haja descorrelação entre as réplicas obtidas na recepção. Esta transmissão repetida do sinal no tempo ou frequência provoca a ineficiência espectral, devido à introdução de redundância do sinal transmitido. 4.3 Sistema MIMO Dependendo do número de antenas usadas em ambos os terminais podem ser definidos quatro tipo de configurações: SISO em que apenas uma antena é usada em ambos os terminais, MISO (Multiple-Input-Single-Output) neste caso são usadas um conjunto de antenas na EB e apenas uma no TM, SIMO (Single-Input- Multiple-Output) sendo esta uma configuração que é oposta a anterior, i.e., são usadas um conjunto de antenas no TM, MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) é o caso mais geral que usa um conjunto de antenas em ambos os terminais, como representado na Fig 4.1. Figura 4.1 Esquema do sistema MIMO A distância entre os diferentes elementos da antena é um factor essencial em qualquer configuração com múltiplas antenas, nomeadamente devido à relação entre a distância dos 44

45 diferentes elementos e a correlação mútua entre os vários canais sofrida pelos sinais nas diferentes antenas. Numa configuração com múltiplas antenas [2] em que as antenas estejam relativamente longe uma das outras, a correlação mútua é relativamente baixa. No caso em que as antenas estejam relativamente perto umas das outras, a correlação mútua é elevada. Resumindo, correlação pode ser alta ou baixa dependendo do que se pretenda alcançar com a configuração a implementar, isto é, diversidade, multiplexagem ou beam-forming. Na estação base, em ambientes típicos de macro células, é necessário uma distância entre elementos da antena de aproximadamente na ordem de dez comprimentos de onda para assim conseguir obter uma correlação mútua baixa. No caso de um terminal móvel, no mesmo tipo de ambiente, é preciso uma distância entre os elementos da antena na ordem de apenas metade de um comprimento de onda (0,5 λ), para deste modo, obter também valores relativamente baixos da correlação mútua [1]. A diferença entre as distâncias dos elementos da antena na estação base e nos terminais móveis deve-se ao facto que, no cenário de macro células, as reflexões por múltipercurso que causam o desvanecimento ocorrem principalmente na zona próxima do terminal móvel. Assim, visto de um terminal móvel, os diferentes caminhos normalmente chegam a partir de vários ângulo, isto é, o espalhamento angular é elevado, implicando uma baixa correlação, dai a distância entre elementos da antena poder ser pequena. Ao mesmo tempo, do ponto de vista da estação base, diferentes caminhos normalmente chegam dentro de um ângulo muito menor, o que implica a necessidade de uma distância entre elementos da antena relativamente maior para conseguir uma baixa correlação. Por outro lado, em cenários tipo micro-células, em que as antenas da estação base estão abaixo do nível dos telhados ou mesmo colocadas em interiores, o ambiente ou a propagação, visto a partir da estação de base é mais semelhante ao ambiente visto a partir do terminal móvel. Em tais cenários, uma pequena distância entre os elementos da antena da estação base é geralmente suficiente para assegurar valores relativamente baixos da correlação mútua para o desvanecimento sofrida pelas diferentes antenas [1] Vantagens das técnicas com múltiplas antenas A existência de múltiplas antenas no transmissor e/ou no receptor pode ser aproveitada de múltiplas formas, para atingir diversos objectivos, uma vez que [1], Múltiplas antenas no transmissor e/ou no receptor pode ser usado para fornecer diversidade de forma a mitigar o desvanecimento no canal de rádio. Neste caso, temos certas restrições como: os canais das diferentes antenas devem ter baixa correlação o que implica a necessidade 45

46 de uma distância suficientemente grande entre os vários elementos da antena, ou então, o uso das antenas com diferentes polarizações, obtendo-se aquilo que se designa por diversidade de polarização. Múltiplas antenas no transmissor e/ou o receptor pode ser usado para formatar o sinal transmitido e/ou recebido de forma a colocar um máximo na direcção do utilizador de interesse e eventualmente um nulo nas outras direcção de forma a eliminar a interferência entre utilizadores. Estas técnicas de beam-forming geralmente são usadas em cenários onde a correlação entre antenas seja elevada, podendo contudo ser também usadas em cenários de baixa correlação. A possibilidade de ter em simultâneo múltiplas antenas no transmissor e no receptor pode ser aproveitada para criar uma comunicação paralela de múltiplos canais, através da interface de rádio. Com esta comunicação paralela, podemos ter uma maior utilização da banda, sem uma redução correspondente em poder de eficiência, ou seja, numa largura de banda limitada podemos ter taxas de transmissão de dados muito alta sem que sofra uma grande degradação, proporcionalmente em termos de cobertura. Estas técnicas são conhecidas por multiplexagem espacial. O ganho máximo de multiplexagem é geralmente dado pelo número de antenas mínimo usadas no receptor e transmissor, i.e., G=min(N R, N t ), onde N R é o número de antenas no receptor e N t o número de no transmissor. 4.4 Sistema SIMO O esquema historicamente mais simples de ser utilizado nas configuração com múltiplas antenas é o uso de várias antenas no lado do receptor. Isto é frequentemente denominado como diversidade no receptor [1]. Na figura 4.2 mostra-se o funcionamento básico da combinação linear dos sinais (r 1,...r NR ) recebidos pelas N R antenas. Os sinais recebidos são multiplicados pelo pesos complexos W* 1... W* NR antes de serem somados. O vector final S e dado por, (4.1) 46

47 Figura 4.2 Esquema geral de uma antena receptora a receber uma combinação de sinais Supondo que o sinal transmitido é sujeito apenas à um desvanecimento de frequência não selectiva e de ruído (branco), ou seja, não há dispersão de tempo no canal de rádio, os sinais recebidos nas diferentes antenas da Figura 4.2 podem ser expressa como, (4.2) Onde s é o sinal transmitido pela antena, o vector h consiste nos ganhos N R complexo do canal, e o vector n consiste no ruído nas diferentes antenas. Pode-se facilmente demonstrar que, para maximizar a relação sinal-ruído após a combinação linear, o vector de peso w deve ser da seguinte forma, (4.3) Esta técnica de combinação linear dos diferentes sinais recebidos é conhecida por MRC (Maximum-Ratio Combining) Este é o algoritmo mais eficiente a nível de ganhos de potência, mas também é dos mais complexos [2]. O algoritmo consiste em fazer uma recombinação com uma taxa máxima dos sinais recebidos nas antenas. O uso de um filtro linear com coeficientes óptimos permite obter um valor 47

48 instantâneo máximo de SNR. Os coeficientes óptimos do filtro são precisamente o complexo conjugado de cada canal em questão. Em muitos dos casos de comunicações móveis o sinal recebido é essencialmente prejudicado pela interferência de outras estruturas de transmissão dentro do sistema, e não por causa do ruído. No caso de haver uma quantidade relativamente grande de interferência de sinais de força aproximadamente igual, o MRC continua a ser uma boa escolha, sendo que à interferência global aparecera relativamente do tipo noise-like sem direcção específica de chegada. No entanto em situações onde existe uma única interferência dominante, o desempenho pode ser melhorado se, em vez de escolher os pesos das antenas receptoras de forma a maximizar a relação sinal / ruído após combinação (MRC), forem seleccionados de forma que a interferência dominante seja suprimida. 4.5 Sistema MISO Como alternativa ou complemento de múltiplas antenas no receptor, a diversidade e as técnicas de beam-forming podem também ser alcançadas através do uso de múltiplas antenas no transmissor, ou seja, diversidade no emissor. O uso de múltiplas antenas na transmissão é principalmente vantajoso para o downlink, isto é, na transmissão da estação base para o terminal móvel. Neste caso, a utilização de múltiplas antenas no transmissor fornece uma oportunidade à diversidade e à formação de feixe sem a necessidade adicional de ter mais antenas receptoras e as correspondentes cadeias receptoras adicionais no terminal móvel. Por outro lado, devido a razões de complexidade, o uso de múltiplas antenas na transmissão no uplink, ou seja, transmissão do terminal móvel para à estação base, é menos atractiva [1]. Figura 4.3 Esquema de transmissão com múltiplas antenas 48

49 O conceito base deste tipo de diversidade consiste no envio de informação redundante através dos diferentes caminhos estabelecidos entre as antenas transmissoras e receptoras. Para a introdução dessa redundância nos sinais é necessária uma codificação dos dados a enviar. 4.6 Codificação no espaço-tempo A combinação por blocos no espaço-tempo, designados na literatura inglesa por Space time block coding (STBC) [4] é uma técnica que faz a transmissão de múltiplas cópias de um fluxo de dados através de um número de antenas e combina as várias versões dos dados recebidos no receptor para melhorar a fiabilidade da transferências de dados. Esta redundância resulta em uma maior possibilidade de ser capaz de usar um ou mais dos exemplares recebidos para descodificar correctamente o sinal recebido. Na verdade, a técnica STBC [16] combina todas as cópias do sinal recebido da melhor forma para assim extrair o máximo possível de informações de cada um deles. Um código no espaço-tempo geralmente é representado por uma matriz. Cada linha representa um intervalo de tempo e cada coluna representa uma antena de transmissão ao longo do tempo, como pode ser visto na figura 4.4. Figure 4.4 Matriz da codificação no espaço-tempo Onde é símbolo modulado que será transmitido no time slot i à antena j. Tem de haver T time slots e antenas transmissoras, bem como antenas receptoras. Codificação de Alamouti Alamouti inventou o mais simples de todos os STBCs em 1998 [17]. Este STBC foi projectado para um sistema com duas antenas na transmissão e tem a seguinte matriz de codificação: (4.4) 49

50 Onde * denota o complexo conjugado, e, são os símbolos de dados. O índice superior de D representa o número de antenas na transmissão, e o inferior a taxa de codificação do código. Este STBC leva dois time-slots para transmitir os dois símbolos. As colunas desta matriz representam os dois instantes de transmissão, enquanto as linhas são os símbolos de dados codificados em cada antena. Num primeiro time-slots são transmitidos das antenas 1 e 2 os sinais e respectivamente. No segundo time-slots são transmitidos das antenas 1 e 2 os sinais e respectivamente. Um aspecto importante neste STBC é o facto de as sequências de símbolos de dados codificados transmitidas por cada antena serem ortogonais. Este é um STBC muito especial uma vez que é o único STBC ortogonal que atinge uma taxa de transmissão de 1 [18]. Isto quer dizer que é o único STBC, para os símbolos de modulação complexa [18], que pode atingir o seu ganho completo de diversidade sem a necessidade de sacrificar a sua taxa de transmissão de dados. No receptor podemos expressar o sinal recebido nos instantes e como sendo, (4.5) Onde e são os ganhos dos canais. Considerando que o desvanecimento do canal é constante durante a duração de dois símbolos consecutivos, podemos considerar então que, (4.6) Onde o representam o sinal recebido e o ruído no instante t, o sinal recebido e o ruído no instante. As estimativas dos símbolos de dados a saída do bloco de combinação de Alamouti são dadas por, (4.7) Substituindo (4.6) em (4.7) e após algumas simplificações obtêm-se que, 50

51 (4.8) 4.7 Pré-codificação As técnicas de comunicação que utilizam múltiplas antenas são uma importante área de investigação, que têm atraído considerável atenção. Em especial, nos sistemas quando informação sobre o estado de canal (CSI, channel state information) está disponíveis no transmissor, as propriedades espaciais do canal podem ser exploradas por meio da précodificação, de forma que os diversos utilizadores possam ser multiplexado espacialmente aumentado a taxa de transmissão do sistema. A pré-codificação linear [1], no caso da multiplexagem espacial, implica que o processamento linear seja feito por meio de uma matriz de pré-codificação de tamanho sendo aplicada no lado transmissor, onde são os sinais multiplexados espacialmente através dos caminhos paralelos existentes. Geralmente é igual ou menor que, o que implica que os sinais são multiplexados espacialmente e transmitidos através das antenas transmissoras ( ). De notar que à pré-codificação baseada na multiplexagem espacial pode ser vista como uma generalização da pré-codificação baseado no beam-forming. Na figura 4.5 pode ser visto um pequeno esquema ilustrativo desta pré-codificação baseada na multiplexagem espacial. Figure 4.5 Pré-codificação baseada na multiplexagem espacial No caso em que o número de sinais à ser multiplexados espacialmente ser igual ao número de antenas transmissoras, a pré-codificação pode ser usada para ortogonalizar os canais paralelos existentes, de forma a obter um melhor isolamento do sinal no lado do receptor. Mas quando o 51

52 número de sinais a ser multiplexados espacialmente for menor que o número de antenas transmissoras, a pré-codificação também proporciona o mapeamento dos sinais espacialmente multiplexados para as antenas de transmissão, incluindo a combinação de multiplexagem espacial e beam-forming. A matriz de pré-codificação (H) pode ser expressa da seguinte forma, (4.9) Onde as colunas de V e W cada uma formam um conjunto ortonormal, e o somatório é uma matriz diagonal de dimensão com os valores próprios de. Aplicando a matriz V como a matriz de pré-codificação no lado do transmissor e a matriz no lado do receptor, obtemos a matriz equivalente dos canais, sendo o esquema ilustrado na figura 4.6, Figure 4.6 Ortogonalização dos sinais multiplexados espacialmente pela pré-codificação Ou seja, agora temos um conjunto de canais de transmissão paralelos, sendo que cada canal é multiplicado pelo seu respectivo peso, peso esse dado pelos valores próprios da matriz do canal, como ilustrado na figura

53 Capítulo 5 Sistemas Cooperativos 53

54 5.1 Introdução Nos últimos anos a evolução tecnológica atingiu um ponto em que os investigadores começaram a desenvolver arquitecturas de rede sem fios que afastam-se da ideia tradicional de comunicação de uma base individual ponto-a-ponto com uma estação base central de controlo. Tal é o caso dos sensores de redes ad-hoc sem fios, onde à hierarquia tradicional de uma rede tem sido moldada para permitir que qualquer um dos nós possa ajudar a transmitir a informação de outros nós, podendo obter-se assim ganhos de desempenho consideráveis. A comunicação cooperativa é um novo paradigma que vem das ideias de usar a natureza como canal de transmissão sem fios, usando os nós de comunicação com o fim de ajudarem-se uns aos outros, implementando um processo de comunicação de uma forma distribuída e obtendo as mesmas vantagens, como aqueles encontrados em sistemas tradicionais MIMO [2]. O resultado final é um conjunto de novas ferramentas que aumentam a taxa de transferência, reduz o consumo da bateria, aumenta a vida da rede e aumenta a cobertura [19][20], ou seja temos, Diminuição dos efeitos de desvanecimento: O uso de caminhos cooperativos permite tornar o sistema menos sensível aos fenómenos de interferência e propagação multipercurso. Reconfigurações dos utilizadores/receptores que constituem a rede móvel funcionam como um sistema de antenas múltiplas. Funcionando como relays ou não, estes têm mobilidade e podem ser reconfigurados com bastante facilidade para adaptar se às necessidades do sistema. Cobertura: O uso de relays pode possibilitar a comunicação de utilizadores que não estejam directamente abrangidos pela área de cobertura da Estacão Base. Indirectamente a área de cobertura da móvel é aumentada através destes esquemas e quanto mais relays, maior a cobertura conseguida (sendo posicionados da melhor maneira). Num sistema convencional, sem cooperação, existe uma transmissão directa onde um receptor descodifica a informação baseada somente no sinal directo. Este tipo se sistemas não são tão fiáveis na transmissão a longas distancias, nem em ambientes com obstáculos, uma vez que o sinal que ira ser recebido no receptor será inevitavelmente de má qualidade. Este problema pode ser mitigado através do uso de um terceiro terminal, designado na terminologia inglesa por relay, que geralmente é escolhido no caso de ter um canal com melhor qualidade que o canal directo ou não cooperativo. Assim, no receptor as cópias do sinal recebidas através do canal directo e cooperativo são combinadas aumentando, nalguns cenários, de forma significativa o desempenho do sistema. O conceito de diversidade cooperativa resulta no facto de a diversidade ser conseguida através de várias antenas localizadas em terminais diferentes cooperativos, contrariamente aos sistemas clássicos em que as antenas estão localizadas no mesmo terminal [21]. 54

55 Nas comunicações cooperativa, os caminhos independentes entre o utilizador e a estação base são geradas através da introdução de um canal de retransmissão tal como ilustrado na Figura 5.1. Figura 5.1 Ilustração de um esquema de diversidade cooperativa O canal de retransmissão pode ser entendido como um canal auxiliar ao canal de transmissão directo entre o emissor e o receptor. Um ponto essencial no processo da comunicação cooperativa é o processamento feito pelo relay, do sinal recebido a partir do nó de origem. Estas variedades de tratamento do sinal resultam em diferentes protocolos de comunicações cooperativas que serão estudadas logo a seguir Protocolo de retransmissão Fixa e Adaptativa Os diferentes protocolos da comunicação Cooperativa [2], podem ser categorizados em esquemas de retransmissão fixa (fixed relaying), ou adaptativa (adaptive relaying). No protocolo de retransmissão fixa, os recursos do canal são divididos entre o emissor e o relay de uma maneira fixa (modelo determinístico), enquanto no adaptativo esses recursos são distribuídos de forma não determinística pelo sistema. 55

56 O tratamento do sinal feito pelo relay difere de acordo com o protocolo que este tem implementado. Por exemplo, nos esquemas de retransmissão fixa temos o protocolo Amplify-and- Forward, também denominado de AF, e também o protocolo decode-and-forward, ou também chamado de DF. Já nos esquemas de retransmissão adaptativa, temos os protocolos selective relaying e incremental relaying. Os esquemas de retransmissão fixa, fixed relaying, são de fácil implementação mas tem a desvantagem de ter uma baixa eficiência espectral, isto deve-se ao facto de que metade dos recursos é alocada no relay para a transmissão, o que reduz a taxa de transmissão global. Esta desvantagem é mais grave no caso em que o canal emissor - receptor tenha boas condições de transmissão, uma vez que uma grande percentagem de pacotes transmitidos entre o emissor - receptor poderiam ser recebida correctamente pelo receptor e aí as retransmissões feitas pelo relay seriam desperdiçadas. Os esquemas de retransmissão adaptativa, Adaptive relaying, tentam superar esta desvantagem Modos de Operação dos Relays Uma característica fulcral de um sistema cooperativo é o método de funcionamento do relay. Se este tiver a capacidade de fazer simultaneamente a transmissão e recepção de sinais, diz-se que o relay esta em funcionamento full duplex. Se não tiver essa capacidade, a designação é de half duplex [22]. Considera-se nesta dissertação que os relays não podem transmitir e receber sinais no mesmo canal, considerando assim apenas relays half-duplex (bastante mais simples de implementar e requer uma configuração física muito menos dispendiosa), ou seja, a recepção e transmissão são feitas em momentos diferentes. Estes momentos serão definidos consoantes a implementação do sistema, que podem ser de dois tipos, Time Division Duplex (TDD) Neste caso as retransmissões são feitas em instantes de tempo diferentes. Numa primeira fase o sinal é recebido pelos relays, na segunda fase o sinal é transmitido para o receptor. Durante este processo, nomeadamente na primeira fase, é feita a transmissão do sinal através do caminho directo emissor-receptor. Na segunda fase, pode ou não haver a transmissão através do caminho directo, consoante o sistema cooperativo implementado. Uma vez que o sinal já terá sido enviado no primeiro instante temporal, a sua recepção junto com o sinal enviado do relay teria que contemplar algum algoritmo de separação dos sinais na antena receptora, o que aumentaria a sua complexidade. Uma desvantagem da divisão da transmissão em dois instantes temporais é de reduzir a capacidade do sistema. Sendo assim, esta técnica não é recomendada para sistemas que necessitem de altas velocidades de transmissão [2]. 56

57 Frequency Division Duplex (FDD) Aplicando esta implementação, recepção e transmissão podem ser feitas durante o mesmo instante temporal, mas para o fazer, requer de duas bandas de frequência diferentes. Tal como a anterior, esta implementação não é recomendada para sistemas em que o aproveitamento espectral seja um factor importante [2]. Code Division Duplex (CDD) Esta implementação é a mais flexível de todas, uma vez que permite transmissões em modo half ou full duplex. No Code Division Duplex é feita a atribuição de dois códigos, um para os processos de recepção e outro para os processos de envio. Se o fluxo do sinal recebido do emissor for contínuo, a recepção e transmissão do sinal poderá ser feita em modo full-duplex. Os sistemas que utilizam esta implementação são bastante complexo de caracterizar já que usam mais que um relay, o que implica vários códigos para os diferentes caminhos estabelecidos entre emissor-receptor e relay [2]. 5.2 Sistema cooperativo elementar O sistema cooperativo mais elementar é constituído apenas por três terminais: emissor, relay e receptor, todos equipados com uma única antena. O relay é o responsável pela cooperação entre o emissor e receptor. Consequentemente podem ser definidos três canais de transmissão: emissor receptor, emissor relay e relay receptor. Figura 5.2 Modelo simples de Cooperação No esquema apresentado na figura 5.2 considera-se apenas um único relay para ajudar um utilizador na rede de encaminhamento de informações entre a EB (emissor) e o TM (receptor). Na figura 5.2 apresenta um canal de retransmissão geral, onde a EB transmite com potência e o relay transmite com potência. A alocação da potência nos canais relay-tm é estudada no capítulo seguinte. 57

58 Numa primeira fase, a EB envia os seus dados para o TM e para relay. Os sinais recebidos no TM e no relay podem ser expressos, respectivamente, pelas seguintes fórmulas [2], (5.1) Onde p é a potência da EB, é o sinal enviado e e são os ruídos de cada canal. e são os coeficientes dos canais de transmissão da EB - TM e EB - relay respectivamente. Eles são modelados como media zero, variáveis aleatórias complexas Gaussiana com variâncias δ 2 s,d e δ 2 s,r respectivamente. Os termos do ruído e são modelados como média zero, variáveis aleatórias complexas Gaussiana com variância N 0. Na fase 2, o relay envia uma versão processada/tratada de sinal da EB para o TM, e isso pode ser traduzido como, (5.2) Onde a função depende do tipo de processamento (técnicas de tratamento da informação que serão descritas em 5.3) implementado em que cada relay. 5.3 Protocolos de diversidade cooperativos Como referido em existem vários protocolos consoante o tipo de processamento efectuado no relay. Nesta secção são descritos em detalhe, alguns desses protocolos Amplify and Forward (AF) No protocolo AF, o relay transmite para o TM, uma versão amplificada do sinal. Neste protocolo, ilustrado na figura 5.3, para tentar combater a atenuação do canal de transmissão EB relay, o relay amplifica o sinal vindo da EB. O TM recebe duas cópias do sinal enviado, uma através do canal de transmissão EB - TM e outra através do canal conjunto EB relay relay -TM. Este é o protocolo mais simples de implementar, visto que se tratar apenas de uma operação linear de multiplicação do sinal por um valor de modo a que o sinal seja amplificado [2]. 58

59 Na fase 1, os sinais recebidos pelos relays e TM s podem ser expressos respectivamente, como [2], (5.3) Onde e são os coeficientes dos canais entre EB - relay, e EB - TM, respectivamente, sendo estes modelados como canais com desvanecimento de Rayleigh [2]. Os termos e representam o ruído branco presente no relay e no TM, respectivamente. A relação sinal ruído nos receptores, neste caso nos TM s, é dada por, Na fase 2, como já foi dito, o relay recebe o sinal, amplifica-o e transmite-o para os TM s. Sendo assim o sinal recebido pelo TM, vindo do relay, pode ser expresso como, (5.4) (5.5) Onde é o coeficiente do canal relay TM e e o ruído branco presente no receptor. A técnica ideal para maximizar a relação sinal-ruído global é utilizando, como já foi estudado, o MRC. De notar que para usar o MRC é necessário que o sistema tenha um detector eficaz, para assim saber todos os coeficiente dos canais dos sistema. Sendo assim, considerando que sabemos os coeficientes de todos os canais, podemos expressar o sinal na saída do MRC como: Os termos e são definidos de forma a maximizar o SNR [2]. Esses termos podem ser expresso como, (5.6) (5.7) 59

60 Figura 5.3 Protocolo de diversidade cooperativa AF Decode and Forward (DF) Uma outra possibilidade de processamento no relay é este detectar o sinal que recebeu (descodificando-o), codifica-lo, e, de seguida, transmiti-lo para o TM, ou seja, os relays aplicam um algoritmo de detecção e codificação ao sinal recebido. Este protocolo é mais complexa que o anterior (AF) uma vez que não é linear [2]. Se o sinal detectado no relay for denotado por x, o sinal transmitido a partir do relay será denotado por. Pode acontecer que o sinal detectado no relay esteja incorrecto. Se um sinal incorrecto é transmitido para o TM, a descodificação no TM logicamente não terá sentido. De notar que para um tal regime a diversidade alcançada é apenas de um, uma vez que o desempenho do sistema é limitado pelo pior canal entre os canais: EB-relay e EB-TM. A vantagem deste protocolo relativamente ao protocolo AF esta na redução dos efeitos do ruído aditivo no relay, que implica a possibilidade de encaminhamento erróneo de sinais detectados para o TM, causando a propagação desse mesmo erro, que ira prejudicar o desempenho do sistema. Em termos de formulação, este protocolo é semelhante ao AF, sendo que em vez de ampliar o sinal, este codifica-o para depois envia-lo ao TM. 60

61 Figura 5.4 Protocolo de diversidade cooperativa DF Equalize and Forward (EF) Este protocolo é parecido ao DF, sendo a principal diferença, a equalização feita pelo relay do sinal recebido antes de o retransmitir. Esta equalização traduz-se numa decisão soft dos bits recebidos, diferindo do esquema DF neste aspecto Outros protocolos de cooperação Nos esquemas de retransmissão fixa, para além dos protocolos mais conhecidos, AF e DF, existem outros tais como compress-and-forward e coded cooperation. De seguida são apresentadas de forma simplificada as principais características destes protocolos. Compress-and-forward A Principal diferença deste protocolo quando comparado com os AF e DF, é que nestes nos protocolos AF e DF, o relay transmite uma cópia do sinal enquanto neste protocolo o relay transmite uma versão compacta e quantizada do sinal recebido. Consequentemente o TM desempenhará as funções de recepção, combinando o sinal recebido a partir da EB com a versão do sinal quantizada e compactada vinda do relay [2]. 61

62 Coded cooperation O Coded Cooperation difere dos protocolos anteriores na medida que a cooperação é implementada ao nível da codificação de canal. Neste protocolo, o relay envia uma redundância incremental, que quando combinada no TM com a frame codificada na EB, resulta numa frame com uma maior redundância Para compreender melhor este protocolo, considere primeiro o funcionamento de um código corrector de erros. O codificador de um código de correcção de erros toma uma sequência de informação relacionada com os símbolos e aplica operações matemáticas de tal forma que gera uma sequência de símbolos que não contenha apenas as informações presentes na sequência de entrada, mas também informações redundantes. À redundância da palavra/frame é usada no TM para aumentar as possibilidades de recuperar a informação original se os erros foram introduzidos durante o processo de transmissão. Enquanto em alguns codewords a informação e redundância são codificados de tal forma que só podem ser separados por completo pela descodificação, em muitos outros códigos de codificação e descodificação a operação pode ser feita de tal forma que é possível adicionar redundância, ou remover a redundância da codeword de uma forma simples. É este segundo tipo de código que é usado em Coded cooperation. Neste protocolo uma codeword é transmitida em duas partes, cada uma usando um diferente caminho ou canal. Figure 5.5 Protocolo de diversidade cooperativa Coded Cooperation Selective DF Relaying Num esquema de retransmissão adaptativa usando o protocolo Selective DF relaying, se a relação sinal-ruído do sinal recebido pelo relay ultrapassar um certo limiar, o relay descodifica o sinal 62

63 recebido e encaminha as informações descodificadas até o TM. Mas se o canal entre a EB e o relay for afectado pelo fading tal que a relação sinal-ruído cai abaixo do tal limiar, o relay fica em suspenso, não transmitindo qualquer sinal, ou seja, tal como o nome indica, ele selecciona o sinal que vai transmitir consoante a relação sinal-ruido ultrapassar ou não esse limiar. Este protocolo melhora em muito o desempenho do protocolo DF, já que o valor do limiar do relay pode ser determinada para superar os problemas inerentes do protocolo DF fixo em que o relay envia todos os sinais descodificados para o receptor, embora alguns sinais descodificados estejam incorrectas Incremental Relaying Num esquema de retransmissão adaptativa usando o protocolo incremental relaying, é necessário que haja um canal de feedback entre o TM e a EB e o relay. Isto deve-se ao facto de que neste protocolo, se a estacão base sabe que o TM não ira descodificar correctamente o sinal (a confirmação de que a transmissão pode ou não ser feita pelo TM é feita através desse canal de feedback entre TM-EB) então a estacão base pode repetir a transmissão dessa informação para o TM ou então o relay pode ajudar a transmitir essa mesma informação. 5.4 CODIV Existem vários projectos de investigação nesta área de diversidade cooperativa, nomeadamente o projecto Europeu CODIV onde este trabalho se enquadra [23]. Os principais objectivos deste projecto são: Definir e validar os conceitos de acesso e transmissão de diversidade cooperativa com outras técnicas de diversidade para a componente de banda larga dos futuros sistemas sem fios. Proporcionar uma prova do conceito para as tecnologias estudadas, através da implementação de algumas técnicas cooperativas num protótipo. Avaliar as implicações do uso da cooperação sobre a actual arquitectura de sistemas sem fios. 63

64 Espera-se que o projecto CODIV forneça técnicas inovadoras para responder às necessidades do mercado no que diz respeito as cada vez maiores taxas de transmissão, melhor cobertura e melhor qualidade de serviço. 64

65 Capítulo 6 Sistema Cooperativo Proposto 65

66 6.1 Esquema de diversidade cooperativa proposto Nos últimos anos, a diversidade cooperativa, tornou-se uma área essencial na investigação das comunicações sem fios. Numa rede móvel, sistemas assistidos por relays oferecem tecnologias promissoras para transmitir dados com maior taxa de transmissão para destinos cujo receptor se encontre a grandes distancias [24]. Neste capítulo é apresentado com detalhe o esquema de diversidade cooperativa implementado nesta dissertação. Este esquema é projectado para um sistema baseado no LTE e o seu desempenho é avaliado em vários cenários Descrição do sistema A figura 6.1 apresenta o esquema proposto nesta dissertação, constituído por 2 relays, aqui designados por RS1 e RS2, (cada um equipado com 2 antenas) que serão o elemento de apoio à ligação entre o emissor (EB também equipado com 2 antenas) e os terminais móveis (TM1 TM2- receptores que estão equipados apenas com uma única antena), sendo que, cada relay utiliza o protocolo Decode-and-Forward para o processamento/tratamento da informação. O sistema proposto é baseado no esquema cooperativo discutido no artigo [25]. A inovação do sistema cooperativo proposto nesta dissertação é a utilização de um canal de ligação, na terminologia inglesa designado por Backhaul channel, entre os relays. O objectivo desse canal é permitir uma alocação de potência entre os TMs de uma forma mais eficiente. No esquema proposto em [25], a potência alocada a cada TM é fixa e não toma em conta os diferentes canais. No esquema proposto, os relays trocam entre si informação sobre os seus respectivos canais, permitindo projectar esquemas de alocação de potência mais eficientes, isto é, que redistribuem melhor a potência disponível pelos vários utilizadores em função do estado do canal, aumentado consideravelmente o desempenho do sistema. Figura 6.1 Esquema de diversidade cooperativa proposto 66

67 Neste caso, assume-se que não existe ligação directa entre a EB e os TM s devido à grande distância entre eles. Os relays são colocados em locais onde há boa ligação sem fios para a EB. Os canais entre a EB e os relays são representados por, onde i=1,2, dependendo se é o relay RS1 ou RS2 respectivamente. Convém referir que a ligação entre a EB e os realys não é estudada nesta dissertação. Assim, assume-se que os relays recuperam a informação enviada pela EB correctamente e que cada relay conhece os dados de ambos os TM. Os canais entre os relays (RS1- RS2 ) e os utilizadores (TM1 TM2) são representados por onde i representa o relay e j o TM, de dimensão x 1 em que é o número de antenas em cada relay. Assim, pela figura anterior podem ser identificados os seguintes canais: (entre os relays 1 e 2 e o TM1) (entre os relays 1 e 2 e o TM2). No cálculo dos filtros assume-se que cada relay tem apenas o conhecimento dos canais entre o respectivo relay e os terminais móveis, i.e., o relay 1 apenas tem conhecimento dos canais e o relay 2 tem apenas conhecimento dos canais. Os canais e são denominados de canais de ligação directa, enquanto os canais e são designados de canais de ligação cruzada. Considera-se a restrição de potência na EB e em cada relay, como e respectivamente. Assume-se também ruído Gaussiano complexo nos relays e nos TM de média nula, variâncias σ 2 RS e σ 2 MS nos relays e TM s, respectivamente. Os canais podem ser decompostos como o produto das componentes do desvanecimento rápido (fast fading) pelo desvanecimento lento (slow fading), ou seja, = x, onde representa o ganho de potencia entre a EB e os utilizadores. As componentes de cada canal podem exibir correlação sendo dadas por, onde contem os coeficientes do desvanecimento rápido e será a matriz correlação normalizada. Assim os canais entre as antenas do relay e um determinado TM são correlacionados. No entanto, os canais entre cada relay e um determinado TM são descorrelacionados devido à distância entre eles. Considere-se também que os relays funcionam em modo half duplex, assim a comunicação deste sistema necessitará de duas fases, como já foi explicado. Na primeira fase a estacão base transmite os dados, e, para os dois relays referentes ao TM 1 e 2, respectivamente. Como já referido, assume-se que os dados, e são detectados correctamente pelos dois relays. Na segunda fase, os dois relays comunicam com os dois utilizadores (TM1 e TM2) simultaneamente na mesma frequência. Os dois relays utilizam os seus respectivos canais para fazer o cancelamento de interferência entre cada TM, para que cada um receba apenas os seus próprios dados. Assim, nesta fase, em ambos os relays os dados são formatados antes de serem 67

68 novamente transmitidos. Como se assume, que os relays transmitem na mesma frequência, os filtros aplicados aos dados são calculados de forma a eliminar a inferência que os símbolos causam entre si. Os sinais transmitidos por cada relay podem ser dados por [25], (6.1) Sendo os vectores da pré-codificação, onde j representa o TM de destino, e i o relay de origem. Os sinais recebidos em cada TM são dados por, (6.2) Pelas equações anteriores facilmente se verifica que para eliminar por completo a interferência tem-se que impor as seguintes condições, (6.3) Tendo em conta as expressões acima descritas, pode-se agora escrever que o sinal obtido no TM1 e TM2, respectivamente, como, (6.4) Onde n 1 e n 2 são o ruído Gaussiano dos TM1 e TM2 respectivamente Projecto dos vectores de pré-codificação Os filtros são calculados tendo em conta dois aspectos: eliminar a interferência e fazer com que os sinais recebidos estejam alinhados, i.e. as fazes dos canais equivalentes sejam nulos, por forma a que os sinais transmitidos por cada relay sejam adicionados coerentemente. Matematicamente isso é traduzido da seguinte forma, 68

69 (6.5) j De referir que se um vector estiver no espaço nulo de um determinado canal h, w we também está no espaço nulo de h. Assim, os vectores de pré-codificação são dados por, Com j=1, 2 e i = 1, 2 (6.6) O resultado obtido para cada vector de pré-codificação, é único e não depende da escolha do Escolhendo o vector de pré-codificação como descrito em (6.6), o canal equivalente entre RS e TM respectivo, é dado por, Como se pode ver por (6.7) o canal equivalente é real. (6.7) Alocação da potência Neste projecto foi feito uma optimização da potência entregue aos canais de transmissão, de modo a atribuir ao canal mais fraco, ou seja com maior atenuação, uma maior potência para assim ter um melhor resultado em termos de sinal recebido no receptor. Neste trabalho considerou-se duas estratégias de alocação de potência: na primeira a potência é fixa por portadora mas varia de utilizador para utilizador, na segunda a potência total é fixa mas varia de portadora para portadora e de utilizador para utilizador. Neste segundo caso a alocação de potência para cada portadora e cada utilizador é feita em conjunto Alocação de potência para cada portadora individualmente Escrevendo explicitamente as potências alocadas a cada utilizador em ambos os relays, as equações (6.1) podem ser rescritas da seguinte forma, 69

70 (6.8) Onde e representam a potência transmitida pelo relay 1 para os TM1 etm2, enquanto e representam a potência transmitida pelo segundo relay para os TM1 e TM2. Considerando os vectores definidos em (6.6), os sinais recebidos nos TM1 e TM2 são dados por, (6.9) Para simplificar a dedução considera-se o seguinte, (6.10) Com os vectores deduzidos em (6.6) a interferência entre utilizadores é completamente eliminada, pelo que considerando (6.9) e (6.10), as expressões da SNR para os TM1 e TM2 são dadas por, (6.11) O objectivo nesta fase consiste em calcular os valores das potências de forma a minimizar ou maximizar alguma função de custo. Uma possível métrica a minimizar seria a probabilidade de erro média, o problema é que não é possível chegar a uma expressão fechada. Assim, esta solução não é muito interessante do ponto de vista prático, pelo que optou-se pela minimização da soma do inverso das SNRs dos vários TM. A vantagem relativamente à minimização da probabilidade de erro é que com esta métrica é possível chegar a uma solução fechada, muito simples de implementar em sistema de comunicações sem fios práticos. Evidentemente, que o preço a pagar por esta menor complexidade é o menor desempenho, que no caso de se minimizar a primeira métrica. Assim, o objectivo é resolver o seguinte problema, 70

71 (6.12) Sendo a potencia total. Este problema de optimização pode ser eficientemente resolvido através do método de Lagrange [30]. Assim, a seguinte função de custo é minimizada (6.13) Onde é o multiplicador de Lagrange. Fazendo as derivadas parciais em ordem a p 11, p 12, p 21 e p 22 e igualando a zero, temos respectivamente, que, a 11. p. a p a p (6.14) a 12. p. p a p a (6.15) a 21. p. p a p a (6.16) 71

72 a 22. p. p a p a (6.17) Considerando que, a 11 p 11 a 12 p 12 a 21 p 21 a 22 (6.18) p 22 Resolvendo as equações (6.14) (6.15) (6.16) (6.17) aplicando (6.18), logo temos que as potências alocadas a cada TM em cada relay, em função de ' ( com ' ) são dadas por, 2 p 11 '. a a a (6.19) p 12 '. a a a (6.20) p 21 '. a a a (6.21) p 22 '. a a a (6.22) Temos nas 4 equações acima descritas a variável variável, podemos considerar que, ', sendo assim, de forma a eliminar esta (6.23) 72

73 Considerando que, b 2 2 a a c (6.24) 2 2 a a Substituindo (6.24) nas expressões (6.19) (6.20) (6.21) e (6.22), e depois estas em (6.23) e resolvendo em ordem à variável ', ficamos com, 1 ' b. P a a c a a (6.25) Agora substituindo 1 ' nas expressões (6.19) (6.20) (6.21) (6.22), ficamos com as expressões finais das potências que serão entregues a cada canal de transmissão, sendo estas, p a a c. a a a. P. b (6.26). b p a a c. a a a. P. b (6.27). b P a a c. a a a. P. c (6.28). b P a a c. a a a. P. c. b. (6.29)

74 Alocação de potência sobre todas as portadoras Neste caso a potência para cada portadora e utilizador é calculada em conjunto, aumentado significativamente o número de graus de liberdade para minimizar a função de custo. A principal diferença deste tipo de alocação de potência, em relação a anterior e que agora temos que resolver o seguinte problema, (6.30) Usando a mesma metodologia anterior as potências alocadas a cada utilizador em cada relay, na portadora n são dadas por, p 11( n) Nc. P. a11( n) (6.31) a a. Add 11 ( n) 12( n) p 12( n) N c. P. a12( n) (6.32) a a. Add 11 ( n) 12( n) p 21( n) N c. P. a21( n) (6.33) a a. Add 21 ( n) 22( n) Onde, p 22( n) Nc. P. a22( n) (6.34) a a. Add 21 ( n) 22 ( n) Add Nc n1 a a a a a a a a a 11( n) 2 11( n) 12( n) a 21( n) 2 21( n) 22( n) a 12( n) 2 12( n) 11( n) a 21( n) 2 22( n) 22( n) 3 (6.35) 74

75 6.1.4 Simulação do sistema proposto O sistema proposto é avaliado em cinco cenários: no primeiro cenário os canais são independentes, ou seja, considera-se que a distância entre antenas é suficientemente grande para considerarmos os canais entre antenas do mesmo relay independentes e que não existe perdas nos canais, ou seja, não existe path-loss ( =1). No segundo cenário considera-se que os canais são independentes, mas agora considera-se existência de path-loss. No terceiro cenário os canais entre cada antena de cada relay estão correlacionados e não consideramos path-loss. No quarto cenário os canais entre cada antena de cada relay estão correlacionados e considera-se a existência de path-loss. No quinto e último cenário considera-se que os canais de transmissão são independentes, que existe path-loss, mas neste caso usa-se a pré-codificação. Para cada cenário, são ainda feitas simulações para 4 casos distintos: Sistema sem qualquer alocação de potência. Sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras. Sistema com alocação de potência mas apenas para cada portadora individualmente. De seguida, são descritas as tabelas com os dados usados nas simulações realizadas. Tabela 6.1 Dados Gerais para a simulação do sistema Tamanho da FFT 1024 Número de antenas por relay ( ) 2 Número de antenas por utilizador ( ) 1 Número de utilizadores 2 Número de sub-portadoras ( ) 1024 Potência total entregue aos canais (P) 2 Separação entre sub-canais 15 khz Sampling Frequency MHz Modulação QPSK Tempo de Guarda ( ) μs Tempo útil de símbolo ( ) μs Tempo total de símbolo OFDM ( ) μs Número de símbolos OFDM por bloco 12 75

76 Tabela 6.2 Dados relativos aos sistemas com as antenas correlacionadas Espalhamento angular do ângulo de chegada 68 (Graus) Espalhamento angular do ângulo de Partida 40 (Graus) Ângulo de chegada (Graus) 67.5 Ângulo de partida (Graus) 60 Espaçamento entre os elementos da antena da transmissão, em comprimento de onda(λ) 0.5 Tabela 6.3 Dados relativos aos sistemas com path-loss Potência media do canal h 11 1 Potência media do canal h Potência media do canal h Potência media do canal h Nota: Nas simulações obtidas, foi considerado o modelo de canal do tipo ITU-R M.1225 descrito em [2]. Nos gráficos dos resultados obtidos, para as diferentes curvas são atribuídos nomes que terão o seguinte significado, SCSA Sistema Cooperativo sem alocação de potência. SCCAIP Sistema Cooperativo com alocação de potência para cada portadora individualmente. SCCAjP Sistema Cooperativo com alocação de potência sobre todas as portadoras. Os resultados são apresentados para a taxa de erro de bit (BER) média, sobre os 2 utilizadores, em função do E b /N o, onde E b é a energia de bit transmitido pelos relays e N o a densidade espectral de ruído. 76

77 BER Sistema com os canais não correlacionados e sem path-loss 10-1 SCSA SCCAjP SCCAIP EbN0 (db) Figura 6.2 Sistema cooperativo com os canais independentes e sem considerar path-loss Para a realização desta simulação foram tidas em conta apenas os valores descritos pela tabela 6.1. Pela figura pode-se observar que o sistema com alocação de potência (SCCAJP ou SCCAIP) apresenta melhor desempenho que o sistema sem alocação de potência, uma vez que nos primeiros a potência disponível nos relays é re-distribuída pelos diferentes TM s de uma forma mais eficiente. Pode-se também verificar que o sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras é o que apresenta melhor desempenho, o que era previsível, já que neste caso temos um maior grau de liberdade no sistema, ou seja, a compensação do canal mais fraco é feita de uma forma mais eficaz e assim o desempenho do sistema geral é melhorado. Em termos de ganhos verifica-se que em relação ao sistema sem alocação de potência (SCSA), os sistemas com alocação de potência sobre todas as portadoras (SCCAJP) e com alocação de potência para cada portadora individualmente (SCCAIP), para o BER de 10-3 obteve-se um ganho de 3.6 db e 1.2 db respectivamente, confirmando assim que tem-se maior ganho nos sistemas com alocação de potência sobre todas as portadoras. 77

78 BER Sistema com os canais não correlacionados e considerando path-loss 10-1 SCSA SCCAjP SCCAIP EbN0 (db) Figura 6.3 Sistema cooperativo com os canais independentes e considerando pathloss Para a realização desta simulação foram tidas em conta os valores dados pelas tabelas 6.1 e 6.3. Como se pode observar na figura 6.3, mais uma vez o sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras é o que apresenta melhores resultados, o que já era de esperar, tal como já foi justificado em Em termos de ganhos verifica-se que em relação ao sistema sem alocação de potência (SCCA), os sistemas com alocação de potência sobre todas as portadoras (SCCAJP) e com alocação de potência para cada portadora individualmente (SCCAIP), para o BER de 10-3 obteve-se um ganho de 3.4 db e 1.6 db respectivamente, confirmando mais uma vez que o sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras tem melhor desempenho. Comparando este cenário com o cenário descrito em , observa-se que o desempenho deste foi prejudicado devido à acção do path-loss que foi introduzido nos canais do sistema nesta simulação, que como pode-se ver, afectou o sinal transmitido, e consequentemente afectou a performance global do sistema. Mesmo assim, os sistemas com alocação de potência implementados apresentam melhor desempenho do que o sistema sem alocação de potência. 78

79 BER Sistema com os canais correlacionados e sem path-loss 10-1 SCSA SCCAjP SCCAIP EbN0 (db) Figura 6.4 Sistema cooperativo com os canais correlacionados e sem path loss Para a realização desta simulação foram tidas em conta os valores dados pelas tabelas 6.1 e 6.2. Como se tem vindo a observar, o sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras apresenta melhores resultados quando comparado com os outros dois casos. Em termos de ganhos verifica-se que em relação ao sistema sem alocação de potência (SCCA), os sistemas com alocação de potência sobre todas as portadoras (SCCAJP) e com alocação de potência para cada portadora individualmente (SCCAIP), para o BER de 10-2 obteve-se um ganho de 2 db e 1 db respectivamente e para o BER 10-3 obteve-se um ganho de 3.8dB e de 1.2dB, confirmando mais uma vez que temos um maior ganho no sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras. Comparando este cenário com os dois cenários anteriores, este é ate agora, o pior cenário, uma vez que como os canais são correlacionados entre si, ou seja, são dependentes, condiciona o sistema, pois se um canal tiver um erro no envio da informação, o outro, como esta correlacionado, também terá esse erro e assim o desempenho do sistema é afectado, diminuindo a performance global do sistema. Verifica-se mais uma vez, que qualquer um dos sistemas de alocação de potência propostos apresenta melhor desempenho do que no caso em que não existe essa alocação de potência. 79

80 BER Sistema com os canais correlacionados e considerando path-loss 10-1 SCSA SCCAjP SCCAIP EbN0 (db) Figura 6.5 Sistema cooperativo com os canais correlacionados e considerando path loss Para a realização desta simulação foram tidas em conta os valores dados pelas tabelas 6.1, 6.2 e 6.3. Confirmando o que se tem vindo a observar nos outros cenários, o sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras é o que apresenta melhores resultados. Em termos de ganhos verifica-se que em relação ao sistema sem alocação de potência (SCCA), os sistemas com alocação de potência sobre todas as portadoras (SCCAJP) e com alocação de potência para cada portadora individualmente (SCCAIP), para o BER de 10-2 obteve-se um ganho de 1.9 db e 1.2 db respectivamente. Na teoria este cenário devia ser o pior de todos, uma vez que não só os canais estão correlacionados entre si como também temos presente o path-loss nos canais de transmissão, e é isso que se verifica, sobre tudo quando o EbN0 aumenta de valor. No entanto convém salientar que mesmo neste cenário os sistemas de alocação de potência propostos apresentam melhor desempenho que os caso em que não há alocação de potência. 80

81 Sistema usando pré-codificação Figura 6.6 Sistema proposto com codificação Nesta parte do trabalho, os algoritmos propostos foram implementados numa cadeia de simulação desenvolvida na ferramenta Simulink e foi considerado os valores dados nas tabelas 6.1 e 6.3. Além destes parâmetros, também foi usado codificação de canal. A codificação de canal, é uma parte essencial de qualquer sistema prático de comunicações, cuja função é introduzir redundância no fluxo de bits de dados transmitido, de forma a corrigir eventuais erros. Os resultados foram obtidos com um esquema de codificação turbo. De uma forma simplista, este esquema é constituído por dois codificadores convolucionais em paralelo, cada um com oito estados e ainda por um esquema de interleaving interno. A taxa de codificação usada foi 1/2. Neste cenário foram realizadas simulações apenas para os casos SCCA e SCCAjP. Considera-se que os canais do sistema são independentes. Como se pode observar, usando codificação, obteve-se ainda melhores resultados quando comparado com os cenários anteriormente simulados. Note-se ainda que o sistema com alocação de potência sobre todas as portadoras, mais uma vez teve melhor desempenho, apresentando um ganho significativo em relação ao sistema sem alocação de potência. 81