ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE TELECOMUNICAÇÕES DAYNIFE ALMEIDA TIZZO ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS PATOS DE MINAS 2017

2 DAYNIFE ALMEIDA TIZZO ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS Trabalho apresentado à Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, como requisito parcial para aprovação da disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2. Orientadora: Profa. Dra. Karine Barbosa Carbonaro PATOS DE MINAS 2017

3 DAYNIFE ALMEIDA TIZZO ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS Trabalho apresentado à Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia, como requisito parcial para aprovação da disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2. Patos de Minas, 12 de dezembro de COMISSÃO EXAMINADORA: Profa. Dra. Karine Barbosa Carbonaro Faculdade de Engenharia Elétrica Orientadora Prof. Dr. André Luiz Aguiar da Costa Faculdade de Engenharia Elétrica Examinador Prof. Ms. Gustavo Nozella Rocha Faculdade de Engenharia Elétrica Examinador

4 RESUMO A próxima geração do sistema de tecnologia móvel, denominada 5G, é esperada como um dos sistemas capazes de suportar toda a demanda de tráfego de dados futuramente. Nesse contexto, são necessárias algumas adaptações nos sistemas de comunicações móveis atuais, para que essa tecnologia seja capaz de atender toda a demanda e as aplicações esperadas com alto desempenho. A baixa latência e as altas quantidades de tráfego de dados e velocidades são requisitos fundamentais da tecnologia 5G. Por isso, nesse trabalho, propõe-se o estudo comparativo das técnicas de acesso múltiplo dos sistemas de quarta geração e quinta geração. Para assim analisar se a técnica de acesso ao meio a ser implementada no sistema de 5G tem capacidade de atingir os requisitos fundamentais, juntamente com outras técnicas e tecnologias.

5 ABSTRACT The next generation of the mobile technology system, termed 5G, is expected to be one of the systems capable of supporting all future data traffic demand. In this context, some adaptations are required in today's mobile communications systems, so that this technology is able to meet all the demand and applications expected with high performance. Low latency and high amounts of data traffic and speeds are fundamental requirements of 5G technology. Therefore, in this work, it is proposed the comparative study of multiple access techniques of the fourth and fifth generation systems. In order to analyze whether the medium access technique to be implemented in the 5G system is capable of reaching the fundamental requirements along with other techniques and technologies.

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Evolução e caracterização das gerações Figura 2 Tecnologias da 2 G Figura 3 Técnica de acesso ao meio TDMA Figura 4 Técnica de acesso ao meio CDMA Figura 5 Tecnologias da 2,5 G Figura 6 Tecnologias da 3 G Figura 7 Tecnologias da 4 G Figura 8 As três dimensões do volume de tráfego Figura 9 Estimativa de crescimento de tráfego Figura 10 Esquemático NOMA Figura 11 Técnicas NOMA e OMA Figura 12 Cancelamento de interferência sucessiva Figura 13 Downlink NOMA para k usuários Figura 14 Uplink NOMA para k usuários Figura 15 Diagrama de eficiência de largura de banda Figura 16 Alocação de recursos do OMA e do NOMA para 2 usuários Figura 17 Cenário de transmissão assimétrico Figura 18 Cenário de transmissão simétrico Figura 19 Cenário para eficiência com transmissão assimétrica Figura 20 Cenário para eficiência com transmissão simétrica Figura 21 Variação do parâmetro α Figura 22 Comparação das taxas no canal assimétrico Figura 23 Comparação das taxas no canal simétrico Figura 24 Eficiência espectral versus eficiência energética... 45

7 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 1G 2G 3G 4G 5G AMPS AWGN BER CDMA CSI EDGE FCC FDMA Gbps GPRS GSM HetNet HSDPA HSPA HSUPA IOT IP ITU Kbps LTE LTE-A M2M Mbps MIMO mmwave Primeira Geração Segunda Geração Terceira Geração Quarta Geração Quinta Geração Advanced Mobile Phone System Additive White Gaussian Noise Bit Rate Error Code Division Multiple Access Informação de estado do Canal Enhanced Data Rates for GSM Evolution Comissão Federal de Comunicação Frequency Division Multiple Access Gigabits por segundo General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications Heterogeneous Network High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access Internet of Things Internet Protocol International Telecommunication Union Kilobits por Segundo Long Term Evolution Long Term Evolution Advanced Machine to Machine Megabits por Segundo Multiple-Input Multiple-Output Ondas milimétricas

8 NOMA OFDM OFDMA OMA QAM QoS SIC SINR SNR SIM TDMA TTI Non Orthogonal Multiple Access Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Orthogonal Multiple Access Quadrature Amplitude Modulation Qualidade de Serviço Cancelamento Sucessivo de Interferência Sinal de Interferência Mais Relação de Ruído Relação sinal-ruído Subscriber Identify Module Time Division Multiple Access Transmission Time Interval

9 SUMÁRIO CAPÍTULO Cenário atual Problematização Objetivos Estrutura do trabalho CAPÍTULO Introdução Primeira geração Segunda geração Padrão IS Padrão IS Padrão GSM ,5G GPRS EDGE Terceira geração HSPA HSPA Quarta geração CAPÍTULO Introdução Volume de tráfego Ocupação do Espectro Eficiência Espectral Densidade de Elementos por área Técnicas de acesso ao meio Latência Eficiência espectral Cancelamento de Interferência Sucessiva Alocação de energia e cluster Segurança CAPÍTULO

10 4.1 Introdução Teorema da capacidade de canal Capacidade de canal Canal assimétrico Canal simétrico Eficiência Canal assimétrico Canal simétrico Throughput Resultados obtidos Eficiência energética Resultados obtidos Considerações finais CAPÍTULO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 48

11 11 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1. Cenário atual Atualmente, a tecnologia de telefonia móvel implantada pelas operadoras é a quarta geração. O 4G é a evolução do 3G e essas gerações possuem as mesmas características. Porém, a quarta geração apresenta variações significantes nas taxas de dados e serviços adicionais de multimídia [1]. Os usuários do 4G que possuem acesso à rede de internet, podem usufruir de diversos serviços como: dados, fotos, vídeos e ligação de alta qualidade, em qualquer lugar. Esses serviços baseiam-se no protocolo de internet (IP - Internet Protocol), ou seja, utilizam a troca de pacotes. Portanto, a composição da infraestrutura é um conjunto de redes que utiliza o IP [2]. A tecnologia 4G oferece uma velocidade de aproximadamente 100Mbps no download. Por ser uma tecnologia vigente, esta geração ainda está sendo desenvolvida para obter melhor desempenho. Um dos principais serviços oferecidos, pela quarta geração de comunicações móveis, é o acesso dinâmico à informação e o uso de dispositivos wearable [1]. A próxima geração de comunicações móveis exigirá algumas mudanças e necessitará de novas tecnologias para suportar muitos dispositivos, com altas taxas e latência relativamente baixa, para atender seus respectivos requisitos Problematização Atualmente, usa-se muito o termo convergência tecnológica onde o celular agrega recursos de outros equipamentos e mídias. O aparelho celular possibilita enviar mensagens, jogar, assistir a programas de TV, tirar fotos, filmar, ouvir rádio, receber notícias, acessar internet, entre outros. A cada dia, os usuários demandam mais aplicações nesses aparelhos e para atendê-los, cada nova geração deve apresentar maiores taxas de transmissão. Comparando essas taxas tem-se que o 3G alcança alguns megabits por segundo e o 4G fica

12 12 em algumas dezenas de megabits por segundo. O 5G propõe-se alcançar velocidade de transmissão de pelo menos 1 Gbps no download e latência inferior a 1 ms [1] Objetivos Neste trabalho avaliam-se comparativamente as técnicas de acesso dos sistemas de comunicação móvel de quarta e quinta geração. A base do estudo está na avaliação da capacidade do canal, da eficiência espectral e energética nos canais assimétrico e simétrico Estrutura do trabalho No Capítulo 2 apresentam-se as gerações de telefonia móvel destacando as respectivas modulações e as técnicas de acesso ao meio de cada uma delas. Esse histórico evolutivo é necessário para entender da comunicação sem fio. No capítulo 3 apresenta-se uma revisão bibliográfica das características da quinta geração. No capítulo 4 avaliam-se as técnicas de acesso múltiplo NOMA e OMA. Por fim, no capítulo 5 apresenta-se a conclusão deste trabalho.

13 13 CAPÍTULO 2 GERAÇÕES DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS 2.1 Introdução Ao longo dos anos, houve uma relevante evolução no cenário da comunicação sem fio, percorrendo quatro gerações, além disso, ocorreu um aumento significativo no número de usuários da tecnologia móvel. De acordo com os dados da Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL), o Brasil terminou o mês de março de 2017 com 242,8 milhões de celulares e densidade de 117,20 cel/100 hab [3]. Esse número alto de usuários é o resultado da adesão às novas tecnologias na telefonia móvel as quais proporcionam diversas aplicações. Neste capítulo apresenta-se o histórico da evolução e a caracterização das gerações de comunicações móveis ilustradas Figura 1 com ênfase nas técnicas de acesso ao meio. Figura1 Evolução e caracterização das gerações. 1 G anos 80 Telefonia móvel analógica Tecnologias: AMPS Apenas função de voz 2 G anos 90 Telefonia móvel digital Tecnologias: TDMA, GSM, dcmaone Funções de de voz e SMS 2,5 G anos 90 3 G anos G anos 2000 Telefonia móvel digital Tecnologias: GPRS, EDGE, IS95B Funções de voz e dados Telefonia móvel digital Tecnologias: UMTS, HSPA Funções de voz, SMS, internet, vídeo chamadas e TV móvel Telefonia móvel digital Tecnologias: LTE, LTE Advanced Funções de voz, SMS, internet, vídeo chamadas, TV móvel, jogos e computação na nuvem Fonte: A autora.

14 Primeira geração Antes da primeira geração, denominada 1G, de telefonia móvel surgir, as pessoas utilizavam apenas os telefones fixos, no máximo, os telefones sem fio. A primeira geração despertou a necessidade de comunicação sem fio, em tempo real e em qualquer lugar, fora de nossas casas e de nossos locais de trabalho. Por volta de 1980, surgiram os primeiros aparelhos celulares utilizando o sistema avançado de telefonia móvel (AMPS - Advanced Mobile Phone System), padrão analógico adotado pelo Brasil e Estados Unidos da América. Esses celulares eram analógicos e as chamadas de voz tinham baixa qualidade, devido às limitações de cobertura da rede. As células tinham tamanho médio de 500 metros a 10 quilômetros permitindo o handoff [4]. Na tecnologia AMPS foi utilizada a modulação em frequência (FM Frequency Modulation) e o protocolo de acesso de múltiplo acesso por divisão de frequência (FDMA Frequency Division Multiple Access) que consiste na atribuição de um canal a cada usuário, durante uma chamada [5]. 2.3 Segunda geração Por volta de 1990, surgiu a segunda geração de telefonia móvel, denominada 2G. Ela é composta por tecnologias digitais mais estáveis, cobrindo áreas maiores e com a capacidade de suportar uma quantidade maior de usuários do que a 1G [5]. O serviço de Short Message Service (SMS) fez com que a telefonia móvel passasse a fazer parte do cotidiano das pessoas. No final da evolução do 2G disponibilizou-se o serviço de internet utilizando a comutação de pacotes de dados, o canal permanece ocupado apenas quando os dados são transferidos [5]. As tecnologias adotadas na 2G são apresentadas na Figura 2. Figura 2 Tecnologias da 2 G. CDMA 2000 GSM TDMA 2 G Fonte: A autora.

15 Padrão IS-136 A Figura 3 ilustra a técnica de acesso ao meio utilizada no padrão IS-136. Essa técnica de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA Time Division Multiple Access) divide um canal de comunicação em slots em intervalos de tempo alternados. Figura 3 Técnica de acesso ao meio TDMA. Frequência Tempo Fonte: Adaptado de UMTS World (2003). Cada chamada é destinada a dois slots, um slot é utilizado no sentido do aparelho celular para a base e o outro da base para o aparelho celular. A tecnologia TDMA e a sua antecessora utilizam a mesma quantidade de canais. Porém, o TDMA suporta até três vezes mais conexões porque utiliza requisitos digitais e dados comprimidos, ocupando apenas um terço da capacidade do canal, e os dois terços restantes são aproveitados para outras chamadas [5] Padrão IS-95 O padrão IS-95 utiliza a técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA Code Division Multiple Access) ilustrada na Figura 4 [5] para melhorar a capacidade do sistema. Ele não organiza por intervalo de tempo e todas as conexões são realizadas ao mesmo tempo. As informações de cada uma das chamadas recebem uma codificação única e, no receptor, os dados que possui a identificação prevista são aceitos e os demais são ignorados. O CDMA diminui situações de interferências entre as células, possibilitando, em células adjacentes, o uso de frequências iguais. A modulação empregada utiliza os parâmetros

16 16 de fase e de quadratura da onda portadora (QPSK Quadrature Phase Shift Keying) para o sinal de voz. Figura 4 - Técnica de acesso ao meio CDMA. código Canal n frequência Canal 2 Canal 1 Largura de banda Fonte: Adaptado de UMTS World (2003). tempo Padrão GSM O sistema global para comunicações móveis (GSM- Groupe Spéciale Mobile) efetua transmissões baseadas nos padrões TDMA e FDMA. O FDMA divide a largura de banda de 25 MHz em 124 canais e, cada canal tem largura de banda de 200 khz. Uma ou mais destas frequências é atribuída a cada estação-base e dividida utilizando o TDMA com oito timeslots. A modulação utilizada é a GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) baseada nas modulações FSK (Frequency Shift Keying) e MSK (Minimum Shift Keying). Na fase de pré-modulação utiliza um filtro com resposta gaussiana para reduzir a velocidade de transferência de frequências para evitar o espalhamento da energia pelos canais adjacentes. O GSM usa um circuito impresso do tipo smartcard (SIM Subscriber Identity Module) para armazenar dados referentes à linha telefônica e ao usuário, tais como: operadora, número e lista de contatos. O cartão SIM proporciona aos usuários a mudança de aparelho celular sem a mudança do número e, além disso, utiliza a criptografia para evitar que as informações dos usuários sejam indevidamente interceptadas [5]. Em diversos países utiliza-se a tecnologia GSM para facilitar roaming. Uma linha de um lugar respectivo funciona em redes de outros locais, cidades ou países, a partir da infraestrutura da mesma operadora ou de empresas conveniadas a esta.

17 ,5G Essa geração intermediária, 2,5 G buscou solucionar os problemas de capacidade enfrentados pelos sistemas anteriores. Algumas tecnologias adotadas na 2,5 G são apresentadas no diagrama ilustrado na Figura 5. Figura 5 Tecnologias da 2,5 G. CDMA XRT GSM GPRS EDGE TDMA 2 G 2,5 G Fonte: A autora GPRS Na transmissão de rádio por pacote (GPRS - General Packet Radio Service) ocorre à transmissão de dados via internet simultaneamente às chamadas de voz. Esse padrão utiliza no máximo oito slots, porém esses só permanecem ativos quando há envio ou recebimento de dados [5]. Por esse motivo, as operadoras cobram a quantidade de dados transferidos. A transferência de dados possui uma velocidade que atinge 171,2 kbps, mas normalmente não ultrapassa 80 kbps [5]. O GPRS utiliza a utiliza modulação do tipo GMSK também EDGE A evolução do GSM denominada de (EDGE - Enhanced Data rates for Global Evolution) é mais sofisticado que o padrão GPRS [6]. As suas características são similares às especificações do GPRS em relação à utilização de múltiplos slots nas conexões. Mas, o EDGE utiliza a modulação 8-PSK e novos tipos de codificação de canal aumentando a velocidade de transferência de dados. A velocidade máxima teórica da tecnologia é de 473,6

18 18 kbps, mas não ultrapassa 384 kbps [5]. Essa melhora na transferência de dados permite streaming (transmissão contínua de dados). 2.5 Terceira geração A terceira geração popularizou o acesso móvel à internet com qualidade similar às conexões fixas de banda larga. Assim, os usuários tiveram acesso aos recursos de multimídia, streaming e outros. Os padrões que permitiram esta funcionalidade na 3 G são apresentados no diagrama ilustrado na Figura 6. Figura 6 Tecnologias da 3 G. CDMA XRT EVDO GSM GPRS EDGE WCDMA HSPA HSPA+ TDMA 2 G 2,5 G 3G Fonte: A autora HSPA A tecnologia de pacote de acesso de alta velocidade (HSPA - High Speed Packet Access) baseia-se em dois protocolos: o acesso de pacote de downlink de alta velocidade (HSDPA - High Speed Downlink Packet Access) e o acesso em pacotes de uplink de alta velocidade (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access). Esses protocolos utilizam as portadoras de 5 MHz e taxas de transmissão de até 14,4 Mbps no downlink e 5,76 Mbps no sentido uplink. O HSPA oferece velocidade de transferência de dados maior devido à redução no intervalo de tempo de transmissão (TTI - Transmission Time Interval) que varia entre 1 e 3 milissegundos, e em outros padrões o valor é de 10 milissegundos [7].

19 HSPA+ A tecnologia HSPA+ permitiu a comunicação móvel com taxas de até 168 Mbps no download com modulação 64-QAM e 22 Mbps no upload com modulação 16-QAM. Além disso, ela oferece menor tempo de estabelecimento de chamadas, aumento da capacidade para uso de voz (com o uso de voz sobre IP) e suporte a aplicações que exigem grandes quantidades de informações. O HSPA+ manteve o uso de portadoras de 5 MHz e utiliza a técnica de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO Multiple Input Multiple Output). Essa técnica permite a transmissão de informações através de várias antenas, tanto no transmissor quanto no receptor [7] aumentando a taxa de transmissão sem a necessidade de aumentar a faixa de frequência e a potência de transmissão. O MIMO oferece um aumento da eficiência relacionada à quantidade de bits transmitidos por unidade de frequência e a robustez do sinal. 2.6 Quarta geração A quarta geração prioriza o tráfego de dados em vez do tráfego de voz proporcionando uma rede de transmissão de dados mais rápida. Os padrões que compõem a 4 G são apresentados no diagrama ilustrado na Figura 7. Figura 7 Tecnologias da 4 G. CDMA XRT EVDO GSM GPRS EDGE WCDMA HSPA HSPA+ LTE LTE advanced LTE advanced PRO TDMA 2 G 2,5 G 3G 4G Fonte: A autora. A evolução a longo prazo (LTE Long Term Evolution) é aceita como 4G comercialmente. De acordo com a União Internacional de Telecomunicações (ITU International Telecommunication Union), o LTE não cumpre todas as exigências técnicas

20 20 para ser considerado um padrão de quarta geração. Como o HSPA+, o LTE oferece velocidade de transferência de dados de 300 Mbps para download e 75 Mbps para upload [7]. Esses valores dependem da combinação de recursos implementados na rede e do aparelho do usuário. Embora o LTE apresente-se como um padrão avançado, há trabalhos para uma versão melhorada, a Evolução de Longo Prazo Avançada (LTE-A). Essa versão atende os requisitos da ITU para uma tecnologia 4G. O LTE Advanced oferece taxas transferência de dados de até 1 Gbps para download e 500 Mbps para upload [7].

21 21 CAPÍTULO 3 CARACTERIZAÇÃO DA QUINTA GERAÇÃO 3.1 Introdução Um dos objetivos principais do 5G é atender muitas pessoas conectadas ao mesmo tempo na rede utilizando as aplicações que consomem muito tráfego, como streaming de vídeo. A velocidade de transferência de dados final para o consumidor deve ser de 20 Gbps, suficiente para baixar um filme em alta definição em poucos segundos [8]. A latência, tempo que um pacote de dados ou comando leva para ir de um ponto a outro, deve ser extremamente baixa, na faixa de 1 ms [8]. O 5G deve ser um dos maiores avanços da indústria para a popularização da "Internet das Coisas", em que objetos cotidianos e dispositivos (sensores, eletrodomésticos, portas e mais) estão todos conectados entre si [8]. Os carros autônomos, que se dirigem sozinhos, podem se tornar realidade porque os sensores podem enviar as ações para um centro de comando que distribuirá para um setor do carro imediatamente [8]. O armazenamento em nuvem, streaming de vídeo e de áudio via internet móvel também ficarão mais rápidos, os serviços como o Netflix terão qualidade e estabilidade. A realidade virtual terá melhora da qualidade da imagem. A resolução do conteúdo visível nos óculos ficará bem melhor, acabando com um dos grandes defeitos da tecnologia atual. A baixa latência também faz com que os comandos fiquem mais rápidos e a experiência torne-se ainda mais imersiva [8]. A quinta geração deve fazer uma importante diferença e adicionar mais serviços, aplicações e benefícios ao mundo. Esta geração deve ser lançada em O mundo do acesso universal, ininterrupto à informação, ao entretenimento e à comunicação abrirá uma nova dimensão para nossas vidas e mudará significativamente nosso estilo de vida [1].

22 Volume de tráfego Uma rede móvel possui limitação quanto à capacidade de tráfego definida considerando as três dimensões ilustradas na Figura 8 [9]. Figura 8 - As três dimensões do volume de tráfego. Eficiência espectral Ocupação do espectro Fonte: Adaptado de Lima, D. P. P.; Theodoro, L. C.; Dantas, S.; (2014) Densidade da rede As dimensões são discutidas nas subseções: Ocupação de Espectro; Eficiência Espectral; Densidade de Elementos por área Ocupação do Espectro Para sustentar a demanda, até 2020, é necessário um espaço novo no espectro de frequência de largura de faixa de 500 MHz, conforme foi apresentado pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute) no evento Future Mobile Summit. Além desse espaço novo será necessário utilizar algumas tecnologias que inovem no uso do espectro para melhor aproveitá-lo com as aplicações de frequências acima de 6 GHz [9] Déficit Espectral Visto que não há disponibilidade de espectro para atender a precisão de tráfego de dados, algumas alternativas são apontadas para acabar com esse déficit.

23 23 Em [8], o autor descreve que uma alternativa seria reorganizar as bandas existentes para o uso mais eficiente (re-farming). Considerando os preços pagos nos leilões das frequências para LTE, a AIRCOM, uma consultoria de planejamento e otimização de redes móveis, recomenda a realocação de 5 MHz dos espectros das redes de segunda geração (2G) e terceira geração (3G) para o LTE a um preço de 0,5% do valor que seria gasto na aquisição de uma nova frequência. O uso de frequências altas será atribuído a zonas que demandam hot-spot, logo novas bandas licenciadas serão introduzidas. Diante disso, técnicas extraídas da tecnologia de rádio cognitivo serão de grande auxílio, possibilitando acessar e gerenciar a rede [9]. Uma vez que o rádio cognitivo permite utilizar o espectro de rádio de forma mais eficiente, pois essa tecnologia faz um sensoriamento no espectro a fim de acessar e aproveitar o espectro não utilizado ou subutilizado. Visto que, em altas frequências, além da limitação de cobertura, há desafios para serem superados. Além disso, as baixas frequências já estão ocupadas por diversos setores, então o uso da alta frequência, no momento, é apontado como a solução dos problemas de capacidade da 5G [9] Agregação de Portadora A principal finalidade da tecnologia de agregação de portadora é acelerar a velocidade da conexão móvel de dados. Para isso, a tecnologia utiliza diferentes faixas de frequências de forma combinada. Empiricamente, foi possível fazer uma comparação, e perceber que quando a soma das velocidades em uma transmissão com várias portadoras é maior do que as velocidades individuais, devido aos ganhos de eficiência espectral [10]. Sendo assim, por meio da técnica de agregação de portadora é possível aumentar a largura de faixa disponível e a taxa de transferência da rede. Essa técnica foi introduzida pela LTE-A que permite utilizar várias sub-bandas pertencentes às faixas de frequências distintas ou não [9] Eficiência Espectral A latência definida como o tempo que um comando ou pacote de dados leva para ir de um ponto a outro. Segundo [9], modulações de ordens superiores a 256 QAM, coordenação de múltiplos pontos de transmissão e técnicas de gerenciamento de interferência irão melhorar

24 24 o desempenho da borda da célula. Portanto, algumas tecnologias colaboram para aumentar e melhorar a velocidade fazendo com que a latência seja consideravelmente baixa Densidade de Elementos por área. Em redes heterogêneas (HetNet), o acréscimo de células aumenta a capacidade por meio da reutilização de frequências [9]. São três os principais componentes das HetNet[9]: Macro células: consistem em cobertura onipresença e banda larga móvel. Smallcells: promovem redes de grande densidade, altas quantidades de banda e provêm tráfego em áreas de maior necessidade. Inteligência da rede: integra todos os elementos de forma cooperativa. As redes heterogêneas fundamentam-se em uma rede híbrida com controle concentrado, unificado e otimizado. Um conjunto de tecnologias, com diversos tamanhos de células e diferentes arquiteturas de rede, a fim de fornecer soluções às repentinas alterações solicitadas pelos clientes [9]. Para acomodar o aumento das demandas de tráfego de dados, as redes heterogêneas inteligentes serão necessárias, pois elas distribuem de forma ideal as cargas de tráfego de dados. Logo, manterá o desempenho e a qualidade do serviço em áreas mais distantes. Isso implica em gerenciamento da interferência de rádio e uso do espectro de forma mais eficiente, nas bordas das células [9]. Note que três dimensões têm papeis importantes para o aumento do volume de tráfego da rede até Ainda assim, verifica-se que são necessários desenvolvimentos e ganho de desempenho. Segundo a South Korea Telecom [9], cada dimensão tem seu peso para a contribuição do aumento do volume de tráfego na rede. Observando a Figura 9 conclui-se que a ocupação do espectro deve ser amplificada, ao menos, três vezes. Para obter a eficiência espectral estima-se um aumento de seis vezes e a estimativa de aumento da densidade de rede de cinquenta e seis vezes [9]. Por isso, a dimensão que tem maior potencial para desenvolvimento é a densidade da rede porque o uso de células pequenas é uma técnica para ampliar a capacidade total de redes sem fio. Portanto, as redes da quinta geração terão que suportar taxas de dados muito elevadas. Esse requisito será atendido por meio de combinação de tecnologias e uso de largura de banda maior.

25 25 Figura 9 - Estimativa de crescimento de tráfego. Eficiência espectral x6 Ocupação do espectro x3 Densidade da rede Fonte: Adaptado de Lima, D. P. P.; Theodoro, L. C.; Dantas, S.; (2014) x Técnicas de acesso ao meio A Figura 10 ilustra o funcionamento da técnica de acesso múltiplo não ortogonal (NOMA - Non-Orthogonal Multiple Access) apontado pela quinta geração de comunicações móveis. Os usuários são alocados em função dos diferentes níveis de potência para uma determinada condição do canal com objetivo de obter o máximo ganho do sistema. O nível de potência de recepção dos usuários é utilizado para separá-los e há necessidade de implementação de Sucessive Interference Cancelation SIC no receptor do dispositivo móvel [12]. Figura 10 Esquemático NOMA. SIC do sinal do usuário 2 Detecção do sinal do usuário 1 Usuário 1 Detecção do sinal do usuário 2 Potência Usuário 2 Usuário 1 Usuário 2 frequência Fonte: A autora. A técnica permite que diversos usuários compartilhem simultaneamente a mesma frequência, além de aumentar a capacidade de usuários suportados na rede e aumentar a

26 26 eficiência espectral em relação à técnica de acesso múltiplo ortogonal (OMA - Orthogonal Multiple Access), existente na quarta geração [13]. Segundo [13], o NOMA é essencial para lidar com uma conectividade maciça, pois o há um limite no número de usuários atendidos com o OMA, de acordo com os recursos disponibilizados. Em contra partida, o NOMA pode servir muitos usuários, superpondo os sinais. Dessa forma, pode se adaptar a técnica de acesso ao meio para as aplicações de IoT e machine to machine (M2M), onde diversos dispositivos transmitem esporadicamente pacotes. Em vez de usar o agendamento de pacotes com base em OMA, o método NOMA está sendo considerado, pois possui maior robustez para interferências e não requer agendamento, isso ajuda a prolongar a vida útil da bateria dos dispositivos [14] Latência A quarta e quinta gerações distinguem-se quanto aos seus requisitos, à latência nos sistemas de 4G é de 10 milissegundos, enquanto para o 5G a latência exigida é de 1 milissegundo. Dado que a latência, em sistemas de quinta geração, deverá ser relativamente baixa, o OMA não consegue garantir esse requisito amplamente, pois não importa quantos bits deseja-se transmitir, o dispositivo deve aguardar até que um bloco de recurso esteja disponível, ou seja, agendamento. Em contraste, o NOMA possui flexibilidade, pois pode acomodar uma quantidade variável de dispositivos, dependendo da aplicação que está sendo usada e da qualidade de serviço (QoS) do dispositivo [13] Eficiência espectral Em termos de eficiência espectral, o NOMA ultrapassa o OMA porque aperfeiçoa o uso do espectro para uplink e downlink conforme ilustrado na Figura 11. Dessa maneira, cada usuário NOMA pode usufruir toda a largura de banda, enquanto os usuários OMA são limitados a uma menor fração do espectro inversamente proporcional ao número de usuários. Utilizando o OMA, permite-se transmissão com potência total, mas com a largura de banda dividida entre os usuários. Além disso, o NOMA pode ser combinado com outras tecnologias, como múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO) e as ondas milimétricas (mmwave), para obter um melhor rendimento [13].

27 27 Figura 11 Técnicas NOMA e OMA. Ortogonalidade entre os usuários Ortogonalidade entre os usuários Potência Potência (a) OMA frequência (b) NOMA frequência Fonte: A autora. De acordo com o autor [15], a transmissão em mmwave foi identificada como uma das principais tecnologias habilitada para 5G. Tanto o NOMA quanto as comunicações em mmwave são motivadas pelo fato de que os recursos do espectro abaixo de 6 GHz, disponíveis para comunicações sem fio são limitados. Como o NOMA, aumenta a eficiência do espectro, as ondas mmwave utilizam as bandas de frequência menos ocupadas. A Comissão Federal de Comunicações (FCC), em julho de 2016, aprovou mais de 10 GHz de espectro das bandas mmwave acima de 24 GHz, elas estão disponíveis para o 5G. A combinação do NOMA com as ondas mmwave é importante por duas razões: 1. A implementação do NOMA nas redes mmwave fornece uma ferramenta crucial para suportar conectividade maciça. Por exemplo, suponha que uma rede mmwave seja implantada em um centro esportivo com milhares de usuários. O uso do NOMA garante que um grande número de usuários com diferentes requisitos de QoS possam ser atendidos simultaneamente, o que não é possível com o OMA. 2. O crescimento rápido da demanda por serviços de dados emergentes, como a realidade virtual e a realidade aumentada, irá extinguir rapidamente o ganho obtido pelo uso das bandas mmwave. Por exemplo, prevê que uma taxa de dados de 1000 Gbps é necessária para entregar uma telepresença de alta qualidade. O uso do NOMA pode efetivamente melhorar a eficiência espectral das comunicações militares, com as demandas em rápido crescimento. Contudo, a propagação em mmwave possui algumas características que facilitam a combinação das duas tecnologias 5G, como a alta diretividade de transmissão.

28 Cancelamento de Interferência Sucessiva As perspectivas da teoria da informação apontam resultados fundamentais que sugerem que as técnicas baseadas em NOMA resultam em taxas superiores quando comparadas à OMA. Pode-se ressaltar que as técnicas de OMA foram implementadas nas redes celulares de 1G a 4G, principalmente para evitar interferências. Embora a aplicação do NOMA nas redes celulares seja relativamente nova, os conceitos relacionados foram estudados na teoria da informação há muito tempo. Por exemplo, os principais componentes do NOMA, como a codificação de superposição e cancelamento de interferência sucessiva (SIC), foram estudados há mais de duas décadas. Mas, o princípio do NOMA, isso é, a remoção da ortogonalidade, ainda não foi empregado nas gerações anteriores de comunicações móveis [15]. No entanto, o grande interesse por pesquisas sobre o NOMA foi motivado pelo avanço dos processadores que possibilitam a implementação do SIC no equipamento do usuário. Na Figura 12 tem-se a ilustração do funcionamento do SIC que consta no interior do NOMA. Figura 12 Cancelamento de interferência sucessiva. Decodificar o sinal mais forte primeiro Subtrair Decodificar Fonte: A autora. O SIC apresenta questões práticas como complexidade de hardware e propagação de erro. A complexidade de hardware implica que cada usuário precisa decodificar informações destinadas a todos os outros usuários antes de sua própria decodificação SIC. Assim, a complexidade de decodificação é dimensionada através do número de usuários na respectiva célula. Para reduzir a complexidade podem-se dividir os usuários em múltiplos clusters e aplicar a codificação e decodificação dentro de cada cluster. Logo a complexidade torna-se razoável e pode ser tratada. A propagação de erro implica que se houver um erro na decodificação do sinal de um determinado usuário, todos os outros usuários após esse, na ordem de decodificação SIC, serão afetados e seus sinais provavelmente serão decodificados

29 29 incorretamente. Esse problema pode ser compensado utilizando códigos mais rígidos desde que o número de usuários não seja grande. Porém, para evitar a propagação de erro, do lado do usuário deve ter uma informação do estado do canal (CSI) perfeito, assim é possível remover completamente os efeitos dos sinais dos outros usuários do sinal recebido [13]. O CSI imperfeito é um dos principais obstáculos na realização do ganho de desempenho do NOMA, na prática [15]. Um dos principais conceitos do NOMA é a transmissão por superposição e, por isso torna-se necessário um esquema de acesso múltiplo não ortogonal para downlink e uplink. Para o downlink, vários usuários são multiplexados no domínio da energia no lado do transmissor e a separação do sinal multiusuário é feita no receptor. A Figura 13 ilustra o esquemático do cenário de k usuários com acesso múltiplo não ortogonal para downlink. Figura 13 Downlink NOMA para k usuários. UE1 SIC para UEk, UEk-1,..., UE2 Sinal decodificado UE1 x(t) Estação base UE2 SIC para UEk, UEk-1,..., UE3 Sinal decodificado UE2 Sinal decodificado UEk UEk Fonte: A autora. O sinal transmitido pela estação base é mostrado na Equação (3.1). K x(t) = a k P T x k (t) k=1 (3.1) Em que, x k (t) informação individual que transmite a forma de onda OFDM; a k P T coeficiente de alocação de potência para a UE k ; e potência total disponível na BS; Observando a Figura 13 tem-se que o usuário 1 (UE1) está mais próximo da BS e, por isso atribui-se a menor potência, enquanto ao usuário k (UEk) que está mais afastado atribui-se a maior potência.

30 30 E o sinal recebido no usuário UEk é mostrado na Equação (3.2). Em que, y k (t) = x(t)g k + w k (t) (3.2) g k fator de atenuação do canal entre a BS e o usuário UEk; e w k (t) ruído Gaussiano branco aditivo. A relação sinal ruído para o usuário UEk é descrita na Equação (3.3). 2 P k g K SNR k = N 0 W + K 1 2 i=1 P i g K (3.3) Em que, W largura de banda de transmissão; e N 0 densidade espectral do ruído[w/hz]. A Figura 14 ilustra o esquemático do cenário de k usuários com acesso múltiplo não ortogonal para uplink. Figura 14 Uplink NOMA para k usuários. UE1 x1(t) SIC para UEk, UEk-1,..., UE1 Estação base UE2 x2(t) xn(t) UEk Fonte: A autora. Na teoria da informação, a multiplexação não ortogonal de usuários usando a codificação de superposição no transmissor e o cancelamento sucessivo de interferências (SIC) no receptor otimiza a capacidade do canal de transmissão para downlink. Para o uplink, o NOMA também é implementado, com o SIC aplicado no lado da estação base (BS) [16]. O sinal recebido pela BS inclui todos os sinais e é definido como mostrado na Equação (3.4). K y(t) = x k (t)g k + w(t) k=1 (3.4)

31 31 Em que, g k fator de atenuação do canal entre a BS e o usuário UEk; x k (t) forma de onda de informação para os k UE; e w k (t) ruído Gaussiano branco aditivo na BS Alocação de energia e cluster A alocação de energia implica nas taxas de transferência do sistema e na equidade do usuário. Se em uma celular houver mais de dois usuários, os sinais de todos os usuários devem ser sobrepostos em conjunto, como consta na teoria do NOMA, ou seja, ter um cluster maximiza a taxa de transferência do sistema. Porém, na prática ter apenas um cluster pode resultar em uma degradação do desempenho, devido ao erro SIC quando há muitos usuários em cada célula. A solução é ter múltiplos clusters por célula. No entanto, ainda assim é complexo encontrar o cluster ideal. Por isso, os algoritmos de alocação de energia com complexidade razoável e bom desempenho são inevitáveis para implementar NOMA [13] Segurança Em uma transmissão, com o NOMA implementado, o usuário com melhor condição de canal é capaz de decodificar o sinal do outro usuário, esse fato é muito preocupante para a segurança. Este risco de segurança também existe para outras técnicas de acesso múltiplo, por exemplo, um usuário TDMA pode ativar durante um intervalo de tempo não alocado e tentar decodificar a informação de outro usuário [15]. Atualmente, nos sistemas de telecomunicações a segurança é fornecida por técnicas de criptografia. A criptografia, por exemplo, e as abordagens de segurança da camada superior, ainda são relevantes, uma vez que apenas o usuário legítimo possui a chave para decodificar sua mensagem. Ainda, os esquemas de segurança da camada física são de interesse, mas não podem ser facilmente aplicados ao novo cenário [13]. No entanto, alguns estudos iniciais mostram que o uso do NOMA é útil para melhorar a segurança da transmissão.

32 32 CAPÍTULO 4 AVALIAÇÃO DAS TÉCNICAS DE ACESSO OMA E NOMA 4.1 Introdução O NOMA despertou a atenção de universidades e de indústrias, por isso tem se discutido muito sobre. Nas várias configurações e ajustes, os ganhos alcançados pelo NOMA são promissores, considerando redes de comunicações realistas. Contudo, o NOMA, consiste em uma técnica de acesso múltiplo promissora do 5G, que demonstra ser compatível com outras técnicas e tecnologias. 4.2 Teorema da capacidade de canal Nos sistemas de comunicação objetiva-se configurar um dispositivo para o transporte por um canal ruidoso de uma mensagem da fonte de origem ao usuário de destino localizado na outra extremidade. Para isso, a potência de transmissão deve ser permissível, a largura de banda do canal disponível e o custo de construção do sistema devem ser viáveis [17]. Nos sistemas de comunicação digital, a medida de confiabilidade é expressa pela taxa de erro de bits (BER Bit Rate Error). Quanto menor a BER mais confiável será o sistema de comunicação. O terceiro teorema de Shannon, conhecido como teorema da capacidade de informação, afirma que, idealmente, os parâmetros largura de banda e relação sinal ruído relacionam-se como mostrado na Equação 4.1 [17]. C = B log 2 (1 + SNR) (4.1) Em que, B - largura de banda do canal; C capacidade de transmissão do canal (bps); e SNR relação sinal-ruído. A capacidade de informação é definida como a taxa máxima em que a informação pode ser transmitida sem erros através do canal, medida em bits por segundo (b/s). Para uma

33 33 determinada largura de banda de canal e relação sinal-ruído, um sinal de mensagem pode ser transmitido através do sistema sem erros mesmo quando o canal é ruidoso, desde que a taxa de transmissão dos sinais reais na qual os dados são transmitidos através do canal, seja menor do que a capacidade de informação [17]. Nesse teorema transmite-se informação a uma taxa C, definida na Equação 1, com probabilidade de erro arbitrariamente pequena, desde que os sistemas de codificação sejam suficientemente complexos. Não é possível transmitir a uma taxa mais elevada que C em qualquer sistema de codificação sem ter uma probabilidade de erro definida. Dessa forma, o teorema da capacidade de canal define o limite fundamental, conhecido como limite de Shannon, para a taxa de transmissão isenta de erros para um canal gaussiano limitado em potência e em banda. O sinal transmitido deve ter propriedades estatísticas próximas às do ruído branco gaussiano, para aproximar-se desse limite [17]. Nesse contexto, insere-se a noção do sistema ideal, estabelecido como um sistema que transmite os dados a uma taxa de bits (R b ) igual à capacidade de transmissão (C). A Equação 4.2 é a reescrita da Equação 1 em relação aos parâmetros de largura de banda, densidade espectral de potência do ruído branco gaussiano aditivo e potência média transmitida [17]. Em que, B - largura de banda do canal; N 0 2 C = Blog 2 (1 + P N 0 B ) (4.2) - densidade espectral de potência do ruído branco gaussiano aditivo; e P - potência média transmitida. A potência média transmitida é definida na Equação 4.3 [17]. P = E b C (4.3) Em que E b é a energia do bit. E desenvolvendo para um sistema ideal origina-se a Equação 4.4 [17]. C B = log 2 (1 + E bc N o B ) (4.4)

34 34 De maneira equivalente, define-se na Equação 4.5 uma relação (E b /N o ) para a energia do bit e a densidade espectral de potência em termos da relação já definida da capacidade de canal e a largura de banda para o sistema ideal [17]. E b = 2C/B 1 N o C/B (4.5) No teorema de Shannon é definido o diagrama da eficiência de largura de banda ilustrado na Figura 4.1. Observe que o limite da capacidade corresponde ao sistema ideal para o qual R b = C e o valor que representa o limite para um canal AWGN é determinado de acordo com a Equação 4.6 no caso de uma taxa de código igual a zero [17]. ( E b ) = lim ( E b ) N o B N o log 2 = 0,693 (4.6) 10log 0,693 = 1,5926 db A capacidade do canal corresponde ao valor limite e pode ser obtido quando a largura de banda definida na Equação 4.7 tende para o infinito [17]. C = lim B C = P N o log 2e (4.7) = 1,44 P N o A curva definida pelo limite da capacidade corresponde à taxa de bits crítica, ou seja, R b = C que separa as combinações de parâmetros de sistema que têm potencial para suportar transmissão isenta de erros (R b < C) daquelas para as quais não é possível realizar transmissão isenta de erro (R b > C), ilustrado na Figura 15 [17]. O teorema da capacidade de informação do canal demonstra que se R b C há um código corretor de erro, de modo que a informação pode ser transmitida através do canal com uma taxa de erro relativamente pequena. Dessa forma, quando R b > C não é possível transmitir informação sem erro através do canal, mesmo que se utilize um preciso código corretor de erro.

35 35 Figura 15 - Diagrama da eficiência de largura de banda. Fonte: HAYKIN (2004). 4.3 Capacidade de canal Na Figura 16 ilustra-se a alocação de recursos das técnicas de acesso múltiplo a serem avaliadas. Observando a ilustração têm-se os gráficos de potência em relação à largura de banda das técnicas OFDMA (OMA) e o NOMA. Na técnica OMA, cada usuário utiliza metade da largura de banda do canal com uma potência igualitária P. Já na NOMA cada usuário utiliza a largura de banda total do canal, mas com valores de potência diferentes. Figura 16 Alocação de recursos do OMA e do NOMA para dois usuários. Fonte: Adaptado de [19].

36 36 Aplicando a teoria da técnica OMA na Equação 1 obtém-se a capacidade de canal OMA definida na Equação 4.8 [18]. C OMA = 0,5 B [log 2 (1 + SINR 1 ) + log 2 (1 + SINR 2 )] (4.8) Em que, SINR 1 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1; SINR 2 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2; e B - largura de banda. Observe que no OMA a largura de banda B é divida pela metade e, por isso tem-se na Equação 4.8 o valor de 0,5 B. Aplicando a teoria da técnica NOMA na Equação 1 obtém-se a capacidade de canal OMA definida na Equação 4.9. Cada usuário possui uma potência, de modo que essa potência individual influencia na relação sinal-ruído [18]. C NOMA = B [log 2 (1 + (P 1. SINR 1 )) + log 2 (1 + (P 2. SINR 2 ))] (4.9) Em que, B - largura de banda; SINR 1 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1; SINR 2 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2; P 1 potência de transmissão do usuário 1; e P 2 potência de transmissão do usuário Canal assimétrico A Figura 17 ilustra o cenário de canal assimétrico para os valores de SINR do usuário 1 de 20dB e para o usuário 2 o valor de 0dB e largura de banda de 800MHz. Para os usuários 1 (UE1) e 2 (UE2) converteu-se os valores de SINR obtendo os seguintes valores adimensionais: (UE 1) 20 db = 10 2 (UE 2) 0 db = 1 Substituindo esses valores na Equação 4.8 obtém-se o valor numérico da capacidade de transmissão OMA.

37 37 C OMA = 0, [log 2 ( ) + log 2 (1 + 1)] C OMA = (6, ) C OMA = [bps] Figura 17 Cenário de transmissão assimétrica. Fonte: Adaptado de [19]. Fazendo a mesma substituição de valores na Equação 4.9 obtém-se o valor numérico da capacidade de transmissão NOMA. De acordo com a Figura 17 o usuário UE 1 tem valor de potência 1 5 P enquanto que o usuário UE 2 é 4 5 P. C NOMA = {log 2 [1 + ( )] + log 2 [1 + ( )]} C NOMA = (4,39 + 0,84) C NOMA = 4, [bps] Canal simétrico A Figura 18 ilustra o cenário simétrico com largura de banda de 800MHz, o valor de sinal de interferência mais relação de ruído dos usuários 1 e 2 é 10dB convertido em valor adimensional para 10 1.

38 38 Figura 18 Cenário de transmissão simétrico. Fonte: Adaptado de [19]. Fazendo a substituição dos valores na Equação 4.8 obtém-se o valor numérico da capacidade de transmissão OMA no canal simétrico. C OMA = 0, [log 2 (1 + 10) + log 2 (1 + 10)] C OMA = (3,46) C OMA = 1, [bps] Repetindo as substituições na Equação 4.9 obtém-se o valor numérico da capacidade de transmissão NOMA no canal simétrico. C NOMA = {log 2 [1 + ( )] + log 2 [1 + ( )]} C NOMA = (1,58 + 3,17) C NOMA = 3, [bps] Analisando os resultados numéricos obtidos observou-se que o NOMA apresenta maior capacidade de canal do que o OMA tanto em canais assimétricos quanto simétricos. Ele transmite mais dados em uma mesma largura de banda.

39 Eficiência Quando se utiliza o sistema OFDMA/OMA o parâmetro de largura de banda é representado por B (0 < B < 1) Hz. A largura de banda é atribuída ao usuário UE1 e a largura de banda excedente, interpretada como (1 B)Hz, é atribuída ao usuário UE2. A eficiência R i é definida nas Equações 4.10 e 4.11 [19]. R 1 = Blog 2 ( P 1 SINR 1 B + 1) (4.10) R 2 = (1 B) log 2 [ P 2 SINR 2 (1 B) + 1] (4.11) Em que, R 1 eficiência do usuário UE 1; R 2 eficiência do usuário UE 2; P 1 potência de transmissão do usuário 1; P 2 potência de transmissão do usuário 2; SINR 1 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1; e SINR 2 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2. Já no sistema NOMA, a largura de banda é constante para todos os usuários, mas a potência é atribuída propocionalmente (P 2 = P TXmáx P 1 ). Para esse sistema, a eficiência na detecção livre de erros pode ser calculada de acordo com as Equações 4.12 e 4.13 [19]. R 1 = log 2 (P 1 SINR 1 + 1) (4.12) R 2 = log 2 ( P 2SINR 2 P 1 + 1) (4.13) Em que, R 1 eficiência do usuário UE1; R 2 eficiência do usuário UE2; P 1 potência de transmissão do usuário 1; P 2 potência de transmissão do usuário 2; SINR 1 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1; e SINR 2 sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2.

40 Canal assimétrico Nessa seção apresenta-se um exemplo para calcular a eficiência dos usuários nos sistemas OMA e NOMA de acordo com os parâmetros apresentados na Figura 17. Os valores de SINR apresentados na Figura 19 são utilizados para configurar um canal de transmissão assimétrico. Figura 19 Cenário para a eficiência com transmissão assimétrica. Fonte: Adaptado de [19]. Novamente utiliza os parâmetros B = 0,5e P 1 = P 2 = 1 P. Aplicando esses valores 2 nas Equações 4.10 e 4.11, tem-se, respectivamente para o OMA: 100 R 1 = 0,5 log 2 ( 0, ) = 3,33 [bps/hz] 1 2 R 2 = 0,5 log 2 ( + 1) = 0,5 [bps/hz] 0,5 Já para o cálculo da eficiência espectral dos usuários no sistema NOMA considerou-se que o usuário UE1 apresenta P 1 = 1 P e o usuário UE2 P 5 2 = 4 P. Aplicando esses valores nas 5 Equações 4.12 e 4.13, tem-se, respectivamente: R 1 = log 2 ( ) = 4,39 [bps/hz] R 2 = log 2 ( 4 + 1)= 0,7369 [bps/hz] 1+ 5 Observando os valores numéricos tem-se um aumento de 31,83 % e 47,38 % para UE1 e UE2, respectivamente, ou seja, um ganho visível da eficiência do NOMA em relação ao OMA.

41 Canal simétrico Nessa seção apresenta-se um exemplo do cálculo da eficiência dos usuários nos sistemas OMA e NOMA em um canal de transmissão simétrico. Os parâmetros aplicados nas equações são apresentados na Figura 18. Figura 20 Cenário para a eficiência com transmissão simétrica. Fonte: Adaptado de [19]. No OMA, o cálculo da eficiência dos dois usuários utiliza os parâmetros B = 0,5e P 1 = P 2 = 1 P critério de equidade proporcional. Aplicando esses valores nas Equações e 4.11, tem-se, respectivamente: 10 R 1 = 0,5 log 2 ( 0, ) = 1,73 [bps/hz] 10 2 R 2 = 0,5 log 2 ( + 1) = 1,73 [bps/hz] 0,5 Já para o cálculo da eficiência espectral dos usuários no sistema NOMA considerou-se que o usuário UE 1apresenta P 1 = 1 P e o usuário UE 2 P 5 2 = 4 Pcomo ilustrado na Figura Aplicando esses valores nas Equações 4.12 e 4.13, tem-se, respectivamente: R 1 = log 2 ( ) = 1,58 [bps/hz] R 2 = log 2 ( 4 + 1)= 2,92 [bps/hz] 1+ 5 Observando os valores numéricos tem-se um redução de 8,67% para UE 1 e aumento de 68,78 % para UE 2. Não fica evidente a eficiência do NOMA em relação ao OMA.

42 Throughput Em sistemas de comunicações, que realizam envio de pacotes e de dados, pode-se estimar a taxa de transferência (Throughput) ou vazão do mesmo. Esse termo refere-se à quantidade de dados enviados de um ponto a outro. Mas pode-se analisar quanto à taxa de transferência efetiva de um sistema. Em uma rede de 5G não é diferente, o throughput pode ser calculado utilizando a Equação K U(t) = R k(t) 1 α 1 α K=1 (4.14) O parâmetro α pode variar de zero a infinito, sendo 0 < α <, quanto mais próximo de zero a situação é considerada boa. Mas quanto mais próximo de infinito considera-se uma situação ruim. A Figura 21 ilustra o parâmetro α que controla o tradeoff entre a eficiência do sistema e a equidade dos usuários Figura 21 Variação do parâmetro α. Fonte: A autora. Contudo não há distinção para um canal simétrico e canal assimétrico. Dessa forma, a Equação 4.14 apresentada é utilizada em ambos os casos Resultados obtidos A Figura 22 ilustra os resultados das Equações 4.10, 4.11, e 4.14 nas condições que caracterizam um canal assimétrico. Observe que quando se utiliza a técnica NOMA, os usuários conseguem taxas mais elevadas (UE2 = 1 bps/hz e UE1 = 6,658 bps/hz) em relação aos usuários (UE2 = 0,584 bps/hz e UE1 = 5,63 bps/hz) que utilizam o OFDMA. Para o usuário UE2 que está mais afastado o valor cai 41,6 % equanto que para o usuário UE1 a queda é de apenas 15,44%.