Após 3G

Após 3G
pós 3G é a designação oficial do
IEEE para a maioria dos estágios
da tecnologia de comunicação
sem fio que alguns chamam de 4G
ou rádio de quarta geração. Ao
longo dos anos, toda a evolução conceitual
dessa tecnologia tendo sido caracterizada
como uma mudança de geração. Com
uma boa dose de percepção, a maioria
dos sistemas de rádio bem como suas gerações podem ser
classificados em categorias como mostrado na Tabela 1.
Poucos sistemas de primeira geração (1G) ainda se mantêm
em operação, exceto nos Estados Unidos, onde o AMPS
(Sistema de Avançado de Telefonia Móvel) é mantido apenas
como um sistema básico universal. A maioria dos serviços é
atualmente de segunda geração (2G) denominada Sistema
Global de Comunicações Móveis (GSM) e compreende
ampla disseminação do desenvolvimento de acesso múltiplo
por divisão de código (CDMA). CDMA é um
avanço conceitual de sistemas 2G, tipificados
como GSM, que são então classificados, geralmente, como 2,5G. A terceira geração
oferece um aumento significativo de capacidade, sendo o sistema ótimo de acesso a dados em banda larga. A terceira
geração inclui redes de banda larga
móveis de multimídia e sistemas
móveis de banda larga mistos. Os
sistemas móveis suportam taxas
de transmissão de dados variáveis dependendo da demanda e
do grau de mobilidade. Tipicamente uma taxa de 144 kb/s é
suportada para mobilidade veicular total e bandas mais largas
para pedestres em movimento.
Técnicas de rádio por chaveamento de pacotes e sistemas como o
CDMA de banda larga (como também é o canal físico) são necessárias
para suportar esse ambiente de largura
de banda sob demanda, ao invés de esquemas de atribuição de canal físico (referido
como circuito comutado). Há dois conceitos
essenciais após 3G. Um deles é a disponibização da transmissão de dados a taxas de 100
Mb/s em movimento e 1Gb/s em estado estacionário. O outro é o de redes pervasivas nas quais
um equipamento suporta muitas tecnologias de
acesso (por exemplo, celular, UMTS e WiFi)
Michael Steer (e-mail: [email protected]) is with the
Department of Electric and Computer Engineering,
North Carolina State University,
Raleigh, NC 27695-7914 USA.
7[Type text]
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IEEE microwave magazine
1527-3342/07/$25.00©2007 IEEE
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simultaneamente ou com transição suave entre elas.
Por exemplo, para suportar dados de alta velocidade, é
mais eficiente usar uma rede WiFi disponível que uma
rede UMTS.
Dois avanços tecnológicos que viabilizaram o conceito de
alta taxa de transmissão de dados se constituem nas bases
da evolução das comunicações celulares e das redes
wireless. Um avanço é a OFDM, multiplexação ortogonal
por divisão de freqüência, que envia múltiplas seqüências
de bits relativamente lentas, cada seqüência por uma de
um grande número de portadoras. A OFDM reduz o
impacto do desvanecimento, uma vez que os símbolos
são espalhados através de longos períodos de tempo. O
outro avanço é MIMO, múltiplas entradas e múltiplas
saídas, que se baseia em multipercursos para enviar
múltiplas versões de várias seqüências de bits
transmitidas por várias antenas. Esses esquemas são
discutidos abaixo sendo com eles possível aumentar
sobremaneira a eficiência espectral.
OFDM
Em OFDM, dados são transmitidos simultaneamente em
múltiplos subportadoras com a propriedade especial que
as subportadoras são ortogonais e espaçadas precisamente
em freqüência. Cada subportadora é modulada de tal
modo que cada uma se torna um subcanal transportando
sua seqüência de dados própria. Isso é mostrado no
espectro da Figura 1, onde as setas no topo indicam
pontos de amostragem para duas subportadoras. As duas
subportadoras são idealmente ortogonais. Isso pode ser
visto, em parte, notando-se que o pico de uma portadora
está exatamente nos zeros das outras. Quando uma
portadora é amostrada, a contribuição de todas as outra é
zero – elas são ortogonais. Os espectros das
subportadoras se sobrepõem, mas isso não importa. Este
esquema viabiliza a transmissão de dados em alta
velocidade através de canais possivelmente hostis de uma
banda não regulamentada. OFDM é uma técnica de
espalhamento espectral em um grande número de
subportadoras. O impacto do desvanecimento é mitigado
uma vez que cada subportadora tem uma banda
relativamente estreita ou, em tempo, uma duração longa.
Assim, tendo em efeito muitas relativamente lentas
seqüências de bits, o efeito de multipercurso pode ser
reduzido relativamente a uma única seqüência de bits de
alta velocidade. A intensidade do sinal e a interferência e,
portanto, a relação sinal-interferência pode ser diferente
em cada subcanal e isso pode ser compensado com taxas
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de bits diferentes em cada subcanal e ajustando-se a
potência em cada subcanal.
OFDM
pode
ser
implementado
utilizando-se
moduladores e demoduladores separados para cada
subacanal. É também possível e mais prático substituir os
moduladores e demoduladores separados por uma
implementação de transformada rápida de Fourier (FFT)
e da transformada inversa (iFFT), respectivamente, em
um processador digital (DSP). Esta implementação
FFT/iFFT é denominada multitom discreta (DMT) ou
OFDM/DMT.Nela as subportadoras compartilham uma
portadora comum e as saídas em freqüência da FFT das
seqüências de bits são as subportadoras. Geralmente cada
subportadora tem sua própria seqüência de bits sendo a
seqüência de bits total transportada por 256
subportadoras, por exemplo. Com codificação com
correção de erros à frente (FEC), uma grande parte dos
bits pode ser perdida (porque cada subportadora
“colide”com outros sinais) mas a seqüência de dados
ainda pode ser recuperada.
Infelizmente a relação potência de pico – potência média
(PAR) em OFDM é alta. Como resultado, a distorção
não-linear no estágio de recepção de entrada é mais
problemática que para outros tipos de sinal e daí a
necessidade de se ter amplificadores mais lineares. Uma
abordagem deste problema e enxergar o sinal OFDM
como a composição de um grande número de tons. Na
prática, a PAR é reduzida por ceifamento do sinal no DSP
(assim alguns dados são perdidos). Entretanto, através de
codificação é possível livrar-se desses erros e regenerar
os bits perdidos. Na situação ideal, as subportadoras são
ortogonais, mas deslocamentos de tempo e freqüência
fazem com que os subcanais interfiram uns nos outros.
Essa interferência pode ser reduzida limitando-se o
número de subcanais e usando-se formas de pulso
especiais que são mais robustas a erros de tempo.
OFDM é o método apropriado de transmissão por rádio
digital, TV digital, redes de alta velocidade sem fio locais
e de áreas metropolitanas [WLAN e WMAN,
respectivamente, p.ex., WiFi, (especificamente o padrão
de WLAN IEEE 802.11a atingindo 54 Mb/s [1]-[3]) e
WiMax (especificamente o padrão WMA N IEEE 802.16
atingindo 18.36 Mb/s [4]-[6])], e Internet de banda larga
através de linhas telefônicas digitais de assinante (DSL).
A da eficiência espectral do OFDM e próxima da
eficiência espectral máxima. O sistema OFDM
implementado no padrão IEEE 802.11a, um tipo de WiFi,
emprega vários formatos de modulação, com diferentes
taxas, como mostrado na Tabela 2. A diferença entre o
número de bits de dados por símbolo e o número de bits
codificados por símbolo corresponde a codificação
adicionada no DSP para correção de erros e para fornecer
informações adicionais sobre o canal. A relação entre o
número de bits de dados e o número de bits de código é a
taxa de codificação.
O sistema descrito no padrão IEEE 802.16, em geral
conhecido como WiMax, também utiliza OFDM. Ele é
projetado para cobrir uma vasta área geográfica e, por
isso, é designado como uma WMAN. É um sistema
celular de aplicação universal com reutilização de
freqüências e com células que normalmente tem poucos
quilômetros de diâmetro.
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A taxa de enlace de descida tem tipicamente uma média
de 3 Mb/s em uma banda de 5 MHz quando há uma única
antena receptora e antenas de transmissão de três setores.
Na mesma banda de 5 MHz, 7 Mb/s podem ser obtidos
com duas antenas receptoras e com células de seis
sectores (e, conseqüentemente, menor interferência vinda
de outras células). WiMax usa vários formatos de
modulação, como mostrado na Tabela 3. Uma modulação
de ordem superior, tal como 64 – QAM, só pode ser
alcançada quando a interferência for baixa.
Capacidade
O conceito de eficiência espectral é importante em
comparação com diferentes taxas e sistemas de
modulação. A eficiência espectral tem a sua origem no
teorema de Shannon que expressa a capacidade de
transmissão de informações de um canal como
Ĉ=
ln (1 + ⁄ )
(1)
onde Ĉ é a capacidade em bits por segundo, é BC a
largura do canal em Hertz, S e N são o sinal e a potencia
de ruído, sendo portanto S/N a relação sinal-ruído (SNR).
Assume-se que N é um ruído Gaussiano e assim a
interferência pode ser aproximada como Gaussiana e
pode ser incorporada por adição de potencias de ruídos e
interferências, sendo assim mais adequado utilizar SIR.
Desse modo, o teorema de capacidade de Shannon (1)
torna-se
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OFDM reduz o impacto do
desvanecimento pois os símbolos
estão espalhados relativamente por
um longo período de tempo.
Ĉ=
ln [1 + ⁄( + 1)] =
ln (1 +
)
(2)
O teorema de Shannon, não pode ser provado, mas é
amplamente aceito como limite superior para a
capacidade de transmissão de informação de um canal.
Assim, maior potência do sinal, ou menor interferência,
definem a maior capacidade de transporte de informações
de um canal. Na verdade, se não há ruído e nenhuma
interferência, a capacidade de transporte de informação é
infinita. A equação de capacidade de Shannon (2) nos diz
que o aumento do nível de interferência resultando em
menor SIR, tem um efeito menor sobre a redução da
capacidade do que poderia ser inicialmente esperado. Em
outras palavras, duplicando-se o nível de interferência, C
não é reduzida a metade. É esta a visão conceitual que
permite o uso de células menores e reutilização de
freqüências com o conseqüente aumento da interferência,
sendo seu efeito moderado sobre a capacidade,
compensado pelo aumento do número de células.
O limite de capacidade de transporte de Shannon nunca
foi atingido, mas os atuais sistemas de rádio estão muito
próximos disso. Diferentes sistemas de modulação de
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OFDM é uma técnica de espalhamento
espectral onde os dados são
distribuídos por um grande número de
subportadoras.
rádio aproximaram-se do limite, sendo que duas
quantidades foram introduzidas para descrever o
desempenho dos diferentes esquemas. A partir da fórmula
de capacidade, podemos definir uma medida útil para o
desempenho de esquemas de modulação. E a chamada
eficiência do canal (ou a eficiência do espectro de canal,
ou, às vezes, eficiência espectral do canal) dada por
=
/
(3)
onde Rc (em bits por segundo) é a taxa de bits
transmitidos no canal, sendo portanto ηc são os bits
unitários por segundo por hertz (b/s/Hz). A unidade de
b/s/Hz é adimensional, uma vez que Hertz tem unidade
de s-1. Entretanto, a utilização de b/s/Hz mantém
informação sobre o significado dessa grandeza. (Da
mesma forma decibel é adimensional, mas é um
quantificador importante).
Em um sistema celular, o número de células por grupo
também deve ser incorporado para se obter um sistema de
medida [7]. Os canais disponíveis são divididos entre as
células de um grupo, e um canal de uma célula e
considerado como uma interferência para uma célula
correspondente de outro grupo. Assim, a SIR é
aumentada, e a capacidade do canal diminuída. Contudo,
o rendimento do sistema aumenta, devido a diminuição
do tamanho das células. Desse modo, a taxa de
transferência do sistema é função do padrão de
reutilização de freqüências. A métrica adequada é a
eficiência do espectro de radiofreqüências ηr que
incorpora o número de células K por grupo
=
=
(4)
Aqui, Rb é a taxa de bits de informação útil, isto é
descontando-se a codificação da taxa de bits do canal Rc
(Rc é superior a Rb devido a codificação). Codificação é
utilizada para permitir correção de erros, auxiliar a
identificar o início e o fim de um pacote de dados e
permitir ortogonalidade de usuários em alguns sistemas
em que estes se sobrepõem, como no CDMA. A unidade
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de ηr é bits por segundo por hertz por célula ou seja
b/s/Hz/célula. A diminuição da capacidade do canal
resultante do aumento da SIR associada com menos
células em um grupo e, portanto, mais próximas, ou
seja, menor K, é mais que compensada pelo aumento da
vazão do sistema.
Ha duas definições de eficiência espectral; uma é a
eficiência do espectro do canal ηc que caracteriza a
eficiência de um esquema de modulação e outra é a
eficiência do espectro de rádio ηr, que incorpora a
interferência adicional devida à reutilização de
freqüências. Na verdade, a interferência devida a
reutilização de freqüências é o ruído dominante em um
sistema celular, e o ruído de fundo é muitas vezes
ignorado na avaliação de desempenho. Geralmente,
ambas as medidas de eficiência são referidas como
eficiência espectral e apenas as unidades distinguem a
que se referem.
Em resumo:
 Ĉ é a taxa de bit de canal máxima teórica sob
certas condições.
 Rc é a taxa de bit de canal real sob as mesmas
condições.
 Rb é a taxa de bit de canal real sob as mesmas
condições menos sobrecarga associada à
codificação.
MIMO
A tecnologia MIMO utiliza várias antenas para transmitir
e receber sinais. O conceito de MIMO foi desenvolvido
na década de 1990 [8] - [10] e aplicado em uma variedade
de sistemas WLAN e na evolução das normas de
comunicações celulares. Há vários aspectos em MIMO.
Primeiramente, cada antena transmissora envia diferentes
fluxos de dados simultaneamente na mesma freqüência de
canal utilizada por outras antenas de transmissão. Em
seguida, a característica mais interessante em que a
tecnologia MIMO se baseia são sinais se propagando por
vários percursos entre uma matriz de antenas de
transmissão e uma série de antenas de recepção. Em um
sistema de comunicação convencional, os diversos
percursos resultam em interferências e desvanecimento,
mas em MIMO estes percursos são utilizados para
transportar mais informação. Em um sistema MIMO,
cada percurso propaga uma imagem de um sinal
transmitido (a partir de uma antena) que difere em amplitude e fase das imagens em outros caminhos. Cada
imagem chega a uma das antenas de recepção por vezes,
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com tempos ligeiramente diferentes e as diferenças de
fase são usadas para diferenciá-las. Efetivamente, há
múltiplas conexões entre cada antena transmissora e cada
antena receptora; veja Figura 2. Para simplificar, três
antenas de transmissão e três antenas receptoras são
mostradas aqui. MIMO, no entanto, pode trabalhar com
apenas duas antenas de transmissão e uma receptora, mas
a capacidade é muito maior com mais antenas. Um fluxo
de dados de alta velocidade é dividido em vários fluxos
de dados mais lentos como mostrado na Figura 2, os
fluxos de dados a, b, e c. Os fluxos de bits são mapeados
em diferentes versões de fluxos de dados, são
combinados, modulados e enviados a partir de cada
antena transmissora como uma constelação de diagramas
rotulados A, B e C. O sinal de cada antena transmissora
atinge todas as antenas receptoras seguindo percursos
diferentes.
A saída de cada antena receptora é uma combinação
linear dos vários feixes de dados transmitidos com
amostras de diagramas fasoriais de RF rotulados M, N e
O. (não é realmente apropriado chamar essas constelação
de diagramas.) Em outras palavras, cada antena recebe
uma combinação linear diferente das imagens múltiplas.
Com efeito, a saída de cada antena de recepção pode ser
considerada como sendo a solução de uma equação linear
com cada percurso correspondendo a uma equação.
Seguindo a mesma analogia, o sinal de cada antena de
transmissão representa uma variável. Assim, o conjunto
OFDM é um método de transmissão
para rádio digital, TV digital, rede sem
fio de alta velocidade local e
metropolitana e Internet de
banda larga sobre linhas
digitais de assinante
informações que podem ser utilizadas para auxiliar na
reconstrução dos sinais sobre os outros. Esta é a
caracterização de canal mais robusta com sinais de teste
enviados em tempos diferentes.
Com o advento da tecnologia MIMO, é necessário alterar
a expressão do limite da capacidade de Shannon pois os
sistemas MIMO podem exceder de forma global o limite
de Shannon definido para um único canal. O limite da
capacidade de Shannon em um sistema MIMO torna-se
Ĉ=
ln (1 +
)
(5)
onde H é um fator de capacidade de MIMO que depende
de min(M, N) e efetivamente dos múltiplos sinais SIR
[12].
A capacidade de um sistema MIMO com alta SIR e
de equações simultâneas pode ser
resolvido para se obter os fluxos
de bits originais. Isto é feito por
demodulação e mapeamento com
algum
conhecimento
das
características do canal que realiza
a transmissão original dos sinais
modificados por interferências. O
resultado é que a constelação de
diagramas de W, X e Y é obtida.
O canal composto pode ser
caracterizado utilizando-se sinais
de teste. A codificação especial de
espaço-tempo
(ou
espaçotemporal) que é uma codificação
contida no fluxo de dados
transmitidos, também permite uma
estimação
da
matriz
de
comunicação. Ela codifica cada
fluxo de dados transmitidos com
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Em um sistema MIMO, cada trajeto
propaga uma imagem de um sinal
transmitido que difere em amplitude
e fase das imagens que seguem por
outros trajetos.
escalas aproximadamente lineares com o mínimo de M e
N, min (M, N), onde M é o número de antenas
transmissoras e N é o número de antenas receptoras
(desde que exista um grande numero de percursos) [12]
[13]. Assim, um sistema com M = N = 4 terá quatro
vezes a capacidade de um sistema com apenas uma
antena de transmissão e uma antena de recepção. Sob
condições piores, a capacidade obtida é ligeiramente
inferior. A Tabela 4 apresenta a capacidade de um
sistema MIMO com modulação por chaveamento de fase
(PSK) ideal (ou seja, sem modificações para controlar a
PAR) e duas antenas transmissoras e receptoras. Este
sistema é comparado com a capacidade de um sistema
convencional (não-MIMO). A capacidade é apresentada
em bits por segundo por Hertz. Nota-se que aumentos
significativos de rendimento são obtidos quando a SIR é
alta. MIMO é incorporada nas normas WiMax (IEEE
802.16d) e Wi-Fi (IEEE 802.11n) tendo eficiências
espectrais de 6,35 b/s/Hz sido obtidas em sistemas
comerciais.
Em resumo, sistemas MIMO atingem taxas e faixas
melhores através de quatro vantagens obtidas
simultaneamente:
1) O ganho médio resultante dos arranjos aumenta
através da redução da SNR obtida pela combinação
coerente dos sinais de entrada e de saída. Para
explorar isso, o canal deve ser caracterizado. Isto
aumenta a cobertura e a qualidade de serviço (QoS).
2) O ganho de diversidade obtido mediante a presença
no receptor de múltiplas cópias idênticas de um
dado sinal combate os desvanecimentos. Isso
também aumenta a cobertura e a QoS.
3) O ganho de multiplexação por transmissão
independente dos sinais de dados a partir de
diferentes antenas aumenta a taxa de transmissão.
Isso aumenta a eficiência espectral.
4) Redução de interferências co-canal. Isso aumenta a
capacidade celular.
MIMO pode ser combinado com espalhamento para se
obter um esquema denominado MIMO-CDMA. MIMOCDMA consegue maior capacidade que MIMO-OFDM
quando a SIR é baixa, geralmente abaixo de 10 dB [14].
No entanto, com SIR alta, MIMO-OFDM alcança maior
capacidade que MIMO-CDMA.
Resumo
Parece haver poucas dúvidas que, após os sistemas de
comunicação celular 3G, novas tecnologias serão
baseadas em uma combinação de OFDM e MIMO
(MIMO-OFDM) ou uma combinação de MIMO e CDMA
(MIMO-CDMA). Há um enorme aumento na capacidade
de transporte de canal, especialmente quando a SIR é alta.
A capacidade média da taxa de dados de sistemas 2G
(GSM e CDMA) é contrastada com a capacidade da rede
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3G (WCDMA) que são denominados sistemas 3G e 4G
avançados na Figura 3. Um sistema 3G avançado
(evolução de terceira geração celular) incorpora muitas
das características de 4G. Quarta geração é a
implementação de tecnologias MIMO e OFDM ou
CDMA com codificação de espaço-tempo. Para ser um
projetista eficaz de hardware de RF, os engenheiros
precisam estar intimamente familiarizados com as
propriedades dos sinais e compreender conceitos de
comunicações cada vez mais sofisticados.
Referências
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