interleaving, diversidade e multiplo acesso

Prévia do material em texto

Interleaving 
 
O interleaving ou entrelaçamento, é uma técnica utilizada em sistemas 
codificados tem como função principal aumentar a capacidade de correção 
para ocorrência de erros em rajada ou surto. 
A técnica mais simples e também uma das mais utilizadas, consiste em 
escrever as palavras codificadas em uma matriz no sentido das linhas, e 
transmitir a informação codificada no sentido das colunas. Desta forma um erro 
de comprimento J que ocorreria em uma única palavra, normalmente 
excedendo a capacidade de correção do código, é espalhado em J palavras, se 
a profundidade da matriz N for maior que J. Assim um dos critérios para 
escolha da profundidade da matriz de interleaving é o tempo de coerência do 
canal. 
Assim busca-se atender, ( onde Tb é o intervalo de duração de um símbolo 
enviado) 
 
Então, 
 
No entanto, uma vez que o processo de interleaving introduz uma latência no 
processo de recepção do sinal. O atraso causado deverá ser inferior ao atraso 
máximo aceitável pelo sistema . Assim temos para um sistema de 
transmissão binária. 
 
Fazendo o comprimento de palavra L = M, que é o número de colunas da 
matriz de interleaving podemos escrever: 
 
 
 
Exercício: 
Seja um sistema operando em 2GHz que gera pacotes( palavras código) de 
L=50 para serem inseridas em uma matriz de interleaving. Supondo que o 
canal rádio transmite a uma taxa de 100kbit/s e que o serviço suporta um 
retardo máximo de 500ms. Determine a profundidade da matriz de interleaving, 
para que a técnica de interleaving seja efetiva para um móvel se deslocando a 
velocidades superiores a 120km/h. 
 
Diversidade: 
 
A ideia básica das técnicas de diversidade, é proporcionar ao receptor várias 
versões do sinal transmitido que sejam estatisticamente independentes, de 
maneira que as diversas versões dos sinais presentes no receptor possam ser 
utilizadas de maneira a permitir uma melhor estimativa do sinal enviado. 
Existem diversas técnicas de diversidade: 
1 Diversidade temporal. O sinal é enviado diversas vezes buscando 
estabelecer um intervalo maior que o tempo de coerência entre duas 
transmissões consecutivas. Na pratica para sistemas móveis esta técnica é 
impraticável devido a latência inerente a este mecanismo. 
2 Diversidade em frequência. O mesmo sinal é enviado em duas bandas de 
frequência distintas. Neste caso o custo é o gasto do dobro da banda 
normalmente necessária para transmitir o sinal. Para sistemas de 
comunicações móveis esta técnica também leva a um custo elevado de 
sistema. (É comum a utilização desta técnica em sistemas de rádio enlace). 
3 Diversidade espacial. Nesta técnica duas ou mais antenas receptoras são 
espaçadas de forma a que o sinal recebido em cada antena seja 
estatisticamente independente dos sinais recebidos nas demais antenas. 
4 Diversidade em polarização. Esta técnica lança uso da polarização da antena 
para transmissão do sinal, o mesmo sinal é enviado em polarizações 
ortogonais entre sí. Esta técnica é também comumente utilizada para dobrar a 
capacidade do sistema, neste mecanismo é comum a necessidade de um 
circuito XPIC (do inglês. cross polarization interference canceler), devido 
imperfeições na ortogonalidade das polarizações no processo de construção da 
antena. 
 
Diversidade espacial 
 
Lembrando que, 
 
Função de autocorrelação dos desvanecimentos rápidos 
 
 
Frequência Doppler, 
 
 
 
Do ponto de vista espacial, podemos dizer que o sinal em dois pontos de 
recepção diferentes tem um pequeno nível de correlação para valores de ε / λ 
maior que 0,5. Ou seja, duas antenas separadas por uma distância maior do 
que 0.5 λ recebem sinais praticamente não correlacionadas, ou seja, os níveis 
de sinal são independentes. 
 
 
A figura abaixo mostra um esquema genérico de um sistema de recepção 
utilizando diversidade de espaço. 
 
Exemplo1 
Seja um sistema GSM operando a 900MHz, então, 
 
Neste caso a diversidade espacial se mostra não aplicável devido ao espaçamento necessário 
entre as antenas e as dimensões de um terminal móvel. 
 
Exemplo 2. 
Considere um canal que apresenta um distribuição de Rayleigh, e cuja a relação sinal ruído média 
é de 10dB. Então a probabilidade da relação sinal ruído cair abaixo de 3dB pode ser escrita como: 
 
 
Se o receptor possuir duas antenas suficientemente espaçadas, o sinal recebido em uma antena 
é estatisticamente independente do sinal recebido na outra antena. O sinal recebido só estará 
com uma relação sinal ruído abaixo de 3dB, se a relação sinal ruído em cada antena estiver 
abaixo de 3dB, ou seja. 
 
RECEPTOR 
Diversidade por comutação: 
Nesta técnica também chamada de comutação seca ou com perda de bits, a qualidade do sinal 
recebido em uma das antenas é monitorado continuamente, e caso seja detectada uma 
degradação significativa do sinal recebido, o sistema chaveia para uma a antena de diversidade, 
conforme a figura abaixo. 
 
 
 
 
Diversidade por seleção: 
Nesta técnica também chamada de comutação Hitless ou sem perda de bits, a qualidade do sinal 
recebido em ambas as recepções, é monitorado continuamente, e caso seja detectada uma 
degradação pré-determinada do sinal recebido, o sistema chaveia de maneira suave (sem perda 
de bit) para a recepção com melhor qualidade de sinal. Este esquema também é utilizado como 
sistema de redundância à falhas. 
 
 
 
 
Critério de 
comparação 
Critério 
Diversidade por combinação. 
Nesta técnica, os sinais recebidos em cada antena são combinados na 
recepção. Nesta técnica devido às fases dos sinais poderem se somar de 
forma destrutiva, é necessário um circuito chamado “comb” que garante a 
rotação de fase necessária, de forma a que os sinais se somem de maneira 
construtiva. O ganho com esta tipo técnica é da ordem de 3 dB para duas 
antenas. Neste caso não há comutação na recepção. 
 
 
 
Duplexação: 
A maioria dos sistemas wireless são duplex, ou seja, existe um sentido de 
transmissão e um de recepção. De forma a utilizarmos a mesma antena para a 
transmissão e para a recepção, é necessária a utilização de técnicas que 
evitem que a transmissão “vaze” para o próprio receptor do terminal. 
 
Duplexação em frequência ( FDD): 
 
Nesta técnica os canais de transmissão e recepção estão separados em 
frequência. São implementados duplexadores, que são filtros utilizados de 
forma isolar o canal de transmissão do canal de recepção. Ainda como forma 
de minimizar qualquer efeito de sinais indesejados na entrada do receptor, 
utiliza-se uma banda de guarda entre o transmissor e o receptor, e de forma 
também a garantir que separação entre o canal de subida e o canal de descida 
excedam a banda de coerência, assim obtém-se um efeito de diversidade em 
frequência. Desta forma, ainda que o sinal na transmissão/recepção 
experiencie um forte desvanecimento, o canal reverso poderá não ser afetado. 
Somador 
 
 
 
 
Duplexação no tempo (TDD): 
Nesta técnica, o mesmo canal em frequência é utilizado para a transmissão e 
para a recepção. Parte do tempo o canal é utilizado em uma direção e na outra, 
na direção reversa. Este mecanismo possibilita a comunicação assimétrica, ou 
seja, utilizar mais tempo ( maior taxa ) na transmissão em um sentido do que 
em outro, isto pode ser interessante em serviços associados a internet, onde as 
taxas de upload e download geralmente são bastante distintas. 
 
 
 
 
 
 
Duplexador 
tot 
Múltiplo acesso: 
Dado que o meio utilizado pelas comunicações móveis é o espectro em 
frequência disponível para a irradiaçãoatravés da interface rádio. Este meio 
deve ser compartilhado por vários usuários com diferentes serviços. Sendo que 
cada um demandará algum nível de utilização deste espectro. Assim são 
necessárias técnicas que permitem o uso compartilhado do espectro. 
 
Acesso múltiplo por divisão em frequência(FDMA): 
Cronologicamente, esta foi a primeira técnica de múltiplo acesso utilizada, os 
sistemas AMPS são um exemplo de utilização desta técnica .Esta técnica 
consiste em dividir a utilização do espectro em vários canais com uma largura 
de banda fixa dependente do serviço utilizado, desta forma tornando os canais 
ortogonais frequêncialmente uns em relação aos outros. Nesta técnica uma 
banda de guarda entre os canais é normalmente utilizada de forma a minimizar 
os efeitos de inferência de canal adjacente devido a não idealidade dos filtros 
físicos implementados nos transmissores de cada usuário. (Esta técnica é 
ainda das principais técnicas utilizadas em sistemas de rádio enlace). A figura 
abaixo ilustra o uso desta técnica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Acesso Múltiplo por Divisão no Tempo (TDMA): 
 
Na técnica de acesso TDMA, os usuários compartilham a mesma banda de 
frequência, no entanto transmitem em intervalos de tempo distintos. Assim é 
conseguida uma ortogonalidade temporal. O intervalo de tempo total de 
varredura de todos os usuários para que um novo ciclo se inicie é chamado de 
frame. Dentro do período de duração de um frame, a cada usuário é reservado 
uma janela de tempo (time slot),para transmissão/recepção dos seus dados. 
Nesta janela a informação é enviada na forma de rajada. De forma à 
comunicação ocorrer de forma contínua aos olhos do usuário, tanto o 
transmissor como o receptor possuem buffers, que transmitem/recebem a 
informação de forma descontinua e as disponibilizam de forma contínua. 
A figura abaixo ilustra um frame sistema TDMA 
 
 
 
 
 
 
 
Na prática o que normamente se utiliza é um misto de técnica TDMA e 
FDMA.O motivo é que a medida que temos um maior número de usuários, é 
interessante dividir o espectro em diversas bandas distintas e replicar o sistema 
TDMA em cada banda do sistema FDMA formado. 
 
Exemplo: 
O Sistema GSM-900 utiliza a faixa de frequência de 890 a 915MHz para a 
transmissão dos móveis para a rede e a faixa de 935 a 960MHz para a 
transmissão da rede para os móveis. Em cada sentido de transmissão se 
definem 125 canais de 200kHz cada um, sendo o espaçamento FDM de 
45MHz. Em cada canal, é definido uma estrutura de quadro com duração de 
4.615ms acomodando 8 usuários temporais (TDMA) 
1 2 3 M 
Time Slot 
rajada 
frame 
 
 
O frame GSM tem duração de 4.615ms, sendo que dentro desta estrutura se 
definem 8 janelas temporais de usuário, cada uma com 577us. Dentro do 
tempo de duração do intervalo de um usuário (577us), são enviados 148bits 
mais um tempo de guarda equivalente a 8.5bits(30.44us).Desses 148 bits 114 
são de fato utilizados para transmissão dos da informação codificada, sendo os 
restantes utilizados para sinalização e sincronismo. Conforme as figuras abaixo 
 
 
 
 
 
 
 
 
O período de 8.5bits corresponde ao tempo de guarda de aproximadamente 
30us, este tempo equivale ao tempo transitório, necessário para que os 
amplificadores de potência entrem e saiam do seu ponto de trabalho. 
 
Separação entre canais: 45MHz 
1 2 3 8 
Time Slot Ts=577us 
Frame T=4.615ms 
Rajada de 148bits = 546.12us 
frequência 
tempo 
Desta forma para o sistema GSM temos que a taxa de transmissão do canal é 
 
No entanto a taxa efetiva de de transmissão de informação de cada usuário é 
de 
 
A transmissão de voz no GSM na realidade ocupa 24 de cada 26 frames 
transmitidos, os outros dois são utilizados para transmitir sinalizações do 
sistema, ao invés de tráfego de usuário. Assim a taxa real será dada por 
 
 
Sincronismo nos sistemas TDMA 
Como a transmissão da informação pelos usuários nos sistemas TDMA é 
realizada por divisão no tempo. Esses sistemas necessitam de mecanismos de 
sincronização temporal. Com estas finalidade estes sistemas lançam mão da 
utilização do envio de sequências conhecidas como estratégia de sincronizar 
temporalmente as recepções a partir das próprias sequências recebidas. 
De uma maneira genérica a estrutura TDMA no tempo pode ser escrita como, 
 
 
 
Avanço temporal(TA- Timing Advance): O acesso TDMA requer um alto grau 
de sincronismo entre os diferentes usuários, para que as transmissões 
associadas a cada usuário estejam contidas efetivamente dentro da 
correspondente janela temporal de cada usuário. De maneira a facilitar a 
sincronização entre usuários, é normalmente utilizada uma janela de guarda 
temporal entre os usuários. No entanto tal estratégia é limitada devido aos 
atrasos e perda de eficiência provocada no sistema. 
Como o sistema é multiusuário, cabe a estação rádio base a tarefa de 
distribuição do sincronismo entre os diversos móveis através do envio da 
sequência de sincronismo para os diversos usuários. 
Sequencia de sincronismo Canais de controle e sinalização, (potência,etc) Dados codificados 
A partir da sincronização do móvel com a sequência enviada, conseguirá 
distinguir o início da sua janela de leitura e o momento de envio da sua 
sequência para a estação rádio base. Ocorre no entanto que os diferentes 
móveis encontram-se em diferentes distâncias da estação rádio base, e desta 
forma possuem tempos de propagação distintos quando. Ou seja o tempo de 
sincronização percebido por cada móvel pode variar, e provocar uma 
sobreposição de referências gerando colisões durante o processo transmissão 
de diferentes móveis. A figura abaixo ilustra esta situação. 
 
Uma solução adequada é incorporar um mecanismo de avanço temporal no 
sistema, de maneira que cada terminal antecipe a transmissão da sua rajada 
de acordo com o seu correspondente atraso de propagação. No entanto para 
que o móvel possa realizar este mecanismo ele precisa saber qual o seu atraso 
de propagação em relação a estação rádio base. Esta informação é fornecida 
de maneira dinâmica pela estação radio base, que por ser a referência de 
relógio envia as sequência e consegue medir o tempo de retorno Tprop, 
informando posteriormente o móvel para que ele faça a correspondente 
correção no início do seu intervalo de transmissão. Este então passa a 
antecipar a transmissão do seu sinal em 2xTprop. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sequência de sincronismo recebida R1 
Sequência de sincronismo recebida R2 
referencia para transmissão com base no incio de R1 
referencia para transmissão com base no incio de R2 
 
COLISÃO 
Exemplo: 
Em um sistema GSM o mecanismo de TA ( Timing Advance), se comunica com 
os terminais através do canal SACCH a cada 480ms.O TA é representado 
através de 6 bits, o que corresponde a 64 valores de ajuste TA possíveis. A 
resolução do TA é de um bit GSM, isto é a variação de uma unidade de TA 
corresponde a 3.69us ( 1bit/271kbits/s). Em termos espaciais, esta resolução 
corresponde a distância correspondente para gerar uma atraso de propagação 
correspondente a um TA é então. 
 
Consequentemente segundo este critério o maior raio que uma célula GSM 
consegue operar será de 35km.