Comunicação sem fio - Tecnicas de acesso multiplo

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Comunicação sem FioComunicação sem Fio
( 4. Técnicas de Acesso Múltiplo )
Prof. Everthon Valadão
(última modificação: 18/06/2015)
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• São usadas para permitir que
° muitos usuários móveis compartilhem (simultaneamente) uma quantidade 
finita de espectro de rádio
• O compartilhamento de espectro é exigido para
° alcançar uma alta capacidade a largura de banda (canais disponíveis)
° alocar simultaneamente a quantidade disponível de canais a múltiplos usuários
Técnicas de Acesso MúltiploTécnicas de Acesso Múltiplo
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• É desejável permitir que envie-se informações ao mesmo 
tempo em que as recebe
° ex.: nos sistemas de telefonia sem fio convencionais pode-se falar e 
escutar simultaneamente
• Esse efeito é chamado duplexação
° pode ser feito usando-se técnicas de domínio de frequência ou tempo
Duplexação (Duplexação (duplexingduplexing))
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• A FDD oferece duas bandas de frequência distintas para cada 
usuário
° banda direta: tráfego da estação-base para a estação móvel
° banda reversa: tráfego da estação móvel para a estação-base
• Na FDD, qualquer canal duplex consiste na realidade em
° dois canais simplex (um direto e outro reverso)
° um dispositivo duplexador usado para permitir simultaneamente a 
transmissão de rádio bidirecional
→ a separação de frequência entre cada canal (D/R)é constante em todo o sistema
Duplexação por Divisão de Duplexação por Divisão de FrequênciaFrequência (FDD) (FDD)
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• A TDD usa o tempo para fornecer um enlace direto e um reverso
° múltiplos usuários compartilham um único canal de rádio alternando-se no 
tempo
° usuários individuais tem permissão para acessar o canal nos slots de tempo 
atribuídos
° cada canal duplex tem um slot de tempo direto e outro inverso
→ se a separação de tempo entre os slots D/R for pequena, a TX/RX parecem 
simultâneas para ambos os lados
→ devido à temporização rígida exigida pelos slots de tempo, a TDD é limitada a curtas 
distâncias
• TDD permite a comunicação duplex em um único canal
° ou seja, não necessita de dois canais simplex (separados ou dedicados)
° simplifica o equipamento do assinante pois não exige um duplexador
Duplexação por Divisão de Duplexação por Divisão de TempoTempo (TDD) (TDD)
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• FDD é voltada para sistemas que alocam frequências de rádio 
individuais para cada usuário
° cada transceptor transmite e recebe simultaneamente sinais de rádio
→ que podem variar em mais de 100 dB
° a alocação de frequência para os canais D/R deve ser coordenada c/ cuidado
→ dentro do próprio sistema e com usuários “fora-de-banda” que ocupam o 
espectro entre essas duas bandas
• TDD permite que cada transceptor opere como Tx/Rx na mesma 
frequência
° elimina a necessidade de bandas de frequência D/R separadas
° porém, existe uma latência de tempo criada pela TDD
→ as comunicações “não são duplex no sentido mais verdadeiro”
→ essa latência cria sensibilidades inerentes a atrasos de propagação
→ fica limitada a curtas distâncias e é eficaz quando todos os usuários são 
estacionários (atrasos de propagação não variam no tempo)
Escolha entre FDD e TDDEscolha entre FDD e TDD
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• As três principais técnicas de acesso para compartilhar a largura 
de banda disponível em um sistema de comunicação sem fio são
° FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)
° TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
° CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código)
→ OBS.: a técnica de duplexação normalmente é descrita juntamente com o esquema 
de acesso múltiplo (ex.: FDMA/FDD, TDMA/FDD, etc)
• Estas técnicas de acesso múltiplo podem ser agrupadas em 
sistemas de banda estreita e banda larga
° dependendo de como a largura de banda disponível é alocada aos usuários 
Introdução ao Acesso MúltiploIntrodução ao Acesso Múltiplo
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Largura de Banda de CoerênciaLargura de Banda de Coerência
• A largura de banda de coerência (Bc) é uma medida estatística 
sobre as quais o canal é considerado “flat”
° “é aproximadamente a largura de banda máxima (ou intervalo de frequência) 
sobre o qual duas frequências de um sinal provavelmente sofrerão 
atenuação comparável ou correlacionada”
• Se o espalhamento dos atrasos provenientes dos múltiplos 
caminhos é igual a D segundos, então a largura de banda de 
coerência em Hz é dada aproximadamente pela equação
B
c
 ~= 1 / D
ex.: em um determinado ambiente urbano com comunicação celular, D = 0,19 µs, donde 
B
c
 pode ser calculada como 1 / ( 0,19 * 10-6 ) ~= 5263157,895 Hz ~= 5,3 MHz
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• O termo banda estreita é usado para
° relacionar a largura de banda de um único canal à largura de banda de 
coerência esperada pelo canal
• Num sistema de acesso múltiplo com banda estreita
° o espectro de rádio disponível é dividido em um grande número de canais de 
banda estreita
→ os canais normalmente são operados usando-se FDD
° deve minimizar a interferência entre enlaces direto e reverso em cada canal
→ a separação de frequência deve ser a maior possível dentro do espectro
→ porém, permitindo duplexadores baratos e uma antena tranceptora comum
Sistemas de Banda EstreitaSistemas de Banda Estreita
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• No FDMA de banda estreita
° um canal em particular é atribuído a um usuário, que não compartilha o seu 
canal com outros usuários na vizinhança
→ pode usar técnicas de duplexação FDD ou TDD: FDMA/FDD ou FDMA/TDD
• No TDMA de banda estreita
° permite-se que os usuários compartilhem o mesmo canal mas aloca um 
único slot de tempo a cada usuário em um padrão cíclico
→ pode usar técnicas de duplexação FDD ou TDD: TDMA/FDD ou TDMA/TDD
° geralmente existe um grande número de canais de rádio
° separa-se um pequeno número de usuários por vez em um único canal
Sistemas de Banda EstreitaSistemas de Banda Estreita
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• Nos sistemas de banda larga
° a largura de banda da transmissão de um único canal é muito maior que a 
largura de banda de coerência do canal
° assim, a atenuação de caminho múltiplo não varia muito a potência do sinal 
recebido dentro de um canal de banda larga
° atenuações seletivas de frequência s da largura de banda do sinal em 
qualquer instante de tempo
• Nos sistemas de acesso múltiplo de banda larga
° um grande número de transmissores podem transmitir no mesmo canal
Sistemas de Banda LargaSistemas de Banda Larga
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• No CDMA de banda larga
° a mensagem é multiplicada por um sinal de espalhamento (PN)
° permite-se que todos os transmissores acessem o canal ao mesmo tempo
→ pode usar técnicas de multiplexação FDD ou TDD: CDMA/FDD ou CDMA/TDD
• No TDMA de banda larga
° aloca slots de tempo aos vários transmissores no mesmo canal
° só permite que um transmissor de cada vez acesse o canal
→ pode usar técnicas de multiplexação FDD ou TDD
Sistemas de Banda LargaSistemas de Banda Larga
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• O FDMA atribui canais individuais a usuários individuais:
° cada usuário recebe uma banda ou canal de frequência exclusivo
° os canais são atribuídos por demanda aos usuários que solicitam o serviço
° durante o período da chamada, nenhum outro usuário pode compartilhar o 
mesmo canal
FDMA FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)(Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)
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• Características do FDMA
° o canal carrega apenas um circuito de telefone de cada vez
° se um canal não está sendo usado, ele fica ocioso
• este canal ocioso não pode ser usado por outros usuários (fica desperdiçado)
° após a atribuição de um canal de voz, a estação-base (BS) e a estação móvel 
(MS) transmitem simultânea e continuamente
° as larguras de banda dos canais são relativamente estreitas
• ex.: 30 KHz em AMPS, pois cada canal admite apenas um circuito por portadora• normalmente FDMA é implementado em sistemas de banda estreita
° requer filtragem precisa de RF para minimizar a interferência do canal 
adjacente
FDMA FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)(Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)
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• Características do FDMA x TDMA
° A complexidade dos sistemas móveis FDMA é mais baixa em comparação 
com TDMA
• porém a melhora dos métodos de processamento digital de sinal, simplificará o TDMA
° FDMA é um esquema de transmissão contínua e menos bits de sobrecarga 
são necessários em relação ao TDMA
• ex.: bits de sincronização e enquadramento do TDMA
° Sistemas FDMA possuem custos mais altos para sistema celular que TDMA
• devido ao único canal por projeto de portadora, necessita-se de filtros caros para eliminar a 
radiação ilegítima na BS
• MS e BS necessitam de duplexadores pois transmissor e receptor funcionam ao mesmo tempo
FDMA FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)(Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)
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• Problemas enfrentados pelo FDMA
° Muitos canais compartilham a mesma antena na estação base
• os amplificadores de potência quando operados próximos à saturação (para obter o 
máximo de eficiência de potência) são não-lineares
• a não-linearidade faz com que o sinal se espalhe no domínio de frequência e gere 
frequências de intermodulação (IM)
° IM é radiação de RF indesejada que pode interferir em outros canais
• este espalhamento de espectro resulta em interferência do canal adjacente
• IM é a geração de harmônicos indesejáveis
° Harmônicos indesejáveis, se forem gerados
• fora da banda de rádio móvel: causam interferência aos serviços adjacentes
• presentes dentro da banda: causam interferência a outros usuários no sistema wireless
FDMA FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)(Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência)
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FDMA: número de canais admitidosFDMA: número de canais admitidos
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• O TDMA divide o espectro de rádio em slots de tempo e em cada 
slot apenas um usuário tem permissão para transmitir e receber
° cada usuário ocupa um slot de tempo com repetição cíclica
° transmite dados em um método buffer-and-burst (guardar e enviar)
→ a transmissão para qualquer usuário é não-contínua
° um canal pode ser imaginado como um slot de tempo em particular que se 
repete a cada quadro (quadro = N slots formam um quadro)
TDMA TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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• No TDMA a transmissão de vários usuários é intercalada em uma 
estrutura de quadros repetitivos
° cada quadro é composto de preâmbulo, uma msg de informação e bits de fim
° a preâmbulo contém a informação de endereço e sincronismo que a BS e as 
MS utilizam para identificar um ao outro
TDMA TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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• Características do TDMA
° Compartilha uma única frequência de portadora com vários usuários
• cada usuário utiliza slots de tempo não sobrepostos
° A transmissão de dados não é contínua, mas ocorre em rajadas, e isso resulta 
em baixo consumo de bateria
• também, o processo de transferência (entre BS) é muito mais simples para a MS pois ela pode 
escutar outras BS durantes slots de tempo ociosos
° Usa slots de tempo diferentes para transmissão e recepção, por isso dispensa 
duplexadores
• mesmo que a FDD seja usada, um switch em vez de um duplexador é suficiente para comutar 
entre transmissor e receptor, pois usam o mesmo canal
TDMA TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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• Problemas enfrentados pelo TDMA
° O tempo de guarda deve ser minimizado mas isso pode causar interferências
• se o sinal transmitido nas bordas de um slot de tempo for suprimido bruscamente (a fim de 
encurtar o tempo de guarda) o espectro transmitido se espandirá e causará interferência em 
canais adjacentes
° Uma alta sobrecarga de sincronização é exigida
• devido a transmissões em rajada, feitas em slots, os receptores devem estar sincronizados 
para cada rajada de dados
° Slots de guarda são necessários para separar usuários
• Isso faz com que sistemas TDMA tenham sobrecargas maiores em comparação com TDMA
° Tem a vantagem de conseguir alocar diferentes números de slots de tempo por 
quadro a diferentes usuários
• Ou seja, a largura de banda pode ser fornecida por demanda a diferentes usuários
TDMA TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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TDMA: número de canais admitidosTDMA: número de canais admitidos
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• No CDMA o sinal da mensagem é multiplicado por um sinal de 
banda larga muito grande, chamado sinal de espalhamento (PN)
° todos os usuários usam a mesma frequência de portadora e podem transmitir 
simultaneamente
CDMA CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código)(Acesso Múltiplo por Divisão de Código)
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• No CDMA
° Cada usuário tem sua palavra-código pseudo-aleatória (PN)
• as PN dos usuários são aproximadamente ortogonais entre si (há pouca sobreposição)
° O receptor realiza uma operação de correlação de tempo para detectar apenas 
a PN (palavra-código ou sequência pseudo-aleatória) específica desejada
• todas as outras PN aparecem como ruído devido à descorrelação
° Cada usuário opera independentemente sem conhecimento dos outros
° Para a detecção da mensagem, o receptor precisa conhecer a PN usada pelo 
transmissor
• o sinal PN tem taxa de chip várias ordens de grandeza maiores que a taxa de dados da msg
° A potência de múltiplos usuários em um receptor determina o patamar de 
ruído após a descorrelação*
• * sinais de outros usuários não correlacionam no tempo com a PN do receptor
CDMA CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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• Problemas enfrentados pelo CDMA
° A autointerferência é um problema
• PN de diferentes usuários não são exatamente ortogonais, podendo haver sobreposição
° Se a potência de cada usuário dentro de uma célula não for controlada de 
modo que não pareça igual no receptor da BS, ocorre o problema do 
próximo-distante
• ocorre quando muitos usuários móveis compartilham o mesmo canal
• em geral, o mais forte sinal móvel recebido capturará o demodulador em uma BS
° Os níveis mais fortes de sinal recebido elevam o patamar de ruído nos 
demoduladores da BS para os sinais mais fracos
• isso diminui a probabilidade dos sinais mais fracos serem recebidos pela BS
CDMA CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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• Problemas enfrentados pelo CDMA
° Para combater este problema utiliza-se o controle de potência em cada BS
• garante que cada MS dentro da área de cobertura da BS ofereça o mesmo nível de sinal à BS
• isso resolve o problema de uma MS próxima elevando a potência no receptor da BS e abafando 
os sinais de MS distantes
° O controle de potência é implementado na estação-base (BS)
• a BS produz rapidamente amostras dos níveis do indicador de força do sinal de rádio (RSSI) 
de cada estação móvel
• depois, envia um comando de mudança de potência pelo enlace de rádio direto
° O controle de potência é realizado dentro de cada célula, mas...
• não funciona quando as MS fora da célula causam interferência que não está sobre o controle 
da BS → se um usuário indesejado tiver uma potência alta em comparação com com o usuário 
desejado, o problema do próximo-distante ocorrerá
CDMA CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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• Características do CDMA
° Muitos usuários do sistema compartilham a mesma frequência
° Tem um limite de capacidade flexível(diferentemente do FDMA e TDMA)
• aumentar o número de usuários eleva o patamar de ruído de maneira linear
• não existe um limite absoluto para o número de usuários no CDMA
° O desempenho do sistema diminui gradualmente para todos os usuários à 
medida que o número de usuários aumenta e vice-versa
° A atenuação de caminho múltiplo pode ser substancialmente reduzida
• o sinal CDMA é espalhado por um espectro grande (diversidade de frequência)
° As taxas de dados do canal são muito altas no CDMA
• a duração do chip é muito curta, normalmente muito menor que o espalhamento de atraso
• o caminho múltiplo que é atrasado por mais de um chip aparecerá como ruído
CDMA CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)(Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo)
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Por hoje é só :)Por hoje é só :)
Dúvidas?
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