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Comunicação sem FioComunicação sem Fio ( 4. Técnicas de Acesso Múltiplo ) Prof. Everthon Valadão (última modificação: 18/06/2015) 4 de 30 • 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 5 de 30 • 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)) 6 de 30 • 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) 7 de 30 • 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) 8 de 30 • 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 9 de 30 • 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 10 de 30 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 11 de 30 • 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 12 de 30 • 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 13 de 30 • 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 14 de 30 • 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 15 de 30 • 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) 16 de 30 • 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) 17 de 30 • 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) 18 de 30 • 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) 19 de 30 FDMA: número de canais admitidosFDMA: número de canais admitidos 20 de 30 • 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) 21 de 30 • 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) 22 de 30 • 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) 23 de 30 • 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) 24 de 30 TDMA: número de canais admitidosTDMA: número de canais admitidos 25 de 30 • 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) 26 de 30 • 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) 27 de 30 • 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) 28 de 30 • 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) 29 de 30 • 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) 30 de 30 Por hoje é só :)Por hoje é só :) Dúvidas? 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