Seção: Telefonia Celular
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Multiple Input – Multiple Output (MIMO)
Nos últimos anos, a tecnologia MIMO surgiu como uma das abordagens mais promissoras para alcançar maiores taxas de dados em sistemas celulares. Um sistema MIMO corresponde a um conjunto de antenas na transmissão e na recepção, caracterizando um sistema que utiliza diversidade espacial (3G Americas, 2009).
Esta técnica associada a outras, como modulação de alta ordem, antenas adaptativas e poderosos DSPs (Digital Signal Processor) garantem as altas taxas exigidas pelo padrão LTE. Este conceito vem sendo padronizado pelo 3GPP, e agora vem se tornando um fator determinante para as novas tecnologias móveis devido as altas taxas de downlink e uplink exigidas. A figura 2 apresenta um típico sistema MIMO utilizando a configuração 2x2.
O 3GPP padroniza as técnicas de transmissão para o LTE utilizando a tecnologia MIMO apresentadas a seguir.
Codificação espaço-tempo
Neste caso o sistema MIMO fornece ganho de diversidade para combater o desvanecimento do sinal causado por multi-percurso. Neste sistema, é feito uma cópia do sinal, porém eles são codificados de formas diferentes e são enviados simultaneamente por diferentes antenas. O fato de enviar a mesma quantidade de dados por diferentes fontes ao mesmo tempo aumenta a força total do sinal enviado. A figura 3 apresenta um sistema MIMO utilizando a codificação espaço-tempo.
O LTE ainda utiliza outra técnica similar a codificação espaço-tempo conhecida como Space Frequency Block Coded (SFBC). Este sistema também proporciona ganho de diversidade, porém necessita apenas de uma antena na recepção. Isto ocorre, pois além de realizar a cópia do sinal e codifica-los de forma diferente, eles são transmitidos em frequências distintas. (3G Americas, 2009)
Multiplexação espacial
Os sinais são enviados em vários feixes, que exploram o ambiente para alcançar o destino. Esse recurso é utilizado considerando as mudanças de direção do sinal quando este colide e desvia nos vários obstáculos que podem existir no caminho entre o emissor e o receptor conforme apresentado na figura 4. As mudanças de percurso podem gerar atrasos em partes do sinal, que são compensados por algoritmos sofisticados utilizados nas antenas receptoras, que fazem os cálculos baseando-se na reflexão sofrida pelo sinal ao longo do seu percurso. O receptor possui filtros que são capazes de recuperar o sinal original após a chegada através do tratamento de todos os feixes enviados pela fonte.
O MIMO ainda pode ser classificado como Multi-User MIMO (MU-MIMO) ou Single User MIMO (SU-MIMO). A principal diferença entre eles é que no SU-MIMO um único usuário transmite os dados para o receptor enquanto no MU-MIMO vários usuários transmitem os dados para o receptor simultaneamente. Estes recursos estão disponíveis tanto no downlink quanto para o uplink. Apesar de ser suportado, o SU-MIMO não é indicado para uso no uplink devido a complexidade e aumento do custo no equipamento do usuário.
Modulação OFDMA
O OFDM tem se tornado uma das principais técnicas utilizadas por tecnologias sem fio devido as suas propriedades como tolerância contra interferência inter-simbólica e boa eficiência espectral. Esta técnica tem sido desenvolvida desde os anos 60, e uma de suas principais características é o baixo custo de implantação.
O OFDM é uma técnica baseada na Modulação por Multi Portadoras (MCM – Multi Carrier Modulation) e na Multiplexação por Divisão de Frequência (FDM – Frequency Division Multiplex) e pode ser considerada como um método de modulação ou de multiplexação. Basicamente a modulação por multi-portadoras divide a banda do sinal em portadoras paralelas que são chamadas subportadoras. Diferentemente dos sistemas tradicionais MCM, que utilizam subportadoras não sobrepostas, o OFDM utiliza subportadoras que são matematicamente ortogonais entre si, isto permite que cada informação possa ser enviada por subportadoras sobrepostas, onde cada uma delas pode ser extraída individualmente (AL-SHAHRANI, Abdurrhman; AL-OLYANI, Hammod, 2009). Essa propriedade ajuda a reduzir interferências causadas por portadoras vizinhas e faz com que sistemas que utilizam o OFDMA possuam melhor eficiência espectral com relação a outros sistemas, conforme apresentado na figura 5:
Para o LTE, o OFDM divide a banda de frequência da portadora em pequenas subportadoras espaçadas de 15kHz, e modula cada uma individualmente usando QPSK, 16QAM ou 64 QAM. Há uma pequena diferença entre o OFDM e o OFDMA, pois no primeiro caso a banda de frequência é destinada a um único usuário enquanto no segundo caso vários usuários compartilham a banda ao mesmo tempo conforme mostrado na figura 6. A divisão dos canais em pequenos subcanais ajuda o OFDM a combater o efeito de desvanecimento seletivo.
Modulação SC-FDMA
Várias alternativas continuam a ser estudas pelos órgãos responsáveis pela padronização do LTE para utilizar o melhor esquema de transmissão para o uplink. Apesar de o OFDMA atender aos requisitos de downlink, suas propriedades são menos favoráveis para o uplink, principalmente devido ao desvanecimento do parâmetro chamado Peak to Average Power Ratio (PAPR) no uplink.
Assim, o esquema de transmissão para uplink LTE em FDD e TDD é o modo baseado em SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) com prefixo cíclico. A utilização deste método tem como objetivos melhorar o desempenho em comparação a sinais OFDMA e a redução de custos nos projetos dos amplificadores utilizados pelo UE.
Há diferentes formas para se gerar um sinal SC-FDMA. O modo conhecido como Discret Fourier Transform - spread - OFDM (DTF-s-ODFM) foi escolhido para a Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN). Seu princípio de funcionamento é ilustrado na figura 7.
Inicialmente o fluxo de dados é convertido de serial para paralelo. Cada bit é modulado e transformado do domínio do tempo para o domínio da frequência através da Transformada Rápida de Fourier (FFT) e o resultado é mapeado nas subportadoras disponíveis. Após o sinal ser submetido a Transformada Inversa de Fourier (IFFT) é adicionado o prefixo cíclico, que é utilizado como um tempo de guarda entre os símbolos. Ao final do processo o sinal é convertido novamente de paralelo para serial. (Rohde & Schwarz, 2009).
O DFT-s-OFDMA é a diferença fundamental entre a geração de sinal do SC-FDMA e do OFDMA. Em um sinal SC-FDMA, cada subportadora utilizada para transmissão contém informação de todos os símbolos modulados transmitidos. Em contrapartida, cada subportadora com um sinal OFDM carrega informações relacionadas a um símbolo específico.
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