Universidade Federal de Santa Maria
Departamento de Eletrônica e Computação
Tópicos Avançados em Sistemas de
Telecomunicações
[email protected]; [email protected]
http://www.ufsm.br/gpscom/
Prof. Dr. Renato Machado
Santa Maria, 05 de Março de 2012
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Introdução
As exigências atuais por serviços de transmissão de voz, dados, multimídia, internet, com
taxas de transmissão cada vez mais elevadas, obrigaram as empresas a manter uma constante renovação das tecnologias de radiocomunicação. Em função de tais demandas, engenheiros, pesquisadores e demais profissionais da área de telecomunicações de todo o mundo
vêm trabalhando em cooperação para encontrar novas técnicas que viabilizem essas elevadas taxas de transmissão tão desejadas (se não necessárias) para que a era da transmissão
de dados, imagens e vídeos de alta resolução seja, efetivamente, consolidada no ambiente
radiomóvel.
Uma proposta muito interessante para se transmitir de forma eficiente tanta informação
é a utilização de múltiplas antenas. Essa idéia já vinha sendo explorada em comunicações
móveis há vários anos com as múltiplas antenas instaladas no receptor (ERB). Entretanto,
as dimensões físicas das estações receptoras móveis são geralmente pequenas, o que dificulta a instalação de múltiplas antenas nesses dispositivos. O uso de múltiplas antenas
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no transmissor, que em geral é fixo e de grande porte, como uma estação radiobase de
um sistema de telefonia celular, representa a melhor solução para esse problema. Esse é o
cenário que será considerado nessa disciplina.
Durante a década de 1990, Telatar [Telatar, 1995], Foschini e Gans [Foschini e Gans,
1998] e Marzetta e Hochwald [Marzetta e Hochwald, 1999] demonstraram que a capacidade de canal para sistemas de comunicações móveis que empregam múltiplas antenas
transmissoras e (opcionalmente) receptoras é significativamente maior do que aquela para
sistemas que utilizam apenas uma antena transmissora e uma receptora. Motivados por
esse importante resultado, Tarokh et al. [Tarokh 1998] propuseram os chamados códigos
espácio-temporais de treliça (STTCs), (do inglês, Space-Time Trellis Codes), que acomoda
adequadamente a redundância da informação no espaço (antenas transmissoras) e no tempo
(modulação codificada em treliça). Os STTCs apresentam um excelente desempenho em
um canal com desvanecimento quase-estático. No entanto, seu receptor é bastante complexo (complexidade exponencialmente proporcional ao número de estados da treliça).
Independentemente do trabalho [Tarokh, 1998], em 1998 Alamouti [Alamouit, 1998]
apresentou um código para sistemas com duas antenas transmissoras e (opcionalmente)
múltiplas antenas receptoras, alcançando um ganho na ordem de diversidade proporcional
ao produto do número de antenas transmissoras pelo número de antenas receptoras. Graças à sua simplicidade e à baixa complexidade do seu receptor, o esquema de Alamouti
vem sendo empregado nos sistemas de telefonia celular modernos, como o WCDMA e o
CDMA2000. Entusiasmados com esses resultados, Tarokh e Calderbank [Tarokh, 1999],
utilizando conceitos matemáticos sofisticados, generalizaram o código de Alamouti para
o caso de múltiplas antenas no transmissor, e batizaram essa nova classe de códigos de
códigos espácio-temporais de bloco (STBCs), (do inglês, Space-Time Block Codes). Como
será visto durante o curso, a propriedade de ortogonalidade é fundamental para se garantir
o grau de diversidade máximo (igual ao produto do número de antenas transmissoras pelo
número de antenas receptoras).
Uma outra família de códigos bastante interessante, são os códigos espácio-temporais
de bloco não ortogonais (NOSTBCs), (do inglês, Non-Orthogonal STBCs). Ao se relaxar o
requisito da ortogonalidade da matriz associada ao código, taxas de transmissão superiores
são alcançadas ao custo de um menor grau de diversidade.
Tornando ainda mais atraente a aplicação dos STBCs, Paulraj [Paulraj 2002] sugeriu
a técnica de seleção de antenas com o código de Alamouti. Supõe-se que o receptor conheça o estado do canal e que seja capaz de transmitir essa informação ao transmissor
através de um canal de realimentação. Nesse esquema, a cada bloco de dados, o que implica em um novo estado de canal em um ambiente com desvanecimento quase-estático,
um subconjunto das antenas transmissoras é selecionado (segundo um critério que será
descrito mais adiante) para transmissão, enquanto as demais antenas transmissoras se calam. Com um menor número de antenas transmitindo sinais em um dado instante, há uma
economia de equipamentos pois um número menor de cadeias de radiofrequência (do inglês
radio-frequency chain), ou cadeias de RF, que consiste em amplificadores, moduladores,
conversores analógico/digital, etc., é requerido. O fato mais surpreendente desse esquema
é que um grau de diversidade máximo é alcançado, como se todas as antenas estivessem
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sendo usadas para todos os blocos de dados.
A análise de desempenho das técnicas supracitadas bem como da combinação de algumas delas serão alvo de estudo nessa disciplina.
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Tópicos a Serem Estudados
1. Introdução
• Introdução - Motivação
• Evolução histórica das comunicações radiomóveis
• Sistema de comunicação digital: Descrição
2. O canal de comunicação radiomóvel
• Desvanecimento de larga escala
• Desvanecimento de pequena escala
• Modelo do canal radiomóvel
• Parâmetros do canal radiomóvel
• O modelo Jakes para o canal radiomóvel com desvanecimento Rayleigh
• Classificação dos canais de comunicações móveis
• Desempenho típico de modulações digitais em canais de comunicações móveis
• Diversidade: Conceito
• Tipos de diversidade
• Desempenho típico das técnicas de diversidade
3. Técnicas de Modulação Digital
• Noções básicas sobre modulação digital
• Capacidade máxima de um sistema de comunicação
• Razão energia do sinal por bit
• Taxa de erro de bit – BER
• Símbolos, bits and Bauds – Processo de modulação
• Modulação digital para comunicações móveis
• Modulação PSK – Phase Shift Keying
• Modulação QPSK – Quadratic phase shift keying
• Diagrama de constelação para a modulação QPSK
• DQPSK– Differential QPSK
• Modulações de envelope constante
• MSK – Minimum Shift Keying
• GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying
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4. Codificação de canal
• Códigos espácio-temporais
• O esquema clássico da combinação de máxima razão na recepção (MRRC)
• Códigos espácio-temporais de bloco
• O esquema de Alamouti: Diversidade na Transmissão
• Códigos espácio-temporais de bloco ortogonais
• Códigos espácio-temporais de bloco não ortogonais
• Análise de desempenho
5. Técnica de seleção de antenas
• Modelo do canal
• Seleção de antenas com o código de Alamouti
• O valor esperado da SNR: Alamouti × seleção de antenas
• Multiplexação espacial
• Seleção híbrida de códigos no transmissor
• Análise de desempenho: Multiplexação espacial × diversidade
6. Seleção híbrida antena/código
• Modelo do canal
• Seleção de antenas com OSTBCs
• Seleção híbrida antena/código
• Análise de desempenho
7. Artigos e Projeto
• Estudo de artigos
• Desenvolvimento de simuladores
• Projeto final
• Apresentação do projeto
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Bibliografia
1. RAPPAPORT, Theodore S. Wireless Communications: Principles and Practice. Prentice Hall PTR, 2002.
2. GOLDSMITH, Andrea. Wireless Communications. Cambridge University Press,
2005.
3. JAFARKHANI, Hamid. Space-time Coding: Theory and Practice. Cambridge University Press, 2005.
4. PIMENTEL, Cecilio José Lins. Comunicação Digital. Brasport, 2007.
5. LARSON, Erik G. and STOICA, Petre. Space-time Block Coding for Wireless Communications. Cambridge University Press, 2003.
6. MACHADO, Renato. Dissertação de mestrado. Universidade Federal de Santa Catarina, 2004.
7. NORONHA NETO, Mario de. Dissertação de mestrado. Universidade Federal de
Santa Catarina, 2002.
8. MACHADO, Renato. Notas de aula. Universidade Federal de Santa Maria, 2011.
9. Artigos e periódicos.
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