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Tcnicas de DiversidadeSistemas de Comunicaes Mveis (ECO030) Prof.: C. Alexandre R. Fernandes

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Tcnicas de Diversidade Princpio bsico Tipos de diversidade Formulao Matemtica Tipos de combinao2

Tcnicas de Diversidade Princpio bsico: Se diversas cpias de um sinal so transmitidas atravs de canais com desvanecimentos descorrelacionados, ento existe uma boa probabilidade que pelo menos um dos canais fornea um sinal recebido com boa qualidade. De fato, seja Po a probabilidade de um canal fornecer um sinal recebido com uma potncia abaixo de um limiar mnimo de servio.3

Tcnicas de Diversidade Ento a probabilidade de L canais fornecerem sinais recebido com potncias abaixo de um limiar mnimo de servio igual a PoL. Combate o desvanecimento. Melhoria significativa na qualidade da transmisso com pequena complexidade adicional.

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Tcnicas de Diversidade

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Tcnicas de Diversidade

Grande variedade de implementaes, tanto no que diz respeito ao domnio da diversidade como forma de se explor-la.

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Tempo Se um sinal transmitido em dois slots de tempo espaados de um intervalo maior que o tempo de coerncia, ento os dois slots experimentaro desvanecimentos descorrelacionados.> Coherent time b1 b2 b3 b1 b2 b3 Diversity Combining b1 b2 b3 t

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Tempo (cont.) Na prtica, este tipo de diversidade principalmente explorada atravs de entrelaadores (interleaving), cdigos de correo de erros, space-time coding (STC), etc. Este ltimo ser estudado na prxima disciplina.

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Tempo (cont.) Desvantagens: Taxa de transmisso reduzida Requer uma memria de armazenamento Introduz atraso

Vantagens: Simplicidade de implementao Robusto contra erros em rajada9

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Freqncia Se um sinal transmitido em duas portadoras espaadas na freqncia de um intervalo maior que a banda de coerncia, ento as duas portadores experimentaro desvanecimentos descorrelacionados.Same information with different carrier f1 f2 f3 f carrier space > Bc

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Freqncia (cont.) Na prtica, este tipo de diversidade principalmente explorada atravs de sistemas do tipo:Espalhamento Espectral: DS-CDMA ou frequency hopping Diversidade de multipercursos: receptor RAKE (p/ sistemas DSCDMA) OFDM em conjunto com interleaving na freqncia e cdigos corretores de erro

Estes dois tipos de sistema sero estudados na prxima disciplina. Desvantagens: necessita de banda adicional e de diversos receptores11

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao Em um meio de transmisso com multi-percursos, quando o espaamento entre duas antenas de recepo suficientemente grande, os desvanecimentos podem ser considerados descorrelacionados. Quanto maior o comprimento de onda, maior deve ser o espaamento entre as antenas (no mnimo /2). Uso de arranjos de antenas.12

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.) Assuming distribution of incidence angle ( d ) = J0 2 d

J0(2z)

Distance of two antennas should be large than this distance.

z=distance/13

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.) Quando no h multi-percursos, o arranjo de antenas no capaz de explorar a diversidade espacial. Entretanto, neste caso, no h desvanecimento. Em muitos cenrios, possvel calcular o espaamento entre duas antenas que minimiza a correlao entre elas. Este um dos tipos de diversidade mais utilizados. Quando mltiplas antenas so usadas na transmisso e recepo, chamamos de transceptor MIMO Multiple-Input Multiple-Ouput (ser estudados na prox. disciplina).14

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.)

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.)

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.) Desvantagens: Aumenta a complexidade do transmissor ou receptor. Em alguns casos, o tamanho do arranjo de antenas se torna muito grande.

Vantagens: No necessita de banda adicional No reduz taxa de transmisso

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.) Diversidade microscpica: combate o desvanecimento em pequena escala Utiliza canais com desvanecimento em pequena escala descorrelacionados (ou aproximadamente)

Diversidade macroscpica: combate o desvanecimento em larga escala (sombreamento) Utiliza canais com desvanecimento em larga escala descorrelacionados (ou aproximadamente)18

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Espao (cont.) Diversidade macroscpica (Macrodiversity): sinal de uma unidade mvel recebido por mais de uma ERB e combinados muito usada em sistemas do tipo CDMA. Combate o sombreamento causado por mveis e grande objetos. Requer uma coordenao entre as ERBs.19

Diversidade na Transmisso Quando o canal no conhecido no receptor Exemplo: Cdigos Espao-tempo (space time-coding)

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Diversidade na Transmisso

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Diversidade na Transmisso

Outra vantagem: No necessita de conhecimento do canal. Se o canal conhecido, ento o ganho prximo ao da diversidade espacial na recepo22

Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Polarizao Foi demonstrado que, em certas situaes, as polarizaes de onda horizontal e vertical fornecem desvanecimentos descorrelacionados, fazendo com que estas polarizaes funcionem como canais descorrelacionados. Fornece apenas 2 sub-canais. Possui a vantagem de as duas antenas estarem no mesmo local.

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Tipos de Diversidade (domnio) Diversidade de Polarizao (cont.)

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Diversidade de Cooperao O usurio (fonte) transmite o sinal diretamente para o destino, assim como para um outro usurio (relay). Este escuta o sinal do primeiro usurio e o retransmite ao destino. Em geral, assume-se que os canais dos dois usurios at o destino so descorrelacionados. Ou seja, os usurios cooperam entre si para gerar diversidade.25

Diversidade de Cooperao

Os sinais podem ser multiplexados no tempo (mais comum) ou na freqncia.

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Diversidade de Cooperao Amplify and Foward (AF): O relay simplesmente escuta, amplifica e transmite o sinal para a fonte.

Desvantagem: amplifica o rudo.

Decode and Foward (CF): O relay escuta, decodifica e recodifica (de alguma forma ) e transmite o sinal para a fonte.

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Diversidade de Cooperao Pode haver mais de um relay em paralelo

Pode haver relays em srie (multi-hop)

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Diversidade de Cooperao

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Quadro-Resumo

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Formulao Matemtica Ns acabamos de ver alguns domnios ou formas de implantar diversidade em um sistema de comunicao. A seguir, ns veremos as formas de se explorar estas diversidades. Ns comearemos pelo formulao matemtica do caso mais simples: quando um sinal de informao s(t) transmitido atravs de L canais com desvanecimentos em pequena escala descorrelacionados e do tipo plano em freqncia (flat fading). Cada um dos L canais descorrelacionados ser chamado de sub-canal.31

Formulao Matemtica Sinal recebido pelo l-simo sub-canal:

em que hl o ganho do canal e vl (t) o rudo do l-simo sub-canal. Na recepo, as rplicas so combinadas linearmente:

em que wl peso do l-simo sub-canal e z(t) a sada do combinador.32

Tipos de Combinao Combinao de Seleo (Selection Combining) Apenas o sub-canal com maior SNR mdia selecionado:

Supondo que os canais possuem desvanecimento Rayleigh, a SNR instantnea possui a seguinte PDF:

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Tipos de Combinao Combinao de Seleo (Selection Combining) cont.Em que a SNR mdia dada por:

Probabilidade de um sub-canal cair abaixo de um limiar:

Probabilidade de M sub-canais cairem abaixo de um limiar simultaneamente:34

Tipos de Combinao Combinao de Seleo (Selection Combining) cont.Probabilidade de um ou mais canais estarem acima de um limiar:

Ganho em SNR:

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Tipos de Combinao Combinao de Seleo (Selection Combining) cont.

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Tipos de Combinao Combinao de Seleo (Selection Combining) cont.

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Tipos de Combinao Combinao de Seleo (Selection Combining) cont.

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Tipos de Combinao Maximum Ratio Combining (MRC) Pode-se demonstrar que os pesos que maximizas a SNR na sada do combinador linear so dados por:

Isto equivalente a: (1) dar atrasos ao sinais recebidos de forma que eles fiquem sncronos (2) dar pesos ao sinais recebidos de forma proporcional ao ganho do canal.

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Tipos de Combinao Maximum Ratio Combining (MRC) cont.r1 r2a2M 1 2

a1

Co-phase and Sum

rM

Detectori =ri 2N2

Output

rM

Antenna

aM

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Tipos de Combinao Maximum Ratio Combining (MRC) cont. Demonstrao (usar desigualdade de CauchySchwarz):

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Tipos de Combinao Maximum Ratio Combining (MRC) cont. Ou seja, o MRC fornece uma SNR que igual a soma das SNRs dos sub-canais, que corresponde melhor SNR possvel. Probabilidade de a sada do MRC estar acima de um limiar:

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Tipos de Combinao Maximum Ratio Combining (MRC) cont.

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Tipos de Combinao Maximum Ratio Combining (MRC) cont.

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Tipos de Combinao Equal Gain Combining Quando os ganhos hl dos sub-canais no so conhecidos, o MRC no pode ser implementado. Neste caso, pode-se utilizar o Equal Gain Combining, que consiste em somar os sinais sincronamente, com ganhos iguais para todos os sub-canais:

Quando os sinais j so sncronos, temos wl =1. Performance intermediria entre MRC e SC.45

Tipos de Combinao Equal Gain Combining (EGC) SNR fornecida pelo EGC:

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Tipos de Combinao Equal Gain Combining (EGC)

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Comparao Entre Tipos de Combinao

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Antenas Inteligentes Antena adaptativa Os pesos do combinador so continuamente atualizados por um algoritmo adaptativo Permite captar mudanas no canal

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Influncia na BER (bit error rate) Modulao BPSK coerente em canal Rayleigh com diversidade:

Full diversity!

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Diversidade Temporal no GSM

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Diversidade Temporal no GSM

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Diversidade Temporal no GSM

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Diversidade Temporal no GSM

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