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Comunicações Celulares por Maria Cristina Felippetto De Castro
Técnicas de Acesso Múltiplo
Capítulo 4
Técnicas de Acesso Múltiplo
para Comunicações Wireless
Técnicas de acesso múltiplo são utilizadas para permitir a múltiplos usuários dividirem simultaneamente uma porção finita do espectro de rádio, resultando em alta capacidade para o sistema celular. A alocação da banda disponível a múltiplos usuários precisa ser realizada sem degradar severamente o desempenho do sistema. Técnicas de acesso múltiplo constituem a base para as redes de comunicações wired e wireless presentes e futuras, tais como redes de satélites, redes de comunicações móveis e celulares.
A Figura 4.1 mostra um sistema de acesso múltiplo em que um grande número de usuários divide um canal de comunicações comum para transmitir informação a um receptor.
Figura 4.1: Um sistema de acesso múltiplo.
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O canal comum pode ser o uplink de um sistema de comunicações via satélite ou um cabo, ao qual está conectado um conjunto de terminais que acessam um computador central, ou alguma banda de freqüência no espectro de rádio que é usada por múltiplos usuários para estabelecer comunicação com um receptor de rádio. Por exemplo, em um sistema celular, os usuários são os transmissores móveis em qualquer particular célula do sistema e o receptor reside na estação-base da particular célula.
Um segundo tipo de sistema de comunicações multi-usuários é uma rede de radiodifusão ( broadcast ) na qual um único transmissor envia informação a múltiplos receptores, conforme Figura 4.2. Exemplos de sistemas broadcast incluem sistemas de rádio e televisão, assim como downlinks^ em um sistema de comunicações por satélite.
Figura 4.2: Uma rede broadcast.
As redes de acesso múltiplo e de broadcast são possivelmente os sistemas de comunicações multi-usuários mais comuns. Um terceiro tipo de sistema multi-usuários é uma rede do tipo store-and-forward , conforme ilustrado na Figura 4.3 e, ainda, um quarto tipo é o sistema de comunicações bidirecional mostrado na Figura 4.4.
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Figura 4.5: Subdivisão do canal em bandas de freqüência não sobrepostas.
Um outro método para criar múltiplos sub-canais para acesso múltiplo é subdividir a
duração T^ f , chamada duração do frame em, por exemplo, K sub-intervalos não sobrepostos,
cada um deles de duração T^ f K. Cada usuário que deseja transmitir informação é, então,
designado a um particular time slot dentro de cada frame ( time slot = intervalo ou espaço de tempo). Este método para Acesso Múltiplo é chamado Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA - Time Division Multiple Access ) e é freqüentemente utilizado em transmissão de dados e voz digital.
Em sistemas em que o sinal transmitido tem a característica de apresentar surtos (períodos de transmissão separados por períodos de não transmissão) como acontece, por exemplo, em sinais de voz que tipicamente contêm longas pausas, tanto a técnica FDMA quanto a técnica TDMA se mostram ineficientes. Neste caso, uma percentagem de slots^ de tempo ou freqüência atribuídos a usuários não estarão transportando informação, característica que acaba por limitar o número de usuários simultâneos do canal.
Uma alternativa às técnicas FDMA e TDMA é permitir o compartilhamento de um canal ou sub-canal por mais do que um usuário, de forma que cada usuário receba uma seqüência de código única (ou seqüência assinatura), permitindo ao usuário espalhar o sinal através da banda de freqüência designada. Nesta técnica, os sinais de vários usuários são separados no receptor por correlação cruzada do sinal recebido com cada uma das possíveis seqüências de código. A demodulação no receptor é possível desde que as seqüências de código possuam relativamente pequena correlação cruzada. Esta técnica é chamada Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA - Code Division Multiple Access ).
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Ainda, em adição às técnicas de acesso múltiplo FDMA, TDMA e CDMA, uma outra técnica estará sendo utilizada em um futuro próximo para canais de comunicações: a técnica que permite Acesso Múltiplo por Divisão do Espaço (SDMA - Space Division Multiple Access ). A tenologia SDMA emprega técnicas avançadas de processamento para localizar as coordenadas e rastrear terminais fixos ou móveis, concentrando adaptativamente o sinal do sistema irradiante na direção dos usuários e afastando dos interferentes. Esta tecnologia adaptativa permite atingir níveis superiores de supressão de interferência, melhorando o reuso de freqüências comparativamente às técnicas padrão de reuso de freqüências. A técnica SDMA adapta a alocação de freqüências de acordo com a localização da maior parte dos usuários. Através de técnicas de processamento espacial, a tecnologia de acesso SDMA pode criar dinamicamente um diferente setor para cada usuário, realizando uma alocação de freqüências/canal em tempo real.
A Tabela 4.1 mostra as diferentes técnicas de acesso múltiplo que são presentemente utilizadas em vários sistemas de comunicações wireless.
Sistema Celular Técnica de Acesso Múltiplo Advanced Mobile Phone System (AMPS) FDMA/FDD Global System for Mobile (GSM) TDMA/FDD US Digital Cellular (USDC) TDMA/FDD Pacific Digital Cellular (^) (PDC) TDMA/FDD CT2 ( Cordless Telephone ) FDMA/TDD Digital European Cordless Telephone (DECT) FDMA/TDD US Narrowband Spread Spectrum (IS-95) CDMA/FDD W-CDMA (3GPP) CDMA/FDDCDMA/TDD
cdma2000 (3GPP2) CDMA/FDDCDMA/TDD Tabela 4.1: Técnicas de acesso múltiplo usadas em vários sistemas de comunicações wireless.
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Figura 4.6: (a) FDD provê dois canais simplex ao mesmo tempo; (b) TDD provê dois slots de tempo simplex na mesma freqüência.
4.1 Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência (FDMA) A técnica de Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência (FDMA - Frequency Division Multiple Access ) atribui canais individuais a usuários individuais. Conforme pode ser visto na Figura 4.7, uma única banda de freqüência ou canal é alocada a cada usuário. Estes canais são alocados sob demanda a usuários que requisitam serviço e, durante o período da chamada, nenhum outro usuário pode compartilhar o mesmo canal.
Figura 4.7: Técnica de acesso FDMA, onde diferentes canais são atribuídos a diferentes bandas de freqüência.
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Consideremos um sistema onde cada um dos K usuários deseja transmitir sobre um
canal, gerando f^ b bits por segundo. Em sistemas que utilizam FDMA, cada um dos K
usuários pode transmitir todo o tempo, mas cada usuário deve usar uma porção Bu^ da largura
de banda total, B , tal que
u fb Hz
K
B = B = (4.1)
Um exemplo de sistema baseado na técnica de acesso FDMA é o sistema analógico AMPS ( Advanced Mobile Phone System ).
No sistema AMPS, um único usuário ocupa um único canal enquanto a chamada está em progresso. Na realidade, o canal único é emulado por dois canais simplex que são multiplexados em freqüência.
Quando uma chamada é completada, ou quando ocorre uma operação de handoff , o canal é tornado vago, de tal forma que um outro assinante móvel possa utilizá-lo.
Usuários múltiplos ou simultâneos são acomodados no sistema AMPS entregando-se a cada usuário, um único canal.
Algumas características relevantes da técnica de acesso FDMA são as seguintes:
- As larguras de banda dos canais FDMA são relativamente estreitas (30 kHz no sistema AMPs) à medida que cada canal suporta somente um usuário. Ou seja, FDMA é usualmente implementado em sistemas de banda estreita.
- O espaço no tempo entre os símbolos de um sistema FDMA de banda estreita é grande, o que implica em reduzida pequena interferência inter-simbólica, requerendo pouca ou nenhuma equalização.
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os time slots direto e reverso para um particular usuário, de tal forma que não sejam necessários duplexadores na unidade do usuário.
Figura 4.8: Técnica de acesso múltiplo TDMA, onde cada canal ocupa um time slot que se repete ciclicamente.
Figura 4.9: Estrutura de frames TDMA. O frame se repete ciclicamente no tempo.
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Em um frame TDMA, o cabeçalho contém o endereço e a informação de sincronização que tanto a estação-base quanto a estação-móvel utilizam para identificar-se uma a outra. Intervalos de guarda são usados para permitir sincronização dos receptores entre diferentes slots e frames. Diferentes padrões wireless TDMA possuem diferentes estruturas de frames.
A Figura 4.10 descreve um sistema TDMA típico. Observe que:
(1) No sistema, cada um dos K usuários deseja transmitir f^ b bits por segundo, em
pacotes de b bits (freqüentemente b ≅ 1000 bits).
(2) Cada pacote é inicialmente armazenado em um buffer , com taxa de entrada no
buffer de f^ b bits por segundo.
(3) Uma chave concentradora-comutadora seleciona um particular buffer.
(4) Os bits retirados do buffer são enviados para o canal comum, a uma taxa de Kfb
bits por segundo, portanto a duração de um bit no canal é 1 Kfb. Como há b bits
no pacote, o tempo de pausa do comutador sobre cada buffer é b^ Kfb ≡^ Tp , onde
T p é a duração de um pacote.
(5) O comutador retorna a cada buffer^ individual a cada KT^ p ≡^ b fb segundos.
A eficiência de um sistema TDMA é uma medida da percentagem de dados transmitidos que efetivamente contêm informação, com relação à necessidade de overhead.
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Algumas características relevantes da técnica de acesso TDMA são as seguintes:
- Equalização adaptativa é usualmente necessária em sistemas TDMA, já que as taxas de transmissão são geralmente muito altas.
- Devido à característica de transmissão em surtos e como as transmissões TDMA são feitas em slots , os receptores precisam ser sincronizados para cada surto de dados. Além disto, também são necessários slots de guarda para separar os usuários. Em decorrência, os sistemas TDMA necessitam de muitos bits para transportar as informações de cabeçalho.
- A técnica TDMA tem a vantagem de permitir alocar diferentes números de time slots por frame a diferentes usuários. Assim, largura de banda pode ser suprida sob demanda a diferentes usuários através da concatenação ou reatribuição de time slots baseada em prioridades.
4.3 Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA) A técnica Acesso Múltiplo por Divisão de Código pertence à classe das técnicas de múltiplo acesso denominadas SSMA - Spread Spectrum Multiple Access. As técnicas pertencentes a este grupo utilizam sinais que têm uma largura de banda de transmissão muitas ordens de grandeza maior do que a largura de banda de RF mínima requerida. Uma seqüência pseudo-aleatória (PN - pseudo-noise sequence ) converte um sinal de banda estreita em um sinal semelhante a ruído, de banda-larga, antes da transmissão.
As técnicas SSMA permitem imunidade à interferência, além de robusta capacidade de múltiplo acesso e são consideradas técnicas eficientes no aproveitamento espectral porque muitos usuários podem compartilhar a mesma banda em spread spectrum sem interferirem uns com os outros. Esta característica é de especial interesse no projeto de sistemas wireless.
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Há dois tipos principais de técnicas de múltiplo acesso Spread Spectrum : Frequency Hopped Multiple Access (FH) e Direct Sequence Multiple Access (DS). A técnica Direct Sequence Multiple Access é também chamada Code Division Multiple Access (CDMA).
4.3.1 Frequency Hopped Multiple Access^ (FHMA)
Frequency Hopped Multiple Access (^) (FHMA) é um sistema de acesso múltiplo digital no qual as freqüências portadoras dos usuários individuais são variadas de forma pseudo-aleatória dentro de um canal de banda larga, ao invés de permanecerem dentro de uma única banda, como em sistemas convencionais de comunicações.
A Figura 4.11 ilustra como a técnica FHMA permite a múltiplos usuários ocuparem simultaneamente o mesmo espectro, cada usuário ocupando um canal específico de banda estreita, em um particular instante de tempo, baseado no código particular daquele usuário.
Figura 4.11: SSMA, em que cada canal recebe um código PN único, o qual é ortogonal ou aproximadamente ortogonal aos códigos PN utilizados por outros usuários.
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4.3.2 Code Division Multiple Access (CDMA)
O padrão CDMA é um padrão digital americano que foi desenvolvido pela Qualcomm, em San Diego, Califórnia e é intitulado Interim Standard 95 (IS-95).
O padrão CDMA foi desenvolvido para uso em comunicações onde a necessidade de sigilo é extrema, porque é muito difícil, se não impossível, interceptar transmissões feitas por sistemas que empregam a tecnologia CDMA.
Assim, tecnologias spread spectrum foram originalmente empregadas em aplicações militares, onde um aumento na complexidade de implementação era justificado por duas particulares características:
- É relativamente difícil detectar a presença de um sinal spread spectrum devido ao fato de que a energia do sinal é espalhada no espectro, através de uma larga banda (o sinal detectado se confunde com o ruído térmico de fundo, de baixa potência).
- É mais difícil impedir que uma transmissão seja corretamente recebida através da transmissão de um forte ruído de interferência na mesma freqüência ( jamming signal ), porque a energia do sinal usado para tal fim precisa também ser espalhada através de uma larga banda, não podendo ser focada em uma banda relativamente estreita. A tecnologia CDMA é uma tecnologia de banda larga spread spectrum^ que consiste na transmissão de sinais por espalhamento espectral, em que os usuários utilizam a mesma faixa de freqüência durante todo o intervalo de tempo. Os sinais de todas as chamadas são "espalhados" através de um amplo espectro de freqüência.
Na recepção, os sinais são extraídos de um sinal que se assemelha ao ruído térmico de fundo do canal, por meio de um receptor que conhece o código para a específica chamada que deseja decodificar.
Esta técnica permite que inúmeras chamadas telefônicas sejam transmitidas simultaneamente sobre uma única freqüência de rádio. Como resultado, sistemas CDMA
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podem lidar com 10 a 20 vezes a capacidade de chamadas de sistemas celulares convencionais.
Quando uma chamada telefônica é feita usando a tecnologia CDMA, o som da voz do usuário é convertido em um sinal digital. O sinal digital é primeiro correlacionado com um código com características estatísticas semelhantes às de um ruído branco, chamado código pseudo-aleatório ( pseudo-noise code - PN).
.O correlator conduz a uma representação digital encriptada do sinal original, que será "espalhada" sobre um espectro de freqüência de banda muito larga (1.25MHz).
Cada usuário tem sua própria seqüência de código PN, a qual é aproximadamente ortogonal a todas as outras seqüências PN.
Para detecção do sinal relativo à mensagem, o receptor necessita saber a seqüência PN usada pelo transmissor, pois o decorrelator usará esta seqüência de código única PN para extrair apenas a informação desejada.
Todas as outras palavras-código aparecem como ruído após a operação de decorrelação. Cada usuário opera independentemente, sem qualquer conhecimento dos outros usuários.
Um sinal correlacionado com uma seqüência PN e descorrelacionado com a mesma seqüência PN retorna ao sinal digital original. Uma operação de decorrelação do sinal com o código PN não associado ao usuário resultará em puro ruído, contendo informação não discernível.
Apesar de determinística, uma seqüência PN comporta-se como uma portadora com características de ruído branco, a qual é usada para espalhar a energia do sinal ao longo da banda. A seleção de um bom código é importante, porque o tipo e o tamanho do código limitam a capacidade do sistema. Usualmente são utilizados códigos conhecidos por códigos de Walsh. Uma seqüência PN é uma seqüência pseudo-aleatória composta de 0s e 1s.
A Figura 4.12 descreve os blocos básicos de um sistema CDMA. Observe que no
transmissor os dados binários dos N diferentes usuários ( d^^ 1 t ,^ d 2 t ,!^ , dNtt ) são diretamente
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seqüência PN. Se o bit proveniente do usuário é "1" então a palavra-código gerada é a própria seqüência PN. Esta operação é denominada spreading.
Se uma palavra código contém n bits, o espectro ocupado pelo sinal transmitido é n vezes mais largo do que seria se um único bit fosse transmitido. Isto ocorre porque a operação de multiplicação de cada bit de dado do usuário pela seqüência de n bits do gerador PN estreita a largura dos pulsos elétricos por um fator n , o que alarga seu espectro na mesma proporção.
Os sinais de outros canais CDMA ocupam a mesma banda de freqüências, mas utilizando diferentes códigos, o que permite a separação dos sinais no receptor. O processo básico de separação dos canais CDMA no receptor envolve a correlação do sinal recebido com cada uma das várias palavras-código (ou canais, em CDMA) atribuídos à célula.
O correlator produz uma medida de correlação através da operação ρ = M − M onde M representa o número de casamentos ( matches ) entre a seqüência PN do canal em questão e
a seqüência do canal desejado e M representa o número de descasamentos ( mismatches ) entre a seqüência PN do canal em questão e a seqüência do canal desejado, conforme exemplificado na Tabela 4.2.
Nº do Canal Código do Canal Nº de matches M
Nº de mismatches M
Correlação ρ= M − M 0 1110010 7 0 + 1 0111001 3 4 - 2 1011100 3 4 - 3 0101110 3 4 - 4 0010111 3 4 - 5 1001011 3 4 - 6 1100101 3 4 - Tabela 4.2: Exemplo de Códigos DSSS ( Direct Sequence Spread Spectrum ). Código do canal desejado (Canal 0) : 1110010.
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Como pode ser visto na Tabela 4.2, a palavra código do Canal 0 (canal desejado) tem 7 matches com ela própria e nenhum mismatch com ela própria, resultando em uma medida de correlação +7. Por outro lado a palavra código do Canal 1 tem 3 matches com a seqüência do canal desejado e 4 mismatches com a seqüência do canal desejado, resultando em uma medida de correlação -1. Note que as mesmas propriedades de correlação existem para todos os códigos de canais com respeito aos outros códigos presentes na Tabela.
Exemplos de formas de onda para os sete canais CDMA mostrados na Tabela 4.2 são mostrados na Figura 4.13. No exemplo são transmitidos simultaneamente os bits de dados 1010001, cada um deles codificado, respectivamente, pelo código (canal), 1110010 (0), 0111001 (1), 1011100 (2), 0101110 (3), 0010111 (4), 1001011 (5) e 1100101 (6). No bloco de bits de dados 1010001, o bit de ordem 0 é codificado pelo Canal 0 e pertence ao usuário 0, o bit de ordem 1 é codificado pelo Canal 1 e pertence ao usuário 1, e assim sucessivamente.
Figura 4.13: Exemplo de codificação e decodificação CDMA para 7 canais.
Todas as formas de onda são somadas, resultando no sinal composto ( composite signal ), que é o sinal efetivamente transmitido.
