Cap2 - Canal de Radiofrequência1 Juergen Rochol Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto.

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1 Cap2 - Canal de Radiofrequência1 Juergen Rochol (juergen@inf.ufrgs.br )juergen@inf.ufrgs.br Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS Instituto de Informática Grupo de Comunicação de Dados Capítulo 2 O canal de radiofreqüência

2 Cap2 - Canal de Radiofrequência2

3 3 A banda de freqüências de Rádio Relação entre freqüência e comprimento de onda

4 Cap2 - Canal de Radiofrequência4 2.2 Antenas 2.2.1 O radiador isotrópico

5 Cap2 - Canal de Radiofrequência5

6 6 Antenas anisotrópicas onidirecionais

7 Cap2 - Canal de Radiofrequência7 Antenas anisotrópicas onidirecionais  : ângulo do feixe irradiado

8 Cap2 - Canal de Radiofrequência8 Localização espacial de uma antena

9 Cap2 - Canal de Radiofrequência9

10 10 2.2.4 Polarização de uma antena Exemplo de antena com Polarização linear (Pode ser vertical ou horizontal) Dois tipos de polarização: linear e circular

11 Cap2 - Canal de Radiofrequência11 Polarização de uma antena Exemplo de antena com Polarização circular

12 Cap2 - Canal de Radiofrequência12 Caracterização de MIMO: MIMO (Multiple Input Multiple Output) é um framework de tecnologias de diversidade espacial aplicado a enlaces de RF que podem ser tanto fixos como móveis, para obtenção de uma maior eficiência espectral e/ou obter uma maior capacidade do enlace sem fio. Objetivos do MIMO MIMO introduz o conceito de diversidade espacial através de utilização de múltiplas antenas tanto no receptor como no transmissor. O sistema processa os diferentes sinais na recepção para obter um sinal mais robusto e menos sujeito aos efeitos dos múltiplos caminhos. Graças aos avanços do processamento digital de sinais, atualmente o MIMO atende a dois grandes objetivos em sistemas sem fio: - Diversidade espacial - Multiplexação espacial 2.2.5 Sistemas com múltiplas antenas MIMO

13 Cap2 - Canal de Radiofrequência13 MIMO é esssencialmente uma tecnologia de rádio antenas. Utiliza múltiplas antenas no transmissor e receptor para obter múltiplos caminhos na transmissão dos dados. Arquitetura básica do MIMO (Multiple Input Multiple Output)

14 Cap2 - Canal de Radiofrequência14 Inserção do MIMO no modelo de Comunicação de Dados de Shannon

15 Cap2 - Canal de Radiofrequência15 MIMO oferece todos os três tipos de diversidade Diversidade de Tempo: Uma mensagem pode ser transmitida em tempos distintos utilizando por exemplo diferentes time slots e codificação de canal (TSC -Time Space Coding) Diversidade de Frequência: Utiliza freqüências diferentes na forma de utilizar canais diferentes, ou então técnicas como CDMA ou OFDM. Diversidade de espaço É a diversidade básica do MIMO. Utiliza antenas com diferentes orientações para tirar proveito dos diferentes caminhos de rádio- propagação.

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17 Cap2 - Canal de Radiofrequência17 3. Multiplexação Espacial (SM) Spatial Division Multiple Access (SDMA) Um fluxo de dados de alta taxa é dividido em fluxos com taxas menores e transmitido por diferentes antenas. O número de antenas, atualmente, é tipicamente 2 ou 4. No futuro teremos eventualmente um número maior de antenas. De qualquer forma, para haver SM, o número de antenas de recepção deverá ser igual ou maior que o número de antenas de transmissão Se o caminho dos múltiplos caminhos for suficientemente robusto os sinais terão uma assinatura espacial diferente em cada antena de recepção de modo que o receptor estará apto a separá-los e assim recuperar o sinal de interesse. Em sistemas de múltiplos usuários a técnica pode ser adaptada para Spatial Division Multiple Access (SDMA)

18 Cap2 - Canal de Radiofrequência18 O MIMO em sistemas sem fio utiliza uma abordagem matemática de matrizes. Vamos supor n fluxos de dados dados por: t1, t2,... tn, que serão transmitidos por um conjunto de: 1, 2,... n antenas Neste caso existe uma variedade de diferentes caminhos que podem ser utilizados e que apresentam diferentes propriedades de canal. Para que o receptor possa diferenciar entre os diferentes fluxos de dados é necessária a caracterização de cada canal. Isto pode ser feito através de uma matriz H.

19 Cap2 - Canal de Radiofrequência19 Exemplo de análise de um sistema MIMO com 3 antenas Nesta expressão r 1, r 2, r 3 são os sinais recebidos pelas antenas 1, 2, e 3 e t 1, t 2, t 3 os fluxos de dados transmitidos Em formato de matrizes podemos representar isto como: [R] = [H] x [T] Para recuperar fluxo de dados no receptor inicialmente deve ser feita a estimativa do canal para obter a matriz de transferência [H] e então o fluxo de dados é obtido por: [T] = [H] -1 x [R] (Resolução de um conjunto de n equações para obtenção dos valores de N variáveis)

20 Cap2 - Canal de Radiofrequência20 Variações em torno da Arquitetura básica (a)SISO (um por um) (b)SIMO (c)MISO (d)MIMO

21 Cap2 - Canal de Radiofrequência21 Framework MIMO Existem diferentes tecnologias MIMO com performances diferentes e para cenários de enlaces distintos Estas tecnologias podem ser combinadas para aumentar a eficiência dos enlaces sem fio. Mesmo não sendo obrigatório, a maioria das técnicas MIMO tem sua eficiência aumentada quando o canal é conhecido. As tecnologias MIMO mais importantes são: 1. Beamforming (formação de feixes direcionais de irradiação) 2. Diversity Coding ( Utilização de Códigos epaço-tempo) 3. Multiplexação Espacial (Multiplos fluxos de dados) 4. MIMO multi-usuário e MIMO cooperativo (Aproveitamento dos caminho multiplos para obtenção de um sinal robusto) básicas

22 Cap2 - Canal de Radiofrequência22 1. Beamforming A tecnologia de formação de feixes direcionais - Pressupõem conhecimento do canal ou CSI (Channel State Information). - Transmissor com múltiplas antenas faz um pré codificação dos dados ajustando fase e ganho em cada antena - Consegue-se desta forma maior alcance, redução de interferência e maior vazão total.

23 Cap2 - Canal de Radiofrequência23 2. Diversity Coding ou Space Time Codes (STC) Os códigos em bloco do tipo tempo-espaço são usados em sistemas MIMO para transmitir múltiplas cópias de um fluxo de dados através de múltiplas antenas. Assim, as várias cópias recebidas no receptor são utilizadas para obter uma maior confiabilidade nos dados recebidos. Não há necessidade de conhecimento prévio do canal (CSI - Channel State Information) Space Time Coding utiliza tanto diversidade de tempo como diversidade espacial. Exemplo: Código Alamouti (1998)

24 Cap2 - Canal de Radiofrequência24

25 Cap2 - Canal de Radiofrequência25 3. Multiplexação Espacial (SM) Spatial Division Multiple Access (SDMA) Um fluxo de dados de alta taxa é dividido em fluxos com taxas menores e transmitido por diferentes antenas. O número de antenas, atualmente, é tipicamente 2 ou 4. No futuro teremos eventualmente um número maior de antenas. De qualquer forma, para haver SM, o número de antenas de recepção deverá ser igual ou maior que o número de antenas de transmissão Se o caminho dos múltiplos caminhos for suficientemente robusto os sinais terão uma assinatura espacial diferente em cada antena de recepção de modo que o receptor estará apto a separá-los e assim recuperar o sinal de interesse. Em sistemas de múltiplos usuários a técnica pode ser adaptada para Spatial Division Multiple Access (SDMA)

26 Cap2 - Canal de Radiofrequência26 O MIMO em sistemas sem fio utiliza uma abordagem matemática de matrizes. Vamos supor n fluxos de dados dados por: t1, t2,... tm, que serão transmitidos por um conjunto de: 1, 2,... n antenas Neste caso existe uma variedade de diferentes caminhos que podem ser utilizados e que apresentam diferentes propriedades de canal. Para que o receptor possa diferenciar entre os diferentes fluxos de dados é necessária a caracterização de cada canal. Isto pode ser feito através de uma matriz H.

27 Cap2 - Canal de Radiofrequência27 Exemplo de análise de um sistema MIMO com 3 antenas Nesta expressão r 1, r 2, r 3 são os sinais recebidos pelas antenas 1, 2, e 3 e t 1, t 2, t 3 os fluxos de dados transmitidos Em formato de matrizes podemos representar isto como: [R] = [H] x [T] Para recuperar fluxo de dados no receptor inicialmente deve ser feita a estimativa do canal para obter a matriz de transferência [H] e então o fluxo de dados é obtido por: [T] = [H] -1 x [R] (Resolução de um conjunto de n equações para obtenção dos valores de N variáveis)

28 Cap2 - Canal de Radiofrequência28 4. MIMO multi-usuário (MU-MIMO) e MIMO colaborativo (CO-MIMO) Aproveitamento dos caminho múltiplos para obtenção de um sinal robusto ou; Permite uso múltiplo das técnicas descritas anteriormente trabalhando de forma colaborativa para aumentar a eficiência espectral Exemplo: O LTE permite utilizar uma antena por usuário e usa o MU-MIMO - multiusuário

29 Cap2 - Canal de Radiofrequência29 2.3 Propagação de ondas eletromagnéticas

30 Cap2 - Canal de Radiofrequência30 Classificação dos modelos de propagação Critério baseado no tipo de propagação: I. Propagação com linha de visada, ou LOS (Line of Sight). É a condição mais favorável tendo em vista a rádio visibilidade entre a antena de transmissão e recepção, portanto sem obstáculos. Exemplo típico são os enlaces de satélite. II. Propagação sem linha de visada, ou NLOS (Non Line of Sight). Esta é a situação mais comum em sistemas sem fio. Como exemplo podemos citar os diversos tipos de sistemas móveis celulares como 3G, WiMax, Wi-Fi e LTE. Critérios com base nas premissas iniciais assumidas para obtenção do modelo de propagação; III. Modelos físicos, baseados em um ou mais parâmetros físicos. São mais exatos, porém exigem cálculos demorados e muitas vezes complexos. IV. Modelos estatísticos, baseados em medidas estatísticas empíricas, validas para um determinado ambiente. São mais simples, porém menos precisos.

31 Cap2 - Canal de Radiofrequência31 2.3.1 Modos básicos de propagação Meio ambiente a) Interiores de edificações (indoor) b) Espaço livre c) Zona rural plana d) Zona rural montanhosa e) Suburbano plano (residências) f) Urbano denso (Edifícios) Modos básicos associados aos parâmetros que caracterizam a portadora : 1. A freqüência da portadora 2. A potência do sinal irradiado pela antena 3. Tipo de polarização aplicada à onda pela antena

32 Cap2 - Canal de Radiofrequência32 2.3.2. Modelo de perdas no espaço livre - equação de Friis

33 Cap2 - Canal de Radiofrequência33

34 Cap2 - Canal de Radiofrequência34 Modelo de propagação com reflexão (continuação) Figura 2.12 – Utilização do método da reflexão da imagem para obtenção da diferença entre o caminho direto (LOS) e o caminho refletido na superfície da terra.

35 Cap2 - Canal de Radiofrequência35

36 Cap2 - Canal de Radiofrequência36

37 Cap2 - Canal de Radiofrequência37

38 Cap2 - Canal de Radiofrequência38 2.3.4 Modelos de propagação com difração Princípio de Huygens “Todos os pontos de uma frente de onda eletromagnética que se propaga num meio homogêneo podem ser considerados como novas fontes de ondas que se combinam formando uma nova frente de onda em todas as direções, com preferência na direção da frente” O fenômeno da refração na física

39 Cap2 - Canal de Radiofrequência39

40 Cap2 - Canal de Radiofrequência40 1º.Propagação em visada direta (LOS) ou, primeira zona de Fresnel 2º. Propagação por uma trajetória de difração gerada por um obstáculo pontiagudo. 2.3.5. Geometrias de difração – zonas de Fresnel O fenômeno da difração em propagação de sinais pode ser considerado em duas situações distintas, gerando dois tipos de modelos de propagação:

41 Cap2 - Canal de Radiofrequência41

42 Cap2 - Canal de Radiofrequência42 Zonas de Fresnel em função da altura h do obstáculo

43 Cap2 - Canal de Radiofrequência43 Figura 2.15 – Diferentes zonas de Fresnel para diferentes alturas do obstáculo

44 Cap2 - Canal de Radiofrequência44

45 Cap2 - Canal de Radiofrequência45 Uma representação gráfica de G d em função de v é apresentada no gráfico abaixo que pode ser utilizado para estimativas do campo E d no ponto R.

46 Cap2 - Canal de Radiofrequência46 Exemplo de aplicação

47 Cap2 - Canal de Radiofrequência47

48 Cap2 - Canal de Radiofrequência48

49 Cap2 - Canal de Radiofrequência49

50 Cap2 - Canal de Radiofrequência50

51 Cap2 - Canal de Radiofrequência51