dissertação v. final vinicius lourenço dias ferro

COMPARAO ENTRE ALGORITIMOS DE DECISO

EM SISTEMAS DE COMUNICAO COM

CODIFICAO COOPERATIVA

VINICIUS LOURENO DIAS FERRO

AGOSTO/ 2011

INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAES INATEL

MESTRADO EM TELECOMUNICAES

COMPARAO ENTRE ALGORITIMOS DE DECISO EM SISTEMAS DE COMUNICAO COM CODIFICAO

COOPERATIVA


ORIENTADOR: PROF. DR. GERALDO GIL RAMUNDO GOMES

CO-ORIENTADOR: PROF. DR. LUCIANO LEONEL MENDES

SANTA RITA DO SAPUCA MG 2011

Dissertao apresentada ao Mestrado em Telecomunicaes do Instituto Nacional de

Telecomunicaes INATEL, como

requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre em Telecomunicaes.

Ferro, Vinicius Loureno Dias F417c

Comparao entre Algoritmos de Deciso em Sistemas de Comunicao com Codificao Cooperativa / Vinicius Loureno Dias Ferro. Santa Rita do Sapuca, 2011.

61p.

Orientadores: Dr. Geraldo Gil Ramundo Gomes; Dr. Luciano Leonel Mendes

Dissertao de Mestrado Engenharia de Telecomunicaes Instituto Nacional de Telecomunicaes INATEL.

Inclui bibliografia e anexo.

Comunicao Cooperativa 2. Codificao Cooperativa 3. Comunicaes sem fio. I. Gomes, Geraldo Gil Ramundo. II. Mendes, Luciano Leonel. III. Instituto Nacional de Telecomunicaes INATEL. IV. Ttulo.

CDU 621.39


COMPARAO ENTRE ALGORITIMOS DE DECISO EM SISTEMAS DE COMUNICAO COM CODIFICAO

COOPERATIVA

Esta dissertao foi julgada e aprovada para a obteno do ttulo de Mestre em Telecomunicaes do Instituto

Nacional de Telecomunicaes.

Santa Rita do Sapuca, 25 de agosto de 2011

Membros da banca

____________________________________________

Prof. Dr. Geraldo Gil Ramundo Gomes Orientador - (INATEL)

____________________________________________

Prof. Dr. Rausley Adriano Amaral de Souza Examinador Interno - (INATEL)

____________________________________________

Prof. Dr. Renato Baldini Filho Examinador Externo - (FEEC - UNICAMP)

____________________________________________

Prof. Dr. Luciano Leonel Mendes Coordenador do Curso de Mestrado - (INATEL)

ii

Agradecimentos

Primeiramente gostaria de agradecer aos meus pais Newton e Cssia, pelo grande apoio, dedicao e pacincia, para que este sonho pudesse ser realizado. Aos meus irmos Patrcia e Ricardo e a toda minha famlia pela cooperao e incentivo.

Ao meu orientador Geraldo Gil Ramundo Gomes por todo apoio, dedicao,

ajuda, pacincia e colaborao no decorrer deste trabalho, principalmente nesta reta final, na qual disponibilizou seu tempo livre para me auxiliar. Ao meu co-orientador

Luciano Leonel Mendes pela enorme fora, assistncia, contribuio e por sempre se colocar a disposio para me ajudar.

A minha namorada Dbora pela pacincia, carinho, apoio e compreenso por todas s vezes a qual tive que ficar ausente durante a realizao deste trabalho.

Ao amigo Mrcio Dias de Morais por sempre me ajudar. Aos amigos que fiz no decorrer desta caminhada, especialmente ao Weldisson

Ruas pelo auxilio e amizade e ao Tiago Reis Marins por sempre me ajudar, quando foi preciso e pelos grandes debates sobre o assunto que foram muito teis para a concluso do trabalho.

A Gisele Moreira dos Santos, secretria do Mestrado, por toda ajuda e colaborao sempre que foi necessrio.

Ao Inatel pela oportunidade oferecida e pelo apoio financeiro. O meu muito obrigado a todos!

iii

Dedico este trabalho

aos meus pais,

minha namorada e a toda minha famlia.

iv

Sumrio

LISTA DE FIGURAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vi

LISTA DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

LISTA DE ABREVIATURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

LISTA DE SMBOLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x

RESUMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii

CAPTULO 1 INTRODUO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Conceitos Bsicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Objetivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Contribuio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Estrutura da Dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

CAPTULO 2 PRINCPIOS DA COMUNICAO COOPERATIVA. . . . . . . . . . . . . 5

2.1 Comunicaes Mveis sem Fios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Comunicaes Cooperativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 Cooperao atravs da Deteco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.2 Cooperao por meio da Amplificao e Retransmisso. . . . . 12

2.2.3 Codificao Cooperativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2.3.1 Transmisso dos Usurios Atravs da Diviso no Tempo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.3.2 Taxa de Cooperao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

v

2.2.3.3 Mtodos de Decodificao que Podem ser Realizados pelo Destino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

CAPTULO 3 DESCRIES DOS ALGORITMOS UTILIZADOS PARA CODIFICAO COOPERATIVA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1 Modelo 1 Algoritmo proposto por Hunter & Nosratinia [1]. . . . . . . 26

3.2 Modelo 2 Algoritmo proposto por Stefanov & Erkip [5] . . . . . . . . . 30

3.3 Modelo 3 Algoritmo sugerido neste trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

CAPTULO 4 COMPARAO DOS ALGORITMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1 Descrio dos Elementos Utilizados para Elaborao das Comparaes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Abordagens Realizadas para Comparao dos Resultados. . . . . . . . . . 46

4.3 Resultados dos Desempenhos das Simulaes para cada Cenrio Estudado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.1 Cenrio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.3.2 Cenrio 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3.3 Cenrio 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.3.4 Cenrio 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

CAPTULO 5 CONCLUSO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.1 Consideraes Finais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.2 Sugestes para Trabalhos Futuros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

ANEXO A ARTIGO PUBLICADO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

vi

Lista de Figuras

Figura 2.1 Comunicao por mltiplos percursos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Figura 2.2 Comunicao utilizando um Terminal Retransmissor . . . . . . . . 10

Figura 2.3 Modos de transmisso: (a) Transmisso em broadcast; (b) Transmisso em canais de mltiplo acesso e tambm pode ser estendida para uma transmisso

com diversidade espacial . . . . 10

Figura 2.4 Esquema geral da comunicao cooperativa entre dois usurios, destacando os caminhos com desvanecimento estatisticamente independentes

entre os terminais e a ERB. . . . 11

Figura 2.5 Exemplo de puncionamento e montagem dos segmentos para um usurio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Figura 2.6 Arquitetura do codificador cooperativo proposto por Hunter & Nosratinia [1], para o Usurio 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Figura 2.7 Caracterizao da cooperao e no-cooperao . . . . . . . . . . . . 17

Figura 2.8 Tcnica da cooperao atravs da codificao de canal. . . . . . . 19

Figura 2.9 Caracterizao da cooperao e no-cooperao por diviso do tempo (ponto de vista dos

usurios). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Figura 2.10 Montagem dos quadros recebidos pela ERB para a realizao

da decodificao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura 2.11 Quadro efetivo utilizado para fins da decodificao realizada por

parte do usurio cooperador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 3.1 Exemplo de puncionamento

usado no Modelo 1 (RCPC) [13] . 27 Figura 3.2 Exemplo de decodificao para RCPC da Figura 3.1 . . . . . . . . 28

Figura 3.3 Formao dos segmentos para o esquema de cooperao do Modelo 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura 3.4 Fluxograma das caractersticas do algoritmo do Modelo 1 . . . . 30

vii

Figura 3.5 Esquema utilizado para o puncionamento do codificador convolucional do Modelo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 3.6 Possibilidade que pode ocorrer com o algoritmo do Modelo 1 e no ocorre com o algoritmo do Modelo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 34



Figura 4.1 Esquema de cooperao com a insero do smbolo de sinalizao aos quadros transmitidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 4.2 Estruturas das palavras cdigos puncionadas que sero utilizadas nas comparaes dos algoritmos: (a) cdigo R-S (10, 3); (b) cdigo R-S (11, 3); (c) cdigo R-S (12, 3). . . . . . . . 45

Figura 4.3 Grfico das curvas de desempenho do Usurio 2, para os Modelos 1, 2 e 3 com taxa de cooperao de 31,25%; uplink (Usurio 1) Eb/N0 = 20 dB (fixo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura 4.4 Grfico das curvas de desempenho do Usurio 2, para os Modelos 1, 2 e 3 com taxa de cooperao de 31,25%; uplink (Usurio 1) Eb/N0 = uplink (Usurio 2) + 5 dB (varivel) . . . . . 49

Figura 4.5 Grfico das curvas de desempenho do Usurio 2, para os Modelos 1, 2 e 3 com taxa de cooperao de 25%; uplink (Usurio 1) Eb/N0 =20 dB (fixo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura 4.6 Grfico das curvas de desempenho do Usurio 2, para os Modelos 1, 2 e 3 com taxa de cooperao de 18,75%; uplink (Usurio 1) Eb/N0 =20 dB (fixo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

viii

Lista de Tabelas

Tabela 1 Caractersticas do

codificador de canal RS (15,3). . . . . . . . . . . 41 Tabela 2 Caractersticas das palavras cdigos com as diferentes taxas

de cooperao utilizadas para comparao dos algoritmos . . . . 44

ix

Lista de Abreviaturas

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

BPSK Binary Phase-Shift Keying CCP Codificador Convolucional Puncionado

CDMA Code Division Multiple Access

CVP Codificador de Verificao de Paridade

DCVP Decodificador do Cdigo de Verificao de Paridade

DAV Decodificador com Algoritmo de Viterbi

ERB Estao Rdio Base

dB Decibel

FER Frame Error Rate

fdp Funo densidade de probabilidade

GF Campo de Galois

P/S Paralelo/Srie

RCPC Rate-Compatible Punctured Convolutional

RS Codificador de canal Reed-Solomon

Tx Transmissor

U1 Usurio 1

U2 Usurio 2

Ux Abreviatura que significa usurio indefinido

x

Lista de Smbolos

i Elementos de um campo finito

( )1a Matriz de puncionamento ic Sequncia de bits gerados pelo codificador convolucional, que formam a

palavra cdigo

bE Energia mdia por bit

ig Sequncias geradoras dos cdigos do codificador convolucional

( )Xg Polinmio gerador do cdigo Reed-Solomon )( mqGF Campo de Galois extendido de grau m

k Comprimento do bloco de bits ou smbolos de informao que sero codificados

im Bits de mensagem

m Nmero inteiro positivo

N Comprimento do bloco em smbolos transmitidos no mtodo da codificao cooperativa

n Comprimento da palavra cdigo

0N Densidade espectral de potncia unilateral do rudo

1N Sequncia da palavra cdigo destinada ao primeiro segmento, na tcnica da codificao cooperativa

2N Sequncia da palavra cdigo puncionada, que destinada ao segundo segmento, na tcnica da codificao cooperativa

P Perodo de puncionamento

( )Xp Polinmio primitivo gerador do campo finito GF(2m) R Taxa de codificao do codificador utilizado

1R Taxa de codificao da sequncia da palavra cdigo destinada ao primeiro segmento ( )1N , na tcnica da codificao cooperativa

coR Taxa de cooperao, na tcnica da codificao cooperativa

xi

Resumo

O objetivo desta dissertao comparar o desempenho de dois algoritmos de deciso para codificao cooperativa, ou seja, de sistemas de comunicao cooperativa que realiza cooperao entre usurios fazendo uso de codificadores de canal. O primeiro

desses algoritmos apresentado em [1]-[4] e o outro apresentado em [5], denominados aqui, de Modelo 1 e Modelo 2, respectivamente. Os modelos escolhidos para serem comparados, possuiam algumas diferenas significativas nas estruturas dos seus sistemas, alm de diferenas no mecanismo de cooperao e nos resultados de desempenhos apresentados, no permitindo uma comparao justa entre eles, o que motivou a realizao deste trabalho. Como contribuio adicional,

proposto um terceiro algoritmo, chamado de Modelo 3, que funciona basicamente como uma combinao dos Modelos 1 e 2. Para realizar uma comparao justa entre os trs algoritmos da codificao cooperativa foram utilizados um esquema de codificao de canal Reed-Solomon (RS), modulao BPSK (binary phase-shift keying) e um canal caracterizado com desvanecimento Rayleigh plano. Os resultados de desempenhos dos trs algoritmos so apresentados na forma de curvas da taxa de

erro de bit (BER - bit error rate) em funo da razo da energia mdia por bit e a densidade espectral de potncia unilateral do rudo (Eb/N0), obtidos por simulaes computacionais ambientadas na ferramenta de simulao Simulink integrada ao programa MATLAB.

Palavras-Chave: Comunicao Cooperativa, Codificao Cooperativa, Comunicaes sem fio.

xii

Abstract

The purpose of this dissertation is to compare the performance of two

decision algorithms for cooperative coding, i.e., the cooperative communication systems that performs cooperation between users by making use of channel encoder.

The first of these algorithms is presented in [1]-[4] and the other is presented in [5], called here, Model 1 and Model 2, respectively. The models chosen for comparison, has some significant differences in the structures of their systems used, in addition to differences in the mechanism of cooperation and presentation of performance results,

do not allowing a fair comparison between them, which motivated this work.. As an

additional contribution, we propose a third algorithm, called the Model 3, which basically works as a combination of Models 1 and 2. In order to perform a fair comparison among the three cooperative coding algorithms, a scheme of channel coding Reed-Solomon (RS), modulation BPSK (binary phase-shift keying) and a flat Rayleigh fading channel were used. The performance results of the three algorithms are presented as curves of bit error rate (BER) as a function of the ratio of average energy per bit and the one-sided noise power spectral density (Eb/N0), obtained by computer simulations done using the Simulink simulation tool integrated with

MATLAB.

Keywords: Cooperative Comunication, Coded Cooperation, Wireless Comunication.

1

CAPTULO 1

Introduo

1.1 Conceitos Bsicos

A introduo de novas aplicaes aos sistemas de comunicaes mveis vem proporcionando ao usurio alm da comunicao de voz, comunicaes de dados, que incluem mensagens, imagens, vdeos e outras informaes agrupadas denominadas de comunicaes multimdia. Assim, alta qualidade/confiabilidade, como tambm taxas de transmisso cada vez mais elevadas so exigidas. Os sistemas

de comunicaes mveis constituem um ambiente de propagao que apresentam degradaes severas ao sinal, devido ao transmissor e/ou receptor terem a capacidade

de estar em movimento relativo em um cenrio em que outros agentes, tais como edificaes e veculos constituem obstculos e superfcies refletoras que contribuem fortemente para a degradao do sinal. Isso pode ocasionar um sinal de baixa qualidade e at a perda completa do sinal.

Para manter um sistema de comunicao com taxa de transmisso adequada e qualidade de servios aceitvel, em um ambiente de propagao hostil, necessrio,

na maioria das vezes, um aumento na robustez do sinal transmitido e/ou adoo de contramedidas eficazes e capazes de combater as degradaes introduzidas pelo

canal.

Uma das maneiras adequadas para isto a utilizao de tcnicas de diversidade espacial, temporal e/ou de frequncia, porm, no caso dos sistemas de comunicaes que utilizam terminais nveis portteis, a adoo da diversidade

espacial impraticvel devido s restries inerentes portabilidade.

2

A comunicao cooperativa vem sendo estudada como uma forma alternativa

de se obter os benefcios da diversidade nos casos onde existem restries para o uso da diversidade espacial.

A comunicao cooperativa tem como princpio bsico de funcionamento a utilizao da ajuda de outro dispositivo de usurio para transmitir seu sinal ao destino. Dessa forma, os usurios envolvidos na cooperao iro tanto transmitir o seu sinal, como tambm iro retransmitir de alguma maneira o sinal do outro usurio para o destino, sem alterar os parmetros dos sinais dos usurios, independentemente de estar havendo ou no a cooperao.

Com a utilizao da ajuda de outro(s) usurio(s) para uma retransmisso do sinal o sistema cria um arranjo virtual de antenas, podendo deste modo se beneficiar das tcnicas de diversidade espacial.

A maneira como os usurios iro atuar no sinal recebido do outro usurio, para retransmiti-lo ao destino, so definidas pelas tcnicas da comunicao

cooperativa.

As tcnicas de comunicaes cooperativas mais conhecidas e abordadas neste trabalho so: cooperao atravs da deteco, cooperao por meio da amplificao e retransmisso e cooperao atravs da codificao de canal ou simplesmente

codificao cooperativa, que sero descritos com mais detalhes nos prximos captulos.

1.2 Motivao

Estudos mostram que a tcnica da codificao cooperativa apresenta um desempenho melhor quando comparado com outras tcnicas da comunicao

cooperativa, como o caso da comparao com a tcnica da cooperao por meio da amplificao e retransmisso, que podem ser vistas em [3] e [5]. Para a comparao dos desempenhos entre as tcnicas da codificao cooperativa com a tcnica da cooperao por meio da amplificao e retransmisso, tanto em [3] como em [5], foram utilizados esquemas de modulao BPSK (binary phase-shift keying) e

3

codificao convolucional de taxa 41=R , para que a comparao entre as tcnicas

fosse justa. Entretanto, os algoritmos de deciso para a tcnica da codificao cooperativa

utilizados em [3] e [5] possuem diferenas significativas nas estruturas dos seus sistemas, alm tambm de possurem diferenas em seus mecanismos de cooperao e nos resultados de desempenho apresentados em seus trabalhos, no sendo possvel fazer uma comparao justa entre eles. Um desses algoritmos foi o primeiro algoritmo proposto para a utilizao da tcnica da codificao cooperativa, e

apresentado em [1]-[4], e chamado aqui de Modelo 1. O outro algoritmo apresentado em [5], e chamado aqui de Modelo 2.

Desta forma, em funo das diferentes abordagens utilizadas nos dois trabalhos, e no havendo possibilidade de uma comparao justa entre eles, resta a questo de qual dos dois algoritmos apresenta o melhor desempenho. Esta foi o principal fator de motivao para a execuo deste trabalho. Os dois algoritmos em questo so descritos detalhadamente no Captulo 3.

1.3 Objetivo

O principal objetivo deste trabalho realizar a compararao dos desempenhos dos modelos de codificao cooperativa apresentados em [1]-[4] e [5] de uma forma justa. Para isso foi necessrio estabelecer as mesmas condies para verificao de desempenho dos modelos envolvidos, que sero exibidas no Captulo 4.

As curvas de desempenho da comparao dos modelos, apresentadas neste

trabalho, foram obtidas por meio de simulaes computacionais ambientadas no Simulink integrado ao programa MATLAB.

A fim de simplificar os trabalhos de simulao computacional, foi utilizado um nico cdigo corretor de erros e estabeleceu-se como medida de desempenho as curvas da taxa de erro de bit (BER bit error rate) em funo da relao entre a energia mdia por bit e a densidade espectral de potncia unilateral do rudo

unilateral (Eb/N0) em canais com desvanecimento Rayleigh plano.

4

1.4 Contribuio

Como contribuio adicional, esta dissertao apresenta ainda um novo

algoritmo de cooperao, que funciona como uma combinao dos outros dois algoritmos. Este terceiro algoritmo tambm ser comparado com os outros dois algoritmos utilizando as mesmas abordagens utilizadas para a verificao do desempenho dos outros dois algoritmos, de forma a permitir uma comparao justa dos seus resultados.

1.5 Estrutura da Dissertao

Esta dissertao est estruturada da seguinte maneira:

O Captulo 2 aborda as caractersticas bsicas de um sistema de comunicao mvel no qual a comunicao cooperativa se insere. So descritas as tcnicas de comunicao cooperativa e, em especial, a codificao cooperativa, que apresentada com maiores detalhes.

O Captulo 3 descreve detalhadamente os mtodos e mecanismos de funcionamento da cooperao feita pelos trs algoritmos da codificao

cooperativa, que sero comparados, no qual so compostos pelo Modelo 1, Modelo 2 e o modelo proposto neste trabalho.

No Captulo 4 so descritos os mtodos utilizados e suas caractersticas para elaborao das comparaes feitas por meio de simulaes

computacionais, como: codificao de canal, mtodo de puncionamento, modulao, modelo de canal e os cenrios em que foram realizadas as

comparaes dos algoritmos. Neste captulo so apresentadas tambm as curvas de desempenho obtidas para os trs algoritmos propostos.

O Captulo 5 apresenta as concluses sobre os resultados de desempenhos obtidos, bem como algumas sugestes para trabalhos

futuros.

5

CAPTULO 2

Princpios da Comunicao Cooperativa

Neste captulo sero abordadas as tcnicas de comunicao cooperativa. Ser dada nfase, porm, comunicao cooperativa atravs da codificao de canal ou codificao cooperativa. Apesar de existirem outros esquemas nos quais a comunicao cooperativa pode ser empregada, o modelo que ser tratado neste trabalho, o de um sistema de comunicaes mveis, constitudos por terminais de usurios (terminais mveis e a estao rdio base - ERB). Este modelo geralmente no pode se beneficiar das tcnicas tradicionais de diversidade, quando o terminal

mvel est transmitindo seu sinal para a estao rdio base, devido a algumas restries prticas, por isso um candidato ao uso de alguma tcnica da comunicao

cooperativa.

2.1 Comunicaes mveis sem fio

As comunicaes mveis so caracterizadas quando ao menos uma das partes

envolvidas est em movimento em relao outra. Nas comunicaes mveis pode-se ter uma variedade de obstculos que interferem e alteram a propagao do sinal

transmitido. Essas obstrues podem causar reflexes, disperses e espalhamento do sinal transmitido, produzindo atenuaes na amplitude, alteraes na fase e atrasos. Como h movimento relativo entre uma das partes envolvidas na comunicao, tambm pode-se ter deslocamento na frequncia do sinal, conhecido como

deslocamento Doppler.

6

Como existe grande quantidade de obstrues entre o transmissor e o

receptor, geralmente no se tem uma visada direta na comunicao e, mesmo quando ela existe, ainda podem ocorrer mltiplos percursos devido s reflexes nos

obstculos que o circundam. As propagaes por mltiplos percursos, que ocorrem tipicamente em ambientes urbanos, so mostradas na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Comunicao por mltiplos percursos.

Devido aleatoriedade de como o sinal transmitido afetado pelos mltiplos percursos, as variaes de amplitude e fase so tratadas estatisticamente. Como consequncia, admite-se que a amplitude e a fase do sinal recebido variam aleatoriamente segundo alguma funo densidade de probabilidade (fdp).

No modelo abordado aqui, no qual o sinal transmitido do terminal mvel ao destino, geralmente o enlace no possui uma linha em visada direta, admitindo-se

7

que a amplitude do sinal varie conforme uma distribuio de probabilidade de

Rayleigh, enquanto sua fase uniformemente distribuda em um intervalo de 0 a 2. Maiores detalhes a respeito deste modelo de comportamento do sinal podem ser

encontrados em [6]-[8]. As diferentes cpias do sinal transmitido que chegam ao receptor pelos

diferentes caminhos so combinadas vetorialmente, resultando em um sinal cuja magnitude pode variar entre um valor mnimo e mximo, dependendo das fases e amplitudes com os quais as rplicas do sinal alcanam a antena receptora.

Como se trata de uma comunicao mvel o sinal pode passar de um valor mximo para um mnimo rapidamente, dependendo do local e da velocidade com os

quais o mvel est se deslocando. Alm disso, pode haver lugares de sombreamento. Neste caso, se o sinal resultante na entrada do receptor permanecer por algum tempo

com um valor menor que o mnimo exigido para uma comunicao estvel e sem perda de informao, ocorrer perda na qualidade do sinal e a interrupo da

comunicao. Tal situao afeta de sobremaneira as comunicaes que necessitam de alta qualidade no sinal, tornando imperiosa a adoo de alguma tcnica que aumente a robustez do sinal de forma a manter a qualidade e a confiabilidade da informao recebida.

O canal de comunicao mvel pelo qual o sinal transmitido se propaga sofre desvanecimento por mltiplos percursos. Esse desvanecimento pode ser definido

pela maneira como ele afeta as caractersticas do sinal transmitido, em termos da dispersividade no tempo e da dispersividade na frequncia.

A dispersividade no tempo pode causar ao sinal um desvanecimento plano ou seletivo em frequncia, j a dispersividade na frequncia pode causar ao sinal um desvanecimento lento ou rpido. As definies de como o desvanecimento causado pelo canal de comunicao mvel afeta o sinal transmitido podem ser encontradas

com maiores detalhes em [6]-[8]. Uma das maneiras utilizadas para tentar evitar o desvanecimento por

mltiplos percursos seria por meio da utilizao de tcnicas de diversidade, as quais se baseiam no fato de que a transmisso do mesmo sinal possa ser recebida atravs

de canais com desvanecimentos estatisticamente independentes, o que diminui as chances dos sinais transmitidos sofrerem desvanecimentos profundos. As tcnicas de

8

diversidade mais conhecidas e utilizadas so: diversidade em frequncia, diversidade

no tempo e diversidade espacial, porm neste trabalho ser descrita apenas a tcnica da diversidade espacial, por ser a tcnica de diversidade mais adequada a ser aplicada

ao modelo de comunicao abordado. As demais tcnicas podem ser encontradas com mais detalhes em [6] e [7].

A diversidade espacial consiste em utilizar mais de uma antena geograficamente espaada para transmitir o mesmo sinal, a fim de que os sinais transmitidos pelas diferentes antenas possam percorrer caminhos diferentes com o objetivo de se propagarem em canais com desvanecimentos estatisticamente independentes. Este tipo de benefcio na comunicao gera uma maneira adicional de

se manter boa qualidade na transmisso do sinal, a fim de se evitar perda de informao na recepo.

O modelo de comunicao tratado aqui no pode, entretanto, se beneficiar das tcnicas de diversidade espacial quando o terminal mvel est transmitindo para a

estao rdio base, ou seja, no caso do uplink, pois algumas restries de ordem prtica inviabilizam o uso da diversidade espacial. Basicamente, a principal restrio est relacionada portabilidade do terminal, isso porque, para a obteno de uma diversidade espacial eficaz, as antenas precisam ficar espaadas por uma distncia

adequada, o que no caso do terminal mvel, torna-se invivel devido ao seu tamanho fsico limitado.

Para se evitar o problema do desvanecimento por mltiplos percursos, a comunicao cooperativa tem sido proposta como uma alternativa s tcnicas de diversidade tradicionais.

2.2 Comunicaes Cooperativas

A tcnica de comunicao cooperativa foi apresentada inicialmente no trabalho de Cover & El Gamal [9] em 1979, no qual se utilizou um terceiro terminal como retransmissor em um sistema de comunicao sem fio. Esta proposta pode ser

vista na Figura 2.2 onde os elementos do sistema so compostos por um terminal principal (transmissor), um terminal secundrio (retransmissor) e o destino

9

(receptor). O retransmissor no possui informaes prprias para transmitir e apenas opera para retransmitir a informao estimada do terminal principal. Ainda nesta proposta [9] admitiu-se que o retransmissor tanto recebe o sinal do terminal principal quanto retransmite o sinal recebido para o destino na mesma faixa de frequncias.

A ideia bsica por traz desta comunicao est no fato de que o sinal enviado pelo transmissor pode ser recebido tanto pelo retransmissor quanto pelo destino (broadcast), e cada um recebe uma cpia deste sinal contaminado por rudo que diferem estatisticamente de um canal para o outro, ou seja, so independentes. A partir disso, o retransmissor, atravs do uso de alguma tcnica de deteco, estima o sinal recebido, para minimizar a influncia do rudo que foi adicionado ao sinal, ao

se propagar pelo canal entre os terminais, e retransmite a estimativa do sinal recebido para o destino.

A proposta principal em [9] foi estudar os limites inferior e superior da capacidade do canal com a adio do canal retransmissor em uma comunicao

utilizando canais com rudo branco gaussiano aditivo (AWGN - Aditive White Gaussian Noise) estatisticamente independentes, ou seja, o sinal que recebido pelo destino atravs do retransmissor corrompido pelo rudo de modo diferente em relao aquele sinal que recebido pelo destino atravs do transmissor, isto , os

canais no so correlacionados. A partir da ideia apresentada na Figura 2.2, possvel definir dois modos de

transmisso, o primeiro, apresentado na Figura 2.3(a), mostra a transmisso da informao do transmissor que pode ser recebida pelo retransmissor e pelo destino simultaneamente (broadcast) e o segundo, apresentado na Figura 2.3(b), mostra tanto a retransmisso da informao assim como a transmisso da informao de onde foi

originada, ambas para o mesmo destino, em canais de mltiplo acesso. Entretanto, a Figura 2.3(b) tambm pode ser estendida para uma transmisso em diversidade espacial, no qual o transmissor pode se beneficiar da tcnica de diversidade espacial ao transmitir seu sinal por dois locais diferentes, que ir experimentar dois caminhos distintos.

10

Figura 2.2 - Comunicao utilizando um Terminal Retransmissor.

Transmissor

Retransmissor

Destino

Transmissor

Retransmissor

Destino

(a) (b)

Figura 2.3- Modos de transmisso: (a) Transmisso em broadcast; (b) Transmisso em canais de mltiplo acesso e tambm pode ser estendida para uma transmisso em diversidade espacial.

O estudo da Comunicao Cooperativa apresenta relativos avanos desde o trabalho de Cover & El Gamal [9] em 1979, se estendendo a vrios terminais de usurios que alm de transmitirem seu prprio sinal, tambm retransmitem atravs de uma estimativa o sinal de outro usurio. Apesar de existirem outros esquemas, no qual a comunicao cooperativa pode ser empregada, o modelo empregado aqui o de um sistema de comunicaes mveis, e com isso os canais so modelados com

desvanecimento Rayleigh e no apenas com AWGN. A comunicao cooperativa tem como objetivo principal obter as vantagens

da diversidade para o sinal transmitido atravs da ajuda de outro(s) usurio(s),

11

formando assim um arranjo virtual de antenas com o uso conjunto das mesmas, como se pode ver na Figura 2.4. Na comunicao cooperativa, os usurios envolvidos na comunicao trabalham tanto como transmissores como retransmissores.

Algumas das principais tcnicas sero descritas neste trabalho, como a Cooperao atravs da Deteco, a Cooperao por meio da Amplificao e Retransmisso e, com mais abrangncia a Codificao Cooperativa.

Caminhos com Desvanecimentos Independentes

Canal entre usurios

Uplink 2

Uplink 1

Figura 2.4 - Esquema geral da comunicao cooperativa entre dois usurios, destacando o os caminhos com desvanecimento estatisticamente independentes entre os terminais e a ERB.

2.2.1 Cooperao atravs da Deteco

O mtodo de cooperao atravs da deteco foi proposto primeiramente por

Sendonaris et al. [10] e [11] e sua funcionalidade tem muitas semelhanas com o modelo de Cover & El Gamal [9], porm, ao invs de utilizar um terminal apenas como retransmissor, os terminais so usurios que trabalham tanto como transmissores, quanto retransmissores, pois tm informao prpria para ser

transmitida, e tambm retransmitem a informao de outro usurio. Quando um usurio recebe a informao do outro usurio envolvido na comunicao, ele utiliza

alguma tcnica de deteco para estimar a informao recebida, a fim de minimizar a influncia do rudo, que foi adicionado ao sinal, ao passar atravs do canal entre

12

usurios, e em seguida retransmite uma parte da informao estimada do outro

usurio juntamente com uma parte da sua prpria informao. O destino recebe para cada usurio a informao que transmitida pelo

prprio usurio, e tambm a informao estimada que est sendo retransmitida por outro usurio, podendo dessa forma alcanar a diversidade espacial na transmisso dos terminais mveis para a estao rdio base.

O trabalho de Sendonaris et al. [10] e [11] prope um mtodo de cooperao atravs da deteco em um sistema utilizando a tcnica de mltiplo acesso CDMA (code-division multiple access) com modulao BPSK.

As estruturas dos sinais transmitidos pelos usurios, com relao aos sistemas

com e sem cooperao, devem ser mantidas as mesmas, para que dessa maneira, possa ser realizada uma comparao justa entre os sistemas, sem que existam diferenas.

Com o envio dos sinais por dois caminhos com desvanecimentos

estatisticamente independentes, os sinais transmitidos experimentam canais com relaes sinal-rudo diferentes at o destino, podendo assim obter um desempenho melhor do que aquele obtido ao se transmitir o sinal por um nico caminho. Por isso, pode ser mais vantajosa a utilizao do sistema com cooperao em relao ao sistema sem cooperao.

A tcnica de cooperao atravs da deteco pode ser muito eficiente e

alcanar bons desempenhos, conforme pode ser visto em [10] e [11].

2.2.2 Cooperao por meio da Amplificao e Retransmisso

A cooperao por meio da amplificao e retransmisso a tcnica de cooperao mais simples de se realizar, por se tratar de uma tcnica onde o sinal

recebido no necessita de nenhum esquema de tratamento muito complexo, apenas uma amplificao.

Esta tcnica de cooperao foi proposta por Laneman et al. [12] e funciona basicamente amplificando o sinal recebido pelo outro usurio, porm a amplificao

feita ao sinal recebido estar com a adio de rudo e, portanto, o sinal amplificado no s amplificar a informao do outro usurio, mas tambm amplificar o rudo

13

contido na informao. A utilizao desta tcnica mais interessante quando a

relao sinal-rudo do canal entre usurios alta, de modo que o sinal possa continuar sendo til mesmo aps passar atravs de dois canais, at ser recebido pelo

destino, como pode ser visto no esquema geral de cooperao mostrado na Figura 2.4.

O sinal transmitido para a ERB de ambos os usurios composto pela transmisso da sua prpria informao e da retransmisso amplificada do sinal do outro usurio e desta maneira podendo alcanar a diversidade espacial na transmisso do terminal mvel para a estao rdio base.

Esta tcnica, por ser simples de executar, pode ser aplicada a sistemas onde

no se necessita de algo muito complexo no tratamento do sinal. Se a relao sinal-rudo do canal entre usurios for alta, a tcnica de cooperao por meio da

amplificao e retransmisso pode ser realizada sem muitos problemas. Para fazer uma comparao justa em relao aos sistemas com e sem

cooperao, as estruturas dos sinais devem ser iguais, como em outras tcnicas de cooperao.

2.2.3 Codificao Cooperativa

A tcnica da codificao cooperativa foi primeiramente proposta por Hunter & Nosratinia no ano de 2002 [1], no qual a cooperao feita atravs da codificao de canal. A idia principal da codificao cooperativa a de se obter diversidade por meio da transmisso de redundncia incremental de um usurio pelo outro, sem que a

taxa de codificao seja alterada, independentemente de estar havendo ou no a cooperao.

A codificao de canal consiste em utilizar redundncia controlada para proteger a informao enviada pela fonte. O codificador de canal aumenta a largura de faixa do sinal transmitido por meio do aumento da quantidade de smbolos ou bits que so adicionados informao. A razo entre o nmero de bits ou smbolos de

informao e o nmero total de bits ou smbolos de uma palavra cdigo definida como taxa de codificao, para um mesmo alfabeto da sada da fonte e do

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codificador. Assim, quanto maior for a quantidade de redundncia adicionada

informao menor ser a taxa de codificao. De um modo geral, quanto menor for a taxa de codificao maior ser a capacidade de correo de erros do cdigo. Logo, o

aumento da capacidade de correo est diretamente relacionado com a quantidade de redundncia acrescentada informao.

A codificao cooperativa consiste na transmisso do quadro, que formado pela palavra cdigo dos usurios, dividido em dois segmentos. No trabalho de Hunter & Nosratinia [1], foi utilizada a tcnica de puncionamento do codificador de canal para fazer a diviso da palavra cdigo, no qual um dos principais objetivos desta proposta para a realizao da cooperao. A tcnica de puncionamento tem como

princpio de funcionamento eliminar de alguma maneira alguns bits ou smbolos na sada do codificador de canal, e desta forma alcanar outras taxas de codificao,

sem que seja necessrio alterar a estrutura do codificador de canal utilizado no sistema. A tcnica de puncionamento utilizada por [1] foi proposta por Hagenauer em 1988 [13], que se baseia na utilizao de uma matriz de puncionamento para eliminar os bits ou smbolos na sada do codificador de canal. A tcnica de puncionamento feita desta maneira explicada com mais detalhes no Captulo 3. No entanto, o princpio bsico de funcionamento da tcnica de puncionamento do

codificador de canal e como realizada a diviso do quadro, pode ser entendido por meio do exemplo apresentado na Figura 2.5. Como pode ser observado, o primeiro segmento do quadro composto pela palavra cdigo que passou pelo processo de puncionamento, e apesar desta palavra cdigo estar enfraquecida, ela pode ser decodificada. O segundo segmento composto pela parte da palavra cdigo puncionada, ou seja a parte que foi eliminada, no qual o segmento utilizado para fazer a cooperao entre os usurios.

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Figura 2.5 Exemplo de puncionamento e montagem dos segmentos para um usurio.

A arquitetura proposta por Hunter & Nosratinia [1], para a codificao cooperativa ilustrado na Figura 2.6, para o Usurio 1 (U1), e de acordo com ela, os k bits de informao do U1 so submetidos a um CRC [14]-[17] (cyclic redundancy check), que um cdigo de deteco de erro, no qual ir inserir bits de redundncia aos k bits de informao, e sua utilizao tem como objetivo detectar se os k bits de informao esto corretos aps a realizao da decodificao. Em seguida os bits so codificados por um codificador convolucional com puncionamento (CCP), que ir codificar os bits a uma taxa de codificao total R. Atravs da tcnica de puncionamento do codificador de canal, tem-se a diviso do quadro que ser transmitido em dois segmentos N1 e N2, (sendo que a quantidade de bits ou smbolos em cada segmento depender da capacidade de correo do cdigo utilizado). No primeiro segmento, o U1 transmite sua prpria palavra cdigo puncionada (N1) com taxa de codificao R1, que recebida e pode ser decodificada pelo Usurio 2 (U2), pois apesar da palavra cdigo transmitida no primeiro segmento estar puncionada, ela uma palavra cdigo e decodificvel.

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Legenda: CRC (cyclic redundancy check) cdigo de deteco de erro; CCP - Codificador Convolucional com Puncionamento; DCAV Decodificador Convolucional que utiliza o Algoritmo de Viterbi; VCRC Verificador do CRC.

Figura 2.6 - Arquitetura da codificao cooperativa proposto por Hunter & Nosratinia [1], para o Usurio 1.

Ainda de acordo com a Figura 2.6, paralelamente ao processo de gerao dos segmentos com os N1 e N2 bits do U1, o prprio U1 recebe o quadro transmitido pelo

Usurio 2 (U2) e realiza a decodificao, no entanto a decodificao feita apenas considerando o primeiro segmento do quadro, ou seja, os N1 bits do U2. O resultado desta decodificao submetido a um verificador do cdigo CRC (VCRC), a fim de se verificar se a decodificao realizada pelo decodificador convolucional est correta ou no. Simultaneamente verificao do CRC, os bits decodificados, so tambm recodificados pelo codificador convolucional com puncionamento (CCP), para gerar a parte da palavra cdigo correspondente ao segundo segmento do U2, os N2 bits, que no foram inicialmente transmitidos por ele, no qual poder ser utilizado

pelo U1 caso haja cooperao, de modo semelhante ao mostrado na Figura 2.6. Se a verificao do CRC detectar que a decodificao realizada pelo U1 est correta, ento

o U1 ir cooperar com o U2 e os N2 bits do U2 so transmitidos no segundo segmento do U1, transmitindo redundncia incremental para o U2. Caso contrrio, o U1 transmite o restante da sua prpria palavra cdigo no seu segundo segmento.

17

Evidentemente, a palavra cdigo para a formao dos segmentos foi gerada a partir

da informao do U1 previamente acrescida de bits de redundncia pelo CRC, que foram omitidos aqui. A explicao de como ocorre a cooperao entre os usurios na

tcnica da codificao cooperativa, utilizando como base a arquitetura do Usurio 1, foi feita por pura convenincia, pois ocorrer da mesma maneira para o Usurio 2. A caracterizao dos quadros com cooperao e sem cooperao pode ser vista na Figura 2.7.

Figura 2.7 - Caracterizao da cooperao e no-cooperao.

Note que os quadros transmitidos pelos usurios sempre tero o mesmo

comprimento, pois no importa se os usurios esto transmitindo em seu segundo segmento o restante da sua prpria palavra cdigo ou a redundncia incremental do

usurio com o qual se est cooperando. Desta maneira a taxa de codificao ser sempre a mesma, havendo ou no cooperao. Alm da arquitetura proposta em [1], o codificador de canal empregado na codificao cooperativa pode utilizar alm do codificador convolucional, codificadores de bloco, ou outros tipos de codificadores

de canal ou uma combinao deles. importante evidenciar que o mecanismo fundamental da codificao

cooperativa consiste no fato de que, quando um usurio transmite seu sinal, este pode

alcanar outro(s) usurio(s) prximo(s) a ele que so candidatos potenciais cooperao. O processo de cooperao aumenta a robustez do sinal dos usurios,

pela formao de um arranjo virtual de antenas, conforme j mencionado anteriormente. Este aumento da robustez do sinal observado em relao ao ganho que o sistema pode ter com a ajuda do outro usurio para transmitir o seu sinal, permitindo a obteno de um aumento no desempenho do sistema com cooperao

em relao ao sistema sem cooperao.

N1U1 N2U2 N1U1 N2U1 Cooperao

(U1 coopera com U2) Sem cooperao

(U1 no coopera com U2)

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Note que independentemente do tipo de codificador de canal utilizado no

processo de cooperao, a estrutura do codificador caracterizada por permanecer sem alterao, mantendo sempre o mesmo comprimento total do quadro, formado

pela palavra cdigo dos usurios, havendo ou no cooperao, e dessa maneira se conserva a mesma taxa de codificao total do sistema R, com e sem cooperao. Como consequncia, na avaliao de desempenho do sistema, pode-se comparar de forma justa um sistema com cooperao com um sistema sem cooperao.

A abordagem principal desta dissertao a de promover uma comparao de desempenho entre algoritmos que utilizam o mtodo da codificao cooperativa. O primeiro destes algoritmos apresentado nos trabalhos de [1]-[4], e denominado aqui de Modelo 1. O outro algoritmo, apresentado em [5], denominado de Modelo 2.

Como contribuio adicional, ser mostrada a comparao de desempenho dos dois algoritmos mencionados acima com um terceiro algoritmo, denominado de

Modelo 3. Os trs algoritmos abordados neste trabalho sero descritos detalhadamente

no Captulo 3. A Figura 2.8 mostra a estrutura bsica da codificao cooperativa para todos

os algoritmos de cooperao, considerando a comunicao entre dois usurios e uma ERB. Todos os algoritmos estudados aqui possuem as mesmas estruturas em seus

quadros, com relao tanto a transmisso realizada pelos usurios, quanto recepo realizada pelos usurios e pela ERB. A diferena entre eles est na forma de como feita a cooperao pelos usurios.

19

Figura 2.8 - Tcnica da cooperao atravs da codificao de canal.

2.2.3.1 Transmisso dos usurios atravs da diviso no tempo

A Figura 2.9 e a Figura 2.10 apresentam com mais detalhes como realizada a codificao cooperativa entre dois usurios (Usurio 1 e Usurio 2) e a ERB, operando por meio da diviso de tempo, com base na proposta do algoritmo de Hunter & Nosratinia [1] (Modelo1). No entanto, as duas figuras tambm so a base para o entendimento da realizao da codificao cooperativa na proposta dos

algoritmos do Modelo 2 e do Modelo 3. Em qualquer instante da comunicao o quadro transmitido, formado pela

palavra cdigo dos usurios, sempre ter o tamanho de n = N1 + N2 bits. Os instantes de tempos demonstrados atravs de ti nas figuras so os tempos no qual o quadro transmitido e recebido pelos usurios e pela ERB, pois quando um usurio transmite seu sinal este recebido tanto pelo outro usurio como tambm pela ERB naquele

mesmo instante.

Os esquemas mostrados pelas Figuras 2.9 e 2.10 apresentam algumas situaes possveis que podem ocorrer na cooperao entre os dois usurios.

20

De acordo com a Figura 2.9, a caracterizao da cooperao e no cooperao por meio da diviso do tempo, do ponto de vista dos usurios, ocorre conforme descrito a seguir:

Durante o intervalo de tempo (t0-t1), o U1 transmite em broadcast os seus prprios bits tanto no primeiro como no segundo segmento (N1U1 e N2U1), o que caracteriza uma situao de no cooperao. Neste intervalo de tempo nenhum outro terminal transmite. O outro usurio (U2) apenas ir receber o quadro do U1. O U2 ento realiza a decodificao do primeiro segmento do U1 corretamente e o U2 coopera com o U1.

No intervalo de tempo (t1-t2), que o intervalo destinado transmisso do sinal do U2, o U2 transmite no seu primeiro segmento os seus

prprios N1 bits, e como est cooperando, transmite a redundncia incremental para o U1 no seu segundo segmento, que foi gerada a partir

da decodificao realizada corretamente do primeiro segmento recebido do U1 no intervalo (t0-t1), transmitindo um quadro formado por (N1U2 e N2U1). Ainda de acordo com o intervalo de tempo (t1-t2), o U1 recebe o quadro do U2 e realiza a decodificao do primeiro segmento

do U2 corretamente, cooperando com o U2. No intervalo de tempo (t2-t3), o U1 volta a transmitir seu sinal e envia em

seu primeiro segmento os seus prprios N1 bits e no seu segundo segmento a redundncia incremental para o U2, que foi obtida a partir da decodificao realizada corretamente do primeiro segmento recebido do U2 no intervalo (t1-t2), transmitindo um quadro formado por (N1U1 e N2U2). Ainda no intervalo (t2-t3), o U2 no realiza a decodificao do primeiro segmento recebido do U1 corretamente, e no

ir cooperar com o U1.

Finalmente, no intervalo tempo (t3-t4), U2 transmite os seus prprios N1 e N2 bits no primeiro e segundo segmento do seu quadro, respectivamente, transmitindo um quadro formado por (N1U2 e N2U2), pois a decodificao feita pelo U2 no intervalo (t2-t3) do primeiro segmento

21

recebido do U1 no foi realizada corretamente, impedindo que a

cooperao pudesse ter sido concretizada.

N1U1 N2U1 U1

N1U2 U2

N1U1 N2U2

N2U1 N1U2 N2U2

t0 t1 t2 t3 t4 t

N1U1

N1U2

N1U1

N1U2

U1 no coopera com U2

U2 coopera com U1


U1 coopera com U2

Figura 2.9 - Caracterizao da cooperao e no cooperao por diviso do tempo (ponto de vista dos usurios).

A Figura 2.10 ilustra como a ERB recebe os quadros dos usurios e do que dispe para realizar a decodificao, para as mesmas situaes apresentadas na

Figura 2.9. Para que a decodificao possa ser realizada pela ERB, ela ir esperar at

receber os quadros transmitidos pelos dois usurios, que iro levar dois intervalos de tempo, como pode ser visto pela Figura 2.9 e 2.10. Aps receber os quadros transmitidos pelos dois usurios, a ERB ento far as combinaes dos segmentos referentes aos quadros recebidos, para que a decodificao possa ser realizada

completamente. Nota-se, que a espera realizada pela ERB at receber os quadros transmitidos pelos dois usurios, necessria, pois os usurios transmitem seus

quadros em instantes de tempos distintos, e caso um usurio esteja cooperando com o outro, ele ir apenas transmitir a redundncia incremental do outro usurio, no instante estabelecido para a transmisso do seu quadro.

Durante o intervalo de tempo (t0-t1) a ERB recebe o quadro sem cooperao do U1 e no intervalo de tempo (t1-t2) a ERB recebe o quadro com cooperao do U2. Neste caso a ERB tem o primeiro segmento do

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U1 e dois segundos segmentos idnticos do U1, um enviado diretamente

pelo U1 e o outro enviado por cooperao pelo U2. Assim, a ERB ter a sua disposio para realizar a decodificao do quadro correspondente

ao U1, redundncia incremental em diversidade (N1U1 e 2N2U1). Este o melhor caso possvel para decodificao de um usurio.

No intervalo de tempo (t1-t2) a ERB recebe do U2 um quadro formado pelos seus prprios N1 bits e os N2 bits do U1, que foram utilizados para

realizar a decodificao do quadro do U1 nos intervalos (t0-t1-t2). No intervalo de tempo (t2-t3) a ERB recebe do U1 o seu quadro com cooperao, isto , os N1 bits do prprio U1 e os N2 bits do U2. Desta forma, para a decodificao do quadro do U2, a ERB dispe dos N1 bits enviados diretamente pelo U2 no intervalo (t1-t2) e dos N2 bits de redundncia incremental, resultantes da cooperao realizada pelo U1 no

intervalo (t2-t3), resultando no quadro (N1U2 e N2U2). Neste caso no h redundncia incremental em diversidade, apenas a recepo dos dois

segmentos do U2 atravs de dois caminhos diferentes. No decorrer do intervalo de tempo (t2-t3) a ERB recebeu do U1 um

quadro formado pelos seus prprios N1 bits e pelos N2 bits do U2, enviados como cooperao no intervalo, e que foram utilizados para

realizar a decodificao do quadro do U2 nos intervalos (t1-t2-t3). No intervalo de tempo (t3-t4) a ERB recebe do U2 os seus prprios N1 e N2 bits. Como o U1 cooperou com U2 no intervalo (t2-t3), mas o U2 no cooperou com U1 no intervalo (t3-t4), a ERB ter a sua disposio para realizar a decodificao do U1, apenas do primeiro segmento do U1 enviado pelo prprio U1 no intervalo (t2-t3), resultando no quadro formado apenas pelos (N1U1). Este o pior caso possvel para a decodificao de um usurio, realizada pela ERB.

Durante os intervalos de tempo (t3-t4-t5) a ERB recebe um quadro sem cooperao do U1, ou seja, formado pelos seus prprios N1 e N2 bits enviados no intervalo (t3-t4), e um quadro sem cooperao do U2, tambm contendo os seus prprios N1 e N2 bits enviados no intervalo (t4-t5). Dessa forma, para a ERB realizar a decodificao do quadro do

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U2, a ERB dispe do primeiro e do segundo segmento do U2 enviados

pelo prprio U2 no intervalo (t3-t4).

N1U1 N2U1 U1

N1U2 U2

N1U1 N2U2

N2U1 N1U2 N2U2

t0 t1 t2 t3 t4


U2 coopera com U1


U1 coopera com U2

N1U1 N2U1 N2U1

N1U1

N1U2 N2U2

ERB

t2 t3 t4 t5 t


N1U1 N2U1

t5

N1U2 N2U2

Figura 2.10 - Montagem dos quadros recebidos pela ERB para a realizao da decodificao.

O quadro efetivo recebido tanto pelo Usurio 1 como pelo Usurio 2, pode ser entendido mais facilmente atravs da Figura 2.11. Nota-se, que os N2 bits que

compem o quadro da palavra cdigo recebida pelos usurios, denotado pelo segmento N2UX, no so considerados para fins da decodificao, pois como pode ser visto na Figura 2.9, caso o usurio esteja cooperando, os N2 bits do seu quadro naquele instante no correspondem ao restante da sua prpria palavra cdigo, pois o

usurio estar transmitindo a redundncia incremental para o outro usurio. Dessa forma, o quadro considerado pelos usurios formado apenas pelos N1 bits que

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compem o quadro transmitido, no qual a palavra cdigo puncionada, e que pode

ser decodificada pelos usurios. Quando o quadro chega aos usurios, os N2 bits so considerados pelo decodificador como bits apagados. Evidentemente, a capacidade

de correo de erro do primeiro segmento menor do que seria se os dois segmentos originados pelo mesmo codificador fossem utilizados.

Figura 2.11 - Quadro efetivo utilizado para fins da decodificao realizada por parte do usurio cooperador.

2.2.3.2 Taxa de cooperao

Na codificao cooperativa define-se a taxa de cooperao entre os usurios como sendo

( ) 100% 2 =n

NRco (2.1)

A taxa de cooperao quantifica a porcentagem de bits ou smbolos que um usurio ir transportar de outro usurio (N2) em relao ao total de bits ou smbolos transmitidos por palavra cdigo (n). Em outras palavras, a taxa de cooperao define o grau de cooperao de um usurio com outro. A taxa de cooperao afeta diretamente a capacidade de correo de erros da palavra cdigo, composta pelos N1

bits ou smbolos, e tambm o ganho de cooperao do sistema. Quanto maior for a palavra cdigo N1 em relao n, maior ser sua capacidade de correo, porm, isso resultar em um menor ganho de cooperao pelo fato de que a quantidade de redundncia incremental correspondente N2 ser proporcionalmente menor. Para a

maximizao do ganho do sistema, esta relao depende das relaes sinal-rudo envolvidas. Por exemplo, quando o canal entre usurios possui alta relao sinal-

N1U1 N2Ux N1U1

Quadro transmitido pelo U1

Quadro usado pelo U2 para fins de decodificao da

palavra cdigo do U1

25

rudo no h necessidade de uma grande capacidade de correo de erro no primeiro

segmento. Sendo assim, se o segundo segmento transportar mais redundncia incremental, o ganho obtido com a cooperao ser maior.

2.2.3.3 Mtodos de decodificao que podem ser realizadas pelo destino

Como a ERB no tem o conhecimento de quando os usurios esto ou no cooperando, pode ser inserido um bit ou smbolo a mais no quadro transmitido por cada usurio para sinalizar se est ou no havendo cooperao na transmisso do

quadro. Isso facilita e simplifica o processo de combinao e decodificao, por parte da ERB, dos quadros recebidos dos usurios.

A decodificao dos quadros recebidos pela ERB tambm pode ser feita sem o conhecimento do status da cooperao, ou seja, se os usurios esto cooperando ou no, de tal maneira que os dois segmentos que compem os quadros que so recebidos pela ERB so combinados e decodificados de todas as formas possveis. Neste caso, o resultado da decodificao que for verificado pelo CRC e detectado como a melhor decodificao realizada, ou seja, a mais correta o resultado dado como vlido, e levado em conta na determinao do desempenho final do sistema. A realizao da decodificao desta maneira, porm, ir ocasionar um aumento de

processamento e de complexidade no processo de decodificao pela ERB. No prximo captulo sero descritos os mecanismos de cooperao e as

principais caractersticas dos algoritmos utilizados para comparao do mtodo da codificao cooperativa.

26

CAPTULO 3

Descries dos Algoritmos Utilizados para Codificao Cooperativa

Neste captulo sero descritos alguns algoritmos, suas principais caractersticas e diferenas no que diz respeito ao processo de deciso para a cooperao ou no-cooperao na tcnica da codificao cooperativa. Os algoritmos descritos contemplam um modelo composto por dois terminais mveis (usurios) e uma ERB.

3.1 Modelo 1 - Algoritmo proposto por Hunter & Nosratinia [1]

O Modelo 1 foi o primeiro algoritmo utilizado no tcnica da codificao cooperativa, proposto em 2002 por Hunter & Nosratinia [1]. Este algoritmo foi proposto consistindo de um esquema de codificao composto por um cdigo de

deteco de erro (CRC) em cascata com um codificador convolucional, cuja sada submetida tcnica de puncionamento. O puncionamento utilizado no Modelo 1

realizado por meio de uma matriz de puncionamento, de forma a ser possvel obter taxas codificao variveis, de acordo com a configurao da matriz utilizada e dessa maneira, pode ser realizada a diviso do quadro transmitido, no qual formado pela palavra cdigo dos usurios em dois segmentos. Este esquema de codificao convolucional conhecido como RCPC (rate-compatible punctured convolutional) e foi proposto por Hagenauer em 1988 [13]. A Figura 3.1 ilustra um exemplo de um RCPC onde a taxa de codificao foi modificada de 4/8 para 4/5 atravs da matriz de puncionamento a(1), apresentada abaixo, no qual ir puncionar as sadas do codificador convolucional periodicamente atravs de um perodo P = 4.

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4434421P

a

=

10010111)1( .

importante notar que a palavra cdigo puncionada, cuja taxa de codificao R = 4/5, constitui o primeiro segmento do quadro que ser transmitido, os N1 bits, e pode ser decodificvel por meio do algoritmo de Viterbi sobre a mesma trelia do

codificador convolucional com taxa R = 4/8. Conforme mostrado na Figura 3.2, isso pode ser feito puncionando-se a trelia que representa o codificador com taxa

R = 4/8 nos mesmos bits excludos pelo puncionamento.

Figura 3.1 Exemplo de puncionamento usado no Modelo 1 (RCPC) [13].

4434421P

a

=

10010111)1(

101111

2

1

=

=

gg

28

0/0000

10

01

11

1/11

0/10

1/10

1/010/01

0/11

1/00

1/01

0/10 0/10 0/10 0/10

0/11 0/11 0/11

1/10 1/10 1/10

0/011/01

0/011/01

0/011/01

1/00 1/00 1/00

1/11 1/11 1/11 1/11 1/11

0/00 0/00 0/00 0/00 0/000/0000

10

01

11

1/11

0/10

1/10

1/010/01

0/11

1/00

1/01

0/10 0/10 0/10 0/10

0/11 0/11 0/11

1/10 1/10 1/10

0/011/01

0/011/01

0/011/01

1/00 1/00 1/00

1/11 1/11 1/11 1/11 1/11

0/00 0/00 0/00 0/00 0/00

0/0000

10

01

11

1/11

0/1X

1/1X

1/0X0/0X

0/1X

1/0X

1/0X

0/1X 0/X0 0/10 0/1X

0/X1 0/11 0/1X

1/X0 1/10 1/1X

0/X11/X1

0/011/01

0/0X1/0X

1/X0 1/00 1/0X

1/1X 1/1X 1/X1 1/11 1/1X

0/0X 0/0X 0/X0 0/00 0/0X0/0000

10

01

11

1/11

0/1X

1/1X

1/0X0/0X

0/1X

1/0X

1/0X

0/1X 0/X0 0/10 0/1X

0/X1 0/11 0/1X

1/X0 1/10 1/1X

0/X11/X1

0/011/01

0/0X1/0X

1/X0 1/00 1/0X

1/1X 1/1X 1/X1 1/11 1/1X

0/0X 0/0X 0/X0 0/00 0/0X

Figura 3.2 Exemplo de decodificao para o RCPC da Figura 3.1.

No caso da estrutura proposta em [1], a taxa de codificao do codificador convolucional de 1/4 e aps ser submetido tcnica de puncionamento, feita por meio da utilizao da matriz de puncionamento, a taxa de codificao da palavra

cdigo puncionada passa a ser de 1/2. Os N1 bits do primeiro segmento so os bits que compem a palavra cdigo puncionada e os N2 bits, que constituem o segundo

segmento so os bits que foram puncionados e compem a redundncia incremental, conforme mostrado na Figura 3.3.

29

Figura 3.3 Formao dos segmentos para o esquema de cooperao do Modelo 1.

No algoritmo do Modelo 1, os usurios recebem o quadro transmitido pelo

outro usurio e tentam decodific-lo. Qualquer usurio que consiga decodificar corretamente o primeiro segmento do outro usurio poder recuperar a informao do outro usurio. A informao recuperada do outro usurio ser recodificada para recuperar os bits do cdigo que no foram originalmente transmitidos por ele, ou

seja, os N2 bits que foram puncionados. Estes smbolos so transmitidos no segundo segmento do quadro do usurio e a cooperao estabelecida. Se qualquer um dos

usurios no conseguir decodificar corretamente a sequncia de N1 bits recebidos do outro usurio, ele ir enviar seus prprios N2 bits codificados no segundo segmento do seu quadro transmitido, o que caracteriza uma situao de no cooperao.

Os usurios iro cooperar ou no automaticamente. Portanto, os usurios

atuam independentemente no segundo segmento do seu quadro a ser transmitido, sem terem o conhecimento se o outro usurio cooperou ou no.

A Figura 3.4 apresenta o fluxograma do algoritmo de cooperao do Modelo 1.

30

Usurio 1 recebe o sinal transmitidopelo Usurio 2

Usurio 2 recebe o sinal transmitidopelo Usurio 1

simnosim

U2 decodifica corretamente os

bits do U1?

Usurio 1 coopera eenvia para a ERB

os seus N1 bitsjuntamente comos N2 bits de U2

Usurio 1 no coopera e envia

para a ERB ambosos seus N1 e N2 bits

Usurio 2 coopera eenvia para a ERB

os seus N1 bitsjuntamente comos N2 bits de U1

Usurio 2 no coopera e envia

para a ERB ambosos seus N1 e N2 bits

FIM

A ERB decodifica o sinal que chega peloU2 e determina a sua probabilidade de erro

no


INCIO

Ambos os Usurios transmitem seu sinal, que recebido pelo

outro Usurio

A

noA

sim


bits do U2?

A comunicaofoi finalizada?

Figura 3.4 - Fluxograma das caractersticas do algoritmo do Modelo 1.

3.2 Modelo 2 - Algoritmo proposto por Stefanov & Erkip [5]

O algoritmo denominado de Modelo 2, foi proposto em 2004 por Stefanov & Erkip [5], e apresenta um mecanismo de cooperao que difere do algoritmo do Modelo 1. Existem basicamente duas diferenas entre os Modelos 1 e 2: o processo de puncionamento do cdigo convolucional, que no est propriamente associado ao

algoritmo e sim ao processo de codificao, e o processo de deciso da cooperao ou no cooperao.

31

Apesar dos processos de puncionamentos dos codificadores convolucionais

utilizados nos dois modelos serem diferentes, o objetivo deles tem o mesmo princpio, que o de alcanar outras taxas de codificao sem alterar a estrutura do

codificador de canal. Desta maneira os resultados obtidos atravs do processo de puncionamento, nos dois modelos, podem ser semelhantes, se forem utilizados os mesmos parmetros nos sistemas dos dois modelos. No entanto a tcnica de puncionamento utilizada no Modelo 2, para alcanar outras taxas de codificao, e com isso criar os dois segmentos no quadro a ser transmitido, se d por meio da eliminao de sadas do codificador convolucional. Conforme mostrado na Figura 3.5, o primeiro segmento formado pelos bits de duas das quatro sadas existentes no codificador convolucional de taxa R = 1/4, resultando, em uma palavra cdigo puncionada com taxa R = 1/2. O segundo segmento composto pelos bits das

sadas que foram excludas para obter a palavra cdigo puncionada, que compe o primeiro segmento, constituindo desta forma, na redundncia incremental para o

primeiro segmento. A decodificao do quadro formado pela palavra cdigo completa, pode ser feita aplicando-se o algoritmo de Viterbi sobre a trelia com taxa R = 1/4. A decodificao apenas do primeiro segmento, ou seja, da palavra cdigo puncionada, pode ser feita com a mesma trelia do cdigo com taxa R = 1/4

modificada para R = 1/2, pela eliminao adequada dos dois bits de sada atribudos a cada transio.

32

Codificador convolucional R = 1/4

P/S P/S

Palavra cdigo puncionadaN1 bitsR = 1/2

quadro de transmisso de n bits

Sadas puncionadasN2 bits

Figura 3.5 Esquema utilizado para o puncionamento do codificador convolucional do Modelo 2.

No Modelo 2, ao contrrio do Modelo 1, cada usurio possui o conhecimento sobre a atual situao da decodificao feita pelo outro usurio, ou seja, se a decodificao foi realizada corretamente ou no. O conhecimento obtido pelos

usurios atravs do envio de um bit ou smbolo de sinalizao de um usurio para o outro. Portanto, a cooperao no ocorre de forma independente pelos usurios,

como no Modelo 1, pois cada usurio ir depender do conhecimento com relao a decodificao realizada sobre o seu quadro transmitido, para cooperar ou no com o outro usurio.

Cada um dos dois usurios que fazem parte da comunicao, (Usurio 1 e Usurio 2), recebem o quadro transmitido pelo outro usurio e tentaro decodificar corretamente a palavra cdigo puncionada, no qual constituem o primeiro segmento

do quadro, os N1 bits. Aps a realizao de tal decodificao, cada usurio ir informar ao outro, por meio do envio do bit ou smbolo de sinalizao, se a decodificao foi realizada corretamente ou no. Os dois usurios tambm iro analisar o bit ou smbolo de sinalizao recebido por eles, para terem o conhecimento

se o outro usurio realizou ou no a decodificao da sua palavra cdigo puncionada corretamente.

33

A cooperao entre os usurios ocorre apenas caso ambos os usurios

decodifiquem corretamente a palavra cdigo puncionada do outro usurio, os N1 bits. Com isso, ambos os usurios iro utilizar a informao recuperada pela

decodificao realizada corretamente, para recodific-la a fim de que cada um dos dois usurios possa gerar o segundo segmento do outro usurio, os N2 bits. Desta forma cada usurio ir transmitir a redundncia incremental para o outro e uma cooperao mtua estabelecida. Caso um dos dois usurios, por exemplo, o Usurio 1, no realize corretamente a decodificao da palavra cdigo puncionada, os N1 bits, que compe o quadro do Usurio 2, o Usurio 1 ir passar para uma situao de no cooperao, informar o Usurio 2, e transmitir o seu quadro formado

pela sua palavra cdigo, ou seja, os seus prprios N1 e N2 bits. Com isso, o Usurio 2, por sua vez, tambm no ir cooperar, mesmo que ele tenha realizado corretamente a

decodificao da palavra cdigo puncionada do Usurio 1, e tambm ir transmitir seu quadro formado pela sua palavra cdigo, seus prprios N1 e N2 bits.

Em resumo, no algoritmo do Modelo 2 diferentemente do algoritmo do Modelo 1 os usurios sempre tero o seu quadro completo formado pela sua palavra cdigo, os seus N1 e N2 bits para ser decodificado pela ERB, no qual o seu segundo segmento pode ter sido transmitido pelo prprio usurio, caso um dos dois usurios

no coopere, ou pode ter sido transmitido por cooperao pelo outro usurio, na forma de redundncia incremental. O ganho de diversidade por meio da cooperao

no algoritmo do Modelo 2 obtida atravs do envio dos seus segmento por caminhos diferentes para a ERB. No Modelo 2 um usurio nunca ter para ser decodificada pela ERB o seu quadro formado apenas pelo seu primeiro segmento, no entanto, tambm nunca ter dois segundos segmentos, como ocorre com o Modelo 1

conforme pode ser visto na Figura 3.6. A Figura 3.7 mostra o fluxograma do algoritmo de cooperao do Modelo 2.

34

Usurio 1

Usurio 2

Destino (ERB)

N1 bits, U2 N2 bits, U2


N1 bits, U1 N2 bits, U2

U1 coopera com U2

Figura 3.6 Possibilidade que pode ocorrer com o algoritmo do Modelo 1 e no ocorre com o algoritmo do Modelo 2.

35

Usurio 1 recebe o sinal transmitido pelo Usurio 2


sim

no

sim

no

U2 coopera eenvia para a ERB

os seus N1 bitsjuntamente com os N2 bits de U1

U2 no coopera eenvia para a ERB

ambos os seusN1 e N2 bits

FIM

sim

Informa U1 que teve sucesso na decodificao dos bits recebidos delee analisa para ver se o contrrio verdadeiro

no

Informa U1 que noteve sucesso na

decodificao dosbits recebidos dele

Informa U2 que teve sucesso na decodificao

dos bits recebidos delee analisa para ver se o contrrio verdadeiro





sim

no



INCIO


outro Usurio

A



A

sim


bits do U1?

U1 cooperou? U2 cooperou?


bits do U2?


no


36

3.3 Modelo 3 - Algoritmo sugerido neste trabalho

O algoritmo do Modelo 3 uma combinao dos algoritmos do Modelo 1 e 2.

Este algoritmo funciona apenas com um usurio tendo o conhecimento sobre a decodificao dos seus bits ou smbolos pelo outro usurio, ou seja, ele coopera ou no dependendo da informao que receber do outro usurio, como no Modelo 2. Como apenas um usurio tem o conhecimento sobre a decodificao do outro, o outro usurio ir cooperar independentemente da cooperao do primeiro, isto , ele ir cooperar ou no automaticamente se decodificar ou no corretamente os bits do primeiro segmento do primeiro usurio, como no Modelo 1. O usurio que tem o

privilgio de ter o conhecimento sobre a decodificao do outro usurio o usurio que tem o melhor uplink entre os dois usurios. O conhecimento sobre a decodificao feita atravs do envio de um bit ou smbolo de sinalizao para o usurio que tem o benefcio do conhecimento, pelo outro usurio, da mesma forma

que no Modelo 2. A ERB quem tem o conhecimento sobre o estado do uplink dos usurios e,

com isso, sabe qual usurio tem o melhor uplink. Cabe ento a ERB a coordenao da mudana de privilgio de um usurio para o outro usurio atravs do envio de um

bit ou smbolo de sinalizao para os usurios. Cada um dos dois usurios que faz parte da comunicao tentar decodificar a

palavra cdigo puncionada, que compe o primeiro segmento do quadro transmitido pelo outro usurio, isto , os N1 bits ou smbolos. Caso, por exemplo, o Usurio 1 tenha o melhor uplink, entre os dois usurios, ento ele ir cooperar apenas se decodificar com sucesso os N1 bits ou smbolos do Usurio 2 e o Usurio 2 tambm

decodificar com sucesso os N1 bits ou smbolos do Usurio 1. Caso o Usurio 2 no tenha sucesso na decodificao dos bits ou smbolos do Usurio 1, o Usurio 1 no

ir cooperar, mesmo que ele tenha decodificado com sucesso os bits ou smbolos do Usurio 2. O Usurio 2 ir cooperar ou no automaticamente se ele decodificar ou no corretamente os bits ou smbolos do Usurio 1 e tambm sinalizar ao Usurio 1, atravs de um bit ou smbolo de sinalizao se est ou no cooperando.

Como a ERB tem o conhecimento sobre o estado dos uplinks dos usurios, caso o estado do melhor uplink mude do Usurio 1 para o Usurio 2, os usurios

37

sero sinalizados e os papis dos dois usurios ser invertido. Com isso o benefcio

do conhecimento sobre a decodificao mudar do Usurio 1 para o Usurio 2. Portanto, como mencionado anteriormente, o algoritmo do Modelo 3 uma

combinao dos algoritmos dos Modelos 1 e 2, pois o usurio que tem o melhor uplink no Modelo 3 trabalha de forma semelhante aos usurios do Modelo 2, isto , a cooperao ocorrer de acordo com o conhecimento da decodificao do outro usurio. O outro usurio do Modelo 3, o usurio que tem o pior uplink, trabalha de forma semelhante aos usurios do Modelo 1, cooperando independentemente, ou seja, sem ter o conhecimento sobre a decodificao do outro usurio. A Figura 3.8 mostra o fluxograma do algoritmo de cooperao do Modelo 3, tendo como usurio

com o melhor uplink o Usurio 1.

38



sim

no

sim

no





sim

Informa U1 que tevesucesso na decodificao dos bits recebidos dele e

analisa para ver se o contrrio verdadeiro







sim no

INCIO


outro Usurio

A

FIM



no

sim

A ERB atravs do conhecimentoque tem sobre o estado do

uplink dos usurios envia uma informao para os usuriospara informar quem tem o

melhor uplink na comunicao Caso o melhor uplink (neste caso) mude do Usurio 1 para o

Usurio 2, os papis dos dois usurios ser invertido e os

benefcios mostrados aqui para o Usurio 1 passaro a ser do

Usurio 2. A


bits do U1?

U2 decodificou corretamente os

bits do U1?



bits do U2?


No prximo captulo sero descritas as caractersticas principais utilizadas

para as realizaes das comparaes dos algoritmos de cooperao descritos neste

39

captulo, que sero feitas por meio de simulaes computacionais, para alguns

cenrios escolhidos para serem estudados.

40

CAPTULO 4

Comparaes dos Algoritmos

Neste captulo so descritas as abordagens utilizadas para a realizao das simulaes para as comparaes dos desempenhos dos algoritmos que foram descritos no Captulo 3. Os resultados so mostrados por meio de curvas de desempenhos obtidas por simulaes computacionais ambientadas na ferramenta de simulaes Simulink integrada com o programa MATLAB.

4.1 Descrio dos Elementos Utilizados para a Elaborao das Comparaes

Para a realizao das comparaes dos trs algoritmos da codificao cooperativa foi utilizado um codificador de canal Reed-Solomon (RS) (n, k) [16]-[18], no qual n = 15 e k = 3, modulao BPSK e canal com desvanecimento Rayleigh plano.

O codificador de canal Reed-Solomon foi adotado por pura convenincia sem qualquer anlise de mrito, com a finalidade de estabelecer uma comparao justa e direta entre os algoritmos dos Modelos 1 e 2 e difere do esquema de cooperao que utiliza cdigos Reed-Solomon apresentada em [19]. A convenincia desta escolha reside no fato de se poder utilizar apenas um cdigo para a comparao dos algoritmos e que esse cdigo fosse diferente do utilizado nos trabalhos dos Modelos 1 e 2. Outra caracterstica que motivou a utilizao dos cdigos Reed-Solomon foi por eles possurem a propriedade de apontar a sua prpria inabilidade para a correo de padres de erros no corrigveis, e desta maneira a utilizao de um CRC no necessrio no sistema. Os cdigos Reed-Solomon so cdigos no

41

binrios construdos a partir de um campo finito (campo de Galois) GF(2m). A Tabela 1 mostra as caractersticas do cdigo RS (15, 3), no qual m = 4.

Tabela 1 - Caractersticas do codificador de canal RS (15,3).

Comprimento do cdigo em smbolos 1512 ==

mn

Nmero de smbolos de mensagem ( ) 3212 == tk m

Nmero de smbolos de paridade ou redundncia 122 == tkn

Distncia mnima do cdigo em smbolos 131min =+= knd

Capacidade de correo do cdigo em smbolos 622

1min=

=

=

kndt

Taxa de Codificao 51

153

===

n

kR

Polinmio Primitivo gerador do campo ( ) 41 XXxp ++=

Polinmio gerador do cdigo

( ) 78398101411812 XXXXXXxg +++++= 313263241451362 +++++++ XXXXXX

obs: i2 elementos do campo ( )42GF .

Uma vez que o campo utilizado para a gerao do cdigo RS (15, 3) um campo binrio estendido 2m onde m = 4, ento o campo constitudo por 16 smbolos, que podem representar palavras binrias de 4 bits.

Com base nos elementos escolhidos neste trabalho para serem feitas as

comparaes dos algoritmos da codificao cooperativa, e de acordo com as simulaes realizadas, o sistema funcionar da seguinte maneira: as fontes

localizadas nos usurios iro gerar bits de informao, que de quatro em quatro, so transformados em smbolos para ento serem submetidos a codificao de canal. Cada bloco de k = 3 smbolos codificado em palavras cdigo de quinze smbolos (n = 15). Assim, a taxa de codificao R = 3/15. A capacidade de correo do cdigo, conforme mostrada na Tabela 1, de 6 smbolos por palavra

42

cdigo. A palavra cdigo ento puncionada de forma a se obter a diviso do quadro

de transmisso dos usurios em dois segmentos, para realizar a codificao cooperativa. O mtodo de puncionamento utilizado realizado atravs da eliminao

de alguns smbolos de paridade na sada do codificador Reed-Solomon, ou seja, da palavra cdigo. Desta maneira consegue-se obter diferentes taxas de codificao e de cooperao. O primeiro segmento do quadro transmitido constitudo pela palavra cdigo puncionada, no qual contm N1 smbolos e pode ser decodificvel pelo usurio candidato cooperao. O segundo segmento composto pelos N2 smbolos, que foram puncionados, e constitui exclusivamente a redundncia incremental.

Para a elaborao das comparaes, o primeiro segmento foi escolhido para

ter o seu comprimento mnimo limitado em 10)1(1 == tnN smbolos, para que a palavra cdigo puncionada contida nele tivesse pelo menos a capacidade de correo de um erro. Uma palavra cdigo com uma capacidade de correo menor que esta, teria uma distncia mnima no suficiente para correo de um erro, tornando a codificao cooperativa muito frgil, e desta forma a cooperao entre os usurios ficar mais susceptvel a uma situao de no cooperao.

Como descrito na Seo 2.2.3.3 do Captulo 2, podem ser utilizados dois mtodos para fazer a decodificao da palavra cdigo recebida pela ERB. Uma das maneiras enviando um smbolo a mais nas palavras cdigos dos usurios para sinalizar se o usurio est ou no cooperando. O outro mtodo realizado sem a ERB ter o conhecimento se o usurio est ou no cooperando, e isto feito atravs da decodificao de todas as combinaes possveis das palavras cdigos recebidas pela ERB. No entanto para maior facilidade na realizao das simulaes para as comparaes dos algoritmos, foi utilizado o mtodo no qual se envia um smbolo a mais para sinalizar se os usurios esto ou no cooperando. Com isso o bloco total da palavra cdigo com ou sem cooperao, passa a ser formado por

1621 =++= SNNN smbolos, no qual 1521 ==+ nNN smbolos, pelo fato de

estar sendo usado o cdigo RS (15, 3). Com isso a taxa de codificao efetiva passa a valer 163=R e a de cooperao ( ) ( )[ ]10016% 2 = NRco . A Figura 4.1 mostra o quadro da palavra cdigo transmitida com a insero do smbolo de sinalizao. Apesar de poder utilizar apenas um bit para sinalizar o estado de cooperao de cada usurio para a ERB, a escolha por utilizar 4 bits, foi pela convenincia de estar

43

trabalhando com o cdigo Reed-Solomon (15, 3), no qual cada smbolo deste cdigo representa 4 bits, e tambm por oferecer mais proteo a sinalizao que ir passar atravs de um canal at ser recebido pela ERB.

Figura 4.1 - Esquema de cooperao com a insero do smbolo de sinalizao aos quadros transmitidos.

Com a adio do smbolo de sinalizao no quadro transmitido pelos usurios, para facilitar o processo de decodificao realizado pela ERB, os desempenhos dos esquemas de codificao cooperativa iro apresentar uma inferioridade de desempenho de aproximadamente 0,28 dB, em relao ao sistema que utiliza a decodificao pela fora bruta, pois a taxa de codificao, ao se tornar menor, por

meio da alterao de 153=R para 163=R , produz um discreto desvio para a

direita das curvas de desempenho. Porm, como a mudana da taxa de codificao a mesma para os trs algoritmos comparados, todos tero seus desempenhos afetados igualmente, o que no ir influenciar na comparao dos resultados de desempenhos finais dos algoritmos.

Para as comparaes dos algoritmos, foram utilizados trs diferentes taxas de cooperao. Essas diferentes taxas de cooperao implicam em diferentes tamanhos nos segmentos utilizados no quadro de transmisso, formado pela palavra cdigo, e com isso, produzem diferentes capacidades de correes de erros da palavra cdigo puncionada, que composta pelo segmento com N1 smbolos. Os esquemas de codificao utilizados so mostrados na Tabela 2.

44

Tabela 2 - Caractersticas das palavras cdigos com as diferentes taxas de cooperao utilizadas para comparao dos algoritmos.

PRIMEIRO SEGMENTO DA

PALAVRA CDIGO

TRANSMITIDA (N1)

SEGUNDO SEGMENTO DA

PALAVRA CDIGO

TRANSMITIDA (N2)

TAXA DE COOPERAO( )[ ]100)(% 2 NNRco

N = 16

PALAVRA CDIGO

PUNCIONADA (N1)

CAPACIDADE DE

CORREO DA PALAVRA CDIGO (N1)

10 5 31,25% (10, 3) 1

11 4 25% (11, 3) 2

12 3 18,75% (12, 3) 3

A Figura 4.2 apresenta as estruturas e as caractersticas dos quadros compostos pelas trs palavras cdigos puncionadas utilizadas nas simulaes para fazer as comparaes dos algoritmos.

45

S14S1 S4 S11 S13S2 S3 S10 S12 S16S15

Smbolos de

informao

Smbolos de Paridade Smbolo de

sinalizao

N1

(palavra cdigo puncionada)

N2

(smbolos puncionados)

(a)

S14S1 S4 S11 S13S2 S3 S10 S12 S16S15

Smbolos de

informao


sinalizao

N1


N2


(b)

S14S1 S4 S11 S13S2 S3 S10 S12 S16S15

Smbolos de

informao


sinalizao

N1


N2


(c)

Figura 4.2 - Estruturas das palavras cdigo puncionadas, que sero utilizadas nas comparaes dos algoritmos: (a) cdigo RS (10, 3); (b) cdigo RS (11, 3); (c) cdigo RS (12, 3).

46

4.2 Abordagens Realizadas para Comparao dos Resultados

Os resultados das comparaes das simulaes computacionais so apresentados na forma de curvas da taxa de erro de bit (BER) como funo da relao entre energia do bit e a densidade espectral de potncia do rudo (Eb/N0), obtidos por simulaes computacionais ambientadas no Simulink integradas com o programa MATLAB.

Vale ressaltar que com o uso do cdigo Reed-Solomon no necessrio a utilizao de um cdigo de verificao de paridade (CRC) para verificar quando a decodificao no foi realizada corretamente. No caso em que o nmero de erros excede a capacidade de correo do cdigo Reed-Solomon, no possvel determinar as posies dos erros e com isso se estabelece que a decodificao no foi realizada corretamente.

Para cada conjunto de resultados de desempenho os cenrios das simulaes foram caracterizados pelos seguintes parmetros:

Relao sinal-rudo para os uplinks dos usurios, Taxas de codificao apresentados na Tabela 2; Relao sinal-rudo do canal entre usurios.

Para todos os cenrios de simulao, os canais entre usurios foram considerados recprocos, ou seja, o estado do canal entre usurios o mesmo tanto do Usurio 1 para o Usurio 2, quanto do Usurio 2 para o Usurio 1 e valem

100 =NEb dB ou 200 =NEb dB ou canal entre usurios perfeito. Quando o canal entre usurios considerado perfeito, todos os modelos apresentam desempenhos iguais, pois apesar dos algoritmos de cooperao entre os trs Modelos serem diferentes os canais entre usurios no iro afetar os quadros transmitidas pelos usurios e eles sempre iro cooperar.

Os resultados das curvas de desempenhos das simulaes, apresentados nas figuras, para todos os modelos e cenrios comparados, representam os desempenhos do Usurio 2.

47

4.3 Resultados dos Desempenhos das Simulaes para Cada Cenrio Estudado

4.3.1 Cenrio 1

O conjunto de parmetros que caracterizam as simulaes do primeiro cenrio relacionado abaixo e apresentados na Figura 4.3.

Uplink (Usurio 1): Eb/N0 = 20 dB (fixo); Uplink (Usurio 2): Eb/N0 = 0 a 20 dB (varivel); Canal entre usurios: Eb/N0 = 10 dB, Eb/N0 = 20 dB e canal entre usurios

perfeito;

Taxa de Cooperao: 31,25%.

Figura 4.3 - Grfico das curvas de desempenho do Usurio 2, para os Modelos 1, 2 e 3 com taxa de cooperao de 31,25%; uplink (Usurio 1) Eb/N0 = 20 dB (fixo).

48

Neste cenrio, como pode ser notado pela Figura 4.3, para as curvas de

desempenho de todos os modelos, para canal entre usurios de 100 =NEb dB a

cooperao no se mostrou eficaz, pois seus resultados de desempenho no foram

superiores ao do sistema sem cooperao, para toda a faixa de 0NEb (dB), no qual o Modelo 3 comeou a apresentar um desempenho inferior, em relao ao sistema sem cooperao, a partir da faixa de 18 dB, o Modelo 2 a partir da faixa de 15,3 dB e Modelo 1 a par

dissertação v. final vinicius lourenço dias ferro

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