estudo comparativo das tÉcnicas de acesso mÚltiplo … · 2.2 primeira geração antes da...
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE TELECOMUNICAÇÕES
DAYNIFE ALMEIDA TIZZO
ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO
MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE
COMUNICAÇÕES MÓVEIS
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE GRADUAÇÃO
NOME DO AUTOR
TÍTULO DO PROJETO DE GRADUAÇÃO
PATOS DE MINAS
2017 VITÓRIA – ES
MÊS/ANO
DAYNIFE ALMEIDA TIZZO
ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO
MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE
COMUNICAÇÕES MÓVEIS
Trabalho apresentado à Faculdade de
Engenharia Elétrica da Universidade Federal
de Uberlândia, como requisito parcial para
aprovação da disciplina de Trabalho de
Conclusão de Curso 2.
Orientadora: Profa. Dra. Karine Barbosa
Carbonaro
NOME DO AUTOR
TÍTULO DO PROJETO DE GRADUAÇÃO
Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Nome do Autor,
apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Título e nome completo Coordenador: Título e nome completo (Exemplos: Prof. Dr. João Manoel Soares Profa. Dra. Joaquina Neves Prof. MSc. Manoel Dantas Eng. Joaquim José Silva)
PATOS DE MINAS
2017 VITÓRIA – ES
MÊS/ANO
DAYNIFE ALMEIDA TIZZO
ESTUDO COMPARATIVO DAS TÉCNICAS DE ACESSO
MÚLTIPLO DE QUARTA E QUINTA GERAÇÃO DE
COMUNICAÇÕES MÓVEIS
Trabalho apresentado à Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de
Uberlândia, como requisito parcial para aprovação da disciplina de Trabalho de Conclusão
de Curso 2.
Patos de Minas, 12 de dezembro de 2017.
COMISSÃO EXAMINADORA:
________________________________________________
Profa. Dra. Karine Barbosa Carbonaro
Faculdade de Engenharia Elétrica
Orientadora
________________________________________________
Prof. Dr. André Luiz Aguiar da Costa
Faculdade de Engenharia Elétrica
Examinador
________________________________________________
Prof. Ms. Gustavo Nozella Rocha
Faculdade de Engenharia Elétrica
Examinador
RESUMO
A próxima geração do sistema de tecnologia móvel, denominada 5G, é esperada como
um dos sistemas capazes de suportar toda a demanda de tráfego de dados futuramente. Nesse
contexto, são necessárias algumas adaptações nos sistemas de comunicações móveis atuais,
para que essa tecnologia seja capaz de atender toda a demanda e as aplicações esperadas com
alto desempenho. A baixa latência e as altas quantidades de tráfego de dados e velocidades
são requisitos fundamentais da tecnologia 5G. Por isso, nesse trabalho, propõe-se o estudo
comparativo das técnicas de acesso múltiplo dos sistemas de quarta geração e quinta geração.
Para assim analisar se a técnica de acesso ao meio a ser implementada no sistema de 5G tem
capacidade de atingir os requisitos fundamentais, juntamente com outras técnicas e
tecnologias.
ABSTRACT
The next generation of the mobile technology system, termed 5G, is expected to be
one of the systems capable of supporting all future data traffic demand. In this context, some
adaptations are required in today's mobile communications systems, so that this technology is
able to meet all the demand and applications expected with high performance. Low latency
and high amounts of data traffic and speeds are fundamental requirements of 5G technology.
Therefore, in this work, it is proposed the comparative study of multiple access techniques of
the fourth and fifth generation systems. In order to analyze whether the medium access
technique to be implemented in the 5G system is capable of reaching the fundamental
requirements along with other techniques and technologies.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Evolução e caracterização das gerações........................................................ 13
Figura 2 – Tecnologias da 2 G........................................................................................ 14
Figura 3 – Técnica de acesso ao meio TDMA............................................................... 15
Figura 4 – Técnica de acesso ao meio CDMA............................................................... 16
Figura 5 – Tecnologias da 2,5 G..................................................................................... 17
Figura 6 – Tecnologias da 3 G........................................................................................ 18
Figura 7 – Tecnologias da 4 G........................................................................................ 19
Figura 8 – As três dimensões do volume de tráfego....................................................... 22
Figura 9 – Estimativa de crescimento de tráfego........................................................... 25
Figura 10 – Esquemático NOMA..................................................................................... 25
Figura 11 – Técnicas NOMA e OMA.............................................................................. 27
Figura 12 – Cancelamento de interferência sucessiva...................................................... 28
Figura 13 – Downlink NOMA para k usuários................................................................. 29
Figura 14 – Uplink NOMA para k usuários..................................................................... 30
Figura 15 – Diagrama de eficiência de largura de banda................................................. 35
Figura 16 – Alocação de recursos do OMA e do NOMA para 2 usuários....................... 35
Figura 17 – Cenário de transmissão assimétrico.............................................................. 37
Figura 18– Cenário de transmissão simétrico.................................................................. 38
Figura 19 – Cenário para eficiência com transmissão assimétrica................................... 40
Figura 20 – Cenário para eficiência com transmissão simétrica...................................... 41
Figura 21 – Variação do parâmetro α............................................................................... 42
Figura 22 – Comparação das taxas no canal assimétrico................................................. 43
Figura 23 – Comparação das taxas no canal simétrico..................................................... 43
Figura 24 – Eficiência espectral versus eficiência energética.......................................... 45
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
1G Primeira Geração
2G Segunda Geração
3G Terceira Geração
4G Quarta Geração
5G Quinta Geração
AMPS Advanced Mobile Phone System
AWGN Additive White Gaussian Noise
BER Bit Rate Error
CDMA Code Division Multiple Access
CSI Informação de estado do Canal
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
FCC Comissão Federal de Comunicação
FDMA Frequency Division Multiple Access
Gbps Gigabits por segundo
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
HetNet Heterogeneous Network
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
HSPA High Speed Packet Access
HSUPA High Speed Uplink Packet Access
IOT Internet of Things
IP Internet Protocol
ITU International Telecommunication Union
Kbps Kilobits por Segundo
LTE Long Term Evolution
LTE-A Long Term Evolution Advanced
M2M Machine to Machine
Mbps Megabits por Segundo
MIMO Multiple-Input Multiple-Output
mmWave Ondas milimétricas
NOMA Non Orthogonal Multiple Access
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OMA Orthogonal Multiple Access
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QoS Qualidade de Serviço
SIC Cancelamento Sucessivo de Interferência
SINR Sinal de Interferência Mais Relação de Ruído
SNR Relação sinal-ruído
SIM Subscriber Identify Module
TDMA Time Division Multiple Access
TTI Transmission Time Interval
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................ 11
1.1. Cenário atual .......................................................................................................... 11
1.2. Problematização ..................................................................................................... 11
1.3. Objetivos ............................................................................................................... 12
1.4. Estrutura do trabalho .............................................................................................. 12
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................ 13
2.1 Introdução .................................................................................................................. 13
2.2 Primeira geração......................................................................................................... 14
2.3 Segunda geração......................................................................................................... 14
2.3.1 Padrão IS-136 ...................................................................................................... 15
2.3.2 Padrão IS-95 ........................................................................................................ 15
2.3.3 Padrão GSM ......................................................................................................... 16
2.4 2,5G ........................................................................................................................... 17
2.4.1 GPRS ................................................................................................................... 17
2.4.2 EDGE .................................................................................................................. 17
2.5 Terceira geração ......................................................................................................... 18
2.5.1 HSPA ................................................................................................................... 18
2.5.2 HSPA+ ................................................................................................................. 19
2.6 Quarta geração ........................................................................................................... 19
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................ 21
3.1 Introdução .................................................................................................................. 21
3.2 Volume de tráfego ................................................................................................... 22
3.2.1 Ocupação do Espectro .......................................................................................... 22
3.2.2 Eficiência Espectral .............................................................................................. 23
3.2.3 Densidade de Elementos por área. ........................................................................ 24
3.3 Técnicas de acesso ao meio ........................................................................................ 25
3.3.1 Latência................................................................................................................... 26
3.3.2 Eficiência espectral .................................................................................................. 26
3.3.3 Cancelamento de Interferência Sucessiva ................................................................ 28
3.3.4 Alocação de energia e cluster .................................................................................. 31
3.3.5 Segurança ................................................................................................................ 31
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................ 32
4.1 Introdução .................................................................................................................. 32
4.2 Teorema da capacidade de canal ................................................................................. 32
4.3 Capacidade de canal ................................................................................................... 35
4.3.1 Canal assimétrico ................................................................................................. 36
4.3.2 Canal simétrico .................................................................................................... 37
4.4 Eficiência ................................................................................................................... 39
4.4.1 Canal assimétrico ................................................................................................. 40
4.4.2 Canal simétrico .................................................................................................... 41
4.4.3 Throughput .............................................................................................................. 42
4.4.4 Resultados obtidos ................................................................................................... 42
4.5 Eficiência energética .................................................................................................. 44
4.5.1 Resultados obtidos ................................................................................................... 44
4.6 Considerações finais ................................................................................................... 45
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................ 47
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 48
11
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1. Cenário atual
Atualmente, a tecnologia de telefonia móvel implantada pelas operadoras é a quarta
geração. O 4G é a evolução do 3G e essas gerações possuem as mesmas características.
Porém, a quarta geração apresenta variações significantes nas taxas de dados e serviços
adicionais de multimídia [1].
Os usuários do 4G que possuem acesso à rede de internet, podem usufruir de diversos
serviços como: dados, fotos, vídeos e ligação de alta qualidade, em qualquer lugar. Esses
serviços baseiam-se no protocolo de internet (IP - Internet Protocol), ou seja, utilizam a troca
de pacotes. Portanto, a composição da infraestrutura é um conjunto de redes que utiliza o IP
[2].
A tecnologia 4G oferece uma velocidade de aproximadamente 100Mbps no download.
Por ser uma tecnologia vigente, esta geração ainda está sendo desenvolvida para obter melhor
desempenho. Um dos principais serviços oferecidos, pela quarta geração de comunicações
móveis, é o acesso dinâmico à informação e o uso de dispositivos wearable [1].
A próxima geração de comunicações móveis exigirá algumas mudanças e necessitará
de novas tecnologias para suportar muitos dispositivos, com altas taxas e latência
relativamente baixa, para atender seus respectivos requisitos.
1.2. Problematização
Atualmente, usa-se muito o termo “convergência tecnológica” onde o celular agrega
recursos de outros equipamentos e mídias. O aparelho celular possibilita enviar mensagens,
jogar, assistir a programas de TV, tirar fotos, filmar, ouvir rádio, receber notícias, acessar
internet, entre outros. A cada dia, os usuários demandam mais aplicações nesses aparelhos e
para atendê-los, cada nova geração deve apresentar maiores taxas de transmissão.
Comparando essas taxas tem-se que o 3G alcança alguns megabits por segundo e o 4G fica
12
em algumas dezenas de megabits por segundo. O 5G propõe-se alcançar velocidade de
transmissão de pelo menos 1 Gbps no download e latência inferior a 1 ms [1].
1.3. Objetivos
Neste trabalho avaliam-se comparativamente as técnicas de acesso dos sistemas de
comunicação móvel de quarta e quinta geração. A base do estudo está na avaliação da
capacidade do canal, da eficiência espectral e energética nos canais assimétrico e simétrico.
1.4. Estrutura do trabalho
No Capítulo 2 apresentam-se as gerações de telefonia móvel destacando as respectivas
modulações e as técnicas de acesso ao meio de cada uma delas. Esse histórico evolutivo é
necessário para entender da comunicação sem fio. No capítulo 3 apresenta-se uma revisão
bibliográfica das características da quinta geração. No capítulo 4 avaliam-se as técnicas de
acesso múltiplo NOMA e OMA. Por fim, no capítulo 5 apresenta-se a conclusão deste
trabalho.
13
CAPÍTULO 2
GERAÇÕES DE COMUNICAÇÕES MÓVEIS
2.1 Introdução
Ao longo dos anos, houve uma relevante evolução no cenário da comunicação sem fio,
percorrendo quatro gerações, além disso, ocorreu um aumento significativo no número de
usuários da tecnologia móvel. De acordo com os dados da Agência Nacional de
Telecomunicações (ANATEL), o Brasil terminou o mês de março de 2017 com 242,8 milhões
de celulares e densidade de 117,20 cel/100 hab [3]. Esse número alto de usuários é o resultado
da adesão às novas tecnologias na telefonia móvel as quais proporcionam diversas aplicações.
Neste capítulo apresenta-se o histórico da evolução e a caracterização das gerações de
comunicações móveis ilustradas Figura 1 com ênfase nas técnicas de acesso ao meio.
Figura1 – Evolução e caracterização das gerações.
1 G
anos 80
· Telefonia móvel analógica
· Tecnologias: AMPS
· Apenas função de voz
2 G
anos 90
· Telefonia móvel digital
· Tecnologias: TDMA, GSM, dcmaOne
· Funções de de voz e SMS
2,5 G
anos 90
· Telefonia móvel digital
· Tecnologias: GPRS, EDGE, IS95B
· Funções de voz e dados
3 G
anos 2000
· Telefonia móvel digital
· Tecnologias: UMTS, HSPA
· Funções de voz, SMS, internet, vídeo chamadas e
TV móvel
4 G
anos 2000
· Telefonia móvel digital
· Tecnologias: LTE, LTE Advanced
· Funções de voz, SMS, internet, vídeo chamadas,
TV móvel, jogos e computação na nuvem
Fonte: A autora.
14
2.2 Primeira geração
Antes da primeira geração, denominada 1G, de telefonia móvel surgir, as pessoas
utilizavam apenas os telefones fixos, no máximo, os telefones sem fio. A primeira geração
despertou a necessidade de comunicação sem fio, em tempo real e em qualquer lugar, fora de
nossas casas e de nossos locais de trabalho.
Por volta de 1980, surgiram os primeiros aparelhos celulares utilizando o sistema
avançado de telefonia móvel (AMPS - Advanced Mobile Phone System), padrão analógico
adotado pelo Brasil e Estados Unidos da América. Esses celulares eram analógicos e as
chamadas de voz tinham baixa qualidade, devido às limitações de cobertura da rede. As
células tinham tamanho médio de 500 metros a 10 quilômetros permitindo o handoff [4].
Na tecnologia AMPS foi utilizada a modulação em frequência (FM – Frequency
Modulation) e o protocolo de acesso de múltiplo acesso por divisão de frequência (FDMA –
Frequency Division Multiple Access) que consiste na atribuição de um canal a cada usuário,
durante uma chamada [5].
2.3 Segunda geração
Por volta de 1990, surgiu a segunda geração de telefonia móvel, denominada 2G. Ela é
composta por tecnologias digitais mais estáveis, cobrindo áreas maiores e com a capacidade
de suportar uma quantidade maior de usuários do que a 1G [5]. O serviço de Short Message
Service (SMS) fez com que a telefonia móvel passasse a fazer parte do cotidiano das pessoas.
No final da evolução do 2G disponibilizou-se o serviço de internet utilizando a comutação de
pacotes de dados, o canal permanece ocupado apenas quando os dados são transferidos [5].
As tecnologias adotadas na 2G são apresentadas na Figura 2.
Figura 2 – Tecnologias da 2 G.
2 G
GSM
TDMA
CDMA
2000
Fonte: A autora.
15
2.3.1 Padrão IS-136
A Figura 3 ilustra a técnica de acesso ao meio utilizada no padrão IS-136. Essa técnica
de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA – Time Division Multiple Access) divide um
canal de comunicação em slots em intervalos de tempo alternados.
Figura 3 – Técnica de acesso ao meio TDMA.
Tempo
Fre
qu
ên
cia
Fonte: Adaptado de UMTS World (2003).
Cada chamada é destinada a dois slots, um slot é utilizado no sentido do aparelho
celular para a base e o outro da base para o aparelho celular. A tecnologia TDMA e a sua
antecessora utilizam a mesma quantidade de canais. Porém, o TDMA suporta até três vezes
mais conexões porque utiliza requisitos digitais e dados comprimidos, ocupando apenas um
terço da capacidade do canal, e os dois terços restantes são aproveitados para outras chamadas
[5].
2.3.2 Padrão IS-95
O padrão IS-95 utiliza a técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA –
Code Division Multiple Access) ilustrada na Figura 4 [5] para melhorar a capacidade do
sistema. Ele não organiza por intervalo de tempo e todas as conexões são realizadas ao
mesmo tempo. As informações de cada uma das chamadas recebem uma codificação única e,
no receptor, os dados que possui a identificação prevista são aceitos e os demais são
ignorados. O CDMA diminui situações de interferências entre as células, possibilitando, em
células adjacentes, o uso de frequências iguais. A modulação empregada utiliza os parâmetros
16
de fase e de quadratura da onda portadora (QPSK –Quadrature Phase Shift Keying) para o
sinal de voz.
Figura 4 - Técnica de acesso ao meio CDMA.
Canal 1
Canal 2
Canal n
tempo
código
frequênciaLargura de banda
Fonte: Adaptado de UMTS World (2003).
2.3.3 Padrão GSM
O sistema global para comunicações móveis (GSM- Groupe Spéciale Mobile) efetua
transmissões baseadas nos padrões TDMA e FDMA. O FDMA divide a largura de banda de
25 MHz em 124 canais e, cada canal tem largura de banda de 200 kHz. Uma ou mais destas
frequências é atribuída a cada estação-base e dividida utilizando o TDMA com oito timeslots.
A modulação utilizada é a GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) baseada nas modulações
FSK (Frequency Shift Keying) e MSK (Minimum Shift Keying). Na fase de pré-modulação
utiliza um filtro com resposta gaussiana para reduzir a velocidade de transferência de
frequências para evitar o espalhamento da energia pelos canais adjacentes.
O GSM usa um circuito impresso do tipo smartcard (SIM – Subscriber Identity
Module) para armazenar dados referentes à linha telefônica e ao usuário, tais como:
operadora, número e lista de contatos. O cartão SIM proporciona aos usuários a mudança de
aparelho celular sem a mudança do número e, além disso, utiliza a criptografia para evitar que
as informações dos usuários sejam indevidamente interceptadas [5].
Em diversos países utiliza-se a tecnologia GSM para facilitar roaming. Uma linha de
um lugar respectivo funciona em redes de outros locais, cidades ou países, a partir da
infraestrutura da mesma operadora ou de empresas conveniadas a esta.
17
2.4 2,5G
Essa geração intermediária, 2,5 G buscou solucionar os problemas de capacidade
enfrentados pelos sistemas anteriores. Algumas tecnologias adotadas na 2,5 G são
apresentadas no diagrama ilustrado na Figura 5.
Figura 5 – Tecnologias da 2,5 G.
2 G 2,5 G
GSM GPRS
TDMA
EDGE
1XRTCDMA
2000
Fonte: A autora.
2.4.1 GPRS
Na transmissão de rádio por pacote (GPRS - General Packet Radio Service) ocorre à
transmissão de dados via internet simultaneamente às chamadas de voz. Esse padrão utiliza no
máximo oito slots, porém esses só permanecem ativos quando há envio ou recebimento de
dados [5]. Por esse motivo, as operadoras cobram a quantidade de dados transferidos. A
transferência de dados possui uma velocidade que atinge 171,2 kbps, mas normalmente não
ultrapassa 80 kbps [5]. O GPRS utiliza a utiliza modulação do tipo GMSK também.
2.4.2 EDGE
A evolução do GSM denominada de (EDGE - Enhanced Data rates for Global
Evolution) é mais sofisticado que o padrão GPRS [6]. As suas características são similares às
especificações do GPRS em relação à utilização de múltiplos slots nas conexões. Mas, o
EDGE utiliza a modulação 8-PSK e novos tipos de codificação de canal aumentando a
velocidade de transferência de dados. A velocidade máxima teórica da tecnologia é de 473,6
18
kbps, mas não ultrapassa 384 kbps [5]. Essa melhora na transferência de dados permite
streaming (transmissão contínua de dados).
2.5 Terceira geração
A terceira geração popularizou o acesso móvel à internet com qualidade similar às
conexões fixas de banda larga. Assim, os usuários tiveram acesso aos recursos de multimídia,
streaming e outros. Os padrões que permitiram esta funcionalidade na 3 G são apresentados
no diagrama ilustrado na Figura 6.
Figura 6 – Tecnologias da 3 G.
2 G 2,5 G
GSM GPRS
TDMA
EDGE
1XRTCDMA
2000
3G
WCDMA HSPA HSPA+
EVDO
Fonte: A autora.
2.5.1 HSPA
A tecnologia de pacote de acesso de alta velocidade (HSPA - High Speed Packet
Access) baseia-se em dois protocolos: o acesso de pacote de downlink de alta velocidade
(HSDPA - High Speed Downlink Packet Access) e o acesso em pacotes de uplink de alta
velocidade (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access). Esses protocolos utilizam as
portadoras de 5 MHz e taxas de transmissão de até 14,4 Mbps no downlink e 5,76 Mbps no
sentido uplink. O HSPA oferece velocidade de transferência de dados maior devido à redução
no intervalo de tempo de transmissão (TTI - Transmission Time Interval) que varia entre 1 e 3
milissegundos, e em outros padrões o valor é de 10 milissegundos [7].
19
2.5.2 HSPA+
A tecnologia HSPA+ permitiu a comunicação móvel com taxas de até 168 Mbps no
download com modulação 64-QAM e 22 Mbps no upload com modulação 16-QAM. Além
disso, ela oferece menor tempo de estabelecimento de chamadas, aumento da capacidade para
uso de voz (com o uso de voz sobre IP) e suporte a aplicações que exigem grandes
quantidades de informações.
O HSPA+ manteve o uso de portadoras de 5 MHz e utiliza a técnica de múltiplas
entradas e múltiplas saídas (MIMO – Multiple Input Multiple Output). Essa técnica permite a
transmissão de informações através de várias antenas, tanto no transmissor quanto no receptor
[7] aumentando a taxa de transmissão sem a necessidade de aumentar a faixa de frequência e
a potência de transmissão. O MIMO oferece um aumento da eficiência relacionada à
quantidade de bits transmitidos por unidade de frequência e a robustez do sinal.
2.6 Quarta geração
A quarta geração prioriza o tráfego de dados em vez do tráfego de voz proporcionando
uma rede de transmissão de dados mais rápida. Os padrões que compõem a 4 G são
apresentados no diagrama ilustrado na Figura 7.
Figura 7 – Tecnologias da 4 G.
2 G 2,5 G
GSM GPRS
TDMA
EDGE
1XRTCDMA
2000
3G
WCDMA HSPA HSPA+
EVDO
4G
LTELTE
advanced
LTE
advanced
PRO
Fonte: A autora.
A evolução a longo prazo (LTE – Long Term Evolution) é aceita como 4G
comercialmente. De acordo com a União Internacional de Telecomunicações (ITU –
International Telecommunication Union), o LTE não cumpre todas as exigências técnicas
20
para ser considerado um padrão de quarta geração. Como o HSPA+, o LTE oferece
velocidade de transferência de dados de 300 Mbps para download e 75 Mbps para upload [7].
Esses valores dependem da combinação de recursos implementados na rede e do aparelho do
usuário. Embora o LTE apresente-se como um padrão avançado, há trabalhos para uma versão
melhorada, a Evolução de Longo Prazo Avançada (LTE-A). Essa versão atende os requisitos
da ITU para uma tecnologia 4G. O LTE Advanced oferece taxas transferência de dados de até
1 Gbps para download e 500 Mbps para upload [7].
21
CAPÍTULO 3
CARACTERIZAÇÃO DA QUINTA GERAÇÃO
3.1 Introdução
Um dos objetivos principais do 5G é atender muitas pessoas conectadas ao mesmo
tempo na rede utilizando as aplicações que consomem muito tráfego, como streaming de
vídeo. A velocidade de transferência de dados final para o consumidor deve ser de 20 Gbps,
suficiente para baixar um filme em alta definição em poucos segundos [8]. A latência, tempo
que um pacote de dados ou comando leva para ir de um ponto a outro, deve ser extremamente
baixa, na faixa de 1 ms [8].
O 5G deve ser um dos maiores avanços da indústria para a popularização da "Internet
das Coisas", em que objetos cotidianos e dispositivos (sensores, eletrodomésticos, portas e
mais) estão todos conectados entre si [8]. Os carros autônomos, que se dirigem sozinhos,
podem se tornar realidade porque os sensores podem enviar as ações para um centro de
comando que distribuirá para um setor do carro imediatamente [8]. O armazenamento em
nuvem, streaming de vídeo e de áudio via internet móvel também ficarão mais rápidos, os
serviços como o Netflix terão qualidade e estabilidade. A realidade virtual terá melhora da
qualidade da imagem. A resolução do conteúdo visível nos óculos ficará bem melhor,
acabando com um dos grandes defeitos da tecnologia atual. A baixa latência também faz com
que os comandos fiquem mais rápidos e a experiência torne-se ainda mais imersiva [8].
A quinta geração deve fazer uma importante diferença e adicionar mais serviços,
aplicações e benefícios ao mundo. Esta geração deve ser lançada em 2020. O mundo do
acesso universal, ininterrupto à informação, ao entretenimento e à comunicação abrirá uma
nova dimensão para nossas vidas e mudará significativamente nosso estilo de vida [1].
22
3.2 Volume de tráfego
Uma rede móvel possui limitação quanto à capacidade de tráfego definida
considerando as três dimensões ilustradas na Figura 8 [9].
Figura 8 - As três dimensões do volume de tráfego.
Densidade
da rede
Ocupação
do espectro
Eficiê
ncia
esp
ectr
al
Fonte: Adaptado de Lima, D. P. P.; Theodoro, L. C.; Dantas, S.; (2014)
As dimensões são discutidas nas subseções:
3.2.1 Ocupação de Espectro;
3.2.2 Eficiência Espectral;
3.2.3 Densidade de Elementos por área.
3.2.1 Ocupação do Espectro
Para sustentar a demanda, até 2020, é necessário um espaço novo no espectro de
frequência de largura de faixa de 500 MHz, conforme foi apresentado pelo ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) no evento Future Mobile Summit. Além desse
espaço novo será necessário utilizar algumas tecnologias que inovem no uso do espectro para
melhor aproveitá-lo com as aplicações de frequências acima de 6 GHz [9].
3.2.1.1 Déficit Espectral
Visto que não há disponibilidade de espectro para atender a precisão de tráfego de
dados, algumas alternativas são apontadas para acabar com esse déficit.
23
Em [8], o autor descreve que uma alternativa seria reorganizar as bandas existentes
para o uso mais eficiente (re-farming). Considerando os preços pagos nos leilões das
frequências para LTE, a AIRCOM, uma consultoria de planejamento e otimização de redes
móveis, recomenda a realocação de 5 MHz dos espectros das redes de segunda geração (2G) e
terceira geração (3G) para o LTE a um preço de 0,5% do valor que seria gasto na aquisição de
uma nova frequência.
O uso de frequências altas será atribuído a zonas que demandam hot-spot, logo novas
bandas licenciadas serão introduzidas. Diante disso, técnicas extraídas da tecnologia de rádio
cognitivo serão de grande auxílio, possibilitando acessar e gerenciar a rede [9]. Uma vez que
o rádio cognitivo permite utilizar o espectro de rádio de forma mais eficiente, pois essa
tecnologia faz um sensoriamento no espectro a fim de acessar e aproveitar o espectro não
utilizado ou subutilizado.
Visto que, em altas frequências, além da limitação de cobertura, há desafios para
serem superados. Além disso, as baixas frequências já estão ocupadas por diversos setores,
então o uso da alta frequência, no momento, é apontado como a solução dos problemas de
capacidade da 5G [9].
3.2.1.2 Agregação de Portadora
A principal finalidade da tecnologia de agregação de portadora é acelerar a velocidade
da conexão móvel de dados. Para isso, a tecnologia utiliza diferentes faixas de frequências de
forma combinada. Empiricamente, foi possível fazer uma comparação, e perceber que quando
a soma das velocidades em uma transmissão com várias portadoras é maior do que as
velocidades individuais, devido aos ganhos de eficiência espectral [10].
Sendo assim, por meio da técnica de agregação de portadora é possível aumentar a
largura de faixa disponível e a taxa de transferência da rede. Essa técnica foi introduzida pela
LTE-A que permite utilizar várias sub-bandas pertencentes às faixas de frequências distintas
ou não [9].
3.2.2 Eficiência Espectral
A latência definida como o tempo que um comando ou pacote de dados leva para ir de
um ponto a outro. Segundo [9], modulações de ordens superiores a 256 QAM, coordenação
de múltiplos pontos de transmissão e técnicas de gerenciamento de interferência irão melhorar
24
o desempenho da borda da célula. Portanto, algumas tecnologias colaboram para aumentar e
melhorar a velocidade fazendo com que a latência seja consideravelmente baixa.
3.2.3 Densidade de Elementos por área.
Em redes heterogêneas (HetNet), o acréscimo de células aumenta a capacidade por meio
da reutilização de frequências [9]. São três os principais componentes das HetNet[9]:
· Macro células: consistem em cobertura onipresença e banda larga móvel.
· Smallcells: promovem redes de grande densidade, altas quantidades de banda e
provêm tráfego em áreas de maior necessidade.
· Inteligência da rede: integra todos os elementos de forma cooperativa.
As redes heterogêneas fundamentam-se em uma rede híbrida com controle
concentrado, unificado e otimizado. Um conjunto de tecnologias, com diversos tamanhos de
células e diferentes arquiteturas de rede, a fim de fornecer soluções às repentinas alterações
solicitadas pelos clientes [9].
Para acomodar o aumento das demandas de tráfego de dados, as redes heterogêneas
inteligentes serão necessárias, pois elas distribuem de forma ideal as cargas de tráfego de
dados. Logo, manterá o desempenho e a qualidade do serviço em áreas mais distantes. Isso
implica em gerenciamento da interferência de rádio e uso do espectro de forma mais eficiente,
nas bordas das células [9].
Note que três dimensões têm papeis importantes para o aumento do volume de tráfego da
rede até 2020. Ainda assim, verifica-se que são necessários desenvolvimentos e ganho de
desempenho. Segundo a South Korea Telecom [9], cada dimensão tem seu peso para a
contribuição do aumento do volume de tráfego na rede.
Observando a Figura 9 conclui-se que a ocupação do espectro deve ser amplificada, ao
menos, três vezes. Para obter a eficiência espectral estima-se um aumento de seis vezes e a
estimativa de aumento da densidade de rede de cinquenta e seis vezes [9]. Por isso, a
dimensão que tem maior potencial para desenvolvimento é a densidade da rede porque o uso
de células pequenas é uma técnica para ampliar a capacidade total de redes sem fio. Portanto,
as redes da quinta geração terão que suportar taxas de dados muito elevadas. Esse requisito
será atendido por meio de combinação de tecnologias e uso de largura de banda maior.
25
Figura 9 - Estimativa de crescimento de tráfego.
Densidade
da rede
Ocupação do espectro
Eficiê
ncia
esp
ectr
al
x6
x3
x56
Fonte: Adaptado de Lima, D. P. P.; Theodoro, L. C.; Dantas, S.; (2014)
3.3 Técnicas de acesso ao meio
A Figura 10 ilustra o funcionamento da técnica de acesso múltiplo não ortogonal
(NOMA - Non-Orthogonal Multiple Access) apontado pela quinta geração de comunicações
móveis. Os usuários são alocados em função dos diferentes níveis de potência para uma
determinada condição do canal com objetivo de obter o máximo ganho do sistema. O nível de
potência de recepção dos usuários é utilizado para separá-los e há necessidade de
implementação de Sucessive Interference Cancelation – SIC no receptor do dispositivo móvel
[12].
Figura 10 – Esquemático NOMA.
Usuário 1
Usuário 2
SIC do sinal do
usuário 2
Detecção do
sinal do usuário 1
Detecção do
sinal do usuário 2
Usuário 1
Usuário 2
frequência
Po
tên
cia
Fonte: A autora.
A técnica permite que diversos usuários compartilhem simultaneamente a mesma
frequência, além de aumentar a capacidade de usuários suportados na rede e aumentar a
26
eficiência espectral em relação à técnica de acesso múltiplo ortogonal (OMA - – Orthogonal
Multiple Access), existente na quarta geração [13].
Segundo [13], o NOMA é essencial para lidar com uma conectividade maciça, pois o
há um limite no número de usuários atendidos com o OMA, de acordo com os recursos
disponibilizados. Em contra partida, o NOMA pode servir muitos usuários, superpondo os
sinais.
Dessa forma, pode se adaptar a técnica de acesso ao meio para as aplicações de IoT e
machine to machine (M2M), onde diversos dispositivos transmitem esporadicamente pacotes.
Em vez de usar o agendamento de pacotes com base em OMA, o método NOMA está sendo
considerado, pois possui maior robustez para interferências e não requer agendamento, isso
ajuda a prolongar a vida útil da bateria dos dispositivos [14].
3.3.1 Latência
A quarta e quinta gerações distinguem-se quanto aos seus requisitos, à latência nos
sistemas de 4G é de 10 milissegundos, enquanto para o 5G a latência exigida é de 1
milissegundo. Dado que a latência, em sistemas de quinta geração, deverá ser relativamente
baixa, o OMA não consegue garantir esse requisito amplamente, pois não importa quantos
bits deseja-se transmitir, o dispositivo deve aguardar até que um bloco de recurso esteja
disponível, ou seja, agendamento. Em contraste, o NOMA possui flexibilidade, pois pode
acomodar uma quantidade variável de dispositivos, dependendo da aplicação que está sendo
usada e da qualidade de serviço (QoS) do dispositivo [13].
3.3.2 Eficiência espectral
Em termos de eficiência espectral, o NOMA ultrapassa o OMA porque aperfeiçoa o
uso do espectro para uplink e downlink conforme ilustrado na Figura 11. Dessa maneira, cada
usuário NOMA pode usufruir toda a largura de banda, enquanto os usuários OMA são
limitados a uma menor fração do espectro inversamente proporcional ao número de usuários.
Utilizando o OMA, permite-se transmissão com potência total, mas com a largura de banda
dividida entre os usuários.
Além disso, o NOMA pode ser combinado com outras tecnologias, como múltiplas
entradas e múltiplas saídas (MIMO) e as ondas milimétricas (mmWave), para obter um
melhor rendimento [13].
27
Figura 11 – Técnicas NOMA e OMA.
frequência
Po
tên
cia
Ortogonalidade entre os usuários
frequência
Po
tên
cia
Ortogonalidade entre os usuários
(a) OMA (b) NOMA
Fonte: A autora.
De acordo com o autor [15], a transmissão em mmWave foi identificada como uma
das principais tecnologias habilitada para 5G. Tanto o NOMA quanto as comunicações em
mmWave são motivadas pelo fato de que os recursos do espectro abaixo de 6 GHz,
disponíveis para comunicações sem fio são limitados. Como o NOMA, aumenta a eficiência
do espectro, as ondas mmWave utilizam as bandas de frequência menos ocupadas. A
Comissão Federal de Comunicações (FCC), em julho de 2016, aprovou mais de 10 GHz de
espectro das bandas mmWave acima de 24 GHz, elas estão disponíveis para o 5G. A
combinação do NOMA com as ondas mmWave é importante por duas razões:
1. A implementação do NOMA nas redes mmWave fornece uma ferramenta crucial para
suportar conectividade maciça. Por exemplo, suponha que uma rede mmWave seja
implantada em um centro esportivo com milhares de usuários. O uso do NOMA
garante que um grande número de usuários com diferentes requisitos de QoS possam
ser atendidos simultaneamente, o que não é possível com o OMA.
2. O crescimento rápido da demanda por serviços de dados emergentes, como a realidade
virtual e a realidade aumentada, irá extinguir rapidamente o ganho obtido pelo uso das
bandas mmWave. Por exemplo, prevê que uma taxa de dados de 1000 Gbps é
necessária para entregar uma telepresença de alta qualidade.
O uso do NOMA pode efetivamente melhorar a eficiência espectral das comunicações
militares, com as demandas em rápido crescimento. Contudo, a propagação em mmWave
possui algumas características que facilitam a combinação das duas tecnologias 5G, como a
alta diretividade de transmissão.
28
3.3.3 Cancelamento de Interferência Sucessiva
As perspectivas da teoria da informação apontam resultados fundamentais que
sugerem que as técnicas baseadas em NOMA resultam em taxas superiores quando
comparadas à OMA. Pode-se ressaltar que as técnicas de OMA foram implementadas nas
redes celulares de 1G a 4G, principalmente para evitar interferências.
Embora a aplicação do NOMA nas redes celulares seja relativamente nova, os
conceitos relacionados foram estudados na teoria da informação há muito tempo. Por
exemplo, os principais componentes do NOMA, como a codificação de superposição e
cancelamento de interferência sucessiva (SIC), foram estudados há mais de duas décadas.
Mas, o princípio do NOMA, isso é, a remoção da ortogonalidade, ainda não foi empregado
nas gerações anteriores de comunicações móveis [15].
No entanto, o grande interesse por pesquisas sobre o NOMA foi motivado pelo avanço
dos processadores que possibilitam a implementação do SIC no equipamento do usuário. Na
Figura 12 tem-se a ilustração do funcionamento do SIC que consta no interior do NOMA.
Figura 12 – Cancelamento de interferência sucessiva.
Subtrair Decodificar
Decodificar o sinal mais
forte primeiro
Fonte: A autora.
O SIC apresenta questões práticas como complexidade de hardware e propagação de
erro. A complexidade de hardware implica que cada usuário precisa decodificar informações
destinadas a todos os outros usuários antes de sua própria decodificação SIC. Assim, a
complexidade de decodificação é dimensionada através do número de usuários na respectiva
célula. Para reduzir a complexidade podem-se dividir os usuários em múltiplos clusters e
aplicar a codificação e decodificação dentro de cada cluster. Logo a complexidade torna-se
razoável e pode ser tratada. A propagação de erro implica que se houver um erro na
decodificação do sinal de um determinado usuário, todos os outros usuários após esse, na
ordem de decodificação SIC, serão afetados e seus sinais provavelmente serão decodificados
29
incorretamente. Esse problema pode ser compensado utilizando códigos mais rígidos desde
que o número de usuários não seja grande. Porém, para evitar a propagação de erro, do lado
do usuário deve ter uma informação do estado do canal (CSI) perfeito, assim é possível
remover completamente os efeitos dos sinais dos outros usuários do sinal recebido [13]. O
CSI imperfeito é um dos principais obstáculos na realização do ganho de desempenho do
NOMA, na prática [15].
Um dos principais conceitos do NOMA é a transmissão por superposição e, por isso
torna-se necessário um esquema de acesso múltiplo não ortogonal para downlink e uplink.
Para o downlink, vários usuários são multiplexados no domínio da energia no lado do
transmissor e a separação do sinal multiusuário é feita no receptor.
A Figura 13 ilustra o esquemático do cenário de k usuários com acesso múltiplo não
ortogonal para downlink.
Figura 13 – Downlink NOMA para k usuários.
2 Sinal decodificado UE1
Sinal decodificado UE2
Estação
basex(t)
Sinal decodificado UEk
UE1
UE2
UEk
SIC para UEk, UEk-1,...., UE
SIC para UEk, UEk-1,...., UE3
Fonte: A autora.
O sinal transmitido pela estação base é mostrado na Equação (3.1).
𝑥(𝑡) = ∑ √𝑎𝑘𝑃𝑇
𝐾
𝑘=1
𝑥𝑘(𝑡)
(3.1)
Em que,
𝑥𝑘(𝑡) − informação individual que transmite a forma de onda OFDM;
𝑎𝑘 − coeficiente de alocação de potência para a 𝑈𝐸𝑘 ; e
𝑃𝑇 − potência total disponível na BS;
Observando a Figura 13 tem-se que o usuário 1 (UE1) está mais próximo da BS e,
por isso atribui-se a menor potência, enquanto ao usuário k (UEk) que está mais afastado
atribui-se a maior potência.
30
E o sinal recebido no usuário UEk é mostrado na Equação (3.2).
𝑦𝑘(𝑡) = 𝑥(𝑡)𝑔𝑘 + 𝑤𝑘(𝑡) (3.2)
Em que,
𝑔𝑘 − fator de atenuação do canal entre a BS e o usuário UEk; e
𝑤𝑘(𝑡) − ruído Gaussiano branco aditivo.
A relação sinal ruído para o usuário UEk é descrita na Equação (3.3).
𝑆𝑁𝑅𝑘 =𝑃𝑘𝑔𝐾
2
𝑁0𝑊 + ∑ 𝑃𝑖𝑔𝐾2𝐾−1
𝑖=1
(3.3)
Em que,
𝑊 − largura de banda de transmissão; e
𝑁0 − densidade espectral do ruído[W/Hz].
A Figura 14 ilustra o esquemático do cenário de k usuários com acesso múltiplo não
ortogonal para uplink.
Figura 14 – Uplink NOMA para k usuários.
x1(t)
UE1
UEk
UE2
x2(t)
xn(t)
SIC para UEk, UEk-1, ...., UE1
Estação
base
Fonte: A autora.
Na teoria da informação, a multiplexação não ortogonal de usuários usando a
codificação de superposição no transmissor e o cancelamento sucessivo de interferências
(SIC) no receptor otimiza a capacidade do canal de transmissão para downlink. Para o uplink,
o NOMA também é implementado, com o SIC aplicado no lado da estação base (BS) [16]. O
sinal recebido pela BS inclui todos os sinais e é definido como mostrado na Equação (3.4).
𝑦(𝑡) = ∑ 𝑥𝑘(𝑡)𝑔𝑘 + 𝑤(𝑡)
𝐾
𝑘=1
(3.4)
31
Em que,
𝑔𝑘 − fator de atenuação do canal entre a BS e o usuário UEk;
𝑥𝑘(𝑡) − forma de onda de informação para os k UE; e
𝑤𝑘(𝑡) − ruído Gaussiano branco aditivo na BS.
3.3.4 Alocação de energia e cluster
A alocação de energia implica nas taxas de transferência do sistema e na equidade do
usuário. Se em uma celular houver mais de dois usuários, os sinais de todos os usuários
devem ser sobrepostos em conjunto, como consta na teoria do NOMA, ou seja, ter um cluster
maximiza a taxa de transferência do sistema. Porém, na prática ter apenas um cluster pode
resultar em uma degradação do desempenho, devido ao erro SIC quando há muitos usuários
em cada célula. A solução é ter múltiplos clusters por célula. No entanto, ainda assim é
complexo encontrar o cluster ideal. Por isso, os algoritmos de alocação de energia com
complexidade razoável e bom desempenho são inevitáveis para implementar NOMA [13].
3.3.5 Segurança
Em uma transmissão, com o NOMA implementado, o usuário com melhor condição
de canal é capaz de decodificar o sinal do outro usuário, esse fato é muito preocupante para a
segurança. Este risco de segurança também existe para outras técnicas de acesso múltiplo, por
exemplo, um usuário TDMA pode ativar durante um intervalo de tempo não alocado e tentar
decodificar a informação de outro usuário [15].
Atualmente, nos sistemas de telecomunicações a segurança é fornecida por técnicas de
criptografia. A criptografia, por exemplo, e as abordagens de segurança da camada superior,
ainda são relevantes, uma vez que apenas o usuário legítimo possui a chave para decodificar
sua mensagem. Ainda, os esquemas de segurança da camada física são de interesse, mas não
podem ser facilmente aplicados ao novo cenário [13].
No entanto, alguns estudos iniciais mostram que o uso do NOMA é útil para melhorar
a segurança da transmissão.
32
CAPÍTULO 4
AVALIAÇÃO DAS TÉCNICAS DE ACESSO OMA E NOMA
4.1 Introdução
O NOMA despertou a atenção de universidades e de indústrias, por isso tem se
discutido muito sobre. Nas várias configurações e ajustes, os ganhos alcançados pelo NOMA
são promissores, considerando redes de comunicações realistas. Contudo, o NOMA, consiste
em uma técnica de acesso múltiplo promissora do 5G, que demonstra ser compatível com
outras técnicas e tecnologias.
4.2 Teorema da capacidade de canal
Nos sistemas de comunicação objetiva-se configurar um dispositivo para o transporte
por um canal ruidoso de uma mensagem da fonte de origem ao usuário de destino localizado
na outra extremidade. Para isso, a potência de transmissão deve ser permissível, a largura de
banda do canal disponível e o custo de construção do sistema devem ser viáveis [17]. Nos
sistemas de comunicação digital, a medida de confiabilidade é expressa pela taxa de erro de
bits (BER – Bit Rate Error). Quanto menor a BER mais confiável será o sistema de
comunicação.
O terceiro teorema de Shannon, conhecido como teorema da capacidade de
informação, afirma que, idealmente, os parâmetros largura de banda e relação sinal ruído
relacionam-se como mostrado na Equação 4.1 [17].
𝐶 = 𝐵 𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝑆𝑁𝑅) (4.1)
Em que,
B - largura de banda do canal;
C – capacidade de transmissão do canal (bps); e
SNR – relação sinal-ruído.
A capacidade de informação é definida como a taxa máxima em que a informação
pode ser transmitida sem erros através do canal, medida em bits por segundo (b/s). Para uma
33
determinada largura de banda de canal e relação sinal-ruído, um sinal de mensagem pode ser
transmitido através do sistema sem erros mesmo quando o canal é ruidoso, desde que a taxa
de transmissão dos sinais reais na qual os dados são transmitidos através do canal, seja menor
do que a capacidade de informação [17].
Nesse teorema transmite-se informação a uma taxa C, definida na Equação 1, com
probabilidade de erro arbitrariamente pequena, desde que os sistemas de codificação sejam
suficientemente complexos. Não é possível transmitir a uma taxa mais elevada que C em
qualquer sistema de codificação sem ter uma probabilidade de erro definida. Dessa forma, o
teorema da capacidade de canal define o limite fundamental, conhecido como limite de
Shannon, para a taxa de transmissão isenta de erros para um canal gaussiano limitado em
potência e em banda. O sinal transmitido deve ter propriedades estatísticas próximas às do
ruído branco gaussiano, para aproximar-se desse limite [17].
Nesse contexto, insere-se a noção do sistema ideal, estabelecido como um sistema que
transmite os dados a uma taxa de bits (𝑅𝑏) igual à capacidade de transmissão (C).
A Equação 4.2 é a reescrita da Equação 1 em relação aos parâmetros de largura de
banda, densidade espectral de potência do ruído branco gaussiano aditivo e potência média
transmitida [17].
𝐶 = 𝐵𝑙𝑜𝑔2 (1 +𝑃
𝑁0𝐵)
(4.2)
Em que,
B - largura de banda do canal;
𝑁0
2 - densidade espectral de potência do ruído branco gaussiano aditivo; e
P - potência média transmitida.
A potência média transmitida é definida na Equação 4.3 [17].
𝑃 = 𝐸𝑏𝐶 (4.3)
Em que 𝐸𝑏é a energia do bit. E desenvolvendo para um sistema ideal origina-se a
Equação 4.4 [17].
𝐶
𝐵= 𝑙𝑜𝑔2 (1 +
𝐸𝑏𝐶
𝑁𝑜𝐵)
(4.4)
34
De maneira equivalente, define-se na Equação 4.5 uma relação (𝐸𝑏/𝑁𝑜) para a energia
do bit e a densidade espectral de potência em termos da relação já definida da capacidade de
canal e a largura de banda para o sistema ideal [17].
𝐸𝑏
𝑁𝑜=
2𝐶/𝐵 − 1
𝐶/𝐵
(4.5)
No teorema de Shannon é definido o diagrama da eficiência de largura de banda
ilustrado na Figura 4.1. Observe que o limite da capacidade corresponde ao sistema ideal para
o qual 𝑅𝑏 = 𝐶 e o valor que representa o limite para um canal AWGN é determinado de
acordo com a Equação 4.6 no caso de uma taxa de código igual a zero [17].
(𝐸𝑏
𝑁𝑜) = lim
𝐵→∞(
𝐸𝑏
𝑁𝑜)
log 2 = 0,693
10log 0,693 = −1,5926 𝑑𝐵
(4.6)
A capacidade do canal corresponde ao valor limite e pode ser obtido quando a largura
de banda definida na Equação 4.7 tende para o infinito [17].
𝐶 = lim𝐵→∞
𝐶
= 𝑃
𝑁𝑜log 2𝑒
= 1,44 𝑃
𝑁𝑜
(4.7)
A curva definida pelo limite da capacidade corresponde à taxa de bits crítica, ou seja,
𝑅𝑏 = 𝐶 que separa as combinações de parâmetros de sistema que têm potencial para suportar
transmissão isenta de erros (𝑅𝑏 < 𝐶) daquelas para as quais não é possível realizar
transmissão isenta de erro (𝑅𝑏 > 𝐶), ilustrado na Figura 15 [17].
O teorema da capacidade de informação do canal demonstra que se 𝑅𝑏 ≤ 𝐶 há um
código corretor de erro, de modo que a informação pode ser transmitida através do canal com
uma taxa de erro relativamente pequena. Dessa forma, quando 𝑅𝑏 > 𝐶 não é possível
transmitir informação sem erro através do canal, mesmo que se utilize um preciso código
corretor de erro.
35
Figura 15 - Diagrama da eficiência de largura de banda.
Fonte: HAYKIN (2004).
4.3 Capacidade de canal
Na Figura 16 ilustra-se a alocação de recursos das técnicas de acesso múltiplo a
serem avaliadas. Observando a ilustração têm-se os gráficos de potência em relação à largura
de banda das técnicas OFDMA (OMA) e o NOMA. Na técnica OMA, cada usuário utiliza
metade da largura de banda do canal com uma potência igualitária P. Já na NOMA cada
usuário utiliza a largura de banda total do canal, mas com valores de potência diferentes.
Figura 16 – Alocação de recursos do OMA e do NOMA para dois usuários.
Fonte: Adaptado de [19].
36
Aplicando a teoria da técnica OMA na Equação 1 obtém-se a capacidade de canal
OMA definida na Equação 4.8 [18].
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 0,5 𝐵 [log2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅1) + log2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅2)] (4.8)
Em que,
𝑆𝐼𝑁𝑅1 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1;
𝑆𝐼𝑁𝑅2 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2; e
𝐵 - largura de banda.
Observe que no OMA a largura de banda B é divida pela metade e, por isso tem-se na
Equação 4.8 o valor de 0,5 B.
Aplicando a teoria da técnica NOMA na Equação 1 obtém-se a capacidade de canal
OMA definida na Equação 4.9. Cada usuário possui uma potência, de modo que essa potência
individual influencia na relação sinal-ruído [18].
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 𝐵 [log2(1 + (𝑃1 . 𝑆𝐼𝑁𝑅1)) + log2(1 + (𝑃2 . 𝑆𝐼𝑁𝑅2))] (4.9)
Em que,
𝐵 - largura de banda;
𝑆𝐼𝑁𝑅1 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1;
𝑆𝐼𝑁𝑅2 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2;
𝑃1 – potência de transmissão do usuário 1; e
𝑃2 – potência de transmissão do usuário 2.
4.3.1 Canal assimétrico
A Figura 17 ilustra o cenário de canal assimétrico para os valores de SINR do usuário
1 de 20dB e para o usuário 2 o valor de 0dB e largura de banda de 800𝑀𝐻𝑧.
Para os usuários 1 (UE1) e 2 (UE2) converteu-se os valores de SINR obtendo os
seguintes valores adimensionais:
(𝑈𝐸 1) 20 𝑑𝐵 = 102
(𝑈𝐸 2) 0 𝑑𝐵 = 1
Substituindo esses valores na Equação 4.8 obtém-se o valor numérico da capacidade
de transmissão OMA.
37
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 0,5.800. 106[log2(1 + 100) + log2(1 + 1)]
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 400. 106(6,6582 + 1)
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 3. 109 [𝑏𝑝𝑠]
Figura 17 – Cenário de transmissão assimétrica.
Fonte: Adaptado de [19].
Fazendo a mesma substituição de valores na Equação 4.9 obtém-se o valor numérico
da capacidade de transmissão NOMA. De acordo com a Figura 17 o usuário UE 1 tem valor
de potência 1
5𝑃 enquanto que o usuário UE 2 é
4
5𝑃.
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 800. 106 {log2 [1 + (1
5 . 100)] + log2 [1 + (
4
5 . 1)]}
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 800. 106(4,39 + 0,84)
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 4,18. 109[𝑏𝑝𝑠]
4.3.2 Canal simétrico
A Figura 18 ilustra o cenário simétrico com largura de banda de 800𝑀𝐻𝑧, o valor de
sinal de interferência mais relação de ruído dos usuários 1 e 2 é 10dB convertido em valor
adimensional para 101.
38
Figura 18 – Cenário de transmissão simétrico.
Fonte: Adaptado de [19].
Fazendo a substituição dos valores na Equação 4.8 obtém-se o valor numérico da
capacidade de transmissão OMA no canal simétrico.
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 0,5.800. 106[log2(1 + 10) + log2(1 + 10)]
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 400. 106(3,46)
𝐶𝑂𝑀𝐴 = 1,39. 109 [𝑏𝑝𝑠]
Repetindo as substituições na Equação 4.9 obtém-se o valor numérico da capacidade
de transmissão NOMA no canal simétrico.
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 800. 106 {log2 [1 + (1
5 . 10)] + log2 [1 + (
4
5 . 10)]}
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 800. 106(1,58 + 3,17)
𝐶𝑁𝑂𝑀𝐴 = 3,8. 109[𝑏𝑝𝑠]
Analisando os resultados numéricos obtidos observou-se que o NOMA apresenta
maior capacidade de canal do que o OMA tanto em canais assimétricos quanto simétricos. Ele
transmite mais dados em uma mesma largura de banda.
39
4.4 Eficiência
Quando se utiliza o sistema OFDMA/OMA o parâmetro de largura de banda é
representado por B (0 < 𝐵 < 1) Hz. A largura de banda é atribuída ao usuário UE1 e a
largura de banda excedente, interpretada como (1 − 𝐵)Hz, é atribuída ao usuário UE2. A
eficiência 𝑅𝑖 é definida nas Equações 4.10 e 4.11 [19].
𝑅1 = 𝐵log2 (P1 SINR1
B + 1)
(4.10)
𝑅2 = (1 − 𝐵) 𝑙𝑜𝑔2 [P2 SINR2
(1 − B)+ 1]
(4.11)
Em que,
𝑅1 – eficiência do usuário UE 1;
𝑅2 – eficiência do usuário UE 2;
𝑃1 – potência de transmissão do usuário 1;
𝑃2 – potência de transmissão do usuário 2;
𝑆𝐼𝑁𝑅1 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1; e
𝑆𝐼𝑁𝑅2 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2.
Já no sistema NOMA, a largura de banda é constante para todos os usuários, mas a
potência é atribuída propocionalmente (𝑃2 = 𝑃𝑇𝑋𝑚á𝑥 − 𝑃1). Para esse sistema, a eficiência na
detecção livre de erros pode ser calculada de acordo com as Equações 4.12 e 4.13 [19].
𝑅1 = 𝑙𝑜𝑔2(P1SINR1 + 1) (4.12)
𝑅2 = 𝑙𝑜𝑔2 (P2SINR2
P1+ 1)
(4.13)
Em que,
𝑅1 – eficiência do usuário UE1;
𝑅2 – eficiência do usuário UE2;
𝑃1 – potência de transmissão do usuário 1;
𝑃2 – potência de transmissão do usuário 2;
𝑆𝐼𝑁𝑅1 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 1; e
𝑆𝐼𝑁𝑅2 –sinal de interferência mais relação de ruído do usuário 2.
40
4.4.1 Canal assimétrico
Nessa seção apresenta-se um exemplo para calcular a eficiência dos usuários nos
sistemas OMA e NOMA de acordo com os parâmetros apresentados na Figura 17. Os valores
de SINR apresentados na Figura 19 são utilizados para configurar um canal de transmissão
assimétrico.
Figura 19 – Cenário para a eficiência com transmissão assimétrica.
Fonte: Adaptado de [19].
Novamente utiliza os parâmetros 𝐵 = 0,5e 𝑃1 = 𝑃2 =1
2𝑃. Aplicando esses valores
nas Equações 4.10 e 4.11, tem-se, respectivamente para o OMA:
𝑅1 = 0,5 log2 (
100
2
0,5 + 1) = 3,33 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
𝑅2 = 0,5 𝑙𝑜𝑔2 (
1
2
0,5+ 1) = 0,5 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
Já para o cálculo da eficiência espectral dos usuários no sistema NOMA considerou-se
que o usuário UE1 apresenta 𝑃1 =1
5𝑃 e o usuário UE2 𝑃2 =
4
5𝑃 . Aplicando esses valores nas
Equações 4.12 e 4.13, tem-se, respectivamente:
𝑅1 = 𝑙𝑜𝑔2 (100
5+ 1) = 4,39 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
𝑅2 = 𝑙𝑜𝑔2 (4
1+ 5+ 1)= 0,7369 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
Observando os valores numéricos tem-se um aumento de 31,83 % e 47,38 % para UE1
e UE2, respectivamente, ou seja, um ganho visível da eficiência do NOMA em relação ao
OMA.
41
4.4.2 Canal simétrico
Nessa seção apresenta-se um exemplo do cálculo da eficiência dos usuários nos
sistemas OMA e NOMA em um canal de transmissão simétrico. Os parâmetros aplicados nas
equações são apresentados na Figura 18.
Figura 20 – Cenário para a eficiência com transmissão simétrica.
Fonte: Adaptado de [19].
No OMA, o cálculo da eficiência dos dois usuários utiliza os parâmetros 𝐵 = 0,5e
𝑃1 = 𝑃2 =1
2𝑃 critério de equidade proporcional. Aplicando esses valores nas Equações 4.10
e 4.11, tem-se, respectivamente:
𝑅1 = 0,5 log2 (
10
2
0,5 + 1) = 1,73 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
𝑅2 = 0,5 𝑙𝑜𝑔2 (
10
2
0,5+ 1) = 1,73 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
Já para o cálculo da eficiência espectral dos usuários no sistema NOMA considerou-se
que o usuário UE 1apresenta 𝑃1 =1
5𝑃 e o usuário UE 2 𝑃2 =
4
5𝑃como ilustrado na Figura 18.
Aplicando esses valores nas Equações 4.12 e 4.13, tem-se, respectivamente:
𝑅1 = 𝑙𝑜𝑔2 (10
5+ 1) = 1,58 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
𝑅2 = 𝑙𝑜𝑔2 (4
1+ 5+ 1)= 2,92 [𝑏𝑝𝑠/𝐻𝑧]
Observando os valores numéricos tem-se um redução de 8,67% para UE 1 e aumento
de 68,78 % para UE 2. Não fica evidente a eficiência do NOMA em relação ao OMA.
42
4.4.3 Throughput
Em sistemas de comunicações, que realizam envio de pacotes e de dados, pode-se
estimar a taxa de transferência (Throughput) ou vazão do mesmo. Esse termo refere-se à
quantidade de dados enviados de um ponto a outro. Mas pode-se analisar quanto à taxa de
transferência efetiva de um sistema. Em uma rede de 5G não é diferente, o throughput pode
ser calculado utilizando a Equação 4.14.
U(t) = ∑R̅k(t)1−α
1 − α
K
K=1
(4.14)
O parâmetro α pode variar de zero a infinito, sendo 0 < 𝛼 < ∞, quanto mais próximo
de zero a situação é considerada boa. Mas quanto mais próximo de infinito considera-se uma
situação ruim. A Figura 21 ilustra o parâmetro α que controla o tradeoff entre a eficiência do
sistema e a equidade dos usuários
Figura 21 – Variação do parâmetro α.
Fonte: A autora.
Contudo não há distinção para um canal simétrico e canal assimétrico. Dessa forma, a
Equação 4.14 apresentada é utilizada em ambos os casos.
4.4.4 Resultados obtidos
A Figura 22 ilustra os resultados das Equações 4.10, 4.11, 4.12 4.13 e 4.14 nas
condições que caracterizam um canal assimétrico. Observe que quando se utiliza a técnica
NOMA, os usuários conseguem taxas mais elevadas (UE2 = 1 bps/Hz e UE1 = 6,658 bps/Hz)
em relação aos usuários (UE2 = 0,584 bps/Hz e UE1 = 5,63 bps/Hz) que utilizam o OFDMA.
Para o usuário UE2 que está mais afastado o valor cai 41,6 % equanto que para o usuário UE1
a queda é de apenas 15,44%.
43
Figura 22 – Comparação das taxas no canal assimétrico.
Fonte: MATLAB.
A Figura 23 ilustra os resultados das Equações 4.10, 4.11, 4.12, 4.13 e 4.14 nas
condições que caracterizam um canal simétrico.
Figura 23 – Comparação das taxas no canal simétrico.
Fonte: MATLAB.
44
Observe que quando se utiliza a técnica NOMA os usuários conseguem taxas mais
elevadas (UE1 = UE2 = 3,5 bps/Hz) em relação aos usuários (UE1 = UE2 = 2,571 bps/Hz) que
utilizam o OFDMA. O desempenho da técnica NOMA é aproximadamente 26,54% superior.
Quando a equidade é alta, os usuários apresentam vazão de aproximadamente 1,7 bps/Hz nas
duas técnicas avaliadas.
4.5 Eficiência energética
O NOMA foi desenvolvido para maximizar a eficiência espectral do sistema com
pouca atenção dada à eficiência energética [20]. A Equação (4.15) mostra o consumo de
energia total no transmissor da BS downlink composto pela soma da potência da onda do sinal
informação e a consumida pelos ciruitos amplificadores de potência [20, 21].
𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑇 + 𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 (4.15)
Em que,
𝑃𝑇 − potência da onda do sinal informação; e
𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 − potência estática consumida pelos ciruitos.
A eficência energética (EE) é definida como a soma das taxas dividida pela potência
total consumida pela BS e mostrada na Equação 4.16 [21].
𝐸𝐸 =∑ 𝑅𝑘
𝐾𝑘=1
𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (bits/joule)
(4.16)
A eficiência espectral (ES) e a energética (EE) relacionam-se seguindo a Equação
(4.16) [21].
𝐸𝐸 = 𝐸𝑆𝐵
𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
(4.16)
Neste caso onde se considerou a potência do circuito, o parâmetro EE aumenta na
região de baixa ES e diminui na regisão de alta ES.
4.5.1 Resultados obtidos
A Figura 24 ilustra as curvas que relacionam a eficiência espectral e a energética
conforme mostrado na Equação (4.16).
45
Os parâmetros apresentados em [21] para gerar as curvas foram: B = 5 MHz, N0 = -
150 dBw/Hz e 𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 100 𝑊.
Figura 24 – Eficiência espectral versus eficiência energética.
Fonte: MATLAB.
O valor de pico 4,85.105 bits/joule da EE é alcançado para uma ES de 11,5 bps/Hz na
curva NOMA. Já para o OFDMA tem-se o valor de pico 3,61.105 bits/joule da EE para uma
ES de 8,66 bps/Hz. O pico da curva corresponde à eficiência energética máxima. Mantendo os
parâmetros potência da onda do sinal informação e a largura de banda constante verifica-se na
Equação 4.16 que um aumento no valor de ES ocasiona proporcionalmente um aumento de
EE.
4.6 Considerações finais
Após analisar o potencial do NOMA para sistemas de 5G, permitiu-se observar uma
melhor taxa de transferência do sistema e a equidade do usuário em relação ao OMA.
Dessa forma, é necessário considerar a aplicação da técnica de acesso múltiplo
NOMA, para obterem-se melhores taxas de transmissão de sinais, nos sistemas de
46
comunicações móveis. Uma vez que o mesmo pode suportar maiores taxas de transmissão de
sinais com uma pequena probabilidade de erros, relativamente.
Percebe-se que a alocação de energia para todos os UE afeta muito o desempenho da
taxa de transferência do usuário, ou seja, transmissão de dados de todos os UE. Ao ajustar a
relação de alocação de energia, P1/P2, a BS pode controlar de forma flexível o rendimento de
todos os UE [1].
Portanto, o NOMA apresenta melhor desempenho comparado ao OMA, quando há
diferença nos valores de SINR das UEs [1].
47
CAPÍTULO 5
CONCLUSÃO GERAL
Como uma técnica promissora o NOMA demonstrou ser compatível com outras
técnicas e tecnologias do 5G. A arquitetura de rede heterogênea, também, desempenhará um
papel importante nas redes de quinta geração, onde as estações de base macro e as estações
base de pequenas células cooperam para o compartilhamento de espectro. A junção do
NOMA, redes heterogêneas e mmWave permitirá que mais usuários possam ser atendidos,
dessa forma a técnica suportará uma conectividade maciça, no qual é o seu principal objetivo.
Conforme mostrado neste trabalho, ao explorar a capacidade do canal, o NOMA pode
utilizar os escassos recursos de largura de banda de forma mais eficiente do que a OMA. A
técnica de acesso não ortogonal consegue melhorar o throughput do sistema, uma vez que
vários usuários podem ser atendidos simultaneamente, assim a conectividade maciça pode ser
alcançada e reduzir os atrasos, onde os usuários não precisam mais esperar até que um bloco
de recurso ortogonal esteja disponível.
Percebe-se que a técnica consegue alcançar os principais requisitos do 5G, como: alto
rendimento do sistema, baixa latência e conectividade maciça.
48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Sapakal, R., S.; Kadam, S., S.; 5G Mobile Technology. International Journal of Advanced
Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET), vol. 2, issue 2, 2013.
[2] Mendes, J., R., R.; 5G: A QUINTA GERAÇÃO. Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, 2014.
[3] Estatísticas de Celulares no Brasil. Disponível em: <http://www.teleco.com.br/ncel.asp>.
Acesso em: 04 de maio de 2017.
[4] Castro, M., C., F.; Comunicações Celulares: Sistemas Wireless e Padrões. Faculdade de
Engenharia: Departamento de Engenharia Elétrica (PUCRS), cap. 5.
[5] Alecrim, E. Tecnologias 2G e 2,5G: TDMA, CDMA, GSM, GPRS e EDGE. Disponível
em: <https://www.infowester.com/2g.php>. Acesso em: 02 de maio de 2017.
[6] Alves, M., H., P.; Mendes, L., L.; Levantamento dos cenários de utilização das redes 5G
no Brasil. XXXIII Simpósio Brasileiro de Telecomunicações (SBrT), 2015.
[7] Alecrim, E. Tecnologias 3G e 4G: CDMA-2000, UMTS, HSPA, HSPA+ e LTE.
Disponível em: <https://www.infowester.com/3g4g.php>. Acesso em: 02 de maio de 2017.
[8] KLEINA, N. O 5G vem aí: veja as mudanças, novas velocidades e tudo sobre a
tecnologia. Disponível em: <https://www.tecmundo.com.br/5g/106782-5g-vem-ai-
vejamudancas-novas-velocidades-tudo-tecnologia.htm>. Acesso em: 02 de maio de 2017.
[9] Lima, D. P. P.; Theodoro, L. C.; Dantas, S.; Quinta geração das redes móveis. Conferência
de Estudos em Engenharia Elétrica (CEEL), 2014.
[10] Possebon, S.; Agregação é a palavra que definirá o futuro do LTE, pelo menos até a 5G.
Disponível em: < http://convergecom.com.br/teletime/05/03/2015/agregacao-e-a-palavra-que-
definira-o-futuro-do-lte-pelo-menos-ate-a-5g/ >. Acesso em 11 de junho de 2017.
[11] Choi, L.; Murch, R.D.; A Transmit Pre processing Technique for Multi user MIMO
Systems Using a Decomposition Approach. Transactions on wireless communications
(IEEE), v. 3, n. 1, january 2004.
49
[12] Benjebbour, A.; Saito, Y.; Kishiyama, Y.; Li, A.; Harada, A.; Nakamura,T.; Concept and
Practical Considerations of Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) for Future Radio
Access (IEEE), 2013.
[13] SHIN, W.; et al., Non-orthogonal multiple Access in multi-cell networks: theory,
performance and practical challenges. IEEE Communications Magazine, 2017.
[14] ANRITSU; Understanding 5G. Rev 1, fevereiro de 2016.
[15] DING, Z.; LEI, X.; KARAGIANNIDIS, G. K.; SCHOBER, R.; YUAN, J.;
BHARGAVA, V.; A survey on non-orthogonal multiple Access for 5G networks: research
challenges and future trends. IEEE, 2017.
[16] BENJEBBOUR, A.; SAITO, K.; LI, A.; KISHIYAMA, Y.; NAKAMURA, T.; Non-
orthogonal multiple Access (NOMA): concept, performance evaluation and experimental
trials. IEEE, 2015.
[17] HAYKIN, S. Sistemas de comunicação: analógicos e digitais. 4. ed., Bookman, Porto
Alegre, 2004.
[18] MARCANO, A., S.; CHRISTIANSEN, H., L.; Performance of Non-Orthogonal Multiple
Access (NOMA) in mmWave wireless communications for 5G networks. IEEE, 2017.
[19] BENJEBBOUR, A.; SAITO, Y.; LI, A.; KISHIYAMA, Y.; NAKAMURA, T.;
HIGUCHI, K.; Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Future Radio Access.
IEEE, 2013.
[20] HAN, S. et al., Energy Efficiency and Spectrum Efficiency Co-Design: From NOMA to
Network NOMA, IEEE COMSOC MMTC E-Letter, vol. 9, no. 5, pp. 21-15, 2014.
[21] KIZILIRMAK, R. C., Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for 5 G Networks.
Capítulo 4 do INTECH open Science| opne minds. Disponível em:
<http:QQdx.doi.org/10.5772/66048>, acesso em: 03 de novembro de 2017.