A diversidade de transmissão é um campo que têm despertado interesse nos últimos 20 anos da comunidade científica e da indústria, pois trata-se de técnicas eficientes de combate ao desvanecimento que aumentam a capacidade de sistemas de comunicação sem fio. No entanto, a ideia de utilização de diversidade espacial e formatação de feixe iniciou-se em 1970, com o trabalho de A. R. Kaye (KAYE; GEORGE, 1970) e W. V. Etten (ETTEN, 1975). Na década de 80, J. Winters e J. Salz, da Bell Laboratories, publicaram alguns artigos referente à área de múltiplas antenas e formatação de feixe (WINTERS, 1984; SALZ, 1985).
Mas somente em 1993, com o trabalho pioneiro de A. Paulraj e T. Kailath (PAULRAJ; KAILATH, 1994), foi apresentado o conceito de multiplexação espacial
(SM - Spatial Multiplexing) para sistemas MIMO e em 1994 estes receberam a patente americana no. 5345599, enfatizando-o em aplicações de transmissão sem fio.
Em (FOSCHINI, 1996; RALEIGH; CIOFFI, 1998), G. J. Foschini e G. Raleigh
propuseram novas topologias para sistemas MIMO, considerando uma configura- ção onde múltiplas antenas de transmissão são co-localizadas em um transmissor para aumentar eficientemente a vazão (throughput) de informação.
A Bell Labs foi a primeira empresa a demonstrar um protótipo de multiple- xação espacial em 1998, sendo utilizada posteriormente pela indústria como uma das principais técnicas para aumento de desempenho de sistemas de comunicação MIMO (GOLDEN et al., 1999).
Sabe-se, da teoria da informação, que utilizando-se de AT x antenas de trans-
missão e ARxantenas de recepção, existe a possibilidade de obtenção de ganho de
capacidade de An vezes (FOSCHINI; GANS, 1998; MARZETTA; HOCHWALD, 1999;
GESBERT et al., 2000) em canais seletivos, onde An = min(AT x, ARx) é também
Na última década do século passado, diversas técnicas foram propostas no intuito de explorar as vantagens oferecidas pelos canais de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO). Pode-se citar duas principais técnicas para exploração destas vantagens. A primeira consiste na multiplexação espacial, também conhe- cida como BLAST (Bell Labs Layered Space-Time) (FOSCHINI, 1996), que utiliza
os canais de MIMO para aumentar a eficiência espectral. A segunda abordagem possível é conhecida como STC (Space-Time Coding) (TAROKH; SESHADRI; CAL- DERBANK, 1998; TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999), que usa os canais
de MIMO para aumentar o ganho de diversidade.
Nos dois casos, as técnicas não requerem nenhuma informação prévia do es- tado do canal no transmissor. A eficiência espectral na técnica BLAST é incre- mentada mediante a transmissão de pacotes de dados de forma independente a partir de antenas distintas, requerendo um número de antenas receptoras pelo menos igual ao número de antenas de transmissão, ou seja, ARx ≥ AT x, impac-
tando diretamente na relação custo-benefício do sistema. Para a técnica STC, a qualidade do serviço (QoS) é aumentada pela obtenção de ganho de diversi- dade e de codificação, que são introduzidos pela correlação espaço-tempo entre os sinais transmitidos pelas diferentes antenas de transmissão. Diferentemente da técnica BLAST, a técnica STC pode ser implementada de forma mais singela no receptor, pois torna-se possível o emprego de um número arbitrário de antenas de recepção. Desta forma, este trabalho considera a utilização da técnica STC, especificamente a STBC15 devido às vantagens apresentadas.
2.1.5.1 Codificação Espaço Temporal
Conforme descrito anteriormente, as técnicas STC têm recebido atenção di- ferenciada devido a suas vantagens. Primeiro, pelo aumento de desempenho sem a obrigação de utilização de muitas antenas no receptor. Segundo, podem ser facilmente combinadas com codificadores de canal obtendo ganho de codificação e diversidade espacial. Terceiro, não requerem conhecimento prévio das caracte- rísticas do canal, ou seja, trabalham em malha aberta. Finalmente, mostram-se robustos contra variações das condições ideais de operação como correlação entre as antenas, erros nas estimativas de canal e efeito Doppler (TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998; NAGUIB et al., 1998; TAROKH et al., 1999).
Na estratégia STC, os dados codificados são divididos em AT x conjuntos que
são, posteriormente transmitidos simultaneamente pelas AT xantenas. Do lado do
receptor, o sinal é visto como uma sobreposição linear dos símbolos transmitidos, corrompidos por ruído e interferência intersimbólica. Desta forma, os algoritmos de decodificação espaço-temporais e as técnicas de estimativa do canal são então utilizados visando à obtenção de diversidade e de ganho de codificação (DIGGAVI et al., 2004; CASELLA, 2004).
Com isso, torna-se possível transferir a complexidade para o transmissor (múl- tiplas antenas) permitindo que o receptor seja implementado de forma mais sin- gela. Este cenário mostra-se atraente para o enlace direto em sistemas móveis devido à dificuldade de utilização de muitas antenas nos terminais móveis. Além disso, os efeitos do desvanecimento são minimizados sem a necessidade de uti- lização de recursos de banda adicional (eficiência espectral) melhorando signifi- cativamente a capacidade do sistema (TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998; FOSCHINI; GANS, 1998; DIGGAVI et al., 2004).
Considerando a técnica STC, note-se que existem dois tipos de diversidade espacial conhecidas como diversidade de transmissão e diversidade de recepção. Na diversidade de recepção, múltiplas antenas são utilizadas para obter réplicas distintas do sinal que estão sujeitos a desvanecimentos individuais. Desta forma, pode-se combinar os sinais adequadamente através de técnicas simples, como a de combinação de ganho igual (EGC - Equal Gain Combining), o de combinação por razão máxima (MRC - Maximum Ratio Combining), entre outras. Considerando o enlace direto, a utilização de muitas antenas no receptor mostra-se inviável, pois existem limitações de potência e tamanho dos terminais móveis. Isto reforça a possibilidade de uso da diversidade de transmissão, pois a complexidade pode ser alocada na estação base (ZEXIAN; LATVA-AHO, 2002), quando considera-se enlace direto.
Mesmo assim, existe a dificuldade de separação dos sinais no receptor, pois estes estão misturados espacialmente e temporalmente e não se conhece a priori as características de propagação do canal. Desta forma, necessita-se de proces- samento adicional no receptor para a exploração da diversidade disponível. Com isso, esta estratégia mostra-se vantajosa pela não obrigatoriedade de muitas an- tenas no receptor.
Uma das estruturas mais simples de STC consiste na utilização de intervalos distintos para a transmissão de símbolos, criando artificialmente um efeito de propagação seletivo em frequência, podendo ser explorado no receptor. Esta es- tratégia foi proposta inicialmente por (WITTNEBEN, 1991, 1993), sendo conhecida como diversidade de atraso (delay diversity). No entanto, embora ofereça ganho
de diversidade igual ao número de antenas de transmissão, o resultado pode ser melhorado através do uso de técnicas com codificação.
Assim, a busca por técnicas mais eficazes resultaram nos métodos STTC, proposto inicialmente por (TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998) e STBC,
proposto inicialmente por (ALAMOUTI, 1998; TAROKH; JAFARKHANI; CALDER- BANK, 1999). Para este trabalho de doutoramento será considerada a técnica
STBC, pois requer apenas um processamento linear para a decodificação espaço- temporal dos símbolos. Vale ressaltar que a técnica STTC pode ser utilizada, mas esta requer estimativa de máxima verossimilhança no receptor, cuja complexidade aumenta exponencialmente com a taxa de transmissão.
Atualmente existem mais de 1000 trabalhos sobre técnicas de diversidade espacial na base do IEEE, mas entre os anos de 1996 e 1999, surgiram os princi- pais trabalhos voltados às propostas de métodos de exploração de diversidade de transmissão com superação das dificuldades de processamento no receptor. En- tre eles, aconselham-se as referências (FOSCHINI, 1996;WINTERS, 1998; TAROKH; SESHADRI; CALDERBANK, 1998; ALAMOUTI, 1998; TAROKH; JAFARKHANI; CAL- DERBANK, 1999). Além destas referências históricas, deve-se considerar as refe-
rências mais atuais que realizam estudos comparativos entre as diversas técnicas, além de análises consolidadas a respeito dos trabalhos anteriormente realizados, podendo-se citar (ZEXIAN; LATVA-AHO, 2002;LARSSON; STOICA; GANESAN, 2003;
DIGGAVI et al., 2004; BOLCSKEI et al., 2006; PAULRAJ; NABAR; GORE, 2008; MI- ETZNER et al., 2009).
2.1.5.2 Codificação Espaço Temporal em Bloco
Alamouti (ALAMOUTI, 1998) introduziu um método simples de malha aberta
utilizando duas antenas de transmissão para a redução da complexidade expo- nencial do decodificador para o método STTC, apresentando um ganho de di- versidade da ordem do obtido pelo método de combinação por razão máxima. Em (TAROKH; JAFARKHANI; CALDERBANK, 1999), este método foi generalizado
para um número arbitrário de antenas transmissoras, resultando na topologia conhecida como codificação espaço-temporal em bloco (STBC).
Na técnica de STBC, os símbolos são codificados no domínio espaço-tempo, gerando blocos de símbolos ortogonais que são transmitidos por antenas distintas. Do lado do receptor, a decodificação dos símbolos é obtida pela combinação dos blocos recebidos pelas distintas antenas de recepção através de um processamento linear. Como os sinais transmitidos são ortogonais, a técnica STBC oferece um
ganho significativo de diversidade, mas esta não disponibiliza ganho de codificação (CASELLA, 2004).
A figura 2.7 apresenta o bloco de transmissão da técnica STBC para taxa 1 e AT x = 2. Fonte de Informação Mapeamento da Informação (Constelação ) Código de Blocos Espaço -Tempo Tx1 Tx2 Figura 2.7: Esquema STBC
De acordo com o esquema apresentado na figura 2.7 os símbolos de entrada h
c(g)k,i, c(g)k,i+1, . . . , c(g)k,i+Ψi são mapeados em uma constelação real ou complexa com 2Ψ símbolos, resultando em a(g)
k,j.
Posteriormente, são agrupados em pares a(g) k,j e a
(g)
k,j+1 e transmitidos pela
primeira e segunda antenas, respectivamente. No próximo período de símbolo, transmite-se o símbolo −a(g)k,j+1∗ na primeira antena e o símbolo a(g)k,j∗ na segunda antena, onde o operador (·)∗ corresponde à operação de complexo con-
jugado.
O símbolo a(g)
k,j, considerando mapeamento real BPSK, é denotado por:
a(g)k,j = c(g)k,i (2.17)
Desta forma, pode-se reescrever equação (2.14) como:
ak(g)(t) = M X m=1 zk(g)(t) s(g)F k,mcos 2πfmt + φ(g)k,m (2.18) Esta representação corresponde a uma taxa de codificação plena e igual a 1, pois dois símbolos de informação são transmitidos em dois períodos de símbolo. Este sinal é transformado em banda passante através de uma portadora fc,nT x