Na Figura 5.3 estão dispostos os blocos funcionais que compõem o Módulo de Canal, tendo como entrada os sinais provenientes do Módulo de Transmissão e do Módulo de Parâmetros de Simulação (tipo_canal,pathDelays,mobilidade_usuario,
ambiente_propagacao, pathGains, maxDoppler), fornecendo em sua saída os
dados a serem recebidos.
O Apêndice 5-A (Figura 5-A.1) apresenta uma descrição das ações executadas pelos Blocos e Processos que compõem o Módulo de Transmissão, utilizando a linguagem SDL (Specification and Description Language) [14].
A escolha do tipo de canal é realizada a partir dos parâmetros iniciais do simulador. No entanto, a relação sinal-ruído (SNR) do canal de propagação é determinada pelos usuários do modelo, por meio de uma caixa de diálogo acessada a partir do Módulo de Canal.
A configuração inicial é composta por um canal sem desvanecimento, sob efeito apenas do ruído Gaussiano branco aditivo (AWGN). Nestas condições de propagação, não são necessários esforços no sentido de mitigar os efeitos impostos pelo canal, sendo a eficiência do sistema limitada apenas pela relação sinal-ruído do canal e pelos esquemas de codificação e modulação empregados. Este canal é a base da especificação do WiMAX e, apesar de sua ocorrência não ser comum em situações práticas, seu estudo é fundamental para efeitos comparativos.
Para implementar o canal AWGN, utilizou-se um bloco funcional específico do SIMULINK® (AWGN Channel), como apresentado na Figura 5.4 e no correspondente
diagrama SDL da Figura 5-A.2.
A variância do ruído gerado por este bloco é calculada a partir da relação sinal- ruído, de acordo com operações matemáticas dadas pela eq.(5.3) que são executadas pelo bloco funcional de cálculo da variância a partir de SNR (dB), ilustrados na Figura 5.5 e no diagrama SDL da Figura 5-A.3 (Apêndice 5-A).
As outras duas configurações do canal adicionam os efeitos de propagação por multi-percursos, com desvanecimentos seletivos e não-seletivos em freqüência caracterizados pela distribuição Rayleigh. Portanto, nestas condições, a equalização do sinal recebido passa a apresentar uma grande relevância e, em situações extremas, ocorre uma queda acentuada na eficiência da predição dinâmica do canal impactando o controle adaptativo.
O canal com desvanecimento não seletivo em freqüência (frequency-flat fading) foi implementado por um bloco funcional específico do SIMULINK® (Multipath
Rayleigh Fading Channel) concatenado ao canal AWGN. Pelo fato deste
desvanecimento não ser afetado pelos multi-percursos, os parâmetros referentes ao atraso de propagação (delay vector) e ao ganho relativo de cada percurso (gain
vector) foram ajustados com valores nulos. Nestas condições, o canal FLAT-I
representa a operação estática, e o canal FLAT-II simula a condição de mobilidade. De forma análoga, o canal com desvanecimento seletivo em freqüência (frequency-selective fading) foi elaborado com o uso do mesmo bloco funcional do SIMULINK® (Multipath Rayleigh Fading Channel), também concatenado ao canal
AWGN. Entretanto, neste caso o atraso de propagação (delay vector) e o ganho relativo de cada percurso (gain vector) foram configurados de acordo com o ambiente de propagação selecionado nos parâmetros iniciais do simulador.
Figura 5.5 – Cálculo da variância do ruído Gaussiano branco aditivo a partir de SNR (dB) −−−− ==== 10 2 10 dB SNR σσσσ (5.3)
Nos ambientes internos, são aplicados os canais ITU-B-I (sem mobilidade) e ITU-B-II (com mobilidade). Em contrapartida, nos ambientes externos indicam-se os canais ITU-B-III (sem deslocamento) e ITU-B-IV (com deslocamento).
Para aplicações fixas, admitiu-se arbitrariamente para o espalhamento Doppler uma freqüência máxima de 0,25 Hz (dentro da faixa especificada de 0,1 a 2 Hz [6]), causado pelo movimento de obstáculos no caminho de propagação. Nesta situação, o tipo de espectro Doppler foi aproximado para uma forma de onda arredondada (rounded), cujos coeficientes são especificados na eq.(5.1) [6].
De modo a simular a condição de operação que prevê a possibilidade dos usuários deslocarem-se, a eq.(5.2) foi empregada para o cálculo do espalhamento
Doppler. Como visto no Capítulo 3 - item 3.1.1, adotou-se que esta movimentação
poderá ocorrer com uma velocidade máxima de 3 km/h, que para uma largura de banda de 3,5 MHz acarreta um espalhamento (fd) de 9,7 Hz.
Para canais com desvanecimento não seletivo em freqüência e com mobilidade parcial, o tipo de espectro Doppler (Doppler Spectrum) selecionado foi o clássico (Jakes). Já para canais com desvanecimento seletivo em freqüência e aplicação parcialmente móvel, este parâmetro seguiu as especificações indicadas pelo ITU: plano (flat) para ambientes internos e clássico (Jakes) para ambientes externos [10].
A Figura 5.6 ilustra os blocos funcionais utilizados para a implementação dos canais com desvanecimento seletivo (ITU-B-I, ITU-B-II, ITU-B-III, ITU-B-IV) e não seletivo em freqüência (FLAT-I, FLAT-II), e o Apêndice 5-A (Figura 5-A.4) indica o respectivo diagrama SDL.
Nos canais com desvanecimento Rayleigh, o espalhamento Doppler segue as definições sobre a mobilidade do usuário selecionadas no simulador. Assim, as características relacionadas ao espalhamento Doppler (MaxDopplerShift) e ao tipo de espectro Doppler (Doppler Spectrum) são modificadas de acordo com a forma de utilização do sistema.
Com a finalidade de tornar possível a seleção do tipo de canal de propagação a ser aplicado nas simulações, foi implementado o bloco funcional ilustrado na Figura 5.7, com o correspondente diagrama SDL apresentado na Figura 5-A.5.
Independentemente do tipo de canal utilizado, foi empregado um bloco funcional para o cálculo da relação sinal-ruído efetiva do canal, que fornece uma medição instantânea deste valor com base na SNR configurada para o canal AWGN e também na variância associada à potência do sinal recebido, conforme apresentado no diagrama em blocos da Figura 5.8 e no correspondente diagrama SDL da Figura 5-A.6 (Apêndice 5-A).
Figura 5.8 – Medição instantânea da relação sinal-ruído (SNR) efetiva do canal. Figura 5.7 – Seleção do tipo de canal de propagação.
Portanto, a simulação efetuada nesta dissertação prevê a utilização de sete tipos distintos de canais de propagação, cujas características estão apresentadas na Tabela 5.2.
Tabela 5.2 – Descrição dos tipos de canal de propagação utilizados na simulação.
Canal Características Ambiente de
propagação
Mobilidade do usuário
AWGN Ruído Gaussiano branco aditivo N/A N/A FLAT-I Desvanecimento não seletivo em
freqüência (frequency flat fading) N/A
Sem mobilidade FLAT-II Desvanecimento não seletivo em
freqüência (frequency flat fading) N/A
Mobilidade parcial ITU-B-I Desvanecimento seletivo em freqüência
(frequency selective fading)
Interno (indoor)
Sem mobilidade ITU-B-II Desvanecimento seletivo em freqüência
(frequency selective fading)
Interno (indoor)
Mobilidade parcial ITU-B-III Desvanecimento seletivo em freqüência
(frequency selective fading)
Externo (pedestrian)
Sem mobilidade ITU-B-IV Desvanecimento seletivo em freqüência
(frequency selective fading)
Externo (pedestrian)
Mobilidade parcial
Já a Tabela 5.3 contempla os parâmetros associados aos tipos de canal, que estão codificados no programa “parametros_iniciais.m” (Anexo B - item B-I), e são utilizados pelo modelo sempre que for selecionada uma das opções de configuração do canal de propagação na interface gráfica dos parâmetros iniciais do simulador.
Tabela 5.3 – Parâmetros dos tipos de canal de propagação utilizados na simulação. Canal Ganho relativo
[dB] Atraso de propagação [ns] Espalhamento Doppler [Hz] Espectro Doppler
AWGN N/A N/A N/A N/A
FLAT-I N/A N/A 0,25 Rounded
FLAT-II N/A N/A 9,7 Jakes
ITU-B-I [0; -3.6; -7.2; -10.8; -18; -25.2] [0; 100; 200; 300; 500; 700] 0,25 Rounded ITU-B-II [0; -3.6; -7.2; -10.8; -18; -25.2] [0; 100; 200; 300; 500; 700] 9,7 Flat ITU-B-III [0; -0.9; -4.9; -8; -7.8; -23.9] [0; 200; 800; 1200; 2300; 3700] 0,25 Rounded ITU-B-IV [0; -0.9; -4.9; -8; -7.8; -23.9] [0; 200; 800; 1200; 2300; 3700] 9,7 Jakes
5.4 SUMÁRIO DO CAPÍTULO
Este capítulo apresentou uma breve discussão sobre as variações das condições do canal associadas ao espalhamento do atraso (delay spread) e ao espalhamento Doppler (Doppler spread).
Foi descrito o processo de modelagem e simulação do canal, englobando a modelagem da propagação por multi-percursos segundo as especificações do ITU (ITU-R M.1225). Adicionalmente, a implementação do canal de propagação foi explicitada através de diagramas em blocos e dos correspondentes diagramas SDL.
5.5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] RAPPAPORT, T. S. et al. Principles of Communication Systems Simulation
with Wireless Applications. 1st ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2004. ISBN 0-13-494790-8.
[2] PARSONS, J. D. The Mobile Radio Propagation Channel. 2nd ed. West Sussex: John Wiley & Sons, 2000. ISBN 0-470-84152-4.
[3] SAMPEI, S. Applications of digital Wireless Technologies to Global Wireless
Communications. 1st ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1997. ISBN 0-10- 0132142724.
[4] RAPPAPORT, T. S. Wireless Communications: Principles and Practice. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2000. ISBN 0-13-042232-0.
[5] HAYKIN, S., MOHER, M. Modern Wireless Communications. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2004. ISBN 0-13-124697-6.
[6] ERCEG, V. et al. Channel Models for Fixed Wireless Applications. Contribution IEEE 802.16.a-03/01, 2003. Disponível em: <http://wirelessman. org/tga/docs/80216a-03_01.pdf>. Acesso em: 11 jul. 2009.
[7] SAMPATH, H. et al. A Fourth-Generation MIMO-OFDM Broadband Wireless
System: Design, Performance, and Field Trial Results. IEEE Communications
Magazine, 2002. Disponível em: < http://ant.comm.ccu.edu.tw/course/92_WLAN/ 1_Papers/A%20fourth-generation%20MIMO-OFDM%20broadband%20wireless%20 system%20design,%20performance,%20and%20field%20trial%20results.pdf> Acesso em: 11 ago. 2009.
[8] WANG, X., POOR, H. V. Wireless Communications Systems: Advanced Techniques for Signal Reception. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002. ISBN 0- 13-702080-5.
[9] IEEE 802.16. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part
16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. [S.l.], IEEE Std.
802.16, 2004. Disponível em: http://standards.ieee.org/getieee802/ download/802.16.2-2004.pdf>. Acesso em: 16 abr. 2008.
[10] ANDREWS, G. A.; GHOSH, A.; MUHAMED, R. Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking. Massachusetts: Prentice Hall, 2007. ISBN 0-13-222552-2.
[11] ITU-R M.1225. Guidelines for Evaluation of Radio Transmission
Technologies for IMT-2000. ITU-R Recommendation, International Telecommunication Union, 1997.Disponível em: <http://www.itu.int/rec/R-REC- M.1225/en>. Acesso em: 11 jul. 2009
[12] WIMAX FORUM. Mobile Radio Conformance Tests Amendment: Wave 2 Tests, Appendix 4 Test Channel Models. 2007.
[13] JERUCHIM, M. C; BALABAN, P.; SHANMUGAN, P. Simulation of
Communication Systems: Modeling, Methodology and Techniques. 2nd ed. New York: Kluwer Academic Publishers, 2002. ISBN 0-306-46267-2.
[14] ITU-T Z.100. Specification and Description Language (SDL). ITU-T Recommendation, International Telecommunication Union, 2007.Disponível em: <http://www.itu.int/rec/T-REC-Z.100-200711-I>. Acesso em: 03 fev. 2010