Adota-se como base o uplink de um sistema OFDMA com largura de banda de W Hertz, dividida igualmente em N subportadoras nas quais o desvanecimento rápido é considerado flat. Considerando ambiente uni-celular, uma célula hexagonal de raio de R metros possui uma BS e Nrs RSs e deve atender K usuários. Considerando a definição clássica de OFDMA, cada subportadora deve ser associada a apenas um par de dispositivos em cada instante de tempo, ou seja, não existe MAI.
Figura 3.1 – Modelo de célula adotado neste trabalho, considerando Nrs = 6 e K = 20.
R
MS RS BS
Fonte: o autor
Define-se a utilização de estações retransmissoras fixas, que têm como objetivo auxiliar os usuários em condição desfavorável de comunicação, i.e., usuários que estejam posicio- nados em região de borda de célula. A métrica de instalação das RSs será apresentada no Capítulo 6, e adota-se abordagem não-transparente de dois saltos (two-hop) e sem enlace direto, i.e., retransmissão de apoio. A não consideração do enlace direto é justificada pela condição de comunicação em borda de célula, em que seria necessário potência de transmissão excessivamente elevada para se obter um sinal cuja qualidade fosse suficien- temente boa para combinação de diversidade. Além disso, os resultados apresentados em [27] mostram que o modelo de dois saltos sem enlace direto apresenta maior EE que o caso
com enlace direto, pois o custo energético da manutenção do enlace direto é muito elevado em relação ao ganho que produz. A utilização do modelo de dois saltos em detrimento do modelo de múltiplos saltos (multi-hop) se dá por redução de complexidade, pois seria ne- cessário investigar mais uma variável do tipo combinatória para solução ótima, e também por análise do cenário proposto nos documentos de padronização, em que as soluções de dois saltos são dominantes. Finalmente, a consideração de modo não-transparente é resul- tante da não-existência do enlace direto, fazendo com que os dispositivos se comuniquem com a RS a que forem alocados para atingir a BS.
A duplexação dos links acesso/backhaul adota modelo half-duplex inband por divisão temporal, com divisão igualitária do tempo de comunicação MS-BS (∆dir
t ) entre os links
de acesso (∆1h
t ) e backhaul (∆2ht ), conforme mostrado na Figura 3.2. Apesar dos proble-
mas inerentes ao modo inband, como por exemplo o tempo gasto na troca entre os links de acesso e backhaul [100], a principal justificativa na adoção desse modelo é a limitação espectral. Como o recurso espectral é escasso, com diversas tecnologias concorrendo pelas faixas disponíveis, a alocação de uma faixa de espectro exclusivamente para a retrans- missão das RSs somente aumentaria essa concorrência. Além disso, seria necessária a instalação de novos equipamentos de transmissão para essa nova banda licenciada, en- quanto que o modelo inband necessita de alterações apenas no equipamento que realiza o controle dos recursos, que no caso de abordagem centralizada também deveria ser alte- rado em cenário outband. Em caso de alocação de recursos centralizada, e considerando as definições do parágrafo anterior, as alterações no controle de recursos podem ser feitas apenas nas estações sob controle das operadoras, facilitando a migração de tecnologia do ponto de vista dos usuários do serviço.
O problema de seleção de RSs é simplificado de modo que uma MS seja alocada à RS que resulte no melhor ganho de canal médio no link MS-RS, evitando a necessidade de se estimar o CSI de todos os possíveis links MS-RS-BS ao custo de perda de diversi- dade [90, 101]. Considerando que os efeitos de shadowing e desvanecimento rápido sejam modelados pelos mesmos modelos estatísticos para qualquer par MS-RS, o fator de de- cisão será fundamentalmente a perda de percurso, que é determinística e possui como parâmetro variável, em geral, apenas a distância entre os dispositivos. O modelo descrito neste trabalho utiliza um conceito semelhante ao desenvolvido em [110], porém analisando apenas o link direto e o link do primeiro salto, i.e., MS-RS. No modelo proposto, verifica- se a possibilidade de existir ganho em termos de EE comparando a energia gasta para suportar uma determinada taxa de dados por subportadora em modo não-cooperativo e cooperativo, resultando no seguinte procedimento de alocação de RSs:
1. as RSs determinam a região na qual sua cobertura pode resultar em economia de recursos, por meio de duas regras:
a) perda de percurso do link MS-RS deve ser menor que a PL do link MS-BS; b) distância RS-BS deve ser menor que a distância MS-BS.
3.1. Definição do Modelo de Sistema Empregado 53
Figura 3.2 – Esquema de alocação de subportadoras, com N = 7 e modo half-duplex inband. ∆1h
t e ∆2ht indicam o intervalo de tempo alocado para os enlaces
de acesso e backhaul, respectivamente, enquanto ∆dir
t indica o intervalo de
tempo alocado para o enlace direto. As MSs dos índices a, b, c, d se comu- nicam diretamente com a BS, enquanto as MSs x, y, z são auxiliadas pelas RSs l, m, p, respectivamente.
Fonte: o autor
2. Caso duas ou mais RSs tenham áreas de cobertura em comum, organiza-se a divisão dessas áreas de modo que em cada ponto se escolha a RS mais próxima.
A regra 1.a) resulta da análise do consumo de energia para transmissão direta e co- operativa. Se uma MS gasta a mesma quantidade de energia, ou mais, para transmitir uma certa quantidade de bits para uma RS em relação ao que consumiria para transmitir para a BS, o gasto extra de energia na RS, que não é nulo, reduz a eficiência energética. Considera-se somente a perda de percurso na seleção de RSs pois o cálculo é baseado na média do sistema, evitando a repetição da etapa de seleção. A regra 1.b) deve-se à deci- são de que as RSs devem servir àqueles usuários que estejam em condição desfavorável de comunicação, mais afastados da BS do que a própria RS. Finalmente, a regra 2 é deter- minada para que cada MS utilize apenas uma RS ou transmissão direta. A demonstração da regra 1.a) é apresentada no Apêndice A.
Com relação aos protocolos de retransmissão, os resultados observados na literatura apresentam uma grande variação nas conclusões, principalmente devido aos diferentes cenários avaliados, como pode ser visto comparando as conclusões de [39] e [70]. Assim, propõe-se a comparação dos protocolos regenerativos e não-regenerativos, considerando suas duas implementações mais comuns: para o caso regenerativo, considera-se o protocolo DF, enquanto se adota o protocolo AF para não-regenerativo, ambos não-seletivos. A
operação do protocolo DF é feita unicamente no domínio da frequência, porém para AF é possível escolher em qual dimensão operar [54]. Apesar da simplicidade do protocolo AF indicar que o processamento no tempo é a melhor escolha, a abordagem inicial do trabalho será operar o AF também no domínio da frequência. Essa estratégia se torna necessária devido ao fato de que uma determinada MS pode ser coberta por mais de uma RS, apesar de estar alocada a apenas uma delas, devido à natureza de broadcast do canal sem fio. Devido à cobertura múltipla, é possível que ocorra MAI no salto RS-BS, resultando que é preciso anular, em cada RS, os sinais das MSs que não estão alocadas para si, o que é possível somente com o processamento no domínio da frequência. O fluxograma do processo de retransmissão é apresentado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Fluxo do processo de retransmissão para AF e DF em um sistema de múltiplo acesso por divisão de frequência.
Demodulador em quadratura (I-Q); Conversor analógico- digital; Conversor serial- paralelo
}
Remover prefixo cíclico FFT Remoção de usuários não-alocados Processamento AF/DF IFFT Conversor paralelo- serial; Conversor digital- analógico; Modulador em quadratura (I-Q);{
Adicionar prefixo cíclico y Modulador M-PSK/M-QAM Conversor serial- paralelo Conversor paralelo- serial Demodulador M-PSK/M-QAM Normalização do sinal recebido Alocação de potência de retransmissão AF DF bj ^ j Equalizador/ Estimador Alocação de potência de retransmissão xj Fonte: o autor3.2. Descrição Matemática para Modos Não-Cooperativo e Cooperativo 55
Tabela 3.1 – Definições do modelo cooperativo adotado neste trabalho.
Critérios Modelo adotado
Mobilidade RSs fixas
Protocolo de retransmissão AF e DF não-seletivos e sem possibilidade de escolha dinâmica
Topologia de comunicação Dois saltos Controle de célula Não-transparente Número de enlaces Retransmissão de apoio Duplexação acesso e
backhaul
Half-duplex inband
Seleção de RSs Determinada pelo posicionamento das MSs e estática em cada intervalo de alocação
Fonte: o autor