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Guias e Dicas
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Modelos de erro em comunicações wireless, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Elétrica

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Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas

Antes de 2010

Compartilhado em 23/02/2008

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vasco-ferreira-5 🇧🇷

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Coment´ario ao artigo, dos autores Haowei Bai e Mohammed Atiquzzaman
“Error Modeling Schemes for Fading Channels
in Wireless Communications: A Survey”
Este artigo estuda os etodos que modelam o erro da atenua¸ao em canais de comunica¸oes de redes
sem fios e provˆe a exigˆencia do utilizador moderno (investigadores e projectistas) baseada na aproxima¸ao
do erro para classificar os modelos em redes sem fios exigentes.
Existe uma preocupa¸ao por parte dos projectistas de redes entender o desempenho do erro nas redes
oveis sem fios, afim de melhorar a qualidade de comunica¸ao bem como o desenvolvimento de novas
arquitecturas de rede com a finalidade de obter melhores resultados. a uma necessidade portanto de
encontrar um modelo do erro que permita uma avalia¸ao de um protocolo ou algoritmo com as suas
respectivas varia¸oes de um modo controlado. No entanto devido a condi¸oes adversas ambientais bem
como a propriedades f´ısicas de propaga¸ao da transmiss˜ao, como a linha de vista, radia¸ao, refrac¸ao e
difrac¸ao ´e complicado e extremamente complexo modelar o desempenho do erro numa transmiss˜ao sem
fios fazendo com que deste modo seja dif´ıcil generalizar os resultados de uma an´alise do desempenho do
erro.
Os etodos desenvolvidos para melhorarem a efic´acia de canais sem fios que variam desde protocolos
da camada de transporte inovadores a etodos da camada f´ısica robustos, incluindo uma modula¸ao e
codifica¸ao melhor ao baseados no estudo estat´ıstico do erro. Algumas das causas principais de bit errors
e a consequente perda de pacotes no CDMA em canais de redes sem fios ao:
- Atenua¸ao: Diminui¸ao da energia electromagn´etica o que implica uma baixa rala¸ao sinal-ru´ıdo.
- Interferˆencia Intersimb´olica (ISI): ultiplas vers˜oes atrasadas do sinal.
-Doppler shift: Devido `as velocidades relativas do transmissor e do receptor.
-Multipath fading: Propaga¸ao de sinais multipath da radio frequˆencia entre um transmissor e um receptor.
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E um desafio para protocolos de redes sem fios considerarem um grande umero de factores que afectam
o desempenho do erro em canais sem fios. Tipicamente, se as caracter´ısticas de propaga¸ao de um canal
de redes sem fios ao ao especificadas, ´e assumido que a atenua¸ao do sinal versus a distˆancia comporta-
se como se a propaga¸ao fosse ideal em espa¸co livre. O modelo em espa¸co livre envolve a regi˜ao entre
o transmissor e o receptor como livre de todos os objectos que poderiam absorver ou reflectir a energia
radiofrequˆencia. ´
E tamb´em assumido que a atmosfera ´e perfeitamente uniforme e ao absorvente. No
entanto, a pr´atica o modelo em espa¸co livre ao ´e o suficiente para descrever o desempenho de uma rede
sem fios ovel. Existem trˆes aspectos f´ısicos mais importantes a considerar que afectam a transmiss˜ao
num cen´ario real: refrac¸ao, difrac¸ao e dispers˜ao. Quando a radia¸ao electromagn´etica ´e reflectida ou
difractada ´e poss´ıvel transmitir entre o transmissor e receptor sobre caminhos ultiplos, dando origem `a
propaga¸ao multphath. Isto pode resultar em flutua¸oes na amplitude do sinal recebido, fase e ˆangulo.
O modelo do erro da atenua¸ao em canais de comunica¸oes oveis sem fios ´e muito ´util pro jectando e
avaliando o desempenho de redes de comunica¸ao sem fios.
O desempenho do erro em canais de redes sem fios ´e normalmente modelado com base estat´ıstica. Um
etodo bem sucedido baseado em alculos estat´ısticos usado para caracterizar os erros em canais da camada
f´ısica ´e o Bit Error Rate (BER). Da perspectiva das camadas superiores, os projectistas dos protocolos de
rede e os investigadores de algoritmos est˜ao interessados em blocos de erros (erros de pacote). ´
E desej´avel
ter modelos de erros de pacotes precisos para canais de redes sem fios, que podem ser usados p or projectistas
de protocolos de redes e por engenheiros de sistemas para simular e analisar o desempenho end-to-end ao
n´ıvel do pacote. Um estudo emp´ırico para os erros da atenua¸ao em canais de redes sem fios pode ser
aproximado por um processo two-state Markov , isto ´e um canal bem pro jectado pode entrar num estado
onde erros sucessivos ocorrem num intervalo de tempo pequeno.
´
E objectivo deste artigo pesquisar o erro na atenua¸ao em canais de sistemas de comunica¸ao sem fios
existente nos etodos de modula¸ao e classific´a-los de acordo com a modula¸ao aproximada, anal´ıtico e
emp´ırico. Nesta pesquisa ao descritos, modelos anal´ıticos que podem ser usados para um alculo estat´ıstico
do BER na camada f´ısica e a aproxima¸ao do erro para camadas superiores. ´
E necess´ario modelar as redes
sem fios de um modo constante juntamente com os modelos anal´ıticos por forma a obter resultados mais
consistentes quando se est´a a lidar com parˆametros de canal reais. No entanto os resultados dos modelos
anal´ıticos podem ao ser exactos devido a erros de aproxima¸ao e simplifica¸ao de caracter´ısticas ambientais
ou devido a algoritmos ineficientes.
Os modelos de propaga¸ao para canais de comunica¸ao sem fios ao usados para definir a propaga¸ao
do path loss (por exemplo, modelo Lee). Os engenheiros usam uma estimativa precisa do path loss para
ajudar a seleccionar os locais das Esta¸oes Base e determinar um plano de frequˆencias. A potˆencia do sinal
pode ser derivado do resultado da estimativa do path loss . No entanto, num sistema o desempenho do erro
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Coment´ario ao artigo, dos autores Haowei Bai e Mohammed Atiquzzaman

“Error Modeling Schemes for Fading Channels

in Wireless Communications: A Survey”

Este artigo estuda os m´etodos que modelam o erro da atenua¸c˜ao em canais de comunica¸c˜oes de redes sem fios e provˆe a exigˆencia do utilizador moderno (investigadores e projectistas) baseada na aproxima¸c˜ao do erro para classificar os modelos em redes sem fios exigentes. Existe uma preocupa¸c˜ao por parte dos projectistas de redes entender o desempenho do erro nas redes m´oveis sem fios, afim de melhorar a qualidade de comunica¸c˜ao bem como o desenvolvimento de novas arquitecturas de rede com a finalidade de obter melhores resultados. H´a uma necessidade portanto de encontrar um modelo do erro que permita uma avalia¸c˜ao de um protocolo ou algoritmo com as suas respectivas varia¸c˜oes de um modo controlado. No entanto devido a condi¸c˜oes adversas ambientais bem como a propriedades f´ısicas de propaga¸c˜ao da transmiss˜ao, como a linha de vista, radia¸c˜ao, refrac¸c˜ao e difrac¸c˜ao ´e complicado e extremamente complexo modelar o desempenho do erro numa transmiss˜ao sem fios fazendo com que deste modo seja dif´ıcil generalizar os resultados de uma an´alise do desempenho do erro. Os m´etodos desenvolvidos para melhorarem a efic´acia de canais sem fios que variam desde protocolos da camada de transporte inovadores a m´etodos da camada f´ısica robustos, incluindo uma modula¸c˜ao e codifica¸c˜ao melhor s˜ao baseados no estudo estat´ıstico do erro. Algumas das causas principais de bit errors e a consequente perda de pacotes no CDMA em canais de redes sem fios s˜ao:

  • Atenua¸c˜ao: Diminui¸c˜ao da energia electromagn´etica o que implica uma baixa rala¸c˜ao sinal-ru´ıdo.
  • Interferˆencia Intersimb´olica (ISI): M´ultiplas vers˜oes atrasadas do sinal.
  • Doppler shift: Devido `as velocidades relativas do transmissor e do receptor.
  • Multipath fading: Propaga¸c˜ao de sinais multipath da radio frequˆencia entre um transmissor e um receptor. E um desafio para protocolos de redes sem fios considerarem um grande n´´ umero de factores que afectam o desempenho do erro em canais sem fios. Tipicamente, se as caracter´ısticas de propaga¸c˜ao de um canal de redes sem fios n˜ao s˜ao especificadas, ´e assumido que a atenua¸c˜ao do sinal versus a distˆancia comporta- se como se a propaga¸c˜ao fosse ideal em espa¸co livre. O modelo em espa¸co livre envolve a regi˜ao entre o transmissor e o receptor como livre de todos os objectos que poderiam absorver ou reflectir a energia radiofrequˆencia. E tamb´´ em assumido que a atmosfera ´e perfeitamente uniforme e n˜ao absorvente. No entanto, a pr´atica o modelo em espa¸co livre n˜ao ´e o suficiente para descrever o desempenho de uma rede sem fios m´ovel. Existem trˆes aspectos f´ısicos mais importantes a considerar que afectam a transmiss˜ao num cen´ario real: refrac¸c˜ao, difrac¸c˜ao e dispers˜ao. Quando a radia¸c˜ao electromagn´etica ´e reflectida ou difractada ´e poss´ıvel transmitir entre o transmissor e receptor sobre caminhos m´ultiplos, dando origem `a propaga¸c˜ao multphath. Isto pode resultar em flutua¸c˜oes na amplitude do sinal recebido, fase e ˆangulo. O modelo do erro da atenua¸c˜ao em canais de comunica¸c˜oes m´oveis sem fios ´e muito ´util projectando e avaliando o desempenho de redes de comunica¸c˜ao sem fios. O desempenho do erro em canais de redes sem fios ´e normalmente modelado com base estat´ıstica. Um m´etodo bem sucedido baseado em c´alculos estat´ısticos usado para caracterizar os erros em canais da camada f´ısica ´e o Bit Error Rate (BER). Da perspectiva das camadas superiores, os projectistas dos protocolos de rede e os investigadores de algoritmos est˜ao interessados em blocos de erros (erros de pacote). E desej´´ avel ter modelos de erros de pacotes precisos para canais de redes sem fios, que podem ser usados por projectistas de protocolos de redes e por engenheiros de sistemas para simular e analisar o desempenho end-to-end ao n´ıvel do pacote. Um estudo emp´ırico para os erros da atenua¸c˜ao em canais de redes sem fios pode ser aproximado por um processo two-state Markov , isto ´e um canal bem projectado pode entrar num estado onde erros sucessivos ocorrem num intervalo de tempo pequeno. E objectivo deste artigo pesquisar o erro na atenua¸´ c˜ao em canais de sistemas de comunica¸c˜ao sem fios existente nos m´etodos de modula¸c˜ao e classific´a-los de acordo com a modula¸c˜ao aproximada, anal´ıtico e emp´ırico. Nesta pesquisa s˜ao descritos, modelos anal´ıticos que podem ser usados para um c´alculo estat´ıstico do BER na camada f´ısica e a aproxima¸c˜ao do erro para camadas superiores. E necess´´ ario modelar as redes sem fios de um modo constante juntamente com os modelos anal´ıticos por forma a obter resultados mais consistentes quando se est´a a lidar com parˆametros de canal reais. No entanto os resultados dos modelos anal´ıticos podem n˜ao ser exactos devido a erros de aproxima¸c˜ao e simplifica¸c˜ao de caracter´ısticas ambientais ou devido a algoritmos ineficientes. Os modelos de propaga¸c˜ao para canais de comunica¸c˜ao sem fios s˜ao usados para definir a propaga¸c˜ao do path loss (por exemplo, modelo Lee). Os engenheiros usam uma estimativa precisa do path loss para ajudar a seleccionar os locais das Esta¸c˜oes Base e determinar um plano de frequˆencias. A potˆencia do sinal pode ser derivado do resultado da estimativa do path loss. No entanto, num sistema o desempenho do erro

(tipicamente medido por SNR) n˜ao s´o depende da potˆencia do sinal desejado, mas tamb´em depende da potˆencia do ru´ıdo.

ATENUAC¸ ˜AO MULTIPATH As ondas electromagn´eticas reflectidas ou difractadas podem resultar na transmiss˜ao do sinal sobre multi- paths do transmissor para o receptor. A propaga¸c˜ao multipath pode causar flutua¸c˜oes na amplitude do sinal recebido, fase e ˆangulo o que origina em multipath atenuado. Existem trˆes tipois principais de propaga¸c˜ao: Refrac¸c˜ao, pode interferir com o receptor de uma forma construtiva ou destrutiva. Acontece quando uma onda electromagn´etica encontra uma superf´ıcie lisa com dimens˜oes muito grandes quando comparado ao comprimento de onda transmitida. Difrac¸c˜ao,acontece quando o path da onda electromagn´etica est´a obstru´ıdo por um corpo impenetr´avel de dimens˜oes grandes quando comparado ao comprimento de onda do sinal RF. Isto causa ondas secund´arias formadas atr´as do corpo, sem qualquer caminho de LOS entre as ondas secund´arias. Dispers˜ao,acontece quando o canal de transmiss˜ao cont´em objectos de dimens˜oes que est˜ao na ordem (ou menos) do comprimento da onda electromagn´etica, causando energia de uma transmiss˜ao a ser radiada em muitas direc¸c˜oes diferentes. Em ambientes urbanos, existem objectos t´ıpicos que causam dispers˜ao como, postes de ilumina¸c˜ao, sinais de rua e folhagem. Os trˆes mecanismos anteriores de propaga¸c˜ao definem a potˆencia do sinal recebido de modos diferentes. Na ausˆencia de um LOS entre o transmissor e o receptor, a difrac¸c˜ao e a dispers˜ao tornam-se factores domi- nantes na propaga¸c˜ao. Caso contr´ario, a difrac¸c˜ao e a dispers˜ao n˜ao s˜ao factores dominantes. Tipicamente, o sinal recebido ´e uma soma dos componentes que surgem dos anteriores trˆes fen´omenos.

ATENUAC¸ ˜AO EM GRANDE ESCALA E ATENUAC¸ ˜AO EM PEQUENA ESCALA Baseado na distˆancia sobre o qual um m´ovel se movimenta, h´a dois tipos de efeitos diferentes de atenua¸c˜ao: atenua¸c˜ao ampla e atenua¸c˜ao em pequena escala. Se o m´ovel movimenta-se longe do transmissor a uma distˆancia grande, o sinal recebido ter´a varia¸c˜ao ampla consider´avel. Atenua¸c˜ao ampla representa a atenua¸c˜ao da potˆencia do sinal devido ao movimento em ´areas grandes. Atenua¸c˜ao em pequena escala recorre `as mudan¸cas dram´aticas do sinal em amplitude e fase que podem ser experimentadas como resul- tado de pequenas trocas na distˆancia entre o transmissor e o receptor.

DIFERENTES TIPOS DE MODELOS DE ATENUAC¸ ˜AO DE NOS CANAIS Multipath atenuado surge fortuitamente da combina¸c˜ao construtiva e destrutiva duma refrac¸c˜ao atrasada, espalhamento e componentes de sinal difractados. Baseado na natureza do ambiente de propaga¸c˜ao das ondas r´adio, os diferentes modelos matem´aticos existem para descrever o comportamento estat´ıstico do multipath que enfraquece a encolvente.

  • A distribui¸c˜ao de Rayleigh ´e usado para modelar o ambiente de propaga¸c˜ao onde a antena m´ovel recebe um n´umero grande de refrac¸c˜oes e espalhamento de ondas.
  • A distribui¸c˜ao de Nakagami-q ´e observada tipicamente em liga¸c˜oes de sat´elite sujeitadas a cintila¸c˜ao forte da ionosfera.
  • A distribui¸c˜ao de Nakagami-n, conhecido como a distribui¸c˜ao de Rice, usa um modelo de ambiente de atenua¸c˜ao de canais semelhante a Rayleigh, a n˜ao ser que em jogo as ondas reflectidas e dispersadas sejam dominadas por uma componente forte.
  • A distribui¸c˜ao de Nakagami-m pode ser usada para modelar condi¸c˜oes de desvanecimento do canal que s˜ao mais severas que a distribui¸c˜ao de Rayleigh. Nos sistemas m´oveis terrestres e sat´elite, a qualidade de liga¸c˜ao tamb´em ´e afectada pela varia¸c˜ao lenta do n´ıvel do mau sinal, resultando dos efeitos de sombra do terreno, edif´ıcios, e ´arvores e podem ser mode- lados geralmente por uma distribui¸c˜ao normal para v´arios ambientes ao ar livre e em recinto fechado.

MODELOS DO ERRO DE ATENUAC¸ ˜AO EM CANAIS Os modelos de erro podem ser classificados em dois grupos: modelos anal´ıticos e modelos emp´ıricos basea- dos na distribui¸c˜ao.

MODELOS ANAL´ITICOS Os erros que acontecem em canais de redes sem fios s˜ao devido a diversidade das liga¸c˜oes sem fios e aos meios f´ısicos adversos. Como resultado, ´e dif´ıcil de generalizar os resultados matem´aticos de um dom´ınio espec´ıfico para outro. Ent˜ao, os modelos anal´ıticos s˜ao altamente dependentes na caracteriza¸c˜ao do erro de ambientes, da atenua¸c˜ao em canais. Um m´etodo tradicional usado para caracterizar erros do canala camada f´ısica ´e o BER. Isto d´a origem ao primeiro tipo de m´etodo de modela¸c˜ao anal´ıtico. E esperado que as comunica¸´ c˜oes futuras sem fios incluam imagem, v´ıdeo, e aplica¸c˜oes de dados, adequando,