Quando a computação se aproxima dos limites físicos da velocidade do clock, recorremos a arquiteturas multicore. Quando as comunicações se aproximam dos limites físicos da velocidade de transmissão, recorremos a sistemas com múltiplas antenas. Quais são os benefícios que levaram cientistas e engenheiros a escolher múltiplas antenas como base para o 5G e outras comunicações sem fio? Embora a diversidade espacial tenha sido a motivação inicial para a adição de antenas em estações base, descobriu-se em meados da década de 1990 que a instalação de múltiplas antenas no lado do transmissor (Tx) e/ou receptor (Rx) abria outras possibilidades que eram imprevisíveis com sistemas de antena única. Vamos agora descrever três técnicas principais nesse contexto.
**Formação de feixe**
A formação de feixes (beamforming) é a principal tecnologia na qual se baseia a camada física das redes celulares 5G. Existem dois tipos diferentes de formação de feixes:
A formação de feixe clássica, também conhecida como formação de feixe de linha de visão (LoS) ou formação de feixe física.
A formação de feixe generalizada, também conhecida como formação de feixe sem linha de visão (NLoS) ou formação de feixe virtual.
A ideia por trás de ambos os tipos de formação de feixe é usar múltiplas antenas para aumentar a intensidade do sinal direcionado a um usuário específico, suprimindo, ao mesmo tempo, os sinais de fontes interferentes. Por analogia, os filtros digitais alteram o conteúdo do sinal no domínio da frequência, em um processo chamado filtragem espectral. De maneira semelhante, a formação de feixe altera o conteúdo do sinal no domínio espacial. É por isso que também é chamada de filtragem espacial.
A formação de feixes físicos tem uma longa história em algoritmos de processamento de sinais para sistemas de sonar e radar. Ela produz feixes reais no espaço para transmissão ou recepção e, portanto, está intimamente relacionada ao ângulo de chegada (AoA) ou ao ângulo de partida (AoD) do sinal. De forma semelhante à maneira como o OFDM cria fluxos paralelos no domínio da frequência, a formação de feixes clássica ou física cria feixes paralelos no domínio angular.
Por outro lado, em sua forma mais simples, a formação de feixe generalizada ou virtual significa transmitir (ou receber) os mesmos sinais de cada antena de transmissão (ou recepção) com ponderações de fase e ganho apropriadas, de modo que a potência do sinal seja maximizada em direção a um usuário específico. Ao contrário do direcionamento físico de um feixe em uma determinada direção, a transmissão ou recepção ocorre em todas as direções, mas a chave é adicionar construtivamente múltiplas cópias do sinal no lado da recepção para mitigar os efeitos do desvanecimento por múltiplos caminhos.
**Multiplexação Espacial**
No modo de multiplexação espacial, o fluxo de dados de entrada é dividido em múltiplos fluxos paralelos no domínio espacial, com cada fluxo sendo transmitido por diferentes cadeias de transmissão (Tx). Desde que os caminhos do canal cheguem às antenas de recepção (Rx) a partir de ângulos suficientemente diferentes, com praticamente nenhuma correlação, as técnicas de processamento digital de sinais (DSP) podem converter um meio sem fio em canais paralelos independentes. Esse modo MIMO tem sido o principal fator para o aumento de várias ordens de magnitude na taxa de dados dos sistemas sem fio modernos, uma vez que informações independentes são transmitidas simultaneamente por múltiplas antenas na mesma largura de banda. Algoritmos de detecção, como o de força zero (ZF), separam os símbolos de modulação da interferência de outras antenas.
Conforme ilustrado na figura, no WiFi MU-MIMO, múltiplos fluxos de dados são transmitidos simultaneamente para múltiplos usuários a partir de múltiplas antenas de transmissão.
**Codificação Espaço-Temporal**
Nesse modo, esquemas de codificação especiais são empregados ao longo do tempo e entre as antenas, em comparação com sistemas de antena única, para aumentar a diversidade do sinal recebido sem qualquer perda na taxa de dados no receptor. Os códigos espaço-temporais aumentam a diversidade espacial sem a necessidade de estimativa de canal no transmissor com múltiplas antenas.
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Data da publicação: 29/02/2024