Transcript
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. ´ um desafio para protocolos de redes sem fios considerarem um grande n´ E 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 comportase 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 ´ tamb´em assumido que a atmosfera ´e perfeitamente uniforme e n˜ao absorvente. No radiofrequˆencia. E 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 u ´til 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 ´ desej´ rede e os investigadores de algoritmos est˜ ao interessados em blocos de erros (erros de pacote). E 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. ´ objectivo deste artigo pesquisar o erro na atenua¸c˜ao em canais de sistemas de comunica¸c˜ao sem fios E 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 ´ necess´ario modelar as redes do BER na camada f´ısica e a aproxima¸c˜ ao do erro para camadas superiores. E 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 1
(tipicamente medido por SNR) n˜ ao s´ o depende da potˆencia do sinal desejado, mas tamb´em depende da potˆencia do ru´ıdo. ˜ MULTIPATH ATENUAC ¸ AO As ondas electromagn´eticas reflectidas ou difractadas podem resultar na transmiss˜ao do sinal sobre multipaths do transmissor para o receptor. A propaga¸c˜ao multipath pode causar flutua¸c˜oes na amplitude do sinal recebido, fase e ˆ angulo 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 dominantes 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. ˜ EM GRANDE ESCALA E ATENUAC ˜ EM PEQUENA ESCALA ATENUAC ¸ AO ¸ AO Baseado na distˆ ancia 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 distˆ ancia 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 resultado de pequenas trocas na distˆ ancia entre o transmissor e o receptor. ˜ DE NOS CANAIS DIFERENTES TIPOS DE MODELOS DE ATENUAC ¸ AO 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 modelados geralmente por uma distribui¸c˜ ao normal para v´arios ambientes ao ar livre e em recinto fechado. ˜ EM CANAIS MODELOS DO ERRO DE ATENUAC ¸ AO Os modelos de erro podem ser classificados em dois grupos: modelos anal´ıticos e modelos emp´ıricos baseados na distribui¸c˜ ao. ´ MODELOS ANALITICOS 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 canal ` a camada f´ısica ´e o BER. Isto d´ a origem ao primeiro tipo de m´etodo de modela¸c˜ao anal´ıtico. ´ esperado que as comunica¸c˜ E oes futuras sem fios incluam imagem, v´ıdeo, e aplica¸c˜oes de dados, adequando,
2
algoritmos de codifica¸c˜ ao da camada superior para transmiss˜oes de multim´edia que ter˜ao que ser projectados para superar cuidadosamente o impacto de erros em canais de redes sem fios.Neste caso, ´e importante examinar os efeitos da dinˆ amica em bloco do desvanecimento do canal de multipath, do atraso do processamento de dados e o desempenho da stack. Isto d´a origem ao segundo tipo de m´etodo de modela¸c˜ ao anal´ıtico. Physical-Layer Oriented Modeling - Este m´etodo ´e direccionado a determinar o desempenho do BER (obtido por c´ alculos estat´ısticos) dum sistema de comunica¸c˜ao sem fios sobre a atenua¸c˜ao em canais. Num canal fortuitamente atenuado, pode ser dif´ıcil de estabelecer e manter uma referˆencia coerente. Ent˜ ao, ´e mais desej´ avel um sistema n˜ ao coerente ou um sistema coerente diferencial. Higher-Layer Oriented Modeling - Modelar erros de atenua¸c˜ao para camadas superiores visa calcular a taxa m´edia do erro do bloco (taxa de erro do pacote). A cadeia de Markov assume que uma descri¸c˜ ao adequada de um sistema ´e determinada por um n´ umero finito de estados. A cada estado ´e atribu´ıdo uma probabilidade do sistema que est´ a nesse estado. O estudo de aproxima¸c˜ao de Markov para atenua¸c˜ao em canais est´ a por atr´ as do trabalho de Gilbert e Elliott. Num modelo simplificado de Gilbert, as probabilidades de erro em estados maus e bons s˜ ao 1 e 0, respectivamente. O desempenho pode ser melhorado usando duas (ou mais) antenas apropriadamente espa¸cadas sobre os canais atenuados. Um canal sim´etrico bin´ ario (BSC) com uma determinada probabilidade de crossover pode ser associado a cada estado de forma a que a qualidade do canal por cada estado possa ser identificado. O canal de Gilbert-Elliott ´e um caso especial deste tipo de canal onde as probabilidades de crossover do BSC s˜ao 0 e 0.5, respectivamente. Cada estado representa uma qualidade espec´ıfica do canal que ´e totalmente ruidosa ou silenciosa. Quando a qualidade do canal varia dramaticamente, o modelo two-state de Gilbert-Elliott n˜ ao ´e adequado. Como uma solu¸c˜ ao, um modelo de canal finite-state Markov (FSMC) ´e proposto numa extens˜ ao do modelo two-state de Markov . Dividindo a gama do SNR recebido num n´ umero finito de intervalos, o modelo de FSMC ´e constru´ıdo para atenua¸c˜ao em canais Rayleigh. A camada superior orientada a m´etodos modelados fornece directamente a probabilidades de erro do pacote sem a necessidade compreender os esquemas complexos da camada f´ısica e longos c´alculos condicionais de probabilidade. ´ MODELOS EMPIRICOS Um grande n´ umero de medidas foi administrado por companhias de telecomunica¸c˜oes, laborat´orios de pesquisa, e universidades para determinar parˆametros razo´aveis da atenua¸c˜ao em canaias (como taxas de erro) para sistemas de comunica¸c˜ ao sem fios. Estas medidas mostram que factores ambientais, como terreno, materiais de constru¸c˜ ao, velocidade de pedestres e ve´ıculos, etc., tenham um impacto directo em caracter´ısticas de propaga¸c˜ ao de r´ adio. O desenvolvimento de modelos emp´ıricos baseados na distribui¸c˜ao consiste em trˆes fases: recolha de dados, an´ alise estat´ıstica e constru¸c˜ ao do modelo e valida¸c˜ao do modelo. - Na fase de recolha de dados, ´e recolhido um n´ umero grande de dados estat´ısticos e registado por um tra¸cado de rede ou medidas para muitos cen´arios diferentes. - Os dados estat´ısticos s˜ ao em termos de interesses, como erros de pacote e s˜ao modelados na an´ alise estat´ıstica e na fase de constru¸c˜ ao do modelo. O modelo ´e constru´ıdo ajustando distribui¸c˜oes conhecidas de probabilidades a dados. - Na fase de valida¸c˜ ao do modelo, os modelos s˜ao simulados ou analisados e validados. Al´em de validar e refinar os modelos existentes, o m´etodo emp´ırico pode ser usado tamb´em para achar hip´ oteses inapropriadas que foram usados em modelos anal´ıticos no passado. Isto indica limita¸c˜oes de alguns modelos anal´ıticos extensamente usados. Para construir um modelo emp´ırico, s˜ ao necess´arios muitos recursos. Estes incluem uma comunica¸c˜ ao real transmitida em rede, equipamento de medida, dados de localiza¸c˜ao, outras ferramentas (hardware e software) e dados que processem algoritmos, que definitivamente conduz a custos elevados. SUMARIO Os modelos que foram desenvolvidos para aproximar o comportamento de perda em canais de transmiss˜ ao foram classificados em dois grupos: modelos anal´ıticos e modelos emp´ıricos baseados na distribui¸c˜ao. Desde que os erros em canais de redes sem fios sejam devido `a diversidade das liga¸c˜oes de redes sem fios e do erro do ambiente, os m´etodos anal´ıticos s˜ ao dependentes na caracteriza¸c˜ao do erro de ambientes. Apesar da camada f´ısica e a camada superior serem orientadas `a modula¸c˜ao tamb´em podem ser usadas para determinar ´ desej´avel que erros de redes o desempenho do BER e o desempenho do erro do pacote, respectivamente. E sem fios sejam modelados frequentemente. Isto ´e importante para o desenvolvimento de protocolos de rede ´ o modelo emp´ırico que tenta e algoritmos de mobilidade que tˆem de aplicar parˆametros de canal reais. E resolver este u ´ltimo problema.
3
