Eficiência energética e espectral em sistemas de comunicação sem fio: diversidade cooperativa, espacial e em frequência. - Castro e Souza, Alvaro Ricieri (2018)
Sistemas modernos de comunicação móvel sem fio, como os de quarta geração (4G), têm como principais metas prover elevada capacidade e alta qualidade de serviço (QoS) para os usuários. Para prover tal aumento de capacidade e QoS, sistemas 4G empregam diversas técnicas avançadas de transmissão e maior largura de banda, combinados com algoritmos de alocação de recursos que possam explorar de maneira eficiente tais técnicas, como por exemplo aproveitando as dimensões de diversidade do sistema. Em geral, porém, é necessário também aumentar a potência de transmissão para se atingir o ganho de capacidade desejado, o que implica maior custo para os provedores de serviço, menor tempo de vida para os dispositivos móveis e impacto ambiental cada vez mais pronunciado. Dado que a expectativa é que o número de usuários e a necessidade de dados continuem crescendo rapidamente, torna-se evidente a importância de analisar a relação entre capacidade e potência dispendida pelo sistema. Essa relação pode ser vista através da métrica de eficiência energética (EE), que é dada pela razão entre o número de bits efetivamente recebidos e a energia consumida no processo, revelando quão eficientemente o sistema transforma a energia consumida em informação efetivamente recuperada no receptor. Um sistema otimizado em relação à EE é capaz de transmitir mais informação por unidade de energia consumida, resultando em utilização mais racional e eficiente dos escassos recursos energéticos. Uma segunda questão acerca das metas é em relação à distribuição dos ganhos de capacidade/ QoS pela célula, i.e., quais usuários serão capazes de usufruir da maior capacidade e QoS. Em ambientes macrocelulares urbanos, a perda de percurso pode chegar a várias dezenas de decibéis em distâncias relativamente pequenas, além dos obstáculos naturais, como relevo, e artificiais, como prédios, o que limita ainda mais o desenvolvimento de sistemas energeticamente eficientes. Em abordagens tradicionais, tais problemas exigem a utilização de potências elevadas, em geral superiores à potência que os dispositivos podem utilizar, ou então requerem o aumento da densidade de estações rádio-base (BSs), o que geralmente resulta em custos inviáveis do ponto de vista dos operadores. Assim, busca-se em sistemas 4G emular o aumento da densidade de BSs através do conceito de redes heterogêneas, que são células com menor área de cobertura instaladas em pontos críticos de cobertura da célula original, como por exemplo a região de borda de célula, atendendo de maneira eficiente os usuários. No cenário de redes heterogêneas, um dos principais paradigmas é o conceito de redes cooperativas, no qual estações retransmissoras (RSs) reenviam o sinal recebido da estação fonte para estação destino, reduzindo a potência consumida com o canal móvel sem fio. Como utilizam conexão sem fio com a BS, as RSs podem ser instaladas em regiões com pouca infraestrutura sem a necessidade de grandes modificações, resultando em implantações bastante flexíveis. Assim, este trabalho de doutorado visa investigar estratégias de alocação de recursos baseadas no incremento da eficiência energética para sistemas celulares de quarta e quinta gerações utilizando o paradigma de redes cooperativas, determinando potencialidades e também itens que necessitam ser modificados, otimizados ou mesmo redefinidos, tendo em vista um aumento substancial da eficiência energética global da rede de comunicação sem fio. Busca-se durante o desenvolvimento do modelo de sistema capturar e quantificar as principais características de importantes sistemas celulares em uso atualmente, i.e., LTE-A e WiMAX, de modo que as decisões de design considerem os esforços de padronização, porém não se limitem a eles. Como a abordagem de alocação de recursos baseada em EE pode impactar nas métricas de desempenho do sistema, investiga-se também o compromisso entre as eficiências energética e espectral (SE), de modo que o aumento da EE não seja causado apenas pela degradação da SE e que seja possível obter maior EE para uma mesma SE e QoS.