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  • TRABALHO DE GRADUAO

    CAPACIDADE DE SISTEMAS DE COMUNICAOSEM FIO COM COMPARTILHAMENTO DE ESPECTRO

    EM CENRIOS DE DESVANECIMENTO -

    Gabriel Rocha Ferreira

    Braslia, Novembro de 2012

    UNIVERSIDADE DE BRASLIA

    FACULDADE DE TECNOLOGIA

  • UNIVERSIDADE DE BRASILIAFaculdade de Tecnologia

    TRABALHO DE GRADUAO

    CAPACIDADE DE SISTEMAS DE COMUNICAOSEM FIO COM COMPARTILHAMENTO DE ESPECTRO

    EM CENRIOS DE DESVANECIMENTO -

    Gabriel Rocha Ferreira

    Relatrio submetido ao Departamento de Engenharia

    Eltrica como requisito parcial para obteno

    do grau de Engenheiro de Redes de Comunicaes

    Banca Examinadora

    Ugo Silva Dias, ENE/UnBOrientador

    Prof. Adoniran Judson de Barros Braga,ENE/UnBExaminador interno

    Prof. Leonardo Aguayo, ENE, UnBExaminador interno

  • Dedicatria

    Dedico este trabalho minha famlia e aos meus amigos, pois eles viveram e lutaramcomigo toda a jornada, desde o ingresso at a concluso do curso de engenharia.

    Gabriel Rocha Ferreira

  • Agradecimentos

    Agradeo, em especial, todo o auxlio prestado pelos amigos, que foram de extrema re-levncia pelos conselhos, exemplos, material de apoio. Tambm pelas longas horas deconversas e reflexes sobre os mais variados temas. So eles: Fbio von Glehn Pereira,Pabblo Cardelino Ghobad e Rafael Braz Rebouas Loureno.Deixo aqui tambm toda a gratido ao meu orientador, Ugo Silva Dias, pois sem seus con-selhos, conhecimentos, dedicao e tempo investido este projeto no seria possvel. Seusamigos e colegas da Unicamp foram de extrema importncia. Agradeo a eles tambm,Elvio Leonardo e Michel Yacoub.Finalmente, agradeo aos membros da banca examinadora, Adoniran Judson de BarrosBraga e Leonardo Aguayo. O empenho e a dedicao de vocs foi fundamental no fe-chamento e reviso do trabalho. As observaes feitas foram de extrema importncia naelaborao de um trabalho com melhor qualidade.

    Gabriel Rocha Ferreira

  • RESUMO

    Conceitos de compartilhamento de espectro so amplamente empregados em sistemas prticoscom o objetivo de melhorar a eficincia de utilizao do espectro de rdio. Motivado por isso, umestudo de sobre a capacidade de compartilhamento de espectro em sistemas com distribuio dedesvanecimento - realizado. Mais especificamente, assumindo-se parmetros no idnticos dedesvanecimento, uma expresso geral, exata e fechada da capacidade limitada ao atraso obtida.Ainda, baseando-se na alocao de potncia relacionada capacidade de sada, uma expressogeral, exata e fechada da probabilidade mnima de sada obtida para taxas independentes eno identicamente distribudas de -, variveis aleatrias. Finalmente, uma expresso para acapacidade ergdica tambm obtida na forma fechada considerando-se uma mdia da potnciade interferncia. So gerados grficos para a investigao dos efeitos na capacidade de sistemasusando os parmetros de desvanecimento.

    ABSTRACT

    Spectrum sharing concepts have been widely employed in the design of practical systems with theaim to improve the utilization efficiency of the radio spectrum. Motivated by this, a comprehensivecapacity study of spectrum sharing systems undergoing - fading is performed in this paper. Morespecifically, assuming non-identical fading parameters, a general and exact closed-form expressionfor the delay-limited capacity is derived. In addition, based on the power allocation related tothe outage capacity, a general and exact closed-form expression for the corresponding minimumoutage probability is obtained for the ratio of independent and non-identically distributed -random variables. Finally, expression for the ergodic capacity is also attained in closed-formfashion considering an average interference power constraint. Numerical plots are depicted inorder to investigate the effects of the fading parameters in the system capacity

  • SUMRIO

    1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Contextualizao ..................................................................... 11.2 Definio do problema .............................................................. 21.3 Objetivos do projeto................................................................. 21.4 Apresentao do manuscrito ...................................................... 3

    2 Reviso Bibliogrfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1 Compartilhamento do espectro................................................... 42.2 Rdio definido por software ...................................................... 42.3 Rdio cognitivo ........................................................................ 42.4 IEEE 802.22 .............................................................................. 52.4.1 Acesso dinmico ao espectro ...................................................... 52.4.2 Aspectos do sistema .................................................................. 72.4.3 Gerenciamento do espectro ....................................................... 82.5 Distribuies de desvanecimento ................................................. 8

    3 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.1 Introduo .............................................................................. 113.2 Modelo do canal - ................................................................. 123.3 Capacidade de outage .................................................................. 133.4 Capacidade limitada ao atraso.................................................... 153.5 Capacidade ergdica ................................................................. 16

    4 Resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.1 Introduo .............................................................................. 184.2 Capacidade de outage .................................................................. 184.3 Capacidade limitada ao atraso.................................................... 194.4 Capacidade ergdica ................................................................. 20

    5 Concluses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    Anexos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    ii

  • I Descrio do contedo do CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30I.1 LaTeX ..................................................................................... 30I.1.1 figs ......................................................................................... 30I.2 Prezi ....................................................................................... 30I.2.1 Data ........................................................................................ 30

  • LISTA DE FIGURAS

    1.1 Faixas de frequncia no Brasil. ....................................................................... 2

    2.1 Exemplo de um meio compartilhado com presena de rdio cognitivo. Adaptada de[1]. ........................................................................................................... 6

    2.2 IEEE 802.22 e outros padres da famlia IEEE 802. ........................................... 72.3 Distribuio de Rayleigh. .............................................................................. 92.4 Distribuio de Rice..................................................................................... 102.5 Distribuio de Nakagami. ............................................................................ 10

    3.1 Desvanecimento de curta e de larga escala do sinal entre o transmissor e o receptor[2]. 123.2 Modelo do sistema: usurio secundrio compartilha o espectro com o usurio primrio. 13

    4.1 Variaes de X na probabilidade de outage...................................................... 194.2 Variaes de Y na probabilidade de outage. ..................................................... 204.3 Variaes de X na probabilidade de outage. .................................................... 214.4 Variaes de Y na probabilidade de outage. ..................................................... 214.5 Variaes de X na capacidade limitada ao atraso.............................................. 224.6 Variaes de X na capacidade limitada ao atraso.............................................. 224.7 Variaes de na capacidade ergdica. ............................................................ 234.8 Variaes de na capacidade ergdica............................................................. 23

    5.1 Distribuio - com diferentes ajustes. ........................................................... 255.2 Intervalo de probabilidades de cada distribuio. ............................................... 26

    iv

  • LISTA DE SMBOLOS

    Smbolos Latinos

    Hz HertzW Potncia de interferncia (dB)C Capacidade (bits/s/Hz)

    Smbolos Gregos

    Razo entre a potncia total das componentes dominantes e apotncia total das componentes espalhadas

    Nmero de clusters de multipercurso Ganho

    Grupos Adimensionais

    G Giga 1.000.000.000 109

    M Mega 1.000.000 106

    Subscritos

    1 Sinal

    0 Rudo

    avg Mdia

    pk Pico

    d Limitada ao atraso

    erg Ergdica

    Sobrescritos

    Variao temporal Valor mdio

    v

  • Captulo 1

    Introduo

    Este captulo apresenta a principal motivao dotrabalho de graduao. Os objetivos so apresen-tados, visando