O desafio da banda larga sem fio vem da escassez de recursos do espectro de rádio. Os órgãos reguladores em todo o mundo alocaram apenas uma quantidade limitada de espectro para uso comercial. A necessidade de acomodar um número cada vez maior de usuários e ofertas
aplicações ricas em largura de banda que utilizam um espectro limitado desafiam o projetista do sistema a buscar continuamente soluções que utilizem o espectro de forma mais eficiente. As considerações de eficiência espectral impactam muitos aspectos do projeto do sistema de banda larga sem fio.
A ferramenta mais fundamental usada para alcançar maior eficiência espectral em todo o sistema é o conceito de uma arquitetura celular, onde em vez de usar um único transmissor de alta potência para cobrir uma grande área geográfica , são usados vários transmissores de baixa potência, cada um cobrindo uma área menor, chamada célula. As próprias células são frequentemente subdivididas em alguns setores através do uso de antenas direcionais. Normalmente, um pequeno grupo de células ou setores forma um cluster, e o espectro de frequência disponível é dividido entre as células ou setores de um cluster e alocado de forma inteligente para minimizar a interferência entre si.
O padrão de alocação de frequência dentro de um cluster é então repetido em toda a área de serviço desejada e é denominado reutilização de frequência. Para maior capacidade e eficiência espectral, a reutilização de frequência deve ser maximizada. O aumento da reutilização, no entanto, leva a um maior potencial de interferência. Portanto, para facilitar uma reutilização mais rigorosa, o desafio é projetar esquemas de transmissão e recepção que possam operar sob condições de relação sinal-interferência mais ruído (SINR) mais baixas ou implementar métodos eficazes para lidar com interferências.
Uma maneira eficaz de lidar com interferências é usar o processamento de múltiplas antenas. Além de utilizar a arquitetura celular e maximizar a reutilização de frequência, diversas outras técnicas de processamento de sinal podem ser utilizadas para maximizar a eficiência espectral e, portanto, a capacidade do sistema. Muitas dessas técnicas exploram informações do canal para maximizar a capacidade.
Vamos verificar o exemplo.
Modulação e codificação adaptativa: A ideia é variar a modulação e a taxa de codificação por usuário e/ou por pacote com base nas condições SINR prevalecentes . Ao usar o mais alto nível de modulação e taxa de codificação que pode ser suportada pelo SINR, as taxas de dados do usuário – e, portanto, a capacidade – podem ser maximizadas. A modulação e a codificação adaptativas fazem parte do padrão WiMAX.
Multiplexação espacial:
A ideia por trás da multiplexação espacial é que múltiplos fluxos independentes podem ser transmitidos em paralelo através de múltiplas antenas e podem ser separados no receptor usando múltiplas cadeias de recepção através de processamento de sinal apropriado. Isto pode ser feito desde que os canais multipercurso vistos pelas várias antenas estejam suficientemente desrelacionados, como seria o caso em um ambiente rico em espalhamento.
A multiplexação espacial fornece taxa de dados e ganhos de capacidade proporcionais ao número de antenas usadas. Esta e outras técnicas multiantenas são abordadas em outra parte.
Técnicas eficientes de multiacesso: Além de garantir que cada usuário utilize o espectro da forma mais eficiente possível, métodos eficazes devem ser concebidos para compartilhar os recursos entre os múltiplos usuários de forma eficiente. Este é o desafio abordado na camada MAC do sistema. Maiores eficiências no uso do espectro podem ser alcançadas através do acoplamento de informações sobre a qualidade do canal no processo de alocação de recursos. As técnicas da camada MAC são discutidas com mais detalhes em outra parte.
Deve ser enfatizado que a capacidade e a eficiência espectral não podem ser dissociadas da necessidade de fornecer uma cobertura adequada. Se alguém estivesse preocupado apenas com alta eficiência ou capacidade espectral, uma maneira óbvia de conseguir isso seria diminuir o raio da célula ou empacotar mais estações base por unidade de área.
Obviamente, esta é uma forma cara de melhorar a capacidade. Portanto, é importante olhar para a eficiência espectral de forma mais ampla para incluir a noção de área de cobertura. O grande desafio para o projeto de sistemas sem fio de banda larga é encontrar o equilíbrio certo entre capacidade e cobertura que ofereça boa qualidade e confiabilidade a um custo razoável.