O que é Ec/Io (e Eb/No)?

Postado por leopedrini terça-feira, 12 de abril de 2011 09:12:00 Categories: Curso
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Se alguém te perguntar: "Qual o melhor Nível de Sinal para uma boa qualidade de chamada: -80 dbm ou -90 dBm?"

Cuidado, se você responder rapidamente, pode acabar errando. Isso porque a resposta correta é... depende! O Nível de Sinal é uma medida muito importante, e essencial para qualquer tecnologia (GSM, CDMA, UMTS, LTE, etc). Entretanto, não é a única: vamos falar hoje um pouco sobre uma outra grandeza, igualmente importante: a relação Sinal sobre Interferência.

 

 

Embora essa relação seja de fundamental importância para qualquer sistema celular, não é bem compreendida por grande parte dos profissionais da área. No lado oposto, profissionais com um bom entendimento dessa relação são capazes por exemplo, de avaliar corretamente os enlaces de RF, e também de realizar otimizações mais completas, conseguindo obter a melhor performance possível do sistema.

Então, vamos ver um pouco sobre o assunto?

 

Eb e No

Para começar, vamos definir os conceitos básicos de Eb e No. São conceitos básicos de qualquer sistema de comunicação digital, e geralmente se fala deles quando tratamos de Taxa de Erro de Bits e também Técnicas de Modulação.

De forma simples:

  • Eb: Energia de Bit.
    • É a grandeza que representa a quantidade de Energia por Bit.
  • No: Densidade de Ruído Espectral.
    • Unidade: Watts/Hz (ou mWatts/Hz)

O que nos leva à definição clássica de Eb/No:

  • Eb/No: Energia de Bit sobre a Densidade de Ruído Espectral.
    • Unidade: dB

Não ajudou em muita coisa, não é mesmo?

Não se preocupe. Realmente, apenas com a definição teórica ainda é muito complicado enxergar como essa relação é usada, ou como pode ser medida. Mas tudo bem, vamos caminhar um pouco mais.

 

Certo, então como é feita e para que serve a medida de Eb/No?

Para entender como essa relação pode ser medida, vamos imaginar um sistema de comunicação digital simples.

 

A relação Eb/No é medida no receptor, e serve para indicar o quão forte está o sinal.

Dependendo da técnica de modulação utilizada (BPSK, QPSK, etc), temos diferentes curvas de Taxa de Erro de Bit x Eb/No.

Essas curvas são usadas da seguinte forma: para uma certo de Sinal de RF, qual a taxa de erros de bits que eu terei? Essa taxa de erros de bits é aceitável pelo meu sistema?

Considerando que o Ganho que o sistema digital possui, podemos então definir um critério mínimo de relação sinal ruído, a fim de termos cada serviço (Voz/Dados) funcionando aceitavelmente.

 

Em outras palavras, podemos determinar teoricamente como será a performance do link digital.

Observação: vale a pena lembrar aqui que esse é um assunto bastante complexo. Como sempre, tentamos apresentar a você da forma mais simplificada possível, através do uso de exemplos e conceitos simples. Tudo bem?

Por exemplo, um conceito que poderia ser explorado aqui – já que estamos falando de sistema de comunicação digital - é o de Figura de Ruído. Mas não queremos repetir aqui toda a teoria explicada na Universidade. Nem era para ter mencionado a figura de ruído, mas como falamos dela, apenas entenda como um nível de ruído que todo receptor tem, e que o mesmo é decorrente do processo de amplificação e processamento do sinal.

Conceitos como esse, e outros ainda mais complexos, podem ser estudados, se você desejar. Mas agora, vamos continuar com a nossa relação Sinal Ruído.

 

Eb/No -> Ec/Io

O conceito de Eb/No se aplica a qualquer sistema de comunicação digital. Mas hoje estamos falando especificamente de Ec/Io, que é uma medida de avaliação e decisões do enlace direto do CDMA e UMTS.

Nota: Esta é uma relação Sinal-Interferência, que toda tecnologia possui. Por exemplo, no GSM, utilizamos C/I.

Como estamos falando de Códigos, fica mais fácil de entender os conceitos observando um diagrama simplificado de Modulação Spread Spectrum.

Em vermelho, temos no Transmissor um sinal de banda estreita com os dados ou voz modulados. Esse sinal é espalhado, e transmitido. E se propaga pelo meio. No Receptor, o sinal é desespalhado – usando a mesma sequência com que foi espalhado – e assim recuperamos o sinal de banda estreita.

Para prosseguir, precisaremos fazer algumas definições. Entretanto, esse ponto é bem delicado, pois entramos numa área conceitual, onde temos divergências entre autores, diferenças de traduções/países, diferenças de tecnologias onde são aplicadas, etc.

Vamos tentar definir de uma forma genérica, e apenas as principais grandezas.

  • No: Densidade de Ruído Espectral;
    • O ruído gerado pelos componentes de RF do sistema, pelo ar, entre outros.
  • Io: é a Interferência de Banda Larga;Interferentes de co-canal, incluindo o próprio setor.
  • E: é a energia (média) do sinal – não confundir com a potência (média) do sinal.
  • b, c, s...: Energia são os pontos de potência no tempo, portanto relacionada a medida ou 'tamanho' do tempo (a potência média independe deste tempo).
    • Daí que vem Eb, Ec e Es, referentes respectivamente a Bit, Chip e Symbol, em diferentes tempos.

Nota: Com essas grandezas, diversas fórmulas podem ser derivadas, com diferentes numeradores e denominadores. Por exemplo, Es = k * Eb, onde k = número de bits por símbolo. Numa modulação QPSK, onde k=2, Es=2*Eb. E as derivações de fórmulas podem chegar a equações muito mais complexas, por exemplo como as definições de capacidade de um canal AWGN, e ainda deduções de equivalências (Ec/No, Eb/Nt, etc...). Mais uma vez, não é nosso objetivo aqui hoje. Estamos apenas mencionando alguns conceitos envolvidos, relacionados.

Então voltemos ao nível prático – lembrando que o aprofundamento teórico pode ser feito mais facilmente posteriormente, após os conceitos básicos serem entendidos.

Assim, vamos nos manter hoje aqui nas grandezas mais comuns: Eb/No e Ec/Io.

Como já definimos Eb/No é a Energia Média de um sinal de Bit, sobre a Densidade de Ruído Espectral. É um parâmetro principalmente relacionado ao fabricante para diferentes bearers (baseado no modelo do canal). Mas também pode variar de acordo com o ambiente (urbano, rural, suburbano), velocidade, diversidade, utilização de controle de potência, tipo de aplicação, etc.

E agora podemos começar a definir Ec/Io: uma das mais importantes em sistemas CDMA e UMTS.

Nota: Uma observação importante é que muitas vezes quando nos referimos a Ec/Io, na verdade estamos nos referindo a Ec/(Io+No). O que acontece é que para efeitos práticos, temos apenas Ec/Io, isto porque a interferência é muito mais forte, e o ruído pode ser desprezado. De outra forma: para o CDMA a interferência é como um ruído, então ambos podem ser considerados a mesma coisa.

Tudo bem, vamos parar com as introduções e conceitos, e falar um pouco dos valores desses indicadores, e sua utilização na prática.

 

Eb/No Positiva e Ec/Io Negativa?

Em termos de valores, e falando de forma logarítma, se qualquer relação for menor que 1, então o valor é negativo. Se for maior que 1, positivo.

Temos Ec/Io no ar, onde todo o espectro é espalhado: então temos valor negativo para a relação energia sobre o ruído total (a energia é mais baixa que a Interferência Total). É medido na ENTRADA do receptor (NodeB, EU, etc...).

Já em relação a Eb/No, encontra-se na banda base após o desespalhamento e para apenas 1 usuário decodificado – então temos um valor positivo da energia sobre o ruído total. É medida na SAÍDA do receptor (NodeB, EU, etc...).

 

Porque devemos utilizar Ec/Io?

Uma pergunta mais natural seria: porque não podemos simplesmente utilizar o Nível de Sinal medido pelo móvel como guia para operações como Handover?

A resposta é simples: a medida do Nível de Sinal do móvel corresponde a Potência de RF Total medida de Todos os setores que o móvel enxerga.

Então, precisamos de uma outra medida simples e rápida que nos permita avaliar a contribuição de cada setor individualmente.

Para isso utilizamos a medida do sinal do canal piloto de cada setor para avaliar a qualidade: se o nível do piloto está bom, então também estão bons os níveis dos canais de tráfego para nossa chamada nesse setor. Da mesma forma, se o canal piloto está degradado, assim estarão os demais canais (incluindo os de tráfego) também estão, e é melhor evitar usar canais de tráfego desse setor.

Em sistemas CDMA e UMTS, temos um canal piloto, alguns outros canais de controle como paging, e os canais de tráfego.

O Ec/Io varia de acordo com diversos fatores, como a Carga de Tráfego e o Cenário de RF.

É claro que o Ec/Io final é a composição de todos esses fatores ao mesmo tempo (Composite Ec/Io), mas para ficar mais fácil de entender, vamos falar de cada um separadamente.

 

Variação do Ec/Io de acordo com a Carga de Trafégo do Setor

Cada setor transmite uma certa potência. Vamos supor no nosso exemplo uma potência de canal piloto fixa de 2 W, e uma potência dos outros canais de controle também fixa de 2 W.

Para ficar mais fácil de entender, vamos calcular o Ec/Io (potência do canal piloto sobre a potência total) deste setor numa situação em que não temos nenhum canal de tráfego ocupado ( 0 W).

 

Assim, temos:

Ec = 2 W

Io = 2 + 2 + 0 = 4 W

Ec/Io = (2/4)= 0.5 = -3 dB

Agora, vamos supor que vários canais de tráfego foram ocupados (por exemplo utilizamos 6 W em canais de tráfego). Esta é uma situação de carga de tráfego, vamos ver como fica o Ec/Io.

 

Ec = 2 W

Io = 2 + 2 + 6 = 10 W

Ec/Io = (2/10) = 0.2 = -7 dB

Conclusão: a medida que a carga de tráfego do setor aumenta, o Ec/Io piora.

 

Variação do Ec/Io de acordo com o Cenário de RF

De acordo com o Cenário de RF – um único setor servidor, alguns setores ou muitos setores servidores – podemos também ter diferentes medidas de Ec/Io.

Considerando primeiramente uma situação sem interferência externa, com apenas um setor servidor (dominante), a relação Ec/Io é praticamente a mesma inicialmente transmitida.

 

Ec/Io = (2/8)= 0.25 = -6 dB

Considerando um sinal deste setor chegando no móvel com nível de -90 dBm (Io = -90 dBm), temos Ec = -90 dBm +(– 6 db) = -96 dBm.

Vamos considerar agora uma outra situação. Ao invés de 1, temos sinal de 5 setores chegando no móvel (para simplificar, todos com o mesmo nível de -90 dBm).

 

Veja que agora temos Io = -83 dBm (que é a soma dos 5 sinais de -90 dBm). E a energia do nosso canal piloto continua a mesma (Ec = -96 dBm).

Assim: Ec/Io = -96 – (-83) = -13 dB

Conclusão: a medida que muitos setores atendem o móvel, o Ec/Io piora.

 

Essa situação onde temos muitos setores se sobrepondo, e com o mesmo nível de sinal é conhecida como Poluição de Piloto – o móvel enxerga todos eles de uma vez – cada um atuando como interferente do outro.

A solução nesses casos é eliminar os sinais indesejados, retirando através de parâmetros de potência ou ajustes físicos (tilt, azimute), deixando apenas como dominantes os sinais que deveriam atender este local problemático.

 

Certo, e quais são os valores típicos?

Já vimos que para sistemas CDMA e UMTS a medida de Ec/Io que é muito importante nas análises, principalmente nas decisões de handover.

E também já entendemos a medida Ec/Io como a relação da energia 'boa' sobre a 'ruim', ou a 'clareza' do sinal.

Mas quais os valores práticos?

O valor de Ec/Io flutua (varia), assim como todo sinal wireless. Se o valor começa a ficar muito baixo, você começa a ter quedas de chamadas, ou não conseguir conectar. Mas qual é então um bom range de Ec/Io para um sinal?

Em termos práticos, valores de Ec/Io para uma boa avaliação da rede (em termos desse indicador) são mostrados no diagrama abaixo.

Um Ec/Io composto ~ - 10 db é um valor razoável para considerarmos como bom.

Observação: veja que estamos falando de valores negativos, e considerando-os 'bons'. Em outras palavras, estamos dizendo que a Energia está abaixo do Nível de Ruído (e mesmo assim temos uma situação boa).

Mas isso é característica do próprio sistema, e o Ec/Io 'mais negativo' ou 'menos negativo' é que vai permitir a avaliação da comunicação.

Em situações onde Ec/Io é muito baixo (alto número negativo), e o nível de sinal também (também alto número negativo), preocupe-se primeiro em melhorar o nível de sinal fraco.

Uma outra situação típica: se a medida de Ec/Io é muito baixa, mesmo que você tenha um bom Nível de Sinal, você pode não conseguir conectar, ou a chamada vai cair constantemente.

Espero que você tenha conseguido entender como o Ec/Io é importante para os sistema CDMA e UMTS. Perceba entretanto, que esse assunto é bem mais complexo, e leituras complementares de livros e Internet podem ajudar ainda mais você a se tornar um expert no assunto.

De qualquer forma, o conteúdo apresentado serve como excelente referência, principalmente se você ainda não está familiarizado com o conceito de Sinal sobre Ruído.

 

 

E a Relação Sinal Ruído para outras Tecnologias?

A relação Ec/Io é a mais usada para avaliar condição de energia sobre interferência, porém só se aplica em tecnologias que utilizam Códigos (Ec).

Mas os conceitos entendidos aqui para CDMA e WCDMA são bem parecidos – se aplicam - ema qualquer tecnologia, por exemplo GSM, onde utilizamos a relação C/I.

De qualquer forma, esse é assunto para um outro tutorial, hoje vimos Ec/Io.

 

Conclusão

Hoje tivemos uma breve introdução sobre a relação Ec/Io, uma medida de avaliação e decisões do CDMA e UMTS, utilizada em conjunto com o Nível de Sinal Medido.

Vimos que representa a relação da Energia do Sinal dentro da duração de um chip do sinal piloto, sobre a Densidade Spectral de Ruído + Interferência.

Esta é uma medida muito importante, que de certa forma ignora a força total do Sinal, e se concentra em avaliar quanto melhor o sinal do canal Piloto desejado está, em relação ao ruído que interfere com o mesmo.

Voltando a nossa pergunta inicial: Um nível de sinal forte não necessariamente indica um Ec/Io forte: depende do nível de interferência.