A evolução da telefonia móvel com o uso das tecnologias...
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Curso de Engenharia da Computação A EVOLUÇÃO DA TELEFONIA MÓVEL COM O USO DAS TECNOLOGIAS WXAN’s Vítor Russi Itatiba – São Paulo – Brasil Novembro de 2004
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Curso de Engenharia da Computação
A EVOLUÇÃO DA TELEFONIA MÓVEL COM O USO DAS TECNOLOGIAS WXAN’s
Vítor Russi
Itatiba – São Paulo – Brasil
Novembro de 2004
Curso de Engenharia da Computação
A EVOLUÇÃO DA TELEFONIA MÓVEL COM O USO DAS TECNOLOGIAS WXAN’S
Vítor Russi
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia de Computação da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Dr Carlos Eduardo Câmara, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Câmara
Itatiba – São Paulo – Brasil
Novembro de 2004
ii
iii
A Evolução da Telefonia Móvel com o uso das Tecnologias WXAN’S
Vítor Russi
Monografia defendida e aprovada em 27 de Novembro de 2004 pela
Banca Examinadora assim constituída:
Prof Dr Carlos Eduardo Câmara (Orientador) USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof Ms Sidney Pio Campos (Membro Interno) USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof Ms Raimundo Cláudio da Silva Vasconcelos (Membro Interno) USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
"A vida é como jogar uma bola na parede:
Se for jogada uma bola azul, ela voltará azul;
Se for jogada uma bola verde, ela voltará verde;
Se a bola for jogada fraca, ela voltará fraca;
Se a bola for jogada com força, ela voltará com força.
Por isso, nunca "jogue uma bola na vida"
de forma que você não esteja pronto a recebê-la.
"A vida não dá nem empresta;
não se comove nem se apieda.
Tudo quanto ela faz é retribuir e
transferir aquilo que nós lhe oferecemos”.
Albert Einstein
iv
A Deus que me deu a oportunidade de viver e
vivenciar esses momentos que pra mim considero
como uma das melhores e que este trabalho todo
sirva para elevar minha mente em tua
contemplação
A meus pais Wilson Russi e Maria de Lourdes
Negretti Russi, que sempre estiveram ao meu
lado proporcionando amor, afeto, compreensão e
todo incentivo possível.
A minha esposa Cláudia Mara Beasin Russi, que
por longos anos vem me mostrando o lado bom
da vida, o viver! Por esses anos todos ela foi além
de esposa uma grande amiga e sem esta ilustre
pessoa não seria possível a realização deste
trabalho.
Ao meu filho (a) que está para chegar, e que
desta vida iremos desfrutar de muitas coisas
boas!
Sou eternamente grato a todos.
v
vi
.Agradecimentos
Agradeço primeiramente ao Professor Carlos Eduardo Câmara, meu orientador,
que acreditou, incentivou e foi um grande amigo para a conclusão deste trabalho.
Agradeço também ao Professor Alencar Melo Júnior, coordenador do curso, que
durante esses anos vem nos acompanhando e mostrando sempre um melhor caminho a
seguir e nos ajudando da melhor maneira possível.
Agradeço especialmente aos funcionários (as) da Biblioteca da Universidade São
Francisco que durante todo meu estudo nesta Universidade foram grandes amigos (as) e
que sempre estiveram me ajudando em todos os momentos em que precisei.
Eu agradeço a todos que contribuíram diretamente e indiretamente para a
realização deste trabalho.
vii
Sumário
Lista de Siglas .......................................................................................................................... ix
Lista de Figuras ......................................................................................................................xii
Lista de Tabelas .....................................................................................................................xiii
Lista de Tabelas .....................................................................................................................xiii
Resumo ...................................................................................................................................xiv
Abstract ..................................................................................................................................xiv
1 Introdução .......................................................................................................................... 1
2 OBJETIVO......................................................................................................................... 3
3 TELEFONIA MÓVEL...................................................................................................... 4 3.1 Telefones Móveis de 1ª Geração................................................................................... 4
3.1.1 AMPS (Advanced Mobile Phone System) .............................................................4 3.1.2 Cobertura ................................................................................................................5 3.1.3 Canais .....................................................................................................................7 3.1.4 Gerenciamento de chamadas ..................................................................................7
3.2 Telefones Móveis de 2ª Geração................................................................................... 8 3.2.1 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System).............................................9 3.2.2 GSM (Global System for Mobile Communications)............................................10 3.2.3 CDMA (Code Division Multiple Access) ............................................................16
3.3 2,5 Geração de Celulares............................................................................................. 21 3.4 3ª Geração de Telefonia Móvel................................................................................... 22 3.5 A 4ª Geração de Telefonia Móvel ............................................................................... 24
4 Redes WAN, WLAN, WPAN, WWAN e WMAN........................................................ 25 4.1 WAN ........................................................................................................................... 25 4.2 WLAN......................................................................................................................... 25
4.2.1 802.11: a pilha de protocolo .................................................................................26 4.2.2 802.11: a camada física ........................................................................................27
4.3 WPAN (Wireless Personal Área Network)................................................................. 28 4.4 WWAN........................................................................................................................ 28 4.5 WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) ........................................................ 29
4.5.1 Modulação ............................................................................................................30 4.5.2 Throughput ...........................................................................................................30 4.5.3 Escalabilidade.......................................................................................................31 4.5.4 Cobertura ..............................................................................................................31 4.5.5 Qualidade de Serviço............................................................................................31 4.5.6 Segurança .............................................................................................................31
viii
5 Conclusão.......................................................................................................................... 32 5.1 Extensões..................................................................................................................... 32
Anexo 1 – Tabelas ................................................................................................................... 33
Anexo 2 – Figuras Ilustrativas............................................................................................... 37
Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 39
Bibliografia consultada (não referenciada no texto) ........................................................... 41
ix
Lista de Siglas
AMPS Advanced Mobile Phone System
ANSI American National Standards Institute
ATM Asynchronous Transfer Mode
AUC Authentication Center
BPSK Binary Phase Shift Keying
BTS Base Transceiver Station
BSC Base Station Controller
BSS Base Station System
CCITT Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique
CDMA Code Division Multiple Access
CPE Customer Premise Equipment
D-AMPS Digital-Advanced Mobile Phone System
DS-CDMA Direct Sequence-Code Division Multiple Access
DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EFR Enhanced Full Rate
EIR Equipament Identify Register
ERB Estação Rádio Base
EV-DO Evolution-Data Only
EV-DV Evolution-Data and voice
FDD Frequency Division Duplex
FDM Frequency Division Multiple
FDMA Frequency Division Multiple Access
FHSS Frequency-Hopping Spread Spectrum
HSDPA High Speed Downlink Packet Access
FO Fiber Optic
FSK Frequency Shift Keying
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
HLR Home Location Register
HR-DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum
x
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
IF Infrared
IMEI International Mobile Station Equipment Identify
IMSI International Mobile Subscriber Identify
IMTS Improved Mobile Phone System
ISDN Integrated Services Digital Network
ISP Intermediate Service Part
ISUP Integrated Services User Part
IS-95 Interim Standard 95
IS-136 Ínterim Standard 136
ITU International Telecommunication Union
LLC Logical Link Control
MAC Medium Access Control
MAHO Mobile Assistente Handoff
MMS Multimedia Messaging Service
MAP Mobile Application Part
MS Mobile Station
MSC Mobile-Service Switching Center
MSK Minimum Shift Keying
MTP Message Transfer Part
MTSO Mobile Telephone Switching Oflice
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OMC Operational and Maintenance Center
PCM Pulse Code Modulation
PN Pseudo Noise
PPP/TCP-IP Point-to-Point Protocol/Transmission Control Protocol-Internet
Protocol
PROM Programmable ROM
PSTN Public Switching Telephone Network
QAM Quadrature Amplitude Modulation
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
ROM Read Only Memory
SCCP Signaling Connection Control Part
SIM CARD Subscriber Identify Module Card
SMS Short Message Service
SNA System Network Architecture
xi
SS#7 Signaling System #7
TCAP Transaction Capabilities Application Part
TDD Time Division Duplex
TDM Time Division Multiplex
TDMA Time Division Multiple Access
TIA Telecommunications Industry Association
TUP Telephone User Part
UIT União Internacional de Telecomunicações
UMTS Universal Mobile Telecommunication System
VLR Visitor Location Register
WCAN Wireless Campus Area Network
WCDMA Wideband CDMA
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
WWAN Wireless Wide Area Network
3GPP 3rd Generation Partnership Project
3GPP2 3rd Generation Partnership Project II
xii
Lista de Figuras
FIGURA 1: (A) AS FREQÜÊNCIAS NÃO SÃO REUTILIZADAS NAS CÉLULAS ADJACENTES. (B) MICRO-
CÉLULAS ........................................................................................................................... 5 FIGURA 2: ARQUITETURA DE REFERÊNCIA DO PADRÃO GSM..................................................... 11 FIGURA 3: INTERFACES DA ARQUITETURA DE UMA REDE GSM. ................................................. 13 FIGURA 4: DEMAIS INTERFACES. .............................................................................................. 16 FIGURA 5: UM USUÁRIO POR CANAL DE BANDA ESTREITA. ......................................................... 17 FIGURA 6: TRÊS USUÁRIOS POR CANAL DE BANDA ESTREITA. .................................................... 18 FIGURA 7: N USUÁRIOS POR BANDA ESTREITA. ......................................................................... 19 FIGURA 8: ARQUITETURA BÁSICA DE UM SISTEMA CDMA (IS-95). ............................................. 19 FIGURA 9: FONTE: INTEL. ......................................................................................................... 29 FIGURA 10: FONTE: WIMAX FÓRUM. ......................................................................................... 30
xiii
Lista de Tabelas
TABELA 1: O GSM ASSIM COMO O TDMA (IS-136) É UMA COMBINAÇÃO DE FDMA E TDMA. ..... 33 TABELA 2: AS TAXAS DE INFORMAÇÃO PARA OS CANAIS DE TRÁFEGO. ....................................... 33 TABELA 3: O CDMA UTILIZA TRÊS TIPOS DE CÓDIGOS............................................................... 33 TABELA 4: ESQUEMA DE CODIFICAÇÃO NOS DOIS SENTIDOS DO ENLACE. ................................... 33 TABELA 5: O PROTOCOLO IS-41............................................................................................... 34 TABELA 6: COMPARAÇÃO DO CDMA ENTRE AS EVOLUÇÕES. .................................................... 34 TABELA 7: EVOLUÇÃO DAS ESPECIFICAÇÕES DO IEEE PARA WMAN......................................... 34 TABELA 8: INTEROPERABILIDADE ENTRE EQUIPAMENTOS. ......................................................... 34 TABELA 9: BANDAS DE FREQÜÊNCIA PARA A TELEFONIA MÓVEL NO BRASIL. ............................... 35 TABELA 10: DADOS FORNECIDOS PELAS OPERADORAS, EXCETO TRIÂNGULO E SERCOMTEL.
(INTERNET)...................................................................................................................... 35 TABELA 11: EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA GSM. ........................................................................ 36
xiv
Resumo
A rede Wireless vem sendo a cada dia um dos assuntos mais estudados na área
das telecomunicações. Isso ocorre devido ao benefício que fornece, tanto para empresas
como para universidades etc. A telefonia móvel passou por várias gerações, e agora está
preste a mudar novamente para uma geração posterior que será a terceira geração. Para
que se tenha um bom conhecimento no que ocorre com esta geração e outras que estão por
vir, tem-se a priori que conhecer cada geração que aconteceu antes dessa.
Esta monografia tem como objetivo apresentar a evolução da telefonia móvel,
começando com a primeira geração de celular até chegar à terceira geração que ainda não
está implantada. Em seguida será feita uma apresentação das tecnologias de redes
Wireless que dará a idéia do que se espera para o futuro da telefonia e de qualquer outro
meio de comunicação existente. Esta idéia do futuro é o que alguns cientistas chamam hoje
de quarta geração de telefonia móvel, ou celular.
Abstract
Every day, the Wireless Network is being one of the most studied subjects in the
telecommunications area. That happens due to the benefit it brings for companies and
universities. The mobile telephony passed through generations, and nowadays it is about to
change again for a post generation, which will be the third generation. In order to have a
good knowledge about what happens with this generation and others to come, at first, we
should know what happened to each generation before that.
The goal of this monograph is to present the evolution of the mobile telephony,
starting with the first generation of cellular, up to the third generation, which is still not
implanted. Right after that, a presentation of the technologies of Wireless Network will be
done and that will bring the idea of what is expected for the future of telephone and other
current means of the communication. Nowadays, this idea is called the fourth generation of
mobile telephone, or cellular, by some researchers.
KEY WORDS: Mobile Telephone.
1
1 INTRODUÇÃO
A Tecnologia teve um crescimento gradativo ao longo da história, todo dia têm-se
notícias de novos produtos lançados por empresas, novas pesquisas, entre outras coisas
que muitas vezes deixam as pessoas confusas com tanta informação. Uma das áreas que
mais cresce em tecnologia é a área da comunicação digital. Esta tende a ser sempre
explorada devido aos interesses que fornece, pode-se analisar da seguinte forma: se não
houvesse comunicação, como as pessoas iriam saber da existência de determinados
produtos, ou como iriam saber o que se passa do outro lado do mundo. A comunicação
sempre foi o centro das atenções e sempre será, uma reflexão sobre o tema comunicação,
gera uma certa complexidade e uma infinita quantidade de informações que levaria a
mostrar o porquê que hoje tem-se todas essas tecnologias ou até mesmo ir um pouco mais
a fundo e enxergar a evolução do homem. É claro que esta não é a intenção deste trabalho,
importa-se aqui em compreender como funcionam as comunicações digitais, mais
especificadamente as redes de comunicação sem fio, Wireless.
O termo Wireless é basicamente a comunicação sem a utilização de fios usando
ondas de rádio, infra-vermelho (IF), laser, entre os dispositivos de comunicação (telefones,
computadores, impressoras, etc.). Hoje conhece-se muito bem o termo redes de
computadores e quase todas as pessoas sabem que entre os micros, usam-se cabos que
fazem a interligação destes equipamentos com o intuito de fazer a troca de informação ou a
“comunicação entre as máquinas”, pois bem, com a tecnologia Wireless esses
equipamentos eletrônicos torna-se desnecessário a utilização destes cabos, pois agora os
meios de comunicação utilizados são os raios infravermelhos (IR – Infrared), rádio
freqüência (RF – Radio Frequence), Laser, entre outros [Soares, 1995].
A tecnologia Wireless vem crescendo cada vez mais e tende a ser uma das áreas
mais exploradas no âmbito do avanço da tecnologia e isso tende a ocorrer devido aos
benefícios que ela proporciona. A tecnologia Wireless apesar de ainda não ser muito
conhecida por muitas pessoas, por outro lado possui uma gama muito grande de
informações envolvendo diversas áreas de estudo. A tecnologia Wireless vem
crescendo a cada dia, empresas estão aderindo cada vez mais a esta tecnologia, as
universidades, centros tecnológicos, operadoras telefônicas, centros militares entre outros
estão usando diversos equipamentos já disponíveis no mercado que não mais utilizam
cabos e sim meio de comunicação Wireless. Por outro lado, o custo de uma implantação wireless dependendo do caso ainda é muito alto, tornando-se muitas vezes inviável [Cisco
System, 2001].
2
Falando um pouco de telefonia móvel, pode-se enxergar uma tendência muito
grande de tornarem-se uma “gigante teia de aranha” onde todos ao falarem de um telefone
móvel ou ao fazer um download do celular, micro ou qualquer outro dispositivo estará ligado
nesta “grande teia”. Quer-se dizer é que a telefonia está se tornando uma rede WWAN
comum. Para que se possa entender melhor esta idéia tem-se que analisar cuidadosamente
cada detalhe da tecnologia de telefonia móvel, desde sua criação, passando pelas
tecnologias que são apresentadas hoje, depois conhecer um pouco do funcionamento das
redes de computadores para que se possa fazer então, uma concatenação entre essas
tecnologias que serão apresentadas a fim de entender um pouco o que se espera do futuro.
3
2 OBJETIVO
O objetivo será a análise das tecnologias de telefonia móvel passando pelas
tecnologias de 1ª Geração, 2ª Geração, 2ª ½ Geração, 3ª Geração e falar um pouco do que
será a 4ª geração de celulares. Esta análise tende a ser bem estruturada de forma a sanar
eventuais dúvidas de funcionamento da telefonia móvel. Após esta primeira etapa, será
apresentada a tecnologia WXAN’s (WAN, WLAN, WPAN, WWAN e WMAN) de forma a
explanar este conhecimento para que possa então fazer uma análise com as tecnologias
que estão surgindo de telefonia móvel a fim de finalizar o trabalho com a apresentação da
idéia da telefonia móvel como se fosse uma rede de dados tal como é conhecida
atualmente, como por exemplo, uma rede WLAN.
4
3 TELEFONIA MÓVEL
O sistema de telefonia atual por mais que chegue a vários Gbps (Giga bits/s) entre
as extremidades de uma FO (Fibra óptica) não conseguirá satisfazer um grupo crescente
de usuários, isso porque a demanda exige que a telefonia seja flexível, ou seja, que
possibilite que novos usuários possam entrar na “rede” sem a necessidade de esperar por
passagem de cabos ou qualquer outro meio físico [Cisco System, 2001].
A telefonia móvel passou por várias gerações e a mais recente é a quarta geração
que ainda está em discussão sobre sua implementação. A primeira geração de celulares se
baseia na tecnologia analógica de voz, a segunda em voz digital e a terceira geração em
voz digital e dados (e-mail, Internet, multimídia, áudio e vídeo).
3.1 Telefones Móveis de 1ª Geração
No sistema de telefonia móvel da 1ª G, os rádios-telefone foram os primeiros a
serem usados, durante a primeira década do século XX. Na época foi criado um sistema de
telefonia chamado Push-to-Talk que possuía um canal único de comunicação simplex.
Em 1960 foi instalado um sistema chamado IMTS (Improved Mobile Telephone
System) que utilizava um transmissor de alta potência e com duas freqüências (RX e TX),
que seria basicamente um canal para transmissão e outro para recepção do sinal. Este
sistema apresentava algumas limitações tanto na parte dos canais como no que diz respeito
aos usuários que às vezes tinham que esperar tom de discagem devido à limitação de
canais existentes. Estes canais trabalhavam na faixa de 150 a 450MHz. Uma outra
desvantagem muito grande deste sistema e que depois faremos uma analogia com o
sistema atual é que os sistemas adjacentes tinham de estar kilômetros de distância devido à
alta potência do transmissor o que tornou o sistema impraticável devido a sua capacidade
limitada [Tanembaum, 2003].
3.1.1 AMPS (Advanced Mobile Phone System)
Este sistema de telefonia criado pela Bell Labs e que foi instalado primeiro nos
Estados Unidos em 1982, na Inglaterra recebeu o nome de TACS e no Japão onde recebeu
o nome de MCS-L1. Foi o sistema que passou a revolucionar a tecnologia de telefonia
celular. Em todos os sistemas de telefonia móvel, uma região geográfica é dividida em
células. Estas células possuem em seu centro uma Estação Radio Base (ERB) que recebe
um número de canais diferentes das demais vizinhas que são distribuídos entre os celulares
dos diversos assinantes. No sistema AMPS as células tinham em média um diâmetro de 10
a 20 km de tamanho. Cada célula trabalhava com uma determinada freqüência diferente das
demais células vizinhas. Um sistema IMTS com alcance de 100 km pode ter uma chamada
a cada freqüência enquanto que num sistema AMPS pode ter 100 células de 10km na
mesma região e é capaz de sintonizar 5 a 10 chamadas a cada freqüência. Quanto menor
for o tamanho da célula menor é a necessidade de energia o que implica em dispositivos
(celulares) cada vez menores e mais econômicos e, segundo a Organização Mundial de
Saúde, menos nocivos.
3.1.2 Cobertura
A idéia de reutilização de freqüência é ilustrada pela figura 1a onde em geral as
células são representadas pela forma geométrica hexagonal que possui a geometria ideal
para sistemas celulares. Analisaremos abaixo uma analogia entre células quadradas e
hexagonais:
Figura 1: (a) As freqüências não são reutilizadas nas células adjacentes. (b) Micro-células
(a) (b)
• Se a largura de uma célula quadrada é d, então a célula tem quatro vizinhos a
uma distância √2d. Como o usuário móvel dentro de uma célula se orienta
aos limites da célula, é trivial que todas as antenas adjacentes estejam
eqüidistantes. Com isso, simplifica a tarefa de determinar quem troca o
usuário para uma antena adjacente e qual antena escolher.
Os Padrões hexagonais provêem antenas eqüidistantes e o raio de um hexágono é
definido como sendo o raio do circulo que o circunscreve, equivalentemente à distância do
centro de cada vértice. Para o raio da célula R, à distância entre o centro da célula e cada
centro adjacente é de √3R. Na prática um hexágono de padrão preciso não é usado. Há
algumas limitações devido ás regiões topográficas e condições de propagação de sinais
[Stallings, 2001].
5
6
Todas as células possuem o mesmo tamanho e são agrupadas em unidades de
sete células. Cada letra indica um grupo de freqüências e para cada conjunto de
freqüências, existe um buffer de aproximadamente duas células de extensão, no qual esta
freqüência não pode ser reutilizada, proporcionando assim boa separação e sujeita a pouca
interferência. As ERBs necessitam estar em lugares altos, como picos ou cumes das
montanhas onde sua transmissão possa atingir um maior alcance sem que aconteça
interferência causada por outras montanhas maiores [Tanembaum, 2003].
As células sobrecarregadas pelo grande número de usuários podem ser divididas
em células menores, estas células menores recebem o nome de Micro-células (figura 1b),
diminuindo assim a potência, nas novas células e permitindo maior reutilização de
freqüência [Stallings, 2001].
Algumas empresas de telefonia móvel criam micro-células temporárias utilizando
torres portáteis com enlace de satélite para atender à demanda de eventos esportivos,
consertos entre outros.
A ERB é quem recebe as transmissões de todos os telefones presentes na célula.
Esta ERB consiste em um computador e um transmissor/receptor conectados a uma antena.
Em sistemas de pequeno porte as ERB estão conectadas a um único dispositivo chamado
MTSO (Mobile Telephone Switching Oflice) ou MSC (Mobile Switching Center). Em
sistemas maiores, podem ser necessárias diversas MTSO, todas conectadas a uma MTSO
de segundo nível e assim por diante. Basicamente estas MTSO são estações finais
semelhantes ao dos sistemas telefônicos convencionais. As MTSO se comunicam com as
ERB, entre si e com as PSTN (Public Switching Telephone Network), usando uma rede
de comutação por pacotes [Faruque, 1996].
Cada telefone móvel ocupa logicamente uma única célula específica que está sob o
controle desta célula. Quando um telefone móvel deixa fisicamente uma célula, sua ERB
detecta que o sinal de seu telefone móvel está enfraquecendo e questiona todas as ERB
vizinhas quanto à quantidade de sinal que estão recebendo deste celular e em seguida a
ERB faz a transferência para a célula que está obtendo um sinal mais forte e o celular passa
então a fazer parte de uma nova célula. O telefone celular é informado quem é seu novo
chefe e caso haja uma chamada em andamento, ele será solicitado a passar para outro
canal, pois o canal anterior não é reutilizado em nenhuma célula adjacente. Este processo é
conhecido como Handoff e leva cerca de 300ms. A MTSO é quem realiza a distribuição dos
canais para os celulares enquanto que as ERB são apenas retransmissões de rádios
[Tanembaum, 2003].
Existem dois modos para a realização de handoff: o SoftHandoff e o HardHandoff [Stallings, 2001]. Em um Softhandoff, o sinal do telefone é adquirido pela nova ERB antes da
anterior se desconectar, isso garante que o usuário não perca sua comunicação durante
7
esta troca de ERB. Porém para que isso ocorra o celular têm de ser capaz de sintonizar dois
canais (freqüências) ao mesmo tempo. Nem os dispositivos de primeira nem os de segunda
geração podem fazer isso. Em um Hardhandoff, a ERB libera o sinal do telefone antes
mesmo que seja adquirido pela nova ERB e caso a nova não seja capaz de adquirir este
novo celular (por exemplo, porque não existe nenhuma freqüência disponível) a
comunicação do usuário é interrompida abruptamente fazendo com que o usuário perceba o
acontecimento.
3.1.3 Canais
O sistema AMPS utiliza 832 canais full-duplex, cada canal é constituído de um par
de canais simplex. Existem 832 canais de transmissão simplex de 824 a 849 MHz e 832
canais de recepção simplex de 869 a 894 MHz. Cada um dos canais possui 30 kHz de
largura. Os AMPS utilizam FDM (Frequency Division Multiplexing) para separar os canais
[Tanembaum, 2003].
Na faixa dos 800 MHz, as ondas de rádio têm cerca de 40 cm de comprimento e
trafegam em linha reta. Um sinal enviado por um telefone móvel pode alcançar a ERB pelo
caminho direto ou pode chegar “mais tarde” devido a um atraso de propagação da onda que
pode causar um efeito de eco ou de distorção do sinal.
Os 832 canais estão divididos em quatro categorias:
1 – Controle (da base para a unidade móvel) para gerenciar o sistema.
2 – Localização (da base para a unidade móvel) para alertar os
usuários móveis de chamadas destinadas a eles.
3 – Acesso (bidirecional) para configuração de chamadas e atribuição
de canais.
4 – Dados (bidirecional) para voz, fax ou dados.
Vinte e um desses canais são reservados para controle e estão conectados a uma
unidade de memória PROM em cada telefone. Como as mesmas freqüências não podem
ser reutilizadas em células vizinhas, o número real de canais de voz disponíveis por células
é bem menor que 832, são aproximadamente 45 [Tanembaum, 2003].
3.1.4 Gerenciamento de chamadas
No AMPS, cada telefone móvel tem um número de série de 32 bits e um número de
telefone de 10 dígitos em sua PROM. A definição de PROM vem de memórias ROM (Read
Only Memory), ou seja, memória somente de leitura. Uma PROM tem a possibilidade de ser
programada uma vez, tendo em vista que após esta gravação passa a ser considerada
8
como uma ROM. Essa programação é feita eletricamente, não pode ser apagada ou
reprogramada [Tocci, 1998].
O número de telefone é representado como um código de área de três dígitos em
10 bits e um número de assinante de sete dígitos em 24 bits. Quando é conectado, um
telefone varre uma lista pré-programada de 21 canais de controle até encontrar o sinal mais
forte. Em seguida, o telefone transmite seu número de série de 32 bits e o número de
telefone de 34 bits. Esse pacote é enviado várias vezes em formato digital e com um código
de correção de erros. Quando ouve a mensagem a ERB avisa a MTSO, que registra a
existência de seu novo cliente e também informa a localização atual do cliente à sua MTSO
inicial. Durante a operação normal, o telefone móvel repete o registro, em média uma vez a
cada 15 minutos.
Quando o usuário digita o número do telefone desejado e aperta a tecla send, o
telefone transmite o número a ser chamado e sua própria identidade no canal de acesso,
caso haja colisão, ele tenta novamente mais tarde. A ERB quando recebe a solicitação avisa
a MTSO, que se o chamador for um cliente da empresa MTSO (ou empresas parceiras)
então ela procura um canal disponível para efetivar a chamada solicitada pelo usuário.
Após, o número do canal é enviado de volta no canal de controle. Em seguida o telefone
móvel se conecta automaticamente ao canal de voz selecionado e aguarda até que a parte
chamada atenda ao telefone.
As chamadas recebidas funcionam de forma diferente, todos os telefones inativos
ouvem continuamente o canal de localização para detectar as mensagens destinadas a
eles. Quando é feita uma chamada para um telefone móvel (a partir de um telefone fixo ou
móvel), um pacote é enviado a MTSO local do telefone chamado, para que ele seja
localizado. Em seguida é envidado um pacote a ERB em sua célula atual, que então envia
um pacote de difusão no canal de localização com o formato: “Unidade 18, você está aí?”. O
telefone chamado responde “Sim” no canal de acesso. Depois, a base transmite algo como:
“Unidade 18, chamada para você no canal 3.” Nesse momento, o telefone chamado se
conecta ao canal 3 e começa a emitir sinais sonoros [Tanembaum, 2003].
3.2 Telefones Móveis de 2ª Geração
A segunda geração de telefonia móvel passa a ser digital, porém não havia uma
padronização mundial durante a primeira geração e também acabou não havendo na
segunda. Na 2ª G quatro sistemas passaram a ser usado, que são: D-AMPS, GSM, CDMA e
PDC.
O PDC (Pacific Digital Cellular) seria um D-AMPS modificado (Digital TDMA) que
somente era utilizado no Japão para manter compatibilidade com o sistema que possuíam
9
de 1ª G que era analógico. O sistema PCS (Personal Communications Services) representava telefones celulares que emprega a banda de 1.900MHz, porém é uma
distinção rara nos dias atuais [Tanembaum, 2003].
3.2.1 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System)
O D-AMPS é a geração digital dos AMPS descrito pelo padrão internacional IS-136,
bem como seu antecessor que era descrito pelo padrão IS-54. O D-AMPS foi desenvolvido
para que pudesse operar simultaneamente com os AMPS numa mesma célula. O D-AMPS
utiliza os mesmos canais de 30KHz que o AMPS, e nas mesmas freqüências de modo que
um único canal possa ser analógico e os adjacentes digitais. A MTSO é quem define quais
canais serão analógicos ou digitais e ainda pode mudar dinamicamente os tipos de canais à
medida que se altera a mistura de telefones numa célula.
Uma nova banda de freqüência tornou-se disponível para lidar com o aumento
esperado da carga. Os canais de upstream estavam na faixa de 1.850 a 1.900MHz, e os
canais de downstream correspondentes estavam na faixa 1.930 a 1.990 MHz. Nesta banda
as ondas têm 16 cm de comprimento, e assim uma antena padrão de ¼ de onda tem
apenas 4 cm de comprimento, possibilitando assim em telefones com tamanho menor.
Muitos telefones D-AMPS podem usar as bandas de 850 MHz e 1.900 MHz, a fim de obter
uma faixa mais ampla de canais disponíveis.
Em um telefone móvel D-AMPS, o sinal de voz captada pelo microfone é
digitalizado e compactada levando em conta propriedades detalhadas do sistema vocal
humano para levar a largura de banda dos 56kbps padrão da codificação PCM para 8 kbps
ou menos. A compactação é feita por um circuito chamado vocoder. A fim de reduzir a
carga no enlace, a compactação é feita no próprio telefone.
Em sistemas de telefonia fixa não há vantagem alguma em se fazer à compactação
no telefone, pois a redução do tráfego no loop local não aumenta a capacidade do sistema.
Por outro lado, nos sistemas de telefonia móvel existe uma enorme vantagem em fazer a
compactação no aparelho telefônico, pois no caso do D-AMPS três usuários podem
compartilhar o mesmo par de freqüências usando TDMA (Time Division Multiple Access).
Uma diferença entre o AMPS e o D-AMPS é a forma como o handoff é tratado. No
AMPS, a MTSO administra o handoff completamente, sem ajuda dos dispositivos móveis, no
D-AMPS durante 1/3 do tempo uma unidade móvel não está transmitindo nem recebendo.
Ela utiliza estes slots ociosos para medir a qualidade da linha. Quando o aparelho móvel
detecta que o sinal está fraco avisa a MTSO, que pode então interromper a conexão; nesse
momento o celular pode tentar sintonizar um sinal mais forte de outra ERB. O D-AMPS
demora aproximadamente 300 ms para efetuar o handoff. Esta técnica é chamada MAHO
10
(Mobile Assistente Handoff – handoff com participação da unidade móvel) [Tanembaum, 2003].
3.2.2 GSM (Global System for Mobile Communications)
Usado em quase todos os lugares do mundo, o GSM é semelhante ao D-AMPS.
Nos dois sistemas são empregadas a FDM, com cada unidade móvel transmitindo em uma
freqüência e recebendo em uma freqüência mais alta (80 MHz mais alta no caso do D-
AMPS, 55 MHz mais alta no caso do GSM). Em ambos os sistemas, um único par de
freqüências e dividido pela TDM em slots (períodos) de tempo compartilhados por várias
unidades móveis. Os canais GSM são muito mais largos que os AMPS (200 KHz versus 30
KHz) e contém relativamente poucos usuários adicionais (8 versus 3), dando ao GSM uma
taxa de dados maior por usuário que o D-AMPS.
Cada canal simplex tem 200 kHz de largura e admite oito conexões separadas,
usando TDM. Cada estação atualmente ativa recebe a atribuição de um slot de tempo em
um par de canais. Teoricamente, 992 canais podem ser admitidos em cada célula, porém
muitos não estão disponíveis a fim de evitar conflitos de freqüências com células vizinhas.
Alguns canais de controle são utilizados para gerenciar o sistema.
O Canal de controle de difusão é um fluxo contínuo de saída da ERB, contendo
sua identidade e o status do canal.Todas as estações móveis monitoram o canal de forma a
saberem quando elas serão transferidas para uma nova célula.
O canal de controle dedicado é usado para atualização de local, registro e
configuração de chamadas. Cada ERB mantém uma banco de dados das estações móveis
que estão atualmente sob sua jurisdição. As informações necessárias para manter essa
banco de dados são enviadas sobre o canal de controle dedicado.
Existe ainda o canal de controle comum, que é dividido em três subcanais
lógicos. O canal de localização, que a ERB utiliza para anunciar as chamadas recebidas.
Cada estação móvel monitora continuamente esse canal para verificar se já chamadas que
ela deva responder. O canal de acesso aleatório permite aos usuários solicitarem um slot
no canal de controle dedicado. Caso duas solicitações colidam, terão que ser repetidas. A
configuração de chamadas é feita sobre o slot de controle dedicado. O slot atribuído é
anunciado no terceiro subcanal, o canal de concessão de acesso [Tanembaum, 2003].
Figura 2: Arquitetura de referência do padrão GSM.
Mobile Station (MS) ou estação móvel é o celular propriamente dito usado pelo assinante
quando carregado com o Sim Card que é um cartão inteligente ou um módulo inteligente do
assinante (Subscriber Identify Module) que sem este SIM Card a MS não pode nem
realizar ligações e muito menos receber, pois não está associada a nenhum usuário. No
Brasil o Sim Card é conhecido muitas vezes por TIMChip e OiChip, que são as operadoras
que estão provendo o padrão GSM no país, além da Claro e outras operadoras que também
utilizam o padrão europeu GSM. Em anexo, ver tabela de operadoras.
O SIM Card armazena diversas informações dentre elas um número de 15 dígitos
que identifica unicamente uma dada estação denominada IMSI (International Mobile
Subscriber Identify). Já o terminal é caracterizado por um número de 15 dígitos atribuído
pelo fabricante denominado IMEI (International Mobile Station Equipment Identify). A
BSS (Base Station System) é o sistema encarregado das comunicações com as MS. É
formada por várias BTS (Base Transceiver Station) ou ERB, que constituem uma célula, e
uma BSC (Base Station Controller) que controla estas BTS ou ERB. A MSC (Mobile-
Services Switching Center) é a central de comutação de controle, ou seja, é a responsável
pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis que estão localizadas
em uma determinada área geográfica e que estão designadas como áreas do MSC. O MSC
é encarregado de rotear chamadas para outros MSCs, é chamado de Gateway MSC. A
HLR (Home Location Register) seria o registro de assinantes locais, ou seja, é ela quem
possui a base de dados que contém as informações sobre os assinantes. Por outro lado
temos a VLR (Visitor Location Register) que é a base de dados que contém informações
sobre os assinantes em visita (roaming) a um sistema celular. O AUC (Authentication
Center) é a responsável pela autenticação dos assinantes no uso do sistema. O AUC está
associado a um HLR e armazena uma chave de identidade para cada assinante móvel
registrado naquele HLR, possibilitando a autenticação do IMSI do assinante e é também
11
12
responsável por gerar a chave para criptografar a comunicação entre MS e BTS. O EIR
(Equipament Identify Register) é a base de dados que armazena os IMEIs dos terminais
móveis de um sistema GSM. O OMC (Operational and Maintenance Center) é a entidade
funcional através da qual a operadora monitora e controla o sistema.
O padrão GSM trabalha na faixa de freqüências dos 900 MHz sendo que das
estações móveis para as ERB a faixa está entre 880 a 915 MHz e da ERB para as estações
móveis está entre 925 a 960 MHz [GSMWorld, 2004].
3.2.2.1 Canalização
Um outro aspecto na banda GSM, que é importante a análise é a modulação. As
freqüências portadoras dos canais de RF são moduladas em 0,3GMSK por um sinal digital
com taxa de 270,833kbps.
O GSM utiliza a modulação conhecida como 0,3GMSK (Gaussian Minimum Shift
Keying). O 3G descreve a banda do filtro Gaussiano pré-modulado utilizado para reduzir o
espectro do sinal modulado. O MSK (Minimum Shift Keying) é um tipo especial de FSK
(Frequency Shift Keying) onde 1’s e 0’s são representados por deslocamentos na
freqüência da portadora de RF. Quando a taxa de bits do sinal modulante é exatamente
quatro vezes o deslocamento da freqüência da portadora consegue-se minimizar o espectro
e a modulação é chamada de MSK [ Cast, 2002].
No caso do GSM a taxa de dados de 270,833 kbps foi escolhida para ser
exatamente quatro vezes o deslocamento da freqüência de RF (± 67,708 kHz). Portanto
este sinal é então dividido em 8 intervalos de tempo, possibilitando o TDMA das estações
móveis. Ver tabela 1 em anexo.
Canais Lógicos no GSM No GSM nenhum canal de RF ou time slot está designado a uma tarefa particular, a
informação do usuário (voz e dados) e os dados de controle de sinalização são transmitidos
em dois tipos básicos de canais lógicos que irão ocupar a estrutura do frame TDMA. O canal
de tráfego e o canal de controle.
Os sinais de tráfego suportam taxas de informações Full e Half, possibilitando que
um canal de RF tenha de 8 canais (Full rate) a 16 canais (half rate). O Half rate é
implementado pela ocupação alternada do mesmo slot físico por dois canais lógicos. Em
anexo ver tabela 2.
No GSM é possível encontrar 3 tipos de codificadores de voz (vocoder): o
Enhanced Full Rate (EFR) e o Full Rate com taxa de 13 kbit/s, e o Half Rate com taxa de
9,6 kbit/s [ GSM World, 2004].
Capacidade do GSM
A eficiência de utilização do Espectro, ou capacidade de um sistema GSM é maior
que a do AMPS e menor que um sistema TDMA (IS-136). Em uma Banda de 30 kHz o
AMPS tem capacidade para uma chamada telefônica e o TDMA três. Já o GSM em 200 khz
tem capacidade para oito chamadas. Em compensação por apresentar menos interferência
co-canal os sistemas GSM utilizam um reuso de freqüência de 4 por 12 enquanto no AMPS
e TDMA o normal é de 7 por 21 o que propicia uma melhor utilização do espectro por parte
do GSM.
Se o GSM utilizar um recurso, previsto nas especificações, de Frequency
Hopping é possível inclusive a utilização de esquemas de reuso de freqüências mais
eficientes. As interfaces da arquitetura de uma rede GSM foram padronizadas de modo a
permitir a interoperabilidade com outras redes, inclusive roaming internacional, e permitir a
utilização de diversos fornecedores na sua implantação.
Figura 3: Interfaces da Arquitetura de uma rede GSM.
Interface Abis entre ERB (BTS) e BSC
A interconexão entre BTS e BSC se dá através da interface padronizada Abis.
Esta interface suporta dois tipos de links: canais de tráfego a 64 kbit/s levando voz ou dados
do usuário e canais de sinalização BSC-BTS a 16 kbit/s.
Interface A entre BSC e MSC Está especificada pelas normas do GSM. A camada física é um 2 Mbit/s padrão
CCITT (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique). A CCITT foi
13
responsável pela padronização telefônica, devido uma re-organização, agora é conhecida
como ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication) [Cast,
2002].
Interfaces C, D, E, F, G.
Estas interfaces foram padronizadas pelo protocolo MAP (Mobile Application Part)
que por sua vez utiliza os serviços de transação e transferência de mensagens do Sistema
de Sinalização número 7 (SS#7).
Em um sistema de telefonia fixa é necessário que exista entre as centrais
telefônicas, além dos troncos com os canais de voz, um sistema de sinalização por onde
são trocadas mensagens de modo a se estabelecer uma chamada telefônica entre dois
assinantes. O Sistema de Sinalização número 7 é o padrão adotado pela UIT e utiliza um
canal dedicado para a comunicação. O SS#7 é um protocolo complexo cuja estrutura é
apresentada na figura a seguir.
14
O SS#7 pode ser dividido em duas partes, User
Part e MTP:
1) User Part
Que implementa funções do usuário como a
TUP e a ISUP:
TUP (Telephone User Part)
Que compreende todas as mensagens de
sinalização necessárias para que uma rede
telefônica fixa estabeleça uma chamada.
Camadas
OSI
Níveis
SS7
MAP 7
TCAP
6
5
4
ISP
ISUP4
SCCP
TUP
3 3
2 2
1 1
MTP
ISUP (Integrated services user part)
Que acrescenta ao TUP a sinalização para redes de dados comutadas a circuito como
previsto na ISDN.
15
2) MTP (Message Transfer Part)
Que é responsável pela transferência das mensagens de maneira confiável na rede de
sinalização.
Além das aplicações relacionadas ao tráfego telefônico o SS#7 estabeleceu, na
parte do usuário, camadas que possibilitam a troca de informações, entre centrais ou bases
de dados, não relacionadas ao estabelecimento de circuitos telefônicos. Visava à
implementação de serviços da rede inteligente.
Estas camadas são: SCCP (signaling Connection Control Part), ISP
(Intermediate service Part) e TCAP (Transaction capabilities application part).
A necessidade de sinalização em uma rede celular é muito maior que numa rede
fixa devido à mobilidade do usuário. Para suprir estas funções o GSM desenvolveu a
camada Mobile Application Part (MAP) que usa como suporte as várias camadas do SS#7
como o TCAP, SCCP e o MTP.
Interface entre MSC e redes de Telefonia Fixa
A interconexão entre MSC e redes fixas utiliza o Padrão SS#7 TUP ou ISUP.
Interfaces B e H
As interfaces B entre MSC e VLR e H entre HLR e AUC não estão padronizadas,
pois tratam normalmente de interfaces internas do MSC/VLR e do HLR/AUC.
As especificações do GSM procuraram de início reproduzir na rede móvel os
serviços que estariam disponíveis na rede fixa através da ISDN (Rede Digital de Serviços
Integrados) padronizada pela UIT.
A estrutura flexível dos canais físicos do GSM bem como as utilizações do
protocolo SS7 facilitaram a introdução destes serviços que foram divididos nos grupos
apresentados a seguir.
Bearer Services
Serviços de transporte de dados usados para conectar dois elementos de uma
rede como acesso o X.25 com taxas de dados de 2400 a 9600 bit/s.
Teleservices
Serviços de comunicação entre dois assinantes como telefonia, serviço de
mensagens curtas (SMS) e FAX.
Serviços Suplementares
As redes GSM suportam dezenas de serviços suplementares, tais como
identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência.
A padronização do GSM tem avançado na definição de outros serviços adicionais.
O SMS e estes outros serviços são normalmente implementados utilizando-se gateways
entre a BSC e o MSC como apresentado na figura a seguir. A comunicação com outros
elementos da Rede GSM, tais como MSC, HLR e EIR, é sempre baseada no protocolo MAP
com suporte do SS7.
Figura 4: Demais interfaces.
Serviços de Localização
Os serviços de localização padronizados para o GSM permitem estimar com
precisão a localização da estação móvel servindo de base para vários serviços oferecidos
ao assinante.
3.2.3 CDMA (Code Division Multiple Access)
O CDMA é bem diferente dos sistemas estudados anteriormente (D-AMPS e GSM),
tanto o D-AMPS como o GSM, utilizam o FDM e o TDM para dividir o espectro em canais, e
os canais em slots de tempo. Por outro lado, o CDMA (Code Division Multiple Access) é
base para a terceira geração de celulares. A família de normas da TIA IS-95 da
Telecommunications Industry Association dos Estados Unidos padronizou os sistemas
celulares digitais de segunda geração conhecidos popularmente como CDMA, ou
CDMAOne e que são baseados no padrão IS-95. Esta tecnologia foi em grande parte
desenvolvida pela empresa americana chamada Qualcomm.
O CDMA permite que cada estação transmita sobre todo o espectro de freqüências
durante todo o tempo. Várias transmissões simultâneas são separadas com o uso da teoria
de codificação. O CDMA descarta a hipótese de que cada quadro que colide são
16
adulterados devendo ser retransmitidos, em vez disso ele pressupõe que vários sinais se
somam de modo linear.
A tecnologia CDMA ganhou aceitação internacional por operadores de sistema
celulares como um avanço que pode aumentar tanto a capacidade dos sistemas quanto a
qualidade de serviço. O CDMA é uma forma de spread spectrum. O princípio de spread
spectrum é a utilização de ondas portadoras similares ao ruído e com largura de banda
muito maior do que a requerida para uma simples comunicação ponto a ponto com a mesma
taxa de dados. Este sistema gasta pouca energia, usa as freqüências disponíveis de forma
eficiente, simplifica o planejamento com um padrão de reuso de freqüências, usa um
sistema de códigos que permite receber sinal em situações adversas, impede a interferência
e o rastreamento da transmissão [RNT, 1996].
Torna-se mais fácil o entendimento do CDMA se comparado a outras tecnologias
de acesso múltiplo. A seguir os itens descrevem as diferenças fundamentais entre FDMA,
TDMA e CDMA.
Como vimos anteriormente, os sistemas AMPS e TACS FDMA (Frequency
Division Multiplexing Access). Os canais FDMA são definidos por uma faixa de freqüência
de rádio, que é usualmente expressa em kilohertz (kHz). Como citado anteriormente, os
sistemas AMPS usam fatias do espectro de 30 kHz para cada canal. O TACS tem largura de
banda de 25 kHz. No sistema FDMA apenas um assinante é designado para o canal ao
mesmo tempo, ou seja, nenhuma outra conversação pode acessar este canal corrente sem
que ocorra um término ou um Handoff para outro canal diferente do sistema.
Figura 5: Um usuário por canal de banda estreita.
Pela figura 5 podemos notar que no sistema FDMA cada usuário ocupa uma
determinada largura de banda o tempo todo, por exemplo, nos sistemas AMPS de 30kHz o
usuário ocupa este canal todo o tempo, ou seja, é um sistema que denominamos como
sendo um usuário por canal de banda estreita. Pelo mostrado na figura pode-se perceber a
presença de quatro usuários por banda, na amostragem da figura 5.
Largura de Banda: X = 30 khz (AMPS)
X = 25 khz (TACS)
17
No TDMA (Time Division Multiple Access) normalmente iniciam com uma fatia do
espectro chamada de portadora. Cada portadora é dividida em time slots. Agora no TDMA
múltiplos usuários compartilham a mesma portadora, ou seja, o mesmo canal em diferentes
intervalos de tempo.
Ao assinante é designado um time slot, o qual pode enviar e receber informações
no respectivo intervalo de tempo, independentemente de outros time slots estarem ou não
sendo usados. O fluxo de informações não é continuo no TDMA para qualquer usuário,
sendo as informações enviadas e recebidas através de rajadas, chamadas de bursts. Os
bursts por sua vez são remontados no receptor.
Canais de 30 khz para
IS-54 TDMA
Figura 6: Três usuários por canal de banda estreita.
Na figura 6, pode-se notar uma pequena e importante diferença entre o FDMA e o
TDMA, no FDMA cada usuário estaria usando um determinado canal o tempo todo sendo
liberado após um Handoff ou após o término realizado pelo usuário atual portador do canal,
para assim disponibilizar este canal para outro usuário. No caso do TDMA, cada canal
comporta três usuários que estão sendo separados por intervalos de tempo diferentes entre
eles e com isso podemos obter um maior número de usuários por célula o que viabiliza sua
aplicação em relação aos sistemas FDMA [Faruque, 1996].
O CDMA baseado no IS-95 utiliza uma técnica de acesso múltiplo por
espalhamento espectral (spread spectrum) conhecida como Seqüência Direta (Direct
Sequence), o DS-CDMA. Durante uma chamada um código binário é designado a cada
assinante. O código DS é um sinal gerado por modulação linear através de seqüências de
Ruído Pseudo-Aleatório (PN) em banda larga. Como resultado, o DS-CDMA utiliza sinais
muito mais longos dos que os utilizados nas outras tecnologias. Sinais de banda larga
reduzem interferência e permitem reuso de freqüência em cada célula. Não há divisão no
tempo, e todos os usuários usam toda a largura de banda da portadora durante todo o
tempo, sendo assim o número máximo de usuários ou de canais de tráfego efetivo, por
portadora depende da quantidade de atividade que está ocorrendo em cada canal, que é
imprecisa. É um conceito de sobrecarga suave (soft overload) quando um usuário adicional
é acomodado no sistema ao custo de um pouco mais de interferência para outros.
18
Figura 7: N usuários por banda estreita.
De forma geral o CDMA é uma tecnologia que utiliza Spread Spectrum como meio
de acesso para permitir que vários usuários compartilhem uma mesma banda de
freqüências. O CDMA possui uma arquitetura básica de telefonia celular oferecendo
funcionalidades básicas associadas à mobilidade como Roaming e Handover (Soft-
Handoff) entre células.
Figura 8: Arquitetura básica de um sistema CDMA (IS-95).
Pela figura 8 pode-se ter uma dimensão do funcionamento do sistema CDMA,
começando pelo Mobile Station sendo que cada MS está dentro de uma determinada
célula que possui em seu centro uma ERB que é controlada pela BSC (Base Station
Controller) que é uma unidade que controla um determinado número de ERBS e em alguns
sistemas celulares CDMA as funções do BSC são implementadas na CCC (Central de
Comutação e Controle) que é a responsável pelas funções de comutação e sinalização
para as estações móveis localizadas em uma área geográfica designada como a área da
CCC [Stallings, 2001].
19
20
3.2.3.1 Freqüência de operação do CDMA (MHz)
No Brasil o CDMA tem sido utilizado pelas operadoras na faixa de 800MHz na
banda A e B, sendo que da estação móvel para a ERB está na faixa de 829 a 849 MHz, e da
ERB para estação móvel está na faixa de 869 a 894 MHz. Em anexo ver a tabela 9 sobre as
bandas no país.
3.2.3.2 Canalização
As bandas do CDMA são divididas em RF, onde cada canal consiste em um par de
freqüências de 1,25MHz cada, sendo um canal para transmissão e outro para recepção.
O CDMA usa a técnica de Spread Spectrum na qual o sinal de informação é
codificado utilizando-se uma chave de código que provoca o seu espalhamento espectral
em uma banda transformando-o aparentemente em ruído. Os códigos utilizados podem ser
ortogonais (Walsh) ou PN (Pseudo-noise). Um bit deste tipo de código é conhecido como
"chip" e a taxa de bits deste código de “chip rate”. Este tipo de espalhamento espectral é
denominado espalhamento espectral por seqüência direta (Direct Sequence). Em anexo
ver tabela 3.
Na comunicação entre estação móvel e ERB utilizam-se esquemas de codificação
diferentes em cada direção do enlace. Em anexo ver tabela 4.
O IS-41 é o protocolo desenvolvido pela TIA dos Estados Unidos para implementar
a sinalização entre sistemas celulares e possibilitar o roaming ente operadoras. Ele é o
protocolo utilizado por sistemas baseados em padrões desenvolvidos pela TIA como AMPS,
TDMA (IS-136), e CDMA (IS-95).
No Brasil, as redes nacional de roaming, que possibilita o roaming automático entre
celulares das Bandas A e B, é baseada no protocolo IS-41.
O Protocolo IS-41 é dividido em duas partes: Serviços de Aplicação IS-41 e
Serviços de Transferência de Dados. Em anexo ver tabela 5.
Serviços de Transferência de Dados
O IS-41 especifica duas opções para estas camadas: Protocolo X.25 e as camadas
MTP (Message Transfer Part) e SCCP (Signaling Connection Control Part) do protocolo
SS7 padrão ANSI (American National Standards Institute ) adotado nos Estados Unidos.
21
Serviços de Aplicação
Para os serviços de aplicação foi especificada uma camada IS-41 MAP que
implementa as funções de mobilidade associadas ao roaming entre sistemas celulares. Esta
camada utiliza como suporte o TCAP (Transaction Capabilities Application Part) do
protocolo SS7 padrão ANSI (American National Standards Institute). As camadas do
modelo OSI (Open Systems Interconnection) 4, 5 e 6 são nulas.
O sistema CDMA (IS-95) oferece ainda outros recursos suplementares, como
identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência.
O SMS (Short Message Service) tem suporte do IS-41 para assinantes em
roaming.
O MMS (Multimedia Messaging Service), no qual permite os assinantes móveis
realizarem o envio de fotos, vídeos e áudio.
3.3 2,5 Geração de Celulares
Nesta parte do trabalho algumas dúvidas acabam por surgir, pois, com tanta
tecnologia, siglas entre outras coisas de telefonia móvel, acaba por deixar o leitor confuso
com tanta informação. Afinal de contas, o que caracteriza a 2,5 G de telefonia móvel?
Como pôde ser visto anteriormente, a 1ª Geração de telefonia móvel baseava-se
em sistemas analógicos (AMPS), a 2ª Geração em sistemas digitais, ou seja, em voz digital
e transferência de dados, como exemplo tem-se o GSM, CDMA IS-95 ou TDMA IS-136.
A 2,5 Geração de celular caracteriza-se em sistemas que oferecem serviço de
dados por pacote e sem a necessidade do estabelecimento de conexão, ou seja, sem
necessidade de uma chamada telefônica com taxas que podem alcançar até 144kbps. Esta
geração é o passo intermediário para a 3ª Geração de telefonia móvel. Os principais
sistemas desta geração são o GPRS e as extensões do CDMA. Em anexo ver tabela 12.
GPRS
O GPRS (General Packet Radio Service) é um serviço para comunicação de
dados que permite a estação móvel uma conexão com a Internet sem a necessidade de se
estabelecer uma chamada telefônica (always on). Este serviço pode utilizar até os 8 time
slots de um canal GSM de 200 KHz o que implica em uma taxa que teoricamente poderia
chegar a 115 kbit/s [GSMWorld, 2004].
22
EDGE
O EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) é um padrão desenvolvido
para aumentar a taxa de dados para serviços oferecidos pela rede GSM. Este aumento é
obtido pelo uso de um novo tipo de modulação 8 BPSK (Binary Phase Shift Keying) [Cast,
2002] para a portadora dos canais de RF em substituição a usada atualmente 0,3GMSK. É
possível desta forma oferecer 48 kbit/s por slot de tempo o que possibilitaria o oferecimento
de conexões IP de até 384 kbit/s. Esta solução mantém a estrutura básica de canalização
do GSM implicando na instalação de transceptores (modem) com modulação 8 BPSK para
os canais de RF dedicados a esta aplicação [GSMWorld, 2004].
Existe uma controversa sobre o EDGE ser 2,5 ou 3 geração, sabe-se no entanto
que o EDGE pode aumentar a taxa de transmissão três vezes mais com o uso de um novo
conceito de modulação.
3.4 3ª Geração de Telefonia Móvel
Na 3G também se aplica a possibilidade do celular possuir a capacidade de
transferência de dados sem a necessidade de efetuar uma chamada telefônica. A 3G
baseia-se em transferência de dados com taxas de até 2Mbps e os principais sistemas são
o WCDMA e o CDMA-2000 1X-EV. A UIT (União Internacional de Telecomunicações) denomina a 3G como IMT-2000, como sendo o nome dado para a 3G de telefonia celular. A
principal diferença entre a 2,5G e a 3G é a taxa de transmissão de dados.
WCDMA (Widband CDMA) O WCDMA ou UMTS (Universal Mobile Telecomunication System) é um padrão
para a 3G geração que mantém uma compatibilidade com os sistemas GSM/GPRS, porém
introduz um padrão de interface aérea com a estação móvel que é baseada no CDMA. Para
o WCDMA existem dois modos padronizados que são: Frequency Division Duplex (FDD) e
Time Division Duplex (TDD).
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)
A HSDPA é um recurso que faz parte das especificações do 3GPP release 5 e é
utilizado para aumentar a capacidade do WCDMA. Com a HSDPA aumenta ainda mais a
capacidade e utilização do spectro para dados em WCDMA e a tecnologia pode aumentar a
taxa de dados até uma velocidade máxima (teórica) de 14Mbps. É compatível com o EDGE
e com a WCDMA. Da mesma forma que o EDGE melhora o aproveitamento do spectro em
comparado com o GPRS, o HSDPA também aumenta a eficiência no uso do spectro em
23
relação ao WCDMA. Com o uso deste recurso que melhora a qualidade da rede celular,
novos produtos e também novos aplicativos são desenvolvidos tendo em vista que o
HSDPA, permite um maior número de usuários na rede, sendo que oferece três vezes mais
capacidade que o WCDMA. A HSDPA atualiza a WCDMA de forma a reduzir a latência da
rede, permitindo que novos aplicativos em tempo real, como vídeo streaming ao vivo, jogos
multiplayer etc, sejam desenvolvidos, pois oferecem melhores tempos de resposta.
A HSDPA utiliza um mecanismo de alocação para determinar qual usuário deve
obter recurso da rede. A HSDPA compartilha seus canais de altas velocidades entre os
usuários no domínio do tempo.
Em resumo, a HSDPA melhora a transmissão de dados e a capacidade enquanto
minimiza a latência. Para o usuário significa melhor desempenho da rede mesmo estando
em condições de tráfego pesado, desempenho mais rápido de aplicativos, maior variedade
de aplicativos e maior produtividade.
CDMA2000 O CDMA2000 foi um padrão desenvolvido a partir do IS-95, permitindo a
transferência de dados para a 3G. O CDMA 1x apresenta uma interface aérea compatível
com do padrão IS-95 com uma taxa de dados de até 144kbps. O 1x refere-se a utilização de
um canal de 1,25MHz.
O CDMA2000 possui basicamente as mesmas características que os primeiros
sistemas CDMA. No CDMA2000 a interface aérea permite uma capacidade de voz
adicional, aproximadamente duas vezes mais com relação ao CDMAOne (IS-95 A/B).
Esta evolução para serviços de 3G com taxas de dados de até 2Mbps vem
sendo padronizada pelo 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) e mantém
compatibilidade com o sistema CDMA baseado no padrão IS-95 mantendo sua estrutura de
canais de 1,25 MHz. Em anexo ver tabela 6. [GSMWorld, 2004]
CDMA 1xEV tem sua evolução em duas etapas:
• 1xEV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1,25 MHz é dedicada apenas para
dados.
• 1xEV-DV (Data and Voice) onde uma portadora poderá ser utilizada para voz e
dados.
O CDMA 1xRTT já se encontra em operação no Brasil com uma portadora
dedicada a dados.
O CDMA atingiu em março de 2003 cerca de 146 milhões de assinantes ou 12,85%
dos assinantes mundiais, sendo que 42% destes assinantes estão nos Estados Unidos onde
mais de 40% dos celulares são CDMA. O CDMA representava em dezembro de 2002 no
24
Brasil 32% dos assinantes de celular. A evolução dos sistemas celulares para 3G deve
consolidar a existência de duas famílias de padrões a nível mundial: o GSM e o CDMA
evoluindo a partir do IS-95.
Os esforços de padronização de sistemas de 3G pela UIT através do projeto IMT-
2000 deu origem a dois projetos: 3GPP e o 3GPP2 para o GSM e CDMA respectivamente.
As diferenças entre estas famílias envolvem as características da interface rádio entre MS e
ERB e o padrão da sinalização utilizada na arquitetura da rede e no roaming. Estas
diferenças refletem os diferentes padrões utilizados nos países de onde se originam, ou
seja, GSM, da Europa, e CDMA IS-95 e IS-41, dos Estados Unidos. Em anexo ver tabela 6,
comparação do CDMA entre as evoluções.
3.5 A 4ª Geração de Telefonia Móvel
Para a 4ª Geração de telefonia celular, espera-se que aconteça por volta de 2010,
onde a 3ªG estará sendo substituída pela 4ªG. Nesta época estima-se que quase toda a
comunicação sem fio seja em banda larga, a uma velocidade de 10 Mbps com acesso a
serviços sofisticados como videoconferência, comercio eletrônico e televisão digital.
Para a 4ª Geração ainda não existem padrões em desenvolvimento nem uma
definição mundial aceita para esta geração, há, no entanto um relativo consenso quanto aos
principais aspectos e conquistas.
A 4ªG deverá unificar as diferentes redes sem fio, incluindo as redes LANs Wireless
nas diversas tecnologias existentes (IEEE 802.11, HiperLAN/2, HomeRF, bem como
Bluetooth) [Cisco System, 2001].
Sob a 4ª G estão integradas as redes públicas fixas e celulares e especialmente a
ampla rede de equipamentos móveis como celulares, Laptops, PDAs, supercameras digitais
etc, que por intermédio da 4ª G farão o romaming, nas diversas áreas geográficas e de
concessão de operadoras.
A 4ª G também fará a interligação das redes WANs, permitindo que possam ser
conectados Laptops entre outros dispositivos a uma infinidade de novos provedores de
novos serviços sem fio, em qualquer ponto do país [Estadão, 2004].
Para que se possa ter uma idéia do que se espera da 4ª Geração de telefonia
móvel, tem-se que primeiramente passar por algumas tecnologias já conhecidas, como por
exemplo, as redes WAN, WLAN, WPAN, WMAN e WWAN. Estará sendo apresentado, a
seguir essas tecnologias de forma a tornar compreensível o objetivo deste trabalho e
durante a apresentação serão apresentadas algumas novidades.
25
4 REDES WAN, WLAN, WPAN, WWAN E WMAN.
4.1 WAN
Wide Area Network ou rede de longa distância. É uma rede de comunicação de
dados que cobre áreas geograficamente extensas como um Estado, um país ou um
continente. A taxa de transmissão de dados das WANs varia de acordo com a tecnologia
adotada. As WAN’s utilizam linhas de transmissão oferecidas por empresas de
telecomunicações como a Embratel, e suas concessionárias. Os serviços são geralmente de
aluguel de linhas privadas (Leased lines) ou discadas (Switched) permitindo a utilização de
diversos protocolos tais como SNA, PPP/TCP-IP, etc.
As redes WAN’s estão passando por uma evolução muito grande com a aplicação
de novas tecnologias de telecomunicações, como a utilização de fibra ótica (Optical fiber).
Novos padrões estão surgindo como a ATM (Asynchronous Transfer Mode) que
disponibiliza a transmissão de dados, som e imagem em uma única linha e em altíssima
velocidade (300Mbps ou superior). Em anexo ver figura 1.
4.2 WLAN
O conceito de LANS (Local Area Network) sem fio baseia-se em
microcomputadores ou outros dispositivos de interconexão com transmissores e receptores
de rádio de ondas curtas para permitir a comunicação entre eles. O IEEE criou o padrão
para as redes LANS sem fio e o padronizou como 802.11 que é comumente conhecido
como WiFi.
O padrão 802.11 tinha de funcionar em dois modos:
1 Na presença de uma estação-base.
2 Na ausência de uma estação-base.
No primeiro caso, toda a comunicação deveria passar pela estação-base. No outro,
os computadores simplesmente transmitiriam diretamente uns para outros, este modo
costuma ser chamada de interligação de rede ad hoc.
O comitê do 802.11 produziu três diferentes LANs sem fio de alta velocidade:
802.11a, 802.11b e 802.11g, sendo que, existem ainda três LANs sem fio de baixa
velocidade que não serão apresentadas neste trabalho.
Em 1997 deu início ao 1º padrão de Lans sem fio que funcionavam a 11Mbps ou
2Mbps. Essas taxas de transmissão eram muito baixas, sendo assim em 1999 dois novos
padrões foram criados, o 802.11a e o 802.11b.
O padrão 802.11a utiliza uma faixa de freqüências mais larga e funciona em
velocidades de 54Mbps, opera em 5GHz, modulação OFDM.
O padrão 802.11b utiliza a mesma faixa de freqüências que o 802.11, mas emprega
uma técnica de modulação diferente para alcançar 11Mbps, modulação DSSS, com alcance
de 100 a 300 mts.
Uma outra variante do padrão 802.11 é o 802.11g, que utiliza a técnica de
modulação do 802.11a, mas emprega a faixa de freqüências do 802.11b. Opera a 2,4 GHz,
com taxa de transmissão de 54Mbps e modulação OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) [802.11 Handbook, 2001]. A modulação OFDM é mais eficiente que a DSSS (Direct Sequence Spread
Spectrum), pois tem maior imunidade para os efeitos de reflexão dos sinais de
“multicaminhos”.
4.2.1 802.11: a pilha de protocolo
No estudo da pilha de protocolo do padrão 802.11, pode-se notar certas
características comuns em sua estrutura. A camada física do 802.11 corresponde muito bem
com a camada física do modelo OSI. A subcamada MAC do 802.11 determina como o canal
é alocado, acima encontra-se a subcamada LLC (Logical Link Control), cujo trabalho é
ocultar as diferenças ente as diversas variações do 802 e torná-las indistinguíveis no que se
refere à camada de rede.
Controle de Enlace Lógico
802.11 Infra-vermelho
802.11 FHSS
802.11 DSSS
802.11aOFDM
802.11b HR-DSSS
802.11gOFDM
C
O padrão 802.11 especifica três técnicas de transmissão
física, o método infravermelho (IF), o FHSS e DSSS, sendo
empregam rádio de alcance limitado e também utilizam parte do
licenciamento (a banda ISM de 2,4 GHz).
Camada de
enlace de dados
Camadas
superiores
Subcamada MA
Camada física
permitidas na camada
que estes dois últimos
espectro que não exige
26
27
Em 1999, foram apresentadas duas novas técnicas para alcançar maior largura de
banda. Essas técnicas são conhecidas como OFDM e HR-DSSS, que operam até 54 Mbps
e 11Mbps, respectivamente.
4.2.2 802.11: a camada física
Das cinco técnicas apresentadas anteriormente, elas se diferem na tecnologia
usada e nas velocidades que podem ser alcançadas.
O IF usa transmissão difusa a 0,85 ou 0,95 mícron e são permitidas duas
velocidades: 1Mbps e 2Mbps. Os sinais de IF não podem atravessar paredes o que tornam
células situadas em salas diferentes bem isoladas uma das outras. Devido à baixa largura
de banda e no fato da luz solar poder interferir nos sinais infravermelho, essa não é uma
opção popular.
O FHSS utiliza 79 canais, cada um com 1MHz de largura. Um gerador de números
pseudo-aleatório é utilizado para produzir a seqüência de freqüência de saltos. O tempo de
permanência, ou seja, o período de tempo gasto em cada freqüência é um parâmetro
ajustável, porém deve ser menor que 400ms. A randomização do FHSS fornece um modo
razoável de alocar espectro na banda ISM e também fornece alguma segurança, sendo que
para poder espionar a transmissão deve conhecer a seqüência de saltos ou o tempo de
parada. Em distâncias longas, o esmaecimento de vários caminhos pode ser um problema,
e o FHSS oferece boa resistência a ele. O FHSS também é relativamente insensível à
interferência de rádio, o que o torna popular para enlaces entre edifícios. Sua principal
desvantagem é a baixa largura de banda.
O DSSS também é restrito a 1 ou 2Mbps. Neste, cada bit é transmitido a 11,
usando o que denomina seqüência de Barker. Utiliza modulação por deslocamento de fase
a 1Mbaud, transmitindo 1 bit por baud quando opera a 1Mbps e 2 bits quando opera a
2Mbps.
As primeiras redes LANs sem fio de alta velocidade, a LAN 802.11a utiliza OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) para transmitir até 54Mbps na banda ISM
mais larga, de 5GHz. São usadas diferentes freqüências, 52 delas, sendo que 48 são para
dados e quatro para sincronização. As transmissões estão presentes em várias freqüências
aos mesmo tempo, essa técnica é considerada uma forma de espectro de dispersão, porém
se difere do CDMA e do FHSS. A divisão do sinal em muitas bandas estreitas tem algumas
vantagens fundamentais em relação ao uso de uma única banda larga, incluindo melhor
imunidade a interferência de banda estreita e a possibilidade de usar bandas não-contíguas.
É usado um sistema de codificação complexo baseado na modulação por deslocamento de
fase, a fim de alcançar os 18Mbps
28
O HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum), também é uma
técnica de espectro de dispersão, que utiliza 11 milhões de chips/s para alcançar 11Mbps na
banda de 2,4GHz. Conhecida como 802.11b, porém essa técnica não é uma continuação do
802.11a. A taxa de dados admitidas pelo 802.11b são, 1,2,5,5 e 11Mbps. As duas primeiras
taxas mais baixas funcionam a 1Mbaud, com 1 e 2 bits por baud respectivamente, usando a
modulação por deslocamento de fase (por compatibilidade com o DSSS). As duas taxas
mais rápidas funcionam a 1,375 Mbaud, com 4 a 8 bits por baud respectivamente, usando
códigos de Walsh/Hadamard. A taxa de dados pode ser adaptada dinamicamente durante a
operação, de forma a alcançar a melhor velocidade possível sob as condições de carga e
ruído. Na prática a velocidade de operação do 802.11b é quase sempre igual a 11 Mbps.
Embora o padrão 802.11b seja mais lento que o padrão 802.11a , seu alcance é cerca de 7
vezes maior [Cast, 2002].
O padrão 802.11g é uma versão aperfeiçoada do 802.11b, que foi aprovada pelo
IEEE em novembro de 2001. Utiliza o método de modulação OFDM do 802.11a , mas opera
na banda ISM estreita de 2,4GHz, juntamente com o 802.11b. Na teoria o padrão 802.11g
pode alcançar até 54 Mbps, porém na prática isso ainda não está provado.
4.3 WPAN (Wireless Personal Área Network)
Neste grupo (WPAN) estão as tecnologias de pequeno alcance, ou seja, tecnologias
de rede que possuem um alcance muito baixo em relação a outras tecnologias. Em geral
uma rede WPAN, seu alcance chega a poucas dezenas de metros, daí o nome Personal,
pois é uma rede onde os dispositivos estão ao redor dos usuários, tornando uma rede mais
próxima.
A família da WPAN é constituída pelo ZiggBee (IEEE 802.15.4), UWB (IEEE
802.15.3) e Bluetooth (IEEE 802.15.1) [IEEE, 2004].
4.4 WWAN
Wireless Wide Area Network são as tradicionais tecnologias dos famosos
telefones celulares de voz e alguns serviços de dados (Wireless Data Service) desde os
sistemas TDMA (9,6kbps) e CDMA (14,4 kbps) até as mais modernas tecnologias EDGE e
UMTS, passando por GSM/GPRS e também o CDMA2000-1xRTT e CDMA-1xEV-DO.
4.5 WMAN (Wireless Metropolitan Area Network)
Apesar de ainda ser pouco conhecido no mercado, o padrão 802.16 está prestes a
revolucionar a indústria de acesso Broadband Wireless. Uma WMAN nada mais é do que
uma rede metropolitana sem fios que está sendo especificada pelo grupo do IEEE que trata
de acesso de banda larga de última milha em áreas metropolitanas. Anexo 2 – Fig. 2.
Figura 9: Fonte: Intel.
Originalmente o padrão 802.16 foi ratificado em Dezembro 2001, onde estavam
focando as faixas de freqüências situadas entre 10GHz e 66GHz, considerando aplicações
com linha visada [Intel, 2004].
A versão 802.11a que foi concluída em 2003, passou a focar aplicações sem linha
de visada dentro das faixas de freqüência entre 2Ghz e 11GHz, considerando aspectos de
interoperabilidade. Em anexo, ver tabela 7.
O WIMAX é uma organização formada por empresas fabricantes de equipamentos
que tem como objetivo promover em grande escala a utilização de redes multiponto
operando em freqüências entre 2GHz e 11GHz garantindo a compatibilidade e a
interoperabilidade dos equipamentos que adotarem este padrão [Intel, 2004]. Em anexo ver
Tabela 8.
29
Figura 10: Fonte: Wimax fórum.
Estas aplicações são possíveis pelas seguintes características do WIMAX:
• Fornecimento de link de dados de NxE1 (com garantia de banda).
• Fornecimento de link de dados de fração de E1 (com garantia de banda).
• Fornecimento de link de dados em um padrão equivalente ao ADSL /Cable Modem.
• Portabilidade, isto é, o usuário pode transportar sua CPE (customer premise
equipment) e utilizar o serviço em local diferente do usual.
• Instalação da CPE no modo plug and play.
• Cobertura sem linha de visada [WIMAX, 2004].
4.5.1 Modulação
O WIMAX apresenta três modos de operação: Single Carrier, OFDM 256 e OFDMA
2k. O mais utilizado é o OFDM 256.
4.5.2 Throughput
O WIMAX entrega elevadas taxas de throughput com longo alcance e uma grande
eficiência espectral e que é também tolerante às reflexões de sinais. A velocidade de
transmissão varia entre 1 Mbps e 75 Mbps, dependendo das condições de propagação,
sendo que raio típico de uma célula WIMAX é de 6 Km a 9 Km.
Uma modulação dinâmica adaptativa permite que uma estação radio base negocie
o throughput e o alcance do sinal. Por exemplo, se a estação radio base não pode
estabelecer um link robusto com um assinante localizado a uma grande distância, utilizando
o esquema de modulação de maior ordem, 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation),
30
31
a modulação é reduzida para 16 QAM ou QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), o que
reduz o throughput , porém aumenta o alcance do sinal [Cast, 2002].
4.5.3 Escalabilidade
Para acomodar com facilidade o planejamento da célula WIMAX, tanto nas faixas
licenciadas quanto nas não licenciadas, o 802.16a/d suporta diversas larguras de banda.
Por exemplo, se um operador tem disponível 20 MHz de espectro, ele pode dividi-lo em dois
setores de 10 MHz ou 4 setores de 5 MHz cada.
O operador pode crescer a quantidade de usuários mantendo um bom alcance do
sinal e um bom throughput.
O operador pode reusar o mesmo espectro em dois ou mais setores, criando uma
isolação entre as antenas da estação radio base.
4.5.4 Cobertura
O padrão 802.16 também suporta tecnologias que permitem a expansão de
cobertura.
4.5.5 Qualidade de Serviço
O padrão 802.16 apresenta qualidade de serviço que permite a transmissão de voz
e vídeo, que requerem redes de baixa latência.
O MAC (Media Access Control) do 802.16 provê níveis de serviço "Premium"
para clientes corporativos, assim como um alto volume de serviços em um padrão
equivalente aos serviços hoje oferecidos pelos serviços de ADSL e de Cable Modem, tudo
dentro da mesma ERB.
4.5.6 Segurança
Características de privacidade e criptografia estão previstos no padrão 802.16
permitindo transmissões seguras incluindo os procedimentos de autenticação.
Oficialmente tem-se o padrão 802.16a/d estabelecido entre as faixas de freqüências
entre 2GHz e 11GHz, porém existe interesse em utilizá-lo em banda inferior a 2GHz [WIMAX,
2004].
32
5 CONCLUSÃO
A pesquisa desenvolvida ao longo deste trabalho buscou esclarecer de maneira
sucinta e ao mesmo tempo completa, informações sobre a telefonia móvel, desde de sua
criação até os dias atuais e possibilitando ainda apresentar um pouco do futuro.
Como pôde-se perceber, existe uma forte tendência de ser empregado o CDMA
para as próximas gerações de celulares, isso devido aos benefícios que traz em relação às
outras tecnologias estudadas, benefícios estes que aumentam a capacidade de
aproveitamento do spectro, aumentando a taxa de transferência de dados, permitindo ao
usuário um melhor aproveitamento da rede celular.
Existe ainda a questão das tecnologias de redes Wireless, que possui uma gama
muito grande de interessados, tanto por pesquisadores, como por empresas, centros
acadêmicos, salas comerciais entre outros. Com a tecnologia Wireless será possível a
interligação de qualquer dispositivo móvel. A tendência será das pessoas chegarem num bar
para tomar seu cafezinho e ao ligar seu notebook ou seu palmtop estará sendo conectado
automaticamente numa rede WLAN.
Apesar de alguns casos ser inviável a implantação de Wireless, por outro lado, a
WLAN possui vários benefícios, como a mobilidade, a escalabilidade a flexibilidade,
vantagens em sua instalação, confiabilidade em ambientes severos e redução no tempo de
instalação.
A interoperabilidade tornou-se uma realidade com a introdução do padrão 802.11 e
os preços baixaram drasticamente. Melhorias continuarão em WLAN com o
amadurecimento da tecnologia. Em anexo são mostrados alguns dispositivos que podem ser
usados na interligação de uma rede WLAN, inclusive os telefones celulares, que num futuro
bem próximo estarão engajados nestas redes.
5.1 Extensões
Este trabalho pode ser continuado pelos interessados em se aprofundar nas
tecnologias de telefonia móvel, como protocolo de acesso ao meio, WAP, para estudos da
quarta geração ou para os interessados em convergência digital.
Anexo 1 – Tabelas
Período Composição
Sinal de 270,833 kbit/s 4,615 ms 8 slots de tempo
Slot de tempo 576,9 us 156,25 bits
Bit 3,692 us -
Tabela 1: O GSM assim como o TDMA (IS-136) é uma combinação de FDMA e TDMA.
Full rate Half Rate
Voz 13 kbit/s (22,8 kbit/s bruta) 11,4 kbit/s
Dados 9,6 kbit/s, 4,8 kbit/s e 3,6 kbit/s 4,8 kbit/s e 2,4 kbit/s
Tabela 2: As taxas de informação para os canais de tráfego.
Walsh Conjunto de 64 códigos ortogonais W0 a W63.
PN longo Conjunto de 4,398 x 1012 códigos diferentes ( 242 – 1),
gerados por um registrador de deslocamento de 42 bits.
PN curto Conjunto de 32.767 códigos diferentes (215 – 1),
Tabela 3: O CDMA utiliza três tipos de códigos.
Canais Códigos Modulação ERB >> MS Piloto
Paging Sincronismo Tráfego
Walsh PN longo para criptografia PN curto
QPSK
MS >> ERB Tráfego Acesso
PN longo PN curto Walsh para modulação
OQPSK
Tabela 4: Esquema de codificação nos dois sentidos do enlace.
33
34
IS-41 MAP Serviços da Aplicação IS – 41(Camada OSI 7*) TCAP (ANSI)
SCCP (ANSI) Serviços de Transferência de Dados
(Camadas OSI 1, 2 e 3) MTP (ANSI) X.25
Tabela 5: O protocolo IS-41.
Geração 2 G 2,5 G 3G
Tecnologia CDMAOne
(IS-95 A e B) CDMA2000 1X*
CDMA 1xEV-DO
CDMA 1xEV-DV
Taxa de dados (teórica) 14,4 kbit/s 153 kbit/s 2,4 Mbit/s Tabela 6: Comparação do CDMA entre as evoluções.
*CDMA2000 1X= CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT ou cdma2000 1x.
IEEE 802.16
Dezembro de
2001
IEEE 802.16c
Dezembro de
2002
IEEE
802.16a
Janeiro de
2003
IEEE 802.16d
1º Trimestre de 2004
WIMAX
IEEE 802.16e
4º Trimestre
de 2004
10-66 GHz
Linha de visada
Até 34Mbps
(Canalização de
28MHz)
Interoperabilidade 2-11 GHz
Sem linha
de visada
Até 75Mbps
Modificação na 802.16a e
interoperabilidade
Mobilidade
Nomândica
802.11/16
Tabela 7: Evolução das especificações do IEEE para WMAN. Operadores de Rede Fabricantes de
equipamentos Fabricantes de componentes
Usuário final
Não dependência de
um fornecedor para o
desenvolvimento de
sua rede
Menos tipos de
produtos diferentes a
produzir e a
desenvolver.
Escala de produção
muito maior.
Acessos Broadband
muito mais velozes e
mais baratos
Tabela 8: Interoperabilidade entre equipamentos.
35
Transmissão da:
Freqüência (Mhz) Estação Móvel ERB
Banda A 824-835
845-846,5
869-880
890-891,5
Banda B 835-845
846,5-849
880-890
891,5-894
Banda D 910-912,5
1710-1725
955-957,5
1805-1820
Banda E 912,5-915
1740-1755
957,5-960
1835-1850
Subfaixas de Extensão
907,5-910
1725-1740
1775-1785
952,5-955
1820-1835
1870-1880
Tabela 9: Bandas de freqüência para a telefonia móvel no Brasil.
Nº Cel./Market Share
Milhares Banda Tecnologia Setembro 2004 2003
Vivo A,B CDMA/TDMA 24.645 42,4% 44,8%
Claro B,D,E TDMA/GSM 11.985 20,6% 20,6%
TIM A,B,D,E TDMA/GSM 11.724 20,0% 18,0%
Oi D GSM 5.740 9,9% 8,4%
Telemig/Amaz Cel A TDMA 3.764 6,5% 7,3%
Triângulo Celular A TDMA 0,7%
Sercomtel Cel. A TDMA 0,2%
Brasil Telecom E GSM
424 0,7%
-
Tabela 10: Dados fornecidos pelas Operadoras, exceto Triângulo e Sercomtel. (Internet)
36
Espectro Atual: 900 e 1800 MHz (Europa)
1900 MHz (EUA)
Novo:
1900/2100 MHz
Geração 2 G 2,5 G 2,5/3 G 3 G
Tecnologia GSM GPRS EDGE WCDMA
(UMTS)
HSDPA
(UMTS)
Taxa de dados
máx. teórica
(kbps)
14,4 171,2 473,6 2.000 14.000
Taxa de dados
média (kbps) - 30-40 100-130 220-320 550-1100
Canalização (kHz) 200 200 200 5.000 5.000
Tabela 11: Evolução da Tecnologia GSM.
Anexo 2 – Figuras Ilustrativas
Figura 1: WAN
Figura 2: MAN
37
Figura 3: Celular e HandHeld.
Figura 4: Mobile Computer
Figura 5: Mobile IP Phone
38
39
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