Introdução
O trabalho que nos propusemos realizar consiste numa breve exposição sobre comunicações móveis, nomeadamente o seu presente e futuro.
A nível estrutural, uma rede móvel é constituída por células. Explicaremos a noção de célula como introdução às redes móveis, de modo a que certos conceitos, essenciais à compreensão do funcionamento dos sistemas de comunicação móveis, sejam explicitados.
De seguida, abordaremos três técnicas de acesso múltiplo (FDMA, TDMA e CDMA) que definem o modo como um utilizador acede ao espectro de frequências rádio. A primeira técnica a ser implementada em comunicações móveis foi o FDMA (Frequency Division Multiple Access) que dividia o espectro rádio em vários canais com uma determinada largura de banda e que, durante uma chamada, tornava esses canais restritos a essa mesma chamada. Tendo como objectivo aumentar a capacidade das redes móveis, implementou-se o TDMA (Time Division Multiple Access), característico pelas suas timeslots. Com esta técnica, um canal deixou de ser exclusivamente utilizado por um utilizador durante todo o tempo em que uma chamada está em curso e passou a ser possível transmitir várias chamadas pelo mesmo canal. No CDMA (Code Division Multiple Access) o conceito de canal deixa de fazer sentido, permitindo à rede obter uma capacidade muito superior à obtida pelas técnicas anteriores.
Nos primórdios das redes móveis (primeira geração), os sistemas que as implementavam eram totalmente analógicos, modelando um sinal de voz em amplitude, o que implicaria que fossem necessários sinais de elevada potência e fazendo com que os telefones móveis se apresentassem bastante grandes e pesados. Esta primeira geração utilizava o FDMA como técnica de acesso múltiplo, como vai ser referido no respectivo capítulo deste trabalho.
Estes sistemas foram evoluindo, levando ao aparecimento da segunda geração de redes móveis que, por sua vez, já foi implementada tendo em conta o TDMA como técnica de acesso múltiplo.
Actualmente a terceira geração de redes móveis está a começar a substituir a anterior, sendo que a técnica de acesso múltiplo que se utiliza para fornecer elevadas taxas de transmissão de dados é o CDMA.
Neste trabalho também serão referidos futuros desenvolvimentos que já estão a começar a ser implementados e que permitirão aproximar a rede móvel da Internet, tanto a nível de conteúdos como a nível de velocidade de transmissão da informação.
Redes Móveis: Células
Uma rede móvel é constituída por um conjunto de células que cobrem uma determinada área geográfica. O termo cellular provém da forma de um favo de mel, na qual, cada área coberta está dividida. As células são estações de base que transmitem sobre uma pequena área geográfica, representadas por um hexágono. O tamanho de cada célula é variável dependendo da zona onde esta está inserida. Devido às irregularidades do terreno a verdadeira forma de uma célula não e um hexágono perfeito.
As células podem ser classificadas a seguinte forma: macro, micro, pico e umbrellacells. Macrocélulas são células onde a estação de base (antena) é instalada num mastro ou edifício acima do nível dos telhados dessa zona, por sua vez, as microcélulas são células cuja a altura da antena não ultrapassa o referido nível dos telhados. Tipicamente estas células são usadas em zonas urbanas. As picocélulas são pequenas células cujo diâmetro não ultrapassa os doze metros e que são usadas dentro de edifícios. Por fim, as umbrellacells são usadas para cobrir “zonas sombra” de pequenas células, isto é, preencher falhas na cobertura dessas células. Estas células são tipicamente colocadas no topo de edifícios altos.
Um cluster é um conjunto de células e não existem canais reutilizados nos clusters. Visto que apenas um pequeno número de canais de frequência rádio estarem disponíveis para os clusters, os engenheiros foram forçados a encontrar uma forma de reutilizar os canais de frequência para que a rede suporte mais chamadas ao mesmo tempo. A solução adoptada pela industria é designadas por frequency planing ou frequency reuse Este método foi implementado reestruturando a arquitectura do sistema de telefones móveis no conceito de célula. Às células são atribuídos grupos de canais rádio, completamente distintos dos grupos pertencentes a outras células vizinhas, isto é, dentro de um cluster, todas as células têm canais de frequência diferentes. No entanto, em clusters diferentes, duas células podem ter canais iguais.
Infelizmente, por razões económicas, o conceito de criar sistemas com áreas muito pequenas torna-se impraticável. Para ultrapassar este problema, os operadores de sistema desenvolveram a ideia de cell splitting. Quando uma área de serviço fica cheia de utilizadores, esta aproximação é usada para dividir uma célula em células menores. Assim, os centros urbanos podem ser divididos em muitas células de modo a fornecer serviços adequados em regiões de muito tráfico (a capacidade da rede numa determinada área é proporcional ao número de células nessa área). Para as zonas rurais não é necessário que a rede apresente uma capacidade semelhante às zonas urbanas, logo pode-se diminuir os custos recorrendo a uma só células mas com maior capacidade e que cubra uma área maior.
O obstáculo final no desenvolvimento de uma rede móvel envolve o problema da deslocação de utilizadores entre células durante uma chamada. Como áreas adjacentes não usam a mesma frequência rádio, a chamada tem que ser terminada ou transmitida de um canal rádio para outro. Como terminar uma chamada é inaceitável, foi criado o processo de handoff ou handover.
Um sistema móvel tem a capacidade de servir dezenas de milhares de utilizadores numa área metropolitana. É constituído por quatro grandes tipos de componentes que juntos fornecem os serviços aos utilizadores: public switched telephone network (PSTN), mobile telephone switiching office (MTSO), cell site white antenna system e mobile subscriber unity (MSU).
Técnicas de Acesso Múltiplo
Os sistemas móveis dividem uma determinada região geográfica em células. Cada dispositivo móvel comunica com a estação de base da célula onde se encontra. Assim, pretende-se que um dado sistema consiga suportar o máximo de chamadas simultâneas recorrendo a uma determinada banda de frequências.
Tendo em conta esta situação, desenvolveram-se várias técnicas de acesso múltiplo das quais passamos a apresentar o FDMA, TDMA e CDMA.
Frequency Division Multiple Access (FDMA)
O FDMA é utilizado exclusivamente em sistemas móveis analógicos (1G). Esta técnica divide o espectro de frequência em vários canais com uma determinada largura de banda (esta largura de banda varia conforme o sistema móvel). Ao ser estabelecida uma chamada, o canal de frequência é reservado durante toda a sua duração. A voz é modulada no canal e enviada para o receptor que recupera o sinal por um filtro passa-banda. São utilizados sinais digitais de controlo para adquirir o canal.
Os sistemas que utilizam o FDMA como técnica de acesso múltiplo são pouco eficientes pois:
· cada canal analógico é utilizado por um utilizador de cada vez,
· os canais analógicos são maiores do que o necessário em compressão digital,
· existe desperdício sempre que existe silêncio durante a chamada,
· os sinais analógicos são bastante susceptíveis a ruído,
· dada a natureza do sinal, telefones móveis analógicos utilizam elevada potência (1 e 3 W) na transmissão, de forma a obter uma chamada de qualidade aceitável.
Todos estes aspectos conduziram a que o FDMA fosse substituído por técnicas digitais, nomeadamente o TDMA.
Fig 1: FDMA
Time Division Multiple Access (TDMA)
O TDMA permite que vários utilizadores partilhem o mesmo canal, dividindo-o em timeslots. Quando existem várias chamadas no mesmo canal, a transmissão destas é feita ciclicamente entre si durante um determinado período de tempo (timeslots).
O sincronismo entre a estação de base e o telefone móvel é alcançado através do envio de comandos de offset de tempo pela estação de base. Apesar do canal estar dividido em timeslots, estas não são totalmente utilizadas pelo emissor, visto que algum espaço é reservado no início e no fim de cada timeslot., Caso exista transmissão neste espaço reservado, a rede ajusta o offset de tempo de forma a centrar a transmissão na timeslot.
O sincronismo inicial requer que toda a timeslot seja dedicada à tentativa de conexão à rede, visto que não existe informação acerca do offset necessário. Se o telefone móvel estiver perto da estação, o sincronismo será bem sucedido, caso contrário, isto é, se se encontrar a uma distância superior da estação de base em que a transmissão será recebida numa timeslot vizinha devido ao tempo de propagação, a estação de base ignora a transmissão e não é efectuado com o sincronismo nem pode ser estabelecida a chamada propriamente dita.
Uma grande vantagem do TDMA refere-se ao facto do telefone móvel apenas receber e transmitir durante a sua timeslot e, durante o resto do tempo, puder efectuar medições na rede, isto é, detectar transmissores na sua vizinhança em diferentes frequências, o que facilita a troca de células (frequency handover).
O TDMA apresenta também algumas desvantagens como não permitir velocidades de transmissão variável; não possuir um mecanismo de aproveitamento quando existe silêncio durante a chamada, visto que durante a esta a timeslot pertence ao utilizador; necessitar de um canal de controlo para sincronização. O TDMA permite que telefones móveis transmitam com uma potência de 0,6W.
Fig 1: TDMA
Code Division Multiple Access (CDMA)
A técnica CDMA difere das técnicas FDMA e TDMA por não utilizar um canal de comunicação. Cada chamada é codificada digitalmente com um código único, que a torna distinta das restantes chamadas a serem efectuadas no mesmo instante, sendo então enviada por todo o espectro de frequência e não por um canal reservado, ao contrário da FDMA e da TDMA.
Através de um cálculo de correlação e do código com que a chamada foi codificada, pode-se extrair de todos os sinais que estão a ser enviados pela rede o sinal de áudio digital da chamada em questão. Do ponto de vista de uma só chamada, depois de se ter extraído o sinal, tudo o resto que está a ser transmitido na rede é considerado como ruído de baixo nível. Se dois códigos forem ortogonais (idealmente), o nível de ruído será suficientemente reduzido para que se consiga recuperar o sinal digital. Na realidade, cada sinal não é transmitido utilizando o espectro todo mas apenas bandas de 1,25MHz.
Visto que o CDMA oferece maior capacidade e taxas de transmissão variáveis, dependendo do congestionamento da rede, muito utilizadores podem recorrer a um determinado espectro de frequência e maior qualidade áudio pode ser oferecida.
Os sistemas que utilizam o CDMA como técnica de acesso múltiplo têm a possibilidade de implementar mais facilmente as células, na medida em que estas partilham as mesmas frequências das células vizinhas. A desvantagem do CDMA é a sua complexidade para decifrar e extrair mensagens dos sinais recebidos, especialmente se existir múltiplos caminhos entre o telefone e a estação de base. Assim, os telefones CDMA são duas vezes mais dispendiosos que os TDMA e o custo dos equipamentos de uma estação de base CDMA é 3-4 vezes superior ao custo de uma estação de base TDMA.
Fig 1: CDMA
Primeira Geração (1G)
Os sistemas móveis de primeira geração caracterizam-se por serem sistemas analógicos que utilizam o FDMA como técnica de acesso múltiplo. Estes apresentam algumas diferenças entre si, dependendo do seu local de origem e da entidade que os desenvolveu. De seguida apresentaremos alguns sistemas de primeira geração:
Advanced Mobile Phone Service (AMPS)
O AMPS foi o primeiro sistema analógico implementado nos Estados Unidos.
As bandas de frequências que o AMPS utiliza são de 824MHz a 849MHz para comunicação do dispositivo móvel para a estação de base (uplink) e de 869MHz a 894MHz para comunicação da estação de base para o dispositivo móvel (downlink). Existem dois tipos de canais no sistema AMPS: canais dedicados a controlo da comunicação e canais de voz. Como cada operador móvel pode usar metade das bandas de uplink e downlink, estando estas divididas em canais com largura de banda de 30kHz, estão disponíveis 832 canais de voz. A rede difunde nos canais de controlo informação de identificação de rede e informação sobre o modo dos telefones se conectarem a esta. Apesar da taxa de transmissão dos canais de controlo ser de 10kbps, como a mensagem é repetida 5 vezes, a taxa de transmissão efectiva do canal é inferior a 2kbps. Isto permite que a rede difunda a referida informação sobre si e sobre o modo de conecção 10 a 20 vezes por segundo (esta procedimento da rede costuma ser designado por paging).
O sistema AMPS define que os canais de uplink e downlink que conectam um telefone móvel e uma estação de base estão separados por 45MHz e que os sinais nos canais de controlo e de voz são transferidos a 10kbps.
Total Access Communication System (TACS)
O TACS é muito semelhante ao sistema AMPS US EIA-553. As principais diferenças consistem na mudança das frequências reservadas para os canais, larguras de banda dos canais e taxas de transmissão de informação de controlo.
O sistema TACS foi implementado com canais de largura de 25kHz, ao contrário do AMPS cujos canais apresentam 30kHz. Esta redução da largura de banda do canal diminuiu a velocidade de transmissão dos dados.
As larguras de banda da maioria dos sistemas TACS são de 890MHz a 915MHz para o uplink e de 935MHz a 960MHz para o downlink. Inicialmente o TACS reservava 25MHz do espectro de frequência, apesar de 10MHz desses 25MHz terem sido reservados para futuros sistemas pan-europeus no Reino Unido. Os canais de uplink e de downlink para a mesma conecção entre um telefone móvel e a estação de base separam-se por 45MHz.
Os canais de controlo e de voz permitem taxas de transmissão de 8kbps.
Nordic Mobile Telephone (NMT)
O sistema NMT foi desenvolvido pelos países nórdicos. Existem dois tipos de sistemas NMT: o sistema de baixa capacidade NMT 450 e o sistema de alta capacidade NMT 900.
O NMT 450 utiliza uma largura de banda reduzida (450MHz) e um elevado nível de poder de transmissão, o que possibilita que as células cubram extensas áreas, enquanto que o NMT 900 utiliza uma maior largura de banda (aproximadamente 900MHz) e um nível de poder de transmissão mais fraco, o que aumenta a capacidade do sistema (mais células a cobrir a mesma área). Os dois sistemas podem coexistir, permitindo que se utilize o mesmo centro de reencaminhamento, isto é, um operador que comece por fornecer o NMT 450 pode facilmente actualizar o seu serviço para o NMT 900 quando assim for necessário.
Algumas operações do NMT são bastante diferentes das dos outros sistemas móveis. Quando um telefone NMT acede a um sistema móvel pode ou descobrir um canal não utilizado e negociar de imediato o acesso directo a esse canal ou iniciar uma conversação sem a assistência de um canal dedicado de controlo. Visto que a busca de um canal de voz pode ser muito demorado, o NMT 900 permite o uso de um canal de controlo, designado por calling chanel. Este sistema também permite recepção descontínua, o que aumenta o tempo de standby dos telefones móveis.
O NMT 450 utiliza dois canais diferentes para o uplink e downlink e no total 180 canais (excepto na Finlândia que apenas possui 160 canais). A largura de banda de cada canal é de 25kHz e o espaçamento em frequência entre o canal de uplink e de downlink é de 10MHz.
A taxa de transmissão dos canais de controlo e de voz do NMT é de 1200bps e, devido a esta reduzida taxa e a um robusto sistema de detecção/correcção de erros, não são necessárias repetições de mensagens.
O sistema NMT é único ao incluir vários tipos de protecção anti-fraude. Os telefones móveis NMT incluem um código de 3 dígitos que é enviado em conjunto com o número de telefone ao sistema móvel durante o acesso à rede. Outra protecção anti-fraude que o NMT pode apresentar é o SIS (Subscriber Identify Security).
Narrowband AMPS (NAMPS)
O NAMPS é um sistema analógico de comunicações móveis que foi comercialmente introduzido pela Motorola em finais de 1991. Este sistema é semelhante ao AMPS e o que o distingue é uma largura de banda dos canais de 10kHz, um terço da largura dos canais do sistema AMPS. Visto que podem ser atribuídos mais canais a cada célula, o sistema NAMPS permite que mais utilizadores acedam em simultâneo à rede móvel, sem que seja necessário adicionar mais células. Outra diferença reside no facto do NAMPS transferir alguma informação de controlo a frequências sub-audíveis para facilitar a transmissão simultânea de voz e dados.
Em 1991, o primeiro standard NAMPS denominado IS-88 desenvolveu-se a partir das especificações do AMPS americano (EIA-553). O standard IS-88 identifica parâmetros necessários para a projecção de receptores NAMPS, como por exemplo a largura de banda dos canais, tipo de modulação e formato de mensagens.
Japanese Mobile Cellular System (MCS)
O MCS-L1 foi o primeiro sistema de comunicações móveis do Japão, tendo sido desenvolvido e utilizado pela NTT. O sistema opera na banda dos 800MHz e largura dos canais que utiliza é de 25kHz com taxas de transmissão de 300bps.
Visto que o sistema MCS-L1 apenas permite o acesso à rede a um número limitado de clientes, desenvolveu-se o MCS-L2 que utiliza as mesmas bandas de frequência que o MCS-L1 e canais com largura de 12,5kHz intercalados por 6,25kHz, permitindo 2400 canais. A taxa de transmissão do canal de controlo é de 2400bps e a taxa dos canais de voz tanto pode ser de 2400bps como de 150bps.
CNET
O CNET é o sistema analógico móvel utilizado na Alemanha, Portugal e África do Sul. O primeiro sistema CNET foi implementado na Alemanha em 1985.
O CNET utiliza as bandas de frequência de 461,3MHz a 467,74MHz para o downlink e de 451,3MHz a 455,74MHz para o uplink. Os canais primários possuem 20kHz de largura de banda e estão separados por 10kHz.
O sistema troca constantemente informação entre o telefone móvel e a estação de base. A cada 12,5ms, 4 bits de informação são enviados durante períodos comprimidos de diálogo.
MATS-E
O sistema MATS-E é usado na França e no Kuwait e combina muitas das características usadas em diferentes sistemas móveis. O MATS-E utiliza as larguras de banda standard Europeias: 890-915MHZ e 935-960MHz e canais de 25kHz que permitem 1000 canais. Para a mesma ligação entre um telefone móvel e uma estação de base, os canais de uplink e de downlink estão separados por 45MHz. Cada célula apresenta pelo menos um canal de controlo com taxa de transmissão de 2400bps. Os canais de voz utilizam modulação em frequência (FM) com uma taxa de transmissão de 150bps.
2ª Geração (2G)
Global System for Mobile Communications (GSM)
GSM é o mais popular sistema standard para telemóveis em todo o mundo. Os terminais GSM são utilizados por mais de um bilião de pessoas em mais de 200 países.
O sistema GSM difere muito dos seus antecessores pelo facto de tanto a sinalização como o canal de voz ser digital, daí que este sistema seja visto como a segunda geração de sistemas móveis.
Do ponto de vista do consumidor, a grande vantagem deste sistema é o facto de este fornecer um lote de novos serviços (em relação aos sistemas anteriores) a preços mais baixos.
Por exemplo, as mensagens de texto foram desenvolvidas para o GSM. Do ponto de vista dos operadores de rede, a grande vantagem deste sistema é o facto do custo da infra-estrutura ser bastante baixo, o que é causado pela livre concorrência. A principal desvantagem deste sistema deve-se à utilização da tecnologia baseada em TDMA por parte da rede rádio pois o TDMA é considerada menos avançada que o seu concorrente, o CDMA.
O sistema GSM actual continua compatível com os terminais GSM originais, mesmo que se tenha adicionado o serviço de pacotes de dados à versão standard a partir da release’97.
A modulação utilizada é a Gaussian Shift-Key Modulation modificada. Esta modulação permite um aumento do tempo de vida das baterias, pois trata-se de uma codificação em que se varia a frequência do sinal e não a sua amplitude. Assim, os amplificadores funcionam com elevados níveis de potência, sem distorção de dados. No entanto, cada utilizador consome maior largura de banda, sendo necessário mais espectro rádio para o mesmo número de utilizadores, ao contrário de outros tipos de modulação.
Como foi anteriormente referido, o raio das células depende do tamanho e ganho da antena, além das condições de propagação que podem variar entre centenas de metros e várias dezenas de quilómetros. Neste sistema móvel, baseado na técnica TDMA, uma timeslot (período de tempo reservado a um utilizador) pode ser excedida quando as chamadas são feitas a distâncias superiores a 35km.
O GSM também suporta cobertura numa zona fechada. Esta pode ser construída usando divisores de potência que entregam o sinal de uma antena situada numa zona exterior, para um sistema de antena de distribuição situado numa zona interior. Quando toda a capacidade de uma célula é necessária para a zona fechada, por exemplo em centros comerciais, aeroportos, etc.., a cobertura da zona fechada pode ser construída usando antenas apenas dentro do edifício. Em áreas suburbanas a cobertura dentro dos edifícios é normalmente fornecida pela penetração nos edifícios dos sinais rádio, e não por um sistema de antena situado no exterior.
Fig 1: Estrutura da rede GSM
A rede que sustenta o sistema GSM está dividida em várias secções:
· o subsistema da estação base (e os seus controladores);
· o subsistema de comutação e de rede (parte do sistema mais semelhante à rede fixa);
· o núcleo da rede GPRS (a parte opcional que permite pacotes baseados em ligações de Internet);
· os vários elementos no subsistema combinado que produzem muitos serviços GSM que estão disponíveis para os clientes, tal como chamadas de voz, SMS, etc..
O subsistema da estação base (BSS) é a secção da rede GSM responsável por transmitir e receber os sinais rádio do telefone móvel. Este é responsável pela descodificação dos canais de voz, reservando canais rádio para telefones móveis. Também difunde mensagens pela rede, de forma a contactar um sistema remoto de rádio, e providencia muitas outras tarefas relacionadas com a rede rádio.
A estação de transmissão base (BTS) é o transmissor e receptor de sinais rádio. Tipicamente uma BTS tem vários transmissores (TRXs), excepto para picocélulas onde apenas um transmissor é necessário. Vários transmissores permitem servir várias frequências ou várias células, no caso de uma BTS sectorizada.
Ao serem utilizadas antenas direccionais na BTS, cada uma com direcções distintas, é possível sectorizar a estação base de modo a que várias células sejam servidas pela mesma BTS. Isto aumenta a capacidade de tráfego da estação base (cada frequência pode transportar 8 canais de voz) não aumentado a interferência causada por células vizinhas (numa dada direcção, apenas um pequeno numero de frequências é difundido).
A estação de controlo base (BSC) é responsável, como o nome indica, pelo controlo das estações de transmissão de base. Tipicamente, uma BSC tem sob o seu controlo entre 10 e 100 BTS. A BSC controla a reserva de canais rádio, recebe medidas dos telemóveis e controla a transferência entre células (handover) de uma BTS para outra BTS (excepto no caso de uma transferência inter-MSC em que o controlo é feito por parte de um Anchor MSC).
A unidade de controlo de pacotes (PCU) é a última adição ao GSM standard. Esta faz tarefas equivalentes as tarefas da BSC, mas para pacotes de dados. A reserva de canais para voz ou dados é controlada pela estação de base, mas tendo sido aquele canal reservado para a PCU, esta tem controlo absoluto sobre o canal. A PCU pode ser implementada na estação base ou na BSC.
O sistema GSM utiliza o SIM (Subscriber Identity Module), mais conhecido por SIM Card. O SIM é um smartcard que contém a informação sobre o contrato do cliente e a sua lista telefónica. Isto permite ao utilizador guardar a sua informação quando muda de telefone móvel. O utilizador pode também mudar de operadora apenas trocando de SIM. Algumas operadoras bloqueiam os telemóveis permitindo apenas que um telefone use um único SIM.
O GSM é considerado um sistema com um nível de segurança moderado. Este sistema está programado para autenticar o cliente usando uma criptografia secreta e partilhada. Desta forma, as comunicações entre a estação de base e o cliente podem ser encriptadas. São utilizados vários algoritmos de criptografia, nomeadamente o A5/1 e A5/2 que são utilizados para assegurar segurança durante a transmissão de voz via rádio.
Segunda Geração e Meia (2.5G)
General Packet Radio System (GPRS)
O GPRS é uma tecnologia móvel também descrita por 2.5G. Esta tecnologia permite aumentar as velocidades de transmissão nas redes GSM, utilizando canais TDMA não utilizados. O GPRS está introduzido no standard GSM desde a release’ 97.
O GPRS não funciona através de comutação de circuitos, como acontece no GSM, onde uma ligação de dados estabelece um circuito de comunicação, reservando toda a largura de banda durante a sessão. Funciona antes por comutação de pacotes, possibilitando assim que vários utilizadores partilhem o mesmo canal de transmissão, apenas transmitindo dados quando necessitam. Assim disponibiliza-se toda a largura de banda aos utilizadores que enviam dados num determinado instante. A utilização de aplicações que requerem o envio e a recepção de dados esporadicamente como navegação na Internet, e-mail e instant messaging é beneficiada pela partilha de largura de banda utilizada no GPRS.
Como tal, a facturação do GPRS é feita por kbyte, e não por segundo como nas ligações por circuitos comutados, visto que quando um determinado utilizador não envia nem recebe dados, este não utiliza nenhuma largura de banda.
Existem várias classes de GPRS:
- GPRS classe 10, também conhecido como 4+2, permite a utilização máxima de 4 slots para download e 2 para upload, não sendo permitido a utilização de mais de 5 slots em simultâneo. Esta classe é indicada para aplicações em que os dados circulam em ambos os sentidos como é o caso do instant messaging.
- GPRS classe 8, também conhecido como 4+1, significa que podem ser utilizados no máximo 4 slots para download e 1 slot para upload. Esta classe é indicada para aplicações de download intenso como é o caso de navegação na Internet.
- Existem outras classes como o GPRS classe 6 (3+2) e GPRS classe 4 (3+1) utilizados por aparelhos antigos.
- É possível encontrar aparelhos 4+4, embora estes sejam raros, permitindo apenas 5 slots simultâneos, sendo estes apenas de uso industrial, pois mais de 2 slots de upload é considerado um impedimento de largura de banda para os utilizadores nas proximidades.
GPRS é uma ligação designada por always on, pois não é necessário estabelecimento de uma ligação por dial-up.
Comutação de pacotes por GPRS é conseguida utilizando largura de banda não utilizada pela célula, para transmitir dados. Ao serem reservados canais tanto para transferência de voz como para transferência de dados, em células congestionadas a largura de banda disponível para comutação de pacotes diminui e, consequentemente, a velocidade de transmissão dos pacotes é drasticamente reduzida. A velocidade de transmissão máxima para comutação de pacotes é de 171,2kbps, sendo este valor puramente teórico. Na realidade atingem-se velocidades na ordem dos 30-70kbps. As velocidades mais elevadas são atingidas utilizando mais de uma timeslot numa trama TDMA, contudo quanto maior a velocidade, menor será a capacidade de correcção de erros.
Geralmente, a velocidade de transmissão diminui logaritmicamente com a distância da estação base, sendo este problema apenas relevante em zonas rurais. A velocidade de transmissão depende também da codificação de canal utilizada. A melhor codificação, CS-4, é utilizada perto da estação base, enquanto que a pior codificação, CS-1, é utilizada longe da estação base. Utilizando a codificação CS-4 é possível obter velocidades de 21,4kbps por slot. Contudo, com esta codificação, a célula perde área de cobertura, permitindo apenas 25% da cobertura normal. Utilizando-se CS-1 obtém-se uma velocidade de 9,05kbps por slot atingindo-se uma área de cobertura de 98% da cobertura normal da célula.
Cada aparelho GPRS pode possuir um ou mais endereços IP (Internet Protocol). Durante um handover (troca de célula) o GPRS é responsável por guardar e reenviar os pacotes para o terminal. Visto que o protocolo TCP não permite a distinção entre pausas durante o handover e pausas de congestionamento na rede, este não é indicado para GPRS (ou qualquer serviço rádio baseado em tráfego IP), pois o protocolo TCP reduz desnecessariamente a velocidade.
A seguinte tabela que contém os principais acontecimentos cronológicos na introdução do GPRS:
Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE)
EDGE é uma tecnologia digital para telefones móveis que permite às redes GSM suportar e oferecer serviços idênticos à 3G. A tecnologia EDGE foi desenvolvida para permitir a transmissão de uma elevada quantidade de dados a altas taxas de transmissão (384kbps). Esta tecnologia utiliza conceitos da tecnologia TDMA no que se refere à estrutura dos canais lógicos e largura de banda de 200kHz, como nas redes GSM actuais. Desta forma, a EDGE permite a coexistência das redes actuais e da 3G, dentro do mesmo espectro de frequência. A tecnologia EDGE possui uma nova técnica de modulação, que em conjunto com melhorias no protocolo de rádio, permitem aos operadores usar os espectros de frequência existente (800 MHz, 900 MHz, 1800MHz e 1900MHz).
Em vez de utilizar GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying) a tecnologia EDGE usa a tecnologia 8PSK (8 Phase Shift Keying) produzindo palavras de 3 bits para todas as alterações de fase. Isto triplica a taxa de dados oferecida pela tecnologia GSM. Tal como o GPRS, a tecnologia EDGE usa uma taxa de adaptação algorítimica que adapta o MCS (modulation and coding scheme) usada na qualidade do canal de rádio, adaptando também a taxa de bit e a robustez da transmissão de dados.
Fig 1: Modulação GMSK e 8 PSK
Foi introduzida uma nova tecnologia, Incremental Redundancy, que não existe no GPRS, que em vez de retransmitir pacotes com erros, envia mais informação redundante para ser combinada com o receptor. Desta forma, a probabilidade de obter uma descodificação correcta aumenta.
O EDGE começou por ser introduzido em redes GSM na América do Norte em 2003, generalizando-se depois pelo resto do mundo. Actualmente a tecnologia EDGE é fortemente apoiada por operadores GSM nos Estados Unidos, pois existe um sistema concorrente neste país, o CDMA2000. A maioria dos outros operadores GSM vê o UMTS como o último processo evolutivo que pode ser combinado com EDGE. No entanto, o alto custo e a sua demorada implementação, fez com que vários operadores GSM europeus reavaliassem a tecnologia EDGE como um processo de transição.
A tecnologia EDGE faculta a tecnologia EGPRS (Enhanced GPRS) que pode ser utilizada em qualquer aplicação de pacotes comutados, como por exemplo o acesso à Internet.
Terceira Geração (3G)
A terceira geração de telemóveis, normalmente designada por 3G, será uma geração revolucionária, permitindo acesso a conteúdos multimédia e rápido acesso à Internet.
O ITU (International Telecomunication Union) foi responsável pela definição das especificações da terceira geração de redes móveis tendo sido criado o standard IMT-2000.
Originalmente, a 3G deveria ser um único standard mundial mas, na realidade, este foi dividido em três sistemas:
- UMTS (W-CDMA)
- O UMTS é a solução criada pela organização 3GPP, sendo o sistema que será adoptado pelos países Europeus. Este sistema será o mais abordado neste trabalho;
- FOMA, considerado o primeiro sistema 3G operacional, foi lançado em 2001 no Japão pela NTT DoCoMo. Apesar de ser baseado no W-CDMA, não é totalmente compatível com o UMTS, apesar de já existirem especificações para que tal aconteça;
- CDMA2000
- Trata-se de outro standard 3G com grande aceitação nas Américas, Japão e Coreia, em zonas não cobertas pela rede GSM. O CDMA2000 é gerido pela 3GPP2 que é uma organização totalmente independente da 3GPP;
- TD-SDMA
- Trata-se do standard menos conhecido, estando a ser desenvolvido pela China, através da Datang e da Siemens, sendo previsto o seu lançamento no ano de 2005.
Universal Mobile Telefony System (UMTS)
O UMTS é o sistema sucessor ao GSM para a terceira geração de telefones móveis. Este sistema foi standardizado pela 3GPP, sendo a resposta Europeia ao IMT-2000. O sistema UMTS irá evoluir por etapas, designadas releases:
- release ’99:
- 64kbps em tecnologia de circuitos comutados
- 384kbps em tecnologia de pacotes comutados
- Serviços de Localização
- Serviço de chamadas: compatível com GSM e USIM
- release 4:
- release 5:
- IP Multimedia Subsystem (IMS)
- HSPDA
- IPv 6, IP UTRAN
- Melhoramentos em Geran, Mexe, etc.
- release 6:
- Integração com WLAN
- Broadcast Multimedia
- Melhoramentos no IMS
Ao contrário do que acontece no sistema GSM, o sistema UMTS possui uma arquitectura por camadas, tal como acontece na Internet. A camada superior é a camada de serviços, permitindo ao utilizador aceder aos serviços disponibilizados. A camada intermédia é designada por camada de controlo que permite o controlo da evolução da estrutura da rede, designadamente os procedimentos, e de uma utilização dinâmica da sua capacidade. A camada inferior designa-se por camada de ligação, sendo responsável pela transmissão de voz e dados por ATM/AAL2 ou IP/RTP.
O sistema UMTS tem como base a interface de rádio W-CDMA e as infra-estruturas GSM. Este sistema suporta velocidades de transmissão até 1920kbps, sendo esperado em zonas urbanas 384kbps. O UMTS permitirá assim um acesso rápido à Internet e a conteúdos multimédia, possibilitando a realização de vídeo-chamadas.
O núcleo do sistema UMTS é o MAP (Mobile Application Part) do GSM, responsável pelos protocolos de encaminhamento de chamadas e, também, pelos codecs de áudio AMR e EFR.
O W-CMDA é frequentemente utilizado como termo para identificar os vários standards 3G que o utilizam, sendo os casos do UMTS, FOMA e J-Phone.
O UMTS utiliza 2 canais de 5 MHz, um na frequência de 1900 MHz para uplink e outro na frequência de 2100 MHz para downlink, enquanto que o CDMA2000 utiliza apenas canais de 1,25 MHz, requerendo assim menor largura de banda.
A nível de frequências o UMTS é incompatível com o GSM. Neste momento todos os terminais disponíveis de 3G são híbridos UMTS/GSM, podendo assim trabalhar com as duas redes. O terminal detecta em que tipo de rede se encontra e automaticamente selecciona a indicada. Devido a esta incompatibilidade torna-se dispendioso para as operadoras a migração completa de GSM para UMTS, pois terão de comprar novas licenças para utilização do espectro rádio.
Terceira Geração e Meia (3.5 G)
High Speed Downlink Packet Access (HSPDA)
O HSPDA é considerado o futuro do UMTS, sendo também normalmente designado por 3.5G. É um sistema baseado em comutação de pacotes utilizando W-CDMA, conseguindo velocidades de transmissão na ordem dos 8-10Mbps e podendo atingir os 20Mbps em sistemas MIMO. HSPDA irá implementar as seguintes tecnologias:
· AMC (Adaptative Modulation and Coding)
· MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)
· HARQ (Hybrid Automatic Request)
· procura rápida de célula
· implementação de recepção avançada
Segundo os standards 3GPP (3G Partnership Project), as especificações da release 5 indicam a implementação do HSPDA que apresentará ligações de 10Mbps, permitindo serviços multimédia baseados em comutação de pacotes. Os sistemas MIMO serão implementados segundo a release 6. O sistema HSPDA é retro compatível com os sistemas WCDMA release ’99.
IP Multimedia Subsystem (IMS)
O IMS oferece aos operadores a oportunidade de construir uma infra-estrutura que permite um serviço IP que irá facilitar o download de conteúdos multimédia e de aplicações de Internet.
Os standards recomendam a adopção do SIP (Session Initiation Protocol) como o protocolo de controlo do serviço, possibilitando aos operadores fornecer várias aplicações simultaneamente por múltiplos tipos de acesso, como o GPRS ou UMTS. O IMS vai assim acelerar a adopção do protocolo IP em dispositivos portáteis sem fios (handsets), permitindo aos utilizadores comunicar por voz, vídeo, texto e através de uma sessão cliente num dispositivo portátil.
Uma das primeiras aplicações a ser lançada para este serviço foi o Push-To-Talk over Cellular (PoC). No futuro próximo também serão disponibilizadas aplicações de instant messaging e de voice and video over IP.
Quarta Geração (4G)
A 4G será a próxima geração a aparecer comercialmente no mercado num futuro a médio prazo.
Esta geração, ainda não totalmente especificada, terá como objectivos permitir um acesso de elevada velocidade, semelhante a uma rede local (10Mbps e 100Mbps), e permitir também maior mobilidade a nível mundial. Será também a primeira a incorporar tecnologia wireless LAN, como o Wi-Fi e outros sucessores da geração actual (3G).
O conceito de pervasive networks estará presente nesta geração. Este conceito admite que um utilizador esteja ligado simultaneamente a várias redes de diferentes tecnologias, permitindo a comutação instantânea entre estas, e utilizando as vantagens de cada tecnologia para obter vários tipos de conteúdos de forma mais eficiente.
Dentro deste conceito inovador encontra-se a tecnologia smart-radio que permite uma gestão mais eficiente do espectro de frequência utilizado e da potência de transmissão necessária, assim como a utilização de protocolos de mesh routing.
A 4G será baseada totalmente no sistema de comutação de pacotes, não implementando a tecnologia de comutação de circuitos. Desta forma, os sistemas de rede serão totalmente digitais.
Serão implementadas também políticas de segurança de rede mais rígidas e fiáveis.
A seguinte tabela, mostra as diferenças entre a 3G e a 4G:
Tab 1: Comparação entre 3G e a 4G
A gestão de mobilidade é extremamente importante na 4G, pois será necessário que exista roaming entre vários segmentos de rede. A camada de transporte não permite a co-existência de várias tecnologias de rede a este nível, enquanto que a camada de rede permite o suporte para mobilidade entre redes com diferentes camadas de transporte.
O IP Móvel é uma solução simples e global de forma a implementar a desejada mobilidade. Contudo, este não apresenta suporte para gestão em tempo real de localização e mecanismo rápidos e infalíveis de handoff. Para tal será desenvolvida de uma nova arquitectura de rede com algoritmos inteligentes de optimização de routing.
Durante o handoff é possível existir perdas de dados e atrasos de transmissão. Para aplicações multimédia em tempo real e protocolos de transporte, estas perdas de dados apresentam um risco inaceitável, fazendo com que sejam implementados protocolos de sinalização mais eficientes e protocolos de handoff com padrões de mobilidade e geo-localização para maior eficiência.
Digital Video Broadcast Handheld (DVB-H)
O DVB-H é o último desenvolvimento do DVB Project que pretende levar a televisão digital a aparelhos móveis de pequena dimensão como telemóveis e PDAs. Baseado na grande capacidade móvel do DVB-T, o DVB-H oferece elevada velocidade de transmissão e fiabilidade.
O DVB-T (Digital Video Broadcast Terrestrial), lançado em 1997, não foi desenhado para as telecomunicações móveis contudo, após alguma experimentação, foram lançados na Alemanha e em Singapura propostas comerciais tendo em vista este sector. No entanto, o DVB-T requer um elevado consumo de energia, o que é um grave problema para dispositivos móveis. Assim, tendo em conta esta desvantagem, criou-se o DVB-H.
Um requisito essencial do DVB-H é a capacidade de receber a uma taxa de transmissão de 15Mbps, num canal de 8 MHz, numa rede de frequência única (SFN - Single Frequency Network). Ao contrário do DVB-T, o DVB-H utiliza time slicing em vez de transmissão de dados contínua e permite a recepção de “rajadas” de dados num intervalo de tempo, denominado por IP datacast carousel. Assim, um receptor pode estar grande parte do tempo inactivo, sendo desligado por um sinal de controlo, o que resulta numa poupança de energia igual ou superior a 90%.
Adicionando aos modos existentes (2K e 8K) o modo 4K com 3409 portadoras, o DVB-H consegue obter um compromisso entre as elevadas taxas de transmissão do 2K e elevada área de cobertura do 8K.
MPE-FEC é um esquema opcional que permite a correcção de erros a nível de multiplexagem, permitindo que as transmissões DVB-H sejam mais robustas. Este esquema é extremamente vantajoso em ambientes congestionados e para fracos sistemas de antenas em equipamentos móveis.
Como o DVB-T, o DVB-H pode usar canais de 6, 7 e 8 MHz. No entanto, uma opção de 5MHz é também especificada para ser usada em zonas onde não é feito broadcast. Um operador móvel pode transmitir o DVB-H e o DVB-T, utilizando a mesma multiplexagem.
O DVB-H e o 3G Broadcast são uma excelente forma de chegar a vários utilizadores através de um único serviço. O DVB-H oferece mobilidade e também um baixo consumo de energia, possibilitando serviços multimédia bidireccionais simétricos e assimétricos a terminais de funcionamento a bateria, o que constitui um importante complemento às redes 3G.
Neste momento estão a ser realizados testes na Alemanha, Finlândia e Estados Unidos e o DVB-H deverá ser uma realidade comercial no princípio de 2005.
Fig
1:Nokia 7700 terminal GPRS compatível com DVB-H
Conclusão
A primeira geração deu comercialmente início às comunicações móveis. Tratou-se de uma geração analógica implementa sobre FDMA. Devido à modulação do sinal em amplitude (GSKM), os terminais emitiam sinais de elevada potência, tornando os telefones móveis dessa geração pesados e volumosos. A comunicações era apenas possível ser de voz, não existindo qualquer outro tipo de transferências de dados. O número de chamadas possíveis dentro de uma célula era muito limitado pela largura de banda disponível e pelo número de canais que não estariam a ser utilizados para realizar chamadas.
A segunda geração implementou a era digital nas comunicações móveis. Assente no TDMA e no CDMA, permitia um melhor aproveitamento do espectro de frequências. Novos serviços foram introduzidos, sendo possível a transferência de dados. O mesmo canal de frequência era partilhado por vários utilizadores através do TDMA, atribuindo uma timeslot a cada utilizador. O CDMA, técnica concorrente, permitia que todos os utilizadores partilhassem todo o espectro de frequência, utilizando um código único para codificar a informação que seria descodificada mais tarde na estação de base.
O GPRS veio introduzir nas comunicações móveis a tecnologia de pacotes comutados. Foi assim possível aumentar a velocidade de transferência de dados para 30-70kbps. Esta tecnologia trata-se de uma ligação always on, permitindo que vários utilizadores partilhem um canal de transmissão, utilizando-o apenas quando necessitam de transmitir dados. Os utilizadores que não estão a transferir dados libertam a sua largura de banda para os utilizadores que dela necessitam nesse momento.
A terceira geração permite o acesso a alta velocidade a conteúdos multimédia, revolucionando as comunicações móveis actuais. Atingindo valores de transferência de 384kbps, é possível um acesso de alta velocidade à Internet, novos serviços como a vídeo-chamada e acesso a conteúdos multimédia em tempo real. O UMTS é um sistema 3G regulamentado pela organização 3GPP, desenvolvido sobre o W-CDMA, uma evolução do CDMA e que é mais do que uma tecnologia de múltiplo acesso, trata-se de um conjunto de protocolos que define todo o sistema UMTS. O UMTS trabalha nas novas frequências de 1900 MHz (downlink) e 2100 MHz (uplink), não sendo assim compatível com o GSM.
O UMTS será desenvolvido segundo etapas, designadas por releases. A release 6 irá implementar o HSPDA, que será considerada a 3.5G. Serão atingidas velocidade de transmissão de 10Mbps, sendo mais tarde atingido os 20Mbps.
A quarta geração
irá introduzir uma nova forma de sistemas de comunicações, uma nova
rede que designaremos por pervasive network que terá como base
várias tecnologias e que permitirá a permutação entre estas. Este conceito
irá possibilitar atingir velocidade de transferência de 100Mbps e uma
mobilidade nunca antes conseguida. Será um sistema global, numa rede
totalmente digital, utilizando unicamente comutação de pacotes, aproximando
a Internet das redes móveis como nunca havia sido possível.
Bibliografia
Livro: [1] Harte, Lawrence & Bowler, David (2004). Introduction To Mobile Telephone Systems: 1G, 2G, 2.5G, and 3G Wireless Technologies and Services. ALTHOS
Páginas Web consultadas:
http://www.bit.pt/imprimir/capa/bit31.htm
http://www.alunos.uevora.pt/~l10454/3g.htm
http://www.privateline.comhttp://www.iec.org/