2004

11/30/04

Presente e Futuro

das Comunicações Moveis

2ª Geração

Já na década de 80 se observava um rápido desenvolvimento da comunicação móvel analógica em alguns países Europeus. Cada país desenvolvia o seu próprio sistema, o que tornava todos os sistemas desenvolvidos incompatíveis entre eles. Esta situação era altamente indesejável visto que limitava o mercado de cada tipo de equipamento e também separava a tão desejada Europa unificada. Isto foi apercebido rapidamente e em 1982 na CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) foi formado o Groupe Spécial Mobile (GSM) para formar um sistema público de comunicação móvel terrestre pan-europeia.

Em 1989 a responsabilidade do GSM foi entregue ao ETSI (European Telecommunication Standards Institute) e em 1990 as especificações da primeira fase do GSM foram publicadas. O serviço comercial iniciou-se em meados de 1991. Apesar de ser um standard Europeu, várias redes foram criadas ou planeadas em países do Médio Oriente, Ásia, África, América do Sul e Austrália. Em 1995 existiam já 5 milhões de subscritores. GSM passou a significar, muito correctamente, Global System for Mobile Communications.

É interessante realçar que durante o desenvolvimento do GSM foi escolhido um sistema digital, na altura, não provado. Esperava-se que os avanços nos algoritmos de compressão e nos processadores digitais de sinais viessem a permitir que todas as especificações iniciais fossem cumpridas e o continuo avanço do sistema em termos de custo e qualidade. As quase 6000 páginas de recomendações GSM tentam permitir a flexibilidade e inovação competitiva entre os fornecedores do serviço, mas ao mesmo tempo garantir a inter compatibilidade entre estes.

Características Técnicas do GSM

A rede GSM encontra-se subdividida em três grandes grupos: o terminal móvel (Mobile Subsystem), o subsistema do terminal de base (Base Station Subsystem) e o subsistema da rede (Network Subsystem), como se pode ver na seguinte imagem:

Tipologia da Rede GSM

O terminal móvel é transportado pelo subscritor do serviço, enquanto que o subsistema do terminal de base controla a ligação com o primeiro. O subsistema de rede tem a função de controlar as ligações entre o terminal móvel e os outros subscritores de redes móveis ou fixas, assim como o controlo de mobilidade (que permite que o subscritor possa estar a variar a sua localização física durante a transferência de dados/voz).

Outra implementação do sistema GSM foi o cartão SIM. Este fornece ao subscritor mobilidade entre terminais diferentes, utilizando, para este fim, dois números de identificação: o IMEI (International Mobile Equipment Identity), do terminal móvel, e o IMSI (International Mobile Subscriber Identity), do cartão SIM.

De modo a aproveitar ao máximo a largura de banda o GSM usa uma combinação de TDMA (Time Division Multiple Access) e FDMA (Frequency Division Multiple Access). A nível de FDMA, divide a largura de banda máxima de 25MHz em 124 frequências portadoras com 200kHz de largura de banda, sendo uma ou mais portadoras seleccionadas para cada um dos terminais de base. Por sua vez cada uma das portadoras está dividida no tempo através do esquema TDMA, em que cada frame temporal é dividida em oito períodos de tempo. Estes últimos (Burst Periods) constituem um canal.

Um grupo de 26 frames constitui um canal de tráfego, um é usado para o SACCH (Slow Associated Control Channel) e o último não é utilizado.

Acrescentam-se ainda oito canais TCH de controlo.

Para a codificação de voz é usado um codificador RPE-LPC (Regular Pulse Excited – Lienar Predictive Coder), cuja a ideia básica é usar as amostras anteriores para prever a amostra actual, conseguindo-se assim uma frequência de bit de 13kbps.

Durante a duração de uma chamada as ligações efectuadas não estão permanentemente alocadas. Pode acontecer que a chamada mude de canal ou célula, a isto chama-se handover ou handoff. Os handovers podem ser iniciados tanto pelo terminal móvel como pelo centro de trocas dos serviços móveis. Quando um terminal está num tempo morto ele verifica quais são os melhores candidatos e forma uma lista de 6 que depois envia para os centros de controlo. Cabe a estes, seguindo um certo algoritmo, a selecção do handover.

Topo da torre de suporte e antenas GSM

Um grande problema dos terminais móveis é que precisam de transportar a sua própria fonte de energia, o que faz com que a poupança desta seja muito importante. Um dos métodos usados para atingir este fim é fazendo com que o terminal entre num modo de suspensão, durante o qual a energia consumida é mínima, durante o qual o terminal fica apenas atento ao seu próprio sub-canal de controlo à espera dum aviso de recepção de dados.

Uma parte importante da comunicação por ondas electromagnéticas é a segurança da informação transmitida. Tendo em conta que qualquer pessoa pode aceder a estas ondas há que criar um sistema que codifique a informação. Para isto o GSM criou alguns algoritmos de encriptação. Existe no cartão SIM um código secreto e no AuC (Authentication Center) existe uma cópia deste. Quando se inicia a ligação o AuC gera um número aleatório que é enviado ao terminal móvel e usando um algoritmo de encriptação ambos encriptam esse número usando o código secreto. O resultado é enviado pelo terminal móvel ao AuC e este compara-os, se forem iguais o subscritor é autenticado. Também usando o código secreto e o número aleatório e através dum algoritmo de encriptação diferente procede-se também à encriptação dos Burst Periods. Consegue-se assim uma comunicação virtualmente indecifrável.

No Equipment Identity Register encontra-se uma lista de IMEIs registados na rede. Estes podem estar na categoria white-listed, em que é permitida a autenticação, ou grey-listed, em que a autenticação é permitida mas o terminal fica sob observação, ou black-listed, em que o terminal foi reportado como roubado ou então não é dum tipo aprovado e cuja autenticação não é permitida.

Serviços Disponibilizados

O serviço mais básico fornecido é a comunicação de voz. Esta é codificada digitalmente e enviada através da rede GSM num sinal digital. Existe também um serviço de emergência onde é necessário introduzir um código de três dígitos para o activar.

Os utilizadores do serviço GSM podem enviar e receber dados, a velocidades até 9600bps, de utilizadores de, entre outras, POTS (Plain Old Telephone Service) e ISDN. Para isto são usados protocolos como o X.25 e o X.32. Outros serviços incluem SMS (Small Message Service), que permite o envio de mensagens alfanuméricas com um tamanho máximo de 160 bytes, fornecendo ao emissor uma aviso de recepção.

São também permitidos os reencaminhamento e barramento de chamadas, identificação de chamadas e chamadas em espera, entre muitos outros.

Um dos mais recentes serviços adicionados ao GSM é o WAP, onde se tenta aproximar a Internet da comunicação móvel. Para isso desenvolveu-se a WML (Wireless Markup Language), uma linguagem derivada da HTML com características especialmente concebidas para redes móveis. No terminal móvel adicionou-se um pequeno browser que efectua pedidos a uma WAP Gateway que, por sua vez, retira a informação de um servidor de Internet e a envia para o cliente WAP, passando a informação por um filtro de modo a traduzir esta para WML caso necessário.

Outro serviço com o objectivo de permitir uma maior aproximação da Internet é o GPRS. Este é um serviço de transferência de dados que consegue atingir velocidades de transferência de 171.2kbps. Assim consegue-se um acesso à Internet (usando o terminal móvel como meio de ligação de um computador à Internet) bastante rápido. No entanto os recursos apenas são alocados quando estão a ser necessários, libertando-os para outros utilizadores.

3ª Geração

Com a crescente oferta de conteúdos multimédia nos diferentes ramos de comunicações (telefone, TV por cabo, satélite, Internet de alta velocidade, etc.) tornou-se inevitável que as comunicações móveis teriam de possibilitar este tipo de oferta.

Para que a plataforma fosse o mais robusta possível, uma vez que estava implícita uma maior complexidade na concepção e implementação das redes, foram concertados esforços entre os principais blocos a operar com redes de 2ª geração e diversos fabricantes de equipamento através do 3GPP para se chegar a uma norma universal o UMTS (Universal Mobile TeleCommunication System).  Estes objectivos foram quase atingidos, sendo o sistema comum na Europa e Ásia, no entanto como o espectro de frequências estabelecido para este tipo de comunicações já se encontrava ocupado nos Estados Unidos pela 2ª geração de telemóveis, ficou estabelecido que gradualmente os Estados Unidos iriam libertando espectro para o UMTS à medida que fossem substituindo os telemóveis de 2ª pelos de 3ª geração.

Características Técnicas do UMTS

O UMTS utiliza a tecnologia digital de WCDMA também chamada de UTRA (Universial Terrestrial Radio Access) que existe nos modos FDD (Frequency Division Duplex) e TDD (Time Division Duplex), servindo a sigla WCDMA para abranger os dois modos. Para além do WCDMA podem ser utilizados outras interfaces para ter acesso à 3ª geração como o EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) que possibilita em conjunto com o GPRS (General Packet Radio Service) uma migração mais económica para o UMTS, no entanto as taxas de transferência têm débito mais baixos. No caso do EDGE é possível fornecer serviços a uma taxa máxima de 500 kbps com um canal de 200kHz. Para o GPRS a taxa máxima é de 172,2 kbps. Para o WCDMA é possível ter uma taxa máxima de 2Mbps, no entanto é necessária uma largura de banda de 5 MHz para suportar comunicações a taxas tão elevadas.

As redes de UMTS são compostas por macro células, micro células e pico células. O tamanho da célula implica uma variação do alcance, a mobilidade do utilizador e as taxas de transferência máximas como se pode ver na tabela abaixo.

Caracteristicas da rede UMTS

Tipos de células UMTS

Cada uma destas células pode enviar em simultâneo com outras pacotes de dados para o mesmo utilizador sendo o terminal que junta os dados de forma a torna-los coerentes.

Toda a rede de UMTS é muito complexa pois é necessário garantir diferentes graus de qualidade consoante o serviço que se está a prestar ao utilizador. É devido a este facto que cada vez mais diferentes operadores a actuarem no mesmo mercado defendem a criação de uma rede comum de modo a simplificar o planeamento e concepção das redes.

Terminais e serviços Disponibilizados

Os terminais de UMTS distinguem dos telemóveis da 1ª e 2ª geração pela diversidade de formas que podem assumir não se resumindo apenas a interfaces de voz, podendo assumir a forma de um interface adequado a um ou mais tipos de conteúdos multimédia que sejam disponibilizados. Como a transmissão é feita por pacotes e estes podem ser enviados por mais do que uma antena em simultâneo cabe aos terminais proceder à descodificação quer dos pacotes quer do seu conteúdo. Para o sucesso de migração para esta geração de terminais tem de se ter em conta a minimização do seu tamanho face à sua capacidade multimédia, a incorporação de funcionalidades que poderão aumentar a dificuldade de utilização, o aumento da capacidade de processamento que poderá levar a um aumento de consumo assim como a incorporação da antena no terminal que implicará uma diminuição da potência radiada, entre outros.

Telemóvel 3G (Nokia 7710)

O UMTS devido às suas capacidades permite passar para as comunicações móveis praticamente todos os serviços de multimédia fornecidos por outros canais de comunicações, no entanto para aplicações mais complexas e que exijam maiores taxas de transferência poderá não ser economicamente viável a sua utilização, embora sejam tecnicamente possíveis.

De seguida passam-se a enumerar alguns serviços que podem beneficiar do UMTS:

Serviços de:

• mensagens simples como: SMS, E-mail, Fazer encomendas e Pagamentos;
• transmissão de dados como: acessos a Fax, Internet de baixa e alta velocidade
• transmissão de voz: Telefonema, Voicemail, Teleconferência;
• transmissão multimédia: Videotelefonema, Videoconferência, trabaljo à distância, tele-presença, jogos interactivos, banca e comércio electrónico, Videoclips on Demand

A Futura Geração – 4G

Os operadores de telecomunicações estão lentamente a iniciar a introdução de serviços da terceira geração (3G). À medida que as tecnologias de acesso aumentam, serviços de voz, vídeo, multimédia, e serviços de dados de banda larga, tornam-se cada vez mais integrados dentro na rede.

A esperança depositada no 3G era que permitisse construir uma verdadeira rede global de alta-velocidade, dadas as suas limitações, ainda não vai ser possível.

Relação Débito de Dados - Mobilidade de várias tecnologias.

A 4ª Geração é suposta fornecer alta-velocidade, alta-capacidade, baixo custo por bit e serviços baseados em IP. O objectivo é fornecer débitos de dados de 20 Mbps. O mais provável é que a rede 4G seja uma combinação de várias tecnologias (as redes celulares actuais, as redes 3G, as redes WiFi, fixas, etc…) trabalhando em conjunto usando um protocolo de interface adequado (por exemplo IP móvel).

Em 2005 ocorrerá a conferência anual do 4GMF (The Fourth Generation Mobile Forum) em San Diego onde se reúnem especialistas em comunicações para discutir o futuro das comunicações móveis.