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Universidade de Uberaba - UNIUBE Prof. Marcelo Eustáquio Pereira Elias

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Comunicações Móveis

Introdução A idéia básica dos sistemas de comunicação móvel é proporcionar comunicação (voz e recentemente dados) ao usuário final estando ele em casa , no escritório , viajando , férias , etc ... , derrubando com isso o paradigma de que a comunicação deveria sempre estar vinculada a um ponto FIXO da rede pública , seja ela de voz ou dados . Os primórdios das comunicações móveis surgiram no início do século XX (como veremos a seguir) e foram sendo melhoradas ao longo do tempo , em decorrência da evolução dos equipamentos , componentes e conceitos , levando aos modernos sistemas celulares conhecidos na atualidade . Podemos apontar como a grande vantagem dos sistemas celulares a COMODIDADE proporcionada , AGILIDADE NA TOMADA DE DECISÕES (poderosa ferramenta de trabalho) , POSSIBILIDADE DE COMUNICAÇÃO EM QUALQUER LUGAR (desde que a tecnologia permita) , e , recentemente COMUNICAÇÃO DE DADOS . Como desvantagens podemos enumerar os ainda ELEVADOS CUSTOS DE TARIFAS (tendem à redução frente à privatização do sistema TELEBRÁS e consequente entrada da concorrência) , INCOMPATIBILIDADE ENTRE ALGUNS SISTEMAS (bases tecnológicas diferenciadas) , PROBLEMAS INERENTES À COBERTURA (áreas de sombra – shadowing effect – interferências ,etc ...) e ERROS EM CONTA (cobranças indevidas de deslocamentos , etc ...) provocados pela inexistência de um sistema de faturamento – billing – realmente eficiente . Estaremos apresentando a seguir um histórico relativo ao surgimento e ao desenvolvimento dos sistemas em questão . HISTÓRICO A origem das primeiras teorias relativas à ondas eletromagnéticas datam do ano de 1680 quando Isaac Newton estabeleceu as primeiras teorias sobre a composição da luz branca , onde afirmou que a mesma é constituída de várias cores . Tal teoria despertou a atenção de vários cientistas de muitos países da europa na época . Várias pessoas se dedicaram ao estudo da luz (e , consequentemente , das ondas eletromagnéticas) desde então , como Herschel , Ritter , Thomas Young , Fresnel , etc ... .


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No caso específico das comunicações via rádio , podemos considerar como marco zero a invenção do TRANSMISSOR DE RÁDIO , em 1897 , por Marconi . Desde então foram relacionadas as primeiras aplicações de rádio móvel à navegação marítima e à segurança dos navios no mar . As primeiras transmissões aconteceram em código morse . • Em 1906 – Reginald Fesseden transmite VOZ HUMANA com sucesso pelo rádio . • Em 1915 – J. A. Fleming inventa o tubo a vácuo • Em 1921 – Departamento de polícia de Detroit utilizou uma frequência de 2 MHz no

PRIMERO RÁDIO MÓVEL VEICULAR do departamento . O sistema funcionava apenas em um sentido (SIMPLEX) e os policiais tinham que achar um telefone para responder à mensagem de rádio .

• Em 1930 os sistemas móveis AM de duas vias estavam instalados nos EUA , que tirou proveito dos recentemente desenvolvidos TRANSMISSORES MÓVEIS , que utilizavam o sistema PUSH TO TALK ou transmissão half duplex .

• Em 1935 – A invenção da modulaçãoo se em frequência (FM) por Edwin Armstrong melhorou a qualidade das transmissões . Tal fato eliminou a necessidade dos grandes transmissores AM e reduziu a alimentação necessária para operar , tornando mais prático o uso de transmissores em veículos .

• Meados de 1940 – FCC (Federal Comunications Comission) reconheceu o serviço de comunicação classificado como SERVIÇO DE RÁDIO MÓVEL TERRESTRE PÚBLICO (DPLM – Domestic Public Land Mobile)

• O primeiro sistema DPLM – St. Louis (1946) utilizando a faixa de 150 MHz . • No ano seguinte (1947) – Desenvolvimento de um “Highway Sistem” ao longo da

estrada New York – Boston , usando a faixa de 35 ~ 40 MHz • No mesmo ano (1947) – D. H. Ring (BELL LABS) desenvolveu o CONCEITO

CELULAR • 1948 – Shockley , Bardeen e Brittain (BELL LABS) inventaram o TRANSISTOR ,

possibilitando a miniaturização dos equipamentos eletrônicos e , consequentemente dos transmissores / receptores .

• 1949 e 1958 – O sistema BELL fez propostas para a BROADBAND (banda larga : canal de transmissão cuja largura de banda é maior que um canal de voz .

• 1964 – AT&T introduz o IMTS (Improvement Mobile Telephone Sistem) – Sistema de telefonia móvel melhorado .

• 1969 – Os países nórdicos (Dinamarca , Finlândia , Islândia , Noruega e Suécia) concordam em formar um grupo para estudar e recomendar áreas de cooperaçào em telecomunicações ; Isto conduziu à PADRONIZAÇÃO das telecomunicações para todos os sócios do grupo – NMT : Nordic Mobile Telecom . O NMT é considerado o primeiro grupo de padronização internacional completo

• 1973 – O NMT espeificam as características que permitem localizar telefones móveis dentro e através das redes . Esta característica se tornaria a base do ROAMING

• 1979 – FCC autoriza a instalação e teste do primeiro sistema celular desenvolvido nos EUA (Ilinois Bell Telephone Company)

• Em setembro de 1981 , a ERICSSON lança o primeiro sistema celular do mundo BASEADO NO PADRÃO NMT , na Arábia Saudita .

• 1982 – CEPT (Organization of European telecomunication services) cria o GSM


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• 1983 – Foi criado o primeiro sistema de telefonia móvel avançado (AMPS – Advanced mobile phone sistem) . Os primeiros testes começaram em 13 de outubro , em Chicago

• 1984 – A ERICSSON lança o primeiro sistema celular no mercado norte-americano , dia 2 de abril , em Búfalo

• 1987 – TDMA (Time Division Multiple Acess) foi adotado como padrão para o GSM • No Brasil , o primeiro sistema celular foi lançado em 1992 em Brasília e ,

posteriormente no Rio de Janeiro • A terceira região do país a ter o serviço celular foram as cidades de Uberlândia ,

Uberaba e Franca (CTBC Telecom) • Posteriormente , o sistema foi difundido para o resto do país . REUSO DE FREQUÊNCIA Os primeiros sistemas de comunicação móvel , como descrito anteriormente , funcionavam utilizando TODO o espectro de frequências / canalização alocados para o serviço na mesma região , associadas a áreas de coberturas muito grandes .

A grande questão era como atender a crescente demanda , uma vez que existiam limitações de espectro (consequentemente , de número de canais) . Além do mais , as potências envolvidas na transmissão / recepção de sinais era alta (função da área coberta) Pensando nisso , D.H.Ring (Bell Labs) , em 1947 , criou o CONCEITO CELULAR , que forneceu a solução para os principais problemas encontrados nos sistemas de rádio móvel . O problema da limitação do espectro foi solucionado pela DIMINUIÇÃO de cada célula (pela redução de potência e uso de antenas adequadas – painel) , permitindo REUTILIZAR a mesma faixa de frequências (mesmos canais) , respeitando-se intervalos espaciais que garantam algumas condições mínimas de isolação entre eles (C/I) , evitando-se com isso interferências do tipo COCANAL . Com relação aos problemas de potências , com a diminuição das potências de saída das estações e , consequentemente do tamanho das células , tornou-se mais fácil equilibrar a potência de saída do móvel , favorecendo assim o balaceamento de potências entre o UPLINK e o DOWNLINK . Uma forma mais simples de se entender o reuso de frequências é através do exemplo de estações de rádio , situadas em cidades distintas .


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Desde que estas estações estejam a uma distância suficiente , de forma que não exista interferência entre elas , estas podem , perfeitamente , fazer uso da mesma portadora (mesma frequência) para transmissão de informação . Vale a pena dizer que o princípio do reuso de frequências vale somente para os sistemas que fazem uso da tecnologia de acesso AMPS / TDMA , baseadas em canais FDM . O processo utilizado pela tecnologia de acesso CDMA é um pouco diferente e será discutido em seções posteriores . FAIXAS DE FREQUÊNCIA UTILIZADAS Devido ao rápido crescimento do tráfego celular , tornou-se necessário às autoridades regulatórias alocar novas bandas de frequência , diferentes daquelas utilizadas inicialmente pelos serviços de rádio móvel , visando padronização do sistema . Em 1974 , o FCC alocou inicialmente 40 MHz , conhecido como “banda não-extendida” (NES – non extended sistem ) entre 800~900 MHz , para aplicações celular . O sistema AMPS , introduzido em 1979 , foi adotado pelo FCC . Licenças para exploração foram vendidas em 1982 para as conhecidas BANDA A e BANDA B , cada uma operando com 20 MHz de largura de faixa cada uma .


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Devido ao sucesso do sistema e consequente incremento de tráfego , surgiu a necessidade de mais largura de faixa para o sistema . Foi então designada uma banda adicional de 10 MHz , conhecida como “banda extendida” (ES – Extended sistem) , sendo 5MHz para a banda A e 5 MHz para a banda B . A telefonia celular provê comunicação FULL-DUPLEX , que requer transmissão simultânea em ambas as direções : DOWNLINK (caminho direto – ERB ⇒ móvel) e UPLINK (caminho reverso – Móvel ⇒ ERB) . Para que isto aconteça , existe uma banda de guarda de 45 MHz entre as frequências de transmissão de UPLINK e DOWNLINK , cuja finalidade é combater interferência entre frequências de TX e RX .

Como pode-se observar , o total de 50 MHz é dividido entre as 2 classes , sendo 25 MHz para a banda A e 25 MHz para a banda B . Destes 25 MHz , 12,5 MHz são alocados para o UPLINK e 12,5 MHz são alocados para o DOWNLINK . Associemos agora a comunicação entre a estação móvel (EM) e a estação rádio-base (ERB) ao conceito de canal . Nos sistemas de telecomunicações , canal é definido como um elemento que permite trafegar informações , normalmente em regime full-duplex , entre dois pontos , podendo ser este elemento um sistema óptico , um enlace de rádio , etc ... . Podemos então dizer que o conjunto de portadoras (TX / RX) usadas numa comunicação entre a ERB e a EM constitui-se num CANAL , uma vez que permite comunicação de sinais entre 2 pontos .


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Sabemos no entanto que as portadoras usadas no UPLINK estão separadas das portadoras usadas para DOWNLINK de 45 MHz . Portanto , no sistemas celulares AMPS/TDMA , um CANAL é composto por um par de frequências (TX/RX) , SEPARADAS DE 45 MHz .

Cada canal necessita de uma largura de faixa mínima , de forma que o mesmo permita a passagem taravés de si dos dados necessários à uma conversação dentro dos padrões de qualidade exigidos . Esta lagura de faixa de cada canal é função do tipo de modulação usada para transmissão / recepção . No nosso caso , para comunicaçõe celulares , faremos uso da regra de CARSON , uma vez que a modulação usada para voz no sistema AMPS é a modulação FM : LFmín = 2 * (Fmáx bb + DESVIO DE FREQUENCIA) Onde : - LFmín : Largura de faixa mínima - Fmáxbb : Frequência máxima para a banda básica No nosso caso , para a banda básica , adotemos uma frequência máxima para a banda básica de 3,5 KHz . O desvio de frequência é função do tipo de equipamento adotado . No sistema AMPS , este valor é ajustado no modulador e apresenta valores de 11 a 12 KHz . Para efeitos de cálculo adotaremos desvio = 11,5 KHz . Portanto , a largura de faixa mínima ficará :


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LF = 2 . (3,5 + 11,5) ⇒ LF = 30 KHz Este é então a largura de faixa de cada canal do sistema AMPS . Se analisarmos agora apenas a banda A , teremos a seguinte quantidade de canais : 12,5 MHz / 30 KHz = 416 canais . Se somarmos agora as 2 bandas definidas para o sistema AMPS/TDMA (bandas A e B) , teremos portanto , um total de 832 canais .

Como pode-se observar na tabela , existe um número pré-definido de CANAIS DE TRÁFEGO (canais de voz) , cuja finalidade é servir de meio de comunicação no ato da conversação propriamente dita e CANAIS DE CONTROLE , destinados à busca , acesso e alguns tipos especiais de sinalização entre ERB e EM , quando a EM está ligada mas não existe conversação . Estaremos discutindo com mais detalhes a estrutura dos canais de tráfego / controle posteriormente . Estas estruturas de canalização existem tanto para o padrão AMPS/TDMA quanto para o CDMA , existindo é claro algumas diferenças em função da natureza destas tecnologias . A estrutura de canalização , assim como o sistema CDMA serão apresentados num capítulo a parte . Além das bandas A e B originais , surgiram recentemante licitações em vários países (EUA , Europa e em jan/2001 no Brasil) de outras bandas , destinadas à exploração de telefonia móvel . Nos Estados Unidos este novo serviço , licitado em 1994 , recebeu o nome de PCS (Personal comunication sistem) e prevê já na sua concepção , além dos serviços existentes no SMC , comunicação de dados via ar .Funciona na faixa de 1,9 GHz . Foram comercializadas 6 áreas , sendo 3 delas definidas como MAJOR TRADING AREAS (MTA’s) e BASIC TRADING AREAS (BTA’s) , sendo que para cada uma das MTA’s foi designada uma largura de faixa de 15 MHz , enquanto que para cada uma das BTA’s , uma largura de faixa de 5 MHz . No total , foram leiloados 60 MHz de largura de faixa .


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No caso do Brasil , esta nova banda , designada por BANDA C , será a base para o surgimento do SERVIÇO MÓVEL PESSOAL (SMP) , que prevê , além das características existentes no SMC , serviços baseados no padrão 3G , definidos pelo IMT 2000 . Esta nova banda , que funcionará na faixa de 1,8 GHz , será licitada em jan/2001 e terá como padrão para rede o GSM (Global systems for global comunications , atual sistema usado na Europa, que entre outras características prevê ROAMING mundial) . A ANATEL (Agência nacional de telecomunicações) já está fazendo estudos com o intuito de futuramente abrir licitação de outras 2 bandas a serem exploradas por serviços de comunicações móveis : As bandas D e E .


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ELEMENTOS DE UM SISTEMA CELULAR

Como comentado anteriormente , existem vários padrões de sistema móvel celular em funcionamento por todo o mundo . Apesar disto , existem algumas estrituras básicas comuns a todos os tipos de rede celular . Comentaremos nas linhas a seguir sobre estas estruturas . Mostramos abaixo um exemplo típico de sistema celular genérico :

Um sistema como este não pode existir independente da rede pública comutada existente (PSTN – Public switched telephone network) , uma vez que o sistema celular DEVE , por definição , permitir originação/recebimento de chamadas para/da rede pública comutada . Por isso a interligação entre a rede celular e as centrais trânsito da rede fixa . Este tipo de rede apresentado , que é a base das atuais redes celulares , é conhecido como WIRED-WIRELESS SISTEM .


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Esqueçamos agora a rede fixa e analisemos somente a parte da rede que corresponde apenas à rede celular . Esta , por sua vez , é constituída em sua essência por três elementos básicos, que são : • Estação móvel (EM) • Estação rádio-base (ERB) • Central de comutação e controle (CCC ou MSC) ESTAÇÃO MÓVEL (EM) São constituídos pelos aparelhos celulares existentes . Podem ser tidos como equipamentos TRANSCEPTORES , uma vez que funcionam como transmissores e receptores (full-duplex) , todo o tempo e são tidos como a INTERFACE entre o usuário e o sistema celular. Podem se comunicar em qualquer um dos canais definidos para o serviço móvel . Cada estação móvel apresenta um número de série , assignado na fabricação por meio de gravação em memória não volátil , que serve como IDENTIDADE para o mesmo , chamado de ESN (Eletronic serial number – popular SERIAL) . A finalidade do ESN é identificação da EM pelo sistema celular nos acessos (originação de chamadas) / buscas (recebimentos de ligação) e também assegurar proteção contra fraude , nos sistemas mais novos . As estações móveis são classificadas segundo sua categoria de potência máxima de saída . Conforme descrito abaixo : • Portáteis Como o nome indica , Os telefones portáteis são de tamanho reduzido e podem ser levados com facilidade dentro de bolsas , valises ou pendurados na cintura . São projetados exclusivamente para áreas urbanas , podendo exporadicamente originar e receber ligações em áreas rurais .


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A potência máxima de saída para esta classe de aparelho é 600 mW , sendo esta potência de transmissão controlada pelo sistema , com o intuito de reduzir o nível de ruído no sistema , e , consequentemente , interferências co-canal , além de objetivar níveis de qualidade satisfatórios para a voz , frente a situações de campo (interferências , desvanecimentos , etc...) . A nível sistêmico existem um conjunto de de funções que gerenciam a potência de transmissão de uma EM . Todas as estações móveis devem ser capazes de reduzir / aumentar potência através do comando oriundo do sistema , via ERB , onde o sistema especifica o nível de potência (passo de potência) em que o aparelho deverá operar . Existem 8 passos de potência para a estação móvel , de 0 a 7 , onde o passo 0 corresponde à TANSMISSÃO EM POTÊNCIA MÁXIMA e o passo 7 corresponde à TRANSMISSÃO EM POTÊNCIA MÍNIMA . Cada passo de potência corresponde ao incremento / decremento em 4dB no nível de transmissão , em relação ao estado anterior . Por exemplo , se um determinado aparelho estiver funcionando com passo de potência 4 e o sistema ordenar que o mesmo passe para passo 3 , corresponde dizer que a potência de transmissão do aparelho ficará 4 dB MAIOR em relação ao estado anterior . Para este mesmo exemplo , caso o sistema ordenasse ao aparelho passar para o passo 5 , corresponde dizer que a potência de transmissão do aparelho ficará 4dB MENOR em relação ao estado anterior . A tabela abaixo mostra os níveis de potência , em dBW , para estações móveis , de acordo com cada passo de potência . Note que na tabela existem 4 classes de aparelhos . As classes I e II correspondem a aparelhos analógicos . As classes II e IV correspondem a aparelhos digitais , sendo que somente a classe III existe na prática . (A classe IV é prevista para situações futuras , onde o nível de reuso – através da implantação de novas estações e de micro/pico células para atendimento da crescente demanda – será alto e existirá uma maior necessidade de sed controlar o nível de ruído geral do sistema , que envolverá transmissões em potências mais baixas) .


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• Transportáveis São conhecidos como “telefones de maleta” . Apresentam maiores dimensões e são mais pesados que os telefones portáteis . A potência máxima de saída destes aparelhos também é maior – 3 W – que resulta em maior alcance . Assim como os portáteis , apresentam as mesmas características de controle de potência . As desvantagens são oas dimensões e o fato de existirem apenas aparelhos analógicos nessa classe .

Este tipo de aparelho também é comercializado pelas operadoras para atendimento à áreas rurais , onde as áreas de cobertura das estações envolvidas são essencialmente grandes , nos programas de TELEFONIA CELULAR RURAL . Nestes programas , estes aparelhos recebem o nome de CELULAR RURAL e são instalados de forma fixa na casa do assinante , associados à uma antena YAGI , direcionada para a estação da operadora , seja ela uma ERB , um repetidor / extensor de célula , etc ... .


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• Veiculares Os telefones veiculares tem a mesma potência que os transportáveis (3 W) e são usados exclusivamente instalados em automóveis , sendo a fonte de energia para estes aparelhos a bateria do veículo .

PROCESSO DE CODIFICAÇÃO DE VOZ EM APARELHOS CELULARES DIGITAIS Sabe-se que nos aparelhos celulares analógicos , TODO o processamento interno do sinal é, como o nome diz , analógico . Este fato acarreta ao usuário final perda de todas as facilidades inerentes do serviço digital (identificador de chamadas , tratamento do sinal , etc...) , além é claro de envolver um maior consumo de bateria . O tipo de modulação usada para a canalização analógica é FM , nos canais de tráfego e FSK , nos respectivos canais de controle . Já nos aparelhos digitais , TODO o processamento interno do sinal de voz É FEITO NO DOMÍNIO DIGITAL . Como o sinal de entrada envolvido (voz) é de natureza analógica , existe a necessidade de passar este sinal de entrada para o domínio digital por meio de algum processo de codificação , compatível com as características dos sistemas celulares , ou seja , um sistema relativamente limitado no que diz respeito à largura de faixa (canais de 30 KHz) e , consequentemente , limitado em taxa de transmissão . Nos processos tradicionais de codificação de voz , como o PCM , o sinal analógico é codificado a uma taxa de amostragem de 8000 amostras/segundo (de acordo com o teorema da amostragem) , resultando numa taxa de 64 Kb/s , valor este incompatível com a realidade de canalização do sistema celular . Tornou-se necessário então utilizar outro meio


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de codificação que resultasse em redução da taxa de bits , sem comprometer significativamente a reconstituição final do sinal de voz . Foi a partir daí que se fez opção pela utilização dos VOCODERS (codificadores de voz) , que são sistemas de codificação de sinais analógicos onde se consegue reproduzir o sinal de interesse na saída do sistema a partir de um ruído (branco ou impulsivo) e de um filtro adaptativo .

Para este tipo de sistema , é transmitido apenas os parâmetros do filtro , de forma este só deixará passar as componentes espectrais presentes no sinal analógico original . Como o ruído branco (ou impulsivo) contém praticamente TODAS AS COMPONENTES ESPECTRAIS , estes são utilizados como sinal de excitação do filtro de recepção . O processo utilizado nos vocoders foi desenvolvido a partir da observação do trato vocal do ser humano , que é constituído por tubos ressonantes (faringe , laringe) que respondem de forma diferenciada a um sinal de excitação (som oriundo da vibração das cordas vocais) . Analisando a voz humana no domínio da frequência , verificou-se uma certa periodicidade na sua constituição .


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Após algumas analises matemáticas dos sinais obtidos , chegou-se a conclusão de que poderia-se reconstituir este sinal analógico a partir de um ruido e de um filtro variável , sem perda de qualidade . e ao mesmo tempo reduzir a taxa de bits , uma vez que agora seria apenas necessário transmitir os parâmetros deste filtro . A redução na taxa de bits obtida com este tipo de sistema foi possível graças ao desenvolvimento das técnicas de DSP (Digital signal processor – processamento digital de sinais) , uma vez que envolve um número grande de operações matemáticas em tempo real , definidas em algoritmos complicados . Tal fato não seria possível com a eletrônica clássica Os vocoders usados em sistemas celulares normalmente trabalham com velocidades de 9600 Bits/s e 14400 Bits/s (raro) . As versões de algoritmo usadas para celulares são o VSELP (primeiros celulares digitais) e atualmente o ACELP . ESTAÇÃO RÁDIO-BASE (ERB) A estação rádio-base é o elemento dentro da rede celular que realiza a conversão do sinal elétrico , proveniente da CCC , para sinal de radio frequência , destinado às EM’s . Portanto, assim como a EM , as ERB’s na realidade são elemento de interface na rede celular , sem qualquer capacidade de processamento e controle de chamadas . Basicamente , uma ERB é constituída por : • Sistema irradiante • Tranceptores de rádio-base (Base transceiver systems – BTS) • Controladores dos transceptores de rádio-base (Base station controlers – BSC)


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A) Sistema irradiante Compreende todo o caminho físico que conduz o sinal de RF da saída dos transceptores até a sua irradiação para o espaço livre . É constituído por cabos coaxiais , conectores , duplexadores , cavidades ressonantes (combinadores) , acopladores e antenas . Um fato interessante associado ao sistema irradiante de alguns sistemas celulares é a existência da DIVERSIDADE DE ESPAÇO na antenas de recepção (RX) . Descreveremos a seguir este processo . DIVERSIDADE A diversidade é uma técnica na qual réplicas de um sinal são combinadas na recepção , com o intuito de se obter uma maior confiabilidade na detecção deste sinal . Em um canal de rádio móvel terrestre , devido aos efeitos dos multipercursos , em um determinado instante pode-se ter um sinal recebido com intensidade insuficiente para a recuperação do sinal transmitido . Porém é sabido que quando 2 sinais iguais são transmitidos através deste canal em instantes de tempo distintos e transportados por portadoras distintas , na recepção ter-se-á a seguinte situação : quanto maior a separação temporal entre as réplicas do sinal e quanto maior a separação entre as portadoras utilizadas, menor será a correlação entre as envoltórias dos sinais recebidos . Esta observação de de vital importância para o entendimento da diversidade , ou seja , se de alguma forma é possível disponibilizar ao receptor réplicas da informação transmitida , estas réplicas afetadas diferentemente (de maneira descorreacionada) pelo canal em um determinado instante , UMA RÉPLICA PODERÁ ESTAR EM ESTADO PROFUNDO DE DESVANECIMENTO , mas é grande a probabilidade de que OUTRAS RÉPLICAS NÃO ESTEJAM NESTA CONDIÇÃO . Assim , elas podem ser combinadas para fornecer ao processo de detecção um sinal mais ESTÁVEL que aquele obtido se não houvessem réplicas descorrelacionadas , ou seja , se não houvesse diversidade . São várias as formas de diversidade . dentre elas podemos citar a diversidade temporal , a diversidade em frequência , a diversidade espacial , e a diversidade de polarização . Na DIVERSIDADE TEMPORAL , réplicas da informação são transmitidas em instantes de tempo distintos , sendo que o intervalo de separação entre estas estas réplicas deve ser superior ao tempo de coerência do canal , para que haja sinais descorrelacionados na recepção (** Tempo de coerência do canal é uma medida estatística do intervalo de tempo durante o qual a resposta ao impulso do canal pode ser considerada como invariante , ou , de maneira análoga , é o intervalo de tempo dentro do qual os sinais recebidos possuem grande correlação de amplitude) Na DIVERSIDADE EM FREQUÊNCIA , réplicas da informação são transportadas por portadoras distintas .


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No caso dos sistemas celulares , as mais utilizadas são a diversidade de espaço e a diversidade de polarização . Na DIVERSIDADE DE ESPAÇO , antenas receptoras são fisicamente separadas de tal sorte que que os sinais recebidos por cada uma delas esteja descorrelacionado . Os sinais provenientes destas antenas são então combinados no receptor . Existem 2 formas de se calcular a distância de diversidade entre 2 antenas de recepção . Uma delas leva em consideração o comprimento de onda do sinal envolvido , e a outra utiliza-se do teorema de Lee . Para o primeiro caso , nos sistemas celulares , usa-se a seguinte fórmula :

Dmin = 11,5 * λ ; Dmáx = 17 * λ Que correspondem a valores entre 4 e 6 metros de espaçamento entre as antenas de de RX . Para o segundo caso , usa-se a FÓRMULA DE LEE :

D = H / 11 Onde : - H ⇒ Altura da torre - D ⇒ Distância de diversidade .


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Outro tipo de diversidade muito utilizado nos sistemas celulares é a DIVERSIDADE DE POLARIZAÇÃO . Nela , os dipolos da antena são dispostos de forma diferenciada à anterior (em antenas celulares comuns , os dipolos estão dispostos verticalmente) , podendo estar na configuração horizontal-vertical ou na configuração cruzada , com ângulo de 450 entre eles (configuração também conhecida como X POL 450) .

Pensou-se numa configuração como esta para os dipolos de uma antena celular devido ao fato de que as reflexões que ocorrem em áreas urbanas nem sempre tem a mesma polarização , surgindo com isto componentes com projeção nos eixos horizontal e vertical . Por outro lado , um telefone móvel nunca é posicionado exatamente na vertical pelo seu usuário , o que significa que todas as polarizações entre a vertical e a horizontal são possíveis . Desta forma , tem sua lógica que estes sinais também possam ser utilizados , criando-se uma configuração de dipolos que minimize ao máximo despolarizações em relação à fonte emissora , diminuindo com isso a atenuação do sinal na recepção . Investigações extensas foram feitas no sentido de se determinar qual a melhor configuração para situações reais de campo (diversidade de espaço ou diversidade de polarização) no que diz respeito a desempenho e conlcuiu-se que a recepção por diversidade de espaço é equivalente à recepção por diversidade de polarização . Baseado nestes dados , algumas empresas adotam como padrão para seus sites antenas com diversidade de polarização duplexadas (usadas tanto para TX quanto para RX) . Existem também empresas que adotam padrão misto , usando juntas diversidade de espaço e diversidade de polarização .


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No sistema irradiante de ERB’s , normalmente utiliza-se como meio de transmissão entre os transceptores e as antenas cabos coaxiais de 7/16 “ , também conhecidos como cabos FEEDER . B) Transceptores São os elementos da ERB realmente encarregados de transformar o sinal elétrico de informação oriundo da CCC em sinal de RF , que será conduzido à interace aérea . No caso do padrão AMPS/TDMA , utiliza-se os seguintes tipos de modulação para transmissão de informações pela portadora de RF : • Sistema analógico (AMPS) canais de tráfego – Modulação FM • Sistema analógico (AMPS) canais de controle – Modulação FSK • Sistema digital (TDMA) – canais de tráfego – Modulação π/4 DQPSK O tipo de modulação FM já é amplamente conhecido . Comentaremos o tipo de modulação π/4 DQPSK no próximo capítulo , onde será discutido sobre a estrutura de canalização usada no sistema AMPS/TDMA . C) Central de comutação e controle (CCC / MSC) É a parte da rede celular onde realmente se encontra TODA A INTELIGÊNCIA DO SISTEMA . Todo e qualquer controle existente num sistema celular (gerenciamento de mobilidade , controle de potência de EM’s , registração , gerenciamento de visitantes , etc..) encontra-se na CCC , sendo as outras partes integrantes (ERB’s e EM’s) apenas elementos de interfaceamento , subordinados às ordens/comandos oriundos da CCC . Mostramos abaixo o diagrama de blocos de uma central de comutação e controle :


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Basicamente , uma CCC deve apresentar as seguintes funções : • Gerenciar e controlar os equipamentos nas estações • Suportar as técnicas de múltiplo acesso existentes , proporcionando o funcionamento de

aparelhos DUAL MODE (AMPS-TDMA / AMPS-CDMA) • Prover interface com a PSTN • Apresentar HLR (home location register) ⇒ Banco de dados encarregado de armazenar

TODOS os dados dos assinantes pertencentes à área de atuação da CCC , como por exemplo o número serial do aparelho , o número designado ao aparelho pela operadora, situação financeira do assinante , configurações assignadas ao assinante , etc ... . Uma observação a ser feita é que o HLR , fisicamente , pode estar incorporado à estrutura da CCC ou pode constituir-se de um banco de dados à parte , ligado à mesma. O HLR deve permitir acesso de outras entidades da rede , para obtenção do atual status , localização e outras informações que suportam as chamadas para/dos usuários móveis , além de fornecer informações necessárias a outros VLR’s , quando existem clientes em ROAMING .

• Apresentar VLR (visitors location register) ⇒ Banco de dados destinado ao registro de EM’s visitantes , oriundas de outras operadoras . Busca informações sobre clientes em ROAMING nos HLR’s de origem da EM . Podem , assim como o HLR , fisicamente estar separado da CCC , constituindo um banco de dados a parte , ligado a ela .


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• Suportar interconectividade entre sistemas (EX : IS 41) • Suportar todas as funções de processamento de chamadas • Proporcionar BILLING (bilhetagem) e medições estatísticas de desempenho

Todas as CCC’s do brasil estão interconectadas , de forma a permitir toda e qualquer transmissão / recepção de dados entre elas , necessárias ao ROAMING AUTOMÁTICO. Para facilitar / viabilizar tais operações , foram criados os PTS (pontos de transferência de sinalização) , que interligam todas as CCC’s nacionais e num futuro próximo , também as CCC’s de outros países .


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PROCESSAMENTO DE CHAMADAS

Estaremos comentando neste capítulo como acontecem as chamadas dentro da rede celular , assim como sobre a estrutura de canalização utilizada nos sistemas AMPS/TDMA , descrevendo as funções de cada item . ESTRUTURA DE CANALIZAÇÃO (AMPS/TDMA) Dentro do espectro definido aos sistemas móveis , existe a divisão deste em canais , cuja largura espectral e função dentro do sistema variam de acordo com o tipo de tecnologia de acesso adotada para a interface aérea . Nos sistemas AMPS/TDMA , existem apenas 2 tipos de estruturas , no que diz respeito à canalização : • Canais de voz (ou de tráfego) • Canais de controle Faremos a seguir uma descrição destes itens . CANAIS DE VOZ (TRÁFEGO) – ANALÓGICO São aqueles destinados realmente à sustentação da conversação , após toda a troca de sinalização entre EM e CCC , necessária ao estabelecimento da chamada . Como já foi comentado anteriormente , um canal envolve uma frequência utilizada na transmissão sentido ERB – EM (dowlink) e outra frequência utilizada no sentido EM – ERB (uplink) . Toda e qualquer transmissão de voz, dados (através de BURST’s) e tons de controle e sinalização e supervisão relativos ao monitoramento da chamada em curso acontecem pelo canal de voz envolvido . A) Sinais de voz


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São aqueles que dizem respeito à transmissão do sinal de interesse , no caso , a voz humana . No caso de canais analógicos , utiliza-se para transmissão da voz um processo de compressão silábico 2:1 , visando reduzir a quantidade de informações a serem transmitidas eliminando-se redundância em alguns fonemas , com o intuito de garantir a largura de faixa do canal em 30 KHz e , na sequência , o sinal resultante é encaminhado a um modulador FM , com um desvio máximo padronizado de + - 12 KHz .

No lado da recepção , o sinal é demodulado e sofre descompressão 1:2 , para obtenção do sinal original . B1) Transmissão de dados através do canal de voz sentido ERB – EM (Foward voice channel) Durante o processo de HANDOFF (mudança de canal / célula por uma EM durante uma conversação) , a transmissão de voz através de modulação FM é


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momentaneamente interrompida para dar lugar a transmissão de dados do sistema ao móvel por meio de modulação FSK , a uma taxa de 10 Kb/s , em rajadas (BURST’s) . Estes dados , por sua vez , trazem ao móvel informações e instruções a serem seguidas durante o processo , como : Qual deverá ser o novo canal a ser sintonizado , quando o móvel deverá desconectar do canal anterior , etc... . Durante este processo , os tons de sinalização e controle também são interrompidos (SAT e ST) . Estas rajadas (BURST’s) acontecem por um período de aproximadamente 200 ms , período no qual a transmissão de voz / tons são totalmente interrompidos . Mostramos abaixo um diagrama que ilustra o formato destes dados , assim como alguns exemplos de aplicação :


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B2) Transmissão de dados sentido EM – ERB (reverse voice channel) A estrutura de transmissão de dados em BURST’s durante uma conversação , da EM para a ERB segue a mesma estrutura de bits usada no foward voice channel , porém com um número de repetição de palavras enviadas menor . Neste caso , ocorre o envio de 5 palavras (ao invés de 11 , como no FVC)

B) Tom de audio supervisão (SAT) O SAT é um tom de frequência mais baixa , transmitido sobre o canal de voz direto (forward voice channel) da rádio-base para o móvel e retransmitido do móvel para a rádio-base (reverse voice channel) e existe para separar , a nível de interface aérea , o tráfego entre 2 células cocanais , auxiliar a supervisão do sistema sobre o móvel , quando da originação da chamada , indicar a continuidade da conversação (momentos onde o assinante está mudo) e monitorar a relação sinal / ruído sobre canais de voz analógicos . Apenas 3 frequências são definidas para SAT : 5970 , 6000 e 6030 Hz . Cada SAT é assignado às células, de forma que não se utiliza o mesmo SAT nas


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células cocanais mais próximas , sendo o mesmo novamente utilizado a uma distância segura de reuso . Com isso , na ERB , através de estruturas especiais de medição , avalia os parâmetros necessários ao sistema . As características principais do tom de audio supervisão estão resumidas abaixo : • Para cada célula é definido 1 SAT , de acordo com suas características • O SAT é transmitido sobre o canal de voz • Durante o processo de iniciação de chamada , a ERB transmite o SAT para

o móvel e este , por sua vez , retransmite de volta à ERB • O SAT continua sendo transmitido pelo móvel durante toda a conversação • Se o SAT recebido for diferente do SAT transmitido , a ligação não é

completada . Caso isto aconteça durante uma conversação em andamento , o sistema descarta a mesma

• Se num prazo de 5 s a ERB não recebe um SAT válido para uma conversação em curso , o sistema também descarta a mesma

C) Tom de sinalização (ST) É um tom de 10 KHz que é transmitido pela EM para a ERB e serva para informar ao sistema sobre o reconhecimento de certos comandos enviados . Um tom tipo BURST de 50 ms indica reconhecimento de ordem de HANDOFF , pela EM . Um tom DT continuo indica que o telefone está tocando . Um tom de 400 ms indica ativação de alguma facilidade (call waiting , three way calling) , etc ... . CANAL DE VOZ DIGITAL Vimos anteriormente que um canal de voz analógico , no sistema AMPS , compõe-se de um transceptor , com largura de faixa 30 KHz , onde durante uma conversação , TODO o espectro do canal em questão é ocupado , garantindo assim os requisitos mínimos de qualidade para transmissão de voz . Na realidade , a técnica de acesso adotada para os sistemas analógicos é o que conhecemos por FDMA (frequency division multiple acess) .


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São características principais dos sistemas FDMA : � Se um canal não está sendo utilizado , há literalmente um desperdício de recurso , posto

que nenhum usuário o estará utilizando . � Sistemas FDMA normalmente sào sistema faixa estreita (no caso da telefonia celular ,

toda a banda celular é dividida em subbandas – os canais) - Inviável para transmissão de dados em velocidades mais elevadas

� Comunicação contínua leva à necessidade de poucos bits de overhead para sincronização e delimitação de frames

� Para sistemas que transmitem e recebem ao mesmo tempo (sistemas celulares) , existe a necessidade de duplexadores (duplexers)

� Necessitam de elementos amplificadores , antenas , etc.. , com resposta à frequência compatível com as necessidades do sistema (no caso , elementos que respondam de forma linear para toda a largura de banda do serviço) , no intuito de se evitar INTERMODULAÇÃO .

Para os sistemascelulares digitais , usa-se outro tipo de técnica de acesso , conhecida por TDMA (time division multiple acess) . Nesta técnica , a largura espectral de cada canal de 30 KHz é dividida em intervalos (slots) de tempo , de tal forma que cada usuário possa receber/transmitir durante o intervalo de tempo a ele reservado .

Ao contrário dos sistemas FDMA , que suporta tanto sinais analógicos quanto digitais , os sistemas TDMA necessitam operar somente com sinais digitais , pois a transmissão é feita em rajadas , uniformemente espaçadas no tempo . Para o caso dos sistemas celulares , cada portadora (canal) é dividido em seis time-slots , de forma que são usados aos pares (aumento de confiabilidade na transmissão de dados - INTERLEAVING) , para transmissão (ou recepção, dependendendo do sentido da comunicação) . Com isso , cada canal , no sistema TDMA , suporta 3 conversações simultâneas .


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Cada slot apresenta uma duração de 6,66 ms que somados , costituem um frame de 40 ms . De forma que , como existem 6 slots , a cada conversação são atribuidos 2

slots , conforme tabela abaixo :

Cada móvel é amostrado pelo sistema nos tempos acima especificados , resultando numa taxa máxima ideal de 16,4 Kb/s , perfazendo um total ideal , por canal , de 48,6Kb/s . Na prática , a taxa de bits por móvel é 9,6 Kb/s , que é a taxa de bits oriunda da codificação de voz , no aparelho , pelo vocoder . Cada slot apresenta a seguinte estrutura de bits :


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• Telefone p/ ERB (162 bits)

• ERB p/ telefone (162 bits)

Onde : • FACCH - Fast associated control chanel – Campo associado à troca de

informações rápidas , extremamente necessárias , com o sistema , para garantir a qualidade requerida durante a conversação Podemos citar como exemplo : Envio de dígitos , ordem de handoff , informações sobre o nível de sinal dos canais de controle das células adjacentes (MAHO) , informações sobre BER , ajuste de potência , etc ... .

• SACCH - Slow associated control chanel - Campo associado à troca de informações importantes à conversação , porém que não requeiram constante comunicação com o sistema , como por exemplo informações relativas a tabela de vizinhança enviada ao móvel , parâmetros de acesso , etc...

Aos 162 bits do slot são acrescidos bits de códgo CRC , ponteiros e etc , perfazendo um total de 260 bits , sendo este o número real de bits por slot .


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Somado a este processo de codificação , os sistemas celulares digitais utilizam um processo de entrelaçamento de dados conhecido como INTERLEAVING , que visa evitar perdas muito grandes de informações em decorrência de uma situação momentãnea de fading , onde uma sequência grande de bits pode ser perdida . Neste processo , embaralha-se os bits codificados de tal sorte que os bits imediatamente adjacentes sejam colocados distantes no tempo . Isso faz com que , na ocorrência de erros em burst , não sejam afetados bits adjacentes , facilitando o processo de detecção e correção de erros .

MODULAÇÃO

O tipo de modulação usada para sistemas celulares digitais tanbém é diferente daquele usado para sistemas analógicos , pois os sistemas de comunicação móvel apresentam certas exigências no que diz respeito ao tipo de modulação , como por exemplo : Reduzida complexidade de implementação , robustez contra desvanecimento por multipercursos , eficiência espectral adequada , etc.


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Como os terminais móveis devem apresentar dimensões reduzidas e custo otimizado – para isso a complexidade do mesmo deve ser reduzida ao máximo- foi dada uma atenção especial às técnicas de modulação FSK e PSK , para sinais digitais . No caso específico dos sistemas celulares digitais TDMA , foi escolhida a técnica PSK , ou melhor , uma variante deste tipo de modulação , denominado π/4 DQPSK . Este tipo de modulação é formado a partir de 2 constelações QPSK deslocadas de π/4 radianos .

A) Modulação QPSK


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B) Modulação π/4 DQPSK É feito um mapeamento do bits de entrada do modulador nos 8 símbolos da modulação , de forma a não pemitir a ocorrência de transições de fase maiores que 1350 no sinal modulado . com isso , evita-se transições de fase abruptas na portadora , que poderiam ocasionar em não-linearidade da mesma . Ainda , cada símbolo transmitido depende daquele transmitido anteriormente , ou seja , o valor de cada dibit de entrada no modulador não está associado diretamente ao valor absolutoda fase da portadora , como acontece na modulação PSK convencional , MAS à diferença entre fases consecutivas . DIBIT \ modulação QPSK DQPSK π/4DQPSK

00 0 0 π/4 01 π/2 π/2 3π/4 10 3π/2 - π/2 - π/4 11 π π - 3π/4


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Diagrama de constelação modulação π/4 DQPSK Sistemas como este são conhecidos como sistemas diferenciais e permitem a implementação de demoduladores que não utilizam a informação de fase da portadora recebida , ou seja , não necessitam recuperar a portadora transmitida, para sincronização . Estes sistemas também são conhecidos como sistemas não-coerentes ou sistemas diferenciais .

CANAIS DE CONTROLE

São aqueles canais destinados somente para sinalização entre ERB eEM , quando esta última não está em conversação . Pode-se dizer que , basicamente, os canais de controle se destinam a : • Busca (caso exista alguma chamada originada PARA a EM) • Acesso (Caso exista alguma chamada originada DA EM) • Distribuição de informações em caráter broadcast (informações gerais do

sistema , serviços especiais de distribuição de mensagens – tecnologia digital)

• Envio de mensagens curtas (short message service - Digital) – RECENTE Existem , como nos canais de voz , 2 tipos de canais de controle : Os canais de controle ANALÓGICOS (ACCH) e os DIGITAIS (DCCH)


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CANAIS DE CONTROLE ANALÓGICO Como o próprio nome diz , são aqueles canais destinados à busca/acesso nos sistemas ANALÓGICOS . Os canais de controle analógicos não podem ser usados para os serviços de envio de mensagens curtas e informativas (short message) , uma vez que na concepção do sistema celular analógico , não foi previsto nada a respeito em sua estrutura , além do que este tipo de serviço nào pode ser utilizado em aparelhos analógicos (pois o processamento interno destes tipos de aparelhos não é adequado) . No sentido direto , ou seja , da ERB para a EM (forward control channel – FOCC) , o canal de controle analógico se destina a: - Difundir informações sobre o sistema (SID , nível mínimo de potência para

acesso do sistema – PL de acesso – , tipo de sistema , etc ... .) com o intuito de garantir as configurações necessárias aos usuários que estiverem na área de cobertura da estação em questão

- Sinalização de PAGING (busca) , para informar ao usuário sobre chamadas entrantes .

Utiliza-se para transmitir os dados pelo canal de controle analógico modulação FSK , com um desvio máximo de frequência de 8 KHz .


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O FOCC apresenta uma taxa de transmissão de 10 Kb/s , da ERB para a EM , em caráter CONTÍNUO . Esta sequência de bits começa com 10 bits de sincronização (chamada palavra de sincronismo) , seguidos de 11 bits para sincronização do frame . Após estas duas palavras destinadas a sincronismo , seguem-se 40 bits de informação , que apresentam o seguinte formato ; O canal de controle reverso (RECC) também apresenta uma taxa de transmissão de 10 Kb/s em caráter contínuo , da EM para a ERB , começando com uma palavra de sincronização de 48 bits , seguido de 5 palavras de 48 bits, repetidas 5 vezes cada uma , para redundância , evitando-se com isso perda de informação na interface aérea . Os tipos de mensagem enviados pelo RECC são : Resposta a paging enviado , originação de ligações , Respostas a ordens enviadas pelo sistema e registração . CANAIS DE CONTROLE DIGITAIS São aqueles existentes nos sistemas celulares digitais , São usados para as mesmas funções anteriormente descritas para o canal de controle analógico , porém com algumas diferenças , que são : • Ausência do fluxo contínuo de bits - Após troca de informações com o

sistema , o aparelho digital entra em “SLEEP MODE” , ou seja , ao contrário do aparelho analógico , onde o mesmo fica em constante comunicação com o sistema , via ACCH , no sistema digital , após transmitir/receber aquelas informações necessárias , o mesmo deixa de realizar algumas funções , ficando o mesmo “ACAMPADO NO CANAL DE CONTROLE (camping)” em standby , reestabelecendo comunicação com o sistema após um certo período . Esta otimização de interface aérea característica dos sistemas celulares digitais é muito importante na economia de bateria do aparelho (pois o mesmo deixa de se comunicar constantemente com o sistema e , consequentemente , deixa de gastar energia) , além de diminuir a carga de processamento da CCC e viabilizar o MAHO (mobile assistance of handoff) . Estaremos discutindo sobre o MAHO em seções posteriores .

• Existem algumas diferenças nos dados transmitidos . Nos sistemas

celulares digitais , além daquelas funções já utilizadas nos ACCH , a CCC


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informa à EM , via canal de controle digital , uma tabela com os canais de controle digitais vizinhos , para escaneamento . A EM informa ao sistema sobre o nível de BER recebido , etc ... .

• O canal de controle digital suporta serviços tipo short message , tanto em caráter ponto a ponto quanto em regime broadcast (mensagens do tipo previsão do tempo , notícias , e mais , para um grupo de usuários pré-definido .

• Outra característica importante dos canais de controle digitais é a flexibilidade no que diz respeito à configuração . Todos os canais de controle já são definidos , enquanto que no sistema digital , qualquer portadora pode ser configurada como canal de controle , tomando-se o cuidado de se respeitar os “blocos de probabilidades” , que coincidem com os algoritmos de escaneamento dos aparelhos celulares existentes no mercado

Um conjunto de 6 time-slots formam um frame , cujo comprimento é 40 ms

Um conjunto de 16 frames TDMA formam um SUPERFRAME

Observe que surgiram novas estruturas dentro de um superframe (F-BCCH , E-BCCH , etc...) . Estas Estruturas representam diferentes classes de informações transmitidas na interface aérea e constituem o que se chama de “canal lógico” . • F-BCCH (fast broadcast control channel) - Canal lógico que carrega

mensagens de caráter broadcast , necessárias à EM para localização do


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próprio canal de controle e outras informações necessárias ao sistema . Podemos citar como exemplo : Estrutura do canal de controle , parâmetros de acesso , parâmetros de registração , identificação do sistema (SID) , etc... . Este tipo de mensagen sempre vem em primeiro lugar , em TODOS os frames , por serem imprescindíveis .

• E-BCCH (extended broadcast control channel) - Canal lógico utilizado para transmissão de informações importantes ao processamento de chamadas , mas de prioridade inferior às F-BCCH . Exemplos : Neighbor cell (lista de vizinhança usada no MAHO) , time and date , etc ... .

• S-BCCH (slow broadcast control channel) - Canal lógico opcional para transmissão de informações sem prioridade . Alocado para aplicações futuras .

• RESERVED - Reservado para aplicações de distribuição de mensagens (short message service e short message service broadcast)

• SPACH - É o canal lógico usado pelo sistema para troca de informações entre ERB e CCC , durante o processo de estabelecimento / recebimento de chamadas , como por exemplo : desigação de canais de voz , paging , SSD order (ordem para decrementer potência) , SSI order (ordem para incrementar potência) , etc ... .

Um conjunto de 2 superframes formam um HIPERFRAME , sendo 1 primário e outro secundário .

Algumas informações de SPACH podem ser transmitidas em mais de um hiperframe , constituindo o que se chama de SPACH message continuation (mensagem continuada de SPACH) .

PROCESSAMENTO DE CHAMADAS


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Estudaremos agora como acontecem , a nível sistêmico , chamadas originadas pelo móvel e para o móvel , no que diz respeito à sinalização entre a EM e a CCC . Basicamente , existem 3 tipos de chamadas a serem estudadas : • Chamadas originadas de uma EM para outra EM • Chamadas originadas de uma EM para uma PSTN • Chamadas originadas de uma PSTN para uma EM Estaremos discutindo cada uma delas nas linhas que se seguem . Como visto anteriormente , existem 21 canais de controle (considerando-se apenas 1 das bandas) , cujas finalidades básicas são BUSCA (no caso em que uma ligação foi feita para uma EM) e ACESSO (para o caso em que a EM está originando uma ligação) . Quando uma EM é ligada (power up) , imediatamente a mesma , seguindo uma rotina interna , assignada na fabricação , escaneia a faixa relativa aos 21 canais de controle da banda selecionada para o mesmo , em busca de um que esteja com nível mais forte .

Feito isso , o móvel realiza a REGISTRAÇÃO , que é a etapa em que a EM envia para a CCC os dados próprios de identificação , que no caso são o MIN (mobile identification number – número do telefone) o ESN (eletronic serial number – serial do mesmo) e o SID (sistem identification) . Esta etapa serve para que o sistema tome conhecimento de ONDE o móvel está DENTRO DA REDE CELULAR , para o caso de recebimento de chamadas .


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Existem 2 situações particulares para a registração : • Registração de EM locais (da própria operadora) • Registração de EM visitantes . Para a primeira situação , quando a EM envia os seus dados , a CCC faz uma consulta ao HLR , para confirmar as informações enviadas . Em caso positivo , o móvel é autenticado e é feita uma registração no VLR , com sua localização dentro da rede . Para a segunda situação , que diz respeito a EM’s visitantes (EM’s de outras operadoras ou da mesma operadora , porém de áreas / CCC’s diferentes) quando o móvel envia seu SID , o sistema verifica que o mesmo é diferente do adotado para a região . Então , a CCC , baseada numa tabela existente em sua memória onde constam todos os SID’s e gamas de numeração , BUSCA envia uma sinalização à CCC DE ORIGEM DO MÓVEL , solicitando informações a respeito do mesmo , para autenticação. Caso as informações enviadas pelo sistema de origem coincidam com aquelas enviadas pela EM , então a CCC do sistema vistitado promove o registro da EM visitante no respectivo VLR com um NÚMERO TEMPORÁRIO , ASSIGNADO AO APARELHO VISITANTE DURANTE O PERÍODO EM QUE ESTIVER NA ÁREA EM QUESTÃO e ENVIA o número temporário assignado ao móvel visitante para a CCC de origem do mesmo , para o caso de chamadas originadas para o mesmo . Este número temporário assignado recebe o nome de TLDN , termo que é largamente empregado entre operadoras . Segue abaixo um exemplo de aplicação para este caso , conhecido como EFEITO TROMBONE


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Além da registração realizada durante o “power up” , a EM pode se registrar de outras maneiras , que são : • No power down • Comandada pelo sistema • Autonomamente , quando expira o parâmetro NXTREG Após a registração , o móvel ira ler as informações de broadcast existentes no canal de controle (SID do sistema , parâmetros de potência para acesso no caso de originação de ligações , MIN A e MIN B – para o caso de buscas – BIS – para o caso de acessos – etc... .) Existe ainda uma outra informação de broadcast muito importante existente nos canais de controle analógicos , que é um ponteiro de indicação , para a célula em questão , do canal de controle digital . Essa informação é fundamental para os aparelhos digitais , pois caso um móvel digital tenha se


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sintonizado em algum canal de controle analógico , de posse desta informação o mesmo tentará sintonizar-se no canal digital apontado . Após a leitura das informações de broadcast presentes no FOCC, a EM permanece lendo as informações do canal de controle TODO O TEMPO , para o caso da EM ser ANALÓGICA . Para tecnologia DIGITAL , o processo de leitura das informações presentes do canal de controle direto é um pouco diferente . Tal qual mencionado para o caso analógico , após a leitura inicial das informações necessárias , o mesmo entra num estado de SLEEP MODE (cochilando) , ou acampado . Neste estado , o aparelho desliga algumas de suas funcionalidades (ex: leitura constante do FOCC) , permanecendo apenas com outras , Voltando a “ler” as informações presentes no FOCC após um intervalo de tempo de 40 ms (correspondente ao tempo de um frame) . com isso , o tempo de leitura do FOCC para EM digitais representa 1/3 do tempo gasto pelos aparelhos analógicos . Esta “otimização de sinalização da interface aérea” associada à substituição de componentes analógicos por circuitos integrados de consumo bem mais baixo proporcionou a reconhecida ECONOMIA DE BATERIA dos aparelhos digitais . Vejamos abaixo um diagrama que mostra como se processa uma ligação originada por uma EM :


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Para o caso desta chamada originada apresentar como destino outra EM (EM2) , a CCC , durante a sinalização de SAT entre a ERB e a EM1 , consulta o VLR , na busca da posição dentro do sistema da EM destino . Feito isso , a CCC dispara um sinal de PAGING , na área onde provavelmente se encontra a EM2 , sendo esta área provável denominada “virtual mobile location area” , ou VMLA . Mostramos abaixo o diagrama do processo de recebimento de chamadas pelo móvel :


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No exemplo acima , as 2 EM’s pertenciam à mesma CCC . Para o caso de as EM’s pertencerem à CCC’s diferentes , acontece uma sinalização entre as 2 CCC’s envolvidas , de forma a permitir o estabelecimento da chamada.


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Para ligações originadas pela EM , cujo destino é um terminal fixo , a sinalização é exatamente a mesma , apenas com a diferença de que a chamada é encaminhada para uma central trânsito , órgão pertencente à rede fixa comutada (PSTN) .

O mesmo se aplica para ligações recebidas pela PSTN :


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HANDOFF Normalmente , nos sistemas celulares as ligações estão associadas à movimentação do assinante . Durante a conversação , se o assinante estiver se deslocando de uma determinada célula para outra célula adjacente , os níveis de sinal recebido pela ERB , originário da EM e o recebido pela EM, originário da ERB irão decrescer a medida que a EM se afasta da estação e se aproxima da borda da célula .


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Se a EM continuasse em conversação , movimentando-se e afastando-se , conectada à ERB inicial , chegaríamos a uma situação em que a ligação seria interrompida por níveis baixos de sinal . A partir do momento que existem OUTRAS CÉLULAS ADJACENTES , a solução para este problema foi fazer com que TANTO O SISTEMA QUANTO O MÓVEL TROCASSEM O CANAL DE CONVERSAÇÃO , de um canal originário da primeira ERB/célula para outro , pertencente à área de cobertura da ERB/célula adjacente . Com isso , garantia-se a CONTINUIDADE da conversação da EM em deslocamento . Essa característica dos sistemas celulares chama-se HANDOFF . Para que o handoff aconteça , existe a necessidade de que uma série de operações complexas sejam efetuadas (medições , execução de agoritmos , etc...) , obedecendo é claro uma coordenação . Tais operações/coordenação é efetuada pela CCC . Veremos que existem 2 tipos de handoff : O intercelular e o intracelular . Existem também diferenças de handoff para aparelhos analógicos e digitais , Discutiremos nas linhas subsequentes sobre tais particularidades . Basicamente , um processo de handoff intercelular consiste das seguintes etapas : A) Durante a conversação , a TODO O TEMPO , a CCC monitora o nível de

sinal que chega da EM à ERB , assim como a relação C/I .


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Existe , para cada célula , uma faixa de potência pré-definida , em função do ruído presente em cada uma , onde a EM deve operar , ou seja , o nível de sinal que a ERB estiver recebendo DEVE estar dentro desta faixa pré-definida . a essa faixa chama-se “JANELA DE POTÊNCIA” e a permanência da EM dentro dela é garantida pela manipulação dos passos de potência (PL) do móvel , o que fará com que a EM emita mais ou menos potência , de acordo com o nível que estiver chegando à ERB . B) Permanecendo o a EM a se distanciar da ERB , existirá um momento em

que mesmo o móvel estando no PL = 0 (emissão máxima e igual a 600mW) , o nível de sinal recebido pela ERB , oriundo da EM ficará abaixo dos limites mínimos pré-estabelecidos para funcionamento na célula em questão . Pode acontecer também uma situação onde a relação C/I fique abaixo de 17 dB’s , empobrecendo a qualidade da ligação (picotes , chiados, etc ...) . Caso alguma destas situações aconteçam durante uma determinada ligação , uma situação de handoff é iniciada .


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C) Porém existe um problema : Qual célula deverá receber a EM ?

D) Para resolver este problema , a CCC ordena às células adjacentes

(vizinhas) que meçam a intensidade do sinal da EM , no canal em que a mesma está operando . Com isso , aquela célula que estiver recebendo maior intensidade de sinal oriundo da EM , receberá a mesma em breve . Com isso , a CCC seleciona a “melhor servidora” para o móvel .

E) feito isso , a CCC informa às duas células envolvidas sobre o handoff

iminente . Indica à ERB recebedora sobre qual canal deverá ser assignado à EM . Ao mesmo tempo , a CCC , por meio de burst’s de dados sobre o canal em que o móvel está conversando , informa à EM sobre o novo


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canal que deverá ocupar na nova célula . Após a confirmação do reconhecimento das informações recebidas , a CCC solicita então que a ERB recebedora coloque então no ar o tom de SAT do novo canal assignado . O móvel o recebe e o retransmite . Em caso positivo de recebimento do mesmo por parte da ERB recebedora , então a CCC ordena que o tranceptor do canal assignado seja acionado e que o transceptor do canal pertencente à ERB anterior seja desligado. Com isso , a operação de handoff foi completada .

Um esquema sobre o handoff intercelular analógico é apresentado abaixo :

Outra situação presente nos sistemas celulares é o HANDOFF INTRACELULAR , que consiste na troca de canais de uma coversação DENTRO da mesma célula . Tal fato ocorre essencialmente em função de degradações no nível de sinal do canal , excessiva incidencia de taxa de erros (no caso de canais digitais) , etc... , que levariam à deterioração da qualidade da ligação .


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Com a troca de canais dentro da mesma célula , na realidade o sistema tenta “sustentar” a conversação , sob o pretexto de que o canal envolvido poderia apresentar problemas de hardware ou mesmo situações momentâneas de desvanecimento ou interferência sobre ele . Operações desta natureza , do tipo handoff canal digital ⇒ canal analógico são muito frequentes . O modelo de handoff intercelular apresentado anteriormente basicamente refere-se à canalização ANALÓGICA . No caso de canais / aparelhos DIGITAIS , o processo apresenta algumas características além das descritas , implementadas para SUPRIR deficiências presentes na técnica de handoff analógica . O processo de handoff analógico apresenta um ponto falho que é ANALISAR OS NÍVEIS DE SINAL APENAS DO UPLINK , desconsiderando aquilo que acontece no móvel (podem existir situações na prática onde os níveis de BER – taxa de erro de bit – e de sinal possam estar bons na ERB , mas péssimos na EM) , stuação que poderia ocasionar em queda da ligação . Pensando nisso durante a confecção da IS 136 , criou-se o MAHO – Mobile assistant of handoff . Com esse novo algoritmo implementado nos celulares digitais , os mesmos auxiliam (assistem) no handoff , reportando para a CCC os níveis de sinal recebido das células configuradas como vizinhas (esta tabela de vizinhança – neighbor list - é enviada à EM , via canal de controle , no momento da registração) , via REVC , assim como informa o BER presente . De posse destas informações , a CCC faz uma avaliação das mesmas e também daquelas oriundas do uplink , podendo assim tomar decisões mais acertadas a respeito da realização de um handoff , seja ele inter ou intra cell.


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Existe um outro tipo de handoff possível dentro dos sistemas celulares , que é o HANDOFF INTERSISTEMAS . Nele , uma estação móvel oriunda de uma determinada CCC , passa à área de cobertura de outra célula , que pertence à outra CCC .

Para que isto aconteça , é necessário entretanto que as duas CCC’s envolvidas estejam configuradas para tal operação . Tal situação é bastante observada em áreas urbanas cobertas que apresentam mais de uma CCC , de uma mesma operadora (por exemplo cidades como São Paulo , Rio de Janeiro , Belo Horizonte , etc ...) Normalmente , não se observa handoff intersistemas entre operadoras diferentes (Ex :CTBC e Telesp Celular) , pois depende de acordo entre as partes interessadas , embora seja possível tecnicamente , desde que exista CONTINUIDADE DE COBERTURA entre elas .

ROAMING

Roaming é uma outra caraterística presente nos sistemas celulares que garante a capacidade de operação (originar e receber chamadas) de uma EM , em áreas de cobertura de outras operadoras . Existem 2 tipos de roaming conhecidos :


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• Roaming MANUAL • Roaming AUTOMÁTICO O roaming manual surgiu na primeira etapa dos sistemas celulares , onde a rede nacional de sinalização entre as CCC’s não estava pronta . Sendo assim , quando um assinante entrasse na área de cobertura de outra operadora , deveria entrar em contato com a nova prestadora , para que a mesma fizesse a registração , via TLDN (números virtuais) , da EM visitante . O roaming automático dispensa este procedimento . Tal facilidade no Brasil foi garantida com a interligação entre as CCC’s de todas as operadoras e padronização entre estas interfaces , facilitando com isso a sinalização automática de TLDN’s entre elas . Com isso , hoje , no Brasil , dispomos de roaming automático em âmbito nacional . Existem também propostas entre as operadoras de telefonia celular do cone sul (MERCOSUL) cujo objetivo é estabelecer acordos visando roaming automático entre os países integrantes , num primeiro momento , e , num futuro próximo , com os demais países de América do Sul .

PADRONIZAÇÕES PARA OS SISTEMAS CELULARES

Quando analisamos um sistema celular , no que diz respeito à PADRONIZAÇÃO , devemos subdividi-lo em 2 partes , em função das tecnologias envolvidas : • Interface aérea • Rede Quando nos referimos à padronização da INTERFACE AÉREA , estaremos discutindo os padrões adotados para as informações que circulam entre a EM e a ERB , no domínio eletromagnético . A padronização de REDE refere-se às informações , no domínio elétrico , que circulam entre ERB e CCC , CCC e HLR , CCC e VLR e entre CCC’s diferentes . Deve-se dizer também que os padrões a serem apresentados foram desevolvidos nos EUA , através da associação entre TIA (Telecomunications industry association) , EIA (Electronic industry association) e FCC . O padrão seguido na Europa é o GSM , diferente daqueles que iremos apresentar . A) Interface aérea


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É necessária para garantir que EM’s de diversos fabricantes funcionem em qualquer tipo de ERB/sistema . Basicamente existem 3 : • IS 54 (raramente encontrada) – Foi a primeira padronização desenvolvida para os

sistemas analógicos (AMPS) . Apresentou vida curta , frente ao desenvolvimento dos sistemas digitais .

• IS 136 - É o atual padrão adotado para os sistemas dual mode AMPS/TDMA . Pode ser encarada como uma evolução dos sistemas IS 54

• IS 95 - É o padrão adotado para os sistemas CDMA B) Rede Definem as interfaces existentes entre os outros elementos do sistema celular . Para estes elementos , foi criada a padronização IS 41 , onde definiu-se que: • As interfaces entre CCC e HLR , HLR e VLR e entre CCC’s devem ser ABERTAS

(conhecidas) , de forma a permitir A SINALIZAÇÃO entre estes elementos , viabilizando o ROAMING AUTOMÁTICO (no caso da interface entre CCC’s e HLR’s) e RECEBIMENTO DE LIGAÇÕES DE TERMINAIS FIXOS (interface com a PSTN)


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• As interfaces entre CCC e VLR e entre CCC e ERB’s devem ser FECHADAS , ou seja, cada fabricante é quem define seus próprios protocolos para estas interfaces .

Esta norma já passou por 3 revisões e hoje se encontra em sua terceira versão (IS 41 C)

O protocolo de comunicação entre as CCC’s e entre CCC’s e centrais trânsito da PSTN é conhecido como SS7 (sistema de sinalização número 7). Este sistema foi criado inicialmente na telefonia fixa e serve para implementar a comunicação de redes de telecomunicações e sua função primordial é transferir mensagens entre centrais num formato padrão , que podem ser lidas por qualquer central compatível . As velocidades dos enlaces são nX64 Kb/s A IS 41 simplesmente incorporou em seu padrão o SS7 para comunicação entre centrais .


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PLANEJAMENTO CELULAR

Estaremos abordando ao longo deste capítulo os conceitos básicos relativos ao planejamento/dimensionamento de uma rede celular necessários ao ENGENHEIRO DE RF na concepção de um sistema . Observe que nos deparamos com um termo novo em nossa trajetória – “Engenheiro de RF”. Trata-se de um profissional relativamente novo , devido principalmente ao recente desenvolvimento das comunicações wirelles , enfatizando é claro a grande explosão do mercado de telefonia celular . A engenharia de RF é diversificada , planejamento de frequência , engenharia de tráfego , potência e sistemas de antenas são somente alguns componentes desta disciplina . Como a engenharia de RF aplica-se à indústria sem fio , é um campo relativamente jovem , onde a teoria e a prática acontecem quase que simultaneamente . Um dos maiores desafios atualmente do engenheiro de RF é ficar em um campo onde são implementadas inovações rápidas . A função básica do engenheiro de RF é o projeto , a implementação e a otimização de novos sistemas sem fio e dos já existentes , garantindo com isso sistemas com qualidade de voz e capacidade de tráfego altas e com fracasso de de chamadas e CUSTO global BAIXO . Alcançar o equilíbrio apropriado entre QUALIDADE e CUSTO é uma responsabilidade deste profissional . Na realidade , um projetista de sistema celular é um consultor profissional que projeta serviços . A pergunta principal que o mesmo deve definir é : “O QUE EXATAMENTE O CLIENTE DESEJA ?” • Onde eles querem ? • Quando eles querem ? • Quala qualidade de voz que eles querem ? Definidas todas as questões , o projetista tem então os subsídios iniciais para o início dos trabalhos . É importante portanto entender os nossos clientes e as necessidades dos assinantes . É importante notar também que o processo do projetista é continuado e está sempre em desenvolvimento . Cada passo proporciona informações necessárias para proceder a próxima etapa .


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Estaremos apresentando agora os conceitos técnicos necessários ao início do projeto de uma rede celular .

PREDIÇÃO DE PROPAGAÇÃO

Após as definições iniciais oriundas do cliente/contratante , todo projeto de um sistema celular inicia-se através de um estudo da área de cobertura do site proposto . A propagação de rádiofrequência , especialmente para sistemas celulares , está associada a um ambiente geralmente muito imprevisível e confuso(urbano) , função das irregularidades do terreno , numerosas barreiras e espalhamentos de sinal . Os códigos de construção civil variam de lugar para lugar , resultando em diferenças nas estruturas , exigindo portanto extensos bancos de dados sobre o ambiente em questão . Somado a tudo isso , devemos lembrar que um sistema celular trata de assinantes MÓVEIS , constantemente sujeitos à variação de ambiente de propagação (indoor X outdoor) . todos esses fatores dificultam o estabelecimento de um padrão de análise . Como consequência , não existe um modelo matemático realmente preciso . Embora existam sofisticadas ferramentas computacionais , sempre estas terão que estar associadas a bancos de dados fornecidos e a pré-definições por parte do usuário . Como consequência , pequenos devios em relação às condições de projeto são notados na prática .


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Apresentaremos nas linhas seguintes um breve overview sobre algumas características de propagação nos ambientes envolvidos em comunicações celulares , assim como os modelos de propagação adotados para eles . MECANISMOS DE PROPAGAÇÃO EM ESPAÇO LIVRE É sabido que as características de propagação de ondas eletromagnéticas variam de acordo com o ambiente em que as mesmas se localizam . As ondas que se propagam no vácuo , na ausência de obstruções e efeitos atmosféricos são definidas como ondas se propagando em espaço livre . A atenuação associada a este meio é chamada atenuação em espaço livre .

O diagrama acima expressa a emissão de ondas eletromágneticas em instantes diferentes (T1 , T2 , T3) . Observe que quanto maior o tempo , maior a distância percorrida . Considerando a velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas igual a 3 X 108 m/s , podemos concluir que cada quilômetro é percorrido num tempo de 3,3 µs . A densidade de potência a uma distância “d” da fonte emissora é dada por :

ρ = (Pt . Gt) / (4π.d2) - Watts/m2 Onde : - Pt : Potência de transmissão - Gt : Ganho da antena de transmissão na direção em questão A potência recebida por uma antena , de ganho Gr , situada a uma distância “d” da fonte é :


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Pr = Pt GtGr(λ/4π.d)2

A atenuação em espaço livre é dada por :

Lp = 10log [ (4πd / λ)2]

Ou :

Lp = 32,44 + 20log(f) + 20log(d) (I) Onde a frequência é medida em MHz e a distância é medida em Km . Se considerarmos um sistema celular operando na faixa de 800 MHz (bandas A e B) , teremos na equação (I) , para o termo dependente da frequência um valor de 58 dB . Portanto , podemos reescrever a equação (I) da seguinte forma :

Lp = 90,88 + 20log(d)

ou

Lp = 90,88 + 10.γ.log(d) (II)

Analisando a equação (II) , podemos concluir que a mesma representa uma linha reta , onde o primeiro termo (90,88 = Lo) representa a atenuação em espaço livre , para a frequência em questão , a uma distância de 1 Km da fonte emissora e o segundo termo (com γ = 2) representa a inclinação desta reta , ou em outras palavras , o quanto a atenuação aumenta em função da distância . Veremos em breve que os modelos de propagação adotados para projeto de redes celulares podem ser aproximados para uma equação de reta , como feito anteriormente , modificando-se é claro alguns parâmetros (γ) , de forma a representar melhor o comportamento da atenuação do sinal de RF nos mais variados ambientes (cobertura de áreas densamente povoadas , áreas abertas , cobertura INDOOR , etc...)


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AMBIENTE DE PROPAGAÇÃO URBANO Este talvez seja o ambiente mais comum em sistemas celulares e também o mais imprevisível , do ponto de vista de radiopropagação . Caracteriza-se por apresentar densidade variável de estruturas civis de construção . Para efeitos de projeto , os ambientes urbanos recebem a seguinte classificação : • Ambientes urbanos densos • Ambientes urbanos • Ambientes suburbanos

Os sinais recebidos pelo sistema nestes ambientes é resultado de feixes de RF que se propagam diretamente entre ERB e EM , sinais oriundos de reflexão , sombras e outras combinações das componentes destes sinais . O nível de elevação da EM também varia no tempo em condições de movimento e de acordo com o perfil topográfico .

Como consequência de todos estes efeitos somados , o nível de sinal recebido pela ERB varia de forma drástica (desconsiderando-se o possível efeito de interferências) . Tal fato também se verifica do lado do móvel . Podemos deduzir também que um estudo relativo à


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cobertura de ambientes desta natureza constitui-se numa tarefa bastante complexa , impossível sem a utilização de uma ferramenta computacional . Foram criadas então FERRAMENTAS DE PREDIÇÃO , baseadas no perfil topográfico da área em questão , considerando-se o maior número de informações posíveis relativas ao ambiente envolvido (construções , casas , galpões , lagos , árvores , etc ...) , que fazem uso de MODELOS DE PROPAGAÇÃO que melhor traduzem o comportamento da atenuação da onda eletromagnética para o ambiente analisado . Normalmente os softwares de predição utilizam os seguintes modelos de propagação : • Okumura-Hata • Walfisch-Ikegami Estaremos discutindo sobre estes modelos de propagaçào mais tarde .

A CÉLULA

Uma célula pode ser definida como uma área geográfica coberta por sinais de RF oriundos de uma determinada ERB . O formato e tamanho de uma célula depende de vários parâmetros , como a ERP envolvida para o site , do diagrama de irradiação da antena usada , da inclinaçào desta em relação ao eixo vertical (tilt mecânico) e das condições do ambiente envolvido . Tradicionalmente , uma célula prática assume formas bem irregulares . Mas , para efeito analítico de projeto , considera-se as células como figuras geométricas regulares . No nosso caso , assume-se que as células teóricas tem o formato de hexagonos regulares .

MODELOS DE PROPAGAÇÃO


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Dentre os numerosos modelos de propagação existentes, para os sistemas celulares , apenas 2 foram adotados pelo fato de melhor representarem matematicamente como o sinal de RF se atenua nos ambientes em questão . São eles os modelos OKUMURA-HATA e WALFISCH-IKEGAMI . Estes dois modelos se baseiam em dados empíricos obtidos a partir de extensivas pesquisas e análises estatísticas , que nos habilita a prever o nível de sinal recebido em qualquer ponto , para um dado meio de propagação . Como comentado anteriormente , a grande maioria dos softwares de predição de cobertura celular se baseiam nestes dois modelos . A perfeita utilização , assim como a precisão destes modelos depende é claro do ambiente em questão e da base de dados disponível para o software , relativa à topografia . Como por exemplo , o modelo Okumura-Hata geralmente apresenta melhor desempenho para predição de áreas urbanas e suburbanas , enquanto que o modelo Walfisch-Ikegami apresenta melhor desempenho para áreas urbanas densas e para predição de ambientes microcelulares , onde a dimensão das antenas é normalmente menor que das construções , prédios , etc ... .

⇒ MODELO OKUMURA-HATA Este modelo é baseado em dados experimentais coletados provenientes de vários ambientes urbanos , tendo estes aproximadamente 15% de construções consideradas ALTAS . Em função destes dados coletados , oi feita uma interpolação matemática , de onde chegou-se à seguinte expressão para cálculo da atenuação do sinal :

Lp(dB) = C1 + C2.log(f) - 13,82.log(hb) - a(hm) + { [44,9 – 6,55.log(hb)] . log(d) } + C0 (III) Onde :

• Lp : Perdas do caminho de propagação , em dB • f : Frequência , em MHz • d : Distância entre a ERB e o móvel (1Km < d < 20 Km) • hb : Altura efetiva da ERB , em metros • hm : Altura da antena móvel • C1 : = 69,55 para 150 MHz ≤ f ≤ 1000 MHz = 46,3 para 1500 MHz ≤ f ≤ 2000 MHz


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• C2 : = 26,16 para 150 MHz ≤ f ≤ 1000 MHz = 33,9 para 1500 MHz ≤ f ≤ 2000 MHz • C0 : = 0 para áreas urbanas ; = 3 dB , para áreas urbanas densas • a(hm) = [ {1,1.log(f) – 0,7} . hm - {1,56.log(f) – 0,8} ] (urbanas) = 3,2 .[log(11,75.hm)]2 - 4,97 (urbanas densas) Conforme já comentado , a equação (III) pode ser reescrita da seguinte forma :

Lp(dB) = L0(dB) + 10.γ.log(d) (IV) Onde :

• L0(dB) = C1 + C2.log(f) - 13,82.log(hb) - a(hm) É o ponto inicial a partir do qual se deve calcular a atenuação e :

• γ = [ 44,9 – 6,55.log(hb) ] / 10 (V)

Indica o comportamento linear da ateuação do sinal com a distância . Se plotarmos o gráfico do comportamento de γ em função de hb , teremos que:


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Através deste gráfico , podemos perceber que que num ambiente urbano típico, a taxa de variação da atenuação (γ) , ou inclinação da reta de atenuaçãoXdistância varia entre 3,5 e 4 .

MODELO OKUMURA-HATA PARA ÁREAS SUBURBANAS E RURAIS • Lp (suburbana) = Lp (urbana) - 2.[ log(f / 28) ]2 - 5,4 • Lp (rural) = Lp (urbana) - 4,78.[ log(f) ]2 + 18,33.log(f) - 40,94 Observe que estas adaptações feitas para áreas suburbanas e rurais visam diminuir os níveis de atenuação calculados para áreas urbanas . Este fato acontece porque em áreas suburbanas e rurais a quantidade de obstáculos relativos a construções / prédios , etc ... .

⇒ MODELO WALFISCH-IKEGAMI O modelo Walfisch-Ikegami normalmente é usado para para ambientes urbanos e urbanos densos . Este padrão é baseado em muitos parâmetros urbanos , como : Densidade de construções/prédios , média de altura das construções , situações de GUIAMENTO do sinal de RF ao longo de ruas (canyons urbanos – ambiente muito comum em cidades) , etc... .


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Para propagação em LOS (linha de visada) , a atenuação é dada por :

Lp(LOS) = 42,6 + 20.log(f) + 26.log(d) Que , por analogia , descreve a familiar “equação da linha reta de atenuação” :

Lp(dB) = L0(dB) + 10.γ.log(d) Onde : • L0 = 42,6 + 20.log(f) • γ = 2,6 Observe que existe um coeficiente de atenuação MENOR (2,6) para situações de linha de visada em ambientes urbanos densos que para os tipos de ambientes observados no modelo anteriormente descrito . Tal fato origina-se da relação entre a altura das antenas/estações e construções , gerando efeitos de GUIAMENTO ao longo das ruas . Um exemplo ilustrativo destas condições seria uma situação hipotética onde uma estação celular fosse locada na interseção de 2 ruas . Uma região onde a atenuação seria constante assumiria o formato de um DIAMANTE . Tal caso é exeplificado abaixo :


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Para uma situação de NLOS (non line of sight – pontos fora da linha de visada) , a atenuação é calculada por :

Lp(NLOS) = 32,4 + 20.log(f) + 20.log(d) + L(diff) + L(mult) (VI) Onde ; • L(diff) : Repressenta as perdas por difração no topo das construções • L(mult) : Representa as perdas por difrações múltiplas decorrentes de reflexões nas

estruturas sólidas , ao 2 lados das ruas , avenidas , etc... . L(diff) pode ser caculado por :

L(diff) = - 16,9 - 10.log(∆W) + 10.log(f) + 20.log(∆hm) + L0

(VII)

Onde : • ∆W : É a distância entre a estação móvel e a construção em questão • ∆hm : É a diferença entre as alturas da construção (hroof) e a antena do móvel(hm) ⇒

∆hm = hroof - hm • L0 : É a perda devido ao ângulo de elevação As perdas devido à difrações múltiplas podem ser calculadas por :

L(mult) = K0 + Ka + [ Kd . log(d) ] + [ Kf . log(f) ] - 9.log(W)

(VIII)

Onde : • K0 = - 18.log(1 + ∆hb) • Ka = 54 – [0,8 . ∆hb] • Kd = 18 - [15.(∆hb/hroof)]


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• Kf = - 4 + [ 0,7 . {(f / 925) – 1}] ⇒ Para ambientes suburbanos = - 4 + [ 1,5 . {(f / 925) –1}] ⇒ Para ambientes urbanos • W : Largura da rua ou avenida em questão • hb : Altura das antenas da ERB • hroof : Altura média das construções MENORES que a ERB (hroof < hb) • ∆hb = hb – hroof

Combinando as equações (VI) , (VII) e (VIII) , após algumas simplificações , chegaremos a uma expressão do tipo “Equação de linha reta de atenuação” , como mostrado abaixo : Lp(NLOS) = L0 + (20 + Kd).log(d) = L0 + 10.γ.log(d) Onde :

• γ = (20 + Kd) / 10 a taxa de variação da atenuação (igual à inclinação da reta de atenuação) é mostrada no gráfico seguinte :


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Observe que no ponto onde a relação hb / hroof se torna igual a 1 , temos uma situação praticamente igual à do espaço livre ( γ = 2) . Para alturas inferiores de construção (hb / hroof

> 1) , a atenuação é menor que a do espaço livre , em função dos vários efeitos de canalização , reflexão de sinal , etc ... , presentes nos ambientes em questão .

MODELO DE DOIS RAIOS Os modelos de propagação mostrados anteriormente descrevem as características de perdas de alguns meios em questão , em função de alguns parâmetros pré-definidos . Tal fato sugere portanto que existe uma única maneira de se prever essas perdas do meio , adotando-se um valor praticamente constante para γ . Entretanto estamos lidando com um sistema MÓVEL , onde as características do meio de propagação mudam a todo o tempo . Sendo assim introduziremos também o modelo de dois raios , o qual deve-se somar aos modelos anteriores , de forma a obtermos uma predição menos discrepante em relação às situações práticas . Consideremos uma situação de propagação OUTDOOR (fora de qualquer ambiente fechado) . O meio de propagação envolvido será o conjunto ar-solo , resultando em ondas se propagando de forma direta entre 2 pontos e outras se propagando entre estes 2 pontos por meio de reflexão .

Através das leis da geometria plana , podemos determinar que a diferença de percurso entre o caminho refletido (d1) e o caminho direto (d2) vale :


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∆d = [ 2.h1.h2 ] / d

Somemos a esta análise os conceitos de zona / elipsóide de Fresnel . Sabemos que a elipsóide de Fresnel é a região do espaço , para um enlace ponto a ponto, a qual deve permanecer o mais desobstruída possível , de forma a se evitar grandes atenuações no campo recebido no lado RX . Sabemos também que dentro de uma elipsóide de Fresnel , a diferença máxima de percurso entre 2 raios é (λ / 2) . Imaginemos uma situação onde tenhamos uma EM se afastando da respectiva ERB . Podemos concluir que a propagação entre 2 pontos deste sistema de rádio móvel será otimizada (sem a existência de difrações) até o momento em que a primeira elipsóide de Fresnel toque o solo . , conforme figura abaixo :

Observe que o tamanho do raio da elipsóide varia de acordo com a frequência. Outra observação a ser feita é que quanto maior a altura da antena transmissora , mais longe da ERB a elipsóide tocará o chão . a figura abaixo exemplifica o que foi dito .


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Esta distância entre 2 pontos de TX/RX , onde a diferença de percurso entre 2 raios torna-se igual a (λ / 2) [gerando é claro uma situação onde a elipsóide de Fresnel TOCA o solo] , chamamos ZONA DE RUPTURA DE FRESNEL (ou Fresnel zone breakpoint) ,

representada por d0 e pode ser calculada por :

d0 = [ 4.h1.h2 ] / λ

Partindo-se da ERB até a distância d0 , numa situação de LOS , as perdas envolvidas relativas ao caminho percorrido são similares às conhecidas para o espaço livre . A partir deste ponto , começa-se a observar os fenômenos de multipercursos / difração . Podemos visualizar este fenômeno através do gráfico que relaciona a taxa de aumento da atenuação (λ) versus distância .


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COBERTURA “INDOOR”

A cobertura denominada “INDOOR” (cobertura dentro de ambientes fechados, como por exemplo edifícios , shopping centers , centro de convenções , residências , etc ...) desperta interesse especial entre os projetistas das companhias operadoras de serviço celular , principalmente devido às dificuldades encontradas na propagação das ondas eletromagnéticas nestes ambientes , onde se observa alta atenuação e espalhamentos entre as estruturas físicas das construções . O resultado disso é que não se dispôe de um modelo de predição que realmente traduz as características de atenuação dos sinais de RF nestes ambientes . Numa tentativa de aliviar este problema , estaremos analisando a cobertura indoor através de 2 diferentes cenários : Desenvolvimento outdoor (no qual as antenas da estação estão localizadas FORA do ambiente em questão) e desenvolvimento indoor (no qual as antenas da estação estão DENTRO da edificação) • Cobertura indoor proveniente de antenas externas (aproximação por modelo de 2 raios) Estruturas civis criam um complexo ambiente no qual sinais de RF ( particularmente no nosso caso , os sinais de celular) , sofrem grandes atenuações , devido à perdas pela penetração em estruturas sólidas (concreto , estruturas metálicas , etc...) . O fraco sinal residual que existe dentro de tais estruturas sólidas ainda sofre várias reflexões dentro das edificações . O resultado da influência de todas estas variáveis é um nível de sinal , em geral , muito fraco nestes ambientes .


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Para o caso de que a estação que “ilumine” tais ambientes indoor esteja situada FORA dos mesmos (esteja numa situação OUTDOOR) , uma possível medida que pode ser tomada , no sentido de melhorar a cobertura indoor seria combater aquelas componentes oriundas de multipercursos antes mesmo destas penetrarem nas construções . Isto pode ser conseguido com o iluminamento das áreas construídas de forma que estas estejam , em elação às estações , a uma distância menor ou igual à distância da zona de ruptura de Fresnel . Com isso , podemos ao menos garantir que os sinais que penetrarão na estrutura são provenientes da primeira elipsóide de Fresnel , minimizando-se as componentes provenientes de multipercursos (defasamentos entre os sinais) , ocasionando num incremento do campo recebido . No primeiro caso , a estrutura (edifício) se encontra antes da distância de ruptura . No segundo caso , além deste ponto . Como consequência , o nível de campo recebido dentro

do edifício no primeiro caso será maior que no segundo . Portanto , quando da concepção de um site celular em áreas urbanas densas , deve-se localizar o mesmo a distâncias seguras dos pontos de interesse de tráfego (edifícios movimentados , shopping centers , etc...) , favorecendo com isso o nível de cobertura indoor nestes . • Cobertura indoor proveniente de antenas indoor


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Agora iremos considerar um meio de propagação interno onde as antenas estão localizadas DENTRO da construção , existindo reflexões não só no piso do ambiente , mas também no teto do mesmo , como mostrado na figura abaixo .

Observe no diagrama que , ao contrário do exemplo anterior , podemos verificar a existência de 2 reflexões dominantes (desconsiderando-se é claro a influência das paredes) provenientes do piso e do teto . Da figura anterior : • H : Altura do teto • h1 : Altura das antenas de cobertura celular • h2 : Altura da antena do móvel • d : Separação entre as antenas • D : Caminho direto entre as antenas de cobertura e a antena do móvel • d1 : Caminho de reflexão no piso • d2 : Caminho de reflexão no teto Determinemos o valor para o ponto de ruptura de Fresnel , baseado num modelo de aproximação por 3 raios . Veremos que após algum desenvolvimento matemático a expressão fica :

d0 = { [4.(H – h2)] . [h2/λλλλ] }

Observe que agora a altura da antena do móvel deixou de fazer parte da expressão se comparada com a expressão anterior desenvolvida sob o modelo de 2 raios . Isto ocorreu justamente em função de existir outra componente refletida (no teto) .


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Uma observação a ser feita é que para melhor performance das antenas indoor, deve-se colocá-las a uma distância do teto igual à altura média das antenas dos móveis .

Ferramentas de predição

Anteriormente foram mostradas técnicas de cálculo de atenuação para ambientes móveis , baseadas em métodos empíricos . Tais expressões nos permitem calcular para um determinado PONTO , “quanto” de atenuação é esperada . Não devemos nos esquecer no entanto que a área de cobertura de uma célula é composta por INFINITOS PONTOS , sendo que para a elaboração de um projeto confiável , é necessário a determinação do nível de potência recebida para um número maior de pontos possível . Somado a isso , vem o fato de que tanto o perfil topográfico quanto a morfologia da área em questão devem ser consideradas nos cálculos , PARA CADA PONTO . Com isso , pode-se vislumbrar o esforço descomunal para a análise de cobertura de um novo site celular , a partir de desenvolvimento manual dos cálculos . Com o advento de computadores modernos e avançadas técnicas de desenvolvimento de software , várias ferramentas de predição foram criadas para auxiliar os projetistas . Estas ferramentas fazem uso de um modelo de propagação e baseado neste , fazem um número enorme de cálculos , levando em consideração a topografia e a morfologia da área em questão , nos fornecendo como resultado uma estimativa de cobertura , para a área estudada . Normalmente as ferramentas de predição utilizam-se do modelo Okumura-Hata , Walfisch-Ikegami e Lee . Existem também ferramentas que utilizam formatos híbridos destes modelos , que nada mais são que uma combinação dos mesmos . Somado ao modelo , as ferramentas de predição também devem apresentar : • Dados da topografia e da morfologia (normalmente obtidos de empresas especializadas

neste tipo de levantamento) • Fatores de correção (Construções , florestas , água , etc...) • Altura das antenas , características das antenas (diagramas de irradiação) , potências

envolvidas , etc... • Distribuição estimada de tráfego , planejamento de frequências , etc ...

Mostramos abaixo o relatório típico de um software de predição , com os respectivos níveis de sinal downlink , também conhecido como COVERAGE PLOT :


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Além da análise de cobertura para novos sites , as ferramentas de predição podem ser usadas na otimização de sistemas celulares , auxiliando na análise da relação C/I , para células cocanais .


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Para células omnidirecionais , pode-se calcular a relação C/I por :

C/I = 10 log [1/j (D/R)y]

Onde : • j : Número de células interferentes cocanais • y : Constante de propagação • D : Distância de reuso (D = R [3.N]1/2) • R : raio médio da célula Considerando-se um sistema com FATOR DE REUSO N = 7 (quantidade de sites necessários para se esgotar o espectro – também conhecido como CLUSTER) , em estado avançado de desenvolvimento , típico de grandes cidades (7 clusters , que nos dá um total de 6 células cocanais interferentes – j = 6) , y = 4 (ambientes urbanos) , D/R = 4,58 , obtemos :

C/I = 18,6 dB

Que é um valor teórico aceitável mínimo para a relação portadora / interferência . Na prática , adota-se um valor mínimo de 17 dB , considerando as características da ERB (sensibilidade , seletividade , etc ...) . Pode-se também fazer o mesmo tipo de análise para interferências do tipo canal adjacente , sendo estas de menor importância .

ENGENHARIA DE TRÁFEGO Engenharia de tráfego é uma ramificação da engenharia de RF que define o provisionamento dos circuitos de comunicação em uma dada área de serviço , para um dado número de assinantes , com um determinado grau de serviço . Num sistema superdimensionado (número de circuitos – canais – disponíveis muito superior ao necessário para atender a demanda da área) , pode-se garantir 100 % de disponibilidade de circuitos (canais) , mas em contrapartida , existirão recursos alocados de forma indevida , gerando custos desnecessários. Para um sistema subdimensionado (número de canais disponíveis inferior ao necessário para atender a demanda da área) , existem indisponibilidades momentâneas , impactuando em acessos não sucedidos ao sistema (sistem busy) .


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É necessário portanto , um certo compromisso entre a quantidade da usuários estimados para a área em questão e a quantidade de canais disponíveis , de forma que não incorramos em situações de congestionamento . Além do mais , nas atuais redes celulares , já se observa , mesmo que em velocidades ainda baixas , tráfego de dados . Daí a preocupação de dimensionamento do sistema também para tráfego de dados . Estaremos descrevendo na sequência sobre alguns conceitos necessários ao desenvolvimento da engenharia de tráfego .

• Definição de tráfego A unidade de medida de tráfego é o ERLANG , em homenagem ao matemático dinamarquês Agner Krarup Erlang . Um Erlang é um circuito ou caminho de voz ocupado durante 1 hora . Então :

1 Erlang = 1 circuito de voz ocupado / 1 hora Para o cálculo do tráfego , em Erlang gerado por 1 assinante , usa-se a seguinte fórmula :

E = t / 3600

Onde : t : Tempo de ocupação do canal , em segundos O tráfego poderia ser visto como o período de tempo em que um assinante mantém um circuito ocupado com voz ou dados . Para o cálculo do tráfego cursado por vários assinantes , usa-se :

E = (n . t) / 3600

Onde : n : número de assinantes t : Tempo médio de ocupação do canal , em segundos .

CARACTERÍSTICAS DE TRÁFEGO

Todo projeto de tráfego de um sistema celular é baseado no tráfego médio dos períodos , do dia , de maior intensidade . Tal grandeza , nos sistemas celulares, apresenta , em geral , uma distribuição diária mais ou menos comum , cujos picos de tráfego acontecem


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normalmente pouco antes do meio-dia (quando escritórios , lojas e fábricas estão em pleno funcionamento) e mais ao final da tarde . Estes picos de tráfego são normalmente conhecidos por BUSY-HOUR TRAFFIC , ou HORA DE MAIOR MOVIMENTO (HMM) . Mostramos abaixo um diagrama que exemplifica a distribuição típica de tráfego de um sistema celular no decorrer do dia : Observe através do exemplo que o tráfego decai gradativamente durante a hora do almoço e

volta a apresentar picos no período da tarde . Normalmente a noite o tráfego é baixo e cresce rapidamente durante o dia , acompanhando o horário comercial . Existem outras variáveis que influenciam diretamente no tráfego cursado . São elas : • Variação no tempo médio de retenção de chamada : Tempo médio de retenção é o

tempo médio de duração das chamadas e varia de acordo com o tipo de assinante (por exemplo , um homem de negócios , um assinante comum , etc ...) . Os valores típicos para o tempo médio de retenção variam entre 120 e 180 segundos . este parámetro é muito importante no dimensionamento de canais para um site , como veremos mais tarde .

• Variações sazonais : Dizem respeito à feriados , datas comemorativas locais , festas , exposições , etc... . Dependendo da região e do comportameto da demanda , devem ser alocados mais canais para suportar o incremento de tráfego . Algumas operadoras (como por exemplo : Telesp celular , CTBC Celular) utilizam-se de ERB’s MÓVEIS para estes casos .

• Variações ao longo do tempo : Crescimento gradual de assinantes no período de meses/anos , devido a ação mercadológica / marketing por parte da operadora . também devem ser previstos incrementos de canalização para este tipo de caso .


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GRAU DE SERVIÇO (grade of seviço – GOS)

Grau de serviço é definido , estatisticamente , como a probabilidade de falha no acesso ao sistema celular devido congestionamento (quantidade de canais disponíveis para a região todos ocupados , resultando em acessos mal sucedidos – sistem busy) . Os valores para GOS variam entre 0 e 1 :

0 < GOS < 1

Todos os acessos serão mal-sucedidos se GOS = 1 (situação de congestionamento total) . Todos os acesso serão bem sucedidos se GOS = 0 (ausência de congestionamento) . Nos sistemas celulares , utiliza-se um valor típico de GOS = 0,02 , no dimensionamento da canalização de sites .

AQUISIÇÃO DOS DADOS DE DENSIDADE POPULACIONAL

Tais informações são fundamentais para o dimensionamento de canalização de um sistema celular . Normalmente são fornecidos pelos órgãos públicos locais (prefeituras e/ou secretarias competentes) . De posse da distribuição populacional da área e questão e de acordo com as premissas


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mercadológicas da empresa , faz-se a conversão para uma possível demanda , em erlangs , dentro das células a serem projetadas .A figura abaixo exemplifica o que foi dito acima :

DIMENSIONAMENTO DE CANALIZAÇÃO De posse da demanda em erlangs para cada célula , baseada na distribuição populacional da área , faz-se então o dimensionamento da canalização para o site . Para isso , são necessárias algumas observações sobre o assinante celular , pois só assim poderemos utilizar a fórmula de bloqueio correta , que relaciona tráfego necessário X taxa de bloqueio . Tais fórmulas permitem calcular a quantidade de dispositivos necesários para suportar uma quantia específica de tráfego , para um GOS pré-definido . Existem 3 fórmulas utilizadas para tal . São elas : • Poisson : Nesta fórmula , as chamadas bloqueadas com espera não maior que o tempo

de retenção são aproveitadas , caso antes que este período expire , algum canal fique inativo . Com isso , a chamada que estava em espera , agora passa a ocupar o canal desocupado .

• Erlang B : As chamadas bloqueadas não são colocadas em espera e abandonam a tentativa de chamada imediatamente . o usuário não tenta fazer outra ligação .

• Erlang C : Chamadas bloqueadas esperam indefinidamente obter um canal. Considerando que a maioria dos sistemas celulares não tem nenhuma capacidade de colocar

uma tentativa de chamada na espera , utiliza-se normalmente o padrão Erlang B . Para simplificar o trabalho dos projetistas , baseado na fórmula , criou-se uma tabela que contém o tráfego exigido relacionado à quantidade de canais necessária para tal , levando em conta um GOS de 0,02 (2%) . Tal tabela é denominada “tabela Erlang B” e é mostrada abaixo :


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OTIMIZAÇÃO CELULAR

Findo o processo de implantação de uma rede celular , algumas estações , uma única estação ou até mesmo uma simples microcélula , processo este que normalmente recebe o nome de CUTOVER , inicia-se uma outra etapa , que é justamente a etapa OPERACIONAL da planta . Quando implantamos uma ou várias estações novas , a princípio , configura-se os PARÂMETROS dos sites / células entrantes baseados em uma situação de projeto , cuja natureza é 100% predictória . A prática no entanto nos mostra que existem divergências em relação ao projeto inicial . Portanto , o que os operadores de seviço móvel celular fazem é iniciar as operações de uma determinada rede e com o tempo , baseados em mapeamento de cobertura obtidos através de drive-tests e relatórios de desempenho , fornecidos pela CCC , realizam ajustes


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dinâmicos de parâmetros nas células , de forma a obter uma QUALIDADE DE SERVIÇO (QoS) pré-definida , num determinado espaço de tempo . Podemos definir PARÂMETROS como sendo alguns valores – referência definidos para cada célula , cuja finalidade é OTIMIZAR a interação entre a EM e o sistema no que diz respeito a uma série de operações entre eles (handoff ‘s em geral , controle de potências de conversação/acesso , etc...) . Podemos dizer que , de certa forma , os parâmetros definidos para cada célula definem a identidade de cada célula no sistema . Cada fabricante de equipamentos apresenta uma filosofia diferenciada na concepção dos mesmos e , por consequência , filosofias diferenciadas na criação de parâmetros . Portanto , seria infundado um estudo aprofundado destes , frente à enorme gama de fabricantes disponíveis no mercado (Lucent , Ericsson , Siemens , Alcatel , Nortel , Motorola , etc ...) Mesmo assim , existem alguns parâmetros que podem ser considerados básicos a qualquer fabricante . estaremos discutindo sobre eles nas linhas seguintes . Dentre esses parâmetros mais comuns , podemos citar : • Histerese entre células • Vizinhança entre células (neighbor cell) • Parâmetros de paging • Parâmetros de regulação de potência • Parâmetros de handoff intra / inter celular

A) Histerese entre células Dentro de um sistema móvel celular , histerese é um parâmetro definido entre duas células vizinhas e indica o quanto acima , em dB , deve estar o nível de sinal recebido proveniente do móvel , na célula melhor candidata a recebê-lo , em relação ao nível de sinal recebido do móvel na célula pela qual o mesmo está em conversação , para que o sistema ordene o HANDOFF .


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Este parâmetro serve para garantir que o HANDOFF realmente aconteça numa situação onde esteja bem definida a relação de sinal entre 2 células adjacentes, ou seja , o mesmo garante a ocorrência do HANDOFF quando realmente o sinal da célula melhor servidora estiver acima da célula anterior , do ponto de vista do móvel , de forma a evitar situações de “ HANDOFF ping-pong” entre as 2 células, garantindo com isso a continuidade da conversação dentro dos padrões de qualidade exigidos . Em outras palavras , com a histerese definimos “o quanto” o móvel ARRASTA a ligação para dentro da célula imediatamente adjacente , antes que o HANDOFF aconteça .

De acordo com as especificações para equipamentos AMPS / TDMA ERICSSON , os valores de histerese a serem adotados são : • Para HANDOFF analógico : 3 dB • Para HANDOFF digital : 5 dB


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B) Vizinhança entre células Consiste na definição de todas as possíveis células vizinhas de uma determinada célula em questão .

No exemplo acima , mostramos uma distribuição de células de uma possível área urbana . Numa primeira análise é fácil determinar as células que são vizinhas de qualquer outra em questão , mas , na realidade , o problema é bém mais complexo , se levarmos em conta que numa distribuição plana de células como a do exemplo não levamos em conta o perfil topográfico da região (morros) muito menos as sobreposições de cobertura decorrentes disso . Portanto , quando se deseja determinar lista de vizinhança (neighbor list) de uma determinada célula , lança-se mão de drive-test’s longos em volta da mesma , com a finalidade de se determinar , na região da borda da célula em questão , quais outras células apresentam nível de potência aceitável , de forma a viabilizar um HANDOFF entre elas . Outro fator que facilita a determinação de uma neighbor list é o conhecimento da área em questão . C) Parâmetros de PAGING


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A registração de uma EM não acontece cada vez que a mesma passa de uma célula para outra dentro do sistema . Tal fato poderia ocasionar em um aumento significativo na carga de processamento do processador da CCC . Pensando nisso , criou-se as VMLA (Virtual Mobile Location Area) ou também conhecidas por PAGING AREAS . Tais áreas na realidade são agrupamentos de células onde a probabilidade da EM ser encontrada é grande, considerando-se um possível deslocamento dentro da rede celular . Portanto , a registração , é realizada POR PAGING ÁREA . Sendo assim , a EM somente mudará de registro quando mudar de paging área , ou seja , a registração acontece por paging areas , e não por células . Da mesma forma , toda sinalização de busca à EM (paging) é startada na paging área onde a EM está registrada . O trabalho do engenheiro de RF encarregado de otimizar o sistema é determinar dentro de um determinado conjunto de células as paging áreas necessárias , levando-se em conta a distribuição de tráfego da área coberta em questão . Normalmente áreas cujo tráfego é alto tendem a apresentar um número elevado de paging / tentativas de acesso , devendo para isso , apresentarem uma paging area constituída pelo menor número possível de células , de forma a evitar congestionamentos do canal de controle . Para áreas com tráfego meis baixo , pode-se definir paging areas com um maior número de células . É possivel também através de parâmetros configurar hierarquias de paging , ou seja , numa primeira tentativa de localizar a EM , a CCC dispara um paging na paging area onde o móvel está registrado . Caso o mesmo não responda , a CCC dispara novaente o paging em um conjunto de paging áreas , conhecido como LOCAL AREA ou até mesmo em todas as ERB’s da CCC . D) Parâmetros de regulação de potência Como já sabemos , os aparelhos celulares portáteis apresentam 600 mW para potência máxima de saída , sendo que o mesmo escalona esta em 8 passos de potência , sendo que a cada mudança de passo , o aparelho incrementa / decrementa 4 dB’s . no estado de potência anterior . Sabemos também que esta medida tornou-se necessária devido à necessidade de se otimizar o nível de ruído na interface aérea durante períodos de tráfego , além de proporcionar economia de bateria . Baseado em relatórios de análise de desempenho obtidos na CCC , faz-se uma análise do noise floor de cada célula . A partir deste dado , obtem-se a “janela de potência na qual a célula deverá trabalhar . Dentro da filosofia ERICSSON para o AMPS/TDMA , os limites superior e inferior para a janela de potência são definidos através dos parâmetros SSD (signal strength for decrement) e SSI (signal strength for decrement) , cujos valores servem de referência à CCC nos comandos de regulação de potência ao móvel . Existem também parâmetros que definem os níveis de sinal mínimo para registro (SSREG) , que definem o passo de potência máximo com o qual a EM deverá acessar o sistema (PLC – power level to access control channel) e que deverá originar a ligação (PLV – initial power level on voice


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channel) , entre muitos outros relacionados a limiares de potência , entre outros vários parâmetros . E) Parâmetros de handoff intra / intercelular Além da histerese , previamente definida , existem outros parâmetros que são definidos para operações de handoff , de forma a maximizar o seu sucesso . Ainda dentro da filosofia ERICSSON para AMPS / TDMA , podemos citar alguns exemplos : • SSMIN (signal strength minimum) que é o nível mínimo de sinal de uplink para o qual

uma célula seja qualificada como real candidata a receber o móvel durante um processo de handoff ;

• SSO (signal strength for overlay) • SSU (signal strength for underlay) • SSUL (signal strength reverse-link for digital intracell handoff) que é o nível mínimo de

sinal reverso necessário para o início de um processo de handoff intracell de um canal digital para um analógico , visando combater uma situação de BER excessivo .

• SUH (supressed renewed analog handoff) que é um delay , em segundos , introduzido de forma proposital durante o processo de handoff , cuja finalidade é minimizar a ocorrência múltiplas requisições de handoff , causadas por transientes de interferência ou fading .

Enre outros muitos .


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SISTEMAS CDMA

Nas unidades anteriores desta apostila, abordamos todos os conceitos existentes nos sistemas AMPS / TDMA , que nada mais é que um sistema DUAL MODE , consistindo-se do funcionamento interativo entre um sistema analógico (AMPS) e um digital (TDMA) . Esqueçamos agora um pouco do sistema AMPS e foquemos nossa atenção sobre o sistema digital TDMA . Sabemos que o mesmo foi criado aproveitando-se a estrutura de canalização do sistema AMPS , ou seja , utilizando-se de canais com largura de faixa de 30 KHz , introduzindo-se o conceito de “time-slot” sobre os mesmos . A questão a ser feita é : Será o padrão TDMA o único existente para sistemas celulares digitais ? Embora saibamos que a grande maioria das operadoras de telefonia celular do Brasil , tanto na banda A quanto na banda B tenha adotado o padrão digital TDMA , o restante adotou um outro padrão digital para suas redes : O padrão CDMA , originário , assim como o TDMA , dos EUA . Para as bandas C , D e E , a ANATEL exigiu um terceiro padrão digital para funcionamento : O padrão GSM , que é o padrão digital adotado na Europa e em vários países do mundo . Estaremos agora introduzindo os conceitos básicos sobre os sistemas CDMA . Na sequência , abordaremos o sistema GSM . SISTEMAS CDMA Os sistemas CDMA foram desenvolvidos a partir de uma tecnologia conhecida como “SPREAD SPECTRUM” ou “espalhamento espectral” . Esta tecnologia foi desenvolvida pelas forças armadas americanas por volta da década de 50 e era mantida em segredo até o final dos anos 80 , quando a tornou pública . Nesta ocasião , a empresa QUALCOMM , também americana , adquiriu a exclusividade na exploração desta tecnologia , criando com isso o primeiro sistema celular digital CDMA . Podemos citar como vantagens da técnica de espalhamento espectral das informações :


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• A densidade de energia na banda resultante do espalhamento torna-se pequena , garantindo-se com isso uma maior imunidade à interferências

** Sabe-se que a largura de faixa ocupada por um sinal , seja ele analógico ou digital , é função direta da componente de frequência mais alta presente no sinal (para sinais analógicos) ou da taxa de bits (para sinais digitais) . • A distribuição na concentração de energia permite uma fácil diferenciação dos símbolos

e , como consequência , uma melhor recuperação da informação . • Maior segurança na transmissão de informações , uma vez que esta é espalhada no

espectro , tornando-se difícil detecção da mesma sem que se tenha conhecimento das características do sistema (largura de faixa do canal em questão , codificação usada , etc ...) .

• Operação em potência baixas , como decorrência da distribuição de energia por uma banda larga .

Para que possamos ter uma idéia mais acertada a respeito do funcionamento do sistema CDMA , basta compará-lo aos sistemas AMPS e TDMA :


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Falemos um pouco mais sobre a técnica de acesso CDMA . Nesse sistema , todos os usuários utilizam simultaneamente a mesma faixa de frequência para as suas comunicações. Desta forma , não é possível separar diferentes conversações por nenhum tipo de filtragem (como no FDMA) , ou no domínio do tempo (como no TDMA) . A separação entre usuários é feita através de um código (também chamado de “código pseudo-aleatório) associado a cada um deles . A minimização de interferências é obtida através de uma escolha criteriosa dos códigos utilizados .


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Esse tipo de acesso é baseado em técnicas de espalhamento espectral (SPREAD SPECTRUM) .

TÉCNICAS DE SPREAD SPECTRUM

Esta técnica consiste em combinar o sinal de informação a ser transmitido com um código cuja taxa é bem superior . O resultado é o espalhamento da informação em uma banda muito maior no espectro .


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A vantagem do método é que a quantidade de energia por banda torna-se pequena , garantindo com isso uma maior imunidade à interferências e possibilidade de operação em potências menores . A combinação dos dois sinais (o de mais baixa frequência com o de mais alta frequência) é feita através de uma operação lógica XOR , também conhecida como “OU exclusivo” .

X Y Saída 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Portanto , tem-se a seguinte situação :


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A utilização desta operação se dá em função da facilidade na recuperação do sinal original , no destino , que se dá através de outra operação XOR entre o sinal espalhado anteriormente e transmitido e o próprio código de alta frequência .

Portanto , temos a seguinte situação na recepção : O procedimento mostrado é usado nos sistemas celulares pertencentes à padronização IS 95 . Devemos ter em mente que , para um sistema celular CDMA , como existem vários usuários operando ao mesmo tempo , teremos para a mesma banda uma superposição de diversos sinais espalhados . Na recepção , a qualidade do sinal recuperado relativo a um usuário dependerá da relação de níveis entre este sinal e a somatória dos sinais espalhados dos demais usuários , ou seja , dependerá da isolação existente entre o sinal de interesse e todos os outros demais sinais (que podem ser encarados como RUÍDO) .


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A figura abaixo mostra a recuperação de um sinal CDMA na presença de diversas fontes de interferência .

Uma comparação entre os méodos de acesso FDMA , TDMA e CDMA , no domínio do tempo e frequência , pode ser visto abaixo :


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As tecnologias TDMA e CDMA são puramente digitais e de filosofias totalmente diferentes . Imaginemos agora uma situação prática e presente entre operadoras de alguns países (inclusive do Brasil) onde parte delas optaram por sistemas digitais TDMA e outras por tecnologia CDMA . Obviamente os aparelhos digitais dessas tecnologias apresentarão diferenças enormes de funcionamento . Como solucionar o problema daqueles clientes que se deslocam pela rede , ou seja , de um cliente que possui um aparelho TDMA e se desloca para outra operadora , cuja tecnologia adotada é CDMA? Com a finalidade de sanar estes problemas foram criados os SISTEMAS HÍBRIDOS , que são a junção de um sistema digital (CDMA / TDMA) com o sistema celular analógico (AMPS) . Desta forma teremos 2 sistemas híbridos : • TDMA / AMPS • CDMA / AMPS Com isso , permite-se que clientes que se encontrem em situações de incompatibilidade entre aparelho digital/sistema digital estabeleçam e recebam ligações em regime normal pelo sistema analógico (AMPS) .


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COMPARAÇÃO ENTRE A CAPACIDADE DOS SISTEMAS CELULARES AMPS / TDMA / CDMA

Comparamos no quadro abaixo a capacidade entre os sistemas AMPS / TDMA e GSM : Observe que em função das características do sistema CDMA , este apresenta a maior

capacidade teórica dentre os 3 comparados , desde que numa única estação trabalhe-se com as 9 portadoras permitidas para o mesmo .

COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS CELULARES DIGITAIS EXISTENTES NO MUNDO


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O quadro abaixo mostra as diferentes tecnologias de acesso digital para sistemas celulares existentes pelo mundo :

BENEFÍCIOS DO CDMA

O primeiro benefício trazido pelo CDMA é , sem dúvida , o grande aumento de capacidade do sistema . Contudo , este aumento depende de uma série de fatores práticos que só podem ser determinados estatisticamente . Podemos citar como exemplo o tipo de usuário existente no sistema . Os usuários de baixa mobilidade suportam um grau de interferência maior , ou seja , quanto maior for o número de usuários de baixa mobilidade , maior será a capacidade do sistema . Isto é decorrente do fato de que , à baixa mobilidade , o controle de potência usado no CDMA consegue compensar de forma mais eficaz o processo de FADING . Outra vantagem dos sistemas CDMA é a possibilidade de realização de SOFT HANDOFF . Tal facilidade permite que o móvel mantenha comunicação com mais de um setor / célula simultaneamente . Isto melhora a qualidade da comunicação nas regiões onde o link EM / ERB está mais frágil (fronteira entre células) .


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A realização do soft handoff nos sistemas CDMA foi idealizada devido à existência de um sistema diferenciado na EM : O RAKE RECEIVER . Tal sistema permite ao móvel receber até 3 sinais da mesma frequência , mas em fases diferentes e combiná-los de forma a eliminar os problemas causados por desvanecimento devido a multipercursos . Mostramos abaixo o diagrama de blocos de um rake receiver :


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No soft handoff , o móvel inicia a comunicação com uma nova BTS (base station service - ERB) sem interromper a comunicação com a BTS anterior . Este tipo de handoff só pode ocorrer entre canais CDMA que utilizam a mesma designação de frequência , ou seja , o soft handoff só ocorre entre canais CDMA da mesma portadora . Durante a conversação o terminal procura continuamente por canais piloto (análogo ao canal de controle do TDMA , cujo conceito veremos mais tarde) de outras células . Se for encontrado algum com potência sufuciente , o móvel solicitará soft handoff . Durante algum tempo manterá contato com as 2 BTS . O enlace com a primeira BTS só é interrompido quando o nível do canal piloto cair de um certo limiar . Durante todo o processo de soft handoff , a MSC (CCC) analisará de forma estatística os frames oriundos das duas BTS envolvidas , selecionando o melhor frame . • POR QUE O SOFT HANDOFF ?

Podemos encarar o soft handoff como um caso de diversidade espacial . O ganho de diversidade proporcionado pelo soft handoff melhora a qualidade do sinal nos locais onde o enlace está mais fragilizado (conforme comentado anteriormente , na região de fronteira entre células) . O sistema CDMA , devido à sua natureza de operação (espalhamento da energia ao longo de uma banda , resultando em redução na amplitude da mesma) , exige um controle bem rígido do nível de potência das EM , uma vez que os níveis de emissão por parte da EM devem ser os menores possíveis , bem próximos dos níveis de ruído . A utilização do controle de potência sem o soft handoff causaria uma situação onde os móveis próximos da fronteira entre células causariam excessiva interferência nas células vizinhas . Isto ocorreria porque o móvel , se afastando da BTS servidora em direção à outra célula receberia contínuos comandos para aumentar sua potência . Desta forma , a ligação


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seria “arrastada” para dentro da outra célula , sem que esta tivesse controle da potência transmitida pelo móvel . Esta interferência excessiva causaria redução na capacidade do sistema . Na situação de soft handoff , todos os setores / células envolvidos atuam no controle da potência transmitida pelo móvel . O móvel só aumentaria sua potência se todos os setores / células envolvidos enviarem comandos com este objetivo . Basta que apenas um deles envie um comando de diminuição de potência para que o móvel o faça . Devemos ressaltar que nos sistemas CDMA existem também handoff ‘s da mesma natureza daqueles existentes no sistema TDMA , que envolvem interrupção da portadora por alguns instantes , onde o móvel pode ser transferido de canais CDMA com diferentes designações de frequência ou para diferentes frame offset (indica um deslocamento no tempo dos frames dos canais de tráfego) . Existem também handoff ‘s desta natureza quando o móvel passa de um canal digital CDMA para um canal analógico (nos sistemas DUAL MODE) . Este tipo de handoff que envolve interrupção de portadora é conhecido como “HARD HANDOFF” . Ainda falando dos benefícios do CDMA , podemos dizer que tais sistemas se utilizam de diversidade de tempo , frequência e espaço . • soft handoff , a utilização de múltiplas antenas e o uso do rake receiver são exemplos do

conceito de diversidade espacial aplicada aos sistemas CDMA . • A diversidade de tempo é obtida através da utilização do interleaving na codificação

dos dados oriundos da digitalização da voz . • A diversidade de frequência é uma característica inerente aos sistemas CDMA , onde os

quais se utilizam de uma larga faixa de frequências , onde as informações são distribuídas por toda esta banda .

Um fading de 200 KHz seria suficiente para degradar seriamente sete canais analógicos AMPS (L.F.= 30 KHz) . A mesma largura de fading causaria uma perda de apenas 16 % de um canal CDMA (L.F. = 1,23 MHz) . Outra vantagem que podemos citar é que o sistema CDMA possui codificação de voz com taxa variável . O VOCODER usado trabalha com um algoritmo chamado CODE EXCITED LINEAR PREDICTION (CELP) . O algoritmo específico utilizado no CDMA


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é chamado QCELP (QUALCOMM – CELP) . A taxa máxima líquida é 8,55 Kb/s e, com a inserção de bits de controle atinge 9,6 Kb/s . Esta taxa é dinamicamente variada de acordo com a atividade da voz , assumindo também os valores de 4,8 Kb/s , 2,4 Kb/s e 1,2 Kb/s . O processo de variação se baseia em limiares de decisão adaptativos para determinar a taxa utilizada . Tais limiares são ajustados de acordo com o nível de ruído , ativando as taxas mais altas somente com a presença da voz do usuário .

CÓDIGOS WALSH

Os códigos Walsh são sequências de 64 bits os quais representam 64 códigos diferentes . São gerados a partir da matriz de hadamard :

Estes códigos são utilizados para definir os canais dos sistemas CDMA . A principal característica dos códigos walsh é sua ortogonalidade , ou seja , possuem correlaçào zero . Duas sequências são ortogonais quando o resultado de uma operação ou exclusivo entre elas resulta em uma outra sequência com um número de 1’s igual ao número de 0’s .

ESTRUTURA DE CANALIZAÇÃO DOS SISTEMAS CDMA

Analisando no downlink , os sistemas CDMA apresentam os seguintes tipos de canais : • Canal piloto • Canal de sincronismo • Canal de paging • Canal de tráfego


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Dos 64 códigos walsh disponíveis , 55 são alocados para canais de tráfego , 1 para canal de sincronismo , 1 para canal piloto e até 7 podem ser alocados para canal de paging . Caso a BTS possua 2 portadoras , a segunda não terá canais de paging e sincronismo .

CANAL PILOTO

É um canal constantemente transmitido pela BTS e é o primeiro a ser sintonizado pelo móvel , permitindo que este tenha acesso ao sistema . Possibilita que as sequências geradas na BTS e no móvel fiquem alinhadas . É importante observar que o terminal não consegue em um primeiro instante , identificar o OFFSET de fase do canal piloto , mas apenas obter uma referência de temporização . O offset será fornecido em outro canal . O código de Walsh relacionado ao piloto é o código zero e a mensagem transmitida é formada apenas por bits zero . Logo , toda informação extraída do piloto está relacionada com as sequências PN . Além disso , o canal piloto apresenta as seguintes características :


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• Permite ao móvel obter uma referência de intensidade de sinal para comparação e possível realização de HANDOFF .

• Identifica diferentes células / setores , pois cada um deles possui um offset de fase diferente

• É o canal de maior intensidade de sinal . Aproximadamente 20% da potência irradiada no link direto está no canal piloto .

CANAL DE SINCRONISMO

Fornece os dados necessários para que o móvel entre em alinhamento temporal (offset) com o canal piloto . Após todo o processo de aquisição , o móvel somente necessitará do canal de sincronismo quando for desligado e ligado novamente . O quadro do canal de sincronismo tem o mesmo comprimento do canal piloto (26,67 ms) , estando em perfeito alinhamento com este . Sendo assim , quando o móvel estiver sintonizado e devidamente alinhado com o canal piloto , estará automaticamente alinhado ao canal de sincronismo . Pode-se então observar que que , para cada célula / setor , o canal de de sincronismo terá um offset de fase diferente . Neste momento , o móvel começa a interpretar as informações associadas ao W32 , que são as mensagens de canal de sincronismo (sync channel message). A imterpretação destes dados concluem o processo de aquisição . No início de cada frame , existe um bit chamado “start of message – SOM” , que indica onde as mensagens se iniciam .

As principais mensagens transmitidas no canal de sincronismo são :


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CANAL DE PAGING

Depois de recebidas as mensagens do canal sync , o móvel estará sincronizado ao sistema . A partir deste ponto , passa a monitorar o canal de paging . A taxa de TX do canal pode ser 4800 ou 9600 , dependendo do parâmetro PRAT recebido . O formato do frame do canal de paging é mostrado a seguir :

Pode-se ter até sete canais de paging (W1 ~ W7) dentro de uma portadora , dependendo é claro do número de terminais móveis a serem atendidos pela BTS . Vários tipos de mensagens são enviados no canal de paging , sendo que quatro devem ser destacadas : • Overhead messages • Page messages • Order messages • Channel assigment messages OVERHEAD MESSAGES Informam sobre a configuração do sistema , através de 4 mensagens distintas : 1. Sistem parameter messages - Informam basicamente parâmetros de registro 2. Acces parameter messages - Contém informações sobre a configuração do canal de

acesso e parâmetros de controle . 3. Neighbor list message - Contém informações informações utilizadas quando da

realização do HANDOFF para uma BTS ou setor vizinho . A informação contém o time


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offset dos canais piloto das células vizinhas e informações relativas à configuração destas .

4. CDMA channel list message - Relacionam as portadoras CDMA que contém canais de paging . Isso permite ao móvel determinar corretamente onde se encontra seu canal de paging .

PAGE MESSAGES São enviadas para realização de busca a um ou mais terminais móveis . São enviadas quando existe uma chamada destinada a uma estação móvel . ORDER MESSAGES Formam um conjunto de mensagens as quais são usadas para controlar uma estação móvel específica . CHANNEL ASSIGMENT MESSAGES Permite à estação designar um canal de tráfego ou direcionar um terminal a um sistema analógico . Além da operação normal , o canal de paging possui um modo de operação especial , chamado SLOTTED MODE . Nele , as mensagens específicas para um determinado móvel são enviadas em janelas pré-definidas . Durante o processo de registro , o terminal toma conhecimento dos intervalos de tempo onde receberá mensagens da rádio-base . Tais slots podem ocorrer num intervalo , que vai de uma vez a cada 2 segundos até uma vez a cada 128 segundos . Essa facilidade permite ao móvel ficar , tal qual no sistema TDMA, em “SLEEP MODE” durante o intervalo de tempo em que não lê o canal de paging , e o resultado disto , como nos sistemas TDMA , é a economia de energia , permitindo maior duração das baterias .

CANAL DE TRÁFEGO DIRETO (FORWARD TRAFFIC CHANNEL)

É o canal utilizado pelo móvel , durante a conversação . Tanto tráfego quanto sinalização podem estar presentes . A taxa de transmissão pode ser 9600 , 4800 , 2400 ou 1200 Kb/s .e a variação pode ocorrer frame a frame . O receptor detecta a taxa e processa o frame corretamente . Essa técnica permite uma variação dinâmica da taxa do canal de acordo com a atividade de voz do usuário . Enquanto o usuário não está falando , ocorre uma redução na taxa de transmissão mas , quando começa a falar , o sistema instantaneamente aumenta a taxa de transmissão . A consequência é um decréscimo na interferência gerada em outros sinais CDMA , e , com isso , aumentando a qualidade e capacidade do sistema .


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Os 8 últimos bits – TAIL BITS – valem sempre ZERO , de acordo com a IS 95 .

LINK REVERSO

No link reverso , existem apenas os seguintes canais : • Acesso • Tráfego Sendo que estes são diferenciados apenas pelo conteúdo das informações que transportam . A figura abaixo mostra a constituição , em diagrama de blocos , do link reverso .

• CANAL DE ACESSO Permite a comunicação do móvel com a ERB , quando o terminal não está utilizando o canal de tráfego . Todas as transmissões no canal utilizam a taxa fixa de 4800 bps . Através deste canal são realizadas originações de chamadas, respostas a buscas , ordenações e registros . A figura abaixo mostra a estrutura de quadro para o canal de acesso .

Um ou mais canais de acesso estão associados a cada canal de paging . A diferenciação entre os canais de acesso é feita através de códigos , também chamados de long code .


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• CANAL DE TRÁFEGO REVERSO (REVERSE TRAFFIC CHANNEL) O formato e a estrutura de quadro do canal de tráfego reverso são idênticos à existente no canal de tráfego direto , e a diferenciação entre estes também acontece através de códigos diferenciados para uplink e downlink .

PROCESSAMENTO DE CHAMADAS NUM SISTEMA CDMA


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Em linhas gerais , segue abaixo um diagrama que exemplifica como se processa uma chamada no sistema CDMA , pelo terminal móvel :


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O processamento de uma chamada consiste nos seguintes estados : • Mobile station initialization state - Estado em que o terminal móvel seleciona e

adquire um sistema (CDMA ou AMPS) • Mobile station idle state - Estado em que o terminal móvel monitora as mensagens no

canal de paging (paging channel) • System access state - Estado em que o terminal móvel envia mensagens à BTS no

canal de acesso (access channel) • Mobile station control on the traffic channel state - Estado em que o terminal móvel se

comunica com a BTS utilizando os canais de tráfego direto e reverso . Cada um destes estados é composto de diversas etapas , as quais não serão abordadas por não fazerem parte do escopo deste curso . PROCESSAMENTO DE CHAMADAS PELA BTS O processamento de chamadas por uma BTS de um sistema CDMA pode ser resumida nos seguintes itens : • Pilot and sync channel processing - A estação transmite os canais piloto e sync

utilizados pelo móvel para adquirir e se sincronizar ao sistema CDMA . • Paging channel processing - A BTS transmite o canal de paging o qual será

monitorado pelo móvel para que possa receber mensagens (enquanto o móvel estiver em standby)

• Traffic channel processing - A BTS utiliza os canais de tráfego direto e reverso para se comunicar com o móvel , quando o mesmo está em conversação .

SISTEMAS GSM

INTRODUÇÃO Democracia e autoritarismo se alternaram no processo de construção daquele que é hoje o mais usado padrão em telefonia móvel no mundo inteiro . No início dos anos 80, quando a europa se dispunha a demolir as barreiras comerciais, a caminho da unificação, criava-se o ambinte perfeito para o surgimento de um único padrão aplicado às comunicações móveis : o GSM (global sistem for mobile comunications) . Antes do GSM, definitivamente implantado em 1992, as comunicações móveis na europa se encontravam num verdadeiro caos . Os mais de 40 países que então integravam o mapa


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do velho mundo vestiam, cada um, seu próprio modelo, TODOS INCOMPATÍVEIS ENTRE SI, numa teia de protocolos que tornava inviável a comunicação nos limites do continente e dele com os países dos demais blocos geopolíticos e econômicos . O padrão GSM começou a se desenhar em 1985, a partir do acordo selado pela então Alemanha ocidental com a França e a Itália, grupo que, no ano seguinte, após o apoio explícito da comissão Européia, conseguiu cooptar com o Reino Unido e o group speciale mobile, da CEPT (conférénce europénne des administrations des postes et de telecomunications), cujo primeiro presidente foi Thomas Haug . Na opinião dele, o sucesso do padrão GSM se deve, inicialmente, ao fato de de ter nascido da forma correta : Por consenso . Além do esforço conjunto, O GSM também acabou capitalizando a preferência, desde cedo, pelos sistemas digitais e o espectro de 900 MHz, combinação que se traduziu em maior grau de eficiência e desempenho, “tudo isso numa época em que os sistemas analógicos e seus protocolos ainda eram usados à larga” . Num continente cuja topografia, sistema de transporte e renda per-capita estimulam as viagens e o turismo e no qual o regime econômico impõe o cruzamento de fronteiras em viagens de negócios sem fim, a padronização da plataforma de telefonia celular era indispensável . Outro aspecto que favoreceu a escalada do padrão foi o baixo custo dos aparelhos, além do quesito segurança, vindo de encontro com a cultura européia, que preza a privacidade das pessoas . Após todos o trabalhos de viabilização técnica e econômica realizados pela GSM association, o novo padrão foi aceito com sucesso pela comunidade européia . No final de 1993, esta mesma associação comemoraria a marca de 1 milhão de assinantes . Em 1995 ultrapassaria as fronteiras da Europa, reunindo 156 membros em 86 países . Hoje, o padrão Pan-Europeu é utilizado por 380,5 milhões de pessoas, em 159 países .


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FASES DO GSM No final; dos anos 80, os grupos envolvidos no desenvolvimento do padrão GSM perceberam que dentro do quadro de tempo determinado não poderiam completar todas as especificações para toda a faixa de serviços do GSM e facilidades, conforma planejado originalmente . Por causa disto, foi decidido que o GSM seria liberado em fases, com a fase 1 consistindo de um conjunto limitado de serviços e facilidades . Cada nova fase seria montada com base nos serviços oferecidos nas fases existentes .

A FASE 1 contém a maioria dos serviços comuns, incluindo :

• Transmissão de voz • Roaming internacional • Serviços básicos de fax/dados (até 9,6 Kb/s) • Direcionamento de chamadas (transferências temporárias) • Barramento de chamadas • Short message service (SMS)

A fase 1 também incorporou facilidades como cifragem e módulo de identidade de assinante (SIM) . A FASE 2 constituiu-se de todas as facilidades observadas na fase 1, acrescida das seguintes :

• Aviso de tarifação • Identificação de linha chamadora • Chamada em espera • Chamada retida • Chamada em conferência • Grupos de usuário fechados


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A FASE 2+ cobriria todas as facilidades anteriores e as seguintes, visando múltiplos assinantes, orientadas a négócios (mercado corporativo) :

• Múltiplos perfis de serviço • Planos de numeração privados • Acesso a serviços de CENTREX

COMPONENTES DE REDE GSM

A rede GSM, basicamente, está dividida em 2 sistemas . Cada um destes sistemas é compreendido por um número de unidades funcionais que são componentes individuais da rede móvel . Os dois sistemas são :

• Sistema de comutação (SS) • Sistema de estação base (BSS)

Além disso, existe um centro computadorizado de onde a rede GSM é operada, mantida e gerenciada . Mostramos abaixo o diagrama básico de uma rede GSM :


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O SS é responsável pela execução do processamento da chamada e das funções relacionadas ao assinante . As interfaces entre os elementos obedece a uma padronização diferente daquelas definidas para os sistemas TDMA e CDMA (IS 41) . Este padrão recebe o nome de MAP (Mobile aplication part) . No SS estão as seguintes unidades funcionais : ⇒ Centro de comutação de serviços de rede móvel (MSC) ⇒ Registrador de localização de origem (HLR) ⇒ Registrador de localização de visitante (VLR) ⇒ Centro de autenticação (AUC) ⇒ Registrador de identidade de equipamento (EIR) O BSS efetua todas as funções relacionadas com rádio . O BSS é composto das seguintes unidades funcionais : ⇒ Controlador de estação base (BSC) ⇒ Estação transceptora base (BTS) O OMC/NMC efetua todas as funções de operação e manutenção da rede, como o monitoramento de tráfego e de alarmes . O OMC/NMC possui acesso tanto ao SS quanto ao BSS . Estaremos apresentando na sequência as características básicas de cada unidade funcional . COMPONENTES DO SISTEMA DE COMUTAÇÃO (SS – Switched sistem)

• MSC – Centro de comutação de serviços de rede móvel O MSC efetua funções de comutação de telefonia para a rede móvel Este controla a chamada para outros sistemas telefônicos e de dados, com a rede telefônica fixa (PSTN) e outras redes (RDSI, VPN, etc...) . Uma característica diferenciada desta unidade é a FUNCIONALIDADE DE GATEWAY . Esta permite a um MSC interrogar um HLR da rede, de modo a rotear uma chamada para uma estação móvel (MS) Esta unidade é chamada de MSC GATEWAY (GMSC) . Por exemplo, se uma pessoa conectada à PSTN deseja fazer uma chamada para um assinante móvel GSM, então a central PSTN irá acessar a rede GSM conectando-se primeiro a um nó GMSC . O mesmo é verdadeiro para uma chamada de uma MS para outra MS, pertencente a outra MSC .

• Registrador de localização de origem (HLR) O HLR é uma base de dados centralizada, que armazena e gerencia todas as assinaturas da rede móvel pertencente a uma operadora específica . Este atua como uma memória


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permanente para informações do status da assinatura, até que esta seja cancelada . Tais informações incluem :

- Identidade de assinante - Serviços suplementares de assinante - Informação de localização de assinante (quando em área de outra operadora) - Informação de autenticação de assinante

O HLR pode ser implementado no mesmo nó de rede (junto com o MSC) ou como uma base de dados separada . Se a capacidade de um HLR é excedida pelo número de assinantes, HLRs adicionais podem ser acrescentados .

• Registrador de localização de visitante (VLR) A base de dados do VLR contém informação sobre TODOS assinantes móveis (visitantes e locais) localizados no momento em uma área de serviço de um MSC . Assim, há um VLR para cada MSC de uma rede . O VLR pode ser tratado como um HLR distribuído, visto que contém uma cópia das informações sobre o assinante, existentes em caráter não-volátil no HLR .

• Centro de autenticação (AUC) A funçào principal do AUC é autenticar os assinantes que tentam utilizar uma rede . Desta forma, é usado para proteger as operadoras contra fraude . O AUC é uma base de dados conectada ao HLR que provê a esta os parâmetros de autenticação e as chaves de cifragem utilizadas para garantir a segurança da rede .

• Registrador de identidade de equipamentos (EIR) O EIR é uma base de dados que contém informação de identidade de equipamento móvel que ajuda a bloquear as chamadas de MS’s roubadas, não-autorizadas ou com defeito . Embora útil, o EIR atualmente é um componente opcional de uma rede GSM e por esta razão, muitas das vezes não é usado . COMPONENTES DO SISTEMA DE ESTAÇÃO BASE (BSS – Base station sistem)

• Controlador de estação base (BSC – Base station controler) O BSC gerencia todas as funções relacionadas com rádio de uma rede GSM . Este é um comutador de alta capacidade que provê funções como transposição de controle


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(handover’s) de MS’s , atribuiçào de canal de rádio e a coleta de dados de configuração de célula . Mais de uma BSC pode ser controlada por uma MSC .

• Estação rádio-base (RBS) A RBS é apenas uma interface de rádio para a MS . A RBS compreende todo o equipamento de rádio, como transceptores e antenas, necessários para servir cada célula da rede . Um grupo de RBS é controlado por uma BSC .

CENTROS DE MONITORAMENTO DE REDE

• Centro de OPERAÇÃO / MANUTENÇÃO (OMC – Operation / maintenance center) e GERENCIAMENTO de rede (NMC – Network management center)

Constituído de um centro computadorizado, conectado a outros componentes de rede (MSC’s e BSC’s), via enlaces de rede de dados X.25 . A função destes elementos de rede é centralizar informações relativas a falhas e desempenho da rede GSM em questão . A funcionalidade de OMC e NMC pode ser combinada no mesmo nó de rede físico ou pode ser implementada em diferentes locais .

ESTAÇÃO MÓVEL (MS – MOBILE STATION)

Uma MS é utilizada por um assinante móvel para se comunicar com a rede, sendo essa o próprio aparelho móvel . As MS’s do GSM são constituídas de :

- Terminal móvel - módulo de identidade de assinante (SIM)

Diferente de outros padrões, no GSM o assinante é separado do terminal móvel . Cada informação de assinante é armazenada em um “smart card” SIM . O sim pode ser plugado em qualquer terminal móvel GSM . Isso traz as vantagens de segurança e portabilidade para os assinantes (agenda, roubo, etc...) . BANDAS DE FREQUÊNCIA DO GSM

Conforme o GSM tem crescido ao redor do mundo, este tem expandido para operar em 3 bandas de frequência : 900, 1800 e 1900 MHz .


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GSM 900 A banda original especificada para o GSM era em torno de 900 MHz . A maioria das redes GSM ao redor do mundo utilizam esta banda . Em alguns países, a versão extendida do GSM 900 pode ser utilizada, provendo capacidade extra à rede . Esta versão extendida do GSM é chamada E-GSM, enquanto que a versão com capacidade primária é chamada de P-GSM . GSM 1800 Em 1990, de modo a aumentar a competição entre as operadoras, o Reino Unido requereu o início de uma nova versão do GSM, adaptada para a banda de 1800 MHz . A partir daí, licenças tem sido emitidas em vário países (inclusive no Brasil) . Ao conceder licenças para o GSM 1800, além do GSM 900, um país pode aumentar o número de operadoras . Desta forma, devido à competição aumentada, a tendência é que o serviço aos assinantes seja melhorado . GSM 1900 Em 1995, o conceito de serviços de comunicações pessoais (PCS) foi especificado nos EUA . A ídéia básica era permitir comunicação pessoa a pessoa, ao invés de estação para estação . O PCS não requer que tais serviços sejam implementados utilizando a tecnologia celular, apesar de ter sido provado ser esse o método mais efetivo . As frequências disponíveis para o PCS estão em torno de 1900 MHz . Como o GSM 900 não poderia ser usado na América do Norte devido a prévia alocação de frequências de 900 MHz, o GSM 1900 foi visto como uma oportunidade para cobrir esta brecha . GSM 400 Solução em desenvolvimento pela ERICSSON e NOKIA, numa tentativa de disponibilizar o GSM para regiões que não apresentem disponibilidade de espectro nas faixas anteriores ou para operadoras que necessitem de áreas maiores de cobertura e, com isso, alavancar ainda mais o serviço GSM a nível mundial . A idéia é desenvolver um sistema GSM que funcione em torno de 450 MHz até o final de 2001 . Apresentamos abaixo um quadro-resumo das faixas de frequência descritas, com as suas características básicas :


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CONCEITOS BÁSICOS ACERCA DOS SISTEMAS GSM

Conforme já mencionado, A sistema GSM é puramente DIGITAL, não apresentando portanto, canalização analógica . Partindo deste princípio, necessitava-se determinar qual seria o método de transmissão para a interface aérea, entre o CDMA (code division multiple acess) e o TDMA (time division multiple acess) . Decidiu-se pelo TDMA . Neste sistema, uma portadora é utilizada para transportar um número de chamadas, cada chamada utilizando aquela portadora em períodos de tempo designados, designados por TIME-SLOTS . Cada MS em uma chamada aloca 1 time-slot na frequência de uplink e um na frequência de downlonk . A informação enviada durante 1 time-slot é denominada RAJADA . No GSM, um quadro TDMA é constituído de 8 time-slots . Isso significa que uma portadora de rádio GSM suporta até 8 ligações simultâneas .


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**OBS : É mostrada somente a direção de downlink . Há também um quadro correspondente na direção uplink .

MODULAÇÃO

No GSM, a frequência que é usada para transmitir as informações através da interface aérea é diferente da frequência na qual estas informações foram geradas . Portanto, devem-se usar técnicas de modulação para transladar os dados a serem transmitidos para a portadora de transmissão . Como já de nosso conhecimento, qualquer esquema de modulação aumenta a largura de banda da portadora e, em consequência disso, há um limite na capacidade da banda de frequência disponível . A largura de banda da portadora GSM é 200 KHz . A técnica de modulação utilizada no GSM é o GMSK (Gaussian minimum shift keying – Deslocamento mínimo gaussiano) . Tal modulação tem uma eficiência de 1,3 bits / Hz, o que permite, para a portadora GSM (200 KHZ), uma taxa de transmissão máxima de 270 Kb/s Este esquema de modulação consiste na substituição do pulso binário por um pulso gaussiano, por meio de um filtro com características para tal .


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Portanto, o sinal que modulará a portadora GSM não será mais um trem de pulsos retangulares, mas sim um trem de pulsos GAUSSIANOS .

Tal substituição, assim como no caso da modulação usada nos sistemas TDMA, não permite que a portadora passe por situações de chaveamento de fase de 1800, ficando as transições máximas restringidas a π/2, evitando-se com isso respostas não-lineares por parte do transmissor . Em função deste benefício, a distribuição do espectro de um sinal modulado pelo processo GMSK mostra uma diminuição considerável das bandas laterais à portadora em questão . Tal fato constitui-se num importante aliado no combate às interferências por canal adjacente, que somadas às interferências cocanal, são fatores limitantes do reuso e da capacidade de uma rede celular . PROBLEMAS DE TRANSMISSÃO Conforme comentado anteriormente, o ambiente de propagação presente em uma rede celular, seja ela qual for, é bastante complexo, em função das variáveis envolvidas (mobilidade, obstáculos variáveis, cobertura indoor / outdoor, etc...) . Estaremos descrevendo abaixo, em linhas gerais os principais problemas existentes na interface aérea . ⇒ PATH LOSS


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Na realidade constitui-se da atenuação que o sinal de RF sofre com o aumento da distância, mesmo na inexistência de obstáculos, em função das características dispersivas da atmosfera (atenuação em espaço livre) . ⇒ SOMBREAMENTO

O sombreamento (ou área de sombra) ocorre quando há obstáculos físicos (morros, construções, árvores, etc...) entre a RBS e a MS . Os obstáculos criam um efeito de sombreamento que pode diminuir a intensidade do sinal recebido, sabido que para as frequências usadas na telefonia celular (mais altas) existe uma diminuição considerável da difração (contorno de obstáculos pela onda propagante) .

⇒ MULTIPATH FADING Ocorre quando há mais de um percurso de transmissão entre a MS e a BTS, e, por esta razão, chega mais de um sinal nos pontos envolvidos . Tal fato é devido à reflexão do sinal em estruturas físicas em geral (prédios, solo, montanhas, etc...), seja próximo ou distante do dispositivo de recepção . A dispersão seletiva de Rayleigh (ou fading de Rayleigh) e a dispersão no tempo são formas de multipath fading .

• Fading de Rayleigh Isso ocorre quando um sinal percorre mais de uma via entre as antenas da MS e a BTS . Neste caso, o sinal não é recebido diretamente da antena de TX, mas a partir de várias vias indiretas diferentes . O fading de Rayleigh ocorre quando os obstáculos estão próximos à antena de recepção .


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O sinal recebido é a somatória de muitos sinais idênticos que diferem-se somente em fase (e para alguns em amplitude) . O fading de Raleigh se apresenta como variações rápidas e abruptas em torno do nível médio do sinal .

Uma depressão de fading e o tempo que decorre entre 2 depressões de fading depende tanto da velocidade da MS como da frequência de transmissão . Como uma aproximação, a distância entre 2 depressões causadas pelo fading de Rayleigh é cerca de metade de um comprimento de onda .


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• Dispersão de tempo A dispersão de tempo é outro problema relacionado com múltiplas vias para a antena de RX, diferindo do fading de Rayleigh pelo fato do sinal refletido ser proveniente de um objeto distante da antena de RX . A dispersão no tempo provoca a interferência intersimbólica, onde os símbolos consecutivos (bits) interferem um no outro, tornando difícil para o receptor determinar qual é o símbolo correto .

⇒ ALINHAMENTO DE TEMPO

Para cada MS GSM, em uma chamada, é alocado 1 time-slot em um quadro TDMA . Essa é a quantidade de tempo durante o qual a MS transmite informação para a BTS e vice-versa . A informação também deve chegar à BTS dentro daquele intervalo de tempo . O problema de alinhamento de tempo ocorre quando parte da informação transmitida por uma MS não chega dentro do time-slot alocado . Ao invés disso, aquela parte pode chegar durante o próximo time-slot e, consequentemente, pode interferir na informação de uma outra MS que estiver usando o outro time-slot .


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Cada um dos problemas citados anteriormente ocorre independente um do outro . No entanto, na maioria das chamadas, alguns destes problemas pode ocorrer ao mesmo tempo, combinados . Apresentamos abaixo um esquema de como seria o sinal recebido pela antena de uma MS que se afasta da antena de TX de uma BTS, onde se nota a presença de path loss, sombreamento e fading de Rayleigh :

A essa somatória de efeitos dá-se o nome de PERDA DE SINAL COMBINADA . A intensidade do sinal, como um valor médio global diminui com a distância (path loss) . Em torno desta média global, estão presentes as variações lentas devido ao efeito de sombreamento e, as variações rápidas relativas ao fading de Rayleigh .


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Se tomarmos uma pequena porção da curva acima, a qualquer ponto a partir da antena de TX, o sinal recebido muito provavelmente terá a seguinte característica :

O nível de sinal recebido a partir do qual um equipamento de rádio qualquer (inclusive equipamentos celulares) não consegue identificar a existência de informação e, para dispositivos digitais acarreta o aparecimento de excessiva taxa de erro de bit (BER) é denominado SENSIBILIDADE do receptor . A MARGEM DE DIMINUIÇÃO SELETIVA na realidade expressa quanto pode diminuir, em dB, o nível de sinal recebido por uma MS, a partir do valor médio global considerado para o ponto em questão, devido à fading de Rayleigh . SOLUÇÃO PARA OS PROBLEMAS DE TRANSMISSÃO Estaremos apresentando abaixo algumas alternativas utilizadas pelos projetistas de sistemas celulares usadas para combater os problemas descritos na seção anterior . ⇒ Codificação do canal

Método usado para facilitar a detecção de erros de transmissão . ⇒ Interleaving

Processo já conhecido por nós, que prevê a separação de transmissão de bits imediatamente adjacentes . Tal técnica impede que sequências inteiras de informação sejam perdidas, dificultando a detecção de erros e possíveis reconstituições do sinal . (*OBS : Pode ser comparado ao envio de um grupo de pessoas importantes de um ponto A para um outro ponto B, em aviões diferentes . Ao fazer isso, a probabilidade de se perder o grupo inteiro é minimizada) . O codificador de canal do GSM provê 456 bits para cada 20 ms de conversação . Estes são intercalados, compondo 8 blocos de 57 bits cada, conforme figura abaixo :


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⇒ Diversidade de espaço / polarização

Consiste no espaçamento entre as antenas de RX das BTS, de forma a corrigir falhas relativas à ocorrência de depressões de fading, que possam ocasionar na perda de informação . A BTS compara os sinais descorrelacionados recebidos das antenas de RX, fazendo uma comparação estatística entre eles, assumindo o valor mais provável . A diversidade de polarização está presente em alguns tipos de antenas e serve para minimizar o efeito de despolarização decorrente de múltiplas reflexões .

FREQUENCY HOPPING

Esta característica é exclusiva dos sistemas GSM e serve para minimizar os efeitos do fading de Rayleigh e das interferências cocanal na rede, diminuindo com isso o nível de ruído global na interface aérea, consequentemente aumentando a capacidade da rede . Conforme mencionado, o fading de Rayleigh é dependente da frequência , Isso significa que ocorrem depressões de fading em diferentes locais, para diferentes frequências . Para beneficiar-se deste fato, a MS e a BTS “saltam” de frequência em frequência durante uma chamada, de maneira sincronizada e coordenada .


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No GSM, há 64 padrões de salto em frequência . Um deles é um único ciclo ou um único padrão sequencial . Os 63 restantes são conhecidos como pseudo-aleatórios, os quais a operadora pode selecionar . Durante o quadro TDMA “N”, a portadora C1 é usada, no seu time-slot 2 ; Durante o quadro “N +1”, a portadora C2 é usada no seu respectivo time-slot 2 . Observe que durante a chamada, a MS e a BTS utilizam o mesmo time-slot, mas mudam de frequência de acordo com o padrão identificado .

TIMING ADVANCE

O timing advance foi uma solução desenvolvida especificamente para contrapor-se ao problema de alinhamento de tempo . Funciona instruindo a MS desalinhada a transmitir sua rajada mais cedo ou mais tarde do que normalmente ocorreria . No GSM, a informação de timing advance relacionam-se aos tempos de bit . Assim, uma MS pode ser instruída a fazer sua transmissão por um determinado número de tempo de bit mais cedo ou mais tarde em relação à posição anterior, para alcançar seu time-slot na BTS no instante certo . O padrão GSM prevê a utilização de no máximo 63 tempos de bit, perfazendo um atraso / adiantamento máximo de 233 µs .


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CODIFICAÇÃO DE VOZ

No GSM, assim como no sistema TDMA, O processo de codificação de voz é baseado em VOCODERS, onde a voz é analisada e são gerados parâmetros do que consiste a conversação : Tom, duração do tom, ritmo, etc... . Estes dados são então transmitidos através da rede para outra MS . Dado que os órgãos de conversação são relativamente lentos na adaptação a alterações, os parâmetros do filtro que representam os órgãos de fala são aproximadamente constantes por 20 ms . Por essa razão, quando se codifica a conversação no GSM, um bloco de 20 ms é codificado por um conjunto de bits . Como resultado, isso é similar à amostragem de conversação a uma taxa de 50 vezes por segundo, ao invés de 8.000 amostras usadas no padrão PCM 30 .

A codificação de voz usada pelos vocoder’s GSM usa, para cada 20 ms de conversação, 260 bits, originando uma taxa de transmissão relativa apenas a bits de VOZ de 13 Kb/s (50 X 260) . Sendo assim, a taxa global de bits, por portadora seria de 104 Kb/s (13 Kb/s X 8 time-slots), número aceitável para os padrões de telefonia móve,l . No entanto, a codificação pura da voz não considera os problemas que podem ser encontrados na via de transmissão de rádio . Os próximos estágios do processo de codificação auxiliam na superação destes problemas .

• Codificação do canal : A codificação do canal nos sistemas GSM utiliza os 260 bits da codificação da conversação e gera 456 bit s codificados . Os 260 bits são divididos de acordo com sua importância relativa :

- Bloco 1 : 50 bits muito importantes - Bloco 2 : 132 bits muito importantes - Bloco 3 : 78 bits não muito importantes

O primeiro bloco de 50 bits é enviado, através de um codificador de bloco, que acrescenta 3 bits de paridade (resultando em 53 bits), usados na detecçào de erros . Os 53 bits do primeiro bloco, os 132 do segundo bloco e 4 bits finais (total = 189 bits) são enviados para um codificador convolucional, gerando uma quantidade de 378 bits . Os bits acrescidos pelo codificador convolucional possibilitam a correção de erros . Note que os bits do bloco 3 não estão protegidos .


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• Primeiro nível de interleaving : processo já mencionado, onde os dados são

embaralhados, de forma a se minimizar a probabilidade de se perder sequências inteiras de informação . No GSM os 456 bits gerados pelo codificador de canal são divididos em 8 blocos de 57 bits cada .

Em uma rajada normal, há espaço para 2 destes blocos codificados, uma vez que esta é constituída de 2 campos de 57 bits cada, destinado à envio de informações .

Onde os demais campos serão vistos adiante . Portanto, se é perdida a transmissão de uma rajada, há um BER de 25% (2/8)


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• Segundo nível de interleaving : Se é usado apenas 1 nível de interleaving, uma

perda de rajada ocasionaria em BER de 25% .Isso é demasiado para o decodificador de canal corrigir . Um segundo nível de interleaving pode ser introduzido, reduzindo para 12,5% o nível de BER para perda de 1 rajada . Ao invés de enviar-se 2 blocos de 57 bits dos mesmos 20 ms, é enviada um bloco de uma amostra de 20 ms e um bloco da próxima amostra de 20 ms . É introduzido um atraso no sistema, quando a MS tem que aguardar pelos próximos 20 ms de conversação . No entanto, o sistema agora pode suportar perda de uma rajada inteira (12,5% de BER é o nível máximo que o decodificador de canal pode corrigir) .


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• Cifragem / criptografia : O Propósito da cifragem é codificar a rajada de forma que esta não possa ser interpretada por qualquer outro dispositivo além do receptor destinado . O algoritmo de cifragem usado no GSM é chamado de algoritmo A5 e não acrescenta bits à rajada, o que significa que a entrada e a saída para o processo de cifragem é a mesma : 456 bits para 20 ms .

• Formatação da rajada : Cada transmissão de uma MS deve incluir alguma

informação extra como a sequência de instrução (26 bits medianos da rajada) . O processo de formatação da rajada é o acréscimo destes bits (junto com alguns outros, como os bits finais) aos dados/conversação básicos que vão ser enviados . Isso aumenta a taxa global, mas tal aumento se justifica devido à necessidade de se contrapor aos problemas encontrados na via de rádio .

No GSM, a entrada para formatação de rajada são os 456 bits recebidos da cifragem . A formatação acrescenta um total de 136 bits por bloco ed 20 ms, compondo um total de 592 bits . Entretanto, cada time-slot em um quadro TDMA tem uma duração de 0,577 ms . Isso proporciona tempo suficiente para que 156,25 bits sejam transmitidos (cada bit tem um tempo de duração de 3,7 µs) . Uma rajada contém somente 148 bits . O resto do espaço, 8,25 bits é vazio e é chamado período de proteção (GP) . Esse tempo é usado para permitir à MS / BTS “acelerar” ou “desacelerar” . Acelerar significa obter energia da bateria / fonte . A desaceleração ocorre após cada transmissão para garantir que a MS não esteja transmitindo durante time-slots alocados para outras MS . Portanto, para o sistema GSM, temos uma taxa de transmissão total por portadora de 148 bits / 0,577 ms (tempo de 1 time-slot) , perfazendo um total de 256 Kb/s , valor este abaixo do que a portadora modulada GSM suporta (270 Kb/s) . Tal fato torna o sistema menos vulnerável à interferências .

ESTRUTURA DE CANALIZAÇÃO DO GSM

Veremos agora quais são os principais tipos de canais (físicos e lógicos) usados nos sistemas GSM . Antes disso, reforçaremos nosso conceito acerca destes tipos de canais . Um CANAL FÍSICO são aquelas estruturas destinadas ao transporte de informações, sejam elas qual forem (conversação, dados ou sinalização) . Ex : time-slots, portadora . Um CANAL LÓGICO é encarado como sendo as informações / mensagens transmitidas . Por exemplo, em um dos canais físicos usados para tráfego, o tráfego propriamente dito é transmitido utilizando-se uma estrutura particular de tráfego (quantidade de bits, finalidade de cada bit, etc...), uma instrução de HANDOVER é transmitida usando-se de uma mensagem de canal de controle associado rápido (FACCH) .


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CANAIS DE CONTROLE Quando uma MS é ligada, esta procura por uma BTS a qual conectar . A MS varre primeiramente as frequências de portadora alocadas normalmente para canal de controle, caso não encontre nada, posteriormente a banda de frequência inteira . Quando a MS acha uma portadora de controle mais forte, esta deve então determinar se é ou não um canal de controle . A MS faz isso procurando por um canal lógico particular, o BCCH (broadcast control channel- responsável pelas informações básicas à MS, para que esta obtenha registro na rede) . Sem as informações contidas no BCCH, uma MS não pode operar numa rede . Estas informações são difundidas em intervalos de tempo regulares . Apresentamos abaixo um quadro-resumo dos tipos de canal lógico existentes num sistema GSM :

• Canais de difusão (BCH’s) CANAL LÓGICO DIREÇÃO BTS MS

Canal de correção de frequência (FCCH)

Downlink, ponto a multiponto

Transmite uma frequência de portadora

Identifica a portadora de BCCH (broadcast control channel) e sincroniza-se exatamente com a frequência


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Canal de sincronização (SCH)


Transmite informações sobre o quadro TDMA em uma célula (EX : número do quadro e a identidade da BTS-código de identidade da estação base BSIC)

Sincroniza-se com a estrutura de quadro dentro de uma célula particular, e garante que uma BTs escolhida é uma estação GSM – a BSIC só pode ser decodificada por uma MS se pertencer a uma rede GSM

Canal de controle de difusão (BCCH)

Downlink e uplink, ponto a multiponto e ponto a ponto

Difunde alguma informaçãode célula geral, como identidade da área de localização (LAI), a potência máxima de saída permitida para a MS nesta célula, a tabela das portadoras BCCH vizinhas para monitoramento (MAHO)

Recebe LAI e irá sinalizar à rede, como parte do procedimento de atualização de localização se a LAI é diferente daquela armazenada em seu SIM card . A MS posiciona seu nível de potência de saída com base nas informações recebidas . Também armazena a tabela de vizinhança, para medições de downlink, auxiliando no HANDOVER .

Quando a MS tiver analisado as informações constantes em um BCH, esta tem as informações necessárias ao funcionamento na rede . Entretanto, se uma MS efetua o roaming para outra LAI, esta deve repetir todo o procedimento de leitura do BCH, visando atualização de seu status de localização na rede . Se o assinante móvel deseja então efetuar uma chamada ou está recebendo uma camada da BTS, então deve ser usado um outro conjunto de canais lógicos, pertencente ao grupo denominado canal de controle comum (CCCH)

• Canais de controle comum (CCCH)


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CANAL LÓGICO DIREÇÃO BTS MS

Canal de paging (PCH)

Downlink, ponto a ponto

Transmite uma mensagem de paging para indicar uma chamada de entrada ou uma mensagem curta . A mensagem de paging contém o número de identidade do assinante que a rede deseja contactar

Em determinados intervalos de tempo a MS sintoniza-se no PCH . Se esta identifica seu próprio número, esta irá responder .

Canal de acesso aleatório (RACH)

Uplink, ponto a ponto

Recebe requisição da MS para um canal de sinalização (a ser usado para o estabelecimento da chamada) .

Responde à mensagem, requisitando um canal de sinalização .

Canal de permissão de acesso (AGCH)

Downlink, ponto a ponto

Atribui um canal de sinalização (SDCCH – standalone dedicated control channel) à MS

Recebe atribuição do xcanal de sinalização (SDCCH)

Neste estágio, a MS e a BSS estão prontas para começar os procedimentos de estabelecimento de chamada . Para isso, a MS e a BSS usam os canais de controle dedicados (DCCH)

• Canais de controle dedicados (DCCH) CANAL LÓGICO DIREÇÀO BTS MS

Canal de controle dedicado STANDALONE (SDCCH)

Uplink e Downlink, pontoa a ponto

A BTS comuta para o SDCCH atribuído . O procedimento de estabelecimento de chamada é efetuado no modo livre . O BSC atribui um TCH (traffic channel) . O SDCCH também é usado para transmitir mensagens curtas – SMS .

A MS comuta para o SDCCH designado . O etabelecimento da chamada é efetuado . A MS recebe uma informação de atrubuição de TCH (portadora e time-slot) .

Canal de difusão de célula (CBCH)


Usa este canal para transmitir SMS em caráter de broadcast

A MS recebe SMS de difusão


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Canal de controle associado lento (SACCH)

Uplink e Downlink, ponto a ponto

Instrui a MS a transmitir em determinadas potências (controle de potência) e fornece instruções sobre o avanço de sincronismo (timing advance)

Envia medições sobre a própria BTS (intensidade e qualidade de sinal) e das BTS vizinhas (intensidade de sinal)

Canal de controle associado rápido (FACCH)

Uplink e Downlink, ponto a ponto

Transmite informações de HANDOVER’s

Transmite informações necessárias para o HANDOVER, em rajadas de acesso .

CANAIS DE TRÁFEGO Uma vez que os procedimentos de estabelecimento de chamada tenham sido completados, a MS sintoniza-se num canal físico de tráfego, usando um canal lógico do canal de tráfego (TCH) . Há dois tipos de TCH :

• Taxa plena (TCH - F) : Transmite à velocidade de taxa plena (13 Kb/s) . Um TCH em taxa plena ocupa um canal físico

• Taxa parcial (TCH - H) : Transmite à velocidade de meia taxa (6,5 Kb/s) . Os

TCH’s de taxa parcial podem compartilhar um canal físico, podendo com isso dobrar a capacidade de uma célula .

A opção da codificação full ou half rate depende da operadora. Porém, segundo os consultores para sistemas GSM, para se optar pela half rate, a operadora tem que ter uma FEATURE (acessório) chamada AMR, que decide quando o link de rádio está bom para ser utilizado no half rate e quando o móvel vai ocupar canais no tranceptor full rate. Neste caso, deve-se ter transceptores distintos para cada um sistema, e os móveis devem ser dual-mode. Porém, o default geral são taxas full rate com codificação ACELP.


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RAJADAS Existem 5 tipos de rajadas dentro de um sistema GSM :

TIPO DE RAJADA PROPÓSITO USADO POR CONTEÚDO Normal Usada para

transportar informações dos canais de tráfego e controle

BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, CBCH, SACCH, FACCH, TCH

• 2 blocos de 57 bits, para tráfegp

• Sequência de instrução (26 bits)

Correção de frequência

Usada para sincronização de frequência na rede móvel

FCCH • 142 bits de correção de frequência

Sincronização Usada para

sincronização de quadro da rede móvel

SCH • 2 blocos de 39 bits para infromação da estrutura de quadro TDMA

• 64 bits de sincronização

Acesso Usada para acesso

aleatório e HANDOVER

RACCH, FACCH • 41 bits de sincronização

• 36 bis de informação de acesso

Irrelevante Usada quando

nenhum outro canal requer o envio de uma rajada e não transporta informação

Todos time-slots livres

• O padrão é idêntico à rajada normal, mas não transporta informação

RELAÇÃO ENTRE RAJADAS E QUADROS Tal relação é mostrada na figura abaixo . Há 2 tipos de multiquadros :


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• 26 multiquadros de quadro TDMA : Usado para transportar TCH, SACCH e FACCH

• 51 multiquadros de quadro TDMA : Usado para transportar BCCH, CCCH, SDCH e também SACCH

ESTAÇÕES MÓVEIS (MS)

A MS é o equipamento encarregado de interfacear o usuário com a rede móvel . As MS GSM consistem de 2 partes independentes :

• Cartão do módulo de identidade do assinante (SIM) • Equipamento móvel (ME)

O equipamento móvel é constituído pelo hardware do aparelho em si . O SIM é um smart card que armazena informações sobre a assinatura .


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O equipamento móvel é encarregado de todo o processamento, codificação e modulação da voz, além de realizar uma série de MEDIÇÕES , que são reportadas à MSC, visando auxiliar nas tomadas de decisão sobre handovers . As medições são realizadas tanto no modo livre como no modo ativo . Descreveremos abaixo, em linhas gerais cada um deles .

• Modo livre A seleção de célula é feita quando o telefone móvel é ligado .

1. O telefone móvel varre a banda GSM e calcula os níveis médios para cada portadora encontrada, obedecendo as instruções existentes no algoritmo do aparelho, buscando um BCCH .

2. Se não é encontrada uma portadora BCCH válida, mas é encontrada uma outra portadora BCCH pertencente a outra rede GSM (outra banda), o telefone móvel irá exibir a seguinte mensagem : “Somente chamadas de emergência” . TODA CHAMADA DE EMERGÊNCIA É PERMITIDA EM UMA REDE GSM, mesmo se o assinante não estiver subscrito na rede .

3. Alternativamente, se não é encontrada nenhuma portadora BCCH válida e nenhuma outra rede pode ser encontrada, a MS irá exibir a seguinte mensagem : “Nenhuma rede” e nenhuma chamada poderá ser feita .

Uma vez sintonizada em uma portadora BCCH, a unidade móvel é informada sobre quais portadoras BCCH deve monitorar, para propósitos de re-seleção de célula . Essas são as portadoras BCCH das células vizinhas .

• Modo ativo Durante uma chamada, o telefone móvel relata continuamente (via SACCH) ao sistema sobre a intensidade de sinal recebido das BTS’s (envolvida na conversação e vizinhas), assim como informa sobre a qualidade da chamada (BER, C/I, etc...) . As medições nas células vizinhas durante uma chamada ocorrem quando o telefone móvel está livre, ou seja, quando não está nem transmitindo nem recebendo . FUNÇÕES DE ECONOMIA DE ENERGIA Existem nos aparelhos GSM 2 funções adicionais, além do SLEEP MODE (quando o aparelho deixa de transmitir e receber, durante os time-slot’s que não lhe dizem respeito)


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que aumentam a economia de energia : Transmissão descontínua (DTX) e recepção descontínua (DRX) .

� Transmissão descontínua (DTX) É um método de economia de energia onde a MS detecta a voz de entrada e passa o transmissor para a condição LIGADO somente enquanto a voz estiver presente . Quando não há entrada de voz, o transmissor é DESLIGADO . Quando a MS detecta que a conversação está ausente, sem que tenha havido desconexão, esta envia um sinal de POST, para relatar um estado de saída de transmissão desligado . De modo inverso, quando a conversação é detectada novamente, a Ms envia um sinal chamado PRÉ, que indica um estado de saída do transmissor ligado . O sinal POST incorpora a informação de ruído de fundo da MS, o que permite que a BTs gere um ruído de fundo . Isso garante que o outro assinante da chamada ouça algo e não pense que a chamada foi interrompida .

� Recepção descontínua (DRX) Outro método usado na economia de energia . O canal de paging usado pela BTS para sinalizar uma chamada entrante é estruturado em sub-canais . Cada MS registrada na célula recebe um destes subcanais e precisa escutar SOMENTE SEU PRÓPRIO SUB-CANAL . No intervalo de paging’s sucessivos de outros sub-canais, o telefone móvel vai para o estado SLEEP MODE, quando quase nenhuma energia é usada . CLASSES DE ESTAÇÃO MÓVEL De acordo com a padronização GSM, as MS são classificadas em 5 categorias, de acordo com a potência de saída . Estas classes são mostradas na tabela a seguir :


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MÓDULO DE IDENTIDADE DE ASSINANTE (SIM) Uma característica chave do padrão GSM é o cartão do módulo de identidade de assinante (SIM) . Um cartão SIM contém todas as informações sobre o assinante e deve ser encaixado no ME, para permitir que o assinante use a rede . Com exceção das chamadas de emergência, as MS’s só podem ser operadas somente se estiver presente uma unidade SIM válida . O SIM armazena 3 tipos de informações relativas ao assinante :

• Dados fixos armazenados antes da assinatura ser vendida (chave de autenticação e algoritmos de segurança)

• Dados temporários de rede (área de localização-LAI, redes proibidas) • Perfis de usuário (agenda, idioma)

Existem basicamente 2 tipos de cartão SIM : ⇒ SIM ID-1 ⇒ SIM plug-in

O SIM ID-1 apresenta formato e layout em conformidade com os padrões ISSO para cartões de circuito integrado .


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O SIM plug-in é menor que o SIM ID-1 . Este é destinado para instalações semi-permanentes no ME

A padronização GSM define um número de facilidades de segurança a serem suportados pelos SIM’s . São essas :

• Algoritmos de autenticação (A3) • Chave de autenticação de assinante (Ki) • Algoritmo de geração de chave de cifragem (A8) • Chave de cifragem (Kc) • Controle de acesso de dados armazenados e funções efetuadas no SIM .

ACESSÓRIOS USADOS EM APARELHOS GSM

� Chatboard É um teclado de encaixe que junto com o telefone móvel facilita o envio de mensagens, através de SMS e email, através de WAP (Wireless aplication protocol)

� Bluetooth Bluetooth é uma tecnologia de rádio de baixa potência que está sendo desenvolvida com o objetivo de substituir os fios atualmente utilizados para conectar dispositivos eletrônicos, como computadores pessoais, impressoras e uma ampla variedade de dispositivos portáteis, como laptops, palmtops e telefones móveis .


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O Bluetooth opera na faixa de 2,4 GHz (faixa liberada) e os dispositivos equipados com esta tecnologia devem ter a capacidade de trocar dados à velocidades de até 720 Kb/s, a distâncias de até 10 m . Isso é conseguido usando-se potências de transmissão de 1 mW, com controle automático desta potência entre os dispositivos, de forma a se evitar possíveis interferências .

� Wireless aplication protocol (WAP) WAP é um projeto de tecnologia para proporcionar aos usuários de terminais móveis um acesso rápido e eficiente à internet . WAP é um protocolo otimizado, não somente para utilização de canais de rádio de banda estreita (usados nos sistemas celulares de segunda geração), mas também para capacidades e funcionalidades limitadas de exibiçào dos terminais móveis atuais . O WAP integra os serviços de telefonia com um micronavegador e permite um serviço fácil de usar e interativo da internet para transações, operações de banco online, envio de mensagens, compras, etc... . Com isso, enquanto não se consolidam as redes de geração 2,5 e 3, o WAP é uma opção para que as operadoras desenvolvam serviços inovadores para proporcionar satisfação / fidelização de cliente, em ambientes de mercado competitivo .

PROCESSAMENTO DE CHAMADAS Descrevemos a seguir o que acontece quando um assinante móvel deseja estabelecer uma chamada de voz para um assinante da PSTN :

1. A Ms usa o RACH para pedir um canal de sinalização 2. O BSC aloca um canal de sinalização (SDCCH) usando o AGCH 3. A MS envia uma requisição de estabelecimento de chamada, via SDCCH, à MSC .

Através do SDCCH, ocorre toda a sinalização que procede uma chamada . Isso inclui :

- Marcação da MS como ativa no VLR - Autenticação - Início da cifragem - Identificação do equipamento - Envio do número do assinante “B” à rede


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4. A MSC instrui ao BSC para alocar um canal TCH livre 5. A MSC encaminha o número de B para uma central trânsito da PSTN, para devido

encaminhamento na rede fixa . 6. Se o assinante B atende, a conexão é estabelecida

No caso de uma chamada PARA UMA ms, a principal diferença é que a localização exata de um assinante móvel é desconhecida, mas, o sistema tem conhecimento da região onde provavelmente o mesmo estará . Tal região é conhecida como local área (LA) . Portanto, a MS deve ser localizada usando-se mensagens de paging para a local área em que a MS se encontrar . CASOS DE TRÁFEGO INTERNACIONAL Uma das facilidades principais do GSM é a capacidade de efetuar roaming INTERNACIONAL, de modo a um assinante móvel ser capaz de fazer chamadas enquanto em roaming em uma rede GSM de outro país . Para que tal fato aconteça, é necessário entretanto que exista acordo de roaming entre as operadoras envolvidas . Toda a sinalização ocorre como se a MS estivesse na área de cobertura de outra operadora, apresentando o aparelho todas as facilidades já descritas (chamadas de urgência, etc...) .

apostila global celular - uniube - educatec.eng.breducatec.eng.br/engenharia/comunicacao digital...

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