SISTEMAS DE

COMUNICAO MVEL

Componentes do Sistema

Componentes do Sistema

Destacaremos a seguir os principais componentes

dos sistemas de comunicao mvel celular e suas

funes dentro do sistema.

Estao Mvel (EM)

Estao Mvel o terminal mvel do usuriocomposto por monofone, teclado, unidade decontrole, bateria, unidade de rdio e antena.

Sua funo principal fazer a interfaceeletromecnica entre o usurio e o sistema.

Estes equipamentos podem ser classificados comoporttil, veicular ou transportvel, dependendo desuas dimenses e capacidade de potncia e carga(bateria).

Estao Radio Base (ERB)

A Estao Rdio Base a repetidora da informao de voz e dadosde controle em meio eletromagntico. Na verdade ela faz o papelde interface entre uma nica CCC e diversas Estaes Mveis. CadaERB pode suportar at 154 canais de voz dependendo dofabricante, do sistema e de sua aplicao.

Cada ERB composta de um sistema de rdio contendo receptores(Rx), transmissores (Tx), combinadores, divisores, filtros e antenas; deum sistemas de processamento e controle contendo o processador decontrole, multiplexadores (MUX), Cabos coaxiais, painel de controle;e da interface com a CCC por um MUX a 2Mbps ou taxa maior.

A ERB responsvel pela monitoria do sinal recebido de uma EMcomunicando CCC qualquer alterao indesejvel em relao apotncia ou a interferncia no sinal recebido.

Outras funes de sinalizao tambm so agregadas ERB, como ocontrole de potncia das EMs, e outros comandos recebidos da CCC.

Central de Comutao e Controle (CCC)

A Central de Comutao e Controle faz a interface entre o Sistema Mvele Rede Pblica.

Sua estrutura parecida com a das centrais telefnicas de comutaoautomtica (CPAs).

Alguns fabricantes adaptaram suas CPAs ao sistema mvel sendo que emalguns casos apenas modificaes a nvel de software foram consideradas.Pelas caractersticas de modularidade, as CCCs podem ser expandidasgradualmente at atingir sua capacidade mxima de gerncia de trfegoou ERBs.

Dado que existem vrios padres, arquiteturas, servios e sistemas,padronizou-se o protocolo de comunicao S-41 para interligar CCCs defabricantes diferentes. Mas pode-se caracterizar as CCCs pelosequipamentos de entrada e sada de dados, interface de udio e dadospara a ERB (I/F), terminais de operao e manuteno, memria deconfigurao, troncos, matriz de comutao e controlador.

O Controlador composto do Home Location Register (HLR), que o registrode endereos e identifica cada mvel pertencente a esta rea delocalizao; do Visit Location Register (VLR) que o registro de endereosde visitantes e identifica as EMs visitantes de outra rea de localizao ourea de servio; do Base Station Controller (BSC) que controla cada ERBvinculada a esta CCC; e da Mobile Switch Center (MSC) que controla ascomutaes entre os troncos da Rede Telefnica Pblica Comutada e oscanais das ERBs vinculadas a esta CCC.

A CCC tem como administra o sistema em termos de comutao,alocao de canais, superviso das ERBs, encaminhamento detrfego, estatstica de trfego, procedimento de handoff ,procedimentos de registro de EMs locais, registro de roaming para EMsvisitantes, bilhetagem e tarifao do sistema.

A Central de Controle e Comutao o crebro do sistema decomunicao mvel celular.

A unidade de controle (Controlador) de uma CCC pode serentendida como computador que controla funes especificas deuma sistema de comunicao mvel celular, tal como alocao defrequncia, controle do nvel de potncia das EMs, procedimento dehandoff, controle de trfego, rastreamento, localizao, tarifao eassociao de canais so fatores de limitao do sistema.

Portanto, a capacidade de processamento da unidade de controlenas CCCs deve ser maior que a de sistemas de telefonia fixa.

A unidade de comutao similar ao das centrais telefnicas fixas, mas seuprocessamento diferente. Na comutao telefnica fixa, a durao dachamada no fator relevante ao sistema, enquanto que em um sistema decomunicao mvel celular essa durao funo do gerenciamento doscanais e do nmero de handoffs processados.

Dois parmetros so considerados no projeto dos sistemas de comutao: aAcessibilidade e a Graduao.

A Acessibilidade representa a capacidade de trfego de um grupo decanais determinada pelo nmero destes canais que podem ser atingidospelas chamadas que ingressam no sistema de comutao. Esta considerada Constante quando igual em todos os instantes,

Plena quando seu valor constante e igual quantidade de troncos dogrupo de sada, e limitada em outra situao.

A Graduao representa um esquema de interconexo de grupos decanais. Em uma CCC com Acessibilidade Limitada, canais de entrada soagrupados e associados a um grupo de canais de sada, formando umsubgrupo de graduao. O aumento da capacidade de trfego acontecequando h uma associao eficaz entre os canais de entrada no sistema decomutao e os subgrupos de sada.

Controladora de Estaes Rdio Base (CERB)

As Controladoras de Estaes Rdio Base fazem apenas a interface entreum conjunto de ERBs e uma CCC em alguns sistemas. Na verdade as CREBstomam algumas funes tanto da CCC como das ERBs, o que descarrega oprocessamento centralizado nas CCCs.

Algumas destas funes so a avaliao do nvel de potncia do sinal, ocontrole da relao sinal/rudo nos canais, a monitoria da Taxa de Erro deBit (BER) dos canais, etc.

Estao Celular (EC)

A Estao Celular resume algumas funes da ERB e trabalha comorepetidora de informao de voz e de dados entre ERBs e o assinante e basicamente composta por um bando de bateria, ou gruo gerador, e oControlador de Unidade de Assinante (SUC).

Cada EC tem como funo a recepo, o tratamento da informao e suatransmisso para o usurio (EM). Assim, a UR interpreta a sinalizaoproveniente da ERB e executa aes locais ou s retransmite ao usurio.

Unidade Repetidora (UR)

A UR trabalha apenas como repetidora dos canais

do sistema, ou seja, apenas retransmite informaes

entre duas ERBs, entre CERB e ERBs ou entre a CCC

e ERBs.

No h processamento local, apenas h recepo,

filtragem e retransmisso do sinal em potncias e

relao sinal/rudo adequadas.

Tcnicas de Acesso ao Meio

Buscando uma maior eficincia o uso do espectro

disponvel aos servios de rdio mvel, foram

criadas tcnicas que permitem o acesso de mltiplos

usurios ao meio de transmisso, ou seja, o

compartilhamento de canais de rdio.

Tcnicas de Acesso ao Meio

A alocao de canais sob demanda conhecida por Demand-Assigned Multiple Access (DAMA). Trs mtodos de acesso ao meio sedestacaram nos sistemas de comunicao mvel celular diferenciadosapenas pela manipulao adequada da freqncia, tempo oucodigo.

O Frequency Division Multiple Access (FDMA) caracterizado pelaalocao de diferentes faixas do espectro para os canais e voz. OTime Division Multiple Access (TDMA) faz uso do processamentodigital do sinal de voz e multiplexa a informao de diferentesusurios em slots de tempo diferentes dentro de um mesmo canal fsico.J o Code Division Multiple Access (CDMA) multiplica a informaodigital por cdigos de taxa mais elevada espalhando o espectro dosinal em uma faixa larga compartilhada com outros cdigos.

Assim a comunicao Duplex pode ser feita por diviso defrequncia, de tempo ou de cdigo, ou seja, utilizando FrequencyDivision Duplex (FDD), Time Division Duplex (TDD) ou Code DivisionDuplex (CDD).

Os sistemas tambm podem ser classificados com relao a largurade faixa do canal.

Assim, um sistemas de faixa estreita tem seu espectro dividido emcanais de faixa suportando taxas inferiores a 2 Mbps, enquanto naarquitetura de faixa larga, todo o espectro compartilhado pelosusurios. O FDMA intrinsecamente uma arquitetura de faixaestreita, enquanto CDMA uma arquitetura de faixa larga. TDMA,por outro lado, pode ser implementado como de faixa estreita oude faixa larga.

A escolha do mtodo de acesso para sistemas de rdio mvel uma tarefa tanto complexa pois todos os mtodos FDMA, TDMA eCDMA apresentam vantagens e desvantagens.

FDMA

O Acesso Mltiplo por Diviso de Freqncia mtodo

mais comum de acesso, principalmente entre os sistemas

analgicos. Neste caso o espectro dividido em canais

onde cada assinante sintoniza sua portadora.

Podemos fazer analogia a pares que querem se

comunicar, onde cada par utiliza um tubo,

representando uma portadora.

A informao de um par que se propaga em um tubo

no interfere a que se propaga em outro paralelo.

O nmero de canais no sistema ser funo da largurade cada canal. Dentre os canais disponveis, umapequena poro dedicada a canais de controle,sendo os demais utilizados para trfego de voz. Nocaso do sistema AMPS o espectro dividido em canaisde 30 kHz usados durante todo a durao de umachamada.

Os canais de uma ERB podem ser acessados por qualquerEM dentro de suas rea de cobertura. Para isto basta a EMsintonizar um portadora, sendo a alocao de canais feitasob demanda pela CCC. O esquema Single Channel PerCarrier (SCPC) implementa o FDMA atribuindo apenas umcanal por portadora.

Os equipamentos eletrnicos de uma ERB apresentam aspectos deno-linearidade. Assim, a informao transmitida pode ser afetadapor interferncia.

O espalhamento espectral corresponde ao alargamento do canalexcedendo sua prpria faixa causando interferncia nos canaisadjacentes.

A intermodulao acontece quando harmnicas de certasfreqncias interferem em outras. A transferncia de modulaopromove distores na fase e na amplitude do sinal. A supresso dosinal resultante da amplificao no linear do sinal.

Na verdade o FDMA compem os sistemas que utilizam outrastcnicas. O TDMA, por exemplo, os canais fsicos so definidos pelasportadoras do FDMA. Em seguida definem-se os canais lgicoscomo slots de tempo peridicos dentro destes canais. No CDMA, oespectro dividido em grandes canais de 1,25 MHz pelo FDMA.

TDMA

O Acesso Mltiplo por Diviso de Tempo reparte um canal fsico emdiversos slots de tempo fazendo com que cada canal possa serusado por mais de uma pessoa, uma de cada vez. A cada assinante alocado uma sequncia peridica e slots de tempo dentro de umcanal fsico, assim uma mesma portadora pode ser compartilhadapor diferentes assinantes.

Neste caso a analogia , por exemplo, com trs pares que dividemo tempo de acesso a um nico tubo (a portadora). Cada par destegrupo tem direito a usar o tubo por um intervalo de tempo queacontece periodicamente.

Mesmo assim outros grupos de trs pares podem utilizar outrostubos. Esta forma o TDMA utilizado pelos sistemas digitais , naverdade, uma combinao FDMA/TDMA.

Observe que quanto maior nmero de canais lgicos por portadora,maior a taxa de transmisso e maior a largura de faixa necessriaao canal. Tcnicas de processamento digital e compresso do sinalde voz reduzem as taxas de transmisso e a largura dos canais.

Na verdade a transmisso da informao neste esquema feitaforma buffer-and-burst. A informao primeiramente armazenadaem depois enviada em rajadas dentro de seu slot de tempocorrespondente, assim diversas EMs alternam a transmisso erecepo de bursts de dados atravs de uma portadora comumcompartilhada. Este mtodo apresenta um aumento significativo notrfego atendido em relao ao FDMA.

Pela caracterstica digital do sistema h maior imunidade a rudo einterferncia e tambm mais segurana no enlace de comunicaopromovendo privacidade ao usurio. H tambm a necessidade deequalizao, mas esta pode ser usada para combater odesvanecimento.

Uma grande vantagem deste mtodo que as

taxas de transmisso podem ser variveis em

mltiplo da taxa bsico do canal. A potncia do

sinal e a taxa de erros de bit podem controladas

facilitando e acelerando o processo de handoff.

O mtodo TDMA atribudo sistemas digitais

como GSM, D-AMPS (IS-136) e PDC.

CDMA

O Acesso Mltiplo por Diviso de Cdigo foi desenvolvido nos EUApelo segmento militar. Sua primeira utilizao foi para acomunicao entre avies de caa e radio controle de msseisteleguiados. Neste mtodo de acesso as EMs transmitem na mesmaportadora e ao mesmo tempo, mas cada comunicao individual provida com um cdigo particular. Isto garante alta privacidade nacomunicao.

Voltando a analogia, podemos considerar no mais os tubos, masuma sala repleta de pares que se comunicam, s que cada par falaum idioma diferente que s eles entendem. Quanto mais deferentesos idiomas utilizados nesta sala, menor a probabilidade deconfuso na comunicao (interferncia entre os cdigos). Porexemplo, o portugus e o espanhol so idiomas bastante parecidos;j o portugus e o alemo tm bastante diferenas.

As conexes simultneas so diferenciadas por cdigos distintos debaixa correlao. Sequncias digitais do tipo pseudo-noise (PN) sogeradas por cdigos pseudo-randmicos (PN codes) e ortogonais comtaxa alta de transmisso por Direct Sequence, ou Direct Spread.

Obtm-se, ento, um sinal de faixa larga por Spread Spectrum(espalhamento espectral) pelo fato de se transmitir o sinal em umataxa maior que a taxa da informao. A largura de faixapadronizada para os servios mvel celular de 1.25 MHz. A razoentre a faixa espalhada do sinal e sua faixa original conhecidacomo ganho de processamento.

Na verdade o Direct Sequence no o nico esquema de modulaocapaz de espalhar o sinal.

Sero apresentados outros esquemas de modulao porespalhamento espectral do sinal apresentada no Captulo 3. Autilizao destes esquemas consiste apenas em especificao deprojeto do sistema.

O cdigo utilizado na transmisso dever ser conhecido na recepo. Na teoriapoderamos tantos assinantes quanto cdigos geradores existentes, mas isto no verdade uma vez que a comunicao se processa em um ambiente ruidoso. Cada EMgera uma parcela do rudo total do sistema que proporcional ao nmero dechamadas em curso. Assim, o receptor correlaciona os sinais recebidos com o cdigogerador multiplicando-os, detectando o sinal desejado que agora se destaca sobreos demais. Um sistema de comunicao utilizando o CDMA mostrado em blocos naFigura 2.21.

No processo de transmisso pelo mtodo do CDMA a voz primeiramente codificada, passa por um expansor (spreader) que amultiplica por seqncia preestabelecida e nica para cada EM, osinal de espectro agora espalhado modulado em amplitude etransmitido.

O rudo pode ser trabalhado utilizando-se taxas menores nosperodos de silncio em uma conversao. O controle da potncianas EMs equaliza o nvel de interferncia provocado por usuriosprximos ou distantes da ERB. A utilizao de antenas diretivaslimitando o ngulo de chegada dos sinais tambm reduz o nvel dorudo.

Verifica-se que o fator limitante do mtodo CDMA a relaosinal-rudo por EMs. Assim, a capacidade do sistema determinadapelo nvel da relao sinal-rudo e pelo ganho de processamento.Mesmo assim considera-se uma ganho da ordem de 8 vezes emrelao capacidade do mtodo FDMA.

Os sistemas que utilizam o mtodo CDMA tem como padro de reusosomente uma clula por cluster. Isto dispensa o planejamento de frequncias.

O que diferencia uma clula de outra so os conjuntos de cdigos utilizadosj que todas as clulas utilizam a mesma freqncia portadora. Isto facilitaa implementao do procedimento de soft-handoff. Neste procedimento aEM cruzando a fronteira entre duas clulas poder utilizar os sinais dasduas ERBs ao mesmo tempo, transmitindo o mesmo cdigo, combinando ossinais recebidos para melhorar a recepo.

Os sistemas que utilizam o CDMA seguem o padro IS-95 com taxa deespalhamento a 1,2288 Mbps utilizando uma portadora de 1,25 MHz defaixa. O uso de uma taxa bsica de 9,6 kbps implica em maiorcapacidade do sistema e em menor qualidade de transmisso.

Utilizando 14,4 kbps teremos uma menor capacidade do sistema, pormuma melhor qualidade de transmisso. Um fato curioso que asoperadoras podem prover servios em ambas as taxas com tarifasdiferenciadas.

Alocao de canal

Para um uso eficiente do espectro rdio disponvel, requerido umesquema de reuso de freqncias que seja consistente com os objetivos deaumento de capacidade e reduo de interferncia. Com o intuito deaumentar a eficincia na utilizao do espectro, uma variedade deestratgias de alocao de canais foi ento desenvolvida.

Tais estratgias podem ser classificadas como fixas ou dinmicas. A escolhada estratgia impacta no desempenho do sistema, particularmente emcomo uma chamada gerenciada quando um mvel desloca-se de umaclula para outra.

Numa estratgia de alocao fixa de canais, alocado um determinadoconjunto de canais de voz a cada clula. Qualquer tentativa de chamadadentro da clula s poder ser servida pelos canais desocupadospertencentes quela clula. H algumas variantes da estratgia dealocao fixa de canais. Em uma delas, chamada de estratgiade emprstimo(borrowing strategy), uma clula pode pedir canaisemprestados de uma clula vizinha se todos os seus canais estiveremocupados.

A Central de Comutao Mvel supervisiona os procedimentos deemprstimo e garante que o emprstimo do canal no interfere emnenhuma chamada que esteja em progresso na clula de origem do canal.

Alocao de canal

Na estratgia de alocao dinmica de canais, os canais de voz no soalocados s clulas permanentemente. Ao invs disso, cada vez que h umatentativa de chamada, a estao base requisita canal para a MSC. A Centralento aloca um canal para a clula que o requisitou.

A MSC apenas aloca uma determinada freqncia se essa freqncia noest em uso na clula nem em nenhuma outra clula que esteja a uma distnciamenor que a distncia de reuso, para evitar interferncia. A alocaodinmica de canais diminui a probabilidade de bloqueio de chamadas,aumentando a capacidade de troncalizao do sistema, pois todos os canaisdisponveis esto acessveis a todas as clulas.

Esse tipo de estratgia requer que a MSC colete dados em tempo real deocupao de canais, distribuio de trfego, e de indicaes de intensidadede sinal de rdio (RSSI- Radio Signal Strength Indications) de todos os canais,continuamente. Isso sobrecarrega o sistema em termos de capacidade dearmazenamento de informaes e carga computacional, mas prov vantagemde aumento de utilizao dos canais e diminuio da probabilidade debloqueio.

Handoff

Quando um mvel desloca-se entre clulas enquanto umaconversao est em andamento, a CCC automaticamente transferea chamada para um novo canal pertencente nova estao base.

Esse procedimento de handoff no apenas envolve a identificaode uma nova estao base, mas tambm requer que os sinais devoz e de controle sejam transferidos para canais associados novaclula.

O processamento de handoffs uma tarefa muito importante em qualquer sistemacelular. Muitas estratgias de handoff priorizam os pedidos de handoff em relaoa pedidos de inicializao de novas chamadas, quando da alocao de canaislivres em uma clula.

Handoffs devem ser realizados com sucesso (e o menor nmero de vezes possvel) edeveriam ser imperceptveis aos usurios. Projetistas de sistemas devem especificarum nvel timo de sinal que iniciar o processo de handoff. Uma vez que um nvelparticular de potncia de sinal tenha sido estabelecido como sendo o nvel queoferece a qualidade de voz mnima aceitvel no receptor da estao base(normalmente entre 90 dBm e 100 dBm) , um nvel de sinal ligeiramente superior usado como limiar no qual o handoff feito.

Para se decidir se um handoff necessrio ou no, importante garantir que aqueda no nvel do sinal medido no devida a um desvanecimento momentneo eque o mvel est realmente afastando-se da estao base que o serve. Para secertificar disso, a estao base monitora o nvel de sinal por um certo tempo antesdo handoff ser iniciado.

Esse procedimento deve ser otimizado de forma que handoffs desnecessrios noocorram e que handoffs necessrios sejam realizados antes da chamada serinterrompida.

Em sistemas celulares analgicos de primeira gerao, a medio dosnveis de sinal feita pelas estaes base e supervisionada pela CCC.Cada estao base constantemente monitora a intensidade de sinal detodos os seus links de voz reversos (mvel para base) para determinar aposio relativa de todos os usurios em relao torre da base.

Alm de medir a RSSI de chamadas em progresso dentro da clula, umreceptor adicional em cada estao base, chamado de locator receiver, usado para determinar o nvel de sinal de usurios que esto em clulasvizinhas. Esse receptor comandado pela CCC e usado para monitorar aintensidade de sinal de usurios em clulas vizinhas que possam sercandidatos a handoff e reportar os valores de RSSI medidos CCC.Baseada na informao de nvel de sinal fornecida pelo locator receiver decada estao base, a MSC decide se ohandoff necessrio ou no e, casoseja, para que clula ele dever ser feito.

Em sistemas celulares de segunda gerao que utilizam tecnologia TDMA(Time Division Multiple Access), as decises de handoff so assistidas pelomvel. No handoff assistido pelo mvel (MAHO), cada estao mvelmonitora o nvel de sinal recebido de estaes vizinhas e continuamentereporta essas medies para a estao base que a serve no momento.

Um handoff iniciado quando a potncia recebida de uma estao base vizinhacomea a exceder a potncia recebida da estao base que serve o mvel de umdeterminado valor ou por um certo perodo de tempo.

Esse mtodo permite que a chamada seja transferida entre estaes base muitomais rapidamente do que o mtodo da primeira gerao permite, j que asmedies so feitas por cada mvel e a MSC no precisa mais da constantemonitorao de nveis de sinal. O esquema MAHO particularmente bemadaptado a ambientes de microclulas, onde handoffs so mais freqentes.

Sistemas diferentes possuem diferentes polticas e mtodos para gerenciar ospedidos de handoff. Alguns sistemas tratam pedidos de handoff da mesma formaque os pedidos de inicializao de novas chamadas.

Nesses sistemas, a probabilidade de que um pedido de handoff no seja atendidopor uma nova estao base igual probabilidade de bloqueio de novaschamadas. Entretanto, do ponto de vista do usurio, ter sua chamadaabruptamente interrompida no decorrer da ligao parece ser muito maisincmodo do que ser bloqueado eventualmente na tentativa de fazer uma novachamada. Para melhorar a qualidade dos servios sob esse aspecto, vriosmtodos foram desenvolvidos para priorizar os pedidos de handoff sobre ospedidos de inicializao de novas chamadas quando da alocao de canais devoz.

Consideraes prticas sobre handoff

Na prtica, problemas podem surgir pelo fato dos mveistrafegarem nas mais diferentes velocidades. Veculos aaltas velocidades passam pela regio de cobertura emquesto de segundos enquanto que pedestres podem noprecisar de nenhum handoff no decorrer de uma chamada.

Particularmente, com a adio de microclulas (clulas dealgumas centenas de metros de raio) para provercapacidade, a MSC pode rapidamente ficarsobrecarregada se usurios a altas velocidades estoconstantemente sendo transferidos entre clulas muitopequenas.

Muitos esquemas foram e esto sendo desenvolvidos paralidar com o trfego simultneo de mveis a altas e baixasvelocidades, ao mesmo tempo em que minimizam ainterveno da MSC para o handoff.

Embora o conceito celular oferea claramente um aumento de capacidade atravsda adio de clulas, na prtica difcil para provedores de servios celularesencontrar novas localidades para instalar estaes base, especialmente em reasurbanas.

Devido s dificuldades encontradas, fica mais atraente para os provedores instalarcanais adicionais e novas estaes base na mesma localidade de uma clula jexistente, ao invs de procurar novas localidades. Atravs do uso de diferentesalturas de antenas (freqentemente no mesmo prdio ou torre) e de diferentesnveis de potncia, possvel se prover clulas maiores e menores localizadas numamesma regio.

Essa abordagem conhecida como clula guarda-chuva (umbrella cell approach) e usada para prover grandes reas de cobertura a usurios em alta velocidade epequenas reas de cobertura para usurios a mais baixas velocidades. Essaabordagem garante que o nmero de handoffs ser minimizado para usurios aaltas velocidades.

A velocidade de cada mvel pode ser estimada pela estao base ou pela MSCatravs, por exemplo, da medio de quo rapidamente a intensidade mdia empequena escala (short-term) do sinal varia no tempo. Se um mvel, deslocando-se agrande velocidade na clula maior est aproximando-se da estao base e suavelocidade est decrescendo rapidamente, a estao base poder decidirtransferir o mvel para uma clula menor, sem interveno da MSC.

Conceito de clula guarda-chuva