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CDMA, 3G e Aplica¸ oes Luiz Gustavo Nogara ([email protected]) 7 de novembro de 2004 Sum´ ario 1 Introdu¸ ao 2 2 Hist´ oria 3 3 O surgimento do CDMA 6 3.1 Reuso de Frequˆ encia e Espalhamento Espectral ........ 6 3.2 Potˆ encia de transmiss˜ ao ..................... 8 3.3 odigos .............................. 9 3.4 Aumento da capacidade da rede ................. 9 3.5 Transmiss˜ ao de dados por pacotes ................ 10 4 A terceira gera¸ ao 11 4.1 CDMA2000 ............................ 11 4.1.1 Evolu¸ ao para uma rede CDMA2000 .......... 12 4.1.2 Funcionamento de uma rede CDMA2000 ........ 13 4.2 W-CDMA ............................. 14 4.2.1 Evolu¸ ao para uma rede W-CDMA ........... 15 4.2.2 Funcionamento de uma rede W-CDMA ......... 15 5 Compara¸ ao entre CDMA2000 e W-CDMA 17 6 Aplica¸ oes 19 6.1 ´ Audio ............................... 19 6.2 Imagem e V´ ıdeo .......................... 21 6.3 LBS ................................ 21 6.4 Corporativas ............................ 22 7 Conclus˜ oes 23 1

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CDMA, 3G e Aplicacoes

Luiz Gustavo Nogara ([email protected])

7 de novembro de 2004

Sumario

1 Introducao 2

2 Historia 3

3 O surgimento do CDMA 63.1 Reuso de Frequencia e Espalhamento Espectral . . . . . . . . 63.2 Potencia de transmissao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Codigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.4 Aumento da capacidade da rede . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.5 Transmissao de dados por pacotes . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 A terceira geracao 114.1 CDMA2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1.1 Evolucao para uma rede CDMA2000 . . . . . . . . . . 124.1.2 Funcionamento de uma rede CDMA2000 . . . . . . . . 13

4.2 W-CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.2.1 Evolucao para uma rede W-CDMA . . . . . . . . . . . 154.2.2 Funcionamento de uma rede W-CDMA . . . . . . . . . 15

5 Comparacao entre CDMA2000 e W-CDMA 17

6 Aplicacoes 196.1 Audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.2 Imagem e Vıdeo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216.3 LBS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216.4 Corporativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

7 Conclusoes 23

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1 Introducao

O telefone celular hoje permeia nossas vidas. No Brasil, o numero de linhascelulares ja ultrapassa o numero de linhas fixas. E cada vez maior o numerode pessoas que e tocada por essa tecnologia. O celular se tornou sımbolo destatus, um centro de entretenimento, uma ferramenta de trabalho. Ele atemesmo pode ser visto como uma maneira de inclusao no mundo da telefonia,ja que as vezes e mais barato se comprar um telefone celular pre-pago do queuma linha fixa. Isso nos garante um mercado consumidor gigantesco.

Alem de o mercado como um todo crescer a cada dia, telefones antigossao trocados por novos com cada vez mais funcionalidades. Ele e trocado naopor nao mais funcionar, mas tambem por status, podendo esta industria sercomparada a industria automobiliıstica. Dessa forma, uma grande parcelados telefones em funcionamento ganham, a cada ano, processadores melhores,telas coloridas e maiores, capacidade de rodar aplicacoes, cameras fotograficase de vıdeo embutidas.

O mercado para as operadoras celulares, desta forma, e promissor. Novosservicos podem ser oferecidos aos seus assinantes a medida que seus aparelhossuportem esses servicos. Oportunidades de negocio surgem tambem juntocom esse mercado. As empresas e universidades sao criadas maneiras deinovacao, ja que os telefones se tornam aparelhos capazes de computar alemde serem utilizados como simples aparelhos de comunicacao. Novas areas depesquisa podem ser criadas, levando-se em conta que o celular esta semprejunto com seu dono. O celular e um comunicador, uma maneira de a pessoase conectar ao mundo.

Para suportar a infinita capacidade humana de criar formas de entreteni-mento e comunicacao, alem de ter que suportar um numero cada vez maiorde usuarios que utilizam os servicos, a tecnologia celular esta em constanteevolucao. Junta-se a isso a limitacao de faixa de frequencia imposta a cadaoperadora pelo governo de cada paıs. As primeiras redes suportavam pou-cos usuarios simultaneos. Com a popularizacao dos servicos, em uma cidadepodemos ter milhoes de pessoas se comunicando simultaneamente. Mais, osrequisitos para uma rede celular agora nao passam so pela capacidade deusuarios que falam simultaneamente, mas tambem pela capacidade de trans-missao de dados.

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Figura 1: O processo de handoff

2 Historia

Para entendermos o futuro das tecnologias de transmissao para celulares, pre-cisamos entender um pouco da historia ligada a essas tecnologias. A tecnolo-gia celular tem esse nome porque o sistema utiliza varias estacoes radio-base(as ERBs), dividindo uma area de cobertura em varias celulas, para forne-cer a infraestrutura de comunicacao para os aparelhos. Ao se movimentar,um aparelho passa de uma celula para outra, sem que a comunicacao sejainterrompida, processo chamado de handoff. O conceito de celulas surgiu em1947, mas nao havia tecnologia suficiente para colocar em pratica essa ideia.Embora o handoff seja importante em um sistema celular, nao e apenas eleque define o sistema. Muitos sistemas de radio comerciais ja utilizavam nessaepoca o handoff. Entretanto, todos eles utilizavam a mesma frequencia parauma comunicacao quando um aparelho ia de uma celula para outra. Caso afrequencia ja estivesse sendo utilizada na celula destino, a chamada era desco-nectada. A grande novidade em um sistema celular e o reuso de frequencia,fazendo com que um aparelho que estivesse em uma celula em uma dadafrequencia pudesse trocar de frequencia ao passar para outra celula, fazendoum reuso de frequencia. Essa e, portanto, a caracterıstica principal de umsistema celular.

Nos Estados Unidos, assim como em varios paıses, ha organismos regu-latorios das transmissoes de ondas eletromagneticas. Portanto, em 1947 aAT&T propos ao FCC (o orgao regulatorio de telecomunicacoes dos EUA) aliberacao de frequencias de radio para que fosse possıvel a criacao de servicosde telefone via ondas de radio. Nessa epoca uma faixa de frequencia muitopequena foi destinada a pesquisa, diminuindo o interesse na mesma. Essaposicao so foi reconsiderada em 1968. O Bell Labs propos entao um sistemacelular composto de varias torres de transmissao, onde cada uma cobria umacelula de alguns quilometros, utilizando algumas das frequencias disponıveis.

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Assim, o telefone que saısse de uma area para outra passaria de uma torrede transmissao para outra. A primeira demonstracao publica de uma ligacaofeita de um telefone celular portatil foi em 1973, onde Martin Cooper, daMotorola, ligou para seu rival Joel Engel, pesquisador da Bell Labs.

A Bell Systems lancou, em 1969, o primeiro sistema comercial que utilizao reuso de frequencia. Entretanto, os telefones estavam colocados no tremque fazia o trajeto New York - Washington DC e, por isso, nao foi consideradocomo um sistema portatil. Entretanto, mesmo tendo um primeiro prototipode rede celular em 1977, feito pela AT&T, apos anos de negociacoes com oFCC, os Estados Unidos nao foram os primeiros a terem um sistema comercialem funcionamento de uma rede celular com aparelhos portateis. Em 1979,o primeiro sistema de telefonia celular foi lancado em Toquio, baseado noAMPS (Advanced Mobile Phone Service) da AT&T. Um sistema comercialpropriamente dito so foi iniciado em outubro de 1983. O grande motivo dessegrande atraso no avanco da tecnologia movel nos Estados Unidos foi o excessode regulamentacao que o FCC queria impor para que um monopolio na redecelular nao fosse criado, como ja era estabelecido pela AT&T na rede fixa.

O celular foi lancado comercialmente na Europa em 1981, usando a faixados 450 MHz, na Dinamarca, Noruega, Suecia e Finlandia, e foi conside-rado o primeiro sistema celular multinacional. Embora nos paıses nordicos amesma tecnologia tenha sido usada para garantir o padrao de comunicacoes,o mesmo nao pode ser dito em relacao aos outros paıses. A Gra-Bretanha,a Franca, a Alemanha e a Italia criaram seus proprios sistemas, utilizandofrequencias diferentes, formando uma rede de telefonia celular analogica sempossibilidade de serem compatıveis. Enquanto isso, nos Estados Unidos, em-bora a tecnologia analogica seja passıvel de fraude e com pouca possibilidadede avanco no numero de usuarios simultaneos, a rede analogica continua acrescer, fazendo com que a compatilidade entre as varias redes fosse mantida.Para conseguir essa mesma compatibilidade, a Europa teve que se unir e criarum padrao novo, utilizando uma nova frequencia. Assim, foi criado o GSM.

O GSM (Groupe Speciale Mobile, depois renomeado para Global Sys-tem for Mobile Communications) nasceu em 1982, como um grupo formadopelos europeus para a definicao de um padrao de telefonia celular digital,utilizando a frequencia de 900 MHz. O primeiro padrao foi publicado em1990, juntamente com planos para a utilizacao da frequencia de 1800 MHz,ja que a Gra-Bretanha utilizava a frequencia dos 900 MHz para sua propriatecnologia analogica. As primeiras redes comerciais utilizando GSM foramlancadas em 1991.

Os Estados Unidos so conseguiram um padrao nacional de telefonia ce-lular analogica no final dos anos 80, chamado de IS-41, padronizando oselementos da rede celular e os modos de interoperabilidade, fazendo com que

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o sistema celular como um todo operasse como se fosse um so. Isso incluıadesde fazer com que a chamada nao caısse ao aparelho passar de uma redepara outra ate dados dos assinantes serem transportados para onde o usuarioprecisasse.

A era digital nos Estados Unidos comecou em 1990, para aumentar acapacidade de rede, utilizando o TDMA (Time Division Multiple Access),criando o padrao IS-54. Como a rede analogica instalada era muito grande,o padrao foi criado de uma maneira que a tecnologia antiga era suportada,facilitando a migracao dos usuarios para a nova rede. Isso nao era necessariono GSM, ja que a criacao do novo padrao na Europa pressupunha que a novarede seria totalmente digital. O IS-54 aumentava em 3 vezes a capacidade decada canal analogico. Isso quer dizer que em cada canal, 3 ligacoes poderiamser utilizadas ao inves de uma. Isso tambem era possıvel atraves de umoutro padrao, o chamado NAMPS (Narrowband Advanced Mobile PhoneSystem), que era totalmente analogico, mas utilizava canais de 10 KHz aoinves de 30 Khz como o AMPS tradicional. Entretanto, por ser analogico, oNAMPS nao oferecia suporte a autenticacao, que foi inserido no IS-54 para adiminuicao de fraudes, assim como nao oferecia o suporte para outros servicosque sao possıveis em uma rede digital, tais como identificacao do chamador emensagens de texto. Como a antiga rede analogica era suportada, o telefoneque suportava as duas redes tinha como padrao o analogico, para que pudessefuncionar em qualquer rede.

Nesse momento, o desenvolvimento da tecnologia celular ocorria em 3areas do mundo: a Escandinavia, os EUA e o Japao. A Europa utilizavao GSM, os Estados Unidos utilizavam um dual-mode de AMPS e TDMA, eo Japao tinha uma tecnologia propria, chamada de PDC (Personal DigitalCellular), baseada no TDMA.

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3 O surgimento do CDMA

No comeco dos anos 90, nos EUA, a grande maioria das operadoras comecoua utilizar o chamado IS-54, para aumentar a capacidade da rede e possibili-tar outros servicos digitais. Entretanto, a utilizacao do TDMA como multi-plexacao de acesso a rede nao garantia um crescimento muito grande. Comovisto anteriormente, no IS-54 cada canal podia ser utilizado por 3 ligacoesao inves de uma. Alem disso, o padrao tem alguns problemas tecnicos queimpedem a utilizacao mais eficiente do espectro de frequencia utilizado. Umadiscussao bem mais detalhada de como funciona o CDMA e encontrado em[6]. O CDMA como metodo de multiplexacao para sistemas celulares comer-ciais foi proposto pela Qualcomm em 1989 e se transformou em padrao em1993, sob o nome de IS-95. Esse padrao e compatıvel com as redes analogicasexistentes, como no IS-54, para facilitar a evolucao das redes antigas paraeste padrao.

3.1 Reuso de Frequencia e Espalhamento Espectral

A ideia central de uma rede celular e o reuso de frequencia disponıvel emcelulas nao adjacentes. Como o espectro de frequencia disponıvel para umaoperadora e uma grandeza limitada, a operadora que quer ter mais quealguns milhares de clientes se comunicando simultaneamente deve encon-trar uma maneira de reutilizar os canais em lugares diferentes de sua rede.Dessa forma, nao e possıvel fazer com que cada celula de sua rede use umafrequencia diferente apenas. E necessario uma forma inteligente de associarcanais a cada celula. Isso se deve ao fato de que celulas adjacentes nao po-dem utilizar canais iguais, ja que pode haver uma interferencia entre as duascelulas. Utilizando o modelo de celulas hexagonais para facilitar, uma ma-neira de se atingir esse objetivo e dividir o numero de canais disponıveis por7 e utilizar um grupo diferente para cada uma das celulas, como mostradona figura 2. Este modelo pode ser replicado varias vezes, pois cada conjuntode 7 celulas da figura 2 pode estar adjacente a outro sem que as celulas ad-jacentes estejam da mesma cor, ou seja, usem o mesmo conjunto de canais.Isso e mostrado na figura 3. Cada celula pode, portanto, usar um setimodo numero de canais disponıveis para a operadora sem risco de interferenciaentre as celulas.

O CDMA utiliza uma tecnologia chamada espalhamento espectral, quee uma ideia usada em transmissoes militares desde a decada de 40. Umatransmissao feita dessa forma torna mais difıcil tanto a interceptacao quantoa interferencia, pois utiliza uma faixa de frequencia maior do que a necessaria,em comparacao com sinais transmitidos em uma faixa de frequencia estreita.

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Figura 2: As celulas com frequencias diferentes

Figura 3: Conjuntos de celulas replicados

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Figura 4: Padrao de celulas no CDMA

Ao inves de dividir um espectro de frequencia em varios slots de tempo oude frequencia, cada usuario e associado a uma instancia quase ortogonal deuma portadora de 1.25 MHz. Cada instancia e gerada atraves de um pseudo-ruıdo gerado digitalmente, para que tanto o transmissor quanto o receptorsejam capazes de codificar e decodificar a mensagem atraves de componentesdigitais. A portadora de 1.25 MHz foi escolhida por representar

O uso da tecnologia de espalhamento espectral facilita a associacao defrequencias para cada celula, ja que todos os usuarios ocupam o mesmo es-pectro, e a interferencia entre duas celulas adjacentes utilizando a mesmafrequencia nao tem o mesmo efeito. A tecnologia ja pressupoe que a trans-missao dos outros usuarios na mesma frequencia se comporta como ruıdo.Assim, o aparelho do usuario deve ser capaz de encontrar a transmissao cor-rente atraves do codigo correspondente, em meio a todo ruıdo. A distribuicaode frequencias pode, entao, ser feita como na figura 4.

3.2 Potencia de transmissao

Um grande problema que manteve o CDMA como uma tecnologia nao-comercial e a questao da potencia de transmissao. Usuarios podem estarperto ou longe da estacao radio-base. Se tanto os aparelhos quanto os apa-relhos que estao longe da estacao transmitirem com a mesma potencia, duascoisas podem acontecer. A eficiencia da utilizacao do espectro seria muitopequena, devido a necessidade de se ter uma largura de banda grande o su-ficente para comportar o usuario mais longe, ou entao a largura de bandaseria pequena demais para suportar usuarios longe das estacoes radio-base.

A solucao para esse problema surgiu com uma ideia muito simples. Osaparelhos transmitem com potencia variavel, de tal forma que a potenciarecebida pela estacao radio-base seja aproximadamente igual para todos osusuarios. Assim, os usuarios podem utilizar a mesma faixa de frequencia semque o sinal de usuarios perto da estacao radio-base mascare a transmissao

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dos usuarios que estao longe.Uma vantagem que aparece com o fato desse controle ser feito e que

o aparelho na verdade esta conectado em mais de uma estacao radio-base.Dessa forma, o handoff de uma ligacao de uma celula para outra e muito maisnatural, ocorrendo o chamado soft handoff. O usuario, ao se movimentar, vaigradualmente passando de uma celula para outra, ate que o sistema decidepassar de vez a responsabilidade da chamada para a nova celula.

3.3 Codigos

Uma analogia muito boa para entender o CDMA e a forma que os codigosfuncionam como metodo de multiplexacao da transmissao e uma sala ondepessoas falam diferentes lınguas. Duas pessoas que falam a mesma lıngua seentendem, mesmo com varias pessoas falando lınguas diferentes na mesmasala. E necessario, portanto, que o codigo para cada instancia seja bemdiferente dos outros, para que essa conversa nao possa ser confundida comoutras conversas ocorrendo simultaneamente, isto e, a correlacao entre oscodigos deve ser o mais proximo possıvel de 0. O codigo e independente dodado a ser transmitido, e e obtido atraves de um gerador pseudo-aleatoriobem determinado. Isso e necessario para que o codigo nao seja enviadojuntamente com a mensagem, para dificultar a interceptacao da mensagem.Alem disso,esse codigo se repete de tempos em tempos. Cada estacao radio-base emite o mesmo codigo, com um deslocamento no eixo do tempo.

Entretanto, para que essa geracao pseudo-aleatoria funcione e para quehaja uma sincronizacao entre o transmissor e o receptor, e necessario quehaja um sincronismo dos relogios de todo o sistema. Toda a rede e sincroni-zada atraves de receptores GPS (Global Positioning System) que ficam emtodas as estacoes radio-base. Dessa maneira, o receptor e capaz de recebera mensagem, descobrir qual dos sinais pode ser decodificado com o codigocorrente e transformar a informacao recebida em voz novamente.

3.4 Aumento da capacidade da rede

Atraves dos calculos em [6] e [3], mostra-se que em um setor onde no AMPSha dois canais disponıveis, usando o CDMA consegue-se entre 16 e 64 usuarios,com a mesma largura de banda. Alem disso, o numero de usuarios possıveisnao diminui depois de se aumentar o numero de celulas, devido a ausencia deinterferencia real entre celulas. Calculos mostram que uma rede CDMA con-segue ser de 8 a 10 vezes mais eficiente que o AMPS em numero de usuariossimultaneos em uma mesma faixa de frequencia e de 3 a 4 vezes mais eficienteque o GSM.

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Apeser disso, nao sao apenas esses fatores que tornam o CDMA uma tec-nologia que permite um maior numero de usuarios por celula. Como a quan-tidade de energia transmitida deve ser minimizada, para nao sobrecarregara faixa de frequencia, tecnicas de codificacao de voz sao utilizadas. Umagrande parte de uma conversa entre duas pessoas e formada por silencio.Alem disso, a voz humana pode ser codificada de tal forma que o ouvidohumano nao perceba, mesmo apos a perda de informacao. E utilizado entaoum vocoder de taxa variavel em todos os telefones. A taxa maxima pode ser9600 bps ou 14400 bps, dependendo da versao do padrao utilizado.

Quando um usuario fala, o sistema utiliza a taxa maxima, por exemplo9600 bps. Quando o usuario para de falar, o vocoder automaticamente de-tecta a pausa e passa a transmitir a uma taxa de 1/8 da taxa maxima, ou seja,1200 bps, para que sons ambiente possam ser transmitidos. Atraves dessadiminuicao de dados a serem transmitidos, a capacidade da rede aumenta,pois mais usuarios podem transmitir ao mesmo tempo. Alem disso, a bateriado telefone pode ser economizada, pois o processador passa a trabalhar maislentamente por haver menos informacao a ser processada.

3.5 Transmissao de dados por pacotes

Apos a criacao das redes celulares digitais, nao demorou para que a trans-missao de dados atraves da rede celular fosse idealizada, tanto para servicosbasicos como mensagens ate servicos multimıdia. No campo do CDMA, sur-giu em 1995 a primeira revisao do padrao, criando-se o IS-95A. Esse padraopermitia a transferencia de dados utilizando chaveamento de circuitos. Em-bora a taxa de transmissao fosse limitada em 14.4 Kbps, o padrao foi utilizadona maioria das operadoras CDMA no mundo.

Uma segunda revisao foi feita, criando-se o IS-95B. Esse padrao ja per-mitia a transmissao de dados utilizando uma rede de pacotes, chegando auma taxa de transmissao de 64 Kbps. Esse padrao ja era considerado 2.5G,e foi utilizado em alguns paıses da Asia. A evolucao da tecnologia CDMApela Qualcomm continuou, dando origem ao CDMA2000, que sera mostradomais tarde neste texto.

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Figura 5: Padroes para 3G no IMT-2000

4 A terceira geracao

A terceira geracao de redes celulares, mais conhecida como 3G, e um termousado para descrever redes que suportem alta qualidade de voz e transmissaode dados de alta velocidade. A definicao de 3G aceita no mundo todo ea publicada pelo ITU (International Telecommunication Union), orgao quedefine os padroes e requerimentos tecnicos e regula o uso de espectro defrequencia para sistemas 3G.

O ITU publicou os requerimentos para redes 3G sob o nome de IMT-2000.Nesse documento, e especificado que as redes 3G deve ter uma eficiencia nouso do espectro de frequencia e na capacidade da rede maiores que as redes2G, e que as taxas de transmissao de dados mınimas sejam 144kbps emaparelhos moveis e 2 Mbps em ambientes sem mobilidade.

Em 1999, o ITU aprovou cinco padroes que atendem a esses requerimen-tos. Eles sao mostrados na figura 5.

Dois desses padroes sao os mais conhecidos: o Multi Carrier CDMA,tambem conhecido como CDMA2000, da Qualcomm, e o DS-CDMA, tambemconhecido como W-CDMA (Wideband CDMA) ou UMTS (Universal Mo-bile Telecommunications System), que serao analisados mais profundamente.Nota-se que todos os cinco padroes utilizam tecnicas de espalhamento defrequencia de uma maneira ou de outra.

4.1 CDMA2000

O CDMA2000 e a evolucao do padrao IS-95 feita pela propria Qualcomm. Eleja possui duas implementacoes que funcionam comercialmente: o CDMA20001X e o CDMA2000 1X EV. Essa evolucao foi fruto da demanda de aplicacoesmultimıdia nas operadoras que ja utilizavam o IS-95, tambem conhecido comocdmaOne. A nova tecnologia utiliza a transmissao de dados em uma rede depacotes, ou seja, os aparelhos estao permanentemente conectados, bastandoabrir uma sessao IP para conexao com servidores.

O CDMA2000 1X duplica a capacidade de voz em uma mesma portadorade 1.25 Mhz devido a um novo vocoder lancado comercialmente em 1999.

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Alem disso, a tecnologia utiliza voz e dados na mesma portadora, para maioreficiencia na utilizacao do espectro. A primeira implementacao, chamada defase 1, oferece picos de transmissao de 153.6 kbps enquanto a fase 2 suportapicos de 307 kbps.

Ja o CDMA2000 1X EV possui duas implementacoes. A primeira, jacomercial em varios paıses, chama-se CDMA2000 1X EV-DO (Data Only).A operadora que escolher implementar essa rede em sua faixa de frequenciareserva portadoras de 1.25 Mhz para dados. Como a tecnologia e otimizadapara a transmissao de dados, consegue-se picos de transmissao de 2.4 Mbps,ou uma media de 500 a 700 kbps por usuario. Caso o usuario saia da areade cobertura 1X EV-DO, o telefone automaticamente utiliza a rede 1X.

O CDMA2000 1X EV-DV foi criado para ser o upgrade de redes CDMA20001X, fazendo com que voz e dados utilizem as mesmas portadoras e faz comque a transmissao de dados atinja picos de 3.09 Mbps.

Ha uma serie de vantagens tanto para os consumidores quanto para asoperadoras na utilizacao do CDMA2000. A primeira e que todas as tec-nologias foram feitas levando-se em conta a compatibilidade com as redesantigas, sejam elas CDMA ou analogicas. Portanto, ao se fazer o upgradede uma rede mais antiga para as novas tecnologias, pode-se escolher algumasportadoras para funcionar com a tecnologia antiga, enquanto outras para fun-cionar com a rede 1X ou 1X EV-DO. No limite, uma rede TDMA ou GSMpode utiizar parte do espectro de frequencia para a utilizacao de servicos 1X,apesar de essa nao ser uma alternativa muito usual. Toda essa preocupacaocom compatibilidade leva o consumidor que tem um telefone antigo nao sen-tir quaisquer mudancas na rede e nos servicos. Caso ele obtenha um novoaparelho, o usuario apenas tera acesso a mais servicos.

Outra vantagem e o custo de integracao das novas tecnologias com arede antiga. A operadora que decidir seguir o caminho do CDMA2000 podealocar portadoras somente para trafego de voz, algumas somente para trafegode dados e ate uma portadora para trafego de controle. Entretanto, reservarum canal para trafego de dados e uma maneira ineficiente de garantir aqualidade de transmissao, ja que a natureza do trafego de dados e muitodiferente do trafego de voz. Por isso, um dos pontos fortes tanto da rede 1Xquanto da 1X EV-DV e poder utilizar a mesma portadora tanto para vozquanto para dados.

4.1.1 Evolucao para uma rede CDMA2000

A evolucao de uma rede 2G de diferentes padroes para uma rede CDMA2000pode ser vista na figura 6.

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Figura 6: Evolucao de diferentes redes para o CDMA2000

Figura 7: Padroes para 3G no IMT-2000

4.1.2 Funcionamento de uma rede CDMA2000

O comportamente de uma rede CDMA2000 e explicado com detalhe em [1].A figura 7 apresenta tanto a rede de voz (ANSI-41) quanto a rede de dados.Alguns elementos valem a pena ser explicados.

Estacao Movel - MS O telefone do usuario, chamado de MS (MobileStation) funciona como um cliente IP movel. Ele interage com a rede paraobter e manter uma conexao de radio para comunicacao de dados. Ao ini-ciar, o MS se registra no HLR (Home Location Register) para autentica-lo,enviar a localizacao atual em relacao a estacao radio-base mais proxima eenviar ao MSC-S (Serving Mobile Switching Center) informacoes sobre assuas capacidades de rede.

Depois do registro no HLR, o telefone esta apto a fazer chamadas devoz e dados, que podem ser tanto CSD (circuit-switched data) quanto PSD(packet-switched data), dependendo da capacidade do aparelho. A velocidade

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maxima de CSD e de 19.2 Kbps. O mais interessante, no entanto, e o servicode PSD, que na primeira revisao do padrao CDMA2000 1X chega a 144 Kbps.Para cada sessao de dados, e necessario criar uma sessao PPP (Point-to-PointProtocol) entre o MS e o PDSN (Packet Data Serving Node). O IP dessasessao e associado ao MS pelo PDSN ou por um servidor DHCP (DynamicHost Configuration Protocol) atraves de um HA (Home Agent)

Radio Access Network - RAN O RAN e a interface de radio que oMS precisa para conectar-se a uma rede IP, no caso de uma transmissaode dados. Consiste das antenas ou estacoes radio-base, de um BTS (BaseStation Transceiver Subsystem), de um BSC (Base Station Controller) e deum PCF (Packet Control Function).

O BTS controla a comunicacao entre o telefone e a rede da operadora,comunicando quaisquer mudancas ao BSC. Ja o BSC e responsavel pelo ro-teamento de mensagens de dados entre as estacoes radio-base e o MSC, alemde coordenar os handoffs de uma celula para outra.

Packet Control Function - PCF O PCF controla o trafego de IP entreo MS e a rede de pacotes, representada pelo PDSN. Os canais necessariospara a comunicacao de dados sao requisitados ao PCF. Ele tambem serve degateway entre o MS e o PSDN, criando um buffer de pacotes caso o MS naopossa obte-los por algum motivo.

Packet Data Serving Node/Foreign Agent - PDSN/FA O PSDN eo gateway entre a RAN e a rede publica de pacotes. Em uma rede movel, elepode ser configurado como o HA (Home Agent) ou o FA (Foreign Agent).

Ele e responsavel pela transmissao de informacoes entre o BSS e a rede IP,fazendo a transformacao dessa informacao de radio para pacotes. Alem disso,ele fornece o IP para o dispositivo movel atraves de um servidor DHCP ouatraves de um servidor AAA (Authentication, Authorization, and Accoun-ting, que autentica e autoriza usuarios a acessar a rede, criando estatısticasde cobranca). A parte tanto de cobranca quanto de autenticacao do usuariono uso da rede e responsabilidade do PDSN, o qual pode ou nao repassaressa responsabilidade ao AAA. Ha ainda o HA, que segue a implementacaodo padrao Mobile IP, melhor descrito em [5].

4.2 W-CDMA

O W-CDMA e a interface de radio escolhida para o UMTS, utilizando espa-lhamento espectral em sequencia direta em uma portadora de 5 MHz, como

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Figura 8: Divisao da portadora de 5 MHz no W-CDMA

na figura 8. Uma maior largura de banda consegue uma melhoria na quanti-dade de processamento necessario. O padrao suporta servicos de rede de altavelocidade tanto em redes PS (packet-switched) quanto CS (circuit-switched).

Os picos de transmissao do W-CDMA sao de 2 Mbps, atraves de uma codi-ficacao chamada QPSK. O RAN do W-CDMA foi renomeado para UTRAN,que consiste em RNCs (Radio Network Controller) e NodeBs (as estacoesradio-base do UMTS).

O W-CDMA foi criado como uma tecnologia evolutiva do GSM. Comoas tecnologias basicas diferem muito, foi criada uma maneira de suportar asredes antigas GSM sem que haja degradacao do servico. O investimento aser feito pode ser gradual, ja que o maximo de reusabilidade dos elementosda rede foi concebido na criacao do padrao. Entretanto, a evolucao necessitade mais espectro de frequencia, ja que nao pode haver uma superposicao dasduas tecnologias.

4.2.1 Evolucao para uma rede W-CDMA

Do ponto de vista dos grupos que defendem o W-CDMA, pdoemos ver ocaminho evolutivo das tecnologias atuais para o UMTS na figura 9.

4.2.2 Funcionamento de uma rede W-CDMA

Os elementos de uma rede W-CDMA em cima de uma rede 2.5G sao mos-trados na figura 10. O numero de componentes, quando comparado comuma rede CDMA2000, e muito menor. Isso se deve ao fato de que o roaming

de dados e facilitado por utilizar o mesmo suporte que o GPRS utiliza. A

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Figura 9: Evolucao de diferentes redes para o W-CDMA

Figura 10: Elementos de uma rede W-CDMA

complexidade de se ter HAs e FAs, por mais que seja util em alguns casos,foi descartada.

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Figura 11: Upgrade para uma rede CDMA2000

5 Comparacao entre CDMA2000 e W-CDMA

A primeira coisa que deve ser levantada ao se comparar essas duas tecnolo-gias de terceira geracao e qeu a discussao nao passa apenas pela superioridadetecnica de uma ou de outra. Ha uma grande rivalidade entre os que suportamo CDMA2000 e os que garantem que o melhor caminho e o W-CDMA. Portras do primeiro esta o CDG (CDMA Development Group), e a Qualcommcomo principal desenvolvedora da tecnologia e detentora da grande maio-ria das patentes do CDMA2000, embora nao seja a unica que desenvolve opadrao. No segundo grupo estao os que suportam a tecnologia GSM, como aNokia, a Siemens e a Ericsson, entre outros, que formam o 3GPP (3rd Gene-ration Partnership Project). Embora a Qualcomm seja um grande jogador notime do CDMA2000, a empresa possui cerca de 20% das patentes utilizadasno W-CDMA e e um grande fabricante de chips para essa tecnologia.

Dessa forma, os pontos de vista sao sempre contraditorios, tanto emrelacao a superioridade tecnica quanto a forma de evolucao das redes atuais.Por exemplo, em [2] e em [4], o caminho de evolucao para operadoras GSM eTDMA e defendido como sendo o upgrade para o W-CDMA gradualmente,passando pelo GPRS e pelo EDGE. As razoes sao sempre o custo de inves-timento em novas maquinas, que e menor no W-CDMA, como mostrado nafigura 10, assim como a alegacao de que a oferta de servicos e muito parecidanas duas redes.

Entretanto, em sites como o do CDG e da Qualcomm, o caminho evo-lutivo defendido e a utilizacao de carriers de 1.25 Mhz do espectro atual dequalquer operadora, seja ela GSM, TDMA ou cdmaOne, para a utilizacao doCDMA2000 1X, como na figura 11.

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Figura 12: Comparacao de utilizacao de espectro

A superioridade tecnica tambem e defendida pelos dois grupos. Enquantona figura 12 retirada de [2] pode-se ver claramente uma visao clara da Sie-mens de que o W-CDMA e uma tecnologia mais eficiente em uso do espectro.Entretanto, a utilizacao da tecnologia na primeira operadora que lancou oservico W-CDMA comercialmente, a NTT DoCoMo no Japao, nao ofereceargumentos praticos para essa defesa. Ja o CDG defende a utilizacao deportadoras menores, sendo algumas utilizadas para dados, fornecendo capa-cidade para aplicativos multimıdia que nao seriam possıveis da mesma formaem uma rede W-CDMA onde os dados concorrem com as ligacoes de voz.

Um aspecto que nao e levado em consideracao pelos partidarios do W-CDMA e que esta tecnologia, para ser implementada como substituta detecnologias como o GSM, e necessario um espectro maior, para que as por-tadoras de 5 MHz novas sejam colocadas. E muito difıcil uma operadorapoder dispor dessa quantidade de frequencia para um upgrade sem impactaros usuarios atuais. Dessa forma, em paıses onde a aquisicao de novas faixasde frequencia e complicada ou muito cara, a escolha pelo W-CDMA e im-pactada. Ja no CDMA2000, por se utilizar portadoras menores, a faixa defrequencia atual de uma operadora ja serve para o upgrade, como e feita emquase todas as operadoras que utilizavam o cdmaOne anteriormente.

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6 Aplicacoes

A discussao sobre qual a melhor tecnologia, que oferece melhor custo-benefıcioe que utiliza melhor o espectro de frequencia da operadora continua emaberto. Entretanto, o fato de usuarios clamarem por novos servicos, comodito na introducao, e real e sem discussoes. A tecnologia, neste caso, tem opapel somente de prover aos desenvolvedores de aplicacoes uma rede atravesda qual podem ser transmitidos dados sem os quais elas nao existiriam.

A velocidade de acesso aos dados e certamente um fator muito importantena criacao de uma aplicacao que utilize a rede. Mas, sem um ambientede execucao que evolua no mesmo passo da evolucao da rede, a utilizacaodesta rede fica comprometida. Nesse ponto tambem e importante salientar aimportancia do aumento de memoria e processamento de dispositivos moveissem impactar muito o custo deste dispositivo nem impactar a duracao dabateria.

Junto com essas caracterısticas, surgem outras capacidades no telefone.Recursos multimıdia, como som estereo, capacidade de processar vıdeos etelas cada vez maiores auxiliam na criacao de aplicacoes cada vez mais in-trigantes. Algumas caracterısticas unicas, como o fato de o aparelho estarsempre com o usuario e de receber mensagens a qualquer momento, e algunsrecursos agregados, como capacidade de ser localizado com uma pequenamargem de erro e a possibilidade de se ter uma camera no aparelho, geraminfinitas possibilidades de aplicacoes. Nas sessoes seguintes, sao apresenta-dos alguns exemplos de aplicacoes comerciais ou aplicacoes cuja tecnologianecessaria ja esta disponıvel comercialmente.

6.1 Audio

Aplicacoes que utilizem audio em um PC nao sao novidade. Desde que foipopularizado o MP3 e as tecnologias de streaming de audio, novas aplicacoesnao cessaram de surgir. A adicao de uma placa de som a um computadorhoje e imprescindıvel, coisa nao tao comum ha 15 anos.

Pode-se ver a insercao de capacidades avancadas de audio em um disposi-tivo movel como um retrocesso a epoca onde as placas de som comecaram a sepopularizar no PC. O primeiro avanco obvio e a adicao de som a aplicacoes,notadamente jogos. Apesar de essa possibilidade nao ser a mais interessantedentre as descritas nessa sessao, o avanco e muito importante para aumentoda jogabilidade e da facilidade na interface. Muitas vezes, o som faz parte doenredo de um jogo, fazendo com que o jogador sinta-se mais tenso em certaspartes de um jogo, ou aumentando a espectativa de perder uma vida, casoao ser atingido por um inimigo um som seja emitido e o aparelho vibre.

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Um segundo exemplo de aplicacao usando audio e o proprio streaming

de audio, utilizado em radios online. Um servico comercial desse tipo estadisponıvel na Coreia do Sul e no Japao, nas redes CDMA2000 existentesnas operadoras KTF e KDDI respectivamente. Atraves de uma aplicacao, ousuario pode escolher uma das radios online disponıveis e comecar a ouvı-lasimediatamente. Uma segunda aplicacao nessa linha e a compra de musicasatraves de canais online, em um servico parecido com o iTunes da Apple.Ambas as aplicacoes transformam o telefone em um centro de entretenimentoque esta sempre com o usuario.

Sendo a voz a forma mais facil de se passar a emocao humana, umaaplicacao possıvel e a de mensagens de voz, assim como sao feitas as mensa-gens de texto. Atraves da gravacao de voz no aparelho e possıvel criar umarquivo de som compactado, utilizando alguns dos algoritmos ja existentes noaparelho, e enviar atraves da rede de dados celular para um outro aparelho.Um avanco pode ser feito nessa area na forma do envio da mensagem. Umservico ja existente em algumas operadoras na Europa e na Asia cria, a partirdesse arquivo de som, a movimentacao da boca de um personagem previa-mente escolhido. Assim, ao receber a mensagem de outra pessoa, o usuariove uma imagem de um personagem, digamos um hamster, transmitindo amensagem atraves de movimentos bucais criados pelo proprio telefone. Issose deve a um avanco dos processadores dos telefones, que sao capazes deexecutar algoritmos de reconhecimento de voz.

Ja no campo de reconhecimento de voz, ha um servico nos EUA queutiliza a voz do usuario para auxiliar na procura em listas telefonicas. Ousuario aperta um botao, diz algumas palavras no microfone do aparelho, eo telefone juntamente com um servidor se encarregam de trazer informacoesda lista telefonica relacionadas com aquelas palavras. A utilizacao de vozcomo forma de entrada de dados esta caminhando depressa para virar umarealidade nos dispositivos moveis.

Muito discutido ultimamente, o voice-over-IP, tambem conhecido comoVoIP, pode ser implementado utilizando a rede de dados da operadora. Ape-sar de todas as ligacoes ja serem feitas atraves de dados nas redes digitais,a possibilidade de se utilizar VoIP e uma vantagem a mais para o usuario.Atraves disso, pode ser possıvel o usuario ter um numero unico tanto nocelular quanto em casa. Assim, ele poderia utilizar o computador em casapara fazer e receber ligacoes quando estivesse la, e poderia usar seu telefonepara fazer e receber as mesmas ligacoes quando estivesse na rua ou em umaviagem. Ha uma serie de desdobramentos relacionados a essa tecnologia doponto de vista tanto do usuario quanto das operadoras, passando ate poruma discussao de regulamentacao por parte do governo, que nao serao discu-tidas aqui. Entretanto, e clara a possibilidade de se criar servicos de voz que

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nao podiam ser imaginadas com as redes comutadas por circuito anteriores.

6.2 Imagem e Vıdeo

Uma extensao para a comunicacao humana muito antecipada e a vıdeo-conferencia. Atraves de redes digitais celulares de alta velocidade, e de tele-fones com cameras de vıdeo embutidas, e possıvel manter uma comunicacaousando audio e vıdeo em tempo real. Esse servico ja esta disponıvel na Asiae dentro em breve estara disponıvel nas Americas. Pode-se levar o conceitode envio de mensagens um pouco adiante. Ja e possıvel com a tecnologia dehoje o envio de mensagens de audio e vıdeo, ao inves de audio somente. Esseservico ja foi lancado em varios paıses que utilizam redes CDMA.

Usando as cameras embutidas na maioria dos aparelhos high end do mer-cado, pode-se criar varias aplicacoes. Uma delas e o fotolog, servico quevirou mania na internet, e que se torna muito mais natural ao se utilizar atecnologia celular devido ao aparelho estar sempre com o usuario. O enviode fotos pode ser feito atraves da rede de dados, e a foto estara disponıvel nofotolog no momento em que o usuario fizer a submissao. Alem disso, o enviode foto-mensagens ja e uma realidade, podendo-se realizar algumas melho-rias no servico, adicionando figuras as fotos, fazendo algumas modificacoesna propria, tudo dentro do proprio aparelho.

Finalmente, uma ultima aplicacao possıvel e ja lancada em varios paıses,e a TV digital no aparelho celular. Muitas possibilidades sao criadas noadvento de um servico como esse. A participacao dos telespectadores ficamais simples, ja que o usuario esta em um aparelho essencialmente feito paraa comunicacao. Alem disso, a TV pode ficar um pouco mais interativa, com ousuario podendo escolher qual a sua programacao e em que momento assistir.

6.3 LBS

Varios telefones ja saem de fabrica hoje com capacidades de se localizaratraves de GPS ou de triangulacao feita pela rede celular. Isso cria algumaspossibilidades de aplicacao, os chamados LBS (Location Based Services).Uma delas, ja disponıvel, e a ajuda na navegacao em ruas de uma cidade.Apesar de isto ja estar disponıvel em handhelds, a convergencia de aparelhose uma vantagem a mais para o usuario. Ele apenas precisa de um aparelho.

Seguindo a linha de mensagens, pode ser criado o servico de localizacaode pessoas. No momento disponıvel em varios paıses da Asia e das Americas,o servico funciona como uma mensagem, onde o usuario pergunta, atravesde um aplicativo, onde a pessoa esta. Caso essa pessoa esteja autorizada alocalizar o outro usuario, a latitude e a longitude dele sao informadas a pessoa

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requisitou. Atraves de um servidor de mapas, pode-se mostrar o mapa daregiao proxima.

A possibilidade de entretenimento nao foi esquecida nessa tecnologia. Umjogo em andamento no Japao utiliza de maneira interessante a localizacao dosusuarios. Atraves de um jogo colaborativo, pessoas em seus computadores,em casa, se comunicam com usuarios conectados ao jogo em seus telefones. Ojogo funciona atraves da coleta de objetos que sao dispostos em toda cidade.Esses objetos so podem ser obtidos pelos usuarios de dispositivos moveis comcapacidade de localizacao. Ao se chegar em um lugar onde o objeto esta, ousuario o insere em sua lista de objetos, e pode troca-los com outros usuarios,estejam eles no jogo atraves do telefone ou do PC. Alem disso, os usuariosno PC podem auxiliar os usuarios moveis, avisando onde se encontram osobjetos. Alguns objetos so aparecem em alguns lugares em certas horas dodia, outros apenas a noite. Cria-se entao uma comunidade, que utiliza a redede dados da operadora e a capacidade de localizacao apenas como um meiopara o entretenimento dessa comunidade.

6.4 Corporativas

O primeiro avanco em aplicacoes corporativas e o acesso movel a internet apartir de notebooks e PDAs. Atraves da rede celular, com as novas redessendo instaladas, e possıvel conectar-se a internet de qualquer ponto ondehaja cobertura. Normalmente, a cobertura da rede celular e muito maior quea cobertura de tecnologias como o WiFi, e para usuarios realmente moveispode ser uma melhor opcao. Alem disso, atraves de uma conexao always on,novas aplicacoes podem ser consideradas.

Outra funcionalidade muito utilizada por algumas empresas, para redu-zir os custos de chamadas entre aparelhos da mesma empresa e a funcao dewalkie-talkie, conhecida como PTT (push-to-talk), que e oferecida por algu-mas operadoras. Uma aplicacao que use a rede de dados como descrito nasaplicacoes de audio pode ser criada, realizando a mesma funcao. Esse servicoja esta disponıvel, com algumas ideias a mais, como a adicao de mais de umapessoa na conversa e notificacao de presenca de pessoas em uma sala de chat.

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7 Conclusoes

O avanco das tecnologias celulares acontece de forma rapida. Da primeirarede celular comercial em 1969 ate hoje passou um pouco mais de 30 anos. Atecnologia passou de analogica para digital, com velocidades de transmissaode dados crescendo exponencialmente (9.6 Kbps em 1990 e 2.4 Mbps hojeem dia).

O CDMA e o metodo de multiplexacao escolhido pelas duas grandes fren-tes de desenvolvimento da tecnologia celular hoje. Desde sua concepcao,passando pela sua aceitacao como padrao de telefonia celular digital, atea profusao de redes pelo mundo a usando, a tecnologia CDMA passou porvarias etapas. Em 20 anos, a tecnologia saiu de um esetado onde ninguemacreditava que ela seria viavel comercialmente para ser a escolha certa detodas as operadoras que decidam migrar para a terceira geracao, seja usandoCDMA2000 ou W-CDMA. Como visto no texto, a pergunta sobre qual dasduas escolhas e a melhor esta em aberto, e talvez nunca seja respondida.

Notadamente, o aumento de largura de banda disponıvel beneficiou aplicacoesdiversas. No texto foram mostradas inumeras possibilidades que foram cria-das com o advento do 3G, sendo muitas ja disponıveis comercialmente. Haainda um mercado em aberto para inovacoes, usando a tecnologia inseridanos telefones celulares. Alem disso, juntamente com o aumento de capaci-dades multimıdia nos aparelhos, o centro de entretenimento pessoal e umaferramenta de produtividade em um so aparelho e um sonho possıvel.

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Referencias

[1] Cdma network technologies: A decade of advances and challenges.http://www.tektronix.com. White paper from Tektronix.

[2] Comparison of w-cdma and cdma2000. http://www.siemens.com. Whitepaper from Siemens.

[3] Implementing cdma technology. http://www.bee.net.

[4] Operator options for 3g evolution. http://www.northstream.se. Norths-tream technical report.

[5] C. Perkins and A. Myles. Mobile ip. technical report.

[6] Arthur H.M. Ross. Welcome to the world of cdma. http://www.cdg.org.CDMA Technology Resources.

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