FACULDADE ANHANGUERA – UNIDADE 3CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA

ELÉTRICA

TELECOMUNICAÇÃO E TELEFONIA – TECNOLOGIA 3G

Disciplina: Comunicação e telefoniaCurso: Engenharia Elétrica (noturno) – 10o. SemestreProfa.: Thatiane Cristina Ribeiro dos Santos

Grupo: Ana Paula Emy Miyabara Zanini RA:0941484247Flávio João Pinto RA:0850175Getúlio Carlos Iamashita RA:3263583295José Eustáquio de Melo Junior RA:2400005145Leonardo Prado Maestre RA:6814003909Paulo Roberto Gonzaga Santos RA:1099586682Wellington Alves da Silva RA:3228540683

CAMPINAS2015

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO......................................................................................................31.1. Evolução da tecnologia em telefonia celular - Contextualização.......................31.1.1. 1G – Primeira Geração...................................................................................31.1.2. 2G – Segunda Geração..................................................................................41.1.3. Tecnologias 2,5G............................................................................................63. 3G – Terceira Geração..........................................................................................73.1. CDMA-2000.......................................................................................................83.2. UMTS (W-CDMA)..............................................................................................93.3. HSPA (HSDPA/HSUPA)..................................................................................114. CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................................135. REFERÊNCIAS...................................................................................................14

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1. INTRODUÇÃO

1.1.Evolução da tecnologia em telefonia celular - Contextualização

A primeira forma de comunicação sem fio que surgiu foi por meio de

dispositivos que utilizavam comunicação via rádio, em que a configuração era half-

duplex ou unidirecional, ou seja, o envio e o recebimento de dados não eram

realizados simultaneamente. O primeiro sistema deste tipo surgiu em 1928 e foi

utilizado pela primeira vez pelo departamento de polícia de Detroit, Estados Unidos.

Em 1939 a polícia de Connecticut solicitou a Daniel Noble, engenheiro da Motorola,

um projeto de um sistema de rádio FM de duas vias para a polícia estatal. O sistema

foi instalado em 1940 em Hartford e foi a transição do AM para o FM.

Em 1947 a companhia AT&T demonstrou o funcionamento do primeiro sistema

de telefonia celular, realizando a comunicação entre um jato da United Airlines e um

trem em movimento e estações em solo. A mesma companhia desenvolveu o

conceito de telefonia celular na mesma época, porém não tinha a tecnologia

necessária para desenvolvê-la. Nas décadas subsequentes, houve esforços de

várias empresas para o desenvolvimento da comunicação por celular. Até que em

1973 foi realizada a primeira chamada de um telefone móvel para um telefone fixo,

demonstrado pela Motorola. Porém o primeiro modelo de celular comercial foi

liberado somente em 1983 nos Estados Unidos.

No início dos anos 90 surgiram aparelhos com tamanhos e pesos menores e

também novos padrões de comunicação. Nesta época surgiram as três principais

tecnologias: TDMA (Time Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple

Access) e GSM (Global System for Mobile Communications).

1.1.1. 1G – Primeira Geração

A primeira geração de sistemas de telefonia celular foi concebido no final da

década de 70 e a maioria implementada no início da década de 80. A transmissão

era analógica com modulação FM (Frequency Modulation) e o padrão predominante

mente utilizado era o AMPS (Advanced Mobile Phone System). O AMPS foi adotado

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também pelo Brasil. Nele, a comunicação entre o terminal móvel e a estação rádio

base, ERB ou cell site, é feita na faixa de 800Mhz por meio de sinais analógicos em

canais de 30Khz e modulação FM. Outros exemplos de sistemas 1G são: TACS

(Total Access Communication System), NMT (Nord Mobile Telephone), Radicom

2000, RTM (Radio Telefono Mobile) e JTACS (Japan Total Access Communications

System). O 1G consistia apenas na transmissão de voz

A qualidade do som, curta duração da bateria, tamanho do telefone celular,

dificuldade de manuseio, a capacidade limitada do sistema, levaram ao

desenvolvimento de sistemas celulares 2G.

1.1.2. 2G – Segunda Geração

A segunda geração de tecnologia de celulares substituiu os sistemas

analógicos pelos digitais. A 2G é composta por tecnologias mais estáveis, com maior

área de cobertura e capacidade para suportar maior quantidade de usuários. Todas

as tecnologias a partir da 2G compreendem a comunicação de dados e de voz. As

tecnologias 2G mais usadas são TDMA (Time Division Multiple Access), CDMA

(Code Division Multiple Access) e o GSM.

O TDMA é uma tecnologia em que um canal de comunicação é dividido em

slots, ou seja, em intervalos de tempo alternados. Cada chamada estabelecida é

destinada a dois slots usados nos sentidos telefone-base e base-telefone. Apesar de

usarem o mesmo canal, uma chamada não interfere na outra. O TDMA suporta até 3

vezes mais conexões que as tecnologias analógicas, pois os dados ocupam apenas

um terço da capacidade do canal. Em relação à tecnologia celular, o TDMA foi

usado em três sistemas também bastante utilizados: IS-54, também denominado D-

AMPS (Digital AMPS) com mesmo suporte a faixa de frequência do AMPS; IS-136,

considerado a evolução do IS 54, com controle de canal mais avançado em faixa de

frequência mais ampla (entre 800Mhz e 1900Mhz) e o GSM, tecnologia móvel mais

difundida, que também pode operar com FDMA (Frequency Division Multiple

Access). O GSM realiza transmissões baseadas em TDMA, porém utiliza até oito

slots em cada canal. Têm como característica também o uso do SIM (Subscriber

Identity Module), dispositivo que armazena informações referentes à linha telefônica

do usuário. A rede GSM opera em várias frequências, sendo as mais comuns

900Mhz, 1800Mhz e 1900Mhz.

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No CDMA, após a digitalização dos dados, os dados são disponibilizados para

a banda de frequência disponível. Chamadas múltiplas se sobrepõem no mesmo

canal, cada qual recebe um código de sequência distinto.

Os códigos de sequência são sinais pseudoaleatórios. Isso significa que

parecem ser aleatórios e utilizam uma ampla banda de frequência, mas são

conhecidos tanto pelo emissor quanto pelo receptor da mensagem. Os dados são

distribuídos entre diversas frequências discretas de acordo com o código,

juntamente com outros sinais ocupando o mesmo canal. No entanto, diferentes

códigos de sequência, são incorrelatos, assim cada mensagem pode ser

reconstruída separadamente no receptor.

Figura 1: Modulação por espalhamento espectral.

Fonte: How stuff works (2000).

A figura 2 mostra a analogia entre as tecnologias FDMA, TDMA e CDMA,

mostrando as diferenças de divisão por frequência, tempo e pacotes.

Figura 2 – Analogia entre as tecnologias FDMA, TDMA e CDMA.

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Fonte: Electronics gurukulam (2012).

Outra tecnologia que faz parte é o CDMAone, que oferece acesso à rede e

troca de dados entre celulares CDMA com taxas de até 115Kbps.

As tecnologias 2G apresentam algumas desvantagens: por exigirem sinais

digitais mais fortes para o funcionamento dos telefones celulares, se não há rede em

uma área específica, os sinais digitais tornam-se mais fracos nestas áreas. Em geral

os sistemas 2G não conseguem lidar com dados mais complexos, por exemplo,

vídeos.

1.1.3. Tecnologias 2,5G

A possibilidade de envio de mensagens curtas de texto, conhecidas como

SMS (Short Message Service), apareceu a partir da segunda geração. As

tecnologias 2,5G complementaram o 2G com recursos de comutação de pacotes de

dados, em que o canal permanece ocupado apenas quando os dados são

transferidos. Os telefones celulares com esta tecnologia podem fazer/receber

ligações, enviar/receber mensagens de texto, navegar na internet e podem ter

câmeras. As tecnologias que fazem parte do 2,5G são: GPRS (General Packet

Radio service), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) e HSCSD (High

Speed Circuit Switched Data). O termo 2,5G não foi adotado oficialmente, e por isso

é considerado como parte das tecnologias 2G.

O GPRS tem como base a tecnologia GSM e o foco é a transferência de

dados, particularmente na comunicação com a internet, pois tem compatibilidade

com o protocolo IP. Esse sistema pode usar de 1 a 8 slots e os pacotes de dados

permanecem ativos apenas quando ocorre o envio ou recebimento de dados. Devido

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a este fato, as maiorias das operadoras realizam a cobrança por quantidade de

transferência de dados. Teoricamente a velocidade de transferência de dados pode

chegar a até 171,2Kb/s, porém na prática não passa dos 80Kb/s.

O EDGE tem características similares ao GRPS, porém utiliza sistema de

modulação mais avançado (8-PSK) e novos tipos de codificação de canal,

permitindo que a taxa de transferência de dados seja maior. Em teoria a velocidade

chegaria a 473,6Kb/s, porém na prática não ultrapassa 384 Kb/s. A maior taxa de

transferência de dados permitiu o streaming, que é a transmissão contínua de

dados. Devido ao surgimento tardio do EDGE, muitos o consideram como 2,75G.

O HSCSD surgiu antes do GPRS e não foi muito difundido devido a sua baixa

velocidade, em torno de 57,6Kb/s e por utilizar a comutação por circuito, o que em

prática significa que a cobrança é realizada por tempo de uso e não por quantidade

de dados transmitidos.

A partir do próximo capítulo será abordado à tecnologia da terceira geração,

denominado 3G, objeto principal deste trabalho.

3. 3G – Terceira GeraçãoO termo terceira geração designa as tecnologias que integram redes de

celulares e serviços. O principal objetivo do 3G é que os usuários tenham acesso

móvel à internet com qualidade similar as conexões fixas de banda larga, a fim de

usufruir de recursos, tais como, streaming de vídeo, aplicações de áudio,

mensagens multimídia. As redes 3G levaram um longo tempo até serem

normatizadas. Após um longo período para elaboração de normas, desenvolvimento

de tecnologias e testes, as redes de terceira geração foram implementadas. O

resultado é o desenvolvimento de sistemas com visões e propósitos mais amplos,

disponibilizando com maior flexibilidade suporte ao acesso a qualquer serviço,

independentemente da localização. Estes serviços podem ser transmissão de voz,

vídeos ou dados e suas combinações, porém, conforme enfatizado, a ênfase está no

fornecimento do serviço em oposição à tecnologia disponibilizada. As motivações

para o desenvolvimento das tecnologias 3G foram diversas, dentre elas:

- Exigência do consumidor para outros serviços além de ligações e de

expansão de conteúdos para celulares;

- Necessidade do operador de telefonia celular de desenvolvimento de

tecnologias melhores a fim de aumentar as fontes de renda, pois os

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serviços de voz e a expansão das redes com as tecnologias até então

disponíveis, limitaram o escopo de desenvolvimento comercial das

operadoras;

- Exigência dos fabricantes de equipamentos em lançar novos produtos

para atender a nova demanda de consumo.

Na década de 90 surgiu uma série de esforços com objetivo de ampliar o

tráfego de dados para as redes de celulares. Destes esforços surgiu o projeto IMT-

2000 comandado pela ITU (international telecommunication Union), responsável por

padronizar normas na área de telecomunicações. A IMT-2000 definiu os requisitos

para um celular de terceira geração que deveria ter:

- Altas taxas de dados: 144 kbit/s em todos os ambientes e 2 Mbit/s em

ambientes "indoor" e de baixa mobilidade.

- Transmissão de dados simétrica e assimétrica.

- Serviços baseados em comutação de circuitos e comutação de pacotes.

- Qualidade de voz comparável à da telefonia fixa.

- Melhor eficiência espectral

- Vários serviços simultâneos para usuários finais, para serviços multimídia.

- Incorporação suave dos sistemas celulares de 2º geração.

- Roaming global.

- Arquitetura aberta para a rápida introdução de novos serviços e

tecnologias.

Fazem parte da rede 3G as tecnologias: CDMA-2000, WCDMA UMTS

(Wideband CDMA Universal Mobile Telecommunications Service) e HSPA (High

Speed Packet Access), baseado no HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) e

no HSUPA (High Speed Uplink Packet Access).

3.1. CDMA-2000O CDMA-2000 é o padrão de terceira geração de sistemas celulares baseados

no IS-95. Foi padronizado pela 3GPP2 (third generation partnership project),

organização formada por cinco empresas do setor de telecomunicações de vários

países, para a especificação do sistema de telefonia móvel de terceira geração e

entidade responsável pelas suas especificações. O CDMA-2000 é considerado um

conjunto de padrões que foram escolhidos como sendo de terceira geração. Oferece

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acesso a internet e troca de dados com velocidades bem superiores ao 2G. É

composta por:

- CDMA-2000 1x, também conhecido como CDMA 1xRTT (1x Radio

Tansmission Technology), com base no padrão de comunicação CDMA e

considerado uma evolução do CDMAone. Permite o dobro de conexões de

voz em relação às primeiras versões do CDMA, com taxa de transferência

de dados, em teoria, até 307 Kb/s e até 144Kb/s na prática. O upload tem

quase o mesmo nível de velocidade, usando apenas uma onda de

radiofrequência (por onde trafegam as informações) de 1,25 Mhz.

- CDMA-2000 1xEV (Evolution data): possui duas classificações:

o CDMA-2000 1xEV-DO (Data Only), que implementa apenas canais

de dados;

o CDMA-2000 1xEV-DV (Data and Voice), que permite o uso de

canais tanto para voz quanto para dados.

o CDMA-2000 3x (CDMA 3xRTT): utiliza três ondas de

radiofrequências de 1,25Mhz.

As duas primeiras versões do CDMA-2000 1xEV são consideradas as mais

próximas do 3G, pois oferecem taxa de transmissão de dados de até 3,1Mb/s e

taxas de upload de até 1,8Mb/s. Já na última a velocidade de transferência pode

chegar a 2Mb/s. As tecnologias CDMA-2000 trabalham com diversas faixas de

frequência, como, 450Mhz, 850Mhz, 1,9Ghz e 2,1Ghz.

3.2. UMTS (W-CDMA)O UMTS é considerado a evolução do GSM e uma tecnologia de fato da

terceira geração. Foi desenvolvido por empresas ligadas ao 3GPP (third generation

partnership project). Esta tecnologia tem como principal característica a

implementação com base no padrão W-CDMA e foi desenvolvida para ser uma

solução integrada para transmissão de voz e dados na telefonia 3G, fazendo uso

efetivo da banda larga móvel.

O padrão UMTS também considera o tráfego de diferentes mídias sobre um

mesmo canal, usando bandas de mesma capacidade para upload e download. Isso

faz com que o UMTS seja mais adequado para realização de serviços tais como,

conversas em tempo real com vídeo, telefone, etc.

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Como interface de rádio, o UMTS usa a tecnologia W-CDMA, pois necessita

neste caso de uma banda larga com alta capacidade. O W-CDMA é um padrão para

uso de radiofrequência baseado nos mesmos conceitos de comunicação do CDMA.

Ele possui dois modos de funcionamento:

- o TDD (Time Division Duplex): em que as atividades de download e upload

compartilham a mesma portadora, mas em slots diferentes;

- FDD (Frequency Division Duplex): que utiliza portadoras diferentes para as

atividades de download e upload, havendo uma faixa de frequência de

190Mhz entre elas.

O TDD e o FDD possibilitam que a transmissão seja realizada de forma

otimizada, ou seja, que o uso deles seja feito de acordo com o que é mais

apropriado a situação. Um exemplo é o uso da internet, em que a quantidade de

dados recebidos geralmente é diferente dos dados enviados. No W-CDMA os vários

terminais compartilham uma mesma banda de frequência, mas utilizando códigos

diferentes de espalhamento espectral, característica do DS-CDMA (CDMA de

sequência direta).

Assim, o UMTS utiliza um canal de rádio portador de 5Mhz e otimiza a

utilização desta banda, alcançando taxas de até 2Mb/s para download e upload para

usuários com mobilidade reduzida e até 144Kb/s em situações de alta mobilidade. O

W-CDMA apresenta menor custo por bit transmitido para taxas de bits elevadas,

sendo então a melhor opção para transmissão de volumes de dados grandes e

grande números de usuários.

De forma simplificada a estrutura do UMTS pode ser representada conforme a

figura 3.

Figura 3 – Arquitetura do UMTS

Fonte: Teleco (2015).

Uu e Iu representam as interfaces entre as entidades. Os protocolos de

comunicação entre elas procuram manter a compatibilidade com os protocolos

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estabelecidos para o GSM, principalmente em relação ao usuário. UE (user

equipment) representa o equipamento do usuário, possuindo um equivalente do SIM

card dos terminais GSM denominado USIM. UTRAN é o UMTS Terrestrial Radio

Access Network. A interface de rádio Uu entre terminal e usuário e sua rede UTRAN

é baseada no W-CDMA. CN ou Core Network, é o núcleo da rede que suporta

serviços baseados em comutação de circuitos e comutação de pacotes.

3.3. HSPA (HSDPA/HSUPA)O padrão HSPA também é usada no UMTS e permite velocidades maiores de

transferência de dados e suportam uma quantidade maior de usuários. O HSPA é

considerado a evolução do W-CDMA e baseia-se em dois protocolos:

- HSDPA: utiliza portadoras de 5Mhz e se direciona para o download.

Oferece taxas de transferência de dados de até 14,4Mb/s;

- HSUPA: utiliza portadoras de 5Mhz e é direcionado tanto para download.

quanto para o upload. A velocidade máxima é de 5,76 Mb/s.

Estes níveis altos são devidos, principalmente, a redução do TTI (Transmission

time interval) que varia entre 1 e 3 milissegundos, enquanto que em outros padrões

fica em torno de 10 milissegundos. O HSPA também é considerado como 3,5G, por

ser mais recente.

Ainda existe o HSPA+, também denominado evolved HSPA e considerado

como 3,75G. Esta tecnologia trabalha com taxas de até 168Mb/s para download e

22Mb/s para upload. Na prática, essa taxa de transmissão não é alcançada. Por

exemplo, a operadora Vivo oferece esta tecnologia desde 2012, porém a mesma fica

limitada em 6Mb/s. Outras vantagens do HSPA+ são o menor tempo para

estabelecimento de chamadas, capacidade de uso de voz ampliada pelo VOIP,

melhor suporte a comunicações que demandem maior volume de informações e o

uso da estrutura do HSPA.

As velocidades maiores alcançadas com o HSPA+ também se devem ao uso

de MIMO (Multiple Input Multiple Output), uma técnica que utiliza mais de uma

antena para transmissão no mesmo canal, mantendo o uso de portadoras de 5Mhz,

e o uso da modulação 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) para download e

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16-QAM para upload, que permitem taxas de transferência maiores, principalmente

aos dispositivos moveis que estão fisicamente mais perto da base.

O QAM refere-se à combinação da modulação de amplitude e deslocamento de

fase e pode ser usado tanto para sinais analógicos quanto para digitais. No caso do

digital, utiliza o esquema de modulação digital de amplitude de duas ondas

portadoras (ASK - Amplitude Shift Keying) e no analógico a modulação analógica

(AM – amplitude modulation). As duas ondas portadoras, geralmente senoidais

estão defasadas entre si em 90 graus e por isso são chamadas de quadrature

carriers ou componentes em quadratura. No QAM símbolos representando bits são

mapeados em um diagrama de fase e quadratura e cada símbolo do diagrama tem

uma distância específica em relação à origem do diagrama, que representa a

amplitude.

No caso do 16 QAM a constelação ou diagrama apresenta 16 símbolos, 4 em

cada quadrante do diagrama, representando 4 bits. No 64 QAM, apresentam 64

símbolos, cada um deles representando 6 bits. A figura 4 demonstra os diagramas

para os dois QAMs.

Figura 4 – Diagramas de modulação QAM.

Fonte: Teleco (2015).

As ondas moduladas são somadas e a forma de onda final é a combinação do

deslocamento de fase (PSK – Phase shift keying) e mudança de amplitude (ASK) o

no caso de sinal analógico a modulação de fase (PM – phase modulation) e

modulação de amplitude (AM). QAMs são amplamente usados em sistemas de

telecomunicações digitais

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4. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Observou-se que com o tempo, as tecnologias que foram desenvolvidas

permitiram a expansão da capacidade de conexão entre pessoas e o acesso dos

usuários a serviços não somente de voz, mas também de mensagens e acesso à

internet.

As tecnologias 3G foram às primeiras redes rápidas suficientes a tornarem

viáveis o uso dos smartphones. Antes do 3G, as tecnologias eram muito lentas,

limitando o uso de recursos disponíveis nos dispositivos como, por exemplo, fazer

download de músicas ou navegar na internet. As redes 3G desempenham um papel

fundamental na expansão do acesso a comunicação (voz) e no aumento da

disponibilidade de informações e serviços (dados). Em países desenvolvidos, o uso

do 3G tornou-se praticamente obsoleto devido à difusão da tecnologia de quarta

geração ou 4G, porém nos países emergentes como o Brasil, desempenha papel

fundamental devido à proliferação da informação, permitindo aos usuários que

tenham acesso a serviços essenciais de comunicação de forma mais eficiente.

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5. REFERÊNCIAS

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