Evolução das redes móveis

Universidade Federal de Sergipe (UFS)

Departamento de Computação – DCOMP

Carlos Gabriel Santos Nunes gabriel_santos@hotmail.com

Resumo: O avanço no setor de comunicação vem ganhando novas fronteiras, o uso de

celulares móveis com sistemas digitais e acesso a internet com altas taxas de velocidade, vem

ganhando mercado pela alta busca por essa tecnologia. Essa revolução vem desde os

primeiros sistemas de telefones móveis. Este trabalho aborda um estudo da evolução dos

sistemas usados em telefonia móvel, mostrando as características da tecnologia, as suas

vantagens de sua implantação e os serviços que serão disponibilizados, e apontando a

tendência natural da evolução para um sistema de quarta geração 4G e as novas pesquisas

voltadas a uma rede de altas taxas de banda larga, a quinta geração 5G.

Introdução

A telefonia celular passou por três gerações distintas com tecnologias diferentes. A primeira

foi voz analógica, a segunda voz digital e a terceira voz digital e transferência de dados

(Internet, correio eletrônico, etc).

O primeiro sistema móvel foi criado nos EUA pela AT&T e regulamentado por todo o país

pela FCC (FEDERAL COMMUNICATION COMISSION). Como resultado, todo o território

dos EUA tinha um único sistema de telefonia celular. Já na Europa, cada pais criou o seu

próprio sistema celular, com isso havia incompatibilidade dos diferentes sistemas de se

comunicarem entre si. Quando surgiu a tecnologia digital, as estatais da Europa se uniram e

formaram um único sistema digital, o GSM. Portanto, qualquer celular da Europa, passou a

falar em qualquer país. Na época, os EUA, não quis seguir com esta padronização. Sendo

assim, a padronização para este sistema GSM ficou a cargo do mercado.

O sistema de telefonia móvel teve um grande avanço, ela vem desde 1946, passou de

analógico para digital e agora estão sendo utilizados voz e dados, simultaneamente. O usuário

de hoje é mais exigente do que dez anos atrás, não basta apenas fazer chamadas em diferentes

lugares. A mobilidade de estar sempre conectado à Internet e de ter altas larguras de banda

sem precisar estar em casa usando o a rede DLS para poder acessar e baixar grandes arquivos,

é um dos principais requisitos que o usuário do século XXI tem buscado.

Historicamente os telefones móveis tiveram quatro fases da sua evolução no uso de distintas

tecnologias (ver figura 1.0):

Figura 1.0: Evolução da tecnologia móvel

Fonte: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_2.asp

Primeira geração de telefonia móvel:

O sistema mais antigo de telefonia analógica (apenas voz) foi os radiotelefones móveis de uso

militar marítima, durante os primórdios do século 20. Na década de 1946 na cidade St. Louis,

nos EUA, foi desenvolvido um sistema baseado em automóveis. Era instalado um transmissor

em locais altos que abrangessem melhor uma determinada área ou cidade e apresentava

apenas um canal que o usuário podia transmitir (conversar) e para ouvir ele apertava um botão

que desativava a transmissão e ativava o receptor, eram designados de sistemas “push-to-

talk”. Naquela época taxis, carros da polícia e rádios amadores utilizam muito desse sistema.

Em 1960, foi criado um sistema que aperfeiçoava o sistema de telefonia de automóveis,

denominado de Improved Mobile Telephone System (IMTS). Um transmissor de alta potência

com cerca de 200 watts instalado em uma montanha, onde eram utilizadas duas frequências,

uma para transmitir e a outra para recepção.

O IMTS trabalhava nas frequências de 150 a 450 MHz e admitia 23 canais. Essa limitação de

canais era um grande problema, pois muito dos usuários tinham de esperar um longo período

de tempo para pode realizar uma nova chamada. Tinha também o uso de um único

transmissor atendendo uma área de serviço muito grande, com isto à medida que o usuário

chegava ao limite da área de cobertura do sinal, o sinal ia se perdendo até perder totalmente a

conexão com a torre de transmissão.

Desenvolvido em 1982, nos Estados Unidos, o sistema AMPS (Advanced Mobile Phone

System) pelo Bell Labs. É um sistema analógico (voz), a área de cobertura é dividida em sub-

regiões chamadas células, motivo pelo qual chamam o dispositivo telefônico de celular, isso

faz com que a potência transmitida seja baixa e as frequências disponíveis sejam melhores

utilizadas. Cada célula utiliza um conjunto de frequência que não são utilizadas por outras e

tem um alcance em torno de 10 a 20 km de extensão, utiliza 832 canais full-duplex

(comunicação bidirecional, transmite e recebe ao mesmo tempo) com uma faixa de frequência

de 800 MHz com um buffer, entre duas células, separando melhor elas e gerando pouca

interferência das frequências.

A grande vantagem que se tem desse sistema, comparado com o antigo (IMTS), era que o

sistema celular tinha maior capacidade de utilizar um grande número de células menores em

uma determinada distância territorial e a reutilização de células vizinhas. No IMTS com um

alcance de 100 km eram feitas chamadas em cada frequência ao contrário da AMPS que a

partir de um conjunto de 100 células de 10 km, é capaz de realizar de 5 a 10 chamadas, em

cada frequência das células separadas.

Em geral, a divisão da área de cobertura em áreas menor, permiti a utilização de transmissores

de baixa potência e um emprego eficiente do espectro por meio de reuso de frequência. Isso

permite que seja realizado um maior numero de chamadas e evita que a célula se

sobrecarregue. Na figura 1.2 (a) mostra um conjunto de três células interligadas, onde cada

uma é dividida em sete unidades de células, cada uma sendo indicada com uma letra no qual

representa um grupo de frequências. Na figura 1.2 (b), a célula é dividida em outras

microcélulas isso permitir uma melhor reutilização da frequência nas células. Essa divisão em

células menores é utilizada quando a célula original é sobrecarregada pela excessiva

quantidade de usuários.

Figura 1.1 (a): Divisão da área em sub-regiões ou células.

(b): Divisão em células menores para acrescentar mais usuários. Fonte: Tanembaum, 2003

Em cada célula há uma estação-base que recebe as transmissões dos telefonemas da região.

Denominado de MTSO (Mobile Telephone Swtiching Office), nessa estação há uma antena

conectada a um computador e a um transmissor/receptor, onde cada telefone móvel é

controlado por essa base. O MSC (MOBILE SWITCHING CENTER) é um dispositivo que

conecta outras estações-base de um sistema pequeno. Quando se trata de um sistema de

grande porte poderá ser necessários mais MSC, onde são conectadas umas com as outras, e se

conectam a uma estação final de um sistema telefônico.

Cada telefone celular ocupa uma determinada célula, que esta sendo coberta por uma

determinada estação-base de transmissão de sinal. A parir do momento em que o celular se

locomove ao ponto de sair da área de cobertura da célula antiga e se aproxima de uma nova

célula, é feito na hora a transferência de controle da base antiga para a nova, caso haja uma

chamada em andamento, é requerido à nova célula um canal disponível. Esse processo é

chamado de handoff e a tarefa de transferência de canais é feita pela MTSO, ou seja, pelo

computador central da base.

Há dois tipos de handoffs: soft handoff e hard handoff. Basicamente os dois processos tem o

mesmo objetivo que é estabelecer a transferência de sinal da antiga para a nova estação base.

A diferença está em como é feito essa transferência. Enquanto que no soft handoff o

dispositivo não é desconectado antes de ser conectado com a nova base, não havendo perda

completa do sinal em um determinado tempo durante a passagem, também há a questão do

aparelho ter a capacidade de sabe sintonizar as duas frequências, a nova e a antiga

simultaneamente. Essa capacidade os dispositivos da primeira e segunda geração não eram

capazes de operar. Já no hard handoff, o aparelho é desconectado da antiga estação antes de se

conectar com a nova. O aparelho fica aguardando até que seja liberada uma frequência

disponível, enquanto isso é impossibilitado de realizar ou receber ligações até que se seja

estabelecido uma nova conexão. Uma representação melhor desses dois processos está na

figura 1.3.

Figura 1.3: Soft Handoff e Hard Handoff Fonte: http://www.cs.ucla.edu/ST/research.html

No AMPS, apresenta um modo de transmissão onde o canal utilizado pode conduzir a

informação em ambas às direções (transmitir/receber), ou seja, é uma transmissão é

bidirecional em cada canal de 832 canais (full-duplex). Apresenta também 832 canais que

apenas transmitem (simplex), com frequência variando de 824 a 849 MHz, e função de

receptor possui 832 canais operando em 30 kHz. Para utilizar de maneira eficiente, AMPS

utiliza o FDM (FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING), para gerencia os canais. No

FDM os bits são alocados de acordo com a frequência. Um canal de transmissão é dividido

em várias faixas de frequência lógica que são medidos em Hertz.

Operando na faixa 800 MHz, as ondas de rádio têm cerca de 40 cm de comprimento e

propagam em linha reta. Quando uma onda de rádio encontra um obstáculo, uma parte da sua

energia é absorvida e transformada em energia, uma parte continua a propagar-se de maneira

atenuada e uma parte pode eventualmente ser refletida. Por isso os sinais de ondas podem ser

absorvidos por arvores e plantas, e refletidas no chão, com isso pode ocorrer o

enfraquecimento do sinal, retardando a sua chagada à estação-base. Isso pode causar um eco

ou distorção do sinal.

Segunda Geração

Devido ao fim da capacidade limitada do sistema analógico em suportar o crescente uso dos

telefones móveis, principalmente nas áreas metropolitanas e a necessidade de padronização,

foi necessário a implementação de um sistema digital. Tanto na primeira e na segunda

geração, não houve uma padronização na telefonia móvel. Com isso foram criados vários

sistemas de telefonia móvel com tecnologia digital. Estes sistemas são GSM (Sistema global

de comunicação móvel) na Europa, TDMA ou D-AMPS (Acesso múltiplo por divisão de

tempo), CDMA (Acesso múltiplo por divisão de código) nos EUA, PDC (Celular digital

pessoal) no Japão e PSC 1900 (Serviço de comunicação pessoal), que foi uma forma de

representação de um celular com um sistema digital da segunda geração operando na banda

de 1.900 MHz.

D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System)

A sucessora da AMPS, é um sistema totalmente digital e possui o recurso de coexistir com o

sistema analógico da AMPS, podendo ser operando os dois sistemas numa mesma célula. A

D-AMPS utiliza os mesmos canais de 30 kHz e as mesmas frequências, isso faz com o que os

canais sejam operados nos dois sistemas. Essa tarefa de fazer com que os dois sistemas se

coexistam é dada a MTSO, que define qual canal irá ser analógico e o outro digital.

Como havia uma grande demanda de usuários, foi lançada uma nova banda de frequência. Os

canais upstream e dowtream, trabalhavam na faixa de 1.850 a 1.910 MHz e 1.930 a 1.990

MHz, respectivamente. As ondas possuíam um comprimento de 16 cm e uma antena padrão

de ¼ com apenas 4 cm de comprimento para telefones pequenos, podendo ampliar suas

bandas de 850 MHz e 1.900 MHz, para obter uma faixa com mais canais disponíveis.

Em um aparelho celular com padrão D-AMPS, a voz captada é convertida no formato digital

e compactada diretamente pelo aparelho, através de um circuito chamado vocoder. Isso

permite reduzir os bits enviados e diminui a largura de banda de 56 para 8 kpbs. Esse recurso

de conversão e compactação permite que três usuários possam compartilhar apenas um par de

frequências através da função de multiplexação por divisão de tempo (TDM - Time Division

Multiplexer).

Na estrutura de controle do D-AMPS, são usados seis canais de controle principais

(configuração de sistema, controle em tempo real e não tempo real, localização, resposta a

acesso e mensagens curtas). A partir do momento que o aparelho móvel é ligado, ele faz

diretamente um contato com a estação-base, que verifica a sua localização, informando que

está disponível para acessa o canal de controle para verificar se há chamadas recebidas. A

diferença entre AMPS e D-AMPS, de como é feito o controle, está na forma como é tratado o

handoff. No primeiro sistema, a MTSO controla sozinho sem a ajuda do aparelho, insto é, ele

fica encarregado de verificar se o aparelho está na área de cobertura e cuida da transferência

de sinal de uma célula à outra. Já na D-AMPS durante um determinado tempo, o aparelho

celular fica impossibilitado de receber ou fazer chamadas, durante esse tempo o dispositivo

mede a qualidade do sinal a fim de notificar a estação, caso o sinal esteja fraco, com isso a

MTSO interrompe a conexão e a busca de um novo sinal forte é feita pelo próprio dispositivo.

Essa técnica é chamada de MAHO (Mobile Assistent HanOff).

GSM (Global System for Mobile Communications)

Também presente da segunda geração (2G), implantado inicialmente na Europa em 1982 e

operava na frequência de 900 MHz, posteriormente foi sendo adotado esse sistema nos

demais países no mundo, inclusive no Brasil. Ela também trabalha com o uso de células.

Tanto no D-AMPS trabalham com FDM e com TDM, porém a largura dos canais na GSM é

mais alta, 200 kHz contra 30 kHz, e com aumento de usuários, com isso a taxa de dados, por

usuário, é maior que no D-AMPS. O GSM utiliza três tipos de frequência padrão: 900, 1800,

1900. Por questão de mercado, nos EUA é adotado o GSM 1900 e na EUA é a 1800. No

Brasil é usada a faixa de 900, 1700 e 1800 MHz.

Em cada banda de frequência, com 200 kHz de largura, é utilizado 124 pares de canais

simplex com 200 kHz de largura cada canal, e através da TDM permite até oito conexões

separadas. É utilizada a tecnologia (GENERAL PACKET RADIO SERVICES), que permite a

transmissão de dados por pacote, com isso os pacotes são compartilhados em cada canal,

dando assim um uso eficiente do espectro, ao contrário da comutação de circuito, onde não

ocorre o compartilhamento do canal.

Outra característica desse sistema é a utilização de roaming internacional automático, isso

permite que o usuário se conecte em outras áreas geográficas, que possuem outro tipo de rede.

Esse sistema trás outra novidade, o SIM (Subscriber Identity Module), um cartão ou chip de

memoria que armazena os dados do usuário (agenda, serviços da operadora, etc), com isso o

acesso a outros países que adotam o mesmo sistema é mais eficiente e econômico, bastando

apenas instalá-lo em outro aparelho daquela região para ter acesso à rede.

CDMA (CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS)

Assim como o D-AMPS e o GSM ambos adotam as de tecnologias FDM e TDM para geren-

ciar o espectro nos canais, porém o CDM funciona de modo diferente. No lugar de dividir a

banda disponível em canais que seguem um padrão de reuso de frequências o CDMA conse-

gue atingir uma grande capacidade de usuários pela utilização de spread spectrum em uma

banda de 1,25 MHz onde para cada comunicação utiliza um código de espalhamento espectral

do sinal diferente. O número de usuários em uma célula é limitado pelo nível de interferência

presente que é administrado através de controle de potência e outras técnicas. O objetivo é

diminuir a interferência em células vizinhas que utilizam a mesma banda de frequências, mas

em códigos diferentes.

Terceira geração

A terceira geração de telefonia móvel ou 3G combina serviços de telefonia e comunicação de

dados e menor interferência na comunicação. Teve seu primeiro projeto em 1992, projeto de-

nominado de IMT-200 (Internation Mobile Telecommunications), desenvolvido pela ITU,

operava em 2000 MHz e largura de banda de 2 Mbps podendo decair essa taxa durante a lo-

comoção do dispositivo.

Os Principais serviços são de oferecer uma melhor transmissão de voz do que as outras

gerações, envio de mensagens (SMS), reprodução multimídia e acesso a Internet. O principal

foco dessa geração é fornecer a melhor qualidade de serviço disponível, independente da

região que os usuários estejam. Em principio a ITU queria que essa tecnologia fosse o padrão

mundial de comunicação com isso, após diversos sistemas, criou o IMT-2000, um padrão

global para o 3G com o objetivo de facilitar o crescimento, aumento da banda e suporte a

aplicações diversas.

Foi desenvolvido um sistema chamado de EDGE (Enhanced Date rates for GSM Evolution)

que é um aperfeiçoamento da tecnologia GSM, afim de oferecer a mesma qualidade de

serviço que a 3G, porém a EDGE não consegue oferecer uma grande quantidade de

transmissão de dados, em torno de 384 Kbps. A EDGE é as vezes chamado de 2.5G (segunda

geração e meia).

Outro sistema que também é conhecido como 2.5G é o GPRS (General Packet Radio

Service). A tecnologia GPRS é considerada uma evolução em relação ao GSM, pois apesar de

se basear nele, ele vai mais além, incluindo módulos adicionais, com isso proporciona maior

velocidade na transmissão de dados, fornecendo a possibilidade de estar sempre conectado

com a rede. Podendo sincronizar a conta no e-mail automaticamente.

Na tecnologia GPRS, o canal é apenas alocado quando há a necessidade de enviar ou receber

dados, tornando possível compartilhar apenas um canal com vários usuários. Ele busca

minimizar os problemas existentes na Internet móvel que se baseia na tecnologia WAP, que é

um serviço muito lento, sendo necessário efetuar uma nova conexão.

Atualmente no Brasil utiliza-se a tecnologia a HSPA (High Speed Packet Access), um avanço

tecnológico que possibilitou uma grande mudança referente às taxas de download e upload na

tecnologia 3G. Porém no Brasil ainda, essa velocidade é limitada para 1 MB/s, e dependendo

do pacote contratado pela empresa, tendo uma queda na velocidade. O HSDPA é um sistema

que trabalha com tráfego de dados baseada em pacotes do sistema WCDMA.

Quarta geração

A quarta geração de telefonia móvel, conhecida com 4G, é a nova geração que trás grandes

desenvolvimentos quanto na arquitetura de transmissão como no serviço de qualidade

fornecido ao usuário. A sua principal característica é a possibilidade de navegar pela web com

a velocidade muito maior. Isso, na prática, proporcionará uma experiência muito melhor do

que a existente hoje em dia. No Brasil, todas as redes 4G usam o padrão LTE (Long Term

Evolution) utilizam a frequência de 2.5 GHz. Outro padrão considerado 4G é o WiMAX

(Worldwide Interoperability for Microwave Access), usado nos Estados Unidos e em outros

países.

LTE (Long Term Evolution)

LTE é uma tecnologia móvel de transmissão de dados que foi criada com base no GSM e

WCDMA. A diferença é que, a tecnologia é mais focada transmissão de dados em vez de

transmissão de voz, como acontecia em gerações anteriores, com isso proporciona uma rede

de dados mais rápida e estável. A primeira rede LTE no mundo foi implementada na Suécia.

Com o objetivo de oferecer velocidades maiores de transmissão de dados, a tecnologia LTE

podendo alcançar ate 75 Mbit/s de uplink e até 300 Mbit/s em downlink. Por basear-se no

protocolo IP, é uma combinação com a transição de redes com comutação de circuito e

pacotes. Ela possui arquitetura conhecida como Evolved Packet Core (EPC), caracterizada por

ser simples e pela integração com demais redes baseadas no IP. Outra característica da

tecnologia LTE é a sua automação de processos de rede, conhecida como Self-Organizing

Network (SON). Essa característica permite que as redes possam ser configuradas para

sincronizar com redes vizinhas.

Ela utiliza o canal de 20 MHz e usa o OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing)

que é uma técnica de modulação que vem sendo adotado em diversos sistemas de

comunicação em altas taxas, como IEEE 802.11. Ele divide o espectro disponível em milhares

de subcanais estreitos, cada um carregando parte do sinal ao máximo, sendo combinados

posteriormente para gerar o dado transmitido. Com isso, o OFDMA (Orthogonal Frequency-

Divison Multiple Access) com esquema de múltiplo acesso para o downlink associa diferentes

subcanais para usuários diferentes, evitando problemas causados por reflexões em múltiplos

caminhos, enviando os bits de um dado a baixas velocidades, combinados no receptor para

formar uma mensagem de alta velocidade.

O sistema LTE apresenta ótimo desempenho em um tamanho de célula de até 5 km, sendo

possível demonstrar serviço eficaz em células com raio de até 30 km. Um desempenho

limitado fica disponível em células com tamanho de raio de até 100 km.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

WiMAX é uma tecnologia padronizada de rede sem fio que permite substituir as tecnologias

de acesso de banda larga por cabo e ADSL. A tecnologia permite a comunicação fixa entre um

ou mais pontos e com comunicação móvel sem fio sem a necessidade de estar muito próximo

com a estação base.

Uma torre WiMAX pode se conectar diretamente à Internet usando uma conexão com fio de

alta largura de banda. Pode também se conectar a outra torre WiMAX. Esta conexão a uma

segunda torre , conhecida como backhaul, junto com a capacidade de uma única torre poder

cobrir até 8 mil Km, com isso o sistema permite fornecer cobertura a áreas rurais remotas. O

sistema usa um baixo alcance de frequência, 2 a 11 GHz. As transmissões de baixo

comprimento de onda não são interrompidas com tanta facilidade por barreiras físicas, elas

são capazes de difratar mais facilmente de obstáculos.

Quinta geração

Quinta geração de redes móveis baseada em redes sem fio. É um projeto que ainda está em

fase de pesquisas, mas vem obtendo grandes resultados. A empresa Samsung conseguir

alcançar 1 Gbps de velocidade a uma distância de 2 quilômetros. A tecnologia desenvolvida

pela Samsung utiliza a chamada banda de onda milimétrica, que não precisa de tanto espectro,

mas possui limitação na propagação do sinal.

Referências Bibliográficas

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