introdução a computação movel

Introduc~o a a Computac~o Movel aDepartamento de Ci^ncia da Computac~o da UFMG e a

Geraldo Robson Mateus Professor Titular

Professor Adjunto Departamento de Ci^ncia da Computac~o da UFMG e a

Antonio Loureiro Ferreira Alfredo

Aos nossos familiares

iv

PrefacioO avanco tecnologico na area de informatica tem dobrado, de uma forma geral, a cada 18{24 meses ja ha alguns anos. Isto tem levado a avancos cont nuos e novas formas do uso da tecnologia. Por exemplo, no in cio da decada de 80 o custo dos circuitos integrados caiu bastante ao mesmo tempo que o desempenho desses circuitos aumentou ao ponto que se tornou viavel o uso de computadores pessoais. Ja no in cio desta decada esta evoluc~o tornou viavel a o uso de computadores portateis e dispositivos PDAs (Personal Digital Assistants ). A evoluc~o tecnologica que temos hoje ja chegou ao ponto onde e a praticamente poss vel acessar informac~es em qualquer lugar do planeta em o qualquer momento. A tecnologia de comunicac~o sem o, necessaria para pera mitir essa facilidade, esta dispon vel e a infra-estrutura que a implementa esta sendo constru da. O software necessario a ger^ncia desse sistema altamente e complexo tambem esta sendo desenvolvido. A integrac~o de computadores com comunicac~es e outras formas de teca o nologias de informac~o est~o criando novas formas de sistemas e servicos de a a informac~o distribu da. A tend^ncia e haver computadores mais poderosos, a e conectados a uma rede mundial de servicos e recursos atraves de uma infraestrutura de alto desempenho. E o surgimento dos ambientes de computac~o a ub quos que devera ser a nova forma de trabalho da proxima decada. Este e o cenario altamente desa ador e excitante que motiva a computac~o movel. a O objetivo principal deste livro e dar uma vis~o geral da area apresentando a os fundamentos, alguns dos problemas ja resolvidos e problemas que ainda est~o em aberto. Nem todos os aspectos foram cobertos mas trata-se de um a enfoque didatico e bastante esclarecedor em termos de literatura basica. Cobre os aspectos de infraestrutura, tecnologias e metodologias Este livro sera mais apropriado para alunos do ultimo ano da graduac~o ou do primeiro ano da posa graduac~o em Ci^ncia da Computac~o, sendo que os dois primeiros cap tulos a e a devem ser de facil leitura para qualquer pessoa. Finalmente, algumas palavras de agradecimento aos alunos Daniel Braga de Faria, Frederico Mesquita, Jana na Farnese Lacerda, Lauro Celio Portilho Floriani, Lu s Humberto Rezende Barbosa, Patr cia Campos Costa, Sandra v

vi Staico, S lvia Calmon de Albuquerque e Vladimir de Lima Santos pelas suas importantes contribuic~es. Agradecemos o apoio de nossos familiares, de nossos o colegas, principalmente do grupo de pesquisa do PRONEX, o suporte do Departamentode Ci^ncia da Computac~o da UFMG e das instituic~es de fomento e a o as atividades de pesquisa como FAPEMIG, CNPq, CAPES e FINEP, e da TELEMIG - Telecomunicac~es de Minas Gerais. E que continuemos preservando o o nosso conv vio agradavel, construtivo e produtivo.

Sumario1 Introduc~o a1.1 A Revoluc~o da Computac~o Movel : : : : : : : : : : : : : : : a a 1.2 Mercado : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1.3 Conceitos Basicos : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.1 Sistemas Celulares : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.3 Principais Problemas Relacionados com a Infra-Estrutura : : : 2.3.1 Localizac~o de Estac~es e de Unidades Moveis : : : : : a o 2.3.2 Propagac~o de Sinais : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 2.3.3 Alocac~o de Frequ^ncias : : : : : : : : : : : : : : : : : : a e 2.4 Principais Fatores Relacionados com o Projeto de Hardware e Software para Computac~o Movel : : : : : : : : : : : : : : : : : a 2.4.1 Mobilidade : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.4.2 Variac~es nas Condic~es de Comunicac~o : : : : : : : : o o a 2.4.3 Gerenciamento de Energia : : : : : : : : : : : : : : : : : 2.5 Problemas Relacionados com o Computador Movel : : : : : : : 2.5.1 Servicos de Informac~o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 2.5.2 Ger^ncia de Dados : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : e 2.5.3 Protocolos para Suporte a Computac~o Movel : : : : : a 2.5.4 Algoritmos Distribu dos que Tratam Mobilidade de Computadores : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3.1 Localizac~o de ERB : : : : : : : : : : : : : : : a 3.1.1 Modelos de Localizac~o de ERB : : : : a 3.1.2 Considerac~es sobre os Modelos : : : : : o 3.1.3 Implementac~o { Estudo de Casos : : : a 3.2 O Problema de Localizac~o de Unidade Movel : a vii : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3 11 20

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2 Comunicac~o Movel: Principais Problemas a

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34 35 41 42 44 45 45 46 47 48 49 49 51 52

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3 Localizac~o de Estac~es Radio e Unidades Moveis a o

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61 63 67 67 72

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Sumario 4.1 Alocac~o Fixa de Canais : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 4.1.1 Modelo : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4.1.2 Algoritmos e Implementac~o : : : : : : : : : : : : : : : a 4.2 Alocac~o Din^mica de Canais : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a a 4.3 Localizac~o de ERBs e Alocac~o de Canais : : : : : : : : : : : a a 4.3.1 Modelos : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4.3.1.1 Divis~o de Canais em Grupos N~o Interferentes a a 4.3.1.2 Modelo Considerando Grupos de Canais : : : : 4.3.1.3 Considerac~es sobre o Modelo : : : : : : : : : o 5.1 Pilha de Protocolos : : : : : : : : : : : : : : : 5.2 Projeto de Protocolos : : : : : : : : : : : : : 5.2.1 In u^ncia do Ambiente no Projeto : : e 5.2.2 Princ pios de Projeto : : : : : : : : : : 5.3 Redes Locais Sem Fio : : : : : : : : : : : : : 5.4 IP Movel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5.4.1 Enderecos no IP Movel : : : : : : : : 5.4.2 Identi cac~o do Care-of Address : : : a 5.4.3 Registro do Care-of Address : : : : : : 5.4.4 Tunelamento para o Care-of Address : 5.4.5 Alguns Comentarios sobre o IP Movel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

4 Alocac~o de Canais a

77

79 80 81 82 83 84 85 87 89

5 Protocolos de Comunicac~o a

93 96 96 97 99 100 101 103 103 105 107

93

6 Ger^ncia de Informac~o e a

6.1 A Informac~o e a Revoluc~o que Ainda Esta por Vir a a 6.2 Difus~o de Mensagens : : : : : : : : : : : : : : : : : a 6.2.1 Estrategias para Entrega de Mensagens : : : 6.2.2 Organizac~o dos Dados Transmitidos : : : : : a 6.2.2.1 Discos Difus~o : : : : : : : : : : : : a 6.2.2.2 Indice : : : : : : : : : : : : : : : : : 6.3 Caching e Difus~o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 6.3.1 Ger^ncia de Cache em Sistemas Difus~o : : : e a 6.3.1.1 Pol ticas de Atualizac~o de Cache : a 6.3.1.2 Busca Antecipada : : : : : : : : : : 6.3.2 Consist^ncia de Dados em Sistemas Difus~o : e a 6.3.3 Atualizac~o de Cache em Sistemas Difus~o : a a 6.4 Consultas Sobre Localizac~o : : : : : : : : : : : : : : a 6.5 Topicos Relacionados : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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110 111 113 114 115 116 117 117 117 118 119 120 122 123

Sumario

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7 Algoritmos Distribu dos

7.1 Modelos Computacionais para Ambientes Moveis : : : : : : : : 7.1.1 Funcionalidade de um Computador Movel : : : : : : : : 7.1.2 Modelos de Comunicac~o na Computac~o Movel : : : : a a 7.1.2.1 Modelo Cliente Movel/Servidor : : : : : : : : : 7.1.2.2 Modelo Par{Par : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.1.2.3 Modelo Agente Movel : : : : : : : : : : : : : : 7.1.3 Considerando o Ambiente : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.2 Modelos para um Cliente Web : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.2.1 Modelos Cliente/Servidor : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.2.1.1 Modelo Cliente/Agente/Servidor : : : : : : : : 7.2.1.2 Modelo Cliente/Interceptador/Servidor : : : : 7.2.2 Modelo Par{Par : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.2.3 Modelo Agente Movel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.3 Distribuic~o de Dados e Tarefas : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 7.3.1 Distribuic~o de Dados : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 7.3.2 Distribuic~o de Tarefas : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 7.3.2.1 Modelo Cliente/Servidor : : : : : : : : : : : : 7.3.2.2 Modelo Cliente/Servidor com Agente : : : : : 7.3.2.3 Agentes Moveis : : : : : : : : : : : : : : : : : 7.4 Recuperac~o de Falhas : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a 7.4.1 Estado Global Consistente em um Ambiente Movel : : : 7.4.2 Algoritmos para Recuperac~o de Falhas em um Ambiente a Movel : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

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125 127 128 128 131 132 133 135 136 137 137 138 139 139 139 140 141 141 142 142 143 144

8 Conclus~es oA.1 A.2 A.3 A.4 A.5 A.6 A.7

8.1 Perspectivas : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 149 8.2 Considerac~es Finais : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 150 o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

149 153

A Propagac~o de Sinais de Radio a

Introduc~o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a Modelo de Propagac~o no Espaco : : : : : : : : : : : : : a Mecanismos Basicos de Propagac~o : : : : : : : : : : : : a Re ex~o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a Difrac~o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a Dispers~o : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : a Modelos para Calculo de Atenuac~o de Sinal de Radio : a A.7.1 Modelo de Atenuac~o Logar tmica : : : : : : : : a A.7.2 Modelo Log-Normal : : : : : : : : : : : : : : : : A.7.3 Modelos de Propagac~o em Ambientes Abertos : a A.7.4 Modelos de Propagac~o em Ambientes Fechados a A.8 Modelos de Propagac~o em Baixa Escala : : : : : : : : : a A.8.1 Fatores de In u^ncia : : : : : : : : : : : : : : : : e

153 154 156 156 157 158 159 159 160 160 162 165 165

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Sumario A.8.2 Deslocamento Doppler : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 166

Cap tulo 1

Introduc~o aO crescimento extraordinario que tem ocorrido nesta decada nas areas de comunicac~o celular, redes locais sem o e servicos via satelite permitir~o que a a informac~es e recursos possam ser acessados e utilizados em qualquer lugar e o em qualquer momento. Dado o atual crescimento do segmento de computadores pessoais e PDAs (Personal Digital Assistants ), estima-se que em poucos anos, dezenas de milh~es de pessoas ter~o um laptop, palmtop ou algum tipo de o a PDA. Independente do tipo de dispositivo portatil, a maior parte desses equipamentos devera ter capacidade de se comunicar com a parte xa da rede e, possivelmente, com outros computadores moveis. A esse ambiente de computac~o a se da o nome de computac~o movel ou computac~o n^made. Nesse ambiente, a a o o dispositivo computacional n~o precisa ter uma posic~o xa na rede. Neste a a livro o termo computador movel sera usado para referenciar genericamente um computador portatil ou um PDA. Computac~o movel representa um novo paradigma computacional. Surge a como uma quarta revoluc~o na computac~o, antecedida pelos grandes centros a a de processamento de dados da decada de sessenta, o surgimento dos terminais nos anos setenta, e as redes de computadores na decada de oitenta. O novo paradigma permite que usuarios desse ambiente tenham acesso a servicos independente de onde est~o localizados, e o mais importante, de mudancas de a localizac~o, ou seja, mobilidade. Dessa forma, a computac~o movel amplia o a a conceito tradicional de computac~o distribu da. Isso e poss vel gracas a coa municac~o sem o que elimina a necessidade do usuario manter-se conectado a a uma infra-estrutura xa e, em geral, estatica. Um sistema distribu do com computadores moveis consiste de uma parte tradicional formada por uma infraestrutura de comunicac~o xa com computadores estaticos que esta interligada a

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Cap tulo 1. Introduc~o a

a uma parte movel, representada por uma area ou celula onde existe a comunicac~o sem o dos elementos computacionais moveis. Com a diminuic~o dos a a custos desses dispositivos, a computac~o movel se tornara viavel n~o somente a a para o segmento empresarial mas para as pessoas de uma forma geral. A disponibilidade dos equipamentos, e a soluc~o de antigos problemas relativos a a ru do e interfer^ncia em sistemas de comunicac~o sem o, abriram o interesse e a pelo tema. A quest~o principal na computac~o movel e a mobilidade que introduz a a restric~es inexistentes na computac~o tradicional formada por computadores o a estaticos. Logo, o objetivo principal da computac~o movel e prover para os a usuarios um ambiente computacional com um conjunto de servicos comparaveis aos existentes num sistema distribu do de computadores estaticos que permita a mobilidade. A evoluc~o conjunta da comunicac~o sem o e da tecnologia de informatica a a busca atender muitas das necessidades do mercado: servicos celulares, redes locais sem o, transmiss~o de dados via satelite, TV, radio modems, sistemas a de navegac~o, base de dados geogra ca, etc. A comunicac~o sem o e um a a suporte para a computac~o movel, que, portanto, pode ser vista como uma a area da comunicac~o sem o. Esta, por sua vez, explora diferentes tecnologias a de comunicac~o que s~o inseridas em ambientes computacionais xos e moveis. a a A combinac~o de comunicac~o sem o com a mobilidade de computadoa a res criou problemas novos nas areas de informatica e telecomunicac~es, em o especial redes de computadores, sistemas operacionais, otimizac~o, sistemas a de informac~o, banco de dados, dentre outras. Este livro apresenta uma ina troduc~o a area de computac~o movel, uma das mais ativas atualmente em a a pesquisa e desenvolvimento em Ci^ncia da Computac~o. O livro discute proe a blemas basicos relacionados com sistemas de computac~o e otimizac~o e trata a a somente de quest~es de software referentes a computac~o movel, e n~o trata o a a do aspecto de hardware que tem um papel extremamente importante. A tecnologia de comunicac~o precursora foi lancada no Jap~o em 1979 e na a a decada de oitenta, mais precisamente em 1983, com as redes celulares de telefonia movel instaladas em Chicago e Baltimore. Voltadas para a comunicac~o a de voz, caracterizam-se por serem sem o, moveis e pessoais. Na atualidade, elas comp~em o principal sistema de comunicac~o sem o. Isso se deve a sua o a adequac~o a rede publica de telefonia e a reduc~o substancial de custos, mais a a que suas caracter sticas tecnologicas. No entanto, a comunicac~o sem o tem sido usada muito antes das redes a celulares 96], com as emiss~es via radio AM e FM, as comunicac~es navais, e a o o propria televis~o. Os sistemas de comunicac~o bidirecionais entre ve culos data a a

1.1 A Revoluc~o da Computac~o Movel a a

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de 1930. Eram usados para servicos de despacho em companhias de energia, transporte, taxi, e pela pol cia ou servicos de emerg^ncia. Inicialmente eram e unidirecionais evoluindo para bidirecionais (full-duplex ). Com o sistema bidirecional IMTS (Improved Mobile Telephone Service ) foi eliminado o operador e a chamada era efetuada diretamente por numero. Esse foi o primeiro servico independente oferecido pelos RCCs (Radio Common Carriers), autorizados pela FCC (Federal Communication Commission ), comiss~o americana responsavel a por estabelecer a pol tica e a regulamentac~o para os servicos de comunicac~o, a a em 1949. Esses servicos predominaram ate o lancamento dos primeiros celulares, evoluindo de sistemas independentes para integrar a rede de telefonia xa, compondo o atual sistema movel celular. Outro servico que antecede e o paging que existe desde a segunda guerra mundial. E um servico de mensagem unidirecional. A palavra paging tambem e usada no contexto de contactar uma unidade movel em sistemas celulares, como sera visto posteriormente. A FCC, em 1952, certi cou o primeiro sistema de paging para hospitais. Os sistemas evolu ram disponibilizando quatro tipos de servicos: \tone-only, tone-voice, alphanumeric e visual display ". Essa ultima opc~o obtera ainda mais func~es com os microprocessadores. a o

1.1 A Revoluc~o da Computac~o Movel a aA (r)evoluc~o da computac~o movel passa por varias etapas. E interessante oba a servar pontos marcantes dessa trajetoria que comeca com Hans Christian Oersted em 1820, quando descobre experimentalmente que a corrente eletrica produz um campo magnetico. O primeiro sistema de comunicac~o foi o telegrafo, a que ja na metade do seculo XIX, permitia a transfer^ncia de palavras faladas e a longa dist^ncias pelo codigo Morse. Esse sistema era baseado na comua nicac~o com o. As equac~es de Maxwell, descrevendo a propagac~o de ondas a o a eletromagneticas, e os experimentos de Heinrich Hertz, foram a base para a descoberta da radiotelegra a por Marconi, no nal do seculo XIX. Em 1901, o Oceano Atl^ntico era atravessado por sinais de radio. Este foi o in cio dos a sistemas de comunicac~o sem o. a O telefone, inventado por Alexander Graham Bell, foi um segundo sistema de comunicac~o, evoluiu rapidamente e tornou-se uma tecnologia complementar a ao telegrafo durante muitos anos. O in cio do seculo XX e marcado pela conex~o a via os de cobre dos setores comerciais dos EUA. Ja em 1928, existia um telefone para cada cem habitantes nos EUA. A tecnologia digital veio acelerar ainda mais esse processo. Os computadores surgem como uma terceira gerac~o dos sistemas de comunicac~o. Tornaa a

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ram a comutac~o telef^nica tambem digital e reduziram sensivelmente a partia o cipac~o de operadores no sistema. Mas, as caracter sticas de comunicac~o com a a o e o elevado custo de acesso remoto ainda predominam. Esses fatores tornaram os sistemas sem o atraentes, mas eles ainda dependem signi cativamente das redes xas. Nesse sentido, enquanto a tecnologia sem o se expande rapidamente para as redes de acesso, com baixo custo independente da dist^ncia a a rede publica, as redes xas, pelo uso da bra otica, e os satelites, se complementam nas comunicac~es de longa dist^ncia. Essas s~o as altenativas tecnologicas o a a atuais e de futuro, mesmo que de dif cil previs~o. a A aceitac~o das novas tecnologias pelos usuarios e o outro fator de crescia mento. A gura 1.1 apresenta o tempo gasto por cada nova tecnologia para atingir 1 milh~o de usuarios. Enquanto a TV preto e branco levou 20 anos para a atingir esse patamar, os computadores pessoais levaram aproximadamente seis anos, os celulares dois anos, e estima-se que os PCS (Personal Communication Services ) levar~o um ano. A projec~o da Bellcore e que no ano 2005 ser~o 46 a a a millh~es de usuarios de PCS. o O primeiro sistema de comunicac~o movel foi um sistema de radio utilizado a pela pol cia de Detroit em 1928 48]. De uma forma um pouco mais detalhada a evoluc~o tecnologica seguiu os seguintes passos: a 1820 Hans Christian Oersted (1777{1851) descobre experimentalmente que a corrente eletrica produz um campo magnetico. Andre Marie Ampere (1775{1836) quanti ca essa observac~o na Lei de Ampere. a 1830 Joseph Henry (1799-1878) descobre que a variac~o do campo a magnetico induz uma corrente eletrica mas n~o publica o resultado. a Em 1831, Michael Faraday (1791{1867) descobre independentemente esse efeito que passaria a ser conhecido como a Lei de Faraday e, mais tarde, a terceira equac~o de Maxwell. a 1864 James Clark Maxwell (1831{1879) modi ca a Lei de Ampere, amplia a Lei de Faraday e desenvolve as quatro famosas equac~es de Maxwell o sobre campos magneticos. 1876 Alexander Graham Bell (1847{1922) inventa o telefone. 1887 Heinrich Rudolph Hertz (1857{1894) detecta as ondas eletromageticas previstas pelas equac~es de Maxwell. o 1896 Guglielmo Marconi (1874{1937) inventa o primeiro receptor sem o pratico: o telegrafo sem o. 1907 In cio do servico de radiodifus~o comercial transatl^ntico (estac~es a a o terrestres imensas: antenas de 30 100 m). 1914 In cio da Primeira Guerra Mundial. Rapido desenvolvimento das comunicac~es e sua interceptac~o. o a

1.1 A Revoluc~o da Computac~o Movel a aTV Colorida TV Preto e Branco

5

PCS Celular Nmero de usurios (milhes) 1,0

PC VCR

0,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Anos aps lanamento no mercado 20

Figura 1.1: Numero de usuarios por ano de introduc~o da tecnologia a 1921 Radiodifus~o comercial entra em operac~o nos Estados Unidos. a a 1928 A Pol cia de Detroit introduz um sistema de acionamento de carros baseado em radiodifus~o (unidirecional) na faixa de 2 MHz. a 1933 A FCC autoriza o uso de quatro canais na faixa de 30{40 MHz. 1935 Modulac~o em Frequ^ncia - FM (Frequency Modulation ) surge como a e alternativa para a Modulac~o em Amplitude - AM (Amplitude Modua lation ), reduzindo os problemas de ru dos na transmiss~o, ou melhor a desempenho com relac~o a perda de sinal, ou desvanecimento. a 1939 Pesquisa e uso da comunicac~o via radio expande imensamente dua rante a Segunda Guerra Mundial. 1945 AT&T Bell Labs inicia experimentos no uso de frequ^ncias mais altas e com o objetivo de melhorar os servicos moveis.

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1947 AT&T lanca o IMTS (Improved Mobile Telephone Service), um sistema de transmiss~o onde apenas uma torre de alta pot^ncia atendia a e uma grande area ou cidade. Em seguida, AT&T Bell Labs prop~e o o conceito celular. Anos Os sistemas requerem uma elevada banda para transmiss~o, uma a 50 faixa de 120 kHz para transmitir um circuito de voz de apenas 3 kHz. Esta faixa e reduzida pela metade. Com os transistores os equipamentos reduzem de tamanho e ja s~o transportaveis. Nessa a epoca os primeiros sistemas de paging comecaram a surgir. Anos Um novo receptor de FM permite reduzir a banda para 30 kHz, 60 abrindo espaco para um maior numero de canais de comunicac~o a com o mesmo espectro. Bell Labs ja testa as tecnicas de comunicac~o a celular e surgem os primeiros aparelhos portateis Anos A FCC aloca um espectro de frequ^ncias para os sistemas celulares. e 70 Nesse per odo AT&T lanca o sistema celular conhecido por AMPS (Advanced Mobile Phone System). Inicialmente era um servico de luxo. Destinado para uso em automoveis e de aplicac~o limitada a tendo em vista a baixa durabilidade das baterias. Atendiam uma capacidade limitada de trafego e um numero reduzido de usuarios. A primeira rede celular no mundo foi lancada no Jap~o em 1979. a 1983 O sistema AMPS evoluiu para os padr~es atuais com a primeira rede o celular americana lancada em 1983, em Chicago e Baltimore. Outros sistemas similares entram em operac~o no mundo: TACS (Toa tal Acess Communications System ) no Reino Unido (1985), NMT (Nordic Mobile Telephone Service ) na Escandinavia (1981), NAMTS (Nippon Advanced Mobile Telephone System ) no Jap~o. O AMPS a ainda em uso nos EUA, Brasil e grande parte do mundo, e considerado um sistema de primeira gerac~o. A transmiss~o em FM, a a reduzida a 25 kHz nos anos 70, entra nos anos 90 na faixa de 10kHz. Tambem surgem os sistemas de transmiss~o digital. Pelas tecnicas a de processamento digital de sinais foi poss vel reduzir a banda necessaria, viabilizando os sistemas moveis digitais. 1991 Validac~o inicial dos padr~es TDMA e CDMA nos EUA. Introduc~o a o a da tecnologia microcelular. 1992 Introduc~o do sistema celular Pan-Europeu GSM (Groupe Speciale a Mobile). 1994 Introduc~o do sistema CDPD (Cellular Digital Packet Data ). In cio a dos servicos PCS (Personal Communication Services ) CDMA e TDMA. 1995 In cio dos projetos para cobertura terrestre de satelites de baixa orbita, como o projeto Iridium. A partir da a comunicac~o sem o vem evoluindo e destacando varias a


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sub-areas entre elas a comunicac~o celular, a comunicac~o movel, servicos de a a comunicac~o pessoal, comunicac~o via satelite, redes locais sem o. Essa divera a sidade di culta uma classi cac~o mais precisa. Por outro lado, a portabilidade a dos equipamentos tambem vem evoluindo rapidamente, ja tendo sido lancado um telefone celular de pulso com comandos por voz. A grande maioria dos sistemas de comunicac~o sem o se baseiam na coa municac~o via radio e na alocac~o de frequ^ncias. A e ci^ncia da transmiss~o a a e e a via radio tambem depende, entre outros fatores, da antena, pot^ncia de transe miss~o e relevo ou meios interferentes. No entanto, entre as classi cac~es dos a o servicos moveis apresentadas na literatura 48], sera destacada a da FCC: Servicos de Radio Movel Comercial Servicos de Radio Fixo Publico e Domestico Servicos Moveis Publicos Servicos de Comunicac~o Pessoal (PCS { Personal Communication Sera vices) Servicos de Radio Movel Terrestre e Privado (PMR { Private land Mobile Radio) Servicos de Microondas Fixo Operacional Privado Servicos de Radio Pessoal Servicos de Radio Movel Comercial tambem conhecidos por Servicos Telefone-Radio Celular, cobrem os atuais servicos de telefonia celular. Consistem em cobrir uma area de demanda pela sua divis~o em sub-areas denoa minadas celulas e pela alocac~o de frequ^ncias para cada uma das celulas, a e considerando aspectos de interfer^ncias. e Servicos de Radio Fixo Publico e Domestico s~o servicos de radio microona das ponto a ponto, tais como sistemas microondas convencionais, sistemas de comunicac~o via satelite, sistemas de TV, e alguns sistemas espec cos para o a governo americano. Servicos Moveis Publicos incluem os sistemas paging, servico telefone-radio rural, servicos ar-terra e servicos terrestres. Paging e um servico que tem se tornado bastante popular atualmente. Nesse tipo de servico sinais codi cados s~o enviados para pequenos receptores. O receptor e ativado por um sinal com a seu codigo espec co.

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Servicos de Comunicac~o Pessoal (PCS) s~o similares aos atuais servicos a a de telefonia celular do ponto de vista do usuario, mas exploram diferentes e e cazes tecnologias. E um conceito amplo e n~o totalmente caracterizado, mas a geralmente opera em baixa pot^ncia, usa pequenas celulas, ou microcelulas, e para acomodar uma unidade movel que se movimenta lentamente. Na pratica e uma vers~o de baixo custo para telefonia celular. Em regi~es americanas a o onde este servico foi lancado, os precos foram forcosamente reduzidos pela competic~o em ate 25% desde 1994, e, na pratica, os precos s~o, em geral, 10% a a abaixo se comparados com as regi~es onde existe apenas celular 1]. o Servicos de Radio Movel Terrestre e Privado (PMR) provêm comunicac~o e a radio a baixo custo para atender as necessidades de industrias de energia, petroleo, sistemas produtivos em geral, taxis e transportadoras. O objetivo principal e a troca de informac~o dentro da corporac~o e, principalmente, em a a operac~es de despachos. Em alguns pa ses aparecem sob a sigla SMR (Speciao lized Mobile Radio). Servicos de Microondas Fixo Operacional Privado buscam os usos sem ns lucrativos, as escolas, companhias de alarme, bancos. S~o sistemas sem o e a privados que operam ponto a ponto, ou ponto multiponto. Servicos de Radio Pessoal tambem conhecidos por servicos interativos de dados e v deo (IVDS { Interactive Video and Data Service ). E um servico de nido recentemente, 1992, e fornece a base para uma grande variedade de servicos como v deo sob demanda, on-line shopping, interactive banking. Uma outra classi cac~o e uma vis~o por grandes areas: Redes e Servicos a a de Comunicac~o Pessoal, Celular, Comunicac~o Movel, Redes Locais e Comua a nicac~o Via Satelite. a PCS (Personal Communication Services ) e PCN (Personal Communication Networks ) s~o os principais servicos na primeira grande area. Como dito ana teriormente, surgem como opc~o de baixo custo para os servicos celulares. O a objetivo e tambem embutir servicos de comunicac~o de dados na forma de mena sagens, bem como servicos de curta dist^ncia, para comunicac~o em ambientes a a fechados ou para comunicac~o entre predios. a Os sistemas celulares formam a area de maior destaque atualmente, conforme dados apresentados anteriormente e projec~es futuras. Envolve alem das o tecnologias de comunicac~o, aspectos de seguranca e ate biologicos. a A area de comunicac~o movel pode tambem ser considerada como uma a especializac~o dos servicos celulares, entre elas a computac~o movel, explorando a a principalmente a tecnologia digital. As redes locais sem o se ajustam a ambientes com alta mobilidade do pessoal administrativo ou de produc~o, como em universidades, hospitais e a


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fabricas, ou em velhas construc~es com di culdades para cabeamento. Essa o nova tecnologia reduz signi cativamente os custos de reinstalac~o, recon a gurac~o e manutenc~o das unidades moveis como um PC. S~o geralmente a a a conectadas a outras redes locais ethernet e exploram transmissores de baixa pot^ncia, pequenas dist^ncias, e tecnicas de espalhamento espectral, descritas e a posteriormente. Comunicac~es via satelite possuem caracter sticas bastante peculiares, eno tre elas s~o a alta capacidade e possibilidade de atender um elevado numero de a usuarios a baixo custo. A tabela 1.1 apresenta alguns sistemas e suas principais caracter sticas 235]. A viabiliade econ^mica desses projetos se concentra no o atendimento de massa global, a custos reduzidos (hoje s~o da ordem de 1 a 3 a dolares/minuto), competitivos, sem fronteiras e, principalmente, complementando os servicos ja existentes. Nesta linha, cobrem regi~es n~o atendidas por o a sistemas terrestres, pela baixa densidade populacional, pela baixa renda, ou por di culdades geogra cas, caracterizando os seus maiores segmentos de comunicac~o sem o xo, de extens~o celular e de internacionalizac~o dos servicos a a a celulares. Muitos projetos est~o em andamento e t^m sofrido muitos ajustes a e de objetivos, dimens~es e implementac~es. Na concepc~o de mobilidade as o o a celulas s~o unidades moveis enquanto os usuarios est~o xos, devido ao poa a sicionamento em altitudes elevadas. Os sinais transmitidos s~o recebidos por a toda area coberta, uma ampla area geogra ca, e o custo e independente da dist^ncia entre os usuarios. Com isso, apresentam uma alta capacidade para a transmiss~es broadcast e sistemas distribu dos. Por outro lado, o problema de o seguranca e bastante grave uma vez que qualquer unidade receptora pode captar o sinal. Dessa forma os mecanismos de criptogra a devem ser usados no caso de comunicac~o segura. a Basicamente os satelites se estabelecem em tr^s n veis. Os satelites de e baixa orbita LEO (Low Earth Orbit ) s~o posicionados em torno de 1000 km a de altitude mas em diferentes posic~es com relac~o a terra. Os satelites de o a orbitas medias MEO (Medium Earth Orbit ) est~o aproximadamente a 10000 a km de altitude. E os satelites de orbitas elevadas ou geoestacionaria GEO (Geosynchronous Earth Orbit ) est~o situados a aproximadamente 36000 km de a altitude e em regi~es proximas a linha do equador. o Os satelites LEO foram os primeiros a serem lancados e apresentam um complexo problema de roteamento dos sinais e rastreamento em terra. Devido as baixas altitudes e necessario um numero mais elevado de unidades para uma maior cobertura, apesar dos equipamentos serem tambem menores por trabalharem em baixas pot^ncias. Os atrasos nos processos de comunicac~o e a tambem s~o menores. a

10SistemaMsat Globis Odyssey Ellipso


Patroc nio TipoAmerican M. GEO Sat. Consorcio GEO Uni~o Sov. a TRW MEO

Alt.( )

19.000 20.000 5.600 4.212 n.d. 413 750 550 378 424 702 432 1.100

Mobile MEO Comm. Hold. Archimedes European MEO Space Ag. Iridium Motorola LEO Globalstar Aries Teledesic Orbcomm Starsys Leostar Ecco( )

Loral & LEO Qualcomm Constellation LEO Comm., Inc. Teledesic LEO Orbital Sci. LEO Corp. Starsys Posi- LEO tion., Inc. Italspuzio LEO

Telebras, LEO Cci, Bell Atl., etc

veicular e tel. xo 1 (a) tel. xo e TV 12 (a) voz, dados, localiz. 15 (b) voz, dados, 6 (a) fax 4 (n.d.) voz, dados, fax 66 (a) voz digital, dados, localiz. 48 (a) voz digital, dados, localiz. 48 (a) voz digital, dados, localiz. 840 (d) tel. xo, v deo relay 18 (a) dados 2 (c) (storeforward) 24 (a) dados (storeforward) 24 (a) dados (storeforward) 11 + 1 voz, dados, (res.) paging (a)

# Sat. (Orb.)1 (a)

Servicos

CustoUS$bi 0.55 n.d. 1.3 0.7 n.d. 3.4 1.7 0.5 9 0.5 n.d. n.d. 1.5

Milhas nauticas Orbitas: (a) Circular (b) El ptica

(c) Polar

(d) S ncrona com o sol

Tabela 1.1: Sistemas de comunicac~o via satelite a A segunda gerac~o s~o os satelites GEO que movimentam sincronamente a a com a terra, mantendo a mesma posic~o em relac~o a linha do equador. Isto a a

1.2 Mercado

11

permite manter as estac~es terrestres em posic~es xas. O primeiro satelite o o GEO foi lancado pela INTELSAT (International Telecommunications Satellite Organization ) em 1965 e, a partir da , passaram a predominar. Com o sincronismo os problemas de roteamento e rastreamento s~o reduzidos. Aua mentando a altitude tambem reduz-se o numero de unidades para uma maior cobertura. Uma unidade com antena n~o direcionada pode cobrir ate 30% a da superf cie terrestre, bastando tr^s satelites distanciados a 120 graus para e uma ampla cobertura. Mas, a proximidade a linha do equador deixa algumas regi~es polares sombreadas. Tambem eleva-se as dimens~es dos equipamentos o o pelo uso de grandes pot^ncias, reduz-se a portabilidade e di culta atendimene tos de massa. Outra caracter stica importante s~o os atrasos na comunicac~o, a a comprometendo aplicac~es e sistemas. O atraso por enlace e de aproximadao mente 120 ms, portanto 240 ms de ida e volta. Envolvendo mais de um satelite, esse atraso aproxima de 1s, o que inviabilza muitos servicos. Em varios pa ses ja funciona o telefone movel (ainda n~o celular) que tem a um numero unico para todo o planeta. Trata-se de um equipamento com a forma de um laptop, custa de 6000 a 12000 dolares. O Brasil faz parte desse grupo de pa ses. A Embratel oferece esse servico com uma taxa de manutenc~o a de 20 a 30 reais, e custo do minuto e em torno de 3,50, e somente paga quem faz a chamada.

1.2 MercadoAs redes celulares atendiam aproximadamente 10 milh~es de assinantes em o 1990, em todo o mundo, e chegaram ao nal de 1995 com aproximadamente 90 milh~es. Um crescimento acelerado que varia de pa s a pa s. A Suecia apreseno tava nesse per odo o maior percentual de usuarios da tecnologia celular, 25%. E a expectativa era de que nos Estados Unidos este percentual chegaria a 30% no nal da decada. No nal de 1996 esse percentual era de 17%. A Finl^ndia a ja tem, atualmente, 33 telefones moveis para cada 100 pessoas, seguindo uma tend^ncia dos pa ses nordicos de instalar 10 celulares para cada telefone xo. e Em 1996, o Jap~o elevou o seu percentual de 11,5% para 23%. No Camboja a 60% dos assinantes usam celular. Nas Filipinas e Tail^ndia esse numero ja a supera a casa dos 20%, apesar da baixa disponibilidade de servicos telef^nicos. o Espera-se que ja no in cio do proximo seculo um em cada tr^s telefones sera e movel, ou 415 milh~es dos projetados 1,4 bilh~es de telefones. E um mercado o o que dobra a cada ano e, considerando a elevada reduc~o de custos, pode ser a uma previs~o pessimista (veja gura 1.2, The Economist, 1997). E o segmento a de telecomunicac~es com a maior taxa de crescimento, com uma taxa esperada o

12de 30 a 40% por ano.30 Assinantes celular em % do total de assinantes 25 20 15 Gabo 10 5 0 0 10 20 30 40 Lbano Filipinas Tailndia Malsia Sirilanka


Finlndia

Hong Kong Nova Zelndia Singapura Venezuela Japo Hungria Israel Portugal Taiwan

Brasil China Laos Indonsia

50

60

Telefones por 100 habitantes

Figura 1.2: Percentuais de celulares por linhas telef^nicas o O Brasil tem feito uso da comunicac~o via radio por muitos anos. Em a telecomunicac~es as comunicac~es via radio analogicos t^m sido frequentes em o o e telefonia interurbana 146], e tambem em telefonia celular desde o in cio dos anos 90. Nos ultimos dois anos o mercado tem experimentado um crescimento acelerado e com expectativas de uma expans~o ainda maior. A gura 1.3 mostra a a demanda por celulares na grande S~o Paulo levantada em 1996 e cobrindo o a per odo de 1996 a 2000 213]. Um mercado de 4,5 milh~es de celulares em S~o Paulo no ano 2000 e otio a mista se comparado com a expectativa governamental de aproximadamente 10 milh~es em todo o Brasil. Mas sobre outros aspectos e expectativas, esses e ouo tros numeros dados nos gra cos abaixo s~o todos pessimistas. Os gra cos das a guras 1.4, 1.5, 1.6 e 1.7 apresentam as propostas do Programa de Ampliac~o e a

1.2 Mercado

13Demanda na Grande So PauloIncio da Competio

(X 1000) 2500 2000 1500 1000 500 0 1996 480 2000

2300 2000

1800Limite do Analgico

1600 1700 1000

1800

2000

1997

1998

1999

2000

Demanda no atendida Celulares em Operao - Analgico Celulares em Operao - Analgico + Digital

Figura 1.3: Demanda por celulares em S~o Paulo a Recuperac~o do Sistema de Telecomunicac~es e do Sistema Postal (PASTE) do a o governo brasileiro e lancado em novembro de 1995 214], para atendimento ao nercado de telefonia movel, comunicac~o de dados, paging, TV por assinatura. a A reduc~o de custos e acompanhada por uma acentuada elevac~o da dea a manda. Embora o preco pelo uso de um telefone celular ainda seja muito elevado se comparado a um telefone xo, o sucesso e con rmado pela mobilidade e facilidades que este servico oferece. Essa diferenca de preco, no entanto, torna-se cada vez menor. A reduc~o de precos e compensada pela elevac~o do a a numero de usuarios (Figura 1.8). Outra relac~o de refer^ncia e o custo por a e usuario versus a dist^ncia a sua central. A gura 1.9 tambem mostra uma a comparac~o entre um sistema celular e uma rede de cabos 148]. Apesar das a variac~es de custos de empresa para empresa, o que sempre se observa e um o custo constante por usuario do sistema celular enquanto o custo do cabo e crescente com a dist^ncia. a De acordo com a empresa CIT Research de Londres a receita mensal por assinante na Europa reduziu para $71 em 1996 e deve chegar a $42 em 2001 1]. Enquanto nos EUA esse valor que era de $58 em 1996 deve cair para $49 em 2001. No Jap~o este valor ja e inferior a $35 para um PHS (Personal a Handyphone System), uma tecnologia celular digital de capacidade limitada.

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Atendimento ao Mercado de Telefonia MvelEm milhes de acessos 17,2

6,8 4,8 0,8 1994 1,9

8,2

9,6

1995

1996

1997

1998

1999

2003

Figura 1.4: Mercado brasileiro de telefonia movel Embora o custo da chamada seja maior que a do telefone xo, o custo da linha e bem inferior. Pelas previs~es da empresa BIS Strategic Decisions dos EUA, realizadas o para o per odo de 1993 a 1998 48], a receita com os servicos sem o nos EUA e dada pela gura 1.10. Apesar de ser uma previs~o, e uma estimativa de 20 a bilh~es para 1998 apenas nos EUA. o Essa inovac~o pode provocar uma revoluc~o sem precedentes e ja mais imaa a ginada, capaz de provocar mudancas profundas na sociedade e se torna dif cil prever qual e o futuro. Por um seculo as redes tef^nicas cresceram em dimens~o o a mas com baixas mudancas tecnologicas. Recentemente surgiram o fax, o telefone movel, as comunicac~es via satelite, a Internet. Todas essas inovac~es o o foram inicialmente projetadas como de uso restrito e de luxo, mas passaram rapidamente a serem movidas por grandes mercados e consequentes mudancas tecnologicas. Neste contexto, a comunicac~o sem o surge como uma forte a inovac~o na medida em que passa a ser um componente pessoal, que acoma panha o usuario onde quer que ele esteja. Do outro lado, a reduc~o de custo a contribui cada vez mais para facilitar o acesso. Tudo isso faz com que a comunicac~o sem o se torne um negocio capaz de ultrapassar todas as expectativas a hoje levantadas em torno da Internet.

1.2 Mercado

15

Atendimento ao Mercado de Comunicao de DadosEm milhes de usurios 16,1

5,2 3,8 1,5 2,5

6,5

1995

1996

1997

1998

1999

2003

Figura 1.5: Mercado brasileiro de comunicac~o de dados a A e ci^ncia e os limites tecnologicos s~o tambem fatores importantes que e a puxam ou forcam esta evoluc~o. Em uma vis~o generica, a curva de evoluc~o a a a passa de c^ncava para convexa para uma mesma tecnologia, mas dando salo tos de e ci^ncia para cada tecnologia 48]. Na gura 1.11 e apresentada uma e evoluc~o em tr^s etapas dos sistemas xos para os sistemas moveis. a e Mas essa revoluc~o tambem tem seu preco. Muitos s~o os problemas a serem a a superados. Os sistemas celulares ja s~o alvos de fraudes. Para a empresa, e a as vezes para o usuario, a escolha entre os padr~es tecnologicos existentes e o complexa. Com certeza o numero e a dimens~o dos problemas crescer~o a a a medida que avancamos na computac~o movel. a A comunicac~o de dados tambem cresce a taxas elevadas, puxada pelas a redes de computadores e computadores pessoais. A comunicac~o de dados e a viavel via sistemas analogicos e digitais. Mas a seguranca e a con abilidade necessarias para este setor t^m exigido redes digitais. As grandes bases de dados e centradas em mainframes tornam-se cada vez mais distribu das. A empresa Nokia estima que no ano 2000, de 20% a 30% do faturamento em servicos moveis vira da comunicac~o de dados. Com isso, as redes celulares est~o evoluindo para a a atender de forma integrada a comunicac~o de voz, dados e a computac~o movel a a de uma forma geral. Embute-se neste contexto os brinquedos moveis e PDAs,

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Atendimento ao Mercado de PagingEm milhes de assinantes 3,9

0,7 0,4

1,0

1,2

1,5

1995

1996

1997

1998

1999

2003

Figura 1.6: Mercado brasileiro de Paging t~o populares quanto os laptops em alguns pa ses, como o Jap~o, e acesso a um a a browser com servicos de mensagens. O processo de comunicac~o ainda depende essencialmente da presenca do a usuario proximo a um telefone ou a um computador, xos em salas, escritorios ou resid^ncias, e a dist^ncia sempre foi um fator preponderante. Hoje, a dise a ponibilidade de telefones celulares, laptops e pequenos equipamentos permitem mobilidade independente de localizac~o e dist^ncia. Nessa evoluc~o a din^mica a a a a tem sido muito rapida tanto para a tecnologia e servicos, mas principalmente para os usuarios e empresas. Os usuarios vivem a euforia de diferentes servicos, automac~o e busca da a e ci^ncia. No entanto, eles esbarram na di culdade e na duvida pela escolha e do melhor servico e da tecnologia certa e de menores custos. Por exemplo, cabe a um simples usuario residencial decidir pelo equipamento a ser utilizado e como devera se conectar as redes de comunicac~o. Ele tera o seu telefone a xo conectado a uma rede de cabo de cobre convencional, ou podera optar pela conex~o via o provedor de TV a cabo, ou a uma rede local sem o publica a ou privada, ou uma comunicac~o via satelite, ou .... Essa decis~o sera t~o a a a mais complexa quanto maior for os servicos dispon veis. Algumas empresas ja prevêm para seus equipamentos moveis o envio e recebimento de mensagens, e

1.2 Mercado

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Atendimento ao Mercado de TV por AssinaturaEm milhes de domiclios 16,5

7,0 5,5 3,7 0,1 1994 0,7 1995 2,0

1996

1997

1998

1999

2003

Figura 1.7: Mercado brasileiro de TV por assinatura o acesso via browser a Internet e muitas outras facilidades. Esse leque de opc~es e com certeza um gerador de incertezas, mas cada vez mais viabilizara o o acesso de um maior numero de usuarios, estabelecendo novos comportamentos e processos, quer seja nas resid^ncias como tambem nas empresas e industrias. e Por sua vez, as empresas tambem passam por mudancas signi cativas e grandes desa os para garantir a sobreviv^ncia. As empresas publicas est~o e a sujeitas a um amplo processo de privatizac~o. O objetivo propalado e abrir o a mercado para maior competic~o e reduc~o de custos e precos. No entanto, a a a experi^ncia em varios pa ses, tais como Jap~o, Australia, EUA, e ate nossos e a vizinhos latino-americanos, tem mostrado por um lado a transfer^ncia do moe nopolio estatal para o privado, e por outro lado a di culdade em se criar um mercado realmente competitivo, se considerarmos a presenca e a dimens~o das a estatais no mercado atual. A privatizac~o por si so n~o cria competic~o. a a a Novas variaveis t^m surgido no mercado das telecomunicac~es. As grandes e o e poderosas empresas se vêm na necessidade de ganhar agilidade e dinamismo e em uma estrutura bastante pesada. A rapida evoluc~o tecnologica permite o a surgimento de pequenas empresas capazes de concorrer de igual para igual com monstros sagrados. Isso porque a tradic~o e a experi^ncia podem perder a a e corrida para o novo.

18


Telefones Mveis na Europa OcidentalAssinantes (milhes) 120 100 80 60 40 20 0 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2006 Receita por assinante em $/ms

Figura 1.8: Numero de usuarios versus receita Empresas locais est~o entrando no mercado de longa dist^ncia e vice-versa. a a Mercado este ainda totalmente dominado pelas grandes corporac~es. Apesar o da reduc~o de custos neste setor, as tarifas continuam bastante elevadas. Anaa lisando um dos fatores que in ueciaram nessa queda esta o custo da bra otica. Por outro lado, a capacidade disponivel e bastante alta, sendo que apenas 5% da capacidade de satelites e cabos foi usada no ultimo ano, conforme publicado pela ITU (International Telecommunications Union ) 1]. Outras empresas tambem est~o buscando novos espacos e mercados. Assim a e que empresas de energia eletrica, de abastecimento de agua, ferrovias, etc, est~o tambem penetrando no mercado de telecomunicac~es. Cabe aqui ressaltar a o a parceria entre companhia de agua francesa, Generale des Eaux, privada, e a estatal de ferrovias SNCF, concorrendo com a estatal France Telecom. Tambem na Alemanha as partes privadas das companhias de energia RWE, Viag e Veba, concorrem com a Deutsche Telekom. A Japan Telecom pertence a tr^s ferrovias. e O mesmo ocorre com as empresas de energia e ferrovias americanas. Uma nova empresa para se estabelecer tem de construir a sua propria rede de telecomunicac~es ou buscar parcerias com outras proprietarias de redes ja o existentes. As duas opc~es s~o complexas. A primeira exige um elevado inveso a timento em um setor que passa por mudancas frequentes, a segunda cria uma

1.2 Mercado

19

$4000 $3500 Custo por usurio $3000 $2500 $2000 $1500 $1000 $500 CO 1 2 3 4 Distncia (em milhas) da central 5 Celulard Re ed b Ca e os

Figura 1.9: Rede celular versus rede de cabos depend^ncia e um conjunto de exig^ncias que podem inclusive comprometer o e e plano de negocios da nova empresa, tornando-a, as vezes, t~o engessada quanto a o provedor tradicional. Seguindo os aspectos levantados, os sistemas moveis apresentam como grandes vantagens a mobilidade permitida ao usuario, o acesso direto a informac~o a ou servicos e a independ^ncia de cabeamento, reduzindo os custos e o tempo de e instalac~o e disponibilizac~o dos servicos. Por outro lado, os sistemas tambem a a apresentam desvantagens com caracter sticas bem diferenciadas. O espectro de frequ^ncia e bastante limitado e existem varios servicos que demandam parte e desse espectro. As quest~es de privacidade e seguranca s~o bastante delicadas, o a apesar do ganho conseguido com os sistemas digitais. A energia dispon vel em cada unidade movel e um fator de alta limitac~o, comprometendo o tempo a de uso pelo usuario e tambem exigindo so sticados algoritmos para o rastreamento dessas unidades moveis. Por estar sujeito as interfer^ncias diversas, e outros meios de transmiss~o e geogra cos e mobilidade do usuario, a garana tia da qualidade do servico e uma atividade complexa. Finalmente, a propria

20


25 Bilhes de dlares 20 15 10 5 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998

PCS Celular Digital Celular Analgico

Figura 1.10: Receita com servicos sem o nos EUA complexidade tecnologica e outra desvantagem.

1.3 Conceitos BasicosNesta sec~o s~o apresentados alguns conceitos basicos que podem facilitar a a a compreens~o do tema. O objetivo e apresenta-los informalmente sem o rigor a teorico. Os sistemas moveis de comunicac~o se baseiam, em sua grande maioria, a na transmiss~o via radio, ou na emiss~o de ondas de radio ou sinais. Essa a a onda no sistema telef^nico e consequ^ncia da fala ou dos n veis de press~o de o e a ar produzidos, que s~o transformados em ondas eletricas. Matematicamente, a trata-se de uma onda senoidal correspondente ao sinal analogico, ou com sinais discretos, 0 ou 1, no caso digital, guras 1.12 e 1.13. Uma onda tem tr^s caracter sticas basicas: amplitude, frequ^ncia e fase. e e A amplitude e a medida da altura da onda para voltagem positiva, ou para voltagem negativa. Tambem de nida como a altura da crista da onda. A

1.3 Conceitos Basicos

21

C."Handset" mvel, rede mvel Efetividade

B. "Handset" mvel, rede fixa

A. "Handset" fixo, rede fixa Tempo

Figura 1.11: Mudancas tecnologicas

Figura 1.12: Sinal analogico amplitude do sinal digital e igual a diferenca de voltagem para o degrau entre 0 e 1. Iniciando na voltagem zero, essa onda cresce, atinge a sua amplitude, decresce, se anula, atinge sua amplitude negativa e volta a crescer ate se anular novamente. Essa sequ^ncia comp~e um ciclo. A frequ^ncia corresponde ao e o e numero de cristas por segundo ou ao numero de ciclos por segundo. Um ciclo tambem e denominado por 1 hertz = 1 Hz, a medida usual de frequ^ncia, e seus e

22Sinal Digital 0 1 0 1


1

0

0

+Amplitude 0

-

Bit cells

Figura 1.13: Sinal digital multiplos: 1 kilohertz = 1 KHz = 1000 Hz, 1 megahertz = 1 MHz = 1000 KHz, e 1 gigahertz = 1 GHz, 1 tetrahertz = 1 THz. A fase e o angulo de in ex~o da a onda em um ponto espec co no tempo, e medida em graus. Para uma mesma frequ^ncia e amplitude as fases s~o diversas. e a Um sinal de voz e portanto uma onda eletrica com diversas frequ^ncias, e como os sons musicais s~o combinac~es de varias frequ^ncias acusticas, e as a o e cores do arco-iris s~o diferentes frequ^ncias de ondas de luz. A sequ^ncia de a e e frequ^ncias gera os sons relativos a voz que s~o transmitidos via radio ou sise a temas com o. O sinal de radio e uma onda de energia que, no vacuo, viaja a velocidade da luz, 297000 km/s. A conex~o transmissor/receptor se da por a diversos tipos de ondas. As terrestres, ou de superf cie, seguem a superf cie ou curvatura da terra. As ondas espaciais s~o as que trafegam em linha reta. a Ondas celestiais usam a camada da ionosfera como meio de transporte e como um espelho que re ete as ondas de radio. As ondas de satelite se baseiam na ampli cac~o pela estac~o satelite e retorno a terra em diferentes frequ^ncias. a a e Finalmente, um tipo bem especial de transmiss~o s~o os sistemas de microona a das.


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A dist^ncia, em metros, entre duas cristas de ne o comprimento de onda. O a comprimento de onda para altas frequ^ncias e menor que em baixas, tambem o e ciclo e menor para altas frequ^ncias. O intervalo entre duas frequ^ncias de ne e e uma banda, e a diferenca entre a maior e a menor frequ^ncia caracteriza a e largura de banda. Este conceito e extremamente importante na medida que a capacidade de um canal (bits/s) e, em parte, dependente da largura de banda. Assim, um canal telef^nico de aproximadamente 20 KHz pode transmitir too das as caracter sticas da voz. A comunicac~o via radio atua em um espectro a limitado de frequ^ncias, por motivos tecnicos e, algumas bandas, s~o nocivas e a a diferentes especies, inclusive o homem. O ouvido humano e capaz de detectar sons aproximadamente na banda de 40 a 18000 Hz. No entanto, os sistemas telef^nicos n~o s~o capazes de cobrir todo esse espectro. A energia o a a necessaria na emiss~o de um sinal de voz se concentra na banda de 200 a 3100 a Hz. Ainda mais, a reproduc~o da fala n~o exige uma precis~o maxima, o ouvido a a a e o cerebro s~o capazes de reconstruir e inferir, captando transmiss~es com ate a o 98% da energia e 85% da intelig^ncia da fala. As frequ^ncias em transmiss~es e e o radio v~o de 30 KHz a 300 GHz, com as bandas dadas pela tabela 1.2. a Intervalo de Frequ^ncia e 3 KHz 3-30 KHz 30-300 KHz 300 KHz-3 MHz 3-30 MHz 30-300 MHz 300 MHz-3 GHz 3-30 GHz 30-300 GHz Sigla ELF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Classi cac~o a Extremely Low Frequency Very Low Frequency Low Frequency Medium Frequency High Frequency Very High Frequency Ultra High Frequency Super High Frequency Extremely High Frequency

Tabela 1.2: Intervalos de frequ^ncias e classi cac~o e a Examinando as bandas na tabela 1.2, pode-se concluir que enquanto a largura de banda na faixa de audic~o e da ordem de 3000 Hz, para altas a frequ^ncias, como as exploradas nas transmiss~es via radio, a largura de banda e o pode chegar a aproximadamente 300 MHz, justi cando a import^ncia das altas a frequ^ncias. As ondas de superf cie, em geral, exploram as baixas frequ^ncias, e e apresentam longos comprimentos de onda (10000 metros) e, portanto, n~o sua jeitas a variac~es topogra cas. As ondas espaciais s~o usadas em transmiss~es o a o de TV e operam na faixa de VHF a SHF. As ondas celestiais atua na faixa

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HF e usadas para transmiss~es de radio e telefonia de longa dist^ncia. As ono a das de satelite t^m caracter stiscas bem particulares, descritas anteriormente. e Microondas exploram o espectro de UHF e SHF provendo uma ampla banda, pequenos comprimentos de onda e menores antenas. E poss vel obter taxas de 274 Mbps em sistemas com 18 GHz de banda. E indicada para conex~es o remotas de 30 a 50 km. Cada provedor pode variar a frequ^ncia, amplitude ou fase, ou combinac~es e o dentro de limites autorizados. A modulac~o e o processo de variac~o de um a a desses atributos. A modulac~o em amplitude (AM) e em frequ^ncia (FM) s~o a e a as mais conhecidas. A primeira usa o sistema de chaveamento de amplitude ASK (Amplitude Shift Keying ) e a segunda o chaveamento de frequ^ncia FSK e (Frequency Shift Keying). Outras formas s~o a modulac~o em fase PM (Phase a a Modulation ), PCM (Pulse Code Modulation ) e QAM (Quadrature Amplitude Modulation ), usada em sistemas digitais. A combinac~o de diferentes tecnoloa gias pode gerar combinac~es de formas de modulac~o. o a A forma AM e mais usada nas transmiss~es comerciais e e bastante sens vel o a ru dos. Portanto, e pouco indicada para comunicac~o sem o. A vantagem a deste sistema era a banda requerida em uma transmiss~o, 8 KHz, que era a bastante elevada para FM, 200 KHz. Com a reduc~o da banda em FM para a 10 KHz, a modulac~o AM perdeu todo o espaco para a FM, que e bem menos a sens vel aos ru dos. Pela modulac~o caracterizamos a forma de apresentac~o da informac~o que a a a se transforma em trafego. Visando maiores velocidades de transmiss~o, esse a trafego deve ser cursado o mais rapido poss vel. Neste sentido, surge a ideia de multiplexac~o, ou a agregac~o de varias informac~es para acelerar a transmis~o. a a o a Tambem existem tecnicas de multiplexac~o para comunicac~o com e sem o. a a Nesse ultimo caso, destaca-se a FDM (Frequency Division Multiplexing ) e a TDM (Time Division Multiplexing ), basicas para os metodos ou arquiteturas de acesso de usuarios FDMA (Frequency Division Multiplexing Access ) e o TDMA (Time Division Multilexing Access ). Tambem destaca-se o metodo de acesso mais recente, o CDMA (Code Division Multiplexing Access ), todos descritos no cap tulo seguinte. As tecnicas FDM e TDM dividem a largura de banda em canais disponibilizados aos usuarios do sistema, gura 1.14. Por sua vez, o CDMA disponibiliza toda a banda para todos os usuarios, sem a caracterizac~o de canais com uma a banda pre- xada. Essa subdivis~o do espectro torna o FDMA uma arquitetura a de faixa estreita, o TDMA pode ser de faixa estreita ou larga, e o CDMA de faixa larga. A multiplexac~o FDM predominava ate o nicio dos anos 90, mas ainda a


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Figura 1.14: Tecnicas de multiplexac~o FDM, TDM e STDM a tem sido usada em comunicac~o via satelite, telefonia, sistemas microondas e a televis~o a cabo (CATV). A largura de banda e subdividida em canais de banda a menor, com uma portadora para cada canal, capaz de cursar um sinal de voz ou

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dados. A arquitetura FDMA explora a FDM e os canais s~o alocados conforme a a demanda, reservando alguns canais de controle. Dependendo do sistema torna-se necessario a alocac~o de dois canais para cada usuario, um para cada a sentido da comunicac~o, canal duplex. FDMA e explorado principalmente em a sistemas analogicos, mas pode tambem ser usado em sistemas de transmiss~o a digital. A primeira gerac~o dos sistemas celulares, analogicos, se baseia no FDMA, a entre eles o AMPS (Advanced Mobile Phone Service ), sistema predominante nos EUA, Brasil e outros 40 pa ses. Cada canal ocupa uma banda de 30 KHz. A largura de banda total e de 25 MHz para faixa A (ou tambem conhecida por banda A, faixa de 824 a 849 MHz) e 25 MHz para faixa B (banda B, faixa de 869 a 894 MHz). Para cada faixa, a multiplexac~o gera 833 canais, como a s~o necessarios canais duplex, para cada comunicac~o, um no sentido estac~oa a a unidade movel, e outro no sentido unidade movel-estac~o, resulta a capacidade a de atendimento simult^neo de 416 usuarios por faixa. O custo da unidade a movel e de menor custo enquanto na estac~o e mais elevado. a A multiplexac~o TDM disponibiliza toda largura de banda para um canal, a mas cada um usa apenas um slot de tempo. Uma mesma portadora e usada por todos os canais em intervalos de tempo. Os sinais s~o discretizados, cabendo a a cada usuario um canal que recebe o sinal a cada sequ^ncia de slots. Uma e das limitac~es dessa tecnica consiste na gerac~o de slots de tempo mesmo para o a canais sem transmiss~o. Essa desvantagem e corrigida pela STDM (Statistical a Time Divison Multiplexing), com a alocac~o din^mica de slots apenas aos tera a minais em uso, veja gura 1.14. O maior numero de canais implica em maior faixa de transmiss~o, mas o numero de slots por canal depende do projeto e a pode superar o FDM. A segunda gerac~o de sistemas celulares se baseia no TDMA que, em gea ral e na pratica, s~o similares ao STDM. O TDMA tem sido bastante usado a pelos atuais sistemas moveis e sem o. Nessa arquitetura de acesso o sinal de voz e digitalizado, armazenado em um bu er na estac~o e, ent~o, transmitido a a pela alocac~o aos slots de tempo, com intervalos distintos para transmiss~o a a e recepc~o. Esta arquitetura tambem pode ser vista como uma combinac~o a a das tecnicas FDM e TDM. FDM no sentido que divide a largura de banda em canais e uma portadora para cada canal, e TDM porque os sinais digitais s~o enviados pela mesma portadora. Isso exige um maior custo para manter a a qualidade do sinal. Os sinais dos usuarios, apesar de ocuparem a mesma frequ^ncia, n~o interferem entre si, pois ocupam diferentes slots de tempo. e a O sistema celular predominante na Europa e o mais popular na linha digital, GSM (Global System for Mobile communications ), explora o TDMA,


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atuando nas faixas de 890 a 915 MHz, e 935 a 960 MHz, nas direc~es unidade o movel-estac~o e estac~o-unidade movel. Cada faixa e dividida em 124 pares de a a portadoras de 200 KHz. Cada portadora e dividida em 8 canais com slots de tempo de 0,577 ms, ou um quadro (frame ) de 4,615 ms (8 0 577). O sistema digital D-AMPS (Digital AMPS ), tambem em uso no Brasil, faz uso da tecnica de multiplicac~o FDM, propria do AMPS, mas tambem o TDM, a que gera sinais digitais. Como cada portadora gerada pelo FDM e multiplexada em tr^s canais pelo TDM, a capacidade do D-AMPS e multiplicada por tr^s. e e A arquitetura CDMA disponibiliza toda a largura de banda para todos os usuarios e cada conex~o estac~o-usuario recebe um codigo espec co e o mais a a aleatorio ou ortogonal aos demais. Mas os sinais dos usuarios cursam o mesmo canal ao mesmo tempo, permitindo inclusive a interfer^ncia entre eles. e Outros sistemas celulares est~o dispon veis no mercado como: TACS (Total a Access Communication System ) com grande participac~o no mercado do Reino a Unido, ETACS (European TACS ), JTACS (Japan TACS ), NTACS (Nippon TACS ), o grupo TACS esta presente em aproximadamente 20 pa ses. O NMT (Nordic Mobile Telephone system ) esta implantado nos pa ses nordicos e trinta outros, RMTS (Radio Mobile Telephone System ), todos analogicos. PDC (Personal Digital Cellular ) participa do mercado japon^s, IS95 (Interim Standard e 95 ) uma vers~o inicial para o CDMA e o DCS (Digital Cellular System ), que a usa protocolo GSM, s~o todos digitais. Maiores detalhes sobre os sistemas a celulares s~o apresentados na proxima sec~o. a a Em 1993, a TIA lancou a especi cac~o IS-95 com base na tecnologia a SST (Spread Spectrum Technology ) ou espalhamento espectral, basico para o CDMA, e tambem para a evoluc~o do TDMA. Essa tecnologia data da decada a de 40, para atender comunicac~es militares. Uma de suas vers~es iniciais e deo o nominada frequency hopping ou salto de frequ^ncia. Essa tecnologia consiste na e transmiss~o pelo uso de varias frequ^ncias espalhadas e sequenciadas, usando a e toda a banda, espalhamento espectral, ao inves de uma unica. Isso aumenta a sua capacidade de transmiss~o. O receptor deve ser capaz de identi car o a codigo e a sequ^ncia de espalhamento para cada canal de comunicac~o. Essa e a tecnica e bastante promissora para os servicos de PCS (Personal Communication Systems ) devido a sua exibilidade para comunicac~es sem o, o uso o e ciente do espectro de frequ^ncia, e capacidade futura de transmiss~o de dae a dos a altas velocidades e baixo custo, alem da seguranca a vista da atuac~o de a hackers. Por outro lado exige uma banda elevada tornando-se bastante restrita para as atuais bandas celulares dispon veis 96]. Os sistemas celulares s~o os mais populares sistemas sem o. Muitos conceia tos s~o particulares e outros extrapolam esta area 226, 141]. O nome sistema a

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movel celular (SMC) advem de sua estrutura em celulas. Uma celula e uma area geogra ca atendida ou coberta por um transmissor de baixa pot^ncia, uma e ERB (Estac~o Radio Base). Uma ERB e uma ou mais antenas xas, instaladas a em torres que t^m como objetivo atender a demanda originada pelas estac~es e o ou unidades moveis, ou usuarios, dentro de sua area de cobertura. A unidade movel e o equipamento manipulado pelo usuario do SMC. Notadamente os aparelhos portateis ditos telefones celulares. Em outro sentido, a celula corresponde a area de abrang^ncia de uma ERB. Todo ponto onde o sinal radio e de uma ERB pode ser recebido dentro de limites de ru dos e interfer^ncias e aceitaveis. As celulas n~o t^m forma de nida. Idealmente seriam circulares, a e mas na pratica podem assumir formas totalmente irregulares, dependendo do relevo e topogra a da area. Por conveni^ncia s~o representadas por hexagonos. e a Alguns pontos podem ser cobertos por mais de uma ERB, nesse caso temos um overlapping de celulas. Ainda mais, a unidade movel ao solicitar uma canal a ERB de sinal mais forte pode receber um acknoledgement negativo. Em seguida, veri ca uma segunda ERB com sinal su ciente para estabelecer a conex~o. Este procedimento e denominado de direct-retry. a Com o crescimento da demanda e o reduzido espectro de frequ^ncia, as e celulas t^m uma tend^ncia a reduzirem sua area de cobertura. Neste contexto e e surgem os conceitos de macrocelula, microcelula e picocelula. As celulas reduzem e tambem a pot^ncia de suas ERBs. e A conex~o entre uma ERB e uma unidade movel se realiza por um canal ou a frequ^ncia dispon vel. Inicialmente era um canal espec co para cada usuario e (nontrunk ), para os novos sistemas (trunk ) todos os canais est~o dispon veis a para todos os usuarios da celula. Os canais s~o liberados por ordem de chegada a dos usuarios e ser~o atendidos tantos quantos s~o os canais dispon veis na a a ERB. Da a import^ncia de uma e ciente alocac~o de frequ^ncias entre as a a e ERBs. Cada ERB esta conectada por uma linha f sica dedicada a uma CCC (Central de Comutac~o e Controle), que, por sua vez, tambem esta conectada a a RPT (Rede Publica de Telefonia), gura 1.15. A CCC e responsavel pela inteligac~o e controle de varias ERBs. E tambem responsavel pela monitorac~o a a de chamadas e hando , a mudanca automatica de chamada de uma celula para outra a medida que o usuario se desloca. O deslocamento de longa dist^ncia, a com mudanca de area metropolitana, exige tambem o redirecionamento de chamadas via roaming. As antenas s~o usadas como transmissores e receptores de sinais de radio. a S~o projetadas em relac~o aos comprimentos de onda. Assim, frequ^ncias elea a e vadas com pequenos comprimentos de onda exigem antenas menores. Baixas frequ^ncias com grandes comprimentos de onda tornam as antenas maiores. e


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CCC RPT ERB

CCC ERB

ERB

ERB ERB

ERB1 4 7 0 2 5 8 3 6 9

*F OF

D SN

Figura 1.15: Topologia do sistema celular Essa relac~o generica pode ser modi cada pelo uso de indutores, capazes de rea duzir a dimens~o das antenas. Outro par^metro importante e o ganho de uma a a antena, uma medida logar tmica, expressa em decibeis (dB), da raz~o entre a a antena instalada e outra de refer^ncia. O ganho e a taxa de ampli cac~o do e a sinal. A transmiss~o de um sinal de 1 watt de pot^ncia por uma antena com a e ganho de 5 resultara em sinal de 5 watts. Com isso e poss vel aumentar a area de cobertura de cada ERB, principalmente em areas com escassez de banda, porem dentro de limites que n~o prejudique o funcionamento do SMC como um a todo. No SMC s~o utilizados dois tipos de antenas. As omni-direcionais s~o a a as mais usuais e s~o capazes de transmitir sinais em todas as direc~es simula o taneamente. Normalmente uma estac~o comum contem 3 antenas. As antenas a setorizadas cobrem pequenos setores dentro de uma celula, n~o propagam sinal a em todas as direc~es, mas em um feixe que de ne o setor. o Ao distribuir as frequ^ncias pelas ERBs dois tipos de interfer^ncias s~o e e a importantes. A interfer^ncia co-canal e devida ao uso da mesma frequ^ncia em e e diferentes celulas. O n vel de interfer^ncia co-canal e a raz~o entre a pot^ncia e a e

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do canal transmitido pela soma das pot^ncias dos canais de mesma frequ^ncia e e das celulas vizinhas a primeira. A interfer^ncia adjacente e a interfer^ncia de e e canais adjacentes em uma mesma ERB ou celula. A escassez da banda de frequ^ncia exige um mecanismo de reuso. O fator de e reuso multiplica o numero de canais aumentando a sua distribuic~o. Tambem a indica a quantas celulas de dist^ncia de uma estac~o determinada os canais a a desta poder~o ser reutilizados. O reuso de frequ^ncia depende da pot^ncia do a e e sinal, das frequ^ncias usadas, relevo, ambiente, tipo e altura de antena. Consie derando a topologia hexagonal esse fator e igual a sete, ou seja, o espectro de frequ^ncias e distribuido entre uma celula e suas outras seis vizinhas, podendo e repetir suas frequ^ncias na vizinhanca de suas vizinhas. A dist^ncia de reuso e a e a dist^ncia m nima entre duas ERBs transmitindo em canais com a mesma a frequ^ncia sem que haja interfer^ncia mutua. A dist^ncia de reuso e dada por: e e a D = R 3N onde D e a dist^ncia de reuso, R o raio da celula e N o fator de reuso. O fator a de reduc~o da interfer^ncia co-canal e a raz~o entre D e R, q = D=R. Uma a e a maior dist^ncia implica em menor interfer^ncia co-canal, mas com um menor a e numero de canais por celula, menor a capacidade por celula. Caso contrario, as celulas t^m de reduzir de tamanho, aumentar a capacidade do sistema, apesar e de aumentar o numero de ERBs com menor pot^ncia, o numero de hando e aumenta e tambem a complexidade de rastreamento das unidades moveis. Complementando esse cap tulo introdutorio, cabe ressaltar alguns dos organismos de especi cac~o e padronizac~o: a a ITU (International Telecommunications Union ), que absorveu o CCITT (Comite Consultatif Internationale de Telegraphie et Telephonie ) ITU-R (International Telecommunications Union { Radio Comunication Sector ) CTIA (Cellular Telecommunications Industry Association ), associac~o de a provedores americanos TIA (Telecommunications Industry Association ), associac~o indepena dente para padronizac~o a EIA (Electronics Industry Association ), similar a TIA ETSI (European Telecommunications Standard Institute )

p


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E a computac~o movel? Apos uma vis~o geral de sistemas moveis e sem a a o, pode-se concluir que a computac~o movel vem da evoluc~o e como coma a plementac~o aos sistemas atuais e projetados para o futuro. As comunicac~es a o pessoais e corporativas escoar~o boa parte de seus processos pela uso da coma putac~o movel. Hoje o mercado e complexo com muitas especi cac~es e produa o tos sendo lancados e prometidos, com um emarranhado de siglas. No entanto, ja existem alguns movimentos no sentido de de nir padr~es mundiais oferecendo o de forma integrada voz, dados e servicos multim dia, e que reduza os custos e permita uma competic~o mais vis vel para o usuario. Neste sentido, a ITU-R a (International Telecommunications Union - Radio Communication Sector) esta desde 1987 desenvolvendo um padr~o de comunicac~es via radio denominado a o FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System), rebatizado de IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), padr~o para o a seculo 21. Tambem a ETSI (European Telecommunications Standard Institute) esta encarregada da especi cac~o do UMTS (Universal Mobile Telecommunia cations System). Este livro segue a seguinte estrutura. O cap tulo 2 da um vis~o da coa municac~o movel, suas perspectivas futuras, evoluc~o tecnologica, sistemas e a a servicos, mas principalmente ressalta alguns problemas a serem enfocados. O cap tulo 3 trata o problema de localizac~o de estac~es radio e moveis, fundaa o mental para os provedores de servicos celulares atuais. O cap tulo 4 explora os algoritmos de alocac~o de canais com criterios de distribuic~o estatico e a a din^mico. O cap tulo 5 apresenta os protocolos para tratamento da mobilidade a de computadores. A ger^ncia de informac~o e o tema principal do cap tulo 6. e a O cap tulo 7 e dedicado aos algoritmos distribu dos que suportam a mobilidade nos sistemas de comunicac~o. Finalmente, apresentamos algumas conclus~es a o e comentarios nais no cap tulo 8. Em todos os cap tulos s~o referenciados a varios artigos com modelos, metodos e algoritmos. Por se tratar de uma area bastante recente, os artigos citados visam apenas dar conhecimento sobre resultados e propostas, e n~o a defesa de um ou outro princ pio e import^ncia a a das publicac~es. o

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Cap tulo 2

Comunicac~o Movel: a Principais ProblemasNeste cap tulo s~o discutidos uma serie de servicos e problemas decorrentes a das novas tecnologias. Estes servicos requerem diferentes arquiteturas de redes e diferentes metodologias para o desenvolvimento de aplicativos. Os sistemas podem ser divididos em grandes areas, visualizando os sistemas em indoor (interno) e outdoor (externo), analogicos e digitais, moveis e sem o. O objetivo e identi car e comparar os diversos sistemas, tecnologias, modelos, e suas integrac~es. Apesar de conceitualmente semelhantes, alguns problemas podem o sofrer tratamentos bastante diferenciados. Como exemplo, a localizac~o de a estac~es e a alocac~o de canais s~o conceitualmente semelhantes para ambio a a entes internos e externos, mas s~o tratados de forma bastante independente a 91, 147]. Este cap tulo esta organizado da seguinte forma. A sec~o 2.1 discute a a evoluc~o dos sistemas celulares. A sec~o 2.2 descreve as principais tecnoloa a gias em uso para comunicac~o sem o bem como seus sistemas e servicos. A a sec~o 2.3 apresenta alguns dos principais problemas relacionados com a infraa estrutura da comunicac~o sem o. A sec~o 2.4 apresenta os principais fatores a a relacionados com o projeto de hardware e software para computac~o movel. a Esses fatores tambem est~o relacionados com os problemas de infra-estrutura a mas dizem respeito mais de perto com a unidade movel. Finalmente, a sec~o 2.5 a apresenta alguns dos principais problemas relacionados com o uso do computador movel.

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Cap tulo 2. Comunicac~o Movel: Principais Problemas a

2.1 Sistemas CelularesOs sistemas celulares predominam atualmente na area de comunicac~o movel. a Surgiram no nal da decada de 70 como um servico de luxo. Os equipamentos tinham aplicabilidade espec ca, como automoveis, devido a baixa durabilidade de suas baterias. Os primeiros sistemas tinham, e ainda t^m, capacidade limie tada e o numero de usuarios alocados a cada estac~o e bastante reduzido. Este a primeiro grupo representa a primeira gerac~o, e destaca-se o AMPS (Advanced a Mobile Phone System), que predomina no mercado americano e no Brasil, entre outros. No nal da decada de 80 surgem aparelhos celulares portateis com baterias de maior durac~o e aplicac~es diversas. Com a reduc~o dos precos dos equipaa o a mentos e maior disponibilidade de servicos, a demanda pelos sistemas celulares cresce rapidamente. Com isso, tornou-se essencial a busca por sistemas capazes de atender um maior numero de usuarios. Adiciona-se a este fato, a corrida empresarial pelo dom nio tecnologico e comercial do mercado. A segunda gerac~o de sistemas celulares se identi ca com o padr~o GSM a a (Global System for Mobile communications ), adotado pelos pa ses europeus a partir de 1992. E um sistema com maior capacidade e compat vel com diversas e modernas arquiteturas de redes. Os sistemas celulares t^m evoluido rapidamente sempre buscando o atene dimento de um maior numero de usuarios e a elevac~o de sua capacidade de a transmiss~o, tornando-se a primeira alternativa para comunicac~o de dados sem a a o e, portanto, uma opc~o para a computac~o movel. A tabela 2.1 apresenta a a o crescimento de usuarios de sistemas celulares no per odo de 1994{1995 em algumas regi~es. Essa evoluc~o tecnologica, acompanhada de uma demanda o a explosiva, marca o surgimento da terceira gerac~o de sistemas, com grandes a investimentos em pesquisa, projeto e instalac~o. Essa gerac~o tera de lidar a a com a comunicac~o de voz e dados simultaneamente, e buscando, sempre, uma a maior capacidade. O conceito de capacidade de um sistema celular passa a ser visto sob uma nova otica, considerando a comunicac~o de dados, e um novo a paradigma: trafego por rajadas, ocupac~o de multiplos canais por enlace, etc. a O sinal emitido pela estac~o radio para a unidade movel sofre varias ina u^ncias do meio. Alem das variac~es devidas aos obstaculos, o sinal se espalha e o por varios caminhos na forma de varios sinais, chamado de multiplo percurso (multipath ), gerando diferentes atrasos na recepc~o. O espalhamento deste a atraso caracteriza o delay spread. A soma desses sinais pode causar atenuac~o a ou elevac~o do sinal. Dessa forma, o sinal no destino e um valor medio da a pot^ncia, e as poss veis variac~es caracterizam o desvanecimento. O desvanee o

2.2 Tecnologias, Sistemas e Servicos

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Regi~es o Dez 94 Jun 95 Europa 14,7 18,5 Asia 11,1 15,6 America do Norte 26,0 28,2 America do Sul e Central 2,4 3,0 Oriente 0,4 0,5 0,3 0,6 Africa Total 54,9 66,4 Tabela 2.1: Crescimento de usuarios de sistemas celulares (milh~es) o cimento pode ser lento, de longo prazo, ou rapido, de curto prazo. O primeiro decorre dos obstaculos e ocorre em intervalos de dezenas de comprimentos de onda. O segundo decorre dos multiplos percursos e ocorre em intervalos de meio comprimento de onda aproximadamente, ou 17 cm para 900 MHz. A variac~o do sinal decorrente da velocidade de deslocamento da unidade movel e a conhecido como deslocamento Doppler. Para uma velocidade de deslocamento v, e um comprimento de onda , o desvio maximo e dado por v= . Para manter a qualidade de servico torna-se necessario controlar o desvanecimento 235]. Este e contornado pelos metodos de diversidade, espacial, de frequ^ncia, de tempo, de polarizac~o e de ^ngulo. A diversidade espacial se e a a caracteriza pelo distanciamento das antenas na estac~o e na unidade movel. a Outra forma consiste no uso de frequ^ncias diferentes, devidamente separadas, e para transmiss~o da mesma informac~o. A diversidade de tempo se baseia no a a envio da mesma informac~o em tempos diferentes. A polarizac~o se baseia a a em componentes de ondas polarizadas ortogonais, capazes de transmitir a informac~o separadamente. Finalmente, a diversidade de ^ngulo explora antenas a a direcionais.

2.2 Tecnologias, Sistemas e ServicosOs principais sistemas celulares no mercado s~o o AMPS (Advanced Mobile a Phone Service ), D-AMPS (Digital AMPS ), GSM (Global System for Mobile communications ) e o CDMA (Code Division Multiplexing Access ). Outros est~o em uso mas com tend^ncia a ceder espaco para os primeiros, pela prea e domin^ncia tecnologica e de mercado. Essa conclus~o e parcialmente con ra a mada pelos dados apresentados na tabela 2.2, fornecidos pela European Mobile

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Communications (Confer^ncia PCS-1900, Washington, DC, 1995), relativos ao e

mesmo per odo da tabela anterior.

Tecnologia Dez 94 Jun 95 Analogica AMPS 32,4 35,5 TACS 9,5 12,3 NMT (450 e 900) 4,1 4,4 NTT 1,9 2,3 Outros 1,0 0,9 Subtotal 49,3 55,4 Digital GSM 4,6 7,4 PDC 0,5 1,5 DCS-1800 0,4 0,6 TDMA 1,0 1,5 Subtotal 6,0 11,0 Total 54,9 66,4 Tabela 2.2: Milh~es de usuarios por tecnologia 1994{1995 o Uma vis~o no tempo dos principais sistemas e dada pela gura 2.1. a A comparac~o entre eles pode levar em conta varios par^metros, tais como: a a numero maximo de canais, fator de reuso, numero de usuarios por canal, e ci^ncia espectral (medida pelo numero maximo de canais por celula por e MHz), interfer^ncia, seguranca e processamento de hando . A evoluc~o tece a nologica e a capacidade de comunicac~o de dados s~o tambem importantes para a a expans~o do sistema 196]. a O AMPS surgiu em 1983 como sucessor do IMTS (Improved Mobile Telephone Service ), predomina nos EUA, Brasil e grande maioria dos pa ses sul-americanos, sendo, portanto, o sistema mais popular mundialmente. Sua especi cac~o consta do EIA/TIA 533, da Eletronic Industries Association e a da Telecommunications Industry Association. Apesar de analogico e participando de um mercado voltado para tecnologia digital, apenas 15% dos telefones moveis vendidos na America do Norte em 1996 eram digitais, o que con rma uma tend^ncia dos usuarios em ainda seguir a predomin^ncia dos sistemas e a analogicos. No entanto, na Europa esse percentual e de 90%. Considerando os 416 canais duplex dispon veis no sistema AMPS, dentre eles sete canais de controle (a FCC de ne 21 canais de controle), e o fator


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2010 2000 PCS 1990 Tempo 1980 1970 1960 1950 1940 IMTS Analgico Digital AMPS, NMT, RMTS ETACS, JTACS, NTACS GSM, D-AMPS (IS54) IS136, DCS, PDC PHS, CDMA (IS95) IMT2000 UMTS Satlites

Redes Sem Fio Multimdia

Figura 2.1: Evoluc~o dos sistemas a de reuso de sete, resulta 58 ((416 ; 7)=7) canais duplex para cada celula, um numero bastante reduzido de usuarios por celula. A elevac~o desse numero a somente e poss vel pela divis~o da celula ou pelo uso de antenas setorizadas. a Nesse caso, esse numero maximo de canais por celula pode ser multiplicado por 2,55 para tr^s antenas setorizadas de 120 graus. Nesse caso, o numero maximo e de canais e de 147,9 por celula e, portanto, uma e ci^ncia espectral de 5,92 e (147,9/25). As interfer^ncias co-canal e adjacente no sistema AMPS s~o contornadas e a pela alocac~o de canais com frequ^ncias devidamente espacadas, ou no cona e trole da pot^ncia de transmiss~o de cada canal. Isso limita sensivelmente a e a capacidade do sistema. Ainda mais, apesar do uso da diversidade espacial, o desvanecimento continua sendo um problem nesse sistema. O hando implica em interrupc~o moment^nea. A sua tecnologia analogica e obsoleta, o controle a a geral do sistema e xo, n~o indicada para transmiss~o de dados digitais, e a a a seguranca ca a desejar, sendo facilmente quebrada. Com isso a expectativa quanto a sua adaptac~o ou evoluc~o para novos servicos e aplicac~es e bastante a a o baixa. No entanto, pelo uso de protocolos especiais para detecc~o e correc~o de a a erros, de facil instalac~o, operac~o e baixo custo, torna esse sistema viavel para a a ligac~es ponto a ponto ou como porta de acesso remota para outras redes de o dados 196]. Um desses protocolos e o CDPD (Cellular Digital Packet Data ), uma tecnologia de comutac~o de pacotes estendida para ambiente movel sem a o, mais especi camente redes celulares, permitindo o atendimento dos servicos

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basicos proprios de uma rede de pacotes. A vers~o digital do AMPS e o D-AMPS (Digital AMPS ). Sua especi cac~o a a esta no IS-54 (Interim Standard 54 ) da EIA/TIA, 1991, e cobre os dois modos de operac~o (dual mode ), suportando o FDMA e o TDMA. A combinac~o a a FDM/TDM faz com que este sistema tenha tr^s vezes mais canais que o AMPS. e No modo TDMA cada quadro tem 1944 bits, durac~o de 40 ms, e s~o enviados a a 26 quadros por segundo. Cada quadro e dividido em seis slots de tempo de 324 bits. Esse modo oferece uma taxa de transmiss~o de 48,6 kbps (1944/40), ou a 8,1 kbps (48,6/6) por canal, sendo 6,5 kbps para informac~o e 1,6 kbps de sinais a de controle. Alocando dois slots de tempo para um canal duplex a taxa se eleva para 13 kbps. Pelo IS-136 novas facilidades foram agregadas, a taxa de voz foi reduzida para 6,5 kbps, elevando a capacidade do sistema de seis em relac~o ao a sistema analogico. Portanto, pelo IS-54 o sistema D-AMPS apresenta o numero maximo de canais de 443,7 (3 147,9) a taxa de 13 kbps/canal, e pela IS-136 s~o 887,4 (6 147,9) canais de 6,5 kbps/canal. No primeiro caso tem-se uma a e ci^ncia espectral de 17,75, e de 35,50 para o segundo. e O D-AMPS e um sistema em evoluc~o e caminha-se para uma tecnica de a multiplexac~o TDM totalmente digital, IS-136. O objetivo e explorar a teca nologia SST (Spread Spectrum Technology ), mais especi camente a tecnica de frequency hopping, abandonando o FDM. No atual estagio o hando ainda e um problema, mas em sua vers~o nal este devera ser suave. Nesta evoluc~o a a varios servicos t^m sido embutidos como a comutac~o de pacotes. No entanto, e a a comunicac~o de dados ainda e limitada e em baixas taxas de transmiss~o. a a O GSM (Global System for Mobile communications ), tambem conhecido por Group Speciale Mobile, e um sistema baseado na tecnologia TDMA, especi cado pela European Commission em 1987, visando um sistema de uso geral pelos pa ses europeus, capaz de substituir os diversos sistemas analogicos existentes. E um sistema de segunda gerac~o, e a base do sistema DCS-1800 (Digital a Cellular System ). Sua import^ncia e marcada pela sua alta participac~o de a a mercado e considerado na evoluc~o dos atuais sistemas. a Cada canal de voz transmite na taxa de 13 kbps, e 2400, 4800 e 9600 bps. As transmiss~es tambem podem ser pela metade das taxas anteriores. Consio derando as 124 portadoras, cada portadora com oito slots de tempo, ou canais, e fator de reuso de sete, e o ganho de 2,55 pelo uso de antenas setorizadas, resulta o numero maximo de canais de 361,37 (124=7 2 55 8) de 13 kbps por canal, e a e ci^ncia espectral de 14,45 (361,37/25). e O GSM e um sistema digital e, portanto, mais indicado para a comunicac~o a de dados, mas o hando , ainda com interrupc~es, compromete a qualidade de o servico com a perda de informac~o. No entanto, servicos de correio eletr^nico, a o


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ftp e acesso a computador ja podem ser realizados via computadores pessoais conectados a um terminal GSM com interface PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association ). A tecnologia CDMA foi recentemente lancada pela empresa americana Qualcomm Incorporated e depois incorporada pelas empresas GTE, Ameritech, Sprint, Airtouch, USWest e Nynex. Alguns sistemas ja est~o em operac~o nos a a EUA, Coreia do Sul, Hong Kong e Brasil. Em 1993, TIA/EIA lancaram sua especi cac~o IS-95, como o padr~o wideband spread spectrum digital cellular a a system, de alta capacidade, modo dual que permite inclusive a operac~o no a modo analogico (AMPS) e digital (CDMA). Trata-se de uma tecnologia mais complexa e de custo ainda mais elevado. Esses dois fatores s~o fundamentais a para os cr ticos da tecnologia. No entanto, esta especi cac~o tem se tornado a tambem uma refer^ncia para as empresas de tecnologia TDMA. Visando uma e maior penetrac~o, a Qualcomm licenciou a tecnologia a grandes fabricantes do a setor como Motorola, Lucent e Nortel. Ja se fala em B-CDMA (Broadband CDMA) para aplicac~es de banda larga, o com taxas acima de 64 kbps, reduc~o das interfer^ncias, desvanecimento, e a e das componentes de multiplo percurso, melhor radio cobertura, e compartilhamento de todo o espectro. Neste segmento est~o atuando empresas como a a Ericsson, uma cr tica ardorosa a tecnologia CDMA, Siemens e Samsung. Toda a propaganda sobre o CDMA se baseia na sua caracter stica de faixa larga e e dito que esse padr~o e capaz de superar de dez a vinte vezes o AMPS. a A banda de 25 MHz no sistema CDMA e dividida em 10 canais duplex de 1,25 MHz. Cada canal pode transmitir simultaneamente 64 canais digitais com taxas basicas de 9,6 kbps ou 14,4 kbps, diferenciados por codigos ortogonais e taxa de espalhamento de 1,228 Mbps. O uso de codigos e do espalhamento garante uma alta seguranca e sigilo para o sistema, independente da criptogra a. Dos 64 canais 55 s~o para telefonia, sete para mensagens ou paging e dois para a controle. O CDMA e um sistema bastante rico de recursos para aumentar a sua e ci^ncia e a qualidade de servico. O controle da pot^ncia de transmiss~o e e a e de fundamental import^ncia para minimizar as interfer^ncias. A reduc~o do a e a ru do e poss vel explorando os intervalos de sil^ncio em uma conversac~o com a e a reduc~o das taxas de transmiss~o, tambem pelo uso de antenas setorizadas. O a a n vel de interfer^ncia decorrente dos usuarios pode ser equalizado pelo controle e de pot^ncia dos sinais. A reduc~o de pot^ncia tambem permite elevar a capae a e cidade do sistema tornando-o mais elastico, ao inves de bloquear os usuarios quando atinge o seu limite maximo, como nos outros sistemas. Com isso, o numero de canais pode ser elevado, podendo chegar ate 98 canais. Considerando esta expans~o, o numero maximo de canais chega a 980 por celula, com a

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uma taxa de 9,6 kbps. O fator de reuso no sistema CDMA e igual a 1. Isto porque todo o espectro de frequ^ncia e usado por todas as celulas. Esta caracter stica garante um e hando suave, com a soma dos sinais oriundos das estac~es bases. Isto pode ser o visto como um metodo de diversidade. A medida que o usuario muda de celula ele libera o codigo da celula antiga e mantem o da nova. Essa caracter stica e fundamental para os servicos de comunicac~o de dados. Por outro lado, o a hando suave pode ser visto como uma perda de frequ^ncia na medida em que e o mesmo usuario esta conectado a mais de uma estac~o. a Considerando o fator de reuso igual a 1, o fator de setorizac~o de 2,55, a a e ci^ncia espectral e de 130,56 (640=12 5 2 55) canais/MHz por celula. Esta e relac~o garante, a princ pio, pois n~o e con rmada na pratica, uma superioria a dade de 20 vezes em relac~o ao AMPS e de 3,7 vezes ao D-AMPS totalmente a digitalizado. Um dos fatores que in uencia esta relac~o e a qualidade de voz. a Essa superioridade justi ca, em parte, o elevado custo de implementac~o dessa a tecnologia, e uma maior capacidade com um numero menor de ERBs. O desvanecimento decorrente dos sinais que passam por multiplos percursos tambem e muito bem controlado por diversidades no espaco, frequ^ncia e tempo, elevando e a qualidade do servico. O CDMA e um sistema aberto e permite embutir diversos servicos e aplicac~es alem dos atuais, entre eles a comunicac~o de dados. o a Ainda mais e um sistema digital e reduz em muito os equipamentos necessarios nos sistemas analogicos. O CDMA e o grande concorrente ao padr~o TDMA, presente no GSM e a no D-AMPS (padr~o IS-136). Por sua vez os sistemas baseados no FDMA a tendem a perder todo o espaco ate ent~o ocupado. Um longo debate tem a sido travado em torno desses padr~es, com uma tend^ncia ao CDMA, mas o e muito tem sido feito na linha TDMA, com destaque ao GSM e ao D-AMP

introdução a computação movel

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