Telefonia Mvel Celular

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(UFM

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Introduo Computao Mvel

Prof. Francisco Jos da Silva e Silva Prof. Rafael Fernandes Lopes

Alguns dados... Mundo: 6 bilhes de usurios!!! (1 bilho em 2000) Brasil (www.anatel.gov.br, 27/outubro/2012)

258,86 milhes de usurios (134,8 acessos/100 hab.) Tarifao: Pr-pago (81,2%) e ps-pago (18,8%) Tecnologias

CDMA: 0,28% GSM: 75,16% 3G-WCDMA: 19,64% Term. Dados: 4,91%

Estaes Radiobase Licenciadas: 56.425 Telefones Fixos: 44,1 milhes (22,4 acessos/100 hab.) Populao do Brasil 198,7 milhes

Evoluo dos sistemas Primeira Gerao: 1G

Sistemas analgicos (canal de voz) com o AMPS Segunda Gerao: 2G

Sistemas digitais com o GSM, TDMA (IS-136/D-AMPS) e CDMA (IS-95)

2.5 G Sistemas celulares que oferecem servios de dados a taxas

de at 115 kbps Passo intermedirio na evoluo para 3G Principais sistemas: GPRS/EDGE e extenses do CDMA

Terceira Gerao: 3G Sistemas celulares que oferecem servios de dados por

pacotes e taxas de at 2 Mbps Principais sistemas: WCDMA (UMTS) e CDMA2000

Evoluo dos sistemas

3.5G Evolues do padres 3G Principais sistemas: HSDPA (High-Speed Downlink

Packet Access) e 1x EV-DO (Evolution Data Optimized)

3.75G Pr-4G Principais sistemas: adio do protocolo HSUPA (High-

Speed Uplink Packet Access), gerando o padro HSPA (High Speed Packet Access) e posteriormente sua evoluo HSPA+ (Evolved HSPA)

Evoluo dos sistemas Quarta Gerao: 4G

Beyond 3G (Aps 3G) Anywhere, anytime (Qualquer lugar, sempre conectado) LTE (Long Term Evolution) Taxas de 100 Mbit/s (mvel) a 1 Gbit/s (fixo) Interconectividade (WiFi, WiMax) Baseada em endereamento IP (IPv6) Padres:

Mobile WiMAX 802.16m (IEEE) Coria do Sul (2006)

LTE-Advanced: 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Escandinvia (2009)

Comercialmente no mundo (EUA, Canad, etc) desde de 2011 Brasil (Copa das Confederaes 2013): Salvador, Recife, Fortaleza,

Braslia, Belo Horizonte e Rio de Janeiro

Evoluo dos sistemas

Quarta Gerao: 4G Multiportadora CDMA (OFDMA) Equalizao no domnio da frequncia (frequency domain

equalization) Antenas inteligentes (MIMO Multiple input, multiple

output) Alta eficincia espectral (bit/segundo/Hertz/site) Banda de frequncia: 5 20 MHz (escalonvel) Codificao Turbo: minimizao SNR necessria no receptor Telefonia comutada por pacote Femtoclulas (ns interconectados a infraestrutura de

Internet banda larga)

Sistemas de telefonia celular Comunicao sem fio a longas distncias Oferece uma conexo sem fio PSTN (Public Switched

Telephone Network Rede Telefnica Pblica Comutada)

Permite mobilidade contnua dos usurios Acomodam um grande nmero de usurios em uma

grande rea geogrfica e dentro de um espectro de frequncia limitado

Alta capacidade alcanada limitando-se a cobertura dos transmissores a sub-regies geogrficas: clulas

Sistemas de telefonia celular

Utiliza mltiplos transmissores de baixa potncia

Cada clula servida por uma estao rdio base (ERB), composta por: transmissor, receptor e unidade de controle

A extenso da rea de cobertura de uma ERB dependente dos seguintes fatores: Potncia de sada do rdio transmissor Banda de frequncias utilizada Altura e localizao da antena Tipo da antena Topografia do terreno (sombreamento)

Sistemas de telefonia celular

A cada clula so atribudas faixas de frequncia Reuso de frequncias uso da mesma frequncia

(canal) na cobertura de diferentes reas

Clulas so organizadas de forma que todas as antenas vizinhas sejam equidistantes (padro hexagonal) Interferncia co-canal interferncia entre clulas que

usam a mesma frequncia (limites tolerveis)

Organizao das clulas

Organizao das clulas

Caractersticas do sistema celular

Alta densidade de trfego Permite o reuso de frequncias Transmissores de baixa potncia montados

em estruturas mais baixas Pequena rea cobertura Permite expanso modular Capacidade limitada pela interferncia

entre usurios

Conceito de telefonia celular Por que no usar uma grande torre de rdio e uma

grande rea de servio? Nmero de usurios simultneos seria bastante limitado

Relacionado ao nmero de canais disponveis Terminal mvel teria um grande requisito de potncia de

transmisso Conceito de telefonia celular pequenas clulas com

reuso de frequncia Vantagens

Baixa potncia de transmisso dos dispositivos Aumento da capacidade do sistema com reuso de frequncias

Desvantagens Custo das clulas Handoff (ou handover) entre as clulas deve ser suportado Necessrio rastrear o usurio mvel para rotear mensagens e chamadas

Reuso de frequncias

So alocadas frequncias diferentes para clulas adjacentes

Clulas distantes reusam frequncias Reuso de frequncias em clulas prximas Um nmero de canais (faixas de frequncia) so

atribudas a cada clula Potncia de transmisso controlada para evitar a

invaso para clulas vizinhas A questo determinar quantas clulas devem se

interpor entre duas clulas que utilizem a mesma frequncia

Reuso de frequncias

Cluster conjunto de clulas em que no h reutilizao de frequncias Estruturas mais empregadas (antenas omnidirecionais clulas hexagonais)

Estrutura celular Seja T o nmero total de canais duplex

K clulas = tamanho do cluster de clulas (tipicamente 4, 7, 12, 21)

N = T/K = nmero de canais por clula Para uma rea geogrfica especfica, se os clusters

forem replicados M vezes, ento o nmero total de canais Capacidade do sistema = M x T Escolha de K determina a distncia entre clulas que utilizam

as mesmas frequncias chamadas clulas co-canais K depende de quanta interferncia pode ser tolerada pelas

estaes mveis e perda por propagao

Estrutura celular

Distncia de reuso de frequncia

A partir da geometria hexagonal:

Razo de reuso de frequncia Krd 3=

Krd 3=

Capacidade de trfego e interferncia co-canal

Dimenso d/r Canais/clula Capacidade de trfego Qualidade de transmisso

1 1,73 360 Mais alta Mais baixa

3 3,00 120

4 3,46 90

7 4,58 51

12 6,00 30 Mais baixa Mais alta

A qualidade da transmisso e a capacidade de trfego operam em sentido opostos

Alm disso, quanto menor o conjunto de clulas, menor o custo do sistema. A determinao da relao d/r um compromisso entre esses fatores.

Componentes bsicos dos sistemas celulares

ERB Estao Rdio Base (Base station BS)

CCC Central de Comutao e Controle (Mobile Switching Center MSC, tambm chamada de Mobile Telephone Switching Office - MTSO)

EM Estaes mveis (Mobile Station MS)

RTPC - Rede Telefnica Pblica Comutada (Public Switched Telephone Network PSTN)

Estao Rdio Base

Prov canais de rdio entre as unidades mveis e a rede Pico-clulas (indoor, 0-0.5 Km) suportam de 8-20 canais Micro-clulas (outdoor, 0-1 Km) Macro-clulas (1-30 Km)

Central de comutao e controle

Central telefnica expandida para operar com software prprio de servio mvel celular

Uma CCC se liga a vrias ERBs por meio de linhas telefnicas e de dados privativos (fibras pticas, rdios digitais, enlaces de microondas, etc.)

Coordena atividades de todas as ERBs e conecta o sistema celular PSTN

Funes da CCC: Realiza conexes de chamadas entre unidades mveis Realiza conexes entre um usurio da rede fixa e um usurio mvel Atribui um canal de voz para cada chamada Controlar e comutar o handoff de chamadas Monitora informaes de cobrana

Como feita a chamada celular?

Como feita a chamada celular?

Handoff Funo que permite manter a continuidade de uma

conversao quando o usurio passa de uma clula para outra

O handoff est centralizado no CCC e pode causar uma interrupo na comunicao de at 0,5 s

Handoff

Transferncia do gerenciamento de uma unidade mvel de uma ERB para outra

Pode ser iniciada exclusivamente pela rede ou assistida pela unidade mvel

Principal parmetro utilizado: intensidade do sinal da unidade mvel para a ERB

Estratgias de Handoff

Estratgias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal

Unidade mvel transferida de ERB A para ERB B assim que a intensidade do sinal em B exceder a intensidade de A

Na figura, handoff ocorre em L1

Pode levar ao efeito ping-pong

Estratgias de Handoff

Estratgias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal com Limite

O handoff ocorre quando: 1. O sinal na ERB atual estiver abaixo de um limite E e 2. O sinal na ERB nova for maior

Se for definido um limite alto (Th1) comporta-se como

a estratgia anterior

Se for definido um limite baixo (Th3) resulta em comunicao de baixa qualidade e eventualmente queda de comunicao. Handoff em L4

Usando Th2, handoff ocorre em L2

Estratgias de Handoff

Estratgias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal com Margem

Ocorre somente caso o sinal da nova ERB for suficientemente maior (margem H)

Handoff ocorre em L3

Previne o efeito ping-pong

Estratgias de Handoff

Estratgias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal com Margem e Limite

Quando ocorre o handoff: 1. O sinal cai abaixo de um dado limite e 2. O sinal da ERB destino maior que o atual

acrescido de uma margem H

Handoff ocorre L3 caso o limite seja Th1 ou Th2 e em L4 caso o limite seja Th3

Estudo de caso: GSM (Global System for Mobile Communications)

Desenvolvido na Europa para contornar a incompatibilidade dos sistemas de 1a gerao

Equipamento mvel: transceiver, processador sinais digitais, SIM

SIM = Subscriber Identity Module Id do assinante Redes que ele pode acessar Chaves de criptografia Outras informaes do assinante

Arquitetura do Sistema GSM

Subsistema Estao Base (BSS) Consiste de uma estao de controle (Base Station

Controller BSC) e uma ou mais estaes transceiver (Base Transceiver Station BTS)

Cada BTS define uma clula. Raio: 100 m a 35 km

Funes BSC: Gerencia clusters de ERBs Realiza a atribuio de canais Gerencia handoff dentro da mesma BSS Controle de potncia

Mobile Switching Center (MSC) Home Location Register - HLR

Banco de dados especializado que contm informaes de cobrana, perfil de servio e localizao geral do usurio mvel

Informaes a respeito de cada usurio pertencente ao MSC Um por provedor de servio

Visitor Location Register - VLR Similar ao HLR, contm a localizao e os perfis de servio de usurios Informao temporrias de todos os usurios presentes na rea do MSC

Authentication Center - AuC Armazena chaves de criptografia de todos os usurios presentes na rea do

MSC Equipment Identity Register - EIR

Banco de dados que contm uma lista de todos os equipamentos vlidos na rede

Armazena IMEI (International Mobile Equipment Identity) de cada terminal mvel

Mantm uma lista branca (equipamento ok), negra (equipamento roubado) e cinza (equipamento com defeito) dos dispositivos em operao

Subsistema de Suporte a Operaes (OSS)

O centro de manuteno e operaes (Operations and Maintenance Center - OMC) a todos os equipamentos no sistema de comutao e s BSCs

Entidade funcional a partir da qual o operador da rede monitora e controla o sistema

Funes: Administrao e operao comercial (assinaturas, terminais finais,

cobrana e estatsticas) Gerenciamento da segurana Gerenciamento da configurao da rede, operao e desempenho Tarefas de manuteno

O Canal de Comunicaes Mveis Modelos

Tericos expresses fechadas Empricos medies de campo

Necessrios para clculo da rea de cobertura Modelo de alta complexidade

Infinitos parmetros para descrever um ambiente Transmisso em alta frequncia

60 MHz => 5 m 1800 MHz => 5 cm

Desvanecimento Atenuaes de at 40 dB Montanhas, tneis, espelho dgua, etc.

Interferncia co-canal e entre canais adjacentes

Frmula de Friis Transmisso em Espao-livre Densidade de potncia considerando uma casca

esfrica hipottica de raio d

Pr = Potncia recebida Pt = Potncia transmitida Gr = Ganho da antena receptora Gt = Ganho da antena transmissora = Comprimento de onda d = Distncia

2

4

=

dGG

PP

rtt

r

Perdas por propagao

Perdas

Em decibis (dB)

Perda no espao-livre

r

t

PPl =

tr PPL 1010 log10log10 +=

2

4

=

dGG

PP

rtt

r

98,21log20log20log10log10 ++= dGGL rt

Modelo de dois raios (Lee)

2

2

...

=

dhhGGPP rtrttr

Mtodo de Okumura

Modelo emprico baseando em medies de campo na cidade de Tquio (ht = 200 m e hr = 3 m)

Estimativa inicial para perdas de propagao em terrenos pouco acidentados (h= 20 m)

Fatores de correo: A(f, d) e Garea Perdas: )()(),(0 rtarea hGhGGdfALL +=

Mtodo de Okumura

Atenuao mdia: A(f, d)

Mtodo de Okumura

Fator de correo: Garea

Mtodo de Okumura

Correo (Alturas das antenas) Antena transmissora

Antena receptora

)200/log(20)( tt hhG = mhm t 100030

)3/log(10)( rr hhG = mhr 3