PRINCIPAIS MERCADOS DE CELULARES

Transcrição

1 SISTEMAS CELULARES

2 SISTEMAS CELULARES

3 PRINCIPAIS MERCADOS DE CELULARES

4 PRINCIPAIS OPERADORAS

5 ESTATÍSTICA DE CELULARES NO BRASIL

6 BRASIL EVOLUÇÃO EM UM ANO

7 BRASIL CELULARES POR TECNOLOGIA

8 LTE LONG TERM EVOLUTION

9 COMUNICAÇÕES MÓVEIS Mauro S. Assis Junho, 2012

10 Parte 1 CONCEITOS BÁSICOS

11 CONCEITOS BÁSICOS 1. INTRODUÇÃO 2. FUNDAMENTOS DE TELEFONIA MÓVEL CELULAR 2.1 Estrutura do Sistema Celular 2.2 Reuso de Frequência 2.3 Interferências 2.4 Mobilidade 2.5 Tráfego 2.6 Técnicas de Múltiplo Acesso 3. PROPAGAÇÃO 4. ANTENAS

12 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

13 1. INTRODUÇÃO A história das comunicações através de ondas de rádio possui 3 (três) marcos fundamentais. O primeiro se refere ao trabalho desenvolvido por Maxwell sintetizando em 4 (quatro) equações as leis fundamentais do eletromagnetismo e demonstrando a identidade entre luz e onda eletromagnética. Este trabalho culminou com a publicação em 1873 de um tratado sobre eletromagnetismo intitulado A Treatise on Electricity and Magnetism. O segundo marco foi a comprovação experimental realizada por Hertz em 1888 da teoria estabelecida anteriormente por Maxwell. Finalmente, o terceiro marco é representado pela série de experiências realizadas por Marconi entre o final do século XIX e o início do século XX mostrando a viabilidade prática de utilização das ondas eletromagnéticas em comunicações a longa distância.

14 1. INTRODUÇÃO Relativamente às comunicações móveis, o marco inicial, amplamente referenciado na literatura técnica, corresponde ao sistema implantado em 1921, no Departamento de Polícia de Detroit (USA), utilizando modulação em amplitude e operando na freqüência de 2 MHz. Tratavase de um sistema unidirecional que permitia o envio de mensagens para as viaturas do Departamento e cujo retorno obrigava o uso da rede de telefonia fixa, ou seja, um precursor do serviço de busca (paging). A partir deste primeiro serviço móvel, o século XX presenciou uma evolução crescente (lenta nas primeiras décadas) das comunicações móveis. Evolução esta marcada por uma série de eventos, alguns dos quais são citados a seguir em ordem cronológica no período que antecedeu a implantação da telefonia móvel celular.

15 1. INTRODUÇÃO desenvolvimento do receptor superheterodino; invenção da modulação em freqüência; primeiro serviço móvel manual de telefonia pública nos Estados Unidos (150 MHz), conseqüência direta do desenvolvimento tecnológico realizado durante a 2ª Guerra Mundial; serviço móvel para auto-estrada (35 MHz); serviço móvel manual em 450 MHz serviço automático em 150 MHz denominado IMTS (Improved Mobile Telephone System); serviço automático (IMTS) em 450 MHz; atribuição pela FCC (Federal Communication Commission) nos Estados Unidos da faixa de 800 MHz para telefonia móvel celular.

16 1. INTRODUÇÃO A estrutura celular foi concebida nos Laboratórios Bell (Bell Labs - USA) em Entretanto, somente após a decisão da FCC de atribuir uma faixa de freqüências em 800 MHz para a telefonia celular foi possível iniciar testes de campo visando a implantação do novo serviço. Neste contexto, foi instalado em 1978, na cidade de Chicago (USA), um sistema experimental com base no padrão analógico AMPS (Advanced Mobile Phone System) desenvolvido nos Laboratórios Bell. No entanto, por problemas de regulamentação, este sistema começou a operar comercialmente 5 (cinco) anos mais tarde, em Neste período a telefonia celular foi introduzida em diversos outros países, com padrões também analógicos que tiveram o AMPS por referência. Na implementação dos sistemas analógicos foi observada a seguinte cronologia:

17 1. INTRODUÇÃO instalado em Tóquio (Japão) o primeiro sistema celular; inicio da operação de um sistema celular integrando os países nórdicos (Dinamarca, Suécia, Noruega e Finlândia); implementação do sistema TACS (Total Access Communication System) no Reino Unido. Ainda na década de 80 foram iniciados estudos nos Estados Unidos, Europa e Japão visando desenvolver sistemas que operassem com tecnologia digital e atendessem a critérios de melhor qualidade, maior capacidade e robustez quanto a interferências. Tais sistemas foram concluídos e implementados já na década de 90, resultando nos atuais padrões digitais que vieram constituir a 2ª geração da telefonia celular (2G): IS padrão digital americano com técnica de acesso TDMA; IS-95 - padrão digital americano com técnica de acesso CDMA; GSM - padrão digital europeu com técnica de acesso TDMA; PDC - padrão digital japonês com técnica de acesso TDMA.

18 CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DE TELEFONIA MÓVEL CELULAR

19 2.1 Estrutura de um sistema celular Genericamente, um sistema celular é constituído por 3 (três) elementos básicos: Centro de Comutação e Controle (CCC); Estação Rádio Base (ERB); e Terminal ou Estação Móvel (EM). O CCC provê a conexão com a rede de telefonia fixa (RTPC Rede de Telefonia Pública Comutada), sendo também o elemento responsável pelo controle, comutação, tarifação e conexão das chamadas e pela supervisão das ERBs. A ERB constitui a interface entre o terminal móvel e o CCC, tendo a responsabilidade de garantir a cobertura da célula, na qual os terminais móveis podem ocupar aleatoriamente qualquer posição. Na extremidade desta estrutura, o terminal móvel é o elemento que possibilita ao usuário acessar determinado serviço oferecido pela rede (voz ou dados). Os sistemas celulares têm na célula sua unidade de referência. Em função de sua dimensão, a célula pode receber designações distintas, como, por exemplo; a) Macrocélula - com raios de cobertura entre 3 e 20 km, típicas de áreas suburbanas e rurais; b) Célula - com raios de cobertura entre 1 e 3 km, típicas de áreas urbanas; c) Microcélulas - com raios de cobertura entre 100 e 1000 metros, típicas de áreas urbanas densas (alto tráfego); d) Picocélulas - ambientes interiores, com raios de coberturas entre 10 e 100 metros.

20 2.1 Estrutura de um sistema celular CCC ERB EM CCC RTPC CCC EM - ESTAÇÃO MÓVEL ERB - ESTAÇÃO RADIO BASE CCC - CENTRO DE COMUTAÇÃO E CONTROLE RTPC - REDE DE TELEFONIA PÚBLICA COMUTADA

21 2.2 Reuso de freqüência O reuso de freqüência constitui uma das mais importantes características dos sistemas celulares, uma vez que possibilita o emprego otimizado do espectro de freqüências. Através desta técnica, usuários separados por uma distância mínima, denominada distância de reuso, podem utilizar uma mesma freqüência. Considerando uma área de serviço constituída por um determinado número de conjuntos (clusters) de células, o reuso de freqüências consiste na distribuição integral do espectro disponível em cada um destes conjuntos. A separação entre células que utilizam as mesmas freqüências corresponde à distância de reuso. Por outro lado, o fator de reuso é definido pela quantidade N de células que formam o conjunto. A figura a seguir mostra uma configuração estruturada com conjuntos de 7 células, ou seja, com um fator de reuso N = 7.

22 2.2 Reuso de freqüência (N = 7) Reuso de Frequencias Conj unto G F B A E C D G F B A E C D

23 2.2 Reuso de freqüência Com base na geometria hexagonal usualmente empregada na representação gráfica de um sistema celular, os valores permitidos de N são definidos pela equação, N = i 2 + ij + j 2 onde i e j são inteiros positivos (incluindo o zero). A partir desta equação, tem-se fatores de reuso iguais a 3 (i = 1 ; j = 1), 4 (i = 2 ; j = 0), 7 (i = 2 ; j = 1), 9 (i = 3 ; j = 0), 12 (i =2 ; j = 2) e assim sucessivamente. Ainda de acordo com a configuração hexagonal, verifica-se a existência da seguinte relação entre distância de reuso ( D ), raio da célula ( R ) e fator de reuso ( N ), D R 3N O reuso é aplicável aos sistemas que empregam técnica de acesso FDMA e FDMA/TDMA. Nos sistemas com acesso FDMA/CDMA opera-se com reuso total (fator de reuso 1), correspondente a i = 1 e j = 0. Nos sistemas FDMA/TDMA o fator de reuso 1 constitui um caso limite, inviável de ser atingido em termos práticos.

24 2.2 Reuso de freqüência (N = 4) C B C B A D A D C3 B3 C3 B3 C1 C2 B1 B2 C1 C2 B1 B2 A3 D3 A3 D3 A1 A2 D1 D2 A1 A2 D1 D2 OM NIDIRECIONAL SETORIZADO

25 2.2 Reuso de freqüência Conjunto de células

26 2.2 Reuso de freqüência Distância de reuso

27 2.2 Reuso de freqüência Divisão de células

28 2.2 Reuso de freqüência Exemplo de cobertura de uma região

29 2.3 Interferências Interferência co-canal Interferência de canal adjacente

30 2.3 Interferências Interferência co-canal

31 2.3 Interferências Interferência co-canal O fator de reuso adequado para cada padrão é determinado em função da relação portadora-interferência mínima aceitável. Por exemplo, o padrão GSM opera com um valor mínimo [C/I] de 12 db, enquanto os padrões AMPS e D-AMPS (IS-136) necessitam de um [C/I] mínimo de 17 db. No caso de células omnidirecionais e considerando apenas o primeiro anel interferente, a relação C/I é dada por C/I = 10log{[1/6][D/R] } onde é o fator de variação da atenuação de propagação com a distância. Supondo = 4 (terra plana), é fácil verificar através que os fatores de reuso adequados para os padrões GSM e IS-136 são, respectivamente, 4 e 7. No caso de células com 3 setores, a expressão equivalente é dada por, C/I = 10log{[1/2][D/R] }

32 2.3 Interferências Inclinação do diagrama de radiação para evitar interferência co-canal a longa distância

33 2.3 Interferências Interferência de canal adjacente

34 2.4 Mobilidade No que se refere à mobilidade da estrutura celular dois processos devem ser destacados: handover (ou handoff ) e roaming. O processo de handover corresponde à passagem de um usuário de uma célula a outra em uma mesma área de serviço. O processo de roaming é a operação do usuário em uma área de serviço diferente daquela para a qual foi habilitado. As figuras a seguir ilustram tais processos.

35 2.4 Mobilidade Handover f1 f2 f4 f3 UNIDADE MÓVEL EM DESLOCAMENTO

36 "ROAMING" 2.4 Mobilidade Roaming AREA DE CONTROLE 1 CCC1 RTPC AREA DE CONTROLE 2 CCC2 RTPC CCC - CENTRO DE COMUTAÇÃO E CONTROLE RTPC - REDE DE TELEFONIA PÚBLICA COMUTADA

37 2.5 Tráfego A teoria de Erlang permite estabelecer um relacionamento entre tráfego na célula, número de canais (N c ) necessário para atender este tráfego e grau de serviço do sistema. O tráfego corresponde ao número de ligações realizadas na hora de maior movimento (HMM) multiplicado pela duração média destas ligações No.de chamadas na HMM x Duraçãomédia das chamadas em segundos Tráfego 3600

38 2.5 Tráfego E( A, N) A N c / Nc i 0 A N i c! / i! onde E(A,N c ) é a probabilidade de perda, sendo A o tráfego em Erlangs e N c o número de canais disponíveis. O tráfego é medido em uma unidade denominada Erlang, a qual será abreviada por Erl. O grau de serviço (probabilidade de perda em termos percentuais) é definido pela percentagem de ligações perdidas durante a HMM. Nos cálculos práticos, admite-se usualmente um grau de serviço entre 1 e 2%, ou seja, em cada 100 (cem), uma a duas chamadas são perdidas. A fórmula utilizada em telefonia celular é denominada Erlang B ou de 1 ª Espécie que supõe: Acesso pleno; Chamadas aleatórias; Sem fila de espera. Para uso prático, dispõe-se de tabelas que permitem a determinação da variável desejada a partir do conhecimento das outras duas.

39 2.5 Tráfego Fórmula Erlang B

40 2.6 Técnicas de Múltiplo Acesso Os usuários de um sistema móvel podem acessar a ERB através de 3 (três) técnicas distintas: a) Acesso múltiplo por divisão em freqüência (FDMA Frequency Division Multiple Access); b) Acesso múltiplo por divisão no tempo ( TDMA Time Division Multiple Access); c) Acesso múltiplo por divisão em código (CDMA Code Division Multiple Access). A técnica FDMA, primeira técnica utilizada nos sistemas móveis, divide o espectro disponível em um determinado número de canais, sendo cada canal ocupado por um único usuário durante o tempo da chamada. A atribuição de canais é feita de acordo com a demanda dos usuários que solicitam o serviço. Nos sistemas móveis com acesso FDMA, via de regra a cada canal são atribuídas duas freqüências ou portadoras, a mais alta para o enlace direto (ERB EM) e outra para o enlace reverso (EM ERB). A separação entre as freqüências do enlace direto e as freqüências do enlace reverso é chamada duplexação por divisão de freqüência (FDD Frequency Divison Duplex), permitindo comunicação simultânea nos dois sentidos (full duplex).

41 CANAL 4 CANAL 4 CANAL 1 CANAL 2 CANAL 3 CANAL N CANAL 1 CANAL 2 CANAL 3 CANAL N 2.6 Técnicas de Múltiplo Acesso FDMA / FDD TEMPO FREQÜÊNCIA Separação FDD

42 2.6 Técnicas de Múltiplo Acesso TDMA é a técnica de acesso que permite o compartilhamento de um mesmo canal para diferentes usuários. Nesta técnica, cada usuário transmite a informação em um espaço de tempo específico denominado janela (slot). Os sistemas atuais de segunda geração utilizam uma técnica combinada com separação FDMA entre canais e TDMA entre os usuários. Como no caso anterior, adota-se normalmente a separação FDD entre os enlaces direto e reverso. CDMA é a técnica na qual todos os usuários compartilham o mesmo canal e somente são reconhecidos pelo sistema pela atribuição de uma seqüência de código individual. Este código permite que a informação seja espalhada de tal forma que o sinal resultante se confunde com ruído, sendo possível sua recuperação somente para o receptor que dispõe do código utilizado na transmissão. Esta técnica também é usualmente implementada com FDD entre os enlaces direto e reverso.

43 2.6 Técnicas de Múltiplo Acesso TDMA / FDMA / FDD TEMPO slot 2 slot 1 slot 3 slot 2 slot 1 FREQÜÊNCIA Separação FDD

44 2.6 Técnicas de Múltiplo Acesso CDMA / FDMA / FDD USUARIOS usuário 4 usuário 3 usuário 2 usuário 1 usuário 4 usuário 3 usuário 2 usuário 1 FREQÜÊNCIA TEMPO Separação FDD