CDMA, 3G e Aplicações

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1 CDMA, 3G e Aplicações Luiz Gustavo Nogara (nogara@inf.puc-rio.br) 7 de novembro de 2004 Sumário 1 Introdução 2 2 História 3 3 O surgimento do CDMA Reuso de Frequência e Espalhamento Espectral Potência de transmissão Códigos Aumento da capacidade da rede Transmissão de dados por pacotes A terceira geração CDMA Evolução para uma rede CDMA Funcionamento de uma rede CDMA W-CDMA Evolução para uma rede W-CDMA Funcionamento de uma rede W-CDMA Comparação entre CDMA2000 e W-CDMA 17 6 Aplicações Áudio Imagem e Vídeo LBS Corporativas Conclusões 23 1

2 1 Introdução O telefone celular hoje permeia nossas vidas. No Brasil, o número de linhas celulares já ultrapassa o número de linhas fixas. É cada vez maior o número de pessoas que é tocada por essa tecnologia. O celular se tornou símbolo de status, um centro de entretenimento, uma ferramenta de trabalho. Ele até mesmo pode ser visto como uma maneira de inclusão no mundo da telefonia, já que às vezes é mais barato se comprar um telefone celular pré-pago do que uma linha fixa. Isso nos garante um mercado consumidor gigantesco. Além de o mercado como um todo crescer a cada dia, telefones antigos são trocados por novos com cada vez mais funcionalidades. Ele é trocado não por não mais funcionar, mas também por status, podendo esta indústria ser comparada à indústria automobiliística. Dessa forma, uma grande parcela dos telefones em funcionamento ganham, a cada ano, processadores melhores, telas coloridas e maiores, capacidade de rodar aplicações, câmeras fotográficas e de vídeo embutidas. O mercado para as operadoras celulares, desta forma, é promissor. Novos serviços podem ser oferecidos aos seus assinantes à medida que seus aparelhos suportem esses serviços. Oportunidades de negócio surgem também junto com esse mercado. Às empresas e universidades são criadas maneiras de inovação, já que os telefones se tornam aparelhos capazes de computar além de serem utilizados como simples aparelhos de comunicação. Novas áreas de pesquisa podem ser criadas, levando-se em conta que o celular está sempre junto com seu dono. O celular é um comunicador, uma maneira de a pessoa se conectar ao mundo. Para suportar a infinita capacidade humana de criar formas de entretenimento e comunicação, além de ter que suportar um número cada vez maior de usuários que utilizam os serviços, a tecnologia celular está em constante evolução. Junta-se a isso a limitação de faixa de freqüência imposta a cada operadora pelo governo de cada país. As primeiras redes suportavam poucos usuários simultâneos. Com a popularização dos serviços, em uma cidade podemos ter milhões de pessoas se comunicando simultaneamente. Mais, os requisitos para uma rede celular agora não passam só pela capacidade de usuários que falam simultaneamente, mas também pela capacidade de transmissão de dados. 2

3 Figura 1: O processo de handoff 2 História Para entendermos o futuro das tecnologias de transmissão para celulares, precisamos entender um pouco da história ligada a essas tecnologias. A tecnologia celular tem esse nome porque o sistema utiliza várias estações rádio-base (as ERBs), dividindo uma área de cobertura em várias células, para fornecer a infraestrutura de comunicação para os aparelhos. Ao se movimentar, um aparelho passa de uma célula para outra, sem que a comunicação seja interrompida, processo chamado de handoff. O conceito de células surgiu em 1947, mas não havia tecnologia suficiente para colocar em prática essa idéia. Embora o handoff seja importante em um sistema celular, não é apenas ele que define o sistema. Muitos sistemas de rádio comerciais já utilizavam nessa época o handoff. Entretanto, todos eles utilizavam a mesma frequência para uma comunicação quando um aparelho ia de uma célula para outra. Caso a frequência já estivesse sendo utilizada na célula destino, a chamada era desconectada. A grande novidade em um sistema celular é o reuso de frequência, fazendo com que um aparelho que estivesse em uma célula em uma dada frequência pudesse trocar de frequência ao passar para outra célula, fazendo um reuso de frequência. Essa é, portanto, a característica principal de um sistema celular. Nos Estados Unidos, assim como em vários países, há organismos regulatórios das transmissões de ondas eletromagnéticas. Portanto, em 1947 a AT&T propôs ao FCC (o órgao regulatório de telecomunicações dos EUA) a liberação de frequências de rádio para que fosse possível a criaćão de serviços de telefone via ondas de rádio. Nessa época uma faixa de frequência muito pequena foi destinada à pesquisa, diminuindo o interesse na mesma. Essa posição só foi reconsiderada em O Bell Labs propôs então um sistema celular composto de várias torres de transmissão, onde cada uma cobria uma célula de alguns quilômetros, utilizando algumas das frequências disponíveis. 3

4 Assim, o telefone que saísse de uma área para outra passaria de uma torre de transmissão para outra. A primeira demonstração pública de uma ligação feita de um telefone celular portátil foi em 1973, onde Martin Cooper, da Motorola, ligou para seu rival Joel Engel, pesquisador da Bell Labs. A Bell Systems lançou, em 1969, o primeiro sistema comercial que utiliza o reuso de frequência. Entretanto, os telefones estavam colocados no trem que fazia o trajeto New York - Washington DC e, por isso, não foi considerado como um sistema portátil. Entretanto, mesmo tendo um primeiro protótipo de rede celular em 1977, feito pela AT&T, após anos de negociações com o FCC, os Estados Unidos não foram os primeiros a terem um sistema comercial em funcionamento de uma rede celular com aparelhos portáteis. Em 1979, o primeiro sistema de telefonia celular foi lançado em Tóquio, baseado no AMPS (Advanced Mobile Phone Service) da AT&T. Um sistema comercial propriamente dito só foi iniciado em outubro de O grande motivo desse grande atraso no avanço da tecnologia móvel nos Estados Unidos foi o excesso de regulamentação que o FCC queria impor para que um monopólio na rede celular não fosse criado, como já era estabelecido pela AT&T na rede fixa. O celular foi lançado comercialmente na Europa em 1981, usando a faixa dos 450 MHz, na Dinamarca, Noruega, Suécia e Finlândia, e foi considerado o primeiro sistema celular multinacional. Embora nos países nórdicos a mesma tecnologia tenha sido usada para garantir o padrão de comunicações, o mesmo não pode ser dito em relação aos outros países. A Grã-Bretanha, a França, a Alemanha e a Itália criaram seus próprios sistemas, utilizando frequências diferentes, formando uma rede de telefonia celular analógica sem possibilidade de serem compatíveis. Enquanto isso, nos Estados Unidos, embora a tecnologia analógica seja passível de fraude e com pouca possibilidade de avanço no número de usuários simultâneos, a rede analógica continua a crescer, fazendo com que a compatilidade entre as várias redes fosse mantida. Para conseguir essa mesma compatibilidade, a Europa teve que se unir e criar um padrão novo, utilizando uma nova frequência. Assim, foi criado o GSM. O GSM (Groupe Speciale Mobile, depois renomeado para Global System for Mobile Communications) nasceu em 1982, como um grupo formado pelos europeus para a definição de um padrão de telefonia celular digital, utilizando a frequência de 900 MHz. O primeiro padrão foi publicado em 1990, juntamente com planos para a utilização da frequência de 1800 MHz, já que a Grã-Bretanha utilizava a frequência dos 900 MHz para sua própria tecnologia analógica. As primeiras redes comerciais utilizando GSM foram lançadas em Os Estados Unidos só conseguiram um padrão nacional de telefonia celular analógica no final dos anos 80, chamado de IS-41, padronizando os elementos da rede celular e os modos de interoperabilidade, fazendo com que 4

5 o sistema celular como um todo operasse como se fosse um só. Isso incluía desde fazer com que a chamada não caísse ao aparelho passar de uma rede para outra até dados dos assinantes serem transportados para onde o usuário precisasse. A era digital nos Estados Unidos começou em 1990, para aumentar a capacidade de rede, utilizando o TDMA (Time Division Multiple Access), criando o padrão IS-54. Como a rede analógica instalada era muito grande, o padrão foi criado de uma maneira que a tecnologia antiga era suportada, facilitando a migração dos usuários para a nova rede. Isso não era necessário no GSM, já que a criação do novo padrão na Europa pressupunha que a nova rede seria totalmente digital. O IS-54 aumentava em 3 vezes a capacidade de cada canal analógico. Isso quer dizer que em cada canal, 3 ligações poderiam ser utilizadas ao invés de uma. Isso também era possível através de um outro padrão, o chamado NAMPS (Narrowband Advanced Mobile Phone System), que era totalmente analógico, mas utilizava canais de 10 KHz ao invés de 30 Khz como o AMPS tradicional. Entretanto, por ser analógico, o NAMPS não oferecia suporte à autenticação, que foi inserido no IS-54 para a diminuição de fraudes, assim como não oferecia o suporte para outros serviços que são possíveis em uma rede digital, tais como identificação do chamador e mensagens de texto. Como a antiga rede analógica era suportada, o telefone que suportava as duas redes tinha como padrão o analógico, para que pudesse funcionar em qualquer rede. Nesse momento, o desenvolvimento da tecnologia celular ocorria em 3 áreas do mundo: a Escandinávia, os EUA e o Japão. A Europa utilizava o GSM, os Estados Unidos utilizavam um dual-mode de AMPS e TDMA, e o Japão tinha uma tecnologia própria, chamada de PDC (Personal Digital Cellular), baseada no TDMA. 5

6 3 O surgimento do CDMA No começo dos anos 90, nos EUA, a grande maioria das operadoras começou a utilizar o chamado IS-54, para aumentar a capacidade da rede e possibilitar outros serviços digitais. Entretanto, a utilização do TDMA como multiplexação de acesso à rede não garantia um crescimento muito grande. Como visto anteriormente, no IS-54 cada canal podia ser utilizado por 3 ligações ao invés de uma. Além disso, o padrão tem alguns problemas técnicos que impedem a utilização mais eficiente do espectro de frequência utilizado. Uma discussão bem mais detalhada de como funciona o CDMA é encontrado em [6]. O CDMA como método de multiplexação para sistemas celulares comerciais foi proposto pela Qualcomm em 1989 e se transformou em padrão em 1993, sob o nome de IS-95. Esse padrão é compatível com as redes analógicas existentes, como no IS-54, para facilitar a evolução das redes antigas para este padrão. 3.1 Reuso de Frequência e Espalhamento Espectral A idéia central de uma rede celular é o reuso de frequência disponível em células não adjacentes. Como o espectro de frequência disponível para uma operadora é uma grandeza limitada, a operadora que quer ter mais que alguns milhares de clientes se comunicando simultaneamente deve encontrar uma maneira de reutilizar os canais em lugares diferentes de sua rede. Dessa forma, não é possível fazer com que cada célula de sua rede use uma frequência diferente apenas. É necessário uma forma inteligente de associar canais a cada célula. Isso se deve ao fato de que células adjacentes não podem utilizar canais iguais, já que pode haver uma interferência entre as duas células. Utilizando o modelo de células hexagonais para facilitar, uma maneira de se atingir esse objetivo é dividir o número de canais disponíveis por 7 e utilizar um grupo diferente para cada uma das células, como mostrado na figura 2. Este modelo pode ser replicado várias vezes, pois cada conjunto de 7 células da figura 2 pode estar adjacente a outro sem que as células adjacentes estejam da mesma cor, ou seja, usem o mesmo conjunto de canais. Isso é mostrado na figura 3. Cada célula pode, portanto, usar um sétimo do número de canais disponíveis para a operadora sem risco de interferência entre as células. O CDMA utiliza uma tecnologia chamada espalhamento espectral, que é uma idéia usada em transmissões militares desde a década de 40. Uma transmissão feita dessa forma torna mais difícil tanto a interceptação quanto a interferência, pois utiliza uma faixa de frequência maior do que a necessária, em comparação com sinais transmitidos em uma faixa de frequência estreita. 6

7 Figura 2: As células com frequências diferentes Figura 3: Conjuntos de células replicados 7

8 Figura 4: Padrão de células no CDMA Ao invés de dividir um espectro de frequência em vários slots de tempo ou de frequência, cada usuário é associado a uma instância quase ortogonal de uma portadora de 1.25 MHz. Cada instância é gerada através de um pseudoruído gerado digitalmente, para que tanto o transmissor quanto o receptor sejam capazes de codificar e decodificar a mensagem através de componentes digitais. A portadora de 1.25 MHz foi escolhida por representar O uso da tecnologia de espalhamento espectral facilita a associação de frequências para cada célula, já que todos os usuários ocupam o mesmo espectro, e a interferência entre duas células adjacentes utilizando a mesma frequência não tem o mesmo efeito. A tecnologia já pressupõe que a transmissão dos outros usuários na mesma frequência se comporta como ruído. Assim, o aparelho do usuário deve ser capaz de encontrar a transmissão corrente através do código correspondente, em meio a todo ruído. A distribuição de frequências pode, então, ser feita como na figura Potência de transmissão Um grande problema que manteve o CDMA como uma tecnologia nãocomercial é a questão da potência de transmissão. Usuários podem estar perto ou longe da estação rádio-base. Se tanto os aparelhos quanto os aparelhos que estão longe da estação transmitirem com a mesma potência, duas coisas podem acontecer. A eficiência da utilização do espectro seria muito pequena, devido à necessidade de se ter uma largura de banda grande o suficente para comportar o usuário mais longe, ou então a largura de banda seria pequena demais para suportar usuários longe das estações rádio-base. A solução para esse problema surgiu com uma idéia muito simples. Os aparelhos transmitem com potência variável, de tal forma que a potência recebida pela estação rádio-base seja aproximadamente igual para todos os usuários. Assim, os usuários podem utilizar a mesma faixa de frequência sem que o sinal de usuários perto da estação rádio-base mascare a transmissão 8

9 dos usuários que estão longe. Uma vantagem que aparece com o fato desse controle ser feito é que o aparelho na verdade está conectado em mais de uma estação rádio-base. Dessa forma, o handoff de uma ligação de uma célula para outra é muito mais natural, ocorrendo o chamado soft handoff. O usuário, ao se movimentar, vai gradualmente passando de uma célula para outra, até que o sistema decide passar de vez a responsabilidade da chamada para a nova célula. 3.3 Códigos Uma analogia muito boa para entender o CDMA e a forma que os códigos funcionam como método de multiplexação da transmissão é uma sala onde pessoas falam diferentes línguas. Duas pessoas que falam a mesma língua se entendem, mesmo com várias pessoas falando línguas diferentes na mesma sala. É necessário, portanto, que o código para cada instância seja bem diferente dos outros, para que essa conversa não possa ser confundida com outras conversas ocorrendo simultaneamente, isto é, a correlação entre os códigos deve ser o mais próximo possível de 0. O código é independente do dado a ser transmitido, e é obtido através de um gerador pseudo-aleatório bem determinado. Isso é necessário para que o código não seja enviado juntamente com a mensagem, para dificultar a interceptação da mensagem. Além disso,esse código se repete de tempos em tempos. Cada estação rádiobase emite o mesmo código, com um deslocamento no eixo do tempo. Entretanto, para que essa geração pseudo-aleatória funcione e para que haja uma sincronização entre o transmissor e o receptor, é necessário que haja um sincronismo dos relógios de todo o sistema. Toda a rede é sincronizada através de receptores GPS (Global Positioning System) que ficam em todas as estações rádio-base. Dessa maneira, o receptor é capaz de receber a mensagem, descobrir qual dos sinais pode ser decodificado com o código corrente e transformar a informação recebida em voz novamente. 3.4 Aumento da capacidade da rede Através dos cálculos em [6] e [3], mostra-se que em um setor onde no AMPS há dois canais disponíveis, usando o CDMA consegue-se entre 16 e 64 usuários, com a mesma largura de banda. Além disso, o número de usuários possíveis não diminui depois de se aumentar o número de células, devido à ausência de interferência real entre células. Cálculos mostram que uma rede CDMA consegue ser de 8 a 10 vezes mais eficiente que o AMPS em número de usuários simultâneos em uma mesma faixa de frequência e de 3 a 4 vezes mais eficiente que o GSM. 9

10 Apeser disso, não são apenas esses fatores que tornam o CDMA uma tecnologia que permite um maior número de usuários por célula. Como a quantidade de energia transmitida deve ser minimizada, para não sobrecarregar a faixa de frequência, técnicas de codificação de voz são utilizadas. Uma grande parte de uma conversa entre duas pessoas é formada por silêncio. Além disso, a voz humana pode ser codificada de tal forma que o ouvido humano não perceba, mesmo após a perda de informação. É utilizado entao um vocoder de taxa variável em todos os telefones. A taxa máxima pode ser 9600 bps ou bps, dependendo da versão do padrão utilizado. Quando um usuário fala, o sistema utiliza a taxa máxima, por exemplo 9600 bps. Quando o usuário pára de falar, o vocoder automaticamente detecta a pausa e passa a transmitir a uma taxa de 1/8 da taxa máxima, ou seja, 1200 bps, para que sons ambiente possam ser transmitidos. Através dessa diminuição de dados a serem transmitidos, a capacidade da rede aumenta, pois mais usuários podem transmitir ao mesmo tempo. Além disso, a bateria do telefone pode ser economizada, pois o processador passa a trabalhar mais lentamente por haver menos informação a ser processada. 3.5 Transmissão de dados por pacotes Após a criação das redes celulares digitais, não demorou para que a transmissão de dados através da rede celular fosse idealizada, tanto para serviços básicos como mensagens até serviços multimídia. No campo do CDMA, surgiu em 1995 a primeira revisão do padrão, criando-se o IS-95A. Esse padrão permitia a transferência de dados utilizando chaveamento de circuitos. Embora a taxa de transmissão fosse limitada em 14.4 Kbps, o padrão foi utilizado na maioria das operadoras CDMA no mundo. Uma segunda revisão foi feita, criando-se o IS-95B. Esse padrão já permitia a transmissão de dados utilizando uma rede de pacotes, chegando a uma taxa de transmissão de 64 Kbps. Esse padrão já era considerado 2.5G, e foi utilizado em alguns países da Ásia. A evolução da tecnologia CDMA pela Qualcomm continuou, dando origem ao CDMA2000, que será mostrado mais tarde neste texto. 10

11 Figura 5: Padrões para 3G no IMT A terceira geração A terceira geração de redes celulares, mais conhecida como 3G, é um termo usado para descrever redes que suportem alta qualidade de voz e transmissão de dados de alta velocidade. A definição de 3G aceita no mundo todo é a publicada pelo ITU (International Telecommunication Union), órgão que define os padrões e requerimentos técnicos e regula o uso de espectro de frequência para sistemas 3G. O ITU publicou os requerimentos para redes 3G sob o nome de IMT Nesse documento, é especificado que as redes 3G deve ter uma eficiência no uso do espectro de frequência e na capacidade da rede maiores que as redes 2G, e que as taxas de transmissão de dados mínimas sejam 144kbps em aparelhos móveis e 2 Mbps em ambientes sem mobilidade. Em 1999, o ITU aprovou cinco padrões que atendem a esses requerimentos. Eles são mostrados na figura 5. Dois desses padrões são os mais conhecidos: o Multi Carrier CDMA, também conhecido como CDMA2000, da Qualcomm, e o DS-CDMA, também conhecido como W-CDMA (Wideband CDMA) ou UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), que serão analisados mais profundamente. Nota-se que todos os cinco padrões utilizam técnicas de espalhamento de frequência de uma maneira ou de outra. 4.1 CDMA2000 O CDMA2000 é a evolução do padrão IS-95 feita pela própria Qualcomm. Ele já possui duas implementações que funcionam comercialmente: o CDMA2000 1X e o CDMA2000 1X EV. Essa evolução foi fruto da demanda de aplicações multimídia nas operadoras que já utilizavam o IS-95, também conhecido como cdmaone. A nova tecnologia utiliza a transmissão de dados em uma rede de pacotes, ou seja, os aparelhos estão permanentemente conectados, bastando abrir uma sessão IP para conexão com servidores. O CDMA2000 1X duplica a capacidade de voz em uma mesma portadora de 1.25 Mhz devido a um novo vocoder lançado comercialmente em

12 Além disso, a tecnologia utiliza voz e dados na mesma portadora, para maior eficiência na utilização do espectro. A primeira implementação, chamada de fase 1, oferece picos de transmissão de kbps enquanto a fase 2 suporta picos de 307 kbps. Já o CDMA2000 1X EV possui duas implementações. A primeira, já comercial em vários países, chama-se CDMA2000 1X EV-DO (Data Only). A operadora que escolher implementar essa rede em sua faixa de frequência reserva portadoras de 1.25 Mhz para dados. Como a tecnologia é otimizada para a transmissão de dados, consegue-se picos de transmissão de 2.4 Mbps, ou uma média de 500 a 700 kbps por usuário. Caso o usuário saia da área de cobertura 1X EV-DO, o telefone automaticamente utiliza a rede 1X. O CDMA2000 1X EV-DV foi criado para ser o upgrade de redes CDMA2000 1X, fazendo com que voz e dados utilizem as mesmas portadoras e faz com que a transmissão de dados atinja picos de 3.09 Mbps. Há uma série de vantagens tanto para os consumidores quanto para as operadoras na utilização do CDMA2000. A primeira é que todas as tecnologias foram feitas levando-se em conta a compatibilidade com as redes antigas, sejam elas CDMA ou analógicas. Portanto, ao se fazer o upgrade de uma rede mais antiga para as novas tecnologias, pode-se escolher algumas portadoras para funcionar com a tecnologia antiga, enquanto outras para funcionar com a rede 1X ou 1X EV-DO. No limite, uma rede TDMA ou GSM pode utiizar parte do espectro de frequência para a utilização de serviços 1X, apesar de essa não ser uma alternativa muito usual. Toda essa preocupação com compatibilidade leva o consumidor que tem um telefone antigo não sentir quaisquer mudanças na rede e nos serviços. Caso ele obtenha um novo aparelho, o usuário apenas terá acesso a mais serviços. Outra vantagem é o custo de integração das novas tecnologias com a rede antiga. A operadora que decidir seguir o caminho do CDMA2000 pode alocar portadoras somente para tráfego de voz, algumas somente para tráfego de dados e até uma portadora para tráfego de controle. Entretanto, reservar um canal para tráfego de dados é uma maneira ineficiente de garantir a qualidade de transmissão, já que a natureza do tráfego de dados é muito diferente do tráfego de voz. Por isso, um dos pontos fortes tanto da rede 1X quanto da 1X EV-DV é poder utilizar a mesma portadora tanto para voz quanto para dados Evolução para uma rede CDMA2000 A evolução de uma rede 2G de diferentes padrões para uma rede CDMA2000 pode ser vista na figura 6. 12

13 Figura 6: Evolução de diferentes redes para o CDMA2000 Figura 7: Padrões para 3G no IMT Funcionamento de uma rede CDMA2000 O comportamente de uma rede CDMA2000 é explicado com detalhe em [1]. A figura 7 apresenta tanto a rede de voz (ANSI-41) quanto a rede de dados. Alguns elementos valem a pena ser explicados. Estação Móvel - MS O telefone do usuário, chamado de MS (Mobile Station) funciona como um cliente IP móvel. Ele interage com a rede para obter e manter uma conexão de rádio para comunicação de dados. Ao iniciar, o MS se registra no HLR (Home Location Register) para autenticá-lo, enviar a localização atual em relação à estação rádio-base mais próxima e enviar ao MSC-S (Serving Mobile Switching Center) informações sobre as suas capacidades de rede. Depois do registro no HLR, o telefone está apto a fazer chamadas de voz e dados, que podem ser tanto CSD (circuit-switched data) quanto PSD (packet-switched data), dependendo da capacidade do aparelho. A velocidade 13

14 máxima de CSD é de 19.2 Kbps. O mais interessante, no entanto, é o serviço de PSD, que na primeira revisão do padrão CDMA2000 1X chega a 144 Kbps. Para cada sessão de dados, é necessário criar uma sessão PPP (Point-to-Point Protocol) entre o MS e o PDSN (Packet Data Serving Node). O IP dessa sessão é associado ao MS pelo PDSN ou por um servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) através de um HA (Home Agent) Radio Access Network - RAN O RAN é a interface de rádio que o MS precisa para conectar-se a uma rede IP, no caso de uma transmissão de dados. Consiste das antenas ou estações rádio-base, de um BTS (Base Station Transceiver Subsystem), de um BSC (Base Station Controller) e de um PCF (Packet Control Function). O BTS controla a comunicação entre o telefone e a rede da operadora, comunicando quaisquer mudanças ao BSC. Já o BSC é responsável pelo roteamento de mensagens de dados entre as estações rádio-base e o MSC, além de coordenar os handoffs de uma célula para outra. Packet Control Function - PCF O PCF controla o tráfego de IP entre o MS e a rede de pacotes, representada pelo PDSN. Os canais necessários para a comunicação de dados são requisitados ao PCF. Ele também serve de gateway entre o MS e o PSDN, criando um buffer de pacotes caso o MS não possa obtê-los por algum motivo. Packet Data Serving Node/Foreign Agent - PDSN/FA O PSDN é o gateway entre a RAN e a rede pública de pacotes. Em uma rede móvel, ele pode ser configurado como o HA (Home Agent) ou o FA (Foreign Agent). Ele é responsável pela transmissão de informações entre o BSS e a rede IP, fazendo a transformação dessa informação de rádio para pacotes. Além disso, ele fornece o IP para o dispositivo móvel através de um servidor DHCP ou através de um servidor AAA (Authentication, Authorization, and Accounting, que autentica e autoriza usuários a acessar a rede, criando estatísticas de cobrança). A parte tanto de cobrança quanto de autenticação do usuário no uso da rede é responsabilidade do PDSN, o qual pode ou não repassar essa responsabilidade ao AAA. Há ainda o HA, que segue a implementação do padrão Mobile IP, melhor descrito em [5]. 4.2 W-CDMA O W-CDMA é a interface de rádio escolhida para o UMTS, utilizando espalhamento espectral em sequência direta em uma portadora de 5 MHz, como 14

15 Figura 8: Divisão da portadora de 5 MHz no W-CDMA na figura 8. Uma maior largura de banda consegue uma melhoria na quantidade de processamento necessário. O padrão suporta serviços de rede de alta velocidade tanto em redes PS (packet-switched) quanto CS (circuit-switched). Os picos de transmissão do W-CDMA são de 2 Mbps, através de uma codificação chamada QPSK. O RAN do W-CDMA foi renomeado para UTRAN, que consiste em RNCs (Radio Network Controller) e NodeBs (as estações rádio-base do UMTS). O W-CDMA foi criado como uma tecnologia evolutiva do GSM. Como as tecnologias básicas diferem muito, foi criada uma maneira de suportar as redes antigas GSM sem que haja degradação do serviço. O investimento a ser feito pode ser gradual, já que o máximo de reusabilidade dos elementos da rede foi concebido na criação do padrão. Entretanto, a evolução necessita de mais espectro de frequência, já que não pode haver uma superposição das duas tecnologias Evolução para uma rede W-CDMA Do ponto de vista dos grupos que defendem o W-CDMA, pdoemos ver o caminho evolutivo das tecnologias atuais para o UMTS na figura Funcionamento de uma rede W-CDMA Os elementos de uma rede W-CDMA em cima de uma rede 2.5G são mostrados na figura 10. O número de componentes, quando comparado com uma rede CDMA2000, é muito menor. Isso se deve ao fato de que o roaming de dados é facilitado por utilizar o mesmo suporte que o GPRS utiliza. A 15

16 Figura 9: Evolução de diferentes redes para o W-CDMA Figura 10: Elementos de uma rede W-CDMA complexidade de se ter HAs e FAs, por mais que seja útil em alguns casos, foi descartada. 16

17 Figura 11: Upgrade para uma rede CDMA Comparação entre CDMA2000 e W-CDMA A primeira coisa que deve ser levantada ao se comparar essas duas tecnologias de terceira geração é qeu a discussão não passa apenas pela superioridade técnica de uma ou de outra. Há uma grande rivalidade entre os que suportam o CDMA2000 e os que garantem que o melhor caminho é o W-CDMA. Por trás do primeiro está o CDG (CDMA Development Group), e a Qualcomm como principal desenvolvedora da tecnologia e detentora da grande maioria das patentes do CDMA2000, embora não seja a única que desenvolve o padrão. No segundo grupo estão os que suportam a tecnologia GSM, como a Nokia, a Siemens e a Ericsson, entre outros, que formam o 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Embora a Qualcomm seja um grande jogador no time do CDMA2000, a empresa possui cerca de 20% das patentes utilizadas no W-CDMA e é um grande fabricante de chips para essa tecnologia. Dessa forma, os pontos de vista são sempre contraditórios, tanto em relação à superioridade técnica quanto à forma de evolução das redes atuais. Por exemplo, em [2] e em [4], o caminho de evolução para operadoras GSM e TDMA é defendido como sendo o upgrade para o W-CDMA gradualmente, passando pelo GPRS e pelo EDGE. As razões são sempre o custo de investimento em novas máquinas, que é menor no W-CDMA, como mostrado na figura 10, assim como a alegação de que a oferta de serviços é muito parecida nas duas redes. Entretanto, em sites como o do CDG e da Qualcomm, o caminho evolutivo defendido é a utilização de carriers de 1.25 Mhz do espectro atual de qualquer operadora, seja ela GSM, TDMA ou cdmaone, para a utilização do CDMA2000 1X, como na figura

18 Figura 12: Comparação de utilização de espectro A superioridade técnica também é defendida pelos dois grupos. Enquanto na figura 12 retirada de [2] pode-se ver claramente uma visão clara da Siemens de que o W-CDMA é uma tecnologia mais eficiente em uso do espectro. Entretanto, a utilização da tecnologia na primeira operadora que lançou o serviço W-CDMA comercialmente, a NTT DoCoMo no Japão, não oferece argumentos práticos para essa defesa. Já o CDG defende a utilização de portadoras menores, sendo algumas utilizadas para dados, fornecendo capacidade para aplicativos multimídia que não seriam possíveis da mesma forma em uma rede W-CDMA onde os dados concorrem com as ligações de voz. Um aspecto que não é levado em consideração pelos partidários do W- CDMA é que esta tecnologia, para ser implementada como substituta de tecnologias como o GSM, é necessário um espectro maior, para que as portadoras de 5 MHz novas sejam colocadas. É muito difícil uma operadora poder dispor dessa quantidade de frequência para um upgrade sem impactar os usuários atuais. Dessa forma, em países onde a aquisição de novas faixas de frequência é complicada ou muito cara, a escolha pelo W-CDMA é impactada. Já no CDMA2000, por se utilizar portadoras menores, a faixa de frequência atual de uma operadora já serve para o upgrade, como é feita em quase todas as operadoras que utilizavam o cdmaone anteriormente. 18

19 6 Aplicações A discussão sobre qual a melhor tecnologia, que oferece melhor custo-benefício e que utiliza melhor o espectro de frequência da operadora continua em aberto. Entretanto, o fato de usuários clamarem por novos serviços, como dito na introdução, é real e sem discussões. A tecnologia, neste caso, tem o papel somente de prover aos desenvolvedores de aplicações uma rede através da qual podem ser transmitidos dados sem os quais elas não existiriam. A velocidade de acesso aos dados é certamente um fator muito importante na criação de uma aplicação que utilize a rede. Mas, sem um ambiente de execução que evolua no mesmo passo da evolução da rede, a utilização desta rede fica comprometida. Nesse ponto também é importante salientar a importância do aumento de memória e processamento de dispositivos móveis sem impactar muito o custo deste dispositivo nem impactar a duração da bateria. Junto com essas características, surgem outras capacidades no telefone. Recursos multimídia, como som estéreo, capacidade de processar vídeos e telas cada vez maiores auxiliam na criação de aplicações cada vez mais intrigantes. Algumas características únicas, como o fato de o aparelho estar sempre com o usuário e de receber mensagens a qualquer momento, e alguns recursos agregados, como capacidade de ser localizado com uma pequena margem de erro e a possibilidade de se ter uma câmera no aparelho, geram infinitas possibilidades de aplicações. Nas sessões seguintes, são apresentados alguns exemplos de aplicações comerciais ou aplicações cuja tecnologia necessária já está disponível comercialmente. 6.1 Áudio Aplicações que utilizem áudio em um PC não são novidade. Desde que foi popularizado o MP3 e as tecnologias de streaming de áudio, novas aplicações não cessaram de surgir. A adição de uma placa de som a um computador hoje é imprescindível, coisa não tão comum há 15 anos. Pode-se ver a inserção de capacidades avançadas de áudio em um dispositivo móvel como um retrocesso à época onde as placas de som começaram a se popularizar no PC. O primeiro avanço óbvio é a adição de som a aplicações, notadamente jogos. Apesar de essa possibilidade não ser a mais interessante dentre as descritas nessa sessão, o avanço é muito importante para aumento da jogabilidade e da facilidade na interface. Muitas vezes, o som faz parte do enredo de um jogo, fazendo com que o jogador sinta-se mais tenso em certas partes de um jogo, ou aumentando a espectativa de perder uma vida, caso ao ser atingido por um inimigo um som seja emitido e o aparelho vibre. 19

20 Um segundo exemplo de aplicação usando áudio é o próprio streaming de áudio, utilizado em rádios online. Um serviço comercial desse tipo está disponível na Coréia do Sul e no Japão, nas redes CDMA2000 existentes nas operadoras KTF e KDDI respectivamente. Atraves de uma aplicação, o usuário pode escolher uma das rádios online disponíveis e começar a ouví-las imediatamente. Uma segunda aplicação nessa linha é a compra de músicas através de canais online, em um serviço parecido com o itunes da Apple. Ambas as aplicações transformam o telefone em um centro de entretenimento que está sempre com o usuário. Sendo a voz a forma mais fácil de se passar a emoção humana, uma aplicação possível é a de mensagens de voz, assim como são feitas as mensagens de texto. Através da gravação de voz no aparelho é possível criar um arquivo de som compactado, utilizando alguns dos algoritmos já existentes no aparelho, e enviar através da rede de dados celular para um outro aparelho. Um avanço pode ser feito nessa área na forma do envio da mensagem. Um serviço já existente em algumas operadoras na Europa e na Ásia cria, a partir desse arquivo de som, a movimentação da boca de um personagem previamente escolhido. Assim, ao receber a mensagem de outra pessoa, o usuário vê uma imagem de um personagem, digamos um hamster, transmitindo a mensagem através de movimentos bucais criados pelo próprio telefone. Isso se deve a um avanço dos processadores dos telefones, que são capazes de executar algoritmos de reconhecimento de voz. Já no campo de reconhecimento de voz, há um serviço nos EUA que utiliza a voz do usuário para auxiliar na procura em listas telefonicas. O usuário aperta um botão, diz algumas palavras no microfone do aparelho, e o telefone juntamente com um servidor se encarregam de trazer informações da lista telefônica relacionadas com aquelas palavras. A utilização de voz como forma de entrada de dados está caminhando depressa para virar uma realidade nos dispositivos móveis. Muito discutido ultimamente, o voice-over-ip, também conhecido como VoIP, pode ser implementado utilizando a rede de dados da operadora. Apesar de todas as ligações já serem feitas através de dados nas redes digitais, a possibilidade de se utilizar VoIP é uma vantagem a mais para o usuário. Através disso, pode ser possível o usuário ter um número único tanto no celular quanto em casa. Assim, ele poderia utilizar o computador em casa para fazer e receber ligações quando estivesse lá, e poderia usar seu telefone para fazer e receber as mesmas ligações quando estivesse na rua ou em uma viagem. Há uma série de desdobramentos relacionados a essa tecnologia do ponto de vista tanto do usuário quanto das operadoras, passando até por uma discussão de regulamentação por parte do governo, que não serão discutidas aqui. Entretanto, é clara a possibilidade de se criar serviços de voz que 20

21 não podiam ser imaginadas com as redes comutadas por circuito anteriores. 6.2 Imagem e Vídeo Uma extensão para a comunicação humana muito antecipada é a vídeoconferência. Através de redes digitais celulares de alta velocidade, e de telefones com câmeras de vídeo embutidas, é possível manter uma comunicação usando áudio e vídeo em tempo real. Esse serviço já está disponível na Ásia e dentro em breve estará disponível nas Américas. Pode-se levar o conceito de envio de mensagens um pouco adiante. Já é possível com a tecnologia de hoje o envio de mensagens de áudio e vídeo, ao invés de áudio somente. Esse serviço já foi lançado em vários países que utilizam redes CDMA. Usando as câmeras embutidas na maioria dos aparelhos high end do mercado, pode-se criar várias aplicações. Uma delas é o fotolog, serviço que virou mania na internet, e que se torna muito mais natural ao se utilizar a tecnologia celular devido ao aparelho estar sempre com o usuário. O envio de fotos pode ser feito através da rede de dados, e a foto estará disponível no fotolog no momento em que o usuário fizer a submissão. Além disso, o envio de foto-mensagens já é uma realidade, podendo-se realizar algumas melhorias no serviço, adicionando figuras às fotos, fazendo algumas modificações na própria, tudo dentro do próprio aparelho. Finalmente, uma última aplicação possível e já lançada em vários países, é a TV digital no aparelho celular. Muitas possibilidades são criadas no advento de um serviço como esse. A participação dos telespectadores fica mais simples, já que o usuário está em um aparelho essencialmente feito para a comunicação. Além disso, a TV pode ficar um pouco mais interativa, com o usuário podendo escolher qual a sua programação e em que momento assistir. 6.3 LBS Vários telefones já saem de fábrica hoje com capacidades de se localizar através de GPS ou de triangulação feita pela rede celular. Isso cria algumas possibilidades de aplicação, os chamados LBS (Location Based Services). Uma delas, já disponível, é a ajuda na navegação em ruas de uma cidade. Apesar de isto já estar disponível em handhelds, a convergência de aparelhos é uma vantagem a mais para o usuário. Ele apenas precisa de um aparelho. Seguindo a linha de mensagens, pode ser criado o serviço de localização de pessoas. No momento disponível em vários países da Ásia e das Américas, o serviço funciona como uma mensagem, onde o usuário pergunta, através de um aplicativo, onde a pessoa está. Caso essa pessoa esteja autorizada a localizar o outro usuário, a latitude e a longitude dele são informadas à pessoa 21

22 requisitou. Através de um servidor de mapas, pode-se mostrar o mapa da região próxima. A possibilidade de entretenimento não foi esquecida nessa tecnologia. Um jogo em andamento no Japão utiliza de maneira interessante a localização dos usuários. Através de um jogo colaborativo, pessoas em seus computadores, em casa, se comunicam com usuários conectados ao jogo em seus telefones. O jogo funciona através da coleta de objetos que são dispostos em toda cidade. Esses objetos só podem ser obtidos pelos usuários de dispositivos móveis com capacidade de localização. Ao se chegar em um lugar onde o objeto está, o usuário o insere em sua lista de objetos, e pode trocá-los com outros usuários, estejam eles no jogo através do telefone ou do PC. Além disso, os usuários no PC podem auxiliar os usuários móveis, avisando onde se encontram os objetos. Alguns objetos só aparecem em alguns lugares em certas horas do dia, outros apenas à noite. Cria-se então uma comunidade, que utiliza a rede de dados da operadora e a capacidade de localização apenas como um meio para o entretenimento dessa comunidade. 6.4 Corporativas O primeiro avanço em aplicações corporativas é o acesso móvel à internet a partir de notebooks e PDAs. Através da rede celular, com as novas redes sendo instaladas, é possível conectar-se à internet de qualquer ponto onde haja cobertura. Normalmente, a cobertura da rede celular é muito maior que a cobertura de tecnologias como o WiFi, e para usuários realmente móveis pode ser uma melhor opção. Além disso, através de uma conexão always on, novas aplicações podem ser consideradas. Outra funcionalidade muito utilizada por algumas empresas, para reduzir os custos de chamadas entre aparelhos da mesma empresa é a função de walkie-talkie, conhecida como PTT (push-to-talk), que é oferecida por algumas operadoras. Uma aplicação que use a rede de dados como descrito nas aplicações de áudio pode ser criada, realizando a mesma função. Esse serviço já está disponível, com algumas idéias a mais, como a adição de mais de uma pessoa na conversa e notificação de presença de pessoas em uma sala de chat. 22

23 7 Conclusões O avanço das tecnologias celulares acontece de forma rápida. Da primeira rede celular comercial em 1969 até hoje passou um pouco mais de 30 anos. A tecnologia passou de analógica para digital, com velocidades de transmissão de dados crescendo exponencialmente (9.6 Kbps em 1990 e 2.4 Mbps hoje em dia). O CDMA é o método de multiplexação escolhido pelas duas grandes frentes de desenvolvimento da tecnologia celular hoje. Desde sua concepção, passando pela sua aceitação como padrão de telefonia celular digital, até a profusão de redes pelo mundo a usando, a tecnologia CDMA passou por várias etapas. Em 20 anos, a tecnologia saiu de um esetado onde ninguém acreditava que ela seria viável comercialmente para ser a escolha certa de todas as operadoras que decidam migrar para a terceira geração, seja usando CDMA2000 ou W-CDMA. Como visto no texto, a pergunta sobre qual das duas escolhas é a melhor está em aberto, e talvez nunca seja respondida. Notadamente, o aumento de largura de banda disponível beneficiou aplicações diversas. No texto foram mostradas inúmeras possibilidades que foram criadas com o advento do 3G, sendo muitas já disponíveis comercialmente. Há ainda um mercado em aberto para inovações, usando a tecnologia inserida nos telefones celulares. Além disso, juntamente com o aumento de capacidades multimídia nos aparelhos, o centro de entretenimento pessoal e uma ferramenta de produtividade em um só aparelho é um sonho possível. 23

24 Referências [1] Cdma network technologies: A decade of advances and challenges. White paper from Tektronix. [2] Comparison of w-cdma and cdma White paper from Siemens. [3] Implementing cdma technology. [4] Operator options for 3g evolution. Northstream technical report. [5] C. Perkins and A. Myles. Mobile ip. technical report. [6] Arthur H.M. Ross. Welcome to the world of cdma. CDMA Technology Resources. 24