Estrutura da rede celular: Um meio de acesso a Web

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1 Estrutura da rede celular: Um meio de acesso a Web Getúlio Spalding Alves 1, Willingthon Pavan 1, José Maurício Fernandes 2 1 Instituto de Ciências Exatas e Geociências Universidade de Passo Fundo 2 Embrapa Trigo Passo Fundo - RS Brasil Abstract. This article looks for to show the functionalities of the cellular net. He/she describes the parts of a typical cellular net and their possible events and control as well as the different technologies used by the operators of cellular telephony. Resumo. Este artigo busca mostrar as funcionalidades da rede celular. Descreve as partes de uma rede celular típica e seus possíveis eventos e controle bem como as diferentes tecnologias utilizadas pelos operadores de telefonia celular. Introdução A nova tendência na tecnologia é fornecer aos usuários a capacidade de acessar a Internet de um dispositivo que caiba no bolso, como o telefone celular. A Internet, devido ao fato de estar difundida e ser de fácil acesso a partir de qualquer lugar do mundo, pode permitir aos usuários trabalharem e acessarem documentos em qualquer situação em que se encontrem. Para utilizar a Internet móvel hoje, as opções dependem principalmente da região do usuário. Muitos analistas concordam que se trata mais de publicidade do que de um verdadeiro serviço de Internet sem fio. Este artigo descreve o funcionamento da telefonia celular, devido a crescente necessidade de transmissão de dados em novas aplicações que envolvem a Internet, também pela demanda de transmissões de voz, dados e imagens que constituem os chamados serviços de valor agregado. (Wireless) Comunicação Sem Fio Na década de 1920, havia uma tecnologia sem fio por toda parte, o rádio. O rádio esta no coração da comunicação sem fio. A transmissão digital tem conseguido obter maior proveito da capacidade das antigas faixas de ondas, enquanto novas tecnologias criam novas bandas. A primeira rede celular foi ativada em Chicago em 13 de outubro de 1983, o telefone móvel foi desenvolvido para libertar o telefone do par de fios que o prende à rede de cabos. O maior desafio da telefonia móvel celular na atualidade é o uso bem eficiente do espectro de freqüências. O problema deixou de ser à distância, e se tornou mais uma questão de desenvolvimento, padronização e o planejamento das redes nacionais. (Dornan, 2001).

2 Primeira geração (1G) Os sistemas de primeira geração são analógicos, ou seja, enviam informações como uma forma de onda continuamente variável. Podem ser utilizados apenas para a voz e proporcionam chamadas de qualidade extremamente variável por causa das interferências. Dentro dessa tecnologia, há quatro grandes famílias de sistemas celulares no mundo, caracterizados pelas faixas de freqüências e características funcionais, a saber; AMPS (Advanced Mobile Phone System); TACS (Total Access Communication System); NMT 900 (Nordic Mobile Telecommunications); NIT (Nippon Telephone and Telegraph) (Dornan, 2001). Segunda geração (2G) Os sistemas de segunda geração convertem toda a fala em código digital, o que resulta em um sinal mais nítido que pode ser criptografado visando à segurança. Têm capacidade de transmitir dados, mas normalmente em velocidades inferiores a 10Kbps. Há quatro sistemas digitais de uso mundial, utilizando duas tecnologias distintas de acesso múltiplo. O GSM (Global System for Mobile Communications), D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System), PDC (Personal Digital Cellular), IS-95 conhecido como CDMA (Code Division Multiple Access) especificada no IS-95 da TIA. O D-AMPS é usado exclusivamente nas Américas, O PDC é usado no Japão, o GSM usado na Europa, Ásia, Oceania e África e o CDMA usado nos EEUU, Coréia do Sul, Hong Kong (Dornan, 2001). Global System for Mobile Comunications (GSM) O sistema pode operar em três faixas: 900 MHz ( MHz),1800 MHz (l7lol880mhz) e 1900MHz ( MHz). O GSM, quando opera nestas duas últimas faixas, é conhecido como DCS 1800 e PCS 1900 respectivamente (Dornan, 2001). É um sistema TDMA/FDMA/FDD, isto é um sistema que usa simultaneamente o múltiplo acesso (MA) por divisão de freqüência da portadora (FDMA), o múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA) de cada portadora e usa faixa de freqüências para cada sentido de transmissão (FDD = Frequency Division Duplex). O sistema utiliza um espectro de 25 MHz, com 125 portadoras separadas por 200 khz cada sentido de transmissão. Cada portadora subdivide-se em oito intervalos de tempo, que proporcionam um total de 1000 canais em cada sentido de transmissão (Ferrari, 2001). Digital Advanced Mobile Phone System (D-AMPS) Os trabalhos de desenvolvimento do padrão digital norte-americano foram conduzidos pelo Telecommunications Industries Association (TIA) que emite os Interim Standards (IS). Os sistemas D-AMPS instalados nos EE.UU. seguem a IS-54. Desde então o sistema evoluiu muito e um novo IS-136 incorporou funcionalidade avançadas e maior capacidade ao sistema, aproximando-se das facilidades do GSM que inspirou a IS-136. Em termos de funcionalidade, o D-AMPS IS-136 proporciona uma plataforma de serviços muito próxima daquela do GSM (Ferrari, 2001).

3 Personal Digital Cellular (PDC): O desenvolvimento do PDC foi coordenado dentro da Associ; of Radio Industries and Businesses (ARIB), instituição no Japão semelhante a TIA nos EE. UU. É um sistema TDMA/FDMA/FDD, isto é, um sistema que usa simultaneamente o múltiplo acesso (MA) por divisão de freqüência das portadoras (FDMA), o múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA) de cada portadora e usa uma faixa de freqüências para cada sentido de transmissão (FDD) = (Frequency Division Duplex) (Ferrari, 2001). Code Division Multiple Access (CDMA) O padrão CDMA (Code Division Multiple Access) envia todos os sinais de uma só vez, mas codifica cada um deles de maneira diferente, de forma que não possam ser separados pelos receptores. Conforme Dornan (2001), o CDMA constitui um desenvolvimento da tecnologia Spread Spectrum (espalhamento espectral), uma tecnologia desenvolvida originalmente durante a Segunda Guerra Mundial. Existem dois tipos de sistemas Spread Spectrum.O FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) e o DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Segunda geração para a terceira geração (2 1/2G) Nesta fase de transição, muitas operadoras estão modernizando sua rede 2G para velocidades superiores de dados, geralmente semelhantes às de um modem rápido. O termo 2,5G também se aplica a tecnologias como o WAP. General Packet Radio Service (GPRS) No GPRS os dados realmente são transportados livremente durante intervalos na conversação de voz e enquanto a rede não está ocupada. O GPRS é uma melhoria importante no caminho de 2G a 3G dos sistemas de comunicação móvel. Pela primeira vez, o GPRS habilita funcionalidade de Internet Móvel permitindo interoperabilidade entre a Internet existente e a rede de GPRS nova. (Eckersley, 2003, Ritch, 2003). Terceira geração (3G) Os sistemas de terceira geração são essenciais para os serviços de Internet sem fio, esses padrões estão sendo definidos na IMT2000 (Internation Mobile Telecomminications) que pretende uma rede de dados móvel de alta velocidade. A terceira geração visa a combinar a Internet, os telefones e a mídia de transmissão em um único dispositivo (Dornan, 2001, Bienaime, 2003).Conforme Figura 1 podemos ver a evolução das redes separadas por geração (Toledo, 2001).

4 Figura 1: Mostra o futuro da sociedade da informação. Telefonia Móvel Um sistema de telefonia móvel celular consta das seguintes partes (Ferrari, 2001): MSC (Mobile Switching Center) o centro de controle e comutação dos canais de telefonia móvel, na tecnologia CPA digital. O MSC (no Brasil denominada CCC = Centro de comutação e Controle) constitui o ponto de interconexão da rede móvel celular com a rede fixa e com outras redes celulares. É a parte inteligente do sistema. RBS (Radio Base Station) a estação rádio base é onde se encontra o equipamento rádio transmissor/receptor, é a unidade de interface com o MSC, o mastro (torre) com as antenas. O local da RBS denomina-se "site". Em alguns sistemas, a RBS foi dividida em duas partes: RBC (Radio Base Controller) e RTS (Radio Transceiver Station). A RTS está junto das antenas e várias dezenas delas podem ser controladas de um RBC remoto central. MS (Mobile Station) a unidade móvel, que é o equipamento terminal do assinante, chamado simplesmente de "telefone celular". A Figura 2 representa uma estrutura típica da rede celular. Figura 2: Estrutura da rede celular. Link Aéreo O enlace rádio entre a RBS e o MS constitui a interface aérea do sistema, ela obedece a padrões que permite que os MS possam ser fabricados por muitas empresas distintas do fornecedor das RBS e da MSC. Quando nos referimos à característica analógica ou digital dos sistemas celulares, estamos na verdade, qualificando apenas esta interface aérea. Todo o restante da estrutura de um sistema celular, o MSC e o enlace entre MSC e RBS já é digital. Para que o link aéreo funcione, são necessários dois rádios: um carregado pelo usuário e outro conectado permanentemente à rede da operadora. Esses rádios são conhecidos pelos técnicos como MSU e BTS, embora os usuários os considerem como o telefone móvel e a estação-base (Dornan, 2001). Canal de controle e canais de trafego Ferrari (2001) afirma que cada RBS possui uma unidade de canal de controle (circuito duplex) formada por um CANAL DE CONTROLE (Tx em relação a RBS),

5 denominado CANAL DE BUSCA ou de "paging", e por um CANAL DE CONTROLE (Rx em relação a RBS), denominado CANAL DE ACESSO. Os canais de controle são usados apenas na fase de estabelecimento da chamada e somente transportam dados. Os canais de controle nunca transportam informação de voz ou de comunicação de dados. A Figura 3 representa os canais de controle e trafego. Figura 3: Mostra os canais de controle e trafego Para transportar a voz, as RBS possuem circuito duplex, constituído por canais Tx e Rx denominado CANAIS DE TRÁFEGO. Estes conduzem os sinais entre usuários e nunca sinais operacionais do sistema, a não ser em um caso excepcional, quando a RBS, no estado de conversação com o MS, precisa ordenar a este último que troque para outro canal de tráfego ou ajuste sua potência de transmissão. Estrutura da Rede Celular A área a ser coberta pela telefonia celular é dividida em células de vários tamanhos segundo as condições de propagação, densidade de MS por km e tráfego. A estrutura básica formada por um conjunto de SETE células, sendo uma no centro e seis ao seu redor conforme mostra a Figura 4 (Ferrari, 2001). Figura 4: Estrutura básica de sete células Supervisão da chamada no enlace de rádio Após a chamada ser estabelecida, o MS e a RBS estação interligados pelo circuito duplex de voz, via canal de tráfego Tx e Rx em relação à (RBS). O MS está em conversação e se deslocando. Nesse deslocamento, a MS pode se posicionar atrás de obstáculos, que se colocam entre ele e a RBS e, por isso, há necessidade de se supervisionar continuamente o que ocorre com a qualidade da transmissão, que é executada na CU e RX da unidade de canal de voz correspondente por dois indicadores: a relação sinal/ruído e intensidade do sinal recebido (Ferrari, 2001).

6 Primeiro indicador: relação sinal/ruído do SAT SAT é o "supervisory audio tone", gerado continuamente na unidade de canal de voz e adicionado ao sinal transmitido. O MS recebe o SAT e o devolve a RBS, onde alcança o receptor Rx. O SAT usa freqüência fora da faixa de voz e não é ouvido pelas partes em conversação. Segundo Ferrari (2001), pode-se desta forma distinguir o canal do "cluster" correto de eventual interferência de canal de mesma freqüência dos clusters adjacentes, pois o MS, na fase de estabelecimento, recebeu previamente o dado informando qual é o SAT do canal de tráfego que lhe foi atribuído. A supervisão da relação sinal/ruído é, portanto, feita continuamente pela unidade de canal de voz e, se o valor cair abaixo de um limiar preestabelecido, deve-se transferir a conversação à outra célula, isto é, proceder a um "hand-over". Segundo indicador: intensidade do sinal de radiofreqüência Outro indicador das condições de transmissão é a intensidade do sinal de radiofreqüência. A unidade de canal de voz supervisiona a intensidade do sinal recebido no seu Rx. A intensidade medida é comparada com valores limiares preestabelecidos para a tomada de providências. Se a intensidade for demasiadamente alta, ordena-se ao MS para diminuir sua potência; se for baixa, solicita-se ao MS para aumentá-la e, caso esta já estiver no máximo e a intensidade do sinal recebido continuar a baixar, atingindo o valor mínimo limite, solicita-se à MSC para transferir a chamada para outra célula com melhor recepção (Ferrari, 2001). Receptor de intensidade de sinal ou unidade de localização Toda RBS possui uma unidade de canal destinada a essa função. É uma unidade de canal devotada unicamente a receber e medir o nível das radiofreqüências dos canais em uso nas CÉLULAS ADJACENTES. Conforme Ferrari (2001), é importante observar que o receptor de intensidade de sinal não mede as radiofreqüências recebidas da própria célula. O receptor de intensidade de cada célula mede, ciclicamente, o sinal de recepção dos canais em uso nas seis células adjacentes e registra os resultados na sua unidade de controle. Quando a supervisão da transmissão (sinal/ruído ou intensidade da recepção) no canal de tráfego de uma conversação indica uma deterioração, é porque o MS se afastou de sua antena original, ou penetrou numa "região de sombra" dessa antena. O MSC tem que providenciar a transferência dessa ligação para outra célula, isto é, fazer o que se denomina "hand-over". Numeração da Estação Móvel (MS) Há dois sistemas de numeração a considerar: o NUMERO DO ASSINANTE e a IDENTIDADE INTERNACIONAL DA ESTAÇÃO móvel (IMSI = International Mobile Station Identity). Entretanto, no enlace rádio entre a RBS e o MS, em ambas alternativas de numeração acima, usa-se a Identidade Internacional da Estação Móvel (IMSI) e não o número do assinante. O MSC administra a tabela de correspondência entre o número do assinante e o IMSI. A estrutura do IMSI (International Mobile Station Identity) está padronizada internacionalmente e compõe-se de três campos de algarismos: código DO País + código DA REDE + IDENTIDADE DO MS (Ferrari, 2001).

7 Casos de Trafego Chamada para um Telefone Móvel Segundo Ferrari (2001), o MSC recebe o número (de assinante) do móvel e, pela tabela de MS em sua memória de dados, obtém o IMSI (International Mobile Station Identity) correspondente. O MSC registrara e memorizara a região (conjunto de células que formam a área de localização) em que esse MS se encontrava na última vez que esteve em contato com uma RBS. O MSC ordena a essa RBS e outras próximas, que formam essa área de localização, para irradiar o IMSI pelos seus canais de busca. Assim, todas RBS dessas células fazem a busca do MS. Todos os MS livres estão posicionados no canal de busca de suas respectivas células. Aquele, cujo IMSI coincide com o IMSI transmitido, é o MS procurado. Ele ocupa o canal de acesso da CÉLULA EM QUE SE ENCONTRA. Essa confirmação é detectada pela RBS que informa ao MSC. O MSC verifica, em sua memória de dados temporários, a disponibilidade de canais de voz na célula em questão, seleciona um deles e o reserva para a futura conversação. Ordena a RBS para energizar o transmissor da unidade de canal de voz correspondente ao canal selecionado e pede a RBS para ordenar ao MS, pelo canal de busca, para posicionar-se no canal de voz selecionado e receber o SAT característico do "cluster" a que a célula pertence. O MS deixa o canal de controle, posiciona-se no canal de tráfego e verifica se o SAT característico está presente nesse canal. Em caso positivo, retransmite o SAT de volta a RBS. Esta, recebendo o SAT de retorno, inicia a supervisão da chamada. O MSC envia ordem de alerta ao MS, que corresponde a uma ordem para advertir o assinante. O tom de alerta ao chegar ao MS dispara a campainha e provoca o envio de um tom de sinalização de 10 khz de volta para a RBS, que fica aguardando o assinante atender. Quando isto ocorre, o sinal de 10kHz é interrompido, confirmando o atendimento na RBS, e entra-se na fase de conversação. Após a conversação, quando o assinante desliga, o MS envia o tom de sinalização por l,8s à RBS, que informa ao MSC o fim da conversação. Este desconecta a chamada e ordena à unidade de canal de voz para desligar o transmissor Tx. O MS também desconecta seu transmissor, abandona o canal de voz e volta a posicionar-se no canal de controle da célula em que se encontra. Chamada originada de um Telefone Móvel Neste caso, o MS está posicionado no canal de controle. O assinante tecla o número do telefone desejado e pressiona a tecla de despacho "send". O MS verifica se o canal de acesso está desocupado. Se estiver ocupado com outra chamada, o MS aguarda sua liberação para fazer o acesso a RBS. Envia, sob forma de dados no canal de acesso, seu IMSI e o número discado. A RBS envia o IMSI ao MSC que verifica se este assinante está autorizado a usar o serviço. Caso positivo, será dado prosseguimento ao processo de estabelecimento e o MSC selecionara um canal de voz na célula em questão, ordenara a RBS para energizar seu transmissor e a RBS enviara pelo canal de busca, a ordem ao MS para abandonar o canal de controle, posicionar-se no canal de voz selecionado e preparar-se para receber o SAT característico do "cluster" ao qual a célula pertence. O MS conecta-se ao o canal de voz e certifica-se que o SAT recebido é o correto e o devolve pelo transmissor a RBS, que informa ao MSC que o MS já está

8 enlaçado pelo canal de voz. O MSC analisa os algarismos do número chamado e encaminha a chamada para o destino. Quando se alcança o telefone chamado, o MSC recebe do destino o tom de controle de chamada que é enviado a RBS e alcança o MS. O assinante ouve o tom de controle de chamada. Quando o assinante chamado atende, inicia-se a supervisão da chamada no MSC, entrando-se na fase de conversação. Durante toda a conversação, o SAT recebido no MS é devolvido a RBS, onde serve para a supervisão da relação sina/ruído. A desconexão se processa de modo idêntico ao caso da chamada terminada no MS. Chamada com Hand-Over Dependendo da duração da conversação e posição do MS em relação a RBS utilizada no estabelecimento da chamada, pode ocorrer que o MS se afaste cada vez mais da RBS ou penetre numa "área de sombra" desta RBS. A supervisão das características de transmissão na unidade de canal de voz (decréscimo da relação sinal/ruído e/ou do sinal recebido) indica a necessidade de um HAND-OVER, isto é, transferência da ligação para outra célula (Ferrari, 2001). Roaming automático De acordo com Ferrari (2001), quando o MS abandona a área de controle à qual está filiado e penetra em outra, ele passa à condição de MS visitante nessa nova área de controle. Para que as chamadas o alcancem é necessário que seu MSC e o MSC dessa nova área de controle sejam informados a respeito. Quando o móvel está posicionado no canal de busca de uma área de localização, ele recebe, entre outros dados, a informação SID (System Area Identification) que ele mantém memorizada. Quando o MS se distancia da RBS mais remota da sua área de controle em direção ao limite com uma nova área, o sinal do canal de busca anterior ficar tão fraco que obrigar o MS a explorar os canais de controle à procura de um mais forte. Ao sintonizá-lo e receber o SID desse canal, verifica se este é diferente do valor SID memorizado, o que significa que ele penetrou em uma nova área de localização. Neste caso, ele origina, automaticamente, uma chamada de registro, sem interferência do assinante. Ele faz uma chamada pelo canal de acesso e envia sua identidade IMSI. O MSC, ao recebê-la e analisa-la, verifica que esse MS não lhe pertence, e que é um MS visitante pertencente a outro MSC. Registro periódico O MSC tem que manter um registro dos MS ativos. Segundo Ferrari (2001), quando o usuário desliga o seu celular, ou o MS penetra em uma área não coberta pelo sistema celular, o MSC deve registrar este fato e encaminhar as chamadas dirigidas a este MS a uma máquina anunciadora (mensagem gravada). Esta informa ao chamador que o MS chamado encontra-se temporariamente inacessível. Toda vez que o MS origina uma chamada atualiza-se seu registro, mas aqueles que não o fizerem podem ultrapassar as fronteiras da área de cobertura, deslocar-se durante certo tempo em uma área de sombra e ficar com seu registro desatualizado. O mesmo ocorre quando o usuário desliga seu MS e se desloca para outras áreas.

9 Codificação da voz e dados Baseados no padrão CDMA ou TDMA, todos os sistemas digitais precisam codificar as formas de onda analógicas da fala em fluxos de bits. O programa utilizado para isso e chamado codec (codificador/decodificador), geralmente incorporado em um chip especial conhecido como DSP (Digital Signal Processor). O padrão pelo qual os codecs de voz são avaliados é o sistema G.711 utilizados nas redes PSTN (Public Switched Telephone Network). Muitas operadoras têm interesse em transmitir música em suas redes precisando, portanto, de uma capacidade muito superior. Na opinião de Dornan (2001), todos os codecs podem ser utilizados para reduzir as exigências de largura de banda para voz, mas não para dados. Os dados precisam de uma compactação sem perdas, que utilize algoritmos matemáticos para identificar padrões que se repetem. Infra-estrutura de voz e dados Uma rede celular tradicional é baseada na PSTN (Public Switched Telephone Network) fixa, mas com algumas bases de dados extras para cuidar da mobilidade. O equipamento é análogo aos switches e os dispositivos das centrais telefônicas tradicionais, que estabelecem circuitos sempre que uma chamada é realizada. Toda a comutação é digital, mesmo nos sistemas 1G, que utilizam links aéreos analógicos. A Figura 5 mostra as várias partes do trafego de dados comparando com o trafego de voz. Figura 5: Estrutura de uma rede sem fio com visão ao trafego de dados. Os dados móveis utilizam uma grande parte da mesma infra-estrutura para voz, com uma estrutura semelhante à das BTSs e dos BSCs. Entretanto, no lugar dos switches utilizados para telefones, eles precisam de roteadores como os utilizados para a Internet, capazes de enviar os dados em pacotes pequenos, em vez de utilizar circuitos contínuos. Atualmente, muitas operadoras de voz estão atualizando seus sistemas para lidar com dados em pacotes, sendo o GRPS a atualização mais utilizada. Embora a grande maioria dos usuários considere irrelevantes os detalhes sobre as redes de células, muitos talvez estejam interessados no que acontece na extremidade oposta de uma rede. Algumas tecnologias de alta largura de banda permitem o acesso a Web comum, mas muitos dispositivos são projetados para capacidades mais baixas ou para telas menores. Muitas operadoras de celulares pretendem restringir o acesso dos clientes aos seus próprios sites e tornar muito difícil à navegação na Web (Dornan,

10 2001). Considerações Finais O crescimento previsto no uso de telefones móveis e suas predominâncias na cultura modernas trazem mais problemas a respeito da utilização. O usuário típico não será necessariamente um usuário de computador ou da Web; portanto, os aplicativos não devem depender do conhecimento de computadores por parte do usuário. A transferência de dados por meio da rede celular é confiada a operadora. Neste cenário altamente competitivo os usuários devem procurar a operadora que oferece o melhor acesso. O telefone móvel evolui na administração da vida pessoal, proporcionando conexões pessoais. Os serviços móveis têm que incluir um caminho para a migração natural do mercado em crescimento. A Tecnologia móvel está evoluindo rapidamente, introduzindo um idioma de marcação novo para desenvolvimento móvel. A nova tendência exige, das redes celulares, flexibilidade em largura de banda para o tráfego de dados e soluções integradas de voz, dados e imagens em um mesmo acesso. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIENAIMÉ, Jean Pierre. GSM to UMTS: Global Evolution. Disponível em<http://www.umts-forum.org/servlet/dycon/ztumts/umts/live/en/umts/multimedia _Presentations_GSM-to-UMTS-Global-Evolution.pdf>. Acesso em: 30 de junho DORNAN, Andy. Wireless Communication: O Guia Essencial de Comunicação Sem Fio.Tradução Fábio Freitas. Rio de Janeiro: Ed. Campus, ECKERSLEY, Timothy. GPRS Alone Will Not Handle 3G Handover <http://www.3gamericas.org/ PDFs/gprs_alone.pdf >. Acesso em: 30 de junho de 2003 FERRARI, Antonio M. Telecomunicações Evolução & Revolução. Quinta edição. São Paulo: Ed. Érica, 2001, 306p. RITCH, Blasi. Additional Markets to Serve More Than 25 Million People. Disponível em < Acesso em 18 de junho TOLEDO, Adalton P. Redes de Acesso em Telecomunicações. São Paulo: Ed. Makron Books, 2001, 166p.

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