As Comunicações Móveis

Transcrição

1 As Comunicações Móveis Luis M. Correia 1

2 Comunicações Celulares 2 [Fonte: Ericsson, 1997]

3 Comunicações sem Fios 3 [Fonte: Ericsson, 1997]

4 Evolução dos Sistemas Celulares (1) 4 Sistema Início País Banda [MHz] Canal [khz] NAMTS 1978 JP NMT 1981 NO, SE 450, AMPS 1983 US C 1985 DE TACS 1985 UK GSM 1991 EU 900, IS US PDC 1995 JP 900, cdmaone 1996 US UMTS 2002 EU, JP cdma US LTE 2010 SE,NO

5 Evolução dos Sistemas Celulares (2) Os sistemas de 3ª geração (UMTS), caracterizamse por fornecer serviços ao utilizador muito para além da voz, ou simples transmissão de dados, característicos da 2ª geração (GSM). Os sistemas de 4ª geração (LTE), caracterizam-se por fornecer ritmos de transmissão de dados muito elevados, comparados com os da 3ª geração (UMTS). A evolução dos sistemas é no sentido de fornecer mais e melhores serviços aos utilizadores. 5

6 Tempos de Acesso Fich. Tam. [B] 9.6 kb/s 64 kb/s 384 kb/s 2 Mb/s 10 Mb/s 150 Mb/s 10 k 8.3 s 1.3 s 0.2 s 0.0 s 0.0 s 0.0 s Texto 40 k 33.3 s 5.0 s 0.8 s 0.2 s 0.0 s 0.0 s Foto 0.1 M 1.4 m 12.5 s 2.1 s 0.4 s 0.1 s 0.0 s Doc. 2 M 27.8 m 4.2 m 41.7 s 8.0 s 1.6 s 0.1 s Música 4 M 55.6 m 8.3 m 1.4 m 16.0 s 3.2 s 0.2 s Vídeo 10 M 2.3 h 20.8 m 3.5 m 40.0 s 8.0 s 0.5 s Filme 5 G 48.2 d 7.2 d 1.2 d 5.6 h 1.1 h 4.4 m 6

7 Evolução dos Telefones Móveis (1) 7 [Fonte: Racal]

8 Evolução dos Telefones Móveis (2) 8 [Fonte: Racal]

9 Evolução dos Telefones Móveis (3) 9 [Fonte: Ericsson]

10 Evolução dos Telefones Móveis (4) 10 [Fonte: Apple, 2009]

11 Sistemas de Telecomunicações (1) Um sistema de telecomunicações é constituído basicamente pelos blocos seguintes: x(t) s(t) r(t) y(t) Tx Canal Rx 11 onde x(t), y(t): informação enviada/recebida, s(t), r(t): sinais enviados/recebidos, Tx:Transmissor, Rx:Receptor.

12 Sistemas de Telecomunicações (2) O Transmissor pode ser decomposto em: Fonte Info. Codif. Fonte Codif. Canal Modulador Multiplexagem / Acesso Múltiplo 12

13 Sistemas de Telecomunicações (3) O Canal pode ser decomposto em: Propagação Ruído Interferência 13

14 Sistemas de Telecomunicações (4) O Receptor pode ser decomposto em: Dest. Info. Descod. Fonte Descod. Canal Desmodulador Melhoria de Sinal Desmultiplexagem / Separação de Utilizad. 14

15 Tipos de Informação Existem três tipos básicos de informação: áudio vídeo dados Um serviço é composto por um ou mais tipos de informação. Os serviços são agrupados em classes, de acordo com as suas características. 15

16 Comunicações com ou sem Fios (1) 16 com Fios Comunicações em cabos de cobre ou fibras ópticas. O meio de propagação é bem definido, e invariante no tempo. A capacidade pode ser aumentada usando frequências diferentes ou cabos adicionais. sem Fios Comunicações no ar, ou através de obstáculos. O meio de propagação é desconhecido, e varia no tempo. A capacidade é aumentada usando Tx/Rx melhorados ou células menores.

17 Comunicações com ou sem Fios (2) com Fios O alcance é limitado por ruído. A distorção dos impulsos limita o ritmo de transmissão, pelas características do material do meio de propagação. sem Fios O alcance é limitado pelo meio de propagação e por interferência. A distorção dos impulsos limita o ritmo de transmissão, devido ao efeito de multipercurso no meio de propagação. 17

18 Comunicações com ou sem Fios (3) com Fios A interferência é nãoexistente, ou estacionária. A qualidade de transmissão é boa. sem Fios A interferência é inerente, depende dos utilizadores, e varia no tempo. A qualidade de transmissão pode ser má. 18

19 Comunicações com ou sem Fios (4) 19 com Fios Interferência e intercepção não são possíveis. A ligação é baseada no local. A energia é fornecida por uma rede; consumo não é problema. sem Fios Interferência e intercepção são possíveis. Contramedidas são necessárias. A ligação é baseada no utilizador. A energia é fornecida por baterias; consumo é um problema fundamental.

20 Espectro 20

21 Redes Nas Redes de Telecomunicações, a informação pode ser transportada de duas maneiras básicas: 21 Comutação de Circuitos Comutação de Pacotes (CS) (PS)

22 Sistemas Celulares (1) Os sistemas de comunicações celulares baseiam-se no princípio da reutilização de um canal (frequência, código, etc.): um canal que é usado para cobrir uma dada área, a célula, é usado noutra área suficientemente afastada, de modo a manter a interferência co-canal dentro de limites razoáveis. O tipo de canal a reutilizar depende do tipo de sistema, sendo diferente entre o GSM, o UMTS e o LTE. 22

23 Sistemas Celulares (2) Existem duas componentes básicas nos sistemas de comunicações móveis, no que se refere à ligação via rádio: Estações Base Terminais Móveis Ambas transmitem e recebem sinais, possibilitando assim a comunicação entre os utilizadores. 23

24 Sistemas Celulares (3) A arquitectura típica da rede é: 24 [Fonte: Yacoub, 1993]

25 Técnicas de Duplex A transmissão de informação bidireccional (canais ascendente, UL uplink, e descendente, DL downlink) em sistemas duplex pode ser feita por divisão em: frequência: UL e DL ocupam bandas de frequência diferentes FDD (Frequency Division Duplex); tempo: UL e DL ocupam janelas de tempo diferentes TDD (Time Division Duplex). 25

26 Técnicas de Acesso Múltiplo Existem 3 técnicas básicas de repartir canais pelos utilizadores: na frequência: atribuição de uma portadora FDMA (Frequency Division Multiple Access); no tempo: atribuição de uma janela temporal (time-slot) TDMA (Time Division Multiple Access); no código: atribuição de um código CDMA (Code Division Multiple Access). 26

27 Cobertura e Capacidade As Estações Base possuem antenas, sendo espalhadas pela área de serviço, com o propósito de garantir: cobertura, isto é, existência de sinal suficiente para existir comunicação; capacidade, isto é, um número de canais suficiente para o número de utilizadores previsto. 27

28 Classificação de Células É habitual classificar as células de acordo com a sua dimensão, R, e posição das antenas de Estação Base (relativamente aos edifícios circundantes), Δh. Célula R [km] Δh Macro grande > 3 > 0 pequena 1 3 > 0 Micro Pico < 0.1 << 0

29 Interferência e Ruído 29 Em geral, no receptor tem-se Pr PI + PN onde P r [W] : potência da portadora do sinal desejado P N [W] : potência de ruído P I [W] : potência da portadora do sinal interferente Normalmente, nos sistemas de comunicações celulares pode desprezar-se o ruído Pr Pr P + P P I N I

30 Propagação em Espaço Livre (1) Em certas circunstâncias, a propagação dos sinais entreaestaçãobaseeoterminalmóvelpodeser caracterizada como sendo em espaço livre 30 [Fonte: Telemaster, 2011]

31 Propagação em Espaço Livre (2) 31 A potência aos terminais da antena receptora, P r[w], é: 2 λ P r = Pt Gt Gr 4 π d onde λ [m] : comprimento de onda d [m] : distância P t[w] : potência de transmissão G t : ganho da antena de transmissão G r : ganho da antena de recepção

32 Transmissão da Informação A informação é transmitida em pacotes de bits. 32 [Fonte: Klem et al., 2001]

33 Classes de Serviços Classe de serviço Conversational Streaming Interactive Background Tempo-real Sim Sim Não Não Simétrico Sim Não Não Não Comutação CS CS PS PS Ritmo Sim Sim Não Não garantido Atraso Mínimo Fixo Mínimo Variável Moderado Variável Grande Variável Buffer Não Sim Sim Sim Bursty Não Não Sim Sim Exemplo voz video-clip www 33

34 Capacidade Os canais são atribuídos aos Terminais Móveis de acordo com os seus serviços e a capacidade da célula. 34 [Fonte: Spectrum, 2000]

35 Ritmos de Transmissão (1) No GSM, os ritmos de transmissão são baixos (até cerca de 240 kb/s). No UMTS, dependem do sentido da ligação: Ritmo Versão UL [Mb/s] DL [Mb/s] < < < < (HSDPA) < 5.8 < (HSUPA) < 11.5 < (HSPA+) 35 No LTE, poderão atingir 300 Mb/s.

36 Ritmos de Transmissão (2) 36 O ritmo de transmissão global da Estação Base (EB) é partilhado pelos Terminais Móveis (TMs): R beb[b/s] = R btm1[b/s] + R btm2[b/s] + R btm3[b/s] + O tempo de transmissão da informação, T t, depende do volume do ficheiro e do ritmo de transmissão médio V[MB] 8 Tt [s] = Rb TM [Mb/s] onde V: volume do ficheiro : ritmo de transmissão médio R b TM

37 Redes sem Fios (1) As redes de computadores sem fios (Wireless LANs-WLANs) surgiram como a extensão sem fios das redes de computadores. Existem muitas diferenças entre as redes celulares (GSM, UMTS e LTE) e as WLANs (Wi-Fi). A Europa desenvolveu a família HIPERLAN (que não teve sucesso), enquanto os EUA desenvolveram a família IEEE

38 Redes sem Fios (2) As WLANs não possuem uma estrutura celular, pelo que não possibilitam muitas das funcionalidades das redes celulares. As Estações Base são designadas por Pontos de Acesso. 38

39 Redes sem Fios (3) AP cell MT MT AP MT MT AP Backbone Network 39 AP cell [Fonte: Kristensen and Sandgreen, 2001]

40 Redes sem Fios (4) 40 Distância [m] Ritmo [Mb/s] a b g

41 Comparação entre Sistemas (1) Sistema Celular WLAN Cobertura Alta Baixa Mobilidade Alta Baixa Débito binário Baixo Alto Capacidade Alta Baixa Comutação CS / PS PS Rede estruturada Sim Não Operador Sim Sim / Não 41

42 Comparação entre Sistemas (2) Sistema Celular WLAN Qualidade de serviço Sim Não Frequências licenciadas Sim Não Interferência externa Não Sim Identificação de utilizador Número telefone Endereço IP Terminais Telefones, Tablets, PCs PCs, Tablets, Telefones 42

43 Handover (1) O handover (transferência entre células) possibilita que as chamadas ocorram sem interrupção quando o Terminal Móvel se desloca de uma célula para outra. P m A B d 43 A B

44 Handover (2) O processo do handover não é simples, devido à variação do sinal no Terminal Móvel e à disponibilidade de canais nas Estações Base, requerendo algoritmos de controlo complexos. 44 TM [Fonte: UManchester, 2007] TM

45 Controlo de Potência Os Terminais Móveis e as Estações Base têm Controlo de Potência, de modo a transmitir a quantidade mínima necessária para a comunicação 45 [Fonte: IEEE, 2000]

46 Constituição dos Telefones Os telefones podem ser encarados como um sistema electrónico ligado a um terminal de comunicações. 46 [Fonte: Sony-Ericsson, 2003]

47 Constituição das Estações Base As Estações Base possuem um conjunto de sistemas electrónicos para o processamento dos sinais: amplificadores, filtros, codificadores, moduladores, conversores, 47 [Fonte: Ericsson, 2006]

48 Consumo de Energia nos Telefones O consumo de energia nos telefones foi optimizado desde o início. 48 [Fonte: jayceooi, 2011]

49 Consumo de Energia nas Redes A eficiência energética tornou-se de importância crucial nas redes de telecomunicações. 49 [Fonte: EARTH, 2010]

50 Sistemas Operativos dos Telefones Os telefones têm sistemas operativos como os PCs. 50 [Fonte: Economist, 2011]

51 Aplicações dos Telefones Os telefones têm actualmente uma gama vasta de aplicações. 51 [Fonte: iphone, 2011]

52 Bibliografia ence/mobile-business-communications.htm ones 52