ELE Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Radioacesso

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1 ELE Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Radioacesso Capítulo 1 - Introdução Luiz A. R. da Silva Mello CETUC-PUC/Rio Agenda! Um pouco da história das comunicações sem fio! Sistemas celulares! WWANs, WMANs, WLANs e WPANs! Sistemas de acesso sem fio de banda larga! Sistemas celulares de 3a. geração! WiFi! WiMAX! Convergência e transparência CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 2

2 Comunicações sem fio na antiguidade (1) King Darius I of Persia was responsible for the first post messenger service in the World, along the course ofthe famous Royal Road Also, during his rule ( BC), he was able to send news from the capital to the provinces by means of a line of shouting men positioned on heights. This is known as acoustical telegraphy. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 3 Comunicações sem fio na antiguidade (2) A flaming torch gave the start signal for both sender and receiver to allow the water to run out of identically sized vessels in which corks were floating, with rods attached. As the water went down, so would the rods, each marked with a series of possible messages. The first recorded telegraph was built by a Greek military named Aeneas around 350 BC. When the desired message aligned with the rim of the jar, the sender would signal again with the torch, and the other station to replace the bung. The receiver would then read off the message shown on the rod. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 4

3 Telegrafia Óptica In the late 18th century, the Chappe brothers in France did much to develop the visual telegraph. In 1793, Chappe demonstrated his ultimate 'tachygraphe' - a system of semaphore arms that could quickly be manipulated to form different shapes. The Chappe semaphore system was used to set up a telegraph network that spanned the whole of Napoleon's empire, and was still in use by the French military as late as the Crimean War - nearly 20 years after the electric telegraph had arrived. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 5 Rede de Telegrafia Ótica - França sec. XVIII CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 6

4 Marconi e a invenção do rádio In 1894 Marconi read that Heinrich Hertz, by inducing an electric spark to jump across a gap, had produced invisible waves that travel through space. Marconi realized that the waves might be used to send wireless messages similar to the dot-and-dash messages sent by telegraphs. He began experimenting and within a year was sending messages over distances of more than a mile (1.6 km). Widespread use of radio was assured on December 12, 1901, when assistants in England sent the first transatlantic signals to Marconi in Newfoundland, a distance of some 4800 km (3,000 miles). CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 7 Marconi, Popov e a invenção do rádio Alexander Popov invented a wireless communications system at about the same time as Marconi. Popov was a scientist without the business ambitions of Marconi, and wasn't as interested in selling his invention. Popov studied maths and physics in St Petersburg, then started teaching physics and researching at the naval warfare institute. Popov was trying to detect thunderstorms in advance by picking up static electrical signals, which led him to experiment with wireless. In May 1895 he transmitted a signal a modest 600 yards, and within two years his wireless system had been installed on Russian naval vessels and land stations. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 8

5 Os primórdios das microondas Up to 1900 the focus of invention had been on sending and receiving communication signals. But some scientists were going the other way, looking at the properties of very short wavelengths. One of the pioneers was J.C. Bose in India. In 1895 he gave his first public demonstration of very short wavelengths, ranging from 2.5cm down to 5mm - equivalent to a frequency of 60 Gigahertz (GHz). He used these transmissions to ring a bell remotely and to explode a charge of gunpowder. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 9 Os primórdios das microondas Microwave links first came into practical use during the 1930s. In 1931 Britain's Standard Telephone & Cable Ltd (STC) demonstrated its 'Micro-Ray' microwave communications link across the Channel between Dover and Calais. The following year, Britain's first ultra short wave radio telephone link was set up by The Post Office across the Bristol Channel, spanning a distance of 13 miles CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 10

6 As origens dos sistemas celulares The basic concept of cellular phones started in the late 1940s. Researchers looked at existing police mobile (radio) car phones and realised that by restricting the range or 'service area' of transmitters, they could re-use the same radio frequencies again and again. However, the computer technology to achieve this just didn't exist at that time. In 1947 AT&T proposed that the Federal Communications Commission (FCC) allocate a large number of radio-spectrum frequencies to allow mobile telephone services to become a reality. But the FCC decided to limit the amount of frequencies available. This effectively killed the potential market and mobile phone research was set back 20 years. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 11 As origens dos sistemas celulares It took America's FCC more than two decades to realise it had made a mistake in restrictng the frequency allocation for mobile phones. In 1968 it reconsidered its position and AT&T and Bell Labs quickly proposed a cellular system of many small, low-powered, broadcast towers, each covering a 'cell' a few miles in radius. By 1977 AT&T and Bell Labs had constructed a prototype cellular system. A year later, public trials of the new system started in Chicago with over 2,000 test customers. By 1982 the slow-moving FCC finally authorised commercial cellular services in the USA. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 12

7 O Conceito Celular! Para aumentar o número de canais disponíveis evitando interferências:! Reuso de freqüências em áreas geográficas suficientemente distantes para evitar (limitar) a interferência co-canal.! Idéia simples e antiga (Bell ) antes limitada pela complexidade do sistema de controle, hoje viabilizada pelo uso de computadores nos terminais (móveis ou fixos) CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 13 Características dos sistemas celulares! Sistemas móveis convencionais! Baixa densidade de usuários! Não reutilizam freqüências! Alta potência de transmissão! Antenas elevadas! Grande área de cobertura! Sem expansão modular! Sistemas móveis celulares! Alta densidade de usuários! Fazem reuso de freqüências! Baixa potência de transmissão! Antenas pouco elevadas! Área de cobertura dividida em pequenas células! Expansão modular ilimitada (teoricamente) CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 14

8 A evolução dos sistemas celulares de comunicações! Os sistemas celulares de 1a. Geração (analógicos) utilizam modulação FM, técnica de acesso FDMA e oferecem apenas serviços de voz, com baixa capacidade! Os sistemas celulares de 2a. Geração (digitais) foram desenvolvidos para prover maior capacidade, utilizando técnicas de modulação mais avançadas, técnicas de acesso TDMA e CDMA, oferecendo principalmente serviços de voz mas também de dados a baixas taxas (10 Kbits/s). CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 15 Sistemas móveis celulares de 3a. geração! A World Administrative Radio Conference (WARC) de 1992 alocou uma nova faixa de frequências em torno de 2GHz para implementação de sistemas móveis de banda larga.! O ITU-R foi encarregado da coordenação do trabalho de padronização dos novos sistemas, denominados International Mobile Telecommunications 2000 (IMT2000) CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 16

9 O Conceito 3G! Altas taxas de transmissão! Até 2 Mbits/s em redes locais com baixa mobilidade e comutação por pacotes! Até 384 Kbits/s em áreas amplas com alta mobilidade e comutação por circuitos! Múltiplos serviços com diferentes classes de Qualidade de Serviço (QoS)! Cobertura mundial! Compatilibidade e interoperabilidade entre padrões CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 17 Evolução dos padrões de telefonia celular menos de 20 anos CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 18

10 Tecnologias de acesso sem fio CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 19 Padrões para WPAN! Bluetooth! Ad hoc networks! Frequency-hopping spread-spectrum (FHSS)! 2.4 GHz ISM band - FHSS! Taxas de dados de até 1 Mbps! P WPAN/Bluetooth! Padrão WPAN baseado em Bluetooth (PHY and MAC layers)! P High rate WPAN! Taxas de dados acima de 20 Mbps! 2.4 GHz ISM band! Aplicações em geração de imagens e multimídia portátil! P Low rate WPAN! Tempos de bateria de múltiplos anos! Taxas de dados abaixo de 200 Kbps CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 20

11 Piconets Um elemento pode ser escravo em uma piconet e mestre em outra. 21 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão WLANs - Wireless Local Area Networks CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 22

12 Wi-Fi Alliance! Apesar do estabelecimento do padrão IEEE , a existência de diferentes tecnologias de transmissão criava problemas de interoperabilidade dos dispositivos! Em 1997 um grupo de fabricantes uniu-se para garantir a interoperabilidade entre seus produtos e formou a WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance).! A ratificação do padrão IEEE b foi concretizada em setembro de 1999 e a WECA começou a testar e certificar os equipamentos de seus associados, com o selo Wireless Fidelity e surgiu o acrônimo Wi-Fi.! A WECA, posteriormente, mudou seu nome para Wi-Fi Alliance. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 23 Wi-Fi Estágio atual! Preços muito acessíveis: O mercado já assimilou a tecnologia e o número de usuários cresce rapidamente;! Segurança: Passou por acelerada evolução. Já é possível a implementação de redes tão seguras quanto as redes cabeadas;! Hotspots: a expansão de hotspots é o foco do momento, agregando valor a pequenos estabelecimentos e a locais com alta densidade de executivos, como aeroportos, hotéis, centros de convenção, etc. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 24

13 Os padrões IEEE Padrão a b g Data de publicação Banda total disponível Julho de 1997 Setembro de 1999 Setembro de 1999 Julho de ,5 MHz 300 MHz 83,5 MHz 83,5 MHz Banda de frequências 2,4-2,4835 GHz 5,15-5,35 GHz 5,725-5,825 GHz 2,4-2,4835 GHz 2,4-2,4835GHz Técnica de acesso Taxa de transmissão DSSS, FHSS OFDM DSSS DSSS, OFDM 1 a 2 Mbps 6 a 54 Mbps 1 a 11 Mbps 1 a 54 Mbps CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 25 Padrões IEEE WiMAX! Tecnologia proposta, inicialmente, para prover acesso nomádico em WMANs, com desempenho igual ou superior aos tradicionais DSL, cabo ou linhas T1/E1! Faixas de freqüências:! 2 a 11 GHz: baixas freqüências permitindo operação sem linha de visada (NLOS);! 10 a 66 GHz: operação em visada (LOS), com alta capacidade;! 2 a 6 GHz: operação sem visada (NLOS) com mobilidade restrita.! A padronização envolve não apenas hardware, mas também padronização de software de gerência e de testes.! WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access.! Interoperabilidade está sendo muito bem definida através da associação dos grandes players no WiMAX Forum. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 26

14 WiMax - Aplicações! Internet banda larga residencial e SOHO, especialmente em locais com baixa qualidade dos acessos cabeados e em ambientes rurais.! Modelos de negócio indicam que aplicações de WiMax podem ser bem sucedidas mesmo em cenários de baixa concentração demográfica.! Backbone para redes de telefonia celular.! Backbone para hotspots Wi-Fi: atualmente, uma limitação à proliferação de hotspots é a falta de soluções de baixo custo para sua interligação. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 27 O padrão IEEE ! O padrão especifica a interface aérea de sistemas de acesso fixo sem fio pontomultiponto faixa larga para provimento de múltiplos serviços, incluindo a camada MAC (Medium Access Control) e a camada física (PHY).! A camada MAC está estruturada para suportar múltiplas especificacões de camada PHY otimizadas de acordo com a faixa de freqüências e com a aplicação/serviço. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 28

15 Tecnologias similares! HIPERMAN: padrão Europeu equivalente ao IEEE O WiMAX Forum está trabalhando para garantir a interoperabilidade entre os dois padrões.! WiBro: padrão desenvolvido pela indústria Coreana. Em fins de 2004 a Intel e a LG Electronics estabeleceram um acordo para garantir a interoperabilidade entre o WiBro e o WiMAX móvel. A implantação de sistemas WiBro, iniciada no primeiro semestre de 2006 é um excelente estudo de caso, pois ocorre num mercado saturado e em competição com os sistemas 3G e redes fixas de banda larga. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 29 Tecnologias competidoras! EV-DO: padrão celular 3G Americano, otimizado para transmissão de dados (EVolution Data Optimized).! UMTS: padrão celular 3G Europeu, cuja versão HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) permite taxas de até 14.4 Mbit/s no enlace ERB-usuário e otimização para transmissão de voz e vídeo. Em Julho de 2005 a alocação de freqüências para o WiMAX foi bloqueada na França e Finlândia, onde houve grandes investimentos em UMTS.! LTE: o grupo 3GPP, que desenvolve o padrão UMTS, optou por utilizar técnicas MIMO-OFDM, em lugar de CDMA, para a evolução do sistema, denominada 3G Long Term Evolution (LTE). Enquanto o padrão WiMAX utiliza OFDMA tanto no uplink como no downlink, o padrão LTE utilizará SC-OFDM no uplink permitindo maior alcance ainda que com menor largura ce banda.! Wi-Fi: é considerado muito mais complementar do que competidor do WiMAX.! MBWA: a tecnologia Mobile Broadband Wireless Access, em desenvolvimento também pelo IEEE (padrão IEEE ), com características completas de sistema 4G. Em Junho de 2006 o IEEE anunciou uma pausa no desenvolvimento desta tecnologia. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 30

16 Status do WiMAX no Brasil! Grande interesse na área corporativa e de Governo:! Campus Network (comunicação e monitoração nas instalações), Building to Building Connection (comunicação entre instalações), Backhaul para redes Wi-Fi e VoIP, Segurança;! Governos Federal, Estadual e Municipal para aplicações em e- government e inclusão digital (pilotos realizados pelo MEC, Prefeitura de Mangaratiba e PRODAM/SP, entre outros).! Operadoras de Telefonia Fixa fazendo testes e elaborando projetos piloto, entre elas a Brasil Telecom, a Telefônica e a TELEMAR/Oi.! Panorama regulatório confuso! Um primeiro leilão da faixa de 3.5 GHz foi realizado em 2003, quando ainda não se sabia ao certo que esta faixa seria utilizada para aplicações WiMAX. Entre as grandes operadoras adquiriram licenças a EMBRATEL (licença nacional) e a Brasil Telecom (algumas cidades).! O segundo leilão, em 2006, foi suspenso pelo TCU em função de conflitos entre os interesses das grandes operadoras, provedores de acesso e do próprio governo) Fonte: Notícias na Web e Revista de WiMAX (Eduardo Prado) CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 31 Convergência e transparência CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 1 - Introducão 32