TÉCNICAS DE ACESSO PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO MÓVEL

Transcrição

1 TÉCNICAS DE ACESSO PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO MÓVEL Prof. Doutor Félix Singo

2 Introdução Comunicações Móveis Para quê técnicas de acesso? Permitir o compartilhamento de uma determinada faixa de rádio frequência entre vários terminais móveis Porquê o compartilhamento? Maximizar o número de usuários simultâneos numa faixa de frequências Comunicação bidirecional O canal pode ser dividido temporalmente ou na frequência

3 TDD & FDD O canal pode ser dividido temporalmente ou na frequência Duplexação por divisão de tempo (TDD Time Division Duplexing) Canal dividido temporalmente Duplexação por divisão em frequência (FDD Frequency Division Duplexing) Canal é dividido em frequência Em ambos os casos uma parcela do canal é destinada à transmissão e outra à recepção

4 Técnicas de Acesso ao Meio Objectivo: Buscar uma maior eficiência no uso do espectro disponível aos serviços de rádio móvel Três métodos de acesso ao meio se destacaram nos sistemas de comunicação móvel celular diferenciados apenas pela manipulação adequada da frequência, tempo ou código. Frequency Division Multiple Access (FDMA) Time Division Multiple Access (TDMA) Code Division Multiple Access (CDMA)

5 Técnicas de Acesso ao Meio Os sistemas também podem ser classificados com relação a largura de faixa do canal Um sistema de faixa estreita tem seu espectro dividido em canais de faixa suportando taxas inferiores a 2 Mbps, Na arquitectura de faixa larga, todo o espectro é compartilhado pelos usuários O FDMA é uma arquitectura de faixa estreita, O CDMA é uma arquitectura de faixa larga. TDMA pode ser implementado como de faixa estreita ou de faixa larga.

6 TÉCNICAS DE ACESSO AO MEIO

7 ACESSO FDMA Frequency Division Multiple Access O Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência é o método mais comum de acesso entre os sistemas analógicos O espectro é dividido em canais onde cada assinante sintoniza sua portadora O número de canais no sistema será função da largura de cada canal

8 ACESSO FDMA Frequency Division Multiple Access Neste método a largura de faixa total disponível é subdividida e a cada usuário é alocada uma dessas sub-faixas, normalmente por demanda. Características principais dos sistemas que utilizam FDMA: Se um canal não está sendo utilizado há um desperdício de recurso nenhum usuário o estará utilizando A largura de faixa de cada canal é normalmente pequena um sistema com FDMA normalmente é um sistema de faixa estreita.

9 ACESSO FDMA Frequency Division Multiple Access Características principais dos sistemas que utilizam FDMA: Pelo facto de o canal ser estreito, em uma transmissão digital tem-se longas durações dos símbolos transmitidos em relação ao espalhamento temporal causado pelo canal A comunicação é contínua no tempo, o que leva à necessidade de poucos bits de overhead com o propósito se sincronização e delimitação de frames em uma transmissão digital

10 ACESSO FDMA Frequency Division Multiple Access Características dos sistemas que utilizam FDMA Os filtros de canal são normalmente caros, pois necessitam apresentar seletividade suficiente para reduzir a interferência entre canais adjacentes a patamares aceitáveis. Por transmitir e receber ao mesmo tempo, os transceptores necessitam de duplexers, o que eleva o custo do sistema. Nos casos em que muitos canais compartilham uma mesma antena e, portanto, o mesmo amplificador de potência, pode ocorrer intermodulação.

11 ACESSO FDMA Frequency Division Multiple Access Os canais de uma ERB podem ser acessados por qualquer EM dentro de suas área de cobertura. Para isto basta a EM sintonizar um portadora, sendo a alocação de canais feita sob demanda pela CCC

12 ACESSO TDMA Time Division Multiple Access No método de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo o espectro disponível é dividido em intervalos (slots) de tempo de tal forma que cada usuário possa transmitir ou receber durante o intervalo de tempo a ele reservado.

13 ACESSO TDMA Time Division Multiple Access Sistemas com TDMA operam somente com sinais digitais Em sistemas com TDMA/TDD, metade dos slots são destinados á transmissão e metade à recepção No caso de TDMA/FDD um mesmo slot é utilizado na transmissão e recepção, sendo a separação feita na frequência Pela característica digital do sistema há maior imunidade a ruído e interferência e também mais segurança no enlace de comunicação promovendo privacidade ao usuário.

14 ACESSO TDMA Time Division Multiple Access Características principais: Devido às descontinuidades na transmissão, o processo de handoff do usuário móvel se torna mais simples, pois ele pode utilizar os intervalos de tempo sem transmissão para ouvir outros transmissores de outras estações base, por exemplo, no caso de telefonia celular. Os slots de tempo podem ser alocados por demanda para diferentes usuários, baseado em uma prioridade Dessa forma compartilha-se melhor o espectro

15 ACESSO TDMA Time Division Multiple Access Uma grande vantagem deste método é que as taxas de transmissão podem ser variáveis em múltiplo da taxa básico do canal. O método TDMA é atribuído à sistemas digitais como GSM, D-AMPS (IS-136) e PDC.

16 TÉCNICAS DE ACESSO - CDMA

17 ... Recordar que: A Telefonia móvel iniciou no final dos anos 70! A 1ª geração de telefonia era a analógica. O serviço padrão era o AMPS (Advanced Mobile Phone System). Esse sistema tinha como base a divisão do espectro em várias fatias de frequência A 2ª geração se caracteriza pelo advento das redes digitais. São elas o TDMA (Time Division Multiple Access), GSM e o CDMA. A 3ª geração se caracteriza por celulares onde se explora o serviço de dados e Multimídia.

18 ... Recordar que: 1G 2G 2.5G 3G 4G Sistemas analógicos como o AMPS. Sistemas digitais como o GSM, CDMA (IS-95-A) ou TDMA IS-136. Sistemas celulares que oferecem serviços de dados por pacotes e sem necessidade de estabelecimento de uma conexão (conexão permanente) a taxas de até 144 kbps. São um passo intermediário na evolução para 3G. Os principais sistemas são o GPRS e extensões do CDMA. Sistemas celulares que oferecem serviços de dados por pacotes e taxas de até 2 Mbps. Os principais sistemas são o WCDMA e o CDMA.

19 ACESSO CDMA Code Division Multiple Access O Acesso Múltiplo por Divisão de Código foi desenvolvido nos EUA pelo segmento militar. Sua 1ª utilização foi para a comunicação entre aviões de caça e rádio controle de mísseis teleguiados Neste método de acesso as EMs transmitem na mesma portadora e ao mesmo tempo, mas cada comunicação individual é provida com um código particular. Isto garante alta privacidade na comunicação.

20 ACESSO CDMA Code Division Multiple Access No método de Acesso Múltiplo com Divisão por Código é utilizada a técnica de espalhamento espectral (spread spectrum) O transceptor de cada usuário no sistema utiliza uma sequência pseudo aleatória (código) diferente Todos os usuários transmitem ao mesmo tempo e utilizam a mesma faixa de frequência O receptor, através do processo de correlação do sinal recebido com a sequência PN (pseudo-noise) extrai o sinal do usuário desejado. Os sinais dos demais usuários parecerão ruído para o receptor em questão

21 Exemplo: Comunicações Móveis Pode-se fazer uma comparação com uma sala com, por exemplo, 6 pessoas onde apenas duas falam o mesmo idioma e as outras um idioma diferente. Se todas falarem ao mesmo tempo as 2 pessoas que falam o mesmo idioma poderão se comunicar uma vez que o ouvido vai selecionar apenas o idioma que é conhecido e desprezar as demais comunicações como se fosse ruído

22 Tipos de Códigos CDMA Tipos de códigos que podem ser utilizados no CDMA: Walsh Conjunto de 64 códigos ortogonais W0 a W63. PN longo Conjunto de 4,398 x códigos diferentes ( ), gerados por um registador de deslocamento de 42 bits. PN curto Conjunto de códigos diferentes (2 15 1), gerados por um registador de deslocamento de 15 bits. A eficiência de utilização do espectro, ou capacidade de um sistema CDMA (IS-95), é maior que os demais sistemas existentes AMPS, TDMA (IS-136) e GSM.

23 Arquitectura Básica HLR - Home Location Register Visitor Location Register (VLR) HLR VLR Central de Comutação e Controle Outras CCCs Interconexão com a rede de telefonia fixa BSC BSC ERB Estação Móvel - MS

24 ACESSO CDMA Code Division Multiple Access

25 ACESSO CDMA Code Division Multiple Access No processo de transmissão pelo método do CDMA a voz é primeiramente codificada, passa por um expansor (spreader) que a multiplica por sequência preestabelecida e única para cada EM A utilização de antenas directivas limitando o ângulo de chegada dos sinais também reduz o nível do ruído Os sistemas que utilizam o método CDMA tem como padrão de reuso somente uma célula por cluster Os sistemas que utilizam o CDMA seguem o padrão IS-95 com taxa de espalhamento a 1,2288 Mbps utilizando uma portadora de 1,25 MHz de faixa

26 ACESSO CDMA Code Division Multiple Access VANTAGENS DO CDMA Mais qualidade e privacidade na comunicação, Maior autonomia de baterias, Redução no nível de interferência, Serviços mais velozes de transmissão de voz e dados O CDMA foi a tecnologia escolhida para ser a base para a 3ª geração Para o usuário final as tecnologias usadas são transparentes, importando mesmo os serviços oferecidos pelas operadoras e a qualidade do serviço prestado

27 ACESSO HÍBRIDO

28 Mas, afinal, qual técnica é a superior? A questão tem a ver com o número máximo de usuários suportado! O CDMA tem-se mostrado promissor a superar as demais técnicas de acesso múltiplo existentes A capacidade de um sistema CDMA é o que se pode chamar de limitada pelas interferências Ao contrário dos concorrentes FDMA e TDMA que podem ser classificados como limitados em largura de faixa Qualquer melhoria deve se refletir directamente em um aumento no número de usuários no sistema.

29 ACESSO HÍBRIDO As técnicas híbridas combinam as três técnicas citadas anteriormente. Elas são: FDMA/TDMA, FDMA/CDMA e TDMA/CDMA. Na técnica híbrida FDMA/TDMA O espectro disponível é dividido em sub-faixas Cada uma transporta a comunicação de um determinado número de usuários que compartilham essa sub-faixa em instantes de tempo distintos.

30 ACESSO HÍBRIDO Na técnica FDMA/CDMA O espectro disponível é dividido em sub-faixas Cada uma transporta a comunicação de um determinado número de usuários que compartilham essa sub-faixa ao mesmo tempo, Porém utilizando sequências pseudo-aleatórias distintas (códigos distintos). Na técnica híbrida TDMA/CDMA Cada célula utiliza uma sequência pseudo-aleatória comum, Sendo que em uma determinada célula a cada usuário é alocado um instante de tempo distinto dos demais.

31 ACESSO ALOHA Atécnica ALOHA foi proposta por Norman Abramson como uma solução efectiva para prover acesso via rádio a sistemas de computadores, nos anos 70 A rede ALOHA (ALOHANet) na Universidade do Hawaii empregava transmissores fixos em ilhas localizadas a dezenas de quilômetros. ALOHAnet foi a primeira rede de computadores sem fio da história.

32 ACESSO ALOHA A principal vantagem da técnica ALOHA é a simplicidade. Cada terminal é permitido transmitir a qualquer momento, sem levar em conta se o canal está ocupado ou não. Se um pacote de dados é recebido correctamente, a estação rádio base transmite uma mensagem de reconhecimento. Se nenhum reconhecimento é recebido pelo terminal móvel ele retransmite o pacote após esperar por um intervalo de tempo aleatório Eficiência de 18,5 %

33 ACESSO ALOHA O retardo na comunicação é principalmente determinado pela probabilidade de um pacote de dados não ser recebido devido à interferência de outras transmissões (colisões) e pelo tempo médio esperado antes de uma retransmissão. Estudos realizados mais tarde revelaram que para uma população de usuários tendendo a infinito e sob certas condições dos canais o sistema ALOHA tornase instável

34 Sloted ALOHA Protocolo ALOHA sloted Tempo dividido em slots acesso no início do slot Hosts de rede devem sincronizar os slots de tempo O transmissor efectua a transmissão do quadro todo Se não existe colisão transmissão efectuada com sucesso Se houver colisão aguarda o início do próximo slot ou do slot subsequente(sorteio 0 ou 1) Eficiência de 37%

35 ACESSO CSMA - Carrier Sense Multiple Access Em situações com tráfego intenso a técnica de acesso aleatório ALOHA reduz o throughput do sistema e pode levar a instabilidade devido à constantes colisões nas retransmissões. A técnica CSMA minimiza esse problema! No acesso CSMA todos os terminais ouvem o canal de comunicação terminal ERB Atransmissão de um novo pacote não é iniciada enquanto este canal se encontra ocupado

36 Variações do CSMA CSMA-CD (CSMA Collision Detection) Detecção de portadora Ouça antes de falar Detecção de colisão Se alguém começar a falar ao mesmo tempo, pare de falar CSMA/CD Esse procedimento eleva o throughput do sistema em relação àquele que reconhece a recepção após a transmissão de um pacote inteiro.

37 Variações do CSMA Outras variações do CSMA são: CSMA 1 persistente, O terminal ouve o canal e espera para transmitir quando o canal estiver ocioso. CSMA não persistente, após receber um reconhecimento negativo, o terminal espera por um tempo aleatório antes da transmissão CSMA p persistente Aplicada a canais com divisão temporal. Quando um canal encontra-se ocupado, o pacote é transmitido no primeiro slot de tempo disponível DSMA (Data Sense Multiple Access) Cada terminal tenta detectar uma mensagem do tipo ocioso-ocupado em um canal de controle no link directo (ERB para terminal)

38 Radiação e Espectro Electromagnético

39 Radiação e Espectro Electromagnético RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA São ondas que se auto-propagam pelo espaço, algumas das quais são percebidas pelo olho humano como luz. A radiação electromagnética compõe-se de um campo eléctrico e um magnético, que oscilam perpendicularmente um ao outro e à direcção da propagação de energia.

40 Radiação e Espectro Electromagnético A radiação electromagnética é classificada de acordo com a frequência da onda, que em ordem crescente da duração da onda são: Ondas de rádios, Microondas, Radiação terahertz (Raios T), Radiação infravermelha, Luz visível, Radiação ultravioleta, Raios-X e Radiação Gama.

41 Radiação e Espectro Electromagnético Dentro da faixa de ondas de radio (espectro das radiofrequências) é que são feitas as transmissões dos serviços de telecomunicações. Cada Pais administra o espectro dentro do seu território. Na administração do espectro de radiofrequências são observadas as atribuições das faixas, definidas em tratados e acordos internacionais, aprovados na União Internacional de Telecomunicações - UIT, que é responsável pela administração do espectro a nível mundial

42 A UIT divide o mundo em 3 (três) regiões

43 Aspectos de Regulação Em Moçambique a administração e regulamento do uso do espectro de radiofrequências está sob a tutela do INCM. O INCM define o espectro de frequências como um recurso limitado e um bem público. Para que não haja interferência causada pela transmissão de vários sinais em uma mesma faixa de frequência, é necessário que existam organismos responsáveis pela regulação e administração deste espectro.

44 Aspectos de Regulação As Faixas de frequências são atribuídas para: Fins exclusivamente militares; Serviços de telecomunicações; Serviços de radiodifusão; Serviços de emergência e de segurança pública; Outras actividades de telecomunicações.