Sistemas de Comunicação sem Fio. Sistemas Digitais de Telefonia Celular IS-136 e GSM

Transcrição

1 Sistemas de Comunicação sem Fio Sistemas Digitais de Telefonia Celular IS-136 e GSM

2 Multiplexação É colocar, em um mesmo enlace de comunicação, diversos canais independentes. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 2

3 Multiplexação - FDM Multiplexação Analógica: Desloca os canais em freqüência, colocando-os lado a lado ao longo da faixa de freqüência do enlace. Esta técnica é conhecida como Multiplexação por Divisão em Freqüência - MDF (em inglês Frequency Division Multiplex ou FDM). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 3

4 Multiplexação - FDM Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 4

5 Multiplexação por Divisão em Freqüência (FDM) Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 5

6 Multiplexação - TDM Multiplexação Digital: Trabalha com canais PCM, intercalando-os no tempo. O tempo é dividido em quadros e cada quadro contém uma seqüência de bits com 1 bit de cada canal. Esta técnica é conhecida como Multiplexação por Divisão em Tempo - MDT (em inglês Time Division Multiplex ou TDM). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 6

7 Multiplexação por Divisão em Tempo (TDM) Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 7

8 TDM - Time Division Multiplexing que se traduz pela utilização da ligação durante um certo tempo para cada canal PCM. No próximo slide pode ser visto um exemplode 32 canais multiplexados em uma ligação PCM que é chamado de sistema PCM de primeira ordem. O bit rate resultante será de 32 x 8 x 8000 = 2048 kbit/s ou 2 Mbit/s. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 8

9 O resultado da multiplexagem é um quadro com 32 slots em que o slot 0 é utilizado para sincronização e o slot 16 é utilizado para sinalização. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 9

10 TDM Síncrono e Assíncrono Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 10

11 FDMA é certamente o método o mais convencional do acesso múltiplo e foi a primeira técnica a ser empregada em aplicações wireless modernas. Em FDMA, a largura de faixa disponível é rachada em um número de sub bandas iguais, cada uma constitui uma canaleta física. A largura de faixa da canaleta é uma função dos serviços a ser fornecidos e da tecnologia disponível e é identificada por sua freqüência central; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 11

12 As canaletas, uma vez que atribuídas, são usadas em uma base non-tempocompartilhado; Assim, uma canaleta alocada a um usuário mantém alocado até o fim da tarefa para que essa atribuição específica foi feita. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 12

13 A maneira usual de se realizar um esquema FDMA é através da associação de um canal a cada portadora; Esse esquema é conhecido por Canal Único por Portadora (SCPC Single Channel per Carrier); Os canais possuem banda de guarda nas suas extremidades, que são pequenas faixas de freqüência destinadas a minimizar o efeito causado por filtros e osciladores imperfeitos; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 13

14 Minimizam a interferência de canal adjacente gerada pela invasão de um canal na faixa ocupada pelos seus canais adjacentes. Usualmente, o que se chama de canal são as duas bandas associadas ao par de portadoras: Direta base para móvel; Reversa móvel para base. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 14

15 Principais características do FDMA Implementação usual baseada em SCPC (Canal Único por Portadora); TX contínua, uma vez alocados, os canais são usados continuamente pela base e pelo móvel até o fim da comunicação; Banda estreita como cada porção de freqüência é utilizada por um único usuário, a banda necessária é relativamente pequena; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 15

16 Principais características do FDMA Baixa ISI devido à característica de sistemas FDMA digitais trafegarem à baixas taxas de TX; Baixa sobrecarga de informação de controle (overhead) os canais de voz carregam também mensagens de controle, como handoff por exemplo; Eletrônica simples pouca ou nenhuma necessidade de processamento digital para combater ISI; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 16

17 Principais características do FDMA Uso de duplexador como a transmissão é fullduplex e usa-se apenas uma antena para TX e RX, deve-se usar um duplexador para fazer a filtragem entre RX e TX e, assim, evitar interferências entre ambas; Alto custo de estações base a arquitetura SCPC requer que um transmissor, um receptor, dois codecs (codificador / decodificador) e dois modems (modulador / demodulador) sejam usados para cada canal numa estação base; Handoff perceptível pelo fato da transmissão ser contínua, a comutação é audível ao usuário. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 17

18 TDMA A sigla TDMA vem do inglês Time Division Multiple Access, que quer dizer "Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo". O TDMA é um sistema de celular digital que funciona dividindo um canal de freqüência em até seis intervalos de tempo distintos. Cada usuário ocupa um espaço de tempo específico na transmissão, o que impede problemas de interferência; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 18

19 TDMA Os sistemas celulares de segunda geração como o IS 54, IS 136 e o GSM utilizam o TDMA na sua interface com a estação móvel; Um dos padrões de comunicação de voz via ondas de rádio, utilizado por operadoras nos serviços de telefonia celular digital, baseado em TDM, consiste na divisão de cada canal celular em três períodos de tempo para aumentar a quantidade de dados que pode ser transmitida; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 19

20 TDMA Síncrona: os intervalos de tempo são divididos em tamanhos iguais que são chamados de frames, e sua subdivisão de slots. Cada terminal para transmitir dados espera seu slot dentro de cada frame. Assíncrona: os intervalos de tempo são divididos de acordo com a demanda dos terminais, e as unidades de informação possuem um cabeçalho com endereços de origem e destino, com isso procura eliminar o desperdício de capacidade que ocorre no modo síncrono. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 20

21 TDMA Cada canal TDMA americano tem a mesma largura de banda dos canais AMPS, 30 khz, e é usado por três assinantes. O sinal digitalizado de cada assinante, de 64 kbps, é comprimido para 8 kbps por vocoders (padrão IS-54), em seguida, o sinal comprimido dos três assinantes é transmitido pelo mesmo canal, um por vez; Os padrões TDMA IS-54 e IS-136, portanto, aumentam em três vezes a capacidade do padrão AMPS; O padrão IS-136 difere do IS-54 pela introdução de um canal de controle digital. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 21

22 TDMA Cada slot é composto de um preâmbulo e bits de informação associados a cada usuário; O preâmbulo tem como função prover identificação, controle e sincronização na recepção; Tempos de guarda são utilizados para minimizar a interferência entre canais (cross talk). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 22

23 TDMA Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 23

24 TDMA Descontinuidade na transmissão facilita o processo de handoff; Taxas em rajadas elevadas levam à necessidade de equalização; Slots não utilizados podem ser alocados sob demanda; Não permite transmissão com modulação analógica. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 24

25 Principais características do TDMA Vários canais por portadora; Tx em rajadas (bursts) como cada portadora é compartilhada no tempo, cada usuário transmite ou recebe sua informação numa rajada dentro dos respectivos slots (< consumo bateria); Faixa larga ou faixa estreita dependendo do sistema os canais variam de dezenas a centenas de khz; (IS khz, GSM 200kHz) Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 25

26 Principais características do TDMA Alta ISI devido a alta taxa de TX; Alta sobrecarga de informações de controle (overhead) a TX em rajada requer um tratamento mais minucioso no que diz respeito a sincronização; Os bits requeridos nesse tratamento em conjunto com o fato de haver tempos de guarda entre slots (equivalente à banda de guarda, na freqüência), gera um alto overhead; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 26

27 Principais características do TDMA Eletrônica complexa por usar tecnologia digital, muitos recursos podem ser agregados na unidade móvel, aumentando sua complexidade; Não requer o uso de duplexador TX e RX em slots distintos, o que há é um switch que liga / desliga o transmissor / receptor quando este não está em uso; Baixo custo de estações base; Handoff eficiente - pode ser realizado nos instantes em que o transmissor do móvel é desligado, imperceptível ao usuário; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 27

28 Diferença entre os sistemas TDMA e FDMA Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 28

29 Diferença entre os sistemas TDMA e FDMA Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 29

30 IS-136 Este padrão surgiu devido a crescente demanda pelos serviços de telefonia móvel nos Estados Unidos; Impossibilidade de aumento da capacidade nos sistemas AMPS (células chegando ao tamanho mínimo de 0,5 milhas); Preocupação de manter compatibilidade do novo sistema com os sistemas anteriores a ele; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 30

31 Revisão - AMPS Logical Channels Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 31

32 IS-136 Introdução de canais de controle mais complexos em relação aos FOCC e RECC do AMPS, com mesma modulação e formato de quadro dos canais de tráfego do IS-54; Possibilidade de oferecer serviços de Short Messages e outros serviços suplementares; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 32

33 IS-136 Sistema dual com conjunto completo de mensagens para a operação em modo totalmente digital, além de todas as mensagens e canais do sistema AMPS, acrescido das mensagens para handoff entre analógico e digital; Operação em 800 e 1900 MHz; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 33

34 IS-136 Definido diversos tipos de rede nos quais o IS-136 pode se configurado: Pública (a normalmente conhecida); Privada (permite a operação de grupos fechados, como por exemplo, em um hotel); Semi-privada (permite a operação formato Nextel); Residencial. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 34

35 159 bits Codificador VSELP 82 bits (classe2) IS bits (classe1) 65 bits Código bits mais significantes Código CRC 19 bits Convolucional Taxa 1/2 Interliving bits para percepção 5 bits (extras) Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 35

36 Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 36

37 GSM Demanda por serviços de comunicações excedia a capacidade dos sistemas analógicos existentes; Os diversos sistemas em operação na Europa eram incompatíveis entre si; Era necessário desenvolver um novo sistema comum à maior parte dos países europeus; Desde 1978 a banda de freqüências em torno de 900 MHz estava reservada para comunicações móveis na Europa. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 37

38 Histórico Requisitos do novo sistema: Compatível com ISDN (Integrated Services Digital Network Redes digitais com integração de serviços); Boa qualidade de fala; Uso eficiente das freqüências de rádio; Compatível com outras redes de comunicações de dados; Alta capacidade (muitos usuários ou taxas elevadas); Bom nível de segurança para os assinantes. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 38

39 Origens do GSM 1982: criação do Groupe Spécial Mobile (GSM); 1990: especificações do GSM900 congeladas; 1990: início da adaptação do GSM para a banda de 1800MHz (DCS Digital Communication System at 1800 MHz); 1991: primeiros sistemas em operação. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 39

40 Origens do GSM GSM agora significa Global System for Mobile Communications; As especificações foram transferidas para o ETSI - European Telecommunications Standards Institute (não apenas uma organização governamental); GSM: FDD; TDMA/FDMA. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 40

41 Origens do GSM Suposição: Fim dos monopólios: existência de várias operadoras de rede em diferentes países leva à redução de custos dos equipamentos; competição nas tarifas e ofertas de serviços. GSM: Sistema aberto, com interfaces bem definidas entre as diferentes partes do sistema, permitindo que diversas companhias forneçam equipamentos (reduzindo custos para a operadora). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 41

42 Origens do GSM GSM: Maior tolerância a perturbações entre células devido à transmissão digital; Melhor qualidade de voz; Suporte à transmissão de dados; Cifragem da fala e garantia de segurança das informações do assinante; Devido à compatibilidade com ISDN, novos serviços são oferecidos (não disponíveis em sistemas analógicos). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 42

43 Desenvolvimento do GSM Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 43

44 Desenvolvimento do GSM Fase 1: serviços básicos Conversação; Dados (comutação de circuito) até 9,6 kbps, fax; Encaminhamento de chamadas, bloqueio de chamadas, chamada em espera. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 44

45 Desenvolvimento do GSM Fase 2: serviços avançados Value Added Services (VAS): Short Message Service (SMS) e correio de voz; Serviços suplementares adicionais; Recomendações congeladas em 1995; GSM900 e GSM1800 foram combinados; SMS aprimorado e aprimoramentos também no acesso de rádio e nos cartões SIM. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 45

46 Desenvolvimento do GSM GSM: Interfaces abertas limitam certas partes, mas permitem que os operadores obtenham diferentes partes da rede de diferentes fornecedores: Abertura : definição do que está acontecendo através da interface; Definição estrita dos tipos de ações/procedimentos/funções que devem ser implementadas na interface. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 46

47 Desenvolvimento do GSM Interfaces abertas: MS BS (BTS) interface aérea MSC BSC interface A As demais interfaces não são completamente abertas, (os sistemas comerciais foram lançados antes das especificações). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 47

48 1998: Desenvolvimento do GSM primeiros testes em Singapura; 120 milhões de usuários de GSM. 1999: 250 milhões de usuários de GSM; Características da fase 2+ congeladas em intervalos regulares (conhecidos como releases); Comitês subtécnicos da ETSI: SMG1 a 12; Especificações técnicas do GSM: 01 a 12. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 48

49 Desenvolvimento do GSM Fase 2+: transmissão de dados Intelligent Network (IN): plataforma que permite ao operador criar novos serviços e modificar os existentes; Serviços pré-pagos ; HSCSD (High Speed Circuit Switched Data); Comutação de circuito; Transmissão de dados até 60 Kbps; Ocupa boa parte dos recursos da interface aérea. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 49

50 Desenvolvimento do GSM Fase 2+: transmissão de dados GPRS (General Packet Radio Service); Comutação de pacotes; Transmissão de dados até 150 kbps; Melhor utilização dos recursos da interface aérea. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 50

51 Desenvolvimento do GSM Fase 2+: transmissão de dados EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Environment); Novos métodos de modulação e codificação na interface aérea; Compatível com GSM; Transmissão de dados até 384 kbps. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 51

52 GSM Acesso ao Meio canais com largura de banda de 200 khz são compartilhadas entre 8 usuários usando TDMA. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 52

53 Composição da Rede Interfaces HLR - Home Location Register AUC Authentication Centre EIR - Equipment Identify Register BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controler MSC Mobile Switching Centre GMSC - Gateway Mobile Services Switching Centre VLR - Visitor Location Register Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 53

54 Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 54

55 Canalização DCS 1800 Digital Communication System em 1800 MHz Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 55

56 Canalização Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 56

57 Canalização Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 57

58 Canais Lógicos Dois tipos de canais lógicos asseguram a comunicação, dependendo dos objetivos, os canais de controle e os canais de tráfego. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 58

59 Canais de Tráfego Os canais de tráfego transportam quer em uplink, quer em downlink, dados e voz do utilizador, ponto a ponto. São definidas duas formas de utilização do canal: Full Rate TCH/F. O canal quando utilizado em débito total de informação, suporta um ritmo de 22.8 Kbit/s. Half Rate TCH/H. O canal quando utilizado em débito parcial de informação, suporta um ritmo de 11.4 Kbit/s. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 59

60 Canais de Controle Quando ligamos um móvel, o primeiro objetivo deste será procurar uma estação base adequada para que seja possível o respectivo registro e posterior escuta. Esta procura é realizada através de uma varredura em toda a banda de freqüência, ou opcionalmente, utilizando uma lista de algumas portadoras atribuídas ao operador, lista esta que se encontra guardada no SIM. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 60

61 Canais de Controle Após o móvel encontrar a portadora mais forte, em termos de sinal, terá de verificar se esta é ou não uma portadora BCCH. Uma portadora BCCH é a freqüência utilizada para transportar os canais de Broadcast. Deve existir uma por cada célula, sendo esta portadora normalmente denominada por C 0. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 61

62 Canais de Controle Uma vez encontrada a freqüência de broadcast o móvel terá de utilizar dois tipos de canais: Canais de Broadcast - BCH. Estes tipos de canais são utilizados em downlink, ponto a multiponto. Canais de Controle Comum - CCCH. Os canais de controle comum são canais que estão disponíveis para serem utilizados por todos os móveis, sendo os recursos de rádio que os transportam a todos os móveis. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 62

63 Canais Lógicos Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 63

64 Comparação TDMA - GSM Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 64

65 Comparação TDMA - GSM Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 65

66 Evolução dos Sistemas Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 66