Formação e Ocupação de Bandas para Telefonia Celular

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1 Formação e Ocupação de Bandas para Telefonia Celular Este tutorial apresenta uma visão geral sobre as bandas de freqüência utilizadas mundialmente para operação com sistemas móveis celulares, incluindo os sistemas troncalizados. A apresentação será feita com uma abordagem predominantemente histórica, mostrando a origem de muitos conceitos até hoje adotados. Um dos objetivos do trabalho é explicar a origem dos termos hoje largamente usados, como banda A, banda B e bandas de extensão. Esta é uma atualização do tutorial publicado em 17/07/2006, com a complementação das novas bandas introduzidas no Brasil pela Anatel, devido principalmente a dois eventos recentes: o leilão de sobras de freqüências SMP e o leilão de freqüências 3G, ambos ocorridos no segundo semestre de Henrique Jorge Guimarães Ulbrich Técnico Sênior em telecomunicações, atuando na área desde Trabalhou na Embratel, Siemens e em áreas de telecomunicações de empresas do setor elétrico. A experiência abrange operação e manutenção, desenvolvimento, treinamento e gerenciamento de campo de projetos turn-key. Possui experiência internacional, realizando absorção de tecnologia e ministrando treinamento em diversos países. Atualmente é responsável pelo suporte técnico da Brasilsat na área de sistemas de transmissão (rádios e repetidores). Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 11/02/2008 1

2 Banda para Telefonia Celular: Introdução A utilização de sistemas celulares envolve a alocação de faixas de freqüências adequadas para a sua operação. Alguns requisitos básicos têm que ser atendidos, como largura de faixa adequada para a demanda prevista, existência de faixas de certa forma contíguas e controle da interferência, entre outros. Outro requisito de importância fundamental é a possibilidade de crescimento em atendimento à contínua demanda. Além de técnicas de modulação especialmente adotadas para que mais informação seja incluída na mesma banda (maior eficiência espectral), isso também exige mais e mais freqüências, o que força ao uso de bandas de freqüências cada vez mais elevadas. Nem sempre as faixas adotadas correspondem às ideais para operação, o que é explicado por serviços já existentes nestas faixas, serviços estes de remoção difícil, onerosa ou em alguns casos impossível. A determinação de faixas para operação de sistemas celulares, tal como é realidade hoje, foi obtida através de uma evolução histórica e técnica, da forma como será vista neste tutorial. A regulamentação a nível mundial é uma atribuição da ITU (International Telecommunication Union União Internacional de Telecomunicação), com sede em Genebra, Suíça. A ITU (antiga CCITT) é uma organização internacional dentro do sistema da ONU, composta por órgãos governamentais e empresas do setor privado, com a finalidade de coordenar as redes e os serviços globais de telecomunicações. As recomendações emitidas devem ser usadas pelos países membros, com as adaptações inerentes à realidade de cada país. 2

3 Banda para Telefonia Celular: Histórico Estados Unidos da América do Norte Os primeiros sistemas de comunicação móvel surgiram no início do século. Os radioamadores, com seu pioneirismo característico, também tiveram papel importante neste ponto, realizando diversas experiências. No início dos anos 20, nos EUA, a polícia equipou os veículos com receptores de rádio na faixa de 2 MHz. Do comando central eram transmitidas ordens via rádio, que eram recebidas por todas as viaturas. Na ordem emitida, estava incluída a tarefa a ser realizada e quem deveria executá-la. Naturalmente, os veículos não tinham sistemas de transmissão para responder ou confirmar a mensagem, o que caracterizava o sistema como simplex. Este foi o precursor dos sistemas de despacho, sendo a base primitiva para todo o desenvolvimento da comunicação móvel da forma como a conhecemos nos dias atuais. Já nessa época existia o consenso que as comunicações teriam que caminhar em direção a freqüências mais elevadas. Nos anos 30 se tornaram comuns as transmissões em HF (ondas curtas) para comunicação móvel e em VHF para enlaces de média/longa distância ponto-a-ponto. A segunda guerra mundial impulsionou o desenvolvimento de sistemas utilizando freqüências ainda mais elevadas. Exemplos disso são os sistemas rádios ponto-a-ponto em faixa de UHF e o surgimento do radar, que alavancou a pesquisa nas faixas de microondas. Com o fim da segunda guerra mundial começaram a aparecer os primeiros esboços do que seriam os sistemas móveis. Na Suécia entrou em operação em 1946 o que talvez tenha sido o primeiro sistema móvel concreto, quando considerado que era conectado ao sistema de telefonia fixa. O sistema foi testado nas viaturas da polícia sueca. No mesmo ano, nos EUA, ocorreu a primeira grande iniciativa, para a época, de desenvolvimento de sistemas móveis, quando os laboratórios Bell deram partida a experimentos na faixa de 150 MHz. Em 1946 a Bell iniciou a operação comercial do seu sistema. A estação radiobase era instalada de forma central na região e operava em altos níveis de potência para poder cobrir a área almejada. A modulação era em AM, de baixo desempenho. Começaram a aparecer outros sistemas, nos quais eram utilizadas basicamente duas bandas: 35 a 44 MHz e em torno de 150 MHz. Todos esses sistemas, no entanto, tinham suas chamadas completadas para a rede pública de telefonia de forma manual (telefonistas). Os sistemas com discagem a partir do terminal somente começaram a aparecer nos anos 50. Também não havia muito sigilo, sendo possível a escuta das ligações por terceiros. Em relação às faixas de operação, o uso de freqüências em HF (ondas curtas) pareceu ser o mais apropriado na época, porém a experiência posterior mostrou que, devido à propagação peculiar nessa faixa, em longas distâncias e principalmente no período noturno, os problemas com conversações indevidamente ouvidas a grandes distâncias e os problemas de interferência em outros sistemas se mostraram incontornáveis. A pesquisa mostrou que a solução do problema estava em dois caminhos: o uso de freqüências mais elevadas e a operação em menores níveis de potência. As freqüências elevadas caracteristicamente não se propagam a grandes distâncias, sendo detectadas apenas em uma área determinada em torno da antena, amenizando 3

4 consideravelmente desta forma o problema da interferência. A redução nos níveis de potência, no entanto, também contribui para a diminuição do alcance. Isso apontou para a mudança no conceito, até então vigente, de um único ponto para a instalação da estação radiobase. Foi imaginado o conceito de células múltiplas: diversas estações radiobase operando em menores níveis de potências, cada uma cobrindo uma parcela da área original. Um terminal móvel seria identificado por meio da célula em que se encontrava. Estava assim criado o modelo teórico do que viria a ser o padrão da telefonia móvel mundial: os sistemas celulares, que no entanto só teriam implementação somente alguns anos depois. Uma observação importante é que, até aquele momento, todas as soluções eram implementadas exclusivamente com válvulas a vácuo, pois o transistor só viria a ser inventado em 1947 e comercialmente lançado em Isso condicionava o uso de terminais móveis exclusivamente na forma embarcada, alimentados pelas baterias dos automóveis. O terminal totalmente portátil ainda era um sonho distante. A interligação com os sistemas telefônicos fixos não era automatizada. O número de canais de operação atribuídos era muito limitado. Outra observação importante era o fato dos sistemas serem exclusivamente analógicos. Todas as propostas consistiam de iniciativas localizadas, nenhuma delas tendendo a uma universalização do conceito de telefonia móvel. Esta situação começou a mudar nos anos 60. Em 1964 foi lançado nos EUA o sistema MJ, operando em 150 MHz, que fazia uso mais eficaz dos poucos canais existentes e possibilitava uma economia operacional. O MJ permitia a seleção automática do canal vago, além de permitir a discagem automática para o número desejado. Em 1968 foi proposto um conceito que se aproximou bastante do modelo que seria padrão: diversas pequenas células, cada uma delas com uma estação radiobase operando com baixas potências e um centro inteligente (CCC Central de Comutação e Controle) controlando a operação de um determinado número de células de uma forma coordenada e realizando as ligações de forma automática entre os usuários e destes para outros sistemas. A inevitável movimentação dos usuários entre as células de uma mesma CCC era gerenciada pelo sistema, conceito conhecido como handoff (ou handover). Quando havia troca de células em que outra CCC era envolvida, o termo adotado foi roaming. Em 1969, passou-se a usar freqüências na faixa de 450 MHz. Os sistemas operando nesta faixa foram denominados MK e incorporavam os refinamentos introduzidos no MJ. O conhecimento acumulado com esses dois sistemas redundou no desenvolvimento de um terceiro sistema, denominado IMTS (Improved Mobile Telephone System), que todavia ainda continuava sofrendo das limitações já conhecidas anteriormente: escassez de canais de RF, limitando sobremaneira a capacidade de atendimento, com pouco mais de 50 canais, e níveis ainda elevados de potência para cobrir células com raios entre 30 e 40 km, portanto sem solução prática para o problema da interferência. No caso de Nova York, o espectro alocado dispunha no máximo de 6 canais para atendimento a 225 usuários. Considerando uma duração média de 2 minutos por chamada, o bloqueio era de cerca de 40%. 4

5 Em 1974 a FCC (Federal Communication Commission, agência fiscalizadora e reguladora norte-americana para todos os tipos de comunicações eletrônicas e de rádio interestaduais) regulamentou a faixa para telefonia celular, da forma como será vista mais adiante. Com base nessa regulamentação de faixa, os Laboratórios Bell da AT&T iniciaram em 1975 o desenvolvimento daquele que seria o primeiro grande sistema comercial de telefonia móvel: o AMPS (Advanced Mobile Phone System), que implementou na prática todas as propostas inovadoras anteriores, relacionadas com a adoção de operação em células e uso de menores potências operacionais. Em 1978 foi ativado um sistema de testes (trial) em Chicago, objetivando demonstrar as reais possibilidades do sistema AMPS. O AMPS finalmente entrou em operação comercial em 1983, também em Chicago. Em que pese sua interface de RF analógica, hoje obsoleta, o AMPS teve o grande mérito de implementar soluções que consolidaram o padrão de telefonia móvel até hoje empregado. Foi o padrão dominante por um tempo considerável, tendo servido de base para o desenvolvimento de outros sistemas, como o TACS inglês. Estas soluções passaram a ser padrão mundial, e mesmo os sistemas digitalizados que surgiram posteriormente utilizaram a estrutura básica introduzida pelo AMPS. Outra observação importante foi o desenvolvimento dos terminais portáteis, ampliando o conceito anterior que obrigava a comunicação móvel ser operada apenas na forma embarcada. A viabilização de terminais portáteis foi possível graças às conquistas da microeletrônica (circuitos integrados em escala ampla, incorporando uma maior eficiência energética) e o desenvolvimento de baterias recarregáveis com tecnologias mais avançadas. Um passo intermediário foi a utilização dos chamados bag phones, consistindo de uma bolsa ou pequena pasta, com um transceptor de potência média e uma bateria, que era carregada por meio de um acendedor de cigarros do veículo, podendo ser então transportada. Japão Em 1978 o Japão iniciava a operação da telefonia celular com um sistema exclusivo, o Hicap, com canais de 25 khz de largura. Observar que isso ocorreu no mesmo ano em que, nos EUA, o AMPS ainda estava em operação experimental. Europa Na Europa, cada país desenvolveu seu próprio sistema, todos analógicos, em 450 e 900 MHz. Exemplos: NMT nos países nórdicos, Europa Oriental e Rússia, TACS no Reino Unido, C-450 na Alemanha Ocidental e Portugal, Radiocom 2000 na França e RTMI na Itália. Esses sistemas, em sua maioria, eram tecnicamente incompatíveis entre si. Devido às características específicas do continente europeu (diversos países próximos e de médias/pequenas dimensões), as incompatibilidades logo se fizeram sentir: em viagens em que se cruzam dois ou mais países, coisa comum na Europa, o usuário de um terminal móvel não tinha outra solução senão desligá-lo logo que ultrapassasse a fronteira do país de origem. Em setembro de 1981 entrou em operação comercial a primeira rede de telefonia celular com roaming automático, um sistema NMT, desenvolvido nos países nórdicos. A curiosidade em relação a esse fato é que o primeiro sistema foi lançado na Arábia Saudita, um mês antes da entrada em operação destes sistemas nos 5

6 próprios países nórdicos. 6

7 Banda para Telefonia Celular: 850MHz e o sistema AMPS Para o desenvolvimento do pioneiro sistema AMPS nos EUA, o estado da arte na época indicava que o padrão a ser adotado para a telefonia celular levava em conta canais de 30 khz com modulação em FM. Para o atendimento a uma mesma ligação telefônica na modalidade full-duplex seria na verdade necessária uma banda de 30 khz para um sentido (transmissão da radiobase para o móvel) e outra banda de 30 khz no outro sentido (transmissão do móvel para a radiobase), como mostra a figura abaixo. No domínio da freqüência, a disposição dessas bandas, em atendimento a uma única chamada, ficou da seguinte forma: O desenho acima mostra o exemplo para um canal. Usualmente, o que se convenciona chamar de canal são as duas bandas associadas ao par de portadoras (uplink e downlink). Com dois canais, a disposição ficava da forma abaixo: 7

8 Para mais canais, basta ir ocupando gradativamente o espectro de freqüências até um limite, geralmente pré-estabelecido. Esta modalidade de operação é conhecida como FDMA (Frequency Division Multiple Access ou Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência). O FDMA é um método de acesso utilizado universalmente, de forma isolada, como no AMPS, ou de forma combinada com outras técnicas de acesso, como nos sistemas digitais que vieram na seqüência. Considerando-se uma banda de 20 MHz em cada sentido, o número de canais obtidos era de 20 MHz/30 khz, o que indicava que 666 canais poderiam ser operados simultaneamente pelo sistema em uma região típica, o que pareceu adequado à época. O problema inicial foi determinar em que região do espectro seriam alocadas estas duas bandas de 20 MHz, que não necessariamente deveriam ser contíguas, considerando até mesmo a conveniência de um afastamento entre elas. Este afastamento (offset) entre as duas bandas é conhecido pelos termos banda de guarda e afastamento duplex, sendo necessário para simplificar o projeto do sistema, consubstanciado na redução de tamanho e custo dos filtros diplexadores. Era necessário, portanto, determinar em que ponto do espectro esse arranjo poderia ser feito. A operação em ondas curtas (HF) apresentava inconvenientes já conhecidos na época. A faixa de 100 MHz é bastante favorável para operação de sistemas de telefonia móvel, porém esta faixa já se encontrava toda ocupada por diversos serviços (TV, FM, serviços públicos etc.). Por outro lado, o uso de baixas freqüências aumenta o tamanho dos aparelhos portáteis, principalmente as dimensões das antenas. Freqüências acima de 10 GHz apresentam problemas com alta atenuação, fading e sensibilidade a chuvas, tornando impraticável o seu uso. O compromisso mais favorável dentro da realidade existente foi encontrado na região de 850 MHz, inicialmente designada para o serviço de TV a cabo. Nesta região foi possível obter duas bandas de 20 MHz para a operação de serviços celulares: uma banda para a transmissão da estação base para os móveis (downlink ou sentido direto) e outra para a transmissão dos móveis até a estação base (uplink ou sentido reverso). A disposição inicial ficou a seguinte: Visando os benefícios advindos da competição, já de praxe na época nos EUA, decidiu-se introduzir a concorrência entre duas operadoras em cada região. Desta forma, os 20 MHz disponíveis foram divididos em duas bandas iguais de 10 MHz cada, denominadas bandas A e B, ficando da seguinte forma: 8

9 Deve ser observado que, entre todos os desenhos até agora mostrados, não é seguida uma escala, objetivando atingir a finalidade didática do tema; o mesmo ocorre com os desenhos de bandas no restante deste tutorial. Na disposição acima, a banda A (uplink + downlink), com 333 canais, foi destinada a uma determinada operadora. Na mesma região, outra operadora concorrente recebeu autorização para operação na banda B (uplink + downlink), com outros 333 canais. Desse modo, foram criadas as condições justas de competição, evitando-se assim o surgimento de monopólios. Considerando as condições de projeto dos sistemas já existentes, relacionadas com sistemas de células operando e baixas potências (quando comparado com os sistemas anteriores), e levando em conta a impossibilidade de propagação das freqüências na banda de 850 MHz em grandes distâncias, foi possível obter dois grandes progressos: o reuso de freqüências em regiões relativamente próximas dentro da mesma área da operadora e a adoção de outros sistemas de telefonia celular em cidades próximas, o que antes era problemático. Isto proporcionou um considerável aumento na capacidade dos sistemas instalados. O sucesso do AMPS, dentro das condições já mencionadas, foi impressionante. Dos EUA, o sistema foi exportado para praticamente todo o mundo, tornando-se o padrão de telefonia celular na época. Devido à grande demanda, os 666 canais previstos logo caminharam para uma situação de esgotamento. Logo foi percebido que havia necessidade premente de ampliação de faixas para conter um maior número de canais não só para as duas operadoras existentes em cada região, mas também para destinação a outras operadoras em cada região, aumentando ainda mais a competição. Para essa ampliação foi imaginado um acréscimo de 25%, ou seja, uma banda adicional de 2,5 MHz para cada segmento (denominada banda de extensão), o que elevou a quantidade de canais por operadora para 416. O ideal seria uma faixa contínua para cada nova banda, porém a verificação das condições de ocupação do espectro mostravam que já havia serviços operando nessas freqüências. No caso da banda B, foi possível um segmento contínuo de 2,5 MHz que foi denominado B ou banda de extensão B. Para o caso da banda A, isso não foi possível, ficando a banda de extensão fragmentada em duas outras bandas, uma subbanda A com 1,5 MHz de largura e uma subbanda A com 1 MHz de largura. Observar que entre o lado uplink e o lado downlink de qualquer banda de extensão continua existindo o 9

10 afastamento duplex (offset) de 45 MHz, o que possibilita uma margem bastante confortável para a operação dos filtros do sistema. A distribuição resultante dos canais dentro do novo arranjo ficou da seguinte maneira: BANDA A B A' B' A" CANAIS 001 a a a a a 1023 Os canais de números 800 a 990 não foram incluídos, ficando reservados para aplicações especiais. A freqüência central de cada canal N pode ser expressa através das expressões abaixo: Sentido Para o downlink Para o uplink Freqüência Central do Canal 0,03N + 870, para 0<N<800 0,03 (N-1023) + 870, para 990<N<1024 0,03N + 825, para 0<N<800 0,03 (N-1023) para 990<N<1024 As bandas adotadas nos EUA, conforme padrão acima, puderam ser aplicadas com pouca ou nenhuma modificação na maioria dos outros países, o que ajudou na ampla disseminação do AMPS. Juntamente com outros sistemas analógicos ao redor do mundo, o AMPS representou a primeira geração de telefonia móvel (1G). Os outros sistemas de primeira geração foram o TACS, NMT, HCMTS, RTMI, Radiocom 2000, C-Netz, Aurora 400 e Hicap, para citar os mais relevantes. 10

11 Banda para Telefonia Celular: Demanda e Digitalização Devido ao sucesso do sistema AMPS, mesmo sendo um serviço inicialmente caro, a procura se tornou imensa. Mesmo a adoção das faixas de extensão mostrou que também haveria uma saturação. Por outro lado, havia a questão dos serviços. O sistema móvel celular (a exemplo dos sistemas de telefonia fixa) foi inicialmente concebido com vistas ao serviço básico de voz. Outros serviços poderiam ser acrescentados, não só com possibilidade de demanda, como dados, fax e SMS, entre outros, como também como fonte de renda adicional nos serviços. Isso exigiria mais recursos do sistema, praticamente impossíveis de implementar com base em sistemas analógicos e rapidamente se concluiu que a saída estaria na digitalização do sistema, inerentemente com mais capacidade para agregar esses serviços suplementares. Uma exigência era que os novos sistemas digitais teriam que operar sobre as mesmas bandas já existentes, com vistas a evitar profundas (e dispendiosas) modificações na planta instalada. Outra exigência era a necessidade de aumento na eficiência espectral. Objetivando preservar os investimentos existentes, principalmente no parque instalado de ERBs, a estrutura de canais de 30 khz deveria ser mantida. Uma sobreposição dos sistemas digitais (overlay) seria feita gradativamente sobre o AMPS em operação, até a completa extinção desse (processo que hoje já está quase concluído no Brasil, o prazo para desativação dos sistemas analógicos expira em 30/06/2008). Das diferentes propostas, duas se firmaram comercialmente: o D-AMPS e o CDMA, que juntamente com o GSM Europeu caracterizaram a segunda geração (2G) de telefonia móvel, ainda voltada para serviços de voz, porém já abrigando um determinado número de serviços suplementares. O D-AMPS e o CDMA, a exemplo do AMPS, ultrapassaram as fronteiras dos EUA e foram implantados em muitos outros países. O D-AMPS (Digital AMPS ou AMPS digital), padronizado inicialmente pelo padrão IS-54 e aperfeiçoado pelo IS-136, utiliza diretamente a estrutura de canais de 30 khz, mantendo portanto uma compatibilidade plena com o sistema analógico já implantado, justificando o nome inicial. A largura de banda de 30 khz é compartilhada no tempo em 3 intervalos de tempo (time slots TS) comutados digitalmente, numa técnica conhecida como TDMA (Time Division Multiple Access ou Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo). Logo no início da implantação comercial, o nome do sistema D-AMPS foi abandonado na prática, sendo totalmente substituído pelo nome da tecnologia, razão do uso extensivo do nome TDMA até hoje, e doravante utilizado neste tutorial. É importante não confundir a tecnologia TDMA com o nome comercial TDMA, tanto que o sistema GSM também opera com base na técnica TDMA. Onde no AMPS dois assinantes podiam manter uma conversação telefônica entre si, no TDMA seis assinantes puderam manter três conversações independentes, sobre a mesma portadora de RF. Em outras palavras, houve uma triplicação de capacidade. 11

12 Observar que o TDMA combina dois métodos de acesso: o TDMA propriamente dito e o FDMA, naturalmente herdado dos sistemas já existentes. Obviamente a proposta TDMA triplicou a oferta de capacidade, resultando num impressionante parque instalado em todo o mundo. Além da banda de 800 MHz, o TDMA também ocupou a banda de 1900 MHz nos EUA, neste caso usando um offset de 80 MHz. No entanto, a migração do TDMA para a geração seguinte (3G) iria requerer investimentos comercialmente proibitivos, motivo pelo qual o TDMA também está seguindo o mesmo destino do AMPS (desativação progressiva planejada). O CDMA (Code Division Multiple Access ou Acesso Múltiplo por Divisão de Código), no padrão IS-95, concorrente do TDMA nos EUA, apresentou uma proposta revolucionária para os padrões da época. A cultura técnica até então dominante era a de usar sistemas de banda estreita e adotar compressão de sinais objetivando obter o máximo de informação utilizando o mínimo de banda, ou seja, uma racionalização do uso do espectro disponível. Isto vinha como herança dos sistemas analógicos (FDM) e foi sendo repetido nos sistemas digitais, com o desenvolvimento de técnicas de compressão de sinais baseadas em modulação multinível. A proposta do CDMA, ao contrário, defendia a técnica de espalhamento espectral (spread spectrum), na qual seria usada, para um determinado canal, toda a largura de banda disponível, muitas vezes maior que a que seria a princípio necessária para a transmissão de um único sinal. O sinal de voz (ou dados) de um usuário ocuparia toda a banda do canal CDMA, de 1,23 MHz (em números redondos). O que a princípio parece ser uma desvantagem, se torna uma vantagem poderosa, quando se consideram as condições em que esse canal de banda larga é utilizado. Outros assinantes podem utilizar exatamente a mesma banda ao mesmo tempo; a diferenciação entre cada assinante no sistema é feita por códigos especiais associados a cada transmissão, do móvel para a BTS e da BTS para o móvel. Cada ligação em andamento porta um código específico, não ocorrendo o uso do mesmo código para ligações diferentes. Esse código permite a separação eficiente entre todas as chamadas que estão utilizando a mesma banda. A capacidade máxima alcançada depende, entre outros fatores, principalmente do controle de potência de cada chamada e dos sinais interferentes. Quanto menor a potência, maior é o número de chamadas simultâneas (capacidade) no sistema. 12

13 As chamadas no sistema CDMA são caracterizadas por serem mantidas em níveis de potências os mais baixos possíveis, recurso fundamental para a obtenção da máxima capacidade. Devido a isso, o controle de potência do CDMA é um processo extremamente dinâmico e muito sofisticado. Bem elaborado, permite a obtenção de capacidades finais maiores das que seriam obtidas com sistemas de banda estreita, considerando a mesma largura de banda. Maiores informações sobre o CDMA e a técnica de espalhamento espectral podem ser obtidas em outros tutoriais Teleco. Uma portadora do CDMA, com seus 1,23 MHz de largura, ocupa o equivalente a 41 portadoras de 30 khz (30 khz x 41 = 1,23 MHz). Portanto, para que uma portadora CDMA seja utilizada dentro da banda, 41 portadoras TDMA (AMPS) devem ser desativadas. Em termos de TDMA, isso significa 143 conversações simultâneas; no CDMA, no entanto, obtém-se uma maior capacidade devido à excelente eficiência espectral que a tecnologia proporciona. Na banda de 850 MHz, com capacidade total de 832 canais TDMA (AMPS), é possível alocar até 17 portadoras CDMA, espalhadas pelas subbandas A, A, A, B e B. Na prática, essa ocupação total não é possível, considerando que, devido à concorrência, uma operadora não pode ter autorização para o uso de todas essas bandas na mesma região. As portadoras CDMA regulamentadas são: Banda Canal Uplink Downlink A" ,70 869,70 A B ,11 871, ,34 872, ,57 873, ,80 874, ,03 879, ,26 877, ,49 878, ,52 881, ,75 882, ,98 883, ,21 885, ,44 886, ,67 887, ,90 888,90 A' ,73 890,73 B' ,31 893,31 13

14 O canal 37 citado, por exemplo, é o canal central (o mesmo canal que seria usado pelo TDMA) ou freqüência central da banda CDMA. Em torno dele é espalhada a potência da portadora CDMA, no total de ocupação de 1,23 MHz no espectro. O mesmo ocorre com os outros canais. Um detalhe importante é que um sistema CDMA não precisa utilizar o reuso de freqüências. Não só todos os assinantes em atividade podem usar a mesma portadora em uma determinada BTS, como também as BTSs vizinhas podem continuar utilizando a mesma portadora. A não-interferência é obtida através dos códigos. Uma operadora pode utilizar uma única portadora em sua área de cobertura, a não ser que a demanda exija maiores capacidades; nesse caso, novas portadoras são acrescidas apenas para aumento de capacidade do sistema. 14

15 Banda para Telefonia Celular: Bandas de 900, 1800, 1900 e 2100 MHz Banda de 900 MHz GSM Europa Na Europa, conforme já citado, a utilização dos diferentes sistemas celulares era comprometida pela diversidade de padrões existentes, basicamente um para cada país. As incompatibilidades técnicas evitavam a plena utilização, acarretando insatisfações. Também já se previa a necessidade de maior capacidade de canais para atender à crescente demanda. As autoridades técnicas européias, coordenadas pela CEPT, decidiram iniciar o desenvolvimento de um sistema único para toda a comunidade européia. Inicialmente houve uma questão envolvendo a adoção de tecnologia analógica ou digital; estudos teóricos e testes de campo indicaram que a tecnologia digital deveria ser adotada. Outro consenso era que o novo sistema apresentasse plenas facilidades para evoluções futuras. Dessa idéia básica, após um grande trabalho de desenvolvimento envolvendo vários países, nasceu o sistema GSM, cujos fundamentos técnicos foram definidos em Em 1990 foi emitida a primeira especificação. Em 1991 foi instalado o primeiro sistema comercial, na Finlândia, logo seguido por outros em todos os países da comunidade européia. GSM significa Global System for Mobile Communications, tecnologia líder em número de usuários a nível mundial. A tecnologia GSM usa uma combinação das técnicas de acesso FDMA e TDMA estruturada inicialmente sobre a banda de 900 MHz. Uma portadora de RF do GSM (denominada ARFCN) possui largura de banda de 200 khz que, por meio da técnica TDMA, é subdividida em oito intervalos de tempo. Até 8 conversações simultâneas compartilham uma única portadora ou canal de 2 x 200 khz. Na figura a seguir são mostradas as bandas de 900 MHz normalizadas na Europa. Em qualquer dos casos, o espaçamento duplex (offset) é de 45 MHz. 15

16 A banda de 890 a 915 (UL) e 935 a 960 (DL) é denominada P-GSM (Primary GSM ou GSM primário), base do desenvolvimento do sistema GSM e na qual operaram os primeiros sistemas europeus. A capacidade da banda é de 124 canais de 200 khz (124 ARFCNs). A demanda verificada na Europa repetiu o ocorrido nos EUA: logo ficou evidente a necessidade de ampliação de banda. Foi então adotada uma banda de extensão, de 880 MHz a 890 MHz em UL e 925 MHz a 935 MHz em DL. Esta banda, denominada E-GSM (Extended GSM ou GSM estendido) incorporou capacidade adicional de 50 ARFCNs. Outra banda acrescida foi a R-GSM (Railway GSM ou GSM para sistemas ferroviários), de 876 a 880 MHz (UL) e 921 a 925 MHz (DL). Essa banda é também referida como GSM-R (GSM for Railways), com capacidade de 19 ARFCNs, tendo sido inicialmente destinada para uso exclusivo de comunicações e aplicações pelas empresas européias de transporte ferroviário, em funções de coordenação e implementação de todas as atividades de operação e manutenção. Medidas especiais garantem ao R-GSM desempenho adequado a velocidades de até 500 km/h. A exemplo do que aconteceu com o sistema GSM comercial público, o GSM-R extrapolou as fronteiras originalmente previstas. Além de ter sido adotado por todos os países membros da União Européia, foi também adotado por diversos outros países fora da Europa. Na literatura técnica, podem ser encontradas referências às bandas acima de uma forma um tanto invertida: GSM-P em vez de P-GSM, GSM-E em vez de E-GSM e GSM-R em vez de R-GSM. Banda de 900 MHz no Brasil A ITU estabelece diretrizes básicas de utilização de todas as bandas de freqüência em termos globais. São recomendações orientativas, o que não significa que em todos os países serão usadas exatamente as bandas sugeridas. Cada país tem sua própria administração de freqüências, e baseado em diversos fatores, notadamente históricos, podem ocorrer variações. No Brasil, a administração de freqüências está sob a responsabilidade da Anatel. Para o caso brasileiro, a Anatel regulamentou a banda de 900 MHz para operação GSM conforme o esquema abaixo: 16

17 Verifica-se que também no caso brasileiro existem extensões de banda, no total de duas, identificadas com Ext no desenho. Algumas bandas já contam com autorização de operação; outras ainda não foram ainda autorizadas para operação devido à existência de sistemas mais antigos ainda operando nestas faixas. As subfaixas de extensão de 907,5 a 910,0 MHz (UL) e 952,5 a 955,0 MHz (DL) não serão autorizadas a prestadoras do SMP operando nas subfaixas D e E. As subfaixas de extensão de 898,5 a 901,0 MHz (UL) e 943,5 a 946,0 MHz (DL) somente serão outorgadas a prestadoras do SMP que não possuírem autorização de uso nas subfaixas 910,0 a 915,0 MHz e 955,0 a 960,0 MHz - válido para as regiões IV e X do Plano Geral de Outorgas (PGO) (Resolução Anatel N 376 de 02/09/04). Banda de 1800 MHz Original Europa A crescente demanda levou à busca de novas faixas de operação. Na Europa, foi designada a banda abaixo para operação em GSM, que possibilitou uma considerável oferta de capacidade devido ao largo espectro disponível na região de 1800 MHz: 17

18 Esta banda, comportando 374 canais GSM (374 ARFCNs) recebeu duas denominações, GSM 1800 e DCS 1800 (DCS = Digital Cellular System ou Sistema Celular Digital). Essa proposta de banda foi adotada pela maioria dos países, com poucas modificações, com exceção principalmente dos EUA (ver parte relativa à banda 1900 MHz adiante). Essa composição também foi adotada no Brasil pela Anatel, onde a oferta das bandas D e E, dentro do modelo SMP, viabilizou a instalação das operadoras em tecnologia GSM. Banda de 1800 MHz Brasil situação após leilão de sobras de freqüências A situação recente no Brasil levou à constatação que em diversas regiões havia sobras de freqüências para SMP, o que levou a Anatel a promover um leilão dessas freqüências juntamente com duas novas bandas, a banda M e a banda L, instituídas pela Res. 454 de 11/12/06, bem como novas bandas de extensão. 18

19 A Res. 454 regulamentou também as novas bandas a serem utilizadas na seqüência pelos sistemas de terceira geração (3G). A abertura das propostas do leilão de sobras de freqüências ocorreu em 25/09/07, com todas as grandes operadoras realizando aquisições, algumas delas conseguindo com isso o status de cobertura nacional. A nova composição da banda de 1800 MHz ficou conforme a figura seguinte: A banda M foi prevista para duas situações distintas: numa delas, pode atuar como um bloco inteiro, atendendo a uma nova operadora, ou pode ser dividida em duas faixas de 5 MHz cada, caso se mantenham quatro operadoras. As faixas entre 1765 e 1770 MHz, e entre 1770 e 1775 MHz foram criadas como novas faixas de extensão. A banda L (não representada na figura acima) pode ser utilizada para 2G e 3G. Esta banda ficou alocada em uma porção mais elevada no espectro, entre 1850 e 1900 MHz em uplink e entre 1975 e 1980 em downlink. 19

20 Entre essas duas porções estão alocadas as bandas reservadas para a 3G. Devido a esta proximidade, a banda L tem um potencial interferente que não pode ser desconsiderado, como será explicado mais adiante. Banda de 1900 MHz nos Estados Unidos da América do Norte A oferta de sistemas GSM operando em 1800 MHz teve acolhida global, devido a essa banda estar relativamente disponível na maioria dos países, como no Brasil. O mesmo não ocorreu nos EUA, onde já havia outros sistemas operando nesta banda, principalmente em aplicações militares. Na impossibilidade de desativação desses sistemas, foi feita uma adaptação para freqüências na região de 1900 MHz. Esse novo serviço passou a ser denominado PCS 1900 (PCS = Personal Communications Service ou Serviço de Comunicações Pessoais), disponível não somente para operações com sistemas GSM, como também para CDMA e D-AMPS (TDMA). Essa banda é utilizada por alguns outros países, como o Canadá e o Chile. Na figura abaixo é mostrada a composição desta banda. O FCC (Federal Communication Commission, Comissão Federal de Comunicações), órgão fiscalizador e regulador norte-americano para todos os tipos de comunicações eletrônicas, dividiu a banda de 1900 MHz em blocos para concessão a diferentes operadoras. Os blocos A, B e C tem cada um 30 MHz (15 para UL e 15 para DL), enquanto que os blocos D, E e F tem cada um 10 MHz (5 para UL e 5 para DL). O bloco de extensão, visando também contemplar diferentes operadoras, tem duas formas de subdivisão: em dois blocos, C1 e C2, cada um com 15 MHz (7,5 para UL e 7,5 para DL), ou três blocos, C3, C4 e C5, cada um com 10 MHz (5 para UL e 5 para DL). Em qualquer caso, o espaçamento duplex (offset) é de 80 MHz. Banda 3G da ITU A ITU, no ano 2000, sob aprovação unânime das partes envolvidas, lançou as especificações técnicas para a terceira geração (3G) de telefonia celular, denominada IMT-2000 (International Mobile Telecommunications ), cuja principal proposta é proporcionar interoperabilidade e interfuncionamento totais dos sistemas móveis, evitando assim a fragmentação que caracterizou as gerações anteriores (1G e 20

21 2G). Foi sugerida uma alocação de bandas a nível mundial, que seriam adaptadas em cada país para atender a características regionais específicas. As bandas sugeridas pela ITU são mostradas abaixo: Buscando uma adequada eficiência espectral, os sistemas 3G a serem implantados nesse padrão devem ser baseados na tecnologia CDMA com portadoras de 5 MHz de largura, denominados UMTS (universal mobile telephone system ou universal mobile telecommunications service) com interface rádio WCDMA (wideband CDMA ou CDMA em banda larga). Isso carrega uma diferença importante em relação ao sistema CDMA original, baseado no padrão IS-95, que fixa a largura de cada canal em 1,23 MHz (números redondos). Existem sistemas 3G baseados no canal de 1,23 MHz de largura, denominados 1xEVDO, porém não se adequam ao padrão UMTS, universalmente adotado. Por esse motivo, os sistemas 1xEVDO já implantados tendem a não ser expandidos. Banda 3G Brasil No Brasil, a alocação de bandas adotada pela Anatel, conforme Res. 454 de 11/12/06 e edital 002/2007 é a seguinte: Há uma banda de 15 MHz (banda F), sendo as restantes G, H, I e J com largura de 10 MHz. A banda L, com 5+5 MHz de largura e prevista tanto para 2G como para 3G, foi licitada por ocasião do leilão de sobras de freqüências do SMP, ocorrido em setembro de Essa banda é um tanto problemática devido ao seu potencial interferente, conforme será explicado mais adiante. 21

22 A banda H não foi incluída no leilão inicial, tendo sido reservada pela Anatel para uma segunda oportunidade de venda de licenças 3G (previsão: segundo semestre de 2008). Esta banda tanto pode ser reservada para a entrada de novas operadoras ou de empresas menores como compartilhada pelas existentes, tendo a vantagem de não estar atrelada a compromissos de abrangência, como ocorreu com as outras bandas. A faixa de freqüências entre 1885 e 1895 ficará reservada para futuras operações na modalidade TDD (time division duplex ou operação duplex por divisão de freqüência). Nesta modalidade, tanto a transmissão como a recepção utilizam a mesma freqüência, não existindo portanto separação duplex e filtros diplexadores. A operação em TDD ficará para uma fase posterior à implantação da 3G em andamento, visto estar ainda em desenvolvimento. Potencial interferente Com a atribuição das bandas para 3G (F, G, H, I e J), foi levantada a preocupação relacionada com interferências sobre essas bandas. Essas interferências podem advir de sistemas operando logo abaixo da banda F ou logo acima da banda J, neste último caso especificamente a banda L em downlink. Aqueles que obtiverem o direito de uso das bandas consideradas interferentes deverão arcar com os custos no caso de necessidade de proteção das outras subfaixas de 3G. Isso inclui, além da adoção de bandas de guarda, exigências adicionais de filtragem e contramedidas de mitigação, tanto nas instalações próprias como eventualmente nas instalações das estações interferidas. Outra possibilidade técnica é, devido a interferências sobre a banda J e a pedido da autorizada dessa banda, ocorrer uma modificação na alocação das freqüências da banda L da seguinte forma: a banda de 1975 a 1980 MHz, originariamente para downlink, passaria a ser utilizada para uplink. Devido ao espalhamento geográfico e à menor potência utilizada pelos terminais móveis, a possibilidade de interferência sobre a banda J fica assim consideravelmente atenuada. Por sua vez, as emissões em downlink seriam feitas na banda 2165 a 2170 MHz, situação com pouca possibilidade de potencial interferente. A operadora receberia autorização para operação nessa nova banda, com a condição de devolver sem ônus à Anatel a banda de 1895 a 1900 MHz, tornada ociosa nesse processo. Com isso são solucionadas interferências e mantido o uso racional do espectro. No caso específico do Brasil, ocorreu que a mesma operadora que adquiriu a banda J já havia adquirido anteriormente a maior parte da banda L no leilão de sobras do SMP, tornando-se usuária no uso das duas bandas em praticamente todo o território nacional. Com isso, o problema de interferência acaba sendo administrado internamente. 22

23 Banda para Telefonia Celular: Outras bandas e usos Além das bandas padronizadas citadas, outras bandas e usos mais raros podem ser citados. Banda de 450 MHz Essa banda foi utilizada inicialmente na Europa para os primeiros sistemas celulares analógicos. Ainda hoje há sistemas celulares operando nesta banda na Escandinávia, por exemplo, com GSM adaptado (GSM 400) coexistindo com antigos sistemas analógicos de primeira geração na banda de 450 MHz (NMT). Há também uma proposta para uso rural de sistemas CDMA nesta banda. GSM em 850 MHz É tecnicamente viável, embora bem menos comum, que sistemas GSM operem nas bandas A e B e respectivas extensões. A operação na banda de 850 MHz apresenta algumas vantagens. Uma delas se refere à melhor penetração em edifícios, quando comparado com freqüências maiores. A operadora pode usar maiores potências, o que no conjunto redunda num menor número de torres e antenas, aspecto importante quando há problemas com a comunidade na instalação de mais torres, bem como no aspecto redução de custos. A cobertura é mais consistente, pois as variações do sinal não menores durante movimentações do usuário. Além disso, há a possibilidade de utilizar espectro relativo aos canais que estão sendo liberados devido à migração de tecnologias - de TDMA para GSM nas bandas 900 e 1800 MHz. Esses canais correspondem a licenças já adquiridas justificando assim a continuidade do investimento. Há desvantagens, no entanto, a principal delas sendo relacionada aos terminais móveis. Esses terminais devem ser em princípio dual-mode (TDMA e GSM) e quadri-band, cobrindo 850, 900, 1800 e 1900 MHz. A oferta desses terminais é relativamente escassa. Outro problema é relacionado com cobertura (nova) e roaming. Há sistemas GSM 850 operando no Canadá, no Panamá e nos EUA (duas grandes operadoras e algumas pequenas), além de diversos outros países da América Latina e inclusive no Brasil. 3G em 850 MHz Da mesma forma que para operação GSM, já estão se tornando viáveis, inclusive no Brasil, sistemas 3G no padrão UMTS operando na banda de 850 MHz. Após entraves iniciais, esta viabilização de operação se concretizou após o anúncio pela Anatel, em 31/10/07, que as tecnologias 3G podem ser utilizadas em todas as faixas destinadas ao SMP, inclusive a de maior interesse, a faixa de 850 MHz. Há sobra de espectro nessa faixa, motivada pela migração para o GSM para as bandas de 900 e 1800 MHz, além das características favoráveis de cobertura proporcionadas. Sistemas troncalizados Sistemas troncalizados ou Trunking são sistemas de telefonia móvel que originariamente operavam na modalidade despacho (PTT) e que, com a evolução tecnológica e comercial, se tornaram sistemas de comunicação com características equivalentes à telefonia celular. 23

24 Os sistemas troncalizados não são a princípio abertos à correspondência pública, e sim voltados a atender às necessidades de comunicação de pessoas jurídicas ou grupos de pessoas, naturais ou jurídicas, caracterizados pela realização de atividade específica. O serviço visa principalmente o mercado corporativo e apresenta algumas características como o pushto-talk que também começaram a ser incorporados aos sistemas celulares. No Brasil, o serviço é definido pela Anatel como SME Serviço Móvel Especializado; em inglês a sigla utilizada é SMR (Specialized Mobile Radio). Para esse serviço, as faixas regulamentadas no Brasil pela Anatel são mostradas abaixo: A tecnologia líder é a iden, que utiliza a técnica de acesso TDMA. Outras tecnologias são EDACS e LTR, de uso bem menos freqüente. No iden, são utilizados canais de 25 khz de largura, que são compartilhados por até seis usuários. Cada uma das bandas (A, B, C) tem capacidade para 200 canais de 25 khz. Uma característica operacional marcante é o uso do push-to-talk (PTT), que simula a operação half-duplex dos transceptores rádio e permite uma ocupação extremamente eficiente da canalização disponível. Os aparelhos mais recentes incorporam diversas novas conquistas tecnológicas, como por exemplo, o GPS, entre outros. Banda C Existe certa confusão a respeito do que seja exatamente a banda C. Não existe uma atribuição cabal do que seja essa banda em termos de freqüências. Não é uma banda específica, como as já regulamentadas A, B, D, E, M, L, F, G, I e J. Trata-se, na verdade, de uma designação genérica, não regulamentada, para referência a qualquer banda de extensão. Limite de banda por operadora O limite máximo total por prestadora de SMP em uma mesma área geográfica é de 50 MHz, passando a 80 MHz quando esta operadora adquirir freqüências nas subfaixas de e MHz (F, G, H, I e J) e a 85 MHz quando também for adquirida uma subfaixa prevista para operação em TDD. 24

25 Banda para Telefonia Celular: Considerações Finais Este tutorial se propôs a oferecer apenas uma visão geral das bandas de freqüência mundialmente regulamentadas, com enfoque na realidade brasileira, já com a inclusão das novas bandas recentemente regulamentadas (sobras de freqüências, novas bandas de extensão e bandas para 3G). O tema foi abordado preferencialmente sob um contexto histórico, objetivando uma melhor aplicabilidade didática para uma compreensão mais completa, fugindo da aridez das normas técnicas e regulamentações. Evidentemente, a matéria possui uma abrangência muito maior, que pode ser obtida consultando a regulamentação existente, da ITU, a nível mundial, e principalmente da Anatel, no caso brasileiro. O tema foi enfocado nas comunicações móveis terrestres, sistemas conhecidos como PLMN (Public Land Mobile Network ou Rede Pública Móvel Terrestre), sem considerar os sistemas móveis conectados por satélites (SMGS), para os quais há uma designação específica de freqüências. Referências ITU - Anatel - Wikipedia - P. R. G. Pinheiro, Ciclos Evolutivos das Telecomunicações - Tutorial Teleco, 07/06/2004 Teleco - Teleco - 25

26 Banda para Telefonia Celular: Teste seu Entendimento 1. Para que um sistema de telefonia móvel atenda a maior demanda possível, é necessário: Usar grandes potências nas estações base (BTSs ou ERBs). Usar técnicas digitais e uso otimizado do espectro. Permitir às operadoras o uso da banda que for mais conveniente. Usar sistemas analógicos que permitem o mínimo de banda ocupada. 2. A separação de uma banda em sub-bandas tem por objetivo: Dividir o espectro para melhor destinação entre operadoras concorrentes. Facilitar filtragens nos equipamentos. Permitir que os equipamentos operem de forma mais estável devido a usar bandas menores. Diminuir o ruído dos sistemas. 3. Os sistemas de telefonia móveis foram digitalizados por que: Os fabricantes de sistemas analógicos anunciaram que iriam deixar de produzi-los. A moda era digitalizar. Havia necessidade de redução de banda e ampliação dos serviços. Nenhuma das anteriores. 4. A banda de 1800 MHz foi adotada na Europa e depois em outros países para: Ampliar a oferta de capacidade. Concorrer com a banda de 1900 MHz nos EUA. Diminuir o tamanho dos aparelhos móveis. Todas as anteriores. 26

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