Este tutorial apresenta os conceitos básicos de Sistemas Celulares CDMA (IS-95).

Transcrição

1 CDMA (IS-95) Este tutorial apresenta os conceitos básicos de Sistemas Celulares CDMA (IS-95). Eduardo Tude Engenheiro de Teleco (IME 78) e Mestre em Teleco (INPE 81) tendo atuado nas áreas de Redes Ópticas, Sistemas Celulares e Comunicações por Satélite. Ocupou várias posições de Direção em empresas de Teleco como VP de Operações da BMT, Diretor de Operações da Pegasus Telecom e Gerente de Planejamento Celular da Ericsson. Pioneiro no desenvolvimento de Satélites no Brasil (INPE), tem vasta experiência internacional, é detentor de uma patente na área e tem participado constantemente como palestrante em seminários. Assumiu em 2002 um novo desafio profissional como empreendedor e Presidente do Teleco. etude@teleco.com.br Categoria: Telefonia Celular Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 21/04/2003 1

2 CDMA: Arquitetura O CDMA é uma tecnologia que utiliza espalhamento espectral (Spread Spectrum) como meio de acesso para permitir que vários usuários compartilhem uma mesma banda de freqüências. O CDMA permite uma melhor utilização do espectro possibilitando um aumento de capacidade dos sistemas celulares. A família de normas da TIA IS-95 da Telecommunications Industry Association dos Estados Unidos padronizou os sistemas celulares digitais de segunda geração conhecidos popularmente como CDMA, ou cdmaone e que são baseados no IS-95. Esta tecnologia foi em grande parte desenvolvida pela empresa americana Qualcomm. O CDMA tem a estrutura básica dos sistemas celulares e oferece as mesmas funcionalidades básicas associadas à mobilidade como roaming e handover entre células. (Consulte o Tutorial Telefonia Celular no Brasil). A arquitetura básica de um Sistema Celular CDMA (IS-95) é apresentada na figura a seguir. Mobile Station (MS) Ou Estação Móvel é o terminal utilizado pelo assinante. A estação móvel é identificada por um MIN (Mobile Identification Number). O equipamento dispõe ainda de um número de série eletrônico (ESN). Estação Rádio Base (ERB) Equipamento encarregado da comunicação com as estações móveis em uma determinada área que constitui uma célula. Base Station Controller (BSC) 2

3 Controla um grupo de ERBs. Em alguns sistemas CDMA as funções do BSC são implementadas na CCC. Central de Comutação e Controle (CCC) É a central responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis localizadas em uma área geográfica designada como a área da CCC. Home Location Register (HLR) Ou Registro de Assinantes Locais é a base de dados que contém informações sobre os assinantes de um sistema celular. Visitor Location Register (VLR) Ou Registro de Assinantes Visitantes é a base de dados que contém informações sobre os assinantes em visita (roaming) a um sistema celular. 3

4 CDMA: Interface entre Estação Móvel e ERB As características principais da interface entre Estação Móvel e ERB são apresentadas a seguir. Freqüências de Operação (MHz) O CDMA IS-95 foi desenvolvido nos Estados Unidos e padronizou as freqüências utilizadas nesse país. 800 MHz PCS 1900 Estação Móvel -> ERB ERB -> Estação Móvel Espaçamento entre Freqüências ( Transmissão e Recepção) No Brasil o CDMA tem sido utilizado pelas operadoras na faixa de 800 MHz nas Bandas A e B. Teve também um uso limitado na freqüência de 1,9 GHz para Telefonia Fixa (WLL) uma vez que está faixa não está ainda disponível no Brasil para Telefonia Celular. Canalização As Bandas do CDMA são divididas em canais de RF, onde cada canal consiste de um par de freqüências (Transmissão e Recepção) com 1,25 MHz de banda cada. Teoricamente poderiam existir, portanto, até 10 canais de RF em uma Banda de 12,5 MHz como ocorre na faixa de 800 MHz. Na prática o número é menor pois esta Banda é dividida com o AMPS e é necessário estabelecer uma guarda banda. Diferente dos demais sistemas onde o múltiplo acesso de vários terminais a um mesma ERB é feito alocando uma freqüência para cada terminal (AMPS), ou compartilhando uma mesma faixa de freqüência mas transmitindo em tempos diferentes (TDMA), no CDMA o acesso múltiplo de canais que compartilham uma mesma banda de freqüências é feito pela utilização de códigos diferentes pelos vários terminais. A informação é extraída destes canais conhecendo-se a chave específica com a qual cada canal é codificado. O CDMA utiliza a técnica de Spread Spectrum na qual o sinal de informação é codificado utilizando-se uma chave de código que provoca o seu espalhamento espectral em uma banda transformando-o aparentemente em ruído. Os códigos utilizados podem ser ortogonais (Walsh) ou PN ( Pseudo-noise ). Um bit deste tipo de código é conhecido como "chip" e a taxa de bits deste código de chip rate. Este tipo de espalhamento espectral é denominado espalhamento espectral por seqüência direta. 4

5 O CDMA utiliza três tipos de código todos com uma taxa de 1,2288 megachips. Walsh Conjunto de 64 códigos ortogonais W0 a W63. PN longo PN curto Conjunto de 4,398 x códigos diferentes ( ), gerados por um registrador de deslocamento de 42 bits. Conjunto de códigos diferentes (2 15 1), gerados por um registrador de deslocamento de 15 bits. Na comunicação entre estação móvel e ERB utilizam-se esquemas de codificação diferentes em cada direção do enlace. Canais Códigos Modulação ERB -> Estação Móvel Piloto Paging Sincronismo Tráfego Walsh PN longo para criptografia PN curto QPSK Estação Móvel -> ERB Tráfego Acesso PN longo PN curto Walsh para modulação OQPSK Cabem ainda os seguintes comentários: Todos os canais recebem ainda uma outra máscara com o código de espalhamento PN curto para identificação do setor do transmissor na ERB o que possibilita o reuso de freqüência entre setores. Os canais de piloto e sincronismo são necessários para decodificação quando se utiliza códigos de Walsh. No enlace entre ERB e Estação Móvel os códigos de Walsh são usados para identificar canais diferentes. No enlace reverso os códigos de Walsh são usados para identificar diferentes grupos de seis símbolos. O canal de acesso é utilizado para a Estação Móvel se comunicar com a ERB quando ainda não tem nenhum canal de tráfego designado. Os canais de tráfego são utilizados para voz/dados do usuário e informação de sinalização. Os codificadores de voz (vocoder) mais utilizados no CDMA são do tipo EVRC (Enhanced Variable Rate Coder) que utilizam taxas que variam entre 1,8 Kbit/s, 3,6 kbit/s, 7,2 kbit/s e 14,4 kbit/s. O IS-95 é portanto uma combinação de FDMA e CDMA. Capacidade do CDMA A figura a seguir traduz uma situação de carregamento de um canal de RF do CDMA. 5

6 Quanto mais usuários utilizam o canal maior o ruído, aumentando a interferência para os canais que utilizam a mesma banda até um limiar quando não é mais possível decodificar os canais. Esta interferência também é tanto maior, quanto maior for a potência individual de cada canal transmitido naquela banda. Este comportamento motivou o desenvolvimento de um sofisticado mecanismo de controle de potência nos terminais e ERBs de um sistema CDMA. Este controle de potência leva também à expansão e à contração do raio de uma célula CDMA conforme o seu carregamento com tráfego. A setorização de células é usada para reduzir a interferência, uma vez que cada setor utiliza antenas direcionais e não interfere nos demais setores da célula. Um dos fatores que contribui para a grande capacidade alcançada por sistemas CDMA é a possibilidade de utilização de reuso de 1, ou seja, a mesma freqüência de portadora é reutilizada em todas as células. 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. 6

7 CDMA: IS-41 O IS-41 é o protocolo desenvolvido pela TIA (Telecommunications Industry Association) dos Estados Unidos para implementar a sinalização entre redes celulares e possibilitar o roaming entre operadoras. Ele é o protocolo utilizado por sistemas baseados em padrões desenvolvidos pela TIA como AMPS, TDMA (IS-136) e CDMA (IS-95). No Brasil, a rede nacional de roaming, que possibilita o roaming automático entre celulares das Bandas A e B, é baseada no protocolo IS-41. O Protocolo IS-41 é dividido em duas partes: Serviços de Aplicação IS-41 e Serviços de Transferência de Dados. Serviços da Aplicação IS 41 (Camada OSI 7*) Serviços de Transferência de Dados (Camadas OSI 1, 2 e 3) IS-41 MAP TCAP (ANSI) SCCP (ANSI) MTP (ANSI) X.25 Serviços de Transferência de Dados O IS-41 especifica duas opções para estas camadas: Protocolo X.25 e as camadas MTP (Message Transfer Part) e SCCP (Signaling Connection Control Part) do protocolo SS7 padrão ANSI adotado nos Estados Unidos. Serviços de Aplicação Para os serviços de aplicação foi especificada uma camada IS-41 MAP (Mobile Application Part) que implementa as funções de mobilidade associadas ao roaming entre sistemas celulares. Esta camada utiliza como suporte o TCAP (Transaction Capabilities Application Part) do protocolo SS7 padrão ANSI. As camadas OSI 4, 5 e 6 são nulas. 7

8 CDMA: Serviços Os sistemas CDMA (IS-95) oferecem além dos serviços de telefonia (voz) dezenas de serviços suplementares, tais como identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência. O Serviço de Mensagens Curtas (SMS) tem suporte do IS-41 para assinantes em roaming. Os Serviços de Mensagem Multimídia (MMS) que permitem aos assinantes móveis enviar fotos, vídeos e áudio, assim como o acesso a Internet têm sido os motivadores para a evolução dos sistemas CDMA no sentido de oferecerem conexões de dados com altas taxas. Esta evolução para serviços de terceira geração com taxas de dados de até 2 Mbit/s vem sendo padronizada pelo 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) e mantém a compatibilidade com os sistemas IS-95 e sua estrutura de canais de RF de 1,25 MHz. Estão sendo desenvolvidos os seguintes padrões: Geração 2 G 2,5 G 3G Tecnologia cdmaone (IS-95 A e B) CDMA2000 1X* CDMA 1xEV-DO CDMA 1xEV-DV Taxa de dados (teórica) 14,4 kbit/s 153 kbit/s 2,4 Mbit/s * CDMA2000 1X= CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT ou cdma2000 1x. O CDMA 1xEV tem sua evolução em duas etapas: 1xEV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1,25 MHZ é dedicada apenas para dados, e posteriormente 1xEV-DV (Data and Voice) onde uma portadora poderá ser utilizada para voz e dados. O CDMA 1xRTT já se encontra em operação no Brasil com uma portadora dedicada a dados. 8

9 CDMA: Considerações Finais O CDMA atingiu em março de 2003 segundo o EMC a marca de 146 milhões de assinantes ou 12,85% dos assinantes mundiais, sendo que 42% destes assinantes estão nos Estados Unidos onde mais de 40% dos celulares são CDMA. O CDMA representava em dezembro de 2002 no Brasil 32% dos assinantes de celular. Consulte as seções de referência rápida do Teleco. A evolução dos sistemas celulares para 3G deve consolidar a existência de duas famílias de padrões a nível mundial: o GSM e o CDMA evoluindo a partir do IS-95. Os esforços de padronização de sistemas de 3G pela UIT através do projeto IMT-2000 deu origem a dois projetos: 3GPP (Third Generation Partnership Project) e o 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2) para o GSM e CDMA respectivamente. As diferenças entre estas famílias envolvem as características da interface rádio entre Estação Móvel e ERB e o padrão da sinalização utilizada na arquitetura da rede e no roaming. Estas diferenças refletem os diferentes padrões utilizados nos países de onde se originam, ou seja, GSM, da Europa, e CDMA IS-95 e IS-41, dos Estados Unidos. Referências 3GPP2 Responsável pela padronização da evolução do CDMA para o 3G. TIA Desenvolveu as normas para o CDMA. CDG CDMA Development Group, consórcio internacional de empresas que dão suporte ao CDMA. Wireless BR Possui seção com vários artigos sobre CDMA. 9

10 CDMA: Teste seu Entendimento 1. Assinale a alternativa falsa As Bandas do CDMA são divididas em canais de RF com 1,25 MHz de banda cada. As interfaces de sinalização para roaming em uma rede CDMA são baseadas no protocolo IS-41. A estrutura de codificação dos canais CDMA é a mesma nos dois sentidos de comunicação entre ERB e Estação Móvel. Os canais de piloto e sincronismos são necessários para decodificação quando se utiliza códigos de Walsh. 2. Assinale a Alternativa verdadeira O 3GPP (Third Generation Partnership Project) é responsável pela padronização da evolução do CDMA (IS-95) para 3G. O CDMA (IS-95) não suporta SMS. O IS-41 é suportado pelo SS7 (ANSI). O CDMA e o TDMA (IS-136) tem a mesma capacidade. 3. Assinale o elemento que não faz parte da arquitetura de uma rede CDMA (IS-45. CCC SIM Card ERB HLR VLR 10