MIEEC Turma 2 Grupo D. Miguel António Teixeira Costa Leite Rui Filipe Monteiro Carneiro Colaço Luís Diogo de Lima Coelho e Teixeira Cagigal

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1 2013/2014 1º Semestre MIEEC Turma 2 Grupo D Miguel António Teixeira Costa Leite Rui Filipe Monteiro Carneiro Colaço Luís Diogo de Lima Coelho e Teixeira Cagigal Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores GERAÇÕES DE TELEMÓVEIS De onde viemos? Onde estamos? Para onde vamos? Supervisor: Professor Sílvio Abrantes Moreira Monitor: Telmo Sousa Lima Porto, Novembro

2 Agradecimentos Desde já, queríamos deixar umas palavras de agradecimento ao nosso supervisor, o Professor Sílvio Abrantes Moreira, e ao nosso monitor, Telmo Sousa Lima, por todo o apoio e disponibilidade prestados ao longo do desenvolvimento do trabalho. Para além disso, não nos queríamos deixar de dirigir a toda a organização da primeira semana do semestre relativa ao Projeto FEUP, na qual nos foi disponibilizada uma infinidade de ferramentas para o desenvolvimento de projetos futuros, em paralelo com a nossa integração na faculdade. E ainda a todos os responsáveis pela biblioteca, sem a qual seria impossível a realização de uma pesquisa mais aprofundada e complexa. 2

3 Resumo Este relatório foi criado e desenvolvido no âmbito da Unidade Curricular Projeto FEUP, de modo a que o tema fosse bem explorado e pudessem surgir respostas para cada uma das questões a ele associadas: De onde viemos? Onde estamos? Para onde vamos? Como forma de atingir esses objetivos, foi feita uma abordagem a todas as gerações de comunicações celulares desde a sua criação, permitindo, desta forma, uma análise detalhada da evolução dos telemóveis ao longo dos tempos e da sua necessidade para a sociedade. Assim, começando pela 1ª Geração e terminando numa simples perspetiva futura da 5ª, é explorado todo o panorama das comunicações celulares na qual são delineadas as características das diferentes gerações, sendo feita, posteriormente, uma comparação entre elas, refletindo sobre as suas diferenças, tal como vantagens e desvantagens. 3

4 Glossário FDMA Frequency Division Multiple Access NMT Nordic Mobile Telephone AMPS Advanced Mobile Phone System TACS Total Access Communication System RTMI Radio Telefono Mobile Integrato NTT Nippon Telegraph and Telephone JTACS Japanese Total Access Communication System WAP Wireless Application Protocol TDMA Time Division Multiple Access CDMA Code division multiple access GMS Global System For Mobile Communications ITU International Telecommunication Union GPRS General Packet Radio Service EDGE Enhanced Data For GSM Evolution HSCSD High Speed Circuit Switched Data UMTS Universal Mobile Telecommunications System HSPA High Speed Packet Access EV DO Evolution Data Optimized LTE Long Term Evolution ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line 4

5 Índice Introdução...6 De onde viemos?...7 1G 7 2G..10 2,5G...12 Onde estamos? G..13 3,5G G..15 Para onde vamos? G..17 Diferenças ao longo da Evolução Conclusão.21 Bibliografia 22 5

6 Introdução A comunicação é algo inerente ao ser humano desde os primórdios do nosso planeta. Pode ser feito, então, um paralelismo com o facto dos telemóveis serem essenciais para o estilo de vida do século XXI. Hoje em dia, quem não tem um? Efetivamente, tornaram se imprescindíveis na vida de qualquer pessoa, assumindo um papel fulcral nas relações inter pessoais, sejam íntimas ou profissionais. A intensa utilização deste tipo de redes sem fios exigiu o desenvolvimento de tecnologias fundamentais, especialmente relativas a frequências mais elevadas para que as diferentes gerações fossem utilizadas de forma mais eficiente. Nas últimas décadas, as tecnologias móveis foram classificadas de acordo com a sua geração, de acordo com o tipo de serviços, as velocidades e as transferências de dados de cada classe. 6

7 De onde viemos? 1ª Geração A primeira geração (1G) funcionava através de sistemas de comunicações analógicas. Eram apenas usados para comunicação de voz no mesmo país e tinham uma qualidade de ligação altamente variável devido às interferências. Os sistemas 1G tinham diversas limitações, uma vez que se tratavam de sistemas de rádio analógicos. A baixa segurança que proporcionavam era outra característica desvantajosa, devido à falta de suporte de qualquer tipo de encriptação facilitando a escuta de ligações alheias através de um sintonizador de rádio, tal como a usurpação de frequências, podendo creditar as ligações noutra conta. O telefone e a sua bateria tinham geralmente as dimensões de uma folha A4 e eram muito pesados, sendo transportados como malas, desencorajando qualquer pessoa a adquirir um equipamento. Devido às frequências utilizadas por estes sistemas, era necessário que os terminais apresentassem uma antena de grandes dimensões. A 1G utilizava diferentes normas (standard) de rede que usavam multiplexagem por divisão em frequência (FDMA), tais como: NMT (Nordic Mobile Telephone), utilizado nos países nórdicos, Suíça, Holanda, Europa Oriental e Rússia, usando entre 450 MHz e 900 MHz; AMPS (Advanced Mobile Phone System), utilizado na América do Norte e Austrália, que usava FDMA na banda de 800 MHz; TACS (Total Access Communications System), usado no Reino Unido; C 450 na Alemanha Ocidental, Portugal e África do Sul; 7

8 Estes sistemas, devido à sua natureza, congestionavam facilmente, pois o número de canais disponíveis era muito limitado. A rede era composta por poucas antenas de grande potência que disponibilizavam um número de canais reduzido. Em Portugal o serviço de comunicações móveis a usar a tecnologia de 1ª Geração foi oferecido pela TMN durante 10 anos, de 1989 a

9 AMPS AMPS (Advanced Mobile Phone System), desenvolvido pela Bell Labs, foi a principal norma da primeira geração de telecomunicações wireless, composta por sistemas analógicos. O AMPS é um sistema que utiliza Frequency Division Multiple Access (FDMA). No AMPS, um canal de voz é disponibilizado e permanece dedicado a uma chamada durante toda a sua duração. O que realmente separa a AMPS de sistemas mais antigos é a funcionalidade de configuração de chamada. Em AMPS, os centros de células podiam atribuir canais flexivelmente para aparelhos portáteis baseados na intensidade de sinal, permitindo que a mesma frequência fosse reutilizada em vários locais, sem interferência. Ainda assim, como era um padrão analógico, era muito suscetível a estática e ruído, e não tinha qualquer proteção contra as escutas de conversa. 9

10 2ª Geração A segunda geração (2G) passa a ser digital, permitindo a troca de mensagens escritas de texto e o acesso à internet com baixas velocidades, utilizando a tecnologia WAP. Esta geração torna se mais eficiente, mais fiável, segura e prática. Com o aparecimento deste tipo de tecnologias, surgiu a possibilidade de existir um maior número de ligações simultâneas nos mesmo espectros de rádio frequência. Assim, foi possível a integração de novos tipos de serviços. Por isso, foi a partir deste novo avanço tecnológico que se deu uma explosão de consumo de telecomunicações pessoais. A 2G funcionava segundo dois tipos de norma de rede, TDMA (Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Access) dependendo do tipo de multiplexadores usados. As principais normas eram: o GSM (Global System for Mobile Communications) que surgiu na Europa e funcionava na banda de 450 MHz (TDMA); IS 95 nos EUA e CDMA na Ásia. 10

11 GSM GSM (Global System for Mobile Communications) é uma tecnologia móvel e uma norma bastante utilizada pelos aparelhos da segunda geração. Diferencia se dos seus antecessores, uma vez que o sinal e os canais de voz são digitais, para além de ter tornado o roaming internacional bastante comum. A disponiblização de serviços a baixo custo é a grande vantagem do GSM. Tome se como exemplo a troca de mensagens de texto. Este serviço foi originalmente desenvolvido para o GSM, o que possibilita a sua utilização sem grandes custos. Por outro lado, a grande desvantagem deste tipo de tecnologia resulta do facto de a norma ser baseada na rede TDMA, que é considerada menos avançada que a sua concorrente, a CDMA. 11

12 2.5 Geração Apesar de nunca ter sido oficialmente reconhecido pela ITU, a 2.5G é considerado o patamar de transição entre as tecnologias 2G e 3G. O termo surgiu para ser feita referência a serviços de transmissão de dados mais rápidos ainda fornecidos pela tecnologia 2G, permitindo um acesso mais eficiente à internet. Utiliza tecnologias como GPRS (General Packet Radio Service), EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution), 1XRTT e HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). O EDGE (também conhecido como 2,75G) é uma versão de maior largura de banda do GPRS (e por isso muitos o chamam de E GPRS), e permite velocidades máximas de até 384 kbps. 12

13 Onde estamos? 3ª Geração A tecnologia 3G permite a disponibilização de uma ampla gama de serviços, devido ao facto de funcionarem através de uma rede com melhorias na eficiência espectral. Assim, combinam num único aparelho as mais recentes tecnologias. De entre todas as novidades, destaca se a transmissão de dados a longas distâncias, permitindo uma profunda utilização da internet móvel, e o suporte a qualquer tipo de multimédia, como vídeos, músicas, fotografias, etc. Existe um conjunto de tecnologias que se enquadram nos sistemas 3G e das quais destacamos o UMTS, WCDMA, EV DO e HSPA. 3.5 Geração A 3.5G surge a partir do desenvolvimento de tecnologia 3G. Apresenta se como um passo na direção da futura quarta geração. Destaca se da terceira geração, na medida em que suporta velocidades de transferência de dados mais elevadas. 13

14 UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) é uma das principais tecnologias de rádio da terceira geração das telecomunicações wireless. O termo é adotado para designar a norma de 3ª Geração estabelecido como evolução para operadoras de GSM. Mas a UMTS não trata apenas de rádio: a rede de acesso por rádio conecta se à rede principal que é uma evolução do núcleo do GSM. A rede principal permite que as estações base de casa se conectem diretamente à rede principal através das linhas de ADSL. Assim como o GSM se tornou sinónimo de todo o sistema móvel de segunda geração, a UMTS torna se agora o sinónimo do sistema móvel de terceira geração. Fig 1: UMTS Multi Radio Network 1 1 UMTS Multi Radio Network, in 14

15 4ª Geração 4G é a nova geração de comunicações móveis que vem melhorar os sistemas 3G e à qual estão associadas desde logo, um conjunto de vantagens que equiparará a experiência de utilização dos serviços móveis à das comunicações fixas em fibra: maior velocidade, maior largura de banda, tal como melhor cobertura e qualidade de rede. Através do 4G, os utilizadores terão a oportunidade de usufruir de maiores débitos de transferência de dados, assim como de uma maior eficiência e performance no acesso a serviços disponíveis na Internet. Comparativamente com o 3G, os utilizadores das comunicações móveis podem, ainda, através do 4G, beneficiar de uma melhor eficiência de utilização do espectro electromagnético, igualando a qualidade até agora só possível em ADSL ou fibra óptica, mas num universo móvel. Tecnologias como o WiMax ou Long Term Evolution (LTE) são os principais sistemas associados às tecnologias de quarta geração. Em suma, a tecnologia 4G possibilita aos telemóveis capacidades até agora atribuídas apenas aos computadores. A informação vai passar a estar ainda mais acessível através de uma rede de internet aberta, sem fios, cuja velocidade pode atingir até 100 vezes a da rede 3G. Torna se, agora, mais fácil incluir novas funcionalidades e novidades, actualizando permanentemente os aparelhos, sem que, para isso, seja necessário adquirir um novo telemóvel. Fig 2: Evolução das normas 2 2 Evolução das Normas Tecnológicas, in 15

16 LTE Long Term Evolution (LTE) é a principal plataforma de tecnologia rádio de quarta geração. Faz parte do caminho evolucionário para ligações móveis wireless que começou com a norma de GSM. O principal objetivo da tecnologia LTE é fornecer um grande desempenho que possibilite a conjugação com redes antigas, como é o caso da HSPA. A tecnologia LTE assume um protocolo de internet (IP) da rede e é projetado para suportar voz. Incorpora excelentes técnicas de rádio para atingir óptimos níveis de desempenho, particularmente em larguras de banda maiores. Assim, com o padrão LTE irá ser possível coexistir com os sistemas de rede de segunda e terceira geração. As principais características do LTE são: Largura de banda até 20 MHz; Aumento da eficiência espectral; Latência muito mais reduzida; Download até 150 Mbps; Compatibilidade com redes anteriores; Melhor qualidade de rede. 16

17 Para onde vamos? 5ª Geração A 5ª geração (5G) é a próxima grande geração de telemóveis. Não está ainda disponível mas é possível que em 2020 já o esteja. O que se sabe sobre esta nova geração é ainda muito abstrato pois foram poucos os que decidiram comentar sobre esta nova fase da tecnologia wireless das telecomunicações. É de notar que a cada 10 anos surge uma nova geração de telemóveis: 1980 (1G), 1990 (2G), 2000 (3G), 2010 (4G). Se a 5G refletir os prognósticos, então as principais diferenças técnicas de um ponto de vista do utilizador entre a 4ª e a 5ª geração deve ser algo mais do que o aumento das velocidades de transferência de dados. Por exemplo, maior eficiência espectral do sistema, menor consumo de bateria, menor probabilidade de falha (ou seja, melhor cobertura), maior taxa de bits em maiores porções da área de cobertura, baixa latência, maior número de dispositivos suportados, menores custos de implantação de infra estruturas, maior versatilidade e escalabilidade, maior fiabilidade das comunicações, aperfeiçoamento das técnicas de modulação e uso de ondas de frequência milimétricas. E ainda, Internet sem fios em todo o mundo, aplicações web que incluem uma capacidade de multimédia completa para além das velocidades da tecnologia 4G, mais aplicações combinadas com a inteligência artificial (IA), sendo esperado que a vida humana seja rodeada de sensores que podem ser controlados através dos telemóveis de quinta geração. Deixará, também, de ter impactos negativos na saúde do ser humano, algo que sempre levantou muitas críticas negativas, uma vez que, era notório o impacto negativo que as gerações anteriores tinham na saúde humana. 17

18 Sem dúvida que até 2020, estes temas ainda serão bastante debatidos, uma vez que as suas características consistem apenas em rumores. Ainda assim é de esperar que exista um grande avanço no que toca à tecnologia de redes sem fios. Fig 3: Aumento de Consumo ao longo das Gerações 3 3 Aumento de Consumo ao longo das Gerações, in lte/fd lte drives 4g smartphones growth in q / 18

19 Diferenças ao longo da Evolução Tecnológica A evolução das tecnologias de comunicação móvel ao longo dos anos permitiu o desenvolvimento dos aparelhos, na medida em que foram criadas novas aplicações e a própria comunicação foi aperfeiçoada. Assim, analisando as diferentes gerações, é possível destacar diferenças, quer nas normas de rede, como nos telemóveis em si, permitindo a sua comparação e uma exploração profunda da evolução que decorreu entre as mesmas. Fig 4: Principais Diferenças entre as Gerações 4 4 Principais Diferenças entra as Gerações 19

20 Fig 5: Velocidades de transmissão nas diferentes Gerações 5 5 Quadro Resumo de Velocidades, in content/uploads/2011/06/mobile_tecno.jpg 20

21 Conclusão Com a elaboração deste trabalho e devido a toda a pesquisa feita, foram tiradas diversas conclusões relativas à evolução das comunicações celulares. Ao longo dos últimos anos foi possível testemunhar um aumento incrível no que toca à Indústria de redes sem fios. Isto deve se ao surgimento de novas necessidades e, sobretudo ao facto do ser humano querer sempre mais e melhor. Como é possível verificar, na história das comunicações móveis demonstra se uma tentativa para criar um único padrão global. A 1G introduziu a voz móvel básica. Já a 2G implementou a capacidade de armazenamento e a cobertura. Seguidamente, a 3G conseguiu velocidades mais altas na busca de dados, enquanto a 4G impôs um novo sistema e ainda velocidades mais altas do que a 3G. Da 5G apenas rumores são conhecidos. Teremos de esperar para ver. Deste modo, é fácil observar a influência deste tipo de tecnologia na nossa sociedade, que está a crescer a olhos vistos. Conseguimos ver uma evolução notória no que toca às comunicações wireless, havendo ainda muito por explorar. Assim, no que toca a este tópico, o fim da evolução não é esperado, o que se deve à necessidade de novidade, fazendo com que haja sempre algo novo que ultrapasse o que já foi feito. 21

22 Bibliografia Jornal de Notícias (Acedido a setembro de 2013) Sapo 1g 2g 2 5 g 3g e 4g sabe a diferena/ (Acedido a setembro de 2013) GSM Groupe Speciale Mobile (Acedido a setembro de 2013) ANACOM Autoridade Nacional de Comunicações (Acedido a setembro de 2013) 3GPP The Third Generation Partnership Project (Acedido a outubro de 2013) Acronyms/article/umts (Acedido a outubro de 2013) ETSI European Telecommunications Standards Institute (Acedido a outubro de 2013) Portal Português de Telecomunicações (Acedido a outubro de 2013) AIRCC Publishing Corporation (Acedido a outubro de 2013) Princeton University a outubro de 2013) 22

23 Technopedia system for mobile communications gsm (Acedido a outubro de 2013) TMN Telecomunicações Móveis Nacionais (Acedido a outubro de 2013) 4G Americas (Acedido a outubro de 2013) Holma, Harri e Antti Toskala. WCDMA for UMTS Radio Acess for Third Generation, Mobile Communications. WILEY, 2001 Schiller, Jochen. Mobile Communications. ADDISON WESLEY, 2003 Gibson, Jerry D. The Mobile Communications Handbook. Southern Methodist University, Dallas, Texas. CRC PRESS / IEEE PRESS, 1999 Glisic, Savo G. Advanced Wireless Networks 4G Technologies. University of Oulu, Finland. WILEY,