Telefonia Móvel e Sistemas Wireless. Múltiplo Acesso ao Meio

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1 Telefonia Móvel e Sistemas Wireless Múltiplo Acesso ao Meio

2 Múltiplo Acesso ao Meio Comunicação entre muitos usuários de sistemas móveis através de estações base; Número de estações móveis é superior ao número de estações base; Necessária a criação de padrões de acesso às estações base compartilhadas de forma otimizada; Surgem os conceitos de canais e múltiplo acesso; Podem ser implementadas isoladamente, mas normalmente são combinadas em formas híbridas. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 2

3 FDMA Frequency Division Multiple Access; O canal é dividido em subfaixas e cada usuário ocupa uma determinada subfaixa. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 3

4 FDMA Permite transmissões analógicas e digitais; Interferência entre os canais adjacentes (filtros caros); Estando um canal sendo utilizado não se pode ter outro(s) usuário(s) compartilhando o mesmo; Normalmente é um sistema de faixa estreita; Há intermodulações quando vários canais compartilham um único amplificador de potência. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 4

5 TDMA Time Division Multiple Access; O tempo de transmissão é dividido e cada usuário pode transmitir / receber no slot a ele reservado. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 5

6 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 6

7 CDMA Code Division Multiple Access; Utiliza espalhamento espectral, com adequada escolha da seqüência pseudo-aleatória de cada usuário; Todos os usuários compartilham um mesmo canal de comunicação, ao mesmo tempo e na mesma faixa de freqüências. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 7

8 CDMA A capacidade de um sistema CDMA é limitada pela quantidade de interferência entre os usuários; Possibilidade de superar a capacidade (em termos de um número de usuários) dos sistemas FDMA e TDMA através de setorização e controle de potência. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 8

9 Duplexação FDD -Frequency Division Duplexing As transmissões nos canais direto e reverso ocorrem em freqüências distintas. TDD -Time Division Duplexing As transmissões nos canais direto e reverso ocorrem em freqüências idênticas, mas a intervalos de tempo distintos. FDD/TDD - Hybrid Frequency & Time Division Duplexing As transmissões nos canais direto e reverso ocorrem em freqüências e intervalos de tempo distintos. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 9

10 Telefonia Móvel e Sistemas Wireless Telefonia Celular Analógica

11 Primeira Geração Analógico 2G 9.6 kbps 2.5G 2.75G 3G 150 kbps 380 kbps 2 Mbps AMPS NMT RadioCom CDMA EUA TDMA EUA GSM Europa 1XRTT GPRS EVDO EDGE EVDV IMT-2000 WCDMA TACS Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 11

12 Telefonia Móvel Analógica A primeira geração de sistemas celulares foi toda baseada nesse conceito. Os sistemas eram chamados analógicos devido aos canais de voz, por onde os sons trafegam. Todos os sistemas analógicos se baseavam no FDMA para separação dos canais de comunicação. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 12

13 AMPS O Advanced Mobile Phone System (AMPS) é o primeiro sucesso mundial em termos de comunicação móvel celular. Começaram a ser desenvolvidos no final da década de 70. Neste sistema a cada móvel é atribuída uma freqüência exclusiva para Tx contínua dos sinais de voz e dados. Estes sinais são modulados em FM e PSK, respectivamente. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 13

14 AMPS O que é feito para que o sistema AMPS garanta a mobilidade? No sistema a Central de Controle e Comutação deve tratar de aspectos de sinalização, controle de posição e nomadicidade dos móveis, registros locais, visitantes e tarifação. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 14

15 AMPS Maior expoente dos sistemas analógicos; O custo de sua implantação normalmente é menor que dos outros sistemas (em torno de 10%); No ano de % dos assinantes móveis eram AMPS; Países que possuem(iam) esse sistema: EUA, Brasil, Canadá, Argentina, Austrália, Bolívia, Chile, Colômbia, Costa Rica, Israel, Hong Kong, México, etc.. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 15

16 AMPS - Características As características básicas são: Sistema celular analógico (utiliza FM em FDMA); Começou a ser desenvolvido nos anos 70 e foi aplicado comercialmente em 1983; Projetado para funcionar nas bandas A e B, com 12.5MHz cada; 416 canais por banda (395 de voz e 21 de controle). Canais de 30KHz com modulação FM (desvio de 12KHz). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 16

17 AMPS - Características Sinalização digital com modulação FSK; Taxa de sinalização digital de 10kbps; Padrão de reuso de 7 células por cluster; FDD com 45MHz entre canal reverso e direto. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 17

18 AMPS Freqüências Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 18

19 AMPS Freqüências O sistema AMPS faz uso do sistema FDMA/FDD num total de 832 canais de comunicação em 50 MHz de espectro disponível, ou seja, 832 pares decanaisdevozcom30khzcadacanal. Assim temos 416 canais de comunicação em cada uma das bandas A ou B, cada uma com 25MHz, sendo 12,5MHz para os canais diretos na faixa MHz e 12,5MHz para os canais reversos na faixa mhz. O FDMA é limitado pelo espectro e as transmissões emfmepskapresentambaixaprivacidade. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 19

20 Planejamento de Freqüências Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 20

21 Planejamento de Freqüências Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 21

22 Canalização Os 395 canais de voz em cada banda são divididos em 21 conjuntos de 18 canais; Cada célula utiliza 3 desses conjuntos, ou seja, 54 canais, de modo que a separação mínima entre canais seja de 7 bandas de canal (395/54); Cada célula tem até 3 canais de controle. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 22

23 Potência de Transmissão Não existem limitações na potência de transmissão para a estação rádio-base; Para os terminais (potência nominal): Classe I:4W Classe II:1,6W Classe III:0,6W Potência máxima permitida para qualquer uma das classes: 6,3W; O modo de transmissão pode ser contínuo (DTX off) ou descontínuo (DTX on). DTX Discontinuos TX Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 23

24 Potência de Transmissão Por norma, os produtos de modulação não devem exceder: 26dB abaixo da potência da portadora não modulada fora da região de ± 20KHz distante da freqüência da portadora; 45dB abaixo da potência da portadora não modulada fora da região de ± 45KHz distante da freqüência da portadora; 60dB ou 43+10log (potência média de saída em watts) abaixo da potência da portadora não modulada fora da região de ± 90KHz distante da freqüência da portadora. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 24

25 Processamento da Voz Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 25

26 Compander Processamento da Voz Comprime a faixa dinâmica do sinal de voz, ou seja, para cada 2dB de aumento, sua saída é 1dB (2:1). Suas características são especificadas de tal forma que para um sinal de referência de 1KHz na entrada a um volume nominal produza um desvio de pico de ± 2.9KHz na portadora transmitida. Pré-ênfase Filtro que enfatiza as altas freqüências (maior desvio), mantendo relação sinal-ruído uniforme na faixa de interesse (6dB/oitava) entre 300 a 3000Hz. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 26

27 Processamento da Voz Limitador de desvio Máximo desvio de ± 12KHz para o sinal modulado; Sinais de supervisão e dados em banda larga estão excluídos dessa exigência. Filtro pós-limitador de desvio Filtro passa baixas especificado para ter uma atenuação (relativa à resposta a 1KHz) igual ou superior a 40log 10 (f[hz]/3000)db nas faixa de 3 a 5.9KHz e 6.1 a 15KHz. Para 5.9 e 6.1KHz, deve ser maior que 35dB; acima de 15KHz deve ser superior a 28dB; O filtro pós-limitador assegura que as especificações para as emissões fora da faixa de interesse sejam atendidas e que o tom SAT de 6KHz, presente durante uma chamada, não interfira no sinal de voz transmitido. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 27

28 AMPS - Segurança MIN (Mobile Identification Number) 34 bits formados a partir de uma codificação do número do assinante (10 dígitos). É utilizado para notificar o assinante de uma chamada terminada. ESN (Electronic Serial Number) 32 bits formados a partir de uma identificação do fabricante e do número de série do terminal. SCM (Station Class Mark) Informa a classe de potência, o modo de transmissão (continuo ou descontínuo) e a banda de trabalho do terminal móvel (20 ou 25MHz). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 28

29 AMPS - Supervisão SAT (Supervisory Audio Tone) Um tom de 5970, 6000 ou 6030Hz é transmitido em FM pela base; O móvel deve identificar e retransmitir o tom no canal de voz para se detectar interferências co-canal; Se um receptor (base ou MS) recebe um canal com SATs distintos, ordena o desligamento do transmissor. Após 5 segundos de não detecção do SAT a chamada é terminada pelo sistema. ST (Signaling Tone) tom de 10KHz transmitido pelo MS e utilizado para requisição de fim de chamada, flash ou confirmação de ordens. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 29

30 O padrão de reuso dos tons SAT é igual a 3 e a distância de reuso do par canal + SAT é maior que a distancia de reuso dos canais de voz Aproximadamente 70% maior. AMPS - Supervisão Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 30

31 AMPS Sinalização Digital Transmissão a 10Kbps, modulação FSK (Desvio de freq. Df = ±8kHz), código de linha Manchester (bipolar), código de canal BCH-Bose, Chaudhuri e Hocquenghem, gerado a partir de um polinômio, (40,28,5) no link direto e BCH(48,36,5) no link reverso, é transmitido 5 vezes de 40 bits para enviar 28 bits sendo 12 de sinalização; Pode ocorrer nos canais de controle ou de voz (sinalização blank-and-burst, ou seja, o aúdio é suprimido para permitir a TX de msg digitais) para o encaminhamento de mensagens de controle da comunicação e confirmação de ordens ou requisições; Na sinalização blank-and-burst o sinal de voz e o tom SAT são interrompidos e substituídos pela sinalização digital a 10kbps. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 31

32 AMPS Sinalização Digital Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 32

33 AMPS - Canalização Canal de Controle Reverso (RCC) Transporta de uma a cinco mensagens para resposta a mensagens de paging (muda do modo Idle para o modo dedicado), inicialização de chamada, confirmação de ordens e envio de ordens. Essas mensagens são formadas a partir de combinações de cinco palavras: palavras de endereço abreviada e estendida (onde se localiza o MIN), palavra número de série (onde se localiza o ESN), primeira e segunda palavras do endereço chamado (onde se localizam os dígitos do número chamado). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 33

34 AMPS - Canalização Cada Palavra é repetida 5 vezes Dotting: Palavra de 30 bits; W.S.: Palavra de sincronismo (Word Sync) ; DCCc: Digital Color Code coded. Cada DCC de 2 bits é mapeado um DCC codificado de 7 bits. Usado para identificação da ERB. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 34

35 AMPS - Canalização Canal de Voz Reverso (RVC - Reverse Voice Channel) Transporta de uma a duas mensagens da estação móvel para a estação base para confirmação de ordens e informação do endereço chamado (3-way calling), durante a chamada. Essa sinalização é do tipo blankand- burst. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 35

36 AMPS - Canalização Cada Palavra é repetida 5 vezes, com codificação de canal (48,36): Dotting: Palavra de 101 ou 37 bits; W.S.: Palavra de sincronismo (Word Sync) Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 36

37 AMPS - Canalização Canal de Controle Direto (FCC - Forward Control Channel): Transporta mensagens para a estação móvel para controle (MIN, SAT Color Code, DCC, ordens, VMAC, designação do canal de voz, posição do primeiro canal de acesso) e overhead (parâmetros do sistema, identificação de registro do sistema). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 37

38 AMPS - Canalização Cada Palavra é repetida 5 vezes, com codificação de canal (48,36), ou seja 48-36=12 de paridade. B/I: Busy/Idle, inserido nas posição das setas. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 38

39 AMPS - Canalização Canal de Voz Direto (FVC - Forward Voice Channel): Transporta mensagens de controle para a estação móvel para controle de potência e comandos de handoff. A razão da repetição da palavra por 11 vezes se deve ao fato de nos momentos de handoff a estação móvel estar normalmente operando com sinais de intensidade muito baixa. Garante-se a recepção do sinal sem a necessidade do envio de confirmação pela estação móvel. Nesse canal trafegam também o SAT Color Code para o atual (PSCC) e o novo (SCC) canal e a identificação do canal em uso. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 39

40 AMPS - Canalização A palavra de controle é repetida 11 vezes, juntamente com o dotting de 37 bits e o W.S. de 11 bits, e contém 40 bits formados pela codificação de 28 bits de conteúdo com código BCH (40,28). Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 40

41 AMPS Processamento de Chamadas 1 - Liga; 2 - Verificar se o sistema preferido é A ou B; 3 - Procurar canal de controle direto com intensidade mais forte; 4 - Atualizar dados do sistema transmitidos pela ERB; 5 - Se tarefas acima não concluídas, sintonizar segundo canal de controle mais forte em 3s; se não conseguir, voltar ao passo 2 com o segundo sistema preferido; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 41

42 AMPS Processamento de Chamadas 6 - Se tarefas concluídas, procurar canal de controle mais forte novamente, conforme informações de procura (primeiro canal de paging e número de canais de paging) recebidas da ERB e atualizar novamente os dados do sistema; 7 - Estado idle (resposta a ordens da ERB, atualização do canal mais forte (a cada 2 ou 5 minutos), identificação, autenticação); Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 42

43 AMPS Processamento de Chamadas 8 - Monitora bit busy/idle no canal direto; se = 1 => móvel pronto para enviar requisição de acesso... se = 0 => móvel aguarda intervalo aleatório (0-200ms) e tenta novamente. 9 - Faz novas tentativas a intervalos aleatórios de 0-92ms e tem-se no máximo 10 tentativas (após as 10 tentativas => sinalização de system busy, ou equivalente, é enviada para o usuário); 10 - Envia mensagem de acesso para a ERB; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 43

44 AMPS Processamento de Chamadas 11 - Recebe sinalização de chamada ou assinante chamado ocupado ou ainda alguma mensagem e estabelece sintonia dos canais de voz atribuídos pela CCC, caso usuário chamado possa ser acessado; 12 - Durante a chamada efetua sinalização FSK no canal de voz (blankand-burst) para monitoração do link, para o atendimento a ordens da CCC e para confirmações de pedidos e/ou ordens. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 44

45 Processamento de chamadas Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 45

46 Processamento de Chamadas Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 46

47 Reforçando os conceitos básicos Os demais sistemas de telefonia celular funcionam basicamente como os sistemas celulares de 1ª Geração, as mudanças estão na robustez dos sistemas; Sistemas digitais são mais seguros, e mais complexos. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 47

48 Evolução AMPS TDMA Canalização O AMPS é um sistema que utiliza o múltiplo acesso por divisão de freqüência (FDMA); A Banda do AMPS é dividida em canais de RF, onde cada canal consiste de um par de freqüências (Transmissão e Recepção) com 30 khz de banda cada; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 48

49 Evolução AMPS TDMA Canalização Cada Banda (A ou B) ocupa 12,5 MHz e é composta por 416 canais, sendo 21 canais de controle e os demais de voz. Os canais no AMPS utilizam modulação FM; No AMPS, um canal de voz é alocado e permanece dedicado a uma chamada durante toda a sua duração; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 49

50 Evolução AMPS TDMA Canalização O TDMA (IS-136) mantém toda a estrutura de canalização do AMPS mas permite que um canal seja compartilhado no tempo por vários usuários através de múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA); Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 50

51 Evolução AMPS TDMA Canalização A estrutura de transmissão de dados é implementada através de um frame de 40ms com 6 intervalos (slots) de tempo com 6,66ms cada. Cada chamada telefônica utiliza dois intervalos de tempo sendo, portanto, possíveis até 3 conversações utilizando a mesma banda de 30 khz de um canal de voz do AMPS; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 51

52 Evolução AMPS TDMA Canalização Cada conversação tem uma taxa bruta de 16,2 kbit/s e a modulação utilizada no canal é do tipo DPSK; O canal de controle no TDMA (IS-136) é digital e permite a implantação de serviços de mensagens curtas (SMS). Uma versão anterior do TDMA, o IS-54, apresentava canal de controle analógico; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 52

53 Evolução AMPS TDMA Capacidade Os sistemas AMPS e TDMA (IS-136) utilizam geralmente um plano de freqüência com reuso de 7 por 21, ou seja, cada célula é dividida em três setores formando 21 grupos de freqüências (canais de voz do AMPS) reutilizados em cada grupo de 7 células; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 53

54 Evolução AMPS TDMA Capacidade No AMPS cada uma destas freqüências (ou par) é utilizada por uma chamada enquanto que no TDMA (IS-136) são possíveis até três chamadas simultâneas utilizando esta mesma freqüência; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 54

55 Evolução AMPS TDMA Capacidade A possibilidade de roaming, ou seja, o assinante de um sistema celular continuar falando do seu terminal móvel em outro sistema, como visitante, foi implementada para sistemas AMPS e TDMA através do protocolo IS-41; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 55

56 Evolução AMPS TDMA Capacidade O IS-41, utilizado também por sistemas CDMA (IS-95), pode ser implementado tendo como base para transferência de dados o protocolo X.25 ou o SS7 (ANSI); 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; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 56

57 Evolução AMPS TDMA Capacidade Quando os sistemas digitais de segunda geração (CDMA e TDMA) foram implantados, o AMPS passou ser utilizado como uma alternativa para complementar a cobertura destes sistemas, devido a sua extensa de cobertura; Isto é possível pois os terminais móveis são duais TDMA/AMPS e CDMA/AMPS, podendo passar a operar automaticamente em AMPS quando o sistema digital não está disponível; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 57

58 Evolução AMPS TDMA Capacidade No Brasil todas as operadoras de Banda A mantém canais AMPS em toda a sua área de cobertura, de modo a garantir o roaming nacional para todos os assinantes; Assim, um assinante da Telefônica Celular (Vivo), que utiliza o CDMA, ao viajar para o Rio Grande do Sul utilizará o serviço no modo AMPS pois as operadoras de Banda A e B naquele estado têm sistemas TDMA; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 58

59 Evolução AMPS TDMA Capacidade Da mesma forma, um assinante de uma operadora de TDMA ao se dirigir a uma pequena cidade do interior de São Paulo, coberta apenas pela antiga Telesp Celular (padrão CDMA), terá que operar em modo AMPS. O roaming do TDMA ou do AMPS com sistemas GSM exigiria terminais duais, ou com três modos, e não estava implementado no Brasil. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 59

60 Evolução AMPS TDMA Capacidade Os sistemas AMPS oferecem um número limitado de serviços além de voz; O TDMA (IS-136) permitiu oferecer dezenas de serviços suplementares, tais como identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 60

61 Evolução AMPS TDMA Capacidade A transmissão digital do TDMA e outros sistemas de segunda geração, como o GSM e o CDMA (IS-95), permitem uma considerável economia de energia em relação ao AMPS, pois não precisam estar transmitindo de forma contínua. Esta característica, aliada a evolução da tecnologia de baterias dos terminais móveis, possibilitou um grande incremento no tempo de operação dos terminais sem necessidade de recarga. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 61

62 Evolução AMPS TDMA Capacidade As operadoras que adotavam o AMPS migraram para o TDMA (IS-136) ou CDMA (IS-95) ao redor dos anos de 1997 e 1998; As operadoras que adotam o TDMA (IS-136) não têm a sua disposição uma transição suave para a terceira geração (3G) de sistemas celulares que possibilita o oferecimento de serviços de dados com altas taxas de bits; Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 62

63 Evolução AMPS TDMA Capacidade Deverão, portando, escolher um dos dois caminhos disponíveis: GSM/GPRS ou CDMA 2000; O AMPS foi o padrão dominante para os sistemas celulares no Brasil sendo utilizado basicamente para roaming. Em dezembro de 2002 existiam ainda em operação no Brasil 800 mil terminais celulares AMPS. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 63

64 Evolução AMPS TDMA Capacidade O TDMA (IS-136) era em dezembro de 2002 o padrão dominante no Brasil com 20,9 milhões de terminais e 60% dos assinantes; A migração das operadoras para sistemas 3G da família GSM ou CDMA deverá implicar numa diminuição gradual do número de terminais celulares TDMA no Brasil. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 64

65 1. Assinale a alternativa falsa. a) As Bandas A e B só podem ser utilizadas por sistemas AMPS. b) As interfaces de sinalização para roaming em uma rede AMPS são baseadas no protocolo IS 41. c) Os canais de controle do TDMA (IS-136) são digitais. d) A maioria dos telefones celulares em operação no Brasil no final de 2002 era dual com TDMA (IS-136) e AMPS. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 65

66 2. Assinale a alternativa verdadeira a) Os canais de RF do TDMA e o AMPS utilizam o mesmo tipo de modulação. b) O CDMA, TDMA e AMPS utilizam o IS-41 para roaming. c) O consumo de bateria é o mesmo no AMPS e no TDMA. d) Os sistemas AMPS e TDMA (IS-136) utilizam geralmente planos de freqüência com reuso diferente de 7 por 21. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 66

67 3. Um assinante de uma operadora no Brasil que adota a tecnologia TDMA (IS está na Bahia em uma cidade que só é coberta pela Banda A. Em que sistema o seu terminal irá operar. a) TDMA b) CDMA c) AMPS d) GSM e) Não irá operar Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 67

68 Respostas 1 letra a 2 letra b 3 letra c Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues 68