Sistemas de Comunicação Sem Fio

Transcrição

1 Sistemas de Comunicação Sem Fio Evolução dos Sistemas Celulares

2 Evolução do Sistema Móvel Celular Primeiros padrões utilizando o conceito celular surgem no final da década de 70, no Japão e EUA e no início da década de 80, na Europa. Todos analógicos, foram eles: NTT (Nippon Telegraph and Telephone) Japão; AMPS (Advanced Mobile Phone Service) - Estados Unidos; NMT (Nordic Mobile Telephone System) - Europa (Suécia, Noruega, Finlândia e Dinamarca). 2

3 Evolução do Sistema Móvel Celular O NMT é importante por ser o primeiro padrão de telefonia celular internacional; Outros sistemas analógicos surgiram em seguida, principalmente na Europa; Alemanha, França, Inglaterra e Itália criaram seus padrões de telefonia móvel celular (Tabela slide 5); 3

4 Evolução do Sistema Móvel Celular Estes padrões mais tarde viriam a se tornar um empecilho na difusão da tecnologia; Os usuários de um padrão, ao viajar para fora de seu país não podiam utilizar seu celular; O que não acontecia nos países nórdicos por terem investido no padrão NMT; 4

5 Sistemas Celulares Analógicos de Primeira Geração. Fonte: Privateline.com 5

6 Evolução do Sistema Móvel Celular 12 de outubro de 1983 a primeira rede AMPS (Advanced Mobile Phone System) comercial em Chicago, pela Ameritech; No mesmo ano teve a concorrência do sistema analógico da Motorola, o Dyna-TAC (Dynamic Adaptive Total Area Coverage), conhecido também como TACS (Total Area Communications System), lançado em 16 de dezembro em Washington e Baltimore, mas não conseguiu se estabelecer comercialmente naquele país, sucumbindo ao AMPS. 6

7 Evolução do Sistema Móvel Celular Pelas relações comerciais dos Estados Unidos com países da América Latina, Ásia e África, o padrão americano de telefonia celular analógica se expandiu pelo mundo, inclusive no Brasil Primeiro sistema celular brasileiro (AMPS) começou a ser instalado em 1989 e entrou em operação em 1991 no Rio de Janeiro. 7

8 Evolução do Sistema Móvel Celular O AMPS é analógico e foi concebido originalmente apenas para o serviço de transmissão de voz (telefonia). Existem melhorias no sistema para contemplar transmissão de dados e outros serviços. A importância histórica do AMPS é muito grande pois foi nesta tecnologia que foram desenvolvidas as funcionalidades básicas de um sistema celular. 8

9 Evolução do Sistema Móvel Celular Já no AMPS aparecem idéias como Roaming, Handoff, Power Control, Mobility Management etc.; O AMPS foi utilizado pela primeira vez comercialmente em 1983, e operava nas bandas de 850 MHz determinadas pelo FCC americano; A norma que especifica o AMPS é a EIA

10 Evolução do Sistema Móvel Celular Enquanto o Brasil instalava seus primeiros sistemas, nos EUA, a demanda por aparelhos celulares era alta; Não havia mais disponibilidade de frequências para o aumento da capacidade dos sistemas instalados; Foi necessário que em curto espaço de tempo houvesse a migração dos sistemas analógicos para sistemas com maior capacidade, os chamados sistemas digitais. 10

11 Evolução do Sistema Móvel Celular Surgiram então nos Estados Unidos os padrões: IS-54 (mais tarde unificado com o IS-136); IS-136 (vulgarmente chamado de TDMA); IS-95 (também conhecido como CDMA). TDMA e CDMA dizem respeito ao método de acesso ao meio assim como FDMA. Dizer que TDMA e CDMA são padrões de sistemas de telefonia móvel é equivocado. 11

12 O Exemplo da Sala Imaginemos os telefones móveis como duas pessoas tentando conversar. No sistema FDMA, a sala seria dividida em várias salas menores, cada uma com duas pessoas conversando durante todo o tempo. As duplas estariam isoladas umas das outras, não havendo, portanto, risco de que pudessem ouvir a conversa de outra dupla; Caso estivessem em um sistema TDMA, haveriam três duplas se revezando em cada sala, cada uma com um tempo pré-determinado para conversar e então dar lugar a uma nova dupla. Após o fim do tempo da terceira dupla, a primeira volta à sala para continuar a conversação. 12

13 O Exemplo da Sala No CDMA todos os pares estão na mesma sala, mas falando línguas diferentes. Cada um entende somente o seu parceiro, apesar de estar ouvindo as conversas paralelas na sala. Caso uma dupla comece a falar mais alto, todos terão que elevar o volume da sua voz, e assim sucessivamente até que todos estejam gritando e ninguém mais se entenda. Por isto é tão importante o controle de potência dos móveis, uma vez que todos estão espalhados na mesma frequência, numa banda de 1,23 MHz. 13

14 Evolução do Sistema Móvel Celular Overview do IS-54 Para atender ao crescimento na demanda e aumentar a capacidade das células em áreas de alta densidade, a EIA (Eletronic Industries Association) e a TIA (Telecommunications Industry Association) adotou o padrão IS-54 baseado no TDMA; O IS-54 mantém o espaçamento de canal de 30kHz do AMPS, para facilitar a evolução do sistema analógico para o digital. 14

15 Overview do IS-54 Cada canal de frequência fornece uma taxa binária de RF de 48.6kb/s, obtido utilizando π/4 DQPSK (Differential Quadrature Phase-Shift Keying) com um deslocamento de fase de π/4 radianos entre símbolos sucessivos para reduzir flutuações de amplitude no envelope do sinal; A taxa do canal é de 24.3 kbaud. Esta capacidade é dividida em 6 slots de tempo, dois dos quais são atribuídos a cada usuário na implementação corrente; 15

16 Overview do IS-54 Utiliza um codificador de voz VSELP (13kb/s com proteção de erro). Assim, cada par de frequências de 30kHz pode servir 3 usuários simultaneamente, e com o mesmo padrão de reutilização. Assim, o IS-54 fornece o triplo da capacidade (canais de usuário por célula) do AMPS; Quando são introduzidos codificadores de voz que geram metade da taxa binária, cada canal de frequência de 30kHz poderá acomodar seis usuários por canal, dobrando a capacidade; 16

17 Overview do IS-54 O padrão IS-54 estabelece um equalizador adaptativo para atenuar a interferência entre símbolos causada pelo grande atraso de espalhamento, mas devido a relativamente baixa taxa do canal (24.3 kbaud) o equalizador será desnecessário em várias situações; Visto que sistemas utilizando o padrão IS-54 devem operar na mesma faixa de frequência utilizada pelos sistemas AMPS existentes, o padrão IS-54 opera em modo dual, o que significa que fornece operações para ambos analógico (AMPS) e digital. 17

18 Overview do IS-54 Isto é necessário para acomodar as funcionalidades de roaming, dada a grande base existente de equipamentos AMPS; Embora vários provedores de serviço tenham iniciado a implantação de equipamentos para sistema IS-54 na maioria das áreas metropolitanas dos países, a conversão para digital será mais lenta em regiões com menores densidades; Consequentemente, haverá uma mistura de unidades e equipamentos de estações-base digitais e analógicas por um considerável período de tempo; 18

19 Overview do IS-54 Enquanto a versão inicial do padrão IS-54 utiliza a especificação do canal de controle do AMPS (FSK com codificação Manchester a 10 kb/s), o IS-136 (ou IS-54 rev.c) inclui um canal de controle digital (DCC) que utiliza modems de 48.6kb/s; Além do acréscimo na taxa de sinalização, o DCC oferece algumas capacidades como transferência de mensagens curtas ponto-a-ponto, mensagens de broadcast, endereçamento de grupo, grupos de usuários privados, estruturas hierárquicas de células, e canais divididos em slots para suportar modo de espera (para economizar energia); 19

20 Overview do IS-54 - Resumo No final da década de 1980 a demanda pelos serviços celulares havia aumentado muito exigindo das tecnologias e sistemas um aumento de capacidade em relação ao AMPS; Nos EUA, a EIA (Eletronic Industries Association) e a TIA (Telecommunications Industry Association) determinaram como padrão o IS-54, 2G, tecnologia TDMA, com canais em frequência de 30kHz, iguais as do AMPS. 20

21 Overview do IS-54 - Resumo Uma das grandes vantagens do IS-54 era justamente a de manter o canal em frequência da mesma largura que seu precursor o que facilitava e barateava a implementação de handsets duais. Tecnicamente o sistema IS-54 ainda tinhas as seguintes características: 21

22 Overview do IS-54 - Resumo Modulação π/4 DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying); Canal de 30 khz com throughput total de 48,6 kbps; Codificação de voz VSELP (Vector Sum Excited Linear Prediction); Seis time-slots por portadora; Canais de voz full-rate com 2 time-slots ou half-rate com 1 time-slot; Canais de controle iguais aos do AMPS, com modulação FSK (Frequency Shift Keying); 22

23 Overview do IS-54 - Resumo O número de canais triplicou em relação ao AMPS, permitindo um grande aumento de capacidade; Entretanto, o padrão IS-54, também conhecido como D-AMPS, apresentou uma série de deficiências nas suas implementações iniciais, obrigando o desenvolvimento da especificação em novas revisões de norma; A norma IS-136 aparece como substituta do IS-54, já na década de 1990, trazendo grandes melhorias como canal de controle DCCH, codificação de voz ACELP e suporte para as bandas de 1900 MHz. 23

24 Evolução do Sistema Móvel Celular Os países europeus se organizavam para criar um padrão pan-europeu de comunicação celular que pudesse integrar todos os países daquele continente; Em 1982 a PTT (Nordic Post, Telephone and Telegraph) apresentou uma proposta à CEPT (Conférence Européene de Postes et Télécommunications) no sentido de desenvolver um sistema comum europeu de telecomunicações móveis na banda dos 900 MHz. Foi criado o Groupe Spécial Mobile (GSM). 24

25 Evolução do Sistema Móvel Celular Haviam discussões em torno da integração dos sistemas analógicos, mas o cenário de telefonia móvel no mundo era tão promissor que os onze países membros decidiram pela digitalização do sistema com utilização do FDMA/TDMA, no qual cada portadora é dividida em janelas temporais. 25

26 Evolução do Sistema Móvel Celular A estação móvel recebe e envia na janela temporal designada para ele, o que significa que cada portadora suporta várias conversas simultaneamente. 26

27 Evolução do Sistema Móvel Celular Por pedido do Reino Unido foi feita uma adaptação das especificações definidas até então, permitindo uma interface rádio na banda dos 1800 MHz; Esta variante do GSM foi denominada de DCS 1800 Digital Communication System at 1800 MHz. 27

28 Evolução do Sistema Móvel Celular Em 1991 começaram a fabricação dos primeiros equipamentos GSM; Os principais operadores europeus iniciaram a atividade comercial em

29 Evolução do Sistema Móvel Celular Hoje, a primeira geração de celulares está extinta. Um dos principais motivos para isto acontecer foi a falta de segurança e também a pouca lucratividade que os sistemas poderiam oferecer aos operadores que o adotam. No Brasil operadores de telefonia celular eram obrigadas a oferecer os serviços do AMPS enquanto houvessem clientes deste sistema. 29

30 Quem lembra deste? 30

31 Evolução do Sistema Móvel Celular Redes Celulares 1G (primeira geração) - redes celulares analógicas; 2G (segunda geração) - redes celulares digitais baseadas em comutadores de circuitos: redes CDMA, TDMA e GSM; 2,5G redes 2G com transmissão de pacotes de média/alta velocidade, voltados para tx de dados. GPRS e EDGE nas redes GSM, 1xRTT nas redes CDMA; 3G - redes de altíssima velocidade, com possibilidades de streaming de vídeo, videoconferência, transmissões em tempo real, jogos online; Em alguns países, já existe o 3G, com as licenças UMTS. 31

32 1G - Redes Analógicas de Telefonia Móvel A primeira geração de telefonia móvel, apelidada 1G, utilizava a modulação de sinais analógicos em uma portadora de RF e operava sobre redes com tecnologia de comutação de circuito; Neste tipo de rede, um circuito de voz é alocado permanentemente enquanto dura a chamada. Trata-se de um serviço orientado a conexão. O acesso à canalização é obtido através do método FDMA (Frequency Division Multiple Access); Essa tecnologia é limitada quanto ao número possível de usuários, pois admite apenas uma ligação por canal, o que, rapidamente exaure a capacidade de cada ERB, obrigando a instalação de uma maior quantidade de células; 32

33 1G - Redes Analógicas de Telefonia Móvel O tamanho das células situa-se na faixa de 500 metros a 10 quilômetros, sendo permitido o "handoff" ou "handover" (transferência automática de ligações de uma célula para outra); Possibilita igualmente o "roaming" (transferência automática de ligações entre sistemas) entre os diferentes provedores de serviço, desde que adotem o mesmo sistema; Todos os sistemas iniciais eram bastante parecidos entre si, as principais diferenças concentravam-se no uso do espectro de frequência e no espaçamento entre canais; 33

34 1G - Redes Analógicas de Telefonia Móvel O AMPS opera na faixa de MHz para recepção e MHz para transmissão; O NMT-450 opera na faixa de MHz para recepção e MHz para transmissão; O NMT-900 utiliza a faixa de MHz para recepção e MHz para transmissão, etc.. Com relação ao espaçamento entre os canais pode-se citar o AMPS que adota 30 khz, o TACS e vários outros que adotam 25 khz; O AMPS (Advanced Mobile Phone Service) foi o primeiro sistema de telefonia móvel celular adotado no Brasil, no Rio de Janeiro, em

35 2G - Redes Digitais de Telefonia Móvel Com a demanda de novos usuários, o sistema de telefonia analógico foi rapidamente exaurido. Novos sistemas com novas tecnologias seriam necessários. Assim surgiu a segunda geração de redes celulares ou 2G; Algumas vantagens imediatas do sistema 2G sobre o 1G foram: a acomodação de maior número de usuários numa mesma faixa de frequência, possibilidade de conferência entre usuários e sistema de mensagens de voz e texto; 35

36 2G - Redes Digitais de Telefonia Móvel Com o 2G, o FDMA é ainda usado para a divisão da faixa de frequência em pequenos blocos, porém a utilização de tais blocos é feita com a adoção de duas novas tecnologias de acesso digital: TDMA e CDMA; Estas tecnologias são classificadas como air interface : uma forma de manipular os sinais de forma a maximizar o uso da faixa de frequência disponível. Serviços 2G puros podem ofertar uma taxa de transmissão de dados de até 14 Kbps. 36

37 2,5G Um novo degrau da evolução do padrão 2G foi sua integração com transmissão de pacotes de dados, devido a forte demanda de serviços de acesso à internet para ambiente wireless; Esta nova capacidade recebeu o nome de sistemas 2,5G. O maior incremento que o 2,5G trouxe foi uma técnica avançada de modulação (comparado ao 2G), permitindo a comutação de pacotes ao invés de circuitos, a mesma técnica de transmissão adotada pelo IP da arquitetura TCP/IP; Diferentemente da comutação por circuito que aloca um circuito fim-a-fim durante a transmissão, a comutação de pacotes só utiliza o caminho quando de fato há dados para transmitir; 37

38 2,5G Assim, a tecnologia 2,5G trouxe um uso mais eficiente do espectro de frequência e da banda disponível, promovendo o meio de transporte mais apropriado para a navegação de aplicações na internet a partir de dispositivos wireless, notadamente com o surgimento de aparelhos celulares com esta capacidade; Com 2,5G puro, pode-se atingir a taxa de transmissão de dados de até 144 Kbps; Na maioria dos casos, os sistemas 2,5G são implementados diretamente sobre as redes 2G existentes. Como resultado, um sistema 2,5G não é uma rede comutada a pacotes pura. Na verdade, pacotes de dados são transmitidos sobre redes de circuitos comutados; 38

39 2,5G Redes wireless comutadas puras a pacote só serão mesmo disponibilizadas com o advento da geração 3G; Formalmente, as primeiras redes digitais em operação no Brasil (TDMA, CDMA e GSM) são da geração 2G. O 2,5G veio com a inclusão do protocolo GPRS (General Packet Radio Services), sobre redes GSM; Uma segunda evolução para redes 2G, após o GPRS, é a técnica de modulação denominada EDGE (Enhanced Data GSM Environment); Enquanto GPRS utiliza a modulação GMSK, EDGE utiliza a 8 PSK que possibilita um incremento na velocidade de transmissão de três vezes sobre o GPRS. 39

40 3G - Redes de Altíssima Velocidade Mesmo não estando ainda os sistemas de segunda geração totalmente amadurecidos e firmemente estabelecidos, já se trabalha intensamente no desenvolvimento da terceira geração; Este trabalho está sendo liderado mais uma vez pela Europa e patrocinado pelo ITUR (International Telecommunications Union Radiocommunications sector) e ETSI (European Telecommunications Standard Institute); O objetivo é criar um sistema móvel de terceira geração denominado UMTS (Universal Mobile Telecommunications System); 40

41 3G - Redes de Altíssima Velocidade Progressos significativos já foram obtidos, como por exemplo a reserva de 230 MHz de espectro, com a aprovação de 127 países, na "World Administrative Radio Conference" (WARC) em 1992; A topologia provável desse novo sistema é baseada em uma forma de arquitetura mista de células; Células de tamanho variável serão implementadas com dimensionamento adequado para áreas geográficas específicas e em função das diferentes demandas de tráfego; 41

42 3G - Redes de Altíssima Velocidade Células diminutas, ou seja, picocélulas, instaladas em interiores, serão versões melhoradas das atuais tecnologias "cordless", com "handsets", isto é, aparelhos de assinante, bastante pequenos e leves; Células maiores, ou seja, microcélulas e macrocélulas, poderão operar segundo características evoluídas a partir do GSM; "Handsets" diferentes precisarão reconhecer e operar indistintamente em pico, micro e macrocélulas, 42

43 3G - Redes de Altíssima Velocidade Ou seja, o objetivo é criar uma plataforma de rede sem fio, oferecendo aos usuários a possibilidade de acesso, através de ondas de rádio, como extensão do sistema telefônico do escritório quando se encontram no trabalho; Ou como telefone móvel convencional quando se encontram ausentes; Ou ainda como telefone principal de suas residências quando estão em casa. 43

44 3G - Redes de Altíssima Velocidade A evolução em direção aos serviços de telecomunicações móveis universais, UMTS, muito provavelmente, deverá ter como base a estrutura do GSM; Econômica e tecnicamente falando, a criação de um padrão independente para o UMTS seria injustificável dado o enorme investimento para a viabilização das redes celulares digitais já em uso; O objetivo do UMTS é prover um padrão universal para as comunicações pessoais com o apelo do mercado de massa e com a qualidade de serviços equivalente à rede fixa. 44

45 3G - Redes de Altíssima Velocidade Na visão UMTS, um sistema de comunicações deverá suportar diversas facilidades: (1) portadoras realocáveis, banda atribuível sob demanda, por exemplo, 2 Mbps para comunicações em ambientes internos e pelo menos 144 kbps para ambientes externos; (2) variedade de tipos de tráfego compartilhando o mesmo meio; (3) tarifação adequada para aplicações multimídia; (4) serviços personalizados; (5) facilidade de implementação de novos serviços (por exemplo, utilizando ferramentas de rede inteligente); (6) WLL (Wireless Local Loop) de banda larga, etc.. 45

46 3G - Redes de Altíssima Velocidade WLL de banda estreita tem sido utilizado em substituição aos fios/cabos de cobre para conectar telefones e outros dispositivos de comunicação com a rede de telefonia comutada pública, ou PSTN (Public Switched Telephone Network); Os delegados do ETSI reunidos em Paris em 29/01/98 concordaram com a adoção de um padrão de interface aérea para a terceira geração que incorpora elementos de duas tecnologias: W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) e TDMA/CDMA (híbrido de "Time Division Multiple Access/Code Division Multiple Access"); 46

47 3G - Redes de Altíssima Velocidade A rede básica do sistema deverá ter como base o GSM. O projeto de um produto pessoal como o terminal de assinante para o celular ou PCS vem também se tornando num desafio crescente para a indústria; Os terminais têm se tornado cada vez menores, mais leves, as baterias têm durado mais e os novos modelos que surgem apresentam sempre uma série de novas características e funcionalidades; A Hewlett-Packard Co. e outros estão tentando concentrar todas as funções de um telefone em um cartão de crédito comum; 47

48 3G - Redes de Altíssima Velocidade Os laboratórios de pesquisa da British Telecom, Reino Unido, estão desenvolvendo um comunicador pessoal como peça de vestuário e que combine vídeo, telefonia, comunicação de dados; A Sony vem trabalhando há anos num sistema que efetua traduções em tempo real, de forma que pessoas de países diferentes possam estabelecer uma conversação normal em línguas diferentes; Adicionalmente, todo esse poder de processamento deverá estar concentrado em um único "chip ; 48

49 3G - Redes de Altíssima Velocidade A integração da tecnologia de computação com a de comunicações e a eletrônica de estado sólido deve se constituir na base para sistemas multimídia com fantásticos poderes de processamento; Virtualmente, dentro de algum tempo, qualquer indivíduo poderá ter acesso às comunicações sem fio e estará enviando ou recebendo " s", "faxes", vídeo e, na maioria dos casos, utilizando dispositivos portáteis. 49

50 Quadro Comparativo 50

51 4G - Quarta Geração de Telefonia Móvel A 4G estará baseada totalmente em IP sendo um sistema de sistemas e uma rede de redes, alcançando a convergência entre as redes de cabo e sem fio assim como computadores, dispositivos eletrônicos e tecnologias da informação para prover velocidades de acesso entre 100 Mbps em movimento e 5 Gbps em repouso, mantendo uma qualidade de serviço (QoS) de ponta a ponta (ponto-a-ponto) de alta segurança para permitir oferecer serviços de qualquer tipo, a qualquer momento e em qualquer lugar; 51

52 4G - Quarta Geração de Telefonia Móvel No Japão foi experimentado com as tecnologias de quarta geração, com a NTT DoCoMo à vanguarda; Esta empresa realizou as primeiras provas com sucesso absoluto (alcançando 100 Mbps a 200km/h) e espera lançar comercialmente os primeiros serviços de 4G no ano de 2010; O conceito 4G vai muito além de telefonia móvel, já que não pode ser considerada uma evolução dos padrões de telefonia celular, tais como as existentes no mercado até 3G. 52

53 4G - Quarta Geração de Telefonia Móvel As novas tecnologias de redes banda larga móvel (sem fio) permitirão o acesso a dados em dispositivos que operam com IP, desde handsets até CPEs (equipamentos para conversão de dados para uso em equipamentos finais tais como TVs e telefones); Atualmente há duas tecnologias que são mais exploradas na indústria: WiMAX e LTE (Long Term Evolution), ambas ainda passíveis de definições de uso por questões regulatórias por parte de governos e padronizações nas indústrias de hardware; 53

54 Qual a diferença entre LTE e WiMAX? LTE e WiMAX são duas tecnologias de transmissão 4G. A primeira delas, LTE, é o sucessor natural para os padrões atuais. O Long Term Evolution é também retrocompatível (assim como o GSM foi com o TDMA), o que significa que usuários, serviços e aparelhos da nova rede e da antiga podem coexistir sem quaisquer problemas; A segunda, WiMax, Worldwide Interoperability for Microwave Access se desenvolveu de um conceito próximo do Wi-Fi, permitindo acesso à banda larga sem fio com custos reduzidos. 54

55 4G - Quarta Geração de Telefonia Móvel Os grandes atrativos do 4G são a convergência de uma grande variedade de serviços até então somente acessíveis na banda larga fixa, bem como a redução de custos e investimentos para a ampliação do uso de banda larga na sociedade, trazendo benefícios culturais, melhoria na qualidade de vida e acesso a serviços básicos tais como comunicação e serviços públicos antes indisponíveis ou precários à população; 55

56 4G - Quarta Geração de Telefonia Móvel 4G está sendo desenvolvido prevendo oferecer serviços baseados em banda larga móvel tais como Multimedia Messaging Service (MMS), video chat, mobile TV, conteúdo HDTV, Digital Video Broadcasting (DVB), serviços básicos como voz e dados, sempre no conceito de uso em qualquer local e a qualquer momento; Todos os serviços deverão ser prestados tendo como premissas a otimização do uso de espectro, troca de pacotes em ambiente IP, grande capacidade de usuários simultâneos, banda mínima de 100 Mbit/s para usuários móveis e 1 Gbit/s para estações fixas, interoperabilidade entre os diversos padrões de redes sem fio. 56

57 Market Share Telefonia Móvel Agosto de 2011 Fonte: Teleco 57

58 Market Share Telefonia Móvel Para uma consulta completa da situação atual da telefonia celular, consultem o site: 58