Cap. 3 Redes sem fios

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1 Sistemas de Telecomunicações 2 Sistemas Avançados de Telecomunicações (2004/2005) Cap. 3 Redes sem fios 3.1 Introdução às redes celulares 1 Sumário Conceito de sistema celular Sistemas celulares 1G Sistemas celulares 2G Sistemas celulares 2.5G Sistemas celulares 3G 2

2 Noções técnicas (I) Uma célula é a área coberta por uma antena em termos radioeléctricos. Numa célula servida por uma antena, podem operar uma ou mais frequências. frequência fx célula 3 Noções técnicas (II) Uma célula pode variar espacialmente entre 300 m e 35 Km: 300 m = pico-célula 500 m - 1 Km = micro-célula até 35 Km = macro-célula Micro-célula (zonas urbanas) Pico-célula (edifícios) Macro-célula (zonas suburbanas) 4

3 Noções técnicas (III) Área de cobertura dos sistemas depende em grande medida da potência de transmissão dos equipamentos. Potência de transmissão diminui de forma proporcional à distância da estação receptora. Limitações de potência devido à interferência causada nos equipamentos que partilham o espectro. Quanto menor for a potência radiada, melhor é o desempenho do sistema, em termos de performance dos serviços, e maior é a capacidade do sistema em termos de número de utilizadores. 5 Noções técnicas (IV) Esquema de cobertura real: antenas omnidireccionais ou sectorizadas permitem uma ampla cobertura geográfica, através da divisão do terreno em áreas que se sobrepõem. 6

4 Noções técnicas (V) Principio básico das redes celulares é o da reutilização de frequências: a mesma frequência pode ser reutilizada em várias áreas de cobertura (células), desde que estas se encontrem suficientemente afastadas umas das outras de forma a não causarem interferências nos canais rádio. f1 f1 f3 f3 f7 f2 f5 f4 f5 f6 f7 f4 f1 f2 f3 f6 f7 f1 f4 f5 f6 f3 f1 f6 f5 f4 f2 f7 f7 f1 f5 f6 f2 f2 f3 f4 f1 f7 Células agrupadas em cluster f4 f3 7 Vantagens Redução do tamanho das células Redução de potência Aumento da capacidade da rede 8

5 Desvantagens Maior custo da infraestrutura (mais antenas). Interferência co-canal (mesma frequência duma célula vizinha, pertencente a um outro cluster) definição de distância de reutilização definição de número de células por cluster definição de número de frequências por célula. Necessidade de transferências entre canais rádio pertencentes a frequências de células diferentes (handovers), as quais levam tempo e podem degradar a QoS. 9 Sumário Conceito de sistema celular Sistemas celulares 1G Sistemas celulares 2G Sistemas celulares 2.5G Sistemas celulares 3G 10

6 Sistemas celulares 1G Usam técnicas de transmissão analógica. Lançamento comercial em: 1979, Chicago, EUA, AMPS (Advance Mobile Phone Service) 1979, Japão, NTT , Escandinávia, NMT (Nordic Mobile Telephone) 1985, UK, TACS (Total Access Communications Systems) JTACS, C-450, Radiocom 2000, RTMS, MATS, NAMPS. Em Portugal, o primeiro sistema celular foi o C- 450, rede exclusiva da TMN, tendo entrado em funcionamento no final de Distribuição geográfica Sistema Banda Países AMPS 800 MHz EUA, Canadá, México, Austrália, Nova Zelândia, Taiwan, Coreia do Sul, Singapura, Hong Kong, Tailândia, Brasil e Argentina TACS 900 MHz Reino Unido, Irlanda, Espanha, Itália, Áustria, Emiratos Árabes Unidos, etc. NMT 450 / 900 MHz Dinamarca, Finlândia, Noruega, Suécia, Bélgica, Áustria, França, Hungria, Holanda, Espanha, Turquia e Suíça C MHz Alemanha, Áustria, Portugal e África do Sul Radiocom / 900 MHz França RTMS 450 MHz Itália 12

7 Cenário após implantação Tamanho dos terminais foi reduzindo ao longo da década de 80: ao princípio só existiam telefones montados em carros, no fim é que apareceram os portáteis (enormes). Escassa capacidade em termos de tráfego (estimativa de procura abaixo do que na realidade veio a acontecer). Vários sistemas na Europa que não asseguravam roaming (mudança de rede) por apresentarem características técnicas diferentes. 13 Sumário Conceito de sistema celular Sistemas celulares 1G Sistemas celulares 2G Sistemas celulares 2.5G Sistemas celulares 3G 14

8 A rede GSM O objectivo principal foi definir um sistema único para comunicações móveis na Europa. GSM - Global System for Mobile Communications. Usa tecnologia digital. Opera na banda de frequências dos 900 MHz, 1800 MHz e 1900 MHz, sendo a última só usada nos EUA. Os trabalhos de normalização começaram em Dezembro de 1982 e terminaram em 1990 (ETSI). Elevada sinergia com a RDIS e tem por base o serviço de voz. 15 Teste e comercialização Testes a terminais e sistemas celulares 2G no final da década de 80. Lançamento comercial no início da década de 90. Em Portugal, as duas primeiras redes GSM são instaladas em 1992, pela TMN e Telecel, seguidas pela rede da Optimus em

9 Características técnicas Frequências CDMA, (IS-95) GSM, DCS-1900 IS-136, PDC 900MHz-1800MHz 900MHz-1800MHz 800MHz, 1500MHz, 1900MHz Duplexing FDD FDD FDD Técnica Acesso Múltiplo Separação portadora Nº canais voz por portadora CDMA TDMA TDMA 1.25MHz 200kHz 30KHz (IS-136) Países EUA Europa, Austrália, América do Sul e EUA 25KHz (PDC) Continente Americano, Austrália, Japão 17 Distribuição geográfica 18

10 Cenário após implantação Elevado crescimento e alta taxa de penetração Produção em massa resultou em preços acessíveis Terminais de dimensões bastante reduzidas e com razoável autonomia de bateria Baseiam-se no serviço de voz Apresentam baixa taxa de transmissão para dados Só suportam transmissão em modo circuito 19 Interface rádio Interface que mede realmente o desempenho do sistema. O débito binário máximo é de 9.6 kbit/s, devido às limitações da transmissão rádio. Interface rádio PLMN PLMN - Public Land Mobile Network 20

11 ME - Mobile Equipment Peça de material propriamente dita com a qual se efectuam as chamadas Podem ser montadas em veículos, ou portáteis (telefones, PCs, outros) Geralmente, é a única parte visível para o utilizador 21 SIM - Subscriber Identity Module Pode ser IC-Card ou Smart-Card (plug-in SIM) Sem o SIM, o ME não pode ser utilizado em redes GSM/DCS, excepto para chamadas de emergência (112) Reutilizável noutro ME Geralmente é vendido como cativado a um operador 22

12 Serviços Serviços de voz Serviços de dados Serviço de mensagens escritas - SMS Serviços suplementares Serviço WAP 23 Sumário Conceito de sistema celular Sistemas celulares 1G Sistemas celulares 2G Sistemas celulares 2.5G Sistemas celulares 3G 24

13 Sistemas celulares 2.5G (I) Introdução da transmissão em modo pacote. Aumento das taxas de transmissão, quer pela utilização de agregação de canais, como pela utilização de novos esquemas de codificação de canal. Foram desenvolvidas várias normas: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), 57.6 Kbit/s em modo circuito (só para GSM) P-PDC (Packet-mode Personal Digital Cellular), 28.8 Kbit/s (Imode service no Japão). GPRS (General Packet Radio Service), 115 Kbit/s em modo pacote (para o GSM e IS 136 (D-AMPS)) EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), 384kbps (para GSM e IS-136) 25 Sistemas celulares 2.5G (II) HSCSD GPRS EDGE L.B. canal 200KHz 200KHz 200KHz Mudança infraestrutura Requer novo espectro? Requer novos terminais? Requer upgrade de software na Base Station Requer novo packet overlay incluindo routers e gateways Não Não Não Sim. Terminais funcionam a 57.6kbps em redes HDCSD e 9.6kbps em GSM Sim. Terminais funcionam a 171.2kbps em redes GPRS e 9.6kbps em GSM Requer novo tranmissor na BS. Requer também upgrade de software na BS e BSC. Sim. Terminais funcionam a 384kbps em redes EDGE, 144kbps em redes GPRS e 9.6kbps em GSM) 26

14 GPRS - General Packet Service Radio Possibilita a transmissão efectiva de dados e sinalização com taxas de transmissão mais elevadas (teoricamente até 115 kbps). Baseia-se na tecnologia de comutação de pacotes. As novas unidades funcionais permitem o acesso directo às redes de comutação de pacotes IP e X.25. Os recursos rádio são partilhados pelos utilizadores no acesso à informação. always on está sempre ligado à rede. Foi aplicado ao GSM e IS GPRS - Benefícios em relação ao GSM Oferece maior largura de banda do que a infraestrutura GSM existente (até 8 timeslots por MS). É mais económico para o utilizador: vários utilizadores no mesmo canal (ais) eficiência espectral melhorada através da multiplexagem nos mesmos recursos taxação por volume de informação transferida, não por tempo A evolução para GPRS foi encarada pelos operadores como um passo em direcção à terceira geração. 28

15 Sumário Conceito de sistema celular Sistemas celulares 1G Sistemas celulares 2G Sistemas celulares 2.5G Sistemas celulares 3G 29 Requisitos para as redes 3G Elevadas taxas de transmissão (144 kps até 2 Mbps). Transmissão simétrica e assimétrica. Transmissão em modo pacote e modo circuito. Boa qualidade de voz. Maior capacidade e eficiência espectral. Possibilitar o uso de vários serviços em simultâneo. Coexistirem com as redes 2G. Permitirem o roaming entre as várias redes (terminais multimodo e multibanda). 30

16 Evolução de 2G para 3G (I) W-CDMA (UMTS) CDMA2000 1xRTT L.B. canal 5MHz 1.25MHz 3.75MHz Mudança infraestrutura Requer novo espectro? Requer novos terminais? Requer Base Stations completamente novas Requer novo software e novo hardware nas BS Sim Não Talvez Sim. Terminais funcionam até 2Mbps Sim. Terminais funcionam a 144 kbps CDMA2000 3xRTT Requer novo software e novo hardware nas BS Sim. Terminais funcionam até 2Mbps 31 Evolução de 2G para 3G (II) GSM - TDMA (Europa e outros) HSCSD PDC - TDMA (Japão) GPRS UMTS IS TDMA (USA e outros) EDGE EDGE IS 95 - CDMA (USA e outros) IS-95B CDMA

17 Sistemas celulares 3G CDMA2000 W-CDMA (UMTS) TD-SCDMA Modo de operação Método de duplexing Principais características Multi-portadora e espalhamento directo DS-CDMA a N* Mcps N = 1, 3, 6, 9, 12 DS-CDMA a N*0.960 Mcps N = 4, 8, 16 FDD e TDD FDD e TDD TDD Retrocompatível com IS-95 Retrocompatível com GSM Até 2.048Mbps no downlink em modo FDD DS-CDMA Mcps Bit rate do canal RF até Mbps O uso de antenas inteligentes é fundamental 33 UMTS Larguras de banda disponíveis Ambiente Taxa de transmissão Velocidade máxima Rural até 144 kbit/s 500 km/h Suburbano até 384 kbit/s 120 km/h Interior / Curta distância exterior até 2 Mbit/s 10 km/h UMTS - Universal Mobile Telecommunications System 34