Redes Celulares: de 1G a 4G

Redes Celulares: de 1G a 4G Prof. Leonardo Barreto Campos http://sites.google.com/site/leonardobcampos 1/74

Sumário Introdução 1ª Geração 1G 2ª Geração 2G Geração 2,5 3ª Geração 3G 4ª Geração 4G Leitura Complementar Bibliografia http://sites.google.com/site/leonardobcampos 2/74

Introdução Nos anos 1980, os europeus reconheceram a necessidade de um sistema pan-europeu de telefonia celular digital que substituiria os diversos sistemas analógico incompatíveis; Surgiu o padrão GSM (Global System for Mobile Communications): Sucesso no início dos anos 1990; Mais de 80% de assinantes no mundo utilizando essa tecnologia; Quando as pessoas falam sobre tecnologia celular, em geral, a classificam como pertencendo a uma das diversas gerações ; http://sites.google.com/site/leonardobcampos 3/74

Introdução Evolução das gerações GSM: http://sites.google.com/site/leonardobcampos 4/74

Introdução Evolução das gerações GSM no Brasil: http://sites.google.com/site/leonardobcampos 5/74

Introdução Evolução das gerações GSM: http://sites.google.com/site/leonardobcampos 6/74

Introdução Quantidade de acessos por tecnologia: http://sites.google.com/site/leonardobcampos 7/74

1ª Geração http://sites.google.com/site/leonardobcampos 8/74

1ª Geração O termo celular refere-se ao fato de que uma área geográfica é dividida em várias áreas de cobertura geográfica, conhecidas como células, ilustradas como hexágonos. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 9/74

1ª Geração Projetada para o tráfego de voz; Eram sistemas de FDMA analógicos, desenvolvidos especialmente para a comunicação apenas por voz Quase não existem mais, tendo sido substituídos pelos sistemas digitais 2G. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 10/74

1ª Geração FDMA: Múltiplo Acesso por Divisão de Frequência http://sites.google.com/site/leonardobcampos 11/74

1ª Geração Os primeiros sistemas desenvolvidos foram: Nordic Mobile Telecomunications (NMT), Advanced Mobile Phone Service (AMPS), Total Access Comunications System (TACS), Extended Total Access Comunications System (ETACS), C450 e Radicom 2000. Estes sistemas eram essencialmente analógicos e utilizavam o FDMA para se comunicar. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 12/74

1ª Geração Problemas: Limitação de capacidade; Terminais de usuários grandes e pesados; Incompatibilidade entre os sistemas; Interfaces não eram padronizadas; Baixa qualidade nas ligações Sem segurança na transmissão das informações. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 14/74

1ª Geração 1G foi incrível, mas limitado! http://sites.google.com/site/leonardobcampos 15/74

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2ª Geração Conexões por voz à rede telefônica http://sites.google.com/site/leonardobcampos 19/74

2ª Geração Cada célula contém uma estação-base de transceptor (BTS) que transmite e recebe sinais de estações móveis: http://sites.google.com/site/leonardobcampos 20/74

2ª Geração A área de cobertura de uma célula depende de muitos fatores, tais quais: Potência da BTS; Potência de transmissão de aparelhos do usuário Obstáculos na célula (por exemplo, prédios) Altura das antenas da estação-base A BTS não necessariamente fica no centro da célula. Hoje, em muitos sistemas, a BTS é posicionada em pontos de intersecção de três células com antenas direcionais. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 21/74

2ª Geração O padrão GSM para sistemas celulares 2G utiliza FDM/TDM (rádio) combinados para a interface ar. Cada banda suporta 8 chamadas simultâneas entre as estações móveis. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 23/74

2ª Geração Um Controlador de estaçãobase (BSC) da rede GSM normalmente prestará serviço a dezenas de estações base do transceptor http://sites.google.com/site/leonardobcampos 24/74

2ª Geração O papel da BSC é: Alocar os canais de rádio da BTS a assinantes móveis; Realizar paginação (encontrar a célula na qual reside um usuários móvel) e Realizar a transferência de usuários móveis. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 25/74

2ª Geração O controlador de estaçãobase e suas estações-base de transceptor, coletivamente, constituem um sistema de estação-base (BSS) GSM. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 26/74

2ª Geração A Central de Comutação Móvel (MSC) desempenha o papel de contabilidade e autorização do usuários http://sites.google.com/site/leonardobcampos 27/74

2ª Geração O papel da MSC é: Determinar se um aparelho móvel tem permissão para se conectar à rede celular; Estabelecer e interromper uma chamada e transferências http://sites.google.com/site/leonardobcampos 28/74

2ª Geração Uma única MSC conterá até cinco BSCs, resultando em cerca de 200K assinantes por MSC. A rede de um provedor celular terá diversas MSCs, com MSC especiais conhecidas como roteadores de borda das MSCs: Roteadores de borda conectam a rede celular do provedor à rede telefônica pública mais ampla http://sites.google.com/site/leonardobcampos 30/74

2ª Geração Os sistemas 2G foi impulsionado pelo avanço da tecnologia dos circuitos integrados que permitiram a efetiva utilização da transmissão digital. Além de possibilitar uma maior capacidade, ofereciam as seguintes vantagens sobre os analógicos: Técnicas de codificação digital de voz mais poderosas Maior eficiência espectral Melhor qualidade nas ligações Tráfego de dados na rede Criptografia da informação transmitida http://sites.google.com/site/leonardobcampos 31/74

2ª Geração TDMA Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo: Três canais de voz para uma portadora, há um ganho em relação ao FDMA. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 33/74

2ª Geração TDMA Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo: O usuário tem acesso a uma pequena porção da banda por determinado intervalo de tempo (slot). Uma única portadora é compartilhada em vários slots de tempo, ou seja, é compartilhada por vários usuários, cada qual em seu instante determinado. A transmissão entre móvel e base é feita de forma não contínua. A transmissão entre móvel base é feita em rajadas, ocorrendo apenas no instante de tempo (slot) reservado para que o móvel transmita e/ou receba http://sites.google.com/site/leonardobcampos 34/74

2ª Geração Com a crescente demanda pelo serviço móvel surgiram os sistemas conhecidos como: GSM, CT-2 e DECT na Europa Time Division Multiple Acess (TDMA, também conhecido como IS-54 e IS- 136), o Code Division Multiple Access (CDMA IS-95) nos EUA e Personal Digital Cellular (PDC) no Japão. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 37/74

2ª Geração Uma característica bastante interessante da tecnologia GSM é o uso de um dispositivo chamado SIM (Subscriber Identity Module - algo como "Módulo de Identificação do Assinante"): Conhecido no Brasil simplesmente como "chip" ou como "cartão SIM", este minúsculo dispositivo armazena informações referentes à linha telefônica e ao usuário, como número, operadora, lista de contatos, entre outros. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 40/74

2ª Geração O uso dos cartões SIM ajudou a evitar problemas como: Clonagem do aparelho. Para clonar o indivíduo malintencionado precisa clonar o cartão SIM. Interceptações indevidas. Utiliza proteção via criptografia. Facilidade de ativação do roaming internacional. Funciona em redes de outros lugares (cidades ou países) a partir da infraestrutura da mesma operadora ou de empresas conveniadas a esta. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 41/74

2ª Geração Entre os recursos de segurança da tecnologia GSM está o IMEI (International Mobile Equipment Identify). Trata-se de uma sequência numérica exclusiva para cada aparelho e definidi pelo fabricante. Conhecer o IMEI é importante porque, em caso de perda ou roubo do dispositivo, a operadora terá mais facilidade para bloqueá-lo remotamente. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 42/74

2ª Geração O IMEI é formado por: Quinze dígitos. Os oito primeiros possuem informações referentes ao fabricante e ao modelo do dispositivo; os outros seis dígitos correspondem ao número de série; o último dígito é um número "verificador", ou seja, que atesta a validade de todo o código. Para obter o IMEI de seu aparelho, basta digitar a sequência *#06# nele. O número também pode estar registrado na parte traseira do aparelho, geralmente no compartimento da bateria. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 44/74

Geração 2,5 Entre a 2ª e 3ª Gerações houve uma geração intermediária de redes celulares, a chamada Geração 2,5. Desenvolvida com o objetivo de aumentar a taxa de transmissão de dados para suporte de aplicações internet e permitir aos equipamentos da 2ª geração já existentes, serem modificados e receberem como suplemento upgrades de software; A 2.5, não traz mudanças na hora de falar ao telefone. Mas, quando o assunto é Internet móvel, as diferenças em relação à 2ª Geração são gritantes. A velocidade é maior (pode chegar a 144 Kbps, mas alcança na média cerca de 70 Kbps); http://sites.google.com/site/leonardobcampos 49/74

Geração 2,5 http://sites.google.com/site/leonardobcampos 50/74

Geração 2,5 http://sites.google.com/site/leonardobcampos 51/74

Geração 2,5 GPRS Serviços Gerais de Pacotes por Rádio (do inglês, General Packet Radio Services): Finalidade: possibilitar o tráfego de dados por pacotes para que a rede de telefonia celular possa ser integrada à internet. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 52/74

Geração 2,5 GPRS vs GSM: GSM: a transmissão de dados era feita pela comutação de circuitos, isto é, uma conexão entre dois aparelhos era estabelecida, e em seguida a comunicação era feita de forma ininterrupta. GPRS: a comunicação de dados por comutação de pacotes, onde a informação é dividida em vários pacotes na origem, transmitida e remontada no destino. A vantagem disso, é que os recursos de transmissão são utilizados apenas quando os usuários estão enviando ou recebendo dados. Ao invés de dedicar um canal para um usuário por um determinado período de tempo, o canal pode ser compartilhado entre vários usuários. Fonte: http://www.smartinstec.com.br/sabe-como-funciona-o-sistema-gsm-e-gprs 53/74

Geração 2,5 54/74

Geração 2,5 EDGE Taxas de Dados Ampliadas para a Evolução do GSM (do inglês, Enhanced Date Rates For GSM Evolution): Próximo passo da evolução do GPRS; Apesar de já ser considerado uma tecnologia de terceira geração (3G), o EDGE é chamado por alguns especialistas de "2.75G", com uma capacidade de banda de até 236 Kbps. "O EDGE, na parte de dados, foi o limítrofe entre o 2G e o 3G, foi a porta de entrada para as redes 3G" Fonte: https://canaltech.com.br/telecom/gsm-edge-hpsa-lte-entenda-as-siglas-de-conexao-mobile/ 55/74

3ª Geração Para acessar os inúmeros serviços, nossos smartphones precisam executar uma pilha de protocolos TCP/IP completa e conectar-se à Internet por meio da rede de dados celular. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 56/74

3ª Geração O assunto de redes de dados celulares é uma coleção um tanto confusa de padrões concorrentes e em evolução; À medida que uma geração (e meia geração) substitui a anterior e introduz novas tecnologias e serviços, com novos acrônimos; http://sites.google.com/site/leonardobcampos 57/74

3ª Geração Em nossa discussão a seguir, vamos nos concentrar nos padrões 3G do UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service), desenvolvidos pelo Programa de Parceria da 3ª Geração (3GPP 3rd Generation Partnership Project) http://sites.google.com/site/leonardobcampos 58/74

3ª Geração A ideia básica de uma rede celular 3G é: manter intacto o núcleo da rede celular de voz GMS, acrescentando funcionalidade de dados por celular em paralelo à rede de voz existente. Existem dois tipos de nós no núcleo da rede 3G: Serviço de Nó de Suporte GPRS (SGNS Serving GPRS Support Nodes); Roteador de Borda de Suporte GPRS (GGSN Gateway GPRS Support Nodes); http://sites.google.com/site/leonardobcampos 61/74

Manter intacto o núcleo da rede celular de voz GMS, acrescentando funcionalidade de ados por celular em paralelo à rede de voz existente. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 62/74

SGNS: responsável por entregar datagramas de e para os nós móveis na rede de acesso por rádio à qual o SGSN está ligado http://sites.google.com/site/leonardobcampos 63/74

GGNS: atua como um roteador de borda (gateway), conectando vários SGSNs à Internet. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 64/74

3ª Geração Serviço de Nó de Suporte GPRS (SGNS Serving GPRS Support Nodes): Interage com o MSC da rede celular de voz para essa área, oferecendo autorização do usuário e transferência, mantendo informações de local (célula) sobre nós móveis ativos e realizando repasse de datagramas entre os nós móveis na rede de acesso por rádio e um GGSN Roteador de Borda de Suporte GPRS (GGSN Gateway GPRS Support Nodes): É a última parte da infraestrutura 3G que um datagrama originado do nó móel encontra antes de entrar na Internet. http://sites.google.com/site/leonardobcampos 65/74

3ª Geração Uma mudança significativa no UMTS 3G em relação às redes 2G é que, em vez de usar o método FDMA/TDMA do GSM o UMTS emprega uma técnica CDMA denominada Direct Sequence Wideband CDMA (DS- WCDMA); http://sites.google.com/site/leonardobcampos 66/74

3ª Geração Essa mudança exige uma nova rede celular 3G de acesso sem fio operando paralelamente com a rede de rádio BSS 2G; O serviço de dados associado à especificação do WCDMA é conhecido como Acesso à Pacote em Alta Velocidade (HSP High Speed Packet Access) e promete taxas de dados de até 14 Mbits/s http://sites.google.com/site/leonardobcampos 69/74

4ª Geração O padrão 4G Long-Term Evolution (LTE) apresentado pelo 3GPP tem duas inovações importantes em relação aos sistemas 3G: http://sites.google.com/site/leonardobcampos 71/74

4ª Geração Núcleo de pacote desenvolvido (EPC Evolved Packet Core): É uma rede de núcleo simplificado em IP, que unifica a rede celular de voz comutada por circuitos separada e a rede celular de dados comutada por pacotes; Essa é uma rede toda em IP, pois voz e dados serão transportados em datagramas IP; Dessa forma, uma tarefa importante do EPC é controlar os recursos da rede para oferecer alta qualidade do serviço; http://sites.google.com/site/leonardobcampos 72/74

4ª Geração Rede de Acesso por Rádio LTE: O padrão LTE usa uma combinação de multiplexação por divisão de frequência e multiplexação por divisão de tempo no canal descendente, conhecida como multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM). http://sites.google.com/site/leonardobcampos 73/74

Bibliografia Kurose, James F., Keith W. Ross, and Wagner Luiz Zucchi. Redes de Computadores e a Internet: uma abordagem top-down. 6ª Ed., Pearson, 2014. The Evolution of Mobile Technologies: 1G 2G 3G 4G LTE. Disponível em: https://www.qualcomm.com/media/documents/files/th e-evolution-of-mobile-technologies-1g-to-2g-to-3g-to- 4g-lte.pdf http://sites.google.com/site/leonardobcampos 74/74