Telefonia Móvel Celular

Introdução à Computação Móvel Prof. Francisco José da Silva e Silva Prof. Rafael Fernandes Lopes Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação (PPGCC) Universidade Federal do Maranhão (UFMA) Telefonia Móvel Celular

Alguns dados... Mundo: 6 bilhões de usuários!!! (1 bilhão em 2000) Brasil (www.anatel.gov.br, 27/outubro/2012) 258,86 milhões de usuários (134,8 acessos/100 hab.) Tarifação: Pré-pago (81,2%) e pós-pago (18,8%) Tecnologias CDMA: 0,28% GSM: 75,16% 3G-WCDMA: 19,64% Term. Dados: 4,91% Estações Radiobase Licenciadas: 56.425 Telefones Fixos: 44,1 milhões (22,4 acessos/100 hab.) População do Brasil 198,7 milhões

Evolução dos sistemas Primeira Geração: 1G Sistemas analógicos (canal de voz) com o AMPS Segunda Geração: 2G Sistemas digitais com o GSM, TDMA (IS-136/D-AMPS) e CDMA (IS-95) 2.5 G Sistemas celulares que oferecem serviços de dados a taxas de até 115 kbps Passo intermediário na evolução para 3G Principais sistemas: GPRS/EDGE e extensões do CDMA Terceira Geração: 3G Sistemas celulares que oferecem serviços de dados por pacotes e taxas de até 2 Mbps Principais sistemas: WCDMA (UMTS) e CDMA2000

Evolução dos sistemas 3.5G Evoluções do padrões 3G Principais sistemas: HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) e 1x EV-DO (Evolution Data Optimized) 3.75G Pré-4G Principais sistemas: adição do protocolo HSUPA (High- Speed Uplink Packet Access), gerando o padrão HSPA (High Speed Packet Access) e posteriormente sua evolução HSPA+ (Evolved HSPA)

Evolução dos sistemas Quarta Geração: 4G Beyond 3G (Após 3G) Anywhere, anytime (Qualquer lugar, sempre conectado) LTE (Long Term Evolution) Taxas de 100 Mbit/s (móvel) a 1 Gbit/s (fixo) Interconectividade (WiFi, WiMax) Baseada em endereçamento IP (IPv6) Padrões: Mobile WiMAX 802.16m (IEEE) Coréia do Sul (2006) LTE-Advanced: 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Escandinávia (2009) Comercialmente no mundo (EUA, Canadá, etc) desde de 2011 Brasil (Copa das Confederações 2013): Salvador, Recife, Fortaleza, Brasília, Belo Horizonte e Rio de Janeiro

Evolução dos sistemas Quarta Geração: 4G Multiportadora CDMA (OFDMA) Equalização no domínio da frequência (frequency domain equalization) Antenas inteligentes (MIMO Multiple input, multiple output) Alta eficiência espectral (bit/segundo/hertz/site) Banda de frequência: 5 20 MHz (escalonável) Codificação Turbo: minimização SNR necessária no receptor Telefonia comutada por pacote Femtocélulas (nós interconectados a infraestrutura de Internet banda larga)

Sistemas de telefonia celular Comunicação sem fio a longas distâncias Oferece uma conexão sem fio à PSTN (Public Switched Telephone Network Rede Telefônica Pública Comutada) Permite mobilidade contínua dos usuários Acomodam um grande número de usuários em uma grande área geográfica e dentro de um espectro de frequência limitado Alta capacidade é alcançada limitando-se a cobertura dos transmissores a sub-regiões geográficas: células

Sistemas de telefonia celular Utiliza múltiplos transmissores de baixa potência Cada célula é servida por uma estação rádio base (ERB), composta por: transmissor, receptor e unidade de controle A extensão da área de cobertura de uma ERB é dependente dos seguintes fatores: Potência de saída do rádio transmissor Banda de frequências utilizada Altura e localização da antena Tipo da antena Topografia do terreno (sombreamento)

Sistemas de telefonia celular A cada célula são atribuídas faixas de frequência Reuso de frequências uso da mesma frequência (canal) na cobertura de diferentes áreas Células são organizadas de forma que todas as antenas vizinhas sejam equidistantes (padrão hexagonal) Interferência co-canal interferência entre células que usam a mesma frequência (limites toleráveis)

Organização das células

Características do sistema celular Alta densidade de tráfego Permite o reuso de frequências Transmissores de baixa potência montados em estruturas mais baixas Pequena área cobertura Permite expansão modular Capacidade limitada pela interferência entre usuários

Conceito de telefonia celular Por que não usar uma grande torre de rádio e uma grande área de serviço? Número de usuários simultâneos seria bastante limitado Relacionado ao número de canais disponíveis Terminal móvel teria um grande requisito de potência de transmissão Conceito de telefonia celular pequenas células com reuso de frequência Vantagens Baixa potência de transmissão dos dispositivos Aumento da capacidade do sistema com reuso de frequências Desvantagens Custo das células Handoff (ou handover) entre as células deve ser suportado Necessário rastrear o usuário móvel para rotear mensagens e chamadas

Reuso de frequências São alocadas frequências diferentes para células adjacentes Células distantes reusam frequências Reuso de frequências em células próximas Um número de canais (faixas de frequência) são atribuídas a cada célula Potência de transmissão é controlada para evitar a invasão para células vizinhas A questão é determinar quantas células devem se interpor entre duas células que utilizem a mesma frequência

Reuso de frequências Cluster conjunto de células em que não há reutilização de frequências Estruturas mais empregadas (antenas omnidirecionais células hexagonais)

Estrutura celular Seja T o número total de canais duplex K células = tamanho do cluster de células (tipicamente 4, 7, 12, 21) N = T/K = número de canais por célula Para uma área geográfica específica, se os clusters forem replicados M vezes, então o número total de canais é Capacidade do sistema = M x T Escolha de K determina a distância entre células que utilizam as mesmas frequências chamadas células co-canais K depende de quanta interferência pode ser tolerada pelas estações móveis e perda por propagação

Estrutura celular

Distância de reuso de frequência A partir da geometria hexagonal: d = r 3K Razão de reuso de frequência d r = 3K

Capacidade de tráfego e interferência co-canal Dimensão d/r Canais/célula Capacidade de tráfego Qualidade de transmissão 1 1,73 360 Mais alta Mais baixa 3 3,00 120 4 3,46 90 7 4,58 51 12 6,00 30 Mais baixa Mais alta A qualidade da transmissão e a capacidade de tráfego operam em sentido opostos Além disso, quanto menor o conjunto de células, menor o custo do sistema. A determinação da relação d/r é um compromisso entre esses fatores.

Componentes básicos dos sistemas ERB Estação Rádio Base (Base station BS) CCC Central de Comutação e Controle (Mobile Switching Center MSC, também chamada de Mobile Telephone Switching Office - MTSO) EM Estações móveis (Mobile Station MS) RTPC - Rede Telefônica Pública Comutada (Public Switched Telephone Network PSTN) celulares

Estação Rádio Base Provê canais de rádio entre as unidades móveis e a rede Pico-células (indoor, 0-0.5 Km) suportam de 8-20 canais Micro-células (outdoor, 0-1 Km) Macro-células (1-30 Km)

Central de comutação e controle Central telefônica expandida para operar com software próprio de serviço móvel celular Uma CCC se liga a várias ERBs por meio de linhas telefônicas e de dados privativos (fibras ópticas, rádios digitais, enlaces de microondas, etc.) Coordena atividades de todas as ERBs e conecta o sistema celular à PSTN Funções da CCC: Realiza conexões de chamadas entre unidades móveis Realiza conexões entre um usuário da rede fixa e um usuário móvel Atribui um canal de voz para cada chamada Controlar e comutar o handoff de chamadas Monitora informações de cobrança

Como é feita a chamada celular?

Handoff Função que permite manter a continuidade de uma conversação quando o usuário passa de uma célula para outra O handoff está centralizado no CCC e pode causar uma interrupção na comunicação de até 0,5 s

Handoff Transferência do gerenciamento de uma unidade móvel de uma ERB para outra Pode ser iniciada exclusivamente pela rede ou assistida pela unidade móvel Principal parâmetro utilizado: intensidade do sinal da unidade móvel para a ERB

Estratégias de Handoff

Estratégias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal Unidade móvel transferida de ERB A para ERB B assim que a intensidade do sinal em B exceder a intensidade de A Na figura, handoff ocorre em L 1 Pode levar ao efeito ping-pong

Estratégias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal com Limite O handoff ocorre quando: 1. O sinal na ERB atual estiver abaixo de um limite E e 2. O sinal na ERB nova for maior Se for definido um limite alto (Th 1 ) comporta-se como a estratégia anterior Se for definido um limite baixo (Th 3 ) resulta em comunicação de baixa qualidade e eventualmente queda de comunicação. Handoff em L 4 Usando Th 2, handoff ocorre em L 2

Estratégias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal com Margem Ocorre somente caso o sinal da nova ERB for suficientemente maior (margem H) Handoff ocorre em L 3 Previne o efeito ping-pong

Estratégias de Handoff: Intensidade Relativa do Sinal com Margem e Limite Quando ocorre o handoff: 1. O sinal cai abaixo de um dado limite e 2. O sinal da ERB destino é maior que o atual acrescido de uma margem H Handoff ocorre L 3 caso o limite seja Th 1 ou Th 2 e em L 4 caso o limite seja Th 3

Estudo de caso: GSM (Global System for Mobile Communications) Desenvolvido na Europa para contornar a incompatibilidade dos sistemas de 1a geração Equipamento móvel: transceiver, processador sinais digitais, SIM SIM = Subscriber Identity Module Id do assinante Redes que ele pode acessar Chaves de criptografia Outras informações do assinante

Arquitetura do Sistema GSM

Subsistema Estação Base (BSS) Consiste de uma estação de controle (Base Station Controller BSC) e uma ou mais estações transceiver (Base Transceiver Station BTS) Cada BTS define uma célula. Raio: 100 m a 35 km Funções BSC: Gerencia clusters de ERBs Realiza a atribuição de canais Gerencia handoff dentro da mesma BSS Controle de potência

Mobile Switching Center (MSC) Home Location Register - HLR Banco de dados especializado que contêm informações de cobrança, perfil de serviço e localização geral do usuário móvel Informações a respeito de cada usuário pertencente ao MSC Um por provedor de serviço Visitor Location Register - VLR Similar ao HLR, contém a localização e os perfis de serviço de usuários Informação temporárias de todos os usuários presentes na área do MSC Authentication Center - AuC Armazena chaves de criptografia de todos os usuários presentes na área do MSC Equipment Identity Register - EIR Banco de dados que contém uma lista de todos os equipamentos válidos na rede Armazena IMEI (International Mobile Equipment Identity) de cada terminal móvel Mantém uma lista branca (equipamento ok), negra (equipamento roubado) e cinza (equipamento com defeito) dos dispositivos em operação

Subsistema de Suporte a Operações (OSS) O centro de manutenção e operações (Operations and Maintenance Center - OMC) a todos os equipamentos no sistema de comutação e às BSCs Entidade funcional a partir da qual o operador da rede monitora e controla o sistema Funções: Administração e operação comercial (assinaturas, terminais finais, cobrança e estatísticas) Gerenciamento da segurança Gerenciamento da configuração da rede, operação e desempenho Tarefas de manutenção

O Canal de Comunicações Móveis Modelos Teóricos expressões fechadas Empíricos medições de campo Necessários para cálculo da área de cobertura Modelo de alta complexidade Infinitos parâmetros para descrever um ambiente Transmissão em alta frequência 60 MHz => 5 m 1800 MHz => 5 cm Desvanecimento Atenuações de até 40 db Montanhas, túneis, espelho d água, etc. Interferência co-canal e entre canais adjacentes

Fórmula de Friis Transmissão em Espaço-livre Densidade de potência considerando uma casca esférica hipotética de raio d Pr P λ 4πd Pr = Potência recebida Pt = Potência transmitida Gr = Ganho da antena receptora Gt = Ganho da antena transmissora λ = Comprimento de onda d = Distância t = G G t r 2

Perdas por propagação Perdas l = Pt P Em decibéis (db) L 10 = 10 log10 P r + 10log P t Perda no espaço-livre Pr P t = G G t r r λ 4πd 2 L = 10 logg 10logG 20log λ + 20log d + t r 21,98

Modelo de dois raios (Lee) P r = ht. hr Pt. Gt. Gr 2 d 2

Método de Okumura Modelo empírico baseando em medições de campo na cidade de Tóquio (ht = 200 m e hr = 3 m) Estimativa inicial para perdas de propagação em terrenos pouco acidentados ( h= 20 m) Fatores de correção: A(f, d) e G area Perdas: L = L + A( f, d) G G( h ) G( h 0 area t r )

Método de Okumura Atenuação média: A(f, d)

Método de Okumura Fator de correção: G area

Método de Okumura Correção (Alturas das antenas) Antena transmissora G h t ) = 20 log( h / 200) 30m ht 1000m ( t Antena receptora G h r ) = 10 log( h / 3) h r < 3m ( r G h r ) = 20 log( h / 3) 3m hr 10m ( r

Fórmula de Hata O Método de Okumura não pode ser automatizado de forma eficiente (consulta a várias curvas) Hata desenvolveu uma fórmula empírica baseada nos resultados de Okumura Perda em db L = 69,55 + 26,16 log f 13,82 log h A( h ) + (44,9 6,55log h ) log d Fator de correção: A(h r ) t r t A( h ) = (1,1log f 0,7) h (1,56 log f 0,8) r 2 A( h r ) 3,2 log (11,75h = r r ) 4,97 [cid. pequena/média] [cid. grande]

Exemplo Enlace com raio médio de 10 km Frequência de operação: 1 GHz Altura da antena transmissora: 100 m Altura da antena receptora: 3 m Antenas com ganho unitário: G t = G r = 1 Cidade de porte médio Perdas de propagação Okumura: 137,96 db Hata: 148,27 db Erro: 6,95%

Leituras recomendadas Mobile Communications Jochen Schiller Cap 4: GSM/GPRS Addison-Wesley Wireless Communications and Networks William Stallings Cap 10: Cellular Wireless Networks Prentice-Hall Telefonia Celular Digital Marcelo Sampaio de Alencar Editora Érica, 2ª edição, 2007 Comunicações sem fio: princípios e práticas Theodore Rappaport Caps. 1-4 Prentice-Hall, 2ª edição, 2009