Capítulo 2 Sistemas Rádio Móveis 2.1. Histórico e Evolução dos Sistemas Sem Fio A comunicação rádio móvel teve início no final do século XIX [2], quando o cientista alemão H. G. Hertz demonstrou que as ondas de rádio podiam se propagar em um meio sem fio, num pequeno percurso entre o transmissor e receptor. No mesmo século, M. G. Marconi implementou o primeiro sistema de comunicação sem fio ao estabelecer um radioenlace de rádio entre uma estação base terrestre e um pequeno rebocador. Já em 1921 o Departamento de Polícia de Detroit implementou um sistema rádio móvel de despacho onde, inicialmente, apenas a estação base podia transmitir, sendo que mais tarde foi possível também a transmissão a partir da unidade móvel. Em 1975, depois de uma negociação entre as indústrias e a FCC, uma banda de 40 MHZ na faixa de 800 a 900 MHz foi liberada para as comunicações móveis e, no ano de 1978 foram feitos os primeiros testes de campo para implementação do primeiro sistema celular. Vários sistemas sem fio são utilizados atualmente, como por exemplo: - Sistema de telefone sem fio; - Sistemas de comunicação via satélite; - Sistemas Wireless Local Loop (WLL); - Sistemas de Comunicação celulares. Dentre esses sistemas, o WLL e os sistemas celulares serão descritos mais detalhadamente nas próximas seções. 2.2. Conceitos Básicos de Sistemas Celulares O conceito mais importante por trás do sistema celular [3] é que um número limitado de canais de freqüência (determinado pela banda total disponível) pode ser usado dentro de uma grande área geográfica, 6
simplesmente dividindo-se a área total em células e fazendo o reuso de freqüência dentro das mesmas. Dessa maneira, nos sistemas analógicos tradicionais, cada célula usa uma porção do espectro total disponível, sendo que as células que estão suficientemente afastadas umas das outras podem reusar as mesmas freqüências. Em sistemas celulares o usuário se comunica com a estação base em cada célula através de um conjunto de canais lógicos que são usados para paging, acesso e tráfego. Um canal é alocado para um usuário quando ele está se comunicando dentro de uma célula, e é liberado logo que o usuário termina a chamada ou quando o mesmo entra num processo de handoff para outra célula. Os primeiros sistemas implementados possuíam um raio de cobertura de vários quilômetros, e eram conhecidos como sistemas macrocelulares. Com o crescimento do número de usuários, foi necessário aumentar a capacidade dos sistemas existentes. Assim, a potência das estações rádio base foram diminuídas e, portanto, células menores, ou microcélulas, começaram a ser usadas. Porém, o aumento de micrócelulas causa um aumento no custo da infra-estrutura do sistema, já que um maior número de rádio bases deve ser instalada. Além disso, uma maior quantidade de handoffs começa a surgir, já que os usuários mudam de célula com maior freqüência. O primeiro sistema analógico foi desenvolvido nos anos 80, e usava a tecnologia de acesso por divisão de freqüência, conhecida como FDMA, onde os canais eram separados por bandas de freqüência. O sistema analógico de maior aceitação foi o AMPS, porém seu esquema de modulação analógica causava uma considerável redução de capacidade. De forma a superar as limitações dos sistemas analógicos, surgem os sistemas de segunda geração, já utilizando esquemas de modulação digital. Dentre as vantagens dos sistemas digitais, podemos citar: - capacidade de minimizar os efeitos do ruído e do multipercurso existentes nos ambientes móveis (através da utilização de técnicas avançadas de transmissão e processamento de sinais); - possibilidade de transmissão de forma descontínua, pois os usuários não conversam em 100 % do tempo. 7
As vantagens dos sistemas digitais descritas acima, geram um aumento da capacidade, melhor qualidade de voz e um tempo de uso da bateria muito maior do que a dos sistemas analógicos anteriores. 2.2.1. Técnicas de Acesso Sabe-se que sinais de vários usuários podem compartilhar um determinado meio se seus sinais são ortogonais. Existem três técnicas de acesso que fazem com que os sinais sejam ortogonais: - FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência); - TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo); - CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Código). Um esquema dessas técnicas de acesso pode ser visto na Figura 2.1. Nos sistemas FDMA os sinais são feitos ortogonais ao se fazer a separação dos mesmos em bandas de freqüência distintas. Em sistemas TDMA os sinais se tornam ortogonais ao se fazer a separação dos mesmos no tempo. Dessa maneira, usuários que compartilham um mesmo canal dentro de uma célula são separados uns dos outros por slots de tempo. Dentre os sistemas TDMA existentes podemos citar: - Global System for Mobile Communications (GSM) : canal com banda de 200 khz; - Digital AMPS (IS-136) : canal com banda de 30 khz; - Personal Access Communicatios System (PACS); - Personal Handyphone Systems (PHS). Em sistemas CDMA todos usuários utilizam toda a banda disponível durante todo o intervalo de tempo. Os canais são diferenciados e feitos ortogonais, ao se designar uma seqüência pseudo-aleatória PN para cada canal. O sistema CDMA em operação, IS-95, utiliza canais com banda de 1.25 MHz. 8
Figura 2.1. Esquemas de acesso 2.2.2. Sistemas de Terceira Geração Sistemas celulares analógicos são chamados sistemas de Primeira Geração (1G). Com o uso de técnicas de modulação digital, os sistemas foram chamados de Segunda Geração (2G). A partir do início de envio de pequenos pacotes de dados em celulares, dá-se início a geração 2.5G, sendo que atualmente estamos em fase de desenvolvimento para os sistemas de Terceira Geração (3G), onde será possível o envio de vídeo, acesso a Internet e outros serviços de alta velocidade para envio de dados. As tecnologias mais prováveis de serem usadas em sistemas 3G serão o W-CDMA (CDMA faixa larga) e o CDMA2000, que possuem as seguintes características principais: Para o W-CDMA: - DS-CDMA com taxas de Nx1024 Mcps, com N=4,8,16; - Duplexação em FDD e TDD; - Compatibilidade com GSM/DSC 1900, com taxas de 2.048 Mbps no Downlink no modo TDD. Para o CDMA2000: - Múltiplas portadoras CDMA faixa-estreita (até 12) são transmitidas de cada estação base; - Taxa de chip de 1.2288 Mcps; 9
2.3. Sistemas Wireless Local Loop O sistema WLL apareceu como uma solução mais viável de expansão para a atual rede de telefonia [3], em áreas onde se torna inviável a implantação de uma rede telefônica convencional, que se baseia em fios de cobre. Dentre os problemas da rede convencional, podemos citar: - Necessidade de infra-estrutura aérea e/ou subterrânea através de dutos, postes e cabos, que torna elevado o custo de implantação; - Necessidade de mão de obra especializada para manutenção devido a ocorrência de constantes defeitos. Algumas vantagens do WLL em relação à telefonia convencional, portanto, podem ser citadas, com por exemplo: - Rápida implementação : pode ser instalado em semanas ou no máximo alguns meses; - Baixo custo de infra-estrutura; - Baixo custo de manutenção, gerenciamento e operação de rede : estudos mostram uma redução das despesas operacionais em pelo menos 25% por assinante por ano; - Baixo custo de extensão da rede. O WLL consiste basicamente em uma forma de acesso via rádio a um terminal fixo de assinante. Ele se tornou popular em países da Ásia e América Latina, permitindo que serviços básicos de telefonia fossem oferecidos em regiões rurais e suburbanas. Outra vantagem da tecnologia é que ela também pode servir como um sistema de backup para as atuais redes de cobre. A topologia básica do sistema é composta por: - Unidade do assinante : pode atender a um ou mais usuários; - Estações Rádio Base : garantem a cobertura do sinal de RF; - Central Controladora da ERB : interliga a rede com a central pública. A arquitetura do WLL é muito semelhante a sistemas de telefonia móvel celular, utilizando-se de estações rádio bases para cobrir uma determinada área, e que são também conectadas a centrais comuns de comutação pública 10
de forma a alcançar via rádio o terminal fixo do assinante. Dentre as simplificações do sistema WLL em relação ao celular, podemos citar: - A mobilidade dos terminais móveis é bem restrita, sendo desnecessários algoritmos para handoffs ; - As antenas são colocadas em pontos altos, resultando num desvanecimento menor do que na comunicação fixo-móvel; - Distância de reuso de freqüência pode ser reduzida, pois antenas diretivas são usadas em ambas as pontas, reduzindo a área de interferência e podendo até aumentar a capacidade do sistema. 2.4. Sumário Neste capítulo foi feita uma breve revisão do histórico e evolução dos sistemas sem fio. Foram mencionados os conceitos básicos de sistemas celulares, as diferentes técnicas de acesso ao canal bem como um breve comentário dos sistemas de Terceira Geração. Sistemas WLL também foram mencionados, bem como os conceitos e principais vantagens de sua utilização. 11