UNICAMP 2o Semestre 2005

1
telefonia celular principais conceitos
tópicos em redes de computadores I professor
edmundo r. m. madeira aluno mario zimmer assis
2
índice

• introdução
• AMPS e TDMA
• GSM
• CDMA
• CDMA2000
• UMTS

3
introdução
4
características básicas

• comunicação sem fio (wireless)
• receber e gerar chamadas independente da
  localização (mobilidade)
• receber e gerar chamadas em movimento
• possibilidade de roaming
• transparência de plano numeração para usuário
  final
• interconexão com sistema de telefonia fixa

5
cenário geral
CCC/BSC
Interconexão Outras CCCs, outras centrais
Para centrais tel. fixa
ERB
Terminal Móvel
Região de Handoff
6
faixas de freqüência (bandas) no Brasil
Freqüência (MHz) de transmissão da Freqüência (MHz) de transmissão da
Estação móvel ERB
Banda A 824-835 845-846,5 869-880 890-891,5
Banda B 835-845 846,5-849 880-890 891,5-894
Banda C 1725-1740 1820-1835
Banda D 1710-1725 1805-1820
Banda E 1740-1755 1835-1850
Sem denominação 1775-1785 1870-1880

• quanto maior a freqüência maior a perda no
  espaço livre quando a onda se propaga o que
  implica em células menores
• um sistema celular em 1800 MHz precisará de mais
  células do que um sistema celular em 800 MHz para
  obter a mesma performance.

7
principais padrões utilizados

• AMPS - Advanced Mobile Phone Service
• padrão dominante para os sistemas celulares
  analógicos de primeira geração
• desenvolvido pelos Laboratórios Bell da Lucent
• entraram em operação em 1983 nos EUA (adotado
  pelo Brasil depois)
• a comunicação entre celular e ERB é feita na
  faixa de 800 MHz através de sinais analógicos em
  canais de 30 kHz
• GSM - Global System for Mobile Communication
  (Groupe Special Mobile)
• padrão digital de segunda geração (desenvolvido
  na Europa)
• utilizados pelos países europeus nas faixas de
  800 e 450 MHz.
• utiliza canais de 200 kHz na faixa de 900 MHz
• desenvolvida uma versão adaptada para as faixa
  de 1800 e 1900 MHz
• padrão com o maior número de usuários em todo o
  mundo

8
principais padrões utilizados

• GSM (Cont)
• introduzido no Brasil em 2002 (licitação pela
  Anatel das Bandas D e E)
• adotado também pela maioria das operadoras
  (migrando do TDMA)
• a migração tem impacto não apenas na interface
  rádio, o que exige novos terminais GSM, mas na
  rede nacional de roaming (IS-41 para AMPS, TDMA e
  CDMA)
• roaming feito através do protocolo MAP (suporte
  do SS7)
• projeto de evolução para o 3G através do 3GPP
  (Third Generation Partnership Project)
• TDMA (IS 54 e IS 136) - Time Division Multiple
  Access
• padrão digital de segunda geração
• aumenta a capacidade do AMPS (compartilhamento
  do canal de 30 kHz)
• canais digitais de comunicação entre celular e
  ERB
• 3 usuários no mesmo canal - slots de tempo
  diferentes

9
principais padrões utilizados

• CDMA (IS 95) - Code Division Multiple Access
• padrão digital de segunda geração
• revolucionou os conceitos empregados na
  comunicação entre celular e ERB
• consegue atingir uma grande capacidade de
  usuários
• utilização de spread spectrum (por seqüência
  direta DSSS) em uma banda de 1,25 MHz
• para cada comunicação utiliza um código de
  espalhamento espectral do sinal diferente
• número de usuários limitado pelo nível de
  interferência que é administrado através de
  controle de potência e outras técnicas
• projeto de evolução para o 3G através do 3GPP2
  (Third Generation Partnership Project 2)

10
modulação
Sinal
Portadora
FM
1
1
0
1
ASK
1
1
0
1
PSK
11
modulação
Padrão Tecnológico Técnicas de Modulação
AMPS FM (voz), FSK (controle)
TDMA IS-136 II/4DQPSK
CDMA IS-95 QPSK (downlink) OQPSK (uplink)
CDMA IS-2000 HPSK
GSM GMSK
FM Frequency Modulation ASK Amplitude Shift
Keying PSK Phase Shift Keying GMSK Gaussian
Minimum Shift Keying Q Quadratura OQ Quadratura
defasada DQ Quadratura codificada
diferencialmente
12
AMPS e TDMA
13
arquitetura

• AMPS chamada básica roaming e handoff
• padronizado pela EIA-553
• serviu de base para outros sistemas analógicos
  (TACS no Reino Unido)
• crescimento da utilização necessidade do
  aumento da capacidade
• solução TDMA mantém a compatibilidade com a
  arquitetura AMPS
• AMPS e TDMA (IS-136) apresentam a mesma
  arquitetura básica

14
arquitetura

• Mobile Station (MS)
• terminal utilizado pelo assinante
• identificada por um MIN (Mobile Identification
  Number) e um número de série eletrônico (ESN)
• Estação Radio Base (ERB)
• encarregado da comunicação com as estações
  móveis dentro de uma célula

15
definições

• Central de Comutação e Controle (CCC)
• responsável pelas funções de comutação e
  sinalização para as estações móveis dentro da
  área da CCC (área geográfica)
• Home Location Register (HLR)
• base de dados que contém informações sobre os
  assinantes de um sistema celular
• Visitor Location Register (VLR)
• base de dados que contém informações sobre os
  assinantes em visita (roaming) a um sistema
  celular.

16
interface entre estação móvel e ERB

• Freqüências de Operação
• AMPS freqüência de 800 MHz
• TDMA (IS-136) faixa de freqüência de 800 MHz e
  1900 MHz

Freqüências de Operação (MHz) Banda A Banda B PCS 1900
MS -gt ERB 824-835 845-846,5 835-845 846,5-849 1850-1910
ERB -gt MS 869-880 890-891,5 880-890 891,5-894 1930-1990
Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) 45 45 80
17
interface entre estação móvel e ERB

• Canalização
• AMPS
• sistema múltiplo acesso por divisão de
  freqüência (FDMA)
• a banda do AMPS é dividida em canais de RF
• cada canal consiste de um par de freqüências (Tx
  e Rx) com 30 kHz de banda cada
• cada banda (A ou B) ocupa 12,5 MHz
• composta por 416 canais (21 canais de controle)
• canais de voz no AMPS utilizam modulação FM
• canal de controle utiliza modulação FSK (duas
  freqüências 0 e 1)
• AMPS utiliza canal de voz dedicado

18
interface entre estação móvel e ERB

• TDMA
• mantém toda a estrutura de canalização do AMPS
• permite que um canal seja compartilhado no tempo
  (3 x 1)
• estrutura de transmissão de dados é implementada
  através de um frame de 40 ms com 6 intervalos
  (Slots) de tempo com 6,66 ms cada
• cada chamada telefônica utiliza dois intervalos
  de tempo (3 conversações na mesma banda de 30
  kHz)
• cada conversação tem uma taxa bruta de 16,2
  kbit/s e a modulação utilizada no canal é do tipo
  4-DPSK
• o canal de controle no TDMA (IS-136) é digital
• permite a implantação de serviços de mensagens
  curtas (SMS)
• existem dois tipos de codificadores de voz
• Enhanced Full Rate (EFR) especificado no IS-641
• VSELP

19
interface entre estação móvel e ERB

• Capacidade
• AMPS e TDMA (IS-136) utilizam um plano de
  freqüência com reuso de 7 por 21
• cada célula é dividida em três setores formando
  21 grupos de freqüências (canais de voz do AMPS)
  reutilizados em cada grupo de 7 células
• no AMPS cada uma destas freqüências (ou par) é
  utilizada por uma chamada
• no TDMA (IS-136) são possíveis até três chamadas
  simultâneas utilizando esta mesma freqüência

20
divisão em células
otimiza a utilização das freqüências
21
roaming

• o roaming foi implementado para sistemas AMPS e
  TDMA (IS-41, tbém no Brasil)
• IS-41pode ser implementado tendo como base para
  transferência de dados o protocolo X.25 ou o SS7
• para o TDMA (e o CDMA) o AMPS é uma alternativa
  para aumentar a cobertura (celulares duais)
• todas as operadoras (Brasil) de Banda A possuem
  canais AMPS em suas áreas de cobertura (roaming
  nacional garantido)
• roaming do TDMA ou do AMPS com sistemas GSM
  exige terminais duais, ou com três modos

22
serviços

• o AMPS oferece um número limitado de serviços
  além de voz
• o TDMA (IS-136) oferece dezenas de serviços
  suplementares (ex. identificação do número
  chamador, chamada em espera, siga-me e
  conferência)
• a transmissão digital do TDMA (CDMA e GSM) reduz
  o consumo de energia da bateria dos terminais
  móveis (não precisam transmitir de forma
  contínua)
• as operadoras que adotavam o AMPS migraram para
  o TDMA ou CDMA (97/98)
• transição não suave do TDMA para o 3G (altas
  taxas de transmissão de dados)
• para evoluir para o 3G as operadoras precisam
  escolher UMTS ou CDMA2000

23
GSM
24
arquitetura

• possui estrutura básica dos sistemas celulares
• oferece as mesmas funcionalidades básicas
  (roaming e handoff)

25
definições

• Mobile Station (MS)
• terminal utilizado pelo assinante SIM Card
  (Subscriber Identity Module)
• sem SIM Card o MS não está associada a um
  usuário (não faz ou recebe chamadas)
• SIM card armazena (entre outras) o IMSI (15
  dígitos - International Mobile Subscriber
  Identity)
• MS armazena o IMEI (15 dígitos - International
  Mobile Station Equipment Identity)
• Base Transceiver Station (BTS) ou ERBs
• estação de rádio base
• Base Station Controller (BSC)
• controla as BTSs de uma célula

26
definições

• Base Station System (BSS)
• sistema encarregado da comunicação com as
  estações móveis em uma determinada área
• formado por várias BTS (de uma célula) e BSC
  (controla as BTS)
• Mobile-Services Switching Center (MSC ou CCC)
• responsável pelas funções de comutação e
  sinalização para as estações móveis dentro da
  área da MSC (área geográfica)
• a MSC leva em consideração a mobilidade dos
  assinantes (handover) locais ou visitantes quando
  se movem de uma célula para outra
• o MSC encarregado de rotear chamadas para outros
  MSCs é chamado de Gateway MSC

27
definições

• Home Location Register (HLR)
• base de dados que contém informações sobre os
  assinantes de um sistema celular
• Visitor Location Register (VLR)
• base de dados que contém a informação sobre os
  assinantes em roaming de um sistema celular
• Authentication Center (AUC)
• responsável pela autenticação dos assinantes no
  uso do sistema
• está associado a um HLR
• armazena a chave de identidade para o assinante
  móvel registrado naquele HLR
• possibilita a autenticação do IMSI do assinante
• responsável por gerar a chave para criptografar
  a comunicação entre MS e BTS

28
definições

• Equipment Identity Register (EIR)
• base de dados que armazena os IMEIs dos
  terminais móveis de um sistema GSM
• Operational and Maintenance Center (OMC)
• entidade funcional usada para monitorar e
  controlar o sistema.

29
interface entre estação móvel e ERB
Freqüências de Operação

• GSM 900 e o DCS 1800 adotados na Europa e o PCS
  1900 nos Estados Unidos
• no Brasil as Bandas C, D e E estão na faixa de
  freqüências do DCS 1800 (15 MHz por operadora)

Freqüências de Operação (MHz) GSM 900 DCS 1800 PCS 1900
MS -gt ERB 880-915 1710-1785 1850-1910
ERB -gt MS 925-960 1805-1880 1930-1990
Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) 45 95 80
30
canalização

• as Bandas do GSM são divididas em canais de RF
• cada canal consiste de um par de freqüências (Tx
  e Rx) com 200 KHz de banda (cada canal)
• são 124 canais de RF no GSM 900 e 373 canais no
  DCS 1800 (numeração conhecida como ARFCN -
  Absolute Radio Frequency Channel Number)
• as freqüências portadoras dos canais de RF são
  moduladas em 0,3GMSK por um sinal digital com
  taxa de 270,833 kbit/s .

31
modulação

• o GSM utiliza a modulação digital 0,3GMSK
  (Gaussian Minimum Shift Keying)
• o 0,3G descreve a Banda do Filtro Gaussiano de
  pré-modulação utilizado para reduzir o espectro
  do sinal modulado
• MSK (Minimum Shift Keying), tipo especial de
  modulação FSK (Frequency Shift Keing) onde 1s e
  0s são representados por deslocamentos na
  freqüência da portadora de RF
• Quando a taxa de bits do sinal modulante é
  exatamente quatro vezes o deslocamento da
  freqüência da portadora consegue-se minimisar o
  espectro e a modulação é chamada de MSK (Minimum
  Shift Keying)
• No GSM, a taxa de dados de 273,833 kbit/s foi
  escolhida para ser exatamente quatro vezes o
  deslocamento da freqüência de RF (/- 67,708 KHz)
• Este sinal digital de 270,833 kbit/s é dividido
  no domínio do tempo em 8 timeslots possibilitando
  o múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA) das
  Estações Móveis.

32
modulação
Período Composição
Sinal de 270,833 Kbit/s 4,615 ms 8 timeslots
Timeslot 576,9 us 156,25 bits
Bit 3,692 us -

• o GSM assim (como o TDMA) é uma combinação de
  FDMA e TDMA.

33
interface entre estação móvel e ERB

• Canais Lógicos
• No GSM nenhum canal de RF ou timeslot está
  designado a priori para uma tarefa particular
• a informação do usuário (voz e dados) e os dados
  de controle de sinalização são transmitidos em
  dois tipos básicos de canais lógicos que vão
  ocupar a estrutura do quadro (frame) TDMA canal
  de tráfego (TCH) e canal de controle (CCH)

Estação Móvel Estação Móvel Estação Móvel Ar ERB ERB ERB
Canais Lógicos TCH CCH Canais Físicos Canal de RF Timeslot Quadro TDMA Ar Canais Físicos Canal de RF Timeslot Quadro TDMA Canais Lógicos TCH CCH
34
interface entre estação móvel e ERB

• Canais Lógicos (Cont)
• os canais de tráfego suportam duas taxas de
  informação Completa (Full) e Meia (Half)
• possibilita que um canal de RF tenha de 8 canais
  (Full rate) a 16 (Half rate)
• O Half rate é implementado pela ocupação
  alternada do mesmo slot físico por dois canais
  lógicos

Full rate Half rate
Voz 13 Kbit/s (22,8 Kbits/s bruta) 11,4 Kbit/s
Dados 9,6 Kbit/s, 4,8 Kbit/s e 3,6 Kbit/s 4,8 Kbit/s e 2,4 Kbit/s
taxas de informação para os canais de tráfego
(TCH)

• o GSM possui 3 vocoder
• Enhanced Full Rate (EFR)
• Full Rate (taxa de 13 kbit/s)
• Half Rate (taxa de 9,6 kbit/s)

35
capacidade

• a eficiência de utilização do Espectro do GSM é
  maior que a do AMPS e menor que o TDMA
• em 200 Khz o GSM tem capacidade para oito
  chamadas
• apresenta uma menor interferência co-canal por
  isso fazem um reuso de freqüência de 4 por 12 (7
  por 21 no TDMA e AMPS) melhor utilização do
  espectro

36
demais interfaces
OBS As interfaces da arquitetura de uma rede GSM
foram padronizadas para permitir a
interoperabilidade com outras redes (inclusive
roaming) internacional, e permitir a utilização
de diversos fornecedores na sua implantação.
37
demais interfaces

• Interface Abis entre ERB (BTS) e BSC
• a maioria é específicas do fabricante
  (proprietária)
• suporta dois tipos de links
• canais de tráfego a 64 kbit/s (voz ou dados)
• canais de sinalização BSC-BTS a 16 kbit/s
• camada física é baseada na G.703
• Interface A entre BSC e MSC
• camada física é um 2 Mbit/s padrão CCITTT
• Interfaces C, D, E, F, G
• padronizadas pelo protocolo MAP (utiliza os
  serviços de transação e transferência de
  mensagens SS7)

38
demais interfaces

• Interface entre MSC e redes de Telefonia Fixa
• interconexão entre MSC e redes fixas utiliza o
  Padrão SS7 TUP ou ISUP
• Interfaces B e H
• não estão padronizadas (proprietárias) pois
  tratam-se normalmente de interfaces internas do
  MSC/VLR e do HLR/AUC

39
SS7
Pode ser dividido em duas partes 1) User Part
implementa funções dos usuário TUP (Telephone
User Part) todas as mensagens de sinalização
necessárias para que uma rede telefônica fixa
estabeleça uma chamada ISUP (Integrated services
user part) acrescenta ao TUP a sinalização para
redes de dados comutadas a circuito como previsto
na ISDN 2) MTP (Message Transfer Part) Que é
responsável pela transferência das mensagens de
maneira confiável na rede de sinalização.
40
SS7

• define aplicações relacionadas ao tráfego
  telefônico
• estabelece camadas que possibilitam a troca de
  informações, entre centrais ou bases de dados,
  não relacionadas ao estabelecimento de circuitos
  telefônicos (serviços da rede inteligente)
• o GSM implementou a camada MAP (Mobile
  Application Part) para suprir a necessidade de
  sinalização relativa a mobilidade do usuário
• a camada MAP usa como suporte as várias camadas
  do SS7 como o TCAP, SCCP e o MTP.
• OBS As camadas que possibilitam a troca de
  informações entre centrais ou base de dados são
  SCCP (signaling Connection Control Part), ISP
  (Intermediate service Part) e TCAP (Transaction
  capabilities application part)

41
serviços

• as especificações do GSM procuraram reproduzir
  os serviços ISDN (rede fixa)
• a estrutura flexível dos canais físicos e a
  utilização do SS7 facilitaram a introdução de
  alguns serviços
• Bearer Services (serviços de transporte de dados)
• usados para conectar dois elementos de uma rede
  como acesso ao X.25 (taxas de 2400 a 9600 bit/s)
• Teleservices
• telefonia, serviço de mensagens curtas (SMS) e
  FAX

42
serviços

• Serviços Suplementares
• identificação do número chamador, chamada em
  espera, siga-me e conferência (dentre outros)
• o SMS e outros serviços são implementados
  utilizando-se gateways entre a BSC e o MSC
• a comunicação com outros elementos da Rede GSM
  (MSC, HLR e EIR), é baseada no protocolo MAP
  (suporte do SS7)

EIR
AuC
rede telefonia fixa
H
F
MSC
C
HLR
A
Abis
D
BSC
VLR
ERB
B
E
G
Gateway
Outras MSCs
43
serviços

• Serviços de Localização
• permite estimar com precisão a localização da
  estação móvel
• serve de base para vários serviços oferecidos ao
  assinante
• GPRS (General Packet Radio Service)
• permite a estação móvel uma conexão a Internet
  sem a necessidade de se estabelecer uma chamada
  telefônica (always on)
• utiliza até os 8 timeslots de um canal GSM de
  200 KHz (taxa máxima 115 kbit/s)

44
serviços

• 3G
• serviços 3G com taxas de dados de até 2 Mbit/s
  foram padronizadas pelo 3GPP (3rd Generation
  Partnership Project)
• exigiu um novo padrão para a interface entre
  Estação Móvel e ERB (canais de 5 MHz)
• o novo padrão (WCDMA) implica em mudanças na
  estrutura de canalização do GSM
• exige uma banda adicional de freqüências para
  implementação do serviço por parte das operadoras
• mantém a compatibilidade e demais interfaces da
  arquitetura GSM

45
CDMA
46
arquitetura

• criado com finalidade militar (segurança)
• utiliza espalhamento espectral seqüência direta
  (Spread Spectrum) como meio de acesso (permite
  que vários usuários compartilhem uma mesma banda
  de freqüências)
• permite uma melhor utilização do espectro
  (aumento da capacidade dos sistemas celulares)
• sistema celular digital de segunda geração
• o CDMA tem a estrutura básica dos sistemas
  celulares
• oferece as mesmas funcionalidades básicas
  (roaming e handover entre células)
• transmissão codificada com um código para cada
  chamada

47
cenário
48
definições

• Mobile Station (MS)
• terminal utilizado pelo assinante
• identificada por um MIN (Mobile Identification
  Number) e um número de série eletrônico (ESN)
• Estação Radio Base (ERB)
• encarregado da comunicação com as estações
  móveis dentro de uma célula
• Base Station Controller (BSC)
• controla um grupo de ERBs
• em alguns sistemas CDMA as funções do BSC são
  implementadas na CCC

49
definições

• Central de Comutação e Controle (CCC)
• responsável pelas funções de comutação e
  sinalização para as estações móveis dentro da
  área da CCC (área geográfica)
• Home Location Register (HLR)
• base de dados que contém informações sobre os
  assinantes de um sistema celular
• Visitor Location Register (VLR)
• base de dados que contém informações sobre os
  assinantes em visita (roaming) a um sistema
  celular.

50
interface entre estação móvel e ERB

• desenvolvido nos EUA, padronizou as freqüências
  abaixo

Freqüências de Operação (MHz) 800 MHz PCS 1900
MS -gt ERB 824-849 1850-1910
ERB -gt MS 869-894 1930-1990
Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) 45 80

• no Brasil o CDMA usa a faixa de 800 MHz nas
  Bandas A e B
• uso limitado na freqüência de 1,9 GHz para WLL
  (faixa não disponível no Brasil para Telefonia
  Celular)

51
canalização

• as Bandas são divididas em canais de RF
• cada canal consiste de um par de freqüências (Tx
  e Rx) com 1,25 MHz cada canal
• poderiam existir até 10 canais de RF em uma
  Banda de 12,5 MHz (como na faixa de 800 MHz)
• o número é menor na prática (divisão com o AMPS -
  guarda banda)
• o acesso múltiplo de canais que compartilham uma
  mesma banda de freqüências é feito pela
  utilização de códigos diferentes pelos vários
  terminais
• a informação é extraída destes canais
  conhecendo-se a chave específica com a qual cada
  canal é codificado
• o sinal de informação é codificado utilizando-se
  uma chave de código que provoca o seu
  espalhamento espectral (Spread Spectrum) em uma
  banda transformando-o aparentemente em ruído
• os códigos utilizados são ortogonais (Walsh) e
  PN (Pseudo-noise)
• Um bit deste tipo de código é conhecido como
  "chip

52
canalização

• a taxa de bits deste código é a chip rate
• utiliza três tipos de código todos com uma taxa
  de 1,2288 megachips.

Walsh Conjunto de 64 códigos ortogonais W0 a W63
PN longo Conjunto de 4,398 x 1012 códigos diferentes ( 242 1), gerados por um registrador de deslocamento de 42 bits
PN curto Conjunto de 32.767 códigos diferentes (215 1), gerados por um registrador de deslocamento de 15 bits
53
canalização

• utilizam-se esquemas de codificação diferentes
  em cada direção do enlace

Canais Códigos Modulação
ERB -gt MS Piloto Paging Sincronismo Tráfego Walsh PN longo para criptografia PN curto QPSK
MS -gt ERB Tráfego Acesso PN longo PN curto Walsh para modulação OQPSK
54
canalização

• todos os canais recebem ainda uma outra máscara
  com o código de espalhamento PN curto para
  identificação do setor do transmissor na ERB o
  que possibilita o reuso de freqüência entre
  setores
• os canais de piloto e sincronismo são
  necessários para decodificação quando se utiliza
  códigos de Walsh
• os códigos Walsh são usados para identificar
  canais diferentes
• o canal de acesso é utilizado para a Estação
  Móvel se comunicar com a ERB quando ainda não tem
  nenhum canal de tráfego designado
• os canais de tráfego são utilizados para
  voz/dados do usuário e informação de sinalização
• os vocoders mais utilizados são do tipo EVRC
  (Enhanced Variable Rate Coder) que utilizam taxas
  que variam entre 1,8 Kbit/s, 3,6 kbit/s, 7,2
  kbit/s e 14,4 kbit/s
• o IS-95 é portanto uma combinação de FDMA e CDMA.

55
codificação - exemplo

• analogia aeroporto cheio de pares de pessoas de
  diferentes nacionalidades
• cada bit é dividido em pequenos intervalos m
  chamados de chip (64 ou 128)
• cada estação recebe um único m-bit seqüência
  chip (uma para 1 e outra para 0
• exemplo (simples) para m 8
• 00011011 1
• 11100100 0 (complementar de 1)
• Os bits transmitidos aumentam de b bits/sec para
  mb chips/sec
• a banda de transmissão de cada estação é banda
  total disponível
• não existe problemas quanto a alocação de canal
  (como existe no TDMA e GSM)
• as seqüências chip são ortogonais
• o produto de duas seqüências chip (S x T)
  distintas é 0

56
codificação - exemplo

• seqüências ortogonais são geradas através de
  código Walsh

• o produto de uma seqüências chip (S) com ela
  mesma é 1 e com S é -1

• Usaremos para o exemplo a forma bipolar de
  representação (-1 para 0 e 1 para 1)
• (a) seqüência chip na forma binária para 4
  estações
• (b) seqüência chip na forma bipolar para 4
  estações

57
codificação - exemplo

• a cada instante cada estação pode transmitir a
  seqüência chip (ou seu oposto) ou ficar em
  silêncio
• quando duas estações transmitem ao mesmo tempo,
  seus sinais são somados linearmente
• (c) exemplos de transmissão
• (d) recuperação da estação C
• o receptor conhece a seqüência chip de C
• para recuperar os bits enviados por C, o
  receptor usa as propriedades das seqüências
  ortogonais S x C A B C A x C B x C C
  x C 0 0 1 1

58
capacidade

• Capacidade do CDMA
• situação de carregamento de um canal de RF do
  CDMA

59
capacidade

• quanto mais usuários utilizam o canal maior o
  ruído
• a interferência aumenta para os canais que
  utilizam a mesma banda (limiar ocorre quando não
  é mais possível decodificar os canais)
• quanto maior for a potência individual de cada
  canal transmitido naquela banda, maior
  interferência
• existe um sofisticado mecanismo de controle de
  potência nos terminais e ERB Quanto menor o
  sinal da estação, maior a potência que ela
  transmite e vice-versa.
• o controle de potência leva à expansão e à
  contração do raio de uma célula CDMA conforme o
  seu carregamento com tráfego
• a setorização de células é usada para reduzir a
  interferência
• cada setor utiliza antenas direcionais e não
  interfere nos demais setores da célula
• a grande capacidade é em virtude de reuso de 1
  (mesma freqüência de portadora é reutilizada em
  todas as células)
• eficiência de utilização do espectro (capacidade
  do CDMA), é maior que AMPS, TDMA e GSM

60
IS-41

• desenvolvido pela TIA (Telecommunications
  Industry Association)
• implementa a sinalização entre redes celulares
• possibilita o roaming entre operadoras
• utilizado pelos sistemas AMPS, TDMA CDMA
• no Brasil, a rede nacional de roaming (Bandas A
  e B) usa o IS-41
• é dividido em duas partes
• Serviços de Aplicação IS-41
• Serviços de Transferência de Dados

Serviços da Aplicação IS 41 (Camada OSI 7) IS-41 MAP IS-41 MAP
Serviços da Aplicação IS 41 (Camada OSI 7) TCAP (ANSI) TCAP (ANSI)
Serviços de Transferência de Dados (Camadas OSI 1, 2 e 3) SCCP (ANSI) X.25
Serviços de Transferência de Dados (Camadas OSI 1, 2 e 3) MTP (ANSI) X.25
61
IS-41

• Serviços de Aplicação
• foi especificada uma camada IS-41 MAP (Mobile
  Application Part)
• implementa as funções de mobilidade associadas ao
  roaming entre sistemas celulares
• utiliza como suporte o TCAP (Transaction
  Capabilities Application Part) do SS7 (as camadas
  OSI 4, 5 e 6 são nulas)
• Serviços de Transferência de Dados
• especifica duas opções para estas camadas
• X.25
• SCCP MTP (Signaling Connection Control Part)
  SS7 (ANSI)

62
serviços

• oferecem (dentre outros) identificação do número
  chamador, chamada em espera, siga-me e
  conferência
• Serviço de Mensagens Curtas (SMS) tem suporte do
  IS-41 para assinantes em roaming
• Serviços de Mensagem Multimídia (MMS) que
  permitem aos assinantes móveis enviar fotos
  vídeos e áudio
• acesso a Internet com altas taxas de conexão
• serviços 3G (taxas de até 2 Mbit/s) são
  padronizada pelo 3rd Generation Partnership
  Project 2 (3GPP2)
• mantém a compatibilidade com IS-95 (canais de RF
  de 1,25 MHz)

Geração 2 G 2,5 G 3G
Tecnologia cdmaOne (IS-95 A e B) CDMA2000 1X CDMA 1xEV-DO CDMA 1xEV-DV
Taxa de dados (teórica) 14,4 kbit/s 153 kbit/s 2,4 Mbit/s
CDMA2000 1X CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT ou
cdma2000 1x.
63
serviços

• o CDMA 1xEV tem sua evolução em duas etapas
• 1xEV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1,25
  MHZ é dedicada apenas para dados
• 1xEV-DV (Data and Voice) onde uma portadora
  poderá ser utilizada para voz e dados
• o CDMA 1xRTT já se encontra em operação no Brasil
  com uma portadora dedicada a dados.

64
CDMA2000
65
CDMA2000

• sistemas celular de Terceira Geração (3G)
• a queda da economia mundial atrasou a
  implantação do 3G
• mais de 3.5 milhões de assinantes na Coréia do
  Sul possuíam 3G em Dez/2003
• serviços multimídia de alta qualidade
  (2.4Mbps), vídeo streaming, vídeo e áudio sob
  demanda, acesso rápido à Internet e e-mails
• uso da tecnologia cdma2000 1xEV-DO
• o uso inclui aparelhos com câmera, PDAs,
  cartões para laptops e modems para acesso fixo
• 1xEV-DO foi implementado com sucesso pela Vésper
  (Brasil)
• De Jul/2003 à Dez/2003 a Vésper entregou mais de
  20 Terabytes de dados aos seus assinantes
  utilizando apenas 30 cell sites (ERBs)
• a tecnologia 1xEV-DO oferece um desempenho e
  serviços incomparáveis com qualquer outra
  tecnologia celular comercial
• Tem a mais alta velocidade e capacidade com o
  menor custo

66
1xEVDO

• sistema de dados sem fio com alta velocidade e
  alta capacidade (2,4Mbps)
• combina conveniência da mobilidade e desempenho
  de uma rede de dados fixa
• custo muito competitivo (valor agregado por
  Mbyte)
• uma ERB pode entregar até 4Mbps usando um canal
  de 1.25MHz
• eficiência no uso do espectro muito mais dados
  com um upgrade mínimo (CDMA)
• baixo atraso para se conectar à Internet
• provê conexão VPN a qualquer hora e em qualquer
  lugar (performance da LAN)
• aumenta a produtividade
• propicia aplicações focadas em entretenimento e
  multimídia

67
características

• portadora de 1,25Mhz
• 1xEV-DO opera em uma portadora de 1,25MHz
• ocupa a mesma quantidade de espectro do CDMA
• fácil reutilização da infra-estrutura das ERBs,
  antenas e equipamentos de transmissão
• permite aproveitar o significativo mercado CDMA
  (inclusive aparelhos)
• outras tecnologias 3G não podem aproveitar nada
  de suas redes anteriores
• canal dedicado a pacotes IP
• aloca um canal de freqüência para transportar
  apenas pacotes IP
• uso muito mais eficiente dos recursos da rede
  (transmissão de dados de até 2.4Mbps no downlink)
• primeiro passo em direção à uma estrutura All-IP
  (convergência)
• freqüências de 450MHz, 850MHz e 1,9GHz
• facilita a implementação por operadoras que já
  tenham licença para essas bandas

68
custo x benefício
Tecnologia Network Cost per Mbyte 200 Mbytes Cost
GPRS 0.415 83.00
WCDMA 0.069 13.80
CDMA2000 1X 0.059 11.80
CDMA20001xEV-DO 0.022 4.40
Estudo feito pela Qualcomm
69
taxa de transmissão

• exemplo downloand de um arquivo MP3 com
  4Mbytes
• GPRS 25 minutos
• 1xRTT 8 minutos
• 1xEV-DO 50 segundos (taxa real 2.45 Mbps.
  maior que os padrões definidos para 3G)
• a taxa varia quando se move na área de cobertura
  (taxa média é 700 kbps)
• upload de até 153kpbs
• a variação está de acordo com os serviços e
  aplicações disponíveis na Internet
• a intenção é evoluir atendendo os novos serviços
  sendo criados na Internet

70
visão geral da rede

• 1xEV-DO somente suporta a transmissão de dados
  por pacote
• a estrutura de circuito utilizada pelas redes de
  voz não se faz necessária (MSC, HLR, VLR, etc)
• fácil integração com às redes legadas (TDMA,
  CDMA e GSM)

MSC
HLR
Outras MSCs
rede telefonia fixa
VLR
BSC/PCF
PDSN
Internet
ERB (BTS)
DNS/DHCP/Radius/SNMP servers
Estação Móvel
71
elementos da rede

• estações-rádio-base - BTS
• controladoras de estação-rádio-base - BSC
• Packet Control Funcion PCF
• integram a BSC com a PDSN
• Packet Data Serving Node PDSN
• elemento que faz a interface da rede de acesso
  wireless com a Internet
• estabelece as sessões de usuário

72
1xEV-DO x protocolo IP

• 1xEV-DO usa o IP
• suporta todas as aplicações e protocolos que
  sejam compatíveis com IP
• usa servidores comuns combinados com os
  utilizados no sistema 1x, incluindo os servidores
  RADIUS, DNS e DHCP
• BSC e PDSN se comunicam com o servidor RADIUS
  para autenticar e autorizar o dispositivo e
  também para tarifação
• o DNS é usado para correlacionar nomes de
  domínios aos seus endereços IP
• o DHCP é usado para designar endereços IP para o
  usuário
• Ao estabelecer uma sessão de dados para um
  terminal, o PDSN solicita ao servidor DHCP um
  novo o endereço IP para aquele terminal. O
  terminal 1xEV-DO pode receber endereço IP privado
  ou público, esta definição fica a cargo do
  endereçamento da operadora

73
fluxo de sessão 1xEV-DO
User Device
IP Router
BSC/PCF Functions
BTS
PDSN
Server
Aplicação
TCP ou UDP/IP
PPP
RLP
1xEV-DO Airlink
74
fluxo de sessão 1xEV-DO

• Radio Link Protocol RLP
• detecta e corrige erros na interface aérea
• redução de erros
• PPP
• camada de enlace usada para carregar o Protocolo
  Internet (IP)
• não está ciente que estão utilizando uma camada
  física sem fio
• IP
• cada pacote IP percorre um caminho independente
  até chegar ao host
• pacotes IP podem chegar fora da seqüência (são
  re-ordenados no host pelas)
• UDP
• protocolo de transporte do tipo 'best-effort
• usado quando a confiabilidade na informação não
  se faz tão necessária
• TCP
• transporte confiável
• detecção e correção de erros

75
handoff

• handoff automático de sessões de dados entre as
  redes 1x e 1xEV-DO estão disponíveis
• Todos os cenários de handoff são padronizados
  pelo IS-878
• cenários de simple IP e de mobile IP são
  cobertos
• OBS em um cenário de handoff entre sistemas, o
  usuário muda a interface aérea, mas mantém a
  mesma conexão PPP, e conseqüentemente o mesmo
  endereço de IP, sem perder nenhum serviço
  iniciado na primeira rede.

76
enlace direto (BTS para terminal)

• o 1xEV-DO utiliza divisão no tempo de sua
  portadora
• a BTS transmite a um usuário por vez com toda a
  sua potência
• os recursos são compartilhados no tempo entre
  usuários
• não existem alocações fixas de slots para cada
  usuário (ao contrário do TDMA)
• um preâmbulo que identifica o destinatário de
  cada pacote
• a portadora é dividida em slots de 1.67ms e um
  conjunto de 16 slots perfaz um quadro 1xEV-DO

77
Característica TDM 1xEV-DO

• a potência do sinal varia dentro da área de
  cobertura
• o 1xEV-DO se beneficia da variação da potência
  do sinal adapta a forma como transmite o sinal
  para o usuário (dependendo da potência observada
  pelo usuário)
• o terminal informa a condição do sinal para a
  rede através do canal lógico DRC (Data Rate
  Control )
• Esta informação pode ser enviada até 600 vezes
  por segundo dependendo da velocidade de locomoção
• o DRC indica
• taxa de transmissão que deve ser utilizada
• o tipo de modulação
• a taxa de código do corretor de erros
• o número de slots que deve ser utilizado
• informa o único setor de BTS que irá transmitir
  para o terminal (diferente dos outros sistemas
  CDMA)
• o terminal determina a taxa máxima de dados
  mantendo um PER (Packet Error rate) menor que 1

78
UMTS
79
UMTS

• Universal Mobile Telecommunications System
  (UMTS)
• sistema 3G estabelecido como evolução para GSM
• utiliza interface rádio WCDMA ou EDGE
• desenvolvido pelo 3rd Generation Partnership
  Project (3GPP)

80
arquitetura
UTRAN
UE
CN
Uu
Iu
Usuário
Infra-estrutura

• UE - User Equipment terminal móvel e seu módulo
  de identidade de serviços do usuário (USIM)
  equivalente ao SIM card dos terminais GSM
• UTRAN - UMTS Terrestrial Rádio Access Network
  baseada no Wideband Code Division Multiple Access
  (WCDMA)
• CN - Core Network núcleo da rede que suporta
  serviços baseados em comutação de circuitos e
  comutação de pacotes
• Uu e Iu são as interfaces entre estas entidades

81
arquitetura
RNS Radio Network Subsystem RNC Radio Network
controller Iur é a interface entre dois RNS
82
arquitetura

• os protocolos procuram manter compatibilidade
  com o GSM
• o SS7 utilizada foi modificada nas partes
  inferiores do MTP (atingir taxas mais altas)
• a comunicação realizada através da interface
  rádio do UTRAN utiliza 3 tipos de canais como
  apresentado a seguir

Lógicos mapeados nos canais de
transporte Transporte RNC transportar diferentes
fluxos de informação. Físicos existência física
da interface Uu. Diferentes tipos de banda podem
ser alocadas para diferentes finalidades
83
WCDMA

• interface de rádio Uu (Wideband Code Division
  Multiple Access)
• Possui dois modos de operação
• Frequency Division Duplex (FDD) - os enlaces
  utilizam canais (subida e decida) de 5 MHz
  separados por 190 MHz (Atual)
• Time Division Duplex (TDD) - o enlace de subida
  e descida compartilham os mesmos 5 MHz
• utiliza como método de múltiplo acesso o CDMA de
  Sequência Direta (DS-CDMA)

84
principais diferenças entre GSM e CDMA

• características da interface rádio entre Estação
  Móvel e ERB
• padrão da sinalização utilizada na arquitetura
  da rede e no roaming
• refletem os diferentes padrões utilizados nos
  países de onde se originam (GSM, da Europa, e
  CDMA IS-95 e IS-41, dos Estados Unidos)

85
comparação CDMA2000 x UMTS

• Consideração
• Em comparação com o CDM2000, o UMTS (padrão
  europeu de 3G) inicialmente vai permitir
  downloads de no máximo 384kbps (rel.99), e
  posteriormente até 2Mbps (rel.4) usando
  inteiramente uma banda de 5MHz (onde seriam
  possíveis implementar 3 portadoras 1xEV-DO) com a
  desvantagem adicional de requerer novas licenças
  do governo no espectro de 2.1GHz.

WCDMA Cdma2000 1x
Banda por portadora 5 MHz 1,25 MHz
Chip rate 3,84 Mcps 1,2288 Mcps
Freqüência do controle de potência 1500 Hz 800 Hz
Sincronismo na ERB Não precisa Necessita
86
3G
1xEV-DO Fase 1 HDR
1xEV-DV fase 2

• Alta Capac. Voz/Dados
• RF Backward Comp.

• Pacote 2.4 Mbps
• RF Backward Comp.

cdma2000 1x MC
IS-95-A
IS-95-B
cdma2000 3x MC

• Voz
• Pacote 64 Kbps
• RF Backward Comp.

• Alta Capacidade de Voz
• Pacote 64 Kbps
• RF Backward Comp.

• Voz
• 14.4Kbps

• Alta Capacidade de Voz
• Pacote 384 Kbps
• RF Backward Comp.

W-CDMA (UMTS) Europe
GSM GPRS
GSM

• 384 Kbps
• RF Backward Comp.
• 200Khz Carrier

• Voz
• 9.6Kbps

• High Capacity
• 384 Kbps Packet
• New RF
• 200Khz Carrier

WCDMA (Japan)
PDC
PDC

• Voz
• 9.6Kbps

• Voz
• 28.8Kbps
• RF Backward Comp.

1995
1999
2000
2001
2002
2003
87
conclusão

• Os sistemas de telefonia celular de 3G já são uma
  realidade nos dias de hoje
• Porém, faz-se necessário a compreensão das muitas
  interfaces envolvidas em seus predecessores (1G e
  2G) para que o entendimento seja completo
• Com certeza o aperfeiçoamento das características
  de RF são os maiores desafios do desenvolvimento
  das transmissões de dados wireless e é exatamente
  por isso que seu estudo se torna obrigatório para
  desenvolvedores dessa área
• A convergência de todos os sistemas wireless para
  o UMTS e CDMA2000 é uma questão de tempo
• A tecnologia 1xEV-DO oferece hoje um desempenho
  e serviços incomparáveis com qualquer outra
  tecnologia celular comercial
• Operadoras podem ganhar uma vantagem competitiva
  com o 1xEV-DO, gerando novas fontes de receita e
  ainda estando preparadas para o futuro com um
  plano de evolução sólido e competitivo

88
Perguntas ?