Apostila - Tecnologia Celular e WLL

Instituto Nacional de Telecomunicaes

Introduo aos Sistemas Celulares & WLLProf. Dayani Adionel Guimares [email protected]

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www.projetoderedes.kit.netInstituto Nacional de Telecomunicaes

Contedo

Componentes de um sistema celular, Princpios bsicos de telefonia celular, Overview dos principais padres para sistemas de comunicaes mveis. Introduo ao WLL.

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Objetivo do curso Fornecer aos participantes uma abordagem bsica dos principais conceitos e elementos de rede dos sistemas Celulares e WLL, bem como uma viso geral de alguns dos principais padres empregados nesses sistemas.

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Sistema Celular - Conceitos Sistema Celular - ConceitosComponentes bsicos: Central de Comutao e Controle Estao Rdio Base Terminal Mvel

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Sistema Celular - Conceitos

Sistemas antigos - grande rea de cobertura com estaes rdio base de alta potncia; hoje - cobertura por clulas menores.

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Reuso de FreqnciasUm grupo de canais utilizado em uma clula pode ser reutilizado nas clulas co-canais se estas se encontram a uma distncia tal que a relao portadorainterferncia no sistema seja superior mnima necessria para uma qualidade aceitvel do servio. Para o caso de telefonia, essa qualidade determinada por pesquisa de opinio.6



Reuso de freqncias Um dos principais conceitos em sistemas celulares. Usurios em diferentes reas geogrficas podem simultaneamente utilizar as mesmas freqncias. Aumenta de forma considervel a eficincia espectral do sistema e, por conseqncia, a sua capacidade (n de usurios). Causa interferncia co-canal (compromisso de qualidade do link x capacidade de usurios).7



Cluster x Reuso de freqncias Cluster: conjunto das N clulas que utilizam um conjunto de freqncias disponveis. No desenho N = 7. Clulas adjacentes utilizam diferentes conjuntos de freqncias.8



Sistemas celulares: rudo x interferncias

A capacidade dos sistemas celulares essencialmente limitada pelas interferncias, no pelo rudo. Por anlise geomtrica do lay-out exagonal, um cluster somente pode ter N = i2 + ij + j2 = 1, 3, 4, 7, 12, etc. clulas igualmente espaadas de suas co-clulas, onde i e j so inteiros positivos. Em telefonia celular escolhe-se N para uma dada qualidade aceitvel do link nos limites das clulas.9



Interferncias

O reuso de freqncias faz com que em uma dada rea de cobertura existam vrias clulas que utilizam o mesmo conjunto de freqncias. Estas clulas so chamadas de coclulas e a interferncia entre sinais dessas clulas denominada de Interferncia Co-canal. A interferncia resultante de sinais adjacentes em freqncia ao sinal desejado chamada Interferncia de Canal Adjacente. Ambas limitam a capacidade do sistema.10



Reuso freqncias Reuso dede freqncias Parmetro D/R - Cochannel Reuse Ratio (CRR) ou Cochannel Inteference Reduction Factor (CIRF). D distncia centro a centro entre clulas cocanais e R o raio das clulas em um padro de reuso qualquer D/R determinado em funo do limite de interferncia permitido para uma dada qualidade do servio. Por exemplo, no sistema AMPS e padro de reuso = 7 , D/R = 4.6 para uma C/I > 18dB em 90% da rea de cobertura D/R = (3N)1/2, onde N o nmero de clulas por cluster

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Estratgias de Alocao de Canal

Na alocao fixa, a cada clula alocado um conjunto pr determinado de canais de voz. Se todos os canais da clula estiverem ocupados a chamada bloqueada. Variao: estratgia de emprstimo - a clula empresta canais de uma clula vizinha se todos os seus canais se encontram ocupados. A CCC supervisiona o processo e assegura que ele no interfira em nenhuma das chamadas em andamento na clula fornecedora. Na alocao dinmica todos os canais esto disponveis a todos os usurios. A CCC aloca um canal clula requisitante seguindo um algoritmo que leva em conta: probabilidade de bloqueio futura dentro da clula, freqncia de utilizao do canal candidato, a distncia de reuso do canal, entre outros fatores. A alocao dinmica de canais reduz a probabilidade de bloqueio, o que aumenta a capacidade de trfego do sistema. Na alocao hbrida um determinado nmero de canais destinado alocao fixa e outro nmero (menor) disponibilizado para alocao dinmica.12




Exemplo de alocao fixa para o sistema AMPS: Cada conjunto de 395 canais de voz dividido em 21 subconjuntos com 19 canais cada. Num cluster de 7 clulas, cada clula utiliza 3 subconjuntos de forma que a separao mnima entre canais seja de 7 bandas de um canal - reduo de interferncia de canal adjacente. Como mostrado na tabela a seguir, cada clula utiliza canais dos subconjuntos iA, iB e iC, i = 1, 2, ..., 7. O nmero mximo de canais de voz por clula de 57 (podem existir mais, mas nessa situao pode haver aumento excessivo de interferncia de canal adjacente, pois a regra de distribuio acima mencionada ser quebrada. Cada clula ter de 1 a 3 canais de controle. .13




Exemplo de alocao fixa para o sistema AMPS, banda A.1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 667 668 669 670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688 689 690 691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711 712 713 714 715 716 991 992 993 994 995 996 997 998 999 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023

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O tamanho das clulas diminui com o crescimento do sistema

Grandes clulas para reas rurais

Pequenas clulas para reas urbanas

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Sistema macro-celular: 1 - 30Km Sistema micro-celular: 200 - 2000m Sistema pico-celular: 4 - 200m

O efeito de decrescer o tamanho das clulas: Aumento da capacidade de usurios; Aumento do nmero de handoffs por chamada; Menor consumo de potncia no terminal mvel (maior tempo de conversao, operao mais segura);

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O efeito de decrescer o tamanho das clulas: Diferentes ambientes de propagao e menores espalhamentos temporais; Diferentes lay-outs das clulas: Menor expoente de perdas no percurso, maiores interferncias; clulas tendem a seguir o perfil dos quarteires; sistema mais difcil de planejar.

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Handoff Quando um terminal mvel se movimenta atravs de clulas diferentes, enquanto uma conversao est sendo realizada, a chamada automaticamente transferida para um novo canal pertencente nova estao rdio base18



Estratgias de Handoff

Deve-se especificar um nvel timo de sinal a partir do qual se inicia o processo de handoff. Esse limiar de handoff definido como um valor ligeiramente superior ao nvel de sinal suficiente a uma qualidade de voz aceitvel na estao rdio base (normalmente entre 90dBm e 100dBm). A diferena, dada por = Prhandoff - Prmnima , no pode ser nem muito grande e nem muito pequena. Se for muito grande, handoffs desnecessrios podem ocorrer; se muito pequeno, pode no haver tempo suficiente para que o processo se complete antes que a chamada seja perdida por causa de uma baixa intensidade do sinal. Nos sistemas celulares de primeira gerao o intervalo tpico de tempo para se ter o handoff concludo, tendo o nvel do sinal cado abaixo do limiar de handoff, de aproximadamente 10 segundos. Isto requer que o valor de seja da ordem de 6 a 12dB. Nos novos sistemas digitais, como o GSM, por exemplo, alm do processo ser precedido por uma deciso de sua necessidade, tendo-se iniciado, leva em torno de 1 a 2 segundos. Consequentemente possui valores tpicos entre 0 e 6dB. O valor de pode ser programado na CCC (ou remotamente) para todas as ERBs.19



Estratgias de Handoff

Nos sistemas celulares analgicos da primeira gerao, as medidas de intensidade do sinal so feitas pelas Estaes Rdio Base e supervisionadas pela CCC. Cada Estao Rdio Base monitora constantemente a intensidade do sinal em todos os canais reversos de voz de forma a determinar a posio relativa de cada usurio mvel em relao torre da Estao Rdio Base. Alm dessa medida, um receptor parte em cada Estao Rdio Base, denominado receptor localizador, utilizado para monitorar a intensidade do sinal dos usurios mveis que estiverem em clulas vizinhas. O receptor localizador controlado pela CCC qual a informao de intensidade do sinal enviada com o objetivo de se decidir se um processo de handoff ser ou no necessrio. Nos sistemas digitais de segunda gerao com tecnologia TDMA, as decises de handoff so assistidas pelos terminais mveis. No Handoff Assistido pelo Mvel cada terminal de usurio mede a potncia recebida pelas ERBs vizinhas e a taxa de erro de bit mdia e reporta essas medias ERB servidora. A CCC se utiliza dessas informaes para o processamento de handoff. 20



Priorizao de Handoffs

Muitas estratgias priorizam as requisies de handoff sobre as requisies de inicializao de chamada. Um dos mtodos conhecido como mtodo do canal de guarda, no qual uma frao do nmero total de canais do sistema reservada para as requisies de handoff de chamadas entrantes de outros sistemas. Desvantagem: reduo da capacidade de trfego (menos canais sero dedicados a chamadas sendo originadas dentro do prprio sistema). Vantagem: Do ponto de vista do usurio, ter sua chamada em curso repentinamente bloqueada mais aborrecedor que obter um sinal de ocupado quando da tentativa de se completar uma chamada.21



Enfileiramento de Handoffs

A colocao das requisies de handoff em filas de espera um outro mtodo utilizado para reduzir a probabilidade de bloqueio de uma chamada. Esse enfileiramento de handoffs possvel, pois existe um intervalo de tempo finito entre o instante em que o nvel do sinal cai abaixo do limiar de handoff e o instante em que a chamada terminada forosamente devido a um nvel insuficiente do sinal.

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Consideraes prticas sobre o Handoff

Em sistemas celulares reais, vrios problemas surgem quando da tentativa de atender a vrias velocidades dos terminais mveis. Veculos em alta velocidade podem passar pela rea de cobertura de uma clula em poucos segundos, enquanto usurios pedestres podem nunca necessitar de um handoff durante uma chamada. Atravs da utilizao de antenas com diferentes alturas e diferentes nveis de potncia possvel se obter grandes e pequenas clulas co-localizadas. Esta tcnica chamada de tcnica da clula guarda-chuva e utilizada para fornecer grandes reas de cobertura a usurios que trafegam em alta velocidade e reas menores para aqueles que se movimentam a baixas velocidades.23




Para aumentar a capacidade, micro-clulas podem ser usadas para complementar macroclulas numa configurao onde as clulas maiores do suporte a usurios de maior mobilidade e as menores a usurios de menor mobilidade. Tipicamente o espectro subdividido em uma parte para a macro-clula e outra para a micro-clula.

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Um problema comum em configuraes onde existem microclulas conhecido como arrastamento de clula. Esse fenmeno resulta de usurios pedestres que fornecem sinais de alta intensidade ERB. Tal situao ocorre em ambientes urbanos quando h linha de visada entre o usurio e a ERB. Conforme o usurio vai se distanciando da ERB a uma velocidade muito baixa, a intensidade mdia do sinal no cai rapidamente. Mesmo tendo excedido os limites de sua clula o nvel de sinal na ERB pode estar acima do limiar de handoff e assim este pode no ocorrer. Isto cria um grande problema de interferncia e de trfego, pois o usurio ter invadido a rea da clula vizinha. Para resolver o problema do arrastamento de clula, os limiares de handoffs e parmetros de cobertura devem ser ajustados cuidadosamente.25



Aspectos de Trfego Aspectos de Trfego Define-se Trfego Oferecido [erlangs] como a relao entre a taxa de chegada e a taxa deantendimentode chamadas A = Q.Tmdio/Tobs = Nmero de chamadas em um intervalo de tempo de observao x Durao mdia das chamadas / Tempo de observao A probabilidade de Bloqueio (tambm conhecidapor GOS - Grade of Service) define a probabilidade de uma chamada gerada ser perdida (bloqueada) A relao entre trfego, nmero de canais e probabilidade de bloqueio calculada pela frmula ERLANG-B26



Aspectos deTrfego Trfego Aspectos de A frmula ERLANG-B tem resultados que relacionam trfego, nmero de canais e probabilidade de bloqueio normalmente apresentados em tabelas ou grficos como o da transparncia seguinte.ACC

Pr[ Bloqueio] =

C! k!

Ak k =0

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Aspectos Trfego Aspectos dede Trfego25 Nmero de Canais 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100

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Intensidade de Trfego em Erlangs

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Aspectos de Trfego

Nmero de canais, C 2 4 5 10 20 24 40 70 100

1% 0.153 0.869 1.36 4.46 12 15.3 29 56.1 84.1

Capacidade em Erlangs para GS = 0.5% 0.2% 0.1% 0.105 0.701 1.13 3.96 11.1 14.2 27.3 53.7 80.9 0.065 0.535 0.9 3.43 10.1 13 25.7 51 77.4 0.046 0.439 0.762 3.09 9.41 12.2 24.5 49.2 75.2

Tabela II.5 Capacidade de alguns sistemas com a frmula Erlang B

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Aspectos de Trfego Aspectos de Trfego A necessidade: Dado um trfego esperado e as limitaes de interferncia, a regio em anlise dividida em clulas. Atravs de uma probabilidade de bloqueio de chamadas aceitvel determina-se o nmero de canais por clula O problema: Devido mobilidade dos usurios, Handoffs e Roamings esto sempre ocorrendo tornando o trfego instvel, no permitindo a utilizao isolada da conhecida frmula (ou tabela) Erlang-B

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Aspectos de TrfegoD/R relaciona C/I com Trfego. Quanto maiorC/I, maior D/R (mais clulas por Clusters), menores capacidades de trfego por clula. A tabela ilustra o que foi dito e sugere uma soluo de compromisso entre qualidade e trfegoFator de reuso 1 3 4 7 12 D/R 1.73 3.00 3.46 4.58 6.00 Canais / Clula 360 120 90 51 30 Baixa Capacidade de trfego Alta Qualidade de servio Baixa

Aspectos de Trfego

Alta

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Aspectos de TrfegoAlgoritmos de Alocao Global de Canais: Alocao Dinmica. Alocao Hbrida. Algoritmos de Alocao Local de Canais: Alocao por Variao do Limiar de Bloqueio (Blocking Threshold Variation - BTV) [Yac93]. Alocao Fixa.32



Aspectos de Trfego - BTV (definies) Trfego Flexvel: ocorre em regies de sobreposio de cobertura de clulas. Limiar de Bloqueio (T): ponto a partir do qual a home-cell com T canais ocupados deve ser excluda das possibilidades de trfego. O clculo de capacidade de trfego com esse mtodo envolve um grande nmero de operaes e s pode ser efetuado a partir de simulaes, onde so considerados os trfegos das clulas envolvidas individualmente e conjuntamente.33



Aspectos de Trfego A frmula ERLANG-B pode ser aplicada com preciso quando: As reas de cobertura das clulas em anlise no apresentarem sobreposio. O trfego fixo for nulo, o que eqivale a se ter uma clula de dupla capacidade Bm = E(A,2N). T = N+1, o que eqivale a uma flexibilidade nula.34



Eficincia espectral

A largura de faixa total para a rede celular, B , igual ao produto da largura de faixa ocupada por canal, BC , pelo nmero de canais por estao rdio base rdio base, M , e pelo tamanho do cluster, N. A eficincia espectral, EE , pode ser definida pela quantidade de trfego por clula, A , em Erlangs, dividida por B e pela rea de uma clula, S.

A EE = [Erlang / MHz / Km2 ] BC M N S35



Eficincia espectral

Observa-se que a eficincia espectral decresce com o tamanho do cluster N. O desempenho do sistema, medido atravs de alguma autage probability ou taxa de erro de bit por usurio, melhora com o aumento da distncia de reuso, ou seja, melhora com o aumento de N. Concluso: Atingir alto desempenho do sistema e, ao mesmo tempo, um eficiente uso do espectro so objetivos conflitantes para o projetista da rede.36



Aumentando a capacidade do sistema

Setorizao

Diviso de Clulas37




Diviso de clulas: tcnica amplamente utilizada por proporcionar grande aumento de capacidade. Difcil implementao devido grande chance de aumento no nvel de interferncia no sistema (nunca possvel realizar a diviso ideal mostrada na figura do slide anterior). Setorizao: possibilidade de aumento de capacidade devido reduo de interferncia co-canal e correspondente possibilidade de reduo no tamanho do cluster. utilizada normalmente na prtica como ferramenta para reduo de interferncia co-canal causada por dificuldade de planejamento adequada e/ou implementao de diviso de clulas no sistema.38




Ilustrao do efeito da setorizao na diminuio da interferncia co-canal.

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Downtilt: Direcionamento do diagrama de irradiao da antena para o solo. Com esse direcionamento observa-se que o diagrama de irradiao no plano horizontal apresenta um notch. Se esse notch coincidir com a direo das clulas co-canais, pode-se reduzir a interferncia.40




Downtilt: possibilidade de aumento de capacidade devido reduo de interferncia co-canal e correspondente possibilidade de reduo no tamanho do cluster. O downtilt pode ser mecnico ou eltrico. utilizado normalmente na prtica como ferramenta para reduo na rea de cobertura de clulas, em conjunto com a reduo de potncia de transmisso. utilizado tambm como ferramenta para a reduo de reas de sombra que normalmente se formam nas proximidades do transmissor da estao rdio base.41




Um problema: aumento no nmero de handoffs quando da adoo da setorizao resulta em carga adicional de comutao e controle no sistema de comunicao mvel. Uma soluo: Microclulas inteligentes ou zonais - Power Delivery approach - Cada uma das trs (ou mais) estaes zonais so conectadas a uma nica ERB e compartilham o mesmo equipamento de rdio. As zonas so conectadas ERB por cabos coaxiais, fibra ptica ou por links de microondas. O terminal mvel servido pela zona que lhe proporcione a maior intensidade de sinal. Tcnica superior setorizao, pois as antenas so dispostas no limite das clulas (melhor cobertura) e cada canal pode ser alocado pela ERB a qualquer zona (melhor eficincia de entroncamento).42




Conceito de Microclulas inteligentes ou zonais - Power Delivery approach 43




A vantagem: alm de no reduzir a eficincia de entroncamento, a tcnica de microclula zonal reduz o nvel de interferncia co-canal no sistema e correspondente possibilidade de reduo do tamanho do cluster. Exemplo: sabe-se que uma relao sinal-interferncia de 18dB suficiente para uma qualidade satisfatria do servio no sistema AMPS o que implica em cluster com N = 7 clulas. Nesse caso D/R = 4.6 suficiente. Com um sistema de microclula zonal, uma Dz/Rz de 4.6 suficiente ao desempenho desejado (veja ilustrao no slide seguinte). Mas a capacidade do sistema est associada distncia D entre co-clulas e no entre zonas. Para Dz/Rz igual a 4.6, pode-se obter atravs da geometria da ilustrao do slide seguinte uma relao D/R = 3. Esse valor de D/R = 3 leva a um tamanho de cluster N = 3. Esta possvel reduo no tamanho do cluster de 7 para 3 corresponde a um aumento na capacidade do sistema de 7/3 = 2.33 vezes.44




Com o uso de microclula zonal, se uma Dz/Rz de 4.6 suficiente ao desempenho desejado, a relao D/R = 3 => N = 3. Esta reduo no tamanho do cluster de 7 para 3 corresponde a um aumento na capacidade do sistema de 7/3 = 2.33 vezes.

Dz

Rz

D

R

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Tcnicas de Mltiplo Acesso Tcnicas de Mltiplo Acesso

Tcnicas que permitem o compartilhamento do meio de transmisso (ou recurso de comunicao) entre diversos usurios. Podem ser implementadas isoladamente, mas normalmente so combinadas em forma hbridas. FDMA - Frequency Division Multiple Access: o canal dividido em subfaixas e cada usurio ocupa uma determinada subfaixa TDMA - Time Division Multiple Access: o tempo de transmisso dividido e cada usurio pode transmitir/receber no slot a ele reservado CDMA - Code Division Multiple Access: utiliza espalhamento espectral, com adequada escolha da seqncia pseudo aleatria de cada usurio, de tal sorte que todos possam compartilhar um mesmo canal de comunicao, ao mesmo tempo e na mesma faixa de freqncias46




Permite transmisses analgicas e digitais Interferncia entre os canais adjacentes (filtros caros) Estando um canal sendo utilizado no se pode ter outro(s) usurio(s) compartilhando-o Normalmente um sistema de faixa estreita Intermodulaes quando vrios canais compartilham um nico amplificador de potncia47




Descontinuidade na transmisso facilitam o processo de handoff Taxas em rajadas elevadas levam necessidade de equalizao Slots no utilizados podem ser alocados por demanda No permite transmisso com modulao analgica48




A capacidade de um sistema CDMA limitada pela quantidade de interferncia entre os usurios Possibilidade de superar a capacidade (em termos de um nmero de usurios) dos sistemas FDMA e TDMA atravs de adequadas setorizao, utilizao do ciclo de atividade da voz, controle de potncia49



Tcnicas de DuplexaoPermitem a comunicao bidirecional simultnea (duplex) FDD - Frequency Division Duplexing: as transmisses nos canais direto e reverso ocorrem em freqncias distintas TDD - Time Division Duplexing: as transmisses nos canais direto e reverso ocorrem em freqncias idnticas, mas a intervalos de tempo distintos FDD/TDD - Hibrid Frequency Division & Time Division Duplexing : as transmisses nos canais direto e reverso ocorrem em freqncias e intervalos de tempo distintos

Tcnicas de Duplexao

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Overview AMPS/ETACS

Padro EIA/TIA-553 (1989). Desenvolvido pela AT&T Bell Labs. Nos anos 70. Primeira aplicao prtica em 1983 em Chicago (EUA). Em 1989: alocao de 10MHz adicionais aos 40MHz. Inicialmente composto por grandes clulas com antenas ominidirecionais e previso para setorizao e diviso de clulas. Padro de reuso de 7 clulas: suficiente a uma C/I > 18dB. Bandas A e B com 416 canais cada (varia de pas para pas). ETACS x AMPS: 25KHz x 30KHz; country code x area code. Modulao FM na faixa dos 800MHz para o AMPS e um pouco acima para o ETACS. Separao de 45MHz entre link reverso e direto.51



Overview N-AMPS

Padro TIA/EIA-88 (1993) e TIA/EIA-91 (1994). Desenvolvido pela Motorola com o objetivo de aumentar a capacidade do AMPS. Canal AMPS de 30KHz convertido para 3 canais de 10KHz pela tcnica FDMA. Capacidade triplicada em relao ao AMPS. Menor desvio de freqncia da portadora modulada em FM (menor qualidade do udio) e companso mais forte antes da modulao (para minimizar a influncia do menor desvio da portadora na qualidade do udio).52



Overview IS-54

Sistema com tecnologia digital, elaborado a partir do USDC. Objetivo de elevar a capacidade dos sistemas analgicos. Tcnica de acesso TDMA com 3 usurios full-rate ou 6 usurios half-rate por canal de 30KHz. Mesma duplexao que o AMPS (FDD com separao de 45MHz entre os links direto e reverso). Sistema dual-mode USDC/AMPS IS-54 (1990) D-AMPS. Migrao AMPS para D-AMPS feita gradualmente, canal a canal ou faixa a faixa, conforme taxa de alterao dos equipamentos dos usurios. Para compatibilidade AMPS / D-AMPS, somente a modulao no canal de voz alterada para /4-DQPSK.53



Overview IS-94 & IS-136

IS-94: Possibilita interface do terminal mvel a certos equipamentos PBX (1994). Certa capacidade de processamento da central de comutao dirigida estao rdio base (exemplo: MAHO). IS-54 Rev.C: canais de controle a 48.6Kbps no USDC (somente), sem capacidade de interligao com PBX. IS-136: todas as caractersticas acima e outras adicionais objetivando a concorrncia com alguns sistemas PCS: Short Message Service, modo sleep. Terminais IS-136 no so compatveis com terminais IS-54 (todos os canais de controle operam a 48.6Kbps; no aceita sinalizao a 10Kbps com modulao FSK). Padro TIA/EIA-136 publicado em maro de 1999.54



Overview GSM

Sistema celular digital de criado para resolver o problema da fragmentao dos primeiros sistemas na Europa (1991). Promessa de uma srie de servios utilizando a ISDN. Normas atuais suportadas pela ETSI. Servios: telefonia mvel, fax, telex, transmisso de dados por comutao de pacote at 9600bps, redirecionamento de chamada, SMS, identificao de assinante chamador. Faixa dos 900MHz, acesso TDMA/FHMA com 8 slots por quadro e saltos de freqncia de quadro a quadro, BW de canal de 200KHz, duplexao FDD com 45MHz de separao. Transmisso criptografada, utilizao do SIM (Subscriber Identity Module ), que ativado por uma senha de 4 dgitos. Padro TIA/EIA-95-B publicado em maro de 1999.55



Overview IS-95

Sistema celular digital com tecnologia CDMA padronizado pela TIA (EUA) para ser compatvel com o sistema AMPS com terminais dual-mode (1994, Qualcomm). Canal de 1.25MHz de banda (10% da banda alocada ao AMPS) com guarda de 270KHz (9 canais AMPS) em cada lado, na faixa dos 850MHz, duplexao FDD com 45MHz de espaamento. Transmisses simultneas na mesma banda, sendo os usurios diferenciados por seus cdigos de espalhamento espectral, leva possibilidade de soft handoff. Limitao da capacidade pelo grau de interferncia leva necessidade de controle de potncia preciso e possibilita crescimento suave com correspondente degradao da qualidade do udio. Taxa de transmisso varivel em funo da atividade da voz.56



Overview CT2

Sistema de telefonia cordless digital introduzido na Inglaterra em 1989 para uso domstico e em escritrios. Servio telepoint: possibilidade de conexo rede pblica (PSTN). O terminal no pode receber chamadas. O terminal mvel pode funcionar como modem e pode suportar taxas de dados/fax de at 2400bps. Alcance aproximado de 100m. Utiliza tcnicas de alocao dinmica de canais. Canais de 100KHz na faixa dos 850MHz, acesso TDMA com duplexao TDD.57



Overview DECT

Sistema de telefonia cordless digital introduzido na Europa em 1992 para uso domstico e em escritrios, promovendo mobilidade interna aos usurios de um PBX. Adequado para regies de alto trfego e curtas distncias. Possui excelente qualidade de voz e suporta transmisso de dados a taxas de 32Kbps ou mltiplos. Suporta servio telepoint e pode ser conectado rede GSM ou ISDN. Canais de 1.728MHz na faixa dos 1900MHz, acesso FHMA/TDMA com 24 slots por quadro e duplexao TDD. Utiliza tcnica de seleo dinmica de uma entre 10 portadoras disponveis em cada slot.58



Overview PACS

Sistema de comunicao pessoal (PCS) de terceira gerao desenvolvido pelo Bellcore em 1992. Suporta servios de voz, dados e imagens de vdeo em uso interno (conexo a PBX) ou microcelular em distncias de at 500m. Contm uma rede de distribuio fixa onde somente os ltimos 500m so designados a serem via rdio. Objetiva integrar todos os tipos de comunicao sem fio com possibilidade de conexo s centrais de comutao locais. Desenvolvido para utilizar a banda para sistemas PCS nos EUA (1 a 3GHz), utiliza acesso TDMA e duplexao TDD ou FDD com canais de 300KHz de banda e 8 slots por quadro.59



Overview PDC (JDC)

Sistema de telefonia celular digital projetado em 1991 para atender ao aumento da demanda de trfego no Japo. Sistema similar ao IS-54, mas utiliza modulao quaternria nos canais de controle (similaridade com o IS-136, nesse aspecto). Acesso TDMA com duplexao FDD com 3 slots por cada canal de 25KHz de banda. Prev o uso de um codificador de voz half-rate e conseqente aumento para 6 usurios por quadro de 20ms. No Japo so alocados 80MHz para o PDC na faixa dos 800MHz e 1500MHz. Utiliza tcnica MAHO e suporta padro de reuso de 4 clulas.60



Overview PHS

Sistema de telefonia digital introduzido no Japo em 1993. Como os padres DECT e PACS-UB, a tcnica de acesso TDMA com duplexao TDD, tendo 40 canais de 300KHz para aplicaes pblicas e outros 37 canais de 300KHz para aplicaes domsticas ou em escritrios. Utiliza alocao dinmica de canais baseada na intensidade do sinal (+ interferncia) percebido na base e no terminal mvel Handoffs possveis somente a velocidade de pedestres.

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Overview IMT-2000 (FPLMTS)

Sistema de comunicao pessoal digital de terceira gerao. Em fase de padronizao pelo ITU, pretende ser uma evoluo dos atuais sistemas GSM, DECT, IS-54, IS-95 e DCT1800, nas faixas propostas de 1885 a 2025MHz e 2110 a 2200MHz. Objetiva unificar diversos sistemas em um nico, tendo um terminal mvel mundialmente utilizvel. Os servios propostos incluem voz, multimdia e dados com taxas de 64Kbps a 2Mbps, para uso interior e exterior. Pretende-se alcanar desempenho equiparvel ao de redes locais fixas. Duas das configuraes propostas so baseadas em acesso mltiplo hbrido TDMA/CDMA com tecnologia W-CDMA (Wideband CDMA). Todos os tipos de modulao esto sendo considerados, inclusive as tcnicas FH-SS e DS-SS.62



Overview IRIDIUM

Planejado para ter 77 satlites em rbita baixa (nmero de eltrons do elemento Iridium), o sistema Iridium hoje tem lanados um total final de 66 satlites que podem comunicar-se entre si e com os terminais terrestres. Idia concebida pela empresa Motorola , vrios consrcios em todo o mundo participaram do desenvolvimento e implantao do sistema. Cobertura global; uma chamada pode iniciar-se e terminar pela ao do prprio sistema; gateways em vrios pases e permitem interconectividade com os sistemas de comunicao terrestres no Brasil um gateway foi instalado no Rio de Janeiro, mas foi desativado. Os terminais do sistema Iridium so dual-mode e, alm dos servios de voz, sero oferecidos servios de fax e transmisso de dados com taxas de at 9600bps.63



Overview TELEDESIC

O sistema Teledesic, suportado por Bill Gates e Craig McCaw, o mais complexo e caro sistema de comunicao global at hoje concebido. Originalmente planejado para ter 840 satlites, a constelao est hoje reduzida a aproximadamente 288 satlites que ocuparo uma rbita circular a 700Km de altitude (LEO). Estima-se cerca de 20 milhes de usurios em todo o mundo. Como no Iridium, os satlites do sistema Teledesic se comunicaro entre si e a terra, utilizando a banda Ka do espectro. Esto sendo planejados canais com taxas variveis que vo desde 16Kbps a 1.24Gbps.64



Tcnicas de Acesso - reviso

Tcnicas usuais: par tranado, cabo coaxial, difuso de TV, rdio mvel celular e cordless (j citados) e WLL.

Par tranado

Modems para a faixa de voz : taxas a at 56Kbps RDSI : 2B+D (Basic Rate Access - BRA), 2 x 64Kbps + 1 canal de dados (sinalizao) xDSL : (ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line; HDSL - High-rate Digital Subscriber Line; VDSL - Very-high-rate Digital Subscriber Line)65




Par tranado

HDSL : taxas a at 768Kbps ADSL : taxas at 8Mbps no sentido downstream (rede ==> usurio) e dezenas de Kbps no upstream. VDSL : distncias menores que 500m; espera-se taxas at 50Mbps (atuais propostas: 10Mbps down e 64Kbps up) O problema com a tecnologia xDSL: taxa atingvel dependente da distncia!

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Cabo coaxial

Arquitetura tpica de rede rvore-e-ramo (tree-and-branch)

Cabo coaxial (futuro: par tranado)

Fibra ptica

Fibra ptica com ~ Gbps. Cabo coaxial ~ 750Mbps (para o cabo coaxial: compromisso custo x BW). Problema: ramo compartilhado (BW por casa ~ 31KHz; mais rudo, menor capacidade) Cable modems hoje oferecem 30Mbps up e 10Mbps down.67




TV broadcast

Pode ser via cabo (j visto), broadcast terrestre e broadcast satlite (a ver) TV broadcast terrestre: ~ 400MHz de espectro na faixa de UHF; o mesmo espectro no pode ser utilizado em regies adjacentes (interferncia); espectro tipicamente dividido em clusters de 11 clulas com ~ 31MHz por clula; algumas clulas atendem milhes de usurios ==> poucas dezenas de Hz por usurio ==> servios individuais (ex.: VOD - video on demand) no so possveis.68




TV broadcast

TV broadcast via satlite: ~ 1GHz de espectro sem necessidade de diviso; grandes clulas com ~100 milhes de usurios ==> tambm no possvel oferecer servios individuais;

Tanto TV broadcast terrestre quanto TV broadcast via satlite no oferecem forma de transmisso de retorno (return path). Com a TV digital ter-se- a aplicao em difuso de grandes volumes de dados (ex.: jornal on-line)69




WLL

Sistemas baseados em telefonia taxas de 9.6Kbps a 384Kbps; vantagem econmica em uma srie de ambientes; servios de voz (dados em alguns casos) com taxa moderada; necessita implantao de infra-estrutura.

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WLL

Sistemas baseados em vdeo forma avanada de WLL: usa MVDS (Microwave Video Distribution System) na banda de 40GHz com alocao de 2GHz para TV e dados em broadcast; banda assimtrica: 500MHz down e ~20Kbps up; vantagens do MVDS: altas taxas downstream, servios de vdeo, telefonia e dados; baixo custo se comparado com cabo; desvantagens do MVDS: mnimo return path (difcil a aplicao em vdeo-fone, por exemplo); pequena distncia da base requer grande nmero de bases.71



Tcnicas de Acesso - sumrioTaxas de dados < 56Kbps < 144Kbps ~ 8Mbps no down, por volta de 100Kbps de retorno 30Mbps down, 10Mbps de retorno No conhecida, talvez 10Mbps down 64Kbps celular; 500Kbps cordless < 384Kbps 500Mbps down, 20Kbps de retorno Vantagens Baixo custo; instalao imediata Tecnologia testada; custo relativamente baixo Altas taxas de dados em linhas existentes Custo relativamente baixo Download para grandes volumes de dados a mltiplos usurios Pode ser utilizada imediatamente onde h cobertura Vantagem econmica; taxas de dados razoveis Altas taxas a baixo custo (de [3, p. 33] Desvantagens Bloqueia a linha telefnica; taxas relativamente baixas Pequena melhoria em relao aos modems para faixa de voz; pode estar desatualizada rapidamente Tecnologia ainda no suficientemente testada; alto custo Tem penetrao limitada; arquitetura limita o nmero de usurios simultneos No apresenta trfego de retorno; difcil de enderear servios a residncias especficas Limitao na taxa de dados; custo elevado; problemas de cobertura Impossibilidade de altas taxas de dados; necessria nova infra-estrutura Taxa de retorno mnima; pequenas distncias

Tcnica de acesso Modems para a faixa de voz RDSI

xDSL

Cable modems Distribuio de TV Rdio mvel WLL (telefonia) WLL (vdeo)

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WLL - Wireless Local Loop

Definio: uso da transmisso via rdio para prover toda a (ou parte da) conexo entre um assinante (ou grupo de assinantes) e uma central de comutao ou ponto de distribuio na rede fixa. Outros nomes: WiLL (WLL da Motorola ); RFA ou RLL (Radio Fixed Access ou Radio Local Loop); RITL (Radio In The Loop); FWA (Fixed Wireless Access).73



A regra da comunicao sem fio: A ltima Milha

50% a 70% do investimento na rede de telefonia fixa comutada se localiza na conexo de acesso do assinante (subscriber loop). A instalao dessa conexo normalmente demanda muito tempo e o custo aumenta dramaticamente em reas rurais, aproximadamente numa proporo inversa da densidade populacional e da capacidade de trfego necessria. Conexes via rdio so menos onerosas em reas com populao esparsa; o custo praticamente independe da distncia, mesmo com incluso de repetidores ou amplificadores .74



A regra da comunicao sem fio: A ltima Milha

Em reas residenciais os cabos de cobre existentes podem ser mais adequados que acessos via rdio; cabos pticos podem se tornar competitivos nesse caso, principalmente se h integrao da rede com outra que oferea novos servios. Em escritrios a estrutura organizacional pode ser proibitiva a mudanas freqentes na rede; sistemas tipo WOS (Wireless Office Systems) e que permitem conexo a centrais privadas, como o DECT, podem ser soluo economicamente vivel. Obs.: Devido escassez de espectro, no futuro possvel algum tipo de aluguel de faixas de freqncia.75



Trfego x Densidade populacional x Custo

Menos de 50 Erlang/Km2 em reas rurais ou pequenas vilas; At 1000 Erlang/Km2 em reas residenciais e suburbanas; At 10000 Erlang/Km2 ou mais em grandes centros comerciais com grande concentrao de escritrios.76



WLL - adequao da tecnologia

A adequada tecnologia depender de consideraes sobre a densidade populacional, a rea geogrfica (rural ou urbana), o tipo de servio (uso residencial ou negcios, telefonia ou dados). Redes WLL sero implementadas atravs de cinco principais categorias: sistemas PCN/PCS, CT2/DECT e tecnologias proprietrias, a ver: Sistemas celulares analgicos: dominao do AMPS (69%, contra 23% TACS e 8% NMT); limitao em capacidade; adequado para mercados de baixa a mdia densidades; previso de incorporar 19% dos sistemas WLL no ano 2000.77




Sistemas celulares digitais: domnio do sistema GSM (71% dos assinantes); maiores capacidades; funcionalidades que permitem a incorporao de vrios servios; previso de ocupao de 33% dos sistemas WLL no ano 2000; GSM apresenta grande quantidade de overhead (roaming internacional) ==> alto custo para WLL. Sistemas celulares digitais: CDMA parece ser a tecnologia mais adequada (grande capacidade, boa qualidade de voz e privacidade, mas ainda em incio de operao).78




Redes de comunicao pessoal (PCN) e servios de comunicao pessoal (PCS): incorporam tecnologia celular e cordless, com o propsito de oferecer servios sem fio a usurios com pouca mobilidade, com handsets baratos, leves e de pequena potncia. Possuem a vantagem de terem sido desenvolvidos especificamente para oferecerem servios WLL. Desvantagem de no estarem ainda comercialmente disponveis. Sistemas cordless: principal tecnologia - DECT; o DECT considerado WLL quando a operadora fornece servio sem fio ao usurio utilizando essa tecnologia;...79




... Sistemas cordless: o DETC adequado a reas com mdias a altas densidades; maior capacidade de trfego, melhor qualidade de voz e maiores taxas se comparado com sistemas celulares; a estrutura micro-celular do DECT favorece o crescimento do sistema de acordo com as demandas dos usurios, com custos iniciais reduzidos. Implementaes proprietrias: no esto disponveis em redes sem fio pblicas e so customizadas para aplicaes especficas e geralmente no proporcionam mobilidade; adequadas para aplicaes de baixa a mdia densidade de demanda.80



WLL - comparao entre os sistemas

As vrias tecnologias e opes de desenvolvimento de sistemas WLL devem ser avaliadas nos termos: densidade populacional da rea de servio; custo da conexo (equipamentos e instalao); grau de penetrao; se o pas ou rea desenvolvido ou est em desenvolvimento. A tabela a seguir mostra o resultado de um estudo conduzido em 1997 para a comparao dos sistemas PHS, DECT, Celulares Digitais e Analgicos e arquiteturas proprietrias. Os custos envolvidos podem ser vistos em [2b] .81



WLL - comparao entre os sistemasEconomia desenvolvida Celular digital DECT PHS Proprietria Celular digital Proprietria Economia emergente DECT PHS Celular Digital Proprietria Celular digital Celular analgico proprietria

rea urbana e suburbana

rea rural

Aplicao das vrias tecnologias em WLL por segmento de mercado (de [2b]).

Como pode ser visto, nenhum sistema mais adequado em todas as aplicaes. Nem sempre verdade que os sistemas micro-celulares (cordless) so melhores para reas urbanas e que sistemas macro-celulares (celular) so mais adequados para reas rurais.82



WLL - perspectivas

Analistas prevem que a maior parte do mercado global de WLL para o ano 2000 em diante ocorrer em economias emergentes (ex.: China, ndia, Brasil, Rssia, Indonsia). Segundo o ITU, a demanda mundial por servios WLL resultar em 800 milhes de novas linhas no ano 2000, sendo dessas 685 milhes em pases emergentes e 115 milhes em pases desenvolvidos. Algumas projees indicam que o uso de WLL para atender demanda em excesso de servios de telefonia ir crescer dos atuais 5% para cerca de 70% em 2002, em pases emergentes.83



WLL - perspectivas

A penetrao do WLL em pases desenvolvidos dever ser menor que em pases emergentes economicamente. Os segmentos de mercado so servios de telefonia bsica em economias emergentes e servios adicionais queles oferecidos pelas operadoras e proporcionados pelo WLL em economias desenvolvidas.1997 Economias emergentes Economias desenvolvidas Total 16 7 23 1998 34 13 47 1999 64 21 85 2000 111 31 142 2001 183 37 220 2002 296 43 339

Nmero potencial de novas linhas WLL no mundo, em milhes (de [2b]).84



Referncias bibliogrficasRec. ITU-R F.757-1, Basic System Requirements and Performance Objectives for Fixed Wireless Local Loop Applications Using Cellular Type Mobile Technologies, 1997. http:/www.webproforum.com/iec03/full.html, Cellular Communications Tutorial. January, 1999. http:/www.webproforum.com/amd/full.html, Wireless Local Loop Tutorial. January, 1999. Webb, William, Introduction to Wireless Local Loop. Artech House Publishers, Inc.: Boston, London, 1998.85

[1]

[2a]

[2b]

[3]

Obrigado pela ateno !Instituto Nacional de Telecomunicaes


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Apostila - Tecnologia Celular e WLL

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