Redes de Computadores - UEMelvio/redes/2-Fisica.pdf · 2008. 3. 26. · I O numero¶ de ciclos (ou...

Camada Fısica

Redes de Computadores2. Camada Fısica

Elvio Leonardo

DIN/CTC/UEM

2008

Elvio Leonardo Redes de Computadores

Camada Fısica

Conceitos BasicosGeracao de SinaisMeioEstudos de Caso

Sinal Periodico

I Sinal periodico: repete-se no tempo, isto e

g(t) = g(t + T )

onde T (dado em segundos [s]) e o perıodo do sinal g(t)

I O numero de ciclos (ou perıodos) por segundo e a frequenciaf do sinal (dada em Hertz [Hz])

f =1

T

I Amplitude e a intensidade do sinalI Amplitude intantanea: amplitude em algum tempo tI Amplitudes maxima e mınima: maximo e mınimo valores

alcancados pelo sinal


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Sinal AnalogicoI Pode assumir qualquer valor numerico real

I Em geral e contınuo no tempo, isto e, esta definido paraqualquer tempo t

I Mantem relacao direta com a grandeza expressa

I Exemplo: tensao eletrica de um microfone proporcional apressao causada pela voz


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Sinal DigitalI Pode assumir apenas um conjunto definido de valoresI Em geral e discreto no tempo, isto e, esta definido apenas

para alguns instantes de tempo ti , i = 0, 1, . . .I Em geral existe uma fonte analogica cujo sinal e convertido

para formato digitalI Conversor analogico-digital (Analog-to-Digital Converter,

ADC)I Conversor digital-analogico (Digital-to-Analog Converter,

DAC)


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Digitalizacao

I Tecnica de conversao analogico-digital


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Exemplo de Digitalizacao


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Taxa de Bits e Taxa de Sımbolos

I Taxa de bits (bit rate)I A cada segundo sao produzidas N amostrasI Cada amostra e digitalizada em B bitsI Portanto:

taxa de bits = N × B

I Taxa de sımbolos (baud rate)I Cada sımbolo representa b bitsI Portanto:

taxa de sımbolos = N × B

b


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Informacao no Formato Digital

I Vantagens da manipulacao em formato digital:I Economia: avancos em circuitos digitaisI Seguranca: mais facil de codificar

I Vantagens da transmissao em formato digitalI Integridade dos dados: maior imunidade ao ruıdoI Utilizacao do canal: facilidade de multiplexacao de varias

fontes


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Domınios do Tempo e da FrequenciaI Domınio do tempo: variavel independente e o tempoI Domınio da frequencia: variaveis independentes sao a

frequencia e a faseI Onda fundamental: senoide

domınio do tempo: domınio da frequencia:

s(t) = A sin(2πft) S(f ) = A δ(f )

onde δ(.) e a funcao impulso


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Decomposicao de Ondas PeriodicasI Qualquer sinal periodico de frequencia f pode ser expresso

como uma somatoria (muitas vezes infinita) de ondassenoidais

I As ondas senoidais possuem frequencias multiplas dafrequencia do sinal e sao conhecidas como harmonicas:

I frequencia f e a primeira harmonica ou fundamentalI frequencia 2× f e a segunda harmonica e assim por diante

I Cada onda senoidal representa uma componente no domınioda frequencia



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Decomposicao de Ondas Periodicasdomınio do tempo: domınio da frequencia:

I Quanto maisharmonicos saoconsiderados nasoma, mais osinal resultanteassemelha-se aosinal original

I Se o valormedio da ondaperiodica ediferente dezero, esse valore representadocom umacomponentecom frequencianula (f = 0)


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Espectro de Sinais Nao Periodicos

I Quando o sinal nao e periodico, o espectro deixa de serformado por frequencias discretas e passa a ser contınuo

I A largura de banda do sinal (bandwidth analogica) edelimitada pelas duas frequencias (f1 e f2 na figura abaixo)onde a potencia do sinal e metade da potencia maxima



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O Problema da Multiplexacao

I Como dividir o canal entre todos os usuarios?


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FDM

I Frequency Division Multiplex


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TDM

I Time Division Multiplex


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Combinacao FDM e TDM


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CDM - Direct Sequence

I Code Division Multiplex, Direct Sequence


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Exemplo CDM - Direct Sequence

I 4 usuarios (A, B, C e D), cada um com o seu codigo deespalhamento

I Codigos sao ortogonais (isto e, A·B = A·C = . . . = C·D = 0)

I Envio de informacao atraves do envio do codigo deespalhamento

I Por exemplo, usuario C envia codigo C para enviar bit “1” ecodigo C para enviar bit “0”

I No canal ocorre a soma dos sinais enviados (S1 a S6 nafigura)

I Para decodificacao, o receptor deve fazer o multiplicacaoentre o sinal recebido e o codigo de espalhamento desejado(na figura, o codigo C)


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Exemplo CDM - Direct Sequence


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CDM - Frequency Hopping

I Code Division Multiplex, Frequency Hopping


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Conversao de Bits em SinaisI Fonte de informacao produz bits

I Em geral bits nao sao bons para a transmissao de dadosI E necessario converter bits em um sinal melhor apropriado ao

meio (canal)I Objetivos:

I Reduzir a largura de banda do sinal codificadoI Concentra o espectro do sinal codificado na banda de

passagem do meio (canal), diminuindo a atenuacao e distorcaoI Elimina componentes de alta frequencia, reduzindo a

interferencia entre canais proximos fisicamenteI Eliminar componentes de baixa frequencia (CC) do sinal

codificadoI Permine acoplamento CA, o que garante melhor isolamento

eletrico e a possibilidade de tele-alimentacao (repetidores,terminais) com transformadores

I Moldar o espectro do sinal codificado de maneira a ser facilitara extracao de um sinal de relogio para a funcao de sincronismo


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Conversao de Bits em Sinais

I Conversao de bits em sinais digitaisI Codificador e decodificador digitais

I Conversao de bits em sinais analogicosI Modem (modulador e demodulador)


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Codificacao UnipolarI Utiliza presenca/ausencia de polaridade; por exemplo:

I Bit 0: ausencia de polaridadeI Bit 1: presenca de polaridade

I Facil implementacaoI Razoavel eficiencia espectralI Nao permite acoplamento CA (sinal contem componente CC e

de baixa frequencia)I Nao permite auto-sincronismo (difıcil extrair relogio)


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Codificacao Bipolar

I Utiliza duas polaridades distintas

I NRZ (non-return-to-zero)I Polaridade permanece a mesma durante o perıodo do bitI Exemplos:

I NRZ-L (NRZ-Level): sinal acompanha mudanca do bitI NRZ-I (NRZ-Inverted): sinal muda se proximo bit e 1

I RZ (return-to-zero)I Bits representados por pulsos que ocupam apenas parte (50%

em geral) do perıodo do bitI Sinal permanece em zero pelo resto do perıodo de duracao do

bit


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Codificacao NRZ

I Vantagens e desvantagens similares a codificacao unipolar

I Entretanto, permite acoplamento CA


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Codificacao RZ

I Pior eficiencia espectral que o NRZ

I Entretanto, permite facil sincronismo


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Codificacao AMI (Alternate Mark Inversion)I Codificacao bipolar:

I Bit 0: ausencia de polaridadeI Bit 1: polaridades alternadas

I Imune a inversoes de polaridadesI Ausencia de componentes de baixa frequenciaI Boa eficiencia espectralI Utilizado pelo T1 americano (1,544 Mbps)


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Codificacao ManchesterI Manchester: transicao no meio de cada bit

I Bit 0: transicao descendenteI Bit 1: transicao ascendente

I Usado pelo IEEE 802.3 (Ethernet)

I Manchester DiferencialI Bit 0: transicao no inıcio do bitI Bit 1: ausencia de transicao no inıcio do bit

I Usado pelo IEEE 802.5 (Token Ring)

I VantagensI Facil implementacaoI Facil sincronizacaoI Componente CC inexistente

I DesvantagensI O baud rate e o dobro do bit rateI Requer maior largura de faixa do que o NRZ


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Codificacao Manchester


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Outras Codificacoes

I B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution)I Baseado no AMII Sequencia 00000000 e substituıda por

I 000+-0-+ se impulso anterior e positivoI 000-+0+- se impulso anterior e negativo

I HDB3 (High Density Bipolar 3 Zeros)I Baseado no AMII O quarto zero na sequencia 0000 e sempre transmitido como

um impulso que viola a regra da alternanciaI O primeiro zero na sequencia 0000 pode ser transmitido como

um impulso que mantem a regra de alternanciaI Usado no sistema E1 europeu (2,048 Mbps)


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Espectro de Potencia


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Modulacao Digital

I Portadora:y(t) = A cos(2πft + φ)

onde A e amplitude, f e frequencia e φ e fase

I Frequency Shift Keying (FSK)I Altera a frequencia fI Amplitude A e fase φ permanecem fixos

I Amplitude Shift Keying (ASK)I Altera a amplitude AI Frequencia f e fase φ permanecem fixos

I Phase Shift Keying (PSK)I Altera a fase φI Amplitude A e frequencia f permanecem fixos


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Modulacao Digital

sinal digital

ASK

Binary FSK

Binary PSK


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Modulacao DigitalI ASK

I Codifica bits em diferentes amplitudes da portadoraI Ineficiente e pouco imune ao ruıdoI Ate 1200 bps em linhas telefonicas; mais popular com fibra

otica

I FSKI Codifica bits em diferentes frequencias da portadoraI Mais robusto que ASK

I PSKI Codifica bits em diferentes fases da portadoraI BPSK utiliza 2 fases (0o e 180o por exemplo) para representar

bits 0 e 1I QPSK (Quaternary PSK) utiliza 4 fases (0o, 90o, 180o e 270o

por exemplo) para representar os pares de bits 00, 01, 10 e 11


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Densidade Espectral ASK e PSK

fc = frequencia da portadora


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Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

I Generalizacao do PSK que combina modulacoes de fase eamplitude

I Codifica bits em diferentes amplitudes e fases da portadoraI Por exemplo, Modem V.29 (9600 bps) usa 16-QAM com oito

fases e duas amplitudes totalizando 16 sımbolosI Cada sımbolo carrega 4 bits e portanto a taxa de sımbolos

(baud rate) e 2400 baud

I Permite maior eficiencia espectral porque consegue colocarmais bits por sımbolo.


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Constelacao PSK/QAMI Sımbolos em modulacoes PSK e QAM sao representados por

pares (amplitude, fase), como se fossem numeros complexosem forma polar

I Graficamente, sımbolos sao representados por pontos no planocomplexo

(a) QPSK (ou 4-PSK) (b) 16-QAM (12 fases e 3 amplitudes) (c) 64-QAM


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Par Trancado

I Em geral utilizados para transmissao diferencial

I Fios sao cobertos com isolante (plastico colorido paraidentificacao), com pares de fios trancados para que semantenham proximos o tempo todo

I Campo magnetico gerado por cada condutor se cancelaI Ruıdo induzido em cada condutor e eliminado

I Utilizados para telefonia (voz e dados) e redes locaisI Telefone utiliza cabo com 1 ou 2 pares com conector RJ-25I Rede local utiliza cabo com 4 pares com conector RJ-45

I Tipos:I Unshielded Twisted Pair (UTP)I Shielded Twisted Pair (STP)


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UTP

I Vantagens: flexıvel (facil manuseio) e barato

I Desvantagens: ruıdo e interferencia eletrica (que limitam ocomprimento do segmento de rede)

I Resumo das caracterısticas:I Velocidade e vazao: 10 a 1000 MbpsI Custo: baixoI Conector: pequenoI Maximo comprimento: 100m (considerado curto)

(a) CAT-3 (b) CAT-5


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UTP

Categoria Uso

CAT 1 Telefone

CAT 2 Dados ate 4 Mbps

CAT 3 Ate 16 MHz, Ethernet 10BASE-T (10 Mbps)

CAT 4 Ate 20 MHz, Redes em anel ate 16 Mbps

CAT 5 Ate 100 MHz, Fast Ethernet ate 100 Mbps

CAT 5e Ate 100 MHz, Gigabit Ethernet ate 1 Gbps

CAT 6 Ate 200 MHz, Gigabit Ethernet ate 1 Gbps


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STP

I Semelhante ao UTP, exceto que cada par de fios eembrulhado por blindagem metalica; conjundo de parestambem e embrulhado por blindagem metalica

I Foil Twisted Pair (FTP) tem apenas a blindagem exterior

I Vantagem: Blindagem reduz ruıdo (em comparacao ao UTP)

I Desvantagens: Blindagem necessita ser aterrada; blindagemtorna cabo mais caro, pesado e rıgido ao manuseio

I Resumo das caracterısticas:I Velocidade e vazao: 10 a 100 MbpsI Custo: moderadamente caroI Conector: medio a grandeI Maximo comprimento: 100m (considerado curto)


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Cabo Coaxial

I Cabo composto por condutor central, isolante, malha deblindagem e capa

I No passado foi popular em redes locais; hoje utilizadoprincipalmente para sinais de televisao

I Vantagens: segmentos de rede mais longos; barato(comparado com fibra otica)

I Desvantagens: Blindagem necessita ser aterrada; blindagemtorna cabo mais caro, pesado e rıgido ao manuseio

I Resumo das caracterısticas:I Velocidade e vazao: 10 a 100 MbpsI Custo: baratoI Conector: medioI Maximo comprimento: 500m (considerado medio)


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Cabo Coaxial


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Fibra Otica

I Utilizada para enlaces longos e de alta capacidade(bandwidth), como backbones e WANs

I Vantagens:I Nao sofre nem gera interferencia eletromagnetica (EMI) e

interferencia de radio frequencia (RFI)I Oferece muito alta bandwidth, estando hoje a limitacao mais

nos equipamentos utilizados do que no meioI Sinal sofre atenuacao muito pequenaI Mais segura por causa da dificuldade de interceptacaoI Custo mais baixo do que cobre para longas distanciasI Fabricacao utiliza material abundante (areia)I Nao necessita aterramentoI Leve e de facil instalacaoI Mais resistente do que cobre a fatores ambientais (agua,

temperatura, etc.)


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Fibra Otica

I Desvantagens:I Fibra sao mais faceis de danificarI Transmissao otica e uni-direcional (sao necessarias 2 fibras

para comunicacao bidirecional)I Fibra e componentes sao mais caros

I Resumo das caracterısticas:I Velocidade e vazao: mais de 1 Gbps

I Comercialmente disponıvel hoje: 10 Gbps (multimodo) e 50Gbps (monomodo)

I Custo: caroI Conector: pequenoI Maximo comprimento: mais de 10 km para monomodo, ate 2

km para multimodo


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Rede Otica (Exemplo)


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Rede Otica (Componentes)

I TransmissorI Converte sinal eletrico em pulsos luminososI Duas fontes:

I Light Emitting Diode (LED): produz luz infravermelha em 850ou 1310 nm; utilizado com fibra multimodo

I Light Amplification by Stimulated Emission Radiation (Laser):produz luz infravermelha de alta intensidade em 1310 ou 1550nm; utilizado com fibra monomodo

I Lasers exigem cuidado no manuseio para evitar dano aosolhos

I ReceptorI Converte pulsos luminosos em sinal eletricoI Componente utilizado: p-intrinsic-n diodes (fotodiodo PIN)


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I ConectorI Subscriber Connector (SC): mais utilizado em fibra multimodoI Straight Tip (ST): mais utilizado em fibra monomodo

I Fibra

Fibra Monomodo Fibra Multimodo

Diametro Fina (10 µm ou menos) Mais grossa (50 µm ou mais)

Dispersao Pequena Maior

Fonte Laser LED ou Laser


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Conectores (a) SC (b) ST

Media Converter (UTP e fibra otica)


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Comunicacao Sem Fio

I Espectro eletromagnetico


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Faixa ISM nos EUAI Industrial, Scientific, MedicalI 902 - 928 MHz:

I transmissor ate 1 WI forno micro-ondas ate 750 WI aquecedor industrial ate 100 kWI radar ate 1000 kW

I 2,4 - 2,4835 GHz:I transmissor ate 1 WI forno micro-ondas ate 900 W

I 5,725 - 5,850GHzI transmissor ate 1 W


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Faixa ISM no Brasil

I 6,765 - 6,795 MHz (faixa de 30 kHz)

I 13,563 - 13,567 MHz (faixa de 4 kHz)

I 26,957 - 27,283 MHz (faixa de 326 kHz)

I 40,660 - 40,700 MHz (faixa de 40 kHz)

I 902 - 928 MHz (faixa de 26 MHz)

I 2,4 - 2,5 GHz (faixa de 100 MHz)

I 24 - 24,25 GHz (faixa de 250 MHz)

I 61 - 61,5 GHz (faixa de 500 MHz)

I 122 - 123 GHz (faixa de 1 GHz)

I 244 - 246 GHz (faixa de 2 GHz)


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Satelites de Comunicacao

I Utilizados paraI TelefoneI Televisao

I Desvantagens:I Congestionamento da orbita (satelites GEO)

I Cada satelite GEO ocupa 2o da circunferencia

I Alto custo, alto risco, alto atraso, baixa privacidadeI Vida util limitada (combustıvel)


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Satelites GEO (Geoestacionarios), MEO (Medium Earth Orbit) e LEO (Low Earth Orbit)

Sats needed e o numero de satelites para cobertura planetaria


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I Bandas utilizadas


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IridiumI 66 satelites LEO, cada um com ate 48 celulasI Transmissao entre satelitesI Voz e dados ate 2,4 kbps e Internet ate 10 kbps

(a) Satelites (b) Celulas


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ADSLI Asymmetric Digital Subscriber LineI Capacidade de transportar bits do par trancado de assinante

utilizado pela rede telefonica varia com a distancia ate acentral


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ADSL

I 256 canais de 4312,5 Hz cadaI 1 para voz,I 5 de espacamento, eI 250 para dados


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ADSL

I Divisao da banda no ADSL


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ADSL

I Alguns tipos de ADSL


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ADSL

I Instalacao do ADSL


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ADSL

I Componentes:

I Splitter (Divisor): Separa o sinal da RPTC (rede telefonica) dosinal de dados

I Network Interface Device (NID): Faz interface com o partrancado; em geral montado com o Splitter.

I Modem ADSL: Separa os 250 canais de dados

I Digital Subscriber Line Access Multiplexor (DSLAM): Montaos 250 canais de dados


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Sistema Telefonico Movel

I 1a Geracao (1G)I voz analogicaI AMPS, TACS, etc.

I 2a Geracao (2G)I voz digitalI D-AMPS, GSM, CDMA (IS-95), etc.

I 3a Geracao (3G)I voz digital + dadosI UMTS, CDMA2000, etc.


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AMPS

I Advanced Mobile Phone System

I Area de cobertura dividida em celulasI Permitem re-uso de frequenciasI Permitem potencias menores


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AMPSI Alguns componentes

I Terminal movel ou mobile station (MS)I Estacao Radio Base (ERB) ou Base StationI Centro de Comutacao ou Mobile Switching Center (MSC)

I Um pouco do jargaoI Camping: a MS “acampa” na celulaI Handoff (ou handover): a MS muda de celula durante a

chamadaI Paging: enviado pela ERB a MS para busca e alerta de

chamadasI Cell Info: broadcast pela ERB, informa identificacao e

caracterısticas da celula

I Utiliza TDM-FDM no enlace de radio com canais de 30 kHz

I 832 canais na faixa de 800 MHz, mais canais adicionados nafaixa 1800-1900 MHz


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AMPS

I Acampamento inicial (Cell Selection)I Ao ser ligado, a MS busca uma celula para acampar, em geral

a mais forte de uma lista de operadoras preferenciais

I Mudanca de celula (sem chamada) (Cell Reselection)I Continuamente a MS verifica a intensidade de todas as celulas

que ela consegue receberI Um relatorio com esta lista e enviado a ERBI A mudanca de celula ocorre quando uma celula torna-se

melhor do que a atual

I Mudanca de celula (durante uma chamada) (Handoff)I MS envia a ERB valores sobre a qualidade da chamada em

progresso e as intensidades das celulas vizinhasI Sistema decide quando deve ocorrer handoff e informa MS


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AMPS Digital (D-AMPS)

I Sistema americano de 2a geracao especificado pela normaIS-136

I Co-existencia com o padrao analogico AMPS (mantemmesma estrutura de canais na interface de radio)

I Cada canal analogico dividido em 3 canais digitais

I Requisito de compatibilidade com o AMPS prejudicou ossistema


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GSM

I Global System for Mobile Communication, sistema europeu de2a geracao

I Utiliza TDM-FDM no enlace de radio com canais de 200 kHz

I Sistema com maior quantidade de assinantes em termosmundiais

I Aperfeicoado para comunicacao de dados (dita geracao 2.5)I General Packet Radio Service (GPRS): ate 60 kbpsI Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE): ate 380

kbps


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GSMI Estrutura GSM: combinacao de TDM e FDM com quadro

TDM com 8 slots e canais separados para uplink e downlink


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CDMA (IS-95)

I Sistema americano de 2a geracao especificado pela normaIS-95

I Utiliza CDM ao inves de TDM ou FDM, com canal de 1,25MHz


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3a Geracao

I ObjetivosI Voz, mensagens, multimıdia e acesso a InternetI Taxas de ate 2 MbpsI Sistema com acesso mundial

I UMTSI Utiliza W-CDMA com canal de 5 MHzI Permite handoff com GSM

I CDMA-2000I Utiliza W-CDMA com canal de 5 MHzI Baseado no IS-95


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