Telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer UNICAMP 2o Semestre 2005 telefonia celular – principais conceitos tópicos em redes de computadores

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telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts

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telefonia celular – principais conceitos

tópicos em redes de computadores I

professor: edmundo r. m. madeira

aluno: mario zimmer assis

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índice

introdução AMPS e TDMA GSM CDMA CDMA2000 UMTS

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introdução

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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

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cenário geral

Terminal Móvel

Interconexão: Outras CCCs, outras centrais

CCC/BSCPara centrais

tel. fixa

ERB

Região de Handoff

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faixas de freqüência (bandas) no Brasil

Freqüência (MHz) de transmissão da

Estação móvel ERB

Banda A 824-835845-846,5

869-880890-891,5

Banda B 835-845846,5-849

880-890891,5-894

Banda C 1725-1740 1820-1835Banda D 1710-1725 1805-1820Banda 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.

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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

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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 SS#7)

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

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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)

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modulação

1 1 0 1

1 0 1 1

Sinal

Portadora

FM

ASK

PSK

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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 ModulationASK: Amplitude Shift KeyingPSK: Phase Shift KeyingGMSK: Gaussian Minimum Shift KeyingQ: Quadratura

OQ: Quadratura defasada

DQ: Quadratura codificada diferencialmente

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AMPS e TDMA

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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

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arquitetura

Estação Móvel

CCC

ERB

HLR

VLR

Outras CCCsrede telefonia fixa

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

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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.

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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 -> ERB 824-835845-846,5

835-845846,5-849

1850-1910

ERB -> MS 869-880890-891,5

880-890891,5-894

1930-1990

Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) 45 45 80

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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

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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

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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

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divisão em células

A

D

B

F

C

G

E

otimiza a utilização das freqüências

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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

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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

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GSM

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arquitetura

possui estrutura básica dos sistemas celulares

oferece as mesmas funcionalidades básicas (roaming e handoff)

Estação Móvel

MSC

ERB

(BTS)

HLR

VLR

Outras MSCsrede telefonia fixa

AuC EIR OMC

BSC

ERB

BSC

BSS BSS

Estação MóvelSIM Card

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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

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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

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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

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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.

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Freqüências de Operação

Freqüências de Operação (MHz) GSM 900 DCS 1800 PCS 1900

MS -> ERB 880-915 1710-1785 1850-1910

ERB -> MS 925-960 1805-1880 1930-1990

Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) 45 95 80

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)

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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 .

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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 1’s e 0’s 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.

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modulação

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

Período Composição

Sinal de 270,833 Kbit/s 4,615 ms 8 timeslots

Timeslot 576,9 us 156,25 bits

Bit 3,692 us -

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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

Ar

ERB

Canais Lógicos TCH CCH

Canais Físicos

Canal de RF Timeslot Quadro TDMA

Canais Físicos

Canal de RF Timeslot Quadro TDMA

Canais Lógicos TCH CCH

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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

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demais interfaces

MSCHLR

VLR

Outras MSCs

rede telefonia fixaAuC EIR

ERBBSCA Abis

EB

CH

D

G

F

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.

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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 SS#7)

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demais interfaces

Interface entre MSC e redes de Telefonia Fixa interconexão entre MSC e redes fixas utiliza o Padrão SS#7 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

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SS#7

1 1

22

33

MTP

SCCP

ISP

4

5

6

7TCAP

MAP

ISUPTUP4

Camada OSI

Níveis SS#7

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.

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SS#7

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 SS#7 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)

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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)

MSCHLR

VLR

Outras MSCs

rede telefonia fixaAuC EIR

ERBBSCA Abis

EB

CH

D

G

F

Gateway

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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)

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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

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CDMA

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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”

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cenário

Estação Móvel

CCC

ERB

(BTS)

HLR

VLR


BSC

ERB

BSC

Estação Móvel

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desenvolvido nos EUA, padronizou as freqüências abaixo

Freqüências de Operação (MHz) 800 MHz PCS 1900

MS -> ERB 824-849 1850-1910

ERB -> 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)

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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“

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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 bitsPN curto Conjunto de 32.767 códigos diferentes (215 – 1), gerados por um

registrador de deslocamento de 15 bits

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canalização

Canais Códigos Modulação

ERB -> MSPiloto

Paging

Sincronismo

Tráfego

Walsh

PN longo para criptografia

PN curto

QPSK

MS -> ERB

Tráfego

Acesso

PN longo

PN curto

Walsh para modulação

OQPSK

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

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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.

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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”

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seqüências ortogonais são geradas através de código Walsh:

S x T = 1 SiTi = 0 m

m

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

S x S = 1 SiSi = m

m

i=1 1 Si = m

m

i=1

2 1 (+1) = 1m

m

i=1

2

A: 0 0 0 1 1 0 1 1B: 0 0 1 0 1 1 1 0C: 0 1 0 1 1 1 0 0D: 0 1 0 0 0 0 1 0

(a)

A: (–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)B: (-1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)C: (-1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1)D: (-1 +1 –1 –1 –1 –1 +1 –1)

(b)

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

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S1=(-1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1)S2=(-2 0 0 0 +2 +2 0 +2)S3=( 0 0 –2 +2 0 –2 0 +2)S4=(-1 +1 –3 +3 +1 –1 –1 +1)S5=(-4 0 –2 0 +2 0 +2 –2)S6=(-2 –2 0 –2 0 –2 +4 0)

--1- C-11- B+C10-- A+B101- A+B+C1111 A+B+C+D1101 A+B+C+D

(c)

S1 x C =(1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1)/8 = 1S2 x C =(2 +0 +0 +0 +2 +2 +0 +2)/8 = 1S3 x C =(0 +0 +2 +2 +0 –2 +0 -2)/8 = 0S4 x C =(1 +1 +3 +3 +1 –1 +1 -1)/8 = 1S5 x C =(4 +0 +2 +0 +2 +0 -2 +2)/8 = 1S6 x C =(2 –2 +0 –2 +0 –2 -4 +0)/8 = -1

(d)

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

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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

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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 MAPTCAP (ANSI)

Serviços de Transferência de

Dados (Camadas OSI 1, 2 e 3)

SCCP (ANSI) X.25MTP (ANSI)

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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)

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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.

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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.

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CDMA2000

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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

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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

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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

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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

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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)

Estação Móvel

MSC

ERB

(BTS)

HLR

VLR


BSC/PCF PDSN Internet

DNS/DHCP/Radius/SNMP

servers

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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

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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

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fluxo de sessão 1xEV-DO

User Device BTS BSC/PCF

FunctionsPDSN IP

Router Server

Aplicação

TCP ou UDP/IP

PPP

RLP

1xEV-DO Airlink

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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

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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.

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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

Total Data

Con

trol

Cha

nnel

Pilo

t Cha

nnel

1 2 3 2 1 2 3

Tempo

Px(max)

13

2

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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%

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UMTS

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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)

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arquitetura

UTRANUE CN

Usuário Infra-estrutura

Uu Iu

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

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arquitetura

RNS: Radio Network Subsystem

RNC: Radio Network controller

Iur: é a interface entre dois RNS

CN

UE Comutação a Circuito

BS RNC

BS

RNS

BS RNC

BS

RNS

UTRANUu Iu

3G MSC/VLR 3G GMSC

Banco de DadosHLR/Au/EIR

Comutação a PacotesSGSN GGSN

Iur

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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

RNCBSUE

Canais Lógicos

Canais de Transporte

Canais Físicos

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

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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)

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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)

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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

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3G

IS-95-A IS-95-Bcdma2000

1x MC

1xEV-DO Fase 1 HDR

1xEV-DV fase 2

cdma2000

3x MC

GSM GSM GPRSW-CDMA (UMTS) Europe

PDC PDCWCDMA

(Japan)

1995 1999 2000 2001 2002 2003+

• Voz• 14.4Kbps

• Voz• 9.6Kbps

• Voz• 9.6Kbps

• Voz• 28.8Kbps

• RF Backward Comp.

• 384 Kbps• RF Backward Comp.

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

• 200Khz Carrier

• Pacote 2.4 Mbps• RF Backward Comp.

• Voz

• Pacote 64 Kbps


• Alta Capacidade de Voz

• Pacote 64 Kbps


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

• Alta Capacidade de Voz• Pacote 384+ Kbps


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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

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Perguntas ?

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Telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer UNICAMP 2o Semestre 2005 telefonia celular – principais conceitos tópicos em redes de computadores