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Fundamentos de Redes de Computadores Professor: Rodrigo da Rosa Righi Contato: rrrighi@unisinos.br Aula: 16 - 11 de Junho de 2015 Dia/Horário: Quinta-Feira, 19:30 - 22:23 Agenda Telefonia Celular Definição e História O Começo das Tecnologias: Sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System) Tecnologias e Gerações AMPS, D-AMPS, GSM, CDMA, WCDMA, HSPA+, LTE Estatísticas em nível Brasil História e Definição A telefonia celular móvel é uma sofisticação e uma evolução dos antigos sistemas de comunicação via rádio, utilizados pelos departamentos de polícia, bombeiros, segurança pública, frotas de taxi, etc. A diferença é que, nestes sistemas, uma única estação rádio base, com um transmissor de grande potência e um número limitado de canais (aproximadamente 10 canais), é instalado no ponto mais alto da área que se pretende cobrir, formando uma grande célula. O alcance só é limitado devido aos obstáculos naturais (montanhas) e artificiais (prédios). Neste sistema pode-se obter transmissões mais potentes. Entretanto, esta única célula é limitada num raio próximo a 30 km. História e Definição Na telefonia celular, várias Estações Rádio Base (células com transmissores e receptores) são estrategicamente distribuídas na área que se pretende cobrir, formando células semelhantes a uma colmeia (daí o nome "celular"), de modo a diminuir as áreas de sombra provocadas pelos obstáculos. A potência dos transmissores em cada célula pode ser agora reduzida, os telefones móveis não necessitam ter potência elevada, não são mais instalados em veículos, suas dimensões foram reduzidas, apareceram os telefones miniatura (handheld). Em função do grande número de canais disponíveis (400 canais) as células podem ser continuamente adicionadas ao Sistema até o limite físico da Central de Comutação e Controle, aumentando desta forma, a área de cobertura celular. Telefonia celular compreende um aparelho de comunicação por ondas eletromagnéticas que permite a transmissão bidirecional de voz e dados em uma área geográfica que se encontra dividida em células. História e Definição Mas o que é telefonia celular mesmo? Celular foi inventado em 1947 no laboratório Bell, nos Estados Unidos. Cada uma das células é servida por um transmissor/ receptor Telefonia Móvel aparece em 4 gerações distintas: (i) voz analógica; (ii) voz digital; (iii) voz digital e dados e; (iv) voz digital e dados com maior confiabilidade e largura de banda. Decisões políticas e de marketing possuem um grande impacto nesse segmento. História e Definição O primeiro sistema mobile comercial foi projetado nos EUA pela AT&T e era analógico. O telefone celular funcionava em diferentes cidades dos EUA. Por outro lado, quando o sistema móvel chegou na Europa, cada país desenvolveu o seu próprio padrão, o que resultou num tremendo fiasco. Os EUA decidiram que o governo não iria interferir nas decisões de padronização e deixaram a transição de analógico para digital para o próprio mercado. Isso resultou em diferentes equipamentos e dois grandes padrões incompatíveis entre si. A Europa aprendeu após esse fiasco e quando a era digital tomou conta, os governos apoiaram a formulação de um único sistema denominado GSM. Assim, sinal de telefone móvel GSM era percebido em toda a Europa. História e Definição Diferenças entre Estados Unidos e a Europa na adoção da telefonia celular Nos EUA, telefones móveis eram agregados a telefones fixos. Não há uma maneira de perceber simplesmente verificando o número, para qual equipamento está se discando. Além disso, donos de telefones móveis também pagavam ao receber ligações. Isso repeliu o uso de telefones móveis nos EUA. Na europa, os telefones móveis tinham um código de área diferente e eram instantaneamente reconhecidos. Grande adoção de telefones pré- pagos na Europa (75%). Facilidade de compra por adolescentes. História e Definição Começando com a Ideia de Comunicação sem Fio O Começo das Tecnologias Rádio-telefones móveis eram usados na comunicação militar e marítima nas primeiras décadas do século 20. Em 1946, o primeiro sistema de telefone móvel foi construído em St. Louis. Consistia de um largo transmissor no topo de prédios e tinha um único canal, usado para enviar e receber. Para falar, o usuário tinha que apertar um botão que habilitava o transmissor e desabilitava o receptor. Eram chamados de sistemas push-to-talk e eram instalados em várias cidades dos EUA. Push-to-talk: Uso em taxis, polícia, programas de televisão. Sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System) Em 1960, IMTS (Improved Mobile Telephone System) foi instalado. A diferença é que o IMTS possuia 2 freqüências, de maneira a possibilitar envio e recepção. O botão do sistema push-to-talk não era mais requerido. Entretanto, usuários poderiam não ouvir uns aos outros. IMTS suportava 23 canais. Devido a esse número pequeno, usuários tinham que esperar por um longo período de tempo para conseguir um sinal de discagem. Interferência do transmissor em sistemas adjacentes próximos (na casa de dezenas de quilômetros). Isso tornou o sistema impraticável. Problema O Começo das Tecnologias Tecnologias e Gerações Primeira Geração Segunda Geração 1 G AMPS Segunda Geração e Meia Analógica, desenvolvida no início dos anos 80. Digital, desenvolvida no final dos anos 80 e início dos anos 90. Uma evolução do 2 G, com melhorias significativas na transmissão de dados e na adoção da tecnologia de pacotes e não mais comutação de circuitos GPRS EDGE HSCSD 2,5 G GSM CDMA TDMA 2 G Terceira Geração Quarta Geração Terceira Geração e Meia Digital com mais Recursos. Está em desenvolvimento desde o final da década de 90. Maior alcance e maior largura de banda para suportar streamming e tráfego intenso de upload e download Melhorias na largura de banda para a transmissão de dados UMTS EVDO 3 G HSDPA HSPA 3,5 G LTE WiMax 4 G Tecnologias e Gerações Tecnologias e Gerações Não há um acordo entre as gerações na literatura. Entretanto, os autores concordam que o futuro é a tecnologia LTE e potencialmente, a tecnologia WiMax para redes metropolitanas. Tecnologias e Gerações Operadoras brasileiras estão nos estágios avançados do 3G Tecnologias e Gerações A implantação do EDGE e do GPRS em sistemas GSM é feita com pequenas modificações nas redes existentes. Já a migração para WCDMA/HSDPA exigiu a utilização de uma nova banda de frequências (1900/2100 MHZ) e a liberação de espectro nas faixas atuais (850 e 900 MHz). Tecnologias e Gerações A implantação do HSPA e do HSPA+ em sistemas WCDMA/HSDPA é feita com pequenas modificações nas redes existentes. Já a migração para LTE exige a utilização de uma nova banda de frequências (1800/2600 MHZ) e a liberação de espectro nas faixas atuais ( 700MHz ou 800 MHz, faixas de frequências liberadas com o término da transição da radio difusão de TV analógica para a TV Digital, como já aconteceu nos Estados Unidos). AMPS - Advanced Mobile Phone System Inventado pela Bell Labs e instalado nos EUA em 1982. Também usado na Inglaterra e Japão. Em todos os sistemas de telefone móvel, uma região geográfica é dividida em células (daí vem o nome de telefone celular). No AMPS, as células possuem um espaçamento de 10 a 20 quilômetros. Cada célula opera numa freqüência diferente de sua vizinha, de modo que a mesma freqüência pode ser reusada em células próximas (não adjacentes). Células possuem o mesmo tamanho e são agrupadas em sete unidades. Cada célula possui a sua própria freqüência, que é diferente da do vizinho. AMPS pode ter de 10 a 25 chamadas na mesmafreqüência entre células largamente espalhadas. AMPS AMPS - (a) Freqüências não são reusadas em células adjacentes; (b) Para adicionar mais usuários, basta dividir uma célula em várias outras menores formando (Microcélulas) Células AMPS: (a) Freqüência não é reusada em células adjacentes; (b) formação de microcélulas AMPS - Criação de Células AMPS Numa área onde o número de usuários cresce ao ponto que o sistema fique sobrecarregado, é possível dividir uma célular em microcélulas que permitirão mais freqüências a serem usadas. Muitas vezes, microcélulas são temporariamente criadas para eventos especiais que congregam várias pessoas No centro de cada célula existe uma estação base no qual todos os telefones usam para transmitir. Ela consiste de um computador e um transmissor/receptor conectado a uma antena. Em sistemas pequenos, as estações bases são conectadas a um único dispositivo chamado MTSO (Mobile Telephone Switching Office) ou MTC. Em sistemas maiores, vários MTSOs são necessários e todos são conectados por um MTSO de segundo nível. Idéia de hierarquia MTSO são essencialmente departamentos de chaveamento (end offices) do sistema telefônico. MTSO são conectados a pelo menos um sistema de telefonia fixa. MTSOs fazem a comunicação entre estações base e PSTN (telefonia fixa pública) através de uma rede com chaveamento por pacotes. AMPS - Entendendo a Transmissão de Dados AMPS Entendendo a operação Um telefone celular x está operando em uma determinada célula y e quando sai de sua atuação, a estação base dessa célula notifica o sinal do celular através de uma pergunta para todas as estações base vizinhas: “Qual é a potência de sinal que vocês capturam do celular x?”. A estação base no qual o celular x passou a operar recebe o sinal de maneira mais forte. Assim, a nova célula para esse celular foi encontrada. Esse processo é chamado de handoff e leva aproximadamente 300 msec. O telefone é então informado de seu novo chefe para a arrumar a chamada em duração, pois existe a necessidade de trocar de freqüência. Isso é um evento automático. Lembre que duas células adjacentes não operam na mesma freqüência. AMPS Desvendando o Handoff Canais:AMPS usa 832 canais full-duplex e usa FDM para separar os canais. O sinal pode “bater” em árvores e prédios de maneira que distorções sejam perceptíveis. Muitas vezes, é possível escutar uma conversa distante. Os 832 canais são divididos em 4 categorias: Controle (base para telefone) para gerenciamento AMPS Características e Canais de Comunicação Paging (base para telefone) para alertar sobre chamadas Acesso (bidirecional) para setup de chamadas a serem feitas Data (bidirecional) para troca de voz, fax e dados. Gerencia- mento da Chamada O número de telefone é representado por 3 digitos de código de área e 7 digitos para o número do telefone. Além disso, possui um serial number de 32 bits. Para fazer uma chamada, o telefone chamador transmite o número chamado pelo canal de acesso. A estação base informa o MTSO desse evento. Caso o destino for da mesma operadora de MTSO, ele escolhe um canal livre e o telefone espera até que a outra parte atenda. AMPS Etendendo como Funciona uma Chamada Quando o telefone é ligado, ele procura uma lista pré-programada de 21 canais de controle para encontrar aquele que possui melhor sinal. Na seqüência, o fone então faz um brodacast de seu serial number e do número do telefone. Este pacote é enviado de forma digital, múltiplas vezes e com correção de erros, ainda embora os canais de voz sejam analógicos. A estação base escuta o anúncio, informa a MTSO, que armazena os dados do novo telefone. Em operação normal, essa operação de registro é refeita a cada 15 minutos. Gerenciamento de Recebimento de Chamada Primeiramente, telefones ociosos continuamente escutam o canal de paging para detectar chamadas. Quando uma é feita, um pacote é mandado para a estação base da célula do telefone chamado. A estação base faz um broadcast no canal de paging na forma: “O telefone 42 está por ai?”. O telefone responde e a base envia: “Telefone 42, chamada para você no canal 3”. Nesse ponto, o telefone chamado passa para o canal 3 e começa-se os sons de recepção de chamada. AMPS Etendendo o Funcionamento de Chamadas Recebidas D-AMPS (The Digital Advanced Phone System) DAMPS Foi cuidadosamente projetado para trabalhar também em redes AMPS. A MTSO designa quais canais de voz são analógicos e quais são digitais. No D-AMPS, o sinal de voz é capturado pelo microfone e digitalizado e comprimido. Compressão usa um codificador 56 Kbps PCM. A compressão é feita já no telefone para reduzir o número de bits enviados na linha. Isso leva ao fato que até 6 usuários podem compartilhar um par de freqüências usando TDM. Normalmente um frame TDM é dividido por 3 usuários. Cada par de freqüências suporta 25 frames/s de 40 ms cada. D-AMPS utiliza FDM para formar um canal, também denominado aqui de frame TDM. Nesse frame TDM é feita a multiplexação TDM para suportar o uso do frame por até 6 usuários (a) Compartilhamento do frame TDM por 3 usuários; (b) compartilhamento do frame TDM por 6 usuários Seis canais de controle são usados: configuração do sistema, controle real-time e não real- time, paging, resposta de acesso e mensagens pequenas. A diferença principal entre AMPS e D-AMPS é como o handoff é tratado. No AMPS, a MTSO o gerencia completamente sem a ajuda dos dispositivos móveis. No D-AMPS, como visto na figura anterior, 2/3 do tempo um aparelho não está nem enviando nem recebendo (dividindo o frame TDM por 3 usuários). Assim, ele usa esses slots ociosos para medir a QUALIDADE da linha. Caso ele detectar uma má qualidade no sinal, o dispositivo avisa o MTSO que quebra a conexão. O dispositivo pode tentar sintonizar um sinal mais forte de uma outra base. Assim como o AMPS, o handoff leva 300 ms e sua técnica é chamada de MAHO - Mobile Assisted HandOff. D-AMPS era o mais usado nos EUA e no Japão. Características DAMPS GSM (The Global System for Mobile Communication) Tirando EUA e Japão, praticamente todo o resto adotou o GSM. EUA também usou em pequena escala. GSM é similar ao D-AMPS, por serem baseados em sistema celulares. Em ambos, a multiplexação FDM é usada, onde cada telefone transmite em um freqüência e recebe noutra. Em adição, uma simples freqüência pode ser dividida usando TDM e assim compartilhada por vários dispositivos móveis. Entretanto, GSM tem canais mais largos que D-AMPS (200 KHz versus 30 KHz) e suporta poucos usuários (8 versus 3 normalmente em D-AMPS), dando a GSM uma taxa de transmissão muito maior que D- AMPS. Freqüência de banda é 200 KHz. O sistema GSM possui 124 pares de canais simplex. Cada canal simples tem a largura de 200 KHz e suporta 8 conexões separadas usando TDM. Cada estação ativa usa um tempo de slot em cada par de canais. Na próxima figura, 8 slots em cinza pertencem a mesma conexão, 4 em cada direção. Recepção e transmissão nunca ocorrem no mesmo slot de tempo, uma vez que rádios GSM não transmitem e recebem ao mesmo tempo. GSM Uso de 124 canais multiplexados com FDM. Cada canal desses é multiplexado usando TDM, o que possibilita o uso do Frame TDM por até 8 usuários Canais e Multiplexação GSM FDMA e TDMA representam o acesso via multiplexação por divisão de freqüência e tempo, respectivamente. Cada canal GSM possui 200 KHz, dividido em 8 segmentos através de multiplexação TDM. GSM (Canais e Multiplexação) GSM CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA D-AMPS e GSM são sistemas convencionais.Ambos usam FDM e TDM para dividir o spectrum em canais e os canais em slots de tempo. CDMA foi largamente usado nos EUA, competindo com D-AMPS. Ao invés de dividir a freqüência permitida em canais, CDMA permite a cada estação transmitir sobre toda a freqüência todo o tempo. Múltiplas transmissões simultâneas são separadas usando teoria de codificação. Analogia: Considere um saguão de aeroporto. TDM é comparável com pessoas conversando no centro do saguão, mas cada qual conversa no seu slot. FDM é comparável com pessoas largamente dispersas, cada qual ditando as suas conversas no mesmo tempo, mas ainda indenpendente uma das outras. Entendendo a Tecnologia CDMA CDMA é comparável como todo mundo no meio do saguão falando de uma única vez, mas cada par em uma língua diferente. Falantes em francês rejeitam tudo que não é francês. Idéia chave de CDMA é a extração dos sinais desejados enquanto rejeita-se todo o resto como um ruído aleatório. No CDMA, cada tempo de bit é dividido em m intervalos pequenos chamados chips. Tipicamente, usa-se de 64 a 128 chips. Para cada estação é mapeado um único m-bit code chamado chip sequence. Para transmitir o bit 1, a estação envia o seu chip sequence. Para transmitir o bit 0, ela envia o complemento de 1 de seu chip sequence. Assim, para m=8, se a estação A tem o chip sequence 00011011 ela envia bit 1 através de 00011011 e o bit 0 através de 11100100. Com CDMA, cada estação usa todo o spectrum de 1 MHz, de forma que a taxa de chip seja 1 megachip por segundo. Com pouco menos que 100 chips por bit, a largura de banda efetiva por estação é maior para o CDMA em comparação ao FDM e o problema de alocação de canal está resolvido. Para fins pedagógicos, é pertinente usar a notação bipolar, com o binário 0 sendo -1 e o binário 1 sendo +1. CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA (a) Exemplo de chip sequence usando 8 chips. A estação A manda 00011011 para transmitir o bit 1, e 11100100 para o bit 0; (b) Notação bipolar para as seqüências criadas: -1 significa o binário 0, enquanto +1 o binário 1; (c) Exemplos de transmissão. Simplesmente soma-se as seqüência que se deseja transmitir; (d) Mostra como é feita a operação para extrair a conversação da estação C dos exemplos de tráfego previamente gerados. Para um tráfefo S, faz-se a operação S.C chamada de: normalized inner product CDMA Para recuperar um stream de bits de uma estação individual, o receptor deve conhecer de antemão o chip sequence da estação. A recuperação é feita pela computação do normalized inner product do chip sequence recebido (soma linear de todas as estações que transmitiram) e o chip sequence da estação que esteja desejando recuperar os dados. Se o chip sequence recebido é S e o receptor está tentando ouvir a estação que possui o chip sequence C, então ele simplesmente computa S o C. Estamos assumindo que o receptor conhece quem é o transmissor. Assim, o receptor teve que ouvir todos os possíveis transmissores de uma única vez rodando o algoritmo de decodificação em paralelo. Na vida real, isso é um limitante para o uso de CDMA. CDMA = comumente usado em sistema wireless para um número fixo de estações base. CDMA (Tranmissão de Dados) CDMA WCDMA (Code Division Multiple Access) WCDMA (Wideband CDMA) foi proposta pela Ericsson. Ela executa em 5 MHz de largura de banda e é projetado para trabalhar com redes GSM. Então, é possível deixar uma célula W-CDMA e entrar noutra GSM sem perder a ligação. Esse sistema foi propagado pela União européia com o nome de UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). O outro concorrente é o CDMA2000, proposto pela Qualcomm. Uso 5 MHz de largura de banda mas não trabalha com GSM e, assim, não pode tratar células GSM. WCDMA HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) HSDPA É um serviço de pacotes de dados, baseado no WCDMA, que otimiza a transmissão de dados na direção do telefone celular (enlace de descida). Está em desenvovimento o High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA), que fará o mesmo para o enlace de subida. HSPA (High Speed Packet Access Plus) HSPA+ LTE (Long Term Evolution) LTE Evolução do HSPA+ Utilizam na sua maioria um par de canais separados para transmissão e recepção (FDD), embora existam também redes em que a transmissão e recepção compartilham o mesmo canal (TDD). Aumenta a Capacidade de Dados em Densas Áreas Urbanas. Oferece ainda uma redução da latência e deve ser utilizado inicialmente para dados desafogando o tráfego das redes atuais. A voz no LTE é VoIP. O LTE está evoluindo paralelamente ao HSPA+ para a melhora no desempenho das redes. Estatísticas Evolução das Tecnologias e Taxas Teóricas de Transmissão Estatísticas Pós-Pago ganhando Espaço perante o plano Pré-Pago Estatísticas GSM e WCDMA dominam como tecnologias dos telefones celulares brasileiros Estatísticas Ranking de operadoras perante o número de linhas habilitadas Estatísticas Tecnologias Oferecidas. HSPA e WCDMA são as mais Avançadas Mais Informações Procurando Mais Informações, Acima há Instituições que podem Ajudá-lo.
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