SISTEMAS MÓVEIS e
PLANEJAMENTO
CELULAR
AUTORA: Leni Joaquim de Matos
ORIGEM: UFF/TCE/TET
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Bibliografia:
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The Mobile Radio Propagation Channel – J. D. Parsons
•
Foundations of Mobile Radio Engineering – Michael Daoud Yacoub(805)
•
Wireless Communications – Theodore S. Rappaport
•
Radio Propagation of Modern Wireless Systems – Henry L. Bertoni
•
Mobile Radio Communications – Raymond Steele
•
Microwave Mobile Communications – Willian C. Jakes, Jr.
•
Wireless Information Networks – Kaveh Pahlavan & Allen H. Levesque
•
Artigos IEEE, IEICE, SBrT, etc...
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1. INTRODUÇÃO
O primeiro transmissor de rádio foi construído por Marconi, em 1895, empregando os fundamentos de James Maxwell e Heinrich Hertz. Ainda no século XIX, Marconi realizou a primeira comunicação móvel, via rádio, entre uma estação-terra e um rebocador. Iniciaram-se assim, com sucesso, os serviços móveis marítimos, contribuindo para o controle da navegação e maior segurança dos navios no mar.
Buscava-se, em paralelo, um sistema terrestre que pudesse ser utilizado entre pontos móveis surgindo, então, em 1921, o uso de rádio em viaturas móveis do Departamento de Polícia de Detroit, na frequência de 2 MHz e modulação AM (modulação em amplitude). Em seguida, o Departamento de Polícia de Nova York adotava um sistema semelhante, operando nessa mesma faixa.
Outros sistemas foram surgindo e, com isso, houve a necessidade de se elevar as frequências de operação, já que o espectro disponível ficava congestionado. Na década de 30, a FCC (Federal
Communications Commission) autorizou mais quatro canais entre 30 e 40 MHz e iniciaram-se os
testes com sistemas em 110 MHz, utilizando modulação FM (modulação em frequência) e baixa potência. Já em 1946, o sistema Bell, autorizado pela FCC, iniciou o serviço comercial de telefonia móvel nas faixas de 35 e 150 MHz, este último com seis canais. Em 1947, foi inaugurado um sistema operando na faixa de 35 a 44 MHz, ao longo da rodovia New York - Boston.
A necessidade de mais sistemas e o avanço tecnológico tornaram possível, por volta de 1955, a criação de novos canais entre os já existentes, através da redução da largura de faixa de cada canal, de 60 para 30 KHz e, em vez dos seis canais que existiam nos 150 MHz, passou-se a ter onze canais. Na mesma época, 12 canais também foram autorizados pela FCC, em 450 MHz. Até aqui, todos esses sistemas utilizavam o auxílio da telefonista, para efetuarem as suas chamadas, e os usuários procuravam, manualmente, um canal vago antes de solicitarem a sua chamada.
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Em 1964, surgiu o sistema de seleção automática do canal vago, permitindo ao usuário realizar sua própria chamada. Denominado de sistema MJ, operava em 150 MHz. No ano seguinte, surgia o sistema MK, operando em 450 MHz. A união dos sistemas MJ e MK deu origem, em 1969, ao sistema chamado IMTS (Improved Mobile Telephone System), com capacidade para mil usuários em área metropolitana. Suas características eram: transmissor potente (200 a 250 W, chegando a 500 W com antenas diretivas), área de cobertura com raio de 30 a 40 km, um afastamento entre sistemas de mais de 200 km e, devido à limitação de canais, era ainda um sistema caro.
Até aqui, o serviço de telefonia móvel convencional ainda tinha inconvenientes, pois a capacidade de serviço era limitada, já que o usuário tinha que reiniciar a chamada, quando se movia para outra zona de frequência diferente, não havendo garantia de que sua chamada fosse aí completada. Também a utilização deficiente de espectro, já que cada canal podia servir apenas um usuário de cada vez numa área de cobertura, e o mau desempenho do sistema, com alta probabilidade de bloqueio nas horas de pico, tornavam os sistemas ainda pobres.
Continuando na busca de maior capacidade e melhor desempenho, surgiu, em 1974, o Sistema Celular onde a FCC atribuiu um total de 666 canais, na faixa de 800 MHz, ocupando uma faixa de 40 MHz. Suas características eram: comutação digital; otimização do espectro através do reuso de frequência em outras células não adjacentes; movimentação livre do usuário e sem interrupção da conversação, através do handoff; alta capacidade de atendimento e conexão à Rede de Telefonia Fixa Comutada.
Iniciaram-se, em 1978, os primeiros testes em campo do sistema celular e os primeiros sistemas celulares analógicos AMPS, utilizando a técnica FDMA (Frequency Division Multiple
Access), entraram em operação nos Estados Unidos, em 1983. A década de 80 caracterizou-se pelo
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designado de D-AMPS e padronizado como IS-54 (Interim Standard), utilizando a técnica TDMA (Time Division Multiple Access). Com este novo sistema, conseguiu-se aumentar em três vezes a capacidade de usuários, relativamente à do analógico. Em seguida, a Europa lançou, em 1991, o primeiro sistema de padrão digital: o GSM (Groupe Spécial Mobile, mais tarde, Global System for
Mobile Communications), utilizando o TDMA, com melhor qualidade de sinal, já que trabalhava com
200 kHz de faixa/canal, enquanto o americano apenas usava 30 kHz/canal. Em julho de 1992, surgiu o segundo padrão digital americano, designado de IS-95, com capacidade comprovada da ordem de 10 vezes à do analógico e utilizando a técnica CDMA (Code Division Multiple Access). A tabela 1 caracteriza alguns dos primeiros sistemas celulares mundiais.
Tab. 1 - Sistemas Móveis Celulares (Américas1/ Europa2/ Japão3) até 1993.
PADRÃO ANO ACESSO FAIXA MODULAÇÃO BW/Canal
AMPS1 1983 FDMA 824-894 MHz FM 30 kHz NAMPS 1992 FDMA 824-894 MHz FM 10 kHz USDC 1991 TDMA 824-894 MHz π/4 DQPSK 30 kHz CDPD 1993 FH/Packet 824-894 MHz GMSK 30 kHz IS-95 1993 CDMA 824-894 MHz QPSK/BPSK 1,25 MHz E-TACS2 1985 FDMA 900 MHz FM 25 kHz NMT-450 1981 FDMA 450-470 MHz FM 25 kHz NMT-900 1986 FDMA 890-960 MHz FM 12,5 kHz GSM 1991 TDMA 890-960 MHz GMSK 200 kHz C-450 1985 FDMA 450-465 MHz FM 20/10 kHz JTACS3 1988 FDMA 860-925 MHz FM 25 kHz PDC 1993 TDMA 810-1507 MHz π/4 DQPSK 25 kHz NTT 1979 FDMA 400/800 MHz FM 25 kHz NTACS 1993 FDMA 843-925 MHz FM 12,5 MHz
O número de assinantes da rede celular mundial, que contava com 110 milhões de assinantes, em novembro de 1996, superava em julho de 2010 os 5 bilhões. Em 2008, 44,3% dos celulares mundiais usavam tecnologia GSM, 31,1% usavam CDMA, 23,8% usavam TDMA e 0,8% usavam
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AMPS. O Brasil teve um grande salto em 1993 e já contava, em 1995, com mais de 1,4 milhões de assinantes e, em outubro de 2010, o número de celulares já superava os 194 milhões, um número maior que o número de habitantes. Atualmente, o padrão digital é o dominante, havendo espaço tanto para o TDMA quanto para o CDMA.
2. O SISTEMA DE TELEFONIA CELULAR
1 – Definição
É um sistema de transmissão de voz, onde as diversas zonas, chamadas de células, se acham interligadas a uma Central de Comutação e Controle (CCC) ou, MTSO (Mobile Telephone Switching
Office, em inglês), que contém o processador celular e a comutação celular, e é conectada aos circuitos
de telefonia terrestre via Companhia Telefônica.
2 - Configuração Básica do Sistema Celular
Um sistema celular é formado, basicamente, de três componentes: Estação Móvel – EM (Mobile
Site - MS, em inglês), Estação Rádio Base – ERB (Base Site - BS, em inglês) e Central de Comutação
e Controle - CCC. Na figura 1 é mostrada a configuração básica de um sistema celular.
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a) Estação Móvel pode ser do tipo portátil, veicular ou transportável e se comunica com a ERB através de canais de rádio, convertendo sinais de áudio em sinais de RF (Rádio-Frequência) ou vice-versa. A conversação é fechada com outra EM ou assinante terrestre, na mesma célula ou não, através da CCC. As EMs analógicas são classificadas de acordo com suas máximas potências nominais, conforme a tabela 2:
Tabela 2 – Classificação das EMs quanto à potência nominal Classe da EM Potência Máx. Nominal Tipo
I 3 W* Veicular, em geral
II 1,2 W Transportável**,em geral
III 0,6 W Portátil
* Também usado para zonas rurais. ** Também pode ser classe I.
Algumas informações pré-programadas nas EMs, são:
1) MIN (Mobile Identification Number) é o número que identifica cada EM.
2) ESN (Electronic Serial Number) é o número de série do aparelho. Quando um aparelho é roubado, a CCC detém o seu ESN. Se alguém tentar usá-lo, será inibido de falar, pois quando a EM disca um número para conversação, ela envia para a CCC, via ERB, o seu MIN (para a bilhetagem), seu ESN (para verificar sua habilitação) e o número chamado.
3) SID (System Identity) é um número de 15 bits, onde o sistema identifica a banda de operação (A empresas do grupo Telebrás ou B empresas privadas).
4) Identidade da operadora já aparece no próprio MIN. Por exemplo, a operadora Telebrasília atende não apenas ao Distrito Federal como, também, a algumas cidades de Goiás, Minas Gerais, Tocantins e Bahia. Para todas essas cidades o código DDD começa por 061, significando que a operadora é a Telebrasília. As tarifas, contudo, para as ligações realizadas dentro do próprio DF (tarifa VC-1) são mais baratas que aquelas realizadas para essas outras localidades
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mais afastadas, atendidas pela Telebrasília (tarifa VC-2). A tarifa VC-3 é a mais cara, cobrada para ligações realizadas com localidades de DDD diferentes.
5) Classe da EM A classe I, II ou III é informada à CCC para que a mesma possa fazer o controle de potência da EM, obtendo uma atuação otimizada. Assim, quando a EM se aproxima da ERB, a CCC envia o comando para decréscimo da potência e, do contrário, de acréscimo de potência, ambos realizados em passos de atenuação, que no caso da EM veicular são em número de 7 (sete) passos de 4 dB cada um.
b) Estação Rádio-Base é a que recebe ou transmite sinal para a EM, comandada pela CCC, e funcionando como uma repetidora. É composta de amplificador de baixo ruído (LNA-Low
Noise Amplifier), antena de recepção, amplificador de potência (Power Amplifier) e antena de
transmissão, além de cabos coaxiais para interligar os dispositivos do sistema. Atualmente, as ERBs já têm alguma inteligência e algumas funções, antes elaboradas pelas CCCs, já são realizadas nas ERBs. A figura 2 mostra uma estação radiobase típica.
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c) Central de Comutação e Controle é a responsável pela coordenação das atividades relacionadas ao estado das chamadas e do sistema. Diz-se ser o cérebro do sistema. São suas funções: controlar as ERBs, interligar as várias ERBs do sistema, supervisionar o estado do sistema, monitorar e controlar as chamadas, prover interface entre a RTPC e o sistema celular, administrar o sistema, comandar e controlar o handoff* de chamadas.
*Handoff é um processo automático de troca de frequência da conversação, no caso analógico ou digital, quando a EM entra numa zona onde o nível de sinal é muito baixo, a fim de garantir um nível acima de um limiar estabelecido, da ordem de -100 dBm (-103 dBm para AMPS; -104 dBm para GSM e IS-136; e -115/-117 dBm para IS-95 14kbps/9,6 kbps, equivalendo a 15,8/25 vezes mais baixo que o AMPS). O handoff ocorre, em geral, quando a EM se desloca de uma célula para outra vizinha e, como células vizinhas não devem operar com os mesmos canais de frequência, para evitar, principalmente, a interferência co-canal, é atribuída à conversação uma frequência diferente da inicial, através da CCC, e a conversação é continuada sem a necessidade da rediscagem, como no sistema convencional. Apenas um breve click é percebido no terminal quando o sistema é analógico e sua duração varia de 0,2 a 0,3 segundos. No caso do digital CDMA, o processo de
handoff é mais suave já que a EM, recebendo sinal com nível próximo do limiar, ficará ligada a
duas ERBs ao mesmo tempo e na mesma frequência. Assim, quando um dos níveis estiver dentro do aceitável, a conexão com a outra ERB é desfeita, não sendo percebida pelo usuário, pois não houve troca de frequência.
Roaming é o processo de handoff que ocorre quando a conexão é feita com outra rede ou CCC, que
pode pertencer ou não à mesma operadora.
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3 - Tipos de Sistemas Celulares
Os sistemas celulares podem ser do tipo analógico ou digital. Os analógicos são conhecidos como os de primeira geração (1G) e ainda são encontrados pelo mundo. Usam o sinal de voz modulando em frequência a portadora e a técnica de modulação é a FDMA (Frequency Division Multiple Access), onde os sinais modulados são alocados cada qual numa portadora de RF, sendo separados em frequência. Nestes sistemas, contudo, os sinais de controle são digitalizados e modulam a portadora em FSK (Frequency Shift Keying), sistema de modulação chaveada. Nos Estados Unidos, os primeiros sistemas 1G iniciaram sua instalação em 1983. No Brasil, o sistema analógico adotado foi o americano AMPS (Advanced Mobile Phone System), que chegou ao Brasil em 1991, operando na faixa de 800 MHz.
Em 1989, surgiu o sistema celular digital americano IS-54 (Interim Standard-54), conhecido como o de segunda geração (2G), principalmente, pela necessidade de aumento da capacidade dos sistemas, crescendo o número de usuários, sem alterar o espectro de frequências, já reservado para sua operação. Foi aperfeiçoado, originando o padrão IS-136. Nestes sistemas, o sinal de voz passou a ser digitalizado, podendo ser tomadas amostras dos diferentes sinais em diferentes instantes de tempo (técnica de acesso TDMA-Time Division Multiple Access). Muitas vezes, são referenciados como padrão D-AMPS, pois são a evolução digital do sistema AMPS.
Em 1992, surgiu o segundo padrão digital americano, IS-95, associando diferentes códigos aos sinais que existem, simultaneamente, e ocupam a mesma faixa de frequências, de forma que os mesmos possam ser distinguidos na recepção através de sincronismo de código. É o caso do CDMA (Code Division Multiple Access). Com eles, vieram novos recursos como identificação de chamadas, siga-me, conferência, etc.... Também vieram aparelhos de dimensões e pesos bem reduzidos e baterias com maiores tempos de sustentação. Em paralelo, a Europa lançou, também em 1992, o sistema digital comercial conhecido como GSM (Global System for Mobile Communication), empregando a
