TDMA Introdu¸c˜ao
Problema central da telefonia celular: escassez de espectro.
Mudan¸cas adotadas para melhorar aproveitamento do espectro: digitaliza¸c˜ao do sinal e modula¸c˜ao de fase digital.
Anos 80: CTIA (Cellular Telecommunications Industry Association) adota TDMA, inv´es de FDMA (Motorola).
Concorrˆencia acirrada na Europa (GSM) e desenvolvimento forte da Qualcomm (CDMA) levaram `a liberdade de sistemas.
TDMA: Acesso m´ultiplo por divis˜ao de tempo (Time Division Multiple Access). Multiplexa¸c˜ao no tempo: Cada canal pode ser usado por mais de uma pessoa, por´em uma de cada vez.
Apesar de ser tratado como padr˜ao, TDMA ´e considerada uma t´ecnica de acesso ao meio.
TDMA Caracteriza¸c˜ao
Principal vantagem: aumento de 300% a 600% no n´umero de canais dispon´ıveis, refletindo em melhor qualidade de servi¸co.
V´arios padr˜oes de sistemas digitais sem fio usam a t´ecnica TDMA: GSM, PDC, WLL, entre muitos outros.
TDMA: baseado na caracter´ıstica do ouvido humano de n˜ao perceber per´ıodos curtos de silˆencio.
Resumo simplista de funcionamento: cada usu´ario disputa com outros, um canal e um tempo de canal (timeslot).
Pelas normas do IS-136, no sistema TDMA v´arias unidades m´oveis revezam-se na utiliza¸c˜ao de uma mesma frequˆencia compartilhada.
Em cada canal de frequˆencia o tempo era dividido em pequenos intervalos: slots. Este compartilhamento pode se dar entre trˆes usu´arios diferentes (TDMA-3 ou full rate) ou seis usu´arios (TDMA-6 ou half rate).
TDMA Caracteriza¸c˜ao
TDMA Caracteriza¸c˜ao
TDMA com aux´ılio da frequˆencia (protocolo IS-136)
TDMA Caracteriza¸c˜ao
Em cada slot, um ´unico usu´ario tem acesso ao canal. Todos os outros tem acesso negado.
Limite do n´umero de usu´arios simultˆaneos dessa tecnologia.
Com v´arios acessos simultˆaneos, o intervalo entre um slot e outro do mesmo usu´ario pode ficar grande demais, assim o receptor da mensagem pode perceber tal falha.
Permitia sistemas celulares com unidades de grande cobertura (macroc´elulas), que repartiam tr´afego com unidades de pequena cobertura (microc´elulas).
Estrat´egia possibilitou atender regi˜oes de tr´afego muito intenso.
TDMA Caracteriza¸c˜ao
Requisito b´asico para desenvolvimento: assegurar a coexistˆencia com o AMPS (sistema anal´ogico) existente `a ´epoca.
Ambos usavam largura de banda de 30KHz por canal e compartilhavam o mesmo espectro de RF.
Em geral, as EM’s TDMA eram “duais”: operavam tamb´em em AMPS (anal´ogico, para manter base j´a existente de assinantes).
A transmiss˜ao de voz em TDMA ´e feita de forma digital.
Grande mudan¸ca: al´em do sinal de voz, o canal de controle ´e digital. Confere ao sistema IS-136 capacidade de evoluir.
Al´em disto permitiu desenvolvimento de conceito de SMS (Short Message Sending) e WAP (Wireless Application Protocol) de 64kbps a 120Mbps(m´ultiplos de 64kbps).
Digitaliza¸c˜ao recupera¸c˜ao do sinal de voz: codificador e o decodificador digital montados em ´unico componente.
“Vocoder” (voice coder and decoder ): modulador e demodulador de tecnologia “π/4-DQPSK”.
TDMA Caracteriza¸c˜ao
Cada canal de voz utiliza um par de canais: direto (para comunica¸c˜ao antena-dispositivo m´ovel); reverso (no sentido dispositivo m´ovel-antena). Tanto canal direto quanto reverso tˆem largura de 30 KHz e distˆancia de 45 MHz (separa¸c˜ao full-duplex).
Sistema original (TDMA-6) trabalhava com 666 pares de canais em uma faixa de frequˆencia de 825 MHz a 845 MHz para canais diretos e 870 MHz a 890 MHz para canais reversos.
Posteriormente, em 1986, o sistema se expandiu e novos canais foram adicionados `as bandas A e B.
TDMA Caracteriza¸c˜ao
No Brasil nenhum grande fabricante de equipamentos celulares implementou o TDMA-6.
Cada canal TDMA era capaz de transportar trˆes chamadas independentes. Primeiros 333 eram os canais denominados banda A e os acima de 334 os de banda B.
As bandas A e B s˜ao utilizadas por operadoras diferentes.
Determinou-se que a banda A seria usada por operadoras estatais do sistema Telebr´as e a banda B para operadoras privadas.
Cabia a operadora determinar qual tipo de “air interface” adotaria para montar sua rede de acesso digital, se TDMA ou se CDMA.
TDMA Forma¸c˜ao do Quadro TDMA
Um quadro TDMA dura 40 ms e possui seis intervalos de tempo.
Para cada canal de voz s˜ao destinados dois intervalos de tempo, n˜ao vizinhos. Separa¸c˜ao em dois intervalos melhora a qualidade da comunica¸c˜ao: caso o sinal transmitido em um dos intervalos sofra interferˆencia, h´a baixa probabilidade de ocorrer interferˆencia no outro intervalo.
Obtido por meio de um multiplexador por divis˜ao de tempo para o sinal digitalizado pelo Vocoder.
CODEC gera voz digitalizada na velocidade de 64 kbps (8 bits por intervalo, 8 mil intervalos por segundo), a partir do sinal de voz anal´ogico.
VOCODER reduz a quantidade de bits necess´arios para a transmiss˜ao, com boa qualidade de voz.
TDMA Forma¸c˜ao do Quadro TDMA
TDMA Forma¸c˜ao do Quadro TDMA
Controle de erros introduz bits extras no sinal do vocoder, que permitem a detec¸c˜ao dos erros de transmiss˜ao.
Codificador convolucional adiciona outros bits extras ao sinal, com o objetivo de permitir a corre¸c˜ao direta de erros de transmiss˜ao.
Entrela¸cador separa os bits do sinal, transmitindo-os em intervalos diferentes de tempo.
Dessa maneira, no caso de dist´urbios na transmiss˜ao, apenas alguns bits ser˜ao afetados.
O multiplex envia para o modulador os sinais digitais A, B e C, provenientes de trˆes fontes diferentes.
TDMA Canais TDMA
O TDMA possui dois tipos b´asicos de canais: canais de tr´afego digitais e canais de controle digitais.
Canais de tr´afego digitais: transmiss˜ao dos sinais de voz entre a ERB e o telefone celular (canal de tr´afego digital direto) e entre o telefone celular e a ERB (canal de tr´afego digital reverso).
Os canais de controle digitais: tamb´em atuam no sentido direto e reverso.
TDMA Canais TDMA
O canal de tr´afego digital direto (Digital Traffic Channel - Direct / DTC-D) transmite o sinal de voz da ERB para o telefone celular.
Cada campo do canal de tr´afego direto tem fun¸c˜ao espec´ıfica.
SYNC Bits usados para a sincroniza¸c˜ao do receptor. Dura¸c˜ao de 576,1 ps. SACCH Bits de controle usados para a transmiss˜ao da sinaliza¸c˜ao associada lenta. Dura¸c˜ao de 246,9µs.
DATA Bits de voz codificada, transmitidos da ERB para o telefone celular. Dura¸c˜ao de 2,675 ms.
CDVCC Bits do c´odigo de verifica¸c˜ao. Permite que o telefone celular
mantenha-se conectado `a ERB. Esse c´odigo ´e retransmitido pelo telefone celular de volta a ERB. Dura¸c˜ao de 246,9 µs.
RSVD Bit reservado para uso futuro. Dura¸c˜ao de 20,58 µs.
CDL Bits do c´odigo do canal de controle. Facilita, para o telefone celular, a localiza¸c˜ao de um canal de controle ap´os o final da conversa¸c˜ao. Dura¸c˜ao de 226,3 µs.
TDMA Canais TDMA
O canal de tr´afego digital reverso (Digital Traffic Channel - Reverse / DTC - R) transmite o sinal de voz do telefone celular para a ERB.
G Bits de guarda. Usados para compensar o tempo de propaga¸c˜ao, impedindo a perda de bits de dados. Dura¸c˜ao de 123,5 us.
R Bits de rampa. A potˆencia do transmissor aumenta de forma suave durante os bits de rampa, evitando a gera¸c˜ao de interferˆencias. Dura¸c˜ao de 123,5 us. DATA Bits de voz codificada. S˜ao divididos em 3 campos, de 16,122 e 122 bits. A separa¸c˜ao ajuda a prevenir a perda total das informa¸c˜oes de voz, no caso de dist´urbios no sinal. Dura¸c˜ao de 392,2 µs, 2,51 ms e 2,51 ms, com intervalos de 576,1 e 493,8 µs.
SACCH Bits de controle usados para transmiss˜ao de sinaliza¸c˜ao associada tenta. Dura¸c˜ao de 246,9 µs.
CDVCC Bits do c´odigo de verifica¸c˜ao, retransmitido de volta para a ERB pelo telefone celular. Dura¸c˜ao de 246,9 µs.
TDMA Compatibilidade TDMA - AMPS
TDMA dispunha de canais de voz anal´ogicos (padr˜ao AMPS): compatibilidade com sistemas anal´ogicos.
TDMA ocupa os mesmos canais de RF do sistema AMPS, mesma separa¸c˜ao de canais, de 30 kHz.
TDMA Formato de Comunica¸c˜ao TDMA
As comunica¸c˜oes processadas por meio de salvas: os sentidos de transmiss˜ao se alteram.
Por certo tempo, transmiss˜ao ERB/EM, depois transmiss˜ao EM/ERB.
Antes de cada nova transmiss˜ao da ERB: EM executa medi¸c˜oes de sinais (busca de sinais alternativos para handoff ).
Vantagem sobre sistema AMPS: handoff auxiliado pelo m´ovel.
Consiste em verifica¸c˜ao da intensidade do sinal recebido (RSSI) e taxa de erro de bit do sinal recebido (BER), transmitindo para a ERB o resultado das medi¸c˜oes. A taxa de erro (BER) ´e indicada por 3 bits, onde o valor 000 indica taxa de erro menor que 10−5e 111 indica mais que 8% de bits recebidos com erro.
Com base nas medi¸c˜oes CCC pode ou n˜ao designar nova ERB para comunicar com EM.
TDMA Vocoder
Na transmiss˜ao, ´e respons´avel pelo sinal de 7,95 kbps, a partir do sinal de voz codificada de 64 kbps.
Na recep¸c˜ao, gera novamente sinal de 7,95 kbps.
O vocoder utilizado no TDMA ´e o VSELP (Vector-Sum Exeited Linear Prediction).
O VSELP processa com qualidade de voz compar´avel ao sistema anal´ogico. Um vocoder ´e basicamente um sintetizador e um analisador de voz. O analisador extrai parˆametros da voz codificada aplicada em sua entrada. Esses parˆametros passam ao sintetizador que reproduz a voz.
Voz sintetizada ´e comparada com a original e a diferen¸ca entre elas ´e obtida, gerando bits de corre¸c˜ao.
S˜ao transmitidos bits de corre¸c˜ao juntamente com os parˆametros.
Vocoder semelhante sintetiza o sinal de voz a partir das informa¸c˜oes recebidas na recep¸c˜ao.
TDMA Controle de erros
Objetivo: manter elevada qualidade da comunica¸c˜ao, mesmo com deteriora¸c˜ao do sinal pelo meio de transmiss˜ao.
T´ecnicas de controle de erros mais que duplicaria a quantidade de bits. Sistema TDMA possui trˆes etapas:
Medidas preventivas, na transmiss˜ao, para permitir a detec¸c˜ao e corre¸c˜ao de erros:
◮ Teste de redundˆancia c´ıclica (CRC): Dos 159 bits do vocoder, s´o 77 s˜ao
usados para o controle de erros (maior impacto na qualidade da voz). Sobre 12 dos 77 bits calcula-se CRC. Adicionados cinco de bits de redundˆancia (usados para identificar erros de transmiss˜ao) a cada sete do CRC (decodifica¸c˜ao de cada intervalo de tempo independente da anterior), totalizando 89 bits.
◮ Codifica¸c˜ao convolucional: um bit extra para cada um dos 89 bits de dado, em
fun¸c˜ao dos ´ultimos bits transmitidos, resulta em 178 bits;
◮ Entrela¸camento: bits do sinal transmitidos em dois intervalos de tempo
diferentes (em caso de perda do sinal em um intervalo, s´o metade dos bits s˜ao perdidos). Antes do entrela¸camento s˜ao adicionados os 82 bits que restaram dos 159 do vocoder (260 bits transmitidos por intervalo de tempo). Os 260 s˜ao criptografados (impedir que as informa¸c˜oes sejam indevidamente interceptadas), e ent˜ao entrela¸cados.
TDMA Controle de erros
Corre¸c˜ao dos erros de transmiss˜ao: dados recebidos passam por decodificador convolucional, s˜ao corrigidos a maior parte dos erros de transmiss˜ao.
Detec¸c˜ao dos erros de transmiss˜ao: Ap´os corre¸c˜ao ´e feito teste de
redundˆancia c´ıclica (verificar se algum erro persiste). Se n˜ao h´a erro, o sinal ´e aplicado ao vocoder de recep¸c˜ao que utiliza os dados recebidos para gerar 20 ms de voz. Caso haja erro no sinal recebido, o vocoder ent˜ao sintetiza 20 ms de voz, baseado nos parˆametros recebidos. Caso persistam erros por mais de 100 ms, o vocoder corta o sinal sonoro enviada mensagem para sistema providenciar o handoff imediato, devido `a elevada quantidade de erros.
TDMA
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