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telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer telefonia celular – principais conceitos tópicos em redes de computadores I professor: edmundo r. m. madeira aluno: mario zimmer assis UNICAMP 2 o Semestre 2005

índice telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü introdução mario zimmer ü AMPS e TDMA ü GSM ü CDMA 2000 ü UMTS UNICAMP 2 o Semestre 2005

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer introdução UNICAMP 2 o Semestre 2005

características básicas telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü comunicação sem fio (wireless) ü receber e gerar chamadas em movimento ü possibilidade de roaming ü transparência de plano numeração para usuário final ü interconexão com sistema de telefonia fixa UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü receber e gerar chamadas independente da localização (mobilidade)

cenário geral telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Para centrais tel. fixa ERB Terminal Móvel Região de Handoff UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer CCC/BSC Interconexão: Outras CCCs, outras centrais

faixas de freqüência (bandas) no Brasil telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Freqüência (MHz) de transmissão da ERB Banda A 824 -835 869 -880 Banda B 845 -846, 5 835 -845 890 -891, 5 880 -890 Banda C Banda D Banda E Sem denominação 846, 5 -849 1725 -1740 1710 -1725 1740 -1755 1775 -1785 891, 5 -894 1820 -1835 1805 -1820 1835 -1850 1870 -1880 ü quanto maior a freqüência maior a perda no espaço livre quando a onda se propaga o que implica em células menores ü um sistema celular em 1800 MHz precisará de mais células do que um sistema celular em 800 MHz para obter a mesma performance. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Estação móvel

principais padrões utilizados telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts AMPS - Advanced Mobile Phone Service ü padrão dominante para os sistemas celulares analógicos de primeira geração ü entraram em operação em 1983 nos EUA (adotado pelo Brasil depois) ü a comunicação entre celular e ERB é feita na faixa de 800 MHz através de sinais analógicos em canais de 30 k. Hz GSM - Global System for Mobile Communication (Groupe Special Mobile) ü padrão digital de segunda geração (desenvolvido na Europa) ü utilizados pelos países europeus nas faixas de 800 e 450 MHz. ü utiliza canais de 200 k. Hz na faixa de 900 MHz ü desenvolvida uma versão adaptada para as faixa de 1800 e 1900 MHz ü padrão com o maior número de usuários em todo o mundo UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü desenvolvido pelos Laboratórios Bell da Lucent

principais padrões utilizados telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts GSM (Cont) ü introduzido no Brasil em 2002 (licitação pela Anatel das Bandas D e E) ü 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) ü roaming feito através do protocolo MAP (suporte do SS#7) ü projeto de evolução para o 3 G através do 3 GPP (Third Generation Partnership Project) TDMA (IS 54 e IS 136) - Time Division Multiple Access ü padrão digital de segunda geração ü aumenta a capacidade do AMPS (compartilhamento do canal de 30 k. Hz) ü canais digitais de comunicação entre celular e ERB ü 3 usuários no mesmo canal - slots de tempo diferentes UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü adotado também pela maioria das operadoras (migrando do TDMA)

principais padrões utilizados telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts CDMA (IS 95) - Code Division Multiple Access ü padrão digital de segunda geração ü consegue atingir uma grande capacidade de usuários ü utilização de spread spectrum (por seqüência direta – DSSS) em uma banda de 1, 25 MHz ü para cada comunicação utiliza um código de espalhamento espectral do sinal diferente ü número de usuários limitado pelo nível de interferência que é administrado através de controle de potência e outras técnicas ü projeto de evolução para o 3 G através do 3 GPP 2 (Third Generation Partnership Project 2) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü revolucionou os conceitos empregados na comunicação entre celular e ERB

modulação telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Sinal FM 1 1 0 1 ASK 1 0 1 1 PSK UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Portadora

modulação telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Padrão Tecnológico Técnicas de Modulação FM (voz), FSK (controle) TDMA IS-136 II/4 DQPSK CDMA IS-95 QPSK (downlink) OQPSK (uplink) CDMA IS-2000 HPSK GSM GMSK FM: Frequency Modulation ASK: Amplitude Shift Keying PSK: Phase Shift Keying GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying Q: Quadratura OQ: Quadratura defasada DQ: Quadratura codificada diferencialmente UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer AMPS

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer AMPS e TDMA UNICAMP 2 o Semestre 2005

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü padronizado pela EIA-553 ü serviu de base para outros sistemas analógicos (TACS no Reino Unido) ü crescimento da utilização = necessidade do aumento da capacidade ü solução: TDMA mantém a compatibilidade com a arquitetura AMPS ü AMPS e TDMA (IS-136) apresentam a mesma arquitetura básica UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü AMPS: chamada básica + roaming e handoff

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts CCC HLR Outras CCCs rede telefonia fixa VLR mario zimmer ERB Estação Móvel Mobile Station (MS) ü terminal utilizado pelo assinante ü identificada por um MIN (Mobile Identification Number) e um número de série eletrônico (ESN) Estação Radio Base (ERB) ü encarregado da comunicação com as estações móveis dentro de uma célula UNICAMP 2 o Semestre 2005

definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Central de Comutação e Controle (CCC) Home Location Register (HLR) ü base de dados que contém informações sobre os assinantes de um sistema celular Visitor Location Register (VLR) ü base de dados que contém informações sobre os assinantes em visita (roaming) a um sistema celular. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis dentro da área da CCC (área geográfica)

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Freqüências de Operação ü AMPS: freqüência de 800 MHz Freqüências de Operação (MHz) Banda A Banda B PCS 1900 MS -> ERB 824 -835 835 -845 1850 -1910 845 -846, 5 -849 ERB -> MS 869 -880 880 -890 1930 -1990 890 -891, 5 -894 Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) 45 UNICAMP 2 o Semestre 2005 45 80 mario zimmer ü TDMA (IS-136): faixa de freqüência de 800 MHz e 1900 MHz

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Canalização ü sistema múltiplo acesso por divisão de freqüência (FDMA) ü a banda do AMPS é dividida em canais de RF ü cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 30 k. Hz de banda cada ü cada banda (A ou B) ocupa 12, 5 MHz ücomposta por 416 canais (21 canais de controle) ü canais de voz no AMPS utilizam modulação FM ü canal de controle utiliza modulação FSK (duas freqüências – 0 e 1) ü AMPS utiliza canal de voz dedicado UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer AMPS:

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts TDMA: ü mantém toda a estrutura de canalização do AMPS ü 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 ü cada chamada telefônica utiliza dois intervalos de tempo (3 conversações na mesma banda de 30 k. Hz) ü cada conversação tem uma taxa bruta de 16, 2 kbit/s e a modulação utilizada no canal é do tipo 4 -DPSK ü o canal de controle no TDMA (IS-136) é digital ü permite a implantação de serviços de mensagens curtas (SMS) ü existem dois tipos de codificadores de voz • Enhanced Full Rate (EFR) especificado no IS-641 • VSELP UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü permite que um canal seja compartilhado no tempo (3 x 1)

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Capacidade ü cada célula é dividida em três setores formando 21 grupos de freqüências (canais de voz do AMPS) reutilizados em cada grupo de 7 células ü no AMPS cada uma destas freqüências (ou par) é utilizada por uma chamada ü no TDMA (IS-136) são possíveis até três chamadas simultâneas utilizando esta mesma freqüência UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü AMPS e TDMA (IS-136) utilizam um plano de freqüência com reuso de 7 por 21

divisão em células telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer C F A otimiza a utilização das freqüências D B E G UNICAMP 2 o Semestre 2005

roaming telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü o roaming foi implementado para sistemas AMPS e TDMA (IS-41, tbém no Brasil) ü para o TDMA (e o CDMA) o AMPS é uma alternativa para aumentar a cobertura (celulares duais) ü todas as operadoras (Brasil) de Banda A possuem canais AMPS em suas áreas de cobertura (roaming nacional garantido) ü roaming do TDMA ou do AMPS com sistemas GSM exige terminais duais, ou com três modos UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü IS-41 pode ser implementado tendo como base para transferência de dados o protocolo X. 25 ou o SS 7

serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü o AMPS oferece um número limitado de serviços além de voz ü a transmissão digital do TDMA (CDMA e GSM) reduz o consumo de energia da bateria dos terminais móveis (não precisam transmitir de forma contínua) ü as operadoras que adotavam o AMPS migraram para o TDMA ou CDMA (97/98) ü transição não suave do TDMA para o 3 G (altas taxas de transmissão de dados) ü para evoluir para o 3 G as operadoras precisam escolher UMTS ou CDMA 2000 UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü o TDMA (IS-136) oferece dezenas de serviços suplementares (ex. : identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência)

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer GSM UNICAMP 2 o Semestre 2005

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü possui estrutura básica dos sistemas celulares üoferece as mesmas funcionalidades básicas (roaming e handoff) HLR OMC EIR MSC Outras MSCs rede telefonia fixa VLR BSS BSC ERB (BTS) Estação Móvel SIM Card UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Au. C

definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Mobile Station (MS) ü terminal utilizado pelo assinante + SIM Card (Subscriber Identity Module) ü SIM card armazena (entre outras) o IMSI (15 dígitos - International Mobile Subscriber Identity) ü MS armazena o IMEI (15 dígitos - International Mobile Station Equipment Identity) Base Transceiver Station (BTS) ou ERBs ü estação de rádio base Base Station Controller (BSC) ü controla as BTSs de uma célula UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü sem SIM Card o MS não está associada a um usuário (não faz ou recebe chamadas)

definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Base Station System (BSS) ü formado por várias BTS (de uma célula) e BSC (controla as BTS) Mobile-Services Switching Center (MSC ou CCC) ü responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis dentro da área da MSC (área geográfica) üa MSC leva em consideração a mobilidade dos assinantes (handover) locais ou visitantes quando se movem de uma célula para outra ü o MSC encarregado de rotear chamadas para outros MSCs é chamado de Gateway MSC UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü sistema encarregado da comunicação com as estações móveis em uma determinada área

definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Home Location Register (HLR) Visitor Location Register (VLR) ü base de dados que contém a informação sobre os assinantes em roaming de um sistema celular Authentication Center (AUC) ü responsável pela autenticação dos assinantes no uso do sistema ü está associado a um HLR ü armazena a chave de identidade para o assinante móvel registrado naquele HLR ü possibilita a autenticação do IMSI do assinante ü responsável por gerar a chave para criptografar a comunicação entre MS e BTS UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü base de dados que contém informações sobre os assinantes de um sistema celular

definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Equipment Identity Register (EIR) Operational and Maintenance Center (OMC) ü entidade funcional usada para monitorar e controlar o sistema. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü base de dados que armazena os IMEIs dos terminais móveis de um sistema GSM

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Freqüências de Operação ü GSM 900 e o DCS 1800 adotados na Europa e o PCS 1900 nos Estados Unidos 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 UNICAMP 2 o Semestre 2005 95 80 mario zimmer ü no Brasil as Bandas C, D e E estão na faixa de freqüências do DCS 1800 (15 MHz por operadora)

canalização telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü as Bandas do GSM são divididas em canais de RF ü são 124 canais de RF no GSM 900 e 373 canais no DCS 1800 (numeração conhecida como ARFCN - Absolute Radio Frequency Channel Number) ü as freqüências portadoras dos canais de RF são moduladas em 0, 3 GMSK por um sinal digital com taxa de 270, 833 kbit/s. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 200 KHz de banda (cada canal)

modulação telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü o GSM utiliza a modulação digital 0, 3 GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) ü 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 ü 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) ü 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) ü 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. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü o 0, 3 G descreve a Banda do Filtro Gaussiano de pré-modulação utilizado para reduzir o espectro do sinal modulado

modulação telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Composição Sinal de 270, 833 Kbit/s 4, 615 ms 8 timeslots Timeslot 576, 9 us 156, 25 bits Bit 3, 692 us - ü o GSM assim (como o TDMA) é uma combinação de FDMA e TDMA. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Período

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Canais Lógicos ü 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 Canais Lógicos Físicos TCH CCH ERB Canais Físicos Lógicos Canal de RF TCH Timeslot CCH Quadro TDMA Ar UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü No GSM nenhum canal de RF ou timeslot está designado a priori para uma tarefa particular

capacidade telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü em 200 Khz o GSM tem capacidade para oito chamadas ü 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 UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü a eficiência de utilização do Espectro do GSM é maior que a do AMPS e menor que o TDMA

demais interfaces telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts EIR Au. C H F MSC A D VLR BSC B G Abis ERB E Outras MSCs 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. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer C HLR rede telefonia fixa

demais interfaces telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Interface Abis entre ERB (BTS) e BSC ü a maioria é específicas do fabricante (proprietária) • canais de tráfego a 64 kbit/s (voz ou dados) • canais de sinalização BSC-BTS a 16 kbit/s ü camada física é baseada na G. 703 Interface A entre BSC e MSC ü camada física é um 2 Mbit/s padrão CCITTT Interfaces C, D, E, F, G ü padronizadas pelo protocolo MAP (utiliza os serviços de transação e transferência de mensagens SS#7) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü suporta dois tipos de links:

demais interfaces telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Interface entre MSC e redes de Telefonia Fixa ü interconexão entre MSC e redes fixas utiliza o Padrão SS#7 TUP ou ISUP ü não estão padronizadas (proprietárias) pois tratam-se normalmente de interfaces internas do MSC/VLR e do HLR/AUC UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Interfaces B e H

SS#7 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Camada OSI Pode ser dividido em duas partes Níveis SS#7 1) User Part: implementa funções dos usuário: TUP (Telephone User Part) TCAP todas as mensagens de sinalização necessárias para que uma rede telefônica fixa estabeleça uma chamada 7 6 ISUP TUP 4 ISUP (Integrated services user part) ISP 5 acrescenta ao TUP a sinalização para redes de dados comutadas a circuito como previsto na ISDN 4 SCCP 3 3 2 2 1 1 2) MTP (Message Transfer Part) MTP Que é responsável pela transferência das mensagens de maneira confiável na rede de sinalização. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer MAP

SS#7 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü define aplicações relacionadas ao tráfego telefônico ü o GSM implementou a camada MAP (Mobile Application Part) para suprir a necessidade de sinalização relativa a mobilidade do usuário ü 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) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü 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)

serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Serviços Suplementares ü o SMS e outros serviços são implementados utilizando-se gateways entre a BSC e o MSC ü a comunicação com outros elementos da Rede GSM (MSC, HLR e EIR), é baseada no protocolo MAP (suporte do SS 7) EIR Au. C H F C HLR rede telefonia fixa MSC A D VLR BSC B G Abis ERB E Gateway Outras MSCs UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência (dentre outros)

serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Serviços de Localização ü serve de base para vários serviços oferecidos ao assinante GPRS (General Packet Radio Service) ü permite a estação móvel uma conexão a Internet sem a necessidade de se estabelecer uma chamada telefônica (always on) ü utiliza até os 8 timeslots de um canal GSM de 200 KHz (taxa máxima 115 kbit/s) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü permite estimar com precisão a localização da estação móvel

serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 3 G ü serviços 3 G com taxas de dados de até 2 Mbit/s foram padronizadas pelo 3 GPP (3 rd Generation Partnership Project) ü o novo padrão (WCDMA) implica em mudanças na estrutura de canalização do GSM ü exige uma banda adicional de freqüências para implementação do serviço por parte das operadoras ü mantém a compatibilidade e demais interfaces da arquitetura GSM UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü exigiu um novo padrão para a interface entre Estação Móvel e ERB (canais de 5 MHz)

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer CDMA UNICAMP 2 o Semestre 2005

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü criado com finalidade militar (segurança) ü permite uma melhor utilização do espectro (aumento da capacidade dos sistemas celulares) ü sistema celular digital de segunda geração ü o CDMA tem a estrutura básica dos sistemas celulares ü oferece as mesmas funcionalidades básicas (roaming e handover entre células) ü transmissão codificada com “um código para cada chamada” UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü utiliza espalhamento espectral seqüência direta (Spread Spectrum) como meio de acesso (permite que vários usuários compartilhem uma mesma banda de freqüências)

cenário telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts HLR CCC VLR BSC ERB (BTS) Estação Móvel UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Outras MSCs rede telefonia fixa

interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü desenvolvido nos EUA, padronizou as freqüências abaixo 800 MHz PCS 1900 MS -> ERB 824 -849 1850 -1910 ERB -> MS 869 -894 1930 -1990 45 80 Espaçamento entre freqüências (Tx e Rx) ü no Brasil o CDMA usa a faixa de 800 MHz nas Bandas A e B ü uso limitado na freqüência de 1, 9 GHz para WLL (faixa não disponível no Brasil para Telefonia Celular) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Freqüências de Operação (MHz)

canalização telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü as Bandas são divididas em canais de RF ü cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 1, 25 MHz cada canal üo número é menor na prática (divisão com o AMPS - “guarda banda”) ü o acesso múltiplo de canais que compartilham uma mesma banda de freqüências é feito pela utilização de códigos diferentes pelos vários terminais ü a informação é extraída destes canais conhecendo-se a chave específica com a qual cada canal é codificado ü 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 ü os códigos utilizados são ortogonais (Walsh) e PN (“Pseudo-noise”) ü Um bit deste tipo de código é conhecido como "chip“ UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü poderiam existir até 10 canais de RF em uma Banda de 12, 5 MHz (como na faixa de 800 MHz)

canalização telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü a taxa de bits deste código é a “chip rate” ü utiliza três tipos de código todos com uma taxa de 1, 2288 megachips. Conjunto de 64 códigos ortogonais W 0 a W 63 PN longo Conjunto de 4, 398 x 1012 códigos diferentes ( 242 – 1), gerados por um PN curto registrador de deslocamento de 42 bits Conjunto de 32. 767 códigos diferentes (215 – 1), gerados por um registrador de deslocamento de 15 bits UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Walsh

canalização telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü utilizam-se esquemas de codificação diferentes em cada direção do enlace Códigos Piloto ERB -> MS Walsh QPSK Paging PN longo para criptografia Sincronismo MS -> ERB Modulação PN curto Tráfego PN longo OQPSK Acesso PN curto Walsh para modulação UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Canais

canalização telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü 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 ü os códigos Walsh são usados para identificar canais diferentes ü o canal de acesso é utilizado para a Estação Móvel se comunicar com a ERB quando ainda não tem nenhum canal de tráfego designado ü os canais de tráfego são utilizados para voz/dados do usuário e informação de sinalização ü 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 ü o IS-95 é portanto uma combinação de FDMA e CDMA. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü os canais de piloto e sincronismo são necessários para decodificação quando se utiliza códigos de Walsh

codificação - exemplo telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts üanalogia: aeroporto cheio de pares de pessoas de diferentes nacionalidades ü cada bit é dividido em pequenos intervalos “m” chamados de chip (64 ou 128) ü exemplo (simples) para m = 8: • 00011011 = 1 • 11100100 = 0 (complementar de 1) ü Os bits transmitidos aumentam de b bits/sec para mb chips/sec ü a banda de transmissão de cada estação é banda total disponível ü não existe problemas quanto a alocação de canal (como existe no TDMA e GSM) ü as seqüências chip são ortogonais ü o produto de duas seqüências chip (S x T) distintas é “ 0” UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü cada estação recebe um único m-bit – seqüência chip (uma para “ 1” e outra para “ 0”

codificação - exemplo telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü seqüências ortogonais são geradas através de código Walsh: m Sx. S=1 m m Si. Si = 1 m i=1 m 2 (+1) = 1 i=1 ü Usaremos para o exemplo a forma bipolar de representação (-1 para 0 e +1 para 1) ü (a) seqüência chip na forma binária para 4 estações ü (b) seqüência chip na forma bipolar para 4 estações A: B: C: D: 0 0 0 1 1 0 0 1 0 (a) 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 A: B: C: D: (– 1 (-1 (-1 – 1 +1 +1 – 1 – 1 +1 – 1 (b) UNICAMP 2 o Semestre 2005 +1 +1 +1 – 1 +1 +1) – 1) mario zimmer Sx. T=1 Si. Ti = 0 m i=1 ü o produto de uma seqüências chip (S) com ela mesma é 1 e com S é -1

codificação - exemplo telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü a cada instante cada estação pode transmitir a seqüência chip (ou seu oposto) ou ficar em silêncio mario zimmer ü quando duas estações transmitem ao mesmo tempo, seus sinais são somados linearmente ü (c) exemplos de transmissão ü (d) recuperação da estação C ü o receptor conhece a seqüência chip de C ü 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 + 1 = 1 S 1=(-1 +1 – 1 +1 +1 +1 --1 - C S 2=(-2 0 0 0 +2 +2 -11 - B+C S 3=( 0 0 – 2 +2 0 – 2 10 -- A+B S 4=(-1 +1 – 3 +3 +1 – 1 101 - A+B+C S 5=(-4 0 – 2 0 +2 0 1111 A+B+C+D S 6=(-2 – 2 0 – 2 1112 1101 A+B+C+D (c) – 1 0 0 – 1 +2 +4 – 1) +2) +1) – 2) 0) S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 x x x C C C UNICAMP 2 o Semestre 2005 =(1 =(2 =(0 =(1 =(4 =(2 +1 +0 +0 +1 +0 – 2 +1 +0 +2 +3 +2 +0 +1 +0 +2 +3 +0 – 2 (d) +1 +2 +0 +1 +2 – 1 +0 – 2 +1 +0 +0 +1 -2 -4 +1)/8 +2)/8 -1)/8 +2)/8 +0)/8 = = = 1 1 0 1 1 -1

capacidade telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü quanto mais usuários utilizam o canal maior o ruído ü quanto maior for a potência individual de cada canal transmitido naquela banda, maior interferência ü 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. ü o controle de potência leva à expansão e à contração do raio de uma célula CDMA conforme o seu carregamento com tráfego ü a setorização de células é usada para reduzir a interferência ü cada setor utiliza antenas direcionais e não interfere nos demais setores da célula ü a grande capacidade é em virtude de reuso de 1 (mesma freqüência de portadora é reutilizada em todas as células) ü eficiência de utilização do espectro (capacidade do CDMA), é maior que AMPS, TDMA e GSM UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü a interferência aumenta para os canais que utilizam a mesma banda (limiar ocorre quando não é mais possível decodificar os canais)

IS-41 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü desenvolvido pela TIA (Telecommunications Industry Association) ü implementa a sinalização entre redes celulares ü utilizado pelos sistemas AMPS, TDMA CDMA ü no Brasil, a rede nacional de roaming (Bandas A e B) usa o IS-41 ü é dividido em duas partes: • Serviços de Aplicação IS-41 • Serviços de Transferência de Dados Serviços da Aplicação IS – 41 IS-41 MAP (Camada OSI 7) Serviços de Transferência de TCAP (ANSI) Dados (Camadas OSI 1, 2 e 3) SCCP (ANSI) MTP (ANSI) UNICAMP 2 o Semestre 2005 X. 25 mario zimmer ü possibilita o roaming entre operadoras

IS-41 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Serviços de Aplicação ü foi especificada uma camada IS-41 MAP (Mobile Application Part) ü utiliza como suporte o TCAP (Transaction Capabilities Application Part) do SS 7 (as camadas OSI 4, 5 e 6 são nulas) Serviços de Transferência de Dados ü especifica duas opções para estas camadas: • X. 25 • SCCP + MTP (Signaling Connection Control Part) SS 7 (ANSI) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer üimplementa as funções de mobilidade associadas ao roaming entre sistemas celulares

serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü oferecem (dentre outros) identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência ü Serviços de Mensagem Multimídia (MMS) que permitem aos assinantes móveis enviar fotos vídeos e áudio ü acesso a Internet com altas taxas de conexão ü serviços 3 G (taxas de até 2 Mbit/s) são padronizada pelo 3 rd Generation Partnership Project 2 (3 GPP 2) ü mantém a compatibilidade com IS-95 (canais de RF de 1, 25 MHz) Geração Tecnologia Taxa de dados (teórica) 2 G cdma. One (IS-95 A e B) 14, 4 kbit/s 2, 5 G 3 G CDMA 2000 CDMA 1 x. EV-DO 1 X* 153 kbit/s CDMA 1 x. EV-DV 2, 4 Mbit/s * CDMA 2000 1 X= CDMA/IS-95 -C, CDMA 1 x. RTT ou cdma 2000 1 x. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü Serviço de Mensagens Curtas (SMS) tem suporte do IS-41 para assinantes em roaming

serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü o CDMA 1 x. EV tem sua evolução em duas etapas: • 1 x. EV-DV (Data and Voice) onde uma portadora poderá ser utilizada para voz e dados üo CDMA 1 x. RTT já se encontra em operação no Brasil com uma portadora dedicada a dados. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer • 1 x. EV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1, 25 MHZ é dedicada apenas para dados

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer CDMA 2000 UNICAMP 2 o Semestre 2005

CDMA 2000 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü sistemas celular de Terceira Geração (3 G) ü a queda da economia mundial atrasou a implantação do 3 G ü serviços: multimídia de alta qualidade (2. 4 Mbps), vídeo streaming, vídeo e áudio sob demanda, acesso rápido à Internet e e-mails ü uso da tecnologia cdma 2000 1 x. EV-DO ü o uso inclui: aparelhos com câmera, PDAs, cartões para laptops e modems para acesso fixo ü 1 x. EV-DO foi implementado com sucesso pela Vésper (Brasil) ü De Jul/2003 à Dez/2003 a Vésper entregou mais de 20 Terabytes de dados aos seus assinantes utilizando apenas 30 cell sites (ERBs) ü a tecnologia 1 x. EV-DO oferece um desempenho e serviços incomparáveis com qualquer outra tecnologia celular comercial ü Tem a mais alta velocidade e capacidade com o menor custo UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü mais de 3. 5 milhões de assinantes na Coréia do Sul possuíam 3 G em Dez/2003

1 x. EVDO telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü sistema de dados sem fio com alta velocidade e alta capacidade (2, 4 Mbps) ü combina conveniência da mobilidade e desempenho de uma rede de dados fixa ü uma ERB pode entregar até 4 Mbps usando um canal de 1. 25 MHz ü eficiência no uso do espectro: muito mais dados com um upgrade mínimo (CDMA) ü baixo atraso para se conectar à Internet ü provê conexão VPN a qualquer hora e em qualquer lugar (performance da LAN) ü aumenta a produtividade ü propicia aplicações focadas em entretenimento e multimídia UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü custo muito competitivo (valor agregado por Mbyte)

características telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts portadora de 1, 25 Mhz ü 1 x. EV-DO opera em uma portadora de 1, 25 MHz ü fácil reutilização da infra-estrutura das ERBs, antenas e equipamentos de transmissão ü permite aproveitar o significativo mercado CDMA (inclusive aparelhos) ü outras tecnologias 3 G não podem aproveitar nada de suas redes anteriores canal dedicado a pacotes IP ü aloca um canal de freqüência para transportar apenas pacotes IP ü uso muito mais eficiente dos recursos da rede (transmissão de dados de até 2. 4 Mbps no downlink) ü primeiro passo em direção à uma estrutura All-IP (convergência) freqüências de 450 MHz, 850 MHz e 1, 9 GHz ü facilita a implementação por operadoras que já tenham licença para essas bandas UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü ocupa a mesma quantidade de espectro do CDMA

taxa de transmissão telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü exemplo: downloand de um arquivo MP 3 com 4 Mbytes: ü 1 x. RTT = 8 minutos ü 1 x. EV-DO = 50 segundos (taxa real 2. 45 Mbps. maior que os padrões definidos para 3 G) ü a taxa varia quando se move na área de cobertura (taxa média é 700 kbps) ü upload de até 153 kpbs ü a variação está de acordo com os serviços e aplicações disponíveis na Internet ü a intenção é evoluir atendendo os novos serviços sendo criados na Internet UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü GPRS = 25 minutos

visão geral da rede telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü 1 x. EV-DO somente suporta a transmissão de dados por pacote ü fácil integração com às redes legadas (TDMA, CDMA e GSM) HLR MSC Outras MSCs rede telefonia fixa VLR BSC/PCF PDSN Internet ERB (BTS) DNS/DHCP/Radius/SNMP servers Estação Móvel UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü a estrutura de circuito utilizada pelas redes de voz não se faz necessária (MSC, HLR, VLR, etc)

elementos da rede telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü estações-rádio-base - BTS ü controladoras de estação-rádio-base - BSC mario zimmer ü Packet Control Funcion – PCF • integram a BSC com a PDSN ü Packet Data Serving Node – PDSN • elemento que faz a interface da rede de acesso wireless com a Internet • estabelece as sessões de usuário UNICAMP 2 o Semestre 2005

1 x. EV-DO x protocolo IP telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü 1 x. EV-DO usa o IP ü suporta todas as aplicações e protocolos que sejam compatíveis com IP ü BSC e PDSN se comunicam com o servidor RADIUS para autenticar e autorizar o dispositivo e também para tarifação ü o DNS é usado para correlacionar nomes de domínios aos seus endereços IP ü 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 1 x. EVDO pode receber endereço IP privado ou público, esta definição fica a cargo do endereçamento da operadora UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü usa servidores comuns combinados com os utilizados no sistema 1 x, incluindo os servidores RADIUS, DNS e DHCP

fluxo de sessão 1 x. EV-DO telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts User Device BTS BSC/PCF Functions PDSN IP Router Server mario zimmer Aplicação TCP ou UDP/IP PPP RLP 1 x. EV-DO Airlink UNICAMP 2 o Semestre 2005

fluxo de sessão 1 x. EV-DO ü Radio Link Protocol – RLP telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts • detecta e corrige erros na interface aérea • redução de erros • camada de enlace usada para carregar o Protocolo Internet (IP) • não está ciente que estão utilizando uma camada física sem fio ü 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) ü UDP • protocolo de transporte do tipo 'best-effort‘ • usado quando a confiabilidade na informação não se faz tão necessária ü TCP • transporte confiável • detecção e correção de erros UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü PPP

handoff telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü handoff automático de sessões de dados entre as redes 1 x e 1 x. EV-DO estão disponíveis ü 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. UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü Todos os cenários de handoff são padronizados pelo IS-878

enlace direto (BTS para terminal) telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts üo 1 x. EV-DO utiliza divisão no tempo de sua portadora ü a BTS transmite a um usuário por vez com toda a sua potência mario zimmer ü os recursos são compartilhados no tempo entre usuários ü não existem alocações fixas de slots para cada usuário (ao contrário do TDMA) ü um preâmbulo que identifica o destinatário de cada pacote ü a portadora é dividida em slots de 1. 67 ms e um conjunto de 16 slots perfaz um quadro 1 x. EV-DO Pilot Channel Control Channel Px(max) 2 Total Data 123 2 Tempo UNICAMP 2 o Semestre 2005 123 3 1

Característica TDM 1 x. EV-DO telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü a potência do sinal varia dentro da área de cobertura ü o 1 x. EV-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) ü Esta informação pode ser enviada até 600 vezes por segundo dependendo da velocidade de locomoção ü 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) ü o terminal determina a taxa máxima de dados mantendo um PER (Packet Error rate) menor que 1% UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü o terminal informa a condição do sinal para a rede através do canal lógico DRC (Data Rate Control )

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer UMTS UNICAMP 2 o Semestre 2005

UMTS telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü sistema 3 G estabelecido como evolução para GSM ü utiliza interface rádio WCDMA ou EDGE ü desenvolvido pelo 3 rd Generation Partnership Project (3 GPP) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts UE UTRAN CN Uu Infra-estrutura ü UE - User Equipment: terminal móvel e seu módulo de identidade de serviços do usuário (USIM) equivalente ao SIM card dos terminais GSM ü UTRAN - UMTS Terrestrial Rádio Access Network: baseada no Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) ü CN - Core Network: núcleo da rede que suporta serviços baseados em comutação de circuitos e comutação de pacotes ü Uu e Iu são as interfaces entre estas entidades UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer Usuário Iu

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Uu Iu UTRAN RNS Comutação a Circuito BS BS 3 G MSC/VLR 3 G GMSC RNC Banco de Dados HLR/Au/EIR Iur RNS BS Comutação a Pacotes BS SGSN RNC RNS: Radio Network Subsystem RNC: Radio Network controller Iur: é a interface entre dois RNS UNICAMP 2 o Semestre 2005 GGSN mario zimmer UE CN

arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü os protocolos procuram manter compatibilidade com o GSM ü o SS 7 utilizada foi modificada nas partes inferiores do MTP (atingir taxas mais altas) UE BS RNC Lógicos: mapeados nos canais de transporte Transporte RNC: transportar diferentes fluxos de informação. Canais Lógicos Físicos: existência física da interface Uu. Diferentes tipos de banda podem ser alocadas para diferentes finalidades Canais de Transporte Canais Físicos UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü a comunicação realizada através da interface rádio do UTRAN utiliza 3 tipos de canais como apresentado a seguir

WCDMA telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü interface de rádio Uu (Wideband Code Division Multiple Access) ü Possui dois modos de operação: • Time Division Duplex (TDD) - o enlace de subida e descida compartilham os mesmos 5 MHz ü utiliza como método de múltiplo acesso o CDMA de Sequência Direta (DS-CDMA) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer • Frequency Division Duplex (FDD) - os enlaces utilizam canais (subida e decida) de 5 MHz separados por 190 MHz (Atual)

principais diferenças entre GSM e CDMA telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts ü padrão da sinalização utilizada na arquitetura da rede e no roaming ü refletem os diferentes padrões utilizados nos países de onde se originam (GSM, da Europa, e CDMA IS-95 e IS-41, dos Estados Unidos) UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer ü características da interface rádio entre Estação Móvel e ERB

comparação CDMA 2000 x UMTS telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Consideração: Banda portadora Chip rate Freqüência do controle de potência Sincronismo na ERB WCDMA 5 MHz 3, 84 Mcps 1500 Hz Não precisa UNICAMP 2 o Semestre 2005 Cdma 2000 1 x 1, 25 MHz 1, 2288 Mcps 800 Hz Necessita mario zimmer Em comparação com o CDM 2000, o UMTS (padrão europeu de 3 G) inicialmente vai permitir downloads de no máximo 384 kbps (rel. 99), e posteriormente até 2 Mbps (rel. 4) usando inteiramente uma banda de 5 MHz (onde seriam possíveis implementar 3 portadoras 1 x. EV-DO) com a desvantagem adicional de requerer novas licenças do governo no espectro de 2. 1 GHz.

3 G telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 1 x. EV-DO Fase 1 HDR cdma 2000 IS-95 -B • Pacote 2. 4 Mbps • Alta Capac. Voz/Dados • RF Backward Comp. 1 x MC • Voz • Alta Capacidade de Voz • 14. 4 Kbps • Pacote 64 Kbps • RF Backward Comp. cdma 2000 3 x MC • Alta Capacidade de Voz • Pacote 384+ Kbps • RF Backward Comp. W-CDMA (UMTS) Europe GSM GPRS GSM • Voz • 384 Kbps • 9. 6 Kbps • RF Backward Comp. • 200 Khz Carrier PDC • Voz • 9. 6 Kbps • 28. 8 Kbps • High Capacity WCDMA (Japan) • 384+ Kbps Packet • New RF • 200 Khz Carrier • RF Backward Comp. 1995 1999 2000 2001 UNICAMP 2 o Semestre 2005 2002 2003+ mario zimmer IS-95 -A 1 x. EV-DV fase 2

conclusão telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts üOs sistemas de telefonia celular de 3 G já são uma realidade nos dias de hoje üCom 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 üA convergência de todos os sistemas wireless para o UMTS e CDMA 2000 é uma questão de tempo ü A tecnologia 1 x. EV-DO oferece hoje um desempenho e serviços incomparáveis com qualquer outra tecnologia celular comercial ü Operadoras podem ganhar uma vantagem competitiva com o 1 x. EV-DO, gerando novas fontes de receita e ainda estando preparadas para o futuro com um plano de evolução sólido e competitivo UNICAMP 2 o Semestre 2005 mario zimmer üPorém, faz-se necessário a compreensão das muitas interfaces envolvidas em seus predecessores (1 G e 2 G) para que o entendimento seja completo

telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer Perguntas ? UNICAMP 2 o Semestre 2005