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
2o Semestre 2005
índice
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 introdução
mario zimmer
 AMPS e TDMA
 GSM
 CDMA
 CDMA2000
 UMTS
UNICAMP
2o Semestre 2005
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
mario zimmer
introdução
UNICAMP
2o Semestre 2005
características básicas
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 comunicação sem fio (wireless)
 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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mario zimmer
 receber e gerar chamadas independente da localização (mobilidade)
cenário geral
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Para centrais
tel. fixa
ERB
Terminal
Móvel
Região de
Handoff
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CCC/BSC
Interconexão:
Outras CCCs,
outras centrais
faixas de freqüência (bandas) no Brasil
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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
 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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Estação móvel
principais padrões utilizados
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AMPS - Advanced Mobile Phone Service
 padrão dominante para os sistemas celulares analógicos de primeira geração
 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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 desenvolvido pelos Laboratórios Bell da Lucent
principais padrões utilizados
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GSM (Cont)
 introduzido no Brasil em 2002 (licitação pela Anatel das Bandas D e E)
 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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 adotado também pela maioria das operadoras (migrando do TDMA)
principais padrões utilizados
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CDMA (IS 95) - Code Division Multiple Access
 padrão digital de segunda geração
 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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 revolucionou os conceitos empregados na comunicação entre celular e ERB
modulação
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Sinal
FM
1
1
0
1
ASK
1
0
1
1
PSK
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Portadora
modulação
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Padrão Tecnológico
Técnicas de Modulação
FM (voz), FSK (controle)
TDMA IS-136
II/4DQPSK
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
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AMPS
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AMPS e TDMA
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arquitetura
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 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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 AMPS: chamada básica + roaming e handoff
arquitetura
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CCC
HLR
Outras CCCs
rede telefonia fixa
VLR
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ERB
Estação
Móvel
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
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Central de Comutação e Controle (CCC)
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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 responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis
dentro da área da CCC (área geográfica)
interface entre estação móvel e ERB
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Freqüências de Operação
 AMPS: freqüência de 800 MHz
Freqüências de Operação (MHz)
Banda A
Banda B
PCS 1900
MS -> ERB
824-835
835-845
1850-1910
845-846,5 846,5-849
ERB -> MS
869-880
880-890
1930-1990
890-891,5 891,5-894
Espaçamento entre freqüências
(Tx e Rx)
45
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45
80
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 TDMA (IS-136): faixa de freqüência de 800 MHz e 1900 MHz
interface entre estação móvel e ERB
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Canalização
 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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AMPS:
interface entre estação móvel e ERB
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TDMA:
 mantém toda a estrutura de canalização do AMPS
 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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 permite que um canal seja compartilhado no tempo (3 x 1)
interface entre estação móvel e ERB
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Capacidade
 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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 AMPS e TDMA (IS-136) utilizam um plano de freqüência com reuso de 7 por 21
divisão em células
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C
F
A
otimiza a utilização das freqüências
D
B
E
G
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roaming
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 o roaming foi implementado para sistemas AMPS e TDMA (IS-41, tbém no Brasil)
 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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 IS-41pode ser implementado tendo como base para transferência de dados o
protocolo X.25 ou o SS7
serviços
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 o AMPS oferece um número limitado de serviços além de voz
 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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 o TDMA (IS-136) oferece dezenas de serviços suplementares (ex.: identificação do
número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência)
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GSM
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arquitetura
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 possui estrutura básica dos sistemas celulares
oferece as mesmas funcionalidades básicas (roaming e handoff)
OMC
EIR
MSC
HLR
Outras MSCs
rede telefonia fixa
VLR
BSS
BSS
BSC
ERB
BSC
ERB
(BTS)
Estação
Móvel
Estação
Móvel
SIM Card
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AuC
definições
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Mobile Station (MS)
 terminal utilizado pelo assinante + SIM Card (Subscriber Identity Module)
 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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 sem SIM Card o MS não está associada a um usuário (não faz ou recebe
chamadas)
definições
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Base Station System (BSS)
 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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 sistema encarregado da comunicação com as estações móveis em uma
determinada área
definições
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Home Location Register (HLR)
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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 base de dados que contém informações sobre os assinantes de um sistema
celular
definições
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Equipment Identity Register (EIR)
Operational and Maintenance Center (OMC)
 entidade funcional usada para monitorar e controlar o sistema.
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 base de dados que armazena os IMEIs dos terminais móveis de um sistema GSM
interface entre estação móvel e ERB
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Freqüências de Operação
 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
2o Semestre 2005
95
80
mario zimmer
 no Brasil as Bandas C, D e E estão na faixa de freqüências do DCS 1800 (15 MHz
por operadora)
canalização
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 as Bandas do GSM são divididas em canais de RF
 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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mario zimmer
 cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 200 KHz de banda
(cada canal)
modulação
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 o GSM utiliza a modulação digital 0,3GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)
 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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2o Semestre 2005
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 o 0,3G descreve a Banda do Filtro Gaussiano de pré-modulação utilizado para
reduzir o espectro do sinal modulado
modulação
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Composição
Sinal de 270,833 Kbit/s
4,615 ms
8 timeslots
Timeslot
576,9 us
156,25 bits
Bit
3,692 us
-
 o GSM assim (como o TDMA) é uma combinação de FDMA e TDMA.
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mario zimmer
Período
interface entre estação móvel e ERB
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Canais Lógicos
 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
Canais
Lógicos
Físicos
TCH
CCH
ERB
Canais
Canais
Físicos
Lógicos
Canal de RF
Canal de RF
TCH
Timeslot
Timeslot
CCH
Quadro TDMA
Quadro TDMA
Ar
UNICAMP
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mario zimmer
 No GSM nenhum canal de RF ou timeslot está designado a priori para uma tarefa
particular
capacidade
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 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
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
 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
AuC
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
2o Semestre 2005
mario zimmer
C
HLR
rede telefonia fixa
demais interfaces
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Interface Abis entre ERB (BTS) e BSC
 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
 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)
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
 suporta dois tipos de links:
demais interfaces
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
Interface entre MSC e redes de Telefonia Fixa
 interconexão entre MSC e redes fixas utiliza o Padrão SS#7 TUP ou ISUP
 não estão padronizadas (proprietárias) pois tratam-se normalmente de interfaces
internas do MSC/VLR e do HLR/AUC
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2o Semestre 2005
mario zimmer
Interfaces B e H
SS#7
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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
ISUP
6
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
2) MTP (Message Transfer Part)
3
2
2
1
1
MTP
Que é responsável pela transferência das
mensagens de maneira confiável na rede de
sinalização.
UNICAMP
2o Semestre 2005
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MAP
SS#7
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 define aplicações relacionadas ao tráfego telefônico
 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)
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
 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
 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)
EIR
AuC
H
F
C
HLR
rede telefonia fixa
MSC
A
D
VLR
BSC
B
G
Abis
ERB
E
Gateway
Outras MSCs
UNICAMP
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 identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência
(dentre outros)
serviços
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
Serviços de Localização
 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)
UNICAMP
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mario zimmer
 permite estimar com precisão a localização da estação móvel
serviços
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3G
 serviços 3G com taxas de dados de até 2 Mbit/s foram padronizadas pelo 3GPP (3rd
Generation Partnership Project)
 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
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
 exigiu um novo padrão para a interface entre Estação Móvel e ERB (canais de 5 MHz)
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CDMA
UNICAMP
2o Semestre 2005
arquitetura
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 criado com finalidade militar (segurança)
 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”
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
 utiliza espalhamento espectral seqüência direta (Spread Spectrum) como meio de
acesso (permite que vários usuários compartilhem uma mesma banda de freqüências)
cenário
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CCC
HLR
VLR
BSC
BSC
ERB
ERB
(BTS)
Estação
Móvel
Estação
Móvel
UNICAMP
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mario zimmer
Outras MSCs
rede telefonia fixa
interface entre estação móvel e ERB
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 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)
 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)
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
Freqüências de Operação (MHz)
canalização
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 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
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“
UNICAMP
2o Semestre 2005
mario zimmer
 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
 a taxa de bits deste código é a “chip rate”
 utiliza três tipos de código todos com uma taxa de 1,2288 megachips.
Conjunto de 64 códigos ortogonais W0 a W63
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
2o Semestre 2005
mario zimmer
Walsh
canalização
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 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
Tráfego
PN longo OQPSK
Acesso
PN curto
Walsh para modulação
UNICAMP
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Canais
canalização
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 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 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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mario zimmer
 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
analogia: aeroporto cheio de pares de pessoas de diferentes nacionalidades
 cada bit é dividido em pequenos intervalos “m” chamados de chip (64 ou 128)
 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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mario zimmer
 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
 seqüências ortogonais são geradas através de código Walsh:
m
m
SxS=1
m
SiSi = 1
m
i=1
m
2
Si = 1
m
i=1
m
2
(+1) = 1
i=1
 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
A:
B:
C:
D:
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
1
0
(a)
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
A:
B:
C:
D:
(–1
(-1
(-1
(-1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
–1
–1
+1
–1
+1
–1
(b)
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+1
+1
+1
–1
–1
+1
+1
–1
+1
+1
–1
+1
+1)
–1)
–1)
–1)
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SxT=1
SiTi = 0
m i=1
 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
 a cada instante cada estação pode transmitir a seqüência chip (ou seu oposto) ou
ficar em silêncio
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 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
--1- C
-11- B+C
10-- A+B
101- A+B+C
1111 A+B+C+D
1101 A+B+C+D
S1=(-1 +1 –1 +1 +1 +1
S2=(-2 0 0 0 +2 +2
S3=( 0 0 –2 +2 0 –2
S4=(-1 +1 –3 +3 +1 –1
S5=(-4 0 –2 0 +2 0
S6=(-2 –2 0 –2 0 –2
(c)
–1
0
0
–1
+2
+4
–1)
+2)
+2)
+1)
–2)
0)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
x
x
x
x
x
x
C
C
C
C
C
C
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=(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
+0
+1
+2
–2
–1
+0
–2
+1
+0
+0
+1
-2
-4
+1)/8
+2)/8
-2)/8
-1)/8
+2)/8
+0)/8
=
=
=
=
=
=
1
1
0
1
1
-1
capacidade
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 quanto mais usuários utilizam o canal maior o ruído
 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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 a interferência aumenta para os canais que utilizam a mesma banda (limiar ocorre
quando não é mais possível decodificar os canais)
IS-41
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 desenvolvido pela TIA (Telecommunications Industry Association)
 implementa a sinalização entre redes celulares
 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
IS-41 MAP
(Camada OSI 7)
Serviços de Transferência de
TCAP (ANSI)
Dados (Camadas OSI 1, 2 e 3)
SCCP (ANSI)
MTP (ANSI)
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X.25
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 possibilita o roaming entre operadoras
IS-41
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Serviços de Aplicação
 foi especificada uma camada IS-41 MAP (Mobile Application Part)
 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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implementa as funções de mobilidade associadas ao roaming entre sistemas
celulares
serviços
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 oferecem (dentre outros) identificação do número chamador, chamada em espera,
siga-me e conferência
 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
Tecnologia
Taxa de dados (teórica)
2G
cdmaOne
(IS-95 A e B)
14,4 kbit/s
2,5 G
3G
CDMA2000 CDMA 1xEV-DO
1X*
153 kbit/s
CDMA 1xEV-DV
2,4 Mbit/s
* CDMA2000 1X= CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT ou cdma2000 1x.
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 Serviço de Mensagens Curtas (SMS) tem suporte do IS-41 para assinantes em
roaming
serviços
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 o CDMA 1xEV tem sua evolução em duas etapas:
• 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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• 1xEV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1,25 MHZ é dedicada apenas
para dados
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CDMA2000
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CDMA2000
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 sistemas celular de Terceira Geração (3G)
 a queda da economia mundial atrasou a implantação do 3G
 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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 mais de 3.5 milhões de assinantes na Coréia do Sul possuíam 3G em Dez/2003
1xEVDO
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 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
 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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 custo muito competitivo (valor agregado por Mbyte)
características
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portadora de 1,25Mhz
1xEV-DO opera em uma portadora de 1,25MHz
 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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 ocupa a mesma quantidade de espectro do CDMA
taxa de transmissão
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 exemplo: downloand de um arquivo MP3 com 4Mbytes:
 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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 GPRS = 25 minutos
visão geral da rede
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 1xEV-DO somente suporta a transmissão de dados por pacote
 fácil integração com às redes legadas (TDMA, CDMA e GSM)
MSC
HLR
Outras MSCs
rede telefonia fixa
VLR
BSC/PCF
PDSN
Internet
ERB
(BTS)
DNS/DHCP/Radius/SNMP
servers
Estação
Móvel
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 a estrutura de circuito utilizada pelas redes de voz não se faz necessária (MSC,
HLR, VLR, etc)
elementos da rede
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 estações-rádio-base - BTS
 controladoras de estação-rádio-base - BSC
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 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
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 1xEV-DO usa o IP
 suporta todas as aplicações e protocolos que sejam compatíveis com IP
 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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 usa servidores comuns combinados com os utilizados no sistema 1x, incluindo os
servidores RADIUS, DNS e DHCP
fluxo de sessão 1xEV-DO
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User
Device
BTS
BSC/PCF
Functions
PDSN
IP
Router
Server
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Aplicação
TCP ou
UDP/IP
PPP
RLP
1xEV-DO
Airlink
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fluxo de sessão 1xEV-DO
 Radio Link Protocol – RLP
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• 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
 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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 PPP
handoff
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 handoff automático de sessões de dados entre as redes 1x e 1xEV-DO estão
disponíveis
 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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 Todos os cenários de handoff são padronizados pelo IS-878
enlace direto (BTS para terminal)
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o 1xEV-DO utiliza divisão no tempo de sua portadora
 a BTS transmite a um usuário por vez com toda a sua potência
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 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
Pilot Channel
Control Channel
Px(max)
2
Total Data
123 2
3
123
1
Tempo
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Característica TDM 1xEV-DO
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
 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)
 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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 o terminal informa a condição do sinal para a rede através do canal lógico DRC
(Data Rate Control )
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UMTS
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UMTS
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 sistema 3G estabelecido como evolução para GSM
 utiliza interface rádio WCDMA ou EDGE
 desenvolvido pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP)
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 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)
arquitetura
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UE
UTRAN
CN
Uu
Infra-estrutura
 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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Usuário
Iu
arquitetura
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
Uu
Iu
UTRAN
CN
RNS
Comutação a Circuito
BS
BS
3G MSC/VLR
3G 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
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GGSN
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UE
arquitetura
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 os protocolos procuram manter compatibilidade com o GSM
 o SS7 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
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 a comunicação realizada através da interface rádio do UTRAN utiliza 3 tipos de
canais como apresentado a seguir
WCDMA
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 interface de rádio Uu (Wideband Code Division Multiple Access)
 Possui dois modos de operação:
• 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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• 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
 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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mario zimmer
 características da interface rádio entre Estação Móvel e ERB
comparação CDMA2000 x UMTS
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Consideração:
Banda por portadora
Chip rate
Freqüência do controle de potência
Sincronismo na ERB
WCDMA
5 MHz
3,84 Mcps
1500 Hz
Não precisa
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Cdma2000 1x
1,25 MHz
1,2288 Mcps
800 Hz
Necessita
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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.
3G
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1xEV-DO
Fase 1 HDR
cdma2000
IS-95-B
• Pacote 2.4 Mbps
• Alta Capac. Voz/Dados
• RF Backward Comp.
• RF Backward Comp.
1x MC
• Voz
• Voz
• Alta Capacidade de Voz
• 14.4Kbps
• Pacote 64 Kbps
• Pacote 64 Kbps
• RF Backward Comp.
• RF Backward Comp.
cdma2000
3x MC
• Alta Capacidade de Voz
• Pacote 384+ Kbps
• RF Backward Comp.
W-CDMA
(UMTS)
Europe
GSM GPRS
GSM
• Voz
• 384 Kbps
• 9.6Kbps
• RF Backward Comp.
• 200Khz Carrier
PDC
PDC
• Voz
• Voz
• 9.6Kbps
• 28.8Kbps
• High Capacity
WCDMA
(Japan)
• 384+ Kbps Packet
• New RF
• 200Khz Carrier
• RF Backward Comp.
1995
1999
2000
2001
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2002
2003+
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IS-95-A
1xEV-DV
fase 2
conclusão
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Os sistemas de telefonia celular de 3G já são uma realidade nos dias de hoje
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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2o Semestre 2005
mario zimmer
Porém, faz-se necessário a compreensão das muitas interfaces envolvidas em
seus predecessores (1G e 2G) para que o entendimento seja completo
telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts
mario zimmer
Perguntas ?
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Download

ERB