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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 2o 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 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer Estação móvel principais padrões utilizados telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer desenvolvido pelos Laboratórios Bell da Lucent principais padrões utilizados telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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) UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 2o 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/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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer AMPS telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer AMPS e TDMA UNICAMP 2o Semestre 2005 arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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) 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 45 80 mario zimmer 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 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer AMPS: interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 2o Semestre 2005 roaming telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer IS-41pode ser implementado tendo como base para transferência de dados o protocolo X.25 ou o SS7 serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 2o Semestre 2005 arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer AuC definições telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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) 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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) 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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) entidade funcional usada para monitorar e controlar o sistema. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 . UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer o 0,3G 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 - o GSM assim (como o TDMA) é uma combinação de FDMA e TDMA. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer Período interface entre estação móvel e ERB telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 2o Semestre 2005 mario zimmer No GSM nenhum canal de RF ou timeslot está designado a priori para uma tarefa particular capacidade telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o 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 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 mario zimmer MAP SS#7 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 2o Semestre 2005 mario zimmer permite estimar com precisão a localização da estação móvel serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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) telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer 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 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts CCC HLR VLR BSC BSC ERB ERB (BTS) Estação Móvel Estação Móvel UNICAMP 2o Semestre 2005 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 2o Semestre 2005 mario zimmer 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 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” UNICAMP 2o Semestre 2005 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) UNICAMP 2o Semestre 2005 +1 +1 +1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) –1) –1) –1) mario zimmer 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 mario zimmer 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 UNICAMP 2o 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 +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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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) UNICAMP 2o Semestre 2005 X.25 mario zimmer possibilita o roaming entre operadoras IS-41 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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) UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer implementa as funções de mobilidade associadas ao roaming entre sistemas celulares serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer Serviço de Mensagens Curtas (SMS) tem suporte do IS-41 para assinantes em roaming serviços telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer • 1xEV-DO (Data Only) onde uma portadora de 1,25 MHZ é dedicada apenas para dados telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts mario zimmer CDMA2000 UNICAMP 2o Semestre 2005 CDMA2000 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer mais de 3.5 milhões de assinantes na Coréia do Sul possuíam 3G em Dez/2003 1xEVDO telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer custo muito competitivo (valor agregado por Mbyte) características telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer ocupa a mesma quantidade de espectro do CDMA taxa de transmissão telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer GPRS = 25 minutos visão geral da rede telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 estações-rádio-base - BTS controladoras de estação-rádio-base - BSC mario zimmer 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 1xEV-DO x protocolo IP telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer usa servidores comuns combinados com os utilizados no sistema 1x, incluindo os servidores RADIUS, DNS e DHCP fluxo de sessão 1xEV-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 1xEV-DO Airlink UNICAMP 2o Semestre 2005 fluxo de sessão 1xEV-DO 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 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer PPP handoff telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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. UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer Todos os cenários de handoff são padronizados pelo IS-878 enlace direto (BTS para terminal) telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts o 1xEV-DO utiliza divisão no tempo de sua portadora a BTS transmite a um usuário por vez com toda a sua potência mario zimmer 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 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% UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 2o Semestre 2005 UMTS telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts sistema 3G estabelecido como evolução para GSM utiliza interface rádio WCDMA ou EDGE desenvolvido pelo 3rd Generation Partnership Project (3GPP) UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 GGSN mario zimmer UE arquitetura telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer 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 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) UNICAMP 2o 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 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) UNICAMP 2o Semestre 2005 mario zimmer características da interface rádio entre Estação Móvel e ERB comparação CDMA2000 x UMTS telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts Consideração: Banda por portadora Chip rate Freqüência do controle de potência Sincronismo na ERB WCDMA 5 MHz 3,84 Mcps 1500 Hz Não precisa UNICAMP 2o Semestre 2005 Cdma2000 1x 1,25 MHz 1,2288 Mcps 800 Hz Necessita mario zimmer 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 telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 2o Semestre 2005 2002 2003+ mario zimmer IS-95-A 1xEV-DV fase 2 conclusão telefonia celular – amps tdma cdma gsm umts 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 UNICAMP 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 ? UNICAMP 2o Semestre 2005