Seção: Tutoriais

Será apresentada nesta seção a história das tecnologias da telefonia móvel, apresentando cada geração e suas principais características. Serão feitas comparações visando um melhor entendimento.

História da Telefonia Móvel

A evolução é intrínseca do ser humano, abrangendo todo o meio em que está inserido. Assim, buscas e pesquisas são constantes para aumento de comodidade e praticidade no cotidiano. A partir disso, desperta o interesse para comunicação à distância. Pesquisas e testes são feitos em busca de aperfeiçoamento e expansão da telefonia móvel, ao ponto, no ano de 2013 a quarta geração da telefonia móvel, o LTE.

Para chegar a tal ponto, passamos por gerações distintas com diferentes tecnologias. Iniciada essa evolução, a telefonia móvel com comunicações de voz analógica, AMPS, é o nosso ponto de partida, seguida da segunda e terceira geração, conhecida como GSM e UMTS, respectivamente, até chegarmos ao LTE.

Figura 1: Histórico do 1G, 2G, 3G, 4G

Fonte: www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialintlte/pagina_2.asp

AMPS

Advanced Mobile Phone System (AMPS), inventada por Bell Labs em 1979 e implementada nos EUA quatro anos após a sua invenção, tinha como aplicação única e exclusiva para transmissão de voz, utilizando a comutação por circuitos (canal dedicado).

Delimitando uma área geográfica de cobertura das estações de transmissão e recepção do sinal, tínhamos o conceito de célula. Através do FDMA, Frequency Division Multiple Access, cada usuário acessava um par de portadoras (Uplink e Downlink) para a comunicação permanecendo neste par até o fim da ligação, canal dedicado. Um cuidado utilizado para o perfeito funcionamento do sistema era a não utilização de frequências adjacentes por células vizinhas, sendo essa uma forma de garantir a qualidade da chamada.

Um conceito para a implementação da tecnologia era o fator de reuso, que indicava qual seria o plano para reutilizar as mesmas frequências em outras células, sem interferir uma na outra. Essa fator foi definido como 7 por 21, ou seja, 7 células constituiriam um cluster (grupo de células), e como cada célula possuíam 3 setores, esse cluster teria 21 grupos de frequências. Dessa forma era possível o planejamento visando a melhor qualidade do serviço, pois poderiam considerar a utilização de frequências repetidas com o menor impacto para o usuário.

Com esse planejamento foram criados conceitos como handover, onde possibilitaria a continuidade da chamada, caso o usuário mude da região de cobertura de um site para outra região de cobertura de outro site, e roaming, solução que torna o usuário operante mesmo estando fora da localidade geográfica onde está registrado, ou seja, sendo um visitante (COSTA, 2005).

Um grande problema encontrado no AMPS foi a falta de padronização. Foram criados padrões da tecnologia com diferentes requisitos que impossibilitavam a comunicação entre si, tornando assim, sistemas isolados. Como exemplo, temos o padrão TACS utilizado no Reino Unido, Áustria, Espanha, Irlanda, Itália. Padrão NMT450, utilizado na Suécia, Noruega, Finlândia, Dinamarca. Padrão Radiocom2000, utilizado na França. Dessa forma, um usuário que adota um determinado padrão ao sair da sua localidade de cobertura perderia seu serviço, pois não havia compatibilidade entre os diversos padrões (Santos, 2008).

Tabela 1: Sistemas móveis de 1ª geração

Fonte: SILVA, 2010

GSM

Com intuito de suprir a lacuna da primeira geração, iniciaram estudos em 1982, na Europa, para padronização dos sistemas móveis visando permitir a mobilidade dos usuários. Dessa forma foi criado o Global System for Mobile, podendo ser funcional em mais de 170 países.

Além da mobilidade, toda telefonia móvel teve um ganho com a nova tecnologia. Com GSM houve melhora na qualidade de voz, com novas técnicas utilizadas uma melhor eficiência espectral, terminais móveis de baixo custo, roaming internacional, tráfego de dados, criptografia da informação, etc.

Sendo essa nova tecnologia digital, ao contrário da primeira geração, o GSM tem como forma de acesso o TDMA com FDMA, ou seja, diferentes frequências para transmissão do sinal e cada frequência será divida em intervalos de tempos, time-slots, o que resulta em um grande aumento na capacidade de transmissão de informações, quando comparado com AMPS.

Mesmo tendo um objetivo de ser universal, surgiram diferente sistemas móveis. Segue tabela com os modelos e localidades:

Tabela 2: Sistemas móveis de 2ª geração

Fonte: SILVA, 2010

Com a utilização da tecnologia digital, é inserido um codificador que emula as características da fala humana. A taxa desse codificador é de 13kbit/s, que equivale a 260 bits para cada bloco de voz de 20ms.

Figura 2: Operações no GSM da entrada até saída de voz

Fonte: www.braghetto.eti.br/files/Trabalho%20Final%20GSM.pdf

É realizado na codificação do sinal de áudio um sistema para proteção de erros, adicionando bits de paridades, passando então de 13kbit/s para 22,8kbit/s. Desta forma são aumentados os números de bits dedicados à voz, como mostrado na figura abaixo:

Figura 3: Proteção contra erros nos dados de voz do GSM

Fonte: www.braghetto.eti.br/files/Trabalho%20Final%20GSM.pdf

Outras técnicas também foram utilizadas para melhoria de transmissão dos dados na segunda geração: Frequency Hopping, equalização, modulação e demodulação, cifragem, etc. Essas e outros recursos existentes no GSM são responsáveis por prover uma melhor qualidade, segurança e acessibilidade comparada a primeira geração.

Com o GSM sugiram novas aplicações para o serviço móvel, e que foram se desenvolvendo. Podemos dividi-las em 3 fases onde cada fase surgiu através da necessidade de sua fase antecessora:

Figura 4: Fases da tecnologia GSM

Fonte: www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2008_2/ricardo/1_2.html

A primeira fase do GSM oferecia como serviço: chamadas de voz, chamadas de emergência; mensagens curtas (SMS), transmissão de dados. Na segunda fase surgiram os serviços de e-mail, um serviço relacionado ao aumento de capacidade perdendo um pouco de qualidade da chamada de voz, onde os dados eram transmitidos com a metade dos bits (half rate), uma melhoria no SMS, serviços de dados com informações de tempo, clima, esportes, etc., identificador de chamadas, chamadas restritas e teleconferência. E a fase 2,5 que introduziu o serviço de dados por pacotes em altas taxas de transmissão, o GPRS (General Packet Radio Service) e posteriormente EDGE (BRAGUETTO, 2003).

UMTS

Em 1989 a ITU (União Internacional de Telecomunicações) através de um documento, explanou a terceira geração das telefonias móveis, e assim, deram o início aos estudos para projeção de um sistema compatível com as necessidades informadas.

Os requisitos estipulados pela ITU eram: altas taxas de dados: 144 kbit/s em todos os ambientes e 2 Mbit/s em ambientes “indoor”, transmissão de dados simétrica e assimétrica, serviços baseados em comutação de circuitos e comutação de pacotes, qualidade de voz comparado a telefonia fixa, melhor eficiência espectral, vários serviços simultâneos para usuários finais e serviço multimídia, dentre outros.

Observamos que a maioria dos requisitos visa à busca por maiores taxas de transferência de dados e isso ocorre devido ao aumento dos serviços ofertados através da telefonia móvel, forçando então a próxima geração a ter um enfoque maior na parte de dados. Surgiram padrões como candidatos a serem a terceira geração e o UMTS, desenvolvido pela 3GPP (Third Generation Partnership Project) que se tornou a solução para transmissão de voz e dados na telefonia 3G (ARAÚJO, 2003).

A tecnologia foi aprimorando de acordo com as necessidades e novos padrões foram sendo criados através dos releases desenvolvidos pelo 3GPP. A terceira geração ganhou mais duas evoluções visando aumento de throughput. Abaixo segue uma breve timeline do tráfego de dados das tecnologias móveis.

Figura 5: Evolução das tecnologias de transmissão de dados

Fonte: www.teleco.com.br/3g_tecnologia.asp

Comparativo das tecnologias

É válido salientar dois pontos importantes na evolução das telecomunicações móveis: a evolução da topologia e as taxas de dados entre as gerações.

No que se refere à arquitetura, a segunda e terceira geração se assemelham bastante e de certa forma mantem seus padrões e funcionalidades, porém a grande mudança vem com o LTE, à quarta geração. O LTE possui uma rede mais simples, como mostrado na figura abaixo, tendo o elemento de rede de acesso muito mais inteligente e evoluído, a eNodeB.

Figura 6: Diferença de topologia entre as gerações

Fonte: Apostila do Curso de LTE ministrado pela RemOpt

A BTS no GSM e a NodeB no UMTS são elementos que tinham como principal função, a interface aérea de comunicação com as unidades móveis. Na quarta geração, a eNodeB possui além da função de interface aérea com o móvel, as funções de gerenciamento dos recursos de rádio, compressão do cabeçalho IP, criptografia de fluxo de dados de usuário, controle de admissão, negociação de QoS no uplink e broadcast contendo informações da célula (Almeida, 2013).

O outro fator de comparação entre as gerações são as taxas de dados máximas. Para o GSM temos: GPRS com valor teórico, taxas de 114kbit/s para downlink e 20kbit/s para uplink, e o EDGE com valor teórico, taxas de 384kbit/s para downlink e 60kbit/s para uplink. A partir da terceira geração, as taxas máximas foram definidas através de releases do 3GPP, e a tabela abaixo nos posiciona a respeito dos valores e datas que definem as características das gerações.

Tabela 3: Taxas e Releases do UMTS e LTE

Fonte: www.teleco.com.br/3g_tecnologia.asp