Seção: Tutoriais

Esta seção destina-se em fazer uma breve apresentação do histórico da rede móvel celular, além de comentar sobre as características da 5ª geração e falar sobre os tópicos separadamente que estão sendo estudados, desenvolvidos e melhorados para alcançar os requisitos exigidos.

História da Rede de Telefonia Celular

O início da transmissão da voz por sinais elétricos, começou por volta de 1876 com Alexander Graham Bell. Aproximadamente em 1880, Heinrich Hertz constatou a propagação de ondas eletromagnéticas que foram teoricamente sugeridas por Maxwell. O italiano Gugliermo Marconi deparou-se com a primeira aplicação para comunicação entre pontos não fixos em 1897, onde fez várias transmissões de rádio de Needles, na ilha de Wight, para um navio a 18 milhas da costa. Com esse fato, pode-se dizer que as primeiras comunicações móveis importantes, ocorreram na utilização em navios (GUEDES, 2014).

O primeiro uso regular de sistemas de rádio móvel aconteceu em 1921, onde o departamento de polícia de Detroit instalou o sistema em viaturas, que primeiramente só recebiam ordens da central de polícia, mas posteriormente também podiam enviar. Tendo uma faixa de 2MHz, era um sistema Simplex que também começou a ser usado pelo departamento de polícia civil de Nova York, onde 5000 veículos compartilhavam apenas 11 canais de voz (GUEDES, 2014).

O órgão regulador FCC aprovou o uso de quatro canais na faixa de 30MHz-40MHz, em bases experimentais. A sua utilização foi regulamentada em 1938. Devido ao avanço tecnológico, as intenções eram aumentar as frequências de operação (GUEDES, 2014).

Em 1946 a AT&T colocou em funcionamento um sistema experimental com 150MHz e seis canais espaçados de 60KHz. Apesar da distância entre esses canais, poderiam existir interposições entre canais adjacentes de usuários de uma mesma área (GUEDES, 2014).

Foi instalado um sistema de telefonia móvel em 1947 ao longo da rodovia de Boston em Nova York, onde operava nas faixas de 35MHz - 44MHz. Tinha-se a noção de que frequências mais baixas como a utilizada, alcançavam uma distância maior fazendo-se o contorno de relevos. Porém, as conversações seguiam por reflexão na camada ionosférica, chegando a quilômetros de distância, causando interferência em outros aparelhos (GUEDES, 2014).

Nessa época, as chamadas eram realizadas via telefonista, sendo que, era necessário que o usuário procurasse manualmente um canal vago antes de realizar uma ligação. Com o aumento da demanda, aumentou-se a lista de espera de usuários causando uma escassez de canais disponíveis (GUEDES, 2014).

Foi implantado o primeiro sistema Full-Duplex, com a técnica TDM para sistemas de telefonia fixa, em 1950 pelo departamento de polícia da Filadélfia. Com um aprimoramento do sistema devido ao novo método de fabricação de filtros que diminuíram os espaçamentos dos canais, houve um melhor desempenho permitindo o uso de frequências cada vez mais elevadas. Isso ocorreu em 1955 e permitiu a seleção automática de canais vagos pelos equipamentos de rádios móveis (GUEDES, 2014).

A base dos sistemas de telefonia móvel de hoje, teve o seu princípio com o surgimento dos sistemas Trunked em 1960 que foi o apoio inicial para o sistema IMTS tendo faixas entre 150MHz - 450MHz com canais de 30KHz (GUEDES, 2014).

A limitação do espectro disponível sempre foi uma dificuldade para expansão de sistemas de telefonia móvel. O FCC encontrou-se numa situação que o levou a liberação da faixa de frequência de 75MHz, devido as exigências das operadoras e do mercado para aumentar a capacidade do sistema. Porém foi preciso negociar com as emissoras televisivas, pois perderiam alguns canais de UHF. Então foi possível liberar uma faixa de frequência entre 800MHz - 900MHz com canais de 40MHz em 1975 após a confirmação da viabilidade técnica do sistema (GUEDES, 2014).

Quando a AT&T disponibilizou o primeiro sistema de telefonia celular no EUA, o Japão já tinha instalado um sistema similar na cidade de Tóquio. Era 13 de outubro de 1983 e o sistema instalado chamou-se AMPS nos EUA. Na Europa foi usado o NMT enquanto que no Reino Unido, Itália, Áustria, Espanha e Irlanda utilizou-se o TACS e na Alemanha e Portugal o C-450. A américa latina adotou o AMPS em 1989 que se utilizava de 666 frequências entre 800MHz - 900MHz. No Brasil essa tecnologia foi instalada primeiramente no Rio de Janeiro e posteriormente em Brasília, Campo Grande, Belo Horizonte e Goiânia (GUEDES, 2014).

A necessidade do usuário móvel de buscar conexão em qualquer lugar que esteja, é um fator de incentivo para modernidade, onde as operadoras investirão grandemente para obter um melhor compartilhamento de rede móvel no mercado (GUEDES, 2014).

Gerações de rede móvel celular

A evolução dos sistemas celulares, acontece através da implementação de novos serviços de telefonia móvel, onde adiciona novos padrões, arquitetura ou simplesmente faz a otimização do que já existe. Cada geração é dividida em padrões e em “subi-gerações”, lembrando-se que para alcançar a próxima geração os padrões existentes devem ser melhorados (SANTOS, 2008).

A seguir descrevem-se as gerações de telefonia celular.

Primeira Geração (1G)

Vários padrões foram propostos e implementados, mas o AMPS foi o padrão americano que o Brasil seguiu. Este utiliza-se da comutação de circuitos do FDMA como método de acesso, onde reserva-se uma banda de frequência para cada canal, que pode ser usada o tempo todo. Cada canal tem 30KHz de largura, operando na faixa de 800MHz com banda de 25MHz para o enlace direto e também com 25MHz no enlace reverso. Fazendo-se a divisão de 25MHz por 30KHz, consegue-se descobrir a quantidade de canais que é de 833. Como o canal 0 é utilizado para controle, haverá 832 canais disponíveis para os usuários (SANTOS, 2008).

Segunda Geração (2G)

Teve o seu surgimento no início dos anos 90, sendo uma tecnologia digital que visava na melhoria da qualidade de voz, trazendo como novidade os serviços de identificação de chamadas, serviço de mensagens curtas (SMS), roaming internacional, chip de segurança, direcionamento de chamadas e aviso de tarifação, etc (FONTANA, 2014).

Pela busca de maior capacidade de tráfego, o EUA implementou três padrões: IS-54 que é um AMPS digital, IS-136 representado como um TDMA digital e IS-95 que é semelhante ao CDMA digital. A Europa queria uniformizar os sistemas para o MCE e com este esforço fez surgir o GSM. Este foi o principal representante do 2G, porque atingiu escala mundial, sendo ampliada a escala de produção destes produtos, o que diminuiu o preço dos mesmos (SANTOS, 2008).

Basicamente os protocolos de transmissão de dados dos sistemas de segunda geração se esforçaram em adaptar o canal de voz para a transferência de bits de dados. Como o GSM foi projetado inicialmente para atender ao tráfego de bits gerado por conversações telefônicas, não estava preparado para acessar a internet, onde precisaria de uma taxa maior de tráfego (SANTOS, 2008).

Então houve um novo padrão para o GSM, que foi o GPRS. O seu benefício foi adicionar a técnica de comutação por pacotes, para atender aos assinantes móveis com altas taxas de bits para transmissão de dados. O GPRS é considerado como uma tecnologia 2,5G onde a rede só envia um pacote de dados quando este for requisitado, ou seja, os canais são alocados aos usuários somente quando ocorrer o envio ou recebimento de pacotes. Também não foi preciso mexer no espectro de frequência, pois apresentou vantagens no uso dos 200KHz existentes de canal de rádio (PIMENTA, 2006).

Figura 1: Arquitetura GPRS

Fonte: SANTOS, 2008

O objetivo da rede GPRS é acessar a internet que se utiliza da comutação de pacotes, enquanto o GSM continua a usar a comutação por circuitos. A sua arquitetura adicionou algumas interfaces, alterou certos elementos de rede e também acrescentou outros novos. Os principais elementos de serviços são o SGSN, GGSN e PCU. O SGSN é considerado o coração da rede GPRS, pelo fato de fazer a manutenção e o registro de novos funcionários, criptografia com os mesmos algoritmos do GSM 2G, gerenciamento de mobilidade, entre outras funções. O GGSN fornece a conexão com as redes de pacotes externas enquanto o hardware PCU direciona o tráfego de dados para a rede GPRS, sendo acrescentado ao BSC onde novos softwares foram atualizados (SANTOS, 2008).

Para aumentar a eficiência do sistema GPRS, foi criado o EDGE. Ele é considerado como uma tecnologia 2,75G e suas principais mudanças estão nos protocolos de acesso à interface, tipo de modulação e pelos novos procedimentos de codificação de canal (SANTOS, 2008).

Apresenta-se na tabela 1 as principais diferenças entre as tecnologias GSM, GPRS e EDGE:

Tabela 1: Principais diferenças entre as tecnologias GSM, GPRS e EDGE

Fonte: SANTOS, 2008 (Editado pelo autor)

Terceira Geração (3G)

Foi gerado um documento pela ITU por volta de 1989, onde foram descritas certas condições para considerar uma tecnologia como 3G. Essa visão foi chamada de IMT-2000 onde uma nova alocação de espectro foi exigida e a ANATEL reservou para o 3G a frequência de 1,9GHz. Com o objetivo de migrar do 2G para o 3G e integrar a comunicação de dados em banda larga na telefonia, tecnologias de RAT foram escolhidas como o UTRA e o WCDMA. Estas duas tecnologias estão unidas no UMTS, que foi desenvolvido pelo 3GPP com a função de possibilitar um uso efetivo de banda larga móvel, utilizando o WCDMA como interface de rádio (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).

Utilizando a mesma rede de suporte dos sistemas GPRS e EDGE, o que facilita a implementação, havendo diferença apenas nos protocolos e interface aérea entre esses sistemas (SANTOS, 2008).

Na figura 2 é mostrado um exemplo da arquitetura UMTS.

Figura 2: Arquitetura de Rede UMTS

Fonte: GUEDES; VASCONCELOS, 2009

Dentro das funções dos elementos de rede, tem-se o RNC, que é responsável pelo controle da estação de rádio base chamada de NodeB (NB) e pela comunicação entre a NB e o CN. O RNC tem a função de gerenciamento de tráfego, roteamento, comunicação dentre múltiplos protocolos (IP, ATM, etc) e é formado pela MGW, SGSN e MSC Server (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).

Com uma velocidade de acesso maior à rede, aumento da capacidade da rede e melhor transmissão de dados, veio o HSPA que também é conhecido como o 3,5G. Para o seu funcionamento, não é necessário fazer modificações na rede central UMTS, apenas uma melhoria na infraestrutura para comportar o aumento no fluxo de dados, pois o que está sendo feito é basicamente uma melhora no acesso. Sendo o HSPA uma junção das melhorias de download chamada de HSDPA e de upload chamada de HSUPA, na qual ambas podem ser implementadas no canal de 5MHz usado pelo UMTS (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).

Quarta Geração (4G)

Com o aumento da demanda por tráfego de dados exigido por usuários de tecnologia móvel, foi projetado o sistema de quarta geração LTE, sendo a sua padronização feita também pelo 3GPP (PIRES; SILVA; VEIGA; ROSA, 2012).

O LTE tem a característica de ser compatível com as redes previamente estabelecidas, tanto as padronizadas pelo 3GPP como as demais. Tendo um sistema de tráfego de voz que é suportado principalmente através da tecnologia VoIP, a tecnologia LTE faz transição entre o uso da comutação de circuitos para a comutação de pacotes no tráfego de voz (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).

É demonstrado na figura 3 a arquitetura de uma rede LTE.

Figura 3: Arquitetura LTE

Fonte: PIRES et al, 2012

Devido à combinação de comutação de circuitos e pacotes, apresenta uma arquitetura simples do sistema, que é conhecida como EPC, sendo caracterizada pela simplicidade e pela integração com as demais redes baseadas no IP (GUEDES; VASCONCELOS, 2009).

Na sua interface aérea, tem uma variabilidade de canais de banda larga, podendo variar de 1,4MHz – 20MHz. Utiliza-se da técnica OFDMA para downlink e SC-FDMA para uplink (CARDOSO, 2015).

A multiplexação por divisão de frequências ortogonais, ou OFDM, é uma técnica de transmissão de dados que utiliza sua banda dividida em múltiplas portadoras ortogonais. Estas são chamadas de subportadoras para modulação, não apresentando sobreposição de frequência o que evita a ocorrência de interferência de uma com a outra. O seu funcionamento, deve-se ao fato de converter um fluxo de dados serial de taxa de transmissão elevada em múltiplos subfluxos paralelos de taxa de transmissão baixa. Tem vantagem em relação às técnicas que utilizam uma única portadora, porque podem alcançar a mesma taxa de transferência, por causa do paralelismo de subportadoras de taxas baixas, com maior resistência a condições ruins do meio (OTTO; COUTINHO, 2008).

A utilização do SC-FDMA no uplink deve-se ao fato do equipamento móvel consumir uma alta potência principalmente pela modulação utilizada na transmissão de RF. No caso do OFDMA, apresenta uma alta relação pico/média, o que exige um esquema de amplificação linear que não é muito eficiente (ÁVILA, 2009).

O LTE utiliza-se de muitas antenas para aproveitar os sinais propagados em múltiplos percursos presentes no ambiente rádio móvel. Essa técnica de operação das antenas é chamada de MIMO (ÁVILA, 2009).

Logo após, tem-se a tecnologia LTE-ADVANCED que também foi criado pelo 3GPP e está no Release 10. Ela surgiu para aumentar o desempenho de rede, a velocidade e a utilização de frequências. Pode aumentar a velocidade com a combinação de portadoras usando CA, permitindo velocidade máxima teórica e velocidade maiores para o usuário com o aumento de portadoras. Tendo um aprimoramento maior de antenas inteligentes MIMO, podendo aumentar o desempenho e suportando no máximo combinações 8X8 MIMO no downlink e 4X4 MIMO no uplink. Também incluem redes SON e CoMP (4GAMERICAS,2015).

O quadro 1 faz uma comparação entre o LTE e o LTE-Advanced.

Quadro 1: LTE x LTE-Advanced indicadores desempenho

Fonte: 4G AMERICAS, 2015 (Editado pelo autor)

Com a introdução do uso de smartphone, tablet e outros dispositivos móveis que utilizam aplicativos que exigem um alto consumo de taxa de dados da rede móvel, aumenta-se o tráfego e a demanda da capacidade celular. Entretanto, iniciativas de melhora da capacidade tem sido iniciada pelo 3GPP como solução para o desenvolvimento das tecnologias LTE/LTE-A que são referidas como LTE-B. Os três componentes principais deste método são a eficiência do espectro, extensão do espectro e a densidade da rede (ISHII, 2014).

Estes componentes são apresentados na figura 4.

Figura 4: Cubo de Capacidade de Evolução

Fonte: KISHIYAMA; TAKAHASHI, 2014 (Editado pelo autor)

Além de conter técnicas de recebimento avançado a eficiência do espectro contêm beamforming, Massive MIMO e CoMP. Já a extensão do espectro pode ser melhorada com a agregação de portadoras, enquanto a densidade da rede necessita de camadas adicionais para as diferentes frequências. O pior caso para o LTE é quando há uma concentração de terminais na borda da célula, tendo como solução o uso de HetNet, onde dentro de uma macro célula são desenvolvidas várias células pequenas. As células pequenas fornecem alta capacidade de tráfego permitindo o uso de diferentes bandas de frequências ou portadoras que evitam interferências com a macro célula. Porém encontra-se dois problemas que são na questão de mobilidade e conectividade, pois com a diminuição do tamanho da célula aumenta-se o número de handovers, precisando de logística e um planejamento cuidadoso para operar em larga escala (ISHII, 2014).

Para ambiente indoor as pequenas células têm o WiFi, as Femto cells e o uso de DAS como solução de capacidade. Contudo, o ambiente outdoor ainda sofre com recursos para a mobilidade e conectividade. Para resolver este problema, as pequenas células podem ser usadas com a macro célula de forma espalhada ou uma próxima à outra. No cenário com pontos de tráfego alto onde as pequenas células encontram-se distantes umas das outras, há a necessidade do UE ser rapidamente detectado no handover, porém os procedimentos de handovers são realizados devido a força e qualidade do sinal, necessitando de métodos mais eficientes de medida e identificação da frequência da célula. Na área com tráfego muito alto, as células encontram-se próximas umas das outras devido ao desenvolvimento denso e necessitam de uma boa mobilidade entre as frequências das pequenas células, tendo as perdas de pacotes e falhas nas taxas durante o handover como prejuízo (ISHII, 2014).

Apresenta-se na figura 5 as duas formas que algumas células pequenas podem ser usadas com a macro célula.

Figura 5: Cenários de Desenvolvimento Outdoor para Bandas de Alta Frequência

Fonte: KISHIYAMA; TAKAHASHI, 2014 (Editado pelo autor)

A divisão da configuração C-Plane/U-Plane é uma solução para o uso eficiente, flexível e de baixo custo das bandas de alta frequência. O C-Plane é fornecido pela macro célula em bandas de baixa frequência, fazendo a conexão com o UE para manter uma boa mobilidade e conectividade, enquanto o U-Plane é fornecido em bandas de alta frequência pelas pequenas células que aumentam as taxas de dados do usuário. Como as pequenas células são dedicadas a carregar o tráfego de usuário, são chamadas de Phantom Cells e fornecem conexão direta com o UE permitindo uma maior flexibilidade e eficiência operacional. Este método permite adicionar capacidade a rede, onde futuramente devido às requisições poderá aumentar o número de células pequenas gradualmente (ISHII, 2014).

Demonstra-se na figura 6 o método utilizado pela arquitetura Phantom Cell.

Figura 6: Divisão de C-Plane/U-Plane e Phantom Cell

Fonte: KISHIYAMA; TAKAHASHI, 2014 (Editado pelo autor)