Seção: Tutoriais Telefonia Celular

O sistema de telefonia móvel celular é baseado na divisão de áreas geográficas, denominadas células. Cada célula pode ser representada por uma radiobase, a qual provê a cobertura propriamente dita e utiliza o reuso de freqüências, técnica aplicada para transmissão de sinais com a mesma freqüência em estações distintas (RODRIGUES, 2000).

É exatamente na célula onde os assinantes da rede fazem a primeira solicitação para realizar uma chamada ou deslocando-se em torno dela. A primeira idéia concebida sobre células é que elas são circulares, mas na verdade estas são representadas por hexágonos, o que elimina a área de sombra quando sobrepostas umas às outras. A figura 1 mostra o formato das células e o reuso de freqüências fator 7, onde é formando um conjunto de sete células, cada uma com uma freqüência diferente, mas que podem ser repetidas ao em outros conjuntos. Isto economiza recursos de banda da rede, porém pode causar interferências, portanto um bom plano de freqüências pode minimizar bastante estes efeitos (FOROUZAN, 2008).

Figura 1: Células e reuso de freqüência fator 7 (FOROUZAN, 2008)

Há várias tecnologias empregadas em telefonia celular, as quais evoluíram demasiadamente nas últimas décadas. O quando evolutivo mostrado na figura 2 apresenta os passos que o celular tomou com o passar dos anos.

Figura 2: Evolução da telefonia Móvel Celular (HOLMA; TOSKALA, 2007)

A primeira geração (1G) é o Sistema de Telefonia Móvel Avançado (AMPS – Advanced Mobile Phone System), o qual é caracterizado por um sistema de canal de voz analógico baseado em Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência (FDMA – Frequency Division Multiple Access). Proveu serviços de voz, porém dados ainda era com taxa de transmissão de 9600 bps (FOROUZAN, 2008).

A segunda geração (2G) foi um grande avanço, pois o canal de voz passou a ser digitalizado com os métodos de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA – Time Division Multiple Access), que também foi base para o Sistema Móvel Global (GSM –Global System Mobile) e o Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA – Code Division Multiple Access), cada uma com características baseadas num tipo de modulação específico (RODRIGUES, 2000). Esta geração também proveu o acesso à rede de dados entre as operadoras com taxas de transmissão mais elevadas, em torno de 64 Kbps, o que era razoável para as aplicações vigentes à época. Do GSM vieram os Serviços de Pacotes Gerais de Rádio (GPRS – General Packege Radio Services) e a Evolução de Taxa de Dados Melhoradas (EDGE – Enhanced Data Rates for GSM Evolution) (FOROUZAN, 2008).

A terceira geração (3G) chegou para prover ao usuário Internet em banda larga. Sobressaíram-se a Banda Larga de Acesso Múltiplo por Divisão de Código (WCDMA – Wide-Band Code-Division Multiple Access) para o Sistema Móvel Universal de Telecomunicações (UMTS – Universal Mobile Telecommunication System), evoluído do GSM. Trazendo também as tecnologias Acesso a Pacote de dados de descida em Alta-Velocidade (HSDPA – High-Speed Downlink Packet Access) e Acesso a Pacote de dados de subida em Alta-Velocidade (HSUPA – High-Speed Uplink Packet Access) para maiores taxas de transmissão de download e upload. Finalmente, o CDMA2000 oriundo do CDMA (FOROUZAN, 2008).

A quarta geração (4G) está sendo utilizada, em países como o Japão. Denominada de Evolução de Taxas Elevadas (LTE – Long Term Evolution), esta é baseada em novas técnicas de modulação e Múltilplas – Entradas Múltiplas – Saídas (MIMO – Multiple-input Multiple-output communications), mesma tecnologia usada em transmissões de redes sem fio, ela promete taxas de dados até 100 Mbps (HOLMA; TOSKALA, 2007).

Embora se tenha várias tecnologias para avaliar em serviços baseados em localização geográfica, este projeto ater-se-á ao GSM no que diz respeito à arquitetura e uso no Brasil, uma vez que mais de 90% dos brasileiros usa essa tecnologia, o que totaliza 150 milhões de usuários, aproximadamente. Quanto à radiofreqüência, os conceitos se aplicam muito bem as demais.

Características rede de telefonia celular

Na telefonia fixa, as características principais são baixa densidade de usuários, não reutilização de freqüências, alta potência de transmissão, antenas elevadas, grande área de cobertura e não expansão modular (RODRIGUES, 2000). Por outro lado, todas elas são antagônicas, pois possui: alta densidade de clientes, reuso de freqüências (trunfo principal, uma vez que economiza banda de freqüências), baixa potência de transmissão, sistemas irradiantes relativamente baixos (uma vez que as estações móveis ficam mais próximas), pequena área de cobertura, porém eficiente; e expansão modular teoricamente infinita, porque as células podem ser tratadas como módulos.

Handover / Handoff

Uma das características mais interessantes do sistema celular é o handover ou handoff. Este evento ocorre quando a EM está em conversação no limite de atuação da célula. O Centro de Comutação e Serviços de Rede Móvel (MSC – Management Switching System) verifica a posição da estação e solicita ao canal de controle de uma célula vizinha que assuma o assinante. Outro caso de solicitação de handover é quando ocorre a situação em que o sinal não está atendendo às condições mínimas para a continuação da chamada, isso por problemas de transmissão ou na própria Estação Base Transceptora (BTS – Base Station Transceptor). A MSC atua como no caso anterior, só que respeita os parâmetros configurados na célula antes de tomar a decisão. A figura 3 (BERKELEY, 1995) ilustra como o evento ocorre. A EM está na BTS1, solicita a mudança de célula, a BTS2 aceita o pedido e o móvel muda de um ponto a outro sem interrupção da chamada.

Figura 3: Pelo handover, a EM passa a receber cobertura da BTS1 à BTS2 (BERKELEY, 1995)

Roaming

Outra característica marcante da Telefonia Celular é o roaming. Semelhante ao sistema tradicional dos correios, onde uma carta pode chegar a qualquer lugar do mundo, o telefone celular pode funcionar em qualquer país também (desde que haja cobertura fornecida por uma operadora naquele ponto), ou seja, quando o usuário desloca-se para outra cidade, estado ou país diferente de sua origem, o sistema tem a capacidade de prover serviço para ele no momento em que o seu aparelho for ligado (FOROUZAN, 2008). Estes usuários passam a ser chamados de “romeiros”, a partir desse instante. Entretanto, como as operadoras não têm rede suficiente, nem autorização para funcionar em todo planeta. As companhias selam acordos de roaming entre si. Estes contratos permitem que clientes de empresas diferentes agreguem-se às redes e falem em seus aparelhos normalmente. As despesas das ligações e serviços oferecidos são divididas em percentuais de acordo com o contrato.

Arquitetura GSM

A figura 4 apresenta a arquitetura básica (RODRIGUES, 2000) de uma rede GSM, a qual se divide em dois sistemas, que serão descritas a seguir:

Figura 4: Elementos Básicos da Arquitetura GSM (TUDE, 2003)

O primeiro é denominado Sistema de Rede e Comutação (NSS – Network Switching System): Ele é formado pelo Centro de Comutação e Serviços de Rede Móvel (MSC), Registrador de Localização de Origem (HLR – Home Location Register), Centro de Autenticação (AUC – Autentication Center), Registrador de Identidade de Equipamento (EIR – Equipament Identity Register), Registrador de Localização de Visitante (VLR – Visitor Location Register) e para supervisão e operação dos sistemas, a rede GSM conta com o Centro de Monitoração de Rede (CMR – Network Monitoring Center), o qual é composto pelo Centro de Gerenciamento de Rede (NMC – Network Management Center) e Centro de Operação e Manutenção (OMC – Operation and Maintenance Center).

O segundo é o Sistema de Estação Base (BSS – Base Station System Center), formado pela Controladora da Estação Base (BSC – Base Station Contoler) e BTS, esse sistema é o foco das atenções para que o desempenho da cobertura seja o melhor possível, pois é na BTS que todos os parâmetros são ajustados, onde o sistema irradiante, formado por antenas e cabos, fica instalado e é nele que a EM faz o primeiro contato com a rede celular. O funcionamento adequado desse sistema contribui para a correta irradiação de sinais de radiofreqüência, que é fundamental para uma boa transmissão/recepção (RODRIGUES, 2000).

Dentro do BSS as BTS estão subdivididas em três grupos. De acordo com suas características construtivas, elas podem ser macrocélula, microcélula e picocélula (RODRIGUES, 2000).

• Macrocélula: Opera com alta potência de saída e tem como finalidade prover cobertura e tráfego em ambientes internos (indoors) e externos (outdoors). A macrocélula opera em conjunto com outras, possui raio de quatrocentos metros ou mais e podem ser identificadas facilmente nas cidades pelas torres de sustentação que comportam seus sistemas irradiantes. Há dois tipos de macrocélulas: Ominidirecional – Transmite sinais de radiofreqüência em todas as direções e Setorizada – Transmite sinais de radiofreqüência numa direção específica.
• Microcélula: Opera com potência de saída mais baixa e também provê cobertura para ambientes internos e externos. Desenvolvidas para cobrir áreas relativamente pequenas, geralmente 25% de uma macrocélula, elas são usadas para suprir tráfego em regiões de alto fluxo de usuários. Também são dimensionadas para prover capacidade de tráfego e/ou cobertura em locais específicos como: corredores e andares mais elevados de edifícios. A BTS fica instalada dentro do prédio e as antenas podem ser montadas no teto ou na parede. Outras aplicações das microcélulas são rodovias, ruas, esquinas e cruzamentos movimentados, túneis e partes limitadas de edifícios vizinhos.
• Picocélula: São desenvolvidas especificamente para ambientes internos, onde a capacidade de tráfego é baixa, a propagação de radiofreqüência é limitada e locais estratégicos como lojas de venda de aparelhos. Este tipo de BTS tem raio de ação até sessenta metros e disponibiliza serviço em locais muito fechados, como linhas de produção e subsolos de grandes edifícios, saguões de hotéis, estações de metrô, restaurantes, estacionamentos, centros comerciais, escritórios e quadras esportivas.

Em alguns casos específicos, onde o tráfego é baixo, mas a estação não alcança certas localidades, como zonas rurais, por exemplo, o uso de reforçadores celulares é imprescindível. O equipamento também conhecido como repetidor celular, utiliza alguns canais de voz da macrocélula e amplifica-os, o resultado é a expansão da área de cobertura da célula.