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Arquitetura do sistema

  Um sistema rádio móvel pode ser elaborado segundo uma arquitetura centralizada ou descentralizada. Em uma arquitetura centralizada, a Central de Comutação Móvel em geral controla uma grande quantidade de estações base, tanto de células próximas como distantes. Em um sistema descentralizado, as CCC’s têm uma região menor de abrangência, controlando menos estações base quando comparado à outra arquitetura.

  Sistemas pequenos tendem a ser centralizados, enquanto que sistemas maiores seguem a abordagem descentralizada. Há diferentes níveis de descentralização, onde pode ou não haver interconexão entre as CCC’s. No primeiro caso (há conexão entre CCC’s), uma chamada de um móvel passará pela rede fixa apenas quando o usuário chamado for fixo. Por outro lado, no segundo caso (não há conexão entre CCC’s), mesmo que o usuário chamado seja móvel, mas pertencente a uma outra área de serviço (outra CCC, portanto), a chamada terá que passar pela PSTN  , pois é ela que proverá o contato entre as duas CCC’s.  

A Rede Brasileira  

As operadoras brasileiras  utilizam duas tecnologias digitais diferentes:
 -  TDMA - Time Division Multiple Access e 
 - CDMA - Code Division Multiple Access.

Eis uma relação das áreas, das operadoras, dos grupos ou bandas e das tecnologias (agrupadas de diversas maneiras) e o número de celulares em cada uma , em 23 Nov 2000:

Área 1: Grande S.Paulo   ( 3.971.905)     

Telesp Celular   (A - CDMA)
BCP   (B - TDMA)

Área 2: Est. São Paulo   (2.208.160)

Telesp Celular   (A - CDMA) 
Ceterp Celular (A - CDMA) CTBC Celular  (A - TDMA) 
Tess   Celular (B - TDMA)

Área 3: Rio de Janeiro e Espírito Santo      (3.789.098) 
Telefônica Celular   (A - CDMA) 
ATL Algar (B - TDMA)

Área 4 : Minas Gerais   (1.674.140)

Telemig Celular   (A - TDMA)
CTBC Celular   (A - TDMA) Maxitel   (B - TDMA)

Área 5: Paraná e Sta. Catarina   (1.667.891) 
Tele Celular Sul   (A -   TDMA) 
Sercomtel Celular (Londrina)   (A - TDMA) 
Global Telecom   (B - CDMA)

Área 6: Rio Grande do Sul   (1.791.875)
Tele Celular Sul   (A - TDMA) 
Celular CRT (A - TDMA) 
Telet   (B - TDMA)

Área 7: AC, RO, MT, MS, TO, DF e GO   (1.616.541)
   
Tele Centro-Oeste Celular   (A - TDMA ) 
CTBC Celular (A - TDMA) 
Americel   ( B - TDMA)

Área 8: AM, PA, MA, RR e AP   (792.190)

Tele Norte Celular (A - TDMA)
Norte Brasil Telecom (B - TDMA)

Área 9: BA, SE e AL   ( 1.058.256)
Tele Leste Celular   (A - CDMA) 
 MAXITEL  ( B - TDMA)

Área 10 : CE, PI, RN, PB, PE  e AL  (2.295.778)
Tele Nordeste Celular   (A - TDMA) 
BSE   (B - TDMA)

Operadoras da banda A:
Tele Nordeste Celular (TDMA); Tele Leste Celular (CDMA); Tele Norte Celular (TDMA); Tele Centro-Oeste Celular (TDMA) ; Tele Celular Sul (TDMA);  Sercomtel (TDMA);  CTBC Celular (TDMA);  Telemig Celular (TDMA);  Telefonica Celular (CDMA); Telesp Celular (CDMA);  Celular CRT (TDMA); CETERP (CDMA).

Operadoras da banda B:
BSE (TDMA); BCP (TDMA);  Norte Brasil Telecom (TDMA);  Americel (TDMA);  Telet (TDMA); Global Telecom (CDMA);  Maxitel (TDMA); ATL (TDMA) ;Tess(TDMA).

Operadoras de tecnologia CDMA:
Tele Leste Celular (A); Telefonica Celular (A) ;Telesp Celular (A) ;CETERP (A); Global Telecom (A)

Operadoras de tecnologia TDMA:
Tele Nordeste Celular (A) ;Tele Norte Celular (A); Tele Centro-Oeste Celular (A); Tele Celular Sul (A); Sercomtel (A); CTBC Celular (A); Telemig Celular (A); Celular CRT (A); BSE (B); BCP (B); Norte Brasil Telecom (B); Americel (B) ;Telet (B); Maxitel (B); ATL (B); Tess(B). 

Processamento de Chamadas 

Canais diretos e reversos

Os canais de comunicação entre o móvel e a ERB podem ser classificados como diretos (da ERB para o móvel) ou reversos (do móvel para a ERB).

Vamos utilizar o exemplo do CDMA 

Canais Diretos

1. Canal Piloto

·        O móvel faz uma busca lógica do canal piloto para saber se está em uma área de cobertura com sinal CDMA.

·        Sinal não modulado.

·        Serve como referência de fase para que o móvel possa decodificar os outros canais.

·        Serve também para que o móvel determine a sua distância até a ERB, através de uma medida da potência do canal piloto.

·        É pelo canal piloto que o móvel identifica a ERB . Identificadas as ERBs e suas potências recebidas naquele instante, a central tem a localização aproximada do móvel e pode então orientar o correto handoff .

2. Canal de Sincronismo

·        É usado pelo móvel para se sincronizar com o sistema (base de tempo).

3. Canal de Paging (busca)

·        É usado para transmitir informações enquanto o móvel está vago ou em transição para um canal de voz.

·        Envia mensagens de registro, handoff vago, designação de canais, mensagens de busca, parâmetros do sistema, parâmetros de acesso, lista de pilotos vizinhos, lista de portadoras CDMA ativas.

·        É o canal paging quem se comunica com o canal de acesso (canal reverso).

4. Canal de Tráfego (voz)

·        É por onde ocorre a conversação.

Canais Reversos

1.       Canal de Acesso

·        É usado para responder a solicitações da ERB enquanto o móvel está vago.

·        Envia mensagens de registro e resposta à busca .

2. Canal de Tráfego (voz)

·        É por onde ocorre a conversação.

Processamento de uma chamada de um móvel para um telefone fixo

1.       O móvel envia mensagem de origem e os dígitos discados no canal de acesso. O Gerenciador de Mobilidade (GM) da central recebe estes dados e pede que a central designe um circuito terrestre para esta chamada.

2.       É designado um circuito (CCC-ERB) e um elemento de canal (MCC) para esta chamada.

3.       Toque de retorno e conversação

Processamento de uma chamada de um telefone fixo para um móvel

1.       A central recebe uma chamada da rede fixa e determina se o móvel chamado é válido.

2.       Através do seu último registro, ou seja a última ERB de onde o móvel enviou sinalização, a CCC inicia uma busca, através do canal de paging.

3.       Ocorre a validação a designação de um circuito para esta chamada.

4.       Conexão.

Alocação de canal

            Para um uso eficiente do espectro rádio disponível, é requerido um esquema de reuso de freqüências que seja consistente com os objetivos de aumento de capacidade e redução de interferência. Com o intuito de aumentar a eficiência na utilização do espectro, uma variedade de estratégias de alocação de canais foi então desenvolvida. Tais estratégias podem ser classificadas como fixas ou dinâmicas. A escolha da estratégia impacta no desempenho do sistema, particularmente em como uma chamada é gerenciada quando um móvel desloca-se de uma célula para outra.

Numa estratégia de alocação fixa de canais, é alocado um determinado conjunto de canais de voz a cada célula. Qualquer tentativa de chamada dentro da célula só poderá ser servida pelos canais desocupados pertencentes àquela célula. Há algumas variantes da estratégia de alocação fixa de canais. Em uma delas, chamada de estratégia de empréstimo (borrowing strategy), uma célula pode pedir canais emprestados de uma célula vizinha se todos os seus canais estiverem ocupados. A Central de Comutação Móvel supervisiona os procedimentos de empréstimo e garante que o empréstimo do canal não interfere em nenhuma chamada que esteja em progresso na célula de origem do canal.

Na estratégia de alocação dinâmica de canais, os canais de voz não são alocados às células permanentemente. Ao invés disso, cada vez que há uma tentativa de chamada, a estação base requisita canal para a MSC. A Central então aloca um canal para a célula que o requisitou.

 A MSC apenas aloca uma determinada freqüência se essa freqüência não está em uso na célula nem em nenhuma outra célula que esteja a uma distância menor que a distância de reuso, para evitar interferência. A alocação dinâmica de canais diminui a probabilidade de bloqueio de chamadas, aumentando a capacidade de troncalização do sistema, pois todos os canais disponíveis estão acessíveis a todas as células. Esse tipo de estratégia requer que a MSC colete dados em tempo real de ocupação de canais, distribuição de tráfego, e de indicações de intensidade de sinal de rádio (RSSI- Radio Signal Strength Indications) de todos os canais, continuamente. Isso sobrecarrega o sistema em termos de capacidade de armazenamento de informações e carga computacional, mas provê vantagem de aumento de utilização dos canais e diminuição da probabilidade de bloqueio.

Handoff

Quando um móvel desloca-se entre células enquanto uma conversação está em andamento, a MSC automaticamente transfere a chamada para um novo canal pertencente à nova estação base. Esse procedimento de handoff não apenas envolve a identificação de uma nova estação base, mas também requer que os sinais de voz e de controle sejam transferidos para canais associados à nova célula.

O processamento de handoffs é uma tarefa muito importante em qualquer sistema celular. Muitas estratégias de handoff priorizam os pedidos de handoff em relação a pedidos de inicialização de novas chamadas, quando da alocação de canais livres em uma célula. Handoffs devem ser realizados com sucesso (e o menor número de vezes possível) e deveriam ser imperceptíveis aos usuários. Projetistas de sistemas devem especificar um nível ótimo de sinal que iniciará o processo de handoff. Uma vez que um nível particular de potência de sinal tenha sido estabelecido como sendo o nível que oferece a qualidade de voz mínima aceitável no receptor da estação base (normalmente entre –90 dBm e –100 dBm)  , um nível de sinal ligeiramente superior é usado como limiar no qual o handoff é feito.

Para se decidir se um handoff é necessário ou não, é importante garantir que a queda no nível do sinal medido não é devida a um desvanecimento momentâneo e que o móvel está realmente afastando-se da estação base que o serve. Para se certificar disso, a estação base monitora o nível de sinal por um certo tempo antes do handoff ser iniciado. Esse procedimento deve ser otimizado de forma que handoffs desnecessários não ocorram e que handoffs necessários sejam realizados antes da chamada ser interrompida.

Em sistemas celulares analógicos de primeira geração, a medição dos níveis de sinal é feita pelas estações base e supervisionada pela MSC. Cada estação base constantemente monitora a intensidade de sinal de todos os seus links de voz reversos (móvel para base) para determinar a posição relativa de todos os usuários em relação à torre da base. Além de medir a RSSI de chamadas em progresso dentro da célula, um receptor adicional em cada estação base, chamado de locator receiver, é usado para determinar o nível de sinal de usuários que estão em células vizinhas. Esse receptor é comandado pela MSC e é usado para monitorar a intensidade de sinal de usuários em células vizinhas que possam ser candidatos a handoff e reportar os valores de RSSI medidos à MSC. Baseada na informação de nível de sinal fornecida pelo locator receiver de cada estação base, a MSC decide se o handoff é necessário ou não e, caso seja, para que célula ele deverá ser feito. 

Em sistemas celulares de segunda geração que utilizam tecnologia TDMA (Time Division Multiple Access), as decisões de handoff são assistidas pelo móvel. No handoff assistido pelo móvel (MAHO), cada estação móvel monitora o nível de sinal recebido de estações vizinhas e continuamente reporta essas medições para a estação base que a serve no momento. Um handoff é iniciado quando a potência recebida de uma estação base vizinha começa a exceder a potência recebida da estação base que serve o móvel de um determinado valor ou por um certo período de tempo. Esse método permite que a chamada seja transferida entre estações base muito mais rapidamente do que o método da primeira geração permite, já que as medições são feitas por cada móvel e a MSC não precisa mais da constante monitoração de níveis de sinal. O esquema MAHO é particularmente bem adaptado a ambientes de microcélulas, onde handoffs são mais freqüentes.

Sistemas diferentes possuem diferentes políticas e métodos para gerenciar os pedidos de handoff. Alguns sistemas tratam pedidos de handoff da mesma forma que os pedidos de inicialização de novas chamadas. Nesses sistemas, a probabilidade de que um pedido de handoff não seja atendido por uma nova estação base é igual à probabilidade de bloqueio de novas chamadas. Entretanto, do ponto de vista do usuário, ter sua chamada abruptamente interrompida no decorrer da ligação parece ser muito mais incômodo do que ser bloqueado eventualmente na tentativa de fazer uma nova chamada. Para melhorar a qualidade dos serviços sob esse aspecto, vários métodos foram desenvolvidos para priorizar os pedidos de handoff sobre os pedidos de inicialização de novas chamadas quando da alocação de canais de voz.

 Priorizando handoffs

Um método para dar prioridade a handoffs é descrito pelo conceito de reserva de canal (guard channel), onde uma fração dos canais da célula é reservada exclusivamente para pedidos de handoff oriundos de células vizinhas. Esse método possui a desvantagem de reduzir o tráfego total permitido a chamadas originadas na própria célula. Entretanto, esse método pode oferecer um uso eficiente do espectro se for utilizado em conjunto com uma estratégia de alocação dinâmica de canais, que minimizará o número de canais reservados requeridos através de uma alocação por demanda eficiente. ^[1]

Considerações práticas sobre handoff

Na prática, problemas podem surgir pelo fato dos móveis trafegarem nas mais diferentes velocidades. Veículos a altas velocidades passam pela região de cobertura em questão de segundos enquanto que pedestres podem não precisar de nenhum handoff no decorrer de uma chamada. Particularmente, com a adição de microcélulas (células de algumas centenas de metros de raio) para prover capacidade, a MSC pode rapidamente ficar sobrecarregada se usuários a altas velocidades estão constantemente sendo transferidos entre células muito pequenas. Muitos esquemas foram e estão sendo desenvolvidos para lidar com o tráfego simultâneo de móveis a altas e baixas velocidades, ao mesmo tempo em que minimizam a intervenção da MSC para o handoff.

Embora o conceito celular ofereça claramente um aumento de capacidade através da adição de células, na prática é difícil para provedores de serviços celulares encontrar novas localidades para instalar estações base, especialmente em áreas urbanas. Devido às dificuldades encontradas, fica mais atraente para os provedores instalar canais adicionais e novas estações base na mesma localidade de uma célula já existente, ao invés de procurar novas localidades. Através do uso de diferentes alturas de antenas (freqüentemente no mesmo prédio ou torre) e de diferentes níveis de potência, é possível se prover células maiores e menores localizadas numa mesma região. Essa abordagem é conhecida como célula guarda-chuva (umbrella cell approach) e é usada para prover grandes áreas de cobertura a usuários em alta velocidade e pequenas áreas de cobertura para usuários a mais baixas velocidades. Essa abordagem garante que o número de handoffs será minimizado para usuários a altas velocidades. A velocidade de cada móvel pode ser estimada pela estação base ou pela MSC através, por exemplo, da medição de quão rapidamente a intensidade média em pequena escala (short-term) do sinal varia no tempo. Se um móvel, deslocando-se a grande velocidade na célula maior está aproximando-se da estação base e sua velocidade está decrescendo rapidamente, a estação base poderá decidir transferir o móvel para uma célula menor, sem intervenção da MSC.

Conceito de célula “guarda-chuva”