Sistema Móvel Celular

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Sistema Móvel Celular – SMC (4)
Autor: Marcelo dos Santos

Numa situação prática, pode haver mais de um operador de serviços celulares em uma mesma cidade e, certamente, dentro de um mesmo país/continente. Porém, o usuário é assinante de uma operadora apenas. Dessa forma, é necessário que haja interligações entre as diversas operadoras, no sentido de que o assinante de uma operadora possa utilizar os serviços de outra, como visitante (roamer).

Durante o curso de uma chamada, se o móvel desloca-se da área de serviço de uma MSC para a de outra, é necessário um roaming. Portanto, o roaming pode inclusive ocorrer na área de prestação de serviço de uma mesma operadora. Há vários aspectos a serem considerados na implementação do roaming. Por exemplo, uma chamada local pode transformar-se numa chamada a longa distância quando a MSC visitada está em outro estado. Da mesma forma, deve ser dada atenção à compatibilidade de sistemas entre as MSC’s envolvidas.

O compartilhamento de recursos é uma forma muito eficiente de se obter alta capacidade em uma rede de comunicações. No que diz respeito a comunicações móveis, os recursos são os canais disponíveis ou, de forma mais ampla, a banda de freqüências. O mecanismo de acesso deve permitir que qualquer terminal acesse o sistema, provendo um sistema de acesso troncalizado. Se canais são designados a usuários por demanda, o esquema é chamado de Acesso Múltiplo com Alocação por Demanda (DAMA, Demand-Assigned Multiple Access), ou simplesmente Múltiplo Acesso.

De acordo com a forma com que o espectro é disponibilizado aos usuários, tem-se a classificação geral de sistemas em faixa estreita e faixa larga. Em um sistema faixa estreita, a faixa de freqüências é subdividida em várias faixas menores, os canais, que são alocadas sob demanda aos usuários. Em sistemas faixa larga, toda ou grande parte da banda de freqüências é disponibilizada aos usuários, como um único bloco.

Há três formas básicas de se realizar múltiplo acesso, nomeadas de acordo com o mecanismo chave usado para implementá-las:

Enquanto o FDMA e o CDMA são, respectivamente, técnicas faixa estreita e faixa larga por natureza, o TDMA permite ambas as formas de implementação.

Para melhor entendermos as diferenças entre FDMA, TDMA e CDMA podemos imaginar o exemplo da sala. Imaginemos os telefones móveis como duas pessoas tentando conversar.

No sistema FDMA, a sala seria dividida em várias salas menores, cada uma com duas pessoas conversando durante todo o tempo. As duplas estariam isoladas umas das outras, não havendo, portanto, risco de que pudessem ouvir a conversa de outra dupla.

Caso estivessem em um sistema TDMA, haveriam três duplas se revezando em cada sala, cada uma com um tempo pré-determinado para conversar e então dar lugar a uma nova dupla. Após o fim do tempo da terceira dupla, a primeira volta À sala para continuar a conversação.

No CDMA todos os pares estão na mesma sala, mas falando línguas diferentes. Cada um entende somente o seu parceiro, apesar de estar ouvindo as conversas paralelas na sala. Caso uma dupla comece a falar mais alto, todos terão que elevar o volume da sua voz, e assim sucessivamente até que todos estejam gritando e ninguém mais se entenda. Por isto é tão importante o controle de potência dos móveis, uma vez que todos estão “espalhados” na mesma freqüência, numa banda de 1,23 MHz.

Para a implementação de comunicação bidirecional full-duplex, pode-se utilizar divisão no tempo (TDD - Time Division Duplex) ou na freqüência (FDD – Frequency Division Duplex). No TDD, as duas direções de comunicação utilizam uma mesma faixa de freqüências comum, mas instantes de tempo distintos. Por outro lado, no FDD, cada sentido utiliza faixas distintas de freqüências, separadas convenientemente para evitar interferências, permitindo um full duplex real, pois a informação pode trafegar nos dois sentidos simultaneamente. O TDD requer sincronização e tempo de guarda entre slots de ambos os sentidos, também para evitar interferência. Observa-se que o TDD, por utilizar a mesma faixa de freqüências, permite que a comunicação mantenha a mesma qualidade em ambos os sentidos.

Em geral, a arquitetura faixa estreita está associada a sistemas com alta capacidade – o número de canais em que a banda é dividida dá uma dimensão da capacidade do sistema quanto ao número de usuários – mas, muitas vezes, baixa qualidade de transmissão – muitos canais significa banda pequena para cada canal. Nesse sentido, há um esforço para que se utilize técnicas de modulação que permitam qualidade de voz aceitável sem que se aumente a banda ocupada pelos canais, ou até, que se reduza a banda ocupada. Outro aspecto é a necessidade de se utilizar filtros estreitos para minimizar a interferência de canal adjacente, o que contribui para o aumento no custo de equipamento. E ainda, em sistemas faixa estreita, o sinal propagante sofre o chamado desvanecimento não seletivo ( ver figura abaixo) em freqüência, ou seja, quando ocorre um desvanecimento toda a informação contida no canal é afetada, pois o canal é, em geral, muito estreito.

As técnicas de acesso que se utilizam dessa arquitetura são o TDMA faixa larga e o CDMA, sendo que este último freqüentemente usa toda a faixa disponível. Como grande vantagem dessa abordagem, pode-se citar o fato de que a banda utilizada é maior que a banda dentro da qual ocorre desvanecimento não seletivo – ver figura abaixo (banda de coerência). Ou seja, o sinal faixa larga experimenta desvanecimento seletivo em freqüência e, então, apenas uma fração das freqüências que o compõem é afetada pelo desvanecimento. Da mesma forma, interferências também podem ser minimizadas com o uso dessa arquitetura.

A maneira usual de se realizar um esquema FDMA é através da associação de um canal a cada portadora. Esse esquema é conhecido por Canal Único por Portadora (SCPC – Single Channel per Carrier). Os canais possuem bandas de guarda nas suas extremidades, que são pequenas faixas de freqüências destinadas a minimizar o efeito causado por filtros e osciladores imperfeitos, ou seja, minimizar a interferência de canal adjacente gerada pela invasão de um canal na faixa ocupada pelos seus canais adjacentes. Usualmente, o que se chama de “canal” são as duas bandas associadas ao par de portadoras, direta (base para móvel) e reversa (móvel para base).

Sistemas FDMA são sempre FDD e usualmente implementados segundo a arquitetura faixa estreita. Tanto sistemas analógicos como digitais podem ser implementados com a técnica FDMA.

- transmissão contínua – uma vez alocados, os canais são usados continuamente pela base e pelo móvel até o fim da comunicação;

- banda estreita – como cada porção de freqüência é utilizada por um único usuário, a banda necessária é relativamente pequena, variando de 25-30 KHz em sistemas analógicos. Em sistemas digitais, o uso de codificação de voz a baixa taxa pode diminuir ainda mais a banda necessária;

- baixa sobrecarga de informações de controle (overhead) – os canais de voz carregam também mensagens de controle, como handoff por exemplo. Pelo fato dos canais alocados serem usados continuamente, pouco espaço é necessário para controle se comparando ao TDMA, por exemplo;

- uso de duplexador – como a transmissão é full-duplex e usa-se apenas uma antena para transmissão e recepção, deve-se usar um duplexador para fazer a filtragem entre recepção e transmissão e, assim, evitar interferências entre ambas;

- alto custo de estações base – a arquitetura SCPC requer que um transmissor, um receptor, dois codecs (codificador / decodificador) e dois modems (modulador / demodulador) sejam usados para cada canal numa estação base. A alocação de mais usuários em uma mesma portadora, tornaria o sistema mais econômico nesse aspecto;

- handoff perceptível – pelo fato da transmissão ser contínua, a comutação entre freqüências no processo de handoff é perceptível (audível) ao usuário.

Como dito, o TDMA permite implementação em faixa estreita e faixa larga. No TDMA faixa larga, toda ou grande parte da banda disponível é alocada a cada usuário por determinado intervalo de tempo, denominado slot. Em cada slot de tempo apenas um usuário terá acesso a toda (ou grande parte) da banda. No TDMA faixa estreita, o usuário tem acesso a uma pequena porção da banda por determinado intervalo de tempo (slot). A figura a seguir, ilustra o conceito TDMA faixa estreita. No TDMA faixa larga não haveria as subdivisões faixa 1, faixa 2, ... faixa M, ou elas seriam em número muito reduzido comparado ao faixa estreita.

O canal TDMA é definido pelas duas combinações [porção da banda (faixa), slot] alocadas ao usuário, para o link direto e reverso. O TDMA permite utilização tanto de FDD como de TDD.

Como visto, uma única portadora é compartilhada em vários slots de tempo, ou seja, é compartilhada por vários usuários, cada qual em seu instante determinado. Esse mecanismo diferencia o TDMA do FDMA pois, no último, o esquema SCPC fazia com que cada portadora fosse alocada a apenas um usuário até o fim de sua comunicação.

A transmissão entre móvel e base é feita de forma não contínua. A transmissão entre móvel-base é feita em rajadas, ocorrendo apenas no instante de tempo (slot) reservado para que o móvel transmita e/ou receba. Nos demais instantes de tempo, outros usuários poderão ter acesso à mesma portadora sem, portanto, que as comunicações interfiram entre si.

Pelas características apresentadas, a tecnologia digital é a única adequada para o tipo de transmissão envolvido, de forma que sistemas TDMA são sempre digitais.

- vários canais por portadora – como dito, uma portadora é utilizada em vários instantes de tempo distintos, cada qual correspondendo a um canal (usuário). No sistema Americano IS-54, usa-se três slots por portadora, enquanto que no sistema Europeu GSM cada portadora atende a oito slots;

- transmissão em rajadas (bursts)– como cada portadora é compartilhada no tempo, cada usuário transmite ou recebe sua informação numa rajada dentro dos respectivos slots. Essa forma de transmissão também leva a uma maior economia de bateria se comparado ao FDMA;

- faixa larga ou faixa estreita – a banda de cada canal depende de vários fatores, como o esquema de modulação. Dependendo do sistema os canais variam de dezenas a centenas de kHz. Como exemplo, o GSM usa canais de 200 KHz, enquanto que no IS-54 os canais são de 30 kHz;

- alta sobrecarga de informações de controle (overhead) – a característica de transmissão em rajadas requer um tratamento mais minucioso no que diz respeito à sincronização. Os bits requeridos nesse tratamento em conjunto com o fato de haver tempos de guarda entre slots (equivalente à banda de guarda, na freqüência), gera um alto overhead;

- eletrônica complexa – por usar tecnologia digital, muitos recursos podem ser agregados na unidade móvel, aumentando sua complexidade;

- não requer o uso de duplexador – como transmissão e recepção acontecem em slots distintos, é desnecessário o uso de duplexador. O que há é um switch que liga / desliga o transmissor / receptor quando este não está em uso. O uso de duplexador é dispensável mesmo no TDMA/FDD pois, nesse caso, o que se faz usualmente é acrescentar intencionalmente alguns intervalos de tempo entre os slots de transmissão e recepção para que a comunicação nos dois sentidos não ocorra exatamente no mesmo instante ^[1] ;

- baixo custo de estações base – como são usados múltiplos canais por portadora, o custo pode ser reduzido proporcionalmente;

- handoff eficiente – o handoff pode ser realizado nos instantes em que o transmissor do móvel é desligado, tornando-se imperceptível ao usuário;

- uso eficiente da potência, por permitir que o amplificador de saída seja operado na região de saturação;

- vantagens inerentes a sistemas digitais, como capacidade de monitoração da comunicação quadro a quadro, por exemplo.

A Figura abaixo ilustra um quadro (frame) de informação usado em sistemas TDMA. Cada slot é composto de um preâmbulo e bits de informação associados a cada usuário (exemplo de quadro da base para usuários). O preâmbulo tem como função prover identificação, controle e sincronização na recepção. Tempos de guarda são utilizados para minimizar a interferência entre canais (cross talk). Ainda na Figura , cada usuário de um mesmo slot ocupa a sua respectiva faixa de freqüências. Uma vantagem do TDMA é que pode-se alocar diferentes números de slots por quadro para cada usuário, provendo uma forma de banda por demanda, de acordo com as necessidades de comunicação (de dados, no caso) de cada usuário.

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