Sistema de Telefonia Móvel – Terceira Geração (3G)
Joel O. Aragão, Tárcio B. M. Sales
Escola de Ciências Exatas e Tecnolog...
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1. WWAM (Wireless Wide Area Network)
O serviço celular desde suas primeiras gerações funciona através da
divisão de área...
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1.1. AMPS, TDMA, CDMA e GSM
As tradicionais tecnologias de sistemas são AMPS, TDMA, CDMA e GSM
encontrada em aparelhos c...
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A Segunda Geração (2G) de celulares transmitia os dados convertendo
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Há duas modalidades de comunicação utilizada pela tecnologia 3G de
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5.1.CDMA-2000 1x
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5.2.UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service)
O UMTS é uma das tecnologias 3G que tem como intuito oferecer
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Figura 1: Arquitetura de uma rede UMTS.
Fonte: Teleco
O CN tem a funções de gerenciar a rede como um todo, fazendo
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Atualmente a interface aérea usada para o UMTS é o W-CDMA
(Wideband Code Division Multiple Access), entretanto veremos ...
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O WCDMA possui arquitetura aberta nos preceitos definidos pelo
UMTS e mantém compatibilidade com as redes 2G existentes...
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Considerações
A tecnologia 3G é a evolução das redes 2G e 2.5G, se caracterizam pela
transmissão de dados em alta veloc...
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Referências
A Tecnologia 3G no mundo. Disponível em: 06/04/2013 -
http://informatica.hsw.uol.com.br/telefonia-3g2.htm
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Este trabalho consiste em descrever o Sistema de Telefonia Móvel celular, da Terceira Geração (3G) bem como a arquitetura, topologia, características dessa geração. É possível observar o tamanho da diferença
entre as gerações existentes e a qualidade de serviços prestados. Destacaremos as principais aplicações e vantagens da rede 3G e quais fatores colaboram para seu surgimento.

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Sistema de Telefonia Móvel – Terceira Geração (3G)

  1. 1. Sistema de Telefonia Móvel – Terceira Geração (3G) Joel O. Aragão, Tárcio B. M. Sales Escola de Ciências Exatas e Tecnologia Centro Universitário do Norte (UNINORTE) – Manaus – AM - Brasil {joelsnob, tarccio}@gmail.com Abstract. This project is to describe the Mobile Telecommunication System of Third Generation (3G) as well as the architecture, topology, characteristics of 3G. It´s clear to see the size difference among the generations and their quality of service provides. We highlight the main applications and advantages of the 3G network and which reasons helped out to its appearance. Resumo. Este trabalho consiste em descrever o Sistema de Telefonia Móvel celular, da Terceira Geração (3G) bem como a arquitetura, topologia, características dessa geração. É possível observar o tamanho da diferença entre as gerações existentes e a qualidade de serviços prestados. Destacaremos as principais aplicações e vantagens da rede 3G e quais fatores colaboram para seu surgimento.
  2. 2. 2 1. WWAM (Wireless Wide Area Network) O serviço celular desde suas primeiras gerações funciona através da divisão de áreas geográficas em células, cada uma utiliza um conjunto de sinais de radio freqüência, que se associam a transmissores e receptores de baixa potência. Cada célula possui um computador e um transmissor/receptor ligados a uma antena (Piva, 2000). A WWAN (Wireless Wide Área Network) é uma das principais redes sem fio, utilize de sinais de telefonia móvel para a comunicação de aparelhos, fornecida e mantida por operadoras de serviços de telefonia móvel. É possível utilizar essa tecnologia sem serviços de banda larga, com altas taxas de transferência de dados, possibilitando vídeos conferências e televisão entre outros. “O sistema de comunicação da telefonia móvel 3G irá alterar radicalmente a forma como utilizamos os celulares. O celular poderá permanecer mais tempo diante dos olhos do que ao ouvido, pois com o advento fornecedor pela tecnologia permitira um uso de multimídias...” afirmou Piva, 2000. Com a qualidade de voz similar à dos telefones fixo e a agilidade de transmissão de dados da internet de banda larga DSL, os usuários puderam ter autonomia de realizar tarefas ou acessar sites, redes sociais, com maior freqüência e em praticamente qualquer lugar. A IMT-2000 (International Móbile Telecommunications-2000) é um conjunto de soluções tecnológicas, elaborado pela ITU, que permitiram a implementação e integração harmoniosa das comunicações sem fio, e integrou esse padrão a Terceira Geração (3G) de comunicação de aparelhos móveis estabelecendo harmoniosamente critérios na solução dos problemas anteriores.
  3. 3. 3 1.1. AMPS, TDMA, CDMA e GSM As tradicionais tecnologias de sistemas são AMPS, TDMA, CDMA e GSM encontrada em aparelhos celulares de telefonia, enquanto AMPS é analógica as demais são digitais. No mundo existem quatro sistemas digitais utilizando tecnologias distintas de múltiplos acessos: • GSM (Global System for Mobile Communications); • D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System); • PDF (Personal Digital Cellular); • CDMA (Code Division Multiple Access); Sendo o D-AMPS utilizado nas Américas, o PDC no Japão, o GSM na Europa, Oceania, Asa e África e o CDMA nos EUA, Corréia do Sul, Hong Kong e outros países que estão aderindo por esses sistemas, no Brasil há 3 dessas tecnologias citadas em funcionamento. 2. Tecnologia Analógica AMPS foi a primeira geração de tecnologia de celulares, formada por sistemas analógicos e utiliza em seus canais a modulação FM, a comunicação da AMPS é dividida em canais de RF onde cada canal consiste em um par de freqüências de transmissão e recepção de 30 KHz de banda cada. Cada banda ocupa 12,5 MHz e é composta por 416 canais, sendo 21 canais de controle e o restante de voz, quando um canal de voz é alocado permanece dedicado a uma chamada durante toda a sua duração. Após a implantação dos sistemas digitais o AMPS, passou a ser utilizado para compatibilizar a cobertura dos sistemas TDMA e CDMA, que por convenção são duas sendo TDMA/AMPS e CDMA/AMPS, assim
  4. 4. 4 quando não há alcance do sinal digital o sinal AMPS passa a operar automaticamente, pelo seu alcance, apesar do alto consumo, permitindo a utilização em roaming de operadora com o sistema digital concorrente. 3. Tecnologias Digitais TDMA ou D-AMPS, mantém toda a estrutura de canalização do AMPS, contudo permite que um canal seja dividido em até seis intervalos de tempo e compartilhado com um único canal comunicar-se entre seis aparelhos, assim cada usuário ocupa uma determinada unidade de tempo em uma única transmissão, o que em teoria impede problema de interferência. O CDMA é baseado na distribuição por códigos, onde cada comunicação é diferenciada das demais através de um código que lhe é atribuído na abertura da comunicação de um aparelho. O GSM consiste na utilização de um pequeno chip, o SIM (Subscriber Identity Module) Card com a função de armazenar todos os dados do usuário, de sua agenda pessoal a seu código de autenticação, que nas modelas anteriores era integrada no aparelho. 4. As primeiras Gerações Com a evolução tecnológica, os sistemas de telefonia entraram em novos horizontes, se deparando com uma capacidade de expansão notável, tanto em comunicação de voz quanto dados. A Primeira Geração (1G) de celulares transmitia os dados de forma analógica (AMPS) com uma taxa de transferência de 9600 bps, nesta geração era apenas fornecida a transmissão de voz.
  5. 5. 5 A Segunda Geração (2G) de celulares transmitia os dados convertendo o sinal analógico em digital (TDMA, CDMA, GSM) com uma taxa de transferência de 14.4 kbps. Através de uma implementação surgiu a tecnologia intermediaria 2.5G para suportar o padrão WAP (Wireless Application Protocol) de acesso a dados por comunicações GPRS (General Packet Radio Service) e EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) com taxas de transferências de dados de até 115Kbps, a especificação WAP desenvolvido para prover serviços semelhantes a um navegador web, com a disposição exclusiva para sistemas móveis de celular, no inicio de sua implantação foi depreciado devido a enormidade de limitações encontradas tanto no seu uso quanto em sua interface, com o advento evolutivo para a WAP 2.0 e sua interpretação de códigos de WML para XML houve uma expressiva melhor, mas ainda assim seu uso continuou limitado pela largura de banda de transferência de dados e interface pouco amigável. 5. Terceira Geração (3G) A Terceira Geração (3G) de celulares capacita aos aparelhos, além das funcionalidades anteriores altas taxas de transmissão de dados e multimídia a picos de 140 Kbps, 400 Kbps e 2 Mbps de acesso por comunicações UMTS (Universal Móbile Telecommunications System), HSDPA (High Speed Downlink Uplink Packet Access) e WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) com suas variantes. A 3G, Terceira Geração de Celulares, suporta serviços de alta capacidades, permite acesso a internet, alta taxa de transmissão de dados, permite assistir TV no aparelho celular, fazer uso de jogos 3D com múltiplos jogadores, utilizar ferramentas de busca, serviços de localização, de teleconferência, tornando o celular uma estação móvel de entretenimento.
  6. 6. 6 Há duas modalidades de comunicação utilizada pela tecnologia 3G de telefonia móvel conhecida como TDD (Time Divisor Duplex) e o FDD (Frequency Divisor Duplex). TDD é um método semelhante ao funcionamento do TDMA, onde as transmissões do uplink e do downlink são carregadas na mesma faixa de freqüência, usando intervalos sincronizados dos períodos. Assim os intervalos do tempo são divididos tanto na transmissão quanto na recepção. FDD é um método semelhante ao funcionamento do AMPS, onde as transmissões do uplink e do downlink empregam duas faixas de freqüência distintas e especificados é atribuindo para uma única conexão. Devido a ambas modalidades de comunicação integrarem os aparelhos de comunicação 3G, quando o aparelho migrar uma posição geográfica onde seja adotado uma modalidade disponível diferente, permite a realocação automática do modulo de transmissão, fazendo uso do spectrum disponível de forma eficiente e sem incompatibilidade. Os serviços da terceira geração de celulares podem operar tanto nas freqüências que as operadoras de celulares já possuem (como em 800 MHz e 1800 MHz), como em freqüências destinadas especificadamente para operações da tecnologia 3G (2.1 GHz); O Brasil desde 2004 dispõe da tecnologia 3G, que tem taxas de pico de transmissão de dados 2,4 Mbps (CDMA 2000). Estima-se que as taxas de pico da terceira geração de telefonia móvel podem chegar de 1,8 Mbps a 7,2 Mbps (HSDPA) dependendo da versão implementada.
  7. 7. 7 5.1.CDMA-2000 1x CDMA 2000 vem de uma família de padrões de telefonia móvel 3G que usa CDMA, um esquema de acesso múltiplo para redes digitais, para enviar voz, dados e sinalização (como um número telefónico marcado) entre telefones celulares e estações base. Esta é a segunda geração da telefonia celular digital IS- 95. O CDMA 2000 tem, relativamente, um histórico técnico grande, é compatível com os antigos padrões que usam CDMA (como cdmaOne), desenvolvidos pela Qualcomm, empresa proprietária de várias patentes internacionais sobre tecnologia. Se trata do núcleo do padrão de interface sem fio do CDMA2000, é conhecido também por 1xRTT (1 times Radio Transmission Technology), IS-2000 e CDMA2000. É usado para detectar a versão do CDMA2000, opera com um par de canais de 1,25MHz, quase duplicando a capacidade de voz comparando-se com a IS-95. Mesmo sendo capaz de suportar altas velocidades de dados, a memória de desenvolvimento está limitada a uma velocidade de pico de 144Kbps. Na verdade, o 1xRTT é considerado por muitos como sendo 2,5G ou 2,75G, mesmo tendo sua denominação como 3G. Isto permitiu que a tecnologia fosse implementada nas frequências de espectro da 2G em alguns países, limitando os sistemas 3G em certas bandas. As principais diferenças da sinalização entre IS-95 e IS-2000 são: uso de apenas uma senha piloto sobre o link reverso do IS-2000, que permite o usa de uma modulação coerente e 64 canais mais o de tráfego sobre o link direto de maneira ortogonal ao set original. Algumas mudanças também foram feitas na camada de enlace de dados para permitir o melhor uso dos serviços de dados, como protocolos de controle de acesso e controle de QoS, diferente do IS-95 que não tem nenhuma dessas características e a camada de enlace basicamente contaria um "melhor esforço" na entrega dos pacotes.
  8. 8. 8 5.2.UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) O UMTS é uma das tecnologias 3G que tem como intuito oferecer mobilidade ao usuário e ampliar os serviços oferecidos para que além de telefonia o usuário possa ter acesso a Internet banda larga. Foi padronizado pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute), mas em 1998 quem assumiu o trabalho de dar continuidade as especificações técnicas foi o 3GPP (Third Generation Partnership Project). Em 1992 foram designadas as frequências de 1885Mhz à 2025Mhz e 2110Mhz à 2200Mhz para o UMTS. Dentro deste espectro foi especificada uma banda para transmissões via satélite, 1980Mhz à 2010Mhz para uplink e 2170Mhz à 2200Mhz para downlink. Além disto, outras sub-bandas foram alocadas para modos de transmissão FDD (Frequency Division Multiplexing) e TDD (Time Division Multiplexing). Outro aspecto importante que merece ser analisado é a arquitetura da rede UMTS, como pode ser visto na Figura 1. Ela é basicamente composta de 3 unidades básicas: o centro da rede (Core Network) o qual iremos nos referir como CN, a UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network) e o usuário final que iremos identificar como UE (User Equipament).
  9. 9. 9 Figura 1: Arquitetura de uma rede UMTS. Fonte: Teleco O CN tem a funções de gerenciar a rede como um todo, fazendo roteamento e controle de tráfego. A interface até o usuário é feita pela UTRAN que possui dois elementos: o RNC (Radio Network Controller) e o Node-B, ou estação base. Dentre as funções da RNC estão: controle de admissão, alocação de banda, controle de handover e controle de potência. A RNC se conecta com o CN através de uma conexão nomeada lu, se liga a outras RNC´s através das conexões chamadas lur, e se liga aos Nodes-B através das lub. Todas essas conexões essas são baseadas em transmissões ATM (Asynchronous Transfer Mode). O Node-B é responsável por fornecer serviço a uma ou mais células através de uma interface aérea, também faz o tratamento dos erros e controla a codificação e modulação/demodulação. A ligação aérea com a UE é chamada de Uu. A figura abaixo elucida o funcionamento de uma UTRAN, ou apenas RAN (Radio Acess Network).
  10. 10. 10 Atualmente a interface aérea usada para o UMTS é o W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), entretanto veremos neste trabalho novas tecnologias de interface aérea para o UMTS que pretendem substituir o W- CDMA, aumentando a vazão da rede. 5.3.HSPA (high Speed Packet Access) Tecnologia que permite enviar e receber grandes arquivos, jogar online, enviar e receber vídeos e imagens em alta resolução, fazer download de música e permanecer conectado à Internet ou à rede IP do escritório. O maior benefício do padrão HSPA é a possibilidade de oferece uma experiência melhorada para o usuário. Na prática isto significa tempo menor de download e upload com altas taxas de transmissão de dados e latência reduzida, quando comparado com o WCDMA 3GPP Release 99. O HSPA também beneficia as operadoras reduzindo o custo do bit trafegado através de um sistema com maior capacidade. Em outras palavras, mais usuários podem ser atendidos com altas taxas de dados, e com um custo do bit trafegado menor. 5.4.WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) O WCDMA tem se popularizado como principal tecnologia empregada nas redes celulares de terceira geração no Brasil. WCDMA é uma tecnologia de Acesso Múltiplo por Divisão de Código em Sequência Direta de banda larga, a qual emprega técnicas de espalhamento espectral, onde a informação do usuário é multiplicada por códigos pseudo-aleatórios (chamados chips) derivados da idéia do CDMA.
  11. 11. 11 O WCDMA possui arquitetura aberta nos preceitos definidos pelo UMTS e mantém compatibilidade com as redes 2G existentes. Para uma abordagem funcional dos elementos que constituem a arquitetura de uma rede WCDMA podemos dividi-la em três, como primeiro elemento dessa rede temos Core Network, responsável pela comutação e roteamento dos serviços de voz e conexões de dados com as redes externas, UTRAN seria um segundo elemento da rede, onde se concentram todas as funcionalidades relativas RF, por último temos o Equipamento do Usuário UE, interface através da qual o usuário acessa a UTRAN. Para os elementos UTRAN (UMTS Radio Access Network) e UE o padrão UMTS estabelece todo um conjunto novo de protocolos que atendem as novas tecnologia e necessidade empregadas no WCDMA, já para a Core Network há uma integração com a da rede GSM existente. Temos os principais elementos desta arquitetura representados na Figura 2. Figura 2: Arquitetura W-CDMA Fonte: Drive-test
  12. 12. 12 Considerações A tecnologia 3G é a evolução das redes 2G e 2.5G, se caracterizam pela transmissão de dados em alta velocidade. Na rede 3G, as operadoras transmitem voz e dados dentro de um sprectum de freqüência mais amplo entre 1,9 GHz e 2,1 GHz. Nas telefonias 2G e 2.5G os celulares operam na faixa de 900 MHz e 1.8 MHz e atingem taxas de transmissão de até 384 Kbps, usando tecnologia EDGE (Enhanced Data rastes for GSM Evolution) e até 85 Kbps, usando tecnologia GPRS (Global System for Móbile Commucation) utilizam as duas tecnologias, e a velocidade alcançada depende do aparelho. Tecnologia Taxa de download Taxa de upload GPRS de 60 kbps a 80 kbps de 20 kbps a 40 kbps EDGE de 177,6 kbps a 384 kbps de 59,2 kbps a 118,4 kbps WCDMA de 384 kbps a 5,7 Mbps de 144 kbsp a 384 kbps As velocidades alcançadas na tabela acima dependem da localização do terminal celular. Em ambientes móveis, como no carro, a rede 3G atinge 144 Kbps. Em ambientes abertos, a velocidade é 384 Kbps ou é possível atingir a velocidade máxima da tecnologia. A principal característica é também o maior beneficio da terceira geração de telefonia é a velocidade. As redes 3G garantem uma velocidade de transmissão de dados até 15 vezes mais do que as atuais (Ribeiro, 2005). A rede 3G oferece capacidade de roaming por toda Europa, Japão e Estados Unidos, onde a tecnologia tem uso há mais tempo que no Brasil.
  13. 13. 13 Referências A Tecnologia 3G no mundo. Disponível em: 06/04/2013 - http://informatica.hsw.uol.com.br/telefonia-3g2.htm PIVA, Dean. Teixeira, Mauricio. Beloni, Rodrigo. Capuano, Thiago. A Evolução para a Tecnologia 3G. – 2008 – Scribd. Rezende, Edmar Roberto Santana; Segurança em Sistemas Móveis: Universidade Estadual de Campinas. Disponível em: 06/04/2013 http://www.las.ic.unicamp.br/edmar/Palestras/UFLA/ SistemasMoveis.pdf Tecnologia 3G. A Mais Avançada Tecnologia Celular. Disponível em: 06/04/2013 - http://www.tecnologia3g.com.br/ Drivetest. “O que é WCDMA?” – Disponível em: 06/04/2013 http://drivetestbr.wordpress.com/2009/05/25/o-que-e-wcdma/ Teleco. Ericson. “HSPA: Conceitos Básicos” – Basic Concepts of HSPA – 2007 – Disponível em: 06/04/2013 - http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhsdpacb/default.asp Ribeiro, Miguel. “Tecnologias 3G: uma visão prática” – Universidade Federal do Rio Grande do Sul – Porto Alegre – 2008. Pasinato, Marden. “UMTS, HSDPA, HSUPA e LTE” – Engenharia da Computação e Informação - UFRJ – 2008 – Disponível em: 07/04/2013 - http://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2008_2/marden/Introduo.html

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