Sistema de Telefonia Móvel – Terceira Geração (3G)

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.

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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.

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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 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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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
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).

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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.

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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

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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 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.

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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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