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IV.       A Tecnologia da 3G

São notáveis as evoluções tecnológicas percebidas nos vários campos da ciência, merecendo destaque aquelas ocorridas com as telecomunicações. Esse item procura apresentar algumas técnicas que, apesar de em vários casos terem sido pesquisadas e desenvolvidas há muito tempo, somente puderam ser implementadas devido aos avanços tecnológicos dos dias atuais. Essas técnicas, novas ou não, viabilizarão a implementação daqueles atributos e características previstas pela visão sobre a terceira geração dos sistemas de comunicação móvel. Outras técnicas aqui não mencionadas, muitas das quais se encontrando ainda em estágio embrionário de pesquisa, associadas àquelas utilizadas na 3G, continuarão a suportar o avanço das telecomunicações além da terceira geração. 

O modo de transmissão por comutação de circuitos predominante nas atuais redes celulares dará lugar ao modo de transmissão por comutação de pacotes, modo esse compatível com a rede mundial e seu protocolo IP (Internet Protocol). Apenas recordando, em um serviço de transmissão de dados por comutação de circuitos é necessário o estabelecimento de uma conexão antes que os dados sejam transferidos da fonte ao destino. Trata-se portanto de um serviço orientado a conexão. O modo de transmissão de dados por comutação de pacotes se refere ao processo de roteamento e transferência de dados através de pacotes endereçados de tal forma que um canal seja ocupado somente durante a transmissão do pacote. Pacotes consecutivos podem trafegar por caminhos diferentes na rede de acordo com o roteamento imposto a cada pacote. 

Nos sistemas 3G deverá também haver um deslocamento da forma de tarifação atual, predominantemente baseada em tempo de conexão, para técnicas de tarifação baseadas no tipo de mídia transportado e/ou no volume de tráfego gerado pelo usuário. 

Os protocolos de compatibilização do conteúdo da Internet com os terminais móveis, como o WAP (Wireless Application Protocol); o transporte de voz sobre redes IP, VoIP (Voice over IP) e o transporte de tráfego IP sobre redes ATM (Asynchronous Transfer Mode), ou sobre redes WATM (Wireless ATM) são termos que deverão passar a serem comuns na terceira geração de sistemas de comunicações móveis. 

Outras técnicas serão responsáveis por uma interface de rádio capaz de suportar os serviços almejados para os sistemas 3G e além da 3G e, consequentemente, as elevadas taxas necessárias. Dentre elas podem ainda ser citadas: 

-       Equalização no domínio do tempo e do espaço.

-       Antenas adaptativas.

-       Potentes esquemas de codificação de canal.

-       Alocação de banda por demanda.

-       Software Radio.

-       Evolução da tecnologia de semicondutores. 

A equalização no domínio do tempo e do espaço (Space-Time domain Equalization) combina estruturas de equalização adaptativa temporal como as do tipo Linha de Atrasos com Derivações (TDL, Tapped Delay Line) [Pro95], [Hay95] com arranjos espaciais de antenas, tendo como principal objetivo a redução da interferência de multipercursos (Multipath Interference) [Tur80] e a interferência intersimbólica [Hay01]. 

O uso de antenas adaptativas se presta tanto na implementação da equalização no domínio do tempo e do espaço quanto para o cancelamento de interferências. Nessa última função, um arranjo de antenas é controlado de forma adaptativa objetivando maximizar a intensidade de irradiação (ganho) na direção desejada e minimizar esse ganho na direção das fontes de interferência. O padrão de irradiação do arranjo é então dinamicamente conformado de tal sorte que a relação entre a potência de sinal desejado e a potência de sinal interferente seja maximizada. É importante ressaltar que os elementos chave desse processo são o algoritmo de adaptação e a implementação do arranjo. Numa primeira e simplificada análise, quanto mais eficaz o algoritmo, mais complexo e de execução demorada ele se torna; e quanto mais elementos compõem o arranjo de antenas, mais eficaz é o processo de cancelamento de interferências e direcionamento do feixe. Existem várias referências sobre esse assunto já disponíveis, mas em caráter tutorial recomenda-se trabalhos clássicos como [God97], [App76] e [Wid67]. 

Claude E. Shannon [Sha48] demonstrou que, adicionando redundância controlada à informação, poder-se-ia reduzir a quantidade de erros na recepção, produzidos pelo ruído, a um patamar tão pequeno quanto se quisesse, desde que a taxa de transmissão estivesse abaixo da capacidade do canal, essa determinada por um limite conhecido por limite de Shannon [Gal68], [Pro95], [Wic95]. A codificação de canal é justamente o processo através do qual essa redundância é adicionada à informação de modo a permitir a detecção e correção de erros. O termo “redundância controlada” está relacionado à restrição das possíveis seqüências de bits de informação na recepção. Tendo uma seqüência detectada um padrão diferente das possíveis seqüências, o decodificador de canal “procura” dentre elas a seqüência que mais se assemelha à seqüência detectada. Essa semelhança é obtida através da correta utilização de critérios de decisão, sendo que os mais conhecidos são o critério do máximo a-posteriori (MAP, Maximum a-posteriori) e o de máxima verossimilhança (ML, Maximum Likelihood) [Lee94]. Ambos têm como objetivo minimizar o erro de decisão sobre os bits transmitidos. 

Hoje existem vários esquemas de codificação de canal que levam um sistema de comunicação a um desempenho muito próximo da capacidade do canal. Dentre eles destacam-se os Códigos Turbo, apresentados pela primeira vez em [Ber93]. Para mais detalhes sobre codificação de canal recomenda-se consultar, dentre outras referências: [Sha48], [Gal68], [Pro95] e [Wic95]. 

Os vários tipos de mídia que serão suportados pelo IMT-2000 com suas diferentes taxas e qualidades de serviço (QoS, Quality of Service) impõem algum tipo de alocação de banda por demanda (exemplo: [Ami94]) e diferentes níveis de proteção da informação, respectivamente. Os diferentes níveis de proteção podem ser atingidos com a mudança do esquema de codificação de canal em função da QoS imposta por cada serviço oferecido. A alocação de banda por demanda permitirá que um usuário ocupe uma largura de faixa equivalente[1] que será função do serviço utilizado a cada instante. Quanto maior a taxa de transmissão necessária para esse serviço, mais banda será disponibilizada. Por exemplo, um usuário que estiver utilizando o sistema apenas para tráfego de voz irá ocupar uma banda significativamente menor que aquele que estiver necessitando do transporte de informações de vídeo conferência. A alocação por demanda de canais código e o uso de fatores de espalhamento espectral variáveis (VSF, Variable Spreading Factor) nos sistemas CDMA e a alocação de slots temporais por demanda nos sistemas TDMA serão os principais responsáveis por atender a esse tráfego multi-taxas de tal sorte que a utilização dos recursos de rádio seja otimizada e a capacidade do sistema seja maximizada. 

O termo software-radio carrega em sua definição uma vasta gama de possibilidades. De maneira geral pode-se entender essa técnica como aquela responsável por uma configuração via software de elementos da interface de rádio dos sistemas de comunicação, tais como técnica de múltiplo acesso, modulação e codificação de canal. Essa configuração por software permitirá a adaptação da interface às condições do ambiente e ao tipo de informação por ela transportada. As principais vantagens de um software-radio incluem (mas não se limitam a) [Cat98]: 
(1) flexibilidade devido à configuração da interface de rádio por software e não por hardware; 
(2) repetibilidade e precisão;
(3) invariabilidade com o tempo e condições ambientais; 
(4) capacidade de implementação de sofisticadas funções a custos relativamente reduzidos e 
(5) custos de implementação e dimensões cada vez mais reduzidos, conforme permite a evolução da tecnologia de semicondutores marcada pela evolução na escala de integração (VLSI, Very Large Scale Integration) e a evolução dos processadores digitais de sinais (DSPs, Digital Signal Processors). 

O vantagem (5) citada no parágrafo anterior na verdade representa um dos grandes impulsionadores e responsáveis pelos maiores avanços nas comunicações sem fio. O processo de miniaturização, o aumento na densidade de empacotamento, o aumento na capacidade de processamento e a diminuição no consumo de potência são fatores que viabilizarão cada vez mais as implementações tecnológicas que suportarão as contínuas evoluções nos sistemas de comunicação de terceira geração e além da terceira geração. 

A evolução tecnológica nos processos de armazenamento de energia tem também grande impacto na evolução dos sistemas de comunicações móveis [Sin00]. Infelizmente essa evolução não tem ocorrido em velocidade compatível com os demais itens desses sistemas: enquanto a velocidade de processamento de CPUs dobra a aproximadamente cada 18 meses, a densidade de energia das baterias levou quase 35 anos para que fosse duplicada – esse fato terá grande impacto nas dimensões e na portabilidade dos futuros terminais. No dias de hoje, as baterias representam quase que metade do volume e do peso dos equipamentos portáteis. 

Merecem ainda destaque os esforços de pesquisa e desenvolvimento dos processos de codificação de voz e imagem. Esses processos, baseados nos princípios de codificação de fonte, procuram reduzir o grau de redundância contido nos sinais de voz e imagem e assim representar esses sinais na forma digital a taxas tão pequenas quanto possível, maximizando a eficiência de utilização do espectro nos sistemas de comunicação via rádio. A solução de compromisso entre complexidade, consumo, taxa e inteligibilidade são importantes condições de contorno para a evolução desses processos. Grandes são os avanços alcançados até o momento e, certamente, num futuro não muito distante, outros ainda maiores virão à tona. 

O enorme desafio nesse início de século 21 será prover todos esses novos serviços com todas essas tecnologias através de sistemas de comunicação móvel inter-operáveis e com cobertura global.