TELEFONIA CELULAR (2)

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TELEFONIA CELULAR (2)
Autor: MÁRCIO RODRIGUES

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O objetivo dos primeiros sistemas móveis era o de obter uma grande área de cobertura através do uso de um único transmissor de alta potência, com a antena situada em um local elevado. Embora essa abordagem gerasse uma cobertura muito boa, o número de usuários era limitado. Um determinado conjunto de freqüências era utilizado por toda a região e cada freqüência era alocada a um único usuário por vez, para evitar interferências. Como exemplo da baixa capacidade, pode-se citar o sistema móvel da Bell em Nova Iorque, em 1970: o sistema suportava um máximo de apenas doze chamadas simultâneas em uma área de mais de dois mil quinhentos e oitenta quilômetros quadrados ^[1]. Dado o fato de que as agências de regulamentação dos governos não poderiam realizar alocações de espectro na mesma proporção do aumento da demanda de serviços móveis, ficou óbvia a necessidade de reestruturação do sistema de telefonia por rádio para que se obtivesse maior capacidade com as limitações de espectro disponível e, ao mesmo tempo, provendo grandes áreas de cobertura.

O conceito celular foi uma grande descoberta na solução do problema de congestionamento espectral e limitação de capacidade de usuários que havia em sistemas de comunicações móveis até então. Esse conceito permite oferecer grande capacidade com limitações de espectro alocado, sem grandes mudanças tecnológicas. A FCC (Federal Communication Commission – órgão americano regulamentador de telecomunicações), em uma regulamentação de 22 de Junho de 1981 definiu o sistema celular como : “Um sistema móvel terrestre de alta capacidade no qual o espectro alocado é dividido em canais que são alocados, em grupos, a células que cobrem determinada área geográfica de serviço. Os canais podem ser reusados em células diferentes na área de serviço” ^[2].

A idéia do conceito celular constitui-se basicamente na substituição do transmissor único de alta potência (responsável pela cobertura de uma grande área) por vários transmissores de baixa potência, cada um provendo cobertura a uma pequena região (célula) da área total. A cada uma dessas estações base é alocada uma porção do número de canais disponíveis para todo o sistema. Às estações base são alocados diferentes grupos de canais, de forma que todos os canais disponíveis no sistema são alocados a um determinado número de estações vizinhas. A alocação de canais a estações base vizinhas é feita de forma que a interferência entre estações base (e entre usuários móveis) seja minimizada. Através do espaçamento sistemático das estações base bem como dos grupos de canais, os canais disponíveis serão distribuídos através da região geográfica e poderão ser reusados quantas vezes forem necessárias, desde que a interferência entre estações cocanal (estações que possuem grupos de canais em comum) seja mantida a níveis aceitáveis.^[1]

Essa idéia é antiga : a primeira proposta de sistema celular foi da Bell, feita à FCC, em 1971 ^[2]. Mas o desenvolvimento da idéia é ainda anterior, não posta em prática pela complexidade do sistema de controle. Sua execução foi viabilizada pelo uso de microprocessadores nos terminais (móveis e fixos) ^[3] e, em outubro de 1983, o primeiro sistema celular foi posto em operação, em Chicago, pela AT&T. ^[2]

Segue um comparativo listando as diferenças básicas entre sistemas móveis convencionais e sistemas celulares. ^[3]

sistemas móveis convencionais	sistemas celulares
- baixa densidade de usuários	- alta densidade de usuários
- não reutilizam freqüências	- fazem reuso de freqüências
- alta potência de transmissão	- baixa potência de transmissão
- antenas elevadas	- antenas pouco elevadas
- grande área de cobertura	- área de cobertura dividida em células
- sem expansão modular	- expansão modular teoricamente ilimitada

A célula é a área geográfica coberta por sinais de RF de determinada estação base. Cada célula é, em essência, um centro de rádio-comunicações onde um assinante móvel pode estabelecer uma chamada para um telefone móvel ou fixo através da Central de Comutação Móvel (MSC, ou CCC - Central de Comutação e Controle) e da Rede de Telefonia Pública Comutada (PSTN). Essa plataforma composta permite que usuários comuniquem-se entre si estando em qualquer lugar da área de cobertura, seja essa comunicação entre usuários móveis ou entre usuários móveis e fixos. O tamanho e forma da célula dependem de vários fatores, tais como ERP (Effective Radiated Power, potência efetiva irradiada), diagrama de radiação das antenas e ambiente de propagação. Tradicionalmente, embora o formato real das células seja altamente irregular, para efeito de projeto e gerência dos sistemas é assumida uma forma geométrica (usualmente, um hexágono), como será melhor explicado adiante.

Todo o processo de comunicação é controlado e monitorado pela inteligência do sistema, que reside na MSC. O projeto, implementação e manutenção dessa complexa rede exige estudos de propagação de ondas de RF (rádio-freqüência), antenas, planejamento de freqüências e engenharia de tráfego. ^[4
]

Com o acréscimo da demanda, ou seja, aumento do número de canais necessários numa determinada região, o número de estações base pode ser aumentado (em conjunto com a diminuição da potência de transmissão), gerando assim um aumento na capacidade sem necessidade de ampliar o espectro alocado. Esse princípio fundamental é a base para todos os sistemas modernos de comunicação móvel, pois ele permite que um número fixo de canais (dado pela disponibilidade de espectro) sirva um grande número de assinantes através do reuso dos mesmos canais pela região total de cobertura. ^[1]

A respeito do que foi exposto, pode-se citar como características típicas de sistemas macro-celulares (células maiores que 2 km, aproximadamente): ^[3]

Embora não conste entre os componentes da rede celular, pode-se também incluir a Rede de Telefonia Pública Comutada (PSTN), devido à sua interligação estreita com a rede de telefonia celular.

A Figura 2-2 ^[4] esquematiza uma rede de comunicação celular, com sua interligação à PSTN. Desse ponto em diante a representação de células será feita através de hexágonos. A escolha é conveniente, como será mostrado na sequência do texto.

As estações base são responsáveis pela realização das chamadas vindas ou destinadas aos móveis localizados em cada uma das células. São o elo de conexão dos móveis com o restante do sistema. São conectadas à Central de Comutação e Controle através de ligações terrestres ou via rádio. Consistem de dois elementos básicos: a parte de rádio e o controle. O rádio engloba todo o conjunto de transmissão e recepção, além de torres e antenas. O controle é uma unidade com microprocessador responsável pelo controle, monitoração e supervisão das chamadas. A alocação e realocação de canais aos móveis também é feita pela estação base. E ainda, a estação base monitora os níveis de sinal dos móveis para verificar a necessidade de handoff (explicado adiante). ^[5]

Os canais utilizados na comunicação entre móveis e bases são divididos em dois grupos: canais de voz e canais de controle. Nos canais de voz ocorre a conversação (ou troca de dados) propriamente dita. Pode também ser feita alguma forma de sinalização para a manutenção da chamada, como sinalização de handoff, por exemplo. Os canais de controle, que existem em número bem menor que os de voz, carregam as informações necessárias ao estabelecimento de uma chamada, bem como informações sobre o estado atual do sistema. Canais de voz podem ser analógicos ou digitais, dependendo do sistema. Canais de controle são sempre digitais.

A unidade móvel do assinante constitui-se basicamente em um transceptor portátil de voz / dados, desenvolvido para comunicar-se com os rádios das estações base em qualquer dos canais alocados. Opera em modo full-duplex, possuindo um caminho de ida e um de retorno em relação à estação base, que são os links reverso (móvel para base) e direto (base para móvel), conforme ilustra a Figura 2-3. Além da comunicação de voz, a estação móvel também comunica-se com a estação base através de suas funções de controle e sinalização. Alguns exemplos de mensagens de controle trocadas entre móvel e base são: ^[5]

- mensagem de handoff oriunda da estação base, para que o móvel sintonize outro canal.

Ressalta-se nesse ponto que o que está sendo chamado de “canal” constitui-se na dupla link direto e reverso.

É o centro de comutação celular, que interliga um conjunto de células. Também provê interligação com a rede de telefonia pública (PSTN). Entre as funções desempenhadas por uma MSC estão: gerência e controle dos equipamentos da base e de conexões; suporte a múltiplas tecnologias de acesso; provisão de interligação com a PSTN; provisão de registros de assinantes locais; provisão de registros de assinantes visitantes; suporte a conexões entre sistemas; suporte de funções de processamento de chamadas e funções necessárias à tarifação. ^[4]

O número de células conectadas e, portanto, controladas por uma MSC varia de acordo com as necessidades. Uma MSC pode ser responsável por uma grande área metropolitana ou por um pequeno grupo de pequenas cidades vizinhas. A área servida por uma MSC é denominada área de serviço e o assinante de uma determinada área de serviço é chamado assinante local (home). É possível que um assinante desloque-se para uma outra área diferente daquela na qual ele está cadastrado. Nesse caso, o assinante é denominado visitante (roamer).

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 MSC’s têm uma região menor de abrangência, controlando menos estações base quando comparado à outra arquitetura. ^[5]

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 MSC’s. No primeiro caso (há conexão entre MSC’s), uma chamada de um móvel passará pela PSTN apenas quando o usuário chamado for fixo. Por outro lado, no segundo caso (não há conexão entre MSC’s), mesmo que o usuário chamado seja móvel, mas pertencente a uma outra área de serviço (outra MSC, portanto), a chamada terá que passar pela PSTN ^[5] , pois é ela que proverá o contato entre as duas MSC’s.

A mobilidade é uma das principais características dos sistemas de comunicação celular. Esse conceito significa que uma chamada celular, originada em qualquer lugar e em qualquer momento dentro da área de serviço, pode ser mantida sem interrupção enquanto o assinante está em movimento. Isso deve-se ao mecanismo de handoff, que é um processo de troca de freqüência das portadoras alocadas ao móvel, conforme este muda da região de cobertura de uma base para a de outra.

A cobertura provida por uma célula depende de parâmetros pré-definidos como, potência de transmissão, altura, ganho e localização de antena. Vários outros fatores como, presença de montanhas, túneis, vegetação e prédios afetam de forma considerável a cobertura RF de uma base. Esses últimos fatores, obviamente, não são definidos pelo projetista de sistema e variam de uma região para outra.

Devido às características variáveis e complexas das diversas regiões a serem cobertas por sistemas celulares, vários modelos de predição de propagação foram e têm sido desenvolvidos, com a intenção de fornecer estimativas de atenuação de sinal nos diversos ambientes.

A perda de propagação predita pelos modelos pode ser, de forma geral, representada pela seguinte expressão: ^[4]

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