TELEFONIA CELULAR (8)

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TELEFONIA CELULAR (8)
Autor: M?RCIO RODRIGUES

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O compartilhamento de recursos ? uma forma muito eficiente de se obter alta capacidade em uma rede de comunica??es. No que diz respeito a comunica??es m?veis, os recursos s?o os canais dispon?veis ou, de forma mais ampla, a banda de freq??ncias. O mecanismo de acesso deve permitir que qualquer terminal acesse o sistema, provendo um sistema de acesso troncalizado. Se canais s?o designados a usu?rios por demanda, o esquema ? chamado de Acesso M?ltiplo com Aloca??o por Demanda (DAMA, Demand-Assigned Multiple Access), ou simplesmente M?ltiplo Acesso. ^[5]

De acordo com a forma com que o espectro ? disponibilizado aos usu?rios, tem-se a classifica??o geral de sistemas em faixa estreita e faixa larga. Em um sistema faixa estreita, a faixa de freq??ncias ? subdividida em v?rias faixas menores, os canais, que s?o alocadas sob demanda aos usu?rios. Em sistemas faixa larga, toda ou grande parte da banda de freq??ncias ? disponibilizada aos usu?rios, como um ?nico bloco. Best Replica Watches

H? tr?s formas b?sicas de se realizar m?ltiplo acesso, nomeadas de acordo com o mecanismo chave usado para implement?-las:

Enquanto o FDMA e o CDMA s?o, respectivamente, t?cnicas faixa estreita e faixa larga por natureza, o TDMA permite ambas as formas de implementa??o.

Para a implementa??o de comunica??o bidirecional full-duplex, pode-se utilizar divis?o no tempo (TDD - Time Division Duplex) ou na freq??ncia (FDD ? Frequency Division Duplex). No TDD, as duas dire??es de comunica??o utilizam uma mesma faixa de freq??ncias comum, mas instantes de tempo distintos. Por outro lado, no FDD, cada sentido utiliza faixas distintas de freq??ncias, separadas convenientemente para evitar intefer?ncias, permitindo um full duplex real, pois a informa??o pode trafegar nos dois sentidos simultaneamente. O TDD requer sincroniza??o e tempo de guarda entre slots de ambos os sentidos, tamb?m para evitar interfer?ncia. Observa-se que o TDD, por utilizar a mesma faixa de freq??ncias, permite que a comunica??o mantenha a mesma qualidade em ambos os sentidos. ^[5]

Em geral, a arquitetura faixa estreita est? associada a sistemas com alta capacidade ? o n?mero de canais em que a banda ? dividida d? uma dimens?o da capacidade do sistema quanto ao n?mero de usu?rios ? mas, muitas vezes, baixa qualidade de transmiss?o ? muitos canais significa banda pequena para cada canal. Nesse sentido, h? um esfor?o para que se utilize t?cnicas de modula??o que permitam qualidade de voz aceit?vel sem que se aumente a banda ocupada pelos canais, ou at?, que se reduza a banda ocupada. Outro aspecto ? a necessidade de se utilizar filtros estreitos para minimizar a interfer?ncia 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 n?o-seletivo em freq??ncia, ou seja, quando ocorre um desvanecimento toda a informa??o contida no canal ? afetada, pois o canal ?, em geral, muito estreito.^[5]

As t?cnicas de acesso que se utilizam dessa arquitetura s?o o TDMA faixa larga e o CDMA, sendo que este ?ltimo frequentemente usa toda a faixa dispon?vel. Como grande vantagem dessa abordagem, pode-se citar o fato de que a banda utilizada ? maior que a banda dentro da qual ocorre desvanecimento n?o-seletivo (banda de coer?ncia). Ou seja, o sinal faixa larga experimenta desvanecimento seletivo em freq??ncia e, ent?o, apenas uma fra??o das freq??ncias que o comp?em ? afetada pelo desvanecimento. Da mesma forma, interfer?ncias tamb?m podem ser minimizadas com o uso dessa arquitetura. ^[5]

A maneira usual de se realizar um esquema FDMA ? atrav?s da associa??o de um canal a cada portadora. Esse esquema ? conhecido por Canal ?nico por Portadora (SCPC ? Single Channel per Carrier). A representa??o do FDMA est? na . Os canais possuem bandas de guarda nas suas extremidades, que s?o pequenas faixas de freq??ncias destinadas a minimizar o efeito causado por filtros e osciladores imperfeitos, ou seja, minimizar a interfer?ncia de canal adjacente gerada pela invas?o de um canal na faixa ocupada pelos seus canais adjacentes. Usualmente, o que se chama de ?canal? s?o as duas bandas associadas ao par de portadoras, direta (base para m?vel) e reversa (m?vel para base).

Sistemas FDMA s?o sempre FDD e usualmente implementados segundo a arquitetura faixa estreita. Tanto sistemas anal?gicos como digitais podem ser implementados com a t?cnica FDMA.

- transmiss?o cont?nua ? uma vez alocados, os canais s?o usados continuamente pela base e pelo m?vel at? o fim da comunica??o;

- banda estreita ? como cada por??o de freq??ncia ? utilizada por um ?nico usu?rio, a banda necess?ria ? relativamente pequena, variando de 25-30 KHz em sistemas anal?gicos. Em sistemas digitais, o uso de codifica??o de voz a baixa taxa pode diminuir ainda mais a banda necess?ria;

- baixa interfer?ncia intersimb?lica ? problema que afeta apenas sistemas digitais. Devido ? caracter?stica de sistemas FDMA digitais trafegarem ? baixas taxas de transmiss?o, esse n?o ? um problema importante;

- baixa sobrecarga de informa??es de controle (overhead) ? os canais de voz carregam tamb?m mensagens de controle, como handoff por exemplo. Pelo fato dos canais alocados serem usados continuamente, pouco espa?o ? necess?rio para controle se comparando ao TDMA, por exemplo;

- eletr?nica simples ? pouca ou nenhuma necessidade de processamento digital para combater interfer?ncia intersimb?lica (em sistemas digitais), entre outras raz?es, permitem o uso de equipamentos mais simples nas bases e nos terminais;

- uso de duplexador ? como a transmiss?o ? full-duplex e usa-se apenas uma antena para transmiss?o e recep??o, deve-se usar um duplexador para fazer a filtragem entre recep??o e transmiss?o e, assim, evitar interfer?ncias entre ambas;

- alto custo de esta??es 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 esta??o base. A aloca??o de mais usu?rios em uma mesma portadora, tornaria o sistema mais econ?mico nesse aspecto;

- handoff percept?vel ? pelo fato da transmiss?o ser cont?nua, a comuta??o entre freq??ncias no processo de handoff ? percept?vel (aud?vel) ao usu?rio.

Como dito, o TDMA permite implementa??o em faixa estreita e faixa larga. No TDMA faixa larga, toda ou grande parte da banda dispon?vel ? alocada a cada usu?rio por determinado intervalo de tempo, denominado slot. Em cada slot de tempo apenas um usu?rio ter? acesso a toda (ou grande parte) da banda. No TDMA faixa estreita, o usu?rio tem acesso a uma pequena por??o da banda por determinado intervalo de tempo (slot). A a seguir, ilustra o conceito TDMA faixa estreita. No TDMA faixa larga n?o haveria as subdivis?es faixa 1, faixa 2, ... faixa M, ou elas seriam em n?mero muito reduzido comparado ao faixa estreita.

O canal TDMA ? definido pelas duas combina??es [por??o da banda (faixa), slot] alocadas ao usu?rio, para o link direto e reverso. O TDMA permite utiliza??o tanto de FDD como de TDD.

Como visto, uma ?nica portadora ? compartilhada em v?rios slots de tempo, ou seja, ? compartilhada por v?rios usu?rios, cada qual em seu instante determinado. Esse mecanismo diferencia o TDMA do FDMA pois, no ?ltimo, o esquema SCPC fazia com que cada portadora fosse alocada a apenas um usu?rio at? o fim de sua comunica??o.

A transmiss?o entre m?vel e base ? feita de forma n?o-cont?nua. A transmiss?o entre m?vel-base ? feita em rajadas, ocorrendo apenas no instante de tempo (slot) reservado para que o m?vel transmita e/ou receba. Nos demais instantes de tempo, outros usu?rios poder?o ter acesso ? mesma portadora sem, portanto, que as comunica??es interfiram entre si.

Pelas caracter?sticas apresentadas, a tecnologia digital ? a ?nica adequada para o tipo de transmiss?o envolvido, de forma que sistemas TDMA s?o sempre digitais.

- v?rios canais por portadora ? como dito, uma portadora ? utilizada em v?rios instantes de tempo distintos, cada qual correspondendo a um canal (usu?rio). No sistema Americano IS-54, usa-se tr?s slots por portadora, enquanto que no sistema Europeu GSM cada portadora atende a oito slots;

- transmiss?o em rajadas (bursts)? como cada portadora ? compartilhada no tempo, cada usu?rio transmite ou recebe sua informa??o numa rajada dentro dos respectivos slots. Essa forma de transmiss?o tamb?m leva a uma maior economia de bateria se comparado ao FDMA;

- faixa larga ou faixa estreita ? a banda de cada canal depende de v?rios fatores, como o esquema de modula??o. 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 s?o de 30 kHz;

- alta interfer?ncia intersimb?lica ? como a taxa de transmiss?o ? muito mais alta no TDMA do que no FDMA digital, come?a a haver problemas pelo fato da dura??o de s?mbolos ser compar?vel ao espalhamento por retardo (delay spread), a ser explicado. ? requerido tratamento especial para minimizar esse problema, em especial em sistemas com taxas mais altas, como o GSM;

- alta sobrecarga de informa??es de controle (overhead) ? a caracter?stica de transmiss?o em rajadas requer um tratamento mais minucioso no que diz respeito ? sincroniza??o. Os bits requeridos nesse tratamento em conjunto com o fato de haver tempos de guarda entre slots (equivalente ? banda de guarda, na freq??ncia), gera um alto overhead;

- eletr?nica complexa ? por usar tecnologia digital, muitos recursos podem ser agregados na unidade m?vel, aumentando sua complexidade;

- n?o requer o uso de duplexador ? como transmiss?o e recep??o acontecem em slots distintos, ? desnecess?rio o uso de duplexador. O que h? ? um switch que liga / desliga o transmissor / receptor quando este n?o est? em uso. O uso de duplexador ? dispens?vel mesmo no TDMA/FDD pois, nesse caso, o que se faz usualmente ? acrescentar intencionalmente alguns intervalos de tempo entre os slots de transmiss?o e recep??o para que a comunica??o nos dois sentidos n?o ocorra exatamente no mesmo instante ^[1] ;

- baixo custo de esta??es base ? como s?o usados m?ltiplos canais por portadora, o custo pode ser reduzido proporcionalmente;

- handoff eficiente ? o handoff pode ser realizado nos instantes em que o transmissor do m?vel ? desligado, tornando-se impercept?vel ao usu?rio;

- uso eficiente da pot?ncia, por permitir que o amplificador de sa?da seja operado na regi?o de satura??o;

- vantagens inerentes a sistemas digitais, como capacidade de monitora??o da comunica??o quadro a quadro, por exemplo.

A Figura 2-20 ^[8] ilustra um quadro (frame) de informa??o usado em sistemas TDMA. Cada slot ? composto de um pre?mbulo e bits de informa??o associados a cada usu?rio (exemplo de quadro da base para usu?rios). O pre?mbulo tem como fun??o prover identifica??o, controle e sincroniza??o na recep??o. Tempos de guarda s?o utilizados para minimizar a interfer?ncia entre canais (cross talk). ^[8] Ainda na Figura 2-20 , cada usu?rio de um mesmo slot ocupa a sua respectiva faixa de freq??ncias. Uma vantagem do TDMA ? que pode-se alocar diferentes n?meros de slots por quadro para cada usu?rio, provendo uma forma de banda por demanda, de acordo com as necessidades de comunica??o (de dados, no caso) de cada usu?rio. ^[1]

A t?cnica CDMA possui as seguintes caracter?sticas b?sicas : todos os usu?rios podem transmitir simultaneamente, nas mesmas freq??ncias e utilizando toda a banda dispon?vel.

Ao inv?s de se fazer a separa??o entre usu?rios atrav?s de freq??ncia ou freq??ncia / tempo, a cada usu?rio ? desiginado um c?digo, de forma que sua transmiss?o possa ser identificada. Os c?digos usados t?m baixa correla??o cruzada (idealmente zero), ou seja, s?o ortogonais, fazendo com que as informa??es contidas nas v?rias transmiss?es n?o se confundam. No outro extremo da comunica??o, o receptor tem conhecimento do c?digo usado, tornando poss?vel a decodifica??o apenas da informa??o de seu interlocutor. A Figura 2-21 , ilustra o sistema.

O CDMA baseia-se em um conceito denominado Espalhamento Espectral (Spread Spectrum), que ser? resumidamente descrito.

Atrav?s dessa t?cnica, o sinal original que se deseja transmitir ? espalhado por uma banda muito maior que a necess?ria a sua transmiss?o. Esse efeito ? obtido, no caso do CDMA (espalhamento espectral por sequ?ncia direta, como ser? explicado), pela multiplica??o do sinal por um c?digo com taxa de transmiss?o muito superior, de forma que o sinal resultante ocupa uma faixa muito larga. A energia total ? mantida, sendo distribu?da uniformemente por toda a banda, assemelhando-se ao espectro de ru?do branco. Todos os sinais oriundos dos diversos usu?rios / esta??es base e o pr?prio ru?do agregado ? transmiss?o s?o superpostos no espectro. Atrav?s do c?digo apropriado, a informa??o do usu?rio desejado ? extra?da em meio ao ?ru?do?.

Nessa breve descri??o, j? ? poss?vel observar a alta imunidade intr?nseca do espalhamento espectral a ru?do e interfer?ncia, uma vez que sinais de outros usu?rios bem como ru?do / interfer?ncia s?o tratados da mesma forma e seus danos ? informa??o de determinado usu?rio s?o eliminados, te?rica e idealmente, quando da aplica??o do c?digo de recupera??o.

H? duas formas principais de se realizar o espalhamento espectral: Salto em Freq??ncia ? Frequency Hopping (FH) e Sequ?ncia Direta ? Direct Sequency (DS). O que se chama comumente de CDMA ?, na verdade, a t?cnica de m?ltiplo acesso por sequ?ncia direta.

Nessa t?cnica, a portadora ?salta? entre as v?rias freq??ncias do espectro alocado. A faixa original do sinal ? mantida, por?m, como a portadora percorre rapidamente uma faixa muito grande de freq??ncias, o efeito final ? de espalhamento espectral. Um sistema FH pode ser pensado como um sistema FDMA com diversidade de freq??ncia. ^[1]

Esta t?cnica prov? um alto n?vel de seguran?a, uma vez que um receptor que queira interceptar a comunica??o e que n?o saiba a sequ?ncia pseudo-aleat?ria usada para gerar a sequ?ncia de ?saltos?, necessitar? buscar por freq??ncias de forma muito r?pida e acertar a freq??ncia em uso em cada instante (e no slot de tempo exato). Pode apresentar problemas de colis?o entre usu?rios e ? cr?tico quanto ? necessidade de sincroniza??o entre transmissor e receptor ^[3]. A ^[3] ilustra essa t?cnica, atrav?s de dois usu?rios, ?x? e ?o?.

Como dito, a t?cnica baseia-se em associar c?digos ortogonais aos usu?rios, de forma que suas comunica??es n?o interferem entre si mesmo compartilhando o mesmo espectro e tempo. Para determinado usu?rio, todos os outros s?o vistos como sendo ru?do. O processo de espalhamento do sinal e o posterior retorno ? banda original ? ilustrado na ^[4^] e na Figura 2-24 ^[4], respectivamente.

A ^[4^] ilustra a recupera??o do sinal desejado, C_k, em meio aos outros sinais da banda (?ru?do?).

A alta imunidade do CDMA a sinais diferentes do desejado (incluindo ru?do) pode ser melhor compreendida atrav?s da ^[4^].

Na Figura 2-26 , o ru?do entra quando o processo de espalhamento espectral j? ocorreu. Na recep??o, quando for aplicado o c?digo para extrair o sinal desejado, o ru?do ser? espalhado, tendo o seu efeito muito atenuado.

No CDMA, a pot?ncia de todos os usu?rios, com exce??o do usu?rio desejado, ? o n?vel m?nimo de ru?do no receptor quando do momento da descorrela??o (retirada da informa??o desejada atrav?s da aplica??o do c?digo apropriado). Se a pot?ncia de cada usu?rio n?o ? controlada, de forma que elas n?o apare?am com a mesma intensidade no receptor da base, ocorre o problema perto-distante (near-far). Se isso ocorre, sinais mais fortes elevar?o o n?vel m?nimo de ru?do na recupera??o dos sinais mais fracos e tender?o a mascar?-los, de forma que se reduz a chance de que os sinais mais fracos sejam recuperados. Para combater o problema, ? necess?rio que se adote no CDMA um r?gido esquema de controle de pot?ncia, atrav?s do qual a esta??o base monitora os terminais de maneira que a pot?ncia que chega ? base oriunda de cada terminal tenha, idealmente, o mesmo n?vel. Isso evita que um m?vel afastado da base n?o consiga comunica??o pelo fato de um m?vel pr?ximo ? base estar despejando muita pot?ncia. ^[1]

- usu?rios comunicam-se usando as mesmas freq??ncias, simultaneamente, por divis?o de c?digo;

- ao contr?rio do FDMA e do TDMA, o CDMA n?o tem um limite de capacidade bem definido, e sim o que se chama de limite soft. Ao aumentar o n?mero de usu?rios, o n?vel m?nimo de ru?do ? aumentado linearmente, de forma que h? um decr?scimo gradual de desempenho do sistema, percebido por todos os usu?rios;

- efeitos do canal nocivos e seletivos em freq??ncia podem ser minimizados pelo fato do sinal original estar espalhado por uma banda muito grande. E ainda, o receptor utilizado ? RAKE - permite que se fa?a um especial tratamento nos sinais recebidos por multipercurso, de maneira que o sinal recebido tenha a melhor qualidade poss?vel;

- no caso de handoff entre c?lulas cocanal (todo o espectro ? utilizado pelas c?lulas ? poss?vel no CDMA), o processo pode ser suave. Mais de uma esta??o base monitora o n?vel do m?vel e a central de controle pode escolher a melhor vers?o do sinal, sem necessitar comutar freq??ncias;

Outra t?cnica de acesso, ainda menos desenvolvida e utilizada, ? o M?ltiplo Acesso por Divis?o Espacial (SDMA). Nessa t?cnica, ? controlada a dire??o de irradia??o de energia para os usu?rios, atrav?s da aloca??o de diferentes spots de irradia??o das antenas da esta??o base. As diferentes ?reas cobertas por cada spot podem ser servidas pela mesma freq??ncia (TDMA ou CDMA) ou por diferentes freq??ncias (FDMA). No canal reverso (m?vel para base), a identifica??o de usu?rios ? feita atrav?s do ?ngulo de chegada do sinal. A Figura 2-27 ^[1] d? a id?ia do conceito envolvido.

Uma vantagem b?sica do CDMA ? sua capacidade muito maior de tolerar sinais interferentes, se comparado a FDMA e a TDMA. Como resultado dessa qualidade, problemas de aloca??o da banda e interfer?ncia entre c?lulas adjacentes s?o simplificados, enquanto que sistemas FDMA e TDMA precisam de cauteloso estudo de aloca??o de freq??ncia e slots para evitar interfer?ncia, exigindo filtros sofisticados e tempos de guarda entre slots. Aumento de capacidade no CDMA pode ser conseguido atrav?s do fator de atividade de voz, utilizando-se os instantes de tempo nos quais n?o ? detectada voz para prover aumento de usu?rios atendidos. ^[8]

Em termos de capacidade, teoricamente o CDMA possui uma vantagem sobre sistemas anal?gicos por um fator de 20 ^[10]. Por outro lado, toda a vantagem te?rica do CDMA exige que uma s?rie de requisitos como, controle de pot?ncia eficiente, ortogonalidade entre c?digos e necessidade de sincronismo perfeito (bases s?o sincronizadas por GPS ? Sistema de Posicionamento Global, e passam o sincronismo aos m?veis), entre outros, sejam atendidos. Na pr?tica, dada a dificuldade de se implementar todos os requisitos, sistemas CDMA em geral n?o exploram toda a capacidade te?rica prevista para essa t?cnica, embora os avan?os tecnol?gicos os levem cada vez mais pr?ximo a esse ideal.

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