1.1 - Princípios básicos dos sistemas celulares
Os sistemas de comunicação sem fio são formados basicamente por dois usuários – transmissor e receptor, dependendo do sentido em que viaja a informação -, cada um com os seguintes componentes:
- Microfone: converte o sinal de voz (de quem quer transmitir a informação) em sinais elétricos;
- Alto-falante: converte o sinal elétrico (vindo de quem transmite a informação) em sinal de voz (para o receptor ouvir a mensagem);
- Transmissor: envia os sinais gerados pelo microfone para o receptor
- Receptor: recebe e entende os sinais enviados pelo transmissor e os envia ao alto-falante.
- Antena: Converte sinais elétricos em ondas de rádio, para enviar a informação pela atmosfera, ou faz a operação contrária para receber essas informações. É a alma da comunicação sem fio, por ser o aparelho capaz de se comunicar sem a necessidade de um contato físico.
Ondas de rádio são sinais eletromagnéticos capazes de levar dados de um ponto a outro de forma confiável e rápida.
1.1.1 - Modulação
Para enviar um sinal de um ponto a outro é necessária a modulação do sinal. Modular o sinal consiste em agregar um sinal conhecido (onda portadora) ao sinal da informação. O receptor pode, então, analisar a onda recebida, e, como conhece a onda portadora, pode entender a informação como a alteração do sinal recebido em relação à portadora. Esse processo chama-se demodulação.
Existem diversos tipos de modulação, pois pode-se alterar diversas características da portadora, separadamente. Pode-se alterar a freqüência da portadora de acordo com o sinal, na modulação FM; alterar a amplitude da portadora em relação ao sinal, na modulação AM; alterar a fase da portadora, na modulação PM, entre outros diversos tipos de modulação. Cada tipo de modulação possui suas vantagens e desvantagens, e por isso cada serviço pode ter peculiaridades que façam esse ou aquele tipo de modulação ser mais interessante.
1.1.2 - Estações móveis (MS)
As estações móveis são os próprios aparelhos de telefonia celular. Possuem uma antena, capaz de modular ou demodular o sinal. Precisa também de osciladores, que posam gerar os sinais nas freqüências determinadas.
1.1.3 - Estações Rádio Base (ERB ou BTS)
Para a implementação do serviço de telefonia celular, utiliza-se Estações Rádio Base, que consistem em uma antena e um sistema capaz de atender as necessidades de comunicação de uma certa região com o restante da rede de telefonia.
O termo “estação Rádio base” é mais usado em sistemas celulares analógicos. Para sistemas digitais, usa-se o nome “Estação Transceptora Base”, em inglês, BTS.
1.1.4 - Enlaces
A comunicação entre MS e ERB acontece quando a onda portadora da informação, ou seja, a informação modulada, é gerada em um ponto, viaja pela atmosfera e é recebida no outro. Cada portadora tem uma freqüência definida, em uma mesma região da atmosfera, cada freqüência corresponde a uma conhecida portadora. Sendo assim, o transmissor deve modular seu sinal naquela freqüência, e o receptor deve ajustar seu sensor para essa mesma freqüência.
Porém, cada portadora não consegue levar toda a informação em exatamente um valor de freqüência. Na verdade, cada canal possui uma faixa de freqüências, cuja freqüência central é a da portadora. A informação é incluída principalmente nessa freqüência principal, mas pode estar em freqüências um pouco maiores ou um pouco menores. Para incluir essas variações da freqüência, o canal tem uma largura de freqüências, ou seja, o transmissor emite naquela freqüência e em freqüências um pouco maiores ou menores, e o receptor deve se preparar para “sentir” aquela freqüência, mas também um pouco mais e um pouco menos.
O tamanho desse erro, ou seja, a largura do canal, limita o número de canais na célula, pois eles devem “caber” na banda passante da célula (faixa total de freqüências que uma célula suporta).
Ao canal físico que interliga a Estação Rádio Base e a Estação Móvel se dá o nome de enlace. Quando a informação viaja da ERB para a MS, chama-se enlace direto; quando a informação parte da MS chama-se enlace reverso.
Os modos de transmissão de informação para comunicações móveis podem ser feitos de três maneiras:
- Simplex: opera com uma única freqüência e apenas a ERB pode transmiti-la. Tem-se, portanto, apenas enlaces diretos. Exemplos de aplicações desse modo de transmissão são os serviços de rádio AM e FM, ou a televisão convencional.
- Semi Duplex: Opera em uma única freqüência, mas suporta comunicação bidirecional, sendo cada sentido de comunicação operado em um momento. Ou seja, o usuário pode escutar ou falar, mas não os dois ao mesmo tempo. Como exemplos, os aparelhos de walkie-talkie, e o sistema de comunicação da polícia.
- Duplex completo (ou full duplex): cada usuário tem um canal de recepção (enlace direto) e outro canal de transmissão (enlace reverso). É possível, portanto, realizar comunicação em dois sentidos ao mesmo tempo. E importante lembrar que cada canal opera em uma freqüência diferente, necessitando-se, portanto, de duas larguras de freqüência (uma para cada enlace). Esse modo é o utilizado pelos serviços de telefonia móvel.
1.1.5 - Célula
Cada Estação Rádio Base (ERB) atende a uma certa região, limitada de acordo com as capacidades físicas da Estação. A essa região dá-se o nome de Célula. As células podem ser omnidirecionais ou setorizadas.
No primeiro caso, a ERB é equipada de forma a irradiar suas ondas uniformemente em todas as direções. São mais utilizadas em regiões onde há pouca necessidade de tráfego, como regiões rurais. Em compensação, por ser distribuída uniformemente, abrange uma área de cobertura mais extensa, o que significa ter menos ERBs para atender a certa região.
Nas células setorizadas as antenas da ERB são projetadas para irradiar em direções estabelecidas, chamadas setores. Cada setor geralmente é formado por um ângulo de 120º, o que significa 3 setores por ERB, ou por célula. Essa setorização permite um tráfego mais denso que as células omnidirecionais, apesar de não conseguir cobrir uma região tão extensa.
O padrão de irradiação de uma célula se aproxima da forma circular, mas totalmente irregular. Isso se dá pela formação de áreas de sobreposição (mais de uma célula atuando na região) e áreas de sombra (áreas onde interferências destrutivas causam falta de sinal). Por causa disso, o padrão escolhido para representar uma célula foi o de um hexágono regular. Essa escolha simplifica cálculos essenciais, como a distância mínima entre canais, ou seja, distância mínima entre centros de duas células adjacentes.
1.1.6 - Espectro de freqüências
Os sistemas celulares utilizam o domínio da freqüência para dividir seus canais de comunicação. Cada canal de comunicação exige uma quantidade de valores de freqüência para realizar a comunicação, a largura de faixa: um canal com largura de faixa de 30 Hz pode ser implementado da freqüência 340 Hz até 370 Hz, por exemplo.
Cada ERB tem uma faixa de valores de freqüência nos quais consegue se comunicar. A ANATEL regulamenta o uso das freqüências, a fim de evitar o mau uso do espectro de freqüências. A largura da faixa de freqüências de uma ERB é chamada Largura de Banda, e é uma medida da capacidade de tráfego da ERB.
1.1.7 - Acesso múltiplo
Um dos sérios problemas enfrentados pela ERB ocorre quando mais de um usuário deseja acessá-la, ou seja, requerer e chamado múltiplo acesso. Para resolver esse problema, existem basicamente três tecnologias: FDMA (que divide a freqüência), TDMA (que divide o tempo) e CDMA (que usa um código para cada acesso).
A tecnologia FDMA libera uma faixa de freqüência para cada acesso. Dessa forma, o usuário tem uma largura de banda fixa, sempre disponível.
A tecnologia TDMA libera uma faixa de freqüência para alguns usuários. Esses usuários só podem acessar de forma intercalada, ou seja, eles dividem entre si o tempo.
A tecnologia CDMA insere um código para cada usuário. Assim, eles podem acessar a mesma freqüência durante todo o tempo.
1.1.8 - Cluster
Um cluster é uma região que abrange algumas células, onde:
- há todas as freqüências disponíveis;
- nenhuma freqüência pode ser reusada.
Fora do cluster, é possível reusar as mesmas freqüências. Assim, quanto mais células dentro de um cluster, maior será a distância mínima entre portadoras de mesma freqüência. Programar o reuso de freqüências faz aumentar o tráfego da rede.
Para calcular o número Nf de freqüências por célula, basta dividir a largura de banda Bs do sistema pela largura de banda Bc de cada célula.
1.1.9 - Fator de reúso e Razão de reúso
O fator de reúso é o número de células dentro do cluster: um fator de reúso 9 usa cluster com 9 células, o de 12 usa cluster com 12 células, etc.
A razão de reúso é dada por d/r, onde d é a distância entre os centros de duas células adjacentes e r é o raio da célula.
O fator de reúso N está relacionado com a razão de reúso d/r segundo a fórmula: (d/r)²=3N. Quanto maior o fator, maior o reúso, quanto menor o reúso, menor o fator.
Aumentando-se o fator de reúso, dividem-se as freqüências de um cluster em um número maior de células, diminuindo assim o tráfego oferecido em cada célula.
Por outro lado, aumentar o razão de reúso significa dificultar a interferência entre duas células que irradiem a mesma freqüência. Isso melhora a qualidade do sinal.
Como o fator e a razão de reúso aumentam juntos ou diminuem juntos, ao projetar um sistema celular deve-se escolher entre aumentar o tráfego em cada célula (diminuindo o número de células por cluster) ou melhorar a qualidade do sinal (aumentando o número de células por cluster).
No sistema GSM usa-se fator de reúso 9 ou 12.
1.1.10 - Capacidade de sistemas celulares
A capacidade de tratamento de tráfego em sistemas celulares depende dos seguintes fatores:
- Número de canais físicos disponíveis na célula;
- Setorização das antenas transmissoras;
- Fator de reúso escolhido.
A capacidade de tratamento de tráfego é medida pelo número máximo de usuários que podem acessar uma célula em um determinado instante (Umáx). Para realizar esse cálculo, considera-se que todos os canais físicos – canal de usuário, necessário para efetuar uma chamada – serão ocupados, e todos com a mesma potência.
A relação usada para o cálculo é: Umáx=(Bs.Uc)/(Sc.N.Fs), onde:
Bs é a banda de RF alocada para o sistema, Sc é o espaçamento de freqüência entre portadoras de RF – análogo à largura de freqüência usada pelo canal -, e essas duas variáveis mostram quantas portadoras de RF há por célula. Uc é o número de usuários na mesma portadora (depende do tipo de modulação), e, junto às variáveis anteriores, calcula o número de canais físicos disponíveis na célula. N é o fator de reúso e fs o fator de setorização.
Para aumentar a capacidade do sistema GSM já implantado, pode-se alterar os seguintes fatores:
- Aumentar a banda passante do sistema, adquirindo mais espectro. E importante lembrar que o espectro de freqüências da interface aérea é regulamentado pela Anatel (Agência Nacional de Telecomunicações);
- Aumentar o número de usuários por cada portadora de RF, aumentando o número de janelas de tempo em TDMA ou o número de códigos em CDMA, por exemplo;
- Diminuir o espaçamento entre portadoras, ou seja, estreitar a largura que um canal necessita para comunicação. Essa alternativa é problemática, pois altera a estrutura da interface aérea;
- Diminuir o fator de reúso, ou seja, considerar cluster com menos células.