1.2 – Evolução histórica
A evolução dos sistemas celulares é sempre puxada pela necessidade ou vontade de se agregar novos serviços ao serviço de telefonia móvel – identificação de chamadas, envio e recebimento de imagens, acesso à internet, entre outros. Para implementar esses novos serviços, cria-se novos padrões, arquiteturas, ou simplesmente otimiza-se o que já existe.
A história dos sistemas celulares é separada em gerações. A primeira geração (1G) usava celulares analógicos, e a segunda geração (2G) digitalizou a comunicação. Estamos na terceira geração de celulares (3G), que provê acesso a internet banda larga pelo telefone celular. Essas são apenas algumas características importantes de cada geração.
Cada geração é dividida em padrões e em “sub-gerações”, que nada mais são do que os padrões existentes, mas melhorados, no sentido de alcançar a geração seguinte.
O padrão GSM pertence à segunda geração de celulares e, portanto, realiza comunicação digital.
1.2.1 – Primeira geração – 1G
Até então, toda a comunicação móvel era centralizada, tendo assim baixa capacidade de tráfego e alto custo. Seu sucesso deveu-se à novidade que surgia: realizar chamadas telefônicas longe de casa, em um aparelho sem fio, e em movimento.
Por ser um sistema novo, pouco se conhecia sobre seu potencial e sua aceitação no mercado. Vale lembrar que, no momento de desenvolvimento dessa tecnologia, tudo que a humanidade realizava era feito sem a utilização desse sistema, o que poderia levar muita gente a pensar que isso talvez não fosse tão importante, ou que não valesse o custo de investimento.
Até por isso, na primeira geração foram feitos poucos esforços no sentido de padronizar o uso em todos os países. De fato, vários padrões foram propostos e implementados, de forma isolada, em apenas um país. Após a consolidação dessa geração, constatou-se que a Europa havia se dividido em padrões:
- Padrão TACS : Reino Unido, Áustria, Espanha, Irlanda, Itália;
- NMT450 : Suécia, Noruega, Finlândia, Dinamarca;
- Radiocom2000 : França.
1.2.1.1 - Padrão AMPS
O Brasil seguiu a linha dos EUA e adotou o padrão AMPS, que opera na faixa dos 800 MHz. São destinados 25 MHz de banda passante para o enlace direto, e mais 25 MHz para o enlace reverso.
Esse padrão utiliza a tecnologia de acesso múltiplo por FDMA (que reserva uma banda de freqüência para cada canal, para ser usada por todo o tempo), tendo cada canal 30 kHz de largura.
Como cada canal precisa ter uma largura pertencente à banda passante dos enlaces diretos e outra igual pertencente à banda dos enlaces reversos, divide-se 25 MHz por 30 kHz para se calcular o número de canais. Na verdade, portanto, cada canal de usuário consiste em dois canais, um direto e um reverso.
Isso implica em 833 canais. Nessa conta, não foram levados em consideração o padrão de reúso de freqüências nem a setorização das células. Há ainda de se considerar um canal de controle, o canal 0. Assim, há 832 canais disponíveis aos usuários.
Como já foi comentada, uma nova geração cresce sempre no sentido de oferecer o que a primeira geração deixava a desejar. Os EUA necessitavam de maior capacidade, enquanto o problema na Europa era uniformizar os sistemas para o Mercado Comum Europeu (MCE). Uma característica marcante da segunda geração é o uso da tecnologia digital, em vez da analógica. Isso permite a integração com circuitos digitais, como computadores, em geral.
Para conseguir o aumento de capacidade de tráfego os americanos implementaram três padrões: IS-54 (AMPS digital), IS-136 (TDMA digital) e IS-95 (CDMA digital).
Na Europa, o esforço de uniformização fez surgir o GSM (Global System for Mobile Communications). Esse esforço em busca de um padrão tornou o GSM o principal representante da segunda geração. Ao conseguir atingir uma larga parcela da sociedade, diversos investimentos voltaram-se para esse sistema, ampliando a escala de produção, o que atrai mais investimentos, e assim por diante, ate que o mundo todo pudesse ter acesso a essa tecnologia. A competição pelo mercado fez os preços caírem, tornando-o ainda mais acessível.
O foco principal dos sistemas de segunda geração era oferecer telefonia digital móvel para os usuários. Por isso, os protocolos de transmissão de dados se esforçam em adaptar o canal de voz para a transferência de bits de dados. O resultado é que o tráfego máximo de bits obtido pelo GSM foi inicialmente projetado para atender ao tráfego de bits gerado por conversações telefônicas. Para fazer um celular acessar a internet, por exemplo, seria necessária uma taxa bem maior de tráfego, e os projetistas do GSM inicialmente não se preparam para isso.
1.2.2.1 - Padrão IS-136
Bastaram cerca de dez anos para o padrão AMPS ser totalmente substituído por um sistema digital. O Brasil adotou o padrão IS-136, que usava a mesma largura de canal que o padrão já implantado (30kHz), e aumentava a capacidade e desempenho do sistema.
Esse padrão permite que até seis unidades móveis possam ser suportadas em apenas uma portadora de RF. Utilizando a tecnologia TDMA (Acesso múltiplo que divide o tempo em slots para acesso de vários usuários de forma revezada), divide-se o quadro TDMA (duração de 40 ms) em seis slots de tempo, um para cada usuário.
Um quadro TDMA carrega 1944 bits, logo, cada canal carrega 1944/6=324 bits. Canais podem ser do tipo full-rate ou half-rate. Os canais full-rate (taxa máxima) reservam dois slots, um para o enlace direto e outro para o enlace reverso. Sendo assim, em vez de 6 usuários por portadora, apenas 3 podem ser suportados. Nos canais half-rate (taxa média), cada slot é ora enlace direto, ora enlace reverso. Assim, cai pela metade a taxa de transmissão de bits, mas dobra o número de usuários por portadora.
1.2.2.2 - Padrão IS-95
Esse padrão utiliza o acesso múltiplo por divisão de código (CDMA). Cada usuário é identificado por um código, e podem usar a mesma freqüência. Sua principal característica é a técnica de espalhamento espectral, onde a freqüência da portadora do sinal a ser transmitido é variada aleatoriamente, espalhando-a dentro da largura de banda. Um código é usado para enviar uma seqüência a um sintetizador que gera as freqüências da portadora.
O padrão opera na faixa dos 800 MHz. A largura de cada canal é de 1,25 MHZ, com uma largura de banda de 25 MHz disponível. A distância entre os canais dos enlaces direto e seu respectivo reverso é de 45 MHz. O número de usuários por canal é projetado segundo a relação Sinal/Ruído adotada na rede.
A modulação do sinal de voz é a QPSK, modulação digital que transmite 32 mil símbolos por segundo, cada símbolo formado por 2 bits.
1.2.2.3 - Padrão GSM
Antes de 1980, o mercado celular europeu era constituído por vários padrões analógicos incompatíveis entre si. Isso restringia os serviço muitas vezes a seu próprio país.
O padrão GSM foi criado no intuito de oferecer tecnologia digital de telefonia celular a toda a Europa. Sua alta capacidade tornou-o rapidamente o padrão mais utilizado no mundo. Em dezembro de 2004, 74,9% dos celulares eram do padrão GSM.
No Brasil, o sistema foi implantado em 2002.
A modulação usada é a 0,3GMSK, variante da FSK. Cada canal possui 200 KHz de largura de faixa, e é possível a utilização de 8 usuários em cada canal, ampliando-se para 8 usuários no caso da implementação da transmissão de voz em meia taxa. A faixa de operação depende do padrão GSM implantado. Os padrões mais usados serão estudados abaixo.
1.2.2.3.1 – Variações
Padrão P-GSM
Também conhecido como GSM 900 Primário, é o sistema GSM original. Usa freqüências na banda de 900 MHz, de 890 a 960 MHz, com uma distância de 20 MHz entre os enlaces direto e reverso. Isso dá uma largura de 25 MHz, o que sustenta 25MHz/200KHz = 125 canais de RF.
Padrão E-GSM
Também conhecido como GSM 900 Estendido, começa a usar o espectro de freqüências em 880 MHz, portanto 10 Mhz antes do padrão P-GSM, mas termina em 960 MHz, tal como seu antecessor. Além disso, a distância entre enlaces direto e reverso é de apenas 10 MHz, o que gera 20 MHZ de largura a mais que o padrão anterior. Dividindo-se essa largura a mais entre enlaces direto e reverso, obtém-se um acréscimo de 10 MHz de largura de banda.
Isso implica em 50 canais extras de RF. Esse padrão suporta, portanto, 175 canais de RF.
É importante ressaltar que o padrão E-GSM inclui o P-GSM, pois a banda utilizada no P-GSM também é disponível no E-GSM. A recíproca não é verdadeira.
Padrão R-GSM
Também conhecido como GSM 900 ampliado, foi desenvolvido para se ampliar a capacidade de canais de RF.
Começa a utilizar o espectro em 876 MHz, usando-o até 960 MHz, o que lhe disponibiliza mais 4 MHz em relação ao E-GSM. Diminui também a distância entre os enlaces, passando a 6 MHz.
A banda passante tem 39 MHz de largura, portanto, e sustenta 195 canais de RF.
Padrão GSM 1800
Também é conhecido como DCS 1800, implantado no Brasil.
Adaptação do sistema GSM 900, ampliou suas bandas para 75 MHz de largura, e passou a utilizar a faixa de 1,8 GHz. Trabalha de 1710 a 1880 MHz. Para a identificação dos padrões utilizados, os canais desse padrão são identificados de 512 a 885 ( 375 canais de RF), enquanto o P-GSM numera os seus de 1 a 124.
Esse padrão foi criado a fim de se implementar Redes de Comunicações pessoais (Personal Communication Networks – PCN).
Padrão PCS 1900
Desenvolvido para dar uma gama maior de serviços aos usuários, opera na faixa de 1,9 GHZ.
De 1850 a 1990 MHz, com 20 MHz separando os seus enlaces. Isso gera 300 canais de RF.
1.2.2.3.2 – Serviços GSM
À medida em que cresce a demanda por novas aplicações, os serviços GSM vão sendo desenvolvidos. A tecnologia GSM é dividia em 3 fases, onde os novos serviços acabam por criar a próxima geração.
Fase 1
Fase inicial, oferecia :
- Telefonia (voz);
- Chamadas de emergência;
- SMS (mensagens curtas) ponto a ponto e ponto multiponto;
- Dados síncronos e assíncronos (0.3 a 9.6 kbps);
- Transmissão de pacotes assíncronos.
Fase 2
- Serviços de e-mail;
- Voz a meia taxa (half rate). Esse serviço permite ampliar o número de usuários, abrindo mão de certa parcela da qualidade da voz;
- Melhoras no SMS;
- Serviços de dados, como informações sobre tempo, clima, esportes, entre outros;
- Transmissão síncrona e dedicada de pacotes;
- Serviços adicionais como identificador de chamadas, chamada restrita, teleconferência.
Fase 2+
Introduziu o serviço de dados por pacotes em altas taxas de transmissão (GPRS- General Packet Radio Service) na rede GSM. Mais detalhes serão abordados à frente.
Com o advento e a estúpida evolução da Internet, essa demanda atingiu os telefones celulares. Enquanto na década de 80 realizar chamadas em telefones portáteis era o que se sonhava, há pouco tempo o que se espera é acessar a Internet através do celular.
É interessante perceber a dificuldade de se acessar a Internet em um lugar qualquer, sem um canal de Internet disponível. Mesmo com um computador portátil, é necessário um ponto de acesso à rede. Com a criação do acesso banda larga à Internet através do telefone celular, esse serviço pode ser adaptado para ser usado por um computador. A terceira geração evoluiu no sentido de oferecer tráfego em alta velocidade para que o acesso a Internet com boa velocidade fosse alcançado. Com o sistema de alta velocidade viabilizado, diversos outros serviços passam a ter alta qualidade, como envio de imagens, vídeo-conferência, etc.
A segunda geração de celulares evoluiu para a chamada 2.5G, que incluía o serviço GPRS (para o padrão GSM) e a revisão do sistema CDMA IS-95. Na evolução seguinte, para a chamada 2.75G, o GPRS evoluiu para o sistema EDGE, que estudaremos mais a frente. Na terceira geração, o CDMA IS-95, ainda da geração 2.5G, evoluiu para CDMA 2000, e depois para EVDO e EVDV em seguida. O sistema EDGE evoluiu, num sentido para EDGE fase 2, e, em outro, para WCDMA.