Bandas de Freqüências Celular - Brasil
Estão disponíveis para o celular no Brasil (SMP) frequências nas bandas de:
- 850 MHz
- Antigas bandas A e B
- 900 MHz
- Bandas de extensão utilizadas pelo GSM
- 1700 e 1800 MHz
- Bandas D, E e subfaixas de extensão utilizadas pelo GSM
- 1900 e 2100 MHZ
- Destinadas na sua maior parte para sistemas 3G.
Alocação de faixas de frequência
Rede de Telefonia
- Uma rede de telefonia celular é composta de três elementos básicos:
- Estação radio base
- Estação móvel
- Central de Comutação Móvel
- As estações radio base conectam o sistema através da Central de Comutação e são responsáveis pela alocação de canais e realização de chamadas entre os aparelhos móveis
- Cada estação é constituída da parte de rádio, formada pelo conjunto de transmissão, recepção, torres e antenas, e de controle, consistindo de uma unidade com microprocessador que controla, monitora e supervisiona as chamadas entre os móveis
- Na estação base também é feito o monitoramento dos níveis de sinais do móvel, verificando a necessidade de handoff
- Os canais de comunicação entre o móvel e a base são divididos em canais de voz e canais de controle, ocorrendo, nos primeiros, conversação e troca de dados e, nos outros, que existem em número bem menor, informações da chamada e do sistema.
- As estações móveis possuem um transceptor portátil de voz e dados que se comunica com os rádios das estações base em qualquer um dos canais alocados
- Esses canais são os links direto e reverso entre o móvel e a estação, possuindo um caminho de ida e volta entre eles
- Mensagens de controle também são trocadas entre o móvel e a base, sendo algumas delas:
- pedido do móvel para acessar canal
- mensagem de alocação de canal da base para o móvel
- mensagens de handoff da base, para que o móvel sintonize outro canal
- A Central de Comutação Móvel é o responsável pela interligação entre um conjunto de células, podendo também prover ligação com a Rede de Telefonia Pública (PSTN)
- Funções da CC:
- gerenciar e controlar os equipamentos das Bases
- dar o suporte às tecnologias de acesso
- dar suporte às funções de processamento de chamadas e tarifação
- A cobertura, dentro de cada célula, depende de parâmetros pré-definidos como altura, potência de transmissão e localização da antena, sendo afetada pela presença de obstáculos como presença de prédios, vegetação, túneis e montanhas
Reuso de Frequência
- Os sistemas celulares utilizam uma forma inteligente de alocação e reuso de canais através da área de cobertura
- Dentro de cada célula, a estação base aloca um grupo de canais a serem usados. Para que não haja interferência, as estações base de células adjacentes utilizam grupos de canais diferentes das vizinhas
- Assim, com este limite da área de cobertura, células separadas por uma distância suficiente (distância de reuso cocanal) podem utilizar simultaneamente os mesmos canais, com um baixo nível de interferência
- O conjunto de células vizinhas que utilizam todo o espectro disponível é chamado cluster
- A distância de reuso cocanal é a distância que separa duas células pertencentes a clusters adjacentes e que utilizam o mesmo conjunto de freqüências
- Existe um plano de reuso de freqüências que é sobreposto a um mapa para verificar onde serão utilizados os diferentes grupos de canais
- Conceitualmente, utiliza-se as células com forma hexagonal, pois é um modelo simples para mostrar a cobertura de cada estação base
Interferência
- A interferência é o fator que mais limita o desempenho de sistemas celulares
- As causas de interferências podem ser diversas, incluindo a existênciade de outro móvel na mesma célula, chamada em andamento em uma célula vizinha, outras estações base operando na mesma faixa de freqüências ou algum sistema não-celular causador de interferência
- Efeitos distintos podem ocorrer dependendo em que canal ocorrer a interferência. Quando ocorre em canais de voz, a interferência provoca efeitos de cross talk, quando em canais de controle, pode causar a perda ou o bloqueio de chamadas
- As interferências podem ser do tipo cocanal ou de canal adjacente
- Devido ao reuso de freqüências, em uma dada cobertura, existem células que utilizam um mesmo conjunto de freqüências
- A interferência entre essas células é a cocanal
- Ao contrário do ruído térmico, que pode ser combatido através do aumento da relação sinal-ruído (SNR), o aumento na potência de transmissão é prejudicial nesse caso, pois essa medida aumentaria a interferência em células cocanal vizinhas
- É necessário então que estas células sejam espaçadas por uma distância mínima a fim de garantir um isolamento adequado entre elas
- Já a interferência de canal adjacente deve-se a imperfeições no filtro do receptor, permitindo que sinais que estão numa faixa de freqüências adjacentes às da faixa desejada sejam recebidas
- Este problema se agrava quando um usuário em um canal adjacente está transmitindo muito próximo de um receptor de um outro usuário. Assim, o transmissor que está próximo causa uma forte interferência de canal adjacente em outro receptor
- Esse problema é conhecido como efeito perto-distante. De outra maneira, o efeito perto-distante também ocorre quando um móvel próximo à estação base transmite em um canal próximo ao canal sendo usado por um móvel cujo sinal está fraco
- A interferência de canal adjacente pode ser minimizada através de filtragem adequada e uma correta alocação de canais entre células
- Como para cada célula é alocada apenas uma fração dos canais disponíveis, deve ser evitada a alocação, para uma mesma célula, de canais que são adjacentes em freqüência
- Através da alocação de canais na célula de forma que eles sejam o mais afastados possível em freqüência, a interferência de canal adjacente pode ser consideravelmente reduzida
- Dessa forma, é possível que se crie vários esquemas de alocação de canal entre as células de forma a maximizar a separação entre canais em uma mesma célula
- Esquemas de alocação de canal devem também prevenir uma outra fonte de interferência de canal adjacente,que é o uso de canais adjacentes em células vizinhas. Esse é um problema de solução ainda mais complexa.
Handoff
- É o procedimento empregado em redes sem fios para tratar a transição de uma unidade móvel de uma célula para outra de forma transparente ao usuário. Por exemplo, se um veículo se desloca de uma célula de rádio para uma célula adjacente, a rede entrega a ligação em curso para a nova célula
- Muitas estratégias de handoff priorizam os pedidos de handoff em relação a pedidos de inicialização de novas chamadas, quando da alocação de canais livres em uma célula
- O grande objetivo do handoff é manter a conexão com uma estação móvel permitindo a continuidade dos serviços e aplicações em execução. Com isso o grande desafio passa a ser realizar o handoff rápido e sem perda de dados
- Existem vários problemas relacionados ao processo de handoff. Dentre eles estão a detectação e o início do mesmo que devem ser feitos antes da perda da conexão. O estado do sinal também tem que ser monitorado constantemente para saber se tem potência necessária
- Outro grande desafio está relacionado com a identificação da melhor estação base de destino da estação móvel, sendo que nessa escolha o monitoramento do sinal tem uma interferência muito grande
- Outro problema levantado é como lidar com a falta de recursos da nova estação base. Neste caso o handoff não pode ser completado e para tentar resolver o problema poderia então ser utilizado uma das técnicas de alocação dinâmica de canal ou de empréstimo de canal, no caso de alocação estática
- Os projetistas especificam o nível que oferece a qualidade de voz mínima aceitável no receptor da estação base (normalmente entre –90 dBm e –100dBm), e baseado nesse valor, eles podem estabelecer uma margem para saber quando o handoff é necessário
- Deve-se tomar cuidado para que não ocorra handoffs desnecessários ou então o tempo ser curto demais para realizar o handoff e então perder o sinal. Para decidir se um handoff é necessário ou não, é importante garantir que a queda no nível do sinal medido não é devida a um desvanecimento momentâneo e que o móvel está realmente afastando-se da estação base que o serve
- Para se certificar disso, a estação base monitora o nível de sinal por um certo tempo antes do handoff ser iniciado. Esse procedimento deve ser otimizado de forma que handoffs desnecessários não ocorram e que handoffs necessários sejam realizados antes da chamada ser interrompida
- Existem duas maneiras de se verificar a qualidade da transmissão para saber quando é necessário fazer o handoff:
- Utilizando a relação sinal/ruído do tom SAT. SAT significa supervisory audio tone e é gerado continuamente na unidadede canal de voz e adicionado ao sinal transmitido. O SAT não interfere na voz pois ele está em uma freqüência mais acima. A estação móvel recebe o SAT, e o devolve a estação base, onde alcança o Rx. Existem três tons de SAT para garantir que a estação móvel esteja utilizando o canal correto, evitando interferências cocanais. Com isso, caso você esteja utilizando o canal na faixa de freqüência correta, mas o tom de SAT errado, a estação base sabe que está ocorrendo interferência. A supervisão da relação sinal/ruído é feita continuamente pelo canal de voz e, se o valor cair abaixo de um limiar preestabelecido, deve-se transferir a conversação à outra célula
- Intensidade do sinal de radiofreqüência (RSSI). O RSSI (Radio Signal Strength Indications) indica a intensidade do sinal de rádio transmitido, que é supervisionado pela unidade de canal de voz. A intensidade média é comparada com os valores preestabelecidos e se for maior,solicita-se a estação móvel para diminuí-la, caso seja menor, solicita-se a estação móvel para aumentá-la, e caso já esteja no valor máximo, solicita-se a central de comutação móvel para transferir a chamada para outra célula, pois há uma outra estação base que com capacidade de servir melhor a estação móvel.
- No sistema analógico, as duas formas descritas acima são utilizadas. Já nos sistemas digitais da segunda geração excluindo o CDMA, é utilizado a intensidade do sinal de radiofreqüência (RSSI), a taxa de erros por bit (BER), a taxa de erros por bloco (BLER), entre outras
- Já nos sistemas CDMA da segunda e terceira geração, o critério utilizado para verificar se é necessário o handoff é a taxa Ec/Io medida no canal piloto (CPICH) e a potência do código de sinal recebido (RSCP)
- Em sistemas celulares analógicos de primeira geração, a medição dos níveis de sinal é feita pelas estações base e supervisionada pela central de comutação móvel. Cada estação base constantemente monitora a intensidadede sinal de todos os seus canais de voz reversos (móvel para base) para determinar a posição relativa de todos os usuários em relação à torre da base
- Além de medir a RSSI de chamadas em progresso dentro da célula, um receptor adicional em cada estação base, chamado de locator receiver, é usado para determinar o nível de sinal de usuários que estão em células vizinhas
- Esse receptor é comandado pela central de comutação móvel e é usado para monitorar a intensidade de sinal de usuários em células vizinhas que possam ser candidatos a handoff e reportar os valores de RSSI medidos à central de comutação móvel. Baseada na informação de nível de sinal fornecida pelo locator receiver de cada estação base, a central de comutação móvel decide se o handoff é necessário ou não e, caso seja, para que célula ele deverá ser feito
- Um ponto interessante a ser mencionado nesse momento é que o processo de handoff não ocorre somente entre células. Isso geralmente é deixado de lado porque o processo de handoff na maioria das vezes ocorre entre células e também porque é neste método que envolve maiores complicações
- O handoff que ocorre na mesma célula é conhecido como intra-célula. O handoff intra-celular ocorre quando a intenção é trocar o canal, pois ele pode estar sofrendo interferência ou porque ele está esvaecendo.
- O processo de handoff também pode ser dividido em dois grandes tipos:
Hard Handoff
- O canal de comunicação entre a estação base antiga e a estação móvel é liberado antes de ser estabelecido uma conexão entre a estação base de destino e a estação móvel
- Este tipo de handoff é conhecido como break-before-make (quebre antes de fazer)
- Esses tipos de handoff são feitos de forma instantânea para a interrupção não ser percebida
Soft Handoff
- O canal de comunicação entre a estação base antiga e a estação móvel continua existindo em paralelo com o canal que é alocado entre a estação base de destino e a estação móvel
- Neste caso, a conexão com a estação base de destino é estabelecida antes da conexão antiga ser desativada. Este handoff também é conhecido como make-before-break (faça antes de quebrar)
- O intervalo em que existem duas conexões em paralelo é curto e a vantagem deste tipo de handoff é que não há perda de continuidade e assim o usuário da estação móvel não percebe nenhuma mudança.
- Podemos fazer uma analogia entre os dois tipos de handoff e um trapezista voando entre duas plataformas de trapézio. Imagine que cada um dos trapézios contém um trapezista preso e que o trapezista que vai voar(o trapezista do meio) está preso a um dos dois trapezistas.
- No hard handoff, o trapezista do meio é solto antes de segurar o trapezista do outro lado(break-before-make)
- No soft handoff, o trapezista do meio só é solto depois de ter segurado firme o trapezista do outro lado(make-before-break)
- Uma vantagem do hard handoff é que em qualquer momento da chamada,apenas um canal é utilizado. O processo de handoff é muito curto e geralmente não é perceptível pelo usuário
- Outra vantagem do hard handoff é que o hardware da estação móvel não precisa ser capaz de dar suporte a dois ou mais canais em paralelo, deixando-o mais barato e simples
- Uma desvantagem é que se o handoff falhar, a chamada pode acabar sendo abortada.
- Uma grande vantagem dosoft handoff é que como vários canais simultâneos são mantidos, a ligação só será cortada caso todos os canais sofram interferência ou enfraqueçam ao mesmo tempo. Claro que essa vantagem acarreta um custo adicional ao hardware, já que agora a estação móvel tem que trabalhar com mais de um canal em paralelo
- Outra desvantagem do uso deste tipo de handoff é a quantidade de canais que é utilizado para apenas uma ligação. Isto faz com que reduza o número de canais livres e com isso reduz acapacidade da rede, já que menos ligações serão suportadas. Devido ao custo adicional, o soft handoff não existe nos sistemas analógicos e nos digitais da primeira e da segunda geração
- Já nas tecnologias baseadas no CDMA, o soft handoff existe e é necessário já que redes com CDMA podem sofrer interferência devido ao efeito conhecido como near-far.
- A sequência de eventos no soft handoff é a seguinte:
- Depois que uma ligação é iniciada, a estação continua monitorando as células vizinhas para determinar se o sinal de alguma outra célula se torna mais forte do que o sinal da sua célula
- Quando isso ocorre, a estação móvel sabe que a ligação entrou numa nova área de cobertura, e então o processo de handoff tem que ser iniciado
- A estação móvel transmite uma mensagem de controle para a central de comutação móvel, através da estação base, informando que que ela está recebendo um sinal mais forte de uma célula vizinha, e a própria estação móvel identifica quem é essa célula vizinha
- A central de comutação móvel inicial o handoff estabelecendo um novo canal entre a estação móvel para a estação base da célula vizinha, mantendo o canal antigo. Enquanto a estação móvel estiver na região entre as duas células, a ligação vai ser suportada pelas duas células
- Quando a estação móvel estiver estabelecido uma conexão firme com a nova estação base, a conexão antiga com a estação base de origem será finalizada, liberando o canal.
Roaming
- Numa situação prática, pode haver mais de um operador de serviços celulares em uma mesma cidade e, certamente, dentro de um mesmo país/continente. Porém, o usuário é assinante de uma operadora apenas
- Dessa forma, é necessário que haja interligações entre as diversas operadoras, no sentido de que o assinante de uma operadora possa utilizar os serviços de outra,como visitante (roamer)
- Durante o curso de uma chamada, se o móvel desloca-se da área de serviço de uma MSC para a de outra, é necessário um roaming. Portanto, o roaming pode inclusive ocorrer na área de prestação de serviço de uma mesma operadora
- Há vários aspectos a serem considerados na implementação do roaming. Por exemplo, uma chamada local pode transformar-se numa chamada alonga distância quando a MSC visitada está em outro estado. Da mesma forma,deve ser dada atenção à compatibilidade de sistemas entre as MSC’s envolvidas.
Fonte:
- Redes de Telefonia Celular e Transmissão de Dados
- Departamento de Ciência da Computação
- Universidade Federal da Bahia