- Luiz da Silva Mello

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ELE 2614 - Planejamento de Sistemas de
Comunicações Celulares e de Radioacesso
Capítulo 1 - Introdução
Luiz A. R. da Silva Mello
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Agenda
!
Um pouco da história das comunicações sem fio
!
Sistemas celulares
!
WWANs, WMANs, WLANs e WPANs
!
Sistemas de acesso sem fio de banda larga
!
!
Sistemas celulares de 3a. geração
!
WiFi
!
WiMAX
Convergência e transparência
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ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão
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Comunicações sem fio na antiguidade (1)
King Darius I of Persia was
responsible for the first post
messenger service in the
World , along the course ofthe
famous Royal Road
Also, during his rule (550-486 BC), he was able to send news
from the capital to the provinces by means of a line of shouting
men positioned on heights. This is known as acoustical telegraphy.
Fonte: www.connected-earth.com
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Comunicações sem fio na antiguidade (2)
A flaming torch gave the start signal for both
sender and receiver to allow the water to
run out of identically sized vessels in which
corks were floating, with rods attached.
As the water went down, so would the rods,
each marked with a series of possible
messages.
The first recorded telegraph was
built by a Greek military named
Aeneas around 350 BC.
When the desired message aligned with the
rim of the jar, the sender would signal again
with the torch, and the other station to
replace the bung. The receiver would then
read off the message shown on the rod.
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Telegrafia Óptica
In the late 18th century, the Chappe brothers in France
did much to develop the visual telegraph. In 1793,
Chappe demonstrated his ultimate 'tachygraphe' - a
system of semaphore arms that could quickly be
manipulated to form different shapes.
The Chappe semaphore
system was used to set up a
telegraph network that
spanned the whole of
Napoleon's empire, and was
still in use by the French
military as late as the Crimean
War - nearly 20 years after the
electric telegraph had arrived.
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Rede de Telegrafia Ótica - França sec. XVIII
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Marconi e a invenção do rádio
In 1894 Marconi read that Heinrich Hertz, by inducing
an electric spark to jump across a gap, had produced
invisible waves that travel through space.
Marconi realized that the waves might be used to
send wireless messages similar to the dot-and-dash
messages sent by telegraphs. He began
experimenting and within a year was sending
messages over distances of more than a mile (1.6
km).
Widespread use of radio was assured on December
12, 1901, when assistants in England sent the first
transatlantic signals to Marconi in Newfoundland, a
distance of some 4800 km (3,000 miles).
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Marconi, Popov e a invenção do rádio
Alexander Popov invented a wireless communications
system at about the same time as Marconi. Popov
was a scientist without the business ambitions of
Marconi, and wasn't as interested in selling his
invention.
Popov studied maths and physics in St Petersburg,
then started teaching physics and researching at the
naval warfare institute.
Popov was trying to detect thunderstorms in advance
by picking up static electrical signals, which led him
to experiment with wireless. In May 1895 he
transmitted a signal a modest 600 yards, and within
two years his wireless system had been installed on
Russian naval vessels and land stations.
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Os primórdios das microondas
Up to 1900 the focus of invention had been
on sending and receiving communication
signals. But some scientists were going the
other way, looking at the properties of very
short wavelengths.
One of the pioneers was J.C. Bose in India. In 1895 he gave his first
public demonstration of very short wavelengths, ranging from 2.5cm
down to 5mm - equivalent to a frequency of 60 Gigahertz (GHz). He
used these transmissions to ring a bell remotely and to explode a charge
of gunpowder.
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Os primórdios das microondas
Microwave links first came into practical use
during the 1930s. In 1931 Britain's Standard
Telephone & Cable Ltd (STC) demonstrated
its 'Micro-Ray' microwave communications
link across the Channel between Dover and
Calais.
The following year, Britain's first ultra short wave radio telephone link
was set up by The Post Office across the Bristol Channel, spanning a
distance of 13 miles
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As origens dos sistemas celulares
The basic concept of cellular phones started in
the late 1940s. Researchers looked at existing
police mobile (radio) car phones and realised
that by restricting the range or 'service area' of
transmitters, they could re-use the same radio
frequencies again and again. However, the
computer technology to achieve this just didn't
exist at that time.
In 1947 AT&T proposed that the Federal Communications Commission
(FCC) allocate a large number of radio-spectrum frequencies to allow
mobile telephone services to become a reality. But the FCC decided to
limit the amount of frequencies available. This effectively killed the
potential market and mobile phone research was set back 20 years.
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As origens dos sistemas celulares
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It took America's FCC more than two
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decades to realise it had made a mistake
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in restrictng the frequency allocation for
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mobile phones. In 1968 it reconsidered its
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position and AT&T and Bell Labs quickly
proposed a cellular system of many small,
low-powered, broadcast towers, each
covering a 'cell' a few miles in radius.
By 1977 AT&T and Bell Labs had constructed a prototype cellular
system. A year later, public trials of the new system started in Chicago
with over 2,000 test customers. By 1982 the slow-moving FCC finally
authorised commercial cellular services in the USA.
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O Conceito Celular
!
Para aumentar o número de canais
disponíveis evitando
interferências:
!
Reuso de freqüências em áreas
geográficas suficientemente
distantes para evitar (limitar) a
interferência co-canal.
!
Idéia simples e antiga (Bell 1950) antes limitada pela
complexidade do sistema de
controle, hoje viabilizada pelo uso
de computadores nos terminais
(móveis ou fixos).
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Características dos sistemas celulares
!
Sistemas móveis convencionais
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Sistemas móveis celulares
! Alta densidade de usuários
!
Baixa 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
pequenas células
!
Sem expansão modular
!
Expansão modular ilimitada
(teoricamente)
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A evolução dos sistemas celulares de
comunicações
!
Os sistemas celulares de 1a. Geração (analógicos)
utilizam modulação FM, técnica de acesso FDMA e
oferecem apenas serviços de voz, com baixa capacidade
!
Os sistemas celulares de 2a. Geração (digitais) foram
desenvolvidos para prover maior capacidade, utilizando
técnicas de modulação mais avançadas, técnicas de
acesso TDMA e CDMA, oferecendo principalmente
serviços de voz mas também de dados a baixas taxas (10
Kbits/s).
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Sistemas móveis celulares de 3a. geração
!
A World Administrative Radio Conference (WARC) de 1992
alocou uma nova faixa de frequências em torno de 2GHz
para implementação de sistemas móveis de banda larga.
!
O ITU-R foi encarregado da coordenação do trabalho de
padronização dos novos sistemas, denominados
International Mobile Telecommunications 2000 (IMT2000)
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O Conceito 3G
!
Altas taxas de transmissão
!
Até 2 Mbits/s em redes locais com baixa mobilidade e comutação por
pacotes
!
Até 384 Kbits/s em áreas amplas com alta mobilidade e comutação
por circuitos
!
Múltiplos serviços com diferentes classes de Qualidade de
Serviço (QoS)
!
Cobertura mundial
!
Compatilibidade e interoperabilidade entre padrões
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menos de 20 anos
Evolução dos padrões de telefonia celular
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Tecnologias de acesso sem fio
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Padrões para WPAN
!
Bluetooth
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Ad hoc networks
!
Frequency-hopping spread-spectrum (FHSS)
2.4 GHz ISM band - FHSS
Taxas de dados de até 1 Mbps
!
!
!
P802.15.1 — WPAN/Bluetooth
!
!
P802.15.3 — High rate WPAN
!
Taxas de dados acima de 20 Mbps
2.4 GHz ISM band
!
Aplicações em geração de imagens e multimídia portátil
!
!
Padrão WPAN baseado em Bluetooth (PHY and MAC layers)
P802.15.4 — Low rate WPAN
!
!
Tempos de bateria de múltiplos anos
Taxas de dados abaixo de 200 Kbps
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Piconets
Um elemento pode ser escravo em uma piconet e
mestre em outra.
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WLANs - Wireless Local Area Networks
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Wi-Fi Alliance
!
Apesar do estabelecimento do padrão IEEE 802.11, a
existência de diferentes tecnologias de transmissão criava
problemas de interoperabilidade dos dispositivos
!
Em 1997 um grupo de fabricantes uniu-se para garantir a
interoperabilidade entre seus produtos e formou a WECA
(Wireless Ethernet Compatibility Alliance).
!
A ratificação do padrão IEEE 802.11b foi concretizada em
setembro de 1999 e a WECA começou a testar e certificar os
equipamentos de seus associados, com o selo Wireless Fidelity
e surgiu o acrônimo Wi-Fi.
!
A WECA, posteriormente, mudou seu nome para Wi-Fi Alliance.
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Wi-Fi – Estágio atual
!
Preços muito acessíveis: O mercado já assimilou a
tecnologia e o número de usuários cresce rapidamente;
!
Segurança: Passou por acelerada evolução. Já é possível a
implementação de redes tão seguras quanto as redes
cabeadas;
!
Hotspots: a expansão de hotspots é o foco do momento,
agregando valor a pequenos estabelecimentos e a locais
com alta densidade de executivos, como aeroportos,
hotéis, centros de convenção, etc.
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Os padrões IEEE 802.11
Padrão
802.11
802.11a
802.11b
802.11g
Julho de 1997
Setembro de
1999
Setembro de
1999
Julho de 2003
Banda total
disponível
83,5 MHz
300 MHz
83,5 MHz
83,5 MHz
Banda de
frequências
2,4-2,4835 GHz
Técnica de
acesso
DSSS, FHSS
OFDM
DSSS
DSSS, OFDM
1 a 2 Mbps
6 a 54 Mbps
1 a 11 Mbps
1 a 54 Mbps
Data de
publicação
Taxa de
transmissão
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5,15-5,35 GHz
2,4-2,4835 GHz 2,4- 2,4835GHz
5,725-5,825 GHz
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Padrões IEEE 802.16 - WiMAX
!
Tecnologia proposta, inicialmente, para prover acesso nomádico em
WMANs, com desempenho igual ou superior aos tradicionais DSL, cabo ou
linhas T1/E1
!
Faixas de freqüências:
!
!
!
!
2 a 11 GHz: baixas freqüências permitindo operação sem linha de visada
(NLOS);
!
10 a 66 GHz: operação em visada (LOS), com alta capacidade;
!
2 a 6 GHz: operação sem visada (NLOS) com mobilidade restrita.
A padronização envolve não apenas hardware, mas também padronização
de software de gerência e de testes.
WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access.
Interoperabilidade está sendo muito bem definida através da associação
dos grandes players no WiMAX Forum.
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WiMax - Aplicações
!
Internet banda larga residencial e
SOHO, especialmente em locais
com baixa qualidade dos acessos
cabeados e em ambientes rurais.
!
Modelos de negócio indicam que
aplicações de WiMax podem ser
bem sucedidas mesmo em
cenários de baixa concentração
demográfica.
!
Backbone para redes de telefonia
celular.
!
Backbone para hotspots Wi-Fi: atualmente, uma limitação à proliferação de
hotspots é a falta de soluções de baixo custo para sua interligação.
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O padrão IEEE 802.16
O padrão especifica a interface aérea de sistemas de acesso fixo sem fio pontomultiponto faixa larga para provimento de múltiplos serviços, incluindo a camada
MAC (Medium Access Control) e a camada física (PHY).
! A camada MAC está estruturada para suportar múltiplas especificacões de camada
PHY otimizadas de acordo com a faixa de freqüências e com a aplicação/serviço.
!
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Tecnologias similares
!
HIPERMAN: padrão Europeu equivalente ao IEEE 802.16. O
WiMAX Forum está trabalhando para garantir a interoperabilidade
entre os dois padrões.
!
WiBro: padrão desenvolvido pela indústria Coreana. Em fins de
2004 a Intel e a LG Electronics estabeleceram um acordo para
garantir a interoperabilidade entre o WiBro e o WiMAX móvel. A
implantação de sistemas WiBro, iniciada no primeiro semestre de
2006 é um excelente estudo de caso, pois ocorre num mercado
saturado e em competição com os sistemas 3G e redes fixas de
banda larga.
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Tecnologias competidoras
!
EV-DO: padrão celular 3G “Americano”, otimizado para
transmissão de dados (EVolution Data Optimized).
!
UMTS: padrão celular 3G “Europeu”, cuja versão HSDPA (High
Speed Downlink Packet Access) permite taxas de até 14.4 Mbit/s
no enlace ERB-usuário e otimização para transmissão de voz e
vídeo. Em Julho de 2005 a alocação de freqüências para o WiMAX
foi bloqueada na França e Finlândia, onde houve grandes
investimentos em UMTS.
!
LTE: o grupo 3GPP, que desenvolve o padrão UMTS, optou por
utilizar técnicas MIMO-OFDM, em lugar de CDMA, para a evolução
do sistema, denominada 3G Long Term Evolution (LTE). Enquanto
o padrão WiMAX utiliza OFDMA tanto no uplink como no downlink,
o padrão LTE utilizará SC-OFDM no uplink permitindo maior
alcance ainda que com menor largura ce banda.
!
Wi-Fi: é considerado muito mais complementar do que
competidor do WiMAX.
!
MBWA: a tecnologia Mobile Broadband Wireless Access, em
desenvolvimento também pelo IEEE (padrão IEEE 802.20), com
características completas de sistema 4G. Em Junho de 2006 o IEEE
anunciou uma pausa no desenvolvimento desta tecnologia.
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Status do WiMAX no Brasil
!
Grande interesse na área corporativa e de Governo:
!
!
Campus Network (comunicação e monitoração nas instalações),
Building to Building Connection (comunicação entre instalações),
Backhaul para redes Wi-Fi e VoIP, Segurança;
Governos Federal, Estadual e Municipal para aplicações em egovernment e inclusão digital (pilotos realizados pelo MEC, Prefeitura
de Mangaratiba e PRODAM/SP, entre outros).
Operadoras de Telefonia Fixa fazendo testes e elaborando projetos piloto,
entre elas a Brasil Telecom, a Telefônica e a TELEMAR/Oi.
! Panorama regulatório confuso
!
!
!
Um primeiro leilão da faixa de 3.5 GHz foi realizado em 2003, quando ainda não
se sabia ao certo que esta faixa seria utilizada para aplicações WiMAX. Entre as
grandes operadoras adquiriram licenças a EMBRATEL (licença nacional) e a Brasil
Telecom (algumas cidades).
O segundo leilão, em 2006, foi suspenso pelo TCU em função de conflitos entre
os interesses das grandes operadoras, provedores de acesso e do próprio
governo)
Fonte: Notícias na Web e Revista de WiMAX (Eduardo Prado)
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Convergência e transparência
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