Rede celular - Cellular network

Topo de uma torre de rádio celular
Cell site indoor na Alemanha

Uma rede celular ou rede móvel é uma rede de comunicação em que o link de e para os nós finais é sem fio . A rede é distribuída em áreas terrestres chamadas "células", cada uma servida por pelo menos um transceptor de localização fixa (normalmente três estações de células ou estações base de transceptor ). Essas estações base fornecem à célula a cobertura de rede que pode ser usada para transmissão de voz, dados e outros tipos de conteúdo. Uma célula normalmente usa um conjunto diferente de frequências de células vizinhas, para evitar interferência e fornecer qualidade de serviço garantida dentro de cada célula.

Quando unidas, essas células fornecem cobertura de rádio em uma ampla área geográfica. Isso permite que vários transceptores portáteis (por exemplo, telefones celulares , tablets e laptops equipados com modems de banda larga móvel , pagers , etc.) se comuniquem entre si e com transceptores e telefones fixos em qualquer lugar da rede, por meio de estações base, mesmo que alguns dos os transceptores estão se movendo por mais de uma célula durante a transmissão.

As redes celulares oferecem uma série de recursos desejáveis:

  • Mais capacidade do que um único transmissor grande, uma vez que a mesma frequência pode ser usada para vários links, desde que estejam em células diferentes
  • Os dispositivos móveis usam menos energia do que com um único transmissor ou satélite, pois as torres de celular estão mais próximas
  • Área de cobertura maior do que um único transmissor terrestre, uma vez que torres de celular adicionais podem ser adicionadas indefinidamente e não são limitadas pelo horizonte

Os principais provedores de telecomunicações implantaram redes celulares de voz e dados na maior parte da área terrestre habitada da Terra . Isso permite que telefones celulares e dispositivos de computação móvel sejam conectados à rede telefônica pública comutada e ao acesso público à Internet . As redes celulares privadas podem ser usadas para pesquisa ou para grandes organizações e frotas, como envio para agências de segurança pública locais ou uma empresa de táxi.

Conceito

Exemplo de fator de reutilização de frequência ou padrão 1/4

Em um sistema de rádio celular , uma área terrestre a ser fornecida com serviço de rádio é dividida em células em um padrão dependente do terreno e das características de recepção. Esses padrões de células assumem aproximadamente a forma de formas regulares, como hexágonos, quadrados ou círculos, embora as células hexagonais sejam convencionais. Cada uma dessas células é atribuída a várias frequências ( f 1  -  f 6 ), que têm estações base de rádio correspondentes . O grupo de frequências pode ser reutilizado em outras células, desde que as mesmas frequências não sejam reutilizadas em células adjacentes, o que causaria interferência no co-canal .

O aumento da capacidade em uma rede celular, em comparação com uma rede com um único transmissor, vem do sistema de comutação de comunicação móvel desenvolvido por Amos Joel da Bell Labs que permitia que vários chamadores em uma determinada área usassem a mesma frequência, comutando as chamadas para o mais próximo torre de celular disponível com essa frequência disponível. Essa estratégia é viável porque uma determinada frequência de rádio pode ser reutilizada em uma área diferente para uma transmissão não relacionada. Em contraste, um único transmissor pode controlar apenas uma transmissão para uma determinada frequência. Inevitavelmente, há algum nível de interferência do sinal de outras células que usam a mesma frequência. Consequentemente, deve haver pelo menos um intervalo de células entre as células que reutilizam a mesma frequência em um sistema de acesso múltiplo por divisão de frequência padrão (FDMA).

Considere o caso de uma empresa de táxi, onde cada rádio tem um botão seletor de canal operado manualmente para sintonizar diferentes frequências. Conforme os motoristas se movem, eles mudam de canal para canal. Os motoristas estão cientes de qual frequência cobre aproximadamente alguma área. Quando não recebem sinal do transmissor, tentam outros canais até encontrar um que funcione. Os taxistas falam apenas um de cada vez quando são convidados pela operadora da estação base. Esta é uma forma de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA).

História

A primeira rede celular comercial, a geração 1G , foi lançada no Japão pela Nippon Telegraph and Telephone (NTT) em 1979, inicialmente na área metropolitana de Tóquio . Em cinco anos, a rede NTT foi expandida para cobrir toda a população do Japão e se tornou a primeira rede 1G nacional. Era uma rede sem fio analógica . O Bell System desenvolveu a tecnologia celular desde 1947 e tinha redes celulares em operação em Chicago e Dallas antes de 1979, mas o serviço comercial foi atrasado pelo desmembramento do Bell System , com os ativos de celular transferidos para as companhias operacionais regionais da Bell .

A revolução sem fio começou no início da década de 1990, levando à transição das redes analógicas para as digitais . Isso foi possibilitado por avanços na tecnologia MOSFET . O MOSFET, originalmente inventado por Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng na Bell Labs em 1959, foi adaptado para redes celulares no início de 1990, com a ampla adoção de MOSFET de potência , LDMOS ( amplificador de RF ) e RF CMOS ( circuito de RF ) dispositivos que levam ao desenvolvimento e proliferação de redes móveis digitais sem fio.

A primeira rede celular digital comercial, a geração 2G , foi lançada em 1991. Isso acendeu a concorrência no setor à medida que as novas operadoras desafiavam as operadoras de rede analógica 1G estabelecidas.

Codificação de sinal celular

Para distinguir sinais de vários transmissores diferentes, acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA, usado por sistemas analógicos e D-AMPS ), acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA, usado por GSM ) e acesso múltiplo por divisão de código (CDMA, usado pela primeira vez para PCS , e com base no 3G ) foram desenvolvidos.

Com o FDMA, as frequências de transmissão e recepção usadas por diferentes usuários em cada célula são diferentes umas das outras. Cada chamada de celular foi atribuída a um par de frequências (uma para base para celular e outra para celular para base) para fornecer operação full-duplex . Os sistemas AMPS originais tinham 666 pares de canais, 333 cada para o sistema CLEC "A" e o sistema ILEC "B". O número de canais foi expandido para 416 pares por operadora, mas, em última análise, o número de canais de RF limita o número de chamadas que uma estação de celular pode atender. Observe que o FDMA é uma tecnologia familiar às companhias telefônicas, que usavam multiplexação por divisão de frequência para adicionar canais a suas plantas de cabo a ponto antes que a multiplexação por divisão de tempo tornasse o FDM obsoleto.

Com o TDMA, os slots de tempo de transmissão e recepção usados ​​por diferentes usuários em cada célula são diferentes uns dos outros. O TDMA normalmente usa sinalização digital para armazenar e encaminhar rajadas de dados de voz que são ajustados em fatias de tempo para transmissão e expandidos na extremidade receptora para produzir uma voz de som um tanto normal no receptor. O TDMA deve introduzir latência (atraso de tempo) no sinal de áudio. Contanto que o tempo de latência seja curto o suficiente para que o áudio atrasado não seja ouvido como um eco, isso não é problemático. Observe que o TDMA é uma tecnologia familiar para as empresas de telefonia, que usavam multiplexação por divisão de tempo para adicionar canais a suas plantas com fio ponto a ponto antes que a comutação de pacotes tornasse o FDM obsoleto.

O princípio do CDMA é baseado na tecnologia de espalhamento espectral desenvolvida para uso militar durante a Segunda Guerra Mundial e aprimorada durante a Guerra Fria em espalhamento de espectro de sequência direta que foi usado para os primeiros sistemas celulares CDMA e Wi-Fi . O DSSS permite que várias conversas telefônicas simultâneas ocorram em um único canal RF de banda larga, sem a necessidade de canalizá-las no tempo ou na frequência. Embora mais sofisticado do que os esquemas de acesso múltiplo mais antigos (e desconhecido para as empresas de telefonia tradicionais porque não foi desenvolvido pela Bell Labs ), o CDMA foi dimensionado para se tornar a base dos sistemas de rádio celular 3G.

Outros métodos disponíveis de multiplexação, como MIMO , uma versão mais sofisticada da diversidade de antenas , combinada com a formação de feixes ativos, oferece uma capacidade de multiplexação espacial muito maior em comparação com as células AMPS originais, que normalmente endereçam apenas um a três espaços exclusivos. A implantação massiva de MIMO permite uma reutilização de canal muito maior, aumentando assim o número de assinantes por local de celular, maior taxa de transferência de dados por usuário ou alguma combinação disso. Os modems Quadrature Amplitude Modulation (QAM) oferecem um número crescente de bits por símbolo, permitindo mais usuários por megahertz de largura de banda (e decibéis de SNR), maior taxa de transferência de dados por usuário ou alguma combinação dos mesmos.

Reutilização de frequência

A principal característica de uma rede celular é a capacidade de reutilizar frequências para aumentar a cobertura e a capacidade. Conforme descrito acima, as células adjacentes devem usar frequências diferentes, no entanto, não há problema com duas células suficientemente distantes operando na mesma frequência, desde que os mastros e os equipamentos dos usuários da rede celular não transmitam com muita potência.

Os elementos que determinam a reutilização da frequência são a distância de reutilização e o fator de reutilização. A distância de reutilização, D é calculada como

,

onde R é o raio da célula e N é o número de células por cluster. O raio das células pode variar de 1 a 30 quilômetros (0,62 a 18,64 mi). Os limites das células também podem se sobrepor entre as células adjacentes e as células grandes podem ser divididas em células menores.

O fator de reutilização de frequência é a taxa na qual a mesma frequência pode ser usada na rede. É 1 / K (ou K de acordo com alguns livros), onde K é o número de células que não podem usar as mesmas frequências para transmissão. Os valores comuns para o fator de reutilização de frequência são 1/3, 1/4, 1/7, 1/9 e 1/12 (ou 3, 4, 7, 9 e 12 dependendo da notação).

No caso de antenas de setor N no mesmo local da estação base, cada uma com direção diferente, o local da estação base pode servir N setores diferentes. N é tipicamente 3. Um padrão de reutilização de N / K denota uma divisão adicional na frequência entre as antenas de setor de N por local. Alguns padrões de reutilização atuais e históricos são 3/7 (AMPS norte-americano), 6/4 (Motorola NAMPS) e 3/4 ( GSM ).

Se a largura de banda total disponível for B , cada célula pode usar apenas um número de canais de frequência correspondentes a uma largura de banda de B / K , e cada setor pode usar uma largura de banda de B / NK .

Os sistemas baseados em acesso múltiplo por divisão de código usam uma banda de frequência mais ampla para atingir a mesma taxa de transmissão que o FDMA, mas isso é compensado pela capacidade de usar um fator de reutilização de frequência de 1, por exemplo, usando um padrão de reutilização de 1/1 . Em outras palavras, as estações de base adjacentes usam as mesmas frequências, e as diferentes estações de base e usuários são separados por códigos em vez de frequências. Embora N seja mostrado como 1 neste exemplo, isso não significa que a célula CDMA tem apenas um setor, mas sim que toda a largura de banda da célula também está disponível para cada setor individualmente.

Recentemente, também sistemas baseados em acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal , como LTE, estão sendo implantados com uma reutilização de frequência de 1. Uma vez que tais sistemas não espalham o sinal pela banda de frequência, o gerenciamento de recursos de rádio intercelular é importante para coordenar a alocação de recursos entre diferentes locais de células e para limitar a interferência entre as células. Existem vários meios de coordenação de interferência entre células (ICIC) já definidos na norma. Programação coordenada, MIMO multi-site ou beamforming multi-site são outros exemplos de gerenciamento de recursos de rádio entre células que podem ser padronizados no futuro.

Antenas direcionais

Padrão de reutilização de freqüência de telefone celular. Ver Patente US 4.144.411

As torres de celular freqüentemente usam um sinal direcional para melhorar a recepção em áreas de tráfego intenso. Nos Estados Unidos , a Federal Communications Commission (FCC) limita os sinais da torre de celular omnidirecional a 100 watts de potência. Se a torre tiver antenas direcionais, o FCC permite que o operador de celular emita até 500 watts de potência irradiada efetiva (ERP).

Embora as torres de celular originais criassem um sinal onidirecional uniforme, estivessem no centro das células e fossem onidirecionais, um mapa celular pode ser redesenhado com as torres de telefonia celular localizadas nos cantos dos hexágonos onde três células convergem. Cada torre possui três conjuntos de antenas direcionais apontadas em três direções diferentes com 120 graus para cada célula (totalizando 360 graus) e recebendo / transmitindo em três células diferentes em frequências diferentes. Isso fornece um mínimo de três canais e três torres para cada célula e aumenta muito as chances de receber um sinal utilizável de pelo menos uma direção.

Os números na ilustração são números de canais, que se repetem a cada 3 células. As células grandes podem ser subdivididas em células menores para áreas de alto volume.

As empresas de telefonia celular também usam esse sinal direcional para melhorar a recepção ao longo das rodovias e dentro de prédios como estádios e arenas.

Transmitir mensagens e paging

Praticamente todo sistema celular possui algum tipo de mecanismo de transmissão. Isso pode ser usado diretamente para distribuir informações para vários celulares. Normalmente, por exemplo, em sistemas de telefonia móvel , o uso mais importante da informação de difusão é configurar canais para comunicação um-para-um entre o transceptor móvel e a estação base. Isso é chamado de paginação . Os três procedimentos diferentes de paging geralmente adotados são paging sequencial, paralelo e seletivo.

Os detalhes do processo de paging variam um pouco de rede para rede, mas normalmente conhecemos um número limitado de células onde o telefone está localizado (este grupo de células é chamado de Área de Localização no sistema GSM ou UMTS , ou Área de Roteamento se um a sessão de pacote de dados está envolvida; no LTE , as células são agrupadas em áreas de rastreamento). A paginação ocorre enviando a mensagem de difusão a todas essas células. Mensagens de paging podem ser usadas para transferência de informações. Isso acontece em pagers , em sistemas CDMA para envio de mensagens SMS e no sistema UMTS , onde permite baixa latência de downlink em conexões baseadas em pacotes.

Movimento de célula em célula e entrega

Em um sistema de táxi primitivo, quando o táxi se afastava de uma primeira torre e se aproximava de uma segunda torre, o taxista trocava manualmente de uma frequência para outra, conforme necessário. Se a comunicação foi interrompida devido à perda de um sinal, o taxista pediu ao operador da estação base para repetir a mensagem em uma freqüência diferente.

Em um sistema celular, conforme os transceptores móveis distribuídos se movem de célula para célula durante uma comunicação contínua em curso, a comutação de uma frequência de célula para uma frequência de célula diferente é feita eletronicamente sem interrupção e sem um operador de estação base ou comutação manual. Isso é chamado de transferência ou transferência. Normalmente, um novo canal é selecionado automaticamente para a unidade móvel na nova estação base que irá servi-lo. A unidade móvel então muda automaticamente do canal atual para o novo canal e a comunicação continua.

Os detalhes exatos da movimentação do sistema móvel de uma estação base para outra variam consideravelmente de sistema para sistema (veja o exemplo abaixo para saber como uma rede de telefone móvel gerencia a transferência).

Rede de telefonia móvel

Rede 3G
Arquitetura de rede WCDMA

O exemplo mais comum de uma rede celular é uma rede de telefone móvel (telefone celular). Um telefone móvel é um telefone portátil que recebe ou faz chamadas através de uma estação de celular (estação base) ou torre de transmissão. As ondas de rádio são usadas para transferir sinais de e para o telefone celular.

As redes de telefonia móvel modernas usam células porque as radiofrequências são um recurso limitado e compartilhado. As estações de celular e os telefones mudam de frequência sob controle do computador e usam transmissores de baixa potência, de modo que o número normalmente limitado de frequências de rádio pode ser usado simultaneamente por muitos chamadores com menos interferência.

Uma rede celular é usada pela operadora de telefonia móvel para obter cobertura e capacidade para seus assinantes. Grandes áreas geográficas são divididas em células menores para evitar perda de sinal de linha de visão e para oferecer suporte a um grande número de telefones ativos nessa área. Todos os locais de celular estão conectados a centrais telefônicas (ou comutadores), que por sua vez se conectam à rede telefônica pública .

Nas cidades, cada local de célula pode ter um alcance de até aproximadamente 12 milhas (0,80 km), enquanto nas áreas rurais, o alcance pode ser de até 5 milhas (8,0 km). É possível que, em áreas abertas e claras, um usuário receba sinais de uma estação de celular a 40 km de distância.

Como quase todos os telefones celulares usam tecnologia celular , incluindo GSM , CDMA e AMPS (analógico), o termo "telefone celular" é em algumas regiões, principalmente nos Estados Unidos, usado de forma intercambiável com "telefone móvel". No entanto, os telefones via satélite são telefones celulares que não se comunicam diretamente com uma torre de celular terrestre, mas podem fazê-lo indiretamente por meio de um satélite.

Existem várias tecnologias celulares digitais diferentes, incluindo: Sistema Global para Comunicações Móveis (GSM), Serviço de Rádio de Pacote Geral (GPRS), cdmaOne , CDMA2000 , Evolução-Dados Otimizados (EV-DO), Taxas de Dados Aprimoradas para Evolução GSM ( EDGE), Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), Digital AMPS (IS-136 / TDMA) e Integrated Digital Enhanced Network (iDEN). A transição do padrão analógico para o digital existente seguiu um caminho muito diferente na Europa e nos Estados Unidos . Como consequência, vários padrões digitais surgiram nos Estados Unidos, enquanto a Europa e muitos países convergiram para o padrão GSM .

Estrutura da rede de telefonia celular

Uma visão simples da rede de rádio móvel celular consiste no seguinte:

Essa rede é a base da rede do sistema GSM . Muitas funções são realizadas por essa rede para garantir que os clientes obtenham o serviço desejado, incluindo gerenciamento de mobilidade, registro, configuração de chamada e transferência .

Qualquer telefone se conecta à rede por meio de uma RBS ( estação de rádio base ) em um canto da célula correspondente que, por sua vez, se conecta à central de comutação móvel (MSC). O MSC fornece uma conexão à rede telefônica pública comutada (PSTN). O link de um telefone para o RBS é denominado uplink, enquanto a outra forma é denominado downlink .

Os canais de rádio usam efetivamente o meio de transmissão através do uso dos seguintes esquemas de multiplexação e acesso: acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA), acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA), acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) e múltiplo por divisão de espaço acesso (SDMA).

Pequenas células

As células pequenas, que têm uma área de cobertura menor do que as estações base, são categorizadas da seguinte forma:

Transferência de celular em redes de telefonia móvel

À medida que o usuário do telefone se move de uma área de célula para outra enquanto uma chamada está em andamento, a estação móvel procura um novo canal para se conectar a fim de não desligar a chamada. Assim que um novo canal for encontrado, a rede irá comandar a unidade móvel para mudar para o novo canal e ao mesmo tempo mudar a chamada para o novo canal.

Com o CDMA , vários aparelhos CDMA compartilham um canal de rádio específico. Os sinais são separados por um código de pseudo - ruído (código PN) específico para cada telefone. Conforme o usuário se move de uma célula para outra, o aparelho estabelece links de rádio com vários locais de células (ou setores do mesmo local) simultaneamente. Isso é conhecido como "transferência suave" porque, ao contrário da tecnologia de celular tradicional , não há um ponto definido onde o telefone muda para o novo celular.

Em handovers de interfreqüência IS-95 e sistemas analógicos mais antigos, como NMT , normalmente será impossível testar o canal de destino diretamente durante a comunicação. Nesse caso, outras técnicas devem ser usadas, como balizas piloto no IS-95. Isso significa que quase sempre há uma breve interrupção na comunicação durante a busca pelo novo canal, seguida pelo risco de um retorno inesperado ao canal antigo.

Se não houver comunicação em andamento ou a comunicação puder ser interrompida, é possível que a unidade móvel se mova espontaneamente de uma célula para outra e, em seguida, notifique a estação base com o sinal mais forte.

Escolha de frequência celular em redes de telefonia móvel

O efeito da frequência na cobertura celular significa que diferentes frequências servem melhor para diferentes usos. Baixas frequências, como 450 MHz NMT, servem muito bem para cobertura rural. GSM 900 (900 MHz) é uma solução adequada para cobertura urbana leve. O GSM 1800 (1,8 GHz) começa a ser limitado por paredes estruturais. UMTS , a 2,1 GHz é bastante semelhante em cobertura ao GSM 1800.

As frequências mais altas são uma desvantagem quando se trata de cobertura, mas são uma vantagem decisiva quando se trata de capacidade. Picocélulas, cobrindo, por exemplo, um andar de um edifício, tornam-se possíveis, e a mesma frequência pode ser usada para células que são praticamente vizinhas.

A área de serviço da célula também pode variar devido à interferência dos sistemas de transmissão, tanto dentro quanto ao redor dessa célula. Isso é verdade especialmente em sistemas baseados em CDMA. O receptor requer uma certa relação sinal-ruído , e o transmissor não deve enviar com potência de transmissão muito alta para não causar interferência com outros transmissores. À medida que o receptor se afasta do transmissor, a potência recebida diminui, de modo que o algoritmo de controle de potência do transmissor aumenta a potência que transmite para restaurar o nível de potência recebida. À medida que a interferência (ruído) aumenta acima da potência recebida do transmissor e a potência do transmissor não pode mais ser aumentada, o sinal fica corrompido e eventualmente inutilizável. Em sistemas baseados em CDMA , o efeito da interferência de outros transmissores móveis na mesma célula na área de cobertura é muito acentuado e tem um nome especial, respiração de célula .

Pode-se ver exemplos de cobertura celular estudando alguns dos mapas de cobertura fornecidos por operadoras reais em seus sites ou olhando mapas de crowdsourcing independentes como o Opensignal ou CellMapper . Em certos casos, eles podem marcar o local do transmissor; em outros, pode ser calculado calculando o ponto de cobertura mais forte.

Um repetidor celular é usado para estender a cobertura celular em áreas maiores. Eles variam de repetidores de banda larga para uso do consumidor em residências e escritórios a repetidores inteligentes ou digitais para necessidades industriais.

Tamanho da célula

A tabela a seguir mostra a dependência da área de cobertura de uma célula da frequência de uma rede CDMA2000 :

Frequência (MHz) Raio da célula (km) Área celular (km 2 ) Contagem relativa de células
450 48,9 7521 1
950 26,9 2269 3,3
1800 14,0 618 12,2
2100 12,0 449 16,2

Veja também

Listas e informações técnicas:

Começando com EVDO, as seguintes técnicas também podem ser usadas para melhorar o desempenho:

Equipamento:

De outros:

Referências

Leitura adicional

  • P. Key, D. Smith. Engenharia de Teletráfico em um mundo competitivo. Elsevier Science BV, Amsterdam Netherlands, 1999. ISBN  978-0444502681 . Capítulo 1 (Plenário) e 3 (celular).
  • William CY Lee, Mobile Cellular Telecommunications Systems (1989), McGraw-Hill.

links externos