Sistemas de Telefonia Móvel: AMPS e ETACS, Provas de Engenharia Elétrica

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PARTE III – Padrões em Sistemas de Comunicação Móvel

Essa última parte da apostila, baseada no Capítulo 10 do livro “ Wireless Communications – Principles and Practice ” do autor Theodore S. Rappaport [14], descreve as principais características de vários padrões para sistemas de comunicação móvel. São abordados sistemas de telefonia celular, sistemas de telefonia sem fio, CTS ( Cordless Telephone Systems ) e sistemas de comunicação pessoal, PCS ( Personal Communication Systems ) utilizados em todo o mundo. Inicialmente são apresentados os padrões para sistemas de telefonia celular analógicos. Em seguida são apresentados os padrões para alguns sistemas celulares digitais atuais e emergentes, bem como para sistemas de comunicação pessoal. Esse texto tem caráter essencialmente didático e, em menor grau, normativo. Detalhes adicionais devem ser obtidos nas recomendações pertinentes a cada sistema em particular.

III.1. Padrões AMPS e ETACS

Nos anos 70, a AT&T Bell Laboratories desenvolveu o primeiro sistema de telefonia celular, chamado AMPS ( Advanced Mobile Phone System ). Sua primeira utilização comercial se deu por volta de 1983, nos Estado Unidos, nas áreas urbana e suburbana de Chicago. Em 1983, um total de 40MHz de largura de faixa foi alocado ao sistema AMPS, na faixa de 800MHz, pela FCC ( Federal Communications Commission ). Com o aumento da demanda pelos serviços de telefonia celular, em 1989 a FCC alocou mais 10MHz para o sistema AMPS.

O primeiro sistema AMPS utilizava grandes células com antenas omini-direcionais nas estações rádio base de forma a minimizar os requisitos de equipamentos.

O sistema AMPS utiliza um padrão de reuso N = 7 células por cluster , com previsões para setorização e divisão de células de forma a aumentar a capacidade do sistema, quando necessário, em termos do número de usuários atendidos. Após uma série de testes subjetivos (baseados em opinião pública média) chegou-se à conclusão de que um canal de 30KHz do AMPS requer uma relação sinal-interferência S / I mínima de 18dB para um desempenho satisfatório do sistema. O menor fator de reuso que satisfaz a esse requisito, com um esquema de setorização de 120º é N = 7 – por isso se adotou o padrão de 7 células por cluster para o AMPS [14].

O padrão AMPS é utilizado em todo o mundo, sendo particularmente popular nos Estados Unidos, em toda América do Sul, Austrália e China. Embora o padrão tenha sido originalmente concebido de forma a prever duas bandas de freqüência para dois segmentos competidores por mercado (bandas A e B), muitos países utilizam somente uma delas. Assim, enquanto o padrão AMPS americano restringe os canais das bandas A e B em um número de 416 para cada banda, outras implementações permitem todos os 832 canais serem utilizados de uma só vez. Embora a alocação de freqüências no sistema AMPS varie de país para país, a interface de rádio é a mesma em todo o mundo.

Cada estação rádio base dos sistemas AMPS ou ETACS transmite dados em FSK continuamente no canal de controle direto (FCC – Forward Control Channel ) de tal sorte que unidades de usuário em estado ocioso possam se “atrelar” ao FCC com sinal mais forte, independente de onde estejam. Todos os terminais de usuário devem estar “atrelados” a um FCC para que possam originar ou receber chamadas. O receptor do canal de controle reverso (RCC – Reverse Control Channel ) de uma estação rádio base monitora constantemente as transmissões dos assinantes celulares que têm seu terminais atrelados ao correspondente FCC. No sistema AMPS americano, há 21 canais de controle para cada um dos provedores de serviço em cada uma das bandas A e B, e esses canais de controle são padronizados em todo o país. O sistema ETACS suporta 42 canais de controle para um único provedor em uma única banda. Assim, qualquer telefone celular no sistema necessita monitorar somente um número reduzido de canais de controle de forma a se vincular à estação rádio base com melhor intensidade de sinal. É de responsabilidade do provedor de serviços assegurar que sejam atribuídos canais de controle a estações rádio base vizinhas que não causem interferência de canal adjacente em terminais que os em estações rádio base próximas.

No sistema AMPS americano, a cada banda são alocados diferentes números de identificação do sistema (SID – System Identification ). À banda A são alocados números ímpares e à banda B são alocados números pares. O SID é transmitido uma vez a cada 0. segundos em cada FCC, em conjunto com outros dados que fornecem o status do sistema celular. Esses dados incluem informações tais como se usuários de outras áreas de serviço ( roamers ) são automaticamente registrados, como o controle de potência é manipulado e se outros padrões como o USDC ou o D-AMPS podem ser manipulados pelo sistema. Nos Estados Unidos as unidades de usuário normalmente acessam exclusivamente a banda A ou a B, embora os telefones celulares sejam capazes de acessar ambas. Para o sistema ETACS são utilizados os números de identificação de área (AID – Area Identification ) ao invés do SID e os assinantes do sistema ETACS podem acessar qualquer canal de controle ou voz.

III.1.2. Gerenciamento de Chamada no AMPS e ETACS

Quando uma chamada para um assinante celular se origina de um telefone convencional da Rede de Telefonia Pública Comutada, PSTN ( Public Switched Telephone Network ) e chega a uma CCC (Central de Controle e Comutação ou do Inglês MSC – Mobile Switching Center ), uma mensagem é enviada com o número de identificação do móvel (MIN – Mobile Identification Number ) por cada estação rádio base no canal de controle direto FCC. Se o assinante de destino recebe com sucesso essa mensagem, ele irá responder com uma transmissão de reconhecimento do canal de controle reverso RCC. Tendo recebido o reconhecimento do assinante, a MSC comanda a estação rádio base de forma que seja alocado um canal de voz direto FVC e um canal de voz reverso RVC e a chamada prossiga através desse par dedicado. A estação rádio base também aloca ao terminal de usuário um tom de supervisão de áudio (SAT – Supervisory Audio Tone ) e um código de atenuação de voz do móvel (VMAC – Voice Mobile Attenuation Code ) enquanto ela comuta a chamada para o canal de voz. O móvel então altera automaticamente sua freqüência para aquela correspondente ao par de canais de voz alocado.

O SAT tem uma entre três diferentes freqüências que permitem à estação rádio base e ao terminal móvel distinguí-los daqueles de usuários co-canais localizados em células diferentes. O SAT é transmitido continuamente nos canais de voz direto e reverso durante uma chamada, em freqüências acima da banda de áudio. O VMAC instrui a unidade de usuário a transmitir a um determinado nível de potência.

Como brevemente citado anteriormente, uma sinalização digital em FSK é transmitida pela estação rádio base no modo blank-and-burst e é utilizada tanto pelo móvel quanto pela estação rádio base para iniciar processos de handoff , alterar a potência de transmissão do terminal móvel conforme a necessidade e prover outros dados de sistema. Essa sinalização permite à estação rádio base enviar rajadas de dados ( data burst ) no canal de voz, interrompendo temporariamente a voz e o tom de supervisão de áudio e trocando-os por dados. Esse processo praticamente não é percebido pelo usuário.

Quando um usuário móvel origina uma chamada, sua unidade transmite uma mensagem no canal de controle reverso RCC. A unidade de usuário transmite seu número de identificação MIN, seu número de série eletrônico (ESN – Electronic Serial Number ), sua marca de classe de estação (SCM – Station Class Mark ) e o número do telefone de destino. Se recebida corretamente pela estação rádio base, esta mensagem é enviada para a central de controle e comutação que checa se o assinante está adequadamente registrado, conecta- o à rede telefônica pública comutada (se for o caso) e aloca à chamada um canal de voz direto e reverso com um específico SAT e VMAC. Inicia-se então a conversação.

Durante uma chamada, a MSC emite vários comando do tipo blank-and-burst , comandos estes que comutam o usuário móvel entre diferentes canais de voz em diferentes estações rádio base, dependendo de onde o usuário está na área de serviço. No AMPS e no ETACS, as decisões de handoff são feitas pela MSC quando a intensidade do sinal no canal de voz reverso da estação rádio base servidora cai abaixo de um predeterminado limiar ou quando o SAT experimenta um determinado nível de interferência. Os limiares de decisão são ajustados na MSC pelo provedor de serviços, estão sujeitos a medições contínuas e devem ser alterados periodicamente de forma que o sistema possa adequadamente acomodar um crescimento no número de clientes, expansões e alterações nos padrões de tráfego. A MSC usa receptores chamados “receptores localizadores” ( locate receivers ) em estações rádio base próximas para determinar a intensidade do sinal de um determinado usuário que parece estar necessitando de um processo de handoff. Fazendo isso a MSC se torna capaz de encontrar a estação rádio base vizinha mais adequada para aceitar o handoff.

Quando uma nova requisição de chamada chega pela rede pública fixa ou por um usuário móvel e todos os canais de voz em uma determinada estação rádio base estão ocupados, a MSC irá reter a linha da rede fixa aberta enquanto instrui a estação rádio base atual a enviar um comando de “re-tentativa” direcionada ( directed retry ) ao usuário, no canal de controle direto. Esse comando força a unidade de usuário a comutar para um canal de controle diferente, isto é, para uma estação rádio base diferente, para a alocação de um canal de voz. Dependendo dos efeitos de propagação do sinal de rádio, a localização específica do usuário e do tráfego atual na estação rádio base para a qual o usuário é redirecionado, um comando de directed retry pode ou não resultar em um sucesso na chamada.

Enquanto canais de voz estão em uso, três técnicas adicionais de sinalização são utilizadas para manter a supervisão entre a estação rádio base e o terminal móvel. Os sinais de supervisão são o tom de supervisão de áudio (SAT – Supervisory Audio Tone ) e o tom de sinalização (ST – Signaling Tone ), que serão descritos logo adiante. Adicionalmente, uma sinalização de faixa larga pode ser utilizada no canal de voz para prover breves mensagens de dados que permitem ao usuário e à estação rádio base iniciarem um processo de handoff ou ajustar a potência do terminal móvel. Essa sinalização digital de faixa larga é fornecida utilizando-se a técnica blank-and-burst , onde o áudio no canal de voz é temporariamente removido ( blank ) e substituído por uma breve rajada ( burst ) de uma sinalização de faixa larga a 10Kbps para o AMPS (8Kbps para o ETACS) utilizando modulação FSK. Tipicamente, os eventos de blank-and-burst duram menos de 100ms, sendo dessa forma praticamente imperceptíveis aos usuários do respectivo canal de voz.

Modulação e Demodulação de Voz : Antes da modulação em freqüência, o sinal de voz é processado utilizando-se um compander, um filtro pré-ênfase, um limitador de desvio e um filtro pós limitador de desvio. A Figura III.1 mostra um diagrama em blocos do subsistema de modulação do sistema AMPS. No receptor, essas operações são revertidas após a demodulação.

Figura III.1 – Processo de modulação de voz no sistemas AMPS

Compander : De forma a acomodar uma grande faixa dinâmica do sinal de voz, o sinal de entrada necessita ser comprimido em amplitude antes da modulação. A compansão é feita por um compander 2:1 que produz um aumento de 1dB no nível de saída a cada 2dB de aumento no nível do sinal de entrada. Suas características são especificadas de tal forma que para um sinal de referência de 1KHz na entrada a um volume nominal produza um desvio de pico de ±2.9KHz na portadora transmitida. A compansão na transmissão (compressão) confina a energia do sinal de voz nos 30KHz de banda e gera um efeito de redução de volume durante um surto de voz. No receptor a operação inversa da compressão, a expansão, é realizada, assegurando a restauração do nível de voz de entrada com um mínimo de distorção.

Pré-ênfase : A saída do compressor passa por um filtro pré-ênfase que possui uma resposta nominal de 6dB/oitava na região de 300Hz a 3KHz. Essa resposta faz com que os desvios de freqüência causados pelo sinal sejam maiores na região de maiores freqüências. Como é sabido que componentes de freqüência mais altas do ruído vão também produzir desvios de freqüência indesejáveis maiores na portadora modulada, essa medida tende a fazer com que a relação sinal ruído seja aproximadamente uniforme em toda a faixa de áudio de interesse [6].

Limitador de Desvio : O limitador de desvio assegura que o máximo desvio do sinal modulado na estação móvel seja limitado a ±12KHz para o AMPS (±10KHz para o ETACS). Os sinais de supervisão e os dados em banda larga ( blank-and- burst ) estão excluídos dessa restrição.

Filtro pós-Limitador de Desvio : Trata-se de um filtro passa-baixas especificado para ter uma atenuação (relativa à resposta a 1KHz) que é igual ou superior a 40log 10 ( f [Hz]/3000)dB nas faixas de freqüência de 3KHz a 5.9KHz e 6.1KHz a 15KHz. Para freqüências entre 5.9KHz e 6.1KHz, a atenuação (relativa ao valor a 1KHz) deve ser maior que 35dB. Para freqüências acima de 15KHz a atenuação deve ser superior a 28dB (relativa à resposta a 1KHz). O filtro pós-limitador de desvio assegura que as especificações para as emissões fora da faixa de interesse sejam atendidas e que o tom SAT de 6KHz, que está sempre presente durante uma chamada, não interfira no sinal de voz transmitido.

Sinais de Supervisão (tons SAT e ST) : Os sistemas AMPS e ETACS fornecem sinais de supervisão durante transmissões no canal de voz, os quais permitem a confirmação entre terminal móvel e estação rádio base sobre uma apropriada conexão durante uma chamada. O tom SAT sempre existe durante o uso de qualquer canal de voz.

Os sistemas AMPS e ETACS usam três sinais SAT que são tons nas freqüências de 5970Hz, 6000Hz ou 6030Hz. Uma dada estação rádio base irá transmitir constantemente um desses três tons em cada canal de voz, enquanto este se encontra em uso. O tom SAT é superposto ao sinal de voz em ambos o canal direto e o reverso e quase não é percebido (ouvido) pelos usuários. A freqüência particular do tom SAT está associada à localização da estação rádio base para um dado canal e é determinada pela MSC a cada chamada. Sabendo-se que um sistema completamente maduro em termos de crescimento pode ter no máximo três estações rádio base co-canais em uma determinada região geográfica, o SAT habilita ao terminal móvel e à estação rádio base distinguir qual das três estações rádio base estará manipulando a chamada.

Quando uma inicialização de chamada é concluída e a atribuição de um canal de voz é realizada, o FVC na estação rádio base imediatamente inicia a transmissão do SAT. Com o início da monitoração do FVC pelo terminal móvel, este deve detectar, filtrar e demodular o tom SAT vindo da estação rádio base e então reproduzir o mesmo tom para uma transmissão de volta à estação rádio base através do RVC. Se o tom SAT não é recebido ou é impropriamente detectado durante um intervalo de 1 segundo, a estação rádio base e o terminal móvel cessam a transmissão e a MSC utiliza o canal desocupado para novas chamadas. As transmissões do SAT são brevemente interrompidas durante a transmissão de dados blank-and-burst no canal reverso. A detecção e retransmissão do tom SAT deve ser efetuada no mínimo a cada 250ms pela unidade do usuário. Chamadas bloqueadas ou prematuramente terminadas podem acontecer normalmente devido a interferências ou a uma incorreta detecção do SAT pelo terminal móvel ou pela estação rádio base.

O tom de sinalização ST é um burst de dados a 10Kbps que informa a terminação de uma chamada pelo assinante. Trata-se de uma mensagem especial de fim de chamada consistindo de uns e zeros alternados, os quais são enviados pelo terminal móvel através do RVC durante um intervalo de 200ms. Diferente das transmissões blank-and-burst que interrompem a transmissão do SAT e do áudio por pequenos intervalos, o ST pode ser

sinalizações SAT e o ST da mesma forma que o padrão AMPS, exceto que essas sinalizações são feitas abaixo da faixa de áudio (sub-áudio).

Pelo fato de se utilizar canais de 10KHz com modulação FM, o desvio de freqüência deve ser decrescido em relação àquele praticado no sistema AMPS. Isto reduz a relação sinal/(ruído + interferência), o que degrada a qualidade do áudio em comparação ao AMPS. Para minimizar esse efeito, o N-AMPS usa compansão mais forte que no AMPS no sinal de áudio dos transmissores.

O padrão N-AMPS especifica um filtro passa altas com corte em 300Hz para cada canal de voz, de tal forma que as sinalizações possam ser enviadas sem a interrupção do áudio. As sinalizações SAT e ST são enviadas através de um feixe contínuo de dados a 200bps, com modulação FSK. Essas sinalizações no padrão N-AMPS são denominadas DSAT e DST, pelo fato de serem enviadas digitalmente e repetidamente em pequenos blocos codificados predefinidos. Existem 7 diferentes palavras código DSAT de 24 bits que podem ser escolhidas pela MSC e que são repetidas constantemente pelo terminal móvel e pela estação rádio base durante uma chamada. A sinalização DST é simplesmente o inverso binário da DSAT. As 7 diferentes palavras DSAT e DST são devidamente projetadas para que ocorra uma suficiente alternância entre “0s” e “1s” de tal forma que bloqueios de DC possam ser implementados nos receptores.

A sinalização no canal de voz é feita a 100bps através de um sinal com codificação Manchester e modulação FSK e é enviada no lugar do DSAT quando o tráfego é passado ao canal de voz. Da mesma forma que a sinalização de faixa larga do padrão AMPS, há várias mensagens que podem ser trocadas entre a estação rádio base e o terminal móvel, sendo essas mensagens transmitidas no N-AMPS utilizando o mesmo código corretor de erros BCH que o AMPS, com um formato predefinido de blocos de 40 bits no FVC e blocos de 48 bits no RVC.

III.2. Padrão IS-54 (D-AMPS ou USDC/AMPS)

A primeira geração do sistema analógico AMPS não foi projetada para suportar a demanda atual de capacidade das grandes cidades. Os sistemas celulares que utilizam técnicas de modulação digital oferecem consideráveis melhorias em termos de capacidade e qualidade. Após extensiva pesquisa e comparação por parte dos maiores fabricantes de sistemas celulares dos anos 80, foi desenvolvido o sistema americano USDC ( United States Digital Cellular ) de forma a suportar um número maior de usuários em um dado espectro já alocado. O sistema USDC utiliza técnica de acesso TDMA, acomodando 3 usuários à taxa nominal (6 à metade dessa taxa) em cada canal AMPS. O USDC utiliza a mesma duplexação que o sistema AMPS (FDD com separação de 45MHz). O sistema dual mode USDC/AMPS foi padronizado como Interim Standard 54 (IS-54) pelas associações EIA/TIA ( Electronic Industries Association e Telecommunication Industry Association ) em 1990.

O USDC foi projetado para compartilhar as mesmas freqüências, o mesmo planejamento de reuso de freqüências e as mesmas estações rádio base que o padrão AMPS, de tal forma que as estações rádio base e os terminais de usuário pudessem ser equipados com canais

AMPS e USDC no mesmo equipamento. Acomodando tanto usuários USDC quanto AMPS, poder-se-ia prover a novos usuários o sistema USDC, enquanto gradualmente as estações rádio base AMPS seriam substituídas pelas USDC, canal a canal. Pelo fato do sistema USDC manter compatibilidade com o sistema AMPS, muitas vezes ele é chamado de D-AMPS ( Digital AMPS).

Atualmente nos Estados Unidos (dados de 1996), em áreas rurais onde os sistemas celulares analógicos encontram-se ainda em fase imatura, somente 666 dos 832 canais AMPS são ativados, isto é, alguns sistemas celulares em áreas rurais ainda não estão utilizando a faixa adicional alocada a eles em 1989 pela FCC.

Nessas áreas rurais, ou pouco populosas, canais D-AMPS podem ser instalados nessa faixa adicional para acomodar usuários visitantes de áreas de serviço metropolitanas. Em áreas urbanas onde todos os canais já se encontram em uso, faixas selecionadas de freqüência em estações rádio base com alto tráfego são convertidas para o padrão D-AMPS. Em grandes cidades essa transição AMPS para D-AMPS causa um excesso de interferências e chamadas derrubadas no sistema AMPS, pois a cada vez que canais em uma estação rádio base são convertidos para D-AMPS, o número de canais analógicos em uma determinada área é reduzido. Dessa forma, a velocidade de transição de um sistema para o outro deve cuidadosamente estar de acordo com a taxa de alteração dos equipamentos dos usuários de uma para a outra tecnologia.

A necessidade da transição suave do sistema analógico para o digital na mesma faixa de freqüências foi um grande motivador do desenvolvimento do sistema D-AMPS. Na prática, somente cidades com grandes surtos de demanda de capacidade tiveram (ou têm) rápida transição AMPS para D-AMPS. Cidades menores estão aguardando até que mais usuários estejam equipados com terminais D-AMPS.

A introdução do sistema N-AMPS e do concorrente IS-95 tem retardado o desenvolvimento do padrão D-AMPS nos Estados Unidos e também em outros países.

De forma a manter a compatibilidade com o AMPS, o padrão D-AMPS utiliza as mesmas técnicas de sinalização nos canais de controle reverso e direto. Enquanto os canais de voz do padrão IS-54 utilizam modulação digital π/4-DQPSK a uma taxa de 48.6Kbps, os canais de controle reverso e direto utilizam os mesmos 10Kbps com modulação FSK e as mesmas padronizações.

Um recente padrão, o IS-136 (anteriormente IS-54 Rev.C), também possui modulação π/4- DQPSK nos canais de controle. O padrão anterior IS-54 Rev.C foi introduzido com modulação 4-FSK nos canais de controle de tal forma a aumentar a taxa de transmissão em tais canais e assim possibilitar a adição de serviços tais como paging e mensagens curtas entre grupos de usuários privados.

3 e 6. Para codificação de voz a 3.975Kbps ( half rate ), cada usuário ocupa 1 slot de tempo por quadro ( frame ).

Em cada canal de voz do D-AMPS há na verdade 4 canais de dados. O canal de dados mais importante, do ponto de vista do usuário, é o canal de tráfego digital (DTC – Digital Traffic Channel ) que carrega informações do usuário (voz ou dados) e os outros 3 canais transportam informações de supervisão do sistema celular. O DTC reverso (RDTC) carrega informações do usuário para a estação rádio base e o DTC direto (FDTC) carrega dados do usuário da estação rádio base para o assinante. Os três canais de supervisão incluem o código de cores de verificação digital codificado (CDVCC – Coded Digital Verification Color Code ), o canal de controle associado lento (SACCH – Slow Associated Control Channel ) e o canal de controle associado rápido (FACCH – Fast Associated Control Channel ).

O CDVCC transporta uma mensagem de 12 bits enviada em todo slot de tempo e é similar em funcionalidade ao SAT do sistema AMPS. O CDVCC contém um número de 8 bits (1 a 255), que é protegido por 4 bits adicionais através de um código Hamming (12,8) [18]. A estação rádio base transmite um CDVCC no canal direto de voz e cada usuário utilizando TDMA deve receber, decodificar e retransmitir o mesmo valor do CDVCC para a estação rádio base no canal de voz reverso. Se o handshake de CDVCCs não é completado apropriadamente, o slot de tempo será “liberado” para outros usuários e o transmissor do assinante em questão será desligado automaticamente.

O SACCH é também enviado em todo slot temporal, fornecendo um canal de sinalização em paralelo à voz digitalizada. O SACCH transporta várias mensagens de controle e supervisão entre a unidade de usuário e a estação rádio base. Essa sinalização emite mensagens únicas em vários slots de tempo consecutivos e é utilizada para comunicar alterações de níveis de potência do terminal móvel ou requisições de handoff. O SACCH é também utilizado pela unidade móvel para informar os resultados das medidas de intensidade do sinal de estações rádio base vizinhas de tal forma que estas possam implementar o handoff assistido pelo terminal móvel (MAHO – Mobile Assisted Handoff ) (ver Apêndice B).

O FACCH é um outro tipo de canal sinalização utilizado para enviar dados de controle importantes ou tráfegos especiais entre a estação rádio base e o terminal móvel. Quando transmitidos, os dados FACCH tomam o lugar dos dados de usuário no frame. Pode-se considerar o FACCH como a transmissão tipo blank-and-burst do padrão IS-54. O FACCH comporta a transmissão de sinalização do tipo DTMF ( Dual Tone Multiple Frequency ) oriundas de teclados DTMF, instruções de liberação de chamada, instruções de flash hook ( flash ) e handoff assistido pelo móvel ou requisições de status de assinante. O FACCH também dá grande flexibilidade ao sistema, ao ponto que permite às operadoras manipular o tráfego dentro da rede celular se o canal digital de tráfego DTC está ocioso durante algum dos slots temporais TDMA. Como discutido mais adiante, os dados do FACCH são tratados de maneira similar aos dados de voz, ou seja, são empacotados e sofrem o devido interleaving de tal forma que possam se “encaixar” em um slot temporal. Contudo, ao contrário do sinal de voz digitalizado, que é protegido mais em certos bits pela codificação de canal (proteção desigual), o FACCH utiliza um código convolucional de taxa ¼ para proteger igualmente todos os bits em um slot de tempo.

Estrutura de Quadro para os Canais de Tráfego : Como mostrado na Figura III.2, um quadro TDMA no padrão IS-54 consiste de 6 slots que suportam 3 canais de tráfego full- rate ou 6 half-rate. A duração do quadro TDMA é de 40ms. Pelo fato do IS-54 utilizar duplexação FDD, há slots de canal direto e reverso operando simultaneamente, em freqüências distintas. Cada slot temporal carrega dados de voz que são entrelaçados a partir de dois quadros adjacentes do codificador de voz (a duração do quadro do codificador é de 20ms, metade da duração do quadro TDMA). O codificador de voz, discutido em mais detalhes em seguida, produz 159 bits de voz codificada em 20ms de quadro, mas a codificação de canal faz com que em cada quadro de 20ms se tenha 260 bits. Se o FACCH é enviado ao invés de dados de voz, então um quadro de voz codificada é reposto por um bloco de dados FACCH, e os dados FACCH em um slot são realmente constituídos de dois blocos FACCH adjacentes.

No canal de voz reverso, cada slot temporal consiste de dois conjuntos de 122 bits e um de 16 bits (para um total de 260 bits por slot ) de dois quadros de voz entrelaçados (ou blocos de dados FACCH). Adicionalmente, 28 bits de sincronismo, 12 bits de SACCH, 12 bits de CDVCC e 12 bits de guarda (G) e inicialização (R) ( ramp-up ) são enviados em um slot de um canal reverso.

No canal de voz direto, cada slot consiste de dois conjuntos de 130 bits de dois consecutivos e entrelaçados quadros de voz (ou dados FACCH se não é enviada voz), 28 bits de sincronismo, 12 bits de dados SACCH, 12 bits de CDVCC e 12 bits reservados. Existe um total de 324 bits por slot nos canais direto e reverso, e cada slot dura por 6.667ms.

Os slots dos canais reverso e direto são deslocados temporalmente um em relação ao outro de tal forma que o slot 1 do N -ésimo quadro no canal direto inicia exatamente um tempo correspondente a um slot mais 44 símbolos (206 símbolos = 412 bits) após o início do slot 1 do N -ésimo quadro no canal reverso. Isto permite que cada terminal móvel utilize uma chave com estados “transmite/recebe” ao invés de um duplexer , para operação full-duplex com os links direto e reverso. O IS-54 possui a habilidade de ajustar o deslocamento citado em incrementos inteiros de metade de um slot , de forma a poder sincronizar novos usuários aos quais são alocados novos slots.

Codificação de Voz : O codificador de voz do padrão IS-54 é chamado codificador VSELP ( Vector Sum Excited Linear Predictive ). Esse codificador pertence à classe de codificadores CELP ( Code Excited Linear Predictive ) ou SELP ( Stochastically Excited Linear Predictive ). Esses codificadores são baseados em codebooks que determinam o quanto quantizar o sinal residual de excitação. O algoritmo VSELP utiliza um codebook que possui uma estrutura predefinida de tal forma que o número de operações computacionais necessárias ao processo de procura no codebook seja significativamente reduzido. Esse algoritmo foi desenvolvido por um consorcio de companhias e a implementação da Motorola foi escolhida para o padrão IS-54. O codificador VSELP tem uma taxa de saída de 7950bps e produz um quadro de dados de voz a cada 20ms. Em 1 segundo, cinqüenta quadros, cada um contendo 159 bits de voz, são produzidos pelo codificador de um usuário em particular.

Figura III.3 – Proteção de Erro para a saída do Codificador de Voz do IS-

Uma palavra de dados SACCH consiste de 6 bits a cada quadro de voz de 20ms. Esses dados passam por um codificador convolucional com taxa R = ½ e constraint length K = 5 para produzir 12 bits codificados a cada quadro de 20ms, ou 24 bits codificados a cada quadro do padrão IS-54 (40ms). Informações adicionais sobre codificação de voz podem ser obtidas no Capítulo 7 de [14].

Interleaving : Antes da transmissão, cada grupo de dois quadros adjacentes de dados de voz é entrelaçado dentro de dois slots temporais. Em outras palavras, cada slot contém metade dos dados de cada um conjunto de dois quadros de dados de voz. Os dados de voz são dispostos em uma matriz ou arranjo de entrelaçamento de ordem 26 x 10, conforme mostrado na Figura III.4. Os dados entram pelas colunas do arranjo, sendo dois quadros de voz consecutivos identificados por x e y , onde x representa o quadro anterior e y o atual ou mais recente. Pode-se notar pela Figura III.4 que somente 130 bits do total de 260 são fornecidos aos quadros x e y. Os dados de voz codificados correspondentes a dois quadros consecutivos são dispostos no arranjo de tal forma que os bits das classes 1 e 2 sejam “misturados”. Os dados transmitidos são retirados pelas linhas do arranjo. O processo de entrelaçamento para os dados FACCH é idêntico ao mencionado. Contudo, uma palavra SACCH de 6 bits é codificada utilizando-se um codificador convolucional com taxa R = ½ e utiliza um entrelaçador incremental que abrange 20 slots consecutivos.

Modulação : Para ser compatível com o sistema AMPS, o IS-54 utiliza canais de 30KHz. Nos canais de controle, tanto o AMPS quanto o IS-54 utilizam sinal FSK binário codificado segundo o código Manchester. Nos canais de voz, a modulação FM é substituída por uma modulação digital a uma taxa total de 48.6Kbps. Para alcançar essa taxa em um canal de 30KHz de banda, a eficiência espectral da modulação deve ser de no mínimo 1.62bps/Hz. Ainda, para limitar interferências de canal adjacente, o espectro do sinal modulado deve ser moldado (filtrado).

Os requisitos de eficiência espectral são satisfeitos através da utilização de uma modulação quaternária com formatação dos pulsos como QPSK e OQPSK. Contudo, pelas características de envoltória aproximadamente constante, pela robustez no canal de rádio móvel e pela possibilidade de detecção não coerente (diferencial), a modulação π/4- DQPSK é mais adequada e foi a escolhida para o padrão IS-54. A taxa de sinalização no canal é então 24.3Ksps e a duração de cada símbolo é de 41.1523μs.

0 x 1 y 2 x ... 12 x 13 y ... 24 x 25 y

26 x 27 y x ... 38 x 39 y ... 50 x 51 y

52 x 53 y x ... 64 x 65 y ... 76 x 77 y

78 x 79 y x ... 90 x 91 y ... 102 x 103 y

104 x 105 y x ... 116 x 117 y ... 128 x 129 y

130 x 131 y x ... 142 x 143 y ... 154 x 155 y

156 x 157 y x ... 168 x 169 y ... 180 x 181 y

182 x 183 y x ... 194 x 195 y ... 206 x 207 y

208 x 209 y x ... 220 x 221 y ... 232 x 233 y

234 x 235 y x ... 246 x 247 y ... 258 x 259 y

28 54 80 106 132 158 184 210 236

Figura III.4 – Interleaving para dois quadros de voz adjacentes no IS-

A formatação dos pulsos transmitidos reduz a emissão fora da faixa de interesse, enquanto reduz a interferência Intersimbólica. No transmissor o sinal é formatado utilizando-se um filtro do tipo raiz de coseno levantado ( square root raised cosine filter ) com um fator de roll-off de 0.35. O receptor pode também empregar o filtro do tipo raiz de coseno levantado, de forma que a resposta conjunta desses filtros atenda ao critério de Nyquist para interferência Intersimbólica nula – Lembrar que o filtro coseno levantado atende a esse critério [6]. Como há formatação dos pulsos transmitidos nessa modulação, ela se torna uma modulação linear, de forma que, para preservação do formato do pulso, o sinal modulado deve ser amplificado linearmente. A amplificação não linear desse tipo de sinal distorce o formato do pulso e expande a banda na saída do filtro. A utilização de formatação de pulso juntamente com a modulação π/4-DQPSK suporta a transmissão de três (eventualmente seis) sinais de voz em um canal de 30KHz de banda e com uma proteção entre canais adjacentes de 50dB.

Demodulação : O tipo de demodulação e decodificação utilizados no receptor são de responsabilidade do fabricante do sistema. Sendo a modulação do tipo π/4-DQPSK, é possível a implementação de detecção diferencial tanto em banda-base quanto em freqüência intermediária (FI). A implementação em banda-base pode ser realizada através de processamento digital ou por um simples discriminador. Isto não só reduz o custo de implementação do demodulador, mas também simplifica o circuito de RF. Com a utilização de processamento digital, não só as funções de demodulação, mas também aquelas relacionadas à Equalização e à operação dual-mode podem ser implementadas conjuntamente.

Equalização : Medidas feitas na freqüência de 900MHz em canais de rádio móvel típicos revelaram que o valor do espalhamento temporal ( delay spread ) rms ( root-mean-square ) causado pela propagação por multipercursos nesse tipo de ambiente é menor que 15μs em cerca de 99% das cidades e menor que 5μs para aproximadamente 80% de todos os locais (^2). Para um sistema empregando modulação π/4-DQPSK à taxa de símbolos de 24.3Ksps, se

a taxa de erro de bit devida à interferência Intersimbólica se torna intolerável para um valor de σ / T de 0.1, onde σ é o espalhamento temporal rms e T é a duração de um símbolo, então o máximo valor do delay spread rms que pode ser tolerado é de 4.12μs. Se esse valor não é

(^2) Esses dados foram obtidos a partir de medidas feitas nos Estados Unidos, mas, obviamente, são uma boa aproximação para o Brasil.

equipamentos PBX. Ainda, o padrão IS-136 especifica um modo de operação sleep de modo a permitir economia de energia nos terminais.

Os terminais IS-136 não são compatíveis com aqueles produzidos para o IS-54, pois todos os canais de controle operam à taxa de 48.6Kbps (a sinalização FSK a 10Kbps não é aceita). Isso faz com que os terminais IS-136 sejam mais baratos, pois necessitam somente de um modem de taxa fixa em 48.6Kbps.

III.3. Padrão GSM

O sistema GSM ( Global System for Mobile ) é um sistema celular digital de segunda geração, concebido com o propósito de resolver os problemas de fragmentação dos primeiros sistemas celulares na Europa. O GSM é o primeiro sistema celular no mundo a especificar modulação digital e arquiteturas e serviços de nível de rede. Antes do GSM, os países da Europa utilizavam padrões diferentes dentro do continente e não era possível a um usuário utilizar um único terminal em toda Europa. O padrão GSM foi inicialmente desenvolvido para ser um sistema pan-Europeu e prometia um série de serviços utilizando a rede digital de serviços integrados RDSI (ou ISDN – Integrated Services Digital Network ).

O sucesso do padrão GSM excedeu às expectativas e ele é atualmente o padrão mais popular para sistemas celulares e equipamentos de comunicação pessoal em todo o mundo. Prevê-se que por volta do ano 2000 haverá cerca de 20 a 50 milhões de assinantes no mundo.

A tarefa de especificar um sistema de comunicação móvel comum para toda a Europa na faixa dos 900MHz foi cumprida pelo Group Special Mobile Committee, que era um grupo de trabalho da CEPT (Confe´rence Europe´ene Postes des et Te´le´communication). Recentemente, por razões mercadológicas, o padrão GSM teve seu nome modificado para Global System for Mobile Communications. O conjunto de normas para o GSM é atualmente suportado pelo ETSI ( European Technical Standards Institute ).

A introdução do GSM se deu inicialmente no mercado Europeu em 1991. Ao final do ano de 1993, vários países não Europeus na América do Sul, Ásia e Austrália adotaram o GSM e o padrão tecnicamente equivalente e a partir dele desenvolvido, o DCS 1800. Esse último suporta serviços de comunicação pessoal (PCS – Personal Communication Services ) nas faixas de rádio de 1.8GHz a 2GHz recentemente criada pelos governos em todo o mundo.

III.3.1. Serviços e Atributos do GSM

Os serviços do padrão GSM seguem a mesma regra estabelecida para a ISDN e são divididos em teleserviços e serviços de dados. Os teleserviços incluem a telefonia móvel padrão e tráfego originado pelo terminal móvel ou pela estação rádio base. Os serviços de dados incluem a comunicação entre terminais de computadores e tráfego por chaveamento de pacotes. Os serviços de usuário podem ser divididos em três categorias básicas:

ÿ Serviços de telefonia, incluindo possibilidade de chamada de emergência e fax. O GSM também suporta telex e teletexto, embora estes não sejam parte integral do padrão. ÿ Serviços de dados, limitados às camadas 1, 2 e 3 do modelo OSI ( Open System Interconnection ). Dentre os serviços suportados estão os protocolos para transmissão por pacotes e taxas de dados de 300bps a 9.6Kbps. Os dados podem ser transmitidos tanto usando o modo transparente (onde o GSM provê codificação de canal padrão) ou no modo não transparente (onde o GSM oferece diferentes eficiências de codificação, dependendo da interface de dados em particular). ÿ Serviços suplementares de ISDN, digitais por natureza, incluem redirecionamento de chamada ( call diversion ), formação de grupos de usuários e identificação de usuário. Os serviços suplementares também incluem o serviço de mensagens curtas (SMS – Short Message Service ) que permite ao usuário ou à estação rádio base transmitirem páginas alfanuméricas de tamanho limitado (160 caracteres ASCII de 7 bits), simultaneamente ao transporte de tráfego de voz. O serviço SMS também permite a transmissão em broadcast na célula, onde todas estações rádio base transmitem mensagens ASCII com até 93 caracteres concatenados. O SMS pode ser utilizado para aplicações em segurança e avisos, como por exemplo a transmissão em broadcast sobre condições de trânsito ou tempo para todos os assinantes dentro da faixa passível de recepção.

Do ponto de vista do usuário, um dos mais imortantes atributos do GSM é o módulo de identificação do assinante (SIM – Subscriber Identity Module ), que é um dispositivo de memória que armazena informações sobre o usuário, tais como o número de identificação, as redes ou países onde o usuário está autorizado a utilizar os serviços GSM, chaves de privacidade e outras informações de uso específico do usuário. Um assinante utiliza o SIM com uma senha pessoal de 4 dígitos de forma a ativar os serviços GSM a partir de qualquer telefone GSM. Os módulos SIM são disponibilizados em cartões tipo cartões de crédito (que são inseridos nos telefones GSM) e sob a forma plug-in. Esses últimos são mais inconvenientes que aqueles tipo cartão de crédito, mas são, da mesma forma, portáteis. Sem o SIM, todos os telefones GSM são idênticos e não podem operar. O usuários pode conectar seu SIM em qualquer terminal GSM disponível (em telefones de hotéis, telefones públicos ou qualquer terminal móvel ou portátil), permitindo que qualquer chamada seja roteada para aquele terminal e que todas as chamadas realizadas sejam tarifadas através da conta do assinante, não importando onde ele esteja em todo o mundo.

Outra característica importante do GSM se refere à sua interface aérea, no que diz respeito à privacidade oferecida. Ao contrário das transmissões analógicas em FM, que podem ser monitoradas facilmente, é praticamente impossível ouvir clandestinamente uma transmissão GSM. Essa privacidade é possível devido à criptografia realizada nos dados enviados pelo e para o terminal GSM, de acordo com uma chave que é conhecida somente pela operadora do sistema. Essa chave se altera com o tempo para cada usuário. Cada operadora do sistema GSM faz um acordo formal com cada fabricante de equipamentos GSM, antes de seu desenvolvimento. Esse acordo permite o compartilhamento dos algoritmos de criptografia e de outras informações proprietárias entre países e operadoras.