Redes de Comunicação Móvel Redes de Comunicação Móvel
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1. fun es de transmiss o e comuta o estabelecimento monitora o e liberta o de chamadas transporte de informa o entre elementos de rede liga o a outras redes e convers o de protocolos Elementos de rede Fun es espec ficas Centro de controlo m vel Gere as chamadas Liga es de transmiss o Transmitem a informa o dist ncia Comutadores Comutam as chamadas V rias gateways Asseguram liga es a outras redes e convertem protocolos M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada inteligente segue os movimentos do utilizador fornece informa o para o estabelecimento e encaminhamento de chamadas fun es de gest o de mobilidade registo e actualiza o de localiza o lt i chamada paging avisa um utilizador da chegada de uma chamada transfer ncia permite suportar a mobilidade com a qualidade pretendida Elementos de rede Fun es espec ficas HLR Home Location Register Armazena informa o permanente do utilizador na sua rea de subscri o VLR Visitor Location Register Armazena informa o de utilizadores que entram numa determinada rea M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 31 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada inteligente aplica o de conceitos de rede inteligente informa o armazenada em bases de dados associadas a pontos2. M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 81 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha Problema do terminal distante Be C transmitem para A simultaneamente A s recebe o sinal dominante de B se A for um rbitro de acesso B aceite e C rejeitado C n o tem a mesma oportunidade de acesso de B Problema do terminal distante C M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 82 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha Adapta o do protocolo baseada no controlo da esta o base e mico senil o terminal s come a a transmitir quando recebe da ca a e coremcun esta o base esta indica o J indica o de falha de transmiss o a esta o base difunde este sinal para interromper as E e ceca FAW acter transmiss es quando detecta uma colis o a efeito de captura o sinal que chega a uma esta o base com maior E S NCeE pot ncia pode ser captado mesmo que haja colis o problema do terminal escondido resolvido CA Collision Avoidance e CS e CD s o assegurados explicitamente pela esta o base problema do terminal exposto parcialmente resolvido CSMA CA Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance e as esta es base indicam os respectivos canais livres e poss vel reutilizar frequ ncias em c lulas pr ximas mas e exige planeamento adequado de frequ ncias problema do terminal distante mant m se e efeit
3. UMTS gt utilizado em sistemas de 3 gera o M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Acesso ao meio Classifica o de protocolos Protocolos de acesso m ltiplo Aloca o est tica Aloca o din mica Aleat rio Identificador Tempo de Permanente Reserva Polling Reserva chegada M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 107 Planeamento de frequ ncias Atribui o de frequ ncias em sistemas FDMA TDMA Atribui o baseada na estrutura celular a capacidade total dividida em conjuntos de frequ ncias atribu dos a c lulas um conjunto de frequ ncias pode ser reutilizado em c lulas distantes reutiliza o de frequ ncia iig Grupo de 3 c lulas Grupo de 7 c lulas Aa 7A E Le SOK Grupo de 3 c lulas com antenas de 3 sectores O l Modelos de atribuicao de frequ ncias M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 108 109 Planeamento de frequ ncias Atribui o de frequ ncias em sistemas FDMA TDMA e Atribui o fixa de frequ ncias Princ pio de opera o cada chamada usa apenas as frequ ncias da c lula local Pontos fortes e fracos 4 dificuldade de planeamento inflexibilidade para contemplar flutua es de tr fego em chamadas e banda probabilidade de bloqueio elevada Aplica es t cnica usada na 1 gera o de sistemas m veis baseada em macroc l
4. O analog voice transmission 450MHz hand over possible digital signaling automatic location of mobile device O services fax modem X 25 e mail 98 coverage 1991 Specification of DECT O Digital European Cordless Telephone today Digital Enhanced Cordless Telecommunications O 1880 1900MHz 100 500m range 120 duplex channels 1 2Mbit s data transmission voice encryption authentication up to several 10 000 user km used in more than 40 countries 1992 Start of GSM 2G O fully digital 900 MHz 124 channels O automatic location hand over cellular O roaming in Europe now worldwide system O services voice data with 9 6 kbit s fax CD nn GN Partially adapted with permission from EA Mobile Communications Wireless Transmission Jochen Schiller gt History of wireless communication V H Freie Universit t Berlin 1994 GSM 1800 a GSM with 1800MHz smaller cells 1996 HiperLAN 1 High Performance Radio Local Area Network O ETSI standardization 5 15 5 30GHz 23 5Mbit s 1997 Wireless LAN IEEE802 11 legacy O IEEE Standard 2 4 2 5GHz 2 Mbit s 1998 Specification of GSM successors a UMTS Universal Mobile Telecommunication System as European proposals for IMT 2000 Iridium O 66 satellites 6 spare 1 6GHz to the mobile phone CD Partially adapted with permission from Vox Mobile Communications Wireless Transmission Jochen Schiller a History of wireless communic
5. dipolo de 1 2 comprimento de onda 1 2 monopolo de 1 4 de comprimento de onda 1 4 e plano de terra ex tejadilho de autom vel poss vel usar acoplamento indutivo antena carregada para reduzir comprimento f sico problema eficientes numa banda relativamente estreita M4 1 2 y y Z vista lateral plano xy vista lateral plano yz vista de topo plano xz Tipos de antenas e respectivos diagramas de radia o Antena em dipolo M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 48 Transmiss o sem fios Antenas para o equipamento m vel Tipos de antenas h lices maior largura de banda desempenho inferior a dipolos elementos planares Impressos possibilidade de opera o em mais do que uma banda redu o de radia o para a cabe a Antena em h lice Antena em elementos planares M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 49 Transmiss o sem fios Antenas para o equipamento m vel Requisitos actuais cada vez mais complexos formato dos terminais muito diversificado redu o do volume compat vel com menor dimens o dos terminais opera o em m ltiplas bandas sistemas ex GPS recep o FM problemas de interfer ncia com o pr prio equipamento necessidade de diversidade de recep o para melhorar o desempenho conformidade com normas de seguran a de radia o SAR Specific Absortion Rate compatibilidade com s
6. sa da integrador sa da comparador M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 103 Acesso ao meio CDMA sinal recebido c digo X sinal recebido x c digo X sa da integrador sa da comparador M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 104 Acesso ao meio CDMA Capacidade do sistema Rela o E N E _ P R rela o E N degrada se com caso geral FkT B ba P o aumento de canais i k Caso particular de dois canais E BF pot ncias recebidas t m de ser iguais ruido t rmico desprezado N E R P para n o degradar E N Rela o E N E _ P R E B R pot ncias recebidas iguais N FkT B N 1 P FkTB P N 1 o Rela o E N pot ncias recebidas a z B R E B R B R factor de expans o de banda ou pra ho d t ru do t rmico desprezado 0 N 1 N ine Capacidade do sistema N B R a capacidade e a rela o E N s o di E No inversamente proporcionais M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 105 Acesso ao meio CDMA Capacidade do sistema considera es pr ticas efeito das pausas de comunica o capacidade aumenta de um factor 1 v v actividade m dia da fonte para tr fego de voz considera se habitualmente v 0 38 antenas de cobertura sectorial em cada c lula a capacidade aumenta de um factor S igual ao n mero de sectores efeito das interfer nci
7. Redes de Comunica o M vel Aspectos Gerais Conceitos b sicos Arquitectura de rede Transmiss o sem fios Acesso ao meio Planeamento de frequ ncias Gest o de mobilidade Conceitos b sicos Caracter sticas de um sistema de comunica o m vel Aspectos de mobilidade utilizador desloca se livremente no espa o utilizador comunica em qualquer momento utilizador comunica com qualquer outro utilizador utilizador acede rede atrav s de uma ampla gama de terminais E f Es nwt Assistente Pessoal Palmtop Sensor sem fios Telefone movel PDA Diversos tipos de terminais para acesso a redes m veis M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b sicos Caracter sticas de um sistema de comunica o m vel Requisitos do sistema equipamento port til terminais de pequena dimens o com baterias de capacidade elevada N mero Pessoal de Telecomunica es PTN n mero do utilizador independente do terminal grande capacidade de tr fego potencial do sistema um acesso por adulto servi os avan ados exigem grandes larguras de banda seguran a de servi o necess rio adoptar t cnicas avan adas de autentica o e encriptagem interoperacao com outras redes necess rio suportar comunica o com redes de outros tipos M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b si
8. handover poi ee ad o i Horizontal handover building Qa M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 22 Arquitectura de rede Estrutura celular rea coberta dividida em c lulas Caracter sticas comunica es do terminais asseguradas por uma esta o esta o base em cada c lula requer liga es das esta es base a uma rede rede fixa necess rio assegurar a transfer ncia de canais entre c lulas handover exige planeamento de frequ ncias para controlar de interfer ncia entre c lulas Cobertura celular ideal esta o base mais favor vel Cobertura celular ideal total rea coberta Cobertura celular real Cobertura celular real total rea coberta esta o base mais favor vel M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 23 Arquitectura de rede Estrutura celular Conceito de handover terminal move se para uma c lula vizinha uma nova esta o base passa a assegurar a comunica o a liga o tem de ser mantida de forma transparente para o utilizador Terminal Mobility M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 24 Arquitectura de rede Estrutura celular Dimens o das c lulas permite controlar a reutiliza o de frequ ncias macroc lulas facilitam uma instala o r pida com cobertura alargada microc lulas permitem aumentar significativamente a capacidade
9. vel a efeitos adversos de transmiss o nomeadamente multipercursos efeito minorado recorrendo a saltos lentos da frequ ncia de opera o em sistemas FDMA TDMA Aplica es GSM s 1 a A DECT sistemas de 2 gera o M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 91 Acesso ao meio TDMA com reserva din mica expl cita Princ pio de opera o Protocolo DAMA Demand Assignment Multiple Access terminal faz o pedido de intervalos de tempo atrav s de um canal de controlo canal de controlo acedido atrav s de um protocolo Aloha ou canal de controlo com atribui o est tica mini intervalos de tempo de conten o esta o base recolhe todos os pedidos e reenvia uma lista de reservas asseguradas terminal transmite nos intervalos de tempo que lhe foram atribu dos explicitamente Pontos fortes e fracos AM usufrui dos intervalos em que n o h informa o a transmitir suporta eficientemente tr fego vari vel de diferentes d bitos N problemas potenciais de sobrecarga atrasos excessivos e tempos de estabelecimento longos maior complexidade Aplica es sistemas por sat lite M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 92 Acesso ao meio TDMA com reserva din mica expl cita colis o e e a Aloha reservado Aloha reservado Aloha reservado Aloha t Acesso m ltiplo com reserva expl cita e canal de controlo Aloha N min
10. 3 5G O up to 14 4Mbit s maximum peak rate QO several categories for terminals with different peak rates e g 1 8 3 6 7 2 Mbit s M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b sicos Current standardization 3GPP 3rd Generation Partnership Project globally applicable Technical Specifications and Technical Reports for a 3rd Generation Mobile System based on evolved GSM core networks and the radio access technologies maintenance and development of GSM GPRS EDGE 3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2 North American and Asian interests developing global specifications Cellular Radiotelecommunication Intersystem Operations network evolution to 3G evolution of CDMA2000 system IEEE 802 11 Wireless LAN WiFi 802 15 Wireless PAN Bluetooth Zigbee 802 16 Wireless MAN WiMax IETF Mobile IP all IP future multimedia networks M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b sicos Evolu o 1200 1000 A e 800 E a 600 2 c o 400 lt 200 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Crescimento dos sistemas de comunicacao movel 1 M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 15 Conceitos b sicos Evolu o Total Mobile Subscribers 2001 2010 millions AUU 7 E Viastem Europe 4 000 E North Amenca E Latin America 2000 Cent
11. de controlo de servi os bases de dados consultadas durante a execu o dos procedimentos de chamada CO gt o CS COMICS a SCP informa o pedido de ponto de controlo de controlo informa o de servi os terminal m vel ponto de comuta o BSC controlador de esta es base Be x x E a terminal MSC GMSC il is E rede m vel rede fixa de servi os BS esta o base liga o de dados Transac es associadas gest o de mobilidade chamada fixo m vel M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 32 33 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de opera o fun es de opera o e manuten o suporta a gest o de informa o de utiliza o da rede perfil de servi os taxa o inclui armazenamento consulta actualiza o e manuten o de dados fun es de autentica o valida utilizador valida equipamento terminal Elementos de rede Fun es espec ficas OMC Operation and Monitora e controla toda a rede Management Centre AuC Authentication Centre Verifica a autenticidade do utilizador e autoriza o de acesso ao servi o EIR Equipment Identity Register Verifica a validade do equipamento utilizado M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Intencionalmente em branco Transmiss o sem fios Bandas de frequ ncias twisted coax cable optical transmission palir ES ees
12. de frequ ncia no limite todos as frequ ncias podem ser usados em cada c lula o algoritmo de atribui o de frequ ncias executado em cada chamada esta o base e terminal monitoram as liga es ascendente e descendente respectivamente procuram as frequ ncias que minimizam a interfer ncia prescinde de qualquer plano de frequ ncias exige tecnologia mais desenvolvida M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 114 Planeamento de frequ ncias Atribui o de bandas em sistemas FDMA CDMA Atribui o de bandas de frequ ncias em CDMA n o h atribui o de frequ ncias os canais ocupam uma banda muito larga apenas necess rio efectuar a atribui o de 2 ou 3 bandas em que opera o m todo CDMA v rias estrat gias poss veis Atribui o de duas bandas em regi es com elevado tr fego Atribui o de duas bandas com diferentes tipos de cobertura M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Intencionalmente em branco 115 Gest o de mobilidade Objectivos da gest o de mobilidade Localiza o o sistema tem de indicar a posi o do utilizador para permitir o aviso da chegada de chamadas e o respectivo encaminhamento Transfer ncia de canais handover O sistema tem de assegurar a continuidade da liga o quando o utilizador se movimenta na rea coberta pela rede Localiza o Actualiza o da localiza o
13. fios Propaga o do sinal Interfer ncias requer um compromisso adequado entre interfer ncias e capacidade do sistema plano de frequ ncias entre sinais na mesma banda de liga es de regi es vizinhas entre sinais em bandas adjacentes desej vel que os sinais recebidos na esta o base tenham todos a mesma pot ncia gt controlo de pot ncia de liga es na mesma regi o regi o de transmiss o a t en tay Ea en ta aaj re gi o de interfer ncia E CEEE RNNNN dist ncia Regi o de influ ncia de um emissor em termos de interfer ncia M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 64 Transmiss o sem fios Mitiga o das perturba es na propaga o do sinal Margem de propaga o pot ncia nominal de sinal no receptor deve incluir margens de propaga o uma margem para ter em conta a variabilidade da perda de sinal em larga escala uma margem para ter em conta o desvanecimento em pequena escala sinal no receptor pot ncia nominal no receptor garante um objectivo de desempenho com uma p certa probabilidade de ocorr ncia ee ra p acr scimo para contemplar distribui o oa ee log normal do n vel de sinal sensibilidade din mica do receptor gt n vel m nimo de recep o para um sinal com p desvanecimento em pequena escala acr scimo par
14. nula e desvio padr o o Modelos emp ricos aproxima o emp rica baseada na determina o de express es que aproximam um conjunto de valores medidos experimentalmente t m a vantagem de incorporarem todos os factores que afectam a propaga o do sinal requerem valida o para diferentes condi es Modelos te ricos resultam de aproxima es da realidade n o contabilizam todos os factores permitem uma f cil altera o para outros valores dos par metros M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 60 61 Transmiss o sem fios Propaga o do sinal Multipercursos resultantes da reflex o dispers o e difrac o produzem dispers o temporal no sinal recebido as v rias r plicas do sinal s o recebidas com diferentes atrasos de propaga o criam interfer ncias entre raios do mesmo sinal que percorrem diferentes traject rias v rios sinais s o adicionados com diferentes fases relativas resultam desvanecimentos no sinal recebido sinal enviado sinal recebido Perturba es no n vel de sinal introduzidas por obst culos M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 62 Transmiss o sem fios Propaga o do sinal Desvanecimento plano em pequena escala devido a multipercursos ocorre se dispers o temporal lt per odo do s mbolo as flutua es resultam das varia es do ganho do canal devido aos multipercursos propaga o sem l
15. o opera o e manuten o autentica o Camada inteligente OMC Operation and Management Centre AuC Authentication Centre EIR Equipment Identity Register ces A EY T CBSC BS BSOS BS SBS OBS OPS BSS HLR Home Location Register VLR Visitor Location Register outras redes Camada de transporte MSC Mobile Switching Centre GMSC Gateway MSC Camada de acesso r dio CBSC BSC BS Base Station BSC Base Station Controller Arquitectura de camadas funcionais de uma rede de comunica o m vel M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 29 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de acesso radio fun es de gest o de recursos de r dio atribui o de recursos frequ ncia intervalo de tempo c digo monitora o das caracter sticas do canal determina o dos par metros de transmiss o de sinal ex pot ncia coordena o de transfer ncia f sica entre c lulas Elementos de rede Fun es espec ficas Controlador de esta o base Controla as liga es na sua rea de cobertura coordena transfer ncias Esta o base Controla interface de r dio gere atribui o de recursos de r dio Terminal m vel Controla interface de r dio gere conex es dos servi os M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 30 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de transporte
16. ocorre quando o utilizador se quando entra numa nova rea esta es base difundem regularmente a identifica o da sua localiza o no canal de difus o O terminal m vel recebe esta informa o e quando detecta uma altera o de localiza o reporta a sua nova localiza o para a esta o base esta envia a informa o da nova localiza o para o correspondente VLR e este notifica por sua vez o HLR do utilizador M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 116 EL Gest o de mobilidade Localiza o Especifica o da localiza o para evitar actualiza es excessivas a localiza o definida n o ao n vel de c lula individual mas de um conjunto de c lulas ou regi o uma redu o adicional de actualiza es pode ser feita admitindo um certo grau de sobreposi o de regi es evitando altera es frequentes nas travessias de fronteiras gt Regi o 1 gt Regiao 2 Regiao de sobreposi o Regi es sobrepostas efeito na redu o de actualiza es de localiza o M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 118 Gest o de mobilidade Transfer ncia r gida de canais hard handover Caracteriza o lt hard handover a conex o anterior e a nova conex o nunca est o activas em simult neo processo de altera o de canal de forma transparente para o utilizador inclui altera o de frequ ncia intervalo de te
17. receptor durante todo o tempo mas em cada canal utiliza se um c digo pr prio i Acesso m ltiplo de 6 canais em CDMA M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Acesso ao meio CDMA Princ pio de opera o baseado em DSSS Direct Sequence Spread Spectrum o terminal transmite logo que tenha dados dispon veis tal como em sistemas Aloha em vez de transmitir o sinal digital directamente cada bit modulado por uma sequ ncia de pseudo aleat ria de bits c digo ou chave atribuida ao terminal cada c digo tipicamente constitu do por 100 a 10 000 bits que se designam de chips o sinal resultante assim espalhado numa banda muito maior do que a necess ria para transmitir o sinal original spread spectrum no receptor da esta o base a mesma sequ ncia assinatura utilizada para reagrupar o sinal recebido e recuperar os dados os sinais de outros utilizadores podem ser removidos completamente se os c digos forem ortogonais poss vel aumentar gradualmente a capacidade aceitando alguma interfer ncia aditiva entre os canais M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 96 97 Acesso ao meio CDMA Princ pio de opera o espalhamento do sinal agrupamento do sinal toner gt ___S 9 desmodulador t f E receptor do sinal k ct sequ ncias pseudo aleat rias c digos A parak i f f d bito chips ortogonais
18. 177 gt Ck 1 Je 1 d bito bin rio CM R cR R comprimento q de c digo c caracter sticas desej veis l b O parak 41 auto correla o baixa Multiplexagem de canais em CDMA M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 98 Acesso ao meio CDMA Princ pio de opera o receptor b t emissor canal pa D l 3 informa o informa o m t r t t i bin ria i B o transmitida A ps sequ ncia e EA c t filtro adaptado PRS inter er ncias sequ ncia Sicomed omada de outros canais PRS Modelo de um sistema CDMA em banda base mesma pot ncia r 0 e r b enei E i E bl CEETEEETECEEL a z t c t r t cleb 1 ene io 0 cela il s1 0 0 M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Acesso ao meio CDMA Exemplo c digo canal 1 0100110 c digo canal 2 1101011 n veis 0 1 1 1 c digo canal X 1000101 e ee ae ee e dados 1 tae Mario Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 99 Acesso ao meio CDMA M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 100 101 Acesso ao meio CDMA dados 1 sinal recebido c digo 1 sinal recebido x c digo 1 sa da integrador sa da comparador M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 102 Acesso ao meio CDMA dados 2 sinal recebido sinal recebido x c digo 2
19. Aplica es avan adas comunica es interpessoais de udio e video servi os de mensagens multim dia distribui o de informa o acesso WWW servi os de informa o servi os empresariais assistente pessoal escrit rio m vel acesso remoto a dados da empresa aplica es de navega o posi o pessoal suporte condu o rodovi ria ex redes ad hoc entre ve culos e equipamento da estrada M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 19 Conceitos b sicos Evolu o Aplica es avan adas servi os de massas servi os banc rios servi os p blicos com rcio electr nico servi os de tipo help desk servi os culturais guia Inteligente com informa o dependente da localiza o distribui o de informa o cultural personalizada servi os de emerg ncia monitora o de fun es vitais substitui o de infraestruturas fixas em caso de desastres computa o ub qua instrumenta o do mundo real sensores sem fios aquisi o de dados distribuida actuadores sem fios execu o de ac es em dispositivos M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 20 21 Conceitos b sicos 4th Generation of mobile communications Principles heterogeneous access networks aimed at transporting IP packets based on existing technologies PLMN WMAN WLAN WPAN DVB H ambient intelligence Vertical
20. Frequ ncias utilizadas numa Frequ ncias utilizadas num macroc lula conjunto de microc lulas M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 25 Arquitectura de rede Estrutura celular Dimens o das c lulas possibilidade de definir c lulas de dimens o vari vel tipo de cobertura pode adequar se aos diferentes requisitos de tr fego Cobertura de c lulas de dimens o vari vel M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 26 Arquitectura de rede Modelo de refer ncia simplificado Aplica o Liga o l gica F sico Aplica o Liga o l gica Liga o l gica Liga o l gica F sico F sico R dio Meio M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 27 Arquitectura de rede Modelo de refer ncia simplificado Camada de aplica o cria o e fornecimento de servi os aplica es Camada de transporte congest o e controlo de fluxo qualidade de servi o Camada de rede endere amento encaminhamento localiza o handover Camada de liga o de dados autentica o E acesso ao meio multiplexagem Camada f sica encriptagem modula o e codifica o propaga o interfer ncia atribui o de frequ ncias M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 28 Arquitectura de rede Camadas funcionais Camada de opera
21. a contemplar q desvanecimento de Rayleigh sensibilidade est tica do receptor n vel oe minimo de recep o para um sinal estacion rio Margens de pot ncia num receptor m vel M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 65 Transmiss o sem fios Mitiga o das perturba es na propaga o do sinal Controlo de pot ncia essencial na liga o ascendente para controlar interfer ncias em malha aberta um sinal de refer ncia descendente utilizado para estimar o nivel de sinal ascendente satisfat rio como refer ncia inicial e em modo TDD mas impreciso em modo FDD em malha fechada esta o base efectua medidas da rela o portadora interfer ncia C I na liga o ascendente esta o m vel recebe medidas e controla a pot ncia para atingir um valor objectivo Objectivo rela o C I id ntica ee RR E ES SS a sinal ascendente esta o m vel 2 informa o de controlo de pot ncia nad informa o de ge algumas dificuldades controlo de pot ncia e frequ ncia de medida tem de ser elevada e perigo de instabilidade estacao base i eae a te sas sans ssa a esta o m vel 1 Controlo de pot ncia em malha fechada M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 66 67 Transmiss o sem fios Mitiga o das perturba es na propaga o do sinal Diversidade de antenas comuta o receptor escolhe maior sinal
22. ado com multiplexagem de c digo Desvantagens exige sincroniza o precisa M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 43 Transmiss o sem fios Multiplexagem de c digo Princ pio a cada canal tem um nico c digo todos os canais usam o mesmo espectro ao mesmo tempo tecnologia de espalhamento espectral Vantagens excelente resist ncia a intercep o maliciosa protec o contra desvanecimentos selectivos frequ ncia e interfer ncias ver adiante n o requer coordena o nem sincroniza o eficiente Desvantagens d bitos de utilizador mais baixos t recupera o do sinal mais complexa M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 44 Transmiss o sem fios Transmiss o full duplex Duplex por divis o nas frequ ncias FDD banda total dividida em duas sub bandas uma para transmiss o e outra para recep o liga o descendente a e reed bandas a Eon liga o descendente GSM UMTS modo FDD x Q Q x Q 5 x 3 liga o ascendente lt y e vd liga o ascendente i Princ pio da transmiss o FDD M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 45 Transmiss o sem fios Transmiss o full duplex Duplex por divis o nos tempos TDD intervalos de tempo agrupados em dois blocos um para transmiss o e outro pa
23. ao meio no canal ascendente Justi a assegura a igualdade de acesso dos utilizadores aos servi os da rede suporta tr fego constante ou vari vel com diferentes requisitos de d bito atraso e taxa de erros flexibilidade insens vel a problemas de propaga o resultantes de redu o de n vel multi percursos ru do e interfer ncias capacidade assegura um elevado n de comunica es simult neas por km Papel da esta o base esta o base pode operar como controlador central dos utilizadores de uma c lula qualidade M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 71 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha eps protocolo Aloha mais usado CSMA CD Principio de SPEAR AN Carrier Sense Multiple Access Collision Detection transmiss o efectuada em intervalos de tempo pr definidos slotted Aloha um terminal s envia pacotes de informa o quando detecta um canal livre se mais do que um terminal come ar a transmitir ao mesmo tempo existir o colis es as colis es s o reconhecidas no receptor e sinalizadas aos terminais estes suspendem a transmiss o e tentam de novo ap s um tempo aleat rio colis o _ floilimatt RENT ME SONS E NONE o E E t Acesso m ltiplo slotted Aloha M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 78 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha Ser que os m tod
24. as entre c lulas caracterizada por F pot ncia total de interfer ncia pot ncia de interfer ncia numa c lula em cada c lula a capacidade reduz do factor de reutiliza o de frequ ncia 1 F par metro F depende de muitos aspectos tipicamente assume se um valor 1 5 1 6 B R 1 1 IN a ie me CD ee E N Ji y p i R 15 kbit s voz B 5 MHz v 0 38 i Exemplo de UMTS c 256 chips E N 5 dB S 3 Nan 550 i R 3 840 kchip s F 1 5 M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 106 Acesso ao meio CDMA Pontos fortes e fracos A planeamento de frequ ncias desnecess rio toda a banda est dispon vel em cada c lula n o h um limite r gido de capacidade h apenas um aumento cont nuo da interfer ncia resultante da ocupa o crescente de canais acesso simples sem necessidade de atribui o de canais ou intervalos de tempo tem imunidade inerente a multi percursos afectam apenas uma parte do espectro explora inerentemente os per odos de inactividade de canal ex pausas de voz permite suportar a transfer ncia de c lula com maior facilidade incorpora protec o inerente contra intrusos na comunica o Ny exige controlo de pot ncia preciso tem maior complexidade dif cil suportar servi os de d bito mais elevado exige por exemplo c digos m ltiplos Aplica es utilizado em sistemas de 2 gera o IS 95
25. ation V Ee Freie Universit t Berlin 1999 Standardization of additional wireless LANs O IEEE standard 802 11b 2 4 2 5GHz 11Mbit s O Bluetooth for piconets 2 4Ghz lt 1Mbit s Decision about IMT 2000 O Several members of a family UMTS CDMA2000 DECT start of WAP Wireless Application Protocol O First step towards a unified Internet mobile communication system Access to many services via the mobile phone 2000 GSM with higher data rates a HSCSD High Speed Circuit Switched Data offers 57 6kbit s 4x14 4kbit s O First GPRS 2 5G trials with up to 50 kbit s packet oriented 2001 Start of 3G UMTS Europe Foma Japan CDMA2000 Korea O UMTS in Europe 1885 2025 MHz uplink and 2110 2200 MHz downlink a UMTS offers between 384kbit s and 7 2 Mbit s Partially adapted with permission from Mobile Communications Wireless Transmission Jochen Schiller Conceitos b sicos History of wireless communication VI 2000 HiperLAN 2 O up to 56Mbit s emphasis is in the quality of service O aimed to to compete with 802 11 but failed 2001 02 Standardization of additional W LANs a 2001 IEEE standard 802 11a 5GHz 54Mbit s O 2002 IEEE Standard 802 11g 54 Mbit s 2003 EDGE EGPRS 2 75G O Enhancement of GPRS increased data transmission rate and reliability 2005 W MAN WiMAX IEEE802 16e 2005 Mobile WiMax O broadband access up to 100Mbit s 2006 UMTS HSPA High Speed Packet Access
26. ccess i 1900 1980 MHz 3G PLMN UMTS 2010 2025 MHz 2110 2170 MHz ISM 3400 3600 MHz Industrial Scientific and Medical 3600 4200 MHz 24 5 26 5 GHz 27 5 29 5 GHz 13553 13567 kHz 26957 27283 kHz 40 66 40 70 MHz 2400 2500 MHz 5725 5875 MHz 242405 GHz M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 37 Transmiss o sem fios Modula o do sinal s s o poss veis modula es de 2 ou 4 estados as mais T cnicas de modula o digital eficientes para combater o efeito do ru do e interfer ncias BPSK BFSK Binary Phase Shift Keying Binary Frequency Shift Keying DECT simples e robusto GFSK baixa efici ncia espectral filtro Bau ssien0 aplicado aos ee antes da modula o permite aumentar a efici ncia GFSK QPSK Quadrature Phase Shift Keying mais complexo UMTS maior efici ncia espectral usado frequentemente na forma diferencial DQPSK para facilitar a descodifica o MSK Minimum Shift Keying semelhante a FSK sem transi es bruscas de fase desempenho id ntico a QPSK filtro gaussiano aplicado aos impulsos antes da espectro compacto abe ata aa sp e modula o permite aumentar a efici ncia GMSK M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 38 Transmiss o sem fios Multiplexagem channels k A 4 Multiplexagem em 4 dimens es A f A kel kel espa o s frequ ncia f C tempo t c digo c Objectivo m
27. cidade M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 88 Acesso m ltiplo ao meio TDMA Acesso m ltiplo por divis o nos tempos Time Division Multiple Access atribui a totalidade da banda a um canal de transmiss o entre um emissor e um receptor durante um per odo de tempo Acesso m ltiplo de 6 canais em TDMA M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 89 Acesso m ltiplo ao meio FDMA TDMA Combina o dos m todos FDMA e TDMA atribui uma parte da banda a um canal de transmiss o entre um emissor e um receptor durante um per odo de tempo GSM 248 sub bandas 200 kHz cada DECT 10 sub bandas 200 kHz cada Acesso m ltiplo de 42 canais em FDMA TDMA M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 90 Acesso ao meio TDMA com reserva fixa Princ pio de opera o canal de transmiss o com capacidade fixa pedido de recursos efectuado atrav s de um canal de controlo com acesso aleat rio Aloha Pontos fortes e fracos A compat vel com os actuais sistemas de multiplexagem s ncrona da rede de transporte poss vel suportar servi os com diferentes d bitos associando m ltiplos intervalos de tempo tecnologia dominada de baixo custo N pouco eficiente para tr fego vari vel um canal n o pode ser utilizado por outros utilizadores mesmo que n o esteja ocupado com transmiss o de informa o vulner
28. cos Caracter sticas de um sistema de comunica o m vel Problemas do sistema consumo dos terminais cresce com a capacidade de processamento ecr s de qualidade exigem maior consumo Interfaces de utilizador compromisso dif cil entre dimens es dos dedos e do teclado necess rio utilizar s mbolos abstractos mem ria capacidade limitada nos dispositivos de menores dimens es mobilidade dificuldade de manuten o de qualidade de servi o durante uma conex o disponibilidade de frequ ncias grande ocupa o de bandas teis necessidade de coordena o mundial M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b sicos Caracter sticas de um sistema de comunica o m vel Problemas do sistema taxa de transmiss o local algumas dezenas de Mbit s regi o at uma dezena de Mbit s qualidade de transmiss o grandes varia es do n vel de sinal interfer ncias significativos tempos de estabelecimento de conex es relativamente elevados caso seja requerida a reserva de recursos r dio seguran a possibilidade de escuta da interface r dio esta o base pode ser simulada atraindo comunica es de terminais m veis meio partilhado importante usar m todos de acesso seguros M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b sicos Types of networks WPAN Wireless Personal Area Networks short distances a
29. de uma das antenas combina o receptor combina sinais das diversas antenas ul us M Comutacao de antenas Combinacao de antenas M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 68 Transmiss o sem fios Mitiga o das perturba es na propaga o do sinal Transfer ncia de canal dentro da c lula handover intra c lula ver adiante DECT altera o de frequ ncia do canal em caso de degrada o significativa de C I reduz efeito dos desvanecimentos e interfer ncias selectivos frequ ncia T cnicas de banda espalhada spread spectrum DSSS Direct Sequence Spread Spectrum t cnica b sica de CDMA ver adiante UMTS reduz efeito desvanecimentos selectivos frequ ncia e interfer ncias SOZA receptor RAKE permite melhorar desempenho FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum reduz efeito desvanecimentos e interfer ncias selectivos frequ ncia duas vers es ER i gt saltos lentos v rios bits por frequ ncia saltos r pidos v rias frequ ncias por bit 802 1 la T cnica OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing lla 802 16 e i reduz efeito desvanecimentos selectivos frequ ncia M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 69 Transmiss o sem fios DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Principio de opera o Modulador Sinal binario de entrada Sinal bin rio espalhado de sa da R bit s R NR chip s Sequ ncia bin ria p
30. duzido e medidas de qualidade na esta o base e no terminal m vel utilizado em sistemas de 2 e 3 gera o Redes de Comunica o M vel 123 Gest o de mobilidade Protocolo NCHO Tipos de processos de transfer ncia r gida de canais hard handover Passiva Monitora a qualidade em canais da c lula presente e vizinhas Envia medidas para BS Monitora a qualidade em canais da c lula presente e vizinhas Decide handover e informa BS M rio Jorge M Leit o Ac es dos elementos de rede Esta o m vel MS D a A de BS Monitora a qualidade da conex o corrente Envia medidas para BSC Monitora a qualidade em canais da c lula presente Decide handover e informa BSC ou Envia medidas para BSC Monitora a qualidade em canais da c lula presente Envia medidas para MS Informa BSC sobre decis o de handover Decide handover Informa nova BS Supervisiona o handover e informa nova BS ou Decide handover e informa nova BS Supervisiona o handover e informa nova BS Tipo Handover Inter c lula Elevada Inter c lula Elevada Intra c lula Inter c lula Intra c lula Tempo Handover V rios segundos Redes de Comunica o M vel 124 125 Gest o de mobilidade Transfer ncia suave de canais soft handover Caracteriza o lt soft handover a conex o anterior e a nova conex o est o activas em simult neo usa t cn
31. eio partilhado por m ltiplos utilizadores Multiplexagem espacial necessidade de afastamento espacial de guarda M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 39 Transmiss o sem fios Multiplexagem de frequ ncia Princ pio um canal obt m uma parte do espectro durante todo o tempo Vantagens n o requer coordena o din mica A 4 opera com sinais anal gicos e digitais fo kal Kl f f C Desvantagens baixa efici ncia se o tr fego for desequilibrado capacidade inflex vel necessidade de bandas de guarda M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 40 41 Transmiss o sem fios Multiplexagem temporal Princ pio um canal obt m todo o espectro durante uma parte do tempo Vantagens uma nica portadora no meio em qualquer momento E e fe Pd kel A capacidade flex vel Desvantagens exige sincroniza o precisa necessidade de tempos de guarda M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 42 Transmiss o sem fios Multiplexagem de frequ ncia e tempo Princ pio um canal obt m uma parte do espectro durante uma parte do tempo combina o das multiplexagens de frequ ncia e temporal Vantagens boa resist ncia a intercep o maliciosa A possibilidade de protec o contra desvanecimentos selectivos frequ ncia ver adiante maiores d bitos compar
32. es ee 1 Mm 10 km 100 m 1m 10 mm 100 um 1 um 300 Hz 30 kHz 3 MHz 300 MHz 30 GHz 3 THz 300 THz m E a Pe PR a a Se E a A N VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF infrared visible light UV VLF Very Low Frequency UHF Ultra High Frequency LF Low Frequency SHF Super High Frequency MF Medium Frequency EHF Extra High Frequency HF High Frequency UV Ultraviolet Light VHF Very High Frequency M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 35 Transmiss o sem fios Bandas de frequ ncias VHF UHF bandas de r dio m vel antenas pequenas e simples para autom veis caracter sticas de propaga o favor veis liga es fi veis SHF utilizadas em liga es r dio ponto a ponto comunica es por sat lite pequenas antenas poss vel ganho elevado grande largura de banda dispon vel UHF SHF Wireless LANs alguns sistemas planeiam usar EHF limita es devido absor o do vapor de gua frequ ncia de resson ncia 22 GHz desvanecimentos dependentes da precipita o M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 36 Transmiss o sem fios Frequency bands in Europe Wireless Systems m Europe Frequency Range In Portugal 47 68 MHz Broadcast TV 174 216 MHz ANACOM manages frequencies 470 582 MHz http www anacom pt 582 862 MHz 890 914 MHz 2G PLMN GSM 935 959 MHz 1710 1785 MHz FWA 1805 1880 MHz Fixed Wireless A
33. h antennas 1915 Wireless voice transmission New York San Francisco 1920 Discovery of short waves by Marconi O reflection at the ionosphere O smaller transmitter and receiver due to the invention of the vacuum tube 1906 Lee DeForest and Robert von Lieben 1926 Train phone on the line Hamburg Berlin O wires parallel to the railroad track EY O Partially adapted with permission from m Mobile Communications Wireless Transmission Jochen Schiller History of wireless communication II Freie Universit t Berlin 1928 Many TV broadcast trials 1933 Frequency modulation E H Armstrong 1958 A Netz in Germany O analog 160MHz connection setup only from the mobile station no handover 80 coverage 1971 11 000 customers 1972 B Neiz in Germany O analog 160MHz connection setup from the fixed network too but location of the mobile station has to be known O available also in A NL and LUX 1979 13000 customer in D 1979 NMT at 450MHz Scandinavian countries 1982 Start of GSM specification O goal pan European digital mobile phone system with roaming 1983 Start of American AMPS Advanced Mobile Phone System O analog 850 MHz 1984 CT 1 standard Europe for cordless telephones CD a Partially adapted with permission from A Mobile Communications Wireless Transmission Jochen Schiller Cr History of wireless communication III E Freie Universitat Berlin 1986 C NETZ in Germany
34. i intervalos N k intervalos de dados ex N 6 k 2 reservas garantidas de intervalos dispon veis que podem ser intervalos de dados reservados por outras esta es Acesso m ltiplo com reserva expl cita e canal de controlo com atribui o est tica M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 93 Acesso ao meio TDMA com reserva din mica impl cita Princ pio de opera o Protocolo PRMA Packet Reservation Multiple Access usado um protocolo Aloha para aceder a um canal de controlo usado para reserva tr fego de voz ficam implicitamente reservados intervalos de tempo em tramas consecutivas at ao inicio de uma pausa tr fego de dados reserva se um intervalo de tempo ou v rios intervalos consecutivos mas com menor prioridade do que a voz ou outro tr fego de d bito constante Pontos fortes e fracos A as mesmas vantagens do DAMA maior garantia de capacidade para o tr fego de voz maior efici ncia para o tr fego de dados Aplica es GSM a i GPRS variante de PRMA utilizada em sistemas avan ados de 2 gera o M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 94 Acesso m ltiplo ao meio CDMA Acesso m ltiplo por divis o de c digo Code Division Multiple Access E E ESSO dE E Tee A SN IS NS EE Pa SED SEE SN CR ae E ER PR E a A a ES A mg SN e atribui a totalidade da banda a um canal de transmissao entre um emissor e um
35. icas semelhantes s de hard handover MAHO transmiss o em simult neo por dois ou mais canais permite v rias estrat gias de optimiza o tempo de comuta o minimizado Estrat gia de valida o pr via esta o m vel DECT mant m lista de canais livres com qualidade selecciona canal ptimo e transmite nesse canal esta o base determina qual das duas liga es tem melhores condi es durante um certo per odo comuta para a nova liga o e liberta a anterior M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 126 Gest o de mobilidade Transfer ncia suave de canais soft handover Estrat gia de diversidade de esta es base esta es base e esta o m vel determinam continuamente qualidade das liga es base m vel as liga es em boas condi es s o adicionadas ao chamado conjunto activo UMTS as liga es degradadas n o s o inclu das no conjunto activo eventualmente o conjunto activo pode ser limitado a um n mero m ximo de esta es base controlador de esta es base selecciona o sinal mais favor vel do conjunto activo exige controlo de pot ncia em m ltiplas liga es especialmente adequado a CDMA Estrat gia de diversidade de antenas utiliz vel em conjunto com estrat gias anteriores adequada especialmente a c lulas divididas em sectores UMTS nu m ltiplas antenas recebem o mesmo sinal esta o base compara perma
36. inha de vista poder o ocorrer desvanecimentos profundos distribui o de Rayleigh modeliza a varia o da amplitude do sinal recebido propaga o com linha de vista h uma componente estacion ria de sinal que n o sofre desvanecimento distribui o de Rice modeliza a varia o da amplitude do sinal recebido Desvanecimento selectivo frequ ncia em pequena escala devido a multipercursos ocorre se dispers o temporal gt per odo do s mbolo o sinal recebido cont m m ltiplas vers es atenuadas e atrasadas no tempo o canal introduz interfer ncia intersimbolica no dom nio das frequ ncias algumas componentes de frequ ncia na banda do sinal t m maiores ganhos do que outras M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Transmiss o sem fios Propaga o do sinal Efeito da mobilidade na pot ncia de sinal recebido introduz flutua es da perda de sinal em larga escala varia o da dist ncia efeito vari vel de obst culos introduz desvanecimentos em pequena escala trajecto do sinal altera se multipercursos variam ao longo do tempo efeito Doppler tamb m respons vel por este tipo de efeito sinal recebido perda de sinal em larga escala oe set oe oe s one oe oe oot desvanecimento a em pequena escala Desvanecimentos do sinal para um receptor em mobilidade M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 63 Transmiss o sem
37. istemas de ajuda audi o insensibilidade proximidade das m os dos utilizadores insensibilidade orienta o do terminal vertical numa mesa no bolso M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 50 Transmiss o sem fios Antenas para a esta o base Caracter sticas fundamentais banda de frequ ncias de opera o caracter sticas de radia o ganho m ximo diagrama de radia o largura do feixe a 3 dB n vel de lobos secund rios rela o frente tr s polariza o caracter sticas el ctricas imped ncia de entrada rela o de onda estacion ria m xima pot ncia de alimenta o m xima caracter sticas f sicas peso resist ncia ao vento montagem na torre de suporte material das antenas M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 51 Transmiss o sem fios Antenas para a esta o base Antenas omnidireccionais dipolo simples de 1 2 comprimento de onda 1 2 dipolo dobrado de 1 2 comprimento de onda 1 2 monopolo de 1 4 de comprimento de onda 1 4 e plano de terra ex fios esta es base mais simples diagrama de radia o omnidireccional Antena em Antena em dipolo simples dipolo dobrado Antena em monopolo M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 52 Transmiss o sem fios Antenas para a esta o base Antenas omnidireccionais agrupamentos colineares de antenas dipolos alimentados com fa
38. lidade da banda a um canal de transmiss o entre um emissor e um receptor durante um per odo de tempo Acesso m ltiplo por divis o de c digo CDMA atribui um c digo a um emissor e a um receptor para transmiss o em banda espalhada M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 86 Acesso m ltiplo ao meio FDMA Acesso m ltiplo por divis o nas frequ ncias Frequency Division Multiple Access e PERSA RGD Oe q o a Va q Sige ED TA ATT Aan cr TA dr e Eo i PT RR C D a CRD e TES ars SE atribui uma parte da banda a um canal de transmissao entre um emissor e um receptor durante todo o tempo Acesso m ltiplo de 6 canais em FDMA M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 87 Acesso ao meio FDMA com reserva fixa Princ pio de opera o canal de transmiss o com capacidade fixa pedido de recursos efectuado atrav s de um canal de controlo com acesso aleat rio Aloha Pontos fortes e fracos Y pouco eficiente para tr fego vari vel dificuldade em suportar servi os de diferentes d bitos vulner vel a efeitos adversos de transmiss o nomeadamente multipercursos este efeito pode ser combatido recorrendo a saltos lentos da frequ ncia de opera o Aplica es GSM sistemas celulares de 1 gera o utilizados no passado DECT sistemas celulares de 2 e 3 gera o em associa o com TDMA ou CDMA para aumentar a UMTS capa
39. m as transfer ncias sem comprometer a qualidade de servi o M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 120 Gest o de mobilidade Transfer ncia r gida de canais hard handover e Fase de inicia o Transfer ncia entre duas esta es base baseadas na qualidade em linha de vista entre Bl e B2 tempo de transfer ncia n o cr tico como o sinal desce rapidamente ao perder a linha de vista necess rio uma transfer ncia r pida sem linha de vista entre Bl e B3 n vel de sinal de Bl X y dist ncia m7 B3 DI Transfer ncia em linha de vista e sem linha de vista M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 121 Gest o de mobilidade Transfer ncia r gida de canais hard handover e Fase de inicia o Aplica o de crit rios de qualidade utiliza se o n vel de sinal mas tamb m a taxa de erros e a raz o portadora interfer ncia evitam se transfer ncias prematuras aplica se uma janela de m dia para remover flutua es r pidas estabelece se um certo grau de histerese l sinal nominal comuta o com n vel de sinal de B1 histerese sinal nominal no m vel NS T de B2 comuta o sem Om histerese dist ncia de Bl Ilustra o da histerese na decis o de transfer ncia M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 122 Gest o de mobilidade Transfer ncia r gida de canais hard handove
40. m fios Exemplos de sistemas de antenas antena disfar ada de rvore M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 56 57 Transmiss o sem fios Exemplos de sistemas de antenas esta arvore disfar ada de antena M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 58 Transmiss o sem fios Exemplos de sistemas de antenas antena disfar ada de candeeiro ppp nor UR ae ERR M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Transmiss o sem fios Propaga o do sinal Perda de sinal proporcional a 1 d influenciada por obstru o de obst culos reflex o em grandes obst culos C C G 20log 4A G dBW dispersao em pequenos obstaculos 4rd difrac o em cumes de obst culos Pot ncia de sinal recebido em espa o livre obstru o reflex o dispers o difrac o Perturba es no n vel de sinal introduzidas por obst culos M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 59 Transmiss o sem fios Propaga o do sinal Previs o da perda de sinal em larga escala baseada em modelos que t m em conta as condi es reais de propaga o usam uma combina o de m todos te ricos e emp ricos conduzem a um valor estimado para a m dia da perda do sinal assume se que a perda de sinal tem uma distribui o log normal em torno da m dia L d JaB L d X X vari vel aleat ria gaussiana de m dia
41. mong a private group of devices WLAN Wireless Local Area Networks areas such as an home office or a group of buildings WMAN Wireless Metropolitan Area Networks from several blocks of buildings to entire cities PLMN Public Land Mobile Networks regions and countries DVB H Digital Video Broadcasting Handheld DMB Digital Multimedia Broadcasting single direction audio and video M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Early history of wireless communication is ies EA pel Freie Universit t Berlin Many people in history used light for communication O flags a VP Q 150 BC smoke signals for communication Polybius Greece O 1794 optical telegraph Claude Chappe K K Here electromagnetic waves are of special importance O 1831 Faraday demonstrates electromagnetic induction O J Maxwell 1831 79 theory of electromagnetic Fields wave equations 1864 O H Hertz 1857 94 demonstrates 4 TT with an experiment the wave character dp of electrical transmission through space O Partially adapted with permission from No Mobile Communications Wireless Transmission Jochen Schiller WE Freie nnas it t Berlin 1895 Guglielmo Marconi O first demonstration of wireless telegraphy digital O long wave transmission high transmission power necessary gt 200kw 1907 Commercial transatlantic connections O huge base stations 30 100m hig
42. mpo ou c digo dependendo do esquema de acesso m ltiplo adoptado visa manter a qualidade da liga o ou proporcionar um melhor servi o Fases de transfer ncia inicia o tomada de decis o de transfer ncia de canais execu o atribui o efectiva de recursos na esta o base Tipos de transfer ncia esta o base mant m se alteram se os recursos r dio atribu dos ao utilizador inter c lulas lt a liga o passa a ser suportada por uma nova esta o base M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Sai intra c lula P nanda uau 119 Gest o de mobilidade Transfer ncia r gida de canais hard handover e Fase de inicia o Crit rios para iniciar uma transfer ncia e deteriora o da qualidade de servi o do canal em uso na c lula corrente transfer ncia intra c lula qualidade da liga o atravessamento de limites de c lulas transfer ncia inter c lulas necessidade de alterar a aloca o de recursos corrente para acomodar mais utilizadores ou equilibrar a carga entre c lulas transfer ncias inter c lulas ou intra c lula optimiza o da rede Frequ ncia de transfer ncias o elevado n mero de utilizadores e a adop o de picoc lulas associadas a condi es de propaga o muito vari veis fazem aumentar drasticamente a frequ ncia de transfer ncias exige se a adop o de algoritmos robustos que minimize
43. nentemente os sinais e selecciona o mais favor vel poss vel adicionar os sinais recebidos com um receptor RAKE M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel
44. o de captura aumenta a probabilidade de sucesso mas e agrava a injusti a de acesso M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha Adapta o do protocolo baseada no protocolo RTS CTS com ou sem esta o base o emissor envia um pedido de transmiss o num pacote de controlo com indica o do receptor e da dura o da transmiss o se o receptor receber o pedido responde com uma autoriza o de envio que inclui a dura o da transmiss o permitida pr sm E E efeito de captura d 8 EROE p p E nae ee CO captado mesmo que haja colis o problema do terminal escondido resolvido CA Collision Avoidance todos os terminais no raio de ac o do emissor e receptor s o informados sobre a transmiss o que ira ser iniciada n o poder o transmitir durante o per odo de transmiss o indicado nos pacotes RTS e CTS CSMA CA Carrier Sense problema do terminal exposto resolvido M ultiple Access Collision Avoidance se o terminal exposto n o estiver ao alcance da esta o que envia o CTS pode transmitir um RTS para a outra esta o problema do terminal distante mant m se M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 83 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha P O N Tr fego transportado pacotes slot 06 l 2 3 4 5 6 7 8 Tr fego oferecido pacotes slot Efici ncia do pro
45. os de acesso ao meio das redes cabladas podem ser aplicados a redes m veis Pressupostos de opera o nas redes cabladas OS sinais nos receptores e emissores s o semelhantes entre si todos os emissores t m a mesma informa o sobre a presen a de transmiss es no meio cada emissor tem possibilidade de detectar as colis es que ocorrem nos receptores Problemas das redes sem fios o n vel de sinal decresce com o quadrado da dist ncia e afectado por muitos outros factores CS ou CD podem n o funcionar problema do terminal escondido CS pode inibir transmiss es poss veis problema do terminal exposto oportunidade de acesso diferentes problema do terminal distante M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 19 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha Problema do terminal escondido transmite para B C n o ouve A e detecta o meio livre falha de CS C transmite para B e provoca uma colis o A n o detecta a colis o falha de CD Problema do terminal escondido C M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 80 Acesso ao meio Protocolo de acesso aleat rio Aloha Problema do terminal exposto B transmite para A C quer transmitir para D mas detecta o meio ocupado CS mas A est fora do alcance de C a transmiss o de C para D era poss vel mas impedida por B Problema do terminal exposto C
46. para identificar diferentes r plicas do sinal introduz ajustes de ganho e fase para que a soma das r plicas seja coerente melhora a estimativa do sinal reduzindo drasticamente o efeito de multipercursos sinal recebido sequ ncia prs HT O Fr em Re A P O P correlacionador correlacionador mo e fase Lt Lead Les _ ganho e fase a 9 oT a Qn decis o Diagrama blocos de um receptor RAKE utilizado em DSSS sinal estimado M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel J2 73 Transmiss o sem fios FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Princ pio de opera o dados utilizador saltos lentos 3 bits salto saltos r pidos 3 saltos bit t per odo de bit t4 per odo de salto Saltos de frequ ncia num sistema FHSS M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 74 Transmiss o sem fios FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Princ pio de opera o dados sinal banda sinal banda sinal banda EA utli zad i estreita larga transmitido larga recebido modulador a eee e a pad 1 Varia es discretas da ee l a o l frequ ncia da portadora utilizador desmodulador desmodulador e sequ ncia deterministica ou aleat ria implementa o simples implementa o mais complexa usa uma pequena parte do espectro dispon vel usa uma banda relativamente larga n o t o robusto como DSSS muito robu
47. r e Fase de execu o Princ pio base da execu o de transfer ncias uma transfer ncia deve ser executada o mais rapidamente poss vel uma transfer ncia tem prioridade sobre novas chamadas Atribui o de canais para execu o de transfer ncias canal reservado alguns canais numa esta o base s o reservados para transfer ncias tentativas s o feitas tentativas at ser obtido um canal livre fila de espera os pedidos s o colocados numa fila de espera de tipo FIFO poss vel altera o din mica de ordem imposta por medidas de degrada o de qualidade M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Gest o de mobilidade Transfer ncia r gida de canais hard handover e Fase de execu o Processos de execu o de transfer ncia NCHO Network Controlled Handover Controlo total da rede MCHO Mobile Controlled Handover MAHO Mobile Assisted Handover Controlo da rede com coopera o do terminal m vel Controlo do terminal m vel M rio Jorge M Leit o sinaliza o elevada tempo de transfer ncia elevado e medidas de qualidade na esta o base utilizado em sistemas de 1 gera o sinaliza o elevada tempo de transfer ncia reduzido e medidas de qualidade na esta o base e no terminal m vel utilizado em sistemas de 2 e 3 gera o sinaliza o baixa tempo de transfer ncia muito re
48. ra recep o ord liga o descendente liga o ascendente o o e o a e o oe TT le Po nas os OO quad AD AT So ques intervalos de guarda Princ pio da transmiss o TDD M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 46 Transmiss o sem fios Transmiss o full duplex Pontos fortes e fracos de FDD e TDD Caracter stica interfer ncia entre relativamente f cil de assegurar atrav s de sentidos bandas de guarda exige tempos de guarda e sincroniza o temporal precisa entre os sentidos de A transmiss o NY continuidade de transmiss o continua reduz interfer ncias transmiss o em rajadas introduz transmiss o sobre outros sistemas A interfer ncias sobre outros sistemas Ny planeamento de exige planeamento adequado de ae ae opera em bandas nao emparelhadas frequ ncias frequ ncias com bandas emparelhadas troca simples de capacidade entre a liga o ascendente e descendente por altera o do ponto de comuta o duplex AN atribui o assim trica de troca dificil de capacidade entre a liga o capacidade ascendente e descendente y desvanecimentos n o correlacionados na desvanecimentos correlacionados na canal rec proco Es Su p liga o ascendente e descendente y liga o ascendente e descendente M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 47 Transmiss o sem fios Antenas para o equipamento m vel Tipos de antenas
49. ral Eastern Europe 1 500 1 000 Asia Pacite 500 Africa Middle East 0 2001 2002 2003 2004 2008 2006 2007 2008 2008 2010 Source Pyramid Research Mobile Communications Forecasts 102006 Crescimento dos sistemas de comunica o m vel 2 M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 16 17 Conceitos b sicos Evolu o Sistemas de 1 gera o anos 1980 tecnologia anal gica celular macroc lulas servi o de voz sem fios Sistemas de 2 gera o anos 1990 tecnologia digital celular de grande capacidade macro micro e picoc lulas esta o base inteligente servi os avan ados de voz e dados sem fios compat veis com ISDN Sistemas de 3 gera o anos 2000 canais de r dio de maior banda e melhor aproveitamento espectral melhor partilha da capacidade total dispon vel c lulas de dimens o muito vari vel desde megac lulas a nanoc lulas at 10m tecnologias avan adas de rede inteligente servi os multim dia voz dados imagens v deo M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 18 Conceitos b sicos 3 Gera o 1 Gera o 2 Gera o IMT 2000 International Mobile Telecommunications M vel celular variantes AMPS quase IMT 2000 Telefonia sem fios Evolu o dos sistemas de comunica o m vel M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Conceitos b sicos Evolu o
50. s de Comunica o M vel 112 Planeamento de frequ ncias Atribui o de frequ ncias em sistemas FDMA TDMA e Atribui o din mica de frequ ncias Estrat gia de empr stimo de frequ ncias uma c lula com necessidade de frequ ncias vai pedi las emprestadas a c lulas vizinhas este procedimento conduz necessidade de inibir a reutiliza o da frequ ncia emprestada em c lulas a uma dist ncia menor do que a chamada dist ncia de reutiliza o a esta o base est sempre pr xima da esta o m vel reduz se a pot ncia transmitida Empr stimo de frequ ncias a frequ ncia x emprestada da c lula A para B n o pode ser emprestada por C para D ou E M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 113 Planeamento de frequ ncias Atribui o de frequ ncias em sistemas FDMA TDMA e Atribui o din mica de frequ ncias Estrat gia de aloca o flex vel de frequ ncias algumas frequ ncias s o permanentemente atribu dos a esta es base enquanto outras est o alocadas a um grupo de frequ ncias din micas geridas pelo controlador de esta es base as frequ ncias din micas s o usadas quando as frequ ncias permanentes de uma c lula est o ocupadas atribui o de frequ ncias efectuada de acordo com uma fun o de custo que inclui as condi es de interfer ncia e probabilidade de bloqueio futuro Estrat gia de aloca o adaptativa
51. ses adequadas permitem aumentar o ganho aumenta a directividade no plano vertical QdB 90 Antena com agrupamento Diagrama de radia o vertical largura do feixe 17 colinear de dipolos M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Transmiss o sem fios Antenas para a esta o base Antenas sectorizadas 53 agrupamentos de antenas montadas em pain is grande diversidade de configura es do diagrama de radia o possibilidade de opera o em v rias bandas Z 3 sectores 6 sectores Diagramas de radia o horizontal de antenas sectorizadas M rio Jorge M Leit o Vista interna de uma antena em painel Antena em painel e respectiva radia o horizontal e vertical Redes de Comunica o M vel Transmiss o sem fios 54 Antenas de liga o rede de transporte Antenas direccionais liga o fixas ponto a ponto parabol ides ou Yagi y vista lateral plano xy vista lateral plano yz vista de topo plano xz Diagramas de radiacao de antenas direccionais Antena Yagi Mario Jorge M Leit o Antena parabol ide Redes de Comunica o M vel Transmiss o sem fios Exemplos de sistemas de antenas M rio Jorge M Leit o antena sectorizada 3 sectores liga o direccional a 3 lt ___ controlador de esta es base Redes de Comunica o M vel 55 Transmiss o se
52. seudo aleat ria R NR chip s Modulador ih Sinal binario espalhado de entrada Sinal binario recuperado de saida Sequ ncia bin ria pseudo aleatoria Espalhamento e reagrupamento de um sinal atrav s de uma sequ ncia pseudo aleat ria dados de entrada 1 1 e c digo 1 1 1 1 1 1 1 M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 70 Transmiss o sem fios DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Principio de opera o emissor b t k m t informa o dO modulador x t binaria BPSK sinal transmitida transmitido c t portadora sequ ncia PRS receptor b t y t r t Z t T k sinal o dt decis o apne a recebido in ria recebida portadora c t van local sequ ncia PRS as integrador Modelo de um sistema DSSS em banda de canal M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel Transmiss o sem fios DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Imunidade a interfer ncias P P Y sinal de utilizador 6 interfer ncia de banda larga i E interfer ncia de banda estreita sinal espalhado J sinal original transmitido P P P sinal recebido f j J interfer ncias sinal recebido sinal reagrupado Demonstra o qualitativa da imunidade a interfer ncias em DSSS M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 71 Transmiss o sem fios DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Receptor RAKE usa n correlacionadores
53. sto mais f cil de detectar mais dificil de detectar desvanecimentos e interfer ncias selectivos desvanecimentos e interfer ncias selectivos frequ ncia perturbam em certos per odos frequ ncia equivalentes a ru do M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 75 Transmiss o sem fios OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Princ pio de opera o equivalente em banda de canal a DMT Discrete Multitone em banda base divide a transmiss o entre N sub portadoras diferentes o d bito de cada sub portadora reduzido de um factor de N relativamente ao d bito total o per odo de cada s mbolo aumenta de um factor de N efeito do desvanecimento selectivo frequ ncia muito atenuado per odo do s mbolo pode tornar se superior dispers o temporal dos multipercursos desvanecimento selectivo frequ ncia passa a desvanecimento plano a Conventional FOM fb OFDM sub portadoras ortogonais permite minimizar espacamento E E entre portadoras amp amp maximiza a capacidade do sistema o o E z 4 E z Frequency 1 T Frequency 1 Ti M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 76 Acesso ao meio T cnicas de acesso ao meio Acesso a canais sem fios canal descendente opera em difus o sob controlo total da esta o base canal ascendente opera em acesso m ltiplo partilhado em competi o pelos utilizadores Requisitos do acesso
54. tocolo CSMA CD variante 1 persistent Pontos fortes e fracos Aplica es reserva de recursos em sistemas FDMA e TDMA 802 11 gt LAN s sem fios M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 84 Acesso ao meio Protocolo de polling Principio de opera o esquema centralizado de uma esta o central mestre e v rios terminais escravos esta o central autoriza acesso de acordo com v rios mecanismos alternativos rota o s ser justo se os padr es de tr fego dos terminais forem id nticos por reserva exige fase pr via de pedidos de acesso seguida de rota o de autoriza es poss vel estabelecer prioridades Pontos fortes e fracos Ny baixa efici ncia tempos de acesso excessivos com muitos terminais Aplica es Bluetooth i 80211 LAN s sem fios M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 85 Acesso ao meio T cnicas de acesso m ltiplo por divis o de recursos Acesso m ltiplo por divis o de espa o SDMA baseado em estruturas celulares poss vel sub dividir c lulas em sectores recorrendo a antenas direccionais exige planeamento de frequ ncias para controlar de interfer ncia entre c lulas Acesso m ltiplo por divis o nas frequ ncias FDMA atribui uma parte da banda a um canal de transmiss o entre um emissor e um receptor Acesso m ltiplo por divis o nos tempos TDMA atribui a tota
55. ulas inadequada para sistemas de alta capacidade M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 110 Planeamento de frequ ncias Atribui o de frequ ncias em sistemas FDMA TDMA e Atribui o din mica de frequ ncias Princ pio de opera o atribui o depende da utiliza o de frequ ncias na c lula da rea e nas c lulas vizinhas Pontos fortes e fracos maior facilidade de planeamento flexibilidade para contemplar flutua es de tr fego em chamadas e banda reduz probabilidade de bloqueio Aplica es t cnicas usada em sistemas de 2 gera o diversas variantes M rio Jorge M Leit o Redes de Comunica o M vel 111 Planeamento de frequ ncias Atribui o de frequ ncias em sistemas FDMA TDMA e Afribui o din mica de frequ ncias Estrat gia de macrodiversidade uma evolu o da atribui o fixa de frequ ncias quando originada uma chamada seleccionada a esta o base mais favor vel se todas as frequ ncias estiverem ocupados escolhida a segunda mais favor vel etc se for escolhida uma esta o base distante a pot ncia transmitida ter de ser maior e as interfer ncias sobre outros canais aumentam terminal m vel a a ue a ee a a eae aa estacao base activa Esta o m vel servida por uma esta o base distante M rio Jorge M Leit o Rede
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