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Figure 1.6 A Networking Configuration

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RouterEthernet

switch

Informationserver

Firewallhost

High-speed link(e. g. SONET)

LAN PCsand workstations

PrivateWAN

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ATMswitch

High-speedlink

Subscriberconnection

Residentialuser Internet service

provider (ISP)

Redes . . .Acesso MúltiploComunicação . . .

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REDE DE TELECOMUNICAÇÕES:

Redes Celulares sem Fio

Aula 08

Professor: Jaime

14 de outubro de 2019

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA


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Acesso Múltiplo

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Sumário:

1 - Redes Celulares sem Fio;

2 - Acesso Múltiplo;

3 - Comunicação sem Fio de Terceira Geração;

4 - Evolução da 1a. a 5a. Geração de Redes Celulares.


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Acesso Múltiplo

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1. Redes Celulares sem Fio

• A tecnologia celular é a fundação da comunicação sem fio móvel

e aceita usuários em locais que não sejam facilmente servidos por

redes com fio.

As tecnologia básica para telefones celulares são: sistemas de

comunicações pessoais, internet sem fio e aplizações Web sem fio

e muito mais.

1.1. Organização da Rede Celular

• A rede celular usa diversos transmissores de baixa potência, da

ordem de 100W ou menos.

• Como a faixa desse transmissor é pequena, uma área pode ser

dividida em células, cada qual servida por sua própria antena.


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• Cada célula recebe alocação de uma banda de frequência e é

servida por uma estação base, que consiste em um transmissor,

um receptor e uma unidade de controle.

• Células adjacentes recebem a atribuição de diferentes frequências

para evitar interferência ou linha cruzada.

• Células suficientemente distantes uma das outras podem usar a

mesma banda de frequência.

• Uma decisão importante do projeto é a forma em que células co-

brem uma área, figura 1.

• Uma matriz de células quadradas seria o layout mais simples a se

definir, figura 1(a).

• Se a largura de uma célula quadrada é d, então a célula tem quatro

vizinhos a uma distância d e quatro a uma distância√

2d.


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d

Rdd

d

dd

d

d

d

d

1.414 d 1.414

d

1.414

d 1.414 d

(a) Square pattern (b) Hexagonal pattern

Figure 14.1 Cellular Geometries

Figure 1: Geometrias celulares.


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• É melhor que todas as antenas adjacentes estejam equidistantes

aos limites da célula.

• Isso simplifica a tarefa de quando comutar o usuário para uma

antena adjacente e qual antena escolher.

• Um padrão hexagonal fornece antenas equidistantes, figura 1(b).

• Para um raio de célula R, a distância entre o centro da célula e cada

centro de célula adjacente é d =√

3R.

1.1.1. Reutilização de frequência

• Cada célular possui um transceptor de base.

• A potência de transmissão é controlada para:

- Permitir comunicação dentro da célula que usa determinada

frequência; Limitar a potência na frequência que escapa para as

células adjacentes.


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• O objetivo é usar a mesma frequência em outras células próximas,

não adjacentes.

• É necessário determinar quantas células precisam ser colocadas

entre duas células que usam a mesma frequência, de modo que

não interfiram uma na outra.

• A figura 2 mostra alguns exemplos de padrões de reutilização de

frequência.

• Cada célula pode ter K/N frequências, onde:

- N é o número de células;

- K é o número total de frequências fixado para o sistema.

• AMPS - Advanced Mobile Phone Service: um esquema celular de

primeira geração já em desuso.


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Saír(c) Black cells indicate a frequency reuse for N = 19

Figure 14.2 Frequency Reuse Patterns

546

371

2

546

371

2

546

371

2546

371

25

46

371

2

546

37 12

546

371

2

(b) Frequency reuse pattern for N = 7

1

123

42

4

3

31

42

31

42

31

42

31

42

31

42

(a) Frequency reuse pattern for N = 4

circle withradius D

Figure 2: Padrões de reutilização de frequência.


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• Para o AMPS, K = 395 e N = 7 é o menor padrão que pode fornecer

isolamento suficiente entre dois uso de mesma frequência.

• Isso significa que pode haver, no máximo, 57 frequências por célula

em média.

• Aplica-se os seguintes parâmetros para a reutilização de frequên-

cia:

D - distância mínima entre centros de células que usam a mesma

banda de frequências (chamadas co-canais).

R - raio de uma célula.

d - distância entre centros de células adjacentes (d =√

3R)

N - número de células em um padrão repetitivo, chamado fator

de reutilização.

• Cada célula no padrão usa uma banda de frequência exclusiva.


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• Em um padrão de célula hexagonal, apenas os seguintes valores

de N são possíveis:

N = I2 + J2 + (I × J), I, J = 0, 1, 2, 3, . . . (1)

• Logo, os valores de N são 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21 e assim por

diante.

• A seguinte relação se aplica:

DR

=√

3N (2)

• Isso também pode ser expresso como D/d =√

N.

1.1.2. Aumento de capacidade

• O tráfego pode crescer de modo que não haja frequências sufi-

cientes na célula para manipular suas chamadas.


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• Os seguintes métodos foram desenvolvidos para resolver essa situ-

ação:

1. Inclusão de novos canais: quando um sistema é configurado

em uma região, nem todos os canais são usados, e o crescimento

e a expansão podem ser controlados de maneira organizada,

incluindo novos canais.

2. Empréstimo de frequência: as frequências são tomadas das

células adjacentes por células congestionadas. As frequências

podem ser distribuidas dinamicamente às células.

3. Divisão de célula: as células em áreas de alto uso podem ser

divididas em células menores.

- As células originais possuem cerca de 6, 5 a 13km de

tamanho.

- As células menores podem ser divididas; células de 1, 5km

estão próximas ao tamanho mínimo prático.


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SaírFigure 14.3 Cell Splitting Figure 3: Divisão de célula.


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- Para usar uma célula menor, o nível de potência precisa

ser reduzido para manter o sinal dentro da célula.

- À medida que as unidades móveis se movem, elas passam

de célula para célula, o que exige transferir a chamada de um

transceptor de base para outro, chamado de handoff .

- Conforme as células se tornam menores, esses handoff se

tornam mais frequentes.

- Uma redução de raio por um fator de F reduz a área de

cobertura e aumenta o número necessário de estações de base

por um fator de F2.

4. Setorização de célula: normalmente são divididas em forma

de fatias por 3 ou 6 setores por célula.

- Subconjunto dos canais da célula é atribuído a cada setor.

- Antenas adicionais na ERB são usadas para focalizar cada

setor.


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5. Microcélulas: conforme as células se tornam menores, as an-

tenas se movem dos topos dos prédios ou morros altos para

os topos de prédios mais baixos ou laterais de grandes cons-

truções e, finalmente, para postes de luz, onde formam mi-

crocélulas.

- Cada diminuição no tamanho da célula é acompanhada por

uma redução nos níveis de potência irradiados das estações de

base e das unidades móveis.

• O espalhamento de retardo médio se refere ao retardo multica-

minho, figura 4.

- O mesmo sinal segue diferentes caminhos e existe um retardo

de tempo entre a primeira e a última chegada do sinal no receptor.

• O uso de células menores permite o uso de potência menor e

oferece maiores condições de propagação.


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Table 14.1 Typical Parameters for Macrocells and Microcells [ANDE95]

Macrocell MicrocellCell radius 1 to 20 km 0.1 to 1 kmTransmission power 1 to 10 W 0.1 to 1 WAverage delay spread 0.1 to 10 µs 10 to 100 ns

Maximum bit rate 0.3 Mbps 1 Mbps

Figure 4: Parâmetros típicos para macrocélulas e microcélulas.


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• Exemplo: Sistema de 32 células; raio de célula R = 1, 6 km; K = 336

canais de tráfego; fator de reutilização N = 7.

- Que área geográfica é coberta? Quantos canais existem por

célula e qual é o número total de chamadas simultâneas?

- Repita o problema para um raio de célula de 0, 8 km e 128

células.

• Solução: Para a figura 5(a), um hexágono de raio R = 1, 6 km tem

uma área de A = 3×R2×√

32 = 3×1,62

×√

32 = 6, 65 km2

A área coberta é de 6, 65 × 32 = 213 km2. Para N = 7, o número

de canais por célula é 336/7 = 48, para uma capacidade de canal

total de 48 × 32 = 1536 canais.

Para a figura 5(b), a área coberta é de 1, 66 × 128 = 213 km2. O

número de canais por célula é 336/7 = 48, para uma capacidade

de canal total de 48 × 128 = 6.144 canais.


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(b) Cell radius = 0.8 km(a) Cell radius = 1.6 km

Figure 14.4 Frequency Reuse Example

width = 21 ¥ 0.8 = 16.8 km

heig

ht =

10

¥ 3

¥ 0

.8 =

13.

9 km

width = 11 ¥ 1.6 = 17.6 km

heig

ht =

5 ¥

3

¥ 1.

6 =

13.9

km

Figure 5: Exemplo de reutilização de frequência.


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1.2. Operação de Sistemas Celulares

• No centro aproximado de cada célula está uma estação de base

(BS), figura 6.

A BS inclui uma antena,um controlador e diversos transcep-

tores, usados para comunicação nos canais dessa célula.

• O controlador é usado para manipular o processo de chamada

entre a unidade móvel e o restante da rede.

• Cada BS é conectada a um escritório de comutação de telecomu-

nicação móvel (MTSO), com um MTSO servindo a múltiplas BSs.

• O enlace entre um MTSO e uma BS é feito por cabos, embora um

enlace sem fio também seja possível.

• O MTSO conecta chamadas entre unidades móveis.

• O MTSO também é conectado à rede pública de telefonia.


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Basetransceiver

station

Basetransceiver

station

Mobiletelecommun-

icationsswitching

office

Publictelecommunications

switchingnetwork

Figure 14.5 Overview of Cellular System

Basetransceiver

station

Figure 6: Visão geral do sistema celular.


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• O MTSO atribui o canal de voz a cada chamada, realiza handoffs

e monitora a chamada para informações de cobrança.

• Dois tipos de canais estão disponíveis entre a unidade móvel e a

estação base (BS):

• Os canais de controle: são usados para trocar informações rela-

cionadas à configuração e à manutenção de chamadas;

são usados também para o estabelecimento de uma relação entre

uma unidade móvel e a BS mais próxima.

• Os canais de tráfego: transportam uma conexão de voz ou dados

entre os usuários.

• Chamadas dentro de uma área controlada por um único MTSO,

figura 7:


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1. Inicialização da unidade móvel: o receptor seleciona o canal de

configuração mais forte e monitora esse canal, figura 7(a).

- Um handshake ocorre entre a unidade móvel e o MTSO que

controla essa célula, por meio da BS nessa célula.

Handshake: usado para identificar usuário e registrar seu local.

- Ao entrar em uma nova célula, uma nova BS é selecionada.

2. Chamada originada pela unidade móvel: ao enviar o número da

unidade chamada no canal de configuração pré-selecionado.

- O receptor na unidade móvel verifica antes se o canal de

configuração está livre, examinando informações no canal à frente

(a partir da BS).

- Quando um livre é detectado, a unidade móvel pode transmitir

no canal reverso correspondente (à BS), figura 7(b).

- A BS envia a requisição para o MTSO.


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3. Paginação: o MTSO envia uma mensagem de paginação para

determinadas BSs, dependendo do número de unidade móvel

chamado, figura 7(c).

- Cada BS transmite o sinal de paginação em seu canal de con-

figuração atribuído.

4. Chamada aceita: a unidade móvel chamada reconhece seu número

no canal de configuração e responde a essa BS que envia resposta

para o MTSO.

- O MTSO define um circuito entre a BS chamadora e a BS

chamada.

- Ao mesmo tempo, o MTSO seleciona um canal de tráfego

disponível dentro da célula de cada BS e notifica cada BS, que

notifica sua unidade móvel, figura 7(d).

- As duas unidades móveis sintonizam seus respectivos canais

atribuídos.


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(a) Monitor for strongest signal

(c) Paging (d) Call accepted

Figure 14.6 Example of Mobile Cellular Call

(b) Request for connection

MTSO

MTSO

MTSO

MTSO

(e) Ongoing call

MTSO

(f) Handoff

MTSO

Figure 7: Exemplo de chamada móvel celular.


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5. Chamada em andamento: enquanto a conexão é mantida, as duas

unidades móveis trocam sinais de voz e dados, por meio de suas

respectivas BSs e do MTSO, figura 7(e).

6. Handoff: se uma unidade móvel sair do alcance de uma célula e

entrar em outra, durante a conversação, o canal de tráfego muda

para um canal atribuído à BS na nova célula, figura 7(f).

- O sistema faz essa mudança sem interromper a chamada ou

avisar o usuário.

• Outras funções realizadas pelo sistema:

1. Bloqueio de chamada: durante a chamada, se todos os canais

de tráfego da BS mais próxima estiverem ocupados, a unidade

móvel realiza um número predefinido de tentativas.

- Após um certo número de tentativas frustadas, um tom de

ocupado é retornado ao usuário.


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2. Término de chamada: quando um dos dois usuários desliga,

o MTSO é informado e os canais de tráfego nas duas BSs são

liberados.

3. Queda de chamada: durante uma conexão, devido à interfer-

ência ou aos pontos de sinal fraco em certas áreas, se as BSs não

puder manter a potência de sinal mínima, o canal de tráfego

até o usuário é derrubado e o MTSO é informado.

4. Chamada de/para assinante móvel fixo e remoto: o MTSO se

conecta à rede pública de telefonia comutada (PSTN).

- O MTSO pode se conectar a um MTSO remoto por meio

da rede telefônica ou de linhas dedicadas e configurar uma

conexão entre um usuário móvel em sua área e um usuário

móvel remoto.


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2. Acesso Múltiplo

• É possível categorizar os sistemas de telefonia móvel em gerações.

• Os sitemas de primeira geração são baseados em comunicação de

voz analógica que usam modulação de frequência.

- Um sistema de primeira geração é o AMPS.

- Devido a enorme popularidade, tornaram-se necessário sis-

temas que usassem espectro de modo mais eficiente.

• Satisfeita pela segunda geração, que usa técnicas digitais e TDMA

ou acesso múltiplo por divisão de código CDMA.

- Recursos avançados de processamento de chamadas também

estão presente.

• A terceira geração está evoluindo a partir de diversos sistemas

sem fio de segunda geração.


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2.1. Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA)

• O CDMA é baseado no espalhamento espectral de sequência direta

(DSSS).

• Um sinal com velocidade de dados de D bits por segundo, conver-

tido para transmissão em uma mensagem mais longa, transmiti-

dos a uma velociadade mais alta, kD, onde k é chamado de fator

de espalhamento.

- Com isso, podemos ganhar imunidade a vários tipos de ruído

e distorção multipercurso.

• Exemplo: Começamos com um sinal de dados com velocidade D.

- Desmembramos cada bit em k chips de acordo com um padrão

fixo e específico para cada usuário, chamado de código do usuário.

- O novo canal possui uma velocidade de dados de chip de kD

chips por segundo.


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- Imaginamos um exemplo simples com k = 6.

- É mais simples caracterizar um código como uma sequência

de 1s e −1s.

- A figura 8 mostra os códigos para três usuários A, B e C, cada

qual se comunicando com o mesmo receptor R.

- O código para o usuário A é cA = (1,−1,−1, 1,−1, 1), B é cB =

(1, 1,−1,−1, 1, 1) e o C é cC = (1, 1,−1, 1, 1,−1).

- Na estação de base, o receptor decodifica os padrões de chip.

- Se o receptor R receber um padrão de chip

d = (d1, d2, d3, d4, d5, d6) e o receptor estiver se comunicando

com o usuário u com código (c1, c2, c3, c4, c5, c6).

- O receptor realiza a seguinte função de decodificação:

Su(d) = d1 × c1 + d2 × c2 + d3 × c3 + d4 × c4 + d5 × c5 + d6 × c6


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User A

Code Message "1101" Encoded

User B

User C

Figure 9.10 CDMA Example

1 –1 –1 1 –1 1

1 1 –1 –1 1 1

1 1 –1 1 1 –1

Figure 8: Exemplo de CDMA.


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• Vamos supor que o usuário u seja realmente A e veja o que acon-

tece.

• Se A enviar um bit 1, então, d é (1,−1,−1, 1,−1, 1) e o cálculo

anterior usando SA se torna:

SA(1,−1,−1, 1,−1, 1) = 1 × 1 + (−1) × (−1) + (−1) × (−1) + 1 × 1 +

(−1) × (−1) + 1 × 1 = 6 (3)

• Se A enviar um bit 0 que corresponde a d = (−1, 1, 1,−1, 1,−1),

temos:

SA(−1, 1, 1,−1, 1,−1) = (−1) × 1 + 1 × (−1) + 1 × (−1) + (−1) × 1 +

1 × (−1) + (−1) × 1 = −6 (4)

• Então, se SA produz +6, dizemos que recebemos um bit 1 de A; se

SA produz −6, dizemos que recebemos um bit 0 do usuário A.


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• Se o usuário B estiver enviando, e tentarmos recebê-lo com SA, ou

seja, estamos decodificando com o código errado.

• Se B enviar o bit 1, então, d = (1, 1,−1,−1, 1, 1). Assim,

SA(1, 1,−1,−1, 1, 1) = 1 × 1 + 1 × (−1) + (−1) × (−1) + (−1) × 1 +

1 × (−1) + 1 × 1 = 0 (5)

• Se B tivesse enviado um bit 0, o decodificador produziria um valor

de 0 para SA novamente.

• Isso significa que o decodificador for linear e se A e B transmitem

sinais SA e SB, respectivamente, ao mesmo tempo, então,

SA(sA + sB) = SA(sA) + SA(sB) = SA(sA)

• Pois, o decodificador ignora B quando está usando o código A.


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• Os códigos de A e B que possuem a propriedade SA(cB) = SB(cA) =

0 são chamados ortogonais.

• Em nosso exemplo, SA(cC) = SC(cA) = 0, mas SB(cC) = SC(cB) = 2.

• No último caso, o sinal C daria uma pequena contribuição para o

sinal decodificado em vez de 0.

• Usando o decodificador, Su, o receptor pode classificar a transmis-

são de u mesmo quando houver outros usuários transmitindo na

mesma célula.

• O receptor CDMA pode filtrar a contribuição dos usuários inde-

sejados ou elas aparecem como ruído de baixo nível.

• Se houver muitos usuários competindo pelo canal, ou se a potência

de sinal de um ou mais concorrentes for muito alta, por estar muito

próxima do receptor (o problema do próximo/distante), o sistema

não funciona.


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• O ganho de codificação, que é de 6 em nosso exemplo, pode ser

mais de 100 nos sistemas práticos, de modo que a capacidade de

nosso decodificador filtrar códigos indesejados pode ser bastante

eficaz.


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3. Comunicação sem Fio de Terceira Geração

• O objetivo é fornecer comunicação sem fio de altíssima velocidade

para aceitar multimídia, dados e vídeo, além de voz.

• A iniciativa Internacional Mobile Telecommunications para o ano 2000

(IMT-2000) da ITU definiu a visão da ITU em relação às capaci-

dades da terceira geração da seguinte maneira:

1. Qualidade de voz compatível à rede pública de telefonia co-

mutada.

2. Velocidade de dados de 144kbps disponível a usuários em

veículos motorizados de alta velocidade sobre grandes áreas.

3. 384kbps disponíveis a pedestres parados ou movendo-se lenta-

mente sobre pequenas áreas.

4. Suporte (a ser introduzido) para 2.048Mbps para uso em local

de trabalho.


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5. Suporte para serviços de dados de comutação de pacotes e

comutação de circuitos.

6. Interface adaptável à internet para refletir eficientemente a as-

simetria comum entre tráfego de entrada e saída.

7. Uso eficiente do espectro disponível em geral.

8. Suporte para uma ampla variedade de equipamentos móveis.

9. Flexibilidade para permitir a introdução de novos serviços e

tecnologias.


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.

4. Evolucao da 1a. a 5a. Geracao de RedesCelulares

LOGO 1G TECHNOLOGY

1G refers to the first generation of wireless telephone

technology, mobile telecommunications which was first

introduced in 1980s and completed in early 1990s.

It's Speed was upto 2.4kbps.

It allows the voice calls in 1 country.

1G network use Analog Signal.

AMPS was first launched in USA in 1G mobile

systems.

LOGO 2G TECHNOLOGY

2G technology refers to the 2nd generation which is

based on GSM.

It was launched in Finland in the year 1991.

2G network use digital signals.

It’s data speed was upto 64kbps.

Features Includes:

It enables services such as text messages,

picture messages and MMS (multi media message).

It provides better quality and capacity .

LOGO 2.5G TECHNOLOGY

2.5G is a technology between the second (2G) and

third (3G) generation of mobile telephony.

2.5G is sometimes described as 2G Cellular

Technology combined with GPRS.

Features Includes:

Phone Calls

Send/Receive E-mail Messages

Web Browsing

Speed : 64-144 kbps

Camera Phones

Take a time of 6-9 mins. to download a 3 mins. Mp3 song

LOGO 3G TECHNOLOGY

3G technology refer to third generation which was

introduced in year 2000s.

Data Transmission speed increased from

144kbps- 2Mbps.

Typically called Smart Phones and

features increased its bandwidth

and data transfer rates to accommodate

web-based applications and audio

and video files.

LOGO 4G TECHNOLOGY (Anytime ,Anywhere)

4G technology refer to or short name of fourth Generation

which was started from late 2000s.

Capable of providing 100Mbps – 1Gbps speed.

One of the basic term used to describe 4G is MAGIC.

MAGIC:

Mobile Multimedia

Anytime Anywhere

Global Mobility Support

Integrated Wireless Solution

Customized Personal Services

Also known as Mobile Broadband Everywhere.

LOGO COMPARISON BETWEEN 3G Vs 4G

Technology 3G 4G

Data Transfer Rate 3.1 MB/sec 100 MB/sec

Internet Services Broadband Ultra Broadband

Mobile - TV Resolution Low High

Bandwidth 5-20 MHz 100MHz

Frequency 1.6-2 GHz 2-8 GHz

Download and upload 5.8 Mbps 14 Mbps

The basic difference between 3G and 4G is in data transfer and signal

quality.

LOGO5G TECHNOLOGY

5G technology refer to short name of fifth Generation

which was started from late 2010s.

Complete wireless communication

with almost no limitations.

It is highly supportable to WWWW

(Wireless World Wide Web).

LOGOCOMPARISON BETWEEN 4G Vs 5G

The following basic differences between 4G and 5G are:

LOGOEVOLUTION OF 1G TO 5G TECHNOLOGY

rede de telecomunicaÇÕes: redes celulares sem fio aula 08 · comunicação... pág. principal jj...

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