redes celulares moveis

Redes Celulares Móveis

Projecto Final de Curso Técnico Especialista em Telecomunicações e Redes

Janeiro de 2013 – Mestre Eng. Luís Pires


Mestre Eng. Luís Pires 2

Índice

1. Decibel e as Unidades Derivadas...............................................................................4 1.1 dB (decibel) ..........................................................................................................4

1.1.1 Relação de Potências.....................................................................................4 1.2 Unidades Derivadas do dB ..................................................................................5

1.2.1 dBm...............................................................................................................5 1.2.2 dBW ..............................................................................................................5 1.2.3 dBmV............................................................................................................5 1.2.4 dBi.................................................................................................................6 1.2.5 dBd................................................................................................................6 1.2.6 dBμV/m ........................................................................................................6

2. Características do Sistema de Antenas ......................................................................7

2.1 Tipos de Radiação................................................................................................7 2.2 Ganho de uma Antena..........................................................................................7

2.2.1 Coeficiente de Eficiência da Abertura ..........................................................8 2.2.2 Relação Frente-Costas ..................................................................................9 2.2.3 Potência Efectiva Isotrópica Radiada ...........................................................9

3. Sistemas de Comunicação Móveis Celulares ..........................................................10

3.1 Evolução Histórica dos Sistemas de Rádio Móvel ............................................12 3.2. Sistemas Analógicos..........................................................................................13 3.3. Conceitos Introdutórios ....................................................................................13 3.4 Elementos constituintes de uma rede GSM........................................................16 3.5 Elementos de uma Rede GPRS ..........................................................................19

3.5.1 Classes dos Terminais Móveis em GPRS...................................................21 3.5.2 Actualização para Operar em GPRS...........................................................22 3.5.3 Interface A-bis ............................................................................................23 3.5.4 Interface Gb ................................................................................................23 3.5.5 Protocolos em GPRS...................................................................................24 3.5.6 High Speed Circuit Switched Data – HSCSD ............................................25

4. Redes UMTS............................................................................................................27

4.1 Conceitos Básicos ..............................................................................................32 4.1.1 Camada Física.............................................................................................35

4.2 Comparação entre o GSM e UMTS...................................................................39 4.3 Arquitectura do Sistema.....................................................................................41 4.4 Balanço de Potência ..........................................................................................49

4.4.1 Balanço de Potência em Uplink..................................................................53 4.4.2 Balanço de Potência em Downlink .............................................................58

5. Modelos de Propagação e Equipamento Utilizado em Redes Celulares Móveis ....61

5.1 Modelo COST 231 Walfisch-Ikegami ................................................................63 5.2 Equipamento Utilizado em Comunicações Móveis............................................67

5.2.1 Estação Base ...............................................................................................67 5.2.2. Mobile Station (MS) ..................................................................................69 5.2.3 Equipamento Adicional ..............................................................................70

5.3 Balanço de Potência ..........................................................................................73



Referências...................................................................................................................79



1. Decibel e as Unidades Derivadas

O dB e as suas unidades derivadas são muito usadas em telecomunicações. Os sinais

quer transmitidos através de cabo, de feixes Hertezianos , da luz ou ainda a rádio, TV,

entre outros podem atingir valores muito elevados ou podem ser extremamente

pequenos e por isso o dB torna esses valores de mais fácil operacionalidade de forma

a simplificar os cálculos.

1.1 dB (decibel)

Tal como referido na secção 1, existem certas operações que se podem efectuar com

dBs e que não são validas com as unidades lineares convencionais. Por exemplo,

pode-se somar algebricamente ganhos e perdas porque um valor em dB com sinal (+)

representa um ganho e com o sinal (-) significa uma perda. O dB define-se no

dominio da potência pela relação (1.1),

( ) 2

110 log .p

PG dB P⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.1)

1.1.1 Relação de Potências

Deve-se ter sempre presente a seguinte relação de potências: 1

2

3

4

5

6

10 10 1010 100 2010 1000 3010 10000 4010 100000 5010 1000000 60

dBdBdB

dBdB

dB

→ →+

→ →+

→ →+

→ →+

→ →+

→ →+

O dB define-se no domínio da tensão ou corrente pela relação presente em (1.2) e

(1.3), respectivamente.

( ) 2

1

20 log ,VVG dBV

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (1.2)



( ) 2

1

20 log ,IIG dBI

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (1.3)

Em regra geral, cada vez que a potência duplica o ganho aumenta 3dB.

1.2 Unidades Derivadas do dB

O dB representa uma relação e por isso não se pode dizer que a saída de um

amplificador é de 33 dB, mas sim que tem um ganho de 33 dB, ou que tem um

atenuador de 6 dB de perdas. Assim esta unidade não transmite a ideia do valor

absoluto da saída de um equipamento, contudo existem unidades derivadas do dB que

transmitem essa ideia, sendo o mais comum o dBm.

1.2.1 dBm

O dBm, é o nível de potência em relação a 1 mW, ou seja,

10 log .1dBm

PPmW

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.4)

O valor de referência é 1 mW, ou 0 dBm.

1.2.2 dBW

Esta unidade é muito usada em microondas e trata-se do dB referido a 1 W, ou seja,

10 log .1dBWPPW

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.5)

Existem duas relações que se podem fazer usando o dBm e o dBW. Uma delas diz

respeito a que 0 dBW correspondem a +30 dBm; no caso da segunda, 0 dBW

corresponde a –30 dBm.

1.2.3 dBmV

Esta unidade é comummente usada em microondas, mas sobretudo na transmissão de

vídeo. A referência é 1 mV, com uma impedância de 75 Ω. A relação será:



20 log .1

mVV

VDmV

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.6)

1.2.4 dBi

Esta unidade é usada para expressar o ganho ou perda de uma antena em relação a

antena Isotrópica. Tendo uma antena Isotrópica um ganho uniformemente

omnidireccional, isto é, um ganho constante qualquer que seja a direcção. Esta antena

representa uma antena de referência com ganho zero e perda zero.

1.2.5 dBd

Esta unidade é usada tendo com referência uma antena dipolo. Uma antena dipolo tem

um ganho de 2.15 dB acima de uma antena Isotrópica, dado que o seu ganho não é

omnidireccional, ou seja, 0dBd correspondem a + 2.15 dBi.

1.2.6 dBμV/m

Esta unidade representa o nível de um campo electromagnético. Os valores do campo

electromagnético (E) são muito pequenos, esta unidade de medida é em relação a E0 =

1μV/m, ou seja,

/0

20 log .dB V mENEμ

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (1.7)



2. Características do Sistema de Antenas

A eficiência de um sistema de antenas depende de quanta energia transmitida pode ser

captada pela antena de recepção e essa energia depende das caracterisicas de ambas as

antenas de transmissão e recepção.

No caso da radio-difusão (ponto-a-multiponto) a eficiência é, em geral, baixa porque

há que radiar energia igualmente em todas as direcções (antena Isotrótica, ou

omnidireccional), nesse caso as estações de radio-difusão devem por isso transmitir a

grandes potências. Nas ligações ponto-a-ponto e microondas, a potência transmitida é

baixa, devendo por isso as antenas de emissão e recepção ser altamente direccionais,

ou directivas. Esta direccionalidade da antena é medida em termos de ganho que não é

mais do que a relação entre a sua intensidade máxima de radiação numa dada direcção

e a intensidade de radiação na mesma direcção, devida a um radiador Isotrópico que é

uma antena “ideal” que em uma radiação igual em todas as direcções.

2.1 Tipos de Radiação

Existem três tipos de radiação: Isotrópico, com ganho unitário; Dipolo de meia-onda

(λ/2), com ganho de 1.5 dBi, também chamado dipolo curto (pode ainda existir o

chamado dipolo curto à terra, com um ganho de 3 dBi) e parabólica.

2.2 Ganho de uma Antena

A diversidade de uma antena mede-se em termos de ganho. Este ganho é um ganho

passivo baseado na capacidade da antena em concentrar e dirigir a energia numa

determinada direcção, trata-se por isso de um ganho directivo, que é definido como a

relação entre a potência de pico transmitida pela antena na direcção desejada e a

potência transmitida na mesma direcção por uma antena Isotrópica com o mesmo

nível de potência de entrada.

Nas antenas aplica-se o principio da reciprocidade, isto é, o ganho directivo na

emissão é igual ao ganho directivo na recepção.

O ganho de uma antena e dado por,



2

4 ,eG Aπλ

= ⋅ (2.1)

onde,

• λ é o comprimento de onda, dado por cf

λ = , onde c representa a velocidade

da luz no vazio, 83 10 /m s× .

• Ae é a área efectiva ou abertura efectiva da antena.

2.2.1 Coeficiente de Eficiência da Abertura

Este coeficiente é dado por η e definido em (2.2),

,eAA

η = (2.2)

onde,

• A é a área física real de uma antena.

De salientar que, a área de abertura efectiva nunca, na prática, pode igualar a área

física, ou seja, a potência incidente total não pode ser extraída devido a diversos

mecanismos tais como iluminação da antena deficiente, imperfeições na superficie

reflectora, entre outras. Assim sendo, a expressão comummente usada para o cálculo

do ganho de uma antena é dada por (2.3),

2

4 .AG πηλ⋅

= ⋅ (2.3)

Em dB será,

2

410 log .dBiAG πη

λ⋅⎛ ⎞= ⋅ ⋅⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.4)



2.2.2 Relação Frente-Costas

Esta relação (F/B) representa a quantidade de nível de sinal que é emitido, quanto

maior esta relação melhor será a emissão. Esta relação é dada por (2.5),

( )10 log .MAX

dBbMAX

PFB P

⎛ ⎞= ⋅ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.5)

2.2.3 Potência Efectiva Isotrópica Radiada

Esta potência, representada por EIRP (Effective Isotropic Radiated Power),

caracteriza um sistema do ponto de vista de transmissão, dado por (2.6),

[ ] .T TEIRP P G W= ⋅ (2.6)

Em dB seria,

[ ][ ] [ ] .T dBm T dBiEIRP P G dBm= + (2.7)



3. Sistemas de Comunicação Móveis Celulares

O crescimento dos sistemas de comunicação móvel é um dos maiores fenómenos

registados nas aplicações de telecomunicações nos últimos anos. A possibilidade de

efectuar e receber chamadas a partir de um terminal móvel sem fios, qualquer que seja

a sua localização, é uma das grandes atracções oferecidas aos potenciais

clientes/consumidores. A oportunidade de negocio está longe de atingir o limite, pois

basta imaginar que cada cidadão, e não cada lar, pode ser um potencial assinante

móvel, incluindo as camadas etárias mais jovens.

As comunicações móveis introduziram diversos conceitos nas telecomunicações, por

exemplo, um número de telefone deixa de estar associado a um local, para estar

associado a uma pessoa. Não admira, pois, que o crescimento do mercado das

telecomunicações móveis tenda a superar qualquer um dos outros mercados das

telecomunicações ditas “convencionais”. O sistema Global System for Mobile

communication (GSM) é um exemplo de sucesso, onde a explosão da procura

originou taxas de penetração que não têm paralelo na história das telecomunicações.

Para isso contribuíram diversos factores, aos quais não está alheio o facto deste

sistema ser resultado de uma concentração de esforços entre entidades nacionais e

europeias em criar uma norma que regulamentasse o processo de “deployment” do

sistema (fabricantes, operadores, governos, reguladores).

O sistema General Packet Radio Service (GPRS), assenta na comunicação de pacotes

de dados, enviados sobre o protocolo IP (o mesmo que é usado na Internet fixa), e não

na comutação de circuitos telefónicos. A velocidade das comunicações atingirá

virtualmente os 115 kbps, contudo para já não é de prever que o GPRS consiga

ultrapassar os modems analógicos. Por outro lado, mesmo com uma disponibilidade

de 115 kbps, é preciso não esquecer que o sistema GPRS efectua uma alocação

dinâmica da largura da banda existente. Quer isto dizer que, em locais muito

concorridos, onde sejam efectuadas centenas de chamadas de dados em simultâneo, a

velocidade de acesso do GPRS diminui drasticamente. Velocidade à parte, o GPRS

apresenta uma mais valia fundamental: a possibilidade de ter acesso à Internet sempre

activado, se bem que em modo de standby, e de poder aceder à Internet em escassos

quatro ou cinco segundos, sem ser necessário esperar os tradicionais 30 segundos da



ligação analógica. Isto porque, como já se disse, não é feita uma comutação de

circuitos, mas sim de pacotes de dados. Com o GPRS, receber um e-mail ou aceder à

Internet no telemóvel num futuro próximo será tão vulgar como hoje em dia num

computador de secretária. Com base nas redes GSM existentes utilizadas para a

comutação de circuitos, pretende-se alargar o tipo de serviços disponibilizados,

introduzindo a comutação de pacotes. Para a introdução deste serviço vão ser

introduzidos novos elementos à rede GSM existente, tendo em vista o

encaminhamento do tráfego de pacotes, sendo estes elementos constituintes da rede de

core. Em virtude de o espectro rádio disponibilizado pelo regulador não sofrer

alterações com vista à introdução deste novo serviço, será necessário partilhar os

recursos rádio existentes no GSM pelo tráfego de voz e de dados. Tendo em conta o

facto dos recursos rádio serem limitados e sendo este o ponto comum entre o GSM e o

GPRS será necessário por parte do operador de redes GSM proceder a uma gestão

destes canais de modo a fornecer ambos os serviços. Em virtude dos canais de voz

existentes não poderem ser utilizados para tráfego de comutação de pacotes, torna-se

deste modo necessário reservar um conjunto de canais específicos para este tipo de

serviço, podendo estes serem obtidos à custa de introdução de novo hardware na

interface rádio, o que implica custos adicionais, ou da redução de alguns canais de voz

existentes na célula, o que poderá provocar uma redução da capacidade de tráfego de

voz e um consequente aumento da probabilidade de bloqueio. Em virtude de esta

opção ser mais rápida de implementar e apresentar um menor custo para o operador,

torna-se assim a mais desejável. Desta forma deverá ser estudado o impacto da

introdução do serviço de GPRS sobre redes GSM, analisando os diferentes métodos

de atribuição de canais de dados existentes, de modo a garantir uma qualidade de

serviço satisfatória para os utilizadores deste novo serviço.

O sistema Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), prevê-se que seja

outro exemplo de sucesso ainda maior que o GSM, pois trata-se de um sistema

universal, que tem como objectivo principal universalizar sistemas e serviços de

comunicações (Internet, GSM, Satélite, entre outros). As potencialidades do UMTS

são muito elevadas relativamente ao sistema GSM, pois trata-se de um sistema que

oferece um débito binário mais elevado e uma interface mais flexível. Previsões e

estudos de mercado apontam para que os serviços de conteúdos para a Internet Móvel

venham a ser muito usados nos sistemas de 3rd Generation (3G). Para que a nova



tecnologia seja um sucesso, é necessário que sejam introduzidas funcionalidades

atractivas e as mais avançadas possível. É por isso que se prevê o suporte de serviços

de alto débito em cada terminal, podendo ir até um máximo de 2Mbps para UMTS em

Time Division Duplex, (TDD) e 384kbps, para UMTS em Frequency Division

Duplex, (FDD). Para que seja possível o suporte destes serviços, terá de ser

desenvolvida uma complexa rede de telecomunicações, em que a qualidade de serviço

será um dos factores mais importantes a ter em conta.

3.1 Evolução Histórica dos Sistemas de Rádio Móvel

Em 1880, Hertz inventou o rádio, seguidamente, em 1897, surge a primeira

demonstração prática de uma comunicação rádio, realizada por Marconi. Nos

primeiros vinte anos do século XX, as comunicações usando rádio móvel eram

utilizadas para comunicação com navios, ajudando na navegação e segurança destes.

Em 1921, foi desenvolvido o primeiro sistema de telefone móvel, pela polícia de

Detroit, este sistema rudimentar funcionava na banda dos 2 MHz, sendo um

equipamento de grandes dimensões, dez anos mais tarde, a policia de Nova York,

desenvolvia um sistema similar. No inicio dos anos 40, a Federal Communications

Commission (FCC) autoriza a utilização de 4 canais entre a banda dos 30 e 40 MHz,

resultando num aumento substancial no numero de telefones móveis utilizados pela

policia. Durante a 2ª Guerra Mundial, existiram elevados avanços técnicos, que

provocaram um desenvolvimento dos sistemas de comunicação móvel nas bandas dos

35 e 150 MHz. Surge, então, em 1946, o primeiro sistema público instalado em St.

Louis utilizando 3 canais na banda dos 150 MHz. Um ano mais tarde, surge o

primeiro sistema de comunicação na auto-estrada de que liga Boston a Nova York, na

banda dos 35-45 MHz. Este sistema é Simplex (push to talk), limitado pelo numero de

canais utilizados, o cliente tem de sintonizar manualmente um canal livre antes de

efectuar uma chamada. Em 1964, surge a introdução do primeiro sistema de

comunicações móvel automático, que operava na banda dos 150 MHz e depois na

banda dos 450 MHz, com selecção automática do canal, digitação efectuada pelo

cliente e eliminação do “push-to-talk”. Nos anos 60, surgem novas técnicas de

desenho de redes móveis, mais tarde, nos anos 70, com o desenvolvimento dos

transístores, dos circuitos integrados e dos sintetizadores de frequência de a um baixo

custo, os telemóveis começam a diminuir o seu tamanho (contudo ainda grandes) e



custo. No inicio dos anos 80, surge a diminuição da dimensão dos equipamentos e das

exigências a nível de potência, surge o aumento do numero de canais disponível e dá-

se inicio ao aumento da procura dos sistemas de comunicação móvel. Os anos 80

foram ainda marcados pela integração dos serviços de comunicações móveis com a

Public Switch Telephone Network (PSTN) possibilitando um aumento acentuado da

procura dos serviços de telefone móvel, dado esse aumento, surge o conceito de

sistema de telefone celular. A comunicação móvel celular constitui hoje um negócio

milionário suportando uma indústria cada vez mais em crescimento. Os sistemas

digitais de 2ª Geração (2G), tais como o GSM revolucionaram a indústria fornecendo

serviços de alta qualidade a um número cada vez maior de utilizadores.

3.2. Sistemas Analógicos

Os sistemas celulares analógicos, ou de 1ª Geração (1G), são sistemas de elevadas

dimensões, elevado peso, e que emitem muita potência. Nesta altura, as redes

celulares móveis estavam muito pouco desenvolvidas, existiam os seguintes sistemas

1G:

• AMPS.

• TACS (Total Access Communication System).

• ETACS (ETACS-Extended Total Access Communication System).

• NMT450 e 900.

A título de comparação, actualmente exsitem os seguintes sistemas digitais, um deles

de alto débito – UMTS:

• GSM900/1800.

• CDMA e TD-CDMA.

• UMTS nos modos TDD e FDD.

3.3. Conceitos Introdutórios AMPS, TACS, ETAC E 900

Os sistemas tradicionais de rádio móvel, eram baseados em áreas de cobertura muito

extensas para cada estação base, não possuíam, por isso eficiência espectral muito



elevada, existia dificuldade de implementação de rede a nível nacional se a base de

clientes fosse muito grande – sistema AMPS. Surgem depois outros sistemas celulares

móveis (TACS e ETACS), sendo o de maior sucesso o NMT, que foi inicialmente

desenvolvido por operadores da Escandinávia, nomeadamente na Suécia, Noruega,

Filândia e Dinamarca. Foi um sistema que se tornou popular e foi adoptado por países

como a Holanda, França, Áustria, Bélgica, Suiça e Portugal. Neste sistema celular, as

estações base encontram-se ligadas por linha fixa aos centros de comutação (MSC –

Mobile Switching Center) sendo estes sistemas computorizados especialmente

desenhados para controlar acções associadas ao serviço de rádio celular. Os MSCs

encontram-se ligados ao PSTN de forma a estabeler chamadas com a rede fixa.

Durante a década de 80, foi desenvolvido o GSM, que constitui um sistema Europeu

digital de telefonia celular destinado a substituir os anteriores sistemas 1G que por sua

vez sofriam problemas de capacidade. O GSM, utiliza interfaces abertas, isto é,

permite aos operadores utilizar equipamento de vários fornecedores. Para além disso,

devido à sua universalidade permite fazer roaming entre diferentes operadores e

países. As especificações do GSM foram desenhadas e discutidas pela European

Telecomunications Standards Institute (ETSI) e os seus principais objectivos foram:

• Aumento de capacidade e melhoria da eficiência espectral.

• Oferecer ao cliente a capacidade de utilizar um sistema global ao nível da

Europa, através do roaming.

• Criar sistema standard com especificações bem definidas permitindo aos

operadores alguma liberdade em termos de fornecedores e utilização de

equipamentos.

• Aumento da segurança ao nível da transmissão dos dados com utilização de

mecanismos anti fraude.

O CDMA (Code Division Multiple Access) é uma técnica que já é conhecida à algum

Tempo (desde o sistema de posicionamento global – GPS – Global Positioning

System) mas só muito recentemente vingou no mercado global das comunicações

móveis, através do UMTS.O CDMA é uma técnica de “espalhamento de espectro”

que já é utilizada pelos militares à algum tempo. A principal característica do CDMA

é utilizar portadores ao nível do ruído associadas a códigos atribuídos aos diferentes



terminais e estações base.

O GPRS foi o ponto de partida para o acesso móvel à Internet. Esta nova tecnologia

assenta na comunicação de pacotes de dados, enviados sobre o protocolo IP (o mesmo

que é usado na Internet fixa), e não na comutação de circuitos telefónicos. Por outras

palavras, os dados são transmitidos pelos canais de dados disponíveis, não sendo

necessário estabelecer uma chamada permanente para a transmissão dos pacotes.

Assim, um dos príncipais handicaps do serviço WAP (Wireless Application Protocol)

desaparece, já que a taxação das comunicações deixa de ser feita em função da

duração das chamadas mas sim face ao volume de dados consultados ou transferidos.

Deste modo, com o GPRS será viável estar permanentemente ligado à Internet, sem

pagar mais por isso, embora a política de preços praticada pelos operadores ainda seja

um pouco penalizadora da sua utilização. Também não será de afastar a hipótese de

num futuro próximo surgirem tarifários especiais para o GPRS, como por exemplo,

tarifas "planas" (com acesso ilimitado e uma taxa mensal única), ou taxas definidas

em função do volume de dados ou de acordo com o conteúdo da informação

visualizada. Não se verificou uma enorme adesão por parte do público ao serviço de

GPRS, em parte devido à pouca diversidade de equipamentos móveis disponíveis e da

sua limitada capacidade de transmissão em termos de débito binário. Apesar de esta

ser uma tecnologia cara para os operadores, principalmente devido aos novos

equipamentos que foram necessários instalar, tornou-se inevitável como tecnologia de

transição para a terceira geração (UMTS).

O UMTS representa a referência europeia do IMT2000, sendo o WCDMA a interface

rádio. Esta tecnologia foi concebida pelo ETSI e foi o 3rd Generation Partnership

Project (3GPP) que assumiu a responsabilidade pela redacção das suas especificações.

Existem no entanto, outras interfaces para fornecer serviços 3G, nomeadamente o

CDMA com múltiplas portadoras (CDMA 2000).

O 3GPP designa o UMTS terrestre por Universal Terrestrial Radio Access (UTRA),

que opera em dois modos: o Frequency Division Duplex (FDD) e o Time Division

Duplex (TDD). O modo FDD está adaptado a serviços simétricos, como é o caso da

voz, não se pode dizer o mesmo quando se trata de aplicações Hypertext Transfer

Protocol (HTTP) (tráfego reduzido na ligação ascendente e grande fluxo de tráfego na

via descendente). Ao problema do tráfego assimétrico, pode-se acrescentar ainda os



inconvenientes relacionados com o facto de para o modo FDD existirem duas bandas

simétricas uma para uplink (uplink) e outra para downlink (downlink). O modo de

multiplexagem TDD está adaptado aos débitos assimétricos, usa uma única banda

frequência, que é utilizada de forma alternada nos dois sentidos de comunicação.

Quando o espectro é limitado, este tipo de multiplexagem é mais vantajosa dado que

utiliza de um modo mais eficiente o espectro disponível.

O modo que os operadores de UMTS estão a implementar nas suas redes é o FDD

porque este modo responde melhor a uma problemática outdoor (os débitos serão:

modo comutado 64kbps, modo pacotes 144kbps – ambiente rural e 384kbps –

ambiente urbano). O modo TDD responde melhor a uma problemática indoor (o

débito irá até 2Mbps), e só será implementado numa fase posterior e em locais de alto

tráfego, como aeroportos, centros comerciais, ou zonas de negócios.

3.4 Elementos constituintes de uma rede GSM

O GSM Base Station Sub-System (BSS) é constituído por elementos (ver Figura 11.1)

que são responsáveis pelos aspectos de propagação rádio e planeamento celular da

rede, nomeadamente a estação base, chamada de Base Transceiver Station (BTS) e o

Base Station Controller (BSC). O objectivo do BSS é ligar o Mobile Station (MS) ao

Network and Switching Sub-System (NSS). Para além disso, o BSS tem ligações ao

Operations and maintenance Sub-System (OSS) para supervisão e manutenção.



Figura 3.1. Arquitectura da rede GSM/GPRS/HSCSD.

A BTS constitui um transmissor/receptor GSM associado a equipamento de controlo e

processamento relacionado com a interface rádio. Em adição, existem um

determinado numero de antenas ligadas à BTS por cabos apropriados. Os principais

objectivos da estação base são:

• Gerar acesso rádio aos MSs, servindo como terminal de entrada do MS na rede

fixa.

• Efectuar a gestão do acesso rádio deixando as restantes responsabilidades com

a parte fixa da rede (BSC).

As principais funções da BTS são:

• RF Transceiver Control, inclui todas as funções relacionadas com a

transmissão, recepção, medidas de qualidade da ligação, medidas de aferição,

controlo de potência, detecção de falhas e insucesso da ligação.

• Processamento e Multiplexagem em Banda-Base, inclui todas as funções

ligadas com modulação/desmodulação, codificação/descodificação,

interleaving/deinterleaving e encriptação/desencriptação.

• Funções de Canal Dedicado e Controlo, estas funções são dirigidas pelo BSC.

No entanto, a BTS possui algumas funções de suporte, incluindo activação e

atribuição do canal, início de encriptação e detecção do handover.



• Funções de Canal Comum e Controlo, estas funções estão associadas ao canal

de broadcast (BCCH) e canal de controlo (CCCH). Estas funções estão

associadas à calendarização e execução das mensagens de paging, e às

informações de sistema.

• Sincronização e funções de manutenção e operações ligadas ao OMC,

alarmes, entre outros.

A BSC afecta a gestão e controlo das BTSs. A BSC foi introduzida na rede GSM de

forma a reproduzir a carga no MSC e ao mesmo tempo simplificar as BTSs. As suas

principais funções são:

• Gestão dos canais na rede terrestre, a BSC é responsável pela alocação de

canais na inteface Abis, que liga a BSC à BTS. Existe uma relacção de 1/1 entre

os canais de tráfego na interface Abis e os canais de tráfego na interface rádio.

• Concentração de tráfego nas linhas de 2 Mbps.

• Gestão dos canais de tráfego dedicados: frequency hopping e controlo de

potência.

• Orientação da codificação/descodificação, embora esta tarefa seja feita pela

BTS, contudo a BSC informa a BTS dos parâmetros a seguir, nomeadamente

esquema de interleaving e sequema de codificação.

• Gestão dos recursos rádio, a BTS reporta medidas de interferência e de

bloqueio que está presente nos canais livres. Esta informação é utilizada pela

BSC quando um canal é atribuido.

• As medidas que são efectuadas pelos MSs são reportadas à BSC para posterior

processamento.

• Handover, este é controlado pela BSC quando o handover é intra-BSC, e pelo

MSC quando o handover é efectuado entre BSCs diferentes.

O NSS, encontra-se entre o BSS e outras redes de telecomunicações, exemplo, Public

Switch Telephone Network (PSTN). A função do NSS é efectuar a gestão das

comunicações entre clientes ligados entre diferentes BSCs, localizar e monitorizar

móveis na rede GSM e permitir a ligação de outras redes em particular às PSTNs. Os

elementos constituintes do NSS são:



• Mobile Switching Centre (MSC), incorporando o Visitor Location Registor

(VLR).

• Authentication Centre (AuC), encontra-se ligado ao Home Location Registor

(HLR) e aqui encontram as chaves identificativas dos clientes que estão

registados no HLR. Existindo uma unidade separada que conserva estas

chaves, aumenta-se assim a segurança e integridade do sistema. Esta chave

que se encontra no AuC é utilizada para autenticar ou validar a utilização da

rede pelo cliente, e também para gerar uma chave de encriptação utilizada na

própria encriptação das mensagens.

3.5 Elementos de uma Rede GPRS

A introdução do GPRS vai requerer mudanças significativas na arquitectura das redes

GSM existentes, de modo a permitir comutação de circuitos e comutação de pacotes

em simultâneo. Na Figura 3.2 pode ser visualizada a arquitectura básica de uma rede

GSM com GPRS.

Figura 3.2. Arquitectura básica de uma rede GSM com GPRS. Para permitir as novas funcionalidades, ou seja a comutação de pacotes, três novos

elementos são acrescentados à rede GSM existente, nomeadamente:

• Serving GPRS Support Node (SGSN): é o elemento de rede responsável pelas

principais funcionalidades relativas ao controlo dos móveis Attached . Efectua



igualmente a gestão de mobilidade (Mobility Management), gestão da sessão (

Session Management), interliga a rede GPRS com a rede GSM e efectua

contagem de pacotes para taxação.

• Gateway GPRS Support Node (GGSN): este elemento é responsável pelas

funcionalidades de firewall, encaminhamento de tramas para o respectivo

SGSN e contagem de pacotes para taxação.

• Packet Control Unit (PCU): elemento de rede normalmente residente no

controlador de estações base (BSC), que é responsável pela segmentação de

pacotes provenientes do SGSN, atribuição de canais rádio e medições da

qualidade de serviço.

Os novos elementos de rede são interligados entre si e à rede GSM existente através

de um conjunto de novas interfaces, que irão transportar dados e sinalização entre os

diversos elementos constituintes da rede.

O GGSN está ligado a outras redes de dados externas através da interface Gi, e pode

funcionar como firewall para prevenir acessos não autorizados. Possui igualmente

tabelas de encaminhamento, de modo a que pacotes de dados vindos do exterior,

possam ser encaminhados para o SGSN que é responsável pelo controlo do móvel

para o qual os dados se destinam. Possui também funcionalidades de contagem de

pacotes, que permitem a taxação do utilizador. Esta funcionalidade é igualmente

implementada no SGSN.

O SGSN controla o BSC na qual está a PCU. Em conjunto servem os móveis attached

e efectuam a gestão de mobilidade. Estão encarregues da atribuição de canais rádio,

controlo de potência e funcionalidades de qualidade de serviço. Para permitir uma

mais fácil integração da rede GPRS com a rede GSM, existem alguns elementos da

rede GSM que são igualmente utilizados pela rede GPRS:

• VLR - Visitor Location Register.

• HLR - Home Location Register.

• AUC - Authentication Centre.

• EIR - Equipment Identity Register.



O HLR e o VLR foram modificados de modo a permitir o suporte de funcionalidades

GPRS. Esta alteração apenas implica a actualização de software nesses elementos, não

existindo alterações no hardware existente. Esta partilha é importante de modo a

permitir que ambas as redes de GSM e GPRS consigam manter actualizada a

localização dos móveis. Com esta partilha, as bases de dados mantêm-se

centralizadas, o que permite uma maior facilidade na sua configuração e manutenção.

Um móvel para dados em GPRS é bastante diferente de um móvel para chamadas de

voz e dados em GSM. Num móvel de GPRS existem três modos de operação de

acordo com a capacidade para utilizar serviços de dados em GPRS e de voz em GSM,

em simultâneo, ou separadamente. A capacidade de utilização de vários time slots

(multi-slot) é uma característica bastante importante para a qualidade do serviço de

dados requerido na utilização da interface rádio.

Os serviços disponíveis podem ser fornecidos ao utilizador de acordo com o cartão

SIM por este utilizado, à semelhança do que já acontece no GSM. O procedimento de

autenticação será efectuado em dois passos no caso de uma chamada originada no

móvel utilizando o protocolo Point to Point (PPP). Primeiro no Mobile Terminal - MT

e depois no SGSN. Após uma correcta autenticação o móvel GPRS está apto a

suportar serviços baseados em IP.

Para a comunicação entre o Terminal Equipment - TE e o Mobile Terminal - MT são

utilizados comandos AT, através dos quais poderá por exemplo ser requerida uma

determinada Qualidade de Serviço – QoS à rede.

3.5.1 Classes dos Terminais Móveis em GPRS

Um móvel em GPRS poderá operar em três modos. O modo de operação irá variar em

função dos serviços pretendidos pelo móvel, apenas GPRS ou ambos GPRS e GSM.

Os três modos de operação podem ser definidos em termos de classes do móvel e do

seguinte modo:

• Classe A – Suporta em simultâneo GSM e GPRS, podendo em simultâneo

transmitir ou receber dados e estabelecer uma chamada de voz GSM. Esta

classe requer no mínimo um TS da interface rádio para cada ligação de dados

e voz.



• Classe B – Suporta GSM ou GPRS alternadamente, ou seja, não é possível

transferir dados e falar em simultâneo. Se durante uma transferência de dados

o utilizador receber ou iniciar uma chamada, a ligação de dados fica suspensa,

voltando a ficar activa quando terminar a chamada de voz. O tráfego de voz é

prioritário.

• Classe C – Apenas pode utilizar um serviço de cada vez, GSM ou GPRS.

Existe a possibilidade de em modo GPRS enviar e receber SMS.

O Sistema de Estações Base - BSS do GSM é composto por um controlador de

estações base (BSC) e uma ou mais estações base (BTS). O BSC é o cérebro da

componente rádio de uma rede GSM, e é utilizado para optimizar a utilização dos

recursos de rádio existentes na rede, que são limitados a um determinado número de

canais fixos. O BSC comunica com as várias BTS que controla, através de uma

interface A-bis e também faz a gestão da interface rádio entre o móvel e a rede. A

comunicação entre a BSS e o sistema de comutação é realizada através da interface A.

Esta interface interliga o BSC e o MSC é responsável pelo controlo e comutação da

chamada. A comutação de circuitos do GSM significa que um móvel no estado busy

ocupa em modo exclusivo: um timeslot da interface rádio, um sub-canal de 16 kbps da

interface A-bis e um canal de 64 kbps da interface A. Em GSM um móvel pode

utilizar apenas um canal da interface A, o que à partida limita o seu débito máximo a

64 kbps.

3.5.2 Actualização para Operar em GPRS

O GPRS oferece débitos binários superiores a 64 kbps, o que se torna possível através

da interligação directa entre o BSS e um router denominado de SGSN. A interligação

é efectuada através de uma nova interface orientada ao pacote denominada de Gb.

Com esta solução os dados não utilizam o sistema de comutação do GSM e a sua

interface A com a limitação de 64 kbps.

As normas do GPRS não especificam em pormenor as divisões de funções entre os

blocos do BSS. É claro que os protocolos utilizados entre o móvel e o SGSN estão

devidamente especificados pelas normas, mas os pormenores de implementação no

BSS ficam ao critério dos fabricantes. De acordo com as especificações, o BSS é

responsável pela atribuição de recursos de rádio. O BSS controla a partilha dinâmica



de canais entre o GSM e o GPRS. Em cada portadora, a capacidade de rádio pode ser

dedicada ou partilhada. Alguns time slots (x) podem estar reservados para uso

exclusivo do GSM e outros time slots (y) podem estar dedicados para dados do GPRS.

Um terceiro grupo de time slots (z) pode ser disponibilizado para atribuição dinâmica

entre GPRS e GSM de acordo com as necessidades do momento. O número de

timeslots de cada categoria (x, y, z) depende da aplicação e pode ser controlado pelo

operador da rede.

3.5.3 Interface A-bis

Quando a PCU está localizada no BSC, que é o caso mais comum dado que permite a

troca de sinalização de controlo através de ligações internas, a informação entre a

PCU e a Channel Codec Unit – CCU é transferida em tramas com um comprimento

fixo de 320 bits denominadas de tramas PCU. Estas tramas são uma extensão às

tramas TRAU do GSM.

Nestas tramas, são transferidos dados do GPRS e ainda sinalização de controlo para

os protocolos RLC e MAC. Uma trama PCU deverá ser transferida entre a PCU e a

CCU todos os 20 ms (50 tramas por segundo). Então pacotes de dados e de

sinalização são transferidos em sub-canais do A-bis de 16 kbps (16 kbps = 320× 50).

Os esquemas de codificação de canal CS-1 e CS-2, da interface rádio, permitem

débitos binários inferiores a 16 kbps. O que implica que se podem utilizar os recursos

de transmissão existentes na interface A-bis, onde para cada time slot da interface

rádio está associado um sub-canal de 16 kbps do A-bis. A maneira de permitir débitos

maiores que os 16 kbps, nomeadamente para os esquemas de codificação de canal CS-

3 e CS-4 na interface A-bis, é uma solução que será implementada de acordo com a

sugestão proposta por cada fabricante.

3.5.4 Interface Gb

Em contraste com a interface A, onde a um utilizador é atribuído um recurso físico

durante a duração da chamada, mesmo durante os períodos em que este não utiliza o

recurso, ou seja durante os períodos de silêncio, a interface Gb é orientada ao pacote e



permite que vários utilizadores partilhem um mesmo recurso, conforme as suas

necessidades. Os recursos são atribuídos a um utilizador após detecção de actividade

do mesmo, ou seja, quando existem dados para enviar ou receber. Estes recursos

ficam disponíveis para os outros utilizadores imediatamente após o término desta

actividade. Na interface Gb, dados e sinalização de GPRS podem ser enviados no

mesmo recurso físico. Não existindo a necessidade de atribuir recursos dedicados para

envio de sinalização. As taxas de transmissão por utilizador podem variar de zero até

ao máximo disponível na interface física, quer seja na interface rádio ou na de

transmissão, como por exemplo a hierarquia E1 da PDH.

3.5.5 Protocolos em GPRS

Em GPRS são utilizados vários protocolos na transmissão dos dados entre a aplicação

do cliente e a aplicação servidora. Assim, dependendo dos nós envolvidos e da

interface em questão, um maior ou menor número de protocolos pode ser

implementado:

• GPRS Tunneling Protocol (GTP) – Este protocolo disponibiliza um túnel

para a transferência de dados e sinalização entre os GSNs da rede GPRS.

• Transmission Control Protocol (TCP) – Transporta as Protocol Data Units

(PDU) na rede GPRS entre protocolos que necessitem de uma ligação segura.

O User Datagram Protocol (UDP) pode ser utilizado como alternativa ao TCP

para ligações não fiáveis. Tanto o TCP como o UDP é protocolos utilizados

correntemente em redes de dados.

• Internet Protocol (IP) – É o protocolo de rede do GPRS utilizado para

encaminhar dados e sinalização do utilizador entre os diferentes elementos da

rede. Inicialmente a rede suportará IPv4 mas no futuro deverá suportar IPv6.

• Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP) – Funciona entre o

móvel e o SGSN. Faz o mapeamento das PDU's entre a camada de rede e as

camadas superiores. Implementa compressão e segmentação de dados.

• Logical Link Control (LLC) – É utilizada para permitir uma ligação lógica

cifrada, entre o móvel e o SGSN. O LLC é independente da camada de rádio

de modo a permitir uma futura utilização de outros métodos de modulação e

desmodulação.

• Base Station System GPRS Protocol (BSSGP) – É responsável pelo



encaminhamento dos dados entre o SGSN e o BSS. Negoceia a qualidade de

serviço QoS, mas não implementa correcção de erros.

3.5.6 High Speed Circuit Switched Data – HSCSD

O High Speed Circuit Switched Data – HSCSD, trata-se de uma nova funcionalidade

para as chamadas de dados nas redes móveis GSM e consiste na associação de vários

time slots – TS para uma mesma ligação. Esta tecnologia, que actualmente se encontra

a ser implementada em vários operadores de redes móveis GSM, permite juntar vários

TS do interface rádio aquando do envio ou recepção de dados, de modo a aumentar o

débito binário disponível para o utilizador no interface rádio.

São suportados pelo HSCSD dois modos distintos de funcionamento: Transparente (T)

e Não Transparente (NT). No modo T o débito binário não é alterado durante a

chamada, enquanto que no modo NT o débito binário pode variar durante a duração

da chamada. Ligações simétricas são suportadas pelos modos Transparente e Não-

Transparente, enquanto as ligações assimétricas são suportadas só pelo modo NT.

Quando se está a utilizar uma aplicação como o E-mail onde o volume de dados a

transmitir é idêntico em ambas as direcções pode ser escolhida uma configuração 2+2,

ou seja, dois timeslots para downlink e dois para uplink, duplicando assim a

velocidade de transmissão em ambas as direcções. Quando se utiliza uma aplicação

para acesso à Internet (Internet Explorer, Netscape, etc.) onde a quantidade de

informação a receber é muito superior à enviada pode ser escolhida uma configuração

assimétrica de 3+1, ou seja, três time slots para downlink e um para uplink, triplicando

assim a velocidade de download da transmissão (43.2 kbps).

Numa rede GSM com HSCSD é possível utilizar mais de um time slot do interface

rádio para uma chamada de dados e desta forma ter débitos binários desde os

tradicionais 9.6 kbps com um único TS até aos 38.4 kbps com 4 TS. Desta forma, o

BSC encara os diferentes TSs que provêm da estação base como chamadas

individuais, cabendo depois à BSC efectuar a junção dos diferentes TSs num único TS

de 64 kbps para a ligação ao MSC/VLR. Com uma codificação de canal de 14.4 kbps

temos um aumento do débito binário de 50% por timeslot, o que permite passar de 9.6

kbps para 14.4 kbps por TS, permitindo obter um débito binário máximo de 57.6 kbps



com 4 TSs. Numa chamada HSCSD todos os canais TCH são full rate e têm de

utilizar a mesma codificação de canal, TCH/F4.8, TCH/F9.6 ou TCH/F14.4.



4. Redes UMTS O espectro de frequências UMTS para a Europa e Ásia é o apresentado na Tabela 4.1.

A banda de frequências para o modo FDD é de 2x60MHz (ver Figura 4.1), a banda

de frequências para o modo TDD é de 25MHz. O modo FDD é simétrico e usa

frequências diferentes para uplink e downlink separados por uma banda de guarda,

enquanto que o modo TDD utiliza a mesma frequência quer em uplink, quer em

downlink.

Tabela 4.1. Espectro de frequências UMTS para a Europa e Ásia.

Espectro em uplink [MHz] Espectro em downlink

[MHz]

Modo FDD 1920 - 1980 2110 – 2170

Modo TDD 1900 - 1920 2020 – 2025

Cada portadora WCDMA tem uma largura de banda de 5MHz, (ver Figura 4.2).

Figura 4.1.Espectro de frequências para o modo FDD, uplink e downlink.

O modo FDD é dedicado a ambientes macro-celulares e micro-celulares, ao passo que

o modo TDD é um modo dedicado a ambientes pico-celulares com elevados débitos

assimétricos.

PortadoraWCDMA

Largura deBanda 5MHz

Figura 4.2.Largura de banda para cada portadora WCDMA.



As características do UMTS são:

- Débitos binários até 2 Mbps;

- Débitos binários variáveis, sendo o débito binário a pedido consoante o

tipo de serviço que o cliente utilizar;

- Multiplexagem de serviços com diferentes requisitos de qualidade numa

ligação simultânea (exemplo: Vídeo e E-mail simultaneamente);

- Requisitos mínimos de qualidade por serviço;

- Coexistência entre diferentes sistemas (GSM e UMTS), com handovers

inter-sistemas;

- Suporta tráfego simétrico e assimétrico em uplink e downlink;

- Elevada eficiência espectral;

- Coexistência dos modos FDD e TDD;

- Suporta comutação de pacotes e de circuitos.

Outras duas tecnologias de acesso múltiplo, usadas em redes celulares móveis são:

Frequency Division Multiple Access (FDMA), onde existe multiplexagem no domínio

da frequência e Time Division Multiple Access (TDMA), em que a multiplexagem é

temporal. No caso do CDMA, a multiplexagem é feita no código. Assim, o CDMA é

uma técnica que consiste no espalhamento espectral de potência ao longo da banda de

frequência, sendo o total de potência disponível partilhada por todos os utilizadores do

sistema, o que se pode verificar na Figura 4.3. O sinal transmitido em CDMA é

codificado por um código Pseudo-Random Noise (PRN) permitindo que todos os

utilizadores operem na mesma banda de frequência simultaneamente. Existe um

código para cada sequência de transmissão que irá permitir distingui-la das demais,

sendo que do lado do receptor existe um código igual que permitirá a recuperação do

sinal transmitido, através da sua correlação com o sinal recebido.

Frequência



Figura 4.3.Acesso múltiplo CDMA.

Em CDMA a capacidade máxima normalmente esta limitada por cobertura e/ou pela

qualidade. Na Figura 4.4 pretende-se ilustrar que o sistema CDMA possui três

requisitos fundamentais: Qualidade, Cobertura e Capacidade. A relação de cada um

com os restantes é inversamente proporcional, isto é, se se pretender máxima

qualidade de serviço, ír-se-à ter uma cobertura, que é inferior ao raio máximo da

célula e uma capacidade que não é a máxima. Fazendo o mesmo raciocínio, poder-se-

à analisar os outros dois requisitos, cobertura e capacidade, ou seja, se se pretender

dimensionar a rede UMTS para uma capacidade máxima, garante-se serviços com

débitos elevados, mas nunca o raio da célula será o máximo e a qualidade será

necessariamente mais baixa. Uma cobertura máxima implica menor capacidade e

qualidade.

Qualidade(Máxima)

Capacidade mínimaCobertura mínima

Cobertura(Máxima)

Capacidade mínimaQualidade mínima

Capacidade(Máxima)

Qualidade mínimaCobertura mínima



Figura 4.4.Relação entre a capacidade, a cobertura e a qualidade numa rede baseada em CDMA.

Os sistemas baseados em CDMA são limitados por interferência. Assim, a citada

apresenta-se como o elemento fundamental para a capacidade de um sistema deste

tipo. De um modo geral, a interferência total em uplink em determinada estação base

resulta da soma da potência recebida dos terminais ligados à mesma, com a potência

recebida dos terminais que estão ligados a todas as outras estação base contíguas que

existem no sistema e com o ruído térmico (ver Figura 4.5).

Quanto mais utilizadores existirem em determinada célula, maior será a interferência

gerada. Se se somar a essa interferência a proveniente dos terminais que estão a

executar serviço nas células adjacentes, essa será ainda maior. Ao aumentar a

interferência, a capacidade do sistema acabará por decair, assim como a qualidade do

serviço oferecido. Esta questão é de grande importância nas redes CDMA e é um dos

pârametros mais complicados de se modelar e até mesmo de se medir. Além de ser

necessário contabilizar toda a interferência existente numa única célula, provocada

pelos terminais que lhe estão ligados, terá também de se contar com a proveniente das

células adjacentes. Se se pensar no mesmo problema nas células adjacentes cuja

interferência, por sua vez, depende das respectivas células adjacentes, está-se perante

uma situação de quase infinidade de fontes de interferência. No entanto, dada a

potência de transmissão reduzida dos terminais e mesmo das estação base (potência

essa regulada pelo controlo de potência), a interferência resume-se essencialmente ao

primeiro nível de células adjacentes, dado que os sinais das restantes não terão um

nível de sinal susceptível de causar interferência.



Interferência

Interferência

Interferência

Interferência

Interferência

Interferência

Interferência

Figura 4.5.Cenário de interferência numa rede baseada em CDMA.

Em downlink todos os utilizadores de uma determinada estação base recebem um

código do leque de códigos ortogonais disponíveis, assim como a potência da estação

base disponível. Uma diferença do downlink relativamente ao uplink é o sincronismo

que é comum a todos os utilizadores e a todos os canais de uma célula (em uplink,

todos os utilizadores estão assíncronos). Idealmente, seria de esperar que os códigos

oferecerem uma correlação cruzada perfeita ao nível do canal, mas isso não acontece

dado que, na realidade os códigos OVSF são também eles afectados pela propagação

em multipercurso. Isto significa que, de acordo com o canal rádio, é esperado um

determinado nível de interferência intra-célula. Isto pode ser modelado pelo factor de

ortogonalidade, α.

A interferência total em downlink resulta da interferência intra-célula pesada do factor

de ortogonalidade, da interferência inter-célula e da potência de ruído térmico. Uma

vez mais tem-se um cenário distinto relativamente a uplink, pois a intensidade de

interferência provocada pelo terminal depende da sua localização. A interferência

mais expectável é a que resulta da propagação em espaço livre, do desvanecimento

rápido e lento (inter-célula). A menos expectável é a interferência intra-célula.

A utilização do receptor RAKE permitirá que a interferência de acesso múltiplo seja

reduzida, reflectindo-se num ganho de capacidade.



4.1 Conceitos Básicos

O controlo de potência em WCDMA é uma técnica muito importante nomeadamente

em uplink. O controlo potência assegura que cada utilizador na rede recebe e

transmite apenas com a quantidade de potência mínima necessária para que a

informação seja enviada. Ao se transmitir com um valor mínimo de potência, está-se a

reduzir ao máximo a interferência sobre os outros utilizadores. Este decréscimo de

interferência revela-se crucial para a capacidade da rede, já que, como foi visto

anteriormente, este tipo de sistema é limitado por interferência. Existe uma segunda

razão para que o controlo de potência seja tão importante: ao transmitir com o nível de

potência mais baixo possível, o terminal está a economizar bateria, aumentado o

“tempo de vida” médio da mesma.

Em WCDMA o controlo de potência é aplicado quer em uplink quer em downlink.

Quando o terminal inicia a chamada, a sua potência de transmissão é ajustada baseado

no sinal de potência piloto recebido, contido na trama física existente no canal

Dedicated Physical Control Channel, (DPCCH).

O sinal piloto é um sinal de broadcast especifico das células. É um sinal que existe em

todas e caracteriza-se por ter uma potência constante. É precisamente essa

característica constante que permite que este sinal sirva como um instrumento de

medida de perdas de propagação entre o terminal e a estação base. Assim, com este

sinal consegue-se calcular qual a atenuação de percurso existente entre o terminal e a

estação base. O sinal piloto é mais forte na fase inicial sendo depois ajustado em

uplink, através do controlo de potência inicial (open loop PC), que estabiliza o seu

valor de potência, passando a ser constante ao longo do tempo. Este processo é

suportado por informação à priori que o terminal recebe da célula no canal de

Broadcast (BCH). Para ajustar esta informação é necessário usar canais de controlo

adicionais. Um procedimento análogo é usado em downlink para calcular a potência

da ligação rádio inicial, baseado na medida da energia de bit (Eb/No) do sinal piloto. O

resultado desse cálculo é reportado pelo terminal à rede. Existe um valor alvo para o

Eb/No, consoante o tipo de serviço que o terminal está a utilizar. A potência necessária

para determinado serviço é calculada baseado no valor de Eb/No. Se um terminal



estiver a pedir um valor de potência superior à mínima necessária para o serviço que

está a utilizar, a estação base enviará um comando ao terminal para baixar a mesma

que está a ser solicitada. Se, por outro lado, o terminal estiver a pedir um nível inferior

ao necessário para que o serviço funcione correctamente e caso ainda a haja na

estação base, esta atribuirá ao terminal um aumento de potência tal que lhe permita

colocar o serviço a funcionar correctamente. Em WCDMA este controlo de potência

designa-se por controlo de potência (PC) rápido (inner loop PC, ou fast loop PC). O

controlo de potência rápido é também usado para compensar o desvanecimento

rápido, que é causado pelo multipercurso. Neste tipo de técnica, a potência de

transmissão do terminal é ajustada baseada na potência medida à recepção, ou seja, na

estação base. A estação base compara a taxa de energia recebida por símbolo (com

interferência) com o valor do Eb/No alvo e ordena ao terminal para incrementar ou

decrementar a potência de transmissão que está a usar. O mesmo processo é feito para

downlink. Com isto consegue-se, ao ritmo de 1500 vezes por segundo, compensar os

efeitos do desvanecimento rápido sobre o sinal.

O controlo de potência esta dividido em 3 partes: o controlo de potência inicial, o

controlo de potência rápido ou interno (inner ou fast loop PC) e o controlo de

potência externo (outer loop PC), cada um com as suas funcionalidades.

O controlo de potência inicial é um mecanismo para estimar a atenuação do percurso

em downlink. Esta estimação é necessária devido aos problemas do desvanecimento

rápido e essencialmente devido à não correlação dos sinais em uplink e em downlink,

que poderiam provocar erros de medição do canal, o que poderia levar a situações de

mau ajuste de potência de transmissão dos terminais e das estação base. O controlo de

potência inicial é usado no inicio da ligação entre o terminal e a rede WCDMA. A

estratégia óptima para este tipo de redes é estar constantemente a controlar a potência

de cada terminal e para cada serviço. Assim a solução do WCDMA é controlar a

potência em uplink (fast loop PC, ou inner loop PC), estando a estação base

constantemente a estimar o Eb/No de cada terminal e a comparar esse valor com o

Eb/No limite (Eb/No alvo) para aquele tipo de serviço. Se o Eb/No medido for maior

que Eb/No alvo, a estação base envia para o terminal um comando para que este baixe

a potência de emissão. No caso da potência de emissão do terminal ser mais baixa

relativamente ao limiar alvo, a estação base diz ao terminal para aumentar a sua



potência de emissão. Esta troca de comandos entre a estação base e o terminal é

executada 1500 vezes por segundo como foi referido acima. A troca de comandos

pode ser visualizada na Figura 4.6.

P1

P2Analisa os sinaisP1 e P2 ecompara-os comos limiares paraos serviços queestão activos

Controle de potência,enviando comandosTPC para os terminais

Estação Base(EB) Figura 4.6. Controlo de potência.

Este tipo de controlo é chamado controlo de potência rápido e é usado em uplink e em

downlink. Antes de se sair deste algorítmo, existe ainda o controlo de potência

externo, que ajusta o limiar do Eb/No na estação base de acordo com o necessário para

a ligação rádio (consoante o tipo de serviço), e por forma a manter uma qualidade

constante. Manter uma qualidade constante significa manter o Bit Error Rate, (BER)

ou o Frame Error Rate, (FER) a um nível constante dentro dos limiares correctos. O

controlo de potência externo é, então, visto como um indicador de fiabilidade da

informação que vem na trama. O indicador de qualidade da trama indica ao Radio

Network Controller (RNC) qual a evolução da qualidade da transmissão. Se esta

estiver a descer, o RNC envia um comando para a estação base, para que esta

incremente o limiar do Eb/No alvo. Esta funcionalidade está presente no RNC e não

noutro qualquer ponto da Core Network, (CN), dado que esta funcionalidade deverá

ser executada sempre que se der um um possível soft handover, (Shandover).

No exemplo da Figura 4.6, existem dois terminais a operar na mesma frequência,

ligados à mesma estação base, cada um com o seu respectivo serviço. Se o terminal 2

estiver mais perto da estação base do que o terminal 1 e não existir um mecanismo,

ao nível da estação base, para controlar a potência de ambos, o terminal 2 pode

facilmente monopolizar a potência da estação base e bloquear parte da célula. Este

monopólio deve-se ao facto de o terminal 2 poder estar a utilizar um serviço que exija

recursos elevados, necessitando de uma grande parte da potência disponibilizada pela



estação base. Isso acontecendo, o terminal 2 gera muito mais interferência sobre o

terminal 1, pois està a usar mais potência, que é vista como interferência por parte do

terminal 1. O terminal 1 por sua vez, sente mais interferência e pede mais potência.

Ao pedir mais potência provoca mais inteferência sobre o terminal 2. O processo é

cíclico e se não for controlado pode levar a um bloqueio da célula em causa. É por

isto que existe a necessidade de um mecanismo para controlar a potência pedida pelos

terminais à estação base, sendo esse mecanismo o controlo de potência rápido. Por

isto, este engloba-se no grupo dos algorítmos de gestão de recursos rádio.

Ao efeito provocado sobre a estação base pelos terminais que lhe estão próximos e

pelos que lhe estão afastados chama-se near far, que é um conceito clássico de redes

CDMA.

4.1.1 Camada Física

É na camada física WCDMA que é testada a performance da rede e qualquer ligação

rádio entre a estação base e o terminal móvel. Esta performance está associada aos

handovers (que podem degradar o sinal), à relação sinal interferência (SIR), ao factor

de espalhamento (SF) e à diversidade, entre outros. É a camada física que define os

limites fundamentais de capacidade da rede.

Conceito de códigos de canal e códigos scrambling

O conceito de espalhamento é aplicado aos canais físicos e consiste em 2 operações.

A primeira operação transforma quaisquer símbolos de dados em número de chips, o

que provoca o aumento da largura de banda do sinal, ocupando toda a banda

disponível. Isto verifica-se porque o factor de espalhamento pode ser expresso pela

equação (4.1),

2kSF = (4.1)

Atendendo a equação, se k, tomar o valor de 6, obtém-se um factor de espalhamento

de 64, o que na prática para a direcção uplink (1 símbolo igual a 1 bit) significa que 1

símbolo é igual a 64 chips WCDMA, ou seja 64 bits. Na direcção downlink para o

mesmo k, obtém-se os mesmos 64 chips para um símbolo, mas como em downlink 1



símbolo é igual a 2 bits, obtém-se o dobro dos bits (128 bits), verificando-se então um

aumento da largura de banda do sinal.

O número de chips por símbolo nos dados é chamado factor de espalhamento

(Spreading Factor, SF). Quanto mais chips houver por símbolo, maior será o SF e

consequentemente, maior será o espalhamento do sinal ao longo da banda. A segunda

operação é o scrambling. O código de scrambling é aplicado ao sinal espalhado. No

processo de channelisation, os símbolos de dados nos ramos I e Q são independentes

e multiplexados pelo código Orthogonal Variable Spreading Factor, (OVSF), que esta

alinhado no tempo com símbolos limite. No 3GPP, os códigos OVSF são usados para

diferentes taxas de símbolos, sendo descritos como Cch,SF,knum, onde SF é o factor de

espalhamento do código e knum o número do código (0 ≤ knum ≤ SF-1). Cada nível da

árvore de códigos define o código do canal com comprimento SF. Os códigos de canal

têm propriedades ortogonais e são usados para espalhar a informação transmitida,

vinda de uma única source. Por exemplo, suponham-se diferentes ligações numa

célula em downlink, onde a interferência é reduzida. Em downlink os códigos OVSF

numa célula, são recursos limitados e necessitam de ser bem geridos pelo controlador

da rede rádio. Os códigos OVSF são eficientes somente quando os canais estão

perfeitamente síncronos ao nível do símbolo. As perdas na correlação cruzada (por

efeito de multipercurso, por exemplo) são compensadas com operações adicionais de

scrambling. Com as operações de scrambling a parte I (real) e a parte Q (imaginário),

do sinal espalhado são multiplexadas com valores complexos dos códigos scrambling.

Os códigos scrambling são usados para separar as diferentes células em downlink e os

diferentes terminais em uplink. Estes apresentam boas propriedades de correlação

(interferência média) e são usados sempre no topo da árvore de códigos de

espalhamento, pelo que não afectam a largura de banda.

Códigos scrambling

O conceito de espalhamento da informação em CDMA é introduzido na secção 2.5.

Em adição ao espalhamento existe o scrambling, cujo o objectivo é separar os

terminais uns dos outros (em uplink) ou as estação base umas das outras (em

downlink). Resumindo existem:

Códigos scrambling

uplink:



- usados para distinguir os terminais;

- 224 códigos diferentes.

downlink:

- usados para distinguir as estação base;

- 512 códigos diferentes.

Códigos de canal

- usados para distinguir os diferentes canais;

- um código de canal é definido pelo factor de espalhamento.

O processo de scrambling não altera os sinais em termos de ocupação da banda, mas

torna os sinais que resultam de origens distintas separáveis uns dos outros. Na Figura

4.7, pode-se ver a relação da taxa de chips no canal com os processos de

espalhamento e scrambling em WCDMA. A taxa de chips é activada para o

espalhamento do sinal pelos códigos de canal, sendo que a taxa de símbolos não é

afectada pelo scrambling.

Dados

Codigode Canal

CodigoScrambling

DebitoBinario Chip Rate Chip Rate

Figura 4.7.Relação da taxa de chips no canal.

Os sinais de dados são modulados com o código de canal, resultando num sinal com

determinada taxa de chips, espalhado pela banda de frequência. Esse sinal é depois

modulado por um código de scrambling, resultando no sinal a ser transmitido.

Códigos de canal

O objectivo dos códigos de canal é separar os canais físicos uns dos outros bem como

os canais de transporte que são mapeados nos canais físicos. A técnica usada para

gerar os códigos de canal é baseada no OVSF. O uso de códigos OVSF garante a

ortogonalidade entre os diferentes sinais dado que os códigos resultantes do OVSF

são ortogonais entre si. Na Figura 4.8 pode-se visualizar a árvore de códigos OVSF. O

factor de espalhamento é representado por Spreading Factor (SF), que está

directamente relacionado com o débito binário, e, consequentemente com o tipo de



serviço requerido. A forma de funcionamento do algoritmo OVSF é a seguinte:

suponha-se que, para downlink, se deseja usar determinado serviço com um débito

binário de 1920 kbps. Nesta situação será necessário um SF = 4. Se pensarmos em

uplink e num serviço de 960 kbps é também preciso um SF = 4. A questão coloca-se:

para débitos binários diferentes em uplink e downlink o SF é o mesmo? Não deveria

ser diferente? De facto, não. A razão porque diferentes débitos binários em uplink e

downlink têm o mesmo SF, é porque os dados em downlink são comprimidos,

existindo para cada dois bits em downlink, um bit em uplink. Assim, 2x960 kbps =

1920 kbps. Em termos de utilização de código, se suposermos que este serviço está

alocado com o código do ramo (C4,4), todas as outras ramificações que têm como

origem o ramo C4,4 ficam indisponíveis. Neste caso seriam suportados quatro serviços

de débito 1920 kbps simultaneamente. Os códigos ortogonais em downlink estão em

cada estação base e são geridos pelo RNC. Os códigos OVSF preservam a

ortogonalidade entre diferentes canais físicos.

C 1,1 = (1)

C 2,1 = (1,1)

C 2,2 = (1,-1)

C 4,1 = (1,1,1,1)

C 4,2 = (1,1,-1,-1)

C 4,3 = (1,-1,1,-1)

C 4,4 = (1,-1,-1,1)

SF=1 SF=2 SF=4

Figura 4.8. Árvore de códigos OVSF.

Todos os códigos constituintes da árvore são ortogonais entre si. Com isto garante-se

que, ao ser atribuído um código a cada sinal, todos os sinais espalhados na banda de

frequências mantêm essa característica entre si.

Os códigos são os mesmos que foram usados em uplink, OVSF, que mantêm a

ortogonalidade entre canais de downlink com diferentes débitos e diferentes SF. Com

o SF = 512, é aplicado uma restrição específica, durante o pedido de procedimento de

Soft Handover, (Shandover), afim de evitar problemas nos ajustes temporais.



Pode-se assim, fazer um resumo das características dos códigos de canal e de

scrambling, apresenta-se essas características na Tabela 4.2.

Tabela 4.2. Resumo das características dos códigos de canal e de scrambling.

Códigos de canal Códigos Scrambling Utilização

uplink: para separação dos canais físicos de dados (DPDCH) e dos canais de controlo (DPCCH) do mesmo terminal. downlink: para separação da ligações de diferentes utilizadores da mesma célula.

uplink: para separação do terminal. downlink: para separação dos sectores das células.

Número de códigos

O número de códigos é igual ao factor de espalhamento

uplink: vários milhões. downlink: 512

Espalhamento Incrementa a largura de banda da transmissão.

Na afecta a largura de banda da transmissão

4.2 Comparação entre o GSM e UMTS

As interfaces de 2G são baseadas em TDMA, e providenciam basicamente apenas

serviços de voz, ao contrário dos sistemas 3G que usam CDMA.

Resumo de caracteristicas do WCDMA, não existentes no GSM:

• O WCDMA é um sistema DS-CDMA (Wideband Direct-Sequence Code

Division Multiple Access), ou seja, os dados são codificados por um

código quasí-aleatorio (código formado por bits, que se passam a chamar

de chips) e depois são espalhados ao longo de toda a banda (sendo esta

uma sequência directa de modulação);

• A taxa de chips é de 3.84 Mcps e a largura de banda para cada portadora é

de 5MHz;

• O WCDMA suporta débitos binários variáveis, ou seja, suporta o conceito

de “banda a pedido”;

• Suporta também quer comutação de pacotes quer de circuitos;

• O WCDMA tem 2 modos de operação: FDD (temos 5MHz para uplink e

5MHz para downlink) e TDD (temos 5MHz para uplink e downlink);

• O comprimento de uma trama WCDMA é 10ms;



• O WCDMA opera com as estação base assíncronas, o que torna muito

mais simples em termos de cobertura indoor, pois nos outros sistemas

celulares as estação base tinham de estar síncronas entre si, o que era

possível recorrendo ao Global Positioning System (GPS). Para sincronizar

uma estação base indoor seria problemático pois dentro dos edifícios não

existe a recepção de sinal GPS;

• Diferentes algorítmos de gestão de recursos.

Na Tabela 4.3 pode-se ver as diferenças entre o UMTS e o GSM. As diferenças de

tecnologia, nomeadamente no que diz respeito aos novos serviços introduzidos pelo

UMTS, requerendo novos conceitos não existentes até hoje nos sistemas de 2G,

nomeadamente GSM. Por exemplo, a largura de banda, para que seja possível

suportar elevados débitos binários, é de 5MHz com capacidade para suportar tráfego

assimétrico (a largura de banda do UMTS é 25 vezes maior que a largura de banda do

GSM). Isto revela-se numa diversidade de transmissão não existente em GSM. Os

diferentes débitos binários associados a diferentes serviços e os elevados requisitos de

qualidade que são questões fundamentais em UMTS, constituem novidades em

relação ao GSM. Estas características avançadas de rede necessitam de algorítmos de

gestão de recursos rádio e algoritmos para garantir Qualidade de Serviço (QoS). De

salientar, também, que deixou de existir somente a comutação de circuitos, passando a

existir, paralelamente a comutação de pacotes. Isto deve-se à introdução de novos

serviços de dados Internet Protocol Oriented (IP Oriented).

Analisando a Tabela 4.3, pode-se reparar em alguns pormenores interessantes. Em

termos de reutilização de frequências, pode-se reparar na característica de frequência

única do UMTS, em relação ao GSM, que apresenta reutilizações das frequências

disponíveis. Além disso, dado que a potência é o recurso partilhado em UMTS, pode-

se ver, igualmente, que o rítmo de controlo de potência é bastante superior ao do

GSM.

Tabela 4.3. Comparação entre UMTS e GSM.

UMTS GSM Espaçamento entre

frequências 5MHz 200kHz

Factor de reutilização de frequências

1 3, 5, 7, 12



Frequência do controlo de potência

1500Hz 2Hz ou menos

Controlo de qualidade Algorítmos para gestão de recursos

Planeamento da rede

Diversidade de frequência

Largura de banda de 5MHz, geram diversidade de multipercurso: Diversidade de

frequência feita pelo receptor RAKE

Saltos na frequência (Frequency Hopping)

Transmissão por pacotes Baseado em comutação de pacotes

Baseado em combinações com timeslots, GPRS

Diversidade na transmissão em downlink

Para melhorar a capacidade em downlink

Não suportado

Em relação à elevada taxa de chips usada em UMTS, esta permite uma maior

diversidade em multipercurso, especialmente em micro células e em ambientes

urbanos. Essa diversidade pode tomar duas formas distintas: diversidade de

multipercurso e de antenas (na transmissão e na recepção). A diversidade de antenas,

independentemente da direcção dos dados (uplink ou downlink) existe na estação

base, através da utilização de múltiplos receptores, ou antenas, e também no terminal,

através do receptor RAKE. Este tipo de diversidade pode ser também referido por

diversidade espacial.

4.3 Arquitectura do Sistema

A arquitectura da rede UTRAN é apresentada na Figura 4.9. Nesta figura pretende-se

apresentar a arquitectura UTRAN, tendo por base a utilização da rede existente

GPRS.



RedesExternas

USIM

ME

RNC

RNC

NODE B

NODE B

NODE B

NODE B

MSC/VLR

HLR

GMSC

SGSN GGSN

PSDN

Internet

Cu

UE UTRAN CN

Uu Iu

Iub Iur

UTRAN

Figura 4.9.Arquitectura UTRAN.

A rede GSM pode ser reutilizada para os serviços de Voz e dados GPRS, sendo

implementadas redes paralelas para suportar os novos serviços e requisitos do UMTS,

nomeadamente o suporte ao Internet Protocol Over The Air (IP-OTA), ou, mais

comumente, Internet Móvel. Às CN já existentes acrescenta-se a parte do UTRAN,

que esta detalhada na Figura 4.9. Na Figura 4.10, apresenta-se a arquitectura de rede,

com a coexistência das actuais três redes (GSM, GPRS e UMTS).



Figura 4.10. Arquitectura GSM/GPRS/UMTS.

No 3GPP a arquitectura UMTS é dividida basicamente nas entidades, apresentadas na

Figura 4.9 e que são: User Equipment (UE), que é o terminal móvel; as estação base,

que se designam por Node B; os controladores de rede, Radio Network Controller,

(RNC); a Core Network (CN), onde existe a diferenciação dos dados de comutação de

pacotes e circuitos. As interfaces principais são a interface rádio (Uu) e a interface

entre a CN e o UTRAN, (Iu).

O Uu e o Iu são pontos de referência entre subsistemas. Os protocolos acima das

interfaces Uu e Iu estão divididos em duas estruturas: protocolos do plano de

utilizador, que são os protocolos que implementam o serviço de acesso aos recursos

rádio (Radio Access Bearer, RAB) e os protocolos no plano de controlo, controlo esse

de acesso aos recursos rádio e às ligações entre o UE e a CN. Ambos os protocolos

Uu e Iu providenciam uma transferência transparente de mensagens Non-Access

Stratum.

O sistema UMTS consiste num número lógico de elementos e cada um deles tem uma

funcionalidade definida. Em termos de funcionalidade global os elementos da rede

estão agrupados no UTRAN que se ocupa de toda a funcionalidade da interface rádio.



A CN é responsável por comutar e encaminhar chamadas e ligações de dados para as

redes exteriores. Para completar o sistema temos o UE que serve de interface para o

utilizador e também para com a interface rádio.

Uma outra forma de agrupar os elementos da rede UMTS é dividi-los em sub-redes. O

sistema UMTS é modular, por forma a ser possível ter vários elementos de rede do

mesmo tipo. Cada sub-rede é chamada de UMTS Public Land Mobile Network,

(PLMN). Tipicamente uma PLMN é uma rede que pertence a um operador e que está

ligada a outras PLMNs, bem como a outros tipos de rede (ISDN, PSTN, Internet).

Passe-se, então, à descrição dos elementos da rede UMTS PLMN.

O UE é formado por duas partes:

• O Mobile Equipment (ME) que é um terminal rádio usado para

comunicações rádio sobre a Interface Uu;

• O UMTS Subscriber Indentity Module (USIM) é um smartcard que

identifica o utilizador perante a rede, faz a autenticação dos algoritmos e

contém as chaves de encriptação e alguma informação de subscrição

necessária ao terminal.

O UTRAN é formado por:

• Node B que converte o fluxo de dados entre a interface Iub e a interface

Uu, e participa na gestão dos recursos rádio (Shandover e controlo de

potência interno). É o ponto de acesso do terminal à rede UTRAN;

• RNC que possui e controla os recursos rádio. O RNC disponibiliza Service

Access Point (SAPs) para todos os serviços UTRAN, providenciados pela

CN. Por exemplo, a gestão das ligações com o UE (controlo de potência

externo, controlo de handovers, de admissão, de carga e packet

scheduling).

A CN consiste no seguinte:



• Home Location Register (HLR), que é uma base de dados, que guarda os

perfis dos utilizadores, também guarda a localização do UE ao nível do

MSC/VLR e/ou SGSN;

• Mobile Services Switching Centre/Visitor Location Register (MSC/VLR)

é um comutador (MSC) e uma base de dados (VLR), que serve o UE na

sua localização actual para serviços de comutação de circuitos. O MSC é

usado para serviços de comutação de circuitos. A função do VLR é

guardar uma cópia dos perfis do utilizador visitante, herdado do GSM;

• Gateway MSC (GMSC) é o ponto através do qual a rede UMTS se

interliga às outras redes de comutação de circuitos, sendo semelhante ao

GSM;

• Serving GPRS Support Node (SGSN), cuja funcionalidade é similar à

funcionalidade do MSC, mas para serviços de comutação de pacotes

herdado do GPRS;

• Gateway GPRS Support Node (GGSN), cuja funcionalidade é completar o

GMSC, mas apenas relativamente aos serviços de comutação de pacotes. É

o ponto onde a rede UMTS esta ligada às redes de comutação de pacotes

exteriores, sendo semelhante ao GPRS.

As redes exteriores podem ser divididas em dois grupos:

• Redes com comutação de pacotes: nas quais o transporte da informação

não implica comunicação previa entre o emissor e o receptor. Cada pacote

de dados é encaminhado para um determinado endereço, via routers

podendo ou não ser entregue. Neste tipo de comunicação não existe

garantia de entrega em caso de congestionamento, mas existem algorítmos

de controlo de fluxo e de erros, como por exemplo, o checksum. É uma

rede que apresenta uma maior velocidade que a rede de comutação de

circuitos. A fiabilidade é baixa comparativamente com a comutação de

circuitos;

• Redes com comutação de circuitos: são redes que requerem comunicação

entre o emissor e receptor antes de a informação ser enviada. É então

estabelecido um circuito virtual entre os dois, activando o controlo de



fluxo e de erros. É usada quando se tem de garantir fiabilidade, quando

esta é mais importante que a velocidade.

A rede de comutação de pacotes fornece ligação para disponibilizar serviços de

entrega de dados por pacotes, como acontece com a Internet, por exemplo. A rede de

comutação de circuitos, por sua vez, providencia ligações end-to-end, como acontece

nas redes ISDN e PSTN.

A arquitectura UTRAN é constituída por diversas interfaces, que podem-se observar

na Figura 4.9:

• Interface Cu, interface eléctrica entre o smartcard USIM e o ME (terminal);

• Interface Uu, interface rádio WCDMA. É através desta interface que o UE

acede ao sistema, sendo por isso a interface mais importante no UMTS;

• Interface Iu, que liga o UTRAN à CN. Simultaneamente corresponde à

interface para comutação de circuitos e para a interface de comutação de

pacotes;

• Interface Iur, esta é uma interface aberta, que ajuda o Shandover entre Radio

Network Controller, (RNCs);

• Interface Iub, que liga o Node B ao RNC. O UMTS é o primeiro sistema de

comunicações móvel comercializado em que a interface Iub, tem um open-

standard Controlador-estação base, completamente disponível, por forma a

suportar outro tipo de sistemas móveis.

Um Radio Network Sub-system (RNS) é uma sub-rede dentro do UTRAN e consiste

num RNC e numa ou mais estação base, ou Node Bs. Os RNCs estão ligados uns com

os outros via interface Iur, os RNCs e os Node Bs estão ligados via interface Iub.

Antes de entrar na descrição dos elementos da rede UTRAN, faça-se um resumo das

características do UTRAN e quais as funcionalidades e protocolos da mesma:

• Suporte a todas as funcionalidades de uma rede como a WCDMA,

particularmente Shandover, bem como os algorítmos de gestão de recursos

rádio;



• Maximizar as manipulações entre/para comutação de circuitos e comutação de

pacotes de maneira simples, eficiente e de maneira que seja transparente para o

utilizador, isto é, de maneira a que este não se aperceba de nada;

• Suportar as manipulações existentes entre GSM e UMTS, quando forem

possíveis e de uma maneira eficiente e simplificada. Uma vez mais, este

processo deverá ser transparente para o utilizador;

• A UTRAN deverá utilizar o protocolo Asynchronous Transfer Mode, (ATM)

como um meio de transporte.

Radio Network Controller

O RNC é o elemento da rede responsável pelo controlo de todos os recursos rádio no

UTRAN, tem interfaces com a CN, normalmente com um MSC e um SGSN, e

processa os protocolos Rádio Resource Control (RRC), que definem as mensagens e

procedimentos entre o terminal e o UTRAN. Fazendo a analogia com a norma GSM,

corresponde ao BSC existente nessa rede.

• Um RNC que esteja a controlar um ou mais Node Bs chama-se de Controlling

RNC (CRNC). O CRNC é responsável pelo controlo da congestão e da carga

das suas células, (Controlo de Carga, LC – Load Control e Controlo de

Congestão, CC – Congestion Control), executa o controlo de admissão (AC-

Admission Control) e o alojamento das novas ligações rádio que são

estabelecidas com essas células.

Node B

As funções do Node B são: executar os processos de codificação do canal, adaptação

ao débito binário do serviço, e espalhamento. Cabe-lhe, também, a gestão dos

recursos rádio e controlo de potência interno. Fazendo a analogia com o GSM

representa a BTS. É o ponto de acesso à rede por parte do terminal.

Tendo como objectivo a implementação de redes UMTS, os operadores devem definir

estratégias para o desenvolvimento das mesmas. Estas devem ser suportadas no plano

do negócio, em termos da estimação dos serviços futuros, bem como em termos do

investimento das infra-estruturas necessárias para a rede. A avaliação dos requisitos

para as infra-estruturas da rede deve ser estimada usando ferramentas de planeamento



e dimensionamento, capazes de simulações de uma forma quasí-real. Uma ferramenta

de planeamento rádio deve ser capaz de modular/estimar o sistema, consoante o perfil

de tráfego e ambiente operacional.

O perfil do tráfego assim como a tecnologia de acesso rádio, formam os planos mais

importantes para o dimensionamento e planeamento em UMTS. Descreve, também a

forma como a população utiliza os vários serviços de UMTS. Esta descrição é feita

recorrendo a modelos próprios que espelham o comportamento da população em

geral. Para estimar a cobertura existem aspectos no sistema que devem passar por um

processo de estudo, especialmente a caracterização dos canais e a implementação dos

mecanismos de controlo de interferência. Na rede UMTS podem coexistir múltiplos

serviços de voz e de dados, tendo esses mesmos serviços diferentes ganhos de

processamento, Eb/No, débitos binários, requisitos de sensibilidade e potência pedida.

Por aqui se compreende o nível de exigência que o processo de planeamento deste

tipo de redes obriga. Em WCDMA existem também outros parâmetros que necessitam

de especial atenção: a caracterização da carga, a parametrização dos handovers e os

efeitos do controlo de potência.

No GSM o processo de planeamento da cobertura é baseado na sensibilidade

constante das estação base, sendo o threshold de cobertura o mesmo para cada estação

base. Para o serviço de voz existente no GSM o nível de potência da portadora em

relação à interferência, C/I, deverá tomar um valor superior a 9dB. No caso do UMTS

esse threshold de cobertura é dependente do número de utilizadores e dos débitos

binários usados, sendo especifico da célula e do serviço.

O processo de planeamento da rede UMTS pode ser dividido em três fases:

planeamento inicial (dimensionamento), planeamento detalhado da rede rádio e

optimização da rede. Cada uma destas fases requer parametrizações adicionais como

as medições de sinal recebido e indicadores de desempenho para suportar alguns

algorítmos específicos da rede, entre outros. Num sistema celular, onde todas as

ligações na interface rádio operam na mesma banda de frequência, o número de

utilizadores em simultâneo é directamente limitado pelo ruído/interferência gerada

pelos mesmos.



A rede GSM está relacionada apenas com o serviço de voz sendo a cobertura propícia

para esse único serviço. Existe como medida de qualidade do serviço a probabilidade

de bloqueio e o nível de qualidade do sinal, sendo o planeamento feito em função

destes dois parâmetros. No caso do UMTS o problema é muito mais complexo. Esta

complexidade deriva do facto deste sistema ser interpretado como multi-dimensional.

Esta multi-dimensionalidade resulta do facto de existirem múltiplos serviços, cada um

com o seu QoS alvo e com a sua cobertura própria. Este conceito leva a outro que

apresenta a cobertura de uma estação base como um conjunto de coberturas dispostas

sobre camadas, em que cada é uma cobertura de um determinado serviço.

Em GSM as ligações tendem a ser balanceadas uma vez que a informação em uplink e

downlink têm a mesma dimensão (transportando informação semelhante). No UMTS

vão existir ligações não balanceadas como acontece com o tráfego assimétrico de

WWW, no qual existem maior tráfego em downlink do que em uplink. Assim,

existem determinados algorítmos de gestão de recursos que são implementados no

RNC que vão permitir o suporte a esse tipo de tráfego. Por outro lado, a própria

característica de limitação por interferência da rede UMTS vai limitar a capacidade

dessas ligações e, consequentemente da rede.

Tanto para o GSM como para o UMTS, os cálculos ao nível da propagação do sinal

são efectuados da mesma forma, recorrendo a modelos de propagação, diferindo

apenas nos modelos utilizados em função do ambiente em causa. Um outro aspecto

comum é a análise da interferência que no caso do WCDMA, é necessária para a

análise da carga.

4.4 Balanço de Potência

Os cálculos para o balanço de potência, tradicionalmente usado para o cálculo da

sensibilidade do terminal, nas comunicações móveis são apresentados pelas equações

que se seguem, sendo a equação (4.2), a equação da formula de Friis, usada para

projectos de ligações rádio.

Assim, recorrendo a formula de Friis, temos que:



∑ ∑ ∑∑ −−−+= MFLGPP jiER (4.2)

SPR = (4.3)

Onde:

REi GGG +=∑ (4.4)

∑ ++= bCarJ LLLL int (4.5)

RapidoDesvLentoDesvF __ +=∑ (4.6)

SHO Body _ Loss FadingM M M M= + +∑ (4.7)

Apresentam-se, em seguida, os parâmetros mais importantes para o balanço de

potência. Inicialmente, serão apresentados os parâmetros já existentes em GSM (que

continuam a existir para o UMTS) e os novos introduzidos pelo UMTS. Tanto nas

redes GSM como UMTS, quando se efectua um projecto para uma ligação rádio, não

basta considerar os níveis de sensibilidade dos terminais. Várias margens têm de ser

adicionadas de forma a obter a cobertura desejada. As margens tipicamente usadas

para o balanço de potência nas redes GSM são os descritos seguidamente.

Desvanecimento rápido

O desvanecimento rápido existe devido à interferência causada pelo multipercurso e

tem uma distância de pico a pico de aproximadamente λ/2. As especificações GSM

permitem pior qualidade para terminais lentos relativamente aos rápidos, dado que são

os lentos são mais afectados pelo desvanecimento do que os rápidos. Esta situação

também se verifica em UMTS. Existe, por isso, uma margem de desvanecimento

rápido de forma a que se obtenha uma boa qualidade para terminais lentos (3dB de

margem). No caso do UMTS como existe controlo de potência – que evita os

afundamentos de sinal devido ao desvanecimento rápido – não é necessária essa

margem para terminais rápidos, sendo-o para lentos. A margem de desvanecimento



(protecção contra o desvanecimento) é menor em UMTS do que em GSM (entre 7 e 9

dB) pelo facto de a largura de banda em UMTS ser cerca de 25 vezes maior que a

largura de banda de GSM, o que implica que o desvanecimento rápido não tenha um

efeito tão notório sobre essa mesma largura de banda.

Desvanecimento lento

O modelo de propagação utilizado retorna um valor de atenuação de percurso. Esse

valor deverá ser interpretado como um valor médio de atenuação numa determinada

área, valor esse baseado na resolução e fiabilidade do modelo que o devolve. No

entanto esse valor é apenas médio, verificando-se, na realidade uma flutuação da

atenuação de percurso em seu redor. Essa flutuação obedece a uma distribuição

lognormal, com um valor médio de distribuição dado pela margem associada ao

desvanecimento lento. A margem para o desvanecimento lento é calculada da mesma

forma quer para UMTS quer para GSM.

Margem de interferência

A margem de interferência não se aplica nas redes GSM, pois existe reutilização de

frequências. Isso revela-se suficiente, na maioria dos casos para combater o ruído e a

interferência, desde que se cumpra a relação C/I ≥ 9dB. No caso dos sistemas UMTS,

a interferência é um problema, sendo mesmo a principal limitação do sistema. O valor

típico para a margem de interferência é 2dB.

Margem devido as perdas causadas pelo corpo humano

O corpo humano afecta de diversas formas o funcionamento do terminal móvel, dado

que a cabeça absorve energia, diminuindo a eficiência dos terminais. Daí que apareça

uma margem de BodyLoss cujo valor típico é 3dB.

Os parâmetros importantes para o cálculo do balanço de potência em WCDMA são:

Margem de interferência

A margem de interferência é necessária no balanço de potência devido ao nível de

carga da célula que afecta directamente a cobertura (ver secção 3.3.7). O aumento da

carga permite saber que margem de interferência é necessária para uplink, para se



obter a mínima cobertura (carga máxima ⇒ margem de interferência máxima ⇒

mínima cobertura).

Para os casos de cobertura limite é sugerida uma baixa margem de interferência dado

que esta representa a folga entre o nível de potência disponível e a interferência total

gerada pelos terminais no sistema. Esta é retirada no balanço de potência à atenuação,

pelo que se trata, na realidade de um acréscimo de potência, dado que a atenuação é

reduzida. Ao se baixar essa margem está-se, necessariamente, a aumentar a potência

recebida pelo terminal, logo a aumentar o raio da célula. Para os casos de limite de

capacidade deve ser usada uma elevada margem de interferência, dado que assim

garante-se uma folga (margem) maior entre o sinal recebido e a interferência total do

sistema. Ao se conseguir essa garantia, a interferência nunca se sobrepõe ao sinal

recebido, conseguindo o pretendido, que é o sistema funcionar sem problemas de

interferência, sabendo à priori que o sistema WCDMA é limitado por interferência.

Margem de Desvanecimento Rápido

O controlo de potência rápido (inner loop PC) existe para que se possam minimizar os

efeitos do desvanecimento rápido. No entanto, como o controlo de potência rápido

nem sempre consegue esse objectivo, recomenda-se a existência de uma margem.

Essa margem é a chamada margem de desvanecimento rápido, e é aplicada para

compensar as falhas do controlo de potência rápido no controlo do desvanecimento

rápido. Como o controlo de potência rápido nem sempre resolve o problema,

recomenda-se a existência de uma margem.

Ganho de Soft Handover

O soft handover fornece um ganho de forma a combater o desvanecimento lento. No

soft handover o terminal recebe um sinal proveniente de duas estação base, no

mínimo. Com a utilização do receptor RAKE consegue-se combinar os sinais

recebidos das estação base, resultando num ganho de potência do sinal recebido, a que

se chama o ganho de Shandover.

Eficiência da Cobertura

A eficiência da cobertura em WCDMA é definida como a média da cobertura por site

em km2/site, para um ambiente de propagação predefinido, suportando uma densidade



de tráfego predefinida. Essa eficiência está, portanto, dependente do ambiente de

propagação e do modelo de propagação melhor adaptado para esse ambiente.

Eficiência Espectral

A eficiência espectral pode ser medida conforme o número de chamadas (voz e/ou

dados) a decorrer em simultâneo, usando os débitos binários que correspondem aos

vários serviços. Em sistemas UMTS a eficiência espectral mede-se de acordo com a

capacidade que a camada física tem por forma a suportar para cada célula, por cada

portadora com largura de banda de 5MHz, os vários serviços em simultâneo. A

eficiência espectral é função do ambiente de propagação, da mobilidade do terminal,

da localização do terminal, do tipo de serviço e da qualidade de serviço.

Balanço de Potência em WCDMA

Neste ponto, pretende-se descrever o balanço de potência para uplink e downlink. No

cálculo do balanço de potência são tidos em conta os ganhos das antenas, os ganhos

de diversidade, as perdas nos cabos, as margens de desvanecimento, a atenuação

resultante do modelo de propagação, entre outros. O resultado do cálculo do balanço

de potência é o nível de potência recebida em cada ponto, (em cada pixel do mapa, no

caso da ferramenta de simulação desenvolvida) com base na sensibilidade do terminal

para cada serviço. Pode-se determinar ainda o raio da célula, bem como o número de

sites necessários para cobrir determinada área, depois de calculado o raio de cobertura

de cada célula.

4.4.1 Balanço de Potência em Uplink

A degradação da carga da célula é função da margem de interferência imposta. Um

aumento da carga do sistema implica uma maior margem de interferência em uplink

para que os sinais interferentes (interferência) nunca ultrapassem os sinais

transmitidos em termos de potência. Em suma, com o aumento da carga do sistema

temos uma diminuição da cobertura. A potência de saída do terminal típicamente

entre 21dBm (125mW) e 24dBm (250mW) no máximo, para voz e dados, enquanto

que a estação base macro tem valores de potência entre 40-60dBm (10-40W) por

sector, dependendo da área a cobrir.



A carga em uplink deriva do desempenho do factor de actividade do serviço, v. Para

se encontrar os requisitos ao nível da potência transmitida em uplink e a potência

recebida num terminal (K) ligado a uma determinada estação base, é necessário usar a

equação (4.8) que estima o Eb/No para determinado serviço.

C K

K OWN K OTH

R pR I p I N

⎛ ⎞= ⎜ ⎟− + +⎝ ⎠

(4.8)

onde IOTH é a interferência recebida de outros terminais ligados a outras células, sendo

directamente proporcional (constante de proporcionalidade, i) a IOWN, sendo esta a

interferência recebida pelo terminal ligado à estação base, para a qual se esta a

calcular IOWN.

OTH OWNI i I= ⋅ (4.9)

CBfCO RTKNRNN ⋅⋅⋅=⋅= 0 (4.10)

onde, Nf é a potência de ruído do receptor, KB é a constante de Boltzmann

( 231.381 10 /−× Ws k ) e T0 é a temperatura absoluta.

C KK

K OWN K OWN

R pR I p i I N

ρ⎛ ⎞⋅ ≥⎜ ⎟− + ⋅ +⎝ ⎠

(4.11)

Então a potência recebida no terminal K, pK é dada pela equação (4.12).

O resultado da equação (4.12) deve ser interpretado como sendo um valor médio,

devido à interferência de multipercurso, às flutuações ao nível da potência causadas

pelo controlo de potência rápido e devido igualmente ao desvanecimento rápido. Com

esta equação tem-se por objectivo obter um valor mínimo para a potência recebida

(sensibilidade do terminal), pK.

( )1 11

ρ

= ⋅ + ⋅ +⎡ ⎤⎣ ⎦+

⋅

K OWNC

K K

p i I NRR

(4.12)



onde ρK é a energia de bit em relação a densidade espectral de ruído, Eb/N0.

Se se realizar o somatório de todas as sensibilidades que estão ligadas à estação base,

surge a equação (4.13).

( )

( )

( )

1

1

1

1 11

1

11 11

ρ

ρ

=

=

=

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⋅ + ⋅⎢ ⎥+⎢ ⎥⋅⎣ ⎦⋅ + =

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥− ⋅ +⎢ ⎥+⎢ ⎥⋅⎣ ⎦

∑

∑

∑

K

CkK

k kk

kK

Ck

k k

i NRR

p i

iRR

(4.13)

onde,1

K

OWN kk

I p=

=∑ (4.14)

o factor de carga em uplink, é dado pela equação (4.15)

( )1

1 11

K

ULCk

k k

iRR

η

ρ=

= ⋅ ++

⋅

∑ (4.15)

A equação (4.15) pode ser modificada, se se incluir o efeito da sectorização (ganho de

sectorização, ξ e o número de sector NS) e o factor de actividade do serviço, vK.

Resulta então, na equação (4.16),

1

1 11

KS

UL kCk

k k

Nv iRR

ηξ

ρ=

⎛ ⎞= ⋅ ⋅ + ⋅⎜ ⎟

⎝ ⎠+⋅

∑ (4.16)

Na Tabela 4.4, apresentam-se os parâmetros que devem ser usados para o cálculo do

factor de carga em uplink.

Tabela 4.4.Parâmetros usados para o cálculo do factor de carga em uplink.

Definições Valores recomendados K Número de utilizadores. - Vk Factor de actividade do

utilizador K ao nível físico.

0.6 ⇒ Actividade de voz.



1 ⇒ Actividade para dados.

Eb/No Energia de bit por densidade espectral de ruído.

Depende do serviço, do multipercurso e da velocidade do terminal.

RC Taxa de chips em WCDMA.

3.84Mcps

Rk Débito binário do utilizador k

Depende do serviço.

I Razão entre a interferência da célula com as vizinhas.

55% (macro células), antenas omnidireccionais.

Para o clássico serviço de voz, onde todos os K utilizadores da célula têm um débito

binário baixo, R, tem-se que,

1>>⋅⋅ vR

RC

ρ (4.17)

logo o factor de carga em uplink, é simplificado para

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅⋅⋅=ξ

ρη S

CUL

NivK

RR 1 (4.18)

A partir da equação (4.18), pode-se concluir que o número de utilizadores da célula,

K, é dado por:

ξ

ηρ S

UL

C

NivRR

K⋅+

⋅⋅⋅=1

11 (4.19)

O número máximo de utilizadores KPOLE, possível na célula é atingido quando ULη =1,

pelo que:

ξρ S

C

POLE NivRR

K⋅+

⋅⋅=1

11 (4.20)



Em vez de ser representado o número de utilizadores, pode-se apresentar de uma

forma mais geral a capacidade total por célula com todos os utilizadores em

simultâneo.

ξ

ηρ S

ULC

POLE NivRRKCapacidade

⋅+⋅⋅=⋅=1

11 (4.21)

Sendo esta equação apenas válida para o mesmo tipo de serviço. Na Figura 4.11,

pode-se ver os factores que afectam a atenuação de propagação máxima do percurso,

influenciando o balanço de potência.

Requisitosda

Capacidadeem UL

DébitoBinário

Diversidade

Sens.Receptor

- Receptor Banda Base;- Receptor RF;- Solução para Antenas;

Controlede Pot.

Pot.Trans.

GanhoProces.

MargemInter.

Atenuação depropagaçãomáxima [dB]

Limite Máximoda Célula [km]

Modelo dePropagação(ambiente)

RequisitosProbabilidadede Cobertura

Figura 4.11. Factores que afectam a cobertura em uplink.



4.4.2 Balanço de Potência em Downlink

O dimensionamento em downlink segue a mesma lógica do dimensionamento em

uplink. Para determinar o raio máximo da estação base é necessário estimar a potência

de transmissão total. Se a carga for excessiva é necessário limitar o raio da célula ou

reduzir o número de utilizadores na célula. A carga em downlink é apresentada

segundo a expressão (4.22), que se sugere,

( )1 1,

1I N

pmii i iDL i

i n n mC pni

LR vR L

ρη α= = ≠

⎡ ⎤⎛ ⎞⋅ ⋅= ⋅ − +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦∑ ∑ (4.22)

onde pmiL é a atenuação em espaço livre, ou seja, atenuação ao longo da ligação rádio,

desde a estação base servidora (BSm) até ao terminal (MSi), pniL a atenuação ao longo

da ligação rádio, desde outra estação base (BSn) até ao terminal (MSi), ρi o (Eb/N0)i

para o terminal (MSi), N é o número de estação base, sendo I o número de ligações a

um sector, αi o factor de ortogonalidade dependendo das condições de multipercurso

(0 ≤ α ≤ 1). O termo idownlink, define a interferência entre as células vizinhas e a célula

servidora, em downlink.

1,

Npmi

DLn n m pni

Li

L= ≠

= ∑ (4.23)

Na Tabela 4.5 apresentam-se os parâmetros que devem ser usados para o cálculo do

factor de carga em downlink.

Tabela 4.5.Parâmetros usados para o cálculo do factor de carga em downlink.

Definições Valores recomendados K Número de utilizadores. - vk

Factor de actividade do utilizador k ao nível físico.

0.67 ⇒ Actividade para o serviço de Voz. 1 ⇒ Actividade para o serviço de Dados.

Eb/No

Energia de bit dividida pala densidade espectral de ruído.

Depende do tipo de serviço, do débito binário, do multipercurso, da velocidade do terminal.



RC Taxa de chips em WCDMA.

3.84Mcps.

Rk Débito binário do utilizador k.

Depende do serviço.

ik Razão entre a interferência da célula com as vizinhas.

55% (macro células), antenas omnidireccionais.

αk

Factor de ortogonalidade do utilizador k.

Depende do multipercurso: 1- Sinais ortogonais. 0 – Sinais não ortogonais.

ITU–Veiculo A–0.6 [ETSI98] e ITU–Pedestre A–0.9 [ETSI98]

Para o dimensionamento em downlink é importante estimar a potência que as estação

base estão a transmitir que deverá ser baseada numa média da potência de transmissão

por utilizador, e não na potência máxima de transmissão na fronteira da célula, dado

pelo balanço de potência. A expressão matemática para a potência total transmitida

pela estação base é dada pela equação (4.24).

DL

k

C

kK

kkULC

RRvRN

TxPBSη

ρη

−

⋅⋅⋅⋅

=

∑=

1_

10

(4.24)

onde N0 é definido por

0 108.2= − +N dBm NF (4.25)

onde –108.2dBm é o nível de ruído térmico para a taxa de chips em WCDMA,

3.84Mcps e NF é a figura de ruído do terminal, que tipicamente assume valores entre

5 e 9dB. O factor de carga em downlink passa a ser,

( )∑ ∑= ≠= ⎥

⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+−⋅⋅=

I

i mnn pni

pmi

i

C

iiDL L

L

RRv

1 ,11 αρη (4.26)

onde ULη ,é o factor de carga médio para uplink, por utilizador e DLη o factor de carga

médio para downlink.



Em ambas as direcções (uplink e downlink), a interferência afecta a cobertura, mas

esse efeito não é exactamente o mesmo. O factor de carga não afecta tanto a cobertura

em uplink, com em downlink. A de downlink depende mais do factor de carga do que

a cobertura em uplink, dado que em downlink a potência máxima de transmissão é

partilhada pelos vários utilizadores, enquanto que em uplink, cada utilizador

adicional, tem a sua potência própria.



5. Modelos de Propagação e Equipamento Utilizado em Redes Celulares Móveis

O planeamento das áreas de cobertura das BSs requer a estimação do sinal dessas

estações, bem como das outras funcionando nas mesmas frequências ou frequências

adjacentes. É essencial prever as zonas limites onde o nível de sinal é mínimo, e as

zonas onde pode haver interferência. Nos sistemas de telefone celular usam-se muitas

estações base (BSs), o que põe problemas na gestão do espectro de frequências e no

dimensionamento da extensão das células. A previsão do sinal envolve a estimativa do

valor mediano e da variação em torno deste. As coberturas são estabelecidas para

determinadas percentagens de locais e de tempo. É muito importante que os modelos

de propagação se aproximem da realidade o melhor possível de forma a que se

possam tornar ferramentas fidedignas e indispensáveis no planeamento celular de uma

rede de comunicações móveis.

A maioria dos modelos fornece o valor mediano do sinal. Torna-se assim necessário

conhecer a estatística do sinal para determinar a sua variação. A abordagem do

problema da estimação do sinal não pode ser feita de modo exclusivamente

determinístico. A estimação correcta do sinal, e o desenvolvimento de modelos para o

efeito implica o conhecimento de todos os factores que influenciam a propagação em

comunicações móveis. O sinal está normalmente sujeito a dois tipos de

desvanecimento:

• lento, dependente essencialmente da distância, com distribuição log-normal.

• rápido, associado ao movimento do terminal e ao multipercurso, com

distribuição de Rice.

Os modelos de Propagação dividem-se em duas grandes categorias:

• Empíricos, baseados em medidas, e conduzindo a relações simples entre a

atenuação e a distância.

• Teóricos, requerendo a utilização de bases de dados topográficas, e utilizando

os métodos das ligações fixas.



Os modelos Empíricos:

• Conduzem a curvas e equações que melhor se ajustam às medidas.

• Têm a vantagem de contabilizar todos os factores que afectam a propagação.

• Necessitam de ser sujeitos a validação para locais, frequências e condições

diferentes dos ambientes de medida.

Os modelos Teóricos:

• Não contabilizam todos os factores.

• Não têm em consideração o ambiente em que o móvel se desloca.

• Permitem uma fácil alteração para outros valores dos parâmetros.

• Dependem da definição de bases de dados geográficas.

Os modelos usados actualmente são modelos híbridos e contemplam as perspectivas

empíricas e teórica. Estes modelos têm alguma flexibilidade podendo ser aferidos com

medidas reais realizadas nos ambientes de propagação específicos onde vão

utilizados. Desta forma, minimiza-se o erro entre a estimação do sinal previsto pelo

modelo de propagação e a posterior realidade, quando da implementação física da

BTS. Não existe um modelo de aplicação genérico em todos os tipos de ambientes,

frequências e parâmetros.

Classificação de Ambientes

A aplicação de modelos com uma componente empírica requer a classificação de

ambientes. É usual distinguir três grandes categorias:

• Rural.

• Suburbano.

• Urbano.

Existem vários tipos de classificações, geralmente associadas a modelos de

propagação distintos. A classificação de ambientes considera, entre outros, os

parâmetros seguintes:

• Ondulação do terreno.

• Densidade da vegetação.

• Densidade e altura dos edifícios.



• Existência de áreas abertas.

• Existência de superfícies aquáticas.

Propagação em Ambientes Urbanos

Os edifícios vão provocar a existência de numerosos raios reflectidos (causando

desvanecimento), e de zonas não iluminadas directamente (onde a atenuação é

grande). A atenuação e reflexão variam de acordo com os materiais de construção. A

existência de ruas conduz a fenómenos de propagação guiada, com características

diferentes nas ruas radiais e nas circunferenciais. A proximidade dos edifícios entre si,

e destes ao terminal (MT) pode conduzir a erros elevados na aplicação dos modelos

de obstrução múltipla por lâminas usados nas ligações fixas. Devido a estas

características, a tarefa de aferição do modelo de propagação com base em medidas

reais é extraordinariamente dificultada, pelo que ocorrem sempre desvios

significativos entre a previsão de sinal e a realidade posteriormente implementada.

5.1 Modelo COST 231 Walfisch-Ikegami

O COST 231 desenvolveu um modelo que conjuga os modelos de Ikegami e de

Walfisch-Bertoni com os resultados de medidas realizadas na cidade de Sueca de

Stockholm. O modelo assume os pressupostos dos modelos em que se baseia no que

diz respeito à estrutura urbana, ver Figura 5.1.

Figura 5.1. Modelo COST 231 – Walfisch-Ikegami.

Em termos de orientação do sinal propagado ao longo das ruas, o modelo prevê o

apresentado na Figura 5.2.



Figura 5.2. Modelo COST 231 – Walfisch-Ikegami orientação do sinal propagado.

A grande inovação do modelo do COST 231 está relacionada com a consideração de

fenómenos de propagação guiada quando existe linha de vista entre a estação base e o

móvel na direcção de uma rua cercada por edifícios. A propagação desta forma é

diferente que a propagação em espaço livre. Nesta situação tem-se:

[ ]( ) [ ]( )42.6 26 log 20 log para 20 .b km MHzL d f d m= + ⋅ + ⋅ ≥ (5.1)

Onde,

• Lb é a atenuação em espaço livre para d < 20 m.

Nos outros casos o modelo COST 231 Walfisch-Ikegami é composto por três termos e

restringido pela atenuação de espaço livre:

0

0

, para >0 , para 0

RTS MSD RTS MSDb

RTS MSD

L L L L LL

L L L+ + +⎧

= ⎨ + ≤⎩ (5.2)

[ ]( ) [ ]( )0 32.4 20 log 20 log .km MHzL d f= + ⋅ + ⋅ (5.3)

O primeiro termo representa a atenuação de espaço livre, o segundo termo a

atenuação por difracção e dispersão no topo dos edifícios (“roof-top-to-street



diffraction and scatter loss”) e o terceiro a atenuação já ao nível das ruas devido às

múltiplas difracções e reflexões que ocorrem (“multi-screen diffraction loss”).

A atenuação “roof-top-to-street diffraction and scatter” é dada por:

[ ]( ) [ ]( ) [ ]( )16.9 10 log 10 log 20 log .RTS ORIs m MHz MOBILE mL w f h L= − − ⋅ + ⋅ + ⋅ Δ + (5.4)

Onde,

[ ]

[ ]( )[ ]( )

º

º

º

10 0.354 para 0 35º

2.5 0.075 35 para 35 55º

4.0 0.114 55 para 55 90º

ORIL

ϕ ϕ

ϕ ϕ

ϕ ϕ

⎧− + ⋅ ≤ ≤⎪⎪= + ⋅ − ≤ ≤⎨⎪⎪ + ⋅ − ≤ ≤⎩

(5.5)

,MOBILE ROOF MOBILEh h hΔ = − (5.6)

.BASE BASE ROOFh h hΔ = − (5.7)

A atenuação “multi-screen diffraction” é dada por:

[ ]( ) [ ]( ) ( )log log 9 log ,MSD BSH a d f Bkm MHzL L k k d k f w= + + ⋅ + ⋅ − ⋅ (5.8)

0.5 ,S Bw w= ⋅ (5.9)

O termo ka representa o aumento de atenuação sofrido pelas estações base situadas

abaixo do nível médio dos edifícios circundantes. Os termos kd e kf controlam a

dependência de LMSD com a distância e a frequência respectivamente.

[ ]( )18 log 1 para

0 para BASE ROOFBASE m

BSH

BASE ROOF

h h hL

h h

⎧− ⋅ + Δ >⎪= ⎨≤⎪⎩

(5.10)

18 para .

18 15 para

BASE ROOF

d BASEBASE ROOF

ROOF

h hk h h h

h

>⎧⎪= Δ⎨ − ⋅ ≤⎪⎩

(5.11)



[ ]

[ ][ ]

54 para 54 0.8 para 0.5 e

54 0.8 para 0.5 e 0.5

BASE ROOF

a BASE ROOFBASE m

kmBASE ROOFBASE m

h hk h d km h h

dh d km h h

⎧⎪ >⎪⎪= − ⋅Δ ≥ ≤⎨⎪⎪ − ⋅Δ ⋅ < ≤⎪⎩

(5.12)

[ ]

[ ]

0.7 1 para cidades medias e centros suburbanos925

4

1.5 1 para centros urbanos925

MHz

fMHz

f

kf

⎧ ⎛ ⎞⋅ −⎪ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠= − + ⎨⎛ ⎞⎪ ⋅ −⎜ ⎟⎪ ⎜ ⎟⎝ ⎠⎩

(5.13)

O modelo é válido para:

[ ][ ][ ][ ][ ][ ]

[ ][ ]

800;2000

4;50

1;3

0.02;5

BASE

MOBILE

f MHz

h m

h m

d km

∈

∈

∈

∈

Na ausência de dados concretos, são recomendados os seguintes valores:

[ ][ ]

{ }

20;50

23 Nº de pisos

3 , se inclinado0, se plano

90º

B

B

ROOF TELHADO

TELHADO

w mww

h m h

mh

ϕ

∈

=

= ⋅ +

⎧= ⎨⎩

=

O modelo do COST 231 Walfisch-Ikegami tem sido verificado na prática nas bandas

dos 900 e 1800 MHz e para distâncias compreendidas entre os 100 m e 3 km. Os erros

de previsão aumentam consideravelmente para:

BASE ROOFh h≈ (5.14)

quando comparados com



BASE ROOFh h (5.15)

Logo, este modelo não deve ser utilizado com a certeza de bons resultados para:

BASE ROOFh h≤ (5.16)

Para além disso, este modelo não deve ser utilizado para previsão de cobertura de

micro-células. Quando estamos a considerar este tipo de BTSs, pensamos em sistemas

de antenas colocadas abaixo do topo dos edifícios, e é um facto que o termo ka não

considera fenómenos de propagação guiada em ruas cercadas por edifícios nem

difracção nos cruzamentos. Os parâmetros b, w ϕ não estão dimensionados de uma

forma credível para micro-células. Logo, os erros de previsão serão bastante grandes.

O modelo do COST 231 Walfisch-Ikegami tem sido verificado na prática nas bandas

dos 900 e 1800 MHz e para distâncias compreendidas entre os 100 m e 3 km. O erro

de cálculo é de cerca 0.5 dB para frequências até 2200 MHz.

5.2 Equipamento Utilizado em Comunicações Móveis

Todos os valores representados constituem valores típicos e podem ser utilizados no

dimensionamento da ligação (uplink/downlink) em planeamento celular. Para um

projecto mais rigoroso é indispensável a consulta de documentação específica dos

fornecedores de equipamento de modo a que o projecto seja implementado com a

maior fiabilidade possível.

5.2.1 Estação Base

Existem actualmente no mercado vários fornecedores de equipamento que oferecem

um vasto leque de soluções possíveis para o tipo de implementação pretendido pelos

operadores. Existem BTSs para instalação outdoor e indoor, configurações mono-

sector e multi-sector, soluções específicas para cobertura de estradas, etc. Não existe

um produto único que possa satisfazer todos as combinações possíveis, em termos de



tamanho, alcance rádio e capacidade. A aquisição deste equipamento constitui uma

parcela fundamental no orçamento dos vários operadores, pelo que deve ser estudada

com algum cuidado, principalmente no que diz respeito às suas características

técnicas. São estas, bem como a sua correcta utilização as peças fundamentais no bom

funcionamento da rede.

A BTS é constituída, de uma forma geral, por uma série de unidades substituíveis, ver

Figura 5.3:

• Distribution Switch Unit (DXU).

• Transceiver Unit (TRU).

• Combining and Distribution Unit (CDU).

• Power Supply Unit (PSU).

• Battery Fuse Unit (BSU).

• Energy Control Unit (ECU).

Figura 5.3. Diagrama de blocos da BTS.

A DXU constitui a interface do sistema com a linha exterior de 2 Mbit/s. A DXU

também retira alguma informação de sincronização da PCM link e gera uma

referência de tempo para a BTS.

O TRU inclui toda a funcionalidade necessária para gerir 8 time slots em Time

Division Multiple Access (TDMA), no que diz respeito ao processamento do sinal,

emissão/recepção rádio e amplificação de potência.



O Combining and Distribution Unit (CDU), tem por objectivo combinar sinais

transmitidos (TX) de vários TRUs bem como encaminhar os sinais recebidos (RX)

para todos os TRUs. Os sinais são filtrados antes da transmissão e após a recepção

através de filtros passa-banda. Logicamente que a razão da existência da combinação

é agrupar no mesmo sistema de antenas a emissão/recepção de vários sinais, na Figura

5.4, apresenta-se um exemplo de configuração Outdoor (Ericsson).

Figura 5.4. Exemplo de configuração Outdoor (Ericsson).

Na Figura 5.5, apresenta-se um exemplo configuração Indoor (Ericsson) e um

exemplo de BTS micro (Ericsson).

Figura 5.5. Exemplo configuração Indoor (Ericsson) e um exemplo de BTS micro (Ericsson).

5.2.2. Mobile Station (MS)

Existem quatro classes de MSs descritas na especificações do GSM 900. Os valores

típicos de potências máximas de emissão e sensibilidades encontram-se na Tabela 5.1.



Tabela 5.1. Classes dos MSs.

Não se consideram perdas ou ganho na antena do MS, assim o Ganho da antena do

MS é 0 dBi.

5.2.3 Equipamento Adicional

Cabos e Conectores

Quando da realização do power budget (downlink/uplink), a atenuação nos cabos de

ligação entre a BTS e o sistema de antenas deve ser considerada. Os cabos

normalmente utilizados são de 7/8’’ e 1/2’’.Na Tabela 5.2, pode-se observar valores

típicos para as atenuações dos cabos implementados em macro e micro-células.

Adicionalmente à atenuação nos cabos, deve-se considerar as perdas nos conectores

de ligação entre os vários constituintes do sistema (BTS, antena, ligação entre cabos

de espessura diferente, etc). Deve-se considerar uma atenuação de 0.1 dB por cada

conector.

Tabela 5.2. Atenuação dos cabos.



Duplexers Externos

Os duplexers possibilitam a utilização da mesma antena para emissão e recepção.

Quando um duplexer externo é utilizado (não integrado na CDU unit) teremos que

contar com uma atenuação adicional no uplink e no downlink. Atenuação típica do

External duplex filter é de 0.5 dB.

Antenas

Existe uma variedade enorme de antenas disponíveis. As antenas podem ter diferentes

dimensões e formas, bem como diagramas de radiação bastante diversificados. Podem

possuir downtilt eléctrico ou não, ter diversidade de polarização ou mesmo serem

antenas dual-band. As antenas devem ser escolhidas cuidadosamente a partir das suas

características físicas e de radiação. Não existe uma única antena que satisfaça

condições gerais de cobertura, tráfego e controlo de interferência.

Diversidade

Uma das formas de reduzir a influência do fading multipercurso é a utilização de

diversidade, espacial ou de polarização. No que diz respeito ao uso de diversidade

espacial (duas antenas receptoras no uplink), o método normalmente utilizado é o

maximal ratio que maximiza a relação sinal-ruído.

A diversidade de polarização corresponde à utilização de uma única antena

constituída por dois agregados com polarizações diferentes. Foi demonstrado que



devido a características de propagação diferentes, a atenuação de propagação da

componente horizontalmente polarizada é maior que a componente vertical. Isto tem

como consequência a necessidade de se adicionar um atenuação de 1.5 dB quando se

utilizarem antenas de diversidade de polarização de +/- 45º. Por outro lado, o uso de

antenas com diversidade de polarização oferece melhores resultados (pequena

correlação entre as duas componentes) em ambientes críticos, tais como dentro do

veículo ou edifícios. Nestes casos o ganho de diversidade é aproximadamente 1.5 dB

superior ao ganho de quando se utiliza diversidade espacial. Logo, isto é o suficiente

para compensar a atenuação adicional.

Em conclusão, quando se utilizar diversidade espacial ou de polarização, deve-se

incluir no uplink um ganho de 3.5 dB e deve-se desprezar a atenuação mencionada no

uso de diversidade de polarização.

LNA (Low Noise Amplifier)

LNA (Low Noise Amplifier) é a designação genérica de dispositivos amplificadores

de sinais recebidos na estação base, caracterizados por terem um baixo factor de

ruído. É fundamental que a sua instalação seja feita o mais próximo possível da antena

de recepção por forma a baixar o patamar de ruído do sistema. Isto porque num

sistema de quadripolos em cadeia, como é o caso de uma BTS, o factor de ruído

global do sistema é fortemente influenciado pelo factor de ruído do primeiro

quadripolo. Os principais benefícios técnicos atribuídos pelos fornecedores à

utilização dos LNAs são os seguintes:

• Extensão de cobertura existente para móveis de 8 W aos portáteis de 2 W.

• Maior duração das baterias com a utilização do uplink power control.

• Melhoria da sensibilidade do receptor, logo melhoria geral da qualidade das

chamadas.

• A instalação de LNAs deve ser feita preferencialmente em BTSs situadas em

zonas rurais ou suburbanas (fora de áreas urbanas densas). A instalação deve

ter prioridade em células em que o tráfego e/ou quantidade de chamadas

caídas sejam elevados.

• A extensão de cobertura em zonas rurais/suburbanas pode corresponder a uma

melhoria da cobertura indoor nas estações de áreas urbanas. No entanto, a



utilização de LNA nestas condições poderá agravar o risco de saturação da

BTS. Dado o elevado ganho introduzido pelo LNA, uma chamada realizada

próximo das antenas de recepção poderá levar o receptor à saturação,

provocando má qualidade e até mesmo chamadas caídas em time-slots

adjacentes.

Exemplo LNA

A seguir, apresenta-se um diagrama para ilustrar este facto (amplificação do sinal e do

ruído pelo ganho do LNA). Para o efeito desprezam-se as perdas no cabo e conectores

(os valores de C/N são dados em relação à sensibilidade). Supondo,

• Sensibilidade da BTS: -105 dBm.

• Sinal recebido no conector da antena= PR = -100 dBm.

• GLNA = 14 dB; Gsensibilidade = 7 dB.

• Na situação em que se utiliza um LNA, o patamar de ruído à entrada da BTS

passa a ser igual a: Sensibilidade = -105 -Gsensibilidade+ GLNA= -98 dBm

Desta forma pode ser adicionada a parcela de ganho do LNA no balanço de potência.

5.3 Balanço de Potência

O balanceamento da ligação implica que a cobertura do downlink e do uplink sejam

iguais. O balanço de potência indica qual das duas ligações é a mais fraca. Quando o

downlink é o mais forte, A EIRP usada no projecto deverá corresponder à potência de

saída balanceada da BTS. Quando o uplink é o mais forte, a potência máxima de

emissão da BTS deve ser utilizada. Dados experimentais revelam que quando o

downlink é o mais forte é vantajoso ter uma EIRP 2-3 dB superior ao balanceado,

uma vez que o ganho de diversidade ultrapassa em determinados casos os 3.5 dB.

Downlink ( downlink) indica a direcção BTS -> MS enquanto que Uplink (uplink)

indica a direcção MS -> BTS.



Exemplo



Repetidores

O objectivo do repetidor é efectuar reforço de cobertura em determinadas áreas que,

por exemplo, se encontram bloqueadas por obstáculos. As zonas de aplicação são

estradas existentes em terreno montanhoso, túneis, soluções indoor e outros locais de

baixo ou médio tráfego. O sinal é tipicamente amplificado de 10 a 85 dB, podendo-se

ajustar. O uso sistemático de repetidores com o objectivo de poupar estações não se

tem demonstrado muito positivo. É fundamental efectuar um planeamento celular

tentando não deixar “gaps” entre as BTSs e só em último caso utilizar repetidores. Os

repetidores podem ser selectivos:

• À banda – todos os sinais recebidos são amplificados.

• Ao canal – amplifica apenas os canais seleccionados.

O repetidor, de uma forma genérica é constituído por duas antenas e por um

amplificador. A antena direccionada para a BTS é muito directiva, normalmente uma

YAGI-UDA, enquanto que a antena destinada à generalidade dos MSs pode ser

omnidireccional ou sectorial.

• As antenas devem ser colocadas preferencialmente costas com costas de forma



a evitar fenómenos de realimentação.

• As distâncias típicas de cobertura dos repetidores exteriores oscilam entre os

0.5 e 3 km.

Figura 5.6. Exemplo de uma ligação ponto-a-multiponto com repetidor.

Margem de Interferência

• A sensibilidade do receptor depende da relação sinal-ruído. No entanto,

quando são reutilizadas frequências a potência da portadora recebida deve ser

suficientemente grande para combater tanto o ruído como a interferência, isto

é, o C/ (N+I) deve exceder o limiar do receptor. De forma a atingir uma boa

previsão de cobertura num sistema real é necessário adicionar uma margem de

interferência (IFmarg).

• A margem de interferência depende do padrão de reutilização, do tráfego

existente e da percentagem de cobertura desejada. Frequency Hopping,

Downlink power Control e DTX reduzem o nível de interferência.



Esta margem (IFmarg) tem tipicamente o valor de 2 dB.

Body Loss

O corpo humano afecta de várias formas o funcionamento do MS:

• A cabeça absorve energia.

• A eficiência da antena de alguns MSs pode ser reduzida.

O body loss recomendado pela ETSI, é 3 dB. No entanto este assunto ainda não se

encontra completamente investigado. Para 900 MHz até 2100 MHz, é necessário a

existência de uma margem mais elevada. Esta margem (BL) tem o seguinte valor: 5

dB.

Car Penetration Loss

Quando o MS se situa no interior do veículo não utilizando antena exterior (situação

bastante frequente) uma margem extra deve ser adicionada de forma a ter em conta

com a perdas de penetração do sinal no interior do veículo. Esta margem (CPL) tem

o seguinte valor: 6 dB.

A própria montagem da antena no exterior do carro pode ter influência. A melhor

posição é no tejadilho onde possui a melhor cobertura omnidireccional possível

constituindo o ponto mais alto e menos obstruído em todas as direcções. Os valores

apresentados na figura ao lado representam as perdas associadas a cada uma das

posições de montagem da antena tendo como referência a situação ideal referida

anteriormente.



Referências

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Telecomunicações, Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, DEEC,

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[Pire09] Pires, Luís, Redes Celulares Móveis, Telecomunicações, INETE,

Lisboa, Janeiro 2009.

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