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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Recursos de comunicação celular. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / A telefonia móvel O rápido desenvolvimento das novas tecnologias de telecomunicações nas décadas de 80 e 90 está associado à utilização ativa das conquistas científicas e tecnológicas nas áreas das telecomunicações, da tecnologia da informação e da eletrónica. Uma das tecnologias prioritárias são as comunicações celulares, que ganham cada vez mais popularidade entre a população e se desenvolvem em ritmo muito rápido.
“Não se afaste de um futuro possível até ter certeza de que não há nada para você aprender.”
Campeonato Mundial Como aqueles leitores que preferem ver a revista pelo final, vamos adiantar e dizer o principal: hoje não existe nenhum tipo de telecomunicações que se desenvolva tão rapidamente quanto a radiotelefonia sem fio e, principalmente, as comunicações celulares atendendo aos usuários móveis. O número desses usuários aumenta anualmente cerca de 40% e recentemente ultrapassou com segurança a marca de 350 milhões. De referir que alguns tipos de redes móveis celulares apresentam taxas de crescimento ainda mais impressionantes. No mundo, o crescimento anual de assinantes da rede GSM é de aproximadamente 70% (gsmworld.com), e para as redes cdmaOne, aqui conhecidas como CDMA/IS-95, no último ano atingiu quase 160% (cdg.org )! O número de assinantes de telefonia celular deverá atingir 1 bilhão em algum momento de 2002-2003. Embora não tenha passado muito tempo desde que as redes celulares saíram da fase de desenvolvimento científico e técnico para o mercado comercial (na viragem dos anos 70-80), o telemóvel deixou de ser um símbolo de prestígio e tornou-se uma ferramenta que permite uma utilização mais eficiente do tempo de trabalho, gerir rapidamente processos tecnológicos, económicos e outros. Ao mesmo tempo, as redes celulares não estão apenas a crescer em largura, mas também a aumentar continuamente o número de serviços adicionais fornecidos. Se considerarmos a densidade das redes celulares que muitos países desenvolvidos alcançaram (dados da British Telecom Engineering), então o líder indiscutível entre eles é a Finlândia, onde cerca de 70% da população possui telefones celulares. Seus vizinhos na Escandinávia estão um pouco atrás (de 50 a 60%), entre os quais está encravado um pedaço da RPC (antiga Hong Kong). Mais seis países, incluindo a Austrália e o Japão, ultrapassaram o limiar dos 30%, e todo um grupo de países, incluindo o Reino Unido e os EUA, estão perto disso. Alemanha, França, Espanha, Canadá e vários outros países têm indicadores de aproximadamente 20%. No entanto, poderíamos continuar a falar dos sucessos das comunicações móveis, mas a informação já fornecida é suficiente para tirar algumas conclusões. Tudo o que foi dito acima indica que na maioria desses países a densidade das linhas radiotelefônicas já atingiu o nível de densidade das linhas telefônicas tradicionais (aproximadamente 50-60%) ou é pelo menos metade disso. Muitos destes países têm territórios muito grandes, ou populações muito grandes, ou ambos. Portanto, mesmo 5% no Brasil e 3% na China excluindo Hong Kong (que número pequeno e ao mesmo tempo um número monstruosamente grande de utilizadores) acabam por ser mais significativos do que, por exemplo, 27% algures na Holanda. Em geral, as comunicações celulares já se tornaram um produto de consumo de massa e continuam a aumentar as taxas de crescimento. Mesmo as previsões mais imediatas (2003) são impressionantes: em termos de cobertura populacional, todo um grupo de países aproximar-se-á dos 90%. e a antiga Hong Kong (agora uma região administrativa especial da República Popular da China) tornar-se-á o primeiro território onde este número atingirá os 95%! Quase duas dúzias de países em termos de densidade estarão na faixa de 60...95%. No entanto, mesmo os países muito desenvolvidos com territórios relativamente grandes não avançarão tanto: EUA - 53%, Alemanha - 47%, Canadá - 30%, Brasil - 22%, China - 8%. Curiosamente, os pioneiros móveis do Reino Unido e dos EUA estarão atrás de países como a Áustria, a Irlanda e a Grécia. Talvez daqui a alguns anos veremos os grupos de usuários de telefones tradicionais e celulares quase iguais em número. A propósito, hoje existem cerca de 1 bilhão de linhas telefônicas com fio em todo o mundo. Como já existem motivos suficientes para duvidar da primazia habitual das comunicações telefónicas com fio, os analistas estrangeiros começam a considerar as comunicações celulares como um serviço igual ao da rede fixa, e alguns até lhe dão primazia. O mercado global de serviços de comunicação celular em rápido desenvolvimento está atraindo a atenção de muitas empresas. Por exemplo, só na Rússia, cerca de duzentas empresas operacionais estão envolvidas neste negócio. O ritmo cada vez mais acelerado de desenvolvimento da sociedade exige urgentemente serviços mais personalizados, nomeadamente: a possibilidade de fazer uma conversa telefónica (e não só) com qualquer assinante, em qualquer lugar e a qualquer hora. Observe que a última frase se tornou verdadeiramente o lema das comunicações celulares atualmente. E não só ela. Vejamos agora com mais detalhes os componentes do mercado de comunicações celulares e alguns estágios históricos de seu desenvolvimento técnico e organizacional. Mas primeiro, uma pequena digressão lírica. Sobre os inícios Ao abordar um tema amplo, é útil começar pela terminologia para organizar um pouco o conhecimento que os leitores obtiveram anteriormente de outras fontes, bem como para delinear os limites da narrativa. Em relação ao exposto, em primeiro lugar, notamos que a comunicação celular é um tipo de radiocomunicação altamente móvel, que se distingue principalmente pelo atendimento massivo de assinantes em uma área limitada. Ao mesmo tempo, historicamente, as comunicações celulares têm expandido gradualmente o âmbito de serviço da rede telefónica pública (PSTN). Na verdade, o próprio termo “comunicações celulares” é um nome abreviado geralmente aceito para um serviço obtido utilizando redes móveis celulares implantadas baseadas em sistemas apropriados. Assim, este termo caracteriza as comunicações móveis. Essas longas discussões são necessárias para não confundir a rede celular e as comunicações celulares, porque a primeira significa um método de fornecer cobertura de rádio de um determinado território (portanto, pode ser usado para fornecer serviços de comunicação móvel e fixa), e o segundo significa um serviço na forma de transmissão e recepção de informações exclusivamente entre assinantes móveis da rede celular. Além disso, hoje pode ser não só fala, mas também dados, claro, a Internet. Deve-se lembrar que qualquer sistema de radiocomunicação operando com terminal de rádio de assinante com antena omnidirecional é, de uma forma ou de outra, móvel (e somente quando a antena está rigidamente fixada o movimento do assinante é impossível), pois o usuário pode se mover dentro da área de cobertura da estação base (BS) e ao mesmo tempo ser atendido por ela. Portanto, tais sistemas de comunicação podem ser divididos entre aqueles que atendem assinantes de baixa mobilidade que têm a oportunidade de se deslocar durante uma sessão de comunicação apenas dentro da área de serviço de uma BS (esses sistemas podem ser chamados de fixos), e aqueles que permitem um assinante altamente móvel para realizar uma sessão de comunicação contínua em movimento (inclusive muito rápido, mesmo a uma velocidade de 100 km/h ou mais) da área de serviço de uma BS para a área de outra BS e ainda dentro todo o território coberto pela rede. Esta é a verdadeira comunicação celular. Do exposto, pode-se concluir que o conceito de "comunicações fixas" é muitas vezes mal aplicado aqui, e se um sistema de comunicações de rádio consistir em apenas uma estação base de longo alcance, então geralmente pode fornecer comunicações de rádio móveis em sua área de serviço . Se a estação base for colocada num satélite, daremos um passo importante no sentido da criação de uma rede global (planetária) de comunicações por satélite. Mas vamos descer à terra e agora tratar dos “favos de mel”. As redes celulares receberam esse nome de acordo com o princípio celular de organização das comunicações, que é o seguinte. Na área de serviço da rede celular está instalado o número necessário das já mencionadas estações transceptoras base (BSs), cada uma das quais com sua própria área de cobertura de rádio relativamente pequena, sobrepondo-se um pouco à área de serviço das BSs vizinhas ( para garantir uma cobertura rádio contínua do território). Respondendo à pergunta lógica que surge na mente do leitor: “Por que isso é necessário?”, muitos autores de trabalhos sobre comunicações celulares costumam apresentar aproximadamente os seguintes argumentos: “para fornecer aos assinantes a capacidade de se mover”, “para garantir a compatibilidade eletromagnética de células vizinhas” para melhorar a qualidade da comunicação”. Tudo isto, claro, é verdade, mas, em primeiro lugar, os operadores de redes fixas também estão interessados numa boa cobertura rádio e, em segundo lugar, objectivamente, qualquer operador de redes celulares está sempre interessado em que a sua rede contenha menos células. E é ainda melhor se a rede geralmente for composta por apenas uma célula, porque esta é a mais simples e barata. Outra coisa é que isto normalmente não é possível de implementar na prática e, ao tentar servir simultaneamente um número significativo de assinantes agrupados numa área relativamente pequena, surge inevitavelmente a necessidade de um número adequado de canais de radiocomunicação. E o espectro radioelétrico é, como sabemos, um recurso natural explorado por muitos utilizadores, sempre escasso para todos. Incluindo aqueles que organizam diversas interfaces de rádio entre estações base e terminais de usuário (telefones celulares). Assim, a principal tarefa que qualquer rede celular resolve é a reutilização económica do mesmo recurso de radiofrequência atribuído ao operador da rede para cobrir o maior número possível de assinantes. Esta abordagem permite-nos resolver o problema do serviço de assinantes verdadeiramente massivo a um nível comercial sério. Sobre os benefícios das abelhas Agora, algumas palavras sobre os próprios favos de mel, ou, como também são chamados, células. A propósito, por que favos de mel? Sim, porque a área de cobertura de rádio ao redor da BS é geralmente um círculo. E das figuras equiláteras inscritas em um círculo (triângulos e quadrados não contam), apenas os hexágonos podem cobrir qualquer superfície sem quebras. Portanto, eles são utilizados como modelo matemático de uma rede celular. Também está claro que certa vez as abelhas adivinharam isso muito antes dos operadores de rádio. O tamanho das células/células de uma rede radiotelefônica celular na prática pode variar de dezenas de metros a dezenas de quilômetros, porém, suas menores variedades, organizadas em locais com concentração especial de assinantes (por exemplo, centros de negócios), são frequentemente chamadas de acordo com seu tamanho: pico ou microcélulas. Para aumentar a capacidade de assinantes, as células podem ser concebidas num desenho multissetorial (normalmente com três ou seis setores), o que equivale a uma organização económica de três ou seis células em vez de uma célula. Neste caso, o BS é um bloco de vários transceptores, cada um dos quais com sua própria antena direcional atende o setor correspondente da célula. Resta acrescentar que especialistas estrangeiros costumam chamar uma célula de uma rede celular, juntamente com o BS nela instalado, de “cell site”. Uma tarefa muito importante que o operador de muitas redes celulares para qualquer finalidade enfrenta é o planejamento de células de radiofrequência. Com efeito, se a tecnologia de interface de rádio de uma rede celular prevê a separação dos canais de rádio por frequência, então as células vizinhas não podem operar nas mesmas frequências de rádio e só podem ser reutilizadas recuando uma certa distância, dependendo das características técnicas. do B.S. Esta situação é muito comum, mas também muito desagradável para a operadora, pois a necessidade de organização de uma nova célula acarreta a necessidade de reescalonamento de frequência de extensos fragmentos de rede. No entanto, tais problemas não preocupam a todos. Falaremos sobre isso um pouco mais tarde. Em busca de um assinante A próxima coisa é muito importante. Digamos até que o conceito definidor nas comunicações celulares é o chamado relé de controle entre células quando um assinante passa de uma célula para outra. É esta capacidade que distingue as comunicações celulares das comunicações sem fio em geral. Este controle é fornecido não pela BS, mas por uma central de comutação especializada, que é o núcleo da rede e à qual estão conectadas todas as BS. Ao mesmo tempo, esta central, que em geral é um PABX especializado. incluído no TFOL. O controle de comutação está associado à organização de um novo canal de comunicação e à transferência para ele de uma conexão telefônica específica. Pode ser produzido de diferentes formas, denominadas “hard” ou “soft”, que dependem das tecnologias utilizadas na rede e serão discutidas a seguir. Por enquanto, vamos nos concentrar apenas no nome. Historicamente, na Europa, esse processo de mudança é mais frequentemente chamado de “transferência” e na América do Norte - “transferência”. Portanto, ao encontrar tais discrepâncias, não devemos nos surpreender. Ao considerar a transferência (nos concentraremos no nome mais curto), não podemos ignorar o caso em que um assinante passa da área de serviço de uma rede celular para a área de serviço de outra. Mas redes diferentes têm proprietários-operadores diferentes. O processo (bem como a possibilidade) de transferência de controle entre células/redes de diferentes proprietários não só recebeu o nome de “roaming” (vagabundo) no exterior, mas também foi firmemente estabelecido na grafia russa como “roaming”. É claro que, por um lado, o hand-off nada mais é do que roaming entre células vizinhas, mas os operadores de telecomunicações significam muito mais com roaming, nomeadamente, interacção entre operadores, para a qual, evidentemente, não só as características técnicas e os padrões de as redes devem coincidir, mas devem ser celebrados acordos adequados sobre política tarifária, acordos mútuos, etc. Além disso, as redes celulares não podem fazer fronteira entre si, o que sugere que o roaming é geralmente a capacidade de receber serviços nas redes de outros operadores (com os quais foram celebrados contratos de serviços) utilizando o mesmo telemóvel. Resta acrescentar que o roaming pode ser automático, quando o processo de transição de um operador para outro é percebido pelo assinante apenas pela correspondente indicação no terminal do assinante e pela fatura recebida. O roaming não automático envolve a notificação prévia do operador por parte do assinante sobre a possibilidade de viajar fora da rede com todos os inconvenientes que o acompanham, cujo grau depende da eficiência e capacidades do operador. Bem, o roaming mais universal e discreto, mas também o mais inconveniente, é simplesmente trocar de celular quando você viaja fora do alcance de sua “própria” rede. No entanto, se não pudermos utilizar o nosso terminal de assinante, então isto já não é roaming (embora alguns operadores ofereçam apenas este tipo de roaming!). Tecnologias de interface de rádio As comunicações celulares caracterizam-se pela possibilidade de multiacesso, o que implica a transmissão simultânea de informações através de um dispositivo por vários usuários em um canal de comunicação comum. Neste caso, a divisão do canal comum pode ser realizada por frequência (FDMA - Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência), tempo (TDMA - Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo) e código (CDMA - Acesso Múltiplo por Divisão de Código). As características dessas tecnologias são claramente mostradas na figura.
Na divisão de frequências, o espectro de transmissão é dividido em áreas atribuídas a diferentes utilizadores. Somente este método pode ser usado para comunicações celulares analógicas. Portanto, todos os padrões de comunicação celular analógica conhecidos são baseados nele: NMT, AMPS, TACS, etc. As desvantagens dos sistemas analógicos são agora óbvias: baixa imunidade ao ruído e a baixa qualidade de transmissão de voz associada, uso ineficiente do escasso espectro de rádio, falta de protecção contra escutas clandestinas, etc. Deve-se dizer também que os sistemas analógicos atingiram o seu pico de desenvolvimento em 1993, após o qual houve um declínio constante no número de seus assinantes, e após alguns anos deveriam abandonar completamente o mercado de comunicações devido à perda de interesse por parte das operadoras e assinantes.AMPS foi e ainda continua sendo o padrão analógico no mundo. Os outros dois métodos são usados em tecnologia digital e geralmente em combinação com divisão de frequência. No caso do acesso múltiplo por divisão de tempo, vários assinantes transmitem as suas mensagens na mesma radiofrequência, mas em horários diferentes, o que permite aumentar o volume do tráfego de voz e obter uma série de outras vantagens características dos sistemas de comunicação digital. Este método é baseado em padrões bem conhecidos de comunicação celular digital de banda estreita como GSM e sua versão DCS, bem como D-AMPS, que se tornou um desenvolvimento lógico (melhoria) do padrão AMPS. Existem também normas japonesas, mas seu alcance se limita exclusivamente ao território nacional. O princípio utilizado nos sistemas multiacesso CDMA é expandir o espectro do sinal de informação original (no nosso caso, a fala) por meio de um sinal especial com um envelope de formato único, que é uma espécie de código. Como você pode ver, neste caso, todos os assinantes operam nas mesmas radiofrequências, fazendo com que a rede celular CDMA não precise despender muito esforço no planejamento de frequências. No receptor, o sinal recebido do outro lado é processado por meio de um código idêntico, resultando na restauração do sinal de informação original. Ao mesmo tempo, os sinais de outros usuários deste receptor continuam a ser expandidos e são percebidos por ele apenas como “ruído branco”, que é a interferência “mais suave” que menos interfere no funcionamento normal do receptor. Claro. Nós retornaremos a isso mais tarde. E para explicar popularmente o princípio de funcionamento de tal sistema, nos referiremos a uma alegoria de muito sucesso “para especialistas e nem tanto”, que, ao explicar os fundamentos da tecnologia CDMA, costuma ser oferecida pela Motorola. Imagine uma sala onde muitos pares de pessoas conversam ao mesmo tempo e em idiomas diferentes. Cada um deles entende bem o seu interlocutor, e todas as conversas estranhas são percebidas como uma espécie de pano de fundo que não interfere particularmente na conversa. Esse, na verdade, é todo o princípio. É uma questão de técnica. Autor: A.Golyshko, Moscou
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