Telefonia celular - Noções básicas.
No período que precedeu os telefones celulares, as pessoas que realmente necessitavam de capacidade de comunicação móvel instalavam rádio-telefones em seus carros. No sistema de radiotelefonia, havia uma torre de antena central por cidade e possivelmente 25 canais disponíveis nesta torre. Essa antena central significava que o telefone em seu carro precisava de um transmissor muito potente, com capacidade suficiente para transmitir por cerca de 70 km. Isso também significava que poucas pessoas podiam usar os rádio-telefones: não havia canais suficientes.
A engenhosidade do sistema celular está na divisão de uma cidade em pequenas células. Isso permite uma extensiva reutilização de frequência ao longo de uma cidade, de modo que milhões de pessoas possam usar os telefones celulares simultaneamente.
Uma boa maneira de compreender a sofisticação de um celular é compará-lo a um rádio faixa do cidadão ou a um walkie-talkie.
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Full-duplex X half-duplex - tanto os walkie-talkies quanto os rádios da faixa do cidadão são dispositivos half-duplex. Ou seja, duas pessoas que se comunicam usam a mesma frequência, de modo que somente uma pessoa pode falar de cada vez. Um telefone celular é um dispositivo full-duplex. Isso significa que você usa uma frequência para falar e uma segunda frequência independente para a escuta. Ambas as pessoas podem falar ao mesmo tempo.
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Canais - um walkie-talkie tem um só canal, enquanto um rádio faixa do cidadão possui 40 canais. Já um telefone celular comum pode se comunicar em 1.664 canais ou mais.
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Alcance - um walkie-talkie pode transmitir a cerca de 1,6 km usando um transmissor de 0,25 watt. Um rádio faixa do cidadão, devido a sua potência muito maior, pode transmitir a cerca de 8 km, usando um transmissor de 5 watts. Os celulares operam dentro de células e podem trocar de células enquanto se movimentam entre elas. As células proporcionam um alcance incrível aos telefones celulares. Uma pessoa, utilizando um telefone celular, pode dirigir por centenas de quilômetros e manter uma conversa durante todo o tempo, graças à abordagem celular.
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Em um sistema de telefonia celular analógico nos Estados Unidos, o provedor de telefonia celular recebe cerca de 800 freqüências para usar ao longo da cidade. O provedor divide a cidade em células. Cada célula tem dimensão típica de cerca de 26 quilômetros quadrados. As células normalmente são imaginadas como hexágonos de uma grande grade hexagonal, como esta:
Como os celulares e as
estações-base usam transmissores de baixa potência,
as mesmas freqüências podem ser reutilizadas em
células não adjacentes. As duas células roxas podem
reutilizar as mesmas freqüências.
Cada célula tem uma estação-base, que consiste de uma torre e uma pequena construção que contém o equipamento de rádio. Falaremos mais sobre as estações-base posteriormente. Agora vamos dar uma olhada nas células que fazem o sistema celular.
Canais de telefone celular.
Uma única célula em um sistema analógico utiliza um sétimo dos canais de voz duplex disponíveis. Ou seja, cada célula (das sete em uma grade hexagonal) está usando um sétimo dos canais disponíveis, de modo que tem um conjunto exclusivo de freqüências e não há colisões:
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um provedor de telefonia celular recebe, normalmente, 832 freqüências de rádio para usar em uma cidade;
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cada telefone celular usa duas freqüências por chamada, ou seja, um canal duplex, de modo que normalmente há 395 canais de voz por provedor. As outras 42 freqüências são usadas para canais de controle; falaremos mais sobre isso posteriormente;
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assim, cada célula tem cerca de 56 canais de voz disponíveis.
Em outras palavras, em qualquer célula, 56 pessoas podem falar em seus celulares a qualquer momento. Os sistemas celulares analógicos são considerados tecnologia móvel de primeira geração ou 1G. Com métodos de transmissão digital (2G), o número de canais disponíveis aumenta. Por exemplo, um sistema digital baseado em TDMA pode comportar três vezes o número de chamadas de um sistema analógico - cada célula tem aproximadamente 168 canais disponíveis.
Os celulares usam transmissores de baixa potência . Muitos celulares têm duas intensidades de sinal: 0,6 Watt e 3 Watts (para comparação, a maioria dos rádios faixa do cidadão transmite com 4 Watts). A estação-base também transmite em baixa potência. Há duas vantagens nos transmissores de baixa potência:
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as transmissões de uma estação-base e os celulares dentro de sua célula não vão muito além daquela célula. Assim, na figura acima, ambas as células roxas podem reutilizar as mesmas 56 freqüências. As mesmas freqüências podem ser reutilizadas extensivamente ao longo da cidade;
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o consumo de energia do telefone celular, que normalmente é operado por bateria, é relativamente baixo. Baixa potência significa baterias pequenas, e isso possibilitou fazer telefones celulares bastante pequenos.
A abordagem celular requer um grande número de estações-base em uma cidade de qualquer tamanho. Uma grande cidade pode ter centenas de torres. Mas como muitas pessoas estão usando telefones celular, o custo para cada usuário permanece baixo. Cada provedor em cada cidade também opera uma central chamada de central de comutação de telefonia móvel (ou MTSO, a sigla em inglês). Essa central manipula todas as conexões telefônicas para o sistema telefônico baseado em terra e controla todas as estações-base naquela região.
Celulares analógicos.
 Foto cedida pela Motorola, Inc. Escola antiga: Celular DynaTAC, 1983 |
Em 1983, o padrão de telefone celular chamado AMPS (Sistema de Telefonia Móvel Avançado) foi aprovado pela FCC e usado pela primeira vez em Chicago. O AMPS usa uma faixa de freqüências entre 824 megahertz (MHz) e 894 MHz para os celulares analógicos. Para encorajar a competição e manter os preços baixos, o governo dos EUA exigiu a presença de dois provedores em cada mercado, conhecidos como provedores A e B. Um dos provedores era o provedor de intercâmbio local (LEC), uma maneira engraçada de chamar a companhia telefônica de lá.
Foram designadas 832 freqüências para cada um dos provedores A e B: 790 para voz e 42 para dados. Um par de freqüências (uma para transmitir e outra para receber) é usado para criar um canal. As freqüências usadas nos canais de voz analógicos são normalmente de 30 kHz de largura (30 kHz foi escolhido como o tamanho padrão porque proporciona qualidade de voz comparável a um telefone com fio).
As freqüências de transmissão e recepção de cada canal de voz são separadas por 45 MHz para impedir que elas interfiram umas nas outras. Cada provedor tem 395 canais de voz e 21 canais de dados para organização, como registro e paging.
Uma versão do AMPS conhecida como serviço de telefone móvel avançado de banda estreita (NAMPS, em inglês) incorpora alguma tecnologia digital para permitir que o sistema porte cerca de três vezes o número de chamadas da versão original. Apesar de usar tecnologia digital, ele ainda é considerado analógico. AMPS e NAMPS operam somente na banda de 800 MHz e não oferecem muitos recursos comuns no serviço de celular digital, como o e-mail e navegação na web.
Na próxima seção veremos a tecnologia dos celulares digitais e os métodos usados pela rede de telefonia celular.
Celulares digitais.
Os telefones celulares digitais representam a segunda geração (2G) da tecnologia celular. Eles usam a mesma tecnologia de rádio que os telefones analógicos, mas a utilizam de uma maneira diferente. Os sistemas analógicos não usam completamente o sinal entre o telefone e a rede celular. Os sinais analógicos não podem ser comprimidos e manipulados tão facilmente quanto um sinal verdadeiramente digital. Este é o motivo pelo qual muitas companhias de TV a cabo estão mudando para a tecnologia digital: elas podem colocar mais canais dentro de uma determinada largura de banda. É impressionante o quanto os sistemas digitais podem ser mais eficientes.
Os telefones digitais convertem sua voz em informação binária (1s e 0s) e em seguida a comprimem. Essa compressão permite que entre 3 e 10 chamadas de telefone digital ocupem o espaço de uma chamada analógica.
Muitos sistemas celulares digitais dependem somente da modulação por chaveamento da freqüência (FSK, em inglês) para enviar dados de um lado para outro com o AMPS. A FSK usa duas freqüências, uma para os 1s e a outra para os 0s, alternando rapidamente entre as duas para enviar a informação digital entre a torre de celular e o telefone. Esquemas de modulação e codificação engenhosos são requeridos para converter a informação analógica em digital, comprimi-la e convertê-la novamente enquanto se mantém um nível aceitável de qualidade de voz. Isso significa que os celulares digitais precisam conter muita capacidade de processamento.
