Uma rede de telefonia móvel é uma rede de telefonia que permite o uso simultâneo de milhões de telefones sem fio, estáticos ou em movimento, inclusive quando se viaja em alta velocidade por longas distâncias.
Para atingir esse objetivo, todas as tecnologias de acesso de rádio devem resolver o mesmo problema: distribuir da forma mais eficiente possível uma única banda de freqüência de rádio entre um grande número de usuários. Para isso, várias técnicas de multiplexação são utilizadas para a coabitação e separação de usuários e células de rádio: a multiplexação por divisão no tempo , a multiplexação em frequência e a multiplexação de código, ou mais frequentemente uma combinação dessas técnicas.
Uma rede de telefonia móvel possui uma estrutura “celular” que permite que as mesmas frequências sejam reutilizadas várias vezes; também permite que os usuários em movimento mudem de célula ( transferência ) sem interromper as comunicações em andamento. No mesmo país, nas horas de ponta, várias centenas de milhares ou mesmo vários milhões de dispositivos estão em serviço distribuídos (no caso do GSM) em apenas 500 canais disponíveis.
As redes de telefonia móvel usam ondas eletromagnéticas , assim como as redes de rádio , televisão , satélites e outras redes de comunicação privadas , como as reservadas para polícia, ambulância e outras. Para transmitir informações (binárias ou analógicas), um canal é usado. Em redes GSM, esse canal é transportado por uma frequência específica em torno da qual a onda é modulada. Preferimos manter um certo espaço entre os canais porque se suas frequências forem muito próximas, eles se invadem produzindo interferência.
Cada aplicação (rádio, televisão, telefones, etc.) foi atribuída a grupos de freqüência que variam dependendo do continente e, às vezes, até de país para país. Na Europa, a telefonia móvel GSM tem recebido (do órgão CEPT ) dois grupos de frequências: cerca de 900 MHz e cerca de 1800 mega hertz (MHz).
Primeiro foi necessário dividir cada um desses grupos em dois: uma banda de frequência para enviar sinais da antena de retransmissão para os telefones móveis , a outra para as transmissões dos telefones para a rede. Portanto, um para ser chamado e ouvido, o outro para chamar e falar.
Frequências históricas atribuídas às primeiras operadoras GSM na França no início de 2000 (desde então, a Bouygues Telecom e a Free mobile receberam bandas de frequência adicionais):
| Emissão (em MHz) |
Recepção (em MHz) |
|
| Grupo 1 |
890-915 |
935-960 |
| Grupo 2 |
1710-1785 |
1805-1880 |
Em seguida, vem a subdivisão em canais. Em GSM (para Global System for Mobiles ), a diferença de frequência entre dois canais adjacentes foi definida em 200 kHz ou 0,2 MHz . O grupo 1 definido acima pode, portanto, conter 125 canais (25 MHz / 0,2 MHz ) e o grupo 2 contém 375, perfazendo 500 no total. Se houvesse apenas um transmissor para toda a Europa , você só poderia fazer 500 chamadas por vez.
Um grande número de transmissores de curto alcance é instalado, cada um cobrindo apenas uma área geográfica bem definida chamada de “célula” (área coberta por uma antena ). Daí o termo "telefone celular". O alcance médio varia de 1 a 30 km . Assim, os telefones recebem ondas de rádio de uma estação base ( BTS ) e respondem a ela para indicar se desejam se conectar a ela. Se este aceitar, retém o número de identificação do dispositivo móvel ( número IMSI guardado no cartão SIM ), atribui-lhe recursos de rádio e retoma o contacto se chegar uma chamada para este telefone ou se o telefone fizer. Isso torna possível reutilizar as mesmas frequências de rádio milhares de vezes em um único país.
Essa solução, no entanto, representa um problema se todas as antenas adjacentes usarem as mesmas frequências para seus usuários. Se um deles estiver localizado na fronteira entre as duas zonas de alcance, ele recebe dois sinais que perturbam um ao outro.
As frequências usadas pelos transmissores foram então divididas. As antenas gerenciadas pelo BTS (para Estação Transceptora Base ) são frequentemente agrupadas em três em um poste ou em uma configuração equivalente, cada uma emitindo em um ângulo de 120 °, ou seja, 360 ° no total (3X120 °). Cada uma dessas antenas, portanto, suporta um terço das comunicações. No diagrama (válido apenas para o padrão GSM), cada cor (verde, azul, amarelo) mostra um grupo de frequências diferentes. Assim, eles criam um “tabuleiro de xadrez hexagonal” de células. Este tabuleiro de damas é acima de tudo uma visão da mente, as áreas que se sobrepõem e seu tamanho varia com o tempo, o número de usuários, etc. Cada antena usa um grupo de frequências de rádio diferente de suas vizinhas; as mesmas frequências são, portanto, apenas reutilizadas a uma distância que não crie interferência. Isso também permite que um móvel na borda de 2 ou 3 células ouça as células adjacentes para permitir uma mudança de célula “suave” ( transferência suave ).
Mas isso representa um problema para a localização do destinatário de uma chamada. Quando o telefone ( MS ) decide mudar de célula, informa através do BTS e do BSC , o VLR (Visitor Location Register) do qual depende a nova célula. Se o MSC (Mobile service Switching Center) tiver sido alterado , o HLR (Home Location Register) é contactado, este último contactando o MSC anterior . O usuário se identifica com o IMSI ( identidade de assinante móvel internacional ) ou com o TMSI ( identidade de assinante móvel temporária ) contido no cartão SIM do telefone, o TMSI sendo preferido por razões de segurança.
Para aumentar o número de usuários em uma área geográfica, pode-se aumentar o número de células reduzindo seu tamanho.
O TDM é bastante simples de executar digital. No telefone, a voz é digitalizada e, portanto, fornece um código binário ; este pode ser comprimido, ou em uma banda de freqüência de 200 kHz , é possível passar vários fluxos desses dados comprimidos. O telefone faz a varredura, compacta o som e o envia em “pacotes” a cada 20 milissegundos (GSM). Assim, é possível aninhar oito transmissões (7 pacotes de voz ou dados + 1 pacote de controle) por canal GSM.
Mesmo que a cobertura de rede seja muito extensa hoje, ainda existem áreas geográficas que não foram ou ainda não são cobertas por redes móveis: áreas brancas . Em todos os países, os provedores de serviços se esforçam para cobrir essas áreas quando a demanda justifica ou quando exigido por lei. Esta cobertura é muitas vezes conjunta, ou seja, realizada através de balcões financiados e partilhados pelos vários operadores do país; por extensão, o termo “zona branca” designa essas zonas compartilhadas (cerca de 3.000 municípios na França).
As redes GSM evoluíram para os padrões GPRS e Edge , otimizados para a transferência de dados ( MMS , acesso à Internet, etc.) que requerem velocidades superiores à telefonia (voz). Isso foi alcançado melhorando as técnicas de codificação de rádio e agrupando vários canais para permitir a transferência de dados em uma velocidade mais alta. Mas as antenas e a rede de rádio permanecem as mesmas: as mesmas frequências e os mesmos tabuleiros hexagonais com células de rádio adjacentes usando frequências diferentes para evitar interferência.
No GSM, as células de rádio adjacentes usam frequências diferentes (fator de reutilização variando de 1/3 a 1/7 dependendo do caso) o que implica dividir e distribuir as frequências alocadas a um operador entre várias células de rádio e, portanto, ter menos largura de banda (menos simultaneamente assinantes ativos) em cada célula.
Uma importante melhoria do UMTS sobre o GSM consiste na possibilidade de utilizar as mesmas radiofrequências em todas as células de rádio, graças a uma nova técnica de codificação ( W-CDMA ) e a um " código de codificação " (code d 'scrambling) para identificar cada célula. Consequentemente, isso torna possível atribuir uma largura espectral maior a cada célula (o padrão UMTS prevê 5 MHz por célula de rádio) e, portanto, ter no total uma largura de banda maior e mais throughput em cada célula.
Outra diferença é que o UMTS é otimizado para transportar dados com velocidades variáveis (vídeos, internet). A largura de banda já não se divide em canais de tamanho fixo (adaptados à voz), mas sim em uma alocação dinâmica de recursos que permite velocidades variáveis e irregulares (acesso à Internet).
Uma terceira diferença diz respeito à largura espectral atribuída a cada célula de rádio, o padrão UMTS dominante ( FDD ) fornece, para cada célula, uma largura espectral fixa de 2 × 5 MHz (uma banda para transmissão, outra para recepção), maior do que no GSM (que usa um máximo de dez a vinte canais de 200 kHz por célula). Uma evolução do padrão denominado DC-HSPA + , ou DC-HSDPA , permite agregar duas bandas de freqüência de 5 MHz no sentido downlink, para aumentar a taxa de recepção em uma rádio-célula para terminais compatíveis.
Em uma rede UMTS, em áreas de cobertura homogênea (macrocélulas), encontramos o mesmo tipo de tabuleiros hexagonais que o descrito acima para o GSM. As mesmas frequências de rádio são geralmente usadas em todas as células (isso é obrigatório para operadoras com apenas uma banda de frequência duplex de 2 × 5 MHz ).
A desvantagem é que, apesar da codificação WCDMA e dos " códigos criptográficos " permitindo que uma célula seja identificada, há interferência nas zonas na borda de 2 células adjacentes e o resultado é uma taxa de bits muito menor do que no centro do células, células de rádio; mudar as células de um terminal em movimento ( handover ) também é mais complexo com o risco de micro-cortes nas comunicações em curso, especialmente nas variantes “alta velocidade” ( HSDPA e HSPA +) do UMTS.
Para operadoras com várias sub- bandas de frequência UMTS de 5 MHz , existem três tipos de uso possíveis:
As redes LTE ( Long Term Evolution ), comercialmente conhecidas como 4G , representam uma mudança significativa em relação às redes GSM e UMTS. Os padrões que especificam as redes LTE vêm de 3GPP como os padrões UMTS, mas eles introduzem muitas modificações e melhorias.
Tal como o UMTS , o LTE é uma tecnologia celular que oferece a possibilidade de reutilizar as mesmas radiofrequências em células vizinhas, graças às rádios OFDMA e SC-FDMA e a uma codificação para identificar as células. Isso torna possível atribuir a cada célula uma largura espectral variando de 5 a 20 MHz e, portanto, ter uma banda passante maior e mais throughput em cada célula.
LTE e LTE Advanced são otimizados para transportar dados com velocidades fixas e garantidas (aplicações: televisão, telefonia, videotelefonia, reprodução de vídeo) ou com velocidades variáveis: internet , downloads, jogos interativos, cartografia ( geolocalização ). Isso é possível pela alocação dinâmica do recurso de rádio permitido pelas normas que definem a rede de acesso de rádio LTE " eUTRAN " e pela codificação OFDMA que permite o compartilhamento de bandas de frequência entre assinantes via multiplexação por divisão de tempo e frequência, com um muito curto base de tempo ( TTI : Transmission Time Interval ) (1 ms) para redistribuir a largura de banda do rádio entre os terminais ativos em cada célula.
A parte rádio da Rede de Acesso Rádio denominada “ eUTRAN ” é simplificada pela integração nas estações base “ eNode B ” das funções de controlo que foram implementadas nos RNCs ( Radio Network Controllers ) das redes UMTS. Para substituir a função de interconexão dos RNCs, links diretos entre o eNode B (chamados de X2) são usados.
O RAN de uma rede LTE é, portanto, limitado ao eNode B , antenas e links de fibra óptica para antenas remotas (links CPRI ) e aqueles que conectam o eNode B entre si e à rede central (rede backhaul ).
A rede central denominada “EPC” ( Evolved Packet Core ) ou “SAE” ( System Architecture Evolution ), é construída em tecnologias “full IP ”, ou seja, utilizando apenas protocolos de internet para sinalização, voz e transporte de dados.
No caso de coabitação com uma rede UMTS, o LTE requer cobertura de rádio e frequências de micro-ondas específicas e frequentemente antenas de retransmissão dedicadas (antenas MIMO ) que podem ser colocadas com as de uma rede UMTS.