O sistema Pan-Europeu GSM e o DCS 1800

O grande número de sistemas analógicos diferentes utilizados na Europa não representa uma situação ideal do ponto de vista do assinante. Isto, junto com a necessidade de acomodar o crescente número de usuários e compatibilizar com as redes fixas que evoluiram no sentido de sistemas digitais, levou o CEPT (Conférence Européenee des Postes et Télécommunications) a estabelecer um grupo deniminado "Groupe Spécial Mobile" em 1982. O trabalho do grupo tornou-se o sistema GSM (Global System for Mobile Communications)

Do novo sistema, primeiramente esperava-se que fosse fornecida uma melhor qualidade do serviço, roaming através de toda a Europa e transmissão de dados para fax, e-mail, arquivos etc. Um novo desenvolvimento oferecia ainda a oportunidade de especificar um sistema com baixo custo de implementação e com potencial de melhora na eficiência espectral. Finalmente, um alto grau de flexibilidade e abertura para futuros melhoramentos foi reconhecido como importante e considerado.

Originalmente, o GSM pretendia operar apenas em bandas no entorno de 900MHz. Em 1989, o Departamento de Indústria e Comércio do Reino Unido começou uma iniciativa que levou a alocação de 150MHz perto de 1.8GHz para redes de comunicações pessoais (PCN) na Europa, e à escolha do GSM como o padrão para as aplicações. Este sistema é chamado DCS1800, de Sistema Digital Celular 1800. Sua definição significou a tradução das especificações para a nova banda e a modificação de algumas partes para a acomodação de cobertura de micro e macrocélulas. Celular e PCN são certamente as aplicações mais proeminentes, mas o GSM atualmente está extendido para incluir chamadas de grupo e push-to-talk para aplicações móveis de rádio privadas (PMR).

A decisão de utilizar uma abordagem digital foi de certa forma óbvia, devido às vantagens já discutidas. O TDMA foi escolhido com 8 slots de tempo por canal de rádio. Cada usuário transmite periodicamente em todo oitavo slot (de duração de 0.57ms) e recebe no slot correspondente. Com esta abordagem, uma estação-base precisa apenas de um transceiver para 8 canais. Além disto, a alternância de transmissão/recepção de slot permite um relaxamento do requisito de filtro duplex para a unidade móvel. A atividade intermitente do transceiver da unidade móvel, fornece a oportunidade (entre as rajadas de transmissão e recepção na unidade móvel) de medir a intensidade dos sinais das estações-base, que cercam a unidade. Estas medidas são reportadas para a estação-base que está servindo no momento, e será utilizado para decisões de handover. Observe que contrário aos sistemas tradicionais FDMA, nenhum hardware adicional é necessário para achar estações-base candidatas.

Um sistema GSM tem no máximo 200 canais full-duplex por célula. Cada canal consiste de uma frequência de enlace reversa (da estação-base para a unidade móvel) e uma frequência de enlace para frente (da unidade móvel para a estação-base). Cada banda de frequência possui largura de 200 kHz.

Cada um dos 124 canais de frequência suporta 8 conexões separadas utilizando TDMA. Cada estação ativa recebe um slot de tempo em um determinado canal. Teoricamente, 992 canais podem ser suportados em cada célula, mas muitos deles não estão disponíveis, para evitar conflitos disponíveis com células vizinhas. Na figura 1, os 8 slots de tempo sombreados pertencem ao mesmo canal, quatro deles em cada direção. Se a estação móvel, que foi designada para 890.4/935.4 MHz e slot 2, quiser transmitir para a estação-base, esta utilizaria os quatro slots sombreados de baixo (e os que proseguissem no tempo), colocando os dados em cada slot até que todos os dados tenham sido enviados.

A compressão no tempo dos dados do usuário (22.8kb/s incluindo código de correção de erro) por um fator de aproximadamente 8 inerente ao formato TDMA, implica em uma expansão de banda do sinal por um fator correspondente. Isto tem consequências durante o enfraquecimento do sinal recebido. A presença de refletores como montanhas, morros, prédios e outros, acarreta em uma aglomeração de ecos. Em um sistema de faixa estreita, os caminhos de sinal resultantes não podem ser resolvidos a tempo. Com uma banda de 200kHz, por outro lado, algum grau de resolução se torna possível. Em GSM, a alternância de caminhos é estimada utilizando um meio-passo fixo (sequências de instruções no meio do slot). A interferência entre símbolos é resolvida com um equalizador de Viterbi, por exemplo. A interferência entre múltiplos caminhos é uma forma de diversidade, a qual, dependendo do ambiente, pode reduzir significativamente o enfraquecimento do sinal. Com unidades móveis se movendo a altas velocidades, erros residuais são corrigidos pela codificação convolucional de taxa ½ e interfoliação convolucional sobre 8 rajadas (sobre bits classe 1).

Em alguns ambientes como cidades (atrasos entre 1 e 2 s), 200kHz de banda não é mais suficiente para resolver o múltiplo caminho, e unidades móveis lentas podem experimentar longos erros em rajadas. A situação pode ser melhorada através da mudança de frequência de slot para slot (salto de frequência). Com diferentes padrões de salto utilizados em diferentes estações-base, a diversidade de interferência pode ser realizada. Isto é particularmente atrativo com transmissão discontínua (pausas na fala não são transmitidas)

Os slots TDMA são apenas uma parte de uma complexa hierarquia de enquadramento. Cada slot TDMA, tem uma estrutura específica. Uma versão simplificada é mostrada na figura 2. Nesta figura, pode-se observar que cada slot TDMA consiste de um quadro de dados de 148 bits. Cada quadro de dados começa e termina com 3 bits zero, com propósito de delineamento. Este contém ainda 2 campos de informação de 57 bits, cada um tendo um bit de controle que indica se o campo de informação em seguida é voz ou dados. Entre os campos de informação está o campo Sync (instrução), que é utilizado pelo receptor para sincronizar com o transmissor os limites do quadro. Um quadro de dados é transmitido em 547 s, mas só se permite que o transmissor envie um quadro de dados a cada 4.615ms, visto que este divide o canal com sete outras estações. A taxa total do canal é de 270883 bps dividido entre 8 usuários. Discontando o overhead, cada conexão pode enviar um sinal comprimido de voz ou 9600 bps de dados.

Cada 8 quadros de dados formam um quadro TDMA, e 26 quadros TDMA formam um multiquadro de 120 ms. Dos 26 quadros TDMA, o slot 12 é utilizado para controle e o 25 está reservado para usos futuros., portanto 24 estão disponíveis para utilização dos usuários.

Ainda, além do multiquadro de 26 quadros TDMA, utiliza-se também um multiquadro de 51 quadros TDMA. Alguns destes slots são utilizados para suportar diversos canais de controle utilizados para gerenciar o sistema. O canal de controle de broadcast é um fluxo contínuo de saída da estação-base contendo a sua identidade e o status do canal. Todas as unidades móveis monitoram a intensidade do canal para observar a mudança para uma nova célula.

O canal de controle dedicado é utilizado para atualização localização, registro e inicialização de chamada. Em particular, cada estação-base mantém uma base de dados de unidades móveis correntemente sob a sua jurisdição. A informação necessária para manter esta base de dados é enviada através do canal de controle dedicado.

Finalmente, existe um canal de controle comum, o qual é dividido em 3 subcanais lógicos. O primeiro é o subcanal de paginação, o qual a estação-base utiliza para anunciar chamadas. Cada unidade móvel monitora continuamente este subcanal para determinar quando deve responder. O segundo subcanal é canal de acesso aleatório, o qual executa um sistema Slotted Aloha para possibilitar que as unidades móveis requisite um slot no canal de controle dedicado. Utilizando este slot, a unidade móvel pode inicializar uma chamada. O slot designado é anunciado em um terceiro canal, o canal de permissão de acesso.

Na versão atual, o GSM suporta operação em taxa completa (22.8kb/s, 8 slots por frame) e meia taxa (11.4kb/s, 16 slots por frame). Codificadores de voz foram especificados para ambas as taxas e codificadores melhorados de taxa completa para aplicações de loop local de rádio (RLL) podem ser acomodados. Para dados, vários serviços síncronos e assíncronos a 9.6, 4.8 e 2.4 kbps são especificados para operação em meia taxa e taxa completa. Em particular, estes serviços de dados possuem interfaces com modems de áudio (exemplo, V.22 e V.32) e ISDN. Adicionalmente, um serviço de pacotes sem conexão está em preparo, com ênfase na interconexão com redes X.25 e a Internet.

Na área de celular, o GSM experimentou um grande crescimento desde o começo de sua implantação em 1993. Em novembro de 1994 já havia 2 milhões de assinantes por toda a Europa, e o sistema havia sido adotado por países não-europeus (um total de 26 países europeus e 26 não-europeus). Operadoras no Reino Unido e na Alemanha a implantação de redes DCS1800 recentemente. A cobertura não se encontra por todo o país ainda.

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