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Quarta-feira, Maio 18, 2022

O que é o serviço de celular 3G e por que ele está sendo desligado? Um engenheiro elétrico explica

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Torre de Celular Sunset

O sol está se pondo nas redes 3G. Crédito: Ted/Flickr, CC BY-NC

Em 22 de fevereiro de 2022, AT&T começou a desligar sua rede celular 3G. A T-Mobile está programada para desligar em 1º de julho de 2022, e a Verizon está programada para seguir o exemplo em 31 de dezembro de 2022.

A grande maioria dos celulares em serviço opera em redes 4G/LTE, e o mundo começou a transição para 5G, mas até 10 milhões de telefones nos EUA ainda dependem do serviço 3G. Além disso, as funções de rede celular de alguns dispositivos mais antigos como Kindles, iPads e Chromebooks estão vinculados a redes 3G. Da mesma forma, alguns sistemas mais antigos conectados à Internet, como segurança doméstica, navegação de carro e sistemas de entretenimento, e modems de painel solar são específicos para 3G. Os consumidores precisarão atualizar ou substituir esses sistemas.

Então, por que as operadoras de telecomunicações estão desligando suas redes 3G? Como engenheiro eletricista que estuda comunicações sem fio, Eu posso explicar. A resposta começa com a diferença entre 3G e tecnologias posteriores, como 4G/LTE e 5G.

Imagine uma viagem em família. Seu cônjuge está ao telefone organizando atividades para fazer no destino, sua filha adolescente está transmitindo música e conversando com seus amigos em seu telefone, e seu irmão mais novo está jogando um jogo online com seus amigos. Todas essas conversas e fluxos de dados separados são comunicados pela rede celular, aparentemente simultaneamente. Você provavelmente toma isso como certo, mas já se perguntou como o sistema celular pode lidar com todas essas atividades ao mesmo tempo, do mesmo carro?

Fones de ouvido para tablets no banco traseiro para crianças

Como funciona quando todos em seu carro estão usando serviços de dados e voz de celular ao mesmo tempo, e muitas pessoas nos carros ao seu redor também estão?

Comunicando todas essas mensagens

A resposta é um truque tecnológico chamado acesso múltiplo. Imagine usar uma folha de papel para escrever mensagens para 100 amigos diferentes, uma mensagem privada para cada pessoa. A tecnologia de acesso múltiplo usada nas redes 3G é como escrever todas as mensagens para cada um de seus amigos usando a folha inteira de papel, de modo que todas as mensagens sejam escritas umas sobre as outras. Mas você tem um conjunto especial de canetas com cores diferentes que permite escrever cada mensagem em uma cor única, e cada um de seus amigos tem um par de óculos especial que revela apenas a cor pretendida para aquela pessoa.

No entanto, o número de canetas coloridas é fixo, portanto, se você quiser enviar mensagens para mais pessoas do que o número de canetas coloridas que possui, precisará começar a misturar cores. Agora, quando um amigo aplicar suas lentes especiais, ele verá um pouco das mensagens para outros amigos. Eles não verão o suficiente para ler as outras mensagens, mas a sobreposição pode ser suficiente para desfocar a mensagem destinada a eles, dificultando a leitura.

A tecnologia de acesso múltiplo usada pelas redes 3G é chamada de acesso múltiplo por divisão de código, ou CDMA. Foi inventado pelo fundador da Qualcomm Irwin M. Jacobs com vários outros engenheiros elétricos proeminentes. A técnica é baseada no conceito de espectro espalhado, uma ideia que pode ser remonta ao início do século 20. Jacobs’ papel de 1991 mostraram que o CDMA pode aumentar a capacidade celular muitas vezes em relação aos sistemas da época.

O CDMA permite que todos os usuários de celular enviem e recebam seus sinais o tempo todo e em todas as frequências. Portanto, se 100 usuários desejam iniciar uma chamada ou usar um serviço de celular ao mesmo tempo, seus 100 sinais se sobrepõem em todo o espectro celular durante todo o tempo em que se comunicam.

Os sinais sobrepostos criam interferência. O CDMA resolve o problema de interferência permitindo que cada usuário tenha uma assinatura única: uma sequência de código que pode ser usada para recuperar o sinal de cada usuário. O código corresponde à cor em nossa analogia com o papel. Se houver muitos usuários no sistema ao mesmo tempo, os códigos podem se sobrepor. Isso leva à interferência, que piora à medida que o número de usuários aumenta.

Fatias de tempo e espectro

Em vez de permitir que os usuários compartilhem todo o espectro celular o tempo todo, outras técnicas de acesso múltiplo dividem o acesso por tempo ou frequência. A divisão ao longo do tempo cria intervalos de tempo. Cada conexão pode durar vários intervalos de tempo espalhados no tempo, mas cada intervalo de tempo é tão curto – uma questão de milissegundos – que o usuário do celular não percebe as interrupções de intervalos de tempo alternados. A conexão parece ser contínua. Esta técnica de fatiamento de tempo é o acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA).

A divisão também pode ser feita em frequência. Cada conexão recebe sua própria banda de frequência dentro do espectro celular, e a conexão é contínua durante sua duração. Esta técnica de fatiamento de frequência é o acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA).

Em nossa analogia com o papel, FDMA e TDMA são como dividir o papel em 100 tiras em qualquer dimensão e escrever cada mensagem privada em uma tira. FDMA seriam, por exemplo, faixas horizontais e TDMA seriam faixas verticais. Com tiras individuais, todas as mensagens são separadas.

As redes 4G/LTE e 5G usam acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal (OFDMA), uma combinação altamente eficiente de FDMA e TDMA. Na analogia do papel, OFDMA é como desenhar tiras ao longo de ambas as dimensões, dividindo o papel inteiro em muitos quadrados e atribuindo a cada usuário um conjunto diferente de quadrados de acordo com sua necessidade de dados.

Compartilhamento de acesso a recursos de rede sem fio

Diferentes técnicas de compartilhamento de acesso a recursos de rede sem fio. Entropia 2019, 21(3), 273, CC BY-SA

Fim da linha para 3G

Agora você tem uma compreensão básica da diferença entre 3G e os posteriores 4G/LTE e 5G. Você ainda pode perguntar razoavelmente por que o 3G precisa ser desligado. Acontece que por causa dessas diferenças na tecnologia de acesso, as duas redes são construídas usando equipamentos e algoritmos completamente diferentes.

Os aparelhos 3G e as estações base operam em um sistema de banda larga, o que significa que usam todo o espectro celular. 4G/LTE e 5G operam em sistemas de banda estreita ou multiportadoras, que usam fatias do espectro. Esses dois sistemas precisam de conjuntos de hardware completamente diferentes, desde a antena na torre de celular até os componentes do telefone.

Portanto, se o seu telefone for um telefone 3G, ele não poderá se conectar a uma torre 4G/LTE ou 5G. Por um longo tempo, os provedores de serviços de celular têm mantido suas redes 3G enquanto constroem uma rede completamente separada com novos equipamentos de torre e atendem novos aparelhos usando 4G/LTE e 5G. Imagine arcar com o custo de operar duas redes separadas ao mesmo tempo para a mesma finalidade. Eventualmente, um tem que ir. E agora, como as operadoras estão começando a implantar sistemas 5G a sério, chegou a hora do 3G.

Escrito por Mai Vu, Professor Associado de Engenharia Elétrica e de Computação, Tufts University.

Este artigo foi publicado pela primeira vez em A conversa.A conversa





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