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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

3G – TECNOLOGIAS E DESEMPENHO

Área de Telecomunicações

por

Paulo de Nhandé da Silva Barnabé

Profa. Ms. Débora Meyhofer Ferreira Orientador

Campinas (SP), Dezembro de 2007

ii

UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

3G – TECNOLOGIAS E DESEMPENHO

Área de Telecomunicações por

Paulo de Nhandé da Silva Barnabé

Relatório apresentado à Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Elétrica para análise e aprovação.

Orientador: Profa. Ms. Débora Meyhofer Ferreira

Campinas (SP), Dezembro de 2007

iii

Agradecimentos: Agradeço em especial à minha Avó Maria da Glória e ao

meu pai Arrigo que durante a minha vida foram as pessoas

que sempre mostraram-me a importância dos estudos.

Neste momento em especial eu agradeço a minha esposa

Patrícia que me acompanhou e me deu muita força nos

momentos finais do Curso.

iv

SUMÁRIO LISTA DE ABREVIATURAS............................................. v LISTA DE FIGURAS........................................................... vii LISTA DE TABELAS........................................................... viii LISTA DE EQUAÇÕES....................................................... ix RESUMO............................................................................... x ABSTRACT........................................................................... xi 1. INTRODUÇÃO............................................................ 1 1.1. OBJETIVOS.............................................................................................. 3 1.1.1. Objetivo Geral........................................................................................... 3 1.1.2. Objetivos Específicos................................................................................. 4 1.2. METODOLOGIA...................................................................................... 5 1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO.............................................................. 6

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA............................... 7 2.1. GERAÇÕES DE TELEFONIA MÓVEL E TECNOLOGIAS............ 7 2.1.1. Descrição das Gerações de Sistemas Celulares...................................... 8 2.1.2. Evolução para Transmissão de Dados.................................................... 17 2.1.3. Conceitos e Características do HSDPA.................................................. 19

3. PROJETO.................................................................... 22 3.1. TERMINAIS E PLACAS UTILIZADOS............................................... 23 3.1.1. Utilizados nos testes GPRS........................................................................ 23 3.1.2. Utilizados nos testes EDGE e HSDPA...................................................... 24 3.1.3. Utilizados nos testes 1XEVDO.................................................................. 26 3.2. SOFTWARES E ANALIZADORES DE PROTOCOLOS ...................28 3.2.1. Software Ping Ploter Versão 2.60 - Trial – Nessoft…………………… 28 3.2.2. Software NetPerSec - Versão 1.1 – By Mark Sweeney……………….. 29 3.2.3. Ferramenta de Download do Windows XP............................................. 29 3.2.4. Analisador de protocolo de rede Ethereal - Version 0.10.14................. 30 3.2.5. Analisador de Protocolo de soluções móveis K15 – Tektronix............. 30 3.3. RESULTADOS OBTIDOS ......................................................................... 31

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................39 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................ 40

v

LISTA DE ABREVIATURAS

AMPS Advanced Mobile Phone System 1xEV-DO 1x Evolution Data Optimized

1XRTT Single Carrier (1x) Radio Transmission Technology

3G Terceira Geração de Telefonia Móvel 3GPP 3rd Generation Partnership Project

BSC Base Station Control BTS Base Transceiver Station CS Circuit Switched CSD Comutação de Circuitos de Dados CDMA Code Division Multiple Access CDMA2000 Wideband Code Division Multiple Access 2000 DNS Domain Name System DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying E-DCH Enhanced Dedicated Channel

EDGE Enhanced Data for Global Evolution EIA Electronic Industries Alliance ERB Estação Radio Base FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access (FDMA) FTP File Transfer Protocol GPRS General Packet Radio System

GSM Global System for Mobile Communications GGSN Gateway GPRS Support Node HARQ Fast Hybrid Automatic Repeat Request

HSCD High Speed Circuit Switched Data HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSPA High Speed Packet Access (HSDPA + HSUPA) HS-PDSCH High Speed Physical Downlink Shared Channel HSUPA High Speed Uplink Packet Access HTML Hyper-Text Markup Language IS-136 Interim Standard 136 IS-54 Interim Standard 54 IP Internet Protocol ITU International Telecommunication Union

MAC Media Access Control

MSC Mobile Switching Center

MIMO Multiple Input Multiple Output

PC Personal Computer PCMCIA Personal Computer Manufacturers’ Card Interface Adapter PDC Personal Digital Cellular QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying QoS Quality of Service RSSI Received Signal Strength Indication SGSN Serving GPRS Support Node

vi

TCP Transmission Control Protocol TDMA Time Division Multiple Access TIA Telecomunicaton Industry Association TTI Transmission Time Interval UDP User Datagram Protocol UMTS Universal Mobile Telecommunication System USB Universal Serial Bus

UTRA Universal Terrestrial Radio Access UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network VAS Service Agregade Value VoIP Voice over Internet Protocol

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WLAN Wireless Local Area Network

vii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Expectativa de crescimento de número de usuários UMTS no mundo.............3

Figura 2. Comparativo de eficiência espectral................................................................18

Figura 3. Exemplo de Compartilhamento de Canais no HSDPA...................................20

Figura 4. Diversidade de Usuário....................................................................................21

Figura 5. Aparelho Nokia 6230i......................................................................................23

Figura 6. Driver Modem Nokia 6230i ............................................................................23

Figura 7. Cabo de Dados DKU-2....................................................................................24

Figura 8. Laptop HP Pavilion, Cabo DKU-2 e Aparelho Nokia 6230i...........................24

Figura 9. Vista Posterior Placa ZTE MF330...................................................................24

Figura 10. Vista Inferior Placa ZTE MF330...................................................................25

Figura 11. Software Placa ZTE MF330..........................................................................25

Figura 12. LapTop HP Pavilion e Placa ZTE MF330.....................................................26

Figura 13. Vista Inferior Placa Yiso C893......................................................................26

Figura 14. Vista Posterior Placa Yiso C893....................................................................26

Figura 15. Software Placa Yiso C893.............................................................................27

Figura 16. LapTop HP Pavilion e Placa Yiso C893........................................................27

Figura 17. Software Ping Ploter……………………………………………………......28

Figura 18. Software NetPerSec.......................................................................................29

Figura 19. Ferramenta de Download _FTP Windows XP...............................................29

Figura 20. Analisador de protocolo de rede Ethereal.....................................................20

Figura 21. Analisador de Protocolo de soluções móveis K15.........................................20

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Evolução para transmissão de dados para GSM - 1........................................17

Tabela 2. Comparativo para transmissão de dados evolução GSM – 2..........................17

Tabela 3. Evolução para transmissão de dados para CDMA..........................................18

Tabela 4. Categorias de dispositivos móveis HSDPA...................................................22

Tabela 5. Especificações Técnicas Aparelho Nokia 6230i..............................................23

Tabela 6. Especificações Técnicas Placa ZTE MF330....................................................25

Tabela 7. Especificações Técnicas Placa Yiso C893......................................................27

Tabela 8. Resultados Medições GPRS...................................................................................31

Tabela 9. Resultados Medições EDGE............................................................................32

Tabela 10. Resultados Medições 1XEVDO...........................................................................33

Tabela 11. Resultados Medições HSDPA.......................................................................34

ix

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1....................................................................................................................38

x

RESUMO

BARNABE, PAULO. 3G – Tecnologias e Desempenho. Campinas, 2007 . no f. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas, 2007

As normas e publicações de tecnologias 2G, 2.5G e 3G de transmissão de

dados para Telefonia Móvel apontam as diferentes taxas de velocidade de transmissão

de dados, onde geralmente é descrita a taxa máxima de transmissão de bits possível na

interface ar Down-Link (Estação > Aparelho Celular Móvel) / Up-Link (Estação >ERB,

BTS, Node-B, etc). Porém na prática sabemos que para o usuário essas taxas variam

geralmente para taxas menores, pois geralmente as taxas descritas nas normas

consideram situações ideais simuladas em laboratórios e demonstram as taxas de pico

conseguidas e não a taxa média que é a que o usuário geralmente têm como percepção.

Esse trabalho de conclusão de curso demonstra comparações teóricas e práticas

das tecnologias de transmissão de dados de telefonia celular GPRS, EDGE, 1x-EVDO e

HSDPA, focando na análise dos resultados obtidos com a tecnologia de terceira geração

HSDPA em relação às demais, de forma a se encontrar nos terminais e aplicações

utilizados quais são os fatores limitantes e de gargalo para as diferenças de velocidades

encontradas entre o que é descrito nas normas (teórico) e o real (prático).

Palavras-chave: 3G. Comparações. HSDPA

xi

ABSTRACT

The standards and publications of technologies 2G, 2.5Ge 3G about

transmission data for Wireless shows different rates of speed of data transmission,

which is generally described the maximum rate of transmission of bits possible in the

air interface Down Link (Station > Mobile Mobile Equipment) / Up Link (Station>

ERB, BTS, Node-B, etc.), but in practice we know that to the user such fees generally

small rates as described in the standards, since generally the rates described in the

standards consider ideal situations simulated in laboratories and shows the rates of

peak achieved and not the average rate that is that the user usually have the perception.

This work of completion of course comparisons shows a theoretical and

practical technologies of data transmission mobile GPRS, EDGE, 1x-EVDO and

HSDPA, focusing on the analysis of the results obtained with the technology for third

generation HSDPA to each on the used applications and device how are the

limiting factors and reasons for the differences in speeds found between what is

described in the standards (theoretical) and real (practical).

Keywords: 3G. Comparisons. HSDPA.

1

1. INTRODUÇÃO

3G ou Terceira Geração é um termo genérico que cobre várias tecnologias para

redes de telefonia sem fio do futuro, incluindo Wideband Code Division Multiple

Access 2000 (CDMA2000) e Universal Mobile Telecommunication System UMTS

(W-CDMA). Combina Internet móvel de alta velocidade com serviços baseados em IP

(Internet Protocol). Isto não significa apenas rápida conexão móvel para a World Wide

Web - libertando-nos de conexões lentas, equipamento pesado e pontos de acesso

imóveis. Capacita novos caminhos para se comunicar, informação de acesso, conduzir

negócios e aprender.

A UMTS é uma tecnologia de voz e dados de alta velocidade que faz parte da

família IMT-2000 de padrões de terceira geração (3G) da International

Telecommunication Union (ITU). A Wideband CDMA (WCDMA) utiliza a tecnologia

de rádio banda larga da UMTS. Assim, os termos “UMTS” e “WCDMA” são

frequentemente intercalados.

A UMTS funciona em vários espectros, inclusive as bandas de 850 e 1900

MHz, e as novas bandas de espectro de 1700/2100 MHz em oferta nos EUA e outros

países ocidentais. Alguns terminais UMTS vendidos, como modems, suporta múltiplas

bandas, oferecendo ainda mais opções para roaming. Nos últimos anos, a comunidade

GSM trabalhou muito para expandir o padrão UMTS, para assegurar seu uso em outras

bandas. Hoje, o padrão UMTS está disponível no mundo inteiro para as bandas de 800,

900, 1700, 1800, 1900, 2100 e 2600 MHz. A tecnologia também deve ser adaptada para

uso nas bandas de 450 e 700 MHz.

Hoje no Brasil equipamentos UMTS estão disponíveis para a banda de

850MHz a qual as operadoras Claro e Telemig estão utilizando em suas rede 3G recém

lançadas e que foi autorizado seu uso pela Anatel somente no inicio de Novembro, pois

inicialmente essa faixa de freqüência era destinada e utilizada por estas operadoras com

a tecnologia TDMA, essa freqüência beneficia as operadoras pois a propagação nessa

faixa de freqüência mais baixa determina um maior alcance devido ao menor

comprimento de onda, logo uma rede UMTS em 850 MHz é de tamanho ideal para

cobrir por exemplo uma região rural com uma densidade populacional baixa que não

possua tecnologias de Banda Larga disponíveis. [3GAM1]

2

WCDMA: trata-se da interface rádio do padrão de 3a Geração estabelecido

como evolução para operadoras GSM, já o High Speed Downlink Packet Access

(HSDPA): trata-se do serviço de pacotes de dados baseados na tecnologia WCDMA no

enlace direto (downlink), permitindo a transmissão de dados com picos de taxa (teórico)

de até 14.4Mb/s em uma banda de 5MHz, que possibilita oferecer banda larga móvel

com elevadas taxas de transmissão.

A maior novidade é que a rede HSDPA abre a concorrência com provedores de

internet convencionais ao oferecer serviços multimídia via telefone móvel com

qualidade elevada.

O HSDPA é um serviço de pacotes de dados, baseado no WCDMA, que

aperfeiçoa a transmissão de dados na direção do telefone celular (dawnlink ou enlace de

descida).

O High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) fará o mesmo para o enlace de

subida. Com o High Speed Packet Access (HSPA) será possível utilizar os canais do

HSDPA e HSUPA para VOIP.

Existem mais de 250 terminais HSDPA hoje no mercado, entre os quais

smartphones, PDAs, cartões PC, drives USB, notebooks com a tecnologia embutida e

até modems de mesa. Já foram anunciados terminais HSDPA/HSUPA com velocidade

médias superiores a 7,2 Mb/s de downlink. Quase todas as operadoras UMTS

implementaram HSDPA, e algumas já estão implementando HSUPA, que ambos

oferecem uma capacidade muito maior de transmissão de dados com uma redução

significativa nos custos de rede para serviços de dados.

A publicação 3G Américas acaba de publicar o relatório trimestral da

Informas World Cellular Information Service, que anuncia que o UMTS/HSDPA conta

com 117 milhões de assinantes e está disponível no dobro de operadoras de outras

tecnologias 3G. São 167 redes em 69 países, comparado às 71 operadoras disponíveis

em 44 nações do CDMA EVDO. Dos 172 milhões de assinantes 3G com a verdadeira

banda larga no mundo, 68% utilizam a UMTS/HSDPA, segundo dados do 2º trimestre

de 2007. [3GAM1]

Para se ter uma idéia da dimensão de alcance que se espera da

tecnologia UMTS, segue abaixo a expectativa de crescimento de número de usuários

UMTS no mundo:

3

Figura 1. Expectativa de crescimento de número de usuários UMTS no mundo

[3GPP1]

No Brasil a Vivo foi a primeira operadora de celular com uma rede 3G em

operação no Brasil. Ela possui uma rede CDMA 1XEVDO operando com cobertura

limitada em 24 municípios do Brasil. Ela oferece através desta rede o serviço VIVO

ZAP 3G para conexão à Internet.

A Claro e Telemig implementaram redes 3G WCDMA/HSDPA em 850MHz.

Essas redes entraram em operação em Nov/07.

1.1 OBJETIVOS

� 1.1.1 Objetivo Geral

As maiorias dos trabalhos existentes na literatura não demonstram medições

práticas do que temos em funcionamento hoje no Brasil.

Assim, o principal objetivo desse estudo é descrever a evolução das tecnologias

de telefonia móvel e por meio de uma análise teórica e prática levantar as taxas reais de

transmissão de dados que as operadoras têm oferecido em suas redes, focando na

tecnologia da 3º geração HSDPA, identificando os principais fatores no terminal móvel

e configurações que exerçam influência nas diferenças de velocidades entre o que é

descrito nas normas e o que as redes estão oferecendo para transmissão de dados. Essas

medições serão feitas com aparelhos celulares, placas de modem, analisadores de

desempenho e softwares de medição em dois pontos da Grande São Paulo.

4

� 1.1.2 Objetivos Específicos

Os objetivos são realizados com medições práticas de taxas encontradas nas

Operadoras de Telefonia Móvel Claro e Vivo em 2 locais da Grande São Paulo,

realizando medições com terminais utilizando as tecnologias GSM-GPRS, GSM-

EDGE, CDMA-1XEVDO e WCDMA-HSDPA focando-se em demonstrar as diferenças

de velocidades da rede 3G da Claro WCDMA- High Speed Downlink Packet Access

(HSDPA) em relação às demais tecnologias. São realizadas análises dos valores

encontrados nas medições, dos dados coletados nas interfaces entre alguns elementos

de rede, de forma a se encontrar nos terminais e aplicações utilizados, quais são os

fatores limitantes e de gargalo para as diferenças de velocidades encontradas entre o que

é descrito nas normas (teórico) e o real (prático).

1.2 METODOLOGIA

A metodologia utilizada nos testes foi a execução de diferentes medições com

as tecnologias de transmissão de dados móvel nos locais abaixo da região metropolitana

de São Paulo:

- Rua Flórida n° 1970, Brooklin, São Paulo, S.P (Próximo a Avenida Nações Unidas).

- Rua Manoel Pedro Pimentel n° 1970, Osasco, (Próximo ao Centro de Osasco).

Foram levantados em cada medição os seguintes parâmetros:

- Tempo de Latência (resposta): Cada medição foi feita durante 600s onde foi levantado

o tempo médio de respostas de todos os hosts (intermediários e finais) ao destino

alcançável, como destino dos pacotes foi utilizado o endereço de IP 216.155.200.155

correspondente à página http://www.altavista.com .

5

- Taxas máximas e médias de transmissão de dados alcançadas em bits por segundo na

recepção (downlink) e envio (uplink) durante as navegações web realizadas.

- Taxa média de download do arquivo: foi taxa média de transferência de dados durante

o download em Bytes por Segundo do arquivo SCAIME.CAB (2,05 MB) disponível no

endereço: ftp://ftp.bigpond.com/_win32/download/win32/EN

- Medições do ∆ time de resposta do pacote enviado que consulta de resolução de

página (UDP/DNS) ao site http://www.ig.com.br nas conexões estabelecidas, esse

valor é importante pois dá uma idéia de tempo de resposta utilizando-se o protocolo

(UDP) na porta 53_DNS e ter uma idéia de tempo resposta de um pacote que, ao

contrário do TCP, não é orientado a conexão; desta forma não há retransmissão. Os

servidores DNS são responsáveis em converter os nomes de domínios requisitados nos

IP`s dos servidores.

- Nas medições realizadas de GPRS, EDGE e HSDPA, foram coletados os PDP

Requests e Answers na interface GN (entre o SGSN e GGSN) que é um ponto comum

da rede independente da interface ar. A idéia foi mostrar os parâmetros de QOS do

pedido de criação do PDP Context feito do SGSN ao GGSN:

Parâmetros de Qos (desempenho)

- Peak Throughput.

- Mean Throughput.

- Maximum SDU Size.

- Maximum Bit Rate for Uplink.

- Maximum Bit Rate for Downlink

- Traffic Handling Priority.

- Transfer Delay.

- Guaranteed Bit Rate for Uplink.

- Guaranteed Bit Rate for Downlink

6

O 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

Os demais capítulos e os apêndices desta dissertação são esboçados a seguir.

Capítulo 2 – Fundamentação Teórica

Faz um descritivo teórico comparativo das 1º, 2º, 2,5º e 3º Gerações de

Telefonia Móvel e as suas evoluções para transmissão de dados descrevendo as

principais características de cada tecnologia, as suas evoluções e um comparativo de

taxas de transmissão de dados com a eficiência espectral e apresenta os conceitos

específicos e características do serviço de transmissão de pacotes de dados HSDPA.

Capítulo 3 - Projeto

Apresenta os resultados medições realizadas de taxa de dados nas redes

comerciais de Telefonia Móvel da Grande São Paulo e faz uma análise dos valores

obtidos.

Capitulo 4 – Considerações Finais

Conclui a dissertação.

7

• 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1. GERAÇÕES DE TELEFONIA MÓVEL E TECNOLOGIAS:

Nas últimas três décadas tivemos uma evolução muito rápida no

desenvolvimento da telefonia celular no mundo.

Em alguns momentos houve várias discussões em cima de quais deveriam ser as

tecnologias adotadas pelas operadoras e fabricantes levando em conta os riscos dessas

virem ou não a ser os padrões adotados pela maioria dos Países e Operadoras e com

uma escolha inadequada ter-se o risco da tecnologia não ser a mais difundida e

consequentemente vir a ter uma baixa produção em escala de móveis ou até mesmo a

tecnologia não ter uma evolução tão eficaz em relação a outras tecnologias.

Essa discussão ficou bem clara aqui no Brasil no momento da instalação da

primeira rede de telefonia celular no País onde se adotou-se em 1991 a tecnologia

Advanced Mobile Phone System (AMPS).

Essa discussão ocorreu novamente em 1998 com os leilões das Bandas B e

digitalização da Banda A existente, onde algumas Operadoras optaram pelo padrão

Time Division Multiple Access (TDMA) e outras pelo Code Division Multiple Access

(CDMA).

E por último essa discussão ocorreu novamente no inicio de 2002, onde algumas

operadoras migraram para o padrão GSM já apostando para a sua evolução natural para

o WCDMA e outras preferiram manter a sua rede CDMA e apostar na sua evolução

para as redes CDMA 1X.

A seguir será mostrado um descritivo teórico comparativo das 1º, 2º, 2,5º e 3º

Gerações de Telefonia Móvel, descrevendo os principais sistemas de cada geração e as

principais características de cada um destes sistemas.

Sempre se dando um enfoque nas características e evoluções de cada sistema no

que se referem à capacidades e velocidades de transmissão de dados.

2.1.1. Descrição das Gerações de Sistemas Celulares:

Abaixo serão descritos os principais sistemas de Voz e Dados das 4 Gerações de

Sistemas de Telefonia Móvel Celular e as suas principais características:

8

2.1.1.1. 1G - Sistemas analógicos:

2.1.1.1.1 - Advanced Mobile Phone System (AMPS): Foi a primeira geração de sistemas celulares a qual se formou por sistemas

analógicos. A mesma estabeleceu a estrutura e funcionalidades básicas associadas a

sistemas de Telefonia Móvel Celular como roaming e handover entre células. O AMPS

foi desenvolvido pelo Bell Labs nos Estados Unidos (1979) e entrou em operação em

1983. Foi padronizado pela EIA-553 e serviu de base para os demais sistemas

analógicos como o TACS no Reino Unido [WIKI1].

A Banda do AMPS foi dividida em canais de RF, onde cada canal consiste de um

par de freqüências (Transmissão e Recepção) com 30 kHz de banda cada. A Banda total

ocupa 12,5 MHz e foi composta por 416 canais, sendo 21 canais de controle e os demais

de voz. Os canais no AMPS utilizam a Frequency Division Multiple Access (FDMA)

que consiste na divisão do espectro de frequências em bandas alocadas para cada

comunicação celular .

2.1.1.2. 2G - Sistemas digitais que apresentam taxas entre 9,6 e 14,4 Kb/s:

2.1.1.2.1. Time Division Multiple Access (TDMA):

O TDMA foi definido inicialmente com o Interim Standard 54 (IS-54) que foi

a primeira geração de padrão da tecnologia TDMA, implementada em 1992 e atualizada

para o padrão Interim Standard 136 (IS-136) em 1996, as duas foram normas

desenvolvidas nos Estados Unidos pela TIA/EIA que estabeleceram a padronização de

sistemas celulares digitais de segunda geração baseados em acesso múltiplo por divisão

de tempo.

O canal TDMA é definido pelas combinações de porção da banda (faixa) e

slots alocados ao usuário para o link direto e reverso. A transmissão entre móvel e

estação rádio base é feita de forma não contínua e sim em rajadas, ocorrendo apenas no

instante de tempo(slot) reservado para que o móvel transmita e/ou receba. Nos demais

instantes de tempo, outros usuários podem ter acesso à mesma portadora sem portanto

que as comunicações interfiram entre si. A estrutura de transmissão de dados é

9

implementada através de um frame de 40ms com 6 intervalos(slots) de tempo com

6,66ms cada.

Cada chamada telefônica utiliza dois intervalos de tempo sendo, portanto

possíveis até três conversações utilizando a mesma banda de 30 kHz de um canal de voz

do AMPS. Cada conversação tem uma taxa bruta de 16,2 Kb/s e a modulação utilizada

no canal é do tipo ¶/4-DPSK.

O canal de controle no TDMA (IS-136) é digital e permite a implantação de

serviços de mensagens curtas (SMS). Aplicações de dados foram suportadas por uma

tecnologia utilizada para implantação do denominada CSD ou comutação de circuitos de

dados. O CSD adapta o mesmo canal comutado de tráfego digital de voz para o tráfego

de dados. As taxas máximas de transmissão de dados alcançadas nesta tecnologia se

limitavam a 9,6 Kb/s.

2.1.1.2.2. Personal Digital Cellular (PDC):

Padrão de telefonia celular de 2º geração digital usado no Japão. Segue as

especificação TDMA, com três slots multiplexados em cada portadora, similar ao IS-54.

O espaçamento dos canais é de 25 KHz com interfoliação para facilitar a transição do

analógico para o digital. A taxa da sinalização RF é de 42kb/s e a modulação é ¶/4

DQPSK. Uma importante característica do PDC é o handoff assistido pela unidade

móvel, o qual facilita o uso de pequenas células para reuso de freqüências eficiente. Um

total de 80 MHz foi alocado para o PDC no Japão.

As bandas de freqüências foram 810-826 MHz emparelhados com 940-956

MHz e 1429-1453 MHz emparelhados com 1477-1501 MHz. Aparelhos de fax do grupo

três (2.4 Kb/s) assim como transmissões de modem foram suportados nessa tecnologia

utilizando um adaptador para promover a requerida qualidade de transmissão [GTAU].

2.1.1.2.3 Code Division Multiple Access (CDMA) :

Foi definido e conhecido inicialmente como Interim Standard 95 (IS-95), o

mesmo usa uma técnica de acesso múltiplo por espalhamento espectral (spread

spectrum) conhecida como seqüência direta Direct Sequence CDMA (DS-CDMA). O

princípio do spread spectrum é a utilização de ondas portadoras similares ao ruído e com

10

largura de banda muito maior do que a requerida para uma simples comunicação ponto a

ponto com a mesma taxa de dados, o espalhamento espectral é uma técnica de

transmissão de rádio desenvolvida pelos militares norte-americanos com o intuito de

prevenir o problema de interferência intencional pelo inimigo e promover o sigilo na

comunicação. Durante uma chamada, um código binário é designado a cada assinante. O

código DS é um sinal gerado por modulação linear através de seqüências de Ruído

Pseudo-aleatório (PN) em banda larga, como resultado o DS-CDMA utiliza sinais muito

mais longos dos que os utilizados nas outras tecnologias.

Sinais de banda larga reduzem interferência e permitem reuso de freqüência

em cada célula. Não há divisão no tempo, e todos os usuários usam toda a largura de

banda da portadora durante todo o tempo. As taxas máximas de dados para o CDMA se

limitam a 14,4 Kb/s.

2.1.1.2.4. Global System for Mobile Communications (GSM):

O GSM diferencia-se muito de seus predecessores sendo que o sinal e os

canais de voz são digitais o mesmo é um padrão aberto desenvolvido pela 3rd

Generation Partnership Project (3GPP).

Os métodos utilizados pelo GSM para gerir as frequências é uma combinação

de duas tecnologias: o TDMA (Time Division Multiple Access) e o FDMA (Frequency

Division Multiple Access). O FDMA divide os 25 MHz disponíveis de frequência em

124 canais com uma largura de 200 kHz , uma ou mais destas frequências é atribuída a

cada estação base e dividida novamente em termos de tempo utilizando o TDMA em

oito espaços de tempo (timeslots).

O terminal utiliza um timeslot para recepção e outro para transmissão, eles

encontram-se separados temporalmente para que o móvel não tenha que receber e

transmitir ao mesmo tempo. Esta divisão de tempo também é chamada de full rate. As

redes também podem dividir as frequências em 16 espaços, processo de designado de

half-rate, mas a qualidade da transmissão é inferior.

A voz é codificada de uma forma complexa, de forma a que erros na

transmissão possam ser detectados e corrigidos. Em seguida é enviada nos timeslots,

cada um com uma duração de 577 milisegundos e uma capacidade de 116 bits

11

codificados. Por ser um sistema de 2º geração as taxas máximas para transmissão

também se limitavam à 14,4 Kb/s.

2.1.1.3. 2,5G - Sistemas que oferecem serviços de dados por pacotes sem

necessidade de estabelecimento de uma conexão (conexão permanente) a

taxas de até 384Kb/s:

2.1.1.3.1. General Packet Radio System (GPRS):

As redes GSM precisavam inserir um passo a mais na transmissão de dados,

pois, apesar do High Speed Circuit Switched Data (HSCD) ter aumentado a taxa de

transmissão de dados com utilização de oito Timeslots, as redes continuavam

trabalhando com comutação por circuito, reduzindo a eficiência da Mobile Switching

Center (MSC) e dificultando um modelo de cobrança adequado para o usuário, que

acabava pagando por tempo de conexão.

O GPRS aumenta as taxas de dados das redes GSM permitindo o transporte

de dados por pacotes. Os aparelhos telefônicos GPRS são capazes de transferirem dados

a taxas muito mais altas que os 9,6 Kb/s ou 14,4 Kb/s disponíveis inicialmente aos

usuários de telefones móveis de 2º geração. Em circunstâncias ideais, o GPRS pode

operar a taxas de até 171,2 Kb/s, entretanto, a taxa de dados média está em torno de 40

Kb/s, com o uso de um timeslot para o uplink e três para o downlink.

Diferentemente da tecnologia 2G de comutação de circuitos, o GPRS é um

serviço “sempre ativo”, ele permite que as operadoras GPRS forneçam acesso à Internet

a um custo razoável, tarifando os usuários dos telefones móveis pela quantidade de

dados que eles transferem, e não pelo tempo em que ficam conectados à rede.

Os principais elementos da nova infra-estrutura são chamados de GGSN - Gateway

GPRS Support Node e SGSN - Serving GPRS Support Node. O GGSN provê a

interconexão com outras redes como a Internet ou redes privadas, enquanto SGSN

busca a localização dos dispositivos móveis e faz o roteamento dos pacotes de tráfegos

para eles. A capacidade do GPRS pode ser adicionada aos aparelhos celulares e também

pode ser disponibilizada para dispositivos de dados como modem de computadores.

12

2.1.1.3.2. Single Carrier (1x) Radio Transmission Technology (CDMA 1XRTT):

Também conhecido como CDMA/IS-95-C, CDMA 1xRTT ou cdma2000

1xRTT, é um serviço de transmissão de dados sem fio para aparelhos celulares baseados

na plataforma CDMA. Mantém a compatibilidade com os sistemas CDMA (IS-95) e sua

estrutura de canais de RF de 1,25 MHz. O mesmo surgiu para fornecer aos usuários um

acesso pelo terminal móvel com uma taxa máxima de 153,3 Kb/s, a taxa de transmissão

de dados típica é de 40 a 70Kb/s, a interface aérea definida pelo protocolo IS-2000

permite uma capacidade de voz adicional, em relação aos sistemas Cdmaone (IS-95-

A/B), numa mesma portadora de 1,25 MHz.

Existe o questionamento sobre a possibilidade de se considerar o sistema

1XRTT como 3G, devido algumas semelhanças que este possui em relação ao sistema

WCDMA. Na realidade o sistema 1XRTT tem certas restrições e não atende a todas as

especificações de um sistema de terceira geração.

2.1.1.3.3. Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE):

Representa uma fácil evolução do padrão GPRS rumo à terceira geração,

possibilitando à operadora oferecer maiores taxas de dados, usando a mesma portadora

de 200 Khz. O EDGE está relacionado ao aumento da capacidade de transmissão da

interface aérea no corrente padrão GSM. A principal idéia é adicionar novas

características na rede GSM mantendo compatibilidade com os telefones celulares

GSM/GPRS e com os equipamentos da rede.

A primeira alteração que deve ser destacada é a modulação do sistema, pois no

sistema GSM é baseado na modulação GMSK (um bit/símbolo) e no EDGE vamos

observar a utilização do 8PSK (três bits / símbolo), possibilitando triplicar a taxa de

transmissão de dados. Todos os blocos da rede GSM/ GPRS continuam operando, sendo

necessário atualizar os softwares das BTS para possibilitar o funcionamento das

modulações GMSK e 8PSK, além da troca da placa PCU por uma placa EPCU na BSC

que também sofre atualização de software.

A Taxa máxima encontrada na prática é de 384Kbps e uma média de 110 a

120Kb/s em uma rede carregada.

13

2.1.1.4. 3G - Sistemas celulares que oferecem taxas de dados acima de

384Kb/s.

2.1.1.4.1. Evolution Data Only (CDMA 1XEVDO):

É a evolução da rede digital CDMA 1xRTT que permite acesso à internet em

alta velocidade, com uma conexão de dados de até 2,4Mb/s, a taxa de transmissão de

dados típica é de 300 a 500 Kb/s. Foi desenvolvido para operar em uma portadora de

1,25 MHz, ocupando a mesma quantidade de espectro utilizado nos sistemas CDMA

anteriores (cdmaOne, cdma2000 1x). Devido às características similares de RF, é

bastante natural a integração do 1xEV-DO com as redes CDMA existentes reutilizando

infra-estrutura das ERBs, antenas e equipamentos de transmissão e recepção [TELE1].

Outra vantagem do 1xEV-DO é o de alocar um canal de freqüência para

transportar apenas pacotes IP, o que resulta em um uso muito mais eficiente dos recursos

da rede permitindo a transmissão de dados na taxa de 2.4Mb/s no downlink. O 1xEV-

DO está preparado para operar nas faixas de freqüência de 450MHz, 850MHz e 1,9GHz

facilitando a implementação por operadoras que já tenham licença para essas bandas. O

sistema usa o Protocolo da Internet (IP) como transporte, suportando assim todas as

aplicações e protocolos que sejam compatíveis com IP. 1xEVDO que é o Release B,

previsto para 2008, permite a agregação de portadoras.

A principal meta no desenvolvimento do 1xEV-DO foi a de prover máxima

utilização do espectro para suportar serviços de dados sem se preocupar com serviços

como voz (comutada a circuito) que tem características bastante diferenciadas. Assim,

foram empregadas diversas técnicas no nível físico e MAC que não seriam possíveis se

voz também estivesse sendo considerada no padrão. Dentre elas, foram inclusas técnicas

de controle adaptativo de taxas, vários tipos de modulação e codificação, turbo codes de

baixa taxa, redundância incremental, diversidade multi-usuário, soft-handoff virtual e

controle de erro de pacotes adaptativo. No enlace direto (BTS para terminal), o 1xEV-

14

DO utiliza divisão no tempo de sua portadora, fazendo com que a BTS transmita a um

usuário por vez com toda a sua potência, maximizando as taxas observadas por este

usuário. [QUAL1].

2.1.1.4.2. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) / Wideband Code

Division Multiple Access (WCDMA) Rel-99:

O Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) é o termo adotado

para designar o padrão de 3ª Geração estabelecido para a rede das operadoras de celular

como evolução para operadoras de GSM e que utiliza como interface rádio o Wideband

CDMA (WCDMA) e suas evoluções. Definido pela ITU como padrão 3G que suporta

voz e dados em alta velocidade. A interface rádio Uu entre terminal do usuário e sua

rede terrestre de acesso rádio (UTRAN) é baseada no (WCDMA) que é um padrão de

interface rádio, entre o terminal celular e a Estação Rádio Base, desenvolvido para o

UMTS e padronizado pela UIT. O WCDMA tem dois modos de operação:

• Frequency Division Duplex (FDD), no qual os enlaces de subida e descida

utilizam canais de 5 MHz diferentes e separados por uma freqüência de 190

MHz.

• Time Division Duplex (TDD), no qual o link de subida e descida compartilham

a mesma banda de 5 MHz.

Os sistemas iniciais utilizam o WCDMA FDD. O modo TDD deve ser desenvolvido no

futuro. O WCDMA utiliza como método de múltiplo acesso o CDMA de Seqüência

Direta (DS-CDMA), com os vários terminais compartilhando uma mesma banda de

freqüências e utilizando códigos diferentes de espalhamento espectral, tanto o WCDMA

como o Cdma2000 1x utilizam CDMA como método de múltiplo acesso, mas

apresentam diferenças, o Cdma2000 1x manteve a banda por portadora em 1,25 MHz de

modo a manter a compatibilidade com os sistemas CDMA (IS-95) existentes.

Já o WCDMA, por estar implantando uma interface totalmente nova pode

ampliar esta banda para 5 MHz. [TELE2]

2.1.1.4.3. High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) Rel- 5:

15

É um serviço de pacotes de dados, baseado no WCDMA, que aperfeiçoa a

transmissão de dados na direção do telefone celular (downlink), sendo que aplicativos

corporativos e de rich multimídia desenvolvidos para a WCDMA funcionarão com a

HSDPA. A maioria dos fornecedores de UMTS adotou essa tecnologia.

O HSDPA realiza o potencial da WCDMA de oferecer serviços de banda

larga, possuindo os mais altos índices de transferência de dados de qualquer tecnologia

celular de dados especificada. Os benefícios de maior eficiência de espectro e maior

velocidade permitem o desenvolvimento de novos tipos de aplicativos, e também

permitem um número maior de usuários na rede já que a HSDPA oferece três vezes mais

capacidade que a WCDMA. Em termos do desempenho de aplicativos em tempo real,

como vídeo streaming ao vivo e jogos multiplayer, o HSDPA atualiza a tecnologia

WCDMA, reduzindo a latência da rede (projetado para menos que 100 ms) oferecendo

assim melhores tempos de resposta.

O HSDPA alcança altas velocidades aproveitando das mesmas técnicas que

aumentam o desempenho EDGE comparado com a GPRS. Essas técnicas incluem a

inclusão de modulação de ordem maior 16 Quadrature Amplitude Modulation (16

QAM), códigos de erros variáveis e redundância incremental, além de acrescentar novas

técnicas poderosas como alocação rápida de pacotes.

Através dos métodos descritos acima o HSDPA maximiza a transmissão de

dados e a capacidade enquanto minimiza latência. Para o usuário, isso significa melhor

desempenho da rede mesmo em condições de tráfego pesado e desempenho mais rápido

de aplicativos.

2.1.1.4.4. High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) Rel-6:

Também chamado de (E-DCH), enquanto o HSDPA aperfeiçoa o desempenho

downlink, o High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) que utiliza um Enhanced

Dedicated Channel (E-DCH) constitui uma série de ajustes que otimiza a performance

do uplink. Esses aperfeiçoamentos incluem melhora de taxa (throughput), redução de

latência e aumento da eficiência spectral. HSUPA é standartizada no Release 6, o

mesmo resulta em uma ganho aproximado de 85% de aumento na taxa de uplink na

célula e aproximadamente 50% no taxa para o usuário. O HSUPA também reduz delay

de pacotes, a melhora do uplink vai beneficiar as aplicações que transmitem grandes

16

quantidades de pacotes de dados à partir do aparelho móvel, como envio de vídeo clips

ou grandes arquivos de apresentações. Para futuras aplicações o HSUPA consegue esses

ganhos de desempenho através de:

• Baixo intervalo de tempo de transmissão, menor que 2 ms, que permite

rápidas respostas de mudanças de rádio às condições de erro.

• Node-B baseado em rápido agendamento, que permite à base station (Node

B) uma eficiente alocação de recursos de rádio.

• Fast Hybrid ARQ, que melhora a eficiência de processamento de erro, a

combinação de Baixo intervalo de tempo de transmissão, rápido

agendamento também serve para diminuir a latência, o que beneficia várias

aplicações assim como melhora a taxa de transmissão.

O HSUPA pode operar sem o HSDPA no downlink, mas é mais apropriado que

uma rede utilize o HSDPA. Podemos ter várias taxas de transmissão baseado no número

de códigos utilizados, o fator de espalhamento dos códigos, valor de tempo de

transmissão e tamanho em bytes os blocos de transporte.

2.1.1.4.5. High Speed Packet Access (HSPA) Rel 7:

Também conhecido como Evolução HSPA, definido em 3GPP versão 7. O

HSPA o aumenta as taxas de dados fornecendo picos de até 42 Mb/s no downlink e 11

Mb/s no uplink.

É uma junção dos padrões HSDPA e HSUPA, podem ser alcançadas taxas de

transmissão de dados maiores com a adoção de novos padrões de modulação, tanto no

uplink (16QAM) como no downlink (64QAM). A modulação 16QAM permite picos de

taxas transmissão de dados de até 12 MB/s no uplink, enquanto a modulação 64QAM

permite picos de taxas transmissão de dados de até 21 MB/s no downlink.

Além disso, as novas versões do HSPA irão suportar o mecanismo de múltipla

entrada e múltiplo saído MIMO 2x2 (Multiple Input Multiple Output). Esse mecanismo

utiliza duas antenas para dobrar o pico da taxa de transmissão de dados no downlink, ou

seja, permite alcançar picos de taxa de transmissão de dados de até 28 Mb/s. Quando o

mecanismo MIMO 2x2 é combinado com a modulação 64QAM, aí se podem alcançar

17

picos de taxa de transmissão de dados de até 42 Mb/s no downlink. Da mesma forma, a

latência também é reduzida nas novas versões do HSPA.

As características tornam a tecnologia uma excelente candidata a suportar a

nova geração de VAS (Serviços de Valor Adicionado) que muitos consideram que no

futuro será a principal fonte de receita das operadoras. [TELE3].

2.1.2. Evolução para Transmissão de Dados:

As tabelas abaixo descrevem um comparativo de largura de faixa e de taxas de

transmissão de dados máximas (pico e médias) teóricas entre tecnologias que evoluem

do GSM e CDMA, alguns valores são expectativas futuras de taxas esperadas:

Tabela 1. Evolução para transmissão de dados para GSM - 1.

Espectro

Atual: 900 e 1800 MHz (Europa)

1900 MHz (EUA e Fezes da

América)

Novo: 1700/2100/2600 MHz e Atuais:

850MHz e 1900MHz

Geração 2 G 2,5 G 2,5/3 G 3 G

Tecnologia GSM GPRS EDGE WCDMA (UMTS) HSDPA e HSUPA

(WCDMA)

Taxa máx. (kb/s) 14,4 171,2 384 2.000 14.400

Taxa média (kb/s) - 30-40 100-130 220-320 550-1100

Canalização (kHz) 200 200 200 5.000 5.000

Tabela 2. Comparativo para transmissão de dados e releases de Aparelhos Móveis GSM – 2.

18

Tabela 3. Evolução para transmissão de dados para CDMA.

Espectro Atual: 800 MHz e 1900 MHz

Geração 2 G 2,5 G 3 G

Tecnologia CDMA e (IS-95-A) CDMA2000 1X CDMA 1xEV-DO

Taxa máx. teórica

(Kb/s) 14,4 153,6 2.400

Taxa média (Kb/s) - 40-70 300-500

Canalização 1,25 MHz 1,25 MHz 1,25 MHz

A figura abaixo faz um comparativo de eficiência espectral das tecnologias

comparando as taxas máximas com a largura de banda:

19

Figura 2. Comparativo de eficiência espectral.

20

2.1.3 Conceitos e Características do HSDPA:

Esse sub-capítulo apresenta os conceitos específicos e características do

serviço de transmissão de pacotes de dados High Speed Downlink Packet Access

(HSDPA) release 6.0 HSDPA é um serviço de transmissão de pacotes de dados que

opera dentro do UMTS / WCDMA. A primeira demonstração em uma rede comercial

foi feita em Novembro de 2003 em uma base station em Swindon, UK. Em 2006 no

congresso 3GSM realizado em Barcelona os fabricantes demonstraram transmissões em

HSDPA onde o downloading alcançou taxas de velocidade de 3.6 Mbps (três vezes mais

rápido que o UMTS Release 99) , para os testes feitos com o móvel em deslocamento

chegaram-se a taxas de 950kbps.

Um dos principais avanços do HSDPA é sua baixa latência que medida em

redes comercias alcança taxas de 70 milissegundos. [3GAM2]

Outras diferenças incluem ausência do controle de potência rápido e soft

handoff, essas funcionalidades são implementadas na chamada BTS, ou Base

Transceiver Station, a estação base, também conhecida como node-B. A alta eficiência

spectral e altas taxas de dados permitem o uso de novas classes de aplicações e também

faz com que as redes passem a suportar um maior número de usuários. Os principais

ganhos de desempenho se devem às features de rádio a seguir:

• Canais de alta velocidade compartilhados nos domínios de tempo de código: O HSDPA utiliza de dados de alta velocidade chamados de High Speed

Physical Downlink Shared Channels (HS-PDSCH). Até 15 destes canais podem operar

num canal de rádio de 5MHz WCDMA. Cada canal usa um fator de espalhamento 16.

As transmissões dos usuários são atribuídas para um ou mais destes canais com um

pequeno intervalo de tempo de transmissão de 2 ms que é expressivamente menor que o

intervalo de 10ms a 20ms usado no WCDMA Release 99, a rede pode então reajustar

como os usuários são atribuídos aos diferentes canais HS-PDSCH a cada dois

milissegundos. O resultado é que os recursos estão atribuídos nos domínios do tempo (o

intervalo de TTI) e do código (canal HS-DSCH). A figura 3 ilustra os usuários

diferentes que obtêm recursos de rádio diferentes.

21

Figura 3. Exemplo de Compartilhamento de Canais no HSDPA.

• Agendamento Rápido e Diversidade de usuário (Fast Scheduling and User

Diversity):

Agendamento rápido explora um baixo TTI atribuindo canais para usuários

com as melhores taxas instantâneas de condições de canais em uma célula. Uma vez as

condições dos canais variam de uma forma aleatória através dos usuários, mais usuários

podem ser servidos com condições de rádio otimizadas e deste modo obter uma taxa de

dados melhor. A figura 4 mostra como um agendamento pode escolher entre 2 usuários

baseando-se em suas variações de condições de rádio para enfatizar o usuário com

melhor qualidade de sinal instantânea.

Figura 4. Diversidade de Usuário.

22

Com aproximadamente 30 usuários ativos em um setor, a rede consegue a

diversidade significativa do usuário e uma eficiência spectral significativamente mais

elevada. O sistema certifica-se também de que cada usuário recebe um nível mínimo do

throughput. Esta aproximação é chamada às vezes de agendamento de proporção justa

proportional fair scheduling.

• Modulação de alta ordem (Higher order modulation):

HSDPA utiliza a modulação combinada utilizada no WCDMA, a Quadrature

Phase Shift Keying (QPSK) nas condições adversas e Advanced Modulation Scheme -

16 (16-QAM) sobre boas condições de rádio, o beneficio da modulação 16QAM é que

são transmitidos dados de 4 bits em cada símbolo e no QPSK apenas 2 bits, desta forma

a 16-QAM aumenta a taxa de dados.

• Rápida adaptação de link (Fast link adaptation):

Dependendo da condição do canal de rádio, diferentes níveis de correção de

erro direta (channel coding) podem ser também utilizados. Por exemplo, um código

de taxa de três - quartos significa que 75% dos bits transmitidos são bits de usuários

e 25% são bits de correção de erro. O processo de rápida mudança de otimização da

modulação taxa de código é chamada de Rápida adaptação de Link (Fast link

adaptation).

• Requisição Repetida Automática Híbrida Rápida - Fast Hybrid Automatic

Repeat Request (HARQ):

Outra técnica utilizada do HSDPA. “Fast” refere-se a um mecanismo de

controle de acesso médio implementado no Node-B em oposto à BSC no GPRS, e

“Hibrido” que se refere a uma combinação repetida de transmissão de dados que

prioriza transmissões para aumentar a probabilidade de decodificações bem

sucedidas, a mesma gerência e responde às variações de rádio na base station em

tempo real, ao contrário de um nó de rede interno, reduz atrasos e melhora

rapidamente a taxa de transmissão de dados. Usando as aproximações descritas o

HSDPA maximiza taxas de dados, capacidade e diminui atrasos.

23

Para os usuários isto significa um melhor desempenho de rede em

circunstâncias carregadas e rápido desempenho para as aplicações. A tabela 3.1

mostra as diferentes categorias definidas de dispositivos móveis HSDPA, com a

quantidade de canais HS-DSCH utilizadas, taxas de pico no downlink e Modulações

utilizadas em cada uma das categorias. [3GPP1]

Tabela 4. Categorias de dispositivos móveis HSDPA.

3. PROJETO:

Esse capítulo mostrará os detalhes e resultados obtidos nas medições

realizadas em dois diferentes pontos de São Paulo em diferentes horários para as

seguintes Tecnologias e Operadoras:

• 2,5G: GSM-GPRS Claro e GSM-EDGE Claro.

• 3G: CDMA-1XEVDO VIVO e WCDMA-HSDPA Claro.

24

3.1 TERMINAIS E PLACAS UTILIZADOS:

3.1.1. Utilizados nos testes GPRS:

• Aparelho Nokia 6230i:

Figura 5. Aparelho Nokia 6230i

• Especificações Técnicas:

Tabela 5. Especificações Técnicas Aparelho Nokia 6230i

Networks System

EDGE/GPRS/GSM

Frequency Band

GSM/GPRS/EDGE 900MHz: 880-915 MHz/925-960 MHz(Up-link/Down-link)

GSM/GPRS/EDGE 1800MHz: 1710-1785 MHz/1805-1880 MHz(Up-link/Down-link)

GSM/GPRS/EDGE 1900MHz: 1850 -1910 MHz/1930 -1990 MHz(Up-link/Down-link)

Data Rate EDGE Classe 10 (4+1, 3+2): velocidades até 236.8 Kbit/s GPRS (General Packet Radio Service - Serviço Geral de Pacotes por Rádio) Classe 10 (4+1, 3+2)

• Modem Nokia 6230i:

Figura 6. Driver Modem Nokia 6230i

25

• Cabo de dados DKU-2 :

Figura 7. Cabo de Dados DKU-2.

• Equipamento: Laptop HP Pavilion com WinXP , Processador AMD 1.8GHz e 256MB de Memória RAM:

Figura 8. Laptop HP Pavilion, Cabo DKU-2 e Aparelho Nokia 6230i

3.1.2 Utilizados nos testes EDGE e HSDPA:

• Placa de dados: MF330 HSDPA/EDGE Wireless Data Card. – Fabricante ZTE:

Figura 9. Vista Posterior Placa ZTE MF330.

26

Figura 10. Vista Inferior Placa ZTE MF330.

Especificações Técnicas: Tabela 6. Especificações Técnicas Placa ZTE MF330.

Networks System HSDPA/UMTS/EDGE/GPRS/GSM

Frequency Band HSDPA/UMTS 2100MHz: 1920-1980MHz / 2110-2170 MHz (Up-link/Down-link).

GSM/GPRS/EDGE 900MHz: 880-915MHz / 925-960 MHz (Up-link/Down-link).

GSM/GPRS/EDGE 1800MHz: 1710-1785MHz / 1805-1880 MHz (Up-link/Down-link). GSM/GPRS/EDGE 1900MHz: 1850-1910 MHz /1930 -1990 MHz (Up-link/Down-link)

Data Rate In HSDPA mode, max speed 3.6Mbps.

In WCDMA mode, max speed 384 kbps.

In EDGE mode, max speed 236.8kbps.

• Software customizado para a operadora Claro:

Figura 11. Software Placa ZTE MF330.

27

• Equipamento: Laptop HP Pavilion com WinXP, Processador AMD 1.8GHz e 256MB de Memória RAM:

Figura 12. LapTop HP Pavilion e Placa ZTE MF330.

3.1.3. Utilizados nos testes 1XEVDO:

• Placa de dados: Modem PCMCIA Yiso C893: CDMA 1x RTT / 1XEVDO PCMCIA – Fabricante Yiso :

Figura 13. Vista Inferior Placa Yiso C893

Figura 14. Vista Posterior Placa Yiso C893

28

Especificações Técnicas:

Tabela 7. Especificações Técnicas Placa Yiso C893. Networks System IS-707A, IS-95B, 1xRTT e 1x EVDO.

Frequency Band 800 MHz - Largura de canal de 1.25MHz

1900 MHz - Largura de canal de 1.25MHz

Data Rate Link direto: 2,4 Mbps Link reverso: 153,6 Kbps

• Software customizado para a operadora VIVO:

Figura 15. Software Placa Yiso C893.

• Equipamento: LapTop HP Pavilion com WinXP , Processador AMD 1.8GHz e 256MB de Memória RAM:

Figura 16. Laptop HP Pavilion e Placa Yiso C893.

29

3.2. SOFTWARES E ANALIZADORES DE PROTOCOLOS:

Nas medições foram utilizados os seguintes softwares e analisadores de protocolo:

3.2.1. Software Ping Ploter - Versão 2.60 Trial – Nessoft:

O Software Ping Ploter foi utilizado para medir a latência (tempo de resposta

dos pacotes enviados), o mesmo apresenta o tempo de latência corrente e médio também

do host final e dos hosts intermediários e gera a plotagem de um gráfico para um

período estabelecido durante o envio dos disparos de ping, nas configurações manuais

do Ping Ploter foram utilizados os seguintes parâmetros:

- Intervalo entre o disparo dos traces (trace interval): 2,5s.

- Tempo de apresentação do gráfico (statistic – samples do include ): 10

minutos, o que correspondendo a 240 valores (600s/2,5 s).

Figura 17. Software Ping Ploter.

30

3.2.2. Software NetPerSec - Versão 1.1 :

O software NetPerSec foi utilizado para mediar as taxas de transmissão, o

mesmo apresenta as taxas médias, máximas e corrente medidas em bits por segundo na

recepção (downlink) e envio (uplink) dos pacotes, nas configurações manuais do

NetPerSec foram utilizados os seguintes parâmetros:

- Tempo médio de apresentação da taxa média das medidas = 30 segundos.

- Tempo de disparo das medidas = 1 segundo.

Figura 18. Software NetPerSec.

3.2.3. Ferramenta de Download do Windows XP:

A ferramenta de Download do Windows XP apresenta no final do download

(FTP) uma janela o tamanho do arquivo em Bytes, o tempo que foi despendido durante

o download (FTP) do arquivo e calcula a taxa média de transferência de dados durante o

download em Bytes por Segundo:

Figura 19. Ferramenta de Download _FTP Windows XP.

31

3.2.4. Analisador de protocolo de rede Ethereal - Version 0.10.14:

O software Ethereal é um analisador de protocolo de rede que suporta

aproxima-damente 750 tipos de protocolos. Os protocolos utilizados nas medições

realizadas foram TCP e DNS.

Figura 20. Analisador de protocolo de rede Ethereal.

3.2.5. Analisador de Protocolo de soluções móveis K15 – Tektronix:

O K15 é um instrumento que suporta e decodifica os diversos tipos de interfaces das

tecnologias móveis:

- GPRS/EDGE (Interfaces Abis, A, Gb, Gr, Gn/Gp)

- UMTS (Interfaces Iub, Iu-PS, Iu-CS)

- CDMA ONE/CDMA2000 (Interfaces A1, A10/A11)

Figura 21. Analisador de Protocolo de soluções móveis K15

32

3.3. RESULTADOS OBTIDOS:

3.3.1. Medições GSM _GPRS Claro:

Tabela 8. Resultados Medições GPRS.

GPRS

Parâmetros de QOS (interface GN)

Peak throughput = Up to 32000 octet/s Mean throughput = best effort

Delivery of erroneous SDU = No Detect Delivery Order = Without delivery order

Traffic Class = Interactive Class Maximum SDU Size = 1500 octets

Maximum bit rate for Uplink = 472 kbps Maximum bit rate for Downlink = 472 kbps

SDU Error Ratio = 1 * 10^-4 Residual BER= 1 * 10^-5

Traffic Handling Priority= Priority Level 3 Transfer Delay = 4000 ms

Guaranteed bit rate for Uplink = 255 Guaranteed bit rate for Downlink= 255

Local Osasco - Jd.

Wilson São Paulo -

Brooklin Osasco - Jd.

Wilson São Paulo -

Brooklin

Data / Horário 19/10/2007 15h21min

13/10/2005 12h05min

10/11/2007 23h40min

23/10/2005 15h45min

I.P. Recebido (designado ao

terminal na conexão) 10.228.62.25 10.228.13.207 10.228.131.23 10.228.17.11

Distância da Antena ~ 800 m ~ 20 m ~ 800 m ~ 20 m Melhor Valor e

Valor Médio

Tempo de Latência Média 1° Host

557 ms 480 ms 577ms 317 ms 317 ms 482 ms

Tempo de Latência Média Host Final

898 ms 826 ms 959ms 723 ms 723 ms

850,1 ms

∆ Time da Consulta de Resolução de

Página (DNS) 540 ms 370 ms 280 ms 410 ms

280 ms 400 ms

Taxa de Transferência

Média(FTP) 2,53 KB/s 9,5 KB/s 6,8 KB/s 12,8 KB/s

12,8 KB/s 7,9 KB/s

Taxa de Transferência Máxima (FTP)

3.2 KB/s 16,1 KB/s 14,1 KB/s 18,9 KB/s 18,9 KB/s 13,7 KB/s

Navegação (Browsing) Taxa Máxima Uplink

20Kb/s 13Kb/s 9Kb/s 14,5Kb/s 20Kb/s

14,1 kb/s

Navegação (Browsing) Taxa Média Downlink

33 Kb/s 52Kb/s 28Kb/s 55,2 Kb/s 55,2 Kb/s

42,05 Kb/s

Navegação (Browsing) Taxa

Máxima Downlink 88Kb/s 79Kb/s 98Kb/s 64 Kb/s

98 Kb/s 82,25 Kb/s

33

3.3.2. Medições GSM_EDGE Claro:

Tabela 9. Resultados Medições EDGE.

EDGE


Peak throughput = Up to 32000 octet/s Mean throughput = best effort

Delivery of erroneous SDU = No Detect Delivery Order = Without delivery order

Traffic Class = Interactive Class Maximum SDU Size = 1500 octets

Maximum bit rate for Uplink = 472 kbps Maximum bit rate for Downlink = 472 kbps

SDU Error Ratio = 1 * 10^-4 Residual BER= 1 * 10^-5

Traffic Handling Priority= Priority Level 3 Transfer Delay = 4000 ms

Guaranteed bit rate for Uplink = 255 Guaranteed bit rate for Downlink= 255

Local Osasco - Jd.

Wilson São Paulo -

Brooklin Osasco - Jd.

Wilson São Paulo -

Brooklin

Data / Horário 19/10/2007 15h 03 min

13/10/2005 13h 17 min

10/11/2007 22h 07min

23/10/2005 17h15min



Distância da Antena ~ 800m ~ 20m ~ 800m ~ 20m

Melhor Valor e

Valor Médio


522 ms 480 ms 560 ms 395 ms 395 ms

489,2 ms

Tempo de Latência Mêdia Host Final

587 ms 576 ms 690 ms 496 ms 496 ms

587,25 ms

∆ time da Consulta de Resolução de Página

(DNS) 1s 360 ms 420 ms 530 ms

360 ms 570 ms

Taxa de Transferência Média

(FTP) 15,4 KB/s 16,8KB/s 9,7KB/s 17,2KB/s

17,2KB/s 14,7KB/s


18,6KB 22,7KB/s 12,9KB/s 22,6KB/s 22,7KB/s 19,2KB/s


50.6 Kb/s 50,3Kb/s 30,4Kb/s 48kb/s 50.6 Kb/s 44,82Kb/s


78 Kb/s 79,5 Kb/s 97,3 Kb/s 104 Kb/s 104 Kb/s 89,7 Kb/s


Máxima Downlink 215,1 Kb/s 190,7Kb/s 162,4Kb/s 210,4Kb/s

215,1 Kb/s 194,65Kb/s

34

3.3.3. Medições CDMA_1X EVDO Vivo:

Tabela 10. Resultados Medições 1XEVDO

1xEVDO

Local Osaco - Jd.

Wilson São Paulo -

Brooklin Osaco - Jd.

Wilson São Paulo -

Brooklin

Data / Horário 19/10/2005 14h 20 min

13/10/2005 12h 05 min

10/11/2007 20h 40 min

23/10/2005 14h12 min



Distância da Antena ~ 300m ~800m ~ 300m ~800m

Melhor Valor e

Valor Médio


210 ms 227 ms 312 ms 214 ms 210 ms 240 ms


295 ms 276 ms 400 ms 290 ms 276 ms 314 ms

∆ time da Consulta de Resolução de Página

(DNS) 69 ms 78 ms 85 ms 91 ms

69 ms 81 ms


(FTP) 64,1 KB/s 54,1 KB/s 45,1 KB/s 66,1 KB/s

66,1 KB/s 57,35 KB/s


82,17 KB/s 72,7 KB/s 60 KB/s 81 KB/s 82,17 KB/s 73,9 KB/s


60,3 Kb/s 55,2 Kb/s 48,0 Kb/s 50,2 Kb/s 60,3 Kb/s 53,4 Kb/s


722 Kb/s 523 Kb/s 412 Kb/s 328 Kb/s 722 Kb/s 496 Kb/s


Máxima Downlink 1,27 Mb/s 1,01Mb/s 700 Kb/s 910 Kb/s

1,27 Mb/s 972,5 Kb/s

35

3.3.4. Medições UMTS/WCDMA_HSDPA Claro:

Tabela 11. Resultados Medições HSDPA

HSDPA


Peak throughput = Up to 256000 octet/s Mean throughput = best effort Delivery of erroneous SDU= Erroneous SDUs not delivered Delivery Order = Without delivery order Traffic Class = Interactive Class Maximum SDU Size = 1500 octets Maximum bit rate for Uplink = 2048 kbps Maximum bit rate for Downlink = 2048 kbps SDU Error Ratio = 1 * 10^-4 Residual BER = 1 * 10^-5 Traffic Handling Priority = Priority Level 3 Transfer Delay = 1000 ms Guaranteed bit rate for Uplink = 512 Guaranteed bit rate for Downlink = 512

Local São Paulo -

Brooklin São Paulo -



Brooklin

Data / Horário

26/10/2007 15h 55min

08/11/2007 14h 09min

13/10/2005 16h 55min

23/10/2005 11h 34min



Distância da Antena ~ 25 m

~ 25 m

~ 25 m

~ 25 m

Melhor Valor e Valor Médio


103 ms 78 ms 97 ms 130 ms 78 ms

102 ms


294 ms 160 ms 280 ms 376 ms 160 ms

277,5 ms

∆ time da Consulta de Resolução de

Página (DNS) 46 ms 35 ms 58 ms 48 ms

35 ms 46 ms


(FTP) 164 KB/s 250 KB/s 142 KB/s 73 KB/s

250 KB/s 157 KB/s


260 KB/s 285 KB/s 240 KB/s 183 KB/s 242,0 KB/s 285,0 KB/s


37,5 Kb/s 65,3 Kb/s 22,8 Kb/s 71,1 Kb/s 71,1 Kb/s

49,17 Kb/s


1.42 Mb/s 450 Kb/s 1.05 Mb/s 1.4 Mb/s 1.42 Mb/s 1,08 Mb/s


Máxima Downlink 2.1 Mb/s 653 Kb/s

1.48 Mb/s

2.05 Mb/s

2.1 Mb/s 1,57 Mb/s

36

3.3.5. Análise Resultado Medições

Nos resultados médios obtidos de latência nas medições executadas com o

software Pingploter, vimos que em comparação às medidas do GPRS, EDGE e EVDO,

temos um tempo de resposta ao primeiro host significamente menor quando utilizado o

HSDPA:

GPRS: 482.75ms \ EDGE: 489.2ms \ 1xEVDO: 240ms \ HSDPA: 102ms.

Logo o valor obtido nas medições HSDPA está bem próximo dos 100ms

máximos que é descrito nas normas e artigos científicos e em uma das amostras obteu-

se o valor de 78ms que está próximo ao valor de 70ms descrito como o melhor tempo de

latência nas redes comerciais.

Já em relação ao tempo de latência ao host final, verificou-se que o tempo

médio final ao último host da Medição 1xEVDO = 314ms está muito próximo ao valor

do 277,5ms obtido com HSDPA, isto se deve principalmente à menor quantidade de

hosts intermediários do 1xEVDO (12 hosts) em relação ao HSDPA (14 hosts), para as

medições GPRS e EDGE também se observou a quantidade de 14 hosts intermediários.

GPRS: 850,1ms \ EDGE: 587,25 ms\ 1xEVDO: 314ms \ HSDPA: 277,5ms.

Análise medições de tempo de resolução pacote UDP DNS:

Em relação aos tempos médios abaixo de resolução de Página (DNS),

observados nas mensagens coletadas com o analisador Ethereal:

GPRS: 400ms \ EDGE: 570ms \ 1xEVDO: 81ms \ HSDPA: 46ms.

Com esses valores conclui-se que é possível um tempo de resposta duas vezes

mais rápido que o tempo de resposta (latência) de um ping ao primeiro host, isto é se

deve ao fato de que para pacotes UDP não há retransmissões já que o mesmo é feito

37

para transmitir dados pouco sensíveis, como streaming de áudio e vídeo e o próprio

pacote de DNS. No UDP não existe checagem de nada, nem confirmação alguma. Os

dados são transmitidos apenas uma vez, incluindo apenas um frágil sistema de CRC. Os

pacotes que cheguem corrompidos são simplesmente descartados.

Análise medições durante FTP :

As médias abaixo dos resultados das medições durante o FTP e Navegação

indicaram que Durante o FTP obtiveram-se taxas máximas superiores às taxas obtidas

durante as navegações realizadas para as quatro tecnologias, isso se deve ao fato que na

transferência de um arquivo no FTP enviam-se grandes quantidades de dados no sentido

do downlink e o que volta no sentido uplink ao servidor são apenas os acks, pois o

protocolo FTP usando as funcionalidades do TCP aumenta as "janelas" de transmissão e

recepção (principalmente quando detecta um link "lageado") e envia os acks mais

esparsamente, (por exemplo, ao invés de mandar um ack para cada quadro recebido, ele

envia a cada 15 quadros), o que acelera a recepção do arquivo, por exemplo para

HSDPA obteve-se para as taxas máximas uma máxima de 285,0 KB/s que corresponde

à 2,28 Mb/s, já para a média das taxas máximas de navegação obteve-se 2.1 Mb/s.

[TANE]

Taxa de Transferência Média (FTP):

GPRS: 7,9 KB/s \ EDGE: 14,7KB/s \ 1xEVDO: 57,35 KB/s \ HSDPA: 157 KB/s.

Taxa de Transferência Máxima (FTP) melhores valores:

GPRS: 18,9 KB/s \ EDGE: 22,7KB/s \ 1xEVDO: 82,17 KB/s \ HSDPA: 285,0 KB/s.

Análise medições Navegação (Browsing) Taxa Máxima Uplink:

Houve a constatação que para as médias de taxas máximas durante a Navegação

(Browsing) no sentido Uplink a tecnologia que se obteve a melhor taxa foi o 1xEVDO:

53,4 Kb/s o que comprova que no HSDPA, a melhor eficiência está presente no sentido

do downlink.

38

Navegação (Browsing) - Taxa Máxima Uplink:

GPRS: 14,1 Kb/s \ EDGE: 44,82Kb/s \ 1xEVDO: 53,4 Kb/s \ HSDPA: 49,17 Kb/s.

Análise medições Navegação (Browsing) Taxa Máxima e Média Downlink:

Verificou-se que nos resultados dos testes abaixo que as taxas de transmissão de

dados médias e máximas do HSDPA foram praticamente duas vezes maiores que os

resultados nas medições 1xEVDO, doze vezes maiores que os resultados EDGE e

quarenta e cinco vezes maiores que os valores obtidos com o GPRS.

Navegação (Browsing) - Taxa Média Downlink:

GPRS: 42,05 Kb/s \ EDGE: 89,7 Kb/s \ 1xEVDO: 496 Kb/s \ HSDPA: 1,08 Mb/s .

Navegação (Browsing) - Taxa Máxima Downlink melhor valor:

GPRS: 98,0 Kb/s \ EDGE: 215,1Kb/s \ 1xEVDO: 1,27 Mb/s \ HSDPA: 2,1

Mb/s.

Em geral os valores médios e máximos obtidos estão próximos dos valores

informados nos artigos científicos e pelas operadoras, na navegação HSDPA notou-se

que houve variações expressivas de taxas durante as medições realizadas, na análise

feita com o analisador Ethereal das mensagens trocadas durante a navegação da

medição que teve o resultado com maior variação negativa, foi visto pela análise das

mensagens TCP coletadas que houve algumas retransmissões e como o terminal nessa

medição se encontrava bem próximo da antena com um ótimo nível de RSSI recebido e

com poucos usuários utilizando o canal de 5MHz, isto significa que o sinal da antena do

Node B podia não estar bem ajustado. O baixo desempenho com o TCP em algumas das

medições realizadas com o HSDPA e também para as demais tecnologias pode indicar

que o tamanho da janela TCPWindowSize do WindowsXP do terminal utilizado não se

encontrava bem ajustada, pois protocolos que dependem de confirmação de

recebimento, como é o caso do TCP, trabalham com janelas e seu tamanho pode limitar

a capacidade de transmissão/recepção de dados, não podemos confundir banda

disponível com capacidade de transmissão/recepção. Quando não se configura

adequadamente o nível de buffers da forma adequada, não se consegue igualar

39

capacidade de transmissão/recepção com a banda disponível. Versões mais recentes do

Linux e do Windows Vista já contam com "TCP Autotuning", porém como a versão de

Windows utilizada foi a Windows XP que não possui essa facilidade, foi verificado visto

que a mesma se encontrava no tamanho máximo de 0xFFFF (65535). Desta forma foi

efetuado um teste alterando o tamanho da janela com a ferramenta regedit do Windows

onde se utilizou o cálculo abaixo para determinar o tamanho da Janela Buffer Size

próximo ao ideal :

Buffer Size = bandwidth x RTT [1]

Equação 1.

Bandwidth: Utilizado a média das medições de Navegação Taxa Média Downlink =

1,08 Mb/s .

RTT: Utilizado a média dos Tempos de Latência Média Host Final = 277,5 ms

Logo:

Buffer Size = (1,08 Mb/s / 8 bits) x 0.2775 sec = 37,46 Kb

Após a configuração da Janela Buffer Size obteve-se algumas taxas médias mais

altas em novas medições com a placa HSDPA em média 10% acima dos valores

medidos anteriormente com a janela em 65,535 Kb/s.

Outro teste realizado para tentar uma melhor taxa na tecnologia HSDPA foi de

utilizar uma aplicação UDP onde não há retransmissão baixando-se alguns vídeos com a

placa HSDPA, neste caso as taxas de transferência foram bastante superiores em torno

de 15% maior do que as taxas as encontradas anteriormente com aplicações TCP, onde

em uma das medições consegui-se uma taxa de pico no sentido downlink de 2,62 Mb/s.

40

CONSIDERAÇÕES FINAIS:

Verificou-se que na média os resultados obtidos relativos a valores médios

ficaram condizentes com os valos descritos nas normas, publicações e artigos

científicos. Já os valores máximos e de pico das medições, com exceção do valor de

latência, foram sempre abaixo do que é descrito no teórico, vale lembrar que de

nenhuma forma os resultados medidos e apresentados neste trabalho de conclusão de

curso, são uma afirmativa do que as operadoras realmente apresentam em suas redes em

termos de performance de rede, pois o mesmo é uma pequena amostra realizado em dois

locais em quatro horários distintos sob condições de rede nem sempre as ideais e não

levando em conta todos os aspectos de disponibilidade de canais, distâncias da antena e

otimização da rede. Desta forma o trabalho apresenta uma referência de desempenho de

alguns parâmetros de transmissão de dados de 2 tecnologias de 2,5 Geração Celular e

duas de 3 Geração, dando-se uma idéia e referência próxima de alguns parâmetros que

são oferecido pelas 2 operadoras.

41

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[3GAM1] 3G Américas.org

URL: http://www.3gamericas.org/Portugue. cfm

[WIKI1] Wikipedia.org

URL: http://pt.wikipedia.org/wiki/AMPS

[3GPP1]

Mobile Broadband: The Global Evolution of UMTS/HSPA 3GPP Release 7 and

Beyond, July 2006

[TELE1] Teleco URL

URL: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialcdma2000/default.asp

[GTAU] Site: Comunicações Pessoais Móveis - Uma visão geral sobre os sistemas

URL: http://www.gta.ufrj.br/~flavio/commovel/PDCJp.htm

[QUAL1] Qualcomm URL

URL: http://www.qualcomm.com/main/whitepapers/WirelessMobileData.pdf

[TELE2] Teleco URL

URL: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwcdma/pagina_3.asp

[TELE3] Teleco URL

URL: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialhsdpacb/pagina_5.asp

[3GAM2] 3G Américas.org

URL:http://3gamericas.com/PDFs/WP_3GA_UMTSRel-8_July07.pdf

[TANE] Tanenbaum, Andrew S.; Redes de Computadores – 4. Ed. – Campus

universidade sÃo francisco curso de …lyceumonline.usf.edu.br/salavirtual/documentos/1370.pdf ·...

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