A Norma GSM

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTR NICA E DAS COMUNICAES

GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATIONS

A Norma Descrio da TecnologiaNuno Cota

Sistemas de Telecomunicaes I

Seco de Sistemas de TelecomunicaesDEEC/ISEL, Outubro 2000

ndice1. Introduo ___________________________________________________11.1 1.2 1.3 1.4 Introduo ___________________________________________________1 _ Evoluo________________________________ _____________________ _ 2 A Norma GSM ________________________________ ________________4 _ Caractersticas do Sistema________________________________ _____5 _

2. Canal Rdio __________________________________________________72.1 2.2 2.3 2.4 Introduo ___________________________________________________7 _ Transmisso Digital ________________________________ ___________8 _ Acesso Mltiplo________________________________ _______________9 _ Problemas da Transmisso ________________________________ ___10 _

2.4.1 Atenuao de Percurso ______________________________________________ 11 2.4.2 Desvanecimento ____________________________________________________ 11 2.4.3 Disperso Temporal _________________________________________________ 14 2.4.4 Alinhamento Temporal _______________________________________________ 15

2.5

Solues________________________________ ____________________15 _

2.5.1 Codificao de Fala _________________________________________________ 15 2.5.2 Codificao de Canal ________________________________________________ 17 2.5.3 Interleaving ________________________________________________________ 19 2.5.4 Frequency Hopping _________________________________________________ 20 2.5.5 Diversidade de Antenas ______________________________________________ 22 2.5.6 O Equalizador ______________________________________________________ 22 2.5.7 Avano Temporal ___________________________________________________ 24

ii

ndice

3. Arquitectura do Sistema______________________________________253.1 3.2 Introduo __________________________________________________25 _ Mobile Station (MS) ________________________________ ___________29 _

3.2.1 Arquitectura ________________________________________________________ 29 3.2.2 Subscriber Identity Module (SIM)_______________________________________ 31 3.2.3 Caractersticas da Estao Mvel ______________________________________ 33

3.3

Base Station System (BSS) _______________________________ ____35 _ _

3.3.1 Arquitectura ________________________________________________________ 35 3.3.2 Base Transceiver Station (BTS) _______________________________________ 37 3.3.3 Base Station Controller (BSC) _________________________________________ 40

3.4

Switching System (SS) ________________________________ ________43 _

3.4.1 MSC/VLR e GMSC __________________________________________________ 45 3.4.2 Home Location Register (HLR) ________________________________________ 48 3.4.3 Authentication Centre (AuC) __________________________________________ 49 3.4.4 Equipment Identity Register (EIR) ______________________________________ 49

3.5

Interfaces ___________________________________________________50 _

3.5.1 Interface Abis ______________________________________________________ 50 3.5.2 Interfaces de A a F __________________________________________________ 52

4. Interface Rdio ______________________________________________534.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Introduo __________________________________________________53 _ Servios ________________________________ ____________________53 _ Espectro Rdio ________________________________ ______________54 _ O Mtodo de Acesso Mltiplo ________________________________ __55 _ Canais Lgicos ________________________________ ______________58 _

4.5.1 Canais de Trfego ___________________________________________________ 58 4.5.2 Canais de Controle ___________________________________________________ 59

4.6 4.7

Burst ________________________________ _______________________ _ 61 Organizao dos Canais no Tempo ______________________________ 63

4.7.1 Canais Dedicados____________________________________________________ 64 4.7.2 Canais Comuns _____________________________________________________ 68 4.7.3 Restries __________________________________________________________ 72

4.8

Tramas ________________________________ _____________________72 _

5. Numeraes e Identificaes__________________________________755.1 Introduo __________________________________________________75 _ISEL-DEEC-SST

ndice5.2 Identificao dos Assinantes Mveis ____________________________ 75

iii

5.2.1 Composio do IMSI _________________________________________________ 76 5.2.2 Estrutura do TMSI____________________________________________________ 77

5.3

Plano de Numerao para Estaes Mveis______________________77

5.3.1 Estrutura do Nmero ISDN da Estao Mvel (MSISDN) ____________________ 77

5.4 5.5

Nmero de Roaming da Estao Mvel__________________________ 78 Identificao das Estaes base e reas de Localiza o___________79

5.5.1 Composio da Identificao da rea de Localizao_______________________ 79 5.5.2 Identificao Global da Clula __________________________________________ 80 5.5.3 Cdigo de Identificao da Estao Base ________________________________ 80 5.5.4 Identificao da Zona de Assinatura Regional _____________________________ 82 5.5.5 Nmero de Localizao _______________________________________________ 83

5.6

Identificao da Estao Mvel e Verso do Software _____________83

5.6.1 Identificao Internacional do Equipamento da Estao Mvel _______________ 83

6. Sinalizao em GSM _________________________________________856.1 6.2 6.3 6.4 Introduo __________________________________________________85 _ A Sinalizao em GSM ________________________________ ________85 _ Modos de Operao ________________________________ __________86 _ Medidas de Intensidade de Sinal ________________________________ 88

6.4.1 Modo de Espera ____________________________________________________ 88 6.4.2 Modo Dedicado _____________________________________________________ 88

6.5

Mvel em Modo de Espera ________________________________ ____92 _

6.5.1 Seleco de PLMN __________________________________________________ 93

6.6

Seleco e Reseleco de Clula _______________________________ 96

6.6.1 Critrio Rdio ______________________________________________________ 96 6.6.2 Critrio de Reseleco _______________________________________________ 97 6.6.3 Algoritmo de Seleco da Clula _______________________________________ 98 6.6.4 Reseleco de Clula________________________________________________ 99 6.6.5 Servio Limitado ____________________________________________________ 99

6.7

Segurana _________________________________________________100 _

6.7.1 Triplets ___________________________________________________________ 100

6.8 6.9 6.10

Actualizao de Localizao________________________________ __102 _ Paging _____________________________________________________104 _ Acesso Aleatrio________________________________ ____________105 _


iv

ndice6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 Controle de Acesso ________________________________ _________105 _ Atribuio de Canal Inicial ________________________________ ___108 _ Atribuio do Canal Dedicado ________________________________ 108 _ Handover __________________________________________________109 _ Porqu o Handover? ________________________________ ________109 _ Critrios no Handover _______________________________________110 _

6.16.1 Procedimentos envolvidos no handover ________________________________ 111 6.16.2 Execuo do handover______________________________________________ 113

6.17

Gesto de Chamadas________________________________ ________116 _

6.17.1 Chamada Originada no Mvel ________________________________________ 117 6.17.2 Chamada Terminada no Mvel _______________________________________ 118

Acrnimos____________________________________________________121 Bibliografia ___________________________________________________125

ISEL-DEEC-SST

Captulo

1Introduo1.1 IntroduoO crescimento dos sistemas de comunicaes mveis um dos maiores fenmenos registados nas aplicaes de telecomunicaes nestes ltimos anos. A possibilidade de se efectuar e receber chamadas a partir de um terminal mvel sem fios, qualquer que seja a localizao, uma das grandes atraces oferecidas aos consumidores. A oportunidade de negcio est longe de estar esgotada, pois basta imaginarmos que cada cidado, e no cada casa, pode ser um potencial assinante mvel, incluindo as camadas etrias mais jovens. No admira pois que o crescimento do mercado das comunicaes mveis tende a superar qualquer um dos outros mercados das telecomunicaes. As comunicaes mveis introduziram diversos conceitos nas telecomunicaes, por exemplo, um nmero de telefone deixou de estar associado a um local, como acontece com a rede fixa, para estar associado a uma pessoa, qualquer que seja o local onde esta se encontre. O sistema GSM pois um exemplo de sucesso, onde a exploso da oferta e da procura originaram taxas de penetrao que no tm equivalncia na histria das telecomunicaes. Para isso contriburam diversos factores, dos quais no est alheio o facto deste sistema ser resultado de uma concertao de esforos entre entidades nacionais, europeias e os fabricantes, de forma a criar uma norma robusta mas flexvel, de acordo com as necessidades locais, mas com grandes potencialidades. Este texto pretende apenas servir de auxiliar de estudo aos alunos da disciplina de Sistemas de Telecomunicaes I do curso de Engenharia de Sistemas de Telecomunicaes e da Electrnica do ISEL. O texto foi escrito de forma a focar os pontos considerados principais da tecnologia GSM em particular, bem como os princpios e caractersticas dos sistemas de comunicaes mveis celulares em geral. Pretende-se assim explicar de uma forma clara as

2

IntroduoCaptulo 1

principais caractersticas e opes do sistema, consideradas no texto das especificaes, das quais fazem parte mais de 6000 pginas de normas, que nem sempre so de fcil percepo, e onde no so explicadas as razes de muitas opes tomadas durante o desenvolvimento do sistema.

1.2

Evoluo

A tecnologia das Telecomunicaes Mveis no de alguma forma recente, um conceito com cerca de 50 anos. Aparelhos montados em veculos j existem 40 ou 50 anos, na altura sistema extremamente dispendiosos e portanto em muito baixo nmero. Foi a partir dos anos 80 que as telecomunicaes mveis comearam a crescer, com a entrada em funcionamento de diversos sistemas baseados em tecnologias analgicas. Nos anos 90 entraram em funcionamento as tecnologias digitais, acontecendo ento a exploso nesta rea que todos conhecemos. A capacidade de integrao em larga escala alcanada nos anos 70 e o desenvolvimento dos microprocessadores foi a porta aberta para o crescimento da oferta na rea dos mveis. Apareceram ento os sistemas de 1 Gerao, sendo sistemas desenvolvidos dentro de limites nacionais, ou de fabricantes, estando bastante limitados em termos de crescimento. O aparecimento das tecnologias celulares foi o ponto de viragem no panorama das comunicaes mveis. O conceito de clulas aparece como sendo o de reas separadas, servidas pelo mesmo canal rdio. Surge da necessidade de utilizao de diversos canais de rdio, assim como da necessidade de mobilidade do mvel sem perder nunca o sinal rdio, tirando partido da

limitada distncia de propagao de ondas de alta frequncia. Em vez de aumentar a potencia de transmisso os sistemas celulares so baseados no conceito de reutilizao: a mesma frequncia pode ser reutilizada em diferentes locais, deste que estes estejam a uma distncia mnima entre si. Assim quanto menor for o tamanho das clulas, maior ser o nmero de canais que podem ser utilizados simultaneamente na rea constituda por diversas clulas. Como pode ser observado na Figura 1.1, a rea de cobertura das clulas representada de forma hexagonal, o que no corresponde de forma nenhuma cobertura real no terreno. A distribuio de frequncias pelas diversas clulas depende do trfego, mas deve ter sempre em conta a possvel interferncia doutra clula com a mesma frequncia. O conceito celular foi introduzido pelos Laboratrios Bell e foi motivo de estudo em vrias partes do mundo durante os anos 70. Nos estados unidos surgiu o primeiro sistema celular, o AMPS Advanced Mobile Phone Service, em 1979, sendo depois adoptado pelos pases nrdicos e escandinavos atravs do sistema NMT Nordic Mobile Telephone, aparecendo depois diversos sistemas deste tipo, representados no Quadro 1.1.ISEL-DEEC-SST

Introduo

Captulo 1 3

f1

f1

f3

f3

f2

f2

f1

f1

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f3

f2

f2

Figura 1.1 Topologia Celular.

Norma AMPS TACS ETACS NMT 450 NMT 900 C-450 RTMS Radiocom 2000 NTT JTACS/NTACS(1)

Frequncia 900 MHz 900 MHz 900 MHz 450 MHz 900 MHz 450 MHz 450 MHz 450 MHz 900 MHz 900 MHz

Nmero de Canais 832 1000 1240 180 1999 573 200 256 600 400

Regio Amricas (1) Europa Reino Unido Europa Europa (1) Alemanha, Portugal Itlia Frana Japo Japo

O sistema AMPS tambm utilizado na Austrlia. Os sistemas AMPS, TACS e NMT so utilizados em vrias partes de africa e do Sudeste asitico Quadro 1.1 Sistemas Celulares Analgicos

Em 1982 os pases nrdicos, atravs da PTT Nordic Post, Telephone and Telegr aph apresentaram uma proposta CEPT Confrence Europene de Postes et

Tlcommunications no sentido de se desenvolver um sistema comum europeu de telecomunicaes mveis na banda dos 900 MHz. Como resultado foi criado um grupo denominado por Group Spcial Mobile (GSM) que teve o primeiro encontro em Dezembro de 1982 onde estiveram, presentes 31 pessoas de 11 pases europeus. Entre 1982 e 1985 as discusses centraram-se no tipo de tecnologia a utilizar: digital ou analgica. Em 1985 o GSM decidiu desenvolver um sistema digital. Em 1986 diversos fabricantes participaram num encontro em Paris onde se pretendia decidir o tipo de acesso rdio. Foi decidido optar pelo TDMA Time Division Multiple Access. Em 1990, por pedido do Reino Unido, foi feita uma adaptao das especificaes definidas at ento, de forma a permitir uma interface rdio na banda dos 1800 MHz. Esta variante do GSM foi denominadaSistemas de Telecomunicae I s

4

IntroduoCaptulo 1

de DCS 1800 Digital Communication System at 1800 MHz . Em 1991 comeam a ser fabricados os primeiros equipamentos GSM, iniciando os principais operadores europeus a actividade comercial em 1992.

1.3

A Norma GSM

As especificaes GSM no impem requisitos em termos de hardware, mas especifica em pormenor as funcionalidades e interfaces das diversas entidades envolvidas no sistema. Isto permite que os fabricantes evoluam em termos de hardware, mas que simultaneamente permite que os utilizadores e operadores adquiram equipamento de diferentes origens. As recomendaes GSM so constitudas por 12 sries, as quais esto listadas no Quadro 1.2. A norma foi registada sob a sigla GSM, passando a significar Global System for Mobile communications, com o seguinte logotipo:

Srie 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12

Contedo Generalidades Aspectos do Servio Aspectos da Rede Interface e protocolos MS-BSS Camada fsica do percurso rdio Especificao da codificao de voz Adaptador terminal para a MS Interface BSS-MSC Interfuncionamento de redes Interfuncionalidade de servios Especificaes de equipamento e de fabrico Operao e ManutenoQuadro 1.2 Recomendaes GSM.

No fim dos anos 80 a comunidade GSM no conseguiu terminar as especificaes para toda a gama de servios e potencialidades a que se tinham proposto, por falta de tempo, pois existiam muitas presses para que o sistema comeasse a ser comercializado. Assim nasceu a fase 1 da normalizao, constituda por um limitado conjunto de servios e potencialidades. O objectivo da fase 2 era terminar todas as potencialidades e caractersticas que tinham ficado pendentes na fase anterior , ver Figura 1.2. A fase 1 das especificaes GSM est encerrada para quaisquer modificaes ou melhoramentos. Os resultados da primeira fase de recomendaes serviram no apenas de plataforma para continuar o desenvolvimento do GSM, mas definiram tambm uma srie de servios e caractersticas do sistema. A terceira fase de normalizao, a fase 2+ pretende cobrir potencialidades relacionadas com os assinantes, tais como mltiplos nmeros atribudos ao mesmo assinante, bem como potencialidades ao nvel dos negcios.ISEL-DEEC-SST

IntroduoFase 2+ Fase 2 Fase 11989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998

Captulo 1 5

Ideia

Normalizao

Implementao/utilizao

Figura 1.2 As fases das Especificaes GSM

1.4

Caractersticas do Sistema

A opo por determinadas caractersticas do sistema GSM nem sempre foi fcil, tendo de se pesar diferentes escolhas e analisar as vantagens e desvantagens de cada opo. Depois de ficar decidido a opo por uma transmisso digital, houve que decidir tambm o tipo de acesso rdio e a largura de banda. ATRIBUTO GSM 900 DCS 1800

ETSI Norma GSM serie 01 a 12 890 - 915 1710 - 1785 Frequncias utilizadas ( MHz) 935 - 960 1805 - 1880 Faixa de frequncias disponvel (MHz) 25 + 25 75 + 75 Modo de acesso TDMA/FDMA Espaamento dos canais rdio (KHz) 200 Separao entre canais radio de cada sentido (MHz) 45 95 Nmero de canais rdio por sentido 124 374 Dbito total 8 Nmero de canais de voz por canal rdio Dbito parcial 16 Tipo de transmisso Digital Dbito do canal rdio (Kbit/s) 270 Tipo de codificao RPE-LTP Modulao GMSK Proteco de canal C/I (dB) 9 Proteco do canal adjacente (dB) 60 Roaming Sim Handover Sim Potncia mxima do mvel (W) 8 (+39 dBm) 4 Sensibilidade de recepo do mvel (dBm) -102 100 Raio mximo de clulas (Km) 30 8 Dbito til mximo por canal do voz (bits/s) 9600 Salto de frequncia Sim Carto de assinante Sim Autenticao Sim Codificao no interface rdio Sim Durao da trama (ms) 4,615 Trfego 1 000 E/Km2 Quadro 1.3 Atributos do sistema GSM 900 / DCS 1800.

O sistema GSM utiliza como tipo de acesso o TDMA Time Division Multiple Access, no qual cada portadora dividida em oito janelas temporais. A estao mvel recebe e envia na

Sistemas de Telecomunicae I s

6

IntroduoCaptulo 1

mesma janela temporal, o que significa que cada portadora suporta oito conversas em simultneo. As caractersticas do sistema podem ser visualizadas no Quadro 1.3. Ao compararmos as especificaes dos dois sistemas, alm do nmero de canais disponveis, a grande diferena reside na potncia dos mveis. O sistema GSM permite uma grande diversidade no tipo de equipamento mvel, podendo a potncia deste oscilar entre os 20 W e os 0,8 W. O sistema DCS 1800 foi desenvolvido desde o incio com especificaes que prevem apenas a utilizao de equipamento de baixa potncia. A sensibilidade de recepo por parte dos mveis outra das diferenas entre os sistemas, sendo mais baixa no DCS 1800, o que no uma desvantagem, pois esta diferena pode ser sempre compensada pela estao de base, aumentando a potncia de transmisso. Contudo, o DCS 1800 no pode ser considerado um substituto do sistema GSM 900, mas sim um complemento quele sistema. , como atrs foi referido, um sistema dedicado aos grandes meios urbanos, e reas bastante edificadas. Pode ser considerado o meio pelo qual o sistema celular conquistar os utilizadores nos meios de grande densidade de assinantes e no interior de edifcios

ISEL-DEEC-SST

Captulo

2Canal Rdio2.1 IntroduoNos sistemas de comunicaes mveis, utiliza-se equipamento rdio em vez do tradicional fio para transferir informao entre o telefone e a rede global de comunicaes. Esta diferena na tecnologia no trivial, acarretando muitos problemas que tero de ser resolvidos de forma a se conseguir um sistema fivel, e com qualidade. Qualquer um de ns que j ouviu uma estao de rdio, quer seja em casa ou no automvel, deparou-se com uma srie de problemas. Por exemplo se passamos por um tnel, ou se estamos em casa numa cave, a qualidade de recepo modifica-se bastante. Por vezes mover um pouco o aparelho, ou a antena j o suficiente para melhorar consideravelmente a qualidade de recepo. Este problema causado pelas zonas de sombra, ou pelo desvanecimento, sendo um dos muitos problemas a combater num sistema mvel. Outro dos problemas que j enfrentamos, at na recepo de televiso, a interferncia ou rudo. Isto acontece sempre que o sinal desejado fraco, em relao a uma outra fonte de sinal, ou rudo, acontecendo muitas vezes com as estaes de rdio, quer pelo enfraquecimento do sinal desejado, quer pela aproximao excessiva entre portadoras. Um sinal interferente pode ser descrito como o sinal no desejado que se sobrepe ao sinal desejado. Como j vimos anteriormente, uma das caractersticas dos sistemas celulares a reutilizao de frequncias. Esta caracterstica pode resultar no aparecimento de sinais interferentes em certas zonas, sob certas condies. A forma de evitar este problema efectuar um correcto planeamento de frequncias. Este assunto ser tratado mais adiante.

8

Canal RdioCaptulo 2

Neste captulo iremos identificar alguns dos maiores problemas que afectam as comunicaes mveis, bem como as solues encontradas para fazer frente a estes problemas. Alm disto teremos ocasio de estudar os princpios das comunicaes digitais.

2.2

Transmisso Digital

A transmisso digital consiste no envio de uma srie de smbolos, uns e zeros, de um ponto para o outro. Para isso pressuposto que a fonte de informao j seja tambm ela digital. No entanto a voz considerado um sinal analgico, ou seja, um sinal constitudo por uma onda com uma determinada frequncia ou frequncias. Por isso h que efectuar uma converso entre um sinal analgico e informao digital, a isto chamada converso Analgico/Digital (converso A/D). A converso A/D, Figura 2.1, pode ser conseguida por diversas formas. O mtodo mais utilizado em telecomunicaes para converter sinais de voz em digital chamado de PCM Pulse Code Modulation . Este mtodo envolve principalmente trs passos distintos: Amostragem; Quantificao; Codificao.

Analgico Converso A/D

Digital

Figura 2.1 Converso A/D

Os dois primeiros passos mencionados anteriormente foram j objecto de estudo pelos alunos em disciplinas anteriores sendo a sua descrio dispensvel. No entanto o estudo da codificao, de alguma forma importante neste mbito. Depois de quantificado o sinal, necessrio representar esta quantificao de alguma forma. Em sistemas digitais esta representao efectuada utilizando um cdigo binrio. De forma a obter 256 nveis de quantificao so necessrios 8 bits de dados. Em GSM so utilizados 13 bits, obtendo ao todo 8192 nveis de quantificao. Depois de completo o processo PCM, incluindo uma amostragem a 8 kHz e codificao a 8 bits, a informao resultar num dbito binrio de 8000 8 = 64 kbit/s. A ligao digital utilizada para transportar esta informao chamada de ligao PCM ou PCM Link. O canal PCM resultante desta ligao ter obviamente uma taxa de transmisso de 64ISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 9

kbit/s, sendo o canal mais baixo na hierarquia PCM, em que cada canal transporta a informao de voz ou dados de um equipamento telefnico bsico. Para se utilizar as ligaes mais eficientemente, normalmente opta-se por multiplexar vrios canais PCM na mesma ligao. Para isso utilizada a tcnica TDM-Time Division Multiplexing que se traduz pela utilizao da ligao durante um certo tempo para cada canal PCM. Obviamente que daqui resultar uma ligao com um dbito binrio muito superior. A Figura 2.2 mostra um exemplo de 32 canais multiplexados em uma ligao PCM que chamado de sistema PCM de primeira ordem. O bit rate resultante ser de 32 8 8000 = 2048 kbit/s ou 2 Mbit/s.

Canal 0

~ ~

64 kbit/s Amostr. Quant. Codific.

Multiplexer

Canal 1


2048 kbit/s32 canais

Canal 31

O resultado da multiplexagem uma trama com 32 slots em que o slot 0 utilizado para sincronizao e o slot 16 utilizado para sinalizao, Figura 2.3.Sincronizao 0 1Canais voz 1-15

2.3

O Acesso Mltiplo por Diviso na Frequncia FDMA utilizado na maior parte dos sistemas mveis analgicos convencionais. Nestes sistemas, atribuda uma portadora a cada canal, tendo o receptor que mudar de frequncia quando necessita escutar outro canal. Cada chamada utiliza uma banda de frequncia para transmitir e outra banda para receber, no podendo mais estas bandas ser utilizadas nessa clula.


...

~


Figura 2.2 Multiplexagem de 32 canais numa ligao PCM

Sinalizao15 16 17 Canais voz 1-15

31

Figura 2.3 Trama com PCM 2Mbit/s

Acesso Mltiplo

10

Canal RdioCaptulo 2

Em GSM utiliza-se o TDMA Time Division Multiple Access, no qual cada portadora dividida em janelas temporais, normalmente chamadas de Time Slots. No caso particular do GSM existem oito time slots em cada portadora. O conjunto de todos os time slots de uma portadora chamado de trama TDMA. Na Figura 6 podemos observar a diferena entre o TDMA e o FDMA. primeira vista podemos pensar que existem oito canais por frequncia em TDMA, em vez de um canal no FDMA, no entanto a realidade no bem assim. verdade que podero existir oito chamadas em simultneo em cada frequncia, mas temos tambm de olhar para a largura de banda de cada canal de frequncia. Em alguns dos sistemas FDMA convencionais (Ex. NMT, TACS) a separao entre cada canal de frequncia de 25 KHz. Em GSM e DCS a separao entre canais de frequncia de 200 KHz. Isto significa que do ponto de vista de eficincia de espectro rdio, oito canais em GSM utilizando TDMA semelhante utilizao de 8 canais de frequncia em FDMA. A grande vantagem da utilizao do TDMA ao nvel do planeamento de frequncia, requerendo este sistema um planeamento especial, mas que vantajoso em relao ao FDMA.

TDMAfrequncia 1

FDMAfrequncia 1

0 1 2 3 4 5 6 7 frequncia 2

BTS

BTS

Figura 2.4 Diferena entre os sistemas TDMA e FDMA

2.4

Problemas da Transmisso

Desde que o sinal transmitido pelo equipamento rdio at chegar ao destino, afectado por diversos fenmenos, resultando da numerosos problemas, que devero se superados para que a recepo seja efectuada com sucesso. Sero identificados nos seguintes pontos os principais problemas encontrados na transmisso rdio em comunicaes mveis.

2.4.1 Atenuao de PercursoA atenuao de percurso responsvel pelo enfraquecimento sucessivo do sinal medida que o receptor se afasta do emissor, sem existirem quaisquer obstculos entre os dois pontos. EstaISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 11

atenuao causada pela disperso do sinal pelo espao. Considerando que no existem, obstculos entre o emissor e o receptor, a densidade de potncia recebida na antena de recepo inversamente proporcional ao quadrado da distncia d a que se encontra o emissor e ao quadrado da frequncia de trabalho, ou seja:

LS d 2 fLSdB

2

= 32 ,4 + 20 log ( f MHz )+ 20 log (d Km )

A aproximao anterior s vlida para sistemas mveis em que a distncia entre emissor e receptor pouca. Existem expresses mais completas para quantificar esta atenuao, que j tm em conta o facto de no existir um plano de terra ideal, como por exemplo os modelos de Egli, Okumura ou Hata. Em comunicaes mveis, muito dificilmente se sente este problema, pois antes de causar estragos na comunicao, a chamada j foi transferida para outra estao base mais perto.

2.4.2 Desvanecimento

2.4.2.1 Desvanecimento Log -normal Raras vezes utilizamos o telefone mvel em ambientes abertos, sem quaisquer obstculos. Na maioria das situaes de utilizao de mveis, existem diversos obstculos entre a estao base e o mvel, montes, edifcios, rvores, etc, que originam o chamado efeito de sombra, resultando numa diminuio da potncia do sinal recebido. O mvel ao mover-se vai fazer com que a potncia do sinal recebido varie, dependendo do nmero e do tipo de obstculos que existem entre o emissor e o receptor.

Figura 2.5 Desvanecimento Log-normal

A variao da potncia de um sinal chamada de desvanecimento. Este um tipo de desvanecimento. Se o logaritmo da intensidade de sinal medido em diferentes locais, sempre Sistemas de Telecomunicaes I

12

Canal RdioCaptulo 2

mesma distncia da estao base, fosse representado em grfico, a curva resultante tomaria a forma de uma distribuio normal em volta de um valor mdio. Por isso chamado a este fenmeno Desvanecimento Log-normal, tambm denominado por vezes de Desvanecimento Lento, pois a ocorrncia de mnimos bastante espaada (1 a 20 metros), Figura 2.5. 2.4.2.2 Desvanecimento Rpido Em reas densamente urbanizadas, com grandes densidades de edifcios, a utilizao do telefone mvel pode enfrentar outro problema, o Desvanecimento Rpido ou de Rayleigh. Como neste tipo de ambientes no existe normalmente linha de vista entre a estao base e o mvel, a propagao faz-se por reflexes, difraces e disperses, denominando-se normalmente por multipercurso. O campo total recebido pelo mvel a soma de todas as ondas incidentes, podendo da resultar sinais com diferentes amplitudes, dependendo da fase de cada uma das ondas incidentes. A profundidade dos mnimos e a sua frequncia dependem da posio do mvel, da sua velocidade e da frequncia de emisso. Apenas como aproximao, podemos dizer que a distncia entre dois mnimos do desvanecimento de Rayleigh cerca de metade do comprimento de onda. Considerando as frequncias de trabalho no caso do GSM 900 e do DCS 1800, a distncia mdia entre mnimos ser respectivamente de 17 cm e 8 cm.

Figura 2.6 Desvanecimento Rpido ou de Rayleight

Para melhor compreendermos o resultado deste fenmeno podemos observar as seguintes figuras, onde se ilustra a variao do campo recebido ao longo de 10 metros em cada direco numa rea bastante edificada. Podemos observar claramente a dependncia da frequncia entre as duas figuras.

ISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 13

0 dB -20 dB

10 m 10 m

Frequncia : 100 MHz

0 dB -20 dB

10 m 10 m

Frequncia : 300 MHz

Figura 2.7 Campo recebido em funo da distncia na frequncia de 100 e 300 MHz

2.4.2.3 Desvanecimento Total Nos pontos anteriores vimos ao todo trs fenmenos que afectam a propagao, e consequentemente a potncia do sinal recebido. Assim, na globalidade, quando o mvel se afasta da estao base a potncia do sinal ir sofrer uma variao que corresponder soma dos trs fenmenos, Figura 2.8. medida que o receptor se afasta, a potncia mdia do sinal ir diminuir gradualmente devido atenuao de percurso, mas simultaneamente o sinal sofre variaes lentas, devido ao desvanecimento log-normal, e variaes rpidas, devido ao desvanecimento provocado pelo multipercurso.


14

Canal RdioCaptulo 2

Nvel de Sinal (dB)

Atenuao de Percurso

Desvanecimento Log-Normal

Desvanecimento Rpido

log (distncia)Figura 2.8 Intensidade de sinal versus distncia

2.4.3 Disperso TemporalOutro problema com que se deparam as transmisses digitais a disperso temporal. Este problema tem tambm origens na reflexo de sinais, mas ao contrrio dos problemas existentes com a propagao multipercurso, os objectos que originam a reflexo esto muito mais afastados do receptor. A consequncia da disperso temporal a interferncia inter-simblica, na qual diferentes smbolos chagam ao receptor sobrepostos, tornando a sua identificao muito difcil. Na Figura 2.9 apresentado um exemplo, na qual a estao base envia a sequncia 1 0. Se o sinal reflectido chega ao receptor aproximadamente um bit time depois do sinal directo, ir existir uma sobreposio de smbolos, sendo a diferenciao entre smbolos difcil de se efectuar. Neste caso o smbolo 1 interfere com o smbolo 0.

Figura 2.9 Disperso Temporal

No GSM 900 e no DCS 1800, a taxa de transmisso atravs do interface rdio de 270 Kbit/s, o que significa que um bit time ter a durao de 3,7 s, correspondendo a aproximadamenteISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 15

1,1 Km. Se existir um obstculo situado a 1 Km para l do receptor, significa que o sinal reflectido ter mais 2 Km de percurso que o sinal directo. Assim, o smbolo reflectido ir sobrepor-se a outro smbolo transmitido 2 smbolos depois. Este problema bastante complicado, tendo contudo uma fcil soluo, como iremos observar mais adiante.

2.4.4 Alinhamento TemporalO facto de um sistema utilizar o acesso mltiplo TDMA significa que cada mvel ter o seu time slot para emitir, permanecendo inactivo at voltar a aparecer esse mesmo time slot . Caso contrrio, qualquer emisso fora do time slot ir interferir com outras possveis conversaes. Quando existem grandes disparidades de distncias entre mveis, por exemplo um est a 200m e outro a 25 Km, podero surgir problemas. Imaginemos que o mvel afastado utiliza o slot 6, enquanto o mvel que est localizado perto da base utiliza o slot 7. Devido ao atraso na propagao, a informao ao chegar estao base, ir sobrepor-se informao que o mvel que est perto enviou, tornando-se impossvel manter estas duas chamadas. Este outro dos problemas que tem soluo relativamente fcil.

2.5

Solues

Nos seguintes pontos iremos analisar algumas das solues encontradas para os problemas vistos anteriormente. Estas solues incluem desde a codificao de voz at transmisso.

2.5.1 Codificao de FalaComo vimos anteriormente, a tcnica de codificao PCM produz um ritmo de 64 Kbit/s por cada canal de voz. Ora se juntarmos 8 canais de voz, teremos um dbito necessrio de 512 Kbit/s, fora os bits necessrios para garantir uma proteco da transmisso. Este um ritmo incomportvel para o interface rdio GSM, pelo que tem que se recorrer a tcnicas de codificao de fala para reduzir bastante o dbito binrio. Como no se pode enviar a informao respeitante fala, teremos de enviar os parmetros que a constituem. No processo de codificao adoptado no GSM feita primeiro uma converso A/D a 13 bits, sendo posteriormente o resultado dividido em blocos de 20 ms. Como sabemos como criada a fala, desde o diafragma passando pelos pulmes at zona vocal, onde se incluem as cordas vocais e a lngua, podemos criar um modelo paramtrico da fala, Figura 2.10.


16

Canal RdioCaptulo 2

"Filtro"

Fala

Sequncia de excitao

Figura 2.10 Processo de fala humano

A fala constituda por sons vozeados e no vozeados. Sons vozeados so aqueles produzidos pela vibrao das cordas vocais, as vogais por exemplo. Nos sons no vozeados no existe vibrao das cordas vocais, as consoantes. Os sons vozeados podem ser reproduzidos aplicando um filtro com as caractersticas das cordas vocais a uma sequncia de pulsos, enquanto nos sons no vozeados a excitao pode ser feita por um gerador de rudos. Como as caractersticas da fala no variam muito rapidamente, os parmetros do filtro podem considerar-se aproximadamente constantes durante 20 ms. O que se pretende do lado do emissor criar um modelo do filtro H que dever ter caractersticas inversas semelhantes ao do filtro utilizado para criar a fala, como se pode ver na Figura 2.11. Estes parmetros so calculados adaptativamente de forma a termos sada do filtro H um sinal que dever aproximar-se tanto quanto possvel de rudo branco com caractersticas gaussianas. Simultaneamente calculada a frequncia das cordas vocais.Sequncia de excitao

Voz

H (= 1/"Filtro")Parmetros do filtro

"Voz"

1/H

Figura 2.11 O modelo de transmisso da voz

ISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 17

Finalmente o que se ir transmitir a informao respeitante aos parmetros do filtro H e as caractersticas da sequncia de excitao presente sada do filtro H. Consegue-se assim uma boa qualidade de voz com um baixo dbito binrio. O codificador de voz utilizado no GSM tem um dbito binrio de 13 Kbit/s.

2.5.2 Codificao de CanalEm comunicaes digitais, a qualidade de recepo geralmente expressa em funo da quantidade de bits correctos do total recebido. A esta definio chamada normalmente de BER Bit Error Rate. O BER define a percentagem de bits do total recebido que foram detectados como errados. Esta percentagem deve ser to pequena quanto possvel, sendo infelizmente impossvel manter-se zero, principalmente devido ao ambiente em que se encontra inserida a comunicao e devido a este estar constantemente a alterar-se. Isto significa que deve ser permitido existir uma determinada taxa de erros e ao mesmo tempo existir possibilidade de corrigi-los, ou pelo menos detectar de forma a que os bits errados no sejam interpretados como informao correcta. Isto ainda mais importante quando se trata de transmisso de dados, sendo na transmisso de voz a taxa de erros aceitvel mais elevada. Para permitir a deteco e correco de erros ocorridos na transmisso utilizada normalmente uma Codificao de Canal. A codificao de canal far com que os bits de informao sejam distribudos por mais bits do que existiam partida, resultando da alguma redundncia. Passam a ser necessrios mais bits, mas a segurana com que se transmite esta informao aumenta substancialmente. Os cdigos de correco de erros podem dividir-se em duas categorias: Cdigos de bloco; Cdigos convolucionais.

Na codificao de bloco, um nmero de bits de verificao adicionado aos bits de informao. Os bits de verificao so dependentes dos bits de informao enviados no bloco de mensagem.Bloco Mensagem Bloco Codificado

Codificador de Bloco

Info

Info

Check

Figura 2.12 Codificao de Bloco

Na codificao convolucional, o bloco de bits gerados pelo codificador dependente dos bits do bloco corrente, bem como dos blocos anteriores, funcionando o codificador como uma mquina de estados. No codificador utilizado em GSM por cada bit nma entrada resultam dois na sada, pelo que a taxa de 1:2.Sistemas de Telecomunicaes I

18

Canal RdioCaptulo 2Bloco Mensagem Codificador Convolucional Sequncia de sada

Info

Info

informao codificada

Figura 2.13 Codificao Convolucional

Os cdigos de bloco so normalmente utilizada em sistemas que utilizam sinalizao orientada ao bloco e que permitem efectuar repetio de transmisso. um cdigo normalmente orientado para a deteco de erros. Os cdigos convolucionais esto normalmente associados correco de erros, e utilizado normalmente onde no possvel a retransmisso de informao, devido ao atraso que esta iria provocar. Na norma GSM considerada tanto a codificao de bloco como a codificao convolucional. Primeiro alguns dos bits de informao so codificados em bloco, resultando num bloco de informao e outro de paridade. Em seguida estes bits e outros de informao sofrem uma codificao convolucional. O objectivo do processo tentar corrigir os erros na recepo atravs da codificao convolucional. Caso se continue a detectar erros com o cdigo de bloco, esta informao desprezada.Codificador de Bloco Codificador Convolucional 132 bits importantes 456 bits

50 bits muito importantes

78 bits menos importantes

Figura 2.14 Codificao de canal

Antes de continuarmos na descrio do processo de codificao, convm lembrar que a informao respeitante fala dividida em segmentos de 20 ms. Estes segmentos so ento digitalizados e sujeitos codificao de fala. O codificador de fala debita 260 bits por cada segmento de 20 ms de fala, sendo estes 260 bits divididos em: 50 bits muito importantes 132 bits importantes e 78 bits menos importantes

Aos primeiros 50 bits so adicionados 3 bits de paridade ( codificao de bloco). Estes 53 bits mais os 132 bits importantes e 4 bits tail so codificados convolucionalmente resultando em 378 bits (1:2). Os restantes 78 bits no so protegidos.ISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 19

2.5.3 InterleavingInfelizmente os erros ocorrem com mais frequncia do que o desejado. Podem ser causados pelo desvanecimento, afectando vrios bits consecutivos, o que traz problemas, pois a codificao de canal consegue detectar ou corrigir apenas poucos bits errados numa mensagem. Para isso utilizada a tcnica do interleaving. O interleaving tem como objectivo efectuar a descorrelao nas posies relativas dos bits nas palavras de cdigo e nos bursts j modulados. Podemos dividir as razes da utilizao deste sistemas em dois pontos. O primeiro tem haver com o facto de os erros tenderem a ocorrer mais consecutivamente do que unicamente. Isto verdade no interior de um burst e resulta quer dos erros estatsticos na transmisso rdio, quer da interferncia entre smbolos introduzida pela modulao. O segundo ponto acontece por ser mais dificil efectuar cdigos eficientes quando alguns bits adjacentes esto errados, o que significa que uma melhor performance pode ser conseguida quando os erros so aleatrios. A tcnica de interleaving consiste em separar b bits duma palavra de cdigo em n bursts de forma a alterar as relaes de proximidade entre bits. Quanto maior for o valor de n, melhor a performance da transmisso. Por outro lado quanto maior for o valor de n, mais longo ser o atraso na transmisso. Este compromisso deve ser considerado, e depende da utilizao do canal. Numa transmisso normal em GSM o processo passa-se do seguinte modo: Os blocos de voz em dbito total so intercalados em 8 blocos, ou seja, os 456 bits de um bloco so separados em 8 grupos de 57 bits, Figura 2.15.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 57 | | | | | | | | | | | | | | | | bits | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 449 450 451 452 453 454 455 456 8 blocosFigura 2.15 Interleaving de um segmento de 20 ms de voz

Cada burst de dados no interface rdio GSM tem capacidade para 114 bits de informao, portanto dois blocos de 57 bits. No entanto, em caso de perca do burst, perdemos 25 % de um bloco de voz, um valor demasiado elevado para que o codificador de canal consiga recuperar. A soluo enviar no mesmo burst contribuies de dois blocos de voz distintos, baixando aSistemas de Telecomunicaes I

20

Canal RdioCaptulo 2

percentagem de perca para 12,5%, um valor j razovel, apesar de aumentarmos o atraso total para transmitir um bloco de voz. Com esta soluo, utilizamos dois nveis de interleaving na transmisso. Na seguinte figura, podemos observar como so transmitidos quatro segmentos de 20 ms de voz.

A

A20 ms voz 456 bits

B20 ms voz 456 bits

C20 ms voz 456 bits

D20 ms voz 456 bits

A A B B B B C C C C D D D A A A A B B B B C C C

Figura 2.16 Transmisso de Blocos de Informao

2.5.4 Frequency HoppingEsta tcnica pode ser designada em portugus por salto de frequncias, sendo no entanto uma nomenclatura pouco utilizada, pelo que utilizaremos a nomenclatura anglo-saxnica. A tcnica de frequency hopping consiste na alterao da frequncia utilizada por um canal em intervalos regulares. Esta tcnica est dividida em dois tipos, a Fast Frequency Hopping (rpida) e a Slow Frequency Hopping (lenta). O interface rdio do sistema GSM utiliza Slow Frequency Hopping, pois a frequncia mantm-se a mesmo ao longo da transmisso de todo o burst. Na Figura 2.17 podemos observar um exemplo dum diagrama tempo-frequncia para um canal de frequency hopping. A tcnica foi adoptada por este sistema, devido a duas razes, a diversidade de frequncias e a diversidade de interferncias.

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Canal Rdio

Captulo 2 21

Frequncia

Tempo

Figura 2.17 - Slow Frequency Hopping no domnio do tempo-frequncia

A primeira da razes a diversidade de frequncias (frequency diversity). Na cadeia de transmisso so introduzidos cdigos de correco de erros, baseados em redundncia: os dados so processados em redundncia, de tal forma que os dados originais possam ser reconstrudos, mesmo com um certo nmero de erros. Esta redundncia espalhada sobre vrios bursts . A slow frequency hopping garante por isso que a informao enviada em vrias frequncias, aperfeioando assim a performance de transmisso. Quando o mvel move-se a grande velocidade, a diferena entre as suas posies durante a recepo de dois bursts sucessivos do mesmo canal suficiente para descorrelacionar as variaes do fading de Rayleigh no sinal. Neste caso, a tcnica do slow frequency hopping no traz grande melhorias, mas tambm no prejudica a transmisso. No entanto, quando o mvel est estacionrio ou move-se a pouca velocidade, a tcnica permite que a transmisso chegue a um nvel de performance de altas velocidades. O ganho foi avaliado para ser por volta dos 6,5 dB. Esta vantagem de grande importncia num sistema como o DCS 1800, onde a se utiliza quase exclusivamente portteis. A segunda vantagem a diversidade de interferncias (interference diversity), uma propriedade associada ao CDMA (Code Division Multiple Access). Em zonas de grande trfico a capacidade de um sistema celular limitado pelas sua prprias interferncias causadas pela reutilizao de frequncias . A razo de interferncia relativa (C/I) pode variar bastante entre chamadas. O nvel da portadora (C) altera-se com a posio do mvel relativamente BTS, com uma quantidade de obstculos entre eles, distncia, etc.. O nvel de interferncia (I) altera-se dependendo se a frequncia est sendo utilizada por outra chamada em alguma clula perto, e tambm varia de acordo com a distncia em relao origem da interferncia, o seu nvel, etc. Como o objectivo do sistema normalmente satisfazer o maior nmero possvel de utilizadores, a sua capacidade calculada com base numa dada proporo de chamadas sujeitas a um decrscimo da qualidade devido a interferncias. Se considerar-mos um sistemaSistemas de Telecomunicaes I

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Canal RdioCaptulo 2

onde o nvel de interferncia perceptvel pela chamada significa o nvel de interferncia causado por muitas outras chamadas, ento, quanto maior for esse nmero de interferncias, melhor o sistema. assim que opera a diversidade de interferncias.

2.5.5 Diversidade de AntenasNo ponto anterior, vimos uma forma de conseguir alguma diversidade de frequncia, de forma a aumentarmos a probalidade de recepo de um burst. Outra forma de conseguir diversidade consiste na utilizao de dois canais de recepo, incluindo as antenas. As antenas so colocadas a uma distncia de forma a serem independentemente influenciadas pelo desvanecimento de Rayleight e a que a probalidade de ambas serem afectadas por um mnimo simultaneamente ser baixa. Escolhendo a cada instante o melhor dos dois sinais recebidos, o impacto do desvanecimento pode ser reduzido bastante. A distncia entre as antenas deve ser escolhida de forma a que a correlao entre os dois sinais seja mnima. A 900 MHz podemos conseguir um ganho de 3 dB com uma distncia de cinco a seis metros entre antenas. Para 1800 MHz obviamente esta distncia diminuir substancialmente.1 2

Pot. Sinal

1

2

tempo

Figura 2.18 Diversidade de Antenas

2.5.6 O EqualizadorComo j foi referido anteriormente, as reflexes com origem em objectos a alguma distncia do receptor causa Interferncia Inter Simblica. Os bits so espalhados pelo tempo, sobrepondo-se uns aos outros, sendo difcil para o receptor perceber qual o smbolo correcto. Este fenmeno acontece no s nas comunicaes mveis, e no s em comunicaes, mas sim em todo o tipo de telecomunicaes. Sejam fibras pticas, cabos coaxiais, feixes hertzianos ou qualquer outro tipo de canal este problema existir sempre que no exista adaptao e conhecimento do canal por parte do receptor. Para que a recepo seja correcta ter de existir um modelo do canal, adaptando-se ento os filtros e todo o receptor a este canal. Em comunicaes mveis isto ainda mais difcil acontecer, pois as caractersticas do canal alteram-se constantemente.ISEL-DEEC-SST

Canal Rdio

Captulo 2 23

A soluo adoptada o equalizador de Viterbi, que cria um modelo matemtico do canal de comunicao que neste caso o interface rdio, Figura 2.19. Em GSM os dados so transmitidos em bursts colocados numa janela temporal de aproximadamente 577 s. No meio de cada burst includa uma sequncia de bits, com um padro conhecido, denominada por sequncia de treino. Comparando a sequncia conhecida num correlador com a sequncia de treino recebida possvel ao equalizador criar um modelo do canal. O canal considerado constante durante a transmisso de um burst. Criado o modelo do canal, h que passar um burst por este modelo. Deste burst j sabemos qual a sequncia de treino, pelo que necessitamos descobrir quais os dados transmitidos. Depois de comparada a sada do modelo com o burst recebido, calculada uma possvel sequncia de dados para minimizar esta diferena. Esta sequncia volta a ser introduzida no modelo para verificao. O processo repetido at que a diferena seja mnima. Obviamente que seria irrealistico experimentar todos os padres possveis para os dados. Assim o complexo algoritmo de Viterbi permite rapidamente efectuar uma escolha do padro a experimentar.Dados S' Dados

Viterbidiferena Escolher "? " de forma a minimizar diferena

Correlador

?

S

?

Modelo do Canal

Figura 2.19 Equalizador Viterbi

As especificaes GSM consideram um equalizador que dever ser capaz de lidar com sinais reflectidos atrasados at quatro bit times, correspondendo a cerca de 15 s ou uma diferena de percurso entre o sinal reflectido e o directo de 4,5 Km. Alm disso o sinal reflectido tambm afectado pelo desvanecimento rpido. Contudo o desvanecimento deste sinal independente do sinal chegado directamente, podendo este facto ser utilizado pelo equalizador para melhorar o desempenho. Desde que o sinal reflectido no chegue atrasado mais do que 15 s, todos os raios recebidos aumentam a energia total e melhoram a qualidade de recepo.

2.5.7 Avano TemporalO mtodo de multiplexagem por diviso no tempo utilizado no percurso rdio do GSM obriga a que a BTS tem que receber os sinais chegados de diferentes estaes mveis muito perto unsSistemas de Telecomunicaes I

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Canal RdioCaptulo 2

dos outros. De forma a alcanar este objectivo, ultrapassar o atraso na propagao desde a BTS at ao mvel, e tendo em conta que os tempos de guarda entre bursts escolhidos so muito pequenos por causa da eficincia do espectro, necessrio um mecanismo para compensar este atraso de propagao. Para permitir isto, a estao mvel adianta o momento da transmisso relativamente sua escala bsica, a qual devida recepo dos bursts, um tempo indicado pela infra-estrutura, o avano temporal. O avano temporal pode tomar valores de 0 a 233 s, o qual suficiente para cobrir distncias at um mximo de 35 Km sem qualquer outro sistema especial, e considerando a velocidade da luz. Este limite vem de consideraes relacionadas com a codificao (o avano temporal codificado em 64 bits, com um bit perodo como unidade, da 233 s), mas existem outras limitaes importantes.

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Captulo

3Arquitectura do Sistema3.1 IntroduoA arquitectura do sistema, foi desenhada de forma a minimizar a complexidade das estaes base de transmisso, para em caso de alteraes topolgicas, como a criao ou sectorizao de clulas, o custo seja o menor possvel. Outro conceito importante em conta no desenho, foi a gesto e manuteno centralizada da rede bem como a interligao a outras redes, particularmente rede fixa. Esta arquitectura pode ser observada na Figura 3.1.Air Interface A Interface Visitor Location Register

A bis Interface

SS7 trfego + SS7 trfego + SS7 PSTN and ISDN Outra MSC/VLR

Mobile Station

Base Transceiver Station

Base Station Controler

Mobile service Switching Centre

BSS SS7 X.25 Data Communication Network Home Location Register

OMC

Figura 3.1 - Arquitectura de um sistema Celular

26

Arquitectura do SistemaCaptulo 3

No extremo do sistema temos a estao mvel ou MS (Mobile Station), que para alm da parte de rdio e funes de processamento para acesso rede atravs do interface rdio, deve incorporar o interface para com o homem (microfone, auscultador, visor, teclado, ...) e ou o interface para interligao com equipamento terminal (computador pessoal ou fax). Outro aspecto significativo da arquitectura da estao mvel, o mdulo do assinante, onde est envolvido mais que uma simples identificao. O SIM (Subscriber Identity Module) essencialmente um carto inteligente contendo toda o informao relativa ao assinante e alguma informao do sistema. Responsvel pelo estabelecimento da ligao entre a estao mvel e o NSS (Networking Switching System), o subsistema estao de base, ou BSS (Base Station Subsistem), agrupa as infra-estruturas de mquinas que so especficas aos aspectos rdio celulares. O BSS encontra-se em contacto directo com as estaes base, atravs do interface rdio, incluindo portanto o equipamento responsvel pela transmisso e recepo do percurso rdio e sua gesto. Necessitando de controle, o BSS encontra-se tambm em contacto com o OMC (Operation and Maintenance Centre) atravs duma rede de comunicao de dados a funcionar sobre X.25. Os equipamentos abrangidos por este subsistema so: BTS - Base Transceiver Station. A BTS compreende os dispositivos de transmisso e recepo de rdio, incluindo as antenas, bem como o processamento de sinal especfico do interface rdio. BSC - Base Station Controller. O BSC responsvel por toda a gesto do interface rdio, atravs do comando remoto da BTS e da MS, e principalmente da atribuio de canais de rdio bem como o controle de handover. Est ligada por um lado ao SS, e por outro a vrias BTS . s Outro subsistema o SS (Switching System), que inclui as principais funes de comutao do DCS, bem como as bases de dadas necessrias para os assinantes e para a gesto da mobilidade. Dentro do subsistema NSS, as funes de comutao bsicas so executadas pelo MSC (Mobile Switching Centre) que tem como principal papel o da coordenao e , estabelecimento de chamadas de e para os assinantes do sistema. O MSC tem ligaes com os BSS com as redes externas, com o OMC e com as bases de dados. s, Trs importantes bases de dados do sistema armazenam informao sobre os assinantes e equipamento. O HLR (Home Location Register), guarda a informao sobre nveis de assinaturas, servios suplementares e a posio actual, ou mais recente, dos assinantes da prpria rede. Associada a cada MSC existe um VLR (Visitors Location

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Arquitectura do Sistema

Captulo 3 27

Register), que conserva informao sobre nveis de assinantes, servios suplementares e a posio actual dos assinantes visitantes dessa rea. Outra base de dados o AuC (Authentication Center) que contm toda a informao adequada para evitar as intromisses , no interface rdio e a utilizao indevida do equipamento. Quanto ao sistema de operao e gesto OSS (Operation and Suport System), este desempenha diversas tarefas, requerendo todas interaco com as infra-estruturas, tal como com a BSS ou o NSS. As principais funes do OSS so: Operao e manuteno das mquinas da rede. Responsvel por este servio est uma mquina a que se d o nome de OMC (Operation and Maintenance Centre) e que considerada a interface entre o homem e a , rede, permitindo a este efectuar operaes de manuteno, assim como fazer a gesto de todas as mquinas do sistema. Gesto das a ssinaturas, taxao e contabilizao. Normalmente uma mquina independente que se ocupa destas tarefas. Com ligao ao HLR para consulta e actualizao de dados referentes aos assinantes, assim como tambm para taxao. Este aspecto, de taxao e contabilizao, um assunto para o qual no existem especificaes dedicadas nas recomendaes do sistema, sendo assim um processo livre. No entanto tem-se verificado uma convergncia de princpios aplicados para uma mais fcil interligao de redes e uniformizao neste aspecto a nvel internacional. Gesto do equipamento mvel. Parte desta tarefa realizada na operao de rede pelas mquinas da infra-estrutura. Contudo, existe uma mquina, identificada como sendo EIR (Equipment Identity Register) responsvel , pelo armazenamento dos dados relativos ao equipamento mvel. Um exemplo da necessidade da gesto do equipamento mvel o de procurar MS roubadas ou com funcionamento estranho. s

Na Figura 3.2 podemos observar um exemplo de um sistema mvel, onde so apresentadas as diversas entidades envolvidas no sistema, bem como as ligaes entre elas.


28Captulo 3


PSTN

MS = Mobile Station BTS = Base Transceiver Station BSC = Base Station Controller MSC = Mobile Switching Center OMC= Operation and Maintenance Center VLR = Visitor Location Register HLR = Home Location Register EIR = Equipment Identification Register AuC = Authentication CenterOMCAuC HLR EIR

OMC

OMC

= Trfego e Sinalizao = Sinalizao N 7 = Ligao X.25

AuC

AuC HLR EIR VLR MSC VLR MSC VLR MSC VLR

Switching SystemMSC

HLR EIR

BSC BSC

BSC

Base Station SystemBTS BTS BTS BSC MS BTS MS BTS MS BTS BTS MS BTS BSC

Figura 3.2 Exemplo de Arquitectura de um sistema mvelBTS BSC MS BTS

BTS

BTS

MS

MS

BTS

ISEL-DEEC-SST

MS


Captulo 3 29

3.2 Mobile Station (MS)O desenvolvimento das Estaes Mveis para GSM e consequentemente para DCS tem-se traduzido num verdadeiro desafio para a indstria das comunicaes, tendo estas que compatibilizar a crescente exigncia de capacidade de processamento, com o, cada vez menor, tamanho e custo dos mveis. O meio para este desenvolvimento tem sido conseguido pela convergncia das normas envolventes e da tecnologia. Diferentes tipos de estaes mveis tm diferentes potncias de emisso e diferentes alcances. Um mvel porttil tem uma potncia de emisso mais baixa, e consequentemente menos raio de aco, do que um mvel instalado num veculo. Existem cinco classes de potncia de emisso de mveis, de acordo com a norma GSM. Estas classes so apresentadas no seguinte quadro:

Classe 1 2 3 4 5

Mxima Potncia de Emisso GSM 900 Indefinida 8 Watts 5 Watts 2 Watts 0,8 Watts DCS 1800 1 Watt 0,25 Watts 4 Watts Indefinido Indefinido

Quadro 3.1 Classes de Potncia de Emisso.

3.2.1 ArquitecturaServindo simultaneamente de terminal ao utilizador e estabelecimento de ligao via rdio com o sistema, a MS constitui um exemplo da combinao das tcnicas de informao e electrnica. Para o desenvolvimento dos terminais GSM houve que ter em conta tambm as caractersticas de radiao da antena tal como a compatibilidade electromagntica em relao ao funcionamento simultneo com outros sistemas. Estes conceitos obrigaram utilizao do mais moderno que h em integrao de circuitos electrnicos e processamento digital de sinais, combinados com a cada vez mais optimizada utilizao dos processadores. Conceito no menos importante a alimentao, tal como baterias ou cargas, que embora tenham conhecido uma evoluo nos ltimos tempos, esta no tem acompanhado a evoluo do restante sistema.


30

Arquitectura do SistemaCaptulo 3Microphone buzzer interface functions battery displaysubscriber identity module

Mdulo RdioAntenna

Mdulo banda-baseASIC3GMSK modulator Demodulator

ASIC1Power Amplifier Up converter

ASIC2

ASIC4

ASIC5Chanel coder

ASIC6DCS vocoder

ASIC7ADC

Synthesizer

ASIC8

RAM

ROM

Microprocessor

Mdulo Sintetizador

Mdulo de Control

keypad

Figura 3.3 - Diagrama de blocos de uma MS

A arquitectura das MS para GSM tem como base sempre os Processadores Digitais de s Sinal, o seu desenvolvimento guiou-se pelos trs critrios essenciais de optimizao, sendo estes: Custos de fabrico Autonomia Dimenses e peso do equipamento O diagrama de blocos apresentado na Figura 3.3, representa apenas um exemplo da arquitectura da MS. Assim, a MS incorporar sempre trs subsistemas principais: Subsistema Rdio. Este subsistema tem como funes a filtragem e amplificao do sinal captado pela antena, na recepo, e a gerao, modulao e amplificao do sinal a ser transmitido, na transmisso. Subsistema Processador de Sinal Banda -base. Este subsistema engloba toda a interface acstica (microfone, auscultador e altifalante), o processamento digital do sinal ( codificao da voz, codificao/descodificao do canal) e a desmodulao do sinal recebido.

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Earpiece

Down converter

Filtering


Captulo 3 31

Subsistema de Controle. Este mdulo responsvel pelo controle dos subsistemas anteriores, rdio e processador de sinal banda-base, e pela gesto das interfaces externas, tendo portanto o controle de todo o terminal.

3.2.2 Subscriber Identity Module (SIM)O Subscriber Identity Module SIM considerado por vezes uma entidade integrante do Sistema Mvel. Com excepo das chamadas de emergncia, o mvel s pode operar quando estiver presente um SIM vlido. O mvel deve conter funes de segurana que permitam efectuar a autenticao do assinante, ou seja, uma chave secreta de autenticao e um algoritmo de encriptao. O SIM guarda trs tipos de dados: Dados fixos, gravados antes de ser efectuada a assinatura. Por exemplo, a chave de autenticao do assinante (Ki) e algoritmos de segurana. Dados temporrios da rede. Por exemplo, o cdigo de identificao da rea de localizao, o TMSI e as redes onde o acesso negado. Dados relacionados com o servio. Por exemplo, o idioma por defeito e informaes relacionadas com custos de chamadas e servios. O mdulo SIM suportado por um carto que deve ser colocado no mvel. Este carto segue as normas ISO para o efeito. Existem dois tipos de cartes fisicamente diferentes. O tipo ID-1 que do tamanho de um carto de crdito comum e o tipo Plug-in que normalmente retirado do carto anterior, sendo muito mais pequeno do que o do tipo ID-1 e colocado dentro do mvel, conforme mostra a Figura 3.4. Os interfaces lgico e fsico com os dois tipos de cares so idnticos em ambos os tipos de cartes.

SIM

GLOBAL SYSTEM FOR

Figura 3.4 Carto SIM tipo ID-1 e Plug-in


32


A norma GSM define uma srie de aspectos relacionados com segurana que devem ser suportados pelo SIM. Estes aspectos so: Algoritmo de autenticao A3; Chave de autenticao do assinante Ki; Algoritmo para gerar a chave de encriptao A8; Chave de encriptao Kc; Controle de acesso aos dados armazenados e funes executadas no SIM;

Como j foi referido anteriormente o SIM contm uma srie de dados necessrios para o correcto funcionamento do mvel. Esta informao pode ser relacionada com o assinante mvel, com servios GSM e relacionada com a PLMN. Os requisitos para o armazenamento de informao so divididos em dois tipos, de acordo com a norma GSM, obrigatrio e opcional. Os dados que a norma impe que sejam guardados no SIM so: Informao administrativa: descreve o modo de operao do SIM; Identificao do CI do carto: identificao nica de cada SIM e do seu emissor; Tabela de servios do SIM: Indica quais os servios opcionais implementados no SIM; Identificao Internacional do Assinante mvel (IMSI); Informao de localizao: inclui a identificao temporria do assinante (TMSI), a informao da rea de localizao, o valor corrente da periodicidade de actualizao peridica de localizao e o estado da actualizao de localizao; Nmero de sequncia da chave de encriptao e a prpria chave de encriptao(Kc); Informao relativa aos canais BCCH: lis ta de portadoras de frequncias utilizadas na seleco de clula; Classe(s) de controle de acesso; PLMN esquecidas; s Perodo de procura da HPLMN; Idioma preferido do assinante;

A informao relacionada com a localizao, a chave de encriptao e o nmero de sequncia da chave de encriptao devem ser sempre actualizadas aps terminar a chamada e quando o mvel correctamente desactivado.

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Alm da informao anterior o SIM deve tambm guardar a seguinte informao relacionada com os aspectos de segurana: Nmero de Identificao Pessoal (PIN); Indicador se PIN activo ou desactivo; Contador de erros de introduo do PIN; A chave para desbloquear o PIN (PUK); Contador de erros de PUK; Chave de autenticao do assinante, Ki;

Todos os dados relacionados com o assinante, tais como o PIN e o PUK, que tenham sido transferidos para o mvel durante a operao devem ser removidos aps o SIM ter sido retirado ou o mvel ter sido desactivado.

3.2.3 Caractersticas da Estao MvelAs caractersticas ou capacidades do equipamento mvel fazem parte do sistema GSM, pois permite tirar partido ou no das capacidades do sistema. Existem trs tipos de caractersticas: bsicas, suplementares e adicionais. As capacidades ou caractersticas bsicas esto directamente relacionadas com a operao dos servios bsicos de telecomunicaes. As capacidades bsicas podem ser obrigatria (M) ou opcionalmente (O) implementadas. Afixao do nmero chamado (M) . Esta caracterstica permite ao assinante verificar o nmero antes de efectuar a chama da; Indicao de progresso na chamada (M). Permite ao utilizador aperceber -se se a chamada est em progresso. Esta indicao pode ser feita por intermdio de sons, msica, mensagens ou indicao visual com base na sinalizao trocado com o sistema; Indicao do Pas/PLMN (M). A indicao de qual a rede e pas em que o mvel est registado. Esta informao til para que o utilizador se aperceba de quando est em roaming, e se a rede escolhida est correcta; Seleco de Pas/PLMN (M). Quando existe mais do que uma rede disponvel numa determinada rea, deve ser permitido ao utilizador efectuar a escolha da rede de servio. Teclado (O). O meio fsico pelo qual o utilizador deve introduzir o nmero pretendido, bem como controlar o mvel. Este meio no obrig atrio que seja um teclado, pode ser por intermdio de voz, de um DTE ou outro equipamento ;


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IMEI (M). Cada MS deve ter uma identificao nica, a qual deve ser enviada para a PLMN sempre que solicitado. Esta identificao criada pelo fabricante ; Indicao e reconhecimento de Mensagens Curtas (M). Esta caracterstica permite a entrega de mensagens curtas MS pela rede. Podem tambm ser obtidas mais informaes respeitantes mensagem, tal como hora de chegada, emissor, etc. Indicao de overflow de Mensag ens Curtas (M). Indicao dada ao utilizador de que no possvel receber mais mensagens, pois a memria destinada ao efeito est completa. Interface com DTE/DCE (O). O mvel pode dispor de uma ligao standard para interligao de um DTE. Interface com ISD N (O). O mvel pode dispor de uma ligao standard para interligao RDIS. Funo de Acesso Internacional (O). A MS pode ter uma tecla cuja funo primria ou secundria est marcada com + e permite enviar sinalizao para o sistema gerando um cdigo d e acesso internacional no sistema. Esta funo pode ser til pois o cdigo de acesso internacional no est normalizado. Em Portugal este cdigo 00, mas pode diferir noutros pases. Indicador de Servio (M). Ter de ser disponibilizada ao utilizador i nformao indicando se possvel efectuar uma chamada, tanto por razes de sinal como por o mvel estar registado na rede. Esta informao pode ser combinada com a indicao de Pas/PLMN. DTMF (M). A MS deve ser capaz de gerar os tons necessrios a cumpri r o protocolo DTMF. Comutador ON/OFF (M). Deve ser disponibilizado ao utilizador meios para desligar ou ligar o mvel em qualquer circunstncia. Esta comutao de estado deve ser realizada de uma forma soft para permitir avisar o sistema quando desligamos o aparelho. Gesto da identidade do assinante (M). A identificao do assinante est contida no SIM (IMSI). O equipamento mvel deve saber manusear esta identificao de forma a terminar uma chamada sempre que o Sim seja removido, etc. Chamadas de Emerg ncia (M). Deve ser permitido a qualquer utilizador estabelecer chamadas de emergncia, mesmo quando no tenha sido introduzido o PIN correctamente ou o SIM.

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As capacidades suplementares esto directamente relacionadas com a operao dos servios complementares, como por exemplo a afixao do nmero de telefone. Estas capacidades suplementares so a indicao de custos de chamadas e o controlo de servios suplementares. Em adio aos servios anteriores, existe uma srie de servios permitidos neste sistema. Estes servios podem ser por exemplo o barramento de chamadas, contador de custos de chamadas, marcao abreviada ou a seleco do tipo de mensagens curtas.

3.3 Base Station System (BSS)Como foi referido anteriormente, o sistema de estaes base o principal responsvel pelas funes de rdio do sistema. Assim, alm da gesto do recurso rdio da rede, o BSS trata do handover das chamadas em curso. Outra responsabilidade deste subsistema a gesto dos dados de configurao das clulas como tambm o controle do nvel de potncia na estao de base e estao mvel. Este subsistema usufrui tambm de autonomia para tratar a maior parte de possveis falhas do sistema, no tendo assim nestes casos que intervir o OSS.

3.3.1 ArquitecturaO subsistema estao base, contm todo o equipamento, incluindo o de transmisso e de controle, necessrios para assegurar a ligao entre os assinantes distribudos e movendo-se atravs das vrias clulas que compreendem a rea de cobertura. A arquitectura deste subsistema est representada na Figura 3.5, e tal como se pode observar inclui dois tipos de equipamento: A BTS, que inclui os recursos rdio e de sinalizao necessrios a assegurar o trfego numa determinada clula. O BSC, que controla todas as BTS e respectivos interfaces rdio necessrios para s cobrir a rea do BSS.Terminal Local Alarmes Externos Equipamento de Teste

Interface A-Bis BSCRede de Transporte

Interface RdioTx Rx Rx

Sistema de Antenas

BTS

Alimentao

Figura 3.5 Sistema de Estaes Base


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A BTS basicamente responsvel pela camada fsica do interface rdio. O modo de acesso ao canal de rdio adoptado pelo sistema GSM do tipo TDMA, o que permite a um nico transceiver rdio servir simultaneamente 16 canais de dbito parcial ou 8 canais de dbito total. Um BSC pode compreender uma ou mais BTS de modo a abranger diversas s, arquitecturas possveis da rede. Alm da gesto dos recursos rdio das BTS que controla, o s BSC tambm monitoriza as principais funes de operao e manuteno destas. A gesto dos handovers entre clulas, feita autonomamente pelo BSC, desde que as clulas envolvidas no processo sejam controladas pelo mesmo. Alm dos equipamentos anteriores, fazem parte tambm deste subsistema os Conversores de Voz, conhecidos por speech transcoders ou tambm por Transconding and Rate Adaptation Unit (TRAU). Os speech transcoders so utilizados para adaptar o formato GSM de codificao de baixo dbito (13 Kbits/s), utilizados no canal rdio, para o utilizado na rede fixa (64 Kbit/s). So instalados entre o BSC e o NSS, devendo ficar geralmente no local da comutao, de modo a tirar partido das capacidades da codificao de fala do sistema, podendo tambm ficar junto do BSC. Quando o equipamento fica colocado junto ao MSC, pode-se assim reduzir os custos de interligao, agrupando-se quatro canais de voz GSM num canal PCM. Toda esta arquitectura deve apresentar flexibilidade em relao cobertura que se pretende, dependendo da rea a cobrir, edifcios e tipo de arruamentos. Poder existir uma cobertura omnidirecional ou sectorizada, de acordo com as necessidades de trfego, dando assim origem a diversos tipos de configuraes ao nvel do BSS, como mostra a Figura 3.6.

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Interface A BSC

Configurao omnidireccional

Interface A BSCConfigurao em estrela

Interface A BSCConfigurao em cadeia

Interface A

BSC

Configurao sectorizada

Interface A

BSCConfigurao sectorizada com BSC remota

Figura 3.6 - Configuraes tpicas dos BSSs

3.3.2 Base Transceiver Station (BTS)A Estao Base guarda todo o equipamento de transmisso rdio para uma determinada configurao de antenas, alm do necessrio equipamento para monitorizao. Existem no mercado diversas configuraes para estaes base, desde equipamento reduzido, para exteriores ou interiores ou equipamento mvel. Um exemplo deste equipamento para interiores, sob a forma de bastidores pode ser observado na Figura 1.7. Em termos de funcionalidade basicamente a BTS assegura a recepo e transmisso rdio, tendo para isso um ou mais transreceptores (TRX) para assegurar a capacidade requerida. A BTS disponibiliza diversas funes, relacionadas quer com o recurso rdio, quer com operao e manuteno do sistema.


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Figura 3.7 Estaes Base para interior

3.3.2.1 Funcionalidade As funes de recurso comum so funes que dizem respeito a todos os mveis na rea de cobertura e no apenas a um ou outro mvel. As funes de recursos comuns incluem os recursos gerais do sistema de transmisso e recepo utilizado para trfego com todas as estaes mveis ligadas clula. Esto includas neste tipo de funes: Sistemas de Difuso de Informao. O BSC define mensagens de informao para serem guardadas e armazenadas, regularmente difundidas pela BTS no canal de broadcast. Ao aparecer uma falha no transceiver, onde feita a difuso de informao, a falha transmitida ao BSC, o qual envia um canal de informao para seleccionar um novo TRX que toma a responsabilidade da emisso destas informaes. Paging. As identidades mveis definidas pelos BSC so enviadas pelo canal de s controle comum. Pedido de Canal pela Estao Mvel. Ao receber um pedido de canal por parte da MS, a BTS informa o BSC, pelo que este responde com a atribuio de um canal de controle dedicado (DCCH) para sinalizao entre o MSC e a MS. A

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partir deste canal, ento atribudo um canal de trfego para comunicao de voz e dados. As funes de recursos dedicados so responsveis pelo trfego individual de cada MS ligada estao base. Incluem as seguintes funes: Activao do Canal. Atravs desta funo, o BSC obriga a BTS a activar um canal de recursos dedicados para uso do seu canal lgico associado. Ao ser atribudo o canal, o BSC informa o TRX sobre diversos parmetros, tais como tipo e codificao do canal. Desactivao do Canal. Funo inversa anterior, ou seja, a BTS desactiva o canal. Inicio de Encriptao. executado pela BTS e suportado pela chave de encriptao , chave esta que processada no procedimento de autenticao do parmetro RAND (numero aleatrio) e a chave de assinante individual. Deteco de Handover. A BTS tem ateno para com o acesso aleatrio ao canal que foi inicializado para handover. As funes de canal terrestre incluem diversas funes que lidam directamente com codificao de voz e adaptao dos dbitos de dados. Estas funes so: Codificao de Voz. Esta funo est localizada na TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit) remota no BSC, e trata de efectuar a codificao de voz, feita entre 64 Kbit/s e 13 Kbit/s. Controlo na Banda de TRAU Remotas. adicionada informao de controlo a dados e voz. Alm disto, 4 canais de informao so multiplexados num canal de informao de 64 Kbit/s entre o BSC e a BTS. VAD/DTX. O detector de actividade de voz (VAD) detecta se quem falou mais recentemente est ou no a falar, e em caso de silncio o recurso rdio informado e a transmisso rdio desligada, DTX (Discontinuos Transmission ). As funes de multiplexagem e codificao destinam-se a formatar a informao nos canais fsicos. Includas neste tipo de funes esto as funes de: Multiplexagem no Percurso Rdio. Os canais lgicos so multiplexados nos canais fsicos. Codificao de Canal e Interleaving. Esta funo trata de formatar a sequncia de bits em cada timeslot do canal fsico.


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Encriptao e Operao Inversa. A voz codificada e descodificada utilizando a chave de encriptao. Esta chave gerada no Centro de Autenticao (AuC) e carregada no TRX.

O controlo dos recursos rdio so assegurado pelas funes de: Medidas de Qualidade. So feitas medidas de qualidade e de intensidade de sinal em todos os canais dedicados activos de uplink. Em relao ao downlink, as medidas de qualidade e intensidade do sinal, assim como dos nveis de sinal das BTS vizinhas so feitas na MS e enviadas ao BSC onde so processadas. s Medidas de Alinhamento Temporal. Esta funo trata de enviar um sinal MS para avanar o timing da transmisso BTS de modo a compensar os atrasos de propagao. A BTS continuamente analisa e actualiza o alinhamento temporal, sendo este alinhamento em seguida enviado ao BSC juntamente com os dados medidos no uplink. Controlo de Potncia da BTS e da MS. Estas potncias so controladas pelo BSC de modo a minimizar o nvel de potncia transmitido, de forma a reduzir a interferncia cocanal. Transmisso e Recepo. A transmisso de rdio inclui frequency hopping utilizando comutao em banda base com diferentes transmissores para cada frequncia. A recepo inclui igualizao e diversidade. Falha na Ligao de Rdio. A funo ao detectar um falha, imediatamente informa o BSC. Dever existir sincronizao entre BTS pertencentes ao mesmo BSC. A sincronizao da BTS feita tendo em conta a Frequncia de Referncia cuja informao temporal extrada das ligaes PCM do BSC, e o Nmero de Trama, que pode ser colocado e lido no contador de nmero de trama.

3.3.3 Base Station Controller (BSC)As recomendaes GSM, relativamente ao BSC, impem grande flexibilidade ao nvel de hardware, software e rede, de modo a permitir diversificar o tipo de configuraes. A existncia do BSC justificada por inmeras vantagens, desde a simplificao das BTS s, passando pela descentralizao do MSC, o que significa a concentrao dos servios e funes de comutao telefnica no MSC, deixando para o BSC a gesto de rdio da rede, at maior eficincia das estruturas de dados.

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A escolha do local ideal para a colocao do equipamento que constitui o BSC normalmente uma deciso que tem a ver principalmente com factores econmicos, relacionados com os custos das ligaes entre BSC e MSC. Normalmente opta-se sempre que possvel pela colocalizao do BSC e MSC, evitando assim as ligaes entre BSC e MSC. Na Figura 3.8 so apresentados os equipamentos da unidade de adaptao de ritmo (TRAU) e do BSC.

Figura 3.8 - Equipamento de Unidade de Adaptao de Ritmo e BSC

3.3.3.1 Funcionalidade Um grande conjunto de funes executadas pelo BSC relativo gesto rdio da rede. O sistema rdio de um sistema celular est normalmente sob grande presso devido taxa de crescimento de assinantes que continuamente entram no sistema. Depois da activao do sistema sempre necessria uma reconfigurao para adaptao ao crescimento do trfego. Uma parte das funes do BSC normalmente relacionado com o correcto funcionamento do equipamento, tendo outra parte a responsabilidade de controlar a eficincia do trfego no percurso rdio. Estes objectivos so conseguidos pelas funes: Administrao dos dados descritivos e de configurao das clulas. possvel por intermdio de um comando definir e obter a descrio de clulas bem como alterar e remover descries e definies. A clula normalmente definida por um nome simblico, enquanto a descrio constituda por informaes relativas s identificaes globais de clulas (CGI), cdigos de identificaes de estaes base (BSIC) e nmero dos


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canais de broadcast (BCCH). Os dados de configurao de uma clula incluem por sua vez a insero, alterao e remoo dos nmeros dos canais de RF bem como dos nveis de potncia de emisso destes canais. Administrao dos dados dos sistema de informao. Os dados do sistema de informao so dados especficos a uma determinada clula difundidos para as estaes mveis, quer estas estejam em modo de espera ou dedicadas. Esta informao pode ser por exemplo se a clula est ou no barrada a acessos, a mxima potncia de emisso permitida na clula, informao relativa s frequncia das estaes base vizinhas, etc. Administrao dos dados de localizao. Para assegurar as funes de localizao utilizada uma srie de dados que podem ser alterados, corrigidos ou removidos. Por exemplo os dados relativos ao algoritmo de construo das listas de clulas, a histerese, e offset podem ser alterados de forma a balancear o trfego numa determinada rea. Medidas de Trfego. O BSC executa uma srie de funes relacionadas com medidas de trfego. O resultado destas medidas normalmente transferido para o OSS para posterior anlise. Exemplos destas medidas so o nmero de tentativas para estabelecer chamadas, congestionamento, nveis de trfego, nmero de handovers, nmero de chamadas cadas, etc. Alm das funes anteriores o BSC est tambm responsvel por carregar todo o software para as estaes base, visto estas no terem discos rgidos. Assim em caso de falha ou de activao as BTS tm de carregar todo o software a partir do BSC. Alm desta funo o s BSC tem de assegurar todos os mecanismos que permitam estabelecer, manter e terminar ligaes rdio com os mveis. Na fase de estabelecimento de ligaes com os mveis esto envolvidos os seguintes passos: Paging. Com base em pedidos do MSC o BSC envia mensagens de paging para as BTS que pertencem rea de localizao em causa, sendo depois esta informao passada aos mveis atravs do canal de paging. A situao da carga de trfego do BSC verificada antes de se iniciar este procedimento. Estabelecimento de uma ligao para sinalizao. Na fase de estabelecimento de chamadas a comunicao passa a ser feita atravs dos canais de sinalizao prprios para o efeito atribudos pelo BSC. Se a

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ligao tem inicio no mvel verificada a situao de trfego do BSC. Se tem inicio no MSC j tinha sido verificada quando existiu o paging. Atribuio de canal de trfego. Depois da atribuio do canal de sinalizao inicial, o prximo passo para o MSC mandar o BSC atribuir um canal de trfego para a ligao em causa. Se todos os canais de trfego estiverem ocupados pode ser feita uma tentativa de encontrar um canal nas clulas vizinhas. Depois de estabelecida a ligao com o mvel o BSC no termina por aqui o seu trabalho mas antes inicia aqui as mais complexas funes de forma a supervisionar e manter as ligaes em curso. A intensidade do sinal e qualidade de voz so permanentemente medidas pela MS e BTS sendo ento transmitidas para o BSC, permitindo-lhe assegurar com eficincia os seguintes mecanismos: Controlo de potncia na MS e BTS. O BSC calcula a potncia de emisso dos mveis e estaes base com base nas medidas que lhe so enviadas. Esta informao enviada para os mveis e BTS com uma periodicidade de 480 ms de forma a preencher os objectivos do controlo de potncia. Localizao. A funo de localizao continuamente avalia o estado da ligao rdio entre o mvel e a BTS e, se necessrio, sugere um handover para outra clula. Esta deciso tomada com base nos resultados das medidas tanto da clula em causa com das clulas vizinhas. Handover. O handover o processo pelo qual uma ligao activa transferida para outra clula. Existem diversos tipos de handover, com vrias causas possveis e diferentes entidades envolvidas. Este mecanismo ser estudado mais tarde. Frequency Hopping. As sequncias de hopping so definidas pelo BSC que as envia para os mveis e estaes base. Mensagens Curtas. O BSC assegura a gesto das listas de espera, envio e repeties de mensagens curtas.


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3.4 Switching System (SS)O sistema de comutao inclui as principais funes de comutao do sistema, assim como as bases de dados necessrias para os assinantes e para a gesto da mobilidade. A sua principal funo a gesto da comunicao entre utilizadores de DCS e utilizadores de outras redes.

VLR HLR PSTN / ISDN GMSC B S S VLR EIR MSC AuC

SS

OSS

Figura 3.9 - Componentes do Sistema de Comutao

Como podemos observar na Figura 3.9, o sistema de comutao inclui os seguintes elementos funcionais: Gateway Mobile services Switching Centre (GMSC); Mobile services Switching Centre (MSC); Visitor Location Register (VLR); Home Location Register (HLR); Authentication Centre (AuC); Equipment Identity Register (EIR).

Normalmente o MSC e o VLR esto integrados no mesmo n da rede. Isto acontece devido intensa troca de informao entre os equipamentos em todos os estabelecimentos de chamadas, o que poderia resultar numa excessiva carga nos canais de sinalizao se estes equipamentos estivessem em ns separados.

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O MSC pode tambm incluir a funcionalidade de Gateway, passando a actuar como uma gateway para o sistema mvel, denominando-se neste caso por GMSC. O HLR pode estar isolado na rede ou integrado junto a um n de um MSC/VLR. J o AuC normalmente um equipamento externo isolado, normalmente um computador, sendo ligado ao HLR por canais de sinalizao. Quanto ao EIR, esta funcionalidade est normalmente integrada no computador do AuC.

3.4.1 MSC/VLR e GMSCO centro de comutao de servios mveis (MSC) o corao da rede mvel. O MSC responsvel pela total gesto das chamadas, tendo de estabelecer, encaminhar, controlar e terminar chamadas. Alm das funes relacionadas com o controle de chamadas o MSC tambm responsvel por gerir os handovers entre dois BSC pertencendo ao mesmo MSC s ou a MSC diferentes, assim como suportar diversos servios suplementares. Todas as funcionalidades relacionadas com contas e taxao so tambm da responsabilidade do MSC, bem como efectuar o interface com as redes pblicas de voz (PSTN) e dados (ISDN). Normalmente o VLR e o MSC esto integrados, no entanto devem ser vistos como dois ns funcionais independentes. O VLR basicamente uma base de dados que contm diversa informao acerca de todos os assinantes mveis presentemente cobertos pela zona de servio do MSC. Sendo assim cada MSC deve ter o seu prprio VLR. O MSC Gateway (GMSC) faz a interligao entre a rede GSM e outras redes. o ponto da rede GSM por onde entram as chamadas para os assinantes mveis. O GMSC tem a funo de interrogar o HLR para pedir informao acerca da localizao do utilizador destino. Esta localizao dada atravs do endereo do MSC/VLR. Em seguida o GMSC tambm responsvel por encaminhar a chamada para o MSC da rea de servio onde esta localizado o assinante. O GMSC tem de intervir sempre que um dos extremos da chamada um assinante fixo, ou de outra rede externa. 3.4.1.1 Funcionalidade


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Arquitectura do SistemaCaptulo 3Registo de Visitantes Armazenamento e gesto de todos os dados do assinante Anlise Anlise dos endereos e das numeraes IMSI Acesso Mobile Application Part Protocolo utilizado para os procedimentos de sinalizao com o HLR Administrao Disponibilizao de comandos e relatrios

HLR

Suporte de todos os aspectos relacionados com a ligao entre o mvel e a rede GSMTrfego Sinalizao

BSC

Figura 3.10- Entidades funcionais no MSC/VLR

A arquitectura do MSC, bem como a estruturao das suas funcionalidades est muito dependente dos fabricantes, apesar de as funes serem normalizadas, bem com os interfaces. Assim no mbito deste texto s interessa analisar as funes relacionadas com a mobilidade, desprezando todas as outras relacionadas com a sinalizao, comutao, taxao, etc. De uma forma geral os servios mveis esto divididos principalmente em cinco mdulos funcionais, Figura 3.10: Registo de Visitantes. O registo de visitantes o mdulo que suporta o chamado VLR. responsvel por guardar e gerir os dados dos mveis que esto sob a rea de cobertura do MSC. Estes dados so recebidos do HLR e contm diversa informao, tal como: Identificao Internacional do Assinante Mvel (IMSI); Nmero do Mvel (MSISDN); Servios suportados pelo assinante; Categoria do assinante; Os triplets utilizados na autenticao; Dados dinmicos, que so alterados com frequncia, tal como o estado (attach/detach), localizao (LAI), etc. Cada registo de visitante tem como chave de pesquisa o IMSI. Mobile Application Part (MAP). A MAP a parte da aplicao mvel que responsvel por todos os procedimentos de sinalizao com o HLR, tal como:

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Actualizao de Localizao que enviada para o , HLR; Cancelamento de Localizao, que recebida do HLR; Envio de Parmetros, que pedido pelo HLR de forma a serem disponibilizado novos triplets; Disponibilizao do nmero de Roaming, que envia um nmero de roaming para o HLR para ser enviado ao GMSC.

Anlise. As funes de anlise tm por objectivo analisar os nmeros IMSI. Esta anlise tem como finalidade verificar se o nmero nacional ou internacional. Esta funo utiliza tambm o IMSI como referncia para encontrar um registo de assinante sempre que necessrio aceder ao registo. Administrao. A parte de administrao permite que sejam executadas diversas funes com base em comandos recebidos do terminal, tal como as configuraes e definies dos BSC das clulas, nmero de srie de s, IMSI e de nmeros de roaming. Permite tambm disponibilizar s relatrios de toda a informao relacionada com as configuraes ou definies, bem como informao relativa aos dados de assinantes. Acesso. Est

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