Gsm curso
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Bibliografia do Curso
• « An Introduction to Gsm » S.M. Redl, Artech House
• IEEE Spectrum, www.spectrum.ieee.org
• « Réseaux GSM-DCS » X. Lagrange, Hermes
• « Le téléphone Radiocoms », R.C Hozé, Dunod
• www.techonline.com,
• « GSM towards 3rd generation » by Zvonar, Kluwer
• « Digital Modulation techniques », F. Xiong, Artech House
• World Radiocom Conference
História da Telecomunicações
Conceitos Introdutórios
Comunicação Analógica vs. Digital
Bit
BER
Sinal
Ruído
Interferência
Relação S/N
Largura de Banda
Características do Meio
•Canal Partilhado;
•BER mais elevado;
•Dependência das condições atmosféricas;
•Dependência das condições geográficas
Redes Celulares ?
Pq uma célula de comunicação?
– Reutilização
– Capacidade
Tipos de Serviços
• Os serviços de comunicações móveis incluem:
telemensagens (paging);
telefone sem fios;
rádio móvel privado (trunking);
comunicações celulares;
informação e controle de tráfego, e orientação de rotas;
sistemas de dados via rádio;
multimédia e vídeo-telefonia móvel;
Serviços baseados em posição.
Tipos de Serviços
Os serviços podem ser classificados de acordo com
o tipo de ligação:
• difusão: a informação é enviada por um centro,
podendo ser recebida por vários utilizadores;
• ponto-a-ponto: a informação é enviada, ou
trocada, entre dois utilizadores;
• ponto-a-multiponto: a informação é enviada, ou
trocada, entre um utilizador e um grupo de utilizadores.
Tipos de Serviços
Os sistemas podem ser classificados quanto ao
modo de comunicação:
• bidireccional:
___ simplex: um canal
___ duplex: dois canais com utilização simultânea
___ alternado: dois canais sem util. simultânea
• unidireccional:
___ base móvel
___ móvel base
Bandas de Frequência
Em VLF efectuam-se os serviços de telegrafia com os submarinos submersos.
• As comunicações a distâncias longas entre navios e estações costeiras são feitas em LF.
• Em MF fazem-se as comunicações móveis
aeronáuticas, marítimas e terrestres a distâncias
médias.
• Alguns serviços móveis terrestres, marítimos e
aeronáuticos a distâncias grandes são realizadas em HF.
Bandas de Frequência
A banda de VHF é usada para os serviços móveis
terrestres, marítimos e aeronáuticos em distâncias
médias/pequenas, além dos telefones sem fios e
dos serviços de telemensagem.
Os serviços de comunicações celulares (distâncias
pequenas), bem como os serviços móveis
marítimos via satélite, são efectuados em UHF.
Comunicações Móveis
Terrestres
Actualmente usa-se a banda [70, 2 200] MHz
para
os serviços móveis de fonia, dados e mensagem,
devido a:
• características de propagação;
• tamanho e tipo de antenas;
• facilidade de fabrico de equipamento.
• A tendência é para usar bandas de frequência
mais
elevadas no futuro.
Comunicações Móveis
Terrestres
A propagação na banda VHF/UHF caracteriza-se
por:
• ser quase independente da polarização, e das
propriedades electromagnéticas do solo;
• se fazer essencialmente por raios directo e
reflectido;
• ser influenciada pela presença de obstáculos;
Propagação VHF/UHF
• ser pouco sensível à refracção na
atmosfera;
• ter um alcance aquém do rádio horizonte;
• não sofrer perturbação pelos gases
atmosféricos e hidrometeoros.
Comunicações Móveis
Terrestres
As antenas são, geralmente, dipolo,
monopolos, ou elementos impressos:
• isolados para os terminais móveis;
• em agregado para as estações base.
Diferenças com Outros
Serviços
Nos serviços fixos:
• pode escolher-se o percurso de modo a minorar
alguns dos problemas de propagação;
• as antenas são sempre directivas, e colocadas em
linha de vista;
• o desvanecimento é muito menos importante.
Cenários de Inter-ligação
Exemplo de
FWALigações no GSM
Link Atmosférico
iMac
Diferenças com Outros
Serviços
Nos serviços de difusão:
• a comunicação é unidireccional;
• a cobertura é conseguida com um número
relativamente baixo de emissores;
• a localização dos receptores pode ser
escolhida.
Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
A 1ª geração caracterizou-se por usar
tecnologia analógica e transportar apenas
voz.
• A 2ª geração usou tecnologia digital, e
permite transportar dados, embora tenha
sido dimensionada para voz.
Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
• A 3ª geração, de tecnologia digital, é
dimensionada para dados e multimédia.
• A 4ª geração, de tecnologia digital, para
dados e multimédia, diferencia-se por ...?
Cronologia no GSM
GSM - Aparecimento
GSM começa em 1982, quando a Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) forma um grupo de trabalho chamado de Groupe Spécial Mobile (designação inicial de GSM).
Objectivos do GSM
Boa qualidade de voz;
Baixo custo dos terminais e serviços;
Suporte para International Roaming;
Capacidade de integração em terminais portáteis;
Suporte para o desenvolvimento de novos serviços;
Eficiência Espectral;
Compatibilidade ISDN / RDIS
Evolução do GSM
Em 1989 a responsabilidade sobre o GSM passou
para European Telecommunication Standards
Institute (ETSI) e as recomend. Fase 1 aparecem em
1990.
Em 1991 aparece a especificação para Digital
Cellular System (DCS1800).
Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
Limitações do 2G - GSM
Crescimento nas Redes Móveis
Crescimento nas Redes
Fonte: Nortel 2003
Evolução
Evolução da Largura de Banda
Evolução das Redes Móveis
Tecnologias Wireless
GSM em Portugal
Espectro
Aspectos Básicos de
Propagação
Parte II
Modelos de Propagação
Potência
Antenas
Definições
Definições de Antenas
Antena Omni-Direccional
Antena Direccional
Antenas Sectorizadas
Ganho de uma antena
Abertura e Directividade
Antenas GSM
Relações Gerais
Relações Gerais
Propagação em Espaço Livre
Propagação em esp. livre
Propagação para Dist. Reduzidas
Propagação em “Terra Plana”
Propagação em “Terra Plana”
Propagação em “Terra Plana”
Aproximações
Propagação em “Terra
Plana”
Propagação em “Terra
Plana”
Propagação em “Terra
Plana”
Endereçamento em GSM
GSM permite distinguir as entidades:
– Utilizador
– Equip. Móvel
Identificadores utilizados:
– IMEI, IMSI, MISDN and LAI
Endereçamento em GSM
International Mobile Station Equipment Identity - IMEI
– Número de série que identifica internacionalmente o terminal
móvel.
– Pedido pela rede no momento do registo e contêm:
• Type Approval Code (TAC): 6 dígitos decimais;
• Final Assembly Code (FAC): 6 dígitos decimais;
• Serial Number (SNR): 6 dígitos decimais;
• Spare (SP): 1 digito decimal.
– IMEI = TAC + FAC + SNR + SP (19 digits)
Endereçamento em GSM
International Mobile Subscriber Identity - IMSI
– Identificador único armazenado no SIM;
– MS apenas opera se o SIM tem um IMSI valido;
– MS apenas opera se tiver um IMEI valido;
– Contempla os dados:
• Mobile Country Code (MCC): 3 dígitos decimais
• Mobile Network Code (MNC): 2 dígitos decimais
• Mobile Subscriber Identification Number (MSIN): 10 dígitos
decimais
IMSI = MCC + MNC + MSIN (15 dígitos)
Numeração em GSM
Mobile Subscriber ISDN Number - MSISDN
– Número real do cliente;
– Armazenado na HLR e associado ao IMSI
– Garante a confidencialidade do IMSI, contempla:
• Country Code (CC): até 3 dígitos decimais
• National Destination Code (NDC): tipicamente 2/3 dígitos decimais
• Subscriber Number (SN): Máximo de 10 dígitos decimais
– MSISDN = CC + NDC + SN
OSI
Nível 1 - Especificação
Especificação – Nível 1
Especificação – Nível 1
Células
Exemplo de Segmentação
Detecção de Canal Livre
Comunicação bidireccional
Transmissão vs Recepção
TDMA
Utilizador recebe fatia temporal – slot;
Vários slots originam trama;
Entre distintas tramas é deixado um tempo de
guarda para minimizar crosstalk entre canais.
Trama TDMA
TDMA em GSM
Salto em Frequência
Selectividade
Voz em GSM
Voz em GSM é codificada digitalmente à taxa de 13 kbps- full-rate speech coding.
Os 13 kbps (260 bits cada 20 ms) têm forward error correction adicionado por um encoder convolucional.
Voz em GSM
Depois da codificação do canal chegamos a 22.8 kbps (ou 456 bits cada 20 ms);
456 bits são divididos em 8 blocos de 57 bits;
As tramas são entrelaçadas e transmitidas (Burst Errors).
Voz em GSM
Cada trama de 57 bit é adicionada uma sequencia
de treino (26 bit) para a equalização;
De seguida utiliza-se a modulação Gaussian
Minimum Shift Keying (GMSK) numa portadora de
200 kHz.
Sequência de Treino
Amostragem de Voz
Amostragem Temporal de Voz
Compressão
Compressão de Voz
Encriptação em GSM
QPSK em GSM
Geração do QPSK
Modulação GMSK
Objectivo:
– Suavizar as transições, logo reduzir a largura de banda
ocupada.
Gaussian Modulated Shift Keying (GMSK)
Recepção do sinal
Receptor - Detalhe
Detalhe de um Telemóvel GSM
Detalhe de um Telemóvel GSM
Modulo SIM
Modulo SIM
Autenticação no acesso à rede;
Geração da chave de encriptação;
Armazenamento seguro de chaves e
números telefónicos.
Novas Funcionalidades
Personalização dos telemóveis:
Nome da operadora
Armazenamento in SIM para display no ME
3 Volt Technology SIM
Especificação (GSM 11.12)
Número de serviço específicos da operadora.
Novas Funcionalidades
SIM Application Toolkit
SIM data download
Proactive SIM
Barramento de chamadas
SIM Test Specification
new specification (GSM 11.17)
Support of Universal Coding Scheme 2
(UCS2)
Suporte dos vários caracteres dos vários idiomas
SIM Standards
GSM 02.17
SIM Functional Characteristics
GSM 11.11
Specification of the SIM/ME I/F
GSM 09.91
Interworking aspects of the SIM/ME I/F
between Phases 1 and 2
GSM 11.12
3V SIM/ME Interface
GSM 11.10 Clause 27
Testing of the SIM/ME Interface
GSM 11.14
The SIM Application Toolkit
GSM 11.17 to come
SIM Test Specification
GSM 02.48 to come
Security Requirements for the SIM Toolkit
SIM Application Toolkit
Conjunto de ferramentas que permitem ao
operador a diferenciação de serviços
disponibilizados via SIM, e com
capacidade de serem utilizados em
qualquer terminal móvel.
Capacidade dos SIM Toolkit
Fornece um caminho directo de comunicação
da rede para o SIM, e vice versa,
Móvel SIM Rede
E.x. Administração remota da SIM Data
Aplicações
Banco online
Ferramentas de Segurança
Necessidade de comunicação segura entre o móvel e
a rede!
Autenticação
Integralidade
Detecção de resposta
Detecção de execução da acção
Confidencialidade
Arquitectura do GSM
Arquitectura do GSM
Arquitectura GSM
Distribuição Geog. das BTS
Soluções de Cobertura em GSM
Roll – out
Objectivos: Criar uma rede de comunicações
adequada e fiável:
– Exigências geográficas;
– Exigência demográficas;
– Perspectiva de evolução do tráfego;
Cobertura em GSM
•Problemas principais:
Atenuação e atraso na propagação
Espectro Rádio limitado
Capacidade de reutilização
Soluções para os problemas
–Controlo de potência transmitida
•Redução da Interferência.
–Frequency hopping
•Melhor qualidade de transmissão
•Melhora a relação diversidade da interf. versus efic. espectral
–Transmissão descontinua
•Reduz risco de interferênci
–Mobile Assisted HandOver (MAHO)
•Algoritmo que minimiza a interferencia gerada pela chamada.
Gestão dos recursos Rádio
Características dos Canais: – Alocação dinâmica de canais
– Broadcast channels para todos os terminais móveis
– Dedicated channels para um determinado terminal móvel
Estados do equipamento móvel: – Idle mode: mobile station (MS) escuta os broadcast channels; mas não tem
nenhum canal alocado.
– Dedicated mode: Um canal bi-direccional é alocado ao MS permitindo a troca
ponto-a-ponto de informação e sinalização com a rede.
Consequências da Mobilidade
Gestão da Localização:
– A localização do MS é mantida actualizada em tempo real;
– As células são agrupadas em Location Area (LA)
– Cada célula pertence a uma e a só uma LA
– Enquanto a MS muda de célula:
• Não há actualização quando as células pertencem à mesma LA
• Existe actualização quando as células envolvidas pertencem a LA diferentes.
Consequências da Mobilidade
Handover: – Capacidade de transferência de uma chamada entre células vizinhas sem
ocorrer uma queda da chamada;
– Exige de alguma forma a tomada de uma decisão
• Medidas de intensidade de sianal
• Histerese na comutação
– Requer a disponibilidade de comutação inter-célula.
Consequências da Mobilidade
Capacidade de receber / efectuar chamadas noutras redes
GSM
Exigências Administrativas: – Acordo de taxação entre diferentes operadores, etc…
Exigências Técnicas: – Transf. chamadas, partilha de info do subscritor, info localização, etc
– Interface de acesso comum.
– Exigências de Hardware de MS idênticas.
Handoff em GSM
Rede Segmentada em Células, logo como resolver:
– Travessia inter-célula;
– Quando comutar de célula?
– Comutação com sucesso?
– Evitar drop-call...
Tipos de Handoff em GSM
Tipos
– Intracell
– Inter-Cell com a mesma BSC
– Intra MSC
– Inter MSC
- Entre redes heterogéneas
Elemento que inicia handoff
– Terminal móvel
– Iniciada pela rede, colaboração do term.
Móvel.
Intra-MSC
Inter-MSC
Decisão do instante de handoff
-Potencia de sinal recebido;
-Relação Sinal / Interferência;
-Gestão de recursos da rede;
Requer HISTERESE na decisão.......
Inic. do handover pela rede
Características dos novos canais;
Características da nova célula;
Nível de Potência envolvido;
Procedimentos para estabelecimento da
ligação;
Informação de sincronismo;
Ajuste do Cipher mode.