GSM Global System for

Mobile communications

Universidade do Algarve Faculdade de Ciências e Tecnologia

Departamento de Eng.ª Electrónica e InformáticaRedes sem Fios 2005/2006

Elaborado por:

João Carvalho – 20058

Marco Santos – 20610

Assuntos a abordar

História do GSM

Arquitectura da rede GSM

Serviços disponíveis

Aspectos da rede

Interface de rádio

História do GSM

Necessidade surgiu na Europa nos anos 80 Especificação completa em 1990 Implementado em 1991 – 1ª rede foi a Radiolinja na

Finlândia Em Portugal surgiu em 1992 É actualmente o sistema dominante a nível de

telecomunicações móveis, tendo mais de mil milhões de utilizadores em todo o mundo, divididos por mais de 200 países

História do GSM (2) Redes de 1ª Geração

Os equipamentos estavam limitados a operar apenas num dado país

O mercado de cada equipamento era limitado, o que fazia com que os custos fossem elevados

Objectivos do GSM: Boa qualidade de som Suporte para utilização no estrangeiro (roaming) Suporte para terminais portáteis Fornecer novos serviços e com melhor qualidade Eficiência a nível de frequências Baixo custo de equipamentos móveis e infra-estruturas Compatibilidade com outros sistemas

História do GSM (3) – Evolução dos equipamentos

Arquitectura da rede GSM

Arquitectura da rede GSMMS – Mobile Station

Um MS – Mobile System, é composto por: Telemóvel ou outro equipamento

similar Cartão SIM (Subscriber Identity

Module) É um programa que é executado num

UICC (Universal Integrated Circuit Card)

Guarda mensagens, lista telefónica, preferências do utilizador, e informações relativas ao estado e subscrição de serviços da rede

Número de série associado a cada SIM

Arquitectura da rede GSMBase Station Subsystem (BSS)

Faz o interface com o MS É composto por:

Base Transceiver Station (BTS) Contém transceivers, antenas, e

equipamento de encriptação/desencriptação

É normalmente colocado no centro de uma célula (a sua potência de transmissão define o tamanho da célula)

Base Station Controller (BSC) O BSC controla um grupo de BTS,

normalmente dezenas ou mesmo centenas Um BSC é responsável por alocação de

canais de rádio, frequency hopping , handover entre BTS e comunicação do MS com o MSC

Arquitectura da rede GSMNetwork and Switching Subsystem (NSS)

É o “core” do sistema GSM

Comporta-se como um PSTN (Public Switched Telephone Network) implementando ainda funcionalidades relativas ao utilizador do MS tais como registo, autenticação, registo de localização, handover, e encaminhamento de chamadas para uma rede de outro país (roaming)

Pertence a um operador especifico e a sua principal função é gerir as comunicações entre os terminais móveis e outros operadores, tais como operadores móveis (da mesma ou de outras redes), operadores de rede fixa

Arquitectura da rede GSMComponentes do NSS MSC

É composto por: Mobile services Switching Center (MSC)

É o componente principal do NSS Gere as comunicações e implementa os serviços do GSM (voz, dados,

fax, SMS, desvio de chamadas, etc.) Está conectado a redes fixas e outros MSC de modo a providenciar

handover e roaming

Gateway MSC MSC que faz a ligação com outras redes. Todas as comunicações entre essas outras redes e o cliente GSM são reencaminhadas pelo GMSC

Visited MSC MSC onde um dado cliente está ligado Anchor MSC MSC de onde o processo de handover é iniciado Target MSC MSC de destino no processo de handover

Arquitectura da rede GSMComponentes do NSS MSC (2)

O MSC é responsável por: Encaminhar as chamadas de/para os subscritores

baseando-se em informações na VLR Fazer a entrega de SMS (Short Message Service) do

subscritor para o SMSC (Short Message Service Center) e vice versa

Tratar dos handovers de BSC para BSC Tratar dos handovers da MSC actual para outra Suportar serviços como chamada em espera ou chamada

em conferência Recolher informação de cobrança de serviços

Arquitectura da rede GSMComponentes do NSS HLR

Home Location Register (HLR) HLR é a base de dados central que contem informação

relativa a todos os subscritores autorizados da rede GSM do NSS

Para isso guarda informação de todos os SIM do operador

Esses dados são por exemplo os números de telefone associados (pode ter vários) ou serviços subscritos

Essa informação fica armazenada no HLR enquanto o SIM for cliente dessa rede

Arquitectura da rede GSMComponentes do NSS VLR

Visitors Location Register (VLR) É uma base de dados temporária com registos dos utilizadores da rede

que estão na zona de cobertura daquele MSC (normalmente está integrado no V-MSC)

Contém dados como: IMSI (International Mobile Subscriber Identity) – número do SIM Dados de autenticação MSISDN (Mobile Station Integrated Services Digital Network) - número de telefone

do subscritor Serviços GSM disponíveis para o subscritor Endereço HLR do subscritor

Os dados podem provir do HLR ou podem ser recolhidos directamente do MS

Principais funções: Informar o HLR que o subscritor chegou à área coberta pelo VLR Saber a localização do subscritor Apagar o registo do subscritor quando este se move para outro VLR (ordem dada

pelo HLR), ou quando este passa um dado período inactivo (informa o HLR)

Arquitectura da rede GSMComponentes do NSS AUC, EIR e GIWU

Authentication Centre (AUC) É responsável pela autenticação de cada SIM na rede GSM (autenticação

normalmente feita ao ligar o telefone) Gera uma chave encriptada para ser usada em todas as comunicações

naquela “sessão” Equipment Identity Register (EIR)

Normalmente integrado com o HLR Tal como o AUC, serve para propósitos de segurança Guarda um lista de IMEI (International Mobile Equipment Identity) que estão

banidos da rede ou que estão a ser monitorizados Normalmente implementado juntamente com o AUC

GSM Interworking Unit (GIWU) GIWU providencia uma interface para varias redes para transmissões de

dados Durante essas transmissões, o utilizador pode comutar voz e dados Tipicamente está implementado no MSC

Arquitectura da rede GSM Operation and Support Subsystem (OSS)

Está conectado a componentes do NSS e aos BSC de modo a controlar e monitorizar o sistema GSM

É responsável por controlar a carga de trânsito dos BSS

Devido ao aumento do número de BS causado pelo aumento de utilizadores da rede, algumas tarefas de manutenção foram transferidas para as BTS de modo a reduzir custos

Serviços disponíveis no GSM

Existem 3 tipos de serviços: Tele-serviços: tráfego de

voz Serviços ao portador:

tipicamente transmissão de dados em vez de voz.

Serviços suplementares: criados para fornecer funcionalidades adicionais aos outros tipos

Tele-serviços Os mais comuns são as

chamadas de voz Chamadas de

emergência Voice-mail

Serviços disponíveis no GSM (2)

Serviços de portador São serviços de dados, taxa de

transferência varia entre 300 e 9600 bps

GPRS (General Packet Radio Service) trouxe taxas de transferência mais elevadas

Exemplos: Acesso à Internet SMS

Permite ao subscritor enviar e receber mensagens (até 160 bytes)

Transferência síncrona e assíncrona de dados

Fax

Serviços suplementares Complementam os serviços

de portador e voz Exemplos:

Chamada em espera Reencaminhamento de

chamada Barramento de chamada Grupos Restrição do envio da

identidade

Handover

Processo de transferência de uma ligação activa (chamada telefónica ou sessão de dados) de uma célula para outra

Pode ocorrer por 2 motivos: O MS pode estar a captar um sinal melhor de

outra BS A BS está cheia e não pode aceitar a ligação

Handover

Tipos de handover: Entre canais do mesmo BTS Entre BTS do mesmo BSC Entre BTS do mesmo MSC mas de BSC diferentes Entre BTS controlados por diferentes MSC

QoS no GSM

Aspectos da rede GSM

Um terminal GSM pode movimentar-se tanto em território nacional como internacional, o que implica que as funções de registo, autenticação, routing da chamada e actualização da localização do terminal sejam um standard em redes GSM.

O facto de as redes estarem geograficamente distribuídas por células implica a implementação do mecanismo de handover.

Estas funções são realizadas pelo Network Subsystem, através do Mobile Application Part (MAP) implementado no topo do protocolo SS7 (Signalling System No. 7).

Protocolo de Sinalização

O protocolo de sinalização do GSM está estruturado em 3 layers: Layer 1: camada física; Layer 2: camada de transmissão; Layer 3: está divido em 3 sublayers no MS:

Protocolo de Sinalização – Layer 3

Radio Resources Management• Tem como função estabelecer e manter uma canal de ligação estável e

ininterrupto entre o MSC e o MS; O mecanismo de handover é também controlado pela camada RR;

Mobility Management• Responsável pela localização e actualização da mesma assim como os

processos de registo (autenticação e segurança).

Connection Management Tem como função estabelecer as chamadas requeridas pelo utilizador.

Tem 3 funções principais: Controlo da chamada: tem como funções estabelecer as chamadas, a

selecção do tipo de serviços (incluindo alternando entre serviços durante a chamada) e terminar chamadas;

Controlo dos serviços suplementares: permite as modificações e verificações dos serviços suplementares;

Controlo do SMS (Short Message Services): fornece os serviços SMS aos terminais móveis.

Radio Resources Management É a camada que estabelece uma ligação, rádio e fixa, entre o MS e o MSC. Os

meios envolvidos são o MS, o BSS e o MSC; Estabelecimento e alocação dos canais rádio na interface Um; Estabelecimento da ligação entre a interface A e o MSC;

Os processos de Handover são também controlados nesta camada envolvendo o MS e o BSS e num plano secundário o MSC;

Tem em atenção uma sessão RR, que é o tempo que um MS está em modo dedicado assim como a configuração dos canais de rádio, incluindo a alocação de canais dedicados; Uma sessão RR é sempre iniciada pelo MS através do processo de acesso:

Saída de chamadas; Resposta a uma mensagem de paging*;

Controla também o power control, transmissão contínua e descontínua e timing advance.

Paging: aviso de chegada de chamada para um MS.

Mobility Management – Localização

A localização é feita através de processos que permitem ao sistema saber a localização corrente de um MS para que as chamadas enviadas ao mesmo possam ser correctamente encaminhadas.

Quando um MS se move para uma nova área de localização tem de se registrar com a rede para indicar a sua localização. Uma mensagem de update de localização é enviada para o novo

MSC/VLR que grava a informação da área de localização, e depois envia a informação da localização ao HLR do subscritor do serviço.

Se o subscritor for válido, o HLR envia um subset da informação do subscritor, necessário para o Call Control, para o novo MSC/VLR e envia uma mensagem ao antigo MSC/VLR para cancelar o registo antigo.

Um outro processo relacionado com o update da localização é o IMSI (International Mobile Subscriber Identity) attach e detach. O detach permite à rede saber que o MS está fora de alcance, evitando

assim que a alocação de canais e o envio de mensagens de paging; O attach é similar ao processo de update da localização, informando a

rede que o terminal está dentro de alcance novamente.

Mobility Management - Aspectos de autenticação e segurança

A cada subscritor é fornecida um código secreto em que uma cópia do mesmo é guardado no SIM e outra no AuC.

Durante a autenticação, o AuC gera um número aleatório que envia para o MS. O MS e o AuC usam esse número aleatório em conjugação com o código secreto do subscritor e o algoritmo de encriptação A3 para gerar um SRES (Signed Response) que é enviado depois para o AuC pelo MS.

Se o número enviado pelo MS for o mesmo que o calculado pelo AuC, então o subscritor é autenticado.

Outro nível de segurança é feito no próprio equipamento móvel. Cada MS tem um IMEI e uma lista de IMEIs na rede são guardados no EIR. A uma query IMEI pode ser respondido para o EIR o seguinte: White-listed: o terminal tem permissão de se conectar à rede; Grey-listed: o terminal está sobre observação pela rede por possíveis

problemas; Black-listed: o terminal ou está classificado como roubado, ou não

corresponde a um tipo aprovado (o tipo de terminal correcto para uma rede GSM). O terminal não está autorizado a conectar-se à rede.

Connection Management – Call Control

Call routing Para aceder um MS é marcado o MSISDN (Mobile Subscriber ISDN), que inclui:

O código do Pais, que consiste em três dígitos (351); O código nacional de destino, que identifica o operador do subscritor (91, 96, 93); O International Mobile Subscriber Identity (IMSI), que identifica o subscritor no HLR;

Quando é feita uma chamada a um MS esta é dirigida ao GMSC. A informação retornada ao GMSC quando este interroga o HLR sobre a informação de routing do subscritor é o MSRN (Mobile Station Roaming Number): Quando o GMSC questiona o HLR pelo MSRN do subscritor, o HLR (que guarda o apenas o

endereço SS7 do corrente VLR do subscritor) vai questionar o VLR do subscritor pelo seu MSRN (alocado temporariamente para a chamada em questão).

O MSRN é retornado ao HLR que de seguida o retorna ao GMSC, que assim pode encaminhar a chamada para o novo MSC;

No novo MSC o IMSI correspondente ao MSRN é guardado e o MS é paginado na sua localização corrente.

TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity

Aspectos da Ligação Rádio

O ITU (Internacional Telecommunication Union), alocou as bandas 890-915 MHz para uplink (MS para BS) e 935-960 MHz para downlink (BS para MS) para as redes móveis na Europa.

O GSM tem 3 frequências principais: 900 MHz, 1800 MHz, e 1900 MHz. Apenas depende do Pais qual a frequência que é usada.

Aspectos da Ligação Rádio– acesso múltiplo

O método usado pelo GSM para o esquema de acesso multiplo é uma combinação do TDMA com o FDMA. a parte FDMA divide a frequência de 25 MHz em 124

frequências. Cada uma destas portadoras são depois divididas em tempo

(burst period ≈ 0.577 ms). 8 períodos burst são agrupados numa frame TDMA (aprox.

4.615 ms). Um canal físico é um período burst por frame TDMA. Os canais são definidos pelo numero e posição dos seus

períodos burst correspondentes. Podem ser: Dedicados: são alocados a um MS; Comuns: são usados pelos MS quando estes estão inactivos.

Aspectos da Ligação Rádio – canais de tráfego

Um canal de tráfego (TCH – Traffic Channel) é usado para transportar voz e dados. São definidos usando uma multiframe de 26 frames (grupo de 26 frames

TDMA). Têm um tamanho de 120 ms. Dos 26, 24 são usados para o tráfego, 1 é usado para o SACCH (Slow

Associated Control Channel) e o restante não é actualmente usado. O TCH uplink e downlink estão separados por 3 períodos burst, evitando

assim que o MS envie e receba simultaneamente.

Aspectos da Ligação Rádio – canais de controlo

Os canais comuns podem ser acedidos por MS em modo inactivo ou dedicado. São usados pelo MS em modo

inactivo para a troca do sinal de informação requerida para este passar a modo dedicado;

Se o MS está em modo dedicado este vai verificar todas as BS vizinhas para possível handover ou obter outras informações;

Os canais comuns são definidos por uma multiframe de 51 frames, permitindo desta forma que os MS dedicados que estão a usar a multiframe TCH possam ainda monitorizar os canais de controlo. Os canais comuns incluem:

Canais de Controlo

Tipo Funcionalidade

Broadcast Control Channel (BCCH)

Broadcast downlink

(BS para MS)

Broadcasts contínuos no downlink, informação, sobre a identidade da BS, alocação de frequências e sequencias de frequency-hopping.

Random Access

Channel (RACH)

Common uplink 

(MS para BS)

Canal Aloha usado pelo MS para requerer acesso à rede.

Paging Channel (PCH)

Common downlink 

(BS para MS)

Usado para alertar o MS para a chegada de uma chamada.

Aspectos da Ligação Rádio – codificação da voz

Sendo o GSM um sistema digital é necessário digitalizar a voz. O método aplicado pelo GSM para codificar a voz é o RPE-LPC (Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder) com um ciclo Long Term Predictor.

Basicamente, a informação das amostras anteriores é usada para advinhar a amostra corrente. Os coeficientes da combinação linear das amostras anteriores e uma forma codificada do resíduo, a diferença da amostra adivinhada e a actual, representam o sinal. A voz é dividida em amostras de 20 ms, cada uma codificada em

260 bits, num total de uma taxa de transmissão de 13 kbps.

Actualmente é utilizado o algoritmo de codificação de voz EFR (Enhanced Full-Rate ), que fornece uma melhor qualidade de voz à mesma taxa de transmissão de 13 kbps.

Codificação e Modelação do Canal De forma a proteger o sinal, transmitido na interface de rádio, de erros o GSM

através de rotinas matemáticas que verificam a integridade dos dados.

Cada bloco de dados tem 260 bits por cada amostra de voz de 20 ms que são divididos em 3 classes: Classe Ia 50 bits – mais sensíveis a bit errors; Classe Ib 132 bits – moderadamente sensíveis a bit errors; Classe II 78 bits – menos sensíveis a bit errors;

Aos bits da classe la são adicionados 3 bits (Cyclic Redundancy Code) para a detecção de erros. Se um erro for detectado, a frame e tida como corrompida e é abandonada, sendo substituída por uma versão atenuada da frame recebida anteriormente.

Estes 53 bits com os 132 da classe lb juntamente com 4 bits do tail sequence (num total de 189 bits) são enviados a um codificador.

Cada bit de entrada é codificado em 2 bit de saída, baseados na combinação dos 4 bits anteriores. Desta forma o codificador retorna 378 bits, que somados com os restantes 78 bits da classe II (que não estão protegidos) dão um total de 456 bits por cada amostra de voz de 20 ms.

Para proteger a amostra dos burst errors os 456 bits da amostra são divididos em 8 blocos de 57 bits e esses blocos são transmitidos em 8 consecutivos time-slot bursts. Uma vez que cada time-slot burst pode transmitir 2 blocos de 57 bits, cada burst carrega tráfego de duas amostras de voz diferentes.

Equalização Multipath À frequência de 900 MHz, as ondas rádio reflectem em todos os

edifícios, montanhas, carros e aviões. Também muitos sinais reflectidos, cada com diferentes fases, podem chegar a uma antena.

A equalização multipath é usada para extrair os sinais desejados dos sinais reflectidos. Funciona encontrando o modo como o sinal transmitido

conhecido é modificado pela propagação multipath. Este sinal conhecido é a sequência de bits transmitida no meio

de cada time-slot burst. A actual implementação do equalizador não está documentada

nas especificações do GSM.

Transmitida sem o equalizador Transmitida usando o equalizador

Frequency hopping Um MS tem de lidar com diferentes frequências:

Para transmitir; Para receber; Para monitorizar o time slot numa frame TDMA.

O GSM implementa os saltos em frequência, em que o MS e o MTS transmitem cada frame TDMA em diferentes frequências.

É feito um broadcast ao algoritmo frequency hopping no BCC (Broadcast Control Channel). Uma vez que o multipath é dependente do portador de frequência, trocas de frequência ajudam a minimizar este problema.

DTX – Transmissão Descontínua

Transmissão descontínua é um método que, aproveitando o facto de uma pessoa falar menos de 40% durante uma chamada, desliga o transmissor durante os períodos de silencio. Um benefício consequente deste método é a poupança de energia no

MS.

VAD (Voice Activity Detection) Tem de distinguir entre voz e ruído (uma tarefa bastante difícil se

tivermos em conta a voz de fundo); Por vezes uma má interpretação do sinal de voz com o barulho leva

a que o transmissor seja desligado durante uma conversação; Por outro lado, se existir uma má interpretação do sinal de ruído

com o sinal de voz, levando a que o ruído seja confundido com voz, leva a que a performance do DTX diminua drasticamente;

Devido ao facto do GSM ser uma rede digital, quando o transmissor é desligado no MS de origem, no MS de destino nada se houve (silêncio total). Para assegurar ao MS de destino que a chamada não caiu, é criado um comfort noise no MS de destino através das características do background noise do MS de destino.

Recepção Descontínua

É um método utilizado para poupar energia no MS numa recepção descontínua.

O canal de paginação que é usado pela BS para sinalizar a chegada de chamadas é estruturado em sub-canais. Cada MS necessita de escutar apenas o seu próprio sub-

canal; Durante os sucessivos sub-canais de paginação o MS

pode entrar em standby, onde o consumo de energia é muito reduzido.

Controlo de Potência Existem 5 classes definidas de MS de acordo com o seu pico de

potencia de sinal: 20, 8, 5, 2 e 0.8 watts.

Para minimizar a interferência co-canal e para poupar energia, os MS e os MTS operam no nível mais baixo de potência que mantenha uma aceitável qualidade de sinal. Usando menos potência de sinal traduz-se em menor gasto de

energia e um menor congestionamento entre todos os MS numa célula.

Um MS mede a “força” do sinal ou a qualidade do sinal (baseado no Bit Error Ratio) e envia essa informação para o BTC que decide se e quando os níveis de potência têm de ser ajustados.

Referências bibliográficas http://www.cs.ucl.ac.uk/staff/t.pagtzis/wireless/gsm/gsm1.html

http://www.iec.org/online/tutorials/gsm

http://ccnga.uwaterloo.ca/~jscouria/GSM/gsmreport.html

http://www.privateline.com/PCS/GSM0.html

Redes de 2ª Geração GSM

FIM