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Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Radioacesso

3. Sistemas GSM

CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 3 - Sistemas GSM 2

O desenvolvimento do padrão GSM


Estrutura de rede

! A rede GSM é dividida em áreas de serviço:! Área de serviço GSM: toda a área servida por todos os países

membros em que um móvel GSM pode operar;! Áreas de serviço de rede pública móvel terrestre (PLMN): podem

existir uma ou mais por país, dependendo do tamanho; são interconectas com o sistema fixo pelas MSC;

! Área de serviço da MSC: área coberta por todas as BSC controladas por uma MSC;

! Área de localização (LA): área coberta por um sub-conjunto das BSC controladas por uma MSC, na qual a estação móvel pode mover-se livremente sem atualizar a localização com a MSC;

! Célula: área servida por uma BTS.


Arquitetura básica da rede


A rede GSM está dividida em três grandes sistemas:Switching System (SS) Responsável pelo processamento da chamada (incluindo comutação) e funções relacionadas ao assinante

Base Station System (BSS) Responsável pelo gerenciamento e controle das funções relacionadas ao sistema rádio

Operation and Support System (OSS) Operação e monitoramento de falhas nos dois sistemas acima

Arquitetura da Rede GSM

TRAU

ME

BTSRBS


BTS ou RBS – Base Transceiver Station ou Radio Base Station! É o equipamento rádio (TRX e antenas) responsável pelo funcionamento da interface rádio com a ME em cada célula do sistema

! Principais funções:!Transmissão rádio, inclusive com Frequency Hopping! Recepção do sinal da ME com equalização e diversidade! Medições de alinhamento de tempo! Enviar informações gerais do sistema para as MEs! Receber pedidos de acesso das MEs! Multiplexação, Codificação de canal, entrelaçamento e cifragem

Base Station System (BSS)

TRAU

BTSRBS


BTS


TRAU

BTSRBS

Base Station System (BSS)

! BSC – Base Station Controler ! É responsável por gerenciar a rede rádio:

! Configuração da rede rádio;! Administração e controle das BTSs;! Controle das conexões com as MEs;! Controle de todas as funções rádio: medições, handoff, etc.

! É o nó central do BSS.

! TRAU – Transcoder / Rate Adapter Unit! É responsável pela compressão e descompressão da voz e pela adaptação da

taxa de transmissão em conexões de dados


TRAU


Estação Móvel (ME)

! SIM Card - Cartão que armazena os dados do usuário, tais como:! Identidade Internacional do Usuário (IMSI);! Parâmetro Secreto do Usuário (Ki);! Dados para autenticação e cifragem;! Informações de mensagens curtas e números telefônicos;

! Terminal – hardware de transmissão da interface rádio.

BTSRBS

ME


Estação Móvel (ME)


Switching System (SS)! MSC – Mobile services Switching Center

! É integrada em conjunto com o VLR, formando o par MSC/VLR;! É responsável pelo estabelecimento e controle das chamadas;! É responsável por atualizar a localização do assinante em diferentes registros de

localização;! É responsável por atualizar os dados do assinante;! É responsável por prover as funções de sinalização com os outros elementos de rede e

com outras redes;! É responsável pelo inter-system Handoff;! É responsável pelas funções relacionadas a segurança: autenticação, criptografia e

análise e checagem do TMSI e do IMEI;! Responsável por receber e entregar as mensagens de Short Message das e para as EMs.

! VLR – Visitor Location Register! É uma base de dados temporária que contém todas

informações relacionadas às EMs que se encontram dentro da área de serviço da sua respectiva MSC;

! O VLR pode ser visto como um HLR distribuído.


MSC e VLR – relação geográfica


Switching System (SS) (cont.)

! GMSC – Gateway MSC! É o elemento de rede onde todas as chamadas entrantes

são entregues;! Interroga o HLR, que irá informar em que MSC deverá ser

entregue a chamada.! IWU – Interworking Unit

! Provê interface com as redes de dados.! SMS-GMSC

! Recebe uma SM do SC (Service Center), interrogar o HLR e entregar a mensagem para a MSC onde se encontra a EM que irá receber a mensagem.

! SMS-IWMSC! Recebe, da MSC, uma SM originada por uma ME e entrega-

a no SC (Service Center).


Códigos de identificação da ME

MSISDN – Mobile Station ISDN Number• É também conhecido por número de lista, ou seja, é o número que identifica de forma única um assinante• Máximo de 15 dígitos, sem incluir os prefixos

MSISDN = CC + NDC + SN

Onde: CC = Country Code NDC = National Destination Code SN = Subscriber Number


IMSI – International Mobile Station Identity• É a identidade única alocada para cada assinante, que permite a identificação correta através da interface rádio e através da rede• É a identificação usada para toda sinalização dentro da PLMN• Máximo de 15 dígitos

IMSI = MCC + MNC + MSIN

Onde: MCC = Mobile Country Code MNC = Mobile Network Code MSIN = Mobile Subscriber Identification Number

Códigos de identificação da ME (cont.)

TMSI – Temporary Mobile Subscriber IdentityÉ um número temporário que é usado no lugar do IMSI para identificar a EM• O objetivo do TMSI é manter o sigilo do IMSI pela interface rádio• Tem apenas signicado local, ou seja, somente a MSC/VLR local irá interpretar corretamente o TMSI e associá-lo ao IMSI• É alterado durante certos eventos ou intervalos de tempo• Pode ser composto de no máximo 8 dígitos que são definidos pela operadora.


IMEI – International Mobile Equipment Identity • Identifica de forma única o equipamento da EM em todo o mundo• É usado no processo de autenticação de equipamentos e fica armazenado no EIR• Tem o total de 15 dígitos

IMEI = TAC + FAC + SNR + spare

Onde: TAC = Type Aproval Code, determinado pelo corpo central do GSM FAC = Final Assembly Code, identifica o fabricante SNR = Serial Number , número de série de 6 digitos que identifica de forma única toda EM dentro de cada TAC e FAC Spare = Para uso futuro, definido igual a zero.

Códigos de identificação da ME (cont.)


HLR – Home Location Register• Base de dados onde estão armazenadas todas as informações de cada assinante (IMSI, lista de serviços autorizados, etc.)• Armazena a informação sobre qual MSC/VLR se encontra uma ME ativa• Registra ativação e desativação de serviços suplementares• Realiza funções de análise de números do assinante (MSISDN, IMSI)• Comunica-se com GMSM e VLR via protocolos SS7 e MAPAuC – Authentication Center • A principal função do AuC é prover informação, que é usada pela MSC/VLR para efetuar a autenticação do assinante e a cifragem no enlace rádio entre a ME e a BTS• As informações geradas pela AuC são as seguintes (conhecidas por triplets):• Um número aleatório – RAND• Signed Response – SRES• Cyphering Key (Kc)



EIR – Equipment Identity Register

• Base de dados que armazena o IMEI (International Mobile station Equipment Identity) para cada ME (O IMEI é único);• Durante o acesso ao sistema, a MSC/VLR pode verificar no EIR se o IMEI da ME está liberado.• O IMEI pode ser enquadrado em uma das seguintes listas:• Lista Branca – Liberado para o uso;• Lista Cinza – Sob Suspeita;• Lista Negra – Bloqueado o acesso;• Não identificado – Neste caso o acesso é rejeitado.• O GSM associa o número (IMSI ou TMSI) ao SIM card e não ao equipamento da ME. O SIM card pode ser instalado em qualquer equipamento sem a necessidade de comunicar à operadora. Por isso a importância do EIR, para evitar o uso de equipamentos indevidos (equipamentos roubados por exemplo).



FNR – Flexible Numbering Register

• É usado para possibilitar o uso da portabilidade numérica e da flexibilidade numérica• Flexibilidade Numérica – O MSISDN do usuário passa a não ter relação com um HLR específico. Quando a GMSC envia uma mensagem de consulta ao HLR para obter informações de um MSISDN, a mensagem é redirecionada para o FNR, que a direciona ao HLR correto;• Portabilidade Numérica – Permite que o usuário mude de operadora sem ter de trocar seu número MSISDN. As chamadas feitas para o usuário são direcionadas para a operadora correta usando as informações do FNR.ILR – Interworking Location Register

• Possibilita o roaming automático entre redes AMPS e GSM 1900.



Características da interface aérea

! Utiliza técnicas de acesso TDMA e FDMA! TDMA de 8 time slots

! Time slots de 576,9 ms! Quadros de 4,615 ms

! Canais de 200 kHz! Designados por um Absolute Radio Frequency Channel Number (ARFCN) ! Taxa de 270,833 kbit/s

! Duplexação por FDD! Bandas de 25 MHz (GSM 900) e 75 MHz (DCS 1800)! Espaçamento downlink/uplink de 45 MHz (GSM 900) e 95 MHz (DCS

1800)! Modulação GMSK

! Gaussian minimum shift keying: Modulação especial em FM utilizando pulsos gaussianos


Características da interface aérea (cont.)

! Codificação de voz! RELP/LPC! Remove a estrutura de som das vogais antes de realizar a codificação! Taxa de 13 kbps (contra 64 kbps da codificação direta PCM e 32 kbps do ADPCM) : 260

bits por bloco de conversação de 20 ms

! Combate aos efeitos do multipercurso! Código corretor de erro convolucional: acréscimo de bits para controle de erro - 456

bits de saída para 262 bits de entrada! Interleaving: o ordem de transmissão dos bits é alterada para combater bursts de erro! Frequency hopping: o móvel pode mudar de portadora entre quadros sucessivos

! Transmissão descontinuada! Para redução de interferências e econumia de bateria.

! Autenticação e cifragem! Para garantia de segurança.


33.8 kbit/s

22.8 kbit/s

13 kbit/s

8 kHz13 bits

Parte de Transmissão

Parte de recepção

Alto-falante

demoduladorreceptor

Equalizaçãoadaptativa

De-cifragemDe-intercalação

Decodificação de canal

Decodificação de voz

Conversão D/A

moduladortransmissor

Formatação de rajadaCifragem

Intercalação

Codificação de canal

Codificação de vozSegmentação

Conversão-A/D

Microfone

13 kbit/s

Parte de transmissão

Parte de recepção

Moduladortransmissor

Formatação de rajadaCifragem

Intercalação

Codificação de canal

Conversão D/D

8 kHz8 bits

64 kbit/s PCM

DemoduladorReceptor

EqualizaçãoAdaptativa

De-cifragemDe-intercalação

Decodificação de canal

Rede GSM

Equipamento móvel

Transmissão e Recepção


Entrelaçamento (Interleaving)

! Técnica utilizada na codificação do canal para combater desvanecimentos profundos

! Desvanecimentos de grande intensidade ocorrem numa curta escala de tempo e espaço, causando uma rajada de bits errados

! Para combater isto, a ordem dos bits de informação é “embaralhada” de forma que rajadas de erros não atinjam informações provenientes de uma mesma palavra

! Cada bloco de 456 bits do codificador é subdividido em 8 sub-blocos, de 57 bits cada! Dois blocos sucessivos do codificador são subdivididos em seus respectivos 8

sub-blocos, onde cada campo de 57 bits do canal de tráfego levará um sub-bloco de cada


19

1725IIIIIIIIIIII

449

210IIIIIIIIIIIIII

450

311IIIIIIIIIIIIII

451

412IIIIIIIIIIIIII

452

513IIIIIIIIIIIIII

453

614IIIIIIIIIIIIII

454

715IIIIIIIIIIIIII

455

816IIIIIIIIIIIIII

456

8 blocos

57 bits

Entrelaçamento


Transmissão Descontinuada! Pausas na conversação ocorrem em aproximadamente 50 % do tempo. O

transcoder deve detectar estas pausas (DTX) na fala e suspender a transmissão de voz. Com isso:

! Há redução do nível de interferência entre células! Há uma maior economia da bateria dos terminais

! A possibilidade da utilização de funções DTX acarretam em 2 novas especificações para o Codec:

! Voice Activity Detection (VAD)! SID – Na interrupção de voz, para que o terminal não fique completamente mudo

(usuário imaginar que a ligação caiu), é transmitido, a cada 480 ms, o Silent Discriminator (SID), que produz o “confort noise” , mostrando a continuidade da ligação


Autenticação e Criptografia

! Com a finalidade de proteger os usuários do sistema celular contra “clonagem” e “grampo”, 2 técnicas de segurança foram implementados no GSM:! Autenticação

! Tem o objetivo de verificar a autenticidade do terminal! Utiliza-se quando o terminal é ligado ou quando a MSC requer

autentication challenge! Cifragem

! Tem o objetivo de introduzir uma segurança na informação trafegada pelo usuário

! Na cifragem, embaralha-se os bits enviados, desembaralhados apenas pelo receptor desejado, mediante conhecimento prévio do algorítimo do embaralhamento


• GSM 900 – 124 pares de portadoras (FDD)• GSM 1800 – 374 pares de portadoras (FDD)• GSM 1900 – 299 pares de portadoras (FDD)• Técnica de acesso e multiplexação = TDMA/FDMA• Espaçamento entre portadoras adjacentes = 200 kHz• Estrutura de Quadro = 8 Time Slots• Técnica de Modulação = GMSK• Duração de quadro = 4,615 ms• Nº de bits por TS = 156,25 bits• Nº de bits por quadro = 1250 bits• Tx de transmissão/ Portadora = 1250 bits / 4,615 ms = 270,27 kbps• Eficiência de Modulação = 270,27 kbps / 200 kHz = 1,35 bps/Hz

Características da interface aérea (cont.)

Sumário


Rajada deCorreção deFrequência

Rajada deSincronização

RajadaNormal

Rajada deAcesso

Rajada dePreenchimento

SCH AGCHPCHBCCHFCCH FACCHSACCHSDCCHRACH

TCH/Fe EFR

TCH/H

BCH DCCHCCCH

Canais de Controle Canais de Tráfego

Canais Lógicos

Cada rajada possui 156,25 bit de comprimento e cabe em umslot de tempo.

BCH e CCCH

Estrutura de Canais Lógicos

Fonte: Adriano R. Lima


Tipos de Canais Lógicos! Existem dois grandes grupos de canais lógicos: Tráfego e

Controle! Canais de tráfego:

! Full rate, Half Rate & Random Access Burst! Canais especiais para dados de: 9,6/4,8/2,4 kbps

! Canais de Controle:! Broadcast Control Channel (BCH)! Common Control Channel (CCCH)! Dedicated Control Channels (DCCH):

• Stand Alone Dedicated Control Channel (SADCCH)• RACH – Randon Access Channel• SACCH – Slow Associated Control Channel• FACCH – Fast Associated Control Channel

! Cada canal lógico é mapeado em um canal físico, com uma estrutura peculiar à sua funcionalidade


Formato do Canal de Tráfego Normal (TCH/FS)! Existem dois tipos de canais de tráfego: Full Rate (13 kbps) e Half

Rate (6,5 kbps). Ambos são mapeados no mesmo tipo de slot físico:! Tail (6 bits) ! Age como o Guard time absorvendo o transiente “on-off”

do rádio! Data (114 bits) ! Pode trafegar dados do usuário ou informações de

sinalização! Stealing Flag (2 bits) ! Informa se o campo Data tem informação do

usuário ou de sinalização! Training Sequence (26 bits) : “Base Color Code”

! Existem 8 tipos de seqüências distintas ! Em cada célula, a seqüência usada é única e conhecida, para:

• Sincronização da transmissão e recepção• Combate a demodulações co-canais indesejadas • Em conjunto com equalizador, combate efeitos de multipercurso

! Guard Time ! Utilizado para evitar superposição de burts


Canal Tráfego de Dados

! Estrutura do burst (slot) idêntica ao de voz! Possuem 3 taxas de transmissão:

! 9,6 kbps! 4,8 kbps! 2,4 kbps

! A codificação da informação depende da taxa de transmissão que está sendo utilizada

! Transmissão de dados com canal half rate pode ser utilizada nas velocidades de 4,8 e 2,4 kbps


Canais de Controle

! O objetivo destes canais é trocar informação de sinalização do

sistema, para que este opere de forma eficiente.

! Existem 3 categorias de canais de controle:! Broadcast Channels

! Common Control Channels

! Dedicated Control Channel


Broadcast Channels (BCH)

• Canais ponto-multiponto. As informações contidas neste grupo de canais destinam-se a todos os usuários de uma determinada célula

• Transmitidos somente no Downlink• Objetiva transmitir informações suficientes para que o móvel ganhe sincronismo com a

rede e possa “acampar”FCCH – Frequency Correction CHannel– As rajadas transmitidas contêm somente zeros– Provê referência de freqüência do sistema para o móvel (ME), da seguinte forma: É transmitido um tom senoidal (sequencia de zeros) em intervalos bem definidos. Serve para a ME se certificar que está em uma portadora BCCH– Possibilita que seja feito o sincronismo de freqüência pela ME• SCH – Synchronization CHannel – Possibilita que a ME sincronize na estrutura temporal dentro de uma determinada célula– Permite a identificação da BTS e da PLMN através do BSIC (NCC + BCC) - o SIM Card

tem uma lista de NCCs não permitidos– Envia informações para ME sobre o número do quadro que está sendo transmitido


• BCCH – Broadcast Control CHannel

– Envia, para a ME, informações gerais do sistema relativas a roaming, ao estado idle e

ao estabelecimento de chamadas

– Exemplos de informações enviadas:

– LAI – Location Area Identity

– Potência máxima permitida na célula

– Portadoras BCCH das células vizinhas, para que a ME possa fazer medições de

intensidade de sinal

Broadcast Channels (BCH) (cont.)


Common Control Channels (CCCH)

Têm a função de estabelecer e suportar um link dedicado entre o móvel e a BTS.

Provêem ferramentas para o estabelecimento de chamadas• PCH – Paging CHannel

– Código de 8 bits que identifica uma ME específica

– Periodicamente, a ME escuta o PCH calculado e verifica se existe alguma mensagem de busca

– As mensagens de busca podem ser referentes a uma chamada ou a uma SM

– A mensagem de paging tem o IMSI ou TMSI da ME

– É transmitido somente no downlink


• RACH – Reverse Access CHannel– É usado pela ME para acessar o sistema. Tem um tamanho (número de bits) reduzido

para minimizar chances de colisão com outros slots– O acesso ao sistema pela ME acontece por uma das seguintes razões:– Quando a ME recebe uma mensagem de paging, ela responde pelo RACH requisitando

um canal de sinalização– Para estabelecer uma chamada ou enviar uma SM– Transmitido somente no uplink

• AGCH – Access Grant CHannel– É usado para designar um SDCCH para a ME. É uma resposta da base ao acesso RACH

feito com sucesso pelo terminal– Transmitido somente no downlink e é mapeado pelo mesmo canal físico do TCH

Common Control Channels (CCCH) (cont.)


– Canal bidirecional entre EM e a BTS– Usados para transferência de mensagens entre a rede e o móvel para:

– Gerenciamento de mobilidade– Gerenciamento de conexão (call setup)

– Usado também para troca de pequenas mensagens “short message” entre móveis quando estes não estão em chamada

• SDCCH – Stand alone Dedicated Control CHannel– Canal bidirecional entre EM e a BTS– Canal de controle usado nos procedimentos de gerenciamento de mobilidade e de

gerenciamento de conexão– A ME e a BTS se sintonizam no TS do SDCCH em uma das seguintes situações:

– Procedimentos de gerenciamento de mobilidade: atualização de localização, Registro Periódico e IMSI attach/detach (autenticação)

– Gerenciamento de conexão: estabelecimento de chamadas, SMS, Fax set-up e demais serviços suplementares

– Transmitido no downlink e uplink

Dedicated Control Channels (DCCH)


Os canais SACCH e FACCH têm o objetivo de permitir troca de informação de controle, quando o móvel está com uma chamada em andamento, ou ocupando um canal SDCCH

• SACCH – Slow Associated Control CHannel – Trabalha com baixa taxa de transmissão– Envia informações não prioritárias ou não urgentes– O SACCH pode estar associado com o SDCCH ou com o TCH, ou seja, dentro do

mesmo TS (canal físico)– Uplink: é usado pela EM para enviar a média das medidas, feitas no downlink, da

servidora (BER e RSSI) e das vizinhas (RSSI)– Downlink: é usado pela BTS para enviar à ME informações sobre a potência de

transmissão a ser usada e instruções para avanço temporal– Quando associado ao SDCCH, serve para enviar medições feitas durante mode idle– Quando o móvel está com uma chamada em andamento este canal é responsável pelo

envio e recebimento de mensagens curtas– Este tipo de sinalização é chamada de out-band pois não interrompe o fluxo de dados do

usuário

Dedicated Control Channels (DCCH) (cont.)


• FACCH – Fast Associated Control CHannel – Trabalha com alta taxa de transmissão– É usado em situações urgentes, como no processo de handoff– Utiliza o mesmo TS usado pelo TCH, ou seja, a transmissão de voz é interrompida

para transmitir o FACCH. Para não haver interrupções perceptíveis, o codificador de voz repete o último TS de TCH

– Para indicar à ME que as informações se estão chegando no canal de tráfego são de sinalização ou de controle, é utilizado o campo de stealing flag

– Este tipo de sinalização é chamada de in-band pois interrompe o fluxo de dados do usuário

– Opera no downlink e no uplink

• CBCH – Cell Broadcast CHannel – É usado somente no downlink, para transmitir SMS cell broadcast e usa o mesmo TS

(canal físico) do SDCCH

Dedicated Control Channels (DCCH) (cont.)

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