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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE INFORMÁTICAINSTITUTO DE INFORMÁTICA

Computação Móvel e Ubíqua

Ciência da Computação

Prof. Vagner J. do Sacramento [email protected]

www.inf.ufg.br/~vagner/

Tecnologias de Redes Sem Fio

Vagner Sacramento 2

Rede Celular GSM/GPRS

Referência: Jochen Schiller: Mobile Communications,

Addison Wesley, 2003 - GSM/GPRS (Capítulo 4) Fonte dos slides: Jochen Schiller

Vagner Sacramento 3

Assinantes de telefones móveis no mundo

year

Su

bsc

rib

ers

[mill

ion

]

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

approx. 1.7 bn

GSM total

TDMA total

CDMA total

PDC total

Analogue total

W-CDMA

Total wireless

Prediction (1998)

Vagner Sacramento 4

Desenvolvimento dos sistemas de telecomunicação móvel

1G 2G 3G2.5G

IS-95cdmaOne

IS-136TDMAD-AMPS

GSM

PDC

GPRS

IMT-DSUTRA FDD / W-CDMA

EDGE

IMT-TCUTRA TDD / TD-CDMA

cdma2000 1X

1X EV-DV(3X)

AMPSNMT

IMT-SCIS-136HSUWC-136

IMT-TCTD-SCDMA

CT0/1

CT2IMT-FTDECT

CD

MA

TD

MA

FD

MA

IMT-MCcdma2000 1X EV-DO

HSDPA

Vagner Sacramento 5

Como funciona?

Como o sistema localiza um usuário?

O que acontece quando dois usuários conversam simultaneamente?

Como um brasileiro pode usar o seu telefone na Alemanha?

Por que eu não escuto a comunicação do meu vizinho?

Quão seguro é o sistema de telefonia móvel?

Quais são os componentes chaves da rede de telefonia móvel?

Vagner Sacramento 6

GSM: Visão geral

GSMInicialmente: chamado de Groupe Spéciale Mobile (founded 1982)

Agora: Global System for Mobile Communication

Padrão Europeu (ETSI, European Telecommunications Standardisation Institute)

Atualmente, muitos provedores ao redor do mundo usam GSM (mais de 200 países na Ásia, África, Europa, Austrália, América)

Mais de 1.2 bilhões de assinantes em mais de 630 redes

75% de todos os telefones digitais usam GSM

Mais de 550 bilhões de SMS por ano no mundo todo

Vagner Sacramento 7

Características de desempenho de redes GSM

Comunicação Comunicação sem fio, móvel; suporte para voz e serviços de dado

Mobilidade totalAcesso internacional, cartão de chip permite o uso de pontos de acesso de diferente provedores

Conectividade em todo o mundoUm número único, e a rede manipula a localização

Alta capacidadeMelhor eficiência de gerenciamento de freqüências, células menores, mais clientes por célula

Transmissão de alta qualidadeÁudio de alta qualidade e confiabilidade para a rede sem fio, chamadas de telefones sem interrupção em alta velocidade (e.g., carros, trens)

Funções de segurançaControle de acesso, autenticação via chip e PIN

Vagner Sacramento 8

Desvantagens do GSMNão há sistema perfeito!!Não existe criptografia dos dados do usuário de ponta a ponta (entre os pontos finais da comunicação)

Radiação eletromagnéticaAbuso de possíveis dados privadosPerfis móveis acessíveis

Alta complexidade do sistemaVárias incompatibilidades dentro dos padrões GSM

Vagner Sacramento 9

GSM: Serviços MóveisGSM oferece

Vários tipos de conexõesConexões de voz, conexões de dados, serviço de mensagens curtas (SMS)

Opção de multi-serviços (combinação de serviços básicos)

Três domínios de serviçoServiços Bearer (Infraestrutura)Serviços de telecomunicação Serviços suplementares

GSM-PLMNtransit

network(PSTN, ISDN)

source/destination

networkTE TE

bearer services

tele services

R, S (U, S, R)Um

MT

MS

Vagner Sacramento 10

Serviços BearerServiços de telecomunicação para transferir dados entre pontos de acessoEspecificação dos serviços até a interface do terminal (OSI layers 1-3)Taxas de dados diferentes para voz e dados

Serviço de dados (comutação de circuito)synchronous: 2.4, 4.8 or 9.6 kbit/sasynchronous: 300 - 1200 bit/s

Serviço de dados (comutação de pacotes)synchronous: 2.4, 4.8 or 9.6 kbit/sasynchronous: 300 - 9600 bit/s

Atualmente: É possível ter taxa de dados de aproximadamente 64 kbit/s


Serviços de TelecomunicaçõesServiços de telecomunicação tornam possível a comunicação de voz através de telefones móveisServiços oferecidos:

Telefonia móvelNúmero de emergência

Número comum em toda a Europa (112); Obrigatório para todos os provedores de serviço; conexão com alta prioridade, de graça;

Multi-númeroVários números de telefone por usuário

FaxCaixa postal de vozE-mail (MHS, Message Handling System, implemented in the fixed network)Short Message Service (SMS)


Serviços suplementares

Serviços complementares ao serviços básicos não podem ser oferecidos de forma stand-alone

Podem divergir entre diferentes provedores de serviços, países e versões de protocolo

Serviços importantesIdentificação do número de origem da chamada

Chamada de volta automática

Áudio conferência

Bloqueio do terminal móvel (não recebe e nem faz chamada)

…


Arquitetura do sistema GSM

GSM é uma PLMN (Public Land Mobile Network)Vários provedores configuram as redes móveis seguindo o padrão GSM dentro de cada país

ComponentesMS (mobile station)

BS (base station)

MSC (mobile switching center)

LR (location register)

SubsistemasRSS (radio subsystem): Cobre todos os aspectos de rádio

NSS (network and switching subsystem): Repasse de chamada, handover, switching

OSS (operation subsystem): Gerenciamento da rede


Ingredientes 1: Telefones Móveis, PDAs.

Visíveis, porém representam as menores entidades da rede


Ingredientes 2: Antennas


Ingredientes 3: Infraestrutura 1

Base Stations

Cabling

Microwave links


Ingredientes 3: Infraestrutura 2

Unidades de Comutação

Base de dados

Gerenciamento

Monitoramente

Não visíveis, porém compreendem a parte principal da rede (também do ponto de vista do investimento...)


GSM: visão geral

fixed network

BSC

BSC

MSC MSC

GMSC

OMC, EIR, AUC

VLR

HLR

NSSwith OSS

RSS

VLR


GSM: elementos e interfaces

NSS

MS MS

BTS

BSC

GMSC

IWF

OMC

BTS

BSC

MSC MSC

Abis

Um

EIR

HLR

VLR VLR

A

BSS

PDN

ISDN, PSTN

RSS

radio cell

radio cell

MS

AUCOSS

signaling

O


Um

Abis

ABSS

Subsistema de rádio

MS MS

BTSBSC

BTS

BTSBSC

BTS

Subsistema de rede e comutação

MSC

MSC

Redes de parceiros

IWF

ISDNPSTN

PSPDNCSPDN

SS

7

EIR

HLR

VLR

ISDNPSTN

GSM: arquitetura do sistema


Arquitetura do sistema : subsistema de rádio

ComponentsMS (Mobile Station)BSS (Base Station Subsystem):consisting of

BTS (Base Transceiver Station):sender and receiverBSC (Base Station Controller):controlling several transceivers

InterfacesUm : radio interface

Abis : standardized, open interface with 16 kbit/s user channelsA: standardized, open interface with 64 kbit/s user channels

Um

Abis

A

BSS

Subsistema de rádio

Subsistema de rede e comutação

MS MS

BTSBSC MSC

BTS

BTSBSC

BTSMSC


Arquitetura do sistema : subsistema de rádio

Subsistema de Rádio (Base station subsystem) tarefas: transmissão, codificação/decodificação de voz, adaptação de taxa de comunicaçãoUnidades Móveis (Mobile Stations)BaseTransceiver Station (BTS): processamento de sinal: modulação, equalização, etc.Base Station Controller (BSC): alocação de frequências de rádio, handover entre BTSs controladas por diferentes BSCs, paging das UMs (notificação/atualização da localização)


Base Transceiver Station and Base Station Controller

Tarefas de um BSS são distribuídas entre o BSC e BTS

BTS compreende as funções específicas de rádioBSC é o centro de comutação para os canais de rádio

Functions BTS BSCManagement of radio channels XFrequency hopping (FH) X XManagement of terrestrial channels XMapping of terrestrial onto radio channels XChannel coding and decoding XRate adaptation XEncryption and decryption X XPaging X XUplink signal measurements XTraffic measurement XAuthentication XLocation registry, location update XHandover management X


Arquitetura do sistema : subsistema de rede e comutação

Components❏ MSC (Mobile Services Switching Center):

❏ IWF (Interworking Functions)

❏ ISDN (Integrated Services Digital Network)

❏ PSTN (Public Switched Telephone Network)

❏ PSPDN (Packet Switched Public Data Net.)

❏ CSPDN (Circuit Switched Public Data Net.)

Databases❏ HLR (Home Location Register)

❏ VLR (Visitor Location Register)

❏ EIR (Equipment Identity Register)

networksubsystem

MSC

MSC

fixed partnernetworks

IWF

ISDNPSTN

PSPDNCSPDN

SS

7

EIR

HLR

VLR

ISDNPSTN


Arquitetura do sistema : subsistema de rede e comutação

Subsistema de Rede e Comutação (Network switching subsystem)Mobile services switching center (MSC): são switches ISDN, que formam o “backbone” da rede GSMHome Location Register (HLR): base de dados de todos os assinantes (ID, serviços contratados, chaves p/ autenticação)Visitor Location Register (VLR): armazena os dados sobre usuários em roaming


Subsistemas GSM

Subsistema de Operação:

Operation and Maintenance Centre (OMC): monitoramento de tráfego, gerenciamento de assinantes e segurança e tarifação

Authentication Centre (AuC): contém chaves e algoritmos para autenticação

Equipment Identity Register (EIR): contém informações sobre todos os dispositivos registrados (e os bloqueados pelos usuários)

Mantém uma lista branca (equipamento ok), negra (equipamento roubado) e cinza (equipamento com defeito) dos dispositivos em operação


possible radio coverage of the cell

idealized shape of the cellcell

Segmentação da área em células

GSM: Rede celular

Utiliza várias portadoras de frequencia

Não se tem a mesma frequencia em células adjacentes

Tamanho das células varia de 100m à 35 km dependendo da densidade de usuários, geografia, poder de transmissão e recepção, etc.

Se o usuário muda de célula

➪ handover da conexão para a célula vizinha


GSM: Bandas de freqüência

921-960

921-925

876-915

876-880

955-1024, 0-124

69 channels

GSM-R

exclusive

1930-19901850-1910512-810GSM 1900 (Americas)

1805-18801710-1785512-885GSM 1800

921-960

935-960

925-960

876-915

890-915

880-915

0-124, 955-1023

124 channels

+49 channels

GSM 900

classical

extended

869-894824-849128-251GSM 850 (Americas)

Downlink [MHz]Uplink [MHz]ChannelsType

- Additionally: GSM 400 (also named GSM 450 or GSM 480 at 450-458/460-468 or 479-486/489-496 MHz- Please note: frequency ranges may vary depending on the country!- Channels at the lower/upper edge of a frequency band are typically not used


Exemplo de cobertura de redes GSM (www.gsmworld.com)

T-Mobile (GSM-900/1800) Germany O2 (GSM-1800) Germany

AT&T (GSM-850/1900) USA Vodacom (GSM-900) South Africa


Protocolos do GSM

• Link Access Procedure (LAPDm): transmissão confiável sobre enlaces, controle de fluxo e sequenciamento de frames

• Radio Resource Mngt (RR): configuração e manutenção de canais de comunicação• Mobility Mngt (MM): registro, autenticação, identificação de usuários e atualização de informação de

localização• Call Mngt (CM): Call Control, SMS e Suplementary Services

CM

MM

RR

MM

LAPDm

radio

LAPDm

radio

LAPD

PCM

RR’ BTSM

CM

LAPD

PCM

RR’BTSM

16/64 kbit/s

Um Abis A

SS7

PCM

SS7

PCM

64 kbit/s /2.048 Mbit/s

MS BTS BSC MSC

BSSAP BSSAP


Chamada destinada a um dispositivo móvel

PSTNcallingstation

GMSC

HLR VLR

BSSBSSBSS

MSC

MS

1 2

3

4

5

6

7

8 9

10

11 12

1316

10 10

11 11 11

14 15

17

•1: ligação para um assinante GSM•2: repassa ligação para GMSC•3: faz uma chamada de sinal para HLR•4, 5: requisita MSRN (ID da MS) de VLR•6: repassa a MSC responsável pela MS para GMSC•7: repassa chamada para o MSC corrente•8, 9: obtém o status corrente do MS•10, 11: localização MS (Paginação)•12, 13: respostas de MS•14, 15: checa segurança•16, 17: configura conexão


Chamada originada de um dispositivo móvel

PSTN GMSC

VLR

BSS

MSC

MS1

2

6 5

3 4

9

10

7 8

•1, 2: Requisição de conexão

•3, 4: Checa a segurança

•5-8: Checa disponibilidade de recursos (circuitos livres)

•9-10: Configura a chamada


GSM: Tipos de Handover

Intra-cell: devido a uma interferência, BSC pode decidir mudar trocar a frequencia portadora (carrier)Inter-cell (intra-BSC): BSC aloca novo canal na nova célula para UMInter-BSC/intra-MSC: UM passa à área de cobertura de outra BSC. Uma MSC trata do handover.Inter-MSC: handover entre operadoras GSM; é tratado entre MSC correspondentes


GSM: Tipos de Handover

Intra-cell

MSC MSC

BSC BSCBSC

BTS BTS BTSBTS

MS MS MS MS

1 2 3 4

Inter-cell Intra-MSC Inter-MSC


Decisão de implementação de Handover

receive levelBTSold

receive levelBTSold

MS MS

HO_MARGIN

BTSold BTSnew


Handover

HO access

BTSold BSCnew

measurementresult

BSCold

Link establishment

MSCMSmeasurementreport

HO decision

HO required

BTSnew

HO request

resource allocation

ch. activation

ch. activation ackHO request ackHO commandHO commandHO command

HO completeHO completeclear commandclear command

clear complete clear complete


Por que Comutação de Pacotes?

Convegência IP

Telecomunicações• Transporte• Serviços ISDN• Transm. vídeo• Banda Larga

Computer• Acesso à Internet

• Figuras/Fotos• LAN Remota• e-mail• Voz sobre IP

Media• Music• Video sob demanda

• Animação• Infotainment• Propaganda

Serviços Móveis e Pessoais

IP

Móvel


GPRS: General Package Radio Service

Aplicações e Serviços

Serviços de Informação

Acesso a Redes Corporativas

Serviços Baseados em Localização

Telemetria

Logística

Caracteríscicas:

O usuário está sempre conectado.

Eficiência de espectro

Velocidade até 171,2 kbps em 8 timeslots

Velocidade real - 50 kbps


GPRS: General Package Radio Service

Taxas de transmissão:GPRS essencialmente usa TDMA, podendo alocar entre 1 e 8 time-slots, tanto para uplink como para downlink.GPRS prevê 4 tipos de codificação, CS-1 a CS-4, onde somente o último não contém bits de redundância (Forward Error Recovery)Dependendo do esquema de codificação, cada timeslot pode carregar diferentes quantidades de dados.

Exemplo: CS-1 tem capacidade de 9,05 kbps e CS-4 tem capacidade de 21,4 kbps.

Multiplicado CS-4 por 8 dá um máximo de 171,2 kbps.


Taxa de dados do GPRS em kbit/s

171.2149.8128.410785.664.242.821.4CS-4

124.8109.293.67862.446.831.215.6CS-3

107.293.880.46753.640.226.813.4CS-2

72.463.3554.345.2536.227.1518.19.05CS-1

8 slots7 slots6 slots5 slots4 slots3 slots2 slots1 slotCoding scheme


GPRS: Aplicações

Acesso seguro a redes corporativasDec.1999 Feb. 2000 Set. 2002 2Q/20042Q/2003

14.4K bps

64.K bps

144K bps

WAP

On-lineSMS

n.TOP launching

9.6K bps

WAP Browser

Karaoke

Game

GVM/JAVA

AOD/VODMP3 download

)

Picture-mate

Game-land

Chatting

MMS

Download animações

jan. 2003

GSM

CSD/HCSD

GPRS/EDGE

UMTS


GPRS: Principais Componentes

MS: Mobile StationSGSN: Serving GPRS Support NodeGGSN: Gateway GPRS Support NodeBG: Border Gateway

HLR: Home Location RegisterVLR: Visitor Location RegisterBST/BSC: Base Station Transceiver/ControllerDNS: Domain Name Service


GPRS: Unidades FuncionaisSGSN

• Gerência de mobilidade• Autenticação da UM

Cifragem de Dados• Interação com VLR/HLR• Estatísticas e Cobrança

GGSN

• Tunelamento GTP para outros GSNs

• Interfaces seguras para redes externas

• Gerência dos endereços IP

Charging Gateway

• Consolidação de CDR

• Fornece informações de CDR para o Billing Center

Border Gateway

• Interliga redes GPRS de diferentes operadoras

• Possibilita roaming GPRS

Domain Name Server

• Tradução dos nomes de host IP para endereços IP

• Simplifica a configuração da rede IP• Em um backbone GPRS, o SGSN usa

o DNS para obter os endereços IP do GGSN e do próprio SGSN

Legal Interception Gateway

• Possibilita às autoridades legais interceptarem dados e sinalização dos assinantes

• Rastreia atividades criminais• Acesso limitado da operadora às

funcionalidades do LIG• LIG é requisito obrigatório no

lançamento do serviço GPRS


GPRS – Processo de Conexão

Conexão à rede GSM ( GPRS attach)

Realizado quando o usuário liga o terminal

Registro do usuário na rede

O SGSN coleta os dados do usuário (HLR) e o autentica na rede

É atribuído um identificador de enlace lógico temporário (TLLI) e uma chave para cifragem (Ciphering Key sequence Number – CKSN)


GPRS - Processo de Conexão

Conexão à rede IP ( Contexto PDP )

Após o registro do usuário, ele pode pedir o inicio de uma sessão

Isto é feito através da ativação de contextos PDP(1) :: informações são guardadas na MS e no SGSN correspondente

O usuário pode obter um IP estático ou dinâmico de acordo com seu perfil

Um terminal pode estabelecer múltiplas sessões (contexto PDP) para diferentes aplicações

(1) PDP = Packet Data Protocol


GPRS - Sessão

Um contexto compreende:

Status do MS (idle,ready, standby), CKSN, compressão (flag), e informação para roteamento (Id da célula, Área de roteamento, etc.)

Gerenciamento de sessões através de contextos PDP

Depois que um contexto PDP é ativado o usuário pode iniciar a transmissão de dados

Informações necessárias para a criação de um contexto PDP

APN – Access Point Name (endereço do nó correspondente)

IP dinamico ou fixo

Parâmetros de QoS requeridos para a transmissão


GPRS – Ativação de um Contexto PDP

Passos para a ativação de um contexto PDP:

2. A ativação é requisitada pelo terminal (UM) quando o primeiro pacote é enviado, causando a criação de um circuito full-duplex entre a UM e a internet;

3. O SGSN valida a requisição, baseado na informação recebida do HLR;

4. O APN é enviado ao DNS (Domain Name Service), para se encontrar o endereço IP do GGSN relevante;

5. Cria-se uma conexão lógica entre o SGSN e o GGSN;

6. O GGSN atribui ao terminal móvel um endereço IP dinâmico ou estático.


GPRS – Descoberta do GGSN

O APN é enviado ao DNS (Domain Name Service), para se encontrar o endereço IP do GGSN relevante;


GPRS – Alocação de IP


GPRS – Sessão

BTS BSC

SGSN

GPRS Core Network

GGSN

Intranet

Internet

APN = gprs.oi.com.br

gprs.oi.com.br

Contexto PDP

PDP ativo

Após alocação do IP, a sessão é estabelecida (chegada do PDP ativo)


GPRS – Roteamento e Tunelamento

Todos dados transmitidos no backbone GPRS usam o GPRS Tunnelling Protocol (GTP), que pode usar TCP ou UDP. Protocolo de rede é o IP.


GPRS - Protocolos

O Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP) é usado para compatibilizar as diferentes características das redes com e sem fio.

L1

L2

IPv4

UDP

GTP

USERPAYLOAD

L1

L2

TCP/UDP

APP

LLC

SNDCP

TCP/UDP

APP

RLC

MAC

GSM RF L1

L2

GTP

L1bis

NWsr

BSSGP

SNDCP

RLC

MAC

GSM RF

BSSGP

NW sr

L1bis

LLC UDP

UM BSS SGSN GGSN

GPRS IP Backbone Internet

Ciphering and reliable

link

Relay

Um Gb Gn Gi

Compr.,Segm.IPv6 IPv6

IPv4

End user IPv6 connectivity


Arquitetura de protocolo do GPRS

apps.

IP/X.25

LLC

GTP

MAC

radio

MAC

radioFR

RLC BSSGP

IP/X.25

FR

Um Gb Gn

L1/L2 L1/L2

MS BSS SGSN GGSN

UDP/TCP

Gi

SNDCP

RLC BSSGP IP IP

LLC UDP/TCP

SNDCP GTP


GPRS - Protocolos

No Backbone GPRS (entre o GGSN e o SGSN) usa-se:

GPRS Tunneling Protocol (GTP), baseado em TCP ou UDP

Entre o SGSN e a UM usa-se o Subnetwork Dependent Convergent Protocol (SNDCP), cujas funções são:

multiplexação de 1 ou + entidades de rede em uma conexão LLC

Armazenamento de PDUs para serviço com confirmação

Gerencia do sequenciamento de entrega de pacotes

Compressão/decompressão dos pacotes

Segmentação/ recomposição dos dados

o LLC provê um enlace lógico altamente confiável, gerenciando a retransmissão de quadros

Entre a SGSN e a BSS usa-se o Base Station System GPRS Protocol (BSSGP) para

Prover informação sobre a interface de rádio da interface sem fio para o RLC e MAC


GPRS - Gerência de Mobilidade

Principais Objetivos

Conectar uma assinante com a rede GPRS

Atualizar a localização do assinante na rede GPRS

O que é feito?

Tratamento de requisições de assinantes para “conectar/desconectar” a rede

Atualizações da localização do assinante

Transferência de informação para outro SGSN caso o assinante mude de área de cobertura


Evolução do GPRS para 3G

Universal Mobile Telecomunications system (UMTS) é a proposta Européia para redes 3G, com largura de banda (da ordem de 10-100 MB/s)UMTS emprega uma tecnologia de modulação/transmissão bem diferente do GPRSPara possibilitar uma evolução suave, criou-se o Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE), que opera nas mesmas frequências de GSM, mas usa modos de modulação mais sofisticados.Equipamentos de última geração podem usar tanto GPRS, como facilidades do EDGE ou UMTS (serviços de tempo-real, taxas de transmissão diferenciadas, comutação por circuito e pacotes, etc.)

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