3. Sistemas GSM. O desenvolvimento do padrão GSM. Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Radioacesso

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1 Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Radioacesso 3. Sistemas GSM O desenvolvimento do padrão GSM CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 2

2 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. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 3 Arquitetura básica da rede CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 4

3 Arquitetura da Rede GSM 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 TRAU BTS RBS ME CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 5 Base Station System (BSS) 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 TRAU 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 BTS RBS Multiplexação, Codificação de canal, entrelaçamento e cifragem CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 6

4 BTS CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 7 Base Station System (BSS) BSC Base Station Controler É responsável por gerenciar a rede rádio: Configuração da rede rádio; TRAU 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. BTS RBS TRAU Transcoder / Rate Adapter Unit É responsável pela compressão e descompressão da voz e pela adaptação da taxa de transmissão em conexões de dados CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 8

5 TRAU CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 9 Estação Móvel (ME) SM Card - Cartão que armazena os dados do usuário, tais como: dentidade nternacional do Usuário (MS); Parâmetro Secreto do Usuário (Ki); Dados para autenticação e cifragem; nformações de mensagens curtas e números telefônicos; BTS RBS ME Terminal hardware de transmissão da interface rádio. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 10

6 Estação Móvel (ME) CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 11 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 TMS e do ME; 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. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 12

7 MSC e VLR relação geográfica CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 13 Switching System (SS) (cont.) GMSC Gateway MSC É o elemento de rede onde todas as chamadas entrantes são entregues; nterroga o HLR, que irá informar em que MSC deverá ser entregue a chamada. WU nterworking 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-WMSC Recebe, da MSC, uma SM originada por uma ME e entregaa no SC (Service Center). CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 14

8 Códigos de identificação da ME MSSDN Mobile Station SDN 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 MSSDN = CC + NDC + SN Onde: CC = Country Code NDC = National Destination Code SN = Subscriber Number CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 15 Códigos de identificação da ME (cont.) MS nternational Mobile Station dentity 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 MS = MCC + MNC + MSN Onde: MCC = Mobile Country Code MNC = Mobile Network Code MSN = Mobile Subscriber dentification Number TMS Temporary Mobile Subscriber dentity É um número temporário que é usado no lugar do MS para identificar a EM O objetivo do TMS é manter o sigilo do MS pela interface rádio Tem apenas signicado local, ou seja, somente a MSC/VLR local irá interpretar corretamente o TMS e associá-lo ao MS É alterado durante certos eventos ou intervalos de tempo Pode ser composto de no máximo 8 dígitos que são definidos pela operadora. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 16

9 Códigos de identificação da ME (cont.) ME nternational Mobile Equipment dentity dentifica de forma única o equipamento da EM em todo o mundo É usado no processo de autenticação de equipamentos e fica armazenado no ER Tem o total de 15 dígitos ME = 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. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 17 Switching System (SS) (cont.) HLR Home Location Register Base de dados onde estão armazenadas todas as informações de cada assinante (MS, 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 (MSSDN, MS) Comunica-se com GMSM e VLR via protocolos SS7 e MAP AuC 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) CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 18

10 Switching System (SS) (cont.) ER Equipment dentity Register Base de dados que armazena o ME (nternational Mobile station Equipment dentity) para cada ME (O ME é único); Durante o acesso ao sistema, a MSC/VLR pode verificar no ER se o ME da ME está liberado. O ME 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 (MS ou TMS) ao SM card e não ao equipamento da ME. O SM card pode ser instalado em qualquer equipamento sem a necessidade de comunicar à operadora. Por isso a importância do ER, para evitar o uso de equipamentos indevidos (equipamentos roubados por exemplo). CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 19 Switching System (SS) (cont.) FNR Flexible Numbering Register É usado para possibilitar o uso da portabilidade numérica e da flexibilidade numérica Flexibilidade Numérica O MSSDN 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 MSSDN, 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 MSSDN. As chamadas feitas para o usuário são direcionadas para a operadora correta usando as informações do FNR. LR nterworking Location Register Possibilita o roaming automático entre redes AMPS e GSM CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 20

11 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 21 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 bits de saída para 262 bits de entrada nterleaving: 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. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 22

12 Transmissão e Recepção Equipamento móvel Rede GSM Alto-falante modulador transmissor 33.8 kbit/s Formatação de rajada Cifragem ntercalação 22.8 kbit/s Codificação de canal 13 kbit/s Codificação de voz Segmentação 8 khz 13 bits Conversão-A/D Microfone demodulador receptor Equalização adaptativa De-cifragem De-intercalação Decodificação de canal Decodificação de voz Conversão D/A Parte de recepção Demodulador Receptor Equalização Adaptativa De-cifragem De-intercalação Decodificação de canal Parte de recepção 13 kbit/s Modulador transmissor Formatação de rajada Cifragem ntercalação Codificação de canal Conversão D/D 8 khz 8 bits 64 kbit/s PCM Parte de transmissão Parte de Transmissão CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 23 Entrelaçamento (nterleaving) 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 subbloco de cada CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 24

13 Entrelaçamento bits 8 blocos CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 25 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) SD 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 (SD), que produz o confort noise, mostrando a continuidade da ligação CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 26

14 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 27 Características da interface aérea (cont.) Sumário GSM pares de portadoras (FDD) GSM pares de portadoras (FDD) GSM 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 28

15 Estrutura de Canais Lógicos Canais Lógicos Canais de Controle Canais de Tráfego BCH e CCCH BCH CCCH DCCH TCH/H TCH/F e EFR FCCH SCH BCCH PCH AGCH RACH SDCCH SACCH FACCH Fonte: Adriano R. Lima Rajada de Correção de Frequência Rajada de Sincronização Rajada Normal Rajada de Preenchimento Rajada de Acesso Cada rajada possui 156,25 bit de comprimento e cabe em um slot de tempo. CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 29 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 30

16 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) nforma 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 31 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 32

17 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 33 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 BSC (NCC + BCC) - o SM Card tem uma lista de NCCs não permitidos Envia informações para ME sobre o número do quadro que está sendo transmitido CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 34

18 Broadcast Channels (BCH) (cont.) 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: LA Location Area dentity Potência máxima permitida na célula Portadoras BCCH das células vizinhas, para que a ME possa fazer medições de intensidade de sinal CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 35 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 MS ou TMS da ME É transmitido somente no downlink CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 36

19 Common Control Channels (CCCH) (cont.) 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 37 Dedicated Control Channels (DCCH) 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 MS attach/detach (autenticação) Gerenciamento de conexão: estabelecimento de chamadas, SMS, Fax set-up e demais serviços suplementares Transmitido no downlink e uplink CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 38

20 Dedicated Control Channels (DCCH) (cont.) 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 RSS) e das vizinhas (RSS) 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 39 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 CETUC-PUC/Rio ELE Capítulo 3 - Sistemas GSM 40