Rede Celular GSM/GPRS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE INFORMÁTICA Computação Móvel e Ubíqua Ciência da Computação Prof. Vagner J. do Sacramento Rodrigues vagner@inf.ufg.br Tecnologias de Redes Sem Fio Rede Celular GSM/GPRS Referência: Jochen Schiller: Mobile Communications, Addison Wesley, GSM/GPRS (Capítulo 4) Fonte dos slides: Jochen Schiller Vagner Sacramento 2

2 Assinantes de telefones móveis no mundo approx. 1.7 bn Subscribers [million] GSM total TDMA total CDMA total PDC total Analogue total W-CDMA Total wireless Prediction (1998) year Vagner Sacramento 3 Desenvolvimento dos sistemas de telecomunicação móvel CDMA TDMA FDMA CT0/1 AMPS NMT CT2 IS-136 TDMA D-AMPS GSM PDC GPRS EDGE IMT-FT DECT IMT-SC IS-136HS UWC-136 IMT-DS UTRA FDD / W-CDMA IMT-TC HSDPA UTRA TDD / TD-CDMA IMT-TC TD-SCDMA IS-95 IMT-MC cdma2000 1X cdmaone cdma2000 1X EV-DO 1X EV-DV Vagner Sacramento 4 1G 2G 2.5G 3G (3X)

3 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 5 GSM: Visão geral GSM Inicialmente: 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 S por ano no mundo todo Vagner Sacramento 6

4 Características de desempenho de redes GSM Comunicação Comunicação sem fio, móvel; suporte para voz e serviços de dado Mobilidade total Acesso internacional, cartão de chip permite o uso de pontos de acesso de diferente provedores Conectividade em todo o mundo Um número único, e a rede manipula a localização Alta capacidade Melhor eficiência de gerenciamento de freqüências, células menores, mais clientes por célula Transmissão de alta qualidade Áudio de alta qualidade e confiabilidade para a rede sem fio, chamadas de telefones sem interrupção em alta velocidade (e.g., carros, trens) Funções de segurança Controle de acesso, autenticação via chip e PIN Vagner Sacramento 7 Desvantagens do GSM Não há sistema perfeito!! Não existe criptografia dos dados do usuário de ponta a ponta (entre os pontos finais da comunicação) Radiação eletromagnética Abuso de possíveis dados privados Perfis móveis acessíveis Alta complexidade do sistema Várias incompatibilidades dentro dos padrões GSM Vagner Sacramento 8

5 GSM: Serviços Móveis TE GSM oferece Vários tipos de conexões Conexões de voz, conexões de dados, serviço de mensagens curtas (S) Opção de multi-serviços (combinação de serviços básicos) Três domínios de serviço Serviços Bearer (Infraestrutura) Serviços de telecomunicação Serviços suplementares bearer services MT GSM-PLMN transit network source/ destination R, S (PSTN, ISDN) network (U, S, R) U m TE tele services Vagner Sacramento 9 Serviços Bearer Serviços de telecomunicação para transferir dados entre pontos de acesso Especificação 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/s asynchronous: bit/s Serviço de dados (comutação de pacotes) synchronous: 2.4, 4.8 or 9.6 kbit/s asynchronous: bit/s Atualmente: É possível ter taxa de dados de aproximadamente 64 kbit/s Vagner Sacramento 10

6 Serviços de Telecomunicações Serviços de telecomunicação tornam possível a comunicação de voz através de telefones móveis Serviços oferecidos: Telefonia móvel Número de emergência Número comum em toda a Europa (112); Obrigatório para todos os provedores de serviço; conexão com alta prioridade, de graça; Multi-número Vários números de telefone por usuário Fax Caixa postal de voz (MHS, Message Handling System, implemented in the fixed network) Short Message Service (S) Vagner Sacramento 11 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 importantes Identificação do número de origem da chamada Chamada de volta automática Áudio conferência Bloqueio do terminal móvel (não recebe e nem faz chamada) Vagner Sacramento 12

7 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 Componentes (mobile station) BS (base station) (mobile switching center) LR (location register) Subsistemas RSS (radio subsystem): Cobre todos os aspectos de rádio NSS (network and switching subsystem): Repasse de chamada, handover, switching OSS (operation subsystem): Gerenciamento da rede Vagner Sacramento 13 Ingredientes 1: Telefones Móveis, PDAs. Visíveis, porém representam as menores entidades da rede Vagner Sacramento 14

8 Ingredientes 2: Antennas Vagner Sacramento 15 Ingredientes 3: Infraestrutura 1 Base Stations Cabling Microwave links Vagner Sacramento 16

9 Ingredientes 3: Infraestrutura 2 Não visíveis, porém compreendem a parte principal da rede (também do ponto de vista do investimento...) Gerenciamento Base de dados Unidades de Comutação Monitoramente Vagner Sacramento 17 GSM: visão geral NSS with OSS OMC, EIR, AUC HLR G fixed network VLR VLR BSC BSC RSS Vagner Sacramento 18

10 GSM: elementos e interfaces radio cell BSS U m radio cell RSS BTS BTS A bis A BSC BSC NSS VLR HLR O VLR G IWF signaling ISDN, PSTN PDN OSS EIR AUC OMC Vagner Sacramento 19 GSM: arquitetura do sistema Subsistema de rádio Subsistema de rede e comutação Redes de parceiros U m ISDN PSTN BTS BTS A bis BSC EIR SS7 HLR BTS BTS BSS BSC A IWF VLR ISDN PSTN Vagner Sacramento PSPDN 20 CSPDN

11 Arquitetura do sistema : subsistema de rádio Subsistema de rádio BTS BTS BTS BTS BSS U m A bis BSC BSC A Subsistema de rede e comutação Components (Mobile Station) BSS (Base Station Subsystem): consisting of BTS (Base Transceiver Station): sender and receiver BSC (Base Station Controller): controlling several transceivers Interfaces Um : radio interface Abis : standardized, open interface with 16 kbit/s user channels A: standardized, open interface with 64 kbit/s user channels Vagner Sacramento 21 Arquitetura do sistema : subsistema de rádio Subsistema de Rádio (Base station subsystem) tarefas: transmissão, codificação/decodificação de voz, adaptação de taxa de comunicação Unidades 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) Vagner Sacramento 22

12 Base Transceiver Station and Base Station Controller Tarefas de um BSS são distribuídas entre o BSC e BTS BTS compreende as funções específicas de rádio BSC é o centro de comutação para os canais de rádio Functions BTS BSC Management of radio channels X Frequency hopping (FH) X X Management of terrestrial channels X Mapping of terrestrial onto radio channels X Channel coding and decoding X Rate adaptation X Encryption and decryption X X Paging X X Uplink signal measurements X Traffic measurement X Authentication X Location registry, location update X Vagner Sacramento Handover management X 23 Arquitetura do sistema : subsistema de rede e comutação network subsystem SS7 IWF EIR HLR VLR fixed partner networks ISDN PSTN ISDN PSTN PSPDN CSPDN Components (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) Vagner Sacramento 24

13 Arquitetura do sistema : subsistema de rede e comutação Subsistema de Rede e Comutação (Network switching subsystem) Mobile services switching center (): são switches ISDN, que formam o backbone da rede GSM Home 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 Vagner Sacramento 25 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 Vagner Sacramento 26

14 GSM: Rede celular Segmentação da área em células possible radio coverage of the cell cell idealized shape of the cell 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 Vagner Sacramento 27 GSM: Bandas de freqüência Type Channels Uplink [MHz] Downlink [MHz] GSM 850 (Americas) GSM 900 classical extended 0-124, channels +49 channels GSM GSM 1900 (Americas) GSM-R exclusive , channels Additionally: GSM 400 (also named GSM 450 or GSM 480 at / or / MHz - Please note: frequency ranges may vary depending on the country! Vagner Sacramento 28 - Channels at the lower/upper edge of a frequency band are typically not used

15 Exemplo de cobertura de redes GSM ( T-Mobile (GSM-900/1800) Germany O 2 (GSM-1800) Germany AT&T (GSM-850/1900) USA Vodacom (GSM-900) South Africa Vagner Sacramento 29 Protocolos do GSM U BTS m A BSC bis A CM CM MM MM RR LAPD m RR LAPD m BTSM LAPD RR BTSM LAPD BSSAP SS7 BSSAP SS7 radio radio PCM PCM PCM PCM 16/64 kbit/s 64 kbit/s / Mbit/s 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, S e Suplementary Services Vagner Sacramento 30

16 Chamada destinada a um dispositivo móvel 1: ligação para um assinante GSM 2: repassa ligação para G 3: faz uma chamada de sinal para HLR 4, 5: requisita RN (ID da ) de VLR 6: repassa a responsável pela para G 7: repassa chamada para o corrente 8, 9: obtém o status corrente do 10, 11: localização (Paginação) 12, 13: respostas de 14, 15: checa segurança 16, 17: configura conexão calling station 4 HLR VLR PSTN G BSS BSS BSS Vagner Sacramento 31 Chamada originada de um dispositivo móvel 1, 2: Requisição de conexão 3, 4: Checa a segurança 5-8: Checa disponibilidade de recursos (circuitos livres) 9-10: Configura a chamada PSTN 6 5 G VLR BSS Vagner Sacramento 32

17 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 UM Inter-BSC/intra-: UM passa à área de cobertura de outra BSC. Uma trata do handover. Inter-: handover entre operadoras GSM; é tratado entre correspondentes Vagner Sacramento 33 GSM: Tipos de Handover BTS BTS BTS BTS BSC BSC BSC Intra-cell Inter-cell Intra- Inter- Vagner Sacramento 34

18 Decisão de implementação de Handover receive level BTS old receive level BTS old HO_MARGIN BTS old BTS new Vagner Sacramento 35 Handover measurement report BTS old measurement result BSC old BSC new BTS new HO command HO decision HO required HO command HO command HO access Link establishment clear command clear command clear complete clear complete HO request resource allocation ch. activation HO request ack ch. activation ack HO complete HO complete Vagner Sacramento 36

19 Por que Comutação de Pacotes? Telecomunicações Transporte Serviços ISDN Transm. vídeo Banda Larga Computer Acesso à Internet Figuras/Fotos LAN Remota Voz sobre IP Convegência IP Serviços Móveis e Pessoais IP Móvel Media Music Video sob demanda Animação Infotainment Propaganda Vagner Sacramento 37 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 Vagner Sacramento 38

20 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. Vagner Sacramento 39 Taxa de dados do GPRS em kbit/s Coding scheme 1 slot 2 slots 3 slots 4 slots 5 slots 6 slots 7 slots 8 slots CS CS CS CS Vagner Sacramento 40

21 GPRS: Aplicações UMTS GPRS /EDGE CSD/ HCSD GSM WAP Browser n.top launching On-line S WAP M Download animações Picture-mate Game-land Chatting GVM/JAVA Karaoke Game AOD/VOD MP3 download ) Acesso seguro jan. a 2003 redes 2Q/2003 corporativas Dec.1999 Feb Set Q/ K bps 64.K bps 14.4K bps 9.6K bps Vagner Sacramento 41 GPRS: Principais Componentes : Mobile Station SGSN: Serving GPRS Support Node GGSN: Gateway GPRS Support Node BG: Border Gateway HLR: Home Location Register VLR: Visitor Location Register BST/BSC: Base Station Transceiver/Controller DNS: Domain Name Service Vagner Sacramento 42

22 GPRS: Unidades Funcionais SGSN 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 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 Border Gateway Interliga redes GPRS de diferentes operadoras Possibilita roaming GPRS Charging Gateway Consolidação de CDR Fornece informações de CDR para o Billing Center 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 Vagner Sacramento 43 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) Vagner Sacramento 44

23 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 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 Vagner Sacramento 45 GPRS - Sessão Um contexto compreende: Status do (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 Vagner Sacramento 46

24 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. Vagner Sacramento 47 GPRS Descoberta do GGSN O APN é enviado ao DNS (Domain Name Service), para se encontrar o endereço IP do GGSN relevante; Vagner Sacramento 48

25 GPRS Alocação de IP Vagner Sacramento 49 GPRS Sessão BTS BSC APN = gprs.oi.com.br SGSN Contexto PDP PDP ativo GPRS Core Network GGSN Intrane t gprs.oi.com.br Após alocação do IP, a sessão é estabelecida (chegada do PDP ativo) Interne t Vagner Sacramento 50

26 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. Vagner Sacramento 51 GPRS - Protocolos O Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP) é usado para compatibilizar as diferentes características das redes com e sem fio. Um Gb Gn Gi APP TCP/UDP IPv6 SNDCP LLC RLC MAC GSM RF Compr.,Segm. Ciphering and reliable link RLC MAC GSM RF BSSGP NW sr L1bis End user IPv6 connectivity Relay SNDCP GTP LLC UDP BSSGP IPv4 NW L2 L1bis sr L1 USER PAYLOAD GTP UDP IPv4 L2 L1 APP TCP/UDP IPv6 L2 L1 UM BSS SGSN GGSN GPRS IP Backbone Internet Vagner Sacramento 52

27 Arquitetura de protocolo do GPRS U BSS m G SGSN b G GGSN n G i apps. IP/X.25 SNDCP LLC SNDCP GTP LLC UDP/TCP IP/X.25 GTP UDP/TCP RLC RLC BSSGP BSSGP IP IP MAC MAC FR FR L1/L2 L1/L2 radio radio Vagner Sacramento 53 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 Vagner Sacramento 54

28 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 Vagner Sacramento 55 Evolução do GPRS para 3G Universal Mobile Telecomunications system (UMTS) é a proposta Européia para redes 3G, com largura de banda (da ordem de MB/s) UMTS emprega uma tecnologia de modulação/transmissão bem diferente do GPRS Para 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.) Vagner Sacramento 56