Comunicações Moveis - 2G

2015 Abril

Comunicações Móveis

ESTUDO INICIAL DA TECNOLOGIA 2G INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO DE GAYA

RUI MARQUES, Nº 3392, 3º ANO, ENGENHARIA INFORMÁTICA DOCENTE: PROF. JUSTINO LOURENÇO

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COMUNICAÇÕES MÓVEIS | estudo inicial da tecnologia 2G

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Índice Introdução ........................................................................................................................ 2 Abstract ............................................................................................................................ 3 Segunda (2ª) Geração de Redes Móveis .......................................................................... 4 O GSM-PLMN - Public Land Mobile Network ............................................................... 5 Vantagens do sistema GSM .......................................................................................... 5 A norma do GSM ........................................................................................................... 6 Adaptações ao Standard GSM ...................................................................................... 6 Contextualização do GSM ............................................................................................. 8 Codificação .................................................................................................................. 10 Codificação em GSM ................................................................................................... 12 Arquitetura da rede GSM ............................................................................................... 14 Componentes .............................................................................................................. 15 Estação móvel (MS) ................................................................................................. 15 Sistema de estação base (BSS) ................................................................................ 16 Sistema de comutação de rede (NSS) ..................................................................... 17 Interfaces .................................................................................................................... 30 Interface Aérea (Um)............................................................................................... 32 Interface Abis .......................................................................................................... 47 Interface A ............................................................................................................... 54 Protocolos GSM .......................................................................................................... 61 Sinalização por canal comum número 7 (SCC#7) .................................................... 62 Protocolo de gestão da estação emissora base (Base Transceiver Station Management – BTSM) ............................................................................................ 64 Procedimentos de acesso a enlaces no canal D (LAPD) .......................................... 64 Procedimentos de acesso a enlaces no canal D modificado (LAPDm) ................... 64 Conclusão........................................................................................................................ 65 Bibliografia ...................................................................................................................... 66

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Introdução Este trabalho tem como objetivo elaborar um estudo sobre a Rede Móvel de segunda geração (2G). Identificar os motivos que levaram à necessidade de evolução e evidenciar os serviços disponibilizados. Pretende-se dar uma visão geral do GSM. Faz-se em primeiro lugar uma contextualização histórica das comunicações e do GSM em particular. Explicam-se aspetos relativos à infraestrutura necessária a uma rede baseada nesta tecnologia, tendo cuidado com a nomenclatura utilizada e com alguns aspetos técnicos e que descrevem o GSM. Faz-se uma abordagem genérica a todos os componentes e analisa-se com algum detalhe não só o codificador de voz utilizado bem como as suas alternativas. O trabalho termina falando dos aspetos relativos ao licenciamento e apresenta alguns exemplos relevantes de processos anteriores. Os exigentes e constantes requisitos de mobilidade, capacidade de transmissão (largura de banda) ou qualidade de serviço estão na base da proliferação tecnológica a que se assiste constantemente. Desde cedo, a necessidade de comunicar marcou o desenvolvimento da sociedade Humana. No final do século XX, surgiu finalmente a tecnologia que permitiu revolucionar a ideia de comunicar, o GSM. O GSM (Groupe Spécial Mobile) surgiu de um esforço conjunto de diversos países, em 1982 no sentido normalizar as especificações das comunicações móveis europeias, no contexto de um comité denominado por CEPT (European Conference of Postal and Telecommunication Administrations). Foi a partir do GSM, que as comunicações de voz se tornaram, pela primeira vez, simultaneamente síncronas, portáveis, fiáveis, em tempo real e acessíveis à maior parte da população.

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Abstract This paper aims to conduct a study on the second generation mobile network (2G). Identify the reasons that led to the need for change and highlight the services provided. It is intended to give an overview of GSM. It will be primarily a historical context of communications and in particular GSM. Are explained matters affecting the infrastructure necessary to a network based on this technology, some care with the nomenclature used and some technical aspects and describing GSM. It is a general approach for all components and analyzed in some detail not only the vocoder used as well as their alternatives. The paper ends up talking about the aspects relating to the licensing and presents some relevant examples from previous cases. Discerning and requirements of mobility, transmission capacity (bandwidth) or service quality are the basis of technological proliferation the often-criticized constantly. Early on, the need to communicate marked the development of the Human society. In the late twentieth century, finally came the technology that have revolutionized the idea of communicating, GSM. The GSM (Groupe Spécial Mobile) came from a joint effort of several countries in 1982 in order to standardize the specifications of the European mobile communications in the context of a committee named by CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations). It was from the GSM, the voice communications have become, for the first time, while synchronous, portable, reliable, real-time and accessible to most people.

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Segunda (2ª) Geração de Redes Móveis Assim como não houve padrão na primeira geração, na segunda geração, que é a era da rede móvel digital, também não existiu padrão. Por consequência, atualmente existem vários sistemas de rede móvel com tecnologia digital. Estes sistemas são GSM (Sistema global de comunicação móvel), TDMA ou D-AMPS (Acesso múltiplo por divisão de tempo), CDMA (Acesso múltiplo por divisão de código), PDC (Celular digital pessoal) e PSC 1900 (Serviço de comunicação pessoal). Como o foco deste trabalho é falar sobre a tecnologia GSM, vamos nos preocupar apenas em fazer a descrição da tecnologia GSM. GSM – Global system for mobile communication é um padrão de comunicação digital para rede móvel. Este sistema recebeu este nome por representar um grupo criado na Europa em 1982, que formulou um padrão de comunicação celular operando numa frequência de 900 MHZ. Hoje em dia existem muitos países no mundo que seguem este padrão. Existe uma enorme aproximação entre a tecnologia TDMA e a GSM. Pode-se dizer inclusive que o GSM é uma versão melhorada do TDMA. Os dois sistemas utilizam a multiplexação por divisão de frequência, com cada unidade móvel transmitindo em uma sequência e recebendo numa sequência mais alta. Também em ambos os sistemas, um único par de frequências é dividido pela multiplexação por divisão de tempo em slots (período) de tempo, partilhado por várias unidades móveis. Atualmente existem 3 tipos de frequência que atendem ao padrão GSM: 900, 1800, 1900. A frequência original é a GSM 900. A maioria das redes GSM operam nesta frequência. Em 1990, por causa da competição do mercado, foi criado no Reino Unido o GSM 1800 MHz. Nos EUA, foi criado o GSM 1900. A grande novidade que chegou com a tecnologia GSM foi o GPRS (General Packet Radio Services), que é justamente a capacidade de se fazer transmissão de dados por pacote. Como na comunicação por pacote há partilha do canal, ao contrário da comutação por circuito onde cada comunicação ocupa um canal, há uma grande economia de espectro. Alem disso, o sistema GSM trouxe outra facilidade que seria o roaming internacional, que além de ser automático, trouxe a novidade do SIM card. O Subscriber Identity Module é um cartão de memória, onde ficam instalados todos os dados do utilizador, como seu número, agenda, facilidade, plano de serviço, entre outros itens. Desta forma, quem viajar para qualquer país que possua a tecnologia GSM, basta levar o SIM card e instalá-lo em qualquer equipamento daquela região.

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O GSM-PLMN - Public Land Mobile Network A PLMN é uma rede de comunicação móvel terrestre criado e explorado por operadores públicos e privados. É usado para fornecer serviços públicos de comunicações móveis. Objetivos gerais do GSM-PLMN no que diz respeito aos aspetos de serviços: • • • • • • •

Fornecer serviços de voz e dados compatíveis com os serviços fornecidos pela rede fixa tais como: PSTN,ISDN e PDN. Prestação de serviços específicos para o acesso móvel. Compatibilidade de acesso para todos os utilizadores em todos os países onde o GSM é explorado. Prestação de roaming internacional (acordo de roaming) e atualização automática. Registo de localização dos utilizadores nesses países. Prestação um QOS suficiente. Prestação do serviço com uma vasta área de cobertura.

Os sistemas de comunicação radio móvel de segunda geração foram otimizados para comunicação de voz, com transmissão de dados possível mas considerado secundário. Com o aumento da mobilidade no segmento empresarial e privado, houve necessidade de explorar esta área de negócio. As redes começaram a ser dimensionadas, com maior capacidade de canais disponíveis para dados e aumento das velocidades de transmissão. As velocidades de transmissão de dados equiparam-se as velocidades disponibilizadas na rede fixa ISDN. Os terminais também evoluíram neste sentido, novos equipamentos surgiram no mercado para fins específicos, Ex: ATM's.

Vantagens do sistema GSM A transmissão digital tem bastantes vantagens face à transmissão analógica: •

•

•

Capacidade da rede: a capacidade das comunicações móveis podem ser aumentadas consideravelmente, devido à possibilidade de compressão da voz. As desvantagens da compressão da voz é a diminuição da qualidade da voz. Oferta de serviços: a transmissão digital simplifica a transmissão da sinalização. Isto faz com que seja possível a rápida introdução de vários serviços de dados para alem dos serviços de voz. Aspetos de Custos: Os equipamentos digitai são mais económicos na fabricação e oferecem mais possibilidades para a integração da microeletrónica. Os custos na aquisição, bem como os custos da operação e manutenção são, portanto, menos caros e permitiram avanço do GSM para o mercado de massa.

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•

Miniaturização: O uso da microeletrónica para a transmissão de informação, permite reduzir consideravelmente o hardware comparativamente com os sistemas analógicos. Os telefones que tem vindo a ser usados desde o início do GSM, já sofreram uma redução considerável tanto no preço como no tamanho/peso.

•

Aspetos de segurança: A informação digital pode ser encriptada mais facilmente do que a informação analógica. A transmissão no interface AR está protegida contra Fraude, a interseção não autorizada de comunicações digitais são difíceis de desencriptar devido ao uso de algoritmos de encriptação complexos. Ex: de um algoritmo de encriptação GSM é o A5/1.

A norma do GSM A norma GSM é um padrão de comunicações móveis consistente e aberto definido pelo ETSI. Todos os aspetos das definições do padrão GSM foram definidas em mais de 150 recomendações, (especificações técnicas). Foram descritos os subsistemas, componentes de rede, interfaces, sinalização entre outros. Permitindo um desenvolvimento harmonioso de todos os elementos de rede. Ao mesmo tempo as recomendações são flexíveis quanto possível para que possam ser exploradas pelos diferentes fornecedores de equipamentos. As recomendações são organizadas em 2 series de acordo com diferentes aspetos.

Adaptações ao Standard GSM GSM900,GDM1800,GSM-R e o GSM400 diferem nas frequências usadas e nas diferentes técnicas de implementação. GSM900 (GSM,E-GSM) Originalmente com uma largura de banda de 2 x 25 MHz em torno dos 900MHz. Posteriormente foi alargada para 2 x 35 MHz chamado de E-GSM (Extended GSM). GSM 1800 (DCS1800) Como uma adaptação ao GSM900 o DCS1800 (Digital Cellular System), foi introduzido no início da década de 90. O DCS devido à sua largura de banda 2 x 75 MHz, foi introduzido para aumentar a capacidade nas áreas urbanas. A designação DCS1800 foi alterada para GSM1800, pois não difere em nada no protocolo GSM.

GSM1900 (PCS1900) O Standard PCS1900 (Public Cellular System) é o sistema GSM americano desde do ano de 1995/96 na banda dos 1900 MHz. Em 1997 o PCS1900 passou a chamar-se de GSM1900. Não usado em Portugal.

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GSM-R (Railway) Para comunicações nos caminhos-de-ferro estão reservadas as frequências entre os 876-880 MHz e os 921-925 com uma largura de banda de 2 x 4 MHz. Esta faixa de frequências foi implementada em Portugal pela Refer Telecom.

GSM400 Opera na Faixa em torno dos 400 MHZ com a finalidade de cobrir grandes áreas em zonas Rurais. Não usado em Portugal.

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Contextualização do GSM As ondas eletromagnéticas e fundamentalmente as leis de Maxwell permitiram revolucionar o mundo das comunicações. Foi a partir da introdução do telégrafo que pudemos pela primeira vez falar em telecomunicações. Posteriormente, a invenção do telefone permitiu introduzir a ideia de transportar um sinal de voz sobre uma linha telefónica ainda que sob a forma de um sinal analógico. A primeira ideia de telecomunicações sem um meio de transmissão físico nasce como na maior parte dos casos de uma aplicação militar e é introduzida na sociedade com o serviço de rádio táxis, e rádio polícia que tinha já uma estrutura parecida com uma rede celular ainda que muito mais primitiva. O sistema evolui para uma arquitetura que muito embora não seguisse um modelo celular, permitia a utilização da rede pública e de um sistema de numeração – o 0G ou mobile radio telephone. De seguida, foi introduzida a primeira arquitetura que se assemelha às atuais, o 1G. O 1G é uma solução inteiramente móvel, o que permite maior escalabilidade, e foi criado em 1980. Um dos sistemas mais conhecidos foi o AMPS (Advanced Mobile Phone System), sistema esse que apesar de analógico continuou em utilização até ao início deste ano, mais concretamente até ao dia 18 de Fevereiro. Por esta altura (finais dos anos 80) tornou-se evidente que de modo a providenciar as comunicações móveis de maior mobilidade, dever-se-ia utilizar uma solução mais escalável, que permitisse serem adicionados e removidos serviços e aumentar a qualidade do sinal. A alternativa era a digitalização do sinal. Ao digitalizar o sinal passamos a usufruir dos seguintes benefícios O sinal digital de voz pode ser comprimido de modo a poupar largura de banda; Os sistemas digitais emitem sinais de menor potência, o que faz com que o tamanho das células possa ser reduzido, aumentando o número de células num mesmo espaço (a redução do preço dos equipamentos emissores – antenas, torres celulares – influenciou também este fator); Uma vez que os sinais emitidos “carregam” uma potência menor, existe um menor consumo da bateria, o que prolonga o tempo de duração da carga e faz com que as mesmas possam ser mais pequenas (reduzindo também o tamanho dos equipamentos);

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A qualidade do sinal áudio é substancialmente aumentada, dado que a digitalização do sinal permite novas técnicas de FEC (Forward Error Correction), aumentando assim o número de erros recuperáveis (em última instância aumenta a fluência e qualidade da conversação); A digitalização do sinal permite também a introdução de novos serviços baseados em dados (por exemplo SMS), utilizando os novos canais de sincronização. Este passo marcou o aparecimento das redes 2G, e deu origem a três sistemas concorrentes: o DAMPS (Digital AMPS), e o GSM.

Figura 1 - Número de assinantes analógico vs digital

O DAMPS também conhecido como IS-54 surgiu da necessidade que os países (principalmente no continente norte americano) que já tinham implementado o AMPS tiveram de alterar o sistema para digital sem o refazerem de raiz, permitindo compatibilidade com os sistemas mais antigos. A solução acabou por se mostrar insuficiente acabando por ser substituída pelo GSM devido à capacidade da segunda de aprovisionar mais clientes.

Figura 2 - Número de assinantes total vs GSM

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Codificação Comece-se por analisar as várias alternativas de codificação de voz de entre as quais se pode escolher para processar a voz no seu formato digital: PCM, codificadores de onda, vocoders e codificadores híbridos. Na procura de uma solução teve de se considerar dois fatores: a qualidade da voz e o débito necessária para representar o sinal. A qualidade da voz tem uma implicação direta com a satisfação dos clientes em relação ao serviço prestado. O débito tem implicações em relação ao investimento. O GSM é uma tecnologia que utiliza um meio partilhado de transmissão e como tal quanto maior o débito maior o investimento em estações de retransmissão de rádio (BTS’s). A primeira alternativa já era utilizada largamente nas redes de transmissão de voz digitais como por exemplo as linhas RDIS. Implica uma utilização direta do teorema da amostragem que nos diz que em condições ideais um sinal analógico pode ser reconstruído a partir de uma sequência periódica de amostras desde que a frequência de amostragem seja no mínimo o dobro da frequência máxima do sinal original. Assim sendo, e uma vez que a voz humana tem sensivelmente como frequência máxima 3.4 kHz, utiliza-se uma frequência de amostragem de 8 kHz. Utilizam-se 8 bits para discretizar o sinal em 256 valores (correspondentes a amplitudes aproximadas do sinal analógico). Estes 256 “patamares” são suficientes para um sinal de voz. Esta alternativa produz um débito de 64 kbps que é claramente inadequado.

Figura 3 - Dicretização para 4 bits

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A segunda alternativa era a codificação de onda. A ideia por de trás deste tipo de codificadores é começar a explorar a redundância típica num sinal de voz. Esta exploração pode ser feita no domínio do tempo ou da frequência. Tomando como exemplo o segundo domínio, começa-se por partir a onda original num conjunto de subfrequências. Em vez de passar o valor da amplitude para cada uma destas envia-se antes uma diferença para o valor da onda anterior. Este tipo de representação mostrasse particularmente eficiente quando combinado com um codificador entrópico. Outra otimização introduzida foi permitir que os meus passos de quantificação pudessem passar a ser variáveis de acordo com a sensibilidade associada ao ouvido humano. Estas técnicas permitiam reduzir o ritmo de transmissão necessário para valores entre 16 e 40 kbps. Apesar dos resultados qualitativos serem muito bons era necessário comprimir ainda mais o sinal. Uma terceira alternativa foi a utilização de vocoders. Estes codecs têm uma abordagem à codificação de voz que passa por entender o processo de formação da mesma no trato vocal. Basicamente podemos dividir o tipo de sons produzido em dois: os sons vozeados, que representam as vogais e que dão origem a um tipo de sinal mais regular e periódico, e os sons não vozeados (consoantes) e que dão origem a um tipo de sinal mais arbitrário e espalhado ao longo do espectro, assemelhando-se a ruído. A ideia é achar uma frequência fundamental produzida pela voz humana e a partir dai medir a variação para essa frequência. Uma maneira se fazer isso é através de predição linear, que estima o valor da próxima amostra através de um conjunto de parâmetros (zeros e pólos de um modelo fonte-filtro) e de um erro associado a esta predição, que terá à partida uma energia bastante inferior em relação à da amostra inicial. Para a reprodução de sons vozeados é feita através da excitação de um filtro periodicamente e precisamos de saber a distância (no domínio do tempo) entre impulsos. Para a reprodução dos outros sons precisamos de uma excitação muito mais aleatória. No final precisamos apenas de enviar quatro informações: coeficientes do filtro, indicação do tipo de som, o ganho e o período do sinal para os sons vozeados. Este modelo permite reduzir o débito para valores perto dos 2.4 kbps mas têm a o problema de tornarem a voz muito artificial e de serem mais complexos. Apesar destes defeitos, esta solução encontrasse já muito perto da solução final.

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Figura 4 - Modelo de um vocoder

Por último temos o método de codificação híbrida. Este método resulta de uma abordagem que inclui as vantagens das duas anteriores. Este vai ser o método escolhido para codificar o GSM.

Codificação em GSM O GSM utiliza um método de predição linear. Este método consiste em correlacionar a amostra de sinal a transmitir com as amostras anteriores. O método é extremamente simples. Considera-se um conjunto de entrada PCM amostrado a 8 kHz e com quantificação de 13 bits (segundo a norma G.711). Este conjunto é depois dividido em 160 amostras para cada 20 ms. Estas amostras são transformadas, através de um métodos de LPC (Linear Predictive Coding) em 8 coeficientes (que vão parametrizar o nosso filtro) e num sinal residual. Estes coeficientes são posteriormente quantificados, com um número de bits variável, conforme se verifica na tabela 1, e que vão totalizar 36 bits. No fundo, é como se quiséssemos que alguém no recetor ouvisse uma música e lhe estivéssemos a passar a pauta em vez de a tocarmos diretamente.

I

nº bits

1

6

2

6

3

5

4

5

5

4

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6

4

7

3

8

3

Tabela 1 – Nº de bits utilizados na quantificação

Este método tem a clara desvantagem, de introduzir um efeito de bloco para as amostras perto da fronteira dos subconjuntos. Podemos facilmente minimizar este efeito pesando os coeficientes para as primeiras amostras com os coeficientes das amostras anteriores. O peso dos coeficientes anteriores vai deixando de ter importância até que desaparece por completo à 40ª amostra. A partir destes coeficientes consegue-se calcular o sinal de resíduo que vai ser útil na minimização do ruído introduzido pela quantificação através de uma técnica denominada por LTP (Long Term Prediction). É calculado um sinal de resíduo para cada 40 amostras o seja para cada 5 ms. A frequência deste sinal é codificada com 7 bits e o seu ganho com 2 bits e são estes os parâmetros a utilizar no filtro que gera este sinal. O resíduo passa ainda por um filtro passa baixo que degrada o sinal com a intenção de reduzir o débito num bloco denominado por RPE (Regular Pulse Excitation). O resultado final é um débito que ronda os 4 e os 16 kbps. Mais especificamente, o método descrito até agora é um dos modos de codificação, possíveis em GSM e é denominado por Full Rate Coder (FR). Este nome advém do facto de que utiliza um débito de 12.2 kbps e como tal funciona no modo de 8 tramas por cada banda de frequência. Existem mais dois modos: Half Rate (HR) e Enhanced Full Rate (EFR). O método HR é muito similar ao FR mas consegue comprimir o débito para 5.6 kbps à custa de uma maior degradação do sinal. A sua utilização permite a utilização de 16 tramas por cada banda de frequência permitindo um maior número de utilizadores por cada BTS. O seu lançamento foi feito após a introdução do modo FR, e chegou a ser ponderado a utilização de HR em células com muita sobrecarga de utilizadores ou como um serviço de menor qualidade e consequentemente mais barato. Apesar destes estudos, a utilização deste método nunca chegou a ser massificada. Por último, temos o modo EFR. Este modo permite-nos a utilização de 8 ou 16 tramas em cada uma das bandas de frequência sendo que cada um destes sub-modos conserva as características dos anteriores. A grande alteração, que trouxe foi melhorar os seus antecessores para que o modo de 8 tramas pudesse entregar pela primeira vez em GSM uma qualidade equivalente a uma linha tradicional, enquanto que, o modo de 16 tramas pudesse ser utilizado com uma qualidade bastante razoável em condições com pouca interferência.

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Arquitetura da rede GSM A rede GSM é formada por interfaces abertas e padronizadas, seguindo a sua principal intenção, montar uma arquitetura mais abrangente possível. Ela é estruturada para que seja possível a integração entre componentes de diferentes fabricantes, o que aquece a concorrência e diminui o preço para o utilizador. Além do facto, é claro, de torná-la extremamente flexível, logo, mais viável. Os componentes dessa arquitetura são divididos em 4 grupos O conjunto desses grupos é chamado rede móvel pública terrestre (Public Land Mobile Network – PLMN), e é implementado por uma operadora. Veja a figura 1 abaixo.

Figura 5 - Arquitetura da rede GSM

- MS – Mobile Station – Estação móvel: formada pelo próprio equipamento móvel, computador ou qualquer outro sistema de comunicação de voz ou dados (Equipamento Móvel). Necessita de um cartão SIM, que guarda seu registro na rede. - BSS – Base Transceiver System – Sistema de estação base: é capaz de se comunicar com as estações móveis e enviar informações para o sistema de comutação de rede, o NSS.

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- NSS – Network Switching System – Sistema de comutação de rede: processa informações através de interfaces e protocolos e gere a base dados. Assim, consegue interligar a rede GSM com a rede pública (RTPC). - OMS – Operations and Maintenance System – Sistema de Operação e Manutenção: comanda os grupos de componentes.

Componentes Estação móvel (MS) A estação móvel é constituída de um equipamento móvel (Mobile Equipment- ME), e um módulo de identidade do assinante, (Subscriber Identity Module - SIM), geralmente um chip.

Equipamento Móvel (ME) Cada equipamento móvel tem um número de identificação chamado identidade internacional do equipamento móvel (International Mobile Equipment Identity - IMEI). Esses números são armazenados no registro de identidade e equipamento (Equipment Identity Register - EIR), estudado mais a frente. É o próprio equipamento móvel. São três tipos: - Veiculo: geralmente uma antena na parte externa do veículo; - Estação Móvel Portátil: Composto por uma mala. - Estação Móvel (handset): Composto por um telefone de pequeno porte. Esses três tipos possuem características diferentes que fazem a comunicação da MS com a BSS depender do tipo de aparelho. A BSS, portanto, precisa saber qual é o tipo de aparelho para implementar a comunicação. Para resolver esse problema, a MS envia uma mensagem inicial que carrega as seguintes informações: - Revisão: identifica a fase do padrão GSM adotada. As fases mais recentes conseguem realizar todos os serviços das anteriores, mas o contrário não acontece. Logo, quando duas fases distintas se comunicam, os serviços implantados são os da fase mais antiga; - Algoritmo de Criptografia: diz qual é o algoritmo de criptografia usado na MS. Na fase 1 há somente o algoritmo A5, enquanto na fase 2 existem os algoritmos A5/0 e A5/7;

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- Capacitação de Frequências: dependendo do padrão GSM adotado pela MS, o equipamento utiliza uma das faixas de frequência - 850 MHz, 900 MHz, 1.800 MHz ou 1.900 MHz, como citado no tópico “Padrão GSM”. A mensagem inicial deve, portanto, indicar em que faixa de frequências será feita a comunicação. Existem telemóveis que operam nas 4 faixas, num modo conhecido como modo quatro (quadri-mode); - Capacitação do Serviço de Mensagens Curtas (Short Message Service – SMS): informa se a MS está preparada para receber ou enviar mensagens curtas;

Sistema de estação base (BSS) O sistema de estação base é responsável por ligar a MS com o sistema de comutação de rede (NSS). A MS envia um sinal à BSS, que o capta e dele extrai as informações. Essas informações são enviadas à rede. No outro sentido, a BSS recebe os dados vindos da rede, e constrói um sinal cujas informações a MS é capaz de extrair. A BSS é formado por três elementos. Um para captar sinais da MS e enviar outros para a mesma, outro para comandar o primeiro e se comunicar com a rede. O terceiro auxilia o segundo na comunicação com a MSC. Os três estão detalhados abaixo: Estação emissora base (BTS) A BTS (Base Transceiver Station) implementa ligações com as MSs através da interface aérea. É formada por hardware de radiofrequência e antenas, basicamente. Essas estações ficam sempre ligadas ao BSC, e ambos controlam gerem os canais de tráfego.

Controlador de estação base (BSC) O BSC (Base Station Controller) é responsável por controlar um grupo de estações emissoras base (BTSs). Todas as operações de uma BTS são comandadas pelo respetivo BSC. Através de uma matriz de comutação digital, as BSCs ligam os canais de RF com os circuitos terrestres provenientes da central de comutação móvel (MSC), um componente do sistema de comutação de rede. Com essa técnica, o BSC é capaz de realizar handovers entre os canais de RF independente da MSC, o que otimiza o tráfego na interface aérea e reduz o trabalho da MSC.

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Transcodificador (XCDR) A MSC envia sinais de voz a uma taxa de 64 Kbits/s. Se os canais de voz PCM a essa taxa fossem transmitidos direto na interface aérea, sem modificação, iriam ocupar uma faixa muito extensa da banda de RF, o que diminuiria o número de possíveis canais de voz na interface aérea. O XCDR é responsável por converter esses sinais de voz de 64 Kbits/s em sinais de 16 Kbits/s que podem ser enviados na interface aérea. A transmissão de dados não passa pelo processo de transcodificação, é apenas adaptada de 9,6 kbits/s para 16 Kbits/s, com 3 Kbits/s de controlo. Para isso, utiliza algoritmos de codificação, padronizados no GSM: - Algoritmo de taxa plena: codifica o canal de voz de 64 Kbits/s em 13 Kbits/s, adicionando 3 Kbits/s para dados de controlo (chamado TRAU - Transcoder Rate Adaption Unit). - Algoritmo de taxa plena melhorado: presente apenas na fase 2 do GSM, codifica 64 Kbits/s em 12,2 Kbits/s, e usa 3,8 Kbits/s para controlo.

Sistema de comutação de rede (NSS) O sistema de comutação de rede é responsável por: - Comutar os canais de comunicação entre duas BSS’s; - Controlar e gerir a mobilidade dos utilizadores; - Armazenar e consultar a base de dados dos assinantes. Os elementos desse sistema são estudados a seguir.

Central de comutação móvel (MSC) A MSC (Mobile services Switching Center) é o “coração” do sistema de comutação de rede. Possui as seguintes funções: - Processar chamadas, ou seja, ligar e desligar chamadas, promover handover entre BSSs e MSCs; - Supervisionar, manter e operar as bases de dados. - Gerir as interfaces entre a rede GSM e outras redes, como a RTCP (rede pública) e a Rede Digital de Serviços Integrados – RDSI; - Tarifar os serviços.

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Para realizar todas essas funções, a MSC precisa estar ligada aos bancos de dados de todas essas informações. Dois componentes contém grande parte dessas informações: o HLR e o VLR.

Registro de localização local (HLR) O registro de localização local administra, altera e atualiza a base de dados dos assinantes locais. Esses dados são acedidos remotamente pelo MSC e pelo VLR. Os principais dados guardados pelo HLR são: - Identidade internacional do assinante (International Mobile Subscriber Identity - IMSI); - Localização corrente do assinante no VLR; - Serviços suplementares aos quais o assinante tem direito, bem como informações adicionais sobre esses serviços; - Estado do assinante (registrado ou não registrado); - Chave de autenticação, que mencionaremos mais à frente.

Registro de localização do visitante (VLR) Pode acontecer de um assinante passar para outra PLMN que não a sua de origem, o que é óbvio, tratando-se de sistemas de comunicação móveis. Para se realizar a comunicação com esse utilizador “de fora”, ou seja, visitante, existe o VLR. Ele guarda uma cópia dos principais dados do assinante, contidos no seu HLR de origem. Essas informações são: - Estado da estação móvel (livre / ocupado/ não responde); - Identidade de área de localização (Location Area Identity - LAI); - Identidade temporária do assinante móvel (Temporary Mobile Subscriber Identity – TMSI); - Número da estação móvel visitante (Mobile Station Roaming Number – MSRN). A cópia desses dados é mantida no VLR por um tempo determinado pelo operador de rede (especificado em minutos ou horas). A seguir irá se falar dos papéis dessas identidades associadas ao assinante e à estação móvel.

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Identidades de um utilizador num sistema GSM Para identificar um utilizador num sistema GSM usa-se algumas identidades, cujas estruturas e funções serão apresentadas agora:

Identidade internacional do assinante móvel A identidade internacional do assinante móvel (International Mobile Subscriber Identity) identifica a MS internamente à rede GSM. É transmitido apenas na fase inicial da chamada. Não consiste no número que discamos para realizar uma chamada, e sim um número que identifica o assinante dentro da rede GSM. Para que a implementação seja mais fácil, esse número é parecido com o número que discamos (MSISDN, mencionado mais à frente).

O IMSI é formado por três campos: - Código móvel do país (Mobile Country Code – MCC): três dígitos (12 bits) que identificam a operadora de telefonia móvel em um certo país. - Código da rede móvel (Mobile Network Code – MNC): dois (8 bits) dígitos que identificam a rede PLMN local do assinante móvel (por exemplo, Rio de Janeiro = 21); - Número de identificação do assinante móvel (Mobile Subscriber Identification Number – MSIN): com até dez dígitos (40 bits), esse número identifica o assinante dentro de uma PLM. Pode-se ver que pode haver o mesmo MSIN noutra PLMN, associado a outro assinante.

Identidade de área de localização (LAI) A LAI (Location Area Identity) é o nome dado a um conjunto de células da PLMN. Tipicamente, uma LAI contém 30 células. Quando o assinante passa de sua LAI para outra, o VLR identifica sua presença e percebe que não há dados do perfil desse assinante. Utilizando a rede de sinalização, solicita esses dados do HLR (1, na figura abaixo). O HLR então retorna esses dados para o VLR, que os armazena em uma memória RAM/flash, por um período determinado pelo operador da rede. Enquanto guarda essa cópia, o VLR não consulta o HLR (2, na figura 2 abaixo).

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Figura 6

Identidade temporária do assinante móvel (TMSI) A identidade temporária do assinante é usada para prover confidencialidade ao utilizador. Quando o assinante passa de uma LAI para outra, um número é alocado para ele, aleatoriamente. A VLR então associa esse número a seu IMSI, mas como a alocação é aleatória, apenas a VLR sabe qual é o TMSI.

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Figura 7

O utilizador pode ou não exigir esse serviço. Caso ele exija, a implementação é feita da seguinte forma:

Figura 8

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1) Após o VLR adquirir os dados do HLR, começa a troca de informações entre a BSS e a MS. Caso a confidencialidade esteja prevista, o VLR aloca o TMSI, de quatro octetos;

2) Após alocar um TMSI, o VLR associa-o ao respetivo IMSI e guarda numa tabela, em memória RAM ou flash; 3) As informações transmitidas pela BSS passam a ser direcionadas a esse número TMSI em vez do IMSI, o que evita o monitoramento pela interface aérea; 4) A MS passa a usar o TMSI também. O número TMSI com 32 bits iguais a 1 é usado como inválido pelo cartão SIM. O número TMSI é registrado no cartão SIM da MS.

Número Internacional ISDN da estação móvel (MSISDN) O MSISDN (Mobile Station International Integrated Service Digital Network) é usado para integrar a rede GSM à rede pública. Formado por três campos, é o número que os utilizadores mais conhecem. Um campo informa o país de origem, outro a PLMN e outro o número do móvel. Em diferentes PLMNs pode-se usar o mesmo número. É por isso que quando estamos viajando (ou seja, em outra PLMN) e discamos um número esquecendo de fazer uma ligação DDD – na qual informamos o código da PLMN, a ligação cai num número existente, mas dentro da PLMN em que somos visitantes.

Figura 9

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Enquanto a ligação DDD (Discagem Direta à Distância) exige que informemos o código da PLMN (NDC – National Destination Code), a DDI (Discagem Direta Internacional) exige o NDC e o código do país (CC – Country Code). Quando um utilizador da RTCP chama um utilizador móvel, disca seu MSISDN, dentro do formato da ligação. A MSC converte o MSISDN para um IMSI, pois a rede GSM usa o IMSI internamente. Para isso, usa uma tabela de encaminhamento. O equipamento móvel é acedido, então, pelo seu IMSI.

Figura 10

Número da estação móvel do visitante (MSRN) O número de estação móvel do visitante é usado para estabelecer o canal de voz entre o assinante e a rede quando esse passa a outra PLMN, que não a sua de origem. Essa nova PLMN é comandada por outra MSC. Quando o assinante entra noutra PLMN, o VLR da MSC dessa PLMN aloca um número de uma lista feita para prover esse serviço, chamado roaming automático. O utilizador não precisa, portanto, avisar manualmente que mudou de PLMN. Esse serviço necessita da troca de várias informações entre o MSC de origem e o novo MSC. Para tanto foi criado um protocolo chamado Mobile Application Part (MAP).

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Figura 11

Os passos a seguir mostram como o serviço é feito: A) Ao chegar em outra PLMN, devido à sinalização da MS o MSC identifica um novo utilizador e verifica se há um registro para esse equipamento no VLR. O VLR, então, consulta sua base de dados e não encontra. B) O VLR envia uma mensagem de sinalização para o MSC de origem. Ao perceber a nova MS na sua PLMN, o MSC sabe qual é o MSC de origem através das informações contidas no cartão SIM do equipamento. C) A MSC de origem envia os dados, e atualiza seu próprio banco de dados informando a localidade na qual o móvel se encontra. D) Um assinante da RTCP (rede pública) origina uma chamada para o móvel. Quando a chamada chega na MSC do local de origem, esse consulta seu HLR, que diz onde está o equipamento móvel. E) A MSC de origem solicita ao VLR do local visitado um número MSRN, para que a chamada possa ser estabelecida. F) O VLR do local visitado consulta a lista de MSRNs e aloca um disponível e envia para a MSC de origem.

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G) Com o MSRN, a MSC de origem estabelece uma ligação de voz com a MSC do local visitado.

Centro de Autenticação (AuC) Normalmente instalado no mesmo hardware do HLR, o Authentication Center (AuC) tem as funções de autenticar e criptografar as mensagens, para impedir ataques à rede, como MSs clonadas, por exemplo. Esses processos são executados simultaneamente no AuC e na MS. Ao tentar aceder o sistema, a MS é obrigada a apresentar uma chave de autenticação (Ki), que fica registrada no cartão SIM e no AuC. Os processos de autenticação e de criptografia dependem dessa chave, e estão descritos a seguir:

Figura 12

A) Ao receber informações sobre a MS, no início de uma chamada ou na atualização de um registro, o AuC gera um número aleatório chamado RAND.

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B) Através do algoritmo A3, de autenticação, e usando o número RAND e a chave secreta Ki, o AuC gera a resposta cifrada SRES (Signed RESponse). Através do algoritmo A8, de criptografia, gera a chave de criptografia Kc, usando RAND e Ki. C) O AuC envia SRES, Kc e RAND para o HLR. D) O HLR envia esses 3 dados para o VLR, que os guarda temporariamente. E) O VLR envia RAND para a MS, através da MSS e da BSS. F) A MS calcula o SRES, separadamente, usando o algoritmo A3 e a chave Ki, contidos no cartão SIM. G) A MS envia o SRES para o VLR. H) A VLR compara os SRES enviados pela MS e pelo AuC. Se forem diferentes, o processo termina com falha; se forem iguais, a autenticação é terminada com sucesso. I) Se a criptografia estiver a ser executada, o VLR envia a sequência Kc para a BTS. J) A MS calcula Kc e armazena no cartão SIM, usando A8, Ki e RAND. A partir de então, todas as informações transmitidas pela MS serão criptografadas pela chave Kc. K) Usando o algoritmo de criptografia A5 e o número do hiperquadro GSM, a BTS passa também a só enviar mensagens criptografadas. J e K consistem nos passos de criptografia.

Registro de identidade do equipamento (EIR) O EIR (Equipment Identity Register) possui a base de dados centralizada dos números de identidade internacional do equipamento móvel (IMEI), os quais são únicos por EIR. O formato do IMEI está representado na figura abaixo.

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Figura 13

A base de dados do EIR é organizada em listas de IMEIs, de acordo com os critérios abaixo: - Lista Branca: todos os IMEIs de MSs habilitadas a usar a rede GSM; - Lista negra: IMEIs de MSs não habilitadas, como MSs roubadas ou clonadas; - Lista Cinza: IMEIs de MSs com algum problema temporário, como defeito do hardware ou em manutenção na rede autorizada, mas que, enfim, não justificam a presença na lista negra.

Função de Interfuncionamento (IWF) O IWF (InternetWorking Function) é responsável pela interface da rede GSM com outras redes de dados, como a internet, por exemplo. É sua função adaptar a taxa de dados e converter os protocolos quando necessário.

Supressor de Eco (EC) O EC (Echo Canceler) é responsável por eliminar o efeito de eco presente nas ligações entre a MSC e a RTPC. Esse efeito acontece quando um sinal de voz chega em um tempo errado, superposto a outro sinal no tempo certo. Atrasos de propagação na interface aérea, ou provocado pelo processo de transcodificação podem gerar esse problema.

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Sistema de Operação e Manutenção (OMS) O OMS (Operations and Maintence System) administra, opera, mantém e supervisiona os elementos da rede GSM. Faz isso ora de forma centralizada, ora de forma remota. É subdividido em dois subsistemas, como mostra a figura abaixo.

Centro de gestão de rede (NMC) O NMC (Network Management Center) é o de mais alta hierarquia em uma rede GSM, pois é o de mais alto nível no OMS, que controla a rede. Só existe um NMC por rede. As suas principais funções são de monitorização: - Dos nós da rede; - Dos dados estatísticos da rede GSM; - Dos OMCs.

Centro de Operação e Manutenção (OMC) O OMC (Operation and Maintence Center) é o elemento que controla os outros elementos da rede GSM (BTS, MSC, HLR, EIR, etc.) Um OMC controla uma determinada região, e uma rede GSM é composta por vários OMCs. Existem dois tipos de OMCs :

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Figura 14

- OMC (R): controla o Subsistema de estação base (BSS) - OMC (S): controla o subsistema de comutação de rede (NSS). A função do OMC é gerenciar as seguintes funções - Eventos e alarmes; - Performance do sistema; - Configuração do sistema. Em suma, o OMC define os principais parâmetros, para atuar em protocolos já implementados.

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Interfaces Como já foi comentado anteriormente, o principal foco do sistema GSM foi o de permitir que o maior número possível de utilizadores pudessem ser integrados. As interfaces e protocolos dele devem ser, portanto, padronizados e flexíveis, de forma a poder incorporar elementos de diferentes fabricantes. Uma interface precisa prover os aspetos físicos dos meios de transmissão, o interfuncionamento e a implementação dos serviços e aplicações móveis entre os elementos da rede GSM. Abaixo segue uma visão genérica das principais interfaces do GSM.

Figura 15

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Interface aérea (Um): Interliga a MS e a BTS. É responsável por disponibilizar os canais físicos e lógicos aos assinantes móveis, para viabilizar o processamento de chamadas. Interface Abis: liga a BTS ao BSC. Permite controlar os equipamentos e a alocação de recursos na BTS. Interface A: Liga a BSC e a MSC. Transporta os seguintes dados: - Gestão do BSS; - Tratamento de chamadas; - Alocação de circuitos terrestres (canais de voz entre os elementos ligados); - Gestão de mobilidade. Interface B: liga o MSC e o VLR. Gere a base de dados dos assinantes que estão a usar a área controlada pelo MSC associado ao VLR. É responsável pela localização dentro da área da MSC, por atualizar o registro quando a MS visita outra área e por atualizar dados sobre os serviços suplementares (como ativação ou desativação de chamada em espera, número escolhido para transferência temporária de chamadas, etc.) Interface C: Liga MSC e HLR. É usado quando a MSC precisa de informações necessárias ao roteamento de chamadas ou ao envio de mensagens curtas (SMS). Interface D: Liga HLR e VLR. É usada na troca de dados sobre a localização da MS. Provê a capacidade de um assinante realizar chamadas dentro de uma determinada área de serviço. Interface E: Interliga duas MSCs. Quando uma MS move-se da área de uma MSC para outra de outra MSC, durante uma chamada, um processo chamado handover permite que chamada não seja interrompida. A interface E executa esse procedimento. Interface F: Liga MSC e EIR. Verifica se a MS está ou não habilitada para usar os serviços da rede GSM, através do estado do IMEI da MS (guardado no EIR). Interface G: Interliga duas VLRs. É usado quando uma MS move-se de um VLR para outro, recuperando o IMEI e os parâmetros de autenticação guardados no VLR de origem. Interface R: Liga a MS ao equipamento terminal de dados (Data Terminal Equipment – DTE), usada para ligar o computador pessoal à MS, com o objetivo de transmitir dados por pacotes. Assim pode-se integrar o sistema GSM a uma comunicação que use o protocolo TCP/IP, da Internet, por exemplo.

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Interface Aérea (Um) A interface aérea, também conhecida como interface Um, é responsável por ligar a estação móvel (MS) e a estação emissora base (BTS). Utiliza as ondas portadoras de radiofrequência para levar informação. Uma única portadora de radiofrequência possui 200 kHz de largura de banda e pode suportar até 8 estações móveis. Esse acesso de 8 estações ao mesmo tempo é implementado pela técnica de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA), na qual a portadora divide seu tempo em 8 intervalos, chamados Intervalo de Tempo de Canal (ITC), e disponibiliza um para cada móvel. Os ITCs são identificados de 0 a 7, e cada conjunto de 8 ITCs corresponde a um quadro TDMA. A informação levada pelo ITC é chamada rajada de dados (burst). O Burst representa o tipo de informação que está sendo transportada. O sincronismo é um fator crítico para a comunicação. Para isso, as informações devem ser transmitidas no momento exato. Esse momento exato é implementado com um atraso no início do quadro TDMA. A BTS atrasa em 3 ITCs o envio do seu quadro TDMA, de forma que o enlace direto e o reverso tem 3 ITCs de diferença. Já a MS tem um problema maior a resolver. Como se desloca, o atraso devido à distância, varia. Dessa forma, o atraso que a MS deve empregar entre o enlace direto e o reverso depende de sua distância. A rede GSM conhece a localização do móvel, e resolve o problema informando constantemente à MS como ajustar seu atraso a fim de sincronizar a comunicação.

Figura 16

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Canais de tráfego (Trafic Channel– TCH) Os canais de tráfego transportam voz e dados no modo de comutação de circuitos. São implementados na interface aérea através de multiquadros, um conjunto de 26 quadros TDMA. Cada quadro possui 8 ITCs, cada ITC possui 577 µs, em um multiquadro há 26 quadros. Pode-se calcular a duração de um multiquadro de tráfego: 26 quadros x 8 ITCs x 577 µs por ITC = 120 ms.

Figura 17

A figura a seguir mostra os diferentes tipos de canais de tráfego.

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Figura 18

Canais usados para o transporte de voz: - Canal de voz com taxa plena (Full Rate Speech Chanel – TCH/FS): taxa de 13 kbits/s; - Canal de voz com taxa plena melhorada (Enhanced Full Rate Speech Channel – TCH/EFS) Taxa de 12,2 kbits/s; - Canal de voz com meia taxa (Half Rate Speech Channel – TCH/HS): taxa de 5,6 kbits/s. Canais usados para o transporte de dados no modo de comutação de circuitos: - Canal de dados com taxa plena (Data Channel Full Rate – TCH/F9.6): taxa de 9,6 kbits/s; - Canal de dados com taxa plena (TCH-F4.8): taxa de 4.8 kbits/s; - Canal de dados com taxa plena (TCH/F2.4): taxa de até 2,4 kbits/s; - Canal de dados com meia taxa (Data Channel Half Rate – TCH/H4.8): taxa de 4,8 bits/s; - Canal de dados com meia taxa (TCH/H2.4): taxa de 2,4 kbits/s.

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Canais de controlo (Control CHannel – CCH) Os canais de controlo transportam informações de sinalização e controle entre a MS e a BTS. Tal como os canais de tráfego, são organizados em multiquadros, mas com 51 quadros TDMA. Da mesma forma que para os canais de tráfego, pode-se calcular a duração de um multiquadro de controlo: 51 quadros x 8 ITCs x 577 µs por ITC = 235,4 ms. Os canais de controlo são divididos em três grupos: canal de controlo dedicado, canal de controlo comum e canal de controlo por difusão. Grupo canal de controlo dedicado (Dedicated Control CHannel – DCCH): Formado por canais associados a uma única MS, é responsável por validar a MS e estabelecer as chamadas. Os canais que o compõem são: - Canal de controlo dedicado independente (Stand-alone Dedicated Control CHannel – SDCCH): transfere dados de/para uma única MS durante o estabelecimento da chamada e a validação do móvel; - Canal de controlo associado (Associated Control CHannel – ACCH): É dividido em dois canais, o Slow ACCH (SACCH) e o Fast ACCH (FACCH). O primeiro transporta informações de medidas do enlace e controlo de potência, enquanto o segundo é usado para mensagens de eventos, como informações sobre handover e autenticação, por exemplo. Esses canais “roubam” um intervalo do canal TCH e inserem suas informações. Trabalham nos enlaces direto e inverso.

Grupo canal de controlo comum (Common Control CHannel – CCCH): Formado por canais que trabalham nos enlaces direto e reverso no estabelecimento de chamadas. Os canais que o compõem são: - Canal de busca (Paging CHannel – PCH): usado pela BTS para procurar uma determinada MS. - Canal de acesso aleatório (Random Acces CHannel – RACH): usado pela MS para aceder a rede, o que pode acontecer a qualquer instante, originando uma chamada ou respondendo a um processo de busca; - Canal de acesso permitido (Access Granted CHannel – AGCH): Quando a MS envia um pedido de acesso (pelo canal RACH), a BTS usa esse canal para associar os canais de controlo dedicado (SDCCH ou SACCH) necessários; - Canal de notificação (Notification Channel – NCH): Usado quando a BTS envia uma mensagem de notificação para um grupo de MSs ou em chamadas de voz por difusão.

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Grupo canal de controlo por difusão (Broadcast Control CHannel – BCCH): Formado por canais que operam apenas no enlace direto, ou seja, servem para difundir mensagens sobre a rede para as MSs. Os canais que o compõem são: - Canal de controlo por difusão (Broadcast Control CHannel – BCCH): leva informações como identidade da célula, lista de células vizinhas, LAI, lista de frequências usadas pela célula e indicador de controlo de potência; - Canal de difusão para as células (Cell Broadcast CHannel – CBCH): Usa o serviço de mensagens curtas (Short Message Services – SMS) para enviar a todas as MSs na área de cobertura de uma BTS informações como resultados de jogos, condições do trânsito, etc; - Canal de sincronismo (Synchronizing CHannel – SCH): leva dados necessários ao sincronismo da comunicação, como o número do quadro TDMA e o código da BTS; - Canal de correção de frequência (Frequency Correction CHannel – FCCH): Usado pela MS para sintonizar-se na portadora de RF.

Tipos de multiquadro de controlo Como já mencionado, multiquadros são conjuntos de quadros. A organização dos quadros num multiquadro implementa a ordem das mensagens de controlo, sendo assim a espinha dorsal da interface, em relação ao controlo. Existem dois tipos de multiquadros de controlo: um para os canais de controlo dedicado (DCCH/8), e outro para canais de controlo comum e por difusão (BCCH/CCCH).

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Multiquadro BCCH/CCCH Uma portadora de RF, como já visto, suporta 8 utilizadores, que se dividem nos 8 intervalos (slots) de um quadro TDMA. No slot 0 de cada quadro, na verdade, é usado o multiquadro BCCH/CCCH. A sua estrutura está descrita abaixo. O enlace direto é dividido em ciclos, enquanto o reverso é exclusivamente destinado ao canal RACH, que providencia o pedido de acesso da MS à BTS, em qualquer instante.

Figura 19

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Multiquadro DCCH/8 Esse multiquadro comporta 8 canais dedicados cada um utilizador. Cada canal SDCCH (D0, D1, ...) está associado a um SACCH (A0, A1, ...). A diferença entre os enlaces é feita para permitir que a MS receba a mensagem e produza a resposta.

Figura 20

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Protocolos da interface aérea Os protocolos da interface aérea são divididos em três camadas, obedecendo ao modelo de referência OSI.

Figura 21

Camada 3 (camada de rede) A camada de protocolos nível 3 implementa as seguintes funções: - Gestão da radiofrequência; - Gestão da mobilidade; - Gestão das ligações; - Comutação dos circuitos entre a rede GSM e as demais redes; - Controlo dos serviços suplementares; - Controlo dos serviços de localização. Três subcamadas compõem essa camada: gestão dos recursos de rádio; gestão da mobilidade e gestão de ligações.

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Gestão de recursos de rádio (Radio Resource Management – RR): - Aloca e liberta o canal de RF; - Habilita a criptografia; - Controla potência; - Realiza handover de uma célula para outra.

Gestão de mobilidade (Mobility Management – MM): - Registra a MS; - Verifica o utilizador e a identidade do equipamento; - Verifica quais serviços estão associados ao utilizador; - Autentica o utilizador; - Realoca a identidade temporária do assinante (TMSI).

Gestão de ligações (Connection Management – CM) - formado por três entidades: - Controlo de chamadas (Call Center – CC): Estabelece, mantém e desliga a chamada, além de controlar os serviços suplementares. - Serviços suplementares (Supplementary Services – SS): Providencia os serviços suplementares, como transferência de chamadas, chamada em espera, etc. - Serviço de mensagens curtas (Short Message Service – SMS): Controla o serviço de SMS.

Estrutura das mensagens da camada 3 A estrutura das mensagens é definida pela Especificação GSM 04.08. - Campo discriminador de protocolo (Protocol Discrminator – PD): identifica o protocolo que a mensagem da camada 3 está transportando. - Campo identificador de transação (Transaction Identifier – TI): usado para determinar múltiplas ligações ou transações que ocorrem ao mesmo tempo. Define se a mensagem é de gestão de rádio (RR), ou de mobilidade, seja sem a tecnologia GPRS (MM) ou para o serviço GPRS. - Campo tipo de mensagem (Message Type): identifica o tipo da mensagem, RR, MM ou CM, como estudado anteriormente.

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- Campo outros elementos de informação (other Information Elementes – IE): pode indicar o tipo de elemento de informação, o comprimento e um valor, se necessário. Abaixo estão descritos os tipos de elemento de informação.

Camada 2 (camada de enlace) O protocolo da camada 2 da interface aérea usa procedimentos de acesso ao enlace do canal D modificado (Link Access Procedures on Dm-channel – LAPDm) para prover sinalização entre entidades da camada 3. Todos os canais de controlo utilizam o LPDm, exceto o canal RACH.

Figura 22

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Esse protocolo é totalmente baseado no protocolo LAPD, da Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI), incluído na interface Abis. O LAPDm tem como principais funções: - Prover ligações de enlace no canal Dm. Essas ligações são identificadas pelo identificador de ligação do enlace de dados (Data Link Connection Identifier – DLCI); - Organizar as informações vindas da camada 3 nos quadros; - Reconhecer e transmitir os quadros, controlando a sequência; - Detetar os erros operacionais no enlace de dados.

Identificador de ligação do enlace de dados (DLCI) O DLCI é formado pelo identificador do ponto de acesso ao serviço (Service Access Point Identifier – SAPI) e pelo tipo de canal de controlo. O SAPI é transportado no campo de endereço de cada quadro, e é definido na camada 3. A camada 1 indica o tipo de canal em que a mensagem foi recebida. Combinando essas duas informações, a camada 2 define a qual a camada de enlace de dados deve ser entregue a mensagem. O SAPI pode assumir apenas dois valores: 0 ou 3. SAPI=0: - Controlo de chamada (CC); - Gestão de mobilidade (MM); - Serviços suplementares (SS); - Gestão de recursos de rádio (RR). SAPI=3 - Serviço de mensagens curtas (SMS)

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Camada 1 (camada física) Representa o enlace físico entre MS e BTS, responsável por estabelecer, libertar e controlar as ligações. As principais funções são: - Controlo de potência; - Definição dos canais físicos dedicados, ou seja, exclusivos; - Monitorização da qualidade do sinal durante as chamadas; - Sintonização das frequências; - Sincronização dos quadros TDMA; - Frequency hopping, processo no qual a frequência é reajustada para outro valor; - Criptografia; - Associação entre canais lógicos e físicos; - Codificação para deteção e correção de erros; - Modulação.

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A figura abaixo mostra a representação esquemática em blocos da camada 1.

Figura 23

Note-se que durante a transmissão pela interface aérea é muito exposta. Perder bits no processo de transmissão seria então algo muito comum, e isso inviabilizaria o sistema GSM. No entanto, alguns processos foram criados de forma a detetar e corrigir essas perdas. Dois processos são os maiores responsáveis pela robustez da interface aérea GSM: a codificação convolucional e o interleaving. A codificação convolucional é um método que duplica o número de bits, a fim de se evitar a perda de bits simples. O interleaving é um processo semelhante à transposição de mensagens, em criptografia. Com uma mensagem sem interleaving, ao se perder uma faixa de dados (processo chamado desvanecimento ou fading), fica difícil remontar a mensagem, pois a faixa de bits seria consecutiva. Com o interlaving a mensagem só é enviada após a transposição.

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Assim, se acontecer o desvanecimento, quando o processo inverso à transposição for executado, os bits perdidos não serão consecutivos, facilitando a correção da mensagem. A figura abaixo ilustra o interleaving.

Figura 24

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Existe ainda outra técnica que aumenta a eficiência do interleaving e da codificação: o salto em frequência (Frequency Hopping - FH). O FH consiste na mudança da frequência usada. A MS transmite o ITC em um quadro TDMA, numa frequência fixa, e no próximo quadro, envia o ITC em outra frequência. A variação da frequência segue um algoritmo. O salto em frequência ocorre, então, no intervalo de tempo entre um ITC e outro.

Figura 25

Modulação GMSK A modulação GMSK, a mais usada no sistema GSM, é derivada da modulação MSK. A MSK consiste basicamente em variar a fase do sinal de acordo com o próximo bit da sequência: se for 1, varia +90º, se for 0, varia -90º. A figura abaixo mostra a sequência 111010000 transmitida na modulação MSK. A GMSK suaviza o sinal MSK através de um filtro de pré-modulação gaussiano. Cada bit implica na variação da frequência do sinal, em +67,708 kHz (bit=1) ou -67,708 kHz (bit=0). A sequência 1110000 após a modulação GMSK está mostrada na figura abaixo, no diagrama I/Q.

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Figura 26

Interface Abis A interface Abis é responsável por interligar BTS e BSC. Deve possibilitar o uso de BTSs e BSCs de diferentes fabricantes, lembrando que cada BSC controla várias BTSs. É definida como um enlace digital terrestre de 2,048 Mbits/s, com as seguintes características padronizadas: - Parâmetros físicos e elétricos; - Estruturas dos canais; - Processos de transferência de sinalização, configuração e controlo; - Informações sobre operação e manutenção. É importante saber que a TS é formada por dois componentes físicos, o TRX (Transceiver) e BCF (Base Control Function, função de controlo da BTS). O primeiro consiste em um quadro TDMA de uma portadora de RF, enquanto o segundo controla funções internas da BTS como os saltos em frequência, a alocação de canais físico e lógico, etc.

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A interface Abis pode suportar três configurações internas das BTS distintas, conforme descrito abaixo: - Um TRX; - Um conjunto de TRX, todas servidas pela mesma ligação; - Um conjunto de TRX, cada TRX com sua própria conexão física. A interface Abis é formada por um canal de tráfego (8, 16 ou 64 kbits/s), para transportar voz ou dados em um canal de RF, e um canal de sinalização (16, 32 ou 64 kbits/s), para transportar a sinalização entre BSC-MS e BSC-BTS.

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Canais lógicos do enlace de sinalização Os enlaces de sinalização transportam informação entre BTS e BSC, de/para os componentes TRX e BCF (ver figura anterior). O endereçamento desses componentes é feito pelo identificador de terminal (Terminal Endpoint Identifier – TEI), para separar informações entre TRXe BCF, como mostrado na figura abaixo.

Figura 27

- Enlace de sinalização de RF (Radio Signaling Link – RSL): suporta os procedimentos de gestão de tráfego, entre a MS e a rede. É único por TRX; - Enlace de operação e manutenção (Operations and Maintence Link – OML): suporta a gestão de rede, sendo único por TRX e BCF; - Enlace de gestão da camada 2 (Layer 2 Management Link – L2ML): usado para a gestão da camada 2, também único por TRX e BCF.

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Modelo de sinalização Formado por três camadas, referentes ao modelo OSI: - Camada 3: gera as mensagens de sinalização; - Camada 2 - LAPD: garante as informações transmitidas, detetando e corrigindo erros, executando o alinhamento do enlace, etc; - Camada 1: providencia um meio de transmissão entre BSC e BTS. A figura abaixo mostra o modelo de sinalização. Algumas mensagens passam da MS para a BSC sem que a BTS realize algum tipo de processamento. Essas mensagens, como CM e MM, são ditas transparentes. Um flag de transparência indica se a mensagem é ou não transparente (T-flag). A figura abaixo mostra esquematicamente o modelo de sinalização da camada 3 da interface Abis.

Figura 28

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Camada 3 (camada de rede) Os procedimentos da camada 3 geram as mensagens de sinalização entre BSC e BTS. São eles: - Procedimentos de gestão de tráfego: geram mensagens de sinalização sobre o tráfego de dados ou voz. Essas mensagens podem ser transparentes (no caso da BTS não alterar o campo da mensagem enviado pela MS) ou não transparentes (campo formado entre a BTS e a BSC, resultado de alguma operação na BTS de uma informação vinda da MS); - Procedimentos de gestão de rede: geram mensagens para gerir a rede; - Procedimentos de gestão da camada 2: geram mensagens para gerir a camada de enlace de dados (LAPD); - Distribuição do canal no enlace de sinalização: distribui as mensagens para o canal físico correto, de acordo com o identificador de enlace.

Figura 29

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Formato da mensagem na camada 3 O quadro da interface Abis é formado pelos seguintes campos: - Discriminador de mensagem: indica a transparência ou não da mensagem, bem como o seu tipo. Define se a mensagem é de gestão de recursos de rádio, de canais dedicados, de canal comum ou de TRX. - Tipo de mensagem: indica a função da mensagem enviada. A tabela abaixo mostra os tipos de mensagem; - Elementos de Informação (Information Elements – IE): informa outros parâmetros quando necessário, sendo assim de comprimento variável. Um campo chamado Identificador de Elemento de Informação (IEI), que vem no início do campo IE, indica que tipo de elemento de informação está a ser passado.

Camada 2 (LAPD) A camada 2 da interface Abis deve garantir a integridade das informações de sinalização transmitidas pelo canal D. Utiliza o protocolo LAPD, formado por procedimentos de camada de enlace de dados, que se baseiam no protocolo de enlace de dados de alto nível (High level Data Link Control – HDLC) padronizado pela norma ISO3309. Os procedimentos adotados pela camada 2 são: - Sinalização, inclusive as relativas ao serviço SMS; - Operação e manutenção; - Gestão da camada 2.

As suas principais funções são: - Supervisionar enlaces ininterruptamente, mesmo sem tráfego de mensagens; - Providenciar enlaces dedicados; - Providenciar enlaces transparentes; - Manter o enlace ativo quando não há mensagens de sinalização, incluindo informações de preenchimento; - Controlar a sequência de mensagens; - Controlar erros, inclusive os não recuperáveis por retransmissão da mensagem.

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Formato da mensagem da camada 2 A estrutura da mensagem da camada está representada abaixo.

Figura 30

- Flag: sempre fixo em 01111110, é usado para delinear as mensagens; - Campo de endereço (address field): indica o recetor de um quadro de comando, e o transmissor da resposta; - Campo de controlo (control field): indica o tipo de quadro transmitido, podendo ser quadro de informação, quadro de supervisão ou quadro não numerado. O primeiro transmite informações de forma sequenciada, através de números de sequência em cada mensagem; o segundo controla a transmissão do primeiro tipo, levando o número de sequência dos quadros de resposta; o terceiro prove outras funções adicionais aos enlaces, que não necessitem de uma sequência. - Campo de informação (information): transporta a mensagem de sinalização gerada pela camada 3. - Sequência de verificação de quadro (Frame Check Sequence – FCS): verifica os campos de endereço, de controlo e de informação, a fim de detetar e corrigir erros.

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Camada 1 A camada 1 da interface Abis usa o enlace digital modulado por PCM (Pulse Code Modulation) à 2.048 kbits/s, com uma estrutura de quadros de 32 canais. O intervalo de tempo de cada canal (ITC) é de 64 kbits/s, como mostra a figura.

Figura 31

Interface A A interface A liga a BSC à MSC. Deve permitir a integração de BSCs e MSCs de diferentes fabricantes, sendo uma MSC ligada a várias BSCs. É implementada em um enlace PCM de 2.048 kbits/s. A camada 3 oferece procedimentos adicionais para controlar recursos de RF, que utilizam o nível 4 da Sinalização por Canal Comum Número 7 (SCC#7, ver tópico “Protocolos GSM”). É usado, nesse nível, o subsistema de controlo de ligação de sinalização (Signaling Connection Control Part – SCCP) para transportar mensagens. A camada 2 é baseada nos níveis 2 e 3 da SCC#7 (ver “protocolos GSM”), usando o subsistema de transferência de mensagens (Message Transfer Part - MTP). A camada 1 tem a mesma padronização do nível 1 do MTP. As funções da interface A são: - Gerir os circuitos; - Gerir o BSS, alocando, libertando e controlando os canais de RF; - Gerir a mobilidade, localizando o assinante, executando o handover, etc; - Controlar as chamadas; - Oferecer os serviços suplementares, como chamada em espera, transferência de chamadas, etc.

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O modelo de sinalização da interface A está representado abaixo.

Figura 32

O subsistema de aplicação do sistema de estação base (Base Station System Application Part – BSSAP) é uma aplicação do SCCP usado para transferir mensagens da camada 3 relacionadas a transação de dados. É dividido em duas aplicações, o subsistema de gestão de aplicações do BSS (BSS Management Application Part – BSSMAP) e subsistema de transferência direta de aplicações (Direct Transfer Application Part - DTAP). O BSSAP realiza os seguintes procedimentos: - Mensagem inicial da MS; - Atualização da classe de potência; - Busca da MS; - Desligamento; - Controlo de fluxo; - Indicação de recursos; - Indicação, alocação e execução do handover; - Controlo do modo de criptografia;

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- Bloqueio de circuitos; - Alocação de canais. A aplicação DTAP transfere mensagens direto da MSC para a MS. A BSS, portanto, não interpreta essas mensagens (são ditas transparentes). São mensagens de controlo de chamadas (CC) e gestão de mobilidade (MM). A aplicação BSSMAP transfere mensagens da MSC para a BSS que precisam de interpretação da SS.

Camada 3 O formato das mensagens depende da aplicação que processa a informação, como mostrado na figura mais abaixo.

Formato das mensagens BSSMAP A figura abaixo mostra o formato dessa mensagem.

Figura 33

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- Campo de discriminação (discrimination): Um octeto de valor 0, indicando que as mensagens não são transparentes; - Campo indicador de comprimento (LI): Indica o tamanho do campo elemento de informação (IE), medido em octetos; - Campo elemento de informação (Information Elements – IE): formado por dois campos, onde o primeiro indica o tipo de mensagem (Message Type), e o segundo é a própria mensagem (Message Contents).

Formato das mensagens DTAP Os campos das mensagens DTAP são : - Campo de discriminação (discrimination): Um octeto de valor 1, indica que a mensagem é transparente; - Campo identificador de ligação do enlace de dados (Data Link Connection Identifier – DLCI): um octeto que indica o tipo de ligação de enlace de dados a ser usado na interface de RF. - Campo indicador de comprimento (Lenght Indicator – LI): Um octeto que indica o comprimento do campo elemento de informação (Information Element), medido em octetos; - L3 Message: mensagens de sinalização CM, MM ou SMS (ver “Protocolos da interface aérea”)

Formato das mensagens SCCP O SCCP providencia ligação à aplicação BSSAP, orientada ou não à ligação. No serviço orientado à ligação, em um primeiro momento a ligação é alocada, entre origem e destino (representado por “a” na figura), para que os dados possam ser transmitidos. Logo após a transmissão terminar, é feito o desligamento (“b”). No serviço não orientado à ligação, o pacote leva o endereço completo do destino. O formato das mensagens SCCP está descrito abaixo:

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Figura 34

- Endereço do roteamento do subsistema MTP (MTP routing label): carrega informações necessárias ao roteamento das mensagens pelo subsistema MTP. É formada pelos campos SIO e SIF, que contém informações sobre o serviço e sobre os locais de origem e destino, respetivamente; - Parte fixa obrigatória (Mandatory fixed part): é um campo obrigatório, relacionado a cada tipo de mensagem particular. Constituído por vários parâmetros, cada parâmetro tem um nome, representado por um octeto, e o conteúdo, de comprimento fixo; - Parte variável obrigatória (Mandatory variable part): análogo à parte fixa obrigatória, com a diferença que o conteúdo tem comprimento variável; - Parte opcional (Optional part): indica parâmetros para certos tipos de mensagens. Essa parte é opcional, pois nem todos os tipos de mensagem exigem-na. Consiste no nome do parâmetro opcional, o comprimento dele e o próprio conteúdo do parâmetro; - Campo código do tipo de mensagem (Message type code): um octeto que define a função e o formato década origem.

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Camada 2 Formada pelas camadas 2 e 3 do subsistema MTP. A figura abaixo ilustra a interface A, destacando a camada 2.

Figura 35 - Camada 2 da interface A.

As funções do MTP são divididas em: - MTP nível 1: enlace de dados de sinalização; - MTP nível 2: enlace de sinalização; - MTP nível 3: rede de sinalização.

Através do nível 3 do MTP, a interface A: - Trata as mensagens de sinalização: para uma transferência de mensagens, endereçam a mensagem ao enlace de sinalização; - Gere a rede de sinalização: tendo uma base de dados, preestabelecidos e informações sobre o estado da rede, controla o caminho das mensagens e a configuração da rede. Caso haja mudança no estado da rede, também reconfigura o que for necessário.

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Através do nível 2 do MTP, a interface A: - Delimita as mensagens; - Deteta e corrige erros; - Executa o alinhamento inicial das mensagens; - Supervisiona erros no enlace de sinalização; - Controla o estado do enlace; - Controla o fluxo de informação.

Camada 1 É formada pelo nível 1 do MTP que define as características físicas e funcionais do enlace de dados de sinalização e o meio pelo qual pode-se acedê-lo. A função do nível 1 do MTP é permitir o acesso ao enlace de dados de sinalização. É composto por canais de transmissão, que carregam informações, e blocos de comutação digital, que fazem a interface com o nível 2.

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Protocolos GSM O sistema GSM utiliza a ideia de camadas de protocolos, no qual um processo é tratado por uma sequência de protocolos, cada um em um nível hierárquico. A figura abaixo ilustra os protocolos do modelo de sinalização da rede GSM.

Figura 36

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Sinalização por canal comum número 7 (SCC#7) Com a evolução tecnológica dos sistemas de rede móvel, as redes telefónicas passaram a implementar processamento distribuído, usando as centrais controladas por programa armazenado (CPA), e meios digitais de transmissão. Esse processamento exigiu sinalização de maior eficiência, que pudesse ampliar a comunicação entre os nós e acrescentar novos serviços, como integrar às outras redes, principalmente a Rede Digital de Serviços Integrados (RDSI) e à rede telefônica pública. Surgiu a técnica, então, de se criar um novo canal exclusivo para a sinalização, para executar processos de sinalização em um canal, e de transmissão de voz e dados por outro canal. Esse canal de sinalização é chamado número 7, e é padronizado internacionalmente de forma que: - Otimize operações em redes digitais, suportando aplicações com diversas outras redes (RDSI, redes de bancos de dados, etc); - Satisfaça as necessidades atuais e futuras de transferência de informação ligadas à sinalização de vários processos; - Seja robusto, protegido de distúrbios de transmissão e falhas na rede. Com a criação desse canal, a rede foi dividida em duas redes: - Rede de sinalização, para toda a movimentação de sinalização, necessária para implementar as ligações; - Rede de ligação de circuitos, para transportar dados e voz.

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A figura abaixo esquematiza essas redes:

Figura 37

A fim de se obter um sistema flexível, o sistema de sinalização por canal foi dividido em dois subsistemas: o subsistema de transferência de mensagem (Message Transfer Part – MTP) e o subsistema de utilizadores (User Part – UP).

MTP O MTP tem a função de estabelecer um caminho de comunicação de sinalização que interligasse os diversos subsistemas de utilizadores que necessitam de sinalizações uns dos outros. É, portanto, comum a todos os subsistemas de utilizadores. O MTP é dividida em três níveis: - Nível 1: Camada física, responsável pela padronização das características físicas e funcionais do enlace de dados de sinalização, e o meio para acedê-lo. O meio de transmissão digital tem taxa de transmissão de 64 kbits/s; - Nível 2: Camada de enlace, que garante a integridade do enlace usado na comunicação. Corrige e deteta erros, delimita as mensagens, controla a sequência das mensagens enviadas, entre outros; - Nível 3: Camada de rede, que trata as mensagens de sinalização, encaminhando-as para o destino certo, e gere a rede, garantindo que os caminhos possam ser traçados da origem ao destino.

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UP (nível 4) Define funções específicas para cada tipo de utilizador, como telefonia, dados, RDSI, ou outros. Cada tipo de utilizador tem suas particularidades, tendo que ser tratado por protocolos diferentes ao integrarem-se à rede. Abaixo a figura ilustra os subsistemas de utilizadores. - Subsistema de utilizador para a rede digital de serviços (Integrated Service Digital Network User Part – ISUP): Integra a rede RDSI à rede GSM; - Subsistema de aplicação do sistema de estação base (Base Station System Application Part – BSSAP): liga a BSS à MSC; - Subsistema de aplicação da capacitação de transações (Transaction Cpabilities Application Part – TCAP): oferece serviços não orientados à ligação; - Subsistema de controlo de ligação de sinalização (Signaling Connection Control Part – SCCP): fornece funções adicionais ao MTP para serviços orientados ou não à ligação (veja o tópico “Camada 3 “ da interface A). Protocolo de gestão da estação emissora base (Base Transceiver Station Management – BTSM) Responsável pelo tratamento de mensagens de recursos de rádio (Radio Resources – RR), que podem ser transparentes à BTS.

Procedimentos de acesso a enlaces no canal D (LAPD) O procedimento de acesso a enlaces no canal D (Link Access Procedures on the D-channel – LAPD) é o protocolo usado na camada 2 para transportar mensagens Abis. É usado na rede RDSI. Mais detalhes no tópico “Interface Abis”.

Procedimentos de acesso a enlaces no canal D modificado (LAPDm) O LAPDm (Link Access Procedures on the D-channel modified) é usado para transportar mensagens da interface aérea. É uma variação do LAPD adaptada para transportar sinais de RF pelos canais da interface aérea (Um).

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Conclusão Este documento teve como objetivo dar uma visão geral do sistema GSM. Corre-se o risco de deixar bastantes detalhes relativos ao GSM por explicar, mas o objetivo é que se fique com uma ideia de referência que permita mais tarde explorar alguns dos aspetos aqui abordados. O GSM foi a primeira abordagem para desenvolver um sistema de comunicações pessoais, em que tanto o utilizador como o dispositivo são móveis, garantindo a continuidade das comunicações através do serviço de roaming. A digitalização inerente à codificação GSM permite a integração de novos serviços como o SMS, serviço de fax e de transferência de dados. O GSM é um padrão muito complexo, mas esse é provavelmente o preço que tem de ser pago para alcançar o nível de serviço integrado e de qualidade oferecido enquanto sujeito às bastante severas restrições impostas pelo meio de transmissão das ondas rádio.

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Bibliografia Cervo, L. Amado/ Bervian, A. Pedro. Metodologia Científica. Quinta edição PERKINS, Charles E. Mobile networking in the Internet. Mobile Networks and Applications. Vol. 3, 1998. ANACOM. Procurando hotspots http://www.anacom.pt, 2015.

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