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Manual de GSM
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GLOBAL SYSTEM FOR
MOBILE COMMUNICATIONS A Norma – Descrição da Tecnologia
Nuno Cota
Sistemas de Telecomunicações I
Secção de Sistemas de Telecomunicações
DEEC/ISEL, Outubro 2000
DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA
ELECTRÓ NICA E DAS
COMUNICAÇÕES
Índice
1. Introdução ___________________________________________________1
1.1 Introdução ____________________________________________________1
1.2 Evolução______________________________________________________2
1.3 A Norma GSM _________________________________________________4
1.4 Características do Sistema______________________________________5
2. Canal Rádio __________________________________________________7
2.1 Introdução ____________________________________________________7
2.2 Transmissão Digital ____________________________________________8
2.3 Acesso Múltiplo________________________________________________9
2.4 Problemas da Transmissão ____________________________________10
2.4.1 Atenuação de Percurso ______________________________________________ 11
2.4.2 Desvanecimento ____________________________________________________ 11
2.4.3 Dispersão Temporal _________________________________________________ 14
2.4.4 Alinhamento Temporal _______________________________________________ 15
2.5 Soluções_____________________________________________________15
2.5.1 Codificação de Fala _________________________________________________ 15
2.5.2 Codificação de Canal ________________________________________________ 17
2.5.3 Interleaving ________________________________________________________ 19
2.5.4 Frequency Hopping _________________________________________________ 20
2.5.5 Diversidade de Antenas ______________________________________________ 22
2.5.6 O Equalizador ______________________________________________________ 22
2.5.7 Avanço Temporal ___________________________________________________ 24
Índice
ISEL-DEEC-SST
ii
3. Arquitectura do Sistema______________________________________25
3.1 Introdução ___________________________________________________25
3.2 Mobile Station (MS) ____________________________________________29
3.2.1 Arquitectura ________________________________________________________ 29
3.2.2 Subscriber Identity Module (SIM)_______________________________________ 31
3.2.3 Características da Estação Móvel ______________________________________ 33
3.3 Base Station System (BSS)_____________________________________35
3.3.1 Arquitectura ________________________________________________________ 35
3.3.2 Base Transceiver Station (BTS) _______________________________________ 37
3.3.3 Base Station Controller (BSC) _________________________________________ 40
3.4 Switching System (SS)_________________________________________43
3.4.1 MSC/VLR e GMSC __________________________________________________ 45
3.4.2 Home Location Register (HLR) ________________________________________ 48
3.4.3 Authentication Centre (AuC) __________________________________________ 49
3.4.4 Equipment Identity Register (EIR) ______________________________________ 49
3.5 Interfaces ____________________________________________________50
3.5.1 Interface Abis ______________________________________________________ 50
3.5.2 Interfaces de A a F __________________________________________________ 52
4. Interface Rádio ______________________________________________53
4.1 Introdução ___________________________________________________53
4.2 Serviços _____________________________________________________53
4.3 Espectro Rádio _______________________________________________54
4.4 O Método de Acesso Múltiplo___________________________________55
4.5 Canais Lógicos _______________________________________________58
4.5.1 Canais de Tráfego ___________________________________________________ 58
4.5.2 Canais de Controle___________________________________________________ 59
4.6 Burst ________________________________________________________61
4.7 Organização dos Canais no Tempo______________________________63
4.7.1 Canais Dedicados____________________________________________________ 64
4.7.2 Canais Comuns _____________________________________________________ 68
4.7.3 Restrições __________________________________________________________ 72
4.8 Tramas ______________________________________________________72
5. Numerações e Identificações__________________________________75
5.1 Introdução ___________________________________________________75
Índice
Sistemas de Telecomunicações I
iii
5.2 Identificação dos Assinantes Móveis____________________________75
5.2.1 Composição do IMSI _________________________________________________ 76
5.2.2 Estrutura do TMSI____________________________________________________ 77
5.3 Plano de Numeração para Estações Móveis______________________77
5.3.1 Estrutura do Número ISDN da Estação Móvel (MSISDN) ____________________ 77
5.4 Número de Roaming da Estação Móvel__________________________78
5.5 Identificação das Estações base e Áreas de Localização___________79
5.5.1 Composição da Identificação da Área de Localização_______________________ 79
5.5.2 Identificação Global da Célula __________________________________________ 80
5.5.3 Código de Identificação da Estação Base ________________________________ 80
5.5.4 Identificação da Zona de Assinatura Regional _____________________________ 82
5.5.5 Número de Localização _______________________________________________ 83
5.6 Identificação da Estação Móvel e Versão do Software _____________83
5.6.1 Identificação Internacional do Equipamento da Estação Móvel _______________ 83
6. Sinalização em GSM _________________________________________85
6.1 Introdução ___________________________________________________85
6.2 A Sinalização em GSM_________________________________________85
6.3 Modos de Operação ___________________________________________86
6.4 Medidas de Intensidade de Sinal________________________________88
6.4.1 Modo de Espera ____________________________________________________ 88
6.4.2 Modo Dedicado _____________________________________________________ 88
6.5 Móvel em Modo de Espera _____________________________________92
6.5.1 Selecção de PLMN __________________________________________________ 93
6.6 Selecção e Reselecção de Célula _______________________________96
6.6.1 Critério Rádio ______________________________________________________ 96
6.6.2 Critério de Reselecção _______________________________________________ 97
6.6.3 Algoritmo de Selecção da Célula_______________________________________ 98
6.6.4 Reselecção de Célula________________________________________________ 99
6.6.5 Serviço Limitado ____________________________________________________ 99
6.7 Segurança __________________________________________________100
6.7.1 Triplets ___________________________________________________________ 100
6.8 Actualização de Localização___________________________________102
6.9 Paging______________________________________________________104
6.10 Acesso Aleatório_____________________________________________105
Índice
ISEL-DEEC-SST
iv
6.11 Controle de Acesso __________________________________________105
6.12 Atribuição de Canal Inicial ____________________________________108
6.13 Atribuição do Canal Dedicado _________________________________108
6.14 Handover ___________________________________________________109
6.15 Porquê o Handover? _________________________________________109
6.16 Critérios no Handover ________________________________________110
6.16.1 Procedimentos envolvidos no handover ________________________________ 111
6.16.2 Execução do handover______________________________________________ 113
6.17 Gestão de Chamadas_________________________________________116
6.17.1 Chamada Originada no Móvel ________________________________________ 117
6.17.2 Chamada Terminada no Móvel _______________________________________ 118
Acrónimos____________________________________________________121
Bibliografia ___________________________________________________125
Capítulo
1 Introdução
1.1 Introdução
O crescimento dos sistemas de comunicações móveis é um dos maiores fenómenos
registados nas aplicações de telecomunicações nestes últimos anos. A possibilidade de se
efectuar e receber chamadas a partir de um terminal móvel sem fios, qualquer que seja a
localização, é uma das grandes atracções oferecidas aos consumidores.
A oportunidade de negócio está longe de estar esgotada, pois basta imaginarmos que
cada cidadão, e não cada casa, pode ser um potencial assinante móvel, incluindo as camadas
etárias mais jovens. Não admira pois que o crescimento do mercado das comunicações
móveis tende a superar qualquer um dos outros mercados das telecomunicações. As
comunicações móveis introduziram diversos conceitos nas telecomunicações, por exemplo,
um número de telefone deixou de estar associado a um local, como acontece com a rede fixa,
para estar associado a uma pessoa, qualquer que seja o local onde esta se encontre.
O sistema GSM é pois um exemplo de sucesso, onde a explosão da oferta e da
procura originaram taxas de penetração que não têm equivalência na história das
telecomunicações. Para isso contribuíram diversos factores, dos quais não está alheio o facto
deste sistema ser resultado de uma concertação de esforços entre entidades nacionais,
europeias e os fabricantes, de forma a criar uma norma robusta mas flexível, de acordo com as
necessidades locais, mas com grandes potencialidades.
Este texto pretende apenas servir de auxiliar de estudo aos alunos da disciplina de
Sistemas de Telecomunicações I do curso de Engenharia de Sistemas de Telecomunicações e
da Electrónica do ISEL. O texto foi escrito de forma a focar os pontos considerados principais
da tecnologia GSM em particular, bem como os princípios e características dos sistemas de
comunicações móveis celulares em geral. Pretende-se assim explicar de uma forma clara as
Introdução Capítulo 1
ISEL-DEEC-SST
2
principais características e opções do sistema, consideradas no texto das especificações, das
quais fazem parte mais de 6000 páginas de normas, que nem sempre são de fácil percepção, e
onde não são explicadas as razões de muitas opções tomadas durante o desenvolvimento do
sistema.
1.2 Evolução
A tecnologia das Telecomunicações Móveis não é de alguma forma recente, é um conceito
com cerca de 50 anos. Aparelhos montados em veículos já existem à 40 ou 50 anos, na altura
sistema extremamente dispendiosos e portanto em muito baixo número. Foi a partir dos anos
80 que as telecomunicações móveis começaram a crescer, com a entrada em funcionamento
de diversos sistemas baseados em tecnologias analógicas. Nos anos 90 entraram em
funcionamento as tecnologias digitais, acontecendo então a explosão nesta área que todos
conhecemos.
A capacidade de integração em larga escala alcançada nos anos 70 e o
desenvolvimento dos microprocessadores foi a porta aberta para o crescimento da oferta na
área dos móveis. Apareceram então os sistemas de 1ª Geração, sendo sistemas desenvolvidos
dentro de limites nacionais, ou de fabricantes, estando bastante limitados em termos de
crescimento. O aparecimento das tecnologias celulares foi o ponto de viragem no panorama
das comunicações móveis.
O conceito de células aparece como sendo o de áreas separadas, servidas pelo mesmo
canal rádio. Surge da necessidade de utilização de diversos canais de rádio, assim como da
necessidade de mobilidade do móvel sem perder nunca o sinal rádio, tirando partido da
limitada distância de propagação de ondas de alta frequência. Em vez de aumentar a potencia
de transmissão os sistemas celulares são baseados no conceito de reutilização: a mesma
frequência pode ser reutilizada em diferentes locais, deste que estes estejam a uma distância
mínima entre si. Assim quanto menor for o tamanho das células, maior será o número de
canais que podem ser utilizados simultaneamente na área constituída por diversas células.
Como pode ser observado na Figura 1.1, a área de cobertura das células é
representada de forma hexagonal, o que não corresponde de forma nenhuma à cobertura real
no terreno. A distribuição de frequências pelas diversas células depende do tráfego, mas deve
ter sempre em conta a possível interferência doutra célula com a mesma frequência.
O conceito celular foi introduzido pelos Laboratórios Bell e foi motivo de estudo em
várias partes do mundo durante os anos 70. Nos estados unidos surgiu o primeiro sistema
celular, o AMPS – Advanced Mobile Phone Service, em 1979, sendo depois adoptado pelos
países nórdicos e escandinavos através do sistema NMT – Nordic Mobile Telephone ,
aparecendo depois diversos sistemas deste tipo, representados no Quadro 1.1.
Introdução Capítulo 1
Sistemas de Telecomunicações I
3
f1
f2
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f3
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f1
f2
Figura 1.1 – Topologia Celular.
Norma Frequência Número de Canais Região
AMPS 900 MHz 832 Américas (1)
TACS 900 MHz 1000 Europa
ETACS 900 MHz 1240 Reino Unido
NMT 450 450 MHz 180 Europa
NMT 900 900 MHz 1999 Europa (1)
C-450 450 MHz 573 Alemanha, Portugal
RTMS 450 MHz 200 Itália
Radiocom 2000 450 MHz 256 França
NTT 900 MHz 600 Japão
JTACS/NTACS 900 MHz 400 Japão (1) O sistema AMPS é também utilizado na Austrália. Os sistemas AMPS, TACS e NMT são utilizados em várias partes de africa e do Sudeste asiático
Quadro 1.1 – Sistemas Celulares Analógicos
Em 1982 os países nórdicos, através da PTT – Nordic Post, Telephone and Telegr aph
apresentaram uma proposta à CEPT – Conférence Européene de Postes et
Télécommunications no sentido de se desenvolver um sistema comum europeu de
telecomunicações móveis na banda dos 900 MHz. Como resultado foi criado um grupo
denominado por Group Spécial Mobile (GSM) que teve o primeiro encontro em Dezembro de
1982 onde estiveram, presentes 31 pessoas de 11 países europeus.
Entre 1982 e 1985 as discussões centraram-se no tipo de tecnologia a utilizar: digital
ou analógica. Em 1985 o GSM decidiu desenvolver um sistema digital. Em 1986 diversos
fabricantes participaram num encontro em Paris onde se pretendia decidir o tipo de acesso
rádio. Foi decidido optar pelo TDMA – Time Division Multiple Access. Em 1990, por pedido
do Reino Unido, foi feita uma adaptação das especificações definidas até então, de forma a
permitir uma interface rádio na banda dos 1800 MHz. Esta variante do GSM foi denominada
Introdução Capítulo 1
ISEL-DEEC-SST
4
de DCS 1800 – Digital Communication System at 1800 MHz . Em 1991 começam a ser
fabricados os primeiros equipamentos GSM, iniciando os principais operadores europeus a
actividade comercial em 1992.
1.3 A Norma GSM
As especificações GSM não impõem requisitos em termos de hardware, mas especifica em
pormenor as funcionalidades e interfaces das diversas entidades envolvidas no sistema. Isto
permite que os fabricantes evoluam em termos de hardware, mas que simultaneamente
permite que os utilizadores e operadores adquiram equipamento de diferentes origens. As
recomendações GSM são constituídas por 12 séries, as quais estão listadas no Quadro 1.2. A
norma foi registada sob a sigla GSM, passando a significar “Global System for Mobile
communications”, com o seguinte logotipo:
Série Conteúdo 01 Generalidades 02 Aspectos do Serviço 03 Aspectos da Rede 04 Interface e protocolos MS-BSS 05 Camada física do percurso rádio 06 Especificação da codificação de voz 07 Adaptador terminal para a MS 08 Interface BSS-MSC 09 Interfuncionamento de redes 10 Interfuncionalidade de serviços 11 Especificações de equipamento e de fabrico 12 Operação e Manutenção
Quadro 1.2 – Recomendações GSM.
No fim dos anos 80 a comunidade GSM não conseguiu terminar as especificações para toda a
gama de serviços e potencialidades a que se tinham proposto, por falta de tempo, pois
existiam muitas pressões para que o sistema começasse a ser comercializado. Assim nasceu a
fase 1 da normalização, constituída por um limitado conjunto de serviços e potencialidades. O
objectivo da fase 2 era terminar todas as potencialidades e características que tinham ficado
pendentes na fase anterior , ver Figura 1.2.
A fase 1 das especificações GSM está encerrada para quaisquer modificações ou
melhoramentos. Os resultados da primeira fase de recomendações serviram não apenas de
plataforma para continuar o desenvolvimento do GSM, mas definiram também uma série de
serviços e características do sistema. A terceira fase de normalização, a fase 2+ pretende
cobrir potencialidades relacionadas com os assinantes, tais como múltiplos números
atribuídos ao mesmo assinante, bem como potencialidades ao nível dos negócios.
Introdução Capítulo 1
Sistemas de Telecomunicações I
5
1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Ideia Normalização Implementação/utilização
Fase 1
Fase 2
Fase 2+
Figura 1.2 – As fases das Especificações GSM
1.4 Características do Sistema
A opção por determinadas características do sistema GSM nem sempre foi fácil, tendo de se
pesar diferentes escolhas e analisar as vantagens e desvantagens de cada opção. Depois de
ficar decidido a opção por uma transmissão digital, houve que decidir também o tipo de
acesso rádio e a largura de banda.
ATRIBUTO GSM 900 DCS 1800
Norma ETSI GSM serie 01 a 12
Frequências utilizadas ( MHz) 890 - 915 935 - 960
1710 - 1785 1805 - 1880
Faixa de frequências disponível (MHz) 25 + 25 75 + 75 Modo de acesso TDMA/FDMA Espaçamento dos canais rádio (KHz) 200 Separação entre canais radio de cada sentido (MHz) 45 95 Número de canais rádio por sentido 124 374
Número de canais de voz por canal rádio Débito total – 8 Débito parcial – 16
Tipo de transmissão Digital Débito do canal rádio (Kbit/s) 270 Tipo de codificação RPE-LTP Modulação GMSK Protecção de canal C/I (dB) 9 Protecção do canal adjacente (dB) 60 Roaming Sim Handover Sim Potência máxima do móvel (W) 8 (+39 dBm) 4 Sensibilidade de recepção do móvel (dBm) -102 100 Raio máximo de células (Km) 30 8 Débito útil máximo por canal do voz (bits/s) 9600 Salto de frequência Sim Cartão de assinante Sim Autenticação Sim Codificação no interface rádio Sim Duração da trama (ms) 4,615 Tráfego ≤1 000 E/Km2
Quadro 1.3 – Atributos do sistema GSM 900 / DCS 1800.
O sistema GSM utiliza como tipo de acesso o TDMA – Time Division Multiple Access, no
qual cada portadora é dividida em oito janelas temporais. A estação móvel recebe e envia na
Introdução Capítulo 1
ISEL-DEEC-SST
6
mesma janela temporal, o que significa que cada portadora suporta oito conversas em
simultâneo. As características do sistema podem ser visualizadas no Quadro 1.3.
Ao compararmos as especificações dos dois sistemas, além do número de canais
disponíveis, a grande diferença reside na potência dos móveis. O sistema GSM permite uma
grande diversidade no tipo de equipamento móvel, podendo a potência deste oscilar entre os
20 W e os 0,8 W. O sistema DCS 1800 foi desenvolvido desde o início com especificações
que prevêem apenas a utilização de equipamento de baixa potência. A sensibilidade de
recepção por parte dos móveis é outra das diferenças entre os sistemas, sendo mais baixa no
DCS 1800, o que não é uma desvantagem, pois esta diferença pode ser sempre compensada
pela estação de base, aumentando a potência de transmissão.
Contudo, o DCS 1800 não pode ser considerado um substituto do sistema GSM 900,
mas sim um complemento àquele sistema. É, como atrás foi referido, um sistema dedicado
aos grandes meios urbanos, e áreas bastante edificadas. Pode ser considerado o meio pelo qual
o sistema celular conquistará os utilizadores nos meios de grande densidade de assinantes e no
interior de edifícios
Capítulo
2 Canal Rádio
2.1 Introdução
Nos sistemas de comunicações móveis, utiliza-se equipamento rádio em vez do tradicional fio
para transferir informação entre o telefone e a rede global de comunicações. Esta diferença na
tecnologia não é trivial, acarretando muitos problemas que terão de ser resolvidos de forma a
se conseguir um sistema fiável, e com qualidade.
Qualquer um de nós que já ouviu uma estação de rádio, quer seja em casa ou no
automóvel, deparou-se com uma série de problemas. Por exemplo se passamos por um túnel,
ou se estamos em casa numa cave, a qualidade de recepção modifica-se bastante. Por vezes
mover um pouco o aparelho, ou a antena já é o suficiente para melhorar consideravelmente a
qualidade de recepção. Este problema é causado pelas zonas de sombra, ou pelo
desvanecimento, sendo um dos muitos problemas a combater num sistema móvel.
Outro dos problemas que já enfrentamos, até na recepção de televisão, é a
interferência ou ruído. Isto acontece sempre que o sinal desejado é fraco, em relação a uma
outra fonte de sinal, ou ruído, acontecendo muitas vezes com as estações de rádio, quer pelo
enfraquecimento do sinal desejado, quer pela aproximação excessiva entre portadoras. Um
sinal interferente pode ser descrito como o sinal não desejado que se sobrepõe ao sinal
desejado.
Como já vimos anteriormente, uma das características dos sistemas celulares é a
reutilização de frequências. Esta característica pode resultar no aparecimento de sinais
interferentes em certas zonas, sob certas condições. A forma de evitar este problema é
efectuar um correcto planeamento de frequências. Este assunto será tratado mais adiante.
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
8
Neste capítulo iremos identificar alguns dos maiores problemas que afectam as
comunicações móveis, bem como as soluções encontradas para fazer frente a estes problemas.
Além disto teremos ocasião de estudar os princípios das comunicações digitais.
2.2 Transmissão Digital
A transmissão digital consiste no envio de uma série de símbolos, uns e zeros, de um ponto
para o outro. Para isso é pressuposto que a fonte de informação já seja também ela digital. No
entanto a voz é considerado um sinal analógico, ou seja, é um sinal constituído por uma onda
com uma determinada frequência ou frequências. Por isso há que efectuar uma conversão
entre um sinal analógico e informação digital, a isto é chamada conversão Analógico/Digital
(conversão A/D).
A conversão A/D, Figura 2.1, pode ser conseguida por diversas formas. O método
mais utilizado em telecomunicações para converter sinais de voz em digital é chamado de
PCM – Pulse Code Modulation . Este método envolve principalmente três passos distintos:
• Amostragem;
• Quantificação;
• Codificação.
Conversão A/D
Analógico Digital
Figura 2.1 – Conversão A/D
Os dois primeiros passos mencionados anteriormente foram já objecto de estudo pelos alunos
em disciplinas anteriores sendo a sua descrição dispensável. No entanto o estudo da
codificação, é de alguma forma importante neste âmbito.
Depois de quantificado o sinal, é necessário representar esta quantificação de alguma
forma. Em sistemas digitais esta representação é efectuada utilizando um código binário. De
forma a obter 256 níveis de quantificação são necessários 8 bits de dados. Em GSM são
utilizados 13 bits, obtendo ao todo 8192 níveis de quantificação.
Depois de completo o processo PCM, incluindo uma amostragem a 8 kHz e
codificação a 8 bits, a informação resultará num débito binário de 8000 × 8 = 64 kbit/s. A
ligação digital utilizada para transportar esta informação é chamada de ligação PCM ou PCM
Link. O canal PCM resultante desta ligação terá obviamente uma taxa de transmissão de 64
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
9
kbit/s, sendo o canal mais baixo na hierarquia PCM, em que cada canal transporta a
informação de voz ou dados de um equipamento telefónico básico.
Para se utilizar as ligações mais eficientemente, normalmente opta-se por multiplexar vários
canais PCM na mesma ligação. Para isso é utilizada a técnica TDM-Time Division
Multiplexing que se traduz pela utilização da ligação durante um certo tempo para cada canal
PCM. Obviamente que daqui resultará uma ligação com um débito binário muito superior. A
Figura 2.2 mostra um exemplo de 32 canais multiplexados em uma ligação PCM que é
chamado de sistema PCM de primeira ordem. O bit rate resultante será de 32 × 8 × 8000 =
2048 kbit/s ou 2 Mbit/s.
Amostr. Quant. Codific.64 kbit/sCanal 0
~
Amostr. Quant. Codific.64 kbit/sCanal 1
~
Amostr. Quant. Codific.64 kbit/sCanal 31
~
...
Multiplexer
2048 kbit/s
32 canais
Figura 2.2 – Multiplexagem de 32 canais numa ligação PCM
O resultado da multiplexagem é uma trama com 32 slots em que o slot 0 é utilizado para
sincronização e o slot 16 é utilizado para sinalização, Figura 2.3.
0 1 16 17 3115
Sincronização Sinalização
Canais voz1-15
Canais voz1-15
Figura 2.3 – Trama com PCM 2Mbit/s
2.3 Acesso Múltiplo
O Acesso Múltiplo por Divisão na Frequência – FDMA é utilizado na maior parte dos
sistemas móveis analógicos convencionais. Nestes sistemas, é atribuída uma portadora a cada
canal, tendo o receptor que mudar de frequência quando necessita escutar outro canal. Cada
chamada utiliza uma banda de frequência para transmitir e outra banda para receber, não
podendo mais estas bandas ser utilizadas nessa célula.
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
10
Em GSM utiliza-se o TDMA – Time Division Multiple Access, no qual cada
portadora é dividida em janelas temporais, normalmente chamadas de Time Slots . No caso
particular do GSM existem oito time slots em cada portadora. O conjunto de todos os time
slots de uma portadora é chamado de trama TDMA.
Na Figura 6 podemos observar a diferença entre o TDMA e o FDMA. À primeira vista
podemos pensar que existem oito canais por frequência em TDMA, em vez de um canal no
FDMA, no entanto a realidade não é bem assim. É verdade que poderão existir oito chamadas
em simultâneo em cada frequência, mas temos também de olhar para a largura de banda de
cada canal de frequência. Em alguns dos sistemas FDMA convencionais (Ex. NMT, TACS) a
separação entre cada canal de frequência é de 25 KHz.
Em GSM e DCS a separação entre canais de frequência é de 200 KHz. Isto significa
que do ponto de vista de eficiência de espectro rádio, oito canais em GSM utilizando TDMA
é semelhante à utilização de 8 canais de frequência em FDMA. A grande vantagem da
utilização do TDMA é ao nível do planeamento de frequência, requerendo este sistema um
planeamento especial, mas que é vantajoso em relação ao FDMA.
BTS
0 1 2 3 4 5 6 7
frequência 1
BTS
frequência 1
frequência 2
TDMA FDMA
Figura 2.4 – Diferença entre os sistemas TDMA e FDMA
2.4 Problemas da Transmissão
Desde que o sinal é transmitido pelo equipamento rádio até chegar ao destino, é afectado por
diversos fenómenos, resultando daí numerosos problemas, que deverão se superados para que
a recepção seja efectuada com sucesso. Serão identificados nos seguintes pontos os principais
problemas encontrados na transmissão rádio em comunicações móveis.
2.4.1 Atenuação de Percurso
A atenuação de percurso é responsável pelo enfraquecimento sucessivo do sinal à medida que
o receptor se afasta do emissor, sem existirem quaisquer obstáculos entre os dois pontos. Esta
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
11
atenuação é causada pela dispersão do sinal pelo espaço. Considerando que não existem,
obstáculos entre o emissor e o receptor, a densidade de potência recebida na antena de
recepção é inversamente proporcional ao quadrado da distância d a que se encontra o emissor
e ao quadrado da frequência de trabalho, ou seja:
22 fdLS ∝
( ) ( )KmMHzdBS dfL log20log204,32 ++=
A aproximação anterior só é válida para sistemas móveis em que a distância entre emissor e
receptor é pouca. Existem expressões mais completas para quantificar esta atenuação, que já
têm em conta o facto de não existir um plano de terra ideal, como por exemplo os modelos de
Egli, Okumura ou Hata.
Em comunicações móveis, muito dificilmente se sente este problema, pois antes de
causar estragos na comunicação, a chamada já foi transferida para outra estação base mais
perto.
2.4.2 Desvanecimento
2.4.2.1 Desvanecimento Log -normal
Raras vezes utilizamos o telefone móvel em ambientes abertos, sem quaisquer obstáculos. Na
maioria das situações de utilização de móveis, existem diversos obstáculos entre a estação
base e o móvel, montes, edifícios, árvores, etc, que originam o chamado efeito de sombra,
resultando numa diminuição da potência do sinal recebido. O móvel ao mover-se vai fazer
com que a potência do sinal recebido varie, dependendo do número e do tipo de obstáculos
que existem entre o emissor e o receptor.
Figura 2.5 – Desvanecimento Log-normal
A variação da potência de um sinal é chamada de desvanecimento. Este é um tipo de
desvanecimento. Se o logaritmo da intensidade de sinal medido em diferentes locais, sempre à
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
12
mesma distância da estação base, fosse representado em gráfico, a curva resultante tomaria a
forma de uma distribuição normal em volta de um valor médio. Por isso é chamado a este
fenómeno Desvanecimento Log-normal, também denominado por vezes de Desvanecimento
Lento, pois a ocorrência de mínimos é bastante espaçada (1 a 20 metros), Figura 2.5.
2.4.2.2 Desvanecimento Rápido
Em áreas densamente urbanizadas, com grandes densidades de edifícios, a utilização do
telefone móvel pode enfrentar outro problema, o Desvanecimento Rápido ou de Rayleigh.
Como neste tipo de ambientes não existe normalmente linha de vista entre a estação base e o
móvel, a propagação faz-se por reflexões, difracções e dispersões, denominando-se
normalmente por multipercurso.
O campo total recebido pelo móvel é a soma de todas as ondas incidentes, podendo
daí resultar sinais com diferentes amplitudes, dependendo da fase de cada uma das ondas
incidentes. A profundidade dos mínimos e a sua frequência dependem da posição do móvel,
da sua velocidade e da frequência de emissão. Apenas como aproximação, podemos dizer que
a distância entre dois mínimos do desvanecimento de Rayleigh é cerca de metade do
comprimento de onda. Considerando as frequências de trabalho no caso do GSM 900 e do
DCS 1800, a distância média entre mínimos será respectivamente de 17 cm e 8 cm.
Figura 2.6 – Desvanecimento Rápido ou de Rayleight
Para melhor compreendermos o resultado deste fenómeno podemos observar as seguintes
figuras, onde se ilustra a variação do campo recebido ao longo de 10 metros em cada direcção
numa área bastante edificada. Podemos observar claramente a dependência da frequência
entre as duas figuras.
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
13
10 m
10 m
-20 dB
0 dB
10 m
10 m
-20 dB
0 dB
Figura 2.7 – Campo recebido em função da distância na frequência de 100 e 300 MHz
2.4.2.3 Desvanecimento Total
Nos pontos anteriores vimos ao todo três fenómenos que afectam a propagação, e
consequentemente a potência do sinal recebido. Assim, na globalidade, quando o móvel se
afasta da estação base a potência do sinal irá sofrer uma variação que corresponderá à soma
dos três fenómenos, Figura 2.8. À medida que o receptor se afasta, a potência média do sinal
irá diminuir gradualmente devido à atenuação de percurso, mas simultaneamente o sinal sofre
variações lentas, devido ao desvanecimento log-normal, e variações rápidas, devido ao
desvanecimento provocado pelo multipercurso.
Frequência : 300 MHz
Frequência : 100 MHz
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
14
Atenuação de Percurso
Desvanecimento Rápido
DesvanecimentoLog-Normal
Nívelde
Sinal(dB)
log (distância)
Figura 2.8 – Intensidade de sinal versus distância
2.4.3 Dispersão Temporal
Outro problema com que se deparam as transmissões digitais é a dispersão temporal. Este
problema tem também origens na reflexão de sinais, mas ao contrário dos problemas
existentes com a propagação multipercurso, os objectos que originam a reflexão estão muito
mais afastados do receptor.
A consequência da dispersão temporal é a interferência inter-simbólica, na qual
diferentes símbolos chagam ao receptor sobrepostos, tornando a sua identificação muito
difícil. Na Figura 2.9 é apresentado um exemplo, na qual a estação base envia a sequência
“1” “0”. Se o sinal reflectido chega ao receptor aproximadamente um bit time depois do sinal
directo, irá existir uma sobreposição de símbolos, sendo a diferenciação entre símbolos difícil
de se efectuar. Neste caso o símbolo “1” interfere com o símbolo “0”.
Figura 2.9 – Dispersão Temporal
No GSM 900 e no DCS 1800, a taxa de transmissão através do interface rádio é de 270 Kbit/s,
o que significa que um bit time terá a duração de 3,7 µs, correspondendo a aproximadamente
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
15
1,1 Km. Se existir um obstáculo situado a 1 Km para lá do receptor, significa que o sinal
reflectido terá mais 2 Km de percurso que o sinal directo. Assim, o símbolo reflectido irá
sobrepor-se a outro símbolo transmitido 2 símbolos depois. Este problema é bastante
complicado, tendo contudo uma fácil solução, como iremos observar mais adiante.
2.4.4 Alinhamento Temporal
O facto de um sistema utilizar o acesso múltiplo TDMA significa que cada móvel terá o seu
time slot para emitir, permanecendo inactivo até voltar a aparecer esse mesmo time slot . Caso
contrário, qualquer emissão fora do time slot irá interferir com outras possíveis conversações.
Quando existem grandes disparidades de distâncias entre móveis, por exemplo um
está a 200m e outro a 25 Km, poderão surgir problemas. Imaginemos que o móvel afastado
utiliza o slot 6, enquanto o móvel que está localizado perto da base utiliza o slot 7 . Devido ao
atraso na propagação, a informação ao chegar à estação base, irá sobrepor-se à informação
que o móvel que está perto enviou, tornando-se impossível manter estas duas chamadas. Este
é outro dos problemas que tem solução relativamente fácil.
2.5 Soluções
Nos seguintes pontos iremos analisar algumas das soluções encontradas para os problemas
vistos anteriormente. Estas soluções incluem desde a codificação de voz até à transmissão.
2.5.1 Codificação de Fala
Como vimos anteriormente, a técnica de codificação PCM produz um ritmo de 64 Kbit/s por
cada canal de voz. Ora se juntarmos 8 canais de voz, teremos um débito necessário de 512
Kbit/s, fora os bits necessários para garantir uma protecção da transmissão. Este é um ritmo
incomportável para o interface rádio GSM, pelo que tem que se recorrer a técnicas de
codificação de fala para reduzir bastante o débito binário. Como não se pode enviar a
informação respeitante à fala, teremos de enviar os parâmetros que a constituem. No processo
de codificação adoptado no GSM é feita primeiro uma conversão A/D a 13 bits, sendo
posteriormente o resultado dividido em blocos de 20 ms.
Como sabemos como é criada a fala, desde o diafragma passando pelos pulmões até à
zona vocal, onde se incluem as cordas vocais e a língua, podemos criar um modelo
paramétrico da fala, Figura 2.10.
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
16
Sequência de excitação
"Filtro"
Fala
Figura 2.10 – Processo de fala humano
A fala é constituída por sons vozeados e não vozeados. Sons vozeados são aqueles produzidos
pela vibração das cordas vocais, as vogais por exemplo. Nos sons não vozeados não existe
vibração das cordas vocais, as consoantes. Os sons vozeados podem ser reproduzidos
aplicando um filtro com as características das cordas vocais a uma sequência de pulsos,
enquanto nos sons não vozeados a excitação pode ser feita por um gerador de ruídos. Como as
características da fala não variam muito rapidamente, os parâmetros do filtro podem
considerar-se aproximadamente constantes durante 20 ms.
O que se pretende do lado do emissor é criar um modelo do filtro H que deverá ter
características inversas semelhantes ao do filtro utilizado para criar a fala, como se pode ver
na Figura 2.11. Estes parâmetros são calculados adaptativamente de forma a termos à saída
do filtro H um sinal que deverá aproximar-se tanto quanto possível de ruído branco com
características gaussianas. Simultaneamente é calculada a frequência das cordas vocais.
H (= 1/"Filtro")
1/H
Voz
"Voz"
Sequência deexcitação
Parâmetros dofiltro
Figura 2.11 – O modelo de transmissão da voz
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
17
Finalmente o que se irá transmitir é a informação respeitante aos parâmetros do filtro H e as
características da sequência de excitação presente à saída do filtro H. Consegue-se assim uma
boa qualidade de voz com um baixo débito binário. O codificador de voz utilizado no GSM
tem um débito binário de 13 Kbit/s.
2.5.2 Codificação de Canal
Em comunicações digitais, a qualidade de recepção é geralmente expressa em função da
quantidade de bits correctos do total recebido. A esta definição é chamada normalmente de
BER – Bit Error Rate. O BER define a percentagem de bits do total recebido que foram
detectados como errados. Esta percentagem deve ser tão pequena quanto possível, sendo
infelizmente impossível manter-se zero, principalmente devido ao ambiente em que se
encontra inserida a comunicação e devido a este estar constantemente a alterar-se. Isto
significa que deve ser permitido existir uma determinada taxa de erros e ao mesmo tempo
existir possibilidade de corrigi-los, ou pelo menos detectar de forma a que os bits errados não
sejam interpretados como informação correcta. Isto é ainda mais importante quando se trata
de transmissão de dados, sendo na transmissão de voz a taxa de erros aceitável mais elevada.
Para permitir a detecção e correcção de erros ocorridos na transmissão é utilizada
normalmente uma Codificação de Canal. A codificação de canal fará com que os bits de
informação sejam distribuídos por mais bits do que existiam à partida, resultando daí alguma
redundância. Passam a ser necessários mais bits, mas a segurança com que se transmite esta
informação aumenta substancialmente. Os códigos de correcção de erros podem dividir-se em
duas categorias:
− Códigos de bloco;
− Códigos convolucionais.
Na codificação de bloco, um número de bits de verificação é adicionado aos bits de
informação. Os bits de verificação são dependentes dos bits de informação enviados no bloco
de mensagem.
Codificador de BlocoBloco Mensagem Bloco Codificado
Info Info Check
Figura 2.12 – Codificação de Bloco
Na codificação convolucional, o bloco de bits gerados pelo codificador é dependente dos bits
do bloco corrente, bem como dos blocos anteriores, funcionando o codificador como uma
máquina de estados. No codificador utilizado em GSM por cada bit nma entrada resultam dois
na saída, pelo que a taxa é de 1:2.
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
18
Codificador ConvolucionalBloco Mensagem Sequência de saída
Info Info informaçãocodificada
Figura 2.13 – Codificação Convolucional
Os códigos de bloco são normalmente utilizada em sistemas que utilizam sinalização
orientada ao bloco e que permitem efectuar repetição de transmissão. É um código
normalmente orientado para a detecção de erros. Os códigos convolucionais estão
normalmente associados à correcção de erros, e é utilizado normalmente onde não é possível
a retransmissão de informação, devido ao atraso que esta iria provocar.
Na norma GSM é considerada tanto a codificação de bloco como a codificação
convolucional. Primeiro alguns dos bits de informação são codificados em bloco, resultando
num bloco de informação e outro de paridade. Em seguida estes bits e outros de informação
sofrem uma codificação convolucional. O objectivo do processo é tentar corrigir os erros na
recepção através da codificação convolucional. Caso se continue a detectar erros com o
código de bloco, esta informação é desprezada.
50 bits muito importantes Codificador deBloco
132 bits importantes
CodificadorConvolucional
78 bits menos importantes
456bits
Figura 2.14 – Codificação de canal
Antes de continuarmos na descrição do processo de codificação, convém lembrar que a
informação respeitante à fala é dividida em segmentos de 20 ms. Estes segmentos são então
digitalizados e sujeitos à codificação de fala. O codificador de fala debita 260 bits por cada
segmento de 20 ms de fala, sendo estes 260 bits divididos em:
− 50 bits muito importantes
− 132 bits importantes e
− 78 bits menos importantes
Aos primeiros 50 bits são adicionados 3 bits de paridade ( codificação de bloco). Estes 53 bits
mais os 132 bits importantes e 4 bits tail são codificados convolucionalmente resultando em
378 bits (1:2). Os restantes 78 bits não são protegidos.
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
19
2.5.3 Interleaving
Infelizmente os erros ocorrem com mais frequência do que o desejado. Podem ser causados
pelo desvanecimento, afectando vários bits consecutivos, o que traz problemas, pois a
codificação de canal consegue detectar ou corrigir apenas poucos bits errados numa
mensagem. Para isso é utilizada a técnica do interleaving.
O interleaving tem como objectivo efectuar a descorrelação nas posições relativas dos
bits nas palavras de código e nos bursts já modulados. Podemos dividir as razões da utilização
deste sistemas em dois pontos. O primeiro tem haver com o facto de os erros tenderem a
ocorrer mais consecutivamente do que unicamente. Isto é verdade no interior de um burst e
resulta quer dos erros estatísticos na transmissão rádio, quer da interferência entre símbolos
introduzida pela modulação. O segundo ponto acontece por ser mais dificil efectuar códigos
eficientes quando alguns bits adjacentes estão errados, o que significa que uma melhor
performance pode ser conseguida quando os erros são aleatórios.
A técnica de interleaving consiste em separar b bits duma palavra de código em n
bursts de forma a alterar as relações de proximidade entre bits. Quanto maior for o valor de n,
melhor é a performance da transmissão. Por outro lado quanto maior for o valor de n, mais
longo será o atraso na transmissão. Este compromisso deve ser considerado, e depende da
utilização do canal.
Numa transmissão normal em GSM o processo passa-se do seguinte modo: Os blocos
de voz em débito total são intercalados em 8 blocos, ou seja, os 456 bits de um bloco são
separados em 8 grupos de 57 bits, Figura 2.15.
8 blocos
1917|||||||
449
210||||||||
450
311||||||||
451
412||||||||
452
513||||||||
453
614||||||||
454
715||||||||
455
57bits
816||||||||
456
Figura 2.15 – Interleaving de um segmento de 20 ms de voz
Cada burst de dados no interface rádio GSM tem capacidade para 114 bits de informação,
portanto dois blocos de 57 bits. No entanto, em caso de perca do burst , perdemos 25 % de um
bloco de voz, um valor demasiado elevado para que o codificador de canal consiga recuperar.
A solução é enviar no mesmo burst contribuições de dois blocos de voz distintos, baixando a
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
20
percentagem de perca para 12,5%, um valor já razoável, apesar de aumentarmos o atraso total
para transmitir um bloco de voz. Com esta solução, utilizamos dois níveis de interleaving na
transmissão. Na seguinte figura, podemos observar como são transmitidos quatro segmentos
de 20 ms de voz.
AA
AB A
B AB AB A
C BC BC B
C BD CD C
D C
20 ms voz456 bits
20 ms voz456 bits
20 ms voz456 bits
20 ms voz456 bits
A B DC
Figura 2.16 – Transmissão de Blocos de Informação
2.5.4 Frequency Hopping
Esta técnica pode ser designada em português por salto de frequências, sendo no entanto uma
nomenclatura pouco utilizada, pelo que utilizaremos a nomenclatura anglo-saxónica. A
técnica de frequency hopping consiste na alteração da frequência utilizada por um canal em
intervalos regulares. Esta técnica está dividida em dois tipos, a Fast Frequency Hopping
(rápida) e a Slow Frequency Hopping (lenta). O interface rádio do sistema GSM utiliza Slow
Frequency Hopping, pois a frequência mantêm-se a mesmo ao longo da transmissão de todo o
burst . Na Figura 2.17 podemos observar um exemplo dum diagrama tempo-frequência para
um canal de frequency hopping. A técnica foi adoptada por este sistema, devido a duas razões,
a diversidade de frequências e a diversidade de interferências.
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
21
Tempo
Frequência
Figura 2.17 - Slow Frequency Hopping no domínio do tempo-frequência
A primeira da razões é a diversidade de frequências (frequency diversity). Na cadeia de
transmissão são introduzidos códigos de correcção de erros, baseados em redundância: os
dados são processados em redundância, de tal forma que os dados originais possam ser
reconstruídos, mesmo com um certo número de erros. Esta redundância é espalhada sobre
vários bursts . A slow frequency hopping garante por isso que a informação é enviada em
várias frequências, aperfeiçoando assim a performance de transmissão. Quando o móvel
move-se a grande velocidade, a diferença entre as suas posições durante a recepção de dois
bursts sucessivos do mesmo canal é suficiente para descorrelacionar as variações do fading de
Rayleigh no sinal. Neste caso, a técnica do slow frequency hopping não traz grande melhorias,
mas também não prejudica a transmissão. No entanto, quando o móvel está estacionário ou
move-se a pouca velocidade, a técnica permite que a transmissão chegue a um nível de
performance de altas velocidades. O ganho foi avaliado para ser por volta dos 6,5 dB. Esta
vantagem é de grande importância num sistema como o DCS 1800, onde a se utiliza quase
exclusivamente portáteis.
A segunda vantagem é a diversidade de interferências (interference diversity), uma
propriedade associada ao CDMA (Code Division Multiple Access). Em zonas de grande
tráfico a capacidade de um sistema celular é limitado pelas sua próprias interferências
causadas pela reutilização de frequências . A razão de interferência relativa (C/I) pode variar
bastante entre chamadas. O nível da portadora (C) altera-se com a posição do móvel
relativamente à BTS, com uma quantidade de obstáculos entre eles, distância, etc.. O nível de
interferência (I) altera-se dependendo se a frequência está sendo utilizada por outra chamada
em alguma célula perto, e também varia de acordo com a distância em relação à origem da
interferência, o seu nível, etc.
Como o objectivo do sistema é normalmente satisfazer o maior número possível de
utilizadores, a sua capacidade é calculada com base numa dada proporção de chamadas
sujeitas a um decréscimo da qualidade devido a interferências. Se considerar-mos um sistema
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
22
onde o nível de interferência perceptível pela chamada significa o nível de interferência
causado por muitas outras chamadas, então, quanto maior for esse número de interferências,
melhor é o sistema. É assim que opera a diversidade de interferências.
2.5.5 Diversidade de Antenas
No ponto anterior, vimos uma forma de conseguir alguma diversidade de frequência, de
forma a aumentarmos a probalidade de recepção de um burst . Outra forma de conseguir
diversidade consiste na utilização de dois canais de recepção, incluindo as antenas. As antenas
são colocadas a uma distância de forma a serem independentemente influenciadas pelo
desvanecimento de Rayleight e a que a probalidade de ambas serem afectadas por um mínimo
simultaneamente ser baixa.
Escolhendo a cada instante o melhor dos dois sinais recebidos, o impacto do
desvanecimento pode ser reduzido bastante. A distância entre as antenas deve ser escolhida
de forma a que a correlação entre os dois sinais seja mínima. A 900 MHz podemos conseguir
um ganho de 3 dB com uma distância de cinco a seis metros entre antenas. Para 1800 MHz
obviamente esta distância diminuirá substancialmente.
1 2 21
tempo
Pot.Sinal
Figura 2.18 – Diversidade de Antenas
2.5.6 O Equalizador
Como já foi referido anteriormente, as reflexões com origem em objectos a alguma distância
do receptor causa Interferência Inter Simbólica. Os bits são espalhados pelo tempo,
sobrepondo-se uns aos outros, sendo difícil para o receptor perceber qual o símbolo correcto.
Este fenómeno acontece não só nas comunicações móveis, e não só em comunicações, mas
sim em todo o tipo de telecomunicações. Sejam fibras ópticas, cabos coaxiais, feixes
hertzianos ou qualquer outro tipo de canal este problema existirá sempre que não exista
adaptação e conhecimento do canal por parte do receptor. Para que a recepção seja correcta
terá de existir um modelo do canal, adaptando-se então os filtros e todo o receptor a este
canal. Em comunicações móveis isto ainda é mais difícil acontecer, pois as características do
canal alteram-se constantemente.
Canal Rádio Capítulo 2
Sistemas de Telecomunicações I
23
A solução adoptada é o equalizador de Viterbi, que cria um modelo matemático do canal de
comunicação que é neste caso o interface rádio, Figura 2.19. Em GSM os dados são
transmitidos em bursts colocados numa janela temporal de aproximadamente 577 µs. No
meio de cada burst é incluída uma sequência de bits, com um padrão conhecido, denominada
por sequência de treino. Comparando a sequência conhecida num correlador com a sequência
de treino recebida é possível ao equalizador criar um modelo do canal. O canal é considerado
constante durante a transmissão de um burst .
Criado o modelo do canal, há que “passar” um burst por este modelo. Deste burst já
sabemos qual a sequência de treino, pelo que necessitamos descobrir quais os dados
transmitidos. Depois de comparada a saída do modelo com o burst recebido, é calculada uma
possível sequência de dados para minimizar esta diferença. Esta sequência volta a ser
introduzida no modelo para verificação. O processo é repetido até que a diferença seja
mínima. Obviamente que seria irrealistico experimentar todos os padrões possíveis para os
dados. Assim o complexo algoritmo de Viterbi permite rapidamente efectuar uma escolha do
padrão a experimentar.
Dados DadosS'
Modelodo Canal
Correlador
? ?S
diferença
Escolher"? "
de forma aminimizardiferença
Viterbi
Figura 2.19 – Equalizador Viterbi
As especificações GSM consideram um equalizador que deverá ser capaz de lidar com sinais
reflectidos atrasados até quatro bit times, correspondendo a cerca de 15 µs ou uma diferença
de percurso entre o sinal reflectido e o directo de 4,5 Km. Além disso o sinal reflectido é
também afectado pelo desvanecimento rápido. Contudo o desvanecimento deste sinal é
independente do sinal chegado directamente, podendo este facto ser utilizado pelo equalizador
para melhorar o desempenho. Desde que o sinal reflectido não chegue atrasado mais do que
15 µs, todos os raios recebidos aumentam a energia total e melhoram a qualidade de recepção.
2.5.7 Avanço Temporal
O método de multiplexagem por divisão no tempo utilizado no percurso rádio do GSM obriga
a que a BTS tem que receber os sinais chegados de diferentes estações móveis muito perto uns
Canal Rádio Capítulo 2
ISEL-DEEC-SST
24
dos outros. De forma a alcançar este objectivo, ultrapassar o atraso na propagação desde a
BTS até ao móvel, e tendo em conta que os tempos de guarda entre bursts escolhidos são
muito pequenos por causa da eficiência do espectro, é necessário um mecanismo para
compensar este atraso de propagação. Para permitir isto, a estação móvel adianta o momento
da transmissão relativamente à sua escala básica, a qual é devida à recepção dos bursts, um
tempo indicado pela infra-estrutura, o avanço temporal.
O avanço temporal pode tomar valores de 0 a 233 µs, o qual é suficiente para cobrir
distâncias até um máximo de 35 Km sem qualquer outro sistema especial, e considerando a
velocidade da luz. Este limite vem de considerações relacionadas com a codificação (o avanço
temporal é codificado em 64 bits, com um bit período como unidade, daí 233 µs), mas
existem outras limitações importantes.
Capítulo
3 Arquitectura do
Sistema
3.1 Introdução
A arquitectura do sistema, foi desenhada de forma a minimizar a complexidade das estações
base de transmissão, para em caso de alterações topológicas, como a criação ou sectorização
de células, o custo seja o menor possível. Outro conceito importante em conta no desenho, foi
a gestão e manutenção centralizada da rede bem como a interligação a outras redes,
particularmente à rede fixa. Esta arquitectura pode ser observada na Figura 3.1.
MobileStation
Mobileservice
SwitchingCentre
PSTNand
ISDN
OutraMSC/VLR
Data CommunicationNetwork
OMC
BaseTransceiver
Station
BaseStation
Controler
BSS
SS7
tráfego+ SS7
SS7
tráfego+ SS7
Air Interface A Interface
A bisInterface
X.25 HomeLocationRegister
VisitorLocationRegister
Figura 3.1 - Arquitectura de um sistema Celular
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
26
No extremo do sistema temos a estação móvel ou MS (Mobile Station), que para além da
parte de rádio e funções de processamento para acesso à rede através do interface rádio, deve
incorporar o interface para com o homem (microfone, auscultador, visor, teclado, ...) e ou o
interface para interligação com equipamento terminal (computador pessoal ou fax). Outro
aspecto significativo da arquitectura da estação móvel, é o módulo do assinante, onde está
envolvido mais que uma simples identificação. O SIM (Subscriber Identity Module) é
essencialmente um cartão inteligente contendo toda o informação relativa ao assinante e
alguma informação do sistema.
Responsável pelo estabelecimento da ligação entre a estação móvel e o NSS
(Networking Switching System), o subsistema estação de base, ou BSS (Base Station Sub-
sistem), agrupa as infra-estruturas de máquinas que são específicas aos aspectos rádio
celulares. O BSS encontra-se em contacto directo com as estações base, através do interface
rádio, incluindo portanto o equipamento responsável pela transmissão e recepção do percurso
rádio e sua gestão. Necessitando de controle, o BSS encontra-se também em contacto com o
OMC (Operation and Maintenance Centre) através duma rede de comunicação de dados a
funcionar sobre X.25. Os equipamentos abrangidos por este subsistema são:
• BTS - Base Transceiver Station. A BTS compreende os dispositivos de
transmissão e recepção de rádio, incluindo as antenas, bem como o processamento de
sinal específico do interface rádio.
• BSC - Base Station Controller. O BSC é responsável por toda a gestão do interface
rádio, através do comando remoto da BTS e da MS, e principalmente da atribuição de
canais de rádio bem como o controle de handover. Está ligada por um lado ao SS, e
por outro a várias BTS’s .
Outro subsistema é o SS (Switching System), que inclui as principais funções de comutação
do DCS, bem como as bases de dadas necessárias para os assinantes e para a gestão da
mobilidade.
Dentro do subsistema NSS, as funções de comutação básicas são executadas pelo
MSC (Mobile Switching Centre), que tem como principal papel o da coordenação e
estabelecimento de chamadas de e para os assinantes do sistema. O MSC tem ligações com os
BSS’s, com as redes externas, com o OMC e com as bases de dados.
Três importantes bases de dados do sistema armazenam informação sobre os
assinantes e equipamento. O HLR (Home Location Register), guarda a informação sobre
níveis de assinaturas, serviços suplementares e a posição actual, ou mais recente, dos
assinantes da própria rede. Associada a cada MSC existe um VLR (Visitors Location
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
27
Register), que conserva informação sobre níveis de assinantes, serviços suplementares e a
posição actual dos assinantes “visitantes” dessa área. Outra base de dados é o AuC
(Authentication Center), que contêm toda a informação adequada para evitar as intromissões
no interface rádio e a utilização indevida do equipamento.
Quanto ao sistema de operação e gestão OSS (Operation and Suport System), este
desempenha diversas tarefas, requerendo todas interacção com as infra-estruturas, tal como
com a BSS ou o NSS. As principais funções do OSS são:
• Operação e manutenção das máquinas da rede. Responsável por este
serviço está uma máquina a que se dá o nome de OMC (Operation and
Maintenance Centre), e que é considerada a interface entre o homem e a
rede, permitindo a este efectuar operações de manutenção, assim como fazer
a gestão de todas as máquinas do sistema.
• Gestão das assinaturas, taxação e contabilização. Normalmente é uma
máquina independente que se ocupa destas tarefas. Com ligação ao HLR para
consulta e actualização de dados referentes aos assinantes, assim como
também para taxação. Este aspecto, de taxação e contabilização, é um assunto
para o qual não existem especificações dedicadas nas recomendações do
sistema, sendo assim um processo livre. No entanto tem-se verificado uma
convergência de princípios aplicados para uma mais fácil interligação de
redes e uniformização neste aspecto a nível internacional.
• Gestão do equipamento móvel. Parte desta tarefa é realizada na operação
de rede pelas máquinas da infra-estrutura. Contudo, existe uma máquina,
identificada como sendo EIR (Equipment Identity Register), responsável
pelo armazenamento dos dados relativos ao equipamento móvel. Um
exemplo da necessidade da gestão do equipamento móvel é o de procurar
MS’s roubadas ou com funcionamento estranho.
Na Figura 3.2 podemos observar um exemplo de um sistema móvel, onde são
apresentadas as diversas entidades envolvidas no sistema, bem como as ligações entre elas.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
28
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BS
CB
TSB
TSB
SC
BTS
BTS
BS
C
BS
CB
SC
BS
C
BTS
MS
C
HLR
AuC
EIR
VLR
OM
C
MS
CV
LRM
SC
VLR
AuC
HLR
OM
C
EIR
VLR
MS
C
HLR
EIR
AuC
OM
C
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Sw
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MS
MS
MS
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EIR
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hent
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ter
= Tr
áfeg
o e
Sin
aliz
ação
= S
inal
izaç
ão N
º 7
= Li
gaçã
o X
.25
Figura 3.2 – Exemplo de Arquitectura de um sistema móvel
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
29
3.2 Mobile Station (MS)
O desenvolvimento das Estações Móveis para GSM e consequentemente para DCS tem-se
traduzido num verdadeiro desafio para a indústria das comunicações, tendo estas que
compatibilizar a crescente exigência de capacidade de processamento, com o, cada vez
menor, tamanho e custo dos móveis. O meio para este desenvolvimento tem sido conseguido
pela convergência das normas envolventes e da tecnologia.
Diferentes tipos de estações móveis têm diferentes potências de emissão e diferentes
alcances. Um móvel portátil tem uma potência de emissão mais baixa, e consequentemente
menos raio de acção, do que um móvel instalado num veículo. Existem cinco classes de
potência de emissão de móveis, de acordo com a norma GSM. Estas classes são apresentadas
no seguinte quadro:
Máxima Potência de Emissão Classe
GSM 900 DCS 1800 1 Indefinida 1 Watt 2 8 Watts 0,25 Watts 3 5 Watts 4 Watts 4 2 Watts Indefinido 5 0,8 Watts Indefinido
Quadro 3.1 – Classes de Potência de Emissão.
3.2.1 Arquitectura
Servindo simultaneamente de terminal ao utilizador e estabelecimento de ligação via rádio
com o sistema, a MS constitui um exemplo da combinação das técnicas de informação e
electrónica. Para o desenvolvimento dos terminais GSM houve que ter em conta também as
características de radiação da antena tal como a compatibilidade electromagnética em relação
ao funcionamento simultâneo com outros sistemas. Estes conceitos obrigaram à utilização do
mais moderno que há em integração de circuitos electrónicos e processamento digital de
sinais, combinados com a cada vez mais optimizada utilização dos processadores. Conceito
não menos importante é a alimentação, tal como baterias ou cargas, que embora tenham
conhecido uma evolução nos últimos tempos, esta não tem acompanhado a evolução do
restante sistema.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
30
Módulo banda-baseASIC4 ASIC5 ASIC6 ASIC7
Chanelcoder ADCDCS
vocoder
Demodulator
Módulo RádioASIC3GMSK
modulator
ASIC2ASIC1Up
converterPower
Amplifier
Downconverter
Filtering
Antenna
MicroprocessorROMRAMASIC8Synthesizer
battery
interfacefunctions
display
subscriberidentitymodule
keypad
buzzer
Módulo Sintetizador Módulo de Control
Ear
piec
eM
icro
phon
e
Figura 3.3 - Diagrama de blocos de uma MS
A arquitectura das MS’s para GSM tem como base sempre os Processadores Digitais de
Sinal, o seu desenvolvimento guiou-se pelos três critérios essenciais de optimização, sendo
estes:
Custos de fabrico
Autonomia
Dimensões e peso do equipamento
O diagrama de blocos apresentado na Figura 3.3, representa apenas um exemplo da
arquitectura da MS. Assim, a MS incorporará sempre três subsistemas principais:
Subsistema Rádio. Este subsistema tem como funções a filtragem e amplificação
do sinal captado pela antena, na recepção, e a geração, modulação e amplificação
do sinal a ser transmitido, na transmissão.
Subsistema Processador de Sinal Banda -base. Este subsistema engloba toda a
interface acústica (microfone, auscultador e altifalante), o processamento digital
do sinal ( codificação da voz, codificação/descodificação do canal) e a
desmodulação do sinal recebido.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
31
Subsistema de Controle. Este módulo é responsável pelo controle dos subsistemas
anteriores, rádio e processador de sinal banda-base, e pela gestão das interfaces
externas, tendo portanto o controle de todo o terminal.
3.2.2 Subscriber Identity Module (SIM)
O Subscriber Identity Module – SIM é considerado por vezes uma entidade integrante do
Sistema Móvel. Com excepção das chamadas de emergência, o móvel só pode operar quando
estiver presente um SIM válido. O móvel deve conter funções de segurança que permitam
efectuar a autenticação do assinante, ou seja, uma chave secreta de autenticação e um
algoritmo de encriptação. O SIM guarda três tipos de dados:
− Dados fixos, gravados antes de ser efectuada a assinatura. Por exemplo, a chave
de autenticação do assinante (Ki) e algoritmos de segurança.
− Dados temporários da rede. Por exemplo, o código de identificação da área de
localização, o TMSI e as redes onde o acesso é negado.
− Dados relacionados com o serviço. Por exemplo, o idioma por defeito e
informações relacionadas com custos de chamadas e serviços.
O módulo SIM é suportado por um cartão que deve ser colocado no móvel. Este cartão segue
as normas ISO para o efeito. Existem dois tipos de cartões fisicamente diferentes. O tipo ID-1
que é do tamanho de um cartão de crédito comum e o tipo Plug-in que é normalmente retirado
do cartão anterior, sendo muito mais pequeno do que o do tipo ID-1 e é colocado dentro do
móvel, conforme mostra a Figura 3.4. Os interfaces lógico e físico com os dois tipos de
carões são idênticos em ambos os tipos de cartões.
SIM
Figura 3.4 – Cartão SIM tipo ID-1 e Plug-in
GLOBAL SYSTEM FOR
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
32
A norma GSM define uma série de aspectos relacionados com segurança que devem ser
suportados pelo SIM. Estes aspectos são:
− Algoritmo de autenticação A3;
− Chave de autenticação do assinante Ki;
− Algoritmo para gerar a chave de encriptação A8;
− Chave de encriptação Kc;
− Controle de acesso aos dados armazenados e funções executadas no SIM;
Como já foi referido anteriormente o SIM contêm uma série de dados necessários para o
correcto funcionamento do móvel. Esta informação pode ser relacionada com o assinante
móvel, com serviços GSM e relacionada com a PLMN. Os requisitos para o armazenamento
de informação são divididos em dois tipos, de acordo com a norma GSM, obrigatório e
opcional.
Os dados que a norma impõe que sejam guardados no SIM são:
− Informação administrativa: descreve o modo de operação do SIM;
− Identificação do CI do cartão: identificação única de cada SIM e do seu
emissor;
− Tabela de serviços do SIM: Indica quais os serviços opcionais
implementados no SIM;
− Identificação Internacional do Assinante móvel (IMSI);
− Informação de localização: inclui a identificação temporária do
assinante (TMSI), a informação da área de localização, o valor corrente
da periodicidade de actualização periódica de localização e o estado da
actualização de localização;
− Número de sequência da chave de encriptação e a própria chave de
encriptação(Kc);
− Informação relativa aos canais BCCH: lis ta de portadoras de
frequências utilizadas na selecção de célula;
− Classe(s) de controle de acesso;
− PLMN’s esquecidas;
− Período de procura da HPLMN;
− Idioma preferido do assinante;
A informação relacionada com a localização, a chave de encriptação e o número de sequência
da chave de encriptação devem ser sempre actualizadas após terminar a chamada e quando o
móvel é correctamente desactivado.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
33
Além da informação anterior o SIM deve também guardar a seguinte informação relacionada
com os aspectos de segurança:
− Número de Identificação Pessoal (PIN);
− Indicador se PIN activo ou desactivo;
− Contador de erros de introdução do PIN;
− A chave para desbloquear o PIN (PUK);
− Contador de erros de PUK;
− Chave de autenticação do assinante, Ki;
Todos os dados relacionados com o assinante, tais como o PIN e o PUK, que tenham sido
transferidos para o móvel durante a operação devem ser removidos após o SIM ter sido
retirado ou o móvel ter sido desactivado.
3.2.3 Características da Estação Móvel
As características ou capacidades do equipamento móvel fazem parte do sistema GSM, pois
permite tirar partido ou não das capacidades do sistema. Existem três tipos de características:
básicas, suplementares e adicionais.
As capacidades ou características básicas estão directamente relacionadas com a
operação dos serviços básicos de telecomunicações. As capacidades básicas podem ser
obrigatória (M) ou opcionalmente (O) implementadas.
• Afixação do número chamado (M) . Esta característica permite ao assinante
verificar o número antes de efectuar a chama da;
• Indicação de progresso na chamada (M). Permite ao utilizador aperceber -se
se a chamada está em progresso. Esta indicação pode ser feita por intermédio de
sons, música, mensagens ou indicação visual com base na sinalização trocado
com o sistema;
• Indicação do País/PLMN (M). A indicação de qual a rede e país em que o
móvel está registado. Esta informação é útil para que o utilizador se aperceba de
quando está em roaming, e se a rede escolhida está correcta;
• Selecção de País/PLMN (M). Quando existe mais do que uma rede disponível
numa determinada área, deve ser permitido ao utilizador efectuar a escolha da
rede de serviço.
• Teclado (O). O meio físico pelo qual o utilizador deve introduzir o número
pretendido, bem como controlar o móvel. Este meio não é obrig atório que seja
um teclado, pode ser por intermédio de voz, de um DTE ou outro equipamento ;
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
34
• IMEI (M). Cada MS deve ter uma identificação única, a qual deve ser enviada
para a PLMN sempre que solicitado. Esta identificação é criada pelo fabricante ;
• Indicação e reconhecimento de Mensagens Curtas (M). Esta característica
permite a entrega de mensagens curtas à MS pela rede. Podem também ser
obtidas mais informações respeitantes à mensagem, tal como hora de chegada,
emissor, etc.
• Indicação de overflow de Mensagens Curtas (M). Indicação dada ao utilizador
de que não possível receber mais mensagens, pois a memória destinada ao efeito
está completa.
• Interface com DTE/DCE (O). O móvel pode dispor de uma ligação standard
para interligação de um DTE.
• Interface com ISD N (O). O móvel pode dispor de uma ligação standard para
interligação à RDIS.
• Função de Acesso Internacional (O). A MS pode ter uma tecla cuja função
primária ou secundária está marcada com “+” e permite enviar sinalização para
o sistema gerando um código d e acesso internacional no sistema. Esta função
pode ser útil pois o código de acesso internacional não está normalizado. Em
Portugal este código é “00”, mas pode diferir noutros países.
• Indicador de Serviço (M). Terá de ser disponibilizada ao utilizador i nformação
indicando se é possível efectuar uma chamada, tanto por razões de sinal como
por o móvel estar registado na rede. Esta informação pode ser combinada com a
indicação de País/PLMN.
• DTMF (M). A MS deve ser capaz de gerar os tons necessários a cumpri r o
protocolo DTMF.
• Comutador ON/OFF (M). Deve ser disponibilizado ao utilizador meios para
desligar ou ligar o móvel em qualquer circunstância. Esta comutação de estado
deve ser realizada de uma forma “soft” para permitir avisar o sistema quando
desligamos o aparelho.
• Gestão da identidade do assinante (M). A identificação do assinante está
contida no SIM (IMSI). O equipamento móvel deve saber manusear esta
identificação de forma a terminar uma chamada sempre que o Sim seja
removido, etc.
• Chamadas de Emerg ência (M). Deve ser permitido a qualquer utilizador
estabelecer chamadas de emergência, mesmo quando não tenha sido introduzido
o PIN correctamente ou o SIM.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
35
As capacidades suplementares estão directamente relacionadas com a operação dos serviços
complementares, como por exemplo a afixação do número de telefone. Estas capacidades
suplementares são a indicação de custos de chamadas e o controlo de serviços suplementares.
Em adição aos serviços anteriores, existe uma série de serviços permitidos neste
sistema. Estes serviços podem ser por exemplo o barramento de chamadas, contador de custos
de chamadas, marcação abreviada ou a selecção do tipo de mensagens curtas.
3.3 Base Station System (BSS)
Como foi referido anteriormente, o sistema de estações base é o principal responsável pelas
funções de rádio do sistema. Assim, além da gestão do recurso rádio da rede, o BSS trata do
handover das chamadas em curso. Outra responsabilidade deste subsistema é a gestão dos
dados de configuração das células como também o controle do nível de potência na estação de
base e estação móvel. Este subsistema usufrui também de autonomia para tratar a maior parte
de possíveis falhas do sistema, não tendo assim nestes casos que intervir o OSS.
3.3.1 Arquitectura
O subsistema estação base, contém todo o equipamento, incluindo o de transmissão e de
controle, necessários para assegurar a ligação entre os assinantes distribuídos e movendo-se
através das várias células que compreendem a área de cobertura. A arquitectura deste
subsistema está representada na Figura 3.5, e tal como se pode observar inclui dois tipos de
equipamento:
A BTS, que inclui os recursos rádio e de sinalização necessários a assegurar o
tráfego numa determinada célula.
O BSC, que controla todas as BTS’s e respectivos interfaces rádio necessários para
cobrir a área do BSS.
BSC Rede deTransporte BTS
Interface A-Bis
TerminalLocal
AlarmesExternos
Equipamentode Teste
Alimentação
Sistema deAntenas
TxRx
Rx
InterfaceRádio
Figura 3.5 – Sistema de Estações Base
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
36
A BTS é basicamente responsável pela camada física do interface rádio. O modo de acesso ao
canal de rádio adoptado pelo sistema GSM é do tipo TDMA, o que permite a um único
transceiver rádio servir simultaneamente 16 canais de débito parcial ou 8 canais de débito
total.
Um BSC pode compreender uma ou mais BTS’s, de modo a abranger diversas
arquitecturas possíveis da rede. Além da gestão dos recursos rádio das BTS’s que controla, o
BSC também monitoriza as principais funções de operação e manutenção destas. A gestão dos
handovers entre células, é feita autonomamente pelo BSC, desde que as células envolvidas no
processo sejam controladas pelo mesmo.
Além dos equipamentos anteriores, fazem parte também deste subsistema os
Conversores de Voz, conhecidos por speech transcoders ou também por Transconding and
Rate Adaptation Unit (TRAU). Os speech transcoders são utilizados para adaptar o formato
GSM de codificação de baixo débito (13 Kbits/s), utilizados no canal rádio, para o utilizado
na rede fixa (64 Kbit/s). São instalados entre o BSC e o NSS, devendo ficar geralmente no
local da comutação, de modo a tirar partido das capacidades da codificação de fala do
sistema, podendo também ficar junto do BSC. Quando o equipamento fica colocado junto ao
MSC, pode-se assim reduzir os custos de interligação, agrupando-se quatro canais de voz
GSM num canal PCM.
Toda esta arquitectura deve apresentar flexibilidade em relação à cobertura que se
pretende, dependendo da área a cobrir, edifícios e tipo de arruamentos. Poderá existir uma
cobertura omnidirecional ou sectorizada, de acordo com as necessidades de tráfego, dando
assim origem a diversos tipos de configurações ao nível do BSS, como mostra a Figura 3.6.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
37
BSC
BSC
BSC
BSC
BSC
Interface A
Interface A
Interface A
Interface A
Interface A
Configuração sectorizada com BSC remota
Configuração sectorizada
Configuração em cadeia
Configuração em estrela
Configuração omnidireccional
Figura 3.6 - Configurações típicas dos BSS´s
3.3.2 Base Transceiver Station (BTS)
A Estação Base guarda todo o equipamento de transmissão rádio para uma determinada
configuração de antenas, além do necessário equipamento para monitorização. Existem no
mercado diversas configurações para estações base, desde equipamento reduzido, para
exteriores ou interiores ou equipamento móvel. Um exemplo deste equipamento para
interiores, sob a forma de bastidores pode ser observado na Figura 1.7.
Em termos de funcionalidade basicamente a BTS assegura a recepção e transmissão
rádio, tendo para isso um ou mais transreceptores (TRX) para assegurar a capacidade
requerida. A BTS disponibiliza diversas funções, relacionadas quer com o recurso rádio, quer
com operação e manutenção do sistema.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
38
Figura 3.7 – Estações Base para interior
3.3.2.1 Funcionalidade
As funções de recurso comum são funções que dizem respeito a todos os móveis na área de
cobertura e não apenas a um ou outro móvel. As funções de recursos comuns incluem os
recursos gerais do sistema de transmissão e recepção utilizado para tráfego com todas as
estações móveis ligadas à célula. Estão incluídas neste tipo de funções:
− Sistemas de Difusão de Informação. O BSC define mensagens de informação
para serem guardadas e armazenadas, regularmente difundidas pela BTS no canal
de broadcast . Ao aparecer uma falha no transceiver, onde é feita a difusão de
informação, a falha é transmitida ao BSC, o qual envia um canal de informação
para seleccionar um novo TRX que toma a responsabilidade da emissão destas
informações.
− Paging. As identidades móveis definidas pelos BSC’s são enviadas pelo canal de
controle comum.
− Pedido de Canal pela Estação Móvel. Ao receber um pedido de canal por parte
da MS, a BTS informa o BSC, pelo que este responde com a atribuição de um
canal de controle dedicado (DCCH) para sinalização entre o MSC e a MS. A
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
39
partir deste canal, é então atribuído um canal de tráfego para comunicação de voz
e dados.
As funções de recursos dedicados são responsáveis pelo tráfego individual de cada MS ligada
à estação base. Incluem as seguintes funções:
− Activação do Canal. Através desta função, o BSC obriga a BTS a activar um
canal de recursos dedicados para uso do seu canal lógico associado. Ao ser
atribuído o canal, o BSC informa o TRX sobre diversos parâmetros, tais como tipo
e codificação do canal.
− Desactivação do Canal. Função inversa à anterior, ou seja, a BTS desactiva o
canal.
− Inicio de Encriptação. É executado pela BTS e suportado pela chave de
encriptação , chave esta que é processada no procedimento de autenticação do
parâmetro RAND (numero aleatório) e a chave de assinante individual.
− Detecção de Handover. A BTS tem atenção para com o acesso aleatório ao canal
que foi inicializado para handover.
As funções de canal terrestre incluem diversas funções que lidam directamente com
codificação de voz e adaptação dos débitos de dados. Estas funções são:
− Codificação de Voz. Esta função está localizada na TRAU (Transcoder and Rate
Adaptation Unit) remota no BSC, e trata de efectuar a codificação de voz, feita
entre 64 Kbit/s e 13 Kbit/s.
− Controlo na Banda de TRAU Remotas. É adicionada informação de controlo a
dados e voz. Além disto, 4 canais de informação são multiplexados num canal de
informação de 64 Kbit/s entre o BSC e a BTS.
− VAD/DTX. O detector de actividade de voz (VAD) detecta se quem falou mais
recentemente está ou não a falar, e em caso de silêncio o recurso rádio é
informado e a transmissão rádio é desligada, DTX (Discontinuos Transmission ).
As funções de multiplexagem e codificação destinam-se a formatar a informação nos canais
físicos. Incluídas neste tipo de funções estão as funções de:
− Multiplexagem no Percurso Rádio. Os canais lógicos são multiplexados nos
canais físicos.
− Codificação de Canal e Interleaving. Esta função trata de formatar a sequência
de bits em cada timeslot do canal físico.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
40
− Encriptação e Operação Inversa. A voz é codificada e descodificada utilizando
a chave de encriptação. Esta chave é gerada no Centro de Autenticação (AuC) e
carregada no TRX.
O controlo dos recursos rádio são assegurado pelas funções de:
− Medidas de Qualidade. São feitas medidas de qualidade e de intensidade de
sinal em todos os canais dedicados activos de uplink. Em relação ao downlink, as
medidas de qualidade e intensidade do sinal, assim como dos níveis de sinal das
BTS’s vizinhas são feitas na MS e enviadas ao BSC onde são processadas.
− Medidas de Alinhamento Temporal. Esta função trata de enviar um sinal à MS
para avançar o timing da transmissão à BTS de modo a compensar os atrasos de
propagação. A BTS continuamente analisa e actualiza o alinhamento temporal,
sendo este alinhamento em seguida enviado ao BSC juntamente com os dados
medidos no uplink.
− Controlo de Potência da BTS e da MS. Estas potências são controladas pelo
BSC de modo a minimizar o nível de potência transmitido, de forma a reduzir a
interferência cocanal.
− Transmissão e Recepção. A transmissão de rádio inclui frequency hopping
utilizando comutação em banda base com diferentes transmissores para cada
frequência. A recepção inclui igualização e diversidade.
− Falha na Ligação de Rádio. A função ao detectar um falha, imediatamente
informa o BSC.
Deverá existir sincronização entre BTS pertencentes ao mesmo BSC. A sincronização da BTS
é feita tendo em conta a Frequência de Referência cuja informação temporal é extraída das
ligações PCM do BSC, e o Número de Trama, que pode ser colocado e lido no contador de
número de trama.
3.3.3 Base Station Controller (BSC)
As recomendações GSM, relativamente ao BSC, impõem grande flexibilidade ao nível de
hardware, software e rede, de modo a permitir diversificar o tipo de configurações. A
existência do BSC é justificada por inúmeras vantagens, desde a simplificação das BTS’s,
passando pela descentralização do MSC, o que significa a concentração dos serviços e funções
de comutação telefónica no MSC, deixando para o BSC a gestão de rádio da rede, até à maior
eficiência das estruturas de dados.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
41
A escolha do local ideal para a colocação do equipamento que constitui o BSC é normalmente
uma decisão que tem a ver principalmente com factores económicos, relacionados com os
custos das ligações entre BSC e MSC. Normalmente opta-se sempre que possível pela co-
localização do BSC e MSC, evitando assim as ligações entre BSC e MSC. Na Figura 3.8 são
apresentados os equipamentos da unidade de adaptação de ritmo (TRAU) e do BSC.
Figura 3.8 - Equipamento de Unidade de Adaptação de Ritmo e BSC
3.3.3.1 Funcionalidade
Um grande conjunto de funções executadas pelo BSC é relativo à gestão rádio da rede. O
sistema rádio de um sistema celular está normalmente sob grande pressão devido à taxa de
crescimento de assinantes que continuamente entram no sistema. Depois da activação do
sistema é sempre necessária uma reconfiguração para adaptação ao crescimento do tráfego.
Uma parte das funções do BSC é normalmente relacionado com o correcto funcionamento do
equipamento, tendo outra parte a responsabilidade de controlar a eficiência do tráfego no
percurso rádio. Estes objectivos são conseguidos pelas funções:
− Administração dos dados descritivos e de configuração das células. É
possível por intermédio de um comando definir e obter a descrição de
células bem como alterar e remover descrições e definições. A célula é
normalmente definida por um nome simbólico, enquanto a descrição é
constituída por informações relativas às identificações globais de células
(CGI), códigos de identificações de estações base (BSIC) e número dos
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
42
canais de broadcast (BCCH). Os dados de configuração de uma célula
incluem por sua vez a inserção, alteração e remoção dos números dos
canais de RF bem como dos níveis de potência de emissão destes canais.
− Administração dos dados dos sistema de informação. Os dados do
sistema de informação são dados específicos a uma determinada célula
difundidos para as estações móveis, quer estas estejam em modo de
espera ou dedicadas. Esta informação pode ser por exemplo se a célula
está ou não barrada a acessos, a máxima potência de emissão permitida
na célula, informação relativa às frequência das estações base vizinhas,
etc.
− Administração dos dados de localização. Para assegurar as funções de
localização é utilizada uma série de dados que podem ser alterados,
corrigidos ou removidos. Por exemplo os dados relativos ao algoritmo de
construção das listas de células, a histerese, e offset podem ser alterados
de forma a balancear o tráfego numa determinada área.
− Medidas de Tráfego. O BSC executa uma série de funções relacionadas
com medidas de tráfego. O resultado destas medidas é normalmente
transferido para o OSS para posterior análise. Exemplos destas medidas
são o número de tentativas para estabelecer chamadas, congestionamento,
níveis de tráfego, número de handovers, número de chamadas caídas, etc.
Além das funções anteriores o BSC está também responsável por carregar todo o software
para as estações base, visto estas não terem discos rígidos. Assim em caso de falha ou de
activação as BTS’s têm de carregar todo o software a partir do BSC. Além desta função o
BSC tem de assegurar todos os mecanismos que permitam estabelecer, manter e terminar
ligações rádio com os móveis. Na fase de estabelecimento de ligações com os móveis estão
envolvidos os seguintes passos:
− Paging. Com base em pedidos do MSC o BSC envia mensagens de
paging para as BTS que pertencem à área de localização em causa, sendo
depois esta informação passada aos móveis através do canal de paging. A
situação da carga de tráfego do BSC é verificada antes de se iniciar este
procedimento.
− Estabelecimento de uma ligação para sinalização. Na fase de
estabelecimento de chamadas a comunicação passa a ser feita através dos
canais de sinalização próprios para o efeito atribuídos pelo BSC. Se a
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
43
ligação tem inicio no móvel é verificada a situação de tráfego do BSC. Se
tem inicio no MSC já tinha sido verificada quando existiu o paging.
− Atribuição de canal de tráfego. Depois da atribuição do canal de
sinalização inicial, o próximo passo para o MSC é mandar o BSC atribuir
um canal de tráfego para a ligação em causa. Se todos os canais de
tráfego estiverem ocupados pode ser feita uma tentativa de encontrar um
canal nas células vizinhas.
Depois de estabelecida a ligação com o móvel o BSC não termina por aqui o seu trabalho mas
antes inicia aqui as mais complexas funções de forma a supervisionar e manter as ligações em
curso. A intensidade do sinal e qualidade de voz são permanentemente medidas pela MS e
BTS sendo então transmitidas para o BSC, permitindo-lhe assegurar com eficiência os
seguintes mecanismos:
− Controlo de potência na MS e BTS. O BSC calcula a potência de
emissão dos móveis e estações base com base nas medidas que lhe são
enviadas. Esta informação é enviada para os móveis e BTS com uma
periodicidade de 480 ms de forma a preencher os objectivos do controlo
de potência.
− Localização. A função de localização continuamente avalia o estado da
ligação rádio entre o móvel e a BTS e, se necessário, sugere um handover
para outra célula. Esta decisão é tomada com base nos resultados das
medidas tanto da célula em causa com das células vizinhas.
− Handover. O handover é o processo pelo qual uma ligação activa á
transferida para outra célula. Existem diversos tipos de handover, com
várias causas possíveis e diferentes entidades envolvidas. Este
mecanismo será estudado mais tarde.
− Frequency Hopping. As sequências de hopping são definidas pelo BSC
que as envia para os móveis e estações base.
− Mensagens Curtas. O BSC assegura a gestão das listas de espera, envio
e repetições de mensagens curtas.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
44
3.4 Switching System (SS)
O sistema de comutação inclui as principais funções de comutação do sistema, assim como as
bases de dados necessárias para os assinantes e para a gestão da mobilidade. A sua principal
função é a gestão da comunicação entre utilizadores de DCS e utilizadores de outras redes.
SS
PST
N / ISD
N
HLR
AuC
EIR
VLR
VLR
BSS
OSS
MSC
GMSC
Figura 3.9 - Componentes do Sistema de Comutação
Como podemos observar na Figura 3.9, o sistema de comutação inclui os seguintes
elementos funcionais:
− Gateway Mobile services Switching Centre (GMSC);
− Mobile services Switching Centre (MSC);
− Visitor Location Register (VLR);
− Home Location Register (HLR);
− Authentication Centre (AuC);
− Equipment Identity Register (EIR).
Normalmente o MSC e o VLR estão integrados no mesmo nó da rede. Isto acontece devido à
intensa troca de informação entre os equipamentos em todos os estabelecimentos de
chamadas, o que poderia resultar numa excessiva carga nos canais de sinalização se estes
equipamentos estivessem em nós separados.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
45
O MSC pode também incluir a funcionalidade de Gateway, passando a actuar como
uma gateway para o sistema móvel, denominando-se neste caso por GMSC. O HLR pode
estar isolado na rede ou integrado junto a um nó de um MSC/VLR. Já o AuC é normalmente
um equipamento externo isolado, normalmente um computador, sendo ligado ao HLR por
canais de sinalização. Quanto ao EIR, esta funcionalidade está normalmente integrada no
computador do AuC.
3.4.1 MSC/VLR e GMSC
O centro de comutação de serviços móveis (MSC) é o coração da rede móvel. O MSC é
responsável pela total gestão das chamadas, tendo de estabelecer, encaminhar, controlar e
terminar chamadas. Além das funções relacionadas com o controle de chamadas o MSC é
também responsável por gerir os handovers entre dois BSC’s pertencendo ao mesmo MSC
ou a MSC diferentes, assim como suportar diversos serviços suplementares. Todas as
funcionalidades relacionadas com contas e taxação são também da responsabilidade do MSC,
bem como efectuar o interface com as redes públicas de voz (PSTN) e dados (ISDN).
Normalmente o VLR e o MSC estão integrados, no entanto devem ser vistos como
dois nós funcionais independentes. O VLR é basicamente uma base de dados que contém
diversa informação acerca de todos os assinantes móveis presentemente cobertos pela zona de
serviço do MSC. Sendo assim cada MSC deve ter o seu próprio VLR.
O MSC Gateway (GMSC) faz a interligação entre a rede GSM e outras redes. É o
ponto da rede GSM por onde entram as chamadas para os assinantes móveis. O GMSC tem a
função de interrogar o HLR para pedir informação acerca da localização do utilizador destino.
Esta localização é dada através do endereço do MSC/VLR. Em seguida o GMSC é também
responsável por encaminhar a chamada para o MSC da área de serviço onde esta localizado o
assinante. O GMSC tem de intervir sempre que um dos extremos da chamada é um assinante
fixo, ou de outra rede externa.
3.4.1.1 Funcionalidade
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
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46
Registo de Visitantes
Armazenamento e gestãode todos os dados doassinante
Mobile Application Part
Protocolo utilizado paraos procedimentos desinalização com o HLR
Análise
Análise dos endereços edas numerações IMSI
Administração
Disponibilização decomandos e relatórios
Acesso
Suporte de todos os aspectos relacionados com aligação entre o móvel e a rede GSM
BSCTráfegoSinalização
HLR
Figura 3.10- Entidades funcionais no MSC/VLR
A arquitectura do MSC, bem como a estruturação das suas funcionalidades está muito
dependente dos fabricantes, apesar de as funções serem normalizadas, bem com os interfaces.
Assim no âmbito deste texto só interessa analisar as funções relacionadas com a mobilidade,
desprezando todas as outras relacionadas com a sinalização, comutação, taxação, etc.
De uma forma geral os serviços móveis estão divididos principalmente em cinco módulos
funcionais, Figura 3.10:
• Registo de Visitantes. O registo de visitantes é o módulo que suporta o
chamado VLR. É responsável por guardar e gerir os dados dos móveis
que estão sob a área de cobertura do MSC. Estes dados são recebidos do
HLR e contêm diversa informação, tal como:
− Identificação Internacional do Assinante Móvel (IMSI);
− Número do Móvel (MSISDN);
− Serviços suportados pelo assinante;
− Categoria do assinante;
− Os triplets utilizados na autenticação;
− Dados dinâmicos, que são alterados com frequência, tal
como o estado (attach/detach), localização (LAI), etc.
Cada registo de visitante tem como chave de pesquisa o IMSI.
• Mobile Application Part (MAP). A MAP é a parte da aplicação móvel
que é responsável por todos os procedimentos de sinalização com o HLR,
tal como:
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
47
− Actualização de Localização, que é enviada para o
HLR;
− Cancelamento de Localização, que é recebida do HLR;
− Envio de Parâmetros, que é pedido pelo HLR de forma
a serem disponibilizado novos triplets ;
− Disponibilização do número de Roaming, que envia
um número de roaming para o HLR para ser enviado ao
GMSC.
• Análise. As funções de análise têm por objectivo analisar os números
IMSI. Esta análise tem como finalidade verificar se o número é nacional
ou internacional. Esta função utiliza também o IMSI como referência para
encontrar um registo de assinante sempre que é necessário aceder ao
registo.
• Administração. A parte de administração permite que sejam executadas
diversas funções com base em comandos recebidos do terminal, tal como
as configurações e definições dos BSC’s, das células, número de série de
IMSI’s e de números de roaming. Permite também disponibilizar
relatórios de toda a informação relacionada com as configurações ou
definições, bem como informação relativa aos dados de assinantes.
• Acesso. Este módulo funcional permite estabelecer, manter e terminar
ligações entra a MS e a rede, com base nas seguintes funções:
− Gestão da Ligação, coordena todos os estabelecimentos,
supervisionamento e libertação de chamadas;
− Gestão de Mobilidade, assegura toda a funcionalidade
da actualização de localização bem como os
procedimentos de autenticação;
− Gestão dos Recursos Rádio , coordena o paging, o
handover, inicia a encriptação. Contem tabelas que
relacionam BSC’s com áreas de localização (LAI).
Contem também informação que permite encaminhar
directamente uma chamada de emergência de uma
determinada célula para o centro de emergência mais
próximo.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
48
− Interface com o BSC , permite encaminhar tráfego para
o BSC, bem como seleccionar e atribuir canais PCM às
ligações estabelecidas.
3.4.2 Home Location Register (HLR)
O HLR é basicamente uma base de dados central, contendo os dados permanentes associados
a um determinado conjunto de assinantes, tal como as suas identificações ISDN (MSISDN) e
GSM (IMSI), categorias ( ordinário, prioritário, assinante, testes telefónicos, etc. ), estado,
lista de serviços de rede e de telecomunicações e localização ( identificação do MSC/VLR ).
Alguns destes dados são normalmente transferidos para o VLR visitado, seguindo assim os
movimentos dos assinantes através da rede móvel.
A localização dos assinantes é guardada no HLR e utilizada no encaminhamento das
chamadas para o assinante, na direcção da MS. Para assegurar esta função de
encaminhamento, existem comutadores dedicados dentro da rede, o GMSC, que consultam o
HLR durante a gestão de chamada de um assinante. Quando aparece uma chamada, é
encaminhada para o MSC, que controla os BSC´s, fazendo estes a cobertura da área onde o
assinante está posicionado na altura da chamada.
3.4.2.1 Funcionalidade
Base de Dados
Armazenamento e gestãode todos os dados doassinante
Mobile Application Part
Protocolo utilizado paraos procedimentos desinalização com o HLR
GMSC
VLR
AuC
Análise
Análise dos endereços edas numerações IMSI
Administração
Disponibilização decomandos e relatórios
Figura 3.11 – Entidades Funcionais do HLR
Em termos funcionais podemos adoptar o mesmo critério que utilizamos no caso do MSC e
dividir o HL em quatro blocos funcionais. Estes blocos são bastante semelhantes aos
definidos no MSC, com excepção da base de dados que não existia no MSC, Figura 3.11:
• Base de Dados. É aqui que estão guardados os dados do assinante, tal
como a localização (endereço do MSC/VLR), os serviços suplementares
subscritos e os que estão activados e os triplets que são disponibilizados
pelo AuC.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
49
• Mobile Application Part (MAP). A MAP é a parte da aplicação móvel
que é responsável por todos os procedimentos de sinalização com o
MSC/VLR, GMSC e AuC, tais como:
− Actualização de Localização, que é recebida do
MSC/VLR;
− Envio de Triplets, enviados para o AuC;
− Pedido de número de Roaming, MSRN, recebido do
GMSC e enviado para o VLR.
• Análise. Translação do IMSI em MSISDN e vice-versa.
• Administração. A parte de administração permite que sejam executadas
diversas funções com base em comandos recebidos do terminal, tal como
Inserção, alteração, remoção ou impressão dos dados guardados.
3.4.3 Authentication Centre (AuC)
Um conceito de segurança característico dos sistemas celulares é a utilização de uma chave
secreta para todos os utilizadores da rede, que evitam duplicação de cartões SIM e fraudes na
facturação dos serviços, e a encriptação do canal rádio que permite privacidade nas chamadas.
A protecção das chaves secretas é feita concentrando-as numa base de dados segura e
centralizada, chamada AuC. Esta não só guarda as chaves secretas, mas também calcula a
informação necessária à autenticação e cifra de cada chamada.
A funcionalidade do AuC, bem como os dados guardados serão estudados na secção
sobre segurança. Em conclusão, a segurança no sistema abrange quatro aspectos:
Privacidade da comunicação;
Privacidade da localização e identidade do assinante;
Controlo do acesso à rede em relação ao assinante;
Controlo do acesso à rede em relação ao equipamento;
3.4.4 Equipment Identity Register (EIR)
Cada estação móvel tem a sua própria informação de identificação, o número de identificação
internacional de equipamento móvel (IMEI). O sistema disponibiliza um mecanismo de
verificação do equipamento móvel, suportado pelos dados guardados no EIR. O EIR é
periodicamente actualizado a partir de uma base de dados europeia, de forma a que os dados
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
50
existentes nos diversos EIR’s dos operadores sejam consistentes no que diz respeito à situação
dos móveis. O EIR guarda três listas de IMEI’s:
− Lista Branca, contendo números de série de todo o equipamento móvel
GSM que está apto a uti lizar o sistema GSM;
− Lista Negra, contendo todas as identificações de equipamento móvel cujo
acesso às redes GSM deve ser impedido;
− Lista Cinzenta, contendo as identificações de equipamento defeituoso ou
sem aprovação por parte das entidades competentes.
3.5 Interfaces
Em termos de interfaces, o sistema GSM utiliza entre as entidades do sistema circuitos de 2
Mbit/s, físicos. O mais complexo interface é o interface Rádio, que irá ser estudado no
próximo capítulo. O único ponto que convém realçar no âmbito do estudo do sistema é a
adaptação de ritmos e a multiplexagem de canais GSM em canais PCM.
3.5.1 Interface Abis
Os sistemas de estações base (BSS), que é constituído pelas BTS´s e BSC´s, assegura o
acesso à sinalização de informação e a canais de tráfego através da interface Abis., que está
localizada entre a BTS e o BSC transmitindo a 2 Mbit/s.
3.5.1.1 Canais de Tráfego (TCH)
Um canal com uma capacidade de rede de 13 Kbit/s é disponibilizado para transmissão rádio
de sinais de voz, ao contrário das redes fixas de transmissão (por exemplo ISDN) onde a
capacidade de canal é de 64 Kbit/s. A interligação entre estes dois sistemas requer a utilização
de equipamento de transcoding (TCE), existindo para cada canal de tráfego um TRAU
(Transcoder/ Rate Adapter Unit ) - Figura 3.12.
Para além de recodificar o sinal de voz, é necessário que o ritmo de transmissão de
dados seja adaptado. São utilizados canais de tráfego de 16 Kbit/s na rede GSM, pois é
necessário um canal adicional de 3 Kbit/s entre o TRAU e o CCU (Unidade de Codificação de
Canal) na BTS para funções de controle.
O TCE está geralmente localizado no MSC, para que se possa obter uma redução de
dados ao longo de todos os circuitos de 2 Mbit/s. Cada circuito de 2 Mbit/s pode então conter
até 128 canais de tráfego, ocupando cada um destes 2 bits do TS (16 Kbit/s) na trama de 2
Mbit/s.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
Sistemas de Telecomunicações I
51
SUBMUX/DMX
MUX/DMX
TRAU
64 kbit/sSinalização SS#7 2 Mbit/s2 Mbit/s
TCH16 kbit/s
Speech64 kbit/s
TCE
Figura 3.12 - Equipamento para a conversão de tráfego
A trama TRAU utilizada para a transmissão de voz contém 320 bits, separados da
seguinte forma: 35 bits para a trama de sincronização, 260 bits de dados para o bloco de voz
codificada, e 25 bits para funções de controle entre o TRAU e o CCU. Tramas TRAU são
também definidas para serviços datacom e comunicações com o OMC.
3.5.1.2 Sinalização
Para além dos canais de tráfego, o interface ABis também transporta a informação de
sinalização necessária nos canais de 64 Kbit/s - Figura 3.13. Um canal de sinalização é
normalmente assegurado para cada transceiver da BTS para controlar até 8 assinantes por
frequência de portadora. Os comandos e as mensagens utilizados para estabelecer e remover
as chamadas são definidos na gestão de recurso rádio, onde são determinados os níveis de
recepção e qualidade nas MS, BTS e até 6 estações bases adjacentes. O BSC avalia estes
parâmetros rádio e utiliza-os quando efectua decisões de handover.
Arquitectura do Sistema Capítulo 3
ISEL-DEEC-SST
52
TDMA0 654321 7
BSCTRX I
TransceiverUnit f 1
BTS
TRX II
TS 31
Sign TRX I
Sign TRX I
TS 0
0 1 2 34 5 6 7
0 1 2 34 5 6 7
f1
MS
Figura 3.13 - Canais de Tráfego e Sinalização na interface Abis.
3.5.2 Interfaces de A a F
Estes interfaces fornecem acessos à base de dados para as funções de gestão, estando
baseadas nos circuitos físicos de 2 Mbit/s. O protocolo de sinalização do canal comum
estendido SS#7, fornece todas as capacidades de uma rede inteligente (IN).
Capítulo
4 Interface
Rádio
4.1 Introdução
De todos os interfaces, o Interface Rádio é provavelmente o que se reveste de mais
importância em termos de engenharia de telecomunicações, sendo a sua especificação uma
das mais complexas do sistema, quer para seguir a uniformização atrás referida, quer para
conseguir a máxima eficiência possível do espectro utilizável.
A transmissão rádio em GSM é caracterizada essencialmente por áreas de sombra e
reflexão multipercurso. As dificuldades de transmissão são acrescidas pelo facto dos
assinantes poderem deslocar-se numa zona densamente edificada. Como podemos ver, os
requisitos técnicos para a implantação de uma rede GSM é muito mais exigente que uma
ligação rádio. Iremos abordar dois aspectos fundamentais na transmissão em GSM, o método
de múltiplo acesso e o processamento da informação. Mas antes, para nos melhor situarmos
no sistema, consideraremos os serviços necessários, e a forma como o sistema os suporta.
4.2 Serviços
A transmissão de dados de e para a estação móvel tem a finalidade de suportar diversos
serviços do sistema, os quais iremos em seguida enumerar. Diversos canais são utilizados
para efectuar a transmissão de diferentes fluxos de informação simultaneamente.
Transmissão de Dados do Utilizador. O principal objectivo dum sistema de
comunicação é transportar a informação do utilizador. O mais importante serviço
oferecido aos utilizadores GSM é a voz. O interface rádio deve antes de tudo
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
54
suportar uma transmissão de voz bidireccional. Além da voz, o serviço deve
também disponibilizar meios para transmissão de dados. Em GSM é possível
transmitir dados a 9600 bit/s, 4800 bit/s e 2400 bit/s.
Sinalização. Dados do utilizador não são o único fluxo de informação
transportado durante uma chamada. Existem também as mensagens de sinalização
que permitem à estação móvel e à rede gerir diversos aspectos relacionados com o
utilizador ou aspectos técnicos relativos à comunicação. Também o
estabelecimento e terminação de uma chamada recorre a mensagens de
sinalização.
Modo de espera. A limitação do espectro rádio não permite que cada utilizador
disponha sempre de um canal de tráfego próprio. Os canais de tráfego só são
atribuídos aos utilizadores quando surge a necessidade. Um móvel é considerado
em modo dedicado quando dispõe de um canal de tráfego, ou seja, quando existe
possibilidade de transmissão bidireccional entre o móvel e o sistema. Quando o
móvel está ligado ( ON ), sem que esteja em modo dedicado, é considerado em
modo de espera, ou em Idle Mode. Neste modo, o móvel está também em
permanente contacto com o sistema, para receber mensagens de paging e para
monitorizar o desempenho rádio de forma a escolher a estação base que esteja em
melhores condições de assegurar a comunicação.
4.3 Espectro Rádio
O sistema GSM foi inicialmente planeado como um sistema celular para funcionar na banda
dos 900 MHz, chamada de “banda primária”. Esta banda primária inclui duas sub-bandas de
25 MHz cada uma, 890-915 MHz e 935-960 MHz, conforme mostra Figura 4.1. Isto não
significa que toda a banda deve ser utilizada logo de inicio, até porque geralmente existirão
diversos operadores, sendo atribuído a cada um uma porção desta banda. No entanto todo o
equipamento móvel deve estar preparado para funcionar em qualquer uma destas frequências,
pois a sua utilização não deve estar limitada apenas a um país ou a um operador.
Em 1990, a pedido do Reino Unido, uma segunda banda de frequência foi
considerada pelas normas. Esta banda divide-se também em duas sub-bandas, 1710-1785
MHz e 1805-1880 MHz, cada uma com 75 MHz no total, ou seja, três vezes a banda inicial
para 900 MHz. Neste caso nem todo o equipamento móvel está preparado para funcionar com
as duas bandas em simultâneo, os chamados Dual-Band.
As frequências centrais dos canais de frequência estão distam entre si 200 KHz,
estando o primeiro canal a 200 KHz da banda limite. Existem 124 canais de frequência numa
banda total de 25 MHz para o GSM 900 e 374 canais numa banda de 75 MHz no DCS 1800.
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
55
Devido à modulação utilizada no sistema, a banda utilizada é um pouco acima dos 200 KHz,
podendo resultar em alguma interferência entre dois canais adjacentes.
No entanto, o espectro de modulação é um pouco mais largo do que os 200 KHz,
resultando em algum nível de interferência entre bursts em slots simultâneos, ou em slots
adjacentes. Este facto torna-se um incómodo, principalmente perto dos extremos da banda.
Por isso, as frequências dos extremos são normalmente evitadas, sendo prática normal a não
utilização dos canais de frequência dos extremos, excepto quando existe acordo com os
operadores da banda adjacente. Além disso é de evitar a utilização de canais adjacentes na
mesma célula ou em células adjacentes. Como consequência o número de canais por sentido é
normalmente limitado a 372 canais.
Canal124
Canal1
Canal2
Canal3
Canal1
Canal2
Canal3
Canal124
DCS 1800
GSM 900
Banda de Transmissão do Móvel Banda de Transmissão da BTS
uplink downlink890
1710
915
1785
935
1805
960
1880
MHz
Espaçamento Duplex 45 MHz / 95 MHz
25 MHz / 75 MHz 25 MHz / 75 MHz
200 KHz(374) (374)
Figura 4.1 – Bandas de transmissão para os sistemas GSM900 e DCS1800
4.4 O Método de Acesso Múltiplo
O método de acesso no sistema DCS1800 é feito com base numa combinação de dois
sistemas de acesso, Figura 4.2:
FDMA ( Frequency Division Multiple Access ); A cada canal faz-se
corresponder uma frequência. O utilizador pode aceder a 2qualquer
frequência;
TDMA ( Time Division Multiple Access ); Cada frequência portadora é
dividida num número de time slots e a cada um deles corresponde um
canal de comunicação independente.
Interface Rádio Capítulo 4
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56
1 2 3 4 5 6 7 8 n
20/25 khz Nº do Canal de VozFrequência
Tempo
T1
R1
T2
R2
T3
R3
T4
R4
T5
R5
T6
R6
T7
R7
T8
R8
FDMA
T8
R8
Necessário1 Transmissor e
1 Receptor por cadacanal de voz
S
E
Necessário apenas1 Transmissor e
1 Receptor para 8canais de voz
TDMA
12
34
56
78
12
200 kHz Nº do Canal de Voz
0,557 msTempo
Frequência
Figura 4.2 – Diferença entre TDMA e FDMA.
A combinação destes dois sistemas de acesso é feita por aplicação do sistema TDMA a cada
canal FDMA, obtendo assim uma trama TDMA por frequência portadora. Esta combinação
apresenta diversas vantagens, tais como:
apenas uma portadora ao mesmo tempo no receptor, o que reduz
consideravelmente a complexidade do bloco de recepção;
a não linearidade do receptor não origina intermodulação;
a selectividade é conseguida no domínio do tempo;
o processamento e armazenamento de sinais digitais apresenta vantagens
face aos sinais analógicos;
a atribuição de canal por pedido pode ser implementada (por ajuste na
duração de burst para corresponder ao pedido);
podem reduzir-se os efeitos do desvanecimento por multipercurso
utilizando um equalizador (decision feedback equalizer);
os efeitos da interferência de canal podem ser reduzidos utilizando um
equalizador (decision feedback equalizer);
A transmissão via rádio em GSM é efectuada através de bursts . Um Burst consiste numa série
de bits, com duração finita e que ocupa espectro rádio. São enviados em janelas de tempo e
frequência, designado por slots. A frequência central dos slots é espaçada 200 KHz, dentro da
banda de frequência do sistema, e estes ocorrem com intervalo de tempo de 15/26 ms, ou seja
577 µs, Figura 4.3. Os limites das durações dos slots são simultâneos numa determinada
célula e o intervalo de tempo correspondente a slots simultâneos é o Time Slot (TS).
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
57
12
34
56
78
12
200 kHz
Tempo
Frequência200 kHz
FDMA FDMA
TDMA
SI
EI
Necessário1 Transmissor e
1 Receptor para 8canais de voz
SII
EII
III
6
1 time slot = 15/26 ou 0.577 ms
TrainingSequence
26 bits 8,25358 bits
GPTBMensagemMensagem
3 58 bits
TB
120/26 ou 4,615 ms
Figura 4.3 - Um slot no Domínio do Tempo e Frequência.
Utilizar um canal significa transmitir bursts em instantes específicos no tempo e frequência,
ou seja slot específico. Geralmente os slots de um canal não são contíguos no tempo, tendo
por isso um canal uma definição temporal que dá, para cada time slot , o número de slots que
fazem parte do canal. Esta definição é cíclica mas varia de acordo com o tipo de canal.
Frequência de um canal define-se como sendo a frequência de cada slot pertencente
ao canal. Existem canais de frequência fixa para os quais a frequência é a mesma para cada
slot, e canais de frequência variável, hopping, cujos slots podem utilizar frequências
diferentes.
Para canais bidireccionais, por exemplo TCH, as duas direcções poderiam ser
definidas de diversas formas, mas por razões de simplicidade, as definições do canal para as
duas direcções são sempre relacionadas de uma maneira bastante simples: um espaço para a
frequência fixa, duplex separation, de 45/75 MHz e um tempo de guarda, que depende do tipo
de canal, que separa dois slots correspondentes de um dado canal.
Cada móvel envia um ou mais bursts para a BTS, estando os bursts de todos os
móveis sincronizados de forma a ocuparem slots não sobrepostos numa trama TDMA. Esta
sincronização é realizada de modo a permitir que no momento da chegada só exista um burst ,
evitando assim colisão com bursts de outras fontes. Em resposta, a BTS, enviará também
bursts para os móveis.
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
58
Com este sistema é conseguido um acesso múltiplo, ou seja uma multiplicidade de
móveis que podem utilizar a rede simultaneamente, ocupando assim time slots na trama
TDMA, ou seja canais físicos.
4.5 Canais Lógicos
Um canal lógico é um canal que transporta um determinado tipo de informação sobre um
canal físico. Existem diversos tipos de canais lógicos, utilizados em diferentes situações e
com diferentes objectivos. Na Figura 4.4 podemos observar os tipos da canais lógicos
existentes em GSM.
Canais Lógicos
Canais de TráfegoCanais de Controle
DCCHCanais de Controle
Dedicado
DébitoParcial
DébitoTotal
FCCH SCH BCCH PCH AGCH RACH SDCCH SACCHFACCH
TCH/H TCH/F
BCHCanais deBroadcast
CCCHCanais de
Controle Comum
Figura 4.4 – Canais Lógicos
Dois tipos de canais lógicos asseguram a comunicação, dependendo dos objectivos, ou seja,
dos serviços atrás referidos, os canais de controle e os canais de tráfego.
4.5.1 Canais de Tráfego
Os canais de tráfego transportam quer em uplink, quer em downlink, dados e voz do
utilizador, ponto a ponto. São definidas duas formas de utilização do canal:
Full Rate TCH/F. O canal quando utilizado em débito total de informação,
suporta um ritmo de 22.8 Kbit/s.
Half Rate TCH/H. O canal quando utilizado em débito parcial de informação,
suporta um ritmo de 11.4 Kbit/s.
Presentemente apenas se utiliza a configuração Full Rate pois ainda não estão disponíveis
codificadores de fala de Half Rate com a qualidade de voz desejável.
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
59
4.5.2 Canais de Controle
Quando ligamos um móvel, o primeiro objectivo deste será procurar uma estação base
adequada para que seja possível o respectivo registo e posterior escuta. Esta procura é
realizada através de um varrimento em toda a banda de frequência, ou opcionalmente,
utilizando uma lista de algumas portadoras atribuídas ao operador, lista esta que se encontra
guardada no SIM. Após o móvel encontrar a portadora mais forte, em termos de sinal, terá de
verificar se esta é ou não uma portadora BCCH. Uma portadora BCCH é a frequência
utilizada para transportar os canais de Broadcast. Deve existir uma por cada célula, sendo esta
portadora normalmente denominada por C0.
Uma vez encontrada a frequência de broadcast o móvel terá de utilizar dois tipos de
canais:
q Canais de Broadcast - BCH. Este tipo de canais é utilizado em
downlink, ponto a multiponto, sendo utilizado como:
− Canal de Correcção de Frequência - FCCH. Neste canal é
transmitida uma onda sinusoidal, o que permite cumprir dois
objectivos. O primeiro é garantir que esta frequência é uma
portadora de Broadcast. O segundo é permitir ao móvel que se
sincroniza com a frequência de emissão da estação base.
− Canal de Sincronização - SCH. Depois de escutar o canal de
correcção de frequência, a MS terá de sincronizar-se com a
estrutura da trama TDMA desta célula e garantir também que a
estação base escolhida pertence a uma rede GSM. Escutando o
canal de sincronização – SCH o móvel não só recebe o número
da trama TDMA como também o Código de Identificação da
Estação Base, o BSIC. Este código apenas pode ser descodificado
se a estação base pertencer à rede GSM.
− Canal de Controlo de Broadcast - BCCH. A última informação
que a MS terá de receber de forma a iniciar Roaming, esperar
chamadas ou efectuar chamadas, diz respeito à célula e ao
sistema. Esta informação é difundida neste canal, o BCCH, e
entre outras informações incluí a Identificação da Área de
Localização – LAI, a máxima potência de emissão permitida na
célula e as portadoras de Broadcast das células adjacentes nas
quais o móvel necessita de efectuar medições.
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
60
A partir de agora a MS está sintonizada com a estação base e sincronizada
com a estrutura de tramas TDMA da célula. As estações base não está
sincronizadas entre si, pelo que cada vez que o móvel decidir mudar de célula
terá de ler o respectivo FCCH e SCH.
q Canais de Controlo Comum - CCCH. Os canais de controle comum são
canais que estão disponíveis para serem utilizados por todos os móveis,
sendo os recursos rádio que os transporta comuns a todos os móveis. Este
tipo de canais divide-se em:
− Canal de Paging - PCH. Com certos intervalos de tempo o
móvel escuta o canal de paging, PCH, para verificar se o sistema
quer entrar em contacto com o móvel. A razão deste contacto
poderá residir numa chamada para o móvel, ou simplesmente
numa mensagem curta para o móvel. A informação enviada no
PCH é uma mensagem de paging que inclui o número de
identificação do móvel (IMSI) ou um número temporário
(TMSI). O PCH é utilizado em downlink ponto a ponto.
− Canal de Acesso Aleatório - RACH. Como consequência de
uma mensagem de paging, ou simplesmente porque o utilizador
deseja efectuar uma chamada, o móvel terá de entrar em contacto
com o sistema. Para isso o móvel terá de pedir um canal de
sinalização através do canal de acesso aleatório – RACH. É
utilizado em uplink ponto a ponto.
− Canal de Acesso Atribuído - AGCH. Em resposta ao pedido
efectuado no RACH, o sistema terá de atribuir um canal de
sinalização para alguma troca de informação entre o móvel e o
sistema, o SDCCH. Esta atribuição é realizada através do canal
de acesso atribuído – AGCH. É utilizado em downlink ponto a
ponto.
q Canal de Controlo Dedicado - DCCH. Os canais de controlo dedicado
são atribuídos a um móvel em particular, sendo os recursos rádio
independentes entre os diversos canais. Este tipo de canal divide-se em:
− Canal de Controlo Dedicado Stand Alone - SDCCH. É usado
para sinalização do sistema durante a inicialização da chamada,
antes da atribuição de um TCH ser feita. Poderá ser utilizado
também para a transmissão de mensagens curtas em modo de
espera. É neste canal que é realizada a autenticação bem como a
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
61
atribuição de canal de tráfego, sendo enviado a frequência e time
slot que definem o canal. É utilizado em up/downlink ponto a
ponto.
− Canal de Controlo Associado Lento - SACCH. É associado a
um TCH ou a um SDCCH, sendo um canal de dados contínuo
transportando informação de sinalização, tal como relatórios de
medidas do nível de intensidade do sinal recebido na célula onde
está presente e as suas adjacentes. Em downlink o móvel recebe
informação respeitante ao avanço temporal e controle de
potência. É utilizado em up/downlink ponto a ponto.
− Canal de Controlo Associado Rápido - FACCH. É associado
ao TCH e funciona em modo stealing. Isto significa que se por
acaso durante a transmissão de voz for necessário trocar
informação de sinalização com o sistema, a um ritmo muito mais
alto que o SACCH, pode fazê-lo, mas “roubando” segmentos de
voz de 20 ms para se efectuar essa sinalização. É o caso do
handover, em que a interrupção não será sentida pelo utilizador
porque o codificador de voz volta a transmitir os segmentos não
transmitidos. É utilizado em up/downlink ponto a ponto.
Estes canais lógicos são utilizados em diferentes configurações, dependendo da
funcionalidade de que se quer tirar partido na utilização dos canais. Essas configurações
podem ser observadas no Quadro 4.1.
Configuração Utilização BCCH Utilizado quando não há ligação física disponível
BCCH+CCCH CCCH Utilizado pela MS no estado de espera (idle state)
SDCCH+SACCH Utilizado pela MS no canal de controlo dedicado TCH/F+FACCH+SACCH TCH/H+FACCH+SACCH Utilizado pela MS quando a chamada é estabelecida
2TCH/H+FACCH+SACCH
Quadro 4.1- Configurações dos Canais Lógicos.
4.6 Burst
O formato da informação transmitida durante um time slot numa trama TDMA é chamado de
Burst. A transmissão em GSM é feita através de bursts . Estes têm uma janela temporal de
duração mínima de 576+12/13 µs ou seja 15/26 ms. Neste intervalo de transmissão o valor da
amplitude de emissão ascende desde o valor 0 para o seu valor nominal. A fase do sinal é
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
62
então modulada para transmitir um pacote de bit´s , decrescendo então o valor da amplitude
até atingir novamente o 0.
Cinco tipos de bursts são definidos de acordo com a sua característica de amplitude no tempo:
q Burst Normal. É utilizado para transportar informação nos canais de tráfego e de
controlo, excepto para RACH, SCH e FCCH. Contém dois pacotes de 57 bits
separados por uma sequência de verificação ou teste de 26 bits e encapsulados
por tail bits . As especificações consideram também um tempo de guarda com a
duração de 8.25 bits.
Tempo deGuarda
8.25
Tail
3
Informação
57
Informação
57
S
1
S
1
Sequênciade Teste
26
Tail
3
148 bits
Figura 4.5 – Burst Normal
Os bits de informação são constituídos por 57 bits de voz ou dados encriptados, mais um bit
de indicação de stealing flag que nos indica se o burst foi preterido para sinalização FACCH
ou não.A training sequence é um padrão de bit conhecido e utilizado pelo equalizador para
criar um modelo de canal, que permite amenizar a dispersão no tempo.Os tail bits são
constituídos por três bits com o valor ‘0’, que servem para inicializar o modulador e sinalizar
a paragem da transmissão.
O tempo de guarda ou guard period é sempre um espaço vazio. Como temos um
máximo de oito utilizadores por portadora utilizando diferentes time slots é necessário
assegurar que eles não se sobrepõem durante a transmissão. Permite que a potência de saída
suba e desça de acordo com as especificações (ramp-up e ramp-down).
Burst de Acesso . É utilizado para acesso aleatório e tem um período de guarda
maior para o acesso inicial de um móvel que desconhece o avanço de tempo. O
móvel pode estar longe da BTS, o que implica que o burst inicial chegará atrasado
e, como não há avanço de tempo no primeiro burst , este tem que ser mais curto
para que não se sobreponha no time slot seguinte. O burst é constituído por 36
bits de informação, encapsulado por sete e três bits respectivamente no início e
fim do burst e, uma sequência de sincronismo de 41 bits.
Tempo deGuarda
8.25
Tail
3
Informação
57
Informação
57
S
1
S
1
Sequênciade Teste
26
Tail
3
148 bits
Figura 4.6 – Burst de Acesso
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
63
Burst de Correcção de Frequência. É utilizado na sincronização da frequência
do móvel, e é equivalente a uma portadora não modulada. As repetições destes
bursts constituem o FCCH. Este burst é muito específico. É um burst longo, cujo
objectivo é permitir que as estações móveis encontrem e desmodulem o burst de
sincronização da célula. A sua constituição é a mais simples de todos os bursts , é
composto por 142 bits fixos com o valor ‘0’, forçando o modulador a deixar
passar uma portadora não modulada.
Tempo deGuarda
8.25
Tail
3
Sequência Fixa
142
Tail
3
Figura 4.7 – Burst de Acesso
Burst de Sincronização - SB. É utilizado para a sincronização no tempo do
móvel e é constituído por uma longa training sequence fácil de detectar, e
transporta informação do número de trama TDMA com o código de identificação
da estação base (BSIC), utilizado pelo móvel para verificar a identidade da BTS
quando faz medidas de intensidade de sinal e para detectar mudança de operador.
As repetições destes bursts constituem o SCH.
Tempo deGuarda
8.25
Tail
3
Informação
39
Sequênciade Teste
64
Tail
3
Informação
39
Figura 4.8 – Burst de Acesso
Dummy Burst - DB. É utilizado pela BTS e não contém informação. A sua
constituição é idêntica à do NB, onde em vez de bits de informação, estão bits
misturados com um determinado padrão.
Tempo deGuarda
8.25
Tail
3
Padrão Conhecido
58
Sequênciade Teste
26
Tail
3
Padrão Conhecido
58
Figura 4.9 – Burst de Acesso
4.7 Organização dos Canais no Tempo
A organização do canal ao longo do tempo pode ser bastante complexa. Esta organização é
sempre periódica, mas o comprimento do ciclo, bem como o número de slots num ciclo varia
de acordo com o tipo de canal. O posicionamento dos períodos no tempo é conseguido através
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
64
da sincronização do sistema. Cada célula assegura um clock de referência, que define os time
slots e ainda um esquema de dating em relação ao qual os ciclos de todos os canais são
referidos.
No sistema GSM cada time slot é dado por um número que é conhecido quer pela
estação base, quer pela estação móvel, e que faz parte da informação de sincronização. A
descrição dum dado canal, downlink, refere-se ao seu esquema de numeração. A numeração
do TS é cíclica, mas com um longo período, cerca de 3 horas e meia. Este ciclo foi escolhido
como um múltiplo de todos os ciclos necessários para o múltiplo acesso.
Como foi referido no início deste ponto, a organização temporal depende do canal. Assim
passaremos a especificar esta organização dividindo os canais em dois tipos: Canais edicados
e Canais Comuns.
4.7.1 Canais Dedicados
Estes canais são utilizados quando a estação móvel encontra-se em modo dedicado, como foi
referido atrás. Estes são:
• TCH/F e o seu SACCH ou FACCH
• TCH/H e o seu SACCH ou FACCH
• SDCCH e o seu SACCH
4.7.1.1 TCH/F + SACCH
Um canal TCH/F está sempre associado a um canal de baixo ritmo (slow-rate) para
sinalização, o SACCH. O grupo resultante não vem nomeado nas especificações, mas para
facilitar a explicação, daqui para a frente designaremos-lhe por TACH/F.
Um TACH/F consiste em 1 slot todos os 8 TS em cada direcção, ou seja um slot todos
os 4.615 ms e cujo número de TS (TN) é 8 vezes um inteiro, mais um valor k entre 0 e 7
específico do canal. Este valor k é a fase módulo 8 dos números dos slots do canal.
Dependendo do TN, poderão ser definidos oito tipos de TACH/F, dois dos quais, tendo a
mesma fase, são considerados slots simultâneos.
A separação entre os dois canais, TCH/F e SACCH, está também especificada no
domínio do tempo, utilizando um ciclo de 26 TACH/F, ou seja 26×8 slots sucessivos, o que se
traduz num período de 120 ms. Este período foi escolhido como múltiplo de 20 ms por forma
a obter algum sincronismo com as redes fixas. Assim pode-se explicar o valor anteriormente
atribuído ao TS, pois ele corresponde a exactamente ( )120 26 8× ms, ou seja 15/26 ms.
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
65
Um ciclo de 26 slots de TACH/F inclui 24 slots , nos quais são enviados bursts de
TCH/F, um slot, no qual é enviado um SACCH, e um slot onde não há transmissão, como
podemos observar na Figura 4.10.
0 321 4 765 8 11109 12 151413 16 191817 20 232221 24 25
T TT T T T T S TT T T T T T TT T T T T TT T TT TT T T T T TT T T T T T TT T T T T T ST T T
T TT T T T T TT T T T T T TT T T T T T ST T T
701
8 BP ciclo tempoT
S
TCH/F
SACCH
Figura 4.10 - Organização no tempo de um TACH/F
A posição no tempo dos bursts TCH/F (e só destes), segue um ciclo de 13×8 TS. Os inícios
deste ciclo são quase simultâneos para os TCH/F de diferentes TN’s, ou seja o primeiro slot
do ciclo 13×8 dum TCH/F de TN¨1 segue-se imediatamente ao slot correspondente ao TCH/F
de TN0.
Do ponto de vista da estação de base, a organização na direcção Uplink deriva sempre
da de Downlink, com um atraso de 3 TS. Este valor de atraso é constante para todo o sistema e
permite aos slots dum canal servir com o mesmo TN em ambas as direcções. Mas, o ponto de
vista da estação móvel é afectado por considerações relacionadas com atrasos na propagação,
os quais para grandes distâncias entre o móvel e a BTS não podem ser desprezados, quando
comparados com a duração de um burst.
offset
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7
0 1
0 1
Nº da Trama TDMA
Nº da Trama TDMA
Downlink C 0
Uplink C 0
45 MHz (GSM 900)
95 MHz (DCS 1800)
Transmissão daBTS para a MS
Transmissão da MSpara a BTS
Figura 4.11 – Atraso entre a recepção e a transmissão num móvel
Na Figura 4.11 é considerado que o móvel se encontra muito próximo da BTS, de forma não
se considerar os atrasos na propagação. Mas quando a distância aumenta, estes atrasos não
podem continuar a ser desprezados, e assim, o exacto de 3 TS não pode ser mantido ao mesmo
pela BTS e pelo móvel. Mas é imperativo que os bursts recebidos na BTS “encaixem”
correctamente nos time slots , e que os bursts dos móveis que utilizem time slots adjacentes
não se sobreponham.
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
66
A solução encontrada é a da estação móvel avançar a sua emissão relativamente à
recepção um tempo de compensação. Este tempo é chamado de Timing Advance (avanço
temporal) e é calculado pela BTS e passado ao móvel através da sinalização.
4.7.1.2 TCH/H + SACCH
Também o TCH/H é atribuido juntamente com o seu SACCH, sendo este grupo
denominado por TACH/H. Um TACH/H é definido no tempo, como em média um slot em
cada 16 TS, já que neste canal não é exacta a sua repetição em cada ciclo de 13×16 TS. Este
ciclo é apresentado na Figura 4.12.
0 321 4 765 8 11109 12 151413 16 191817 20 232221 24 25
T TT T T T T S TT T T T T T TT T T T TT T T
T TT T T T T TT T T T T T TTT T T T T ST T T
T TT T T T T T T T T T T TT T T T T T ST T T
70
1
8 BP ciclo tempoS
S
TCH/F e SACCH para MS1
SS
STT
T
T
T TCH/F e SACCH para MS0
Figura 4.12 - Organização no tempo de TACH/Hs.
A separação entre o TCH/H e o seu SACCH é realizada para melhor compreensão do TACH/H
ao longo do ciclo de 13 TACH/H slots, ou seja, 120 ms. O ciclo contém 12 slots para os bursts
TACH/H’s e um para o SACCH. Todos os slots do TACH/H são utilizados para transmissão.
4.7.1.3 SDCCH + SACCH
Quanto ao SDCCH e o seu SACCH, são mais complexos do que os anteriores, pois,
de acordo com a sua organização temporal, os tipos diferem. Alguns estão agrupados em 8, de
forma equivalente a um TACH/F, chamados SADCCH/8. Outros podem estar agrupados em 4
e combinados com canais comuns formam um canal equivalente a um TACH/F, e são
chamados de SADCCH/4.
Todos os SADCCH/8 têm muitas características em comum: seguem um ciclo de
102×8 TS, onde 8 slots são utilizados para os bursts SDCCH e 4 slots são usados para os
bursts SACCH. O comprimento do ciclo SADCCH/8 (102) não traduz uma simples relação
com o ciclo TACH/F (26, e 4 vezes 26 é 104). A origem desta escolha é a de possibilitar a
associação de 4 SADCCH/8 com canais comuns. Esta diferença entre os comprimentos do
ciclo SADCCH/8 e do TACH/F ou /H resulta numa ligeira diferença de velocidades de
transmissão ( 2 % ), para os SACCH’s correspondentes.
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
67
70 1
8 B
P c
iclo
tem
po
08
1224
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
SS
SS
SS
SS
SS
SS
3244
T
SS
48
SS
416
2028
3640
50
5159
6375
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
SS
SS
SS
SS
SS
SS
8395
SS
99
SS
5567
7179
8791
101
S
TS
TS
TS
SA
DC
CH
nº
4T
S
TS
TS
TS
Con
junt
o de
8
026
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
SS
3242
SS
SS
46
SS
2229
3950
5177
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
TT
SS
8393
SS
SS
97
SS
7380
8790
101
36
Con
junt
o de
8
SA
DC
CH
nº
5S
AD
CC
H n
º 6
SA
DC
CH
nº
7
SA
DC
CH
nº
0S
AD
CC
H n
º 1
SA
DC
CH
nº
2
SA
DC
CH
nº
3
Figura 4.13- Organização temporal de SDCCH+SACCH
A relação de fase do SADCCH/8 sofre alterações entre os slots TCH e os SACCH, assim
como também entre as direcções de uplink e downlink. A Figura 4.13 mostra a organização
temporal para ambas categorias de SADCCH/8.
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
68
A partir da figura é fácil compreender que o SADCCH/8, não pode ser derivado de cada um
dos outros por uma simples translação no tempo. O resultado é a existência de 12 diferentes
escalonamentos para os móveis em ligação no SADCCH/8.
4.7.2 Canais Comuns
Os canais comuns foram definidos nas especificações do sistema com o intuito de serem
agrupados de forma a seguirem algumas combinações. As suas definições temporais estão
baseadas no mesmo ciclo: 51×8 TS. Os canais comuns são: FCCH e SCH, o BCCH e PAGCH
(PCH + AGCH), o RACH, e finalmente o CBCH.
Estes canais diferem intencionalmente dos canais dedicados de modo a permitir ao
móvel detectar o canal de sincronização (SCH) e o canal de correcção de frequência (FCCH)
das estações base que o circundam, ambos necessários para que o móvel se sincronize e assim
se mantenha. De facto o importante é que o ciclo dos canais comuns não seja múltiplo dos
canais de tráfego, de forma a permitir a escuta dos canais de sincronismo das estações base
circundantes no slot idle existente nos canais TACH/F.
4.7.2.1 FCCH e SCH
Os canais FCCH e SCH seguem a mesma estrutura temporal, ou seja, 1 slot SCH segue cada
slot FCCH após 8 TS, Figura 4.14. Cada um destes dois canais utiliza 5 slots em cada ciclo
de 51×8 TS. Este conjunto, FCCH+SCH, só é definido uma única vez em cada célula. Em
todas as células, os slots destes dois canais têm a mesma posição dentro do ciclo 8 TS, ou seja,
o mesmo TN, que por definição é o TN 0. Estes canais servem como referência para que o
móvel saiba o TN dum slot, já que cada burst do SCH indica a parte restante da numeração de
time slot.
701
Ciclo de 8 TS tempoFCCH
0 1 1110 20 21 30 31 40 41
SCH
F S F S F S F S F S
F
S
Figura 4.14 - Organização Temporal dos FCCH e SCH
4.7.2.2 BCCH, PCH e AGCH
Além dos dois canais anteriormente referidos, os canais comuns incluem os canais
BCCH, PCH e o AGCH. A diferença entre estes dois últimos canais reside mais na sua
utilização do que nas sua características de transmissão. A organização entre o PCH e o
AGCH é bastante variável e pode ser diferente de célula para célula. Ao conjunto do PCH e o
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
69
AGCH é chamado de PAGCH. São definidos dois tipos de PAGCH, de acordo com as suas
capacidades, já que utilizam um número diferente de slots no ciclo. O de maior capacidade é
denominado por PAGCH/F e ocupa 9 blocos de 4 TS cada um. O de menor capacidade por é
denominado por PAGCH/T e ocupa uma terça parte do anterior, utilizando 3 blocos de 4 TS
cada um. O grupo de canais formado por um BCCH e um PAGCH/F utiliza 40 slots em cada
ciclo de 51×8 TS, enquanto o grupo formado por BCCH e um PAGCH/T utiliza 16 slots do
ciclo 51×8 TS, como mostra a Figura 4.15.
BCCH
2 6 12 22 32 42
PAGCH
701
Ciclo de 8 TS tempo
B
P
B
B
B B P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P
50
2 6 12 22 32 42
B B B B P P P P P P P P P P P P
50
PAGCH/F:
PAGCH/T:
Figura 4.15 - Organização temporal do BCCH e do PAGCH
4.7.2.3 RACH
Tal como o PAGCH, o canal RACH divide-se também em dois tipos, consoante a sua
capacidade. O RACH/F utiliza 1 slot todos os 8 BP, de forma que a sua organização é
semelhante à do TACH/F em uplink. O RACH/H utiliza 23 slots em cada 51×8 BP de forma
equivalente a 2 vezes o canal TACH/F em uplink. A Figura 4.16 mostra-nos a sua
organização temporal.
2 6 12 22 32 42
RACH
701
Ciclo de 8 TS tempoR
R R R R R R R R
50
14 36 45
RACH/F:
RACH/H:
R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R RR
4
R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R RR R
Figura 4.16 - Organização Temporal de um RACH.
4.7.2.4 Organização dos Canais na Célula
A organização dos canais numa célula relaciona-se com a gestão dos recursos temporais da
estação de base. Como um transreceptor elementar (TRX) não pode emitir ou receber dois
bursts em diferentes frequências durante o mesmo time slot , a estação de base contém
normalmente diversos TRX’s de forma a atingir uma determinada capacidade. De forma a
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
70
optimizar os custos, é desejável escolher canais de forma a que formem grupos onde só um
burst é emitido num dado instante, assim como ocupar os time slots dentro destes grupos tanto
quanto possível.
De forma a facilitar os agrupamentos referidos, a organização do interface rádio faz
grande uso do ciclo 8 TS. Assim todo o TRX é capaz de cobrir 8 grupos de canais,
correspondendo cada grupo a um dado TN.
Numa célula, existem três possíveis combinações de canais comuns . Todas as
células, como foi referido anteriormente, difundem um único FCCH e um único SCH, mas
para o BCCH, PAGCH, e RACH, cada célula suporta pelo menos 1 canal. Os canais comuns
são sempre agrupados de modo a tirar a máxima eficiência do espectro. As três combinações
possíveis são:
1ª Básica. Inclui na direcção de downlink 1 FCCH, 1 SCH, 1 BCCH e 1 PAGCH,
todos com o mesmo TN 0. Na direcção de uplink, esta configuração contém 1
RACH/F. Todos estes canais utilizam a mesma quantidade de recursos que um
TACH/F, o que permite que uma única estação base passa gerir esta combinação
mais sete canais de TACH/F (de TN 1 a 7), Figura 4.17.
BCCH
2 6 12 22 32 42
PAGCH
70
1
Ciclo de 8 TS tempo
B
P
B
B
B B P P P P P P P P P P P P
50
2 6 12 22
R
32 42
R R R R R R R R R R R R R R R R
50
Downlink:
Uplink:
FCCH
SCHS
F
F S F S F S F S F S
R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R R RRR
RACHR
P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P
Figura 4.17 - Combinação Básica de canais comuns
2ª Células de pequena capacidade. Quando a capacidade de 1 PAGCH/T e um
RACH/F não são necessários, o operador pode estar interessado em combinar
para downlink 1 PAGCH/T com o usual SCH, FCCH, BCCH mais 4 SDCCH/8
(downlink). Para uplink a combinação é de um canal RACH/H mais quatro canais
SDCCH/8 (uplink) , Figura 4.18.
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
71
BCCH
2 6 12 22 32 42
PAGCH
701
Ciclo de 8 TS tempo
B
P
B
B
B B P P P P P P P P P P P P D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D
50
2 6 12 22 32 42
D D R R D D D D D D R R R R R R
50
Downlink:
Uplink:
FCCH
SCHS
F
F S F S F S F S F S
D D D D R R R R R R R R R R R R R R R R R D D D D D D D D D D D DRR
RACH
SDCCH/8D
R
Figura 4.18 - Combinação de canais comuns para células de pequena capacidade
3ª Células de grande capacidade. Utilizada quando a capacidade de um canal
PAGCH/F e um RACH/F não são suficientes para muito tráfego. Assim nesta
combinação uma célula pode acomodar três conjuntos de extensão, contendo cada
extensão os mesmos canais que uma combinação básica, excepto os canais FCCH
e SCH, que são únicos para a mesma célula.
No Quadro 4.2, podemos observar as diversas combinações possíveis de canais com o
mesmo TN, enquanto no Quadro 4.3 estão representadas as possíveis combinações de canais
na mesma célula, conforme a capacidade pretendida para esta.
Canais Slots não Utilizados
1 TACH/F 1 em 26
2 TACH/H nenhum
8 SDCCH/8 3 em 51
1 SCH + 1 FCCH + 1BCCH + 1 PAGCH/F + 1 RACH/F
downlink: 1 em 51
uplink: nenhum
1 BCCH + 1 PAGCH/F + 1 RACH/F Downlink: 11em 51
uplink: nenhum
1 BCCH + 1 PAGCH/T + 1 RACH/H + 4 SDCCH/8
downlink: 11 em 51
uplink: nenhum
Quadro 4.2 - Combinações possíveis de canais com o mesmo TN.
Interface Rádio Capítulo 4
ISEL-DEEC-SST
72
Capacidade da Célula Número de TRX Combinações Possíveis
Pequena 1 TRX’s TN 0: FCCH, SCH, BCCH, PAGCH/T, RACH/H, 4TACH/8; TN 1 a 7: 1 TACH/F cada.
Média 4 TRX’s
TN 0: FCCH, SCH, BCCH, PAGCH/F, RACH/F; 2 × 8 TACH/8; 29 TACH/F.
Grande 12 TRX’s
TN 0: FCCH, SCH, BCCH, PAGCH/F, RACH/F; 1 TN 2, 1 TN4, 1 TN 6: BCCH, PAGCH/F, RACH/F; 5 × 8 TACH/8; 87 TACH/F.
Quadro 4.3 - Combinações possíveis de canais na mesma célula.
4.7.3 Restrições
Os canais comuns, FCCH, SCH, BCCH, PAGCH e RACH, são uma restrição à utilização da
frequency hopping, pois neste caso a utilização de frequência fixa é obrigatória. Esta restrição
tem a finalidade de permitir uma mais fácil aquisição de sincronismo, já que o móvel para
detectar um burst FCCH vai tentar detectar um burst SCH na mesma frequência. Como este
burst é demasiado pequeno para conter a sequência de hopping para o BCCH, a forma mais
simples de ultrapassar isto é colocar o BCCH na mesma frequência que o SCH. Se o PAGCH
e o RACH fossem canais hopping, as suas sequências de hopping podiam ser difundidas no
canal BCCH, mas iria tornar o sistema ainda mais complexo.
Outra particularidade dos canais comuns, é que a frequência que estes utilizam deve
ser emitida continuamente, mesmo que não haja informação para completar os bursts . Esta
particularidade deve-se ao facto de simultaneamente existirem móveis, nas células vizinhas,
que continuamente fazem medidas nestas frequências, de forma a determinar a melhor célula
a que devem ligar-se.
4.8 Tramas
A numeração de tramas em GSM é fundamental, pois os mecanismos criptográficos utilizam
como parâmetro este mesmo número de trama. Assim a estação de base está encarregada de
numerar todas as tramas, dentro de um padrão cíclico, devido à encriptação.
Uma trama é definida como uma sucessão de slots . A trama elementar, Trama
TDMA, é constituída por 8 time slots começando num time slot 0 , com uma duração de 4,615
ms. O extracto seguinte da hierarquia de tramas do GSM , Figura 4.19, é composto pela
Multitrama-26 ou Multitrama-51.
Interface Rádio Capítulo 4
Sistemas de Telecomunicações I
73
A multitrama-26 é definida como uma sucessão de 26 tramas TDMA, e corresponde
ao ciclo de 26×8 TS ou 120 ms utilizado no transporte do TACH/F e do TACH/H. Da mesma
forma a multitrama-51 é definida como uma sucessão de 51 tramas TDMA, e corresponde ao
ciclo de 51×8 TS utilizado no transporte do TACH/8 e nos canais comuns. A multitrama-51 é
geralmente utilizada para sinalização. A escolha entre estas duas multitramas é efectuada pelo
operador aquando da optimização do sistema.
543210 204720462045204420432042
1 Hipertrama = 2048 Supertramas = 2.715.648 Tramas TDMA (3 horas 28 min 53 seg 760 microseg
0
1 supertrama = 1326 tramas TDMA (6,12 seg)
1 2 3 4 46 47 48 49
24 25
50= 51 Multitramas 26 ou 26 Multitramas 51
0 1 2 3 22 23 24 25 0 1 2 3 47 48 49 50
1 Multitrama 51 = 51 tramas TDMA
0 1
1 Multitrama 26 = 26 tramas TDMA
2
0 1 2 3 4 5 6 7
1 trama TDMA = 8 Timeslots (4,615 ms)
Tempo deGuarda
8.25
Tail
3
Informação
57
Informação
57
S
1
S
1
Sequênciade Teste
26
Tail
3
148 bits
1 Timeslot = duração de 156,25 bits (15/26 ~ 0,577 ms)
Figura 4.19 - Hierarquia de tramas
A Supertrama é constituída por 51×26 tramas TDMA, com uma duração de 6,12 s, e
corresponde ao menor ciclo para o qual a organização de todos os canais é repetida.
No topo desta hierarquia encontra-se a Hipertrama, o período de numeração, ou seja o
número 2 715 648. Tem um comprimento de 2048×51×26×8 BP, ou seja 12535,760 segundos
ou 3 horas, 28 minutos, 53 segundos e 760 milisegundos. É obviamente um múltiplo de todos
os ciclos cotados anteriormente, e representa todos os ciclos na transmissão no percurso rádio.
Capítulo
5 Numerações e
Identificações
5.1 Introdução
Uma rede GSM é bastante complexa, sendo composta por dois sistemas, o sistema de estações
base e o sistema de comutação. O sistema de comutação por sua vez é composto pelas
entidades MSC, VLR, HLR, AuC e EIR que permitem efectuar o interface entre o sistema de
estações base e a PSTN/ISDN. Se pensarmos ainda que cada operador pode dispor de
diversos MSC’s, VLR’s e HLR’s encaminhar uma chamada ainda se torna mais complexo.
De forma a que o encaminhamento e comutação de uma chamada de ou para um móvel
seja feito de uma forma eficiente, ou seja, da forma mais curta e mais rápida, deverão intervir
neste processo o mínimo de entidades possíveis. Para isso existe um plano de numeração e
endereços cujo objectivo é acelerar e tornar o encaminhamento mais fácil. É por esta razão
que se torna importante percebermos a constituição das identificações que estão envolvidas
em GSM. Este é o objectivo deste capítulo.
5.2 Identificação dos Assinantes Móveis
A cada assinante do sistema GSM deverá ser atribuída uma identificação internacional de
assinante móvel única. Esta identificação é definida pelo CCITT como International Mobile
Subscriber Identity – IMSI.
O IMSI facilita a correcta identificação do assinante ao longo de todo o percurso rádio, bem
como através da rede e é utilizado em toda a sinalização no sistema GSM. Toda a informação
Numerações e Identificações Capítulo 5
ISEL-DEEC-SST
76
existente no sistema relacionada com o assinante está ligada a um IMSI. O IMSI é guardado
no SIM, HLR e no VLR associado à área de localização onde se encontra o assinante móvel.
De forma a disponibilizar o serviço de confidencialidade do assinante, protegendo a
identificação do assinante no interface rádio, os VLR’s poderão atribuir uma identificação
temporária aos assinantes visitantes denominada por Temporary Mobile Subscriber Identity –
TMSI. O VLR terá de ser capaz de correlacionar o IMSI e o TMSI para um determinado
móvel. O TMSI tem um significado apenas local, ou seja, dentro da área de um MSC/VLR, e
é alterado em determinados intervalos de tempo ou quando ocorrerem eventos relacionados
com o assinante.
Para que a procura dos dados do assinante no VLR se torne o mais rápida possível é definida
uma identificação suplementar denominada por Local Mobile Station Identity – LMSI. O
LMSI pode ser atribuído pelo VLR durante a actualização de localização sendo então enviada
para o HLR juntamente com o IMSI. Apesar de o HLR não utilizar esta identificação, esta é
incluída juntamente com o IMSI em todas as mensagens relacionadas com a estação móvel
enviadas para o VLR .
5.2.1 Composição do IMSI
A composição do IMSI está representada na seguinte figura:
3 dígitos 2 dígitos15 dígitos no máximo
NMSIIMSI
MCC MNC MSIN
Figura 5.1 - Constituição do IMSI.
O IMSI é composto por três partes:
i) Mobile Country Code (MCC). O MCC é constituído por três dígitos e
pretende ser a identificação móvel do país onde está domiciliado o
assinante móvel. Esta identificação é atribuída pelo CCITT, de acordo com
o anexo A da recomendação E.212. No caso de Portugal o código é 268;
ii) Mobile Network Code (MNC). Em aplicações GSM o MNC é constituído
por dois dígitos. Este código identifica o operador GSM (PLMN) a que
pertence o assinante móvel.
iii) Mobile Subscriber Indentification Number (MSIN). O MSIN identifica o
assinante móvel dentro do operador móvel GSM.
Numerações e Identificações Capítulo 5
Sistemas de Telecomunicações I
77
A identificação nacional do assinante móvel – NMSI é composta pelo MNC e pelo MSIN.
5.2.2 Estrutura do TMSI
Uma vez que o TMSI apenas tem um significado local, ao nível de cada MSC/VLR, a
respectiva estrutura e codificação é escolhida por acordo entre o fabricante e o operador. No
entanto a estrutura não pode exceder os quatro octetos, podendo ser utilizada uma
representação hexadecimal para a sua codificação.
O TMSI só deve ser atribuído em modo encriptado, de acordo com a especificação GSM
03.20. Existe no entanto uma restrição quanto à constituição deste código, não podendo este
ser constituído por 32 bits a “1”. Isto acontece porque o TMSI tem de ser guardado no SIM, e
este utiliza 32 bits a “1” para indicar que o TMSI não é válido.
5.3 Plano de Numeração para Estações Móveis
O plano de numeração descrito aqui define a estrutura dos números utilizados por um
assinante de uma rede fixa (ou móvel) para efectuar uma chamada telefónica para um móvel
pertencente a um operador GSM.
Em principio deve ser possível a qualquer assinante do ISDN ou PSTN efectuar chamadas
para qualquer móvel de uma PLMN GSM. Isto implicará que os números ISDN dos móveis
devem estar de acordo com o plano de numeração em cada país.
5.3.1 Estrutura do Número ISDN da Estação Móvel (MSISDN)
O MSISDN identifica de uma forma única o assinante móvel a partir de um plano de
numeração de uma rede telefónica pública. São estes os números marcados quando se efectua
uma chamada para um utilizador móvel.
Os MSISDN’s são atribuídos de acordo com o plano de numeração da recomendação E.164
do CCITT e E.213. A sua composição é a seguinte:
Número Móvel Nacional
Número Móvel ISDN Internacional daEstação Móvel
CC NDC SN
Figura 5.2 - Constituição do MSISDN.
O número é composto por:
Numerações e Identificações Capítulo 5
ISEL-DEEC-SST
78
i) Country Code (CC). Código do país onde o móvel está registado. No caso
de Portugal é 351.
ii) National Destination Code (NDC). É atribuído um código nacional do
destino a cada PLMN, podendo em certos países atribuír-se mais do que
um NDC para cada PLMN GSM.
iii) Subscriber Number (SN) . Número do assinante móvel destino.
O MSISDN poderá ter uma dimensão total variável, sendo limitado no máximo a 15 dígitos,
excluindo os prefixos.
Por exemplo, um assinante espanhol que pretenda efectuar uma chamada para um assinante
móvel português, terá de marcar:
Prefixo Internacional em Espanha
Código do País
Código destino Nacional
Número do Assinante
00 351 933 3344556
5.4 Número de Roaming da Estação Móvel
O Mobile Station Roaming Number (MSRN) é utilizado para encaminhar uma chamada
directamente para a estação móvel. O MSRN deve ser constituído pela mesma estrutura que o
MSISDN, tendo em atenção que agora SN é o endereço da MSC.
MSRN
CC NDC SN
Figura 5.3 - Constituição do MSRN
A utilização do MSRN pode ser melhor compreendida lendo o capítulo 6. Quando chega uma
chamada para um móvel, o GMSC envia ao HLR o MSISDN. O HLR sabe em que Área de
Serviço de MSC/VLR é que o assinante está localizado presentemente. Assim, de forma a
disponibilizar um número temporário que será utilizado para o encaminhamento, o HLR pede
à corrente VLR/MSC para atribuir e retornar o MSRN do assinante destino.
Numerações e Identificações Capítulo 5
Sistemas de Telecomunicações I
79
VLR
HLR
PSTN GMSCMSISDN
MSC
MSISDN
MSRN
IMSI MSRNMSRN
1
2
3 45
6
IMSI Endereço MSC
IMSI MSRN
Figura 5.4 - Utilização do MSRN.
Quando o HLR recebe o MSRN, envia-o para o GMSC, o qual por sua vez encaminha a
chamada para o comutador MSC/VLR onde o assinante chamado está registado
presentemente.
5.5 Identificação das Estações base e Áreas de Localização
5.5.1 Composição da Identificação da Área de Localização
A Identificação da Área de Localização (LAI) é utilizada em duas situações distintas:
1. Paging. Neste caso serve para informar o MSC de qual a área de
localização em que está a estação móvel, para lhe ser enviado paging;
2. Actualização de localização dos assinantes móveis.
3 dígitos 2 dígitos
Identificação da Área de Localização
MCC MNC LAC
2 dígitos
Figura 5.5 - Constituição da LAI
A LAI é composta por três partes:
i) Mobile Country Code (MCC). O MCC é constituído por três dígitos e
pretende ser a identificação móvel do país onde está domiciliado o
assinante móvel. O valor do MCC é o mesmo dos três dígitos contidos no
IMSI;
Numerações e Identificações Capítulo 5
ISEL-DEEC-SST
80
ii) Mobile Network Code (MNC). Este código identifica o operador GSM
(PLMN) a que pertence o assinante móvel. O valor do MNC é o mesmo
dos dois dígitos contidos no IMSI;
iii) Location Area Code (LAC). O código da área de localização tem
comprimento fixo (2 octetos) e identifica uma determinada área de
localização dentro operador GSM.
5.5.2 Identificação Global da Célula
A Identificação Global de Célula (CGI) é utilizada para identificar a célula dentro de uma
determinada área de localização. Esta identificação é conseguida, juntando à LAI a
Identificação da Célula (CI) que tem um comprimento fixo de 2 octetos, ou 16 bits.
3 dígitos 2 dígitos
Identificação da Área de Localização
MCC MNC LAC
2 dígitos
CI
2 dígitos
Identificação Global da Célula (CGI)
Figura 5.6 - Constituição da CGI
5.5.3 Código de Identificação da Estação Base
A estação móvel tem que descodificar número de referência da estação base que a está a
servir. Este número de referência é denominado por BSIC - Código de Identificação da
Estação Base (BSIC), o qual se aplica mais propriamente a uma célula, sendo uma
identificação ambígua. Várias células podem ter o mesmo BSIC, sendo mesmo prática
corrente atribuir o mesmo BSIC às células vizinhas. O BSIC permite que as estações móveis
distingam as células que transmitem o seu canal de referência na mesma frequência (ver
Figura 5.7). Por exemplo, quando o espectro rádio disponível para um determinado operador
é limitado a, por exemplo, 2 MHz, a planificação da frequência tem que abranger pelo menos
10 frequências.
O melhor método de atribuição de frequência de referência pode não ser capaz de
evitar a sobreposição da cobertura neste caso, e uma estação móvel passa a receber em certos
casos dois canais de referência com a mesma frequência. Uma situação semelhante é também
ao longo das fronteiras. Enquanto que dentro dum país a atribuição de frequências para os
diferentes operadores é de tal modo a evitar a sobreposição, dois operadores públicos em cada
lado da fronteira podem ter a mesma frequência em comum. Na maioria dos casos, uma
estação móvel contínua em posição de receber a mesma frequência de referência transmitida
por duas estações bases de diferentes operadores. Por todas estas razões, é necessária a
Numerações e Identificações Capítulo 5
Sistemas de Telecomunicações I
81
utilização de um método que permita distinguir células que utilizam a mesma frequência de
referência. Este é o papel do BSIC, uma palavra de código de 6 bits, difundida no SCH em
todas as células.
BSIC1
f1
BSIC2
BSIC3
f1
f1
BSIC0
f1
BSIC0
f1 f1
BSIC2
Figura 5.7 Escolha do BSIC.
O BSIC é um código de 6 bits de comprimento, sendo estruturado da seguinte forma:
3 bits
BSIC
NCC BCC
3 bits
Figura 5.8 - Constituição do BSIC
O BSIC é composto por duas partes:
i) Network Colour Code (NCC). O NCC (3 bits) identifica o país. Este
código serve para diferenciar países junto das suas fronteiras, pelo que o
código poderá repetir-se entre países. A seguir é apresentada uma lista de
NCC’s que serve de exemplo para a região da Europa:
Austria : 0 Belgium : 1 Cyprus : 3 Denmark : 1 Finland : 0 France : 0 Germany : 3 Greece : 0 Iceland : 0 Ireland : 3 Italy : 2 Liechtenstein : 2
Numerações e Identificações Capítulo 5
ISEL-DEEC-SST
82
Luxembourg : 2 Malta : 1 Monaco : 3 (poss ibly 0 (=France)) Netherlands : 0 Norway : 3 Portugal : 3 San Marino : 0 (possibly 2 (=Italy)) Spain : 1 Sweden : 2 Switzerland : 1 Turkey : 2 UK : 2 Vatican : 1 (possibly 2 (=Italy) Yugoslavia : 3
ii) Base Station Colour Code (BCC). O BCC (3 bits) identifica a estação
base, de forma a ajudar a distinguir entre estações base que utilizem a
mesma frequência para os canais de Broadcast.
É atribuído um BSIC a cada célula, dentro de 64 valores possíveis. Em cada célula, o seu
BSIC é difundido em cada burst enviado no SCH, sendo então conhecido pelas estações
móveis que estão sincronizadas com a célula. O BSIC é utilizado para diversas funções,
ajudando a evitar ambiguidades ou interferências que podem resultar quando a estação móvel
está numa determinada posição que permita a recepção de duas células que utilizam a mesma
frequência de Broadcast.
No caso de a MS estar ligada a uma das células em causa, o BSIC tem as seguintes
funções:
– Os três bits menos significativos do BSIC (BCC) indicam qual das 8
sequências de treino é utilizada nos bursts enviados nos canais comuns de
downlink da célula. Diferentes sequências de treino permitem uma
melhor qualidade de recepção em caso de interferência.
O BSIC é utilizado para modificar os bursts enviados pela estação móvel no canal de acesso.
Este procedimento ajuda a evitar que uma das células descodifique correctamente os bursts de
acesso enviados para a outra célula.
5.5.4 Identificação da Zona de Assinatura Regional
Para as assinaturas regionais têm de ser definidas zonas/regiões onde é permitido o Roaming.
Isto é conseguido pelo Regional Suscription Zone Identity (RSZI). A estrutura do RSZI é a
seguinte:
Numerações e Identificações Capítulo 5
Sistemas de Telecomunicações I
83
RSZI
CC NDC ZC
Figura 5.9 - Constituição da RSZI
O RSZI é composto por:
i) Country Code (CC). Código do país onde o móvel está registado. No caso
de Portugal é 351.
ii) National Destination Code (NDC). É atribuído um código nacional do
destino a cada PLMN, podendo em certos países atribuir-se mais do que
um NDC para cada PLMN GSM.
iii) Zone Code (ZC). Código da zona em causa.
5.5.5 Número de Localização
O Número de Localização (LN) é um número que define uma determinada localização dentro
de uma rede GSM. Este número é utilizado para implementar serviços como assinaturas
regionais/locais e diferenciar contas geograficamente.
O LN é constituído da seguinte forma:
LN
CC NDC LSP
Figura 5.10 - Constituição do LN
A estrutura do campo LSP do número de localização é resultado de um acordo entre o
operador GSM e a entidade reguladora de comunicações dentro do país. É desejável que este
número seja facilmente interpretável sem conhecimento da estrutura interna da rede GSM.
Assim normalmente é atribuído a este número o código regional utilizado nas redes fixas.
5.6 Identificação da Estação Móvel e Versão do Software
5.6.1 Identificação Internacional do Equipamento da Estação Móvel
A Identificação Internacional do Equipamento da Estação Móvel (IMEI) é utilizada para
identificar de forma única o equipamento móvel.
O IMEI está estruturado do seguinte modo:
Numerações e Identificações Capítulo 5
ISEL-DEEC-SST
84
6 dígitos 2 dígitos
IMEI - 15 dígitos
TAC FAC SNR spare
6 dígitos 1 dígito
Figura 5.11 - Constituição do IMEI
O IMEI é composto pelos seguintes campos:
i) Type Approval Code (TAC). Este código é determinado por uma entidade
central quando é aprovado o equipamento.
ii) Final Assembly Code (FAC). Identifica o fabricante.
iii) Serial Number (SNR). O número de série identifica de forma única cada
equipamento com o mesmo TAC e FAC.
iv) Spare. Um bit separado para uma utilização futura. Este dígito deverá ter
sempre o valor 0 quando transmitido pela estação móvel.
Identificação Internacional do Equipamento Móvel e Número da Versão do Software
A Identificação Internacional do Equipamento Móvel e Número da Versão do Software
(IMEISV) é utilizada para identificar de forma única o equipamento móvel e o software.
O IMEISV está estruturado do seguinte modo
6 dígitos 2 dígitos
IMEISV
TAC FAC SNR SVN
6 dígitos 2 dígitos
Figura 5.12 - Constituição do IMEISV
O IMEI é composto pelos seguintes campos:
i) Type Approval Code (TAC). Este código é determinado por uma entidade
central, quando é aprovado o equipamento.
ii) Final Assembly Code (FAC). Identifica o fabricante.
iii) Serial Number (SNR). O número de série identifica de forma única cada
equipamento com o mesmo TAC e FAC.
iv) Software Version Number (SVN). Permite ao fabricante do equipamento
móvel identificar diferentes versões do software de um determinado tipo de
hardware. O valor 99 no SVN é reservado para uma futura utilização.
Capítulo
6 Sinalização em
GSM
6.1 Introdução
Os capítulos anteriores trataram de abordar sucintamente as soluções técnicas adoptadas pelo
GSM ao nível de arquitectura, interfaces e equipamento. Todas essas questões partilham do
mesmo objectivo: assegurar um conjunto de serviços de forma fiável e segura. Isto permitirá
ao utilizador GSM desfrutar de uma série de serviços e facilidades, nunca antes oferecidas, de
uma forma simples e rápida. Para isso existe um conjunto de operações, e troca de
informações, efectuadas no sistema que o comum dos utilizadores jamais se aperceberá, mas
que por vezes se revestem de alguma complexidade.
Neste capítulo, a que demos o nome de sinalização em GSM iremos abordar os mais
importantes procedimentos efectuados por um móvel em GSM, de uma forma superficial e
simplista. Isto porque a complexidade de informação e sinalização envolvida nos
procedimentos em GSM requeria não só um grande dispêndio de tempo, bem como um
extenso conhecimento ao nível de redes fixas, tal como ISDN, SS7, etc. Este tipo de
informação deverá ser dado apenas em forma de especialização a engenheiros que estejam
directamente envolvidos profissionalmente com as questões em causa..
6.2 A Sinalização em GSM
A maior parte do processamento de sinalização em GSM passa-se ao nível da camada 3. A
camada 3, é em termos de sinalização a mais complexa, estando encarregada principalmente
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
86
de estabelecer, manter e terminar uma ligação. A camada 3 assegura as funções de suporte
necessárias relacionadas com o controlo dos serviços suplementares e o serviço de mensagens
curtas. As normas GSM consideram que esta camada é composta por três subcamadas com
objectivos específicos, e independentes entre si.
Em primeiro lugar existe a subcamada de Gestão dos Recursos Rádio , cujo papel é
estabelecer e libertar ligações estáveis entre estações móveis e um MSC enquanto a chamada
decorrer e qualquer que seja a movimentação do utilizador. Deve jogar com um recurso rádio
limitado e geri-lo dinamicamente entre todas as necessidades.
A subcamada de Gestão de Mobilidade está principalmente relacionada com estação
móvel, mais precisamente o SIM no interior do móvel, a HLR e o MSC/VLR. A gestão das
funções de segurança é realizada pelas mesmas máquinas, mais precisamente belo AuC que
está situado no interior do HLR. A BSS não faz parte desta subcamada.
As funções da subcamada Gestão de Chamadas são o estabelecer um circuito para
um determinado utilizador quando lhe for pedido, e claro manter e libertar. Esta subcamada
inclui meios postos à disposição do utilizador de forma a este manter algum controlo sobre a
gestão das chamadas que origina ou recebe, através de serviços suplementares. A variedade
destas funções, torna mais fácil a sua explicação agrupando-as em três domínios:
Controlo de Chamadas. Os MSC/VLR’s, GMSC’s e HLR’s, através de
funções básicas de gestão de chamadas, são capazes de gerir a maior
parte de serviços orientados ao circuito, postos à disposição do
utilizador, incluindo voz e dados;
Serviços Suplementares. Estes serviços têm o objectivo de co nceder
algum controlo sobre as chamadas ao utilizador que as originou ou
recebeu.
Serviços de Mensagens Curtas. O sistema está ligado a um centro de
serviços de mensagens curtas, que pode estar ligado a várias redes,
proporcionando assim um serviço de envio de mensagens curtas ponto -a-
ponto.
6.3 Modos de Operação
Para melhor percebermos os diversos procedimentos, bem com a sinalização envolvida será
conveniente definirmos aqui os modos de operação de uma estação móvel GSM.
Simultaneamente identificaremos as operações e procedimentos envolvidos nestes modos de
operação. Uma estação móvel pode estar situada em três modos de operação:
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
87
1. Modo Inactivo. Neste modo o móvel está completamente desligado, está
OFF. O móvel está desligado da rede, que não é informada das mudanças
de posição do móvel nem o móvel recebe qualquer informação desta.
2. Modo Espera. O móvel está alimentado, está ON, mas não está envolvido
em qualquer comunicação com a rede. No entanto este está ligado à rede,
seleccionando a melhor célula a que se deve comunicar, (re)selecção de
célula. Para isso continuamente a estação móvel retira medidas acerca da
intensidade e qualidade do canal BCCH da sua célula e das células
vizinhas. Quando esta abandona a uma área de localização, tem que
informar a rede acerca da sua nova área de localização, actualização de
localização. A rede, conhecendo a localização do móvel pode enviar
paging para este quando necessário. Além disto, o móvel pode ainda,
neste modo, realizar o acesso aleatório . A estas possibilidades,
movimentação, selecção de célula e de novas áreas de localização, com a
possibilidade de receber paging da rede, e ainda de efectuar acessos
aleatórios é chamado de roaming.
3. Modo Dedicado. A estação móvel está envolvido na comunicação com o
sistema, tendo-lhe o sistema associado um canal dedicado, como
resultado do acesso aleatório feito pelo móvel. Esta comunicação inclui
autenticação, encriptação, configuração de chamada e atribuição de um
canal de tráfego. A rede informa o móvel relativamente aos valores de
controlo de potência e avanço no tempo . Tal como no modo anterior,
neste modo a estação móvel efectua continuamente medidas ao sinal
recebido da sua célula e das células vizinhas. Quando, em resultado das
medidas, a célula vizinha oferece melhores condições de comunicação, é
efectuado um handover, durante o qual a chamada é redireccionada para
a nova célula. A decisão de handover é tomada pelo sistema com base
nas informações recebidas do móvel sobre a qualidade e intensidade de
sinal e com base na situação de tráfego.
Em seguida iremos abordar estes dois últimos modos de operação do móvel, descrevendo
alguns dos procedimentos referidos. Mas antes, analisemos a forma como são efectuadas as
medidas de intensidade de sinal, que em modo de espera, quer em modo dedicado.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
88
6.4 Medidas de Intensidade de Sinal
As medidas de intensidade do sinal desempenham um papel fundamental no sistema, pois é a
partir delas que se faz mudança de estação base, controle de potência, etc. As medidas de
intensidade do sinal são efectuadas pela estação móvel em ambos os modos de
funcionamento, o modo de espera e o modo dedicado.
6.4.1 Modo de Espera
O móvel é considerado em modo de espera quando ligado (alimentado), mas não possui
nenhum canal dedicado para troca de informação. Ao ligar o aparelho, é automaticamente
feita a selecção da célula, podendo esta ser realizada de duas formas:
O móvel ao ligar-se, faz um varrimento aos 124/374 canais rádio e calcula os
níveis médios de cada um deles. Em seguida sintoniza a frequência do canal com
nível mais forte e tenta detectar um canal BCCH nessa frequência. Caso o canal
rádio não contenha um canal BCCH, o móvel sintonizará o 2º canal mais forte e
assim consecutivamente. Ao detectar o canal BCCH, o móvel lê os respectivos
dados para saber se se pode “agarrar” a essa célula.
Outra forma da escolha da célula é por consulta a dados em memória. O móvel
tem incluído na memória do SIM quais as portadoras BCCH a monitorizar na
selecção da célula. Esta lista inclui as 6 portadoras mais fortes e é actualizada
pelo móvel.
6.4.2 Modo Dedicado
Neste modo o móvel já tem um canal dedicado, estando portanto uma chamada em curso.
Durante esta chamada o móvel juntamente com a informação, reporta continuamente, por
intermédio do SACCH, o nível do sinal recebido.
Vários aspectos do processo de medidas merecem algumas explicações. Um deles é
como as medidas realizadas pela estação móvel e pela estação de base têm que ser
transferidas para um único ponto para tratamento, o BSC. Este será o primeiro ponto a
estudar. Outro ponto é de como a estação móvel realiza as medições relativamente às estações
base vizinhas.
6.4.2.1 Relatório de Medidas
De forma a tornar os handovers eficientes, o ritmo a que é feito medidas deve ser tão alto
quanto possível. Em GSM, o ritmo mínimo de envio de relatório é de uma vez por segundo. A
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
89
estação móvel tem que reportar as medidas, não só da a célula que a serve, mas também de
todas as células vizinhas possíveis, as quais podem ser candidatas a células destino. Neste
sistema as estações móveis podem efectuar medidas de até 6 células vizinhas, mais as
medições relativas à célula que a serve.
A actividade de relatório de medidas da estação móvel representa um ritmo de pelo
menos 130 bit/s. Este relatório é transportado pelas mensagens no canal de sinalização
pequeno associado com cada TCH e chamado SACCH, cuja máxima capacidade equivale a
duas vezes este ritmo. Assim, o ritmo de actualização pode ser de até duas vezes por segundo,
se o SACCH não está a ser utilizado para outros propostos em paralelo. E aqui fica uma razão
porque foi escolhido ter um canal separado do canal principal. Se a multiplexagem do TACH
(TACH = TCH + SACH) não for feita com base em bursts , mas através da partilha de bursts
(uns poucos bits para o SACCH e os restantes para o TCH), então a transmissão descontínua
tinha que ser inútil por causa dos constantes pedidos para relatório de medidas.
6.4.2.2 Medições das Células Vizinhas
A necessidade da estação móvel efectuar medições sobre o nível de recepção das células
vizinhas, enquanto se encarrega de uma chamada numa determinada célula, levanta um
número de questões técnicas. A primeira questão é simplesmente saber quando pode a estação
móvel realizar estas medições.
Em GSM, é possível às estações móveis efectuarem estas medições enquanto mantêm
a ligação, e sem necessitar que tenham dois receptores, graças ao mecanismo do TDMA. Na
verdade, a estação móvel mede as características das células vizinhas no intervalo entre a
transmissão de um burst e a recepção de outro burst . Estes intervalos são de comprimento
variado, dependendo do tipo de canal dedicado. O pior caso corresponde ao TACH/F. Os
intervalos, para cada período de 120 ms, são mostrados na Figura 6.1 e são como se segue:
• Desde o fim da recepção até ao inicio da transmissão: 26 intervalos de
2 TS-ε, onde um TS dura pelo menos 577 µs e ε representa o avanço
temporal;
Estes intervalos são demasiados curtos para serem utilizados para
medidas.
• Desde o fim da transmissão até ao inicio da recepção: 26 “pequenos”
intervalos de 4 TS+ε e um “longo” intervalo de 12 TS +ε. Este intervalo
existe graças ao slot idle não utilizado no ciclo 26.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
90
0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2
0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2
23 24 idle
idle2423
Tramas TDMA
Tramas TDMA
Uplink
Downlink
45/95 MHz ≈1ms
≈2 ms ≈6 ms
Figura 6.1 - Intervalos de medição disponíveis na estação móvel.
A partir destes valores, é óbvio que qualquer método de medições eficiente necessita que a
MS faça medições, não só durante o intervalo longo, mas também durante os intervalos
pequenos. A medição tem que ser efectuada numa frequência que seja diferente da utilizada
na transmissão do burst precedente ou na recepção do próximo burst .
Como foi explicado anteriormente, o escalonamento da estação móvel é muito rígido,
tendo como consequência o facto das estações móveis não poderem ser sobrecarregadas com
a necessidade de escutar um canal específico de uma célula vizinha, o que em GSM quer dizer
encontrar um burst específico entre oito, para além de comutar para a frequência certa. A
solução escolhida necessita que cada BTS emita continuamente (durante o período de burst)
numa frequência fixa com um nível de potência constante. Isto tem que ser feito
independentemente do estado dos slots correspondentes, ou seja, quer estejam a ser usados
por algum canal activo ou idle e sem aplicar necessariamente transmissão descontínua ou
controlo de potência. Esta continuidade da transmissão permite às estações móveis nas células
vizinhas efectuarem medições precisas sempre que possam, sem qualquer outro
constrangimento, que não seja o seu escalonamento.
Um problema que se levanta é saber como a estação móvel determina qual a
frequência a medir. Primeiro é necessário para a estação móvel distinguir quais as frequências
que são usadas como referência nas outras células das frequências que podem ser
interferentes, de forma a ter certeza de qual a célula a medir. Segundo, é mais eficiente do
ponto de vista da estação móvel, limitar-se a medir a frequência de referência das células
vizinhas. Este último ponto é resolvido enviando para as estações móveis uma lista de
frequências a serem medidas. O primeiro ponto é um pouco mais complicado. Este necessita
que a estação móvel faça um pouco mais do que apenas medir o nível do sinal recebido.
A frequência de referência é a que transporta a sincronização e os canais de correcção
de frequência (SCH e FCCH) da célula e é normalmente denominada de frequência BCCH..
Uma forma da estação móvel certificar-se que o canal recebido é actualmente a frequência de
referência (e não outro canal de outra célula transmitido na mesma frequência) é saber se esta
frequência transporta um FCCH. Isto ajuda a conhecer outra necessidade do sistema: a pré-
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
91
sincronização. Pelo facto da sincronização ser necessária antes da transmissão, uma estação
móvel tem que obter alguma informação de sincronização da célula destino, o mais tardar
durante a execução do handover.
A pré-sincronização necessita que a estação móvel descodifique não só o FCCH, mas
também o SCH do canal de referência. Estas tarefas são realizadas no intervalo “longo” atrás
mencionado. A este intervalo “longo” é chamado o slot idle , o qual acontece uma vez em cada
26 ciclos de slot. O slot idle não tem o nome apropriado, já que a estação móvel está tudo
menos idle durante este período. Para detectar o FCCH é preciso escutar um potencial canal
de frequência durante uma janela temporal suficientemente longa.
A estação móvel tem que descodificar número de referência da estação base que a está
a servir. Este número de referência é denominado por BSIC (Base Station Identity Code ), o
qual se aplica mais propriamente a uma célula, sendo uma identificação ambígua. Várias
células podem ter o mesmo BSIC, sendo mesmo prática corrente atribuir o mesmo BSIC às
células vizinhas. O BSIC permite que as estações móveis distingam as células que transmitem
o seu canal de referência na mesma frequência.
Da forma como a multitrama está organizada, só de 10 em 10 time slots estes contém
um SCH, podendo assim o móvel estar a receber um BCCH ou um CCCH em vez dum SCH.
Para evitar isso, a multitrama que transporta o TCH é deslizada e comparada com as que
transportam canais de controlo. Como a 1ª tem um ritmo de repetição de 26 tramas TDMA, e
as 2ª de 51 tramas TDMA, isto significa que a trama IDLE deslizará sobre todas as tramas dos
canais de controlo na multitrama 51, Figura 6.2.
10 x 8 TS10 x 8 TS
10 x 8 TS
10 x 8 TS
11 x 8 TS
Trama Idle
Figura 6.2 – Deslizamento entre as multitramas-26 e 51.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
92
Resumindo, e tendo em atenção o processo anterior, o escalonamento das medições é
realizado da seguinte forma, Figura 6.3:
1. O Móvel recebe informação e mede a intensidade do sinal e o BER da
célula de serviço no TS 2;
2. Móvel transmite;
3. Neste intervalo livre o móvel aproveita para medir a intensidade do sinal
em pelo menos uma das células adjacentes;
4. No intervalo longo, aproveitando o slot idle, o móvel tenta ler o BSIC no
SCH (TS 0) duma das células adjacentes.
0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2
0 1 2 7 0 1 2 7 0 1 2
1 2 13 2 4
23 24 idle
idle2423
Tramas TDMA
Tramas TDMA
Uplink
Dowlink
45/95 MHz
Figura 6.3 – Principio das medições efectuadas pelo móvel
6.5 Móvel em Modo de Espera
Quando se liga um móvel, ele irá tentar estabelecer contacto com um operador público GSM
(PLMN). O operador em particular que deverá ser contactado, poderá ser seleccionado
manualmente pelo assinante, ou automaticamente pelo móvel. Dentro do operador, o móvel
irá escolher uma célula apropriada, e em que o serviço esteja disponível, sintonizando-se aos
respectivos canais de controle (BCCH e CCCH). Esta escolha é conhecida como “acampar
na célula”. Se necessário o móvel irá então registar a sua presença na área de localização
(LA) da célula escolhida, através de um procedimento de actualização de localização (LU) ou
de registo de IMSI.
Caso o móvel venha a perder a cobertura da célula, irá então reseleccionar a melhor
célula alternativa do operador. Se esta nova célula pertence a uma nova área de localização,
então irá existir uma actualização de localização. Caso seja mesmo perdida a cobertura do
operador, então terá o móvel de, ou seleccionar automaticamente um novo operador, ou
indicar ao assinante a lista de PLMN’s à escolha para que seja efectuada uma selecção
manual.
O acampamento numa célula em modo idle, permitirá:
a) Que o móvel receba informação do sistema relativamente ao operador.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
93
b) Disponibilizar meios para que o móvel, se o desejar, estabelecer chamadas.
c) Recepção de paging por parte do móvel, normalmente consequência d a chegada
de uma mensagem.
Caso o móvel não se tenha instalado com sucesso na célula pretendida, ou se o SIM não
estiver inserido, irá passar a um estado de Serviço Limitado, numa qualquer célula. Neste
estado apenas será permitido ao assinante efectuar chamadas de emergência.
Os procedimentos envolvidos em modo de espera poderão ser divididos em três tipos:
− Selecção de PLMN;
− Selecção e reselecção de célula;
− Actualização de localização.
A forma com estes procedimentos interagem, está descrita na Figura 6.4:
Selecção dePLMN
Selecção deCélula
Actualizaçãode Localização
Modo de SelecçãoAutomática/Manual
Indicação parao utilizador
Selecção dePLMN peloutilizador
PLMN'sDisponíveis
PLMNSeleccionada
respostasda LU
Alteraçõesna célula e
LA
pedidos de CM
Indicação deServiço
Figura 6.4 – Procedimentos efectuados pelo móvel em modo idle.
6.5.1 Selecção de PLMN
Antes de descrevermos o processo de selecção de PLMN existe uma série de definições que é
necessário referir, de forma a uma melhor compreensão de todo o processo.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
94
6.5.1.1 Definições
Normalmente o móvel opera no seu próprio operador, denominado por HPLMN - Home
PLMN. Contudo poderá ser seleccionado um operador em que o móvel é apenas visitante,
VPLMN – Visited PLMN. Para efectuar esta selecção existem dois modos possíveis:
i) Modo Automático – Este modo utiliza uma lista de PLMN’s ordenada por ordem
de prioridades. Será escolhida o PLMN com prioridade superior que esteja
disponível.
ii) Modo Manual – Aqui o móvel indicará ao utilizador quais os PLMN’s disponíveis.
Apenas depois de o utilizador seleccionar um PLMN o móvel irá tentar obter
serviço.
Sempre que o móvel utiliza serviços de um operador que não o de origem, é considerado em
Roaming. Existem principalmente dois tipos:
− Roaming Internacional – Este é o caso em que o móvel acede ao serviço de um
PLMN de um país diferente do que pertence o seu HPLMN.
− Roaming Nacional – Aqui o móvel irá receber serviço de um operador que está
no mesmo país do que o seu HPLMN. Neste caso o móvel realiza uma procura
periódica pelo seu HPLMN.
Para prevenir que existam diferentes tentativas de obtenção de serviço numa LA não
autorizada, estas são adicionadas numa lista de LA’s proibidas. Todas as LA’s da lista nunca
serão acedidas no modo Automático. A LA só será removida quando o utilizador seleccionar
manualmente o operador em causa, e for seleccionada com sucesso a LA. Esta lista é apagada
quando o móvel for desligado, ou o sim retirado.
Se, em resposta a um pedido de actualização de localização, for recebido uma
mensagem “Acesso não Permitido”, então o móvel adicionará este PLMN à lista de PLMN’s
proibidos, existente no SIM. Desta forma, o móvel nunca mais seleccionará automaticamente
este PLMN. Esta entrada apenas será removida da lista quando for permitido o acesso ao
operador, na sequência de uma selecção manual de operador. Esta lista é mantida mesmo
depois de o móvel ser desligado ou o SIM ser retirado, pois está gravada no próprio SIM.
Sempre que o móvel encontre uma célula em que seja possível acampar e o pedido de
actualização de localização nessa célula for aceite o móvel passa a ser considerado registado
no PLMN. O móvel guardará então a identificação do PLMN no SIM, passando então a
denominar-se PLMN registado a este PLMN.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
95
6.5.1.2 Descrição
A selecção de PLMN pode ser efectuada em diversas circunstâncias:
− ao ligar o equipamento. Neste caso o móvel seleccionará e tentará efectuar uma
LU no PLMN registado.
− na recuperação de rede devido a uma falha na cobertura. Aqui o móvel também
terá de efectuar a selecção, mas apenas efectuará um pedido de actualização de
localização caso seja necessário. Iremos mais à frente definir as condições para
que seja necessário a actualização de localização
− na reselecção de rede por parte do utilizador. Em qualquer momento o utilizador
poderá iniciar uma reselecção e registo num PLMN disponível.
− Quando o móvel está em roaming nacional. Neste caso o móvel tentará
periodicamente obter serviço no seu HPLMN. A periodicidade pode variar entre
6 minutos e 8 horas, como poderá também não existir. Este valor deverá ser
guardado no SIM. Esta Selecção periódica apenas deverá acontecer no caso do
móvel estar no país de origem.
Em qualquer um destes casos, o processo de selecção é semelhante. Caso seja seleccionada o
PLMN registado, e o pedido de actualização de localização for aceite, deverá ser indicada a
respectiva rede ao utilizador.
Se o móvel estiver em selecção automática, e quando não existe nenhuma rede
registada, ou se não foi possível o registo por indisponibilidade ou falha no processo de
registo, o móvel selecciona e tenta efectuar o registo em outros PLMN’s, caso estes estejam
disponíveis, pela seguinte ordem:
i) HPLMN ( se não foi previamente seleccionada);
ii) Cada PLMN cuja identificação esteja guardada no SIM;
iii) Outras PLMN cujo sina l esteja acima de –85 dBm por ordem
aleatória;
iv) Todas as restantes PLMN’s por ordem decrescente de sinal..
Quando o registo é bem sucedido o móvel apresentará a respectiva indicação ao utilizador.
Caso contrário, o móvel apresentará a indicação “Serviço Indisponível”, e espera até que haja
alguma rede disponível. Caso existam redes que estejam disponíveis, mas não tenha sido bem
sucedido o pedido de actualização de localização, o móvel entrará em modo de serviço
limitado.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
96
No caso de uma selecção manual, será apresentada a lista de PLMN’s referida
anteriormente, pela ordem indicada, sendo o utilizador a escolher a rede. Todo o restante
processo é semelhante ao da selecção automática.
6.6 Selecção e Reselecção de Célula
O objectivo da selecção de célula é o de obter um serviço normal, situando-se na célula e
registando-se no PLMN de forma a:
a) Receber informação de sistema do PLMN (no BCCH), por exemplo, as opções da
célula.
b) Receber mensagens de paging do PLMN, por exemplo, na chegada de uma
chamada.
c) Iniciar um estabelecimento de chamada originada no móvel, e quaisquer outras
acções originadas pelo assinante ou móvel.
Só as células que proporcionam uma transmissão com um desempenho mínimo, podem ser
escolhidas pelo móvel. Esta escolha tem como objectivo maximizar a qualidade da
transmissão, e minimizar o risco de perca de chamada. Desta forma as especificações definem
dois critérios para este efeito: o critério rádio, e o critério de reselecção.
6.6.1 Critério Rádio
De forma a maximizar a qualidade da transmissão, foi definido um critério, o qual tem em
atenção o nível do sinal recebido pela estação móvel na frequência de referência, a máxima
potência de transmissão da estação móvel e alguns parâmetros específicos da célula. Este
critério é chamado de C1 e é definido do seguinte modo:
C1 := (A-Max(B,0))
A := Nível Médio de Recepção - RXLEV_ACCESS_MIN
B := MX_TXPWR_MAX_CCH - Potência Máxima do MS
Os parâmetros MX_TXPWR_MAX_CCH e RXLEV_ACCESS_MIN são difundidos na célula.
Este critério é utilizado da seguinte forma. Quando se procuram células, sejam elas
células vizinhas em modo de serviço normal, ou PLMN´s, só as células com C1 positivo são
tidas em conta. Quando tem que ser feita uma escolha entre células, a célula com o melhor C1
é escolhida entre as equivalentes para outros critérios. Como consequência C1 determina dois
parâmetros:
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
97
• o limite de cobertura para cada célula medido isoladamente, tendo em
conta que a área exterior onde C1 é positivo não existe célula para as
estações móveis.
• a fronteira entre duas células adjacentes para a selecção em modo idle
determinado de forma a que C1=C1´. As fronteiras com todas as células
adjacentes determinam um segundo limite de célula normalmente dentro
da área delimitada por C1=0.
A Figura 6.5 mostra um exemplo de duas células com os seus limites C1=0 e a linha de
iguais C1´s . Porque a potência máxima de transmissão da estação móvel intervém no cálculo
de C1, os limites são diferentes para diferentes classes de móveis. Existem outros limites de
células determinados pela selecção da célula para handover. É da responsabilidade do
operador escolher os parâmetros de forma a obter um compromisso correcto entre as
fronteiras das células, tráfego e qualidade de transmissão para as diferentes classes de
estações móveis assim como uma consistência entre os parâmetros e algoritmos de handover.
BTS ABTS B
C1A > 0C1B < 0
C1A < 0C1B > 0
C1 A
= C
1 B
Figura 6.5 - Limites de célula de acordo com C1.
6.6.2 Critério de Reselecção
De forma a optimizar a reselecção de célula, existem parâmetros adicionais que poderão ser
difundidos no BCCH de cada célula. O processo de reselecção de célula utilizará um
parâmetro definido como C2, que é definido como:
Se T < PENALTY_TIME
C2=C1 + CELL_RESELECT_OFFSET - TEMPORARY_OFFSET
Senão
C2=C1 + CELL_RESELECT_OFFSET
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
98
Em que o parâmetro CELL_RESELECT_OFFSET é uma histerese que tem por objectivo
evitar um efeito de ping-pong entre duas células vizinhas. A célula com o maior valor de C2 é
seleccionada. O parâmetro T é um contador que iniciará a contagem quenado o móvel entrar
na célula. Ora isso significará que nos primeiros PENALTY_TIME a célula será posta em
desvantagem no valor de TEMPORARY_OFFSET.
A aplicação do parâmetro C2 serve para evitar que móveis que se desloquem a grandes
velocidades escolham as células de dimensão menor, isto para evitar sucessivos handovers e a
respectiva carga no tráfego das microcélulas.
6.6.3 Algoritmo de Selecção da Célula
O objectivo da selecção de células pode ser resumido da seguinte forma: de forma a obter um
serviço normal, a estação móvel tem que se situar numa das células, que deverá obedecer às
seguintes condições:
i) Deverá pertencer ao PLMN seleccionado;
ii) Não deve estar barrada;
iii) Não deve estar contida numa LA pertencente à lista “LA forbidden”;
iv) A atenuação de percurso entre o móvel e a estação base deverá estar abaixo do
limite imposto pelo operador;
Inicialmente, o móvel irá procurar por uma célula que satisfaça as quatro condições
anteriores. Existem dois métodos para isto:
1) Selecção normal de célula. Neste método o móvel não tem qualquer
conhecimento à priori acerca dos canais rádio associados às portadoras BCCh das
células. Por isso mesmo, terá de efectuar uma procura, percorrendo os canais
rádio por ordem decrescente de intensidade de sina, de forma a identificar as
portadoras BCCH. Apenas deverá ser tentado o acesso numa célula de baixa
prioridade caso não seja possível encontrar uma de alta prioridade.
2) Selecção de célula pela lista de portadoras. Aqui, o móvel dispõe de uma lista de
portadoras BCCH utilizadas no PLMN. Esta lista pode ter sido obtida a partir de
anteriores selecções de células. As portadoras aqui guardadas deverão ser
procuradas por ordem decrescente de intensidade de sinal.
Depois de identificadas as células que estão em condições de serem as escolhidas, é então
descodificado os respectivos canais BCCH, e calculados os critérios C1 para cada célula.
Deverá ser escolhida a célula que oferece o C1 mais elevado.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
99
Se, depois de ter efectuado um varrimento a um determinado número de canais RF
com a maior intensidade de sinal recebido, 30 no GSM 900 e 40 no DCS 1800, o móvel não
encontrar uma célula apropriada do operador seleccionado, o móvel poderá terminar a procura
para aquele PLMN. Caso o móvel não encontre nenhuma célula apropriada, tentará acampar
numa célula qualquer, ficando assim num estado de “Serviço Limitado”.
6.6.4 Reselecção de Célula
Depois de efectuada a selecção de célula com sucesso o móvel passa estar acampado na
célula. Enquanto estiver neste estado poderá necessitar de seleccionar uma célula diferente.
Esta reselecção de célula poderá assim ocorrer devido a um dos seguintes eventos:
i) O parâmetro que traduz o critério rádio C1 indica que a atenuação no
percurso é demasiado elevada, ou seja, C1<0;
ii) Existe uma falha na recepção de informação em downlink;
iii) A célula em que se encontra o móvel passou a estar barrada;
iv) Existe uma célula melhor, em termos do critério C2, na mesma área de
localização. Ou existe uma célula “muito” melhor noutra área de localização.
v) Um acesso aleatório foi tentado nesta célula sem êxito.
Na condição iv) repararam concerteza no questão do “muito”, que vamos passar a explicar.
Se o móvel se move na fronteira entre LA adjacentes, poderá originar repetidamente
alterações de área de localização, o que se traduzirá numa significativa carga em termos de
sinalização. Para prevenir isto, é definido um parâmetro definido como
CELL_RESELECT_HYSTERESIS que deverá ser utilizado em conjunto com o parâmetro C2.
Isto significará que para escolhermos uma célula de LA diferente, o critério C2 dessa célula
terá de estar pelo menos CELL_RESELECT_HYSTERESIS acima do actual.
6.6.5 Serviço Limitado
Temos agora que nos referir aos casos onde o serviço normal não pode ser garantido, sendo
possível contudo um serviço limitado. Isto acontece quando o utilizador não tem acesso a um
serviço normal em qualquer um dos PLMN´s encontrados. Se o HPLMN é aceitável, isto é, se
o acesso é localmente evitado por nível de assinatura em vez de propagação rádio, a selecção
da célula é a mesma que no modo de serviço normal. Por outro lado, a estação móvel
selecciona a célula aceitável com o melhor C1 independentemente do PLMN ou da área de
localização das células. O móvel procura continuamente em todo o espectro novas células de
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
100
forma a encontrar um PLMN aceitável logo que possível. Quando este é encontrado, pode ser
seleccionado e tentando-se então obter um serviço normal.
6.7 Segurança
Vamos agora abordar os aspectos principais relacionados com a segurança em GSM. Estes
aspectos têm principalmente três objectivos: fazer autenticação do móvel e assinante, garantir
confidencialidade da identificação do assinante e disponibilizar uma comunicação segura, ou
seja, cifrada. As principais entidades em GSM que asseguram a segurança são o AuC e o EIR
quanto a base de dados, e o VLR e móvel em termos de execução de algoritmos.
6.7.1 Triplets
Na altura da assinatura é atribuída ao assinante uma chave de autenticação
representada normalmente por Ki, juntamente com a respectiva identificação – IMSI. Esta
chave será guardada no centro de autenticação, o AuC, e será utilizada sempre que se
pretender o trio de parâmetros. Este trio de parâmetros, normalmente denominado por Triplet,
é um conjunto de três valores, gerados pelo AuC, utilizados na autenticação e encriptação. O
outro ponto onde será guardado o Ki é no SIM do móvel.
AuCGeradorAleatório
Base deDados
IMSIKiA3A8
A3Algoritmo deAutenticação
A8Algoritmo deEncriptação
RAND
SRES
Kc
Ki
Figura 6.6 - Geração de Triplets.
Para gerar os triplets , Figura 6.6, o AuC tem incluído um gerador de números aleatórios, bem
como a base de dados contendo quer a identificação do assinante, IMSI, quer a chave de
autenticação e os algoritmos de autenticação e encriptação A3 e A8. Em primeiro lugar é
gerado um número aleatório, definido por RAND. Este valor será um dos parâmetros do
triplet. Em seguida, utilizando o RAND e o Ki, é gerada a chave de encriptação Kc e a
resposta assinada, SRES, que são os restantes parâmetros do triplet.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
101
Os triplets são gerados a pedido do HLR, podendo ser atribuídos 1, 3 ou 5 conjuntos
de parâmetros de forma a que o HLR tenha sempre de reserva pelo menos um conjunto de
parâmetros para futuros pedidos por parte dos MSC/VLR.
A autenticação consiste em verificar se a identidade do assinante móvel, IMSI, é a
correcta. Este processo permitirá proteger a rede contra utilizações indevidas. O procedimento
de autenticação consiste em enviar o parâmetro RAND para o móvel, sendo posteriormente
recebida a resposta. Caso esta coincida com o resultado esperado SRES significa que o móvel
está autenticado.
Outro procedimento importante para assegurar uma correcta segurança em GSM é a
encriptação da informação entre o móvel e a estação base. É este o percurso mais vulnerável a
possíveis escutas. A encriptação assegura a privacidade em ligações de dados e voz do
utilizador, bem como de toda a sinalização trocada com o móvel.
O procedimento de encriptação tem inicio com o envio de uma mensagem de
Comando de Modo de Cifra para a BTS pelo MSC. Esta mensagem, contendo a chave de
encriptação Kc, é em seguida enviada para o móvel. A Figura 6.7 mostra todo este processo.
O móvel envia a resposta através de uma mensagem Modo de Cifra Completo , a qual é
encriptada através de Kc, e do número da trama TDMA utilizando o algoritmo de encriptação
A5. Depois de recebida na BTS a mensagem é desencriptada utilizando os mesmos
parâmetros e algoritmo. Se este processo tiver êxito, a mensagem será enviada ao MSC. A
partir daqui toda a informação passa a ser encriptada.
VLR
MSC
1 Comando Modo Cifra 2
Encriptação
AlgoritmoA5
KcNº Trama
TDMA
Desencript.Algoritmo
A5
Kc
Nº Tram
aTD
MA
Sucesso ?
Modo CifraCompleto 3
4
5
6
Comando Modo Cifra
Modo CifraCompleto
Modo CifraCompletoencriptado
Figura 6.7 - Processo de Encriptação em GSM.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
102
6.8 Actualização de Localização
A informação da localização é guardada em dois locais diferentes na infra-estrutura, o HLR e
o MSC/VLR visitado. De facto a mesma informação é conhecida em três lugares diferentes do
sistema, a estação móvel é o terceiro local. Esta informação pode mudar, e vários
procedimentos são necessários para manter a consistência entre as três entidades. Na Figura
6.8 poderemos observar os diferentes tipos de actualização de localização.
1. Mudança de célula dentro da mesma área de localização. O móvel
seleccionou uma nova célula dentro da mesma LA. Neste caso não existe
qualquer procedimento de actualização de localização, pois o registo
existente nas bases de dados mantém-se actuais;
2. Mudança de célula de diferentes áreas de localização em duas situações
distintas:
a. LA controladas pelo mesmo MSC/VLR. O móvel seleccionou uma
nova célula de LA diferentes, em que o MSC/VLR que controla esta
área de serviço é o mesmo que anteriormente.
b. LA controlados por diferentes MSC/VLR. O móvel seleccionou uma
nova célula de LA diferentes, em que o MSC/VLR que controla esta
área de serviço é diferente.
3. Cancelamento de registo do IMSI. Existem duas situações que poderão estar
na origem deste procedimento, o utilizador desligou o móvel, ou o móvel
desligou-se por falta de bateria.
4. Registo de IMSI. Este procedimento é actuado quando se liga o móvel, ou
após uma falha de cobertura de sinal.
5. Actualização de Localização periódica. Basicamente este procedimento diz
respeito à necessidade que a estação móvel tem de contactar regularmente a
rede quando está em serviço normal. Isto é feito automaticamente pela
estação móvel, e toma a forma de um procedimento de actualização de
localização. A periodicidade do procedimento fica ao critério do operador,
podendo ir dos 6 minutos até cerca de 24 horas. O operador tem também a
possibilidade de cancelar este mecanismo.
6. Cancelamento de registo implícito . Este procedimento é causado pela
ausência de actividade por parte do móvel, ou seja, terminou o prazo de
actualização periódica, sem que tivesse existido algum pedido do móvel.
Outro caso é o da chegada de uma chamada, ou de SMS, e não ser possível
encontrar o móvel.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
103
2b.
LA3
LA1
LA2
MSC/VLR-A(LA1+LA2)
MSC/VLR-B(LA3)
3. 4.
2a.
5. 1.
6.
Figura 6.8 - Tipos de Actualização de Localização.
A razão normal para a alteração é quando a estação móvel decide que a melhor área de
localização para servir o utilizador tem que ser alterada. Então a estação móvel notifica o
MSC/VLR ao qual pertence a nova célula. Este MSC/VLR pode ser o mesmo que antes, se é
quem controla tanto a anterior como a nova área de localização, ou um novo MSC/VLR. Neste
último caso, o MSC/VLR por sua vez notifica o HLR, o qual notifica o anterior MSC/VLR. O
caso normal, quando a MSC/VLR não precisa contactar com o HLR para responder acontece
quando o utilizador já está registado na sua base de dados.
Quando a MSC/VLR necessita contactar com o HLR do assinante, tem primeiro que
saber qual o HLR a contactar. Os utilizadores são identificados por um número, o IMSI
(International Mobile Subscriber Identity ) que é a identificação internacional do assinante
móvel. Este número é fornecido pela estação móvel sempre que acede à rede, e é tão
especifico que a MSC/VLR é capaz de saber a PLMN do subscritor, e o equipamento HLR
encarregado do utilizador. Assim através deste número a MSC/VLR pode entrar em contacto
com o HLR pretendido.
BSC
VLR
MSC
3
HLR
1
2
6
45
6
Figura 6.9 - Actualização de Localização.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
104
Na Figura 6.9 estão representados os vários procedimentos tipicamente envolvidos numa
actualização de localização:
1. O móvel escuta o canal BCCH da melhor célula, e verifica a LAI. Se esta
área de localização é diferente da anterior, então o móvel decide efectuar um
pedido de actualização de localização. Esta decisão pode ser tomada também
no caso de ligação de móvel, ou de actualização periódica;
2. O móvel faz um acesso ao sistema e pede um canal de sinalização SDCCH
até ao MSC/VLR. Neste momento será efectuada uma autenticação do
móvel;
3. O MSC terá de consultar o VLR para saber se o móvel estava antes registado,
e em caso afirmativo, registar a nova localização. É também pedido ao HLR
as chaves de autenticação para que o móvel seja autenticado;
4. Caso seja necessário o HLR será contactado a fim de transferir a localização
do móvel para este novo MSC/VLR. Neste caso o anterior VLR terá de ser
contactado.
5. É dada a resposta ao pedido do móvel
6. O móvel pede ao BSC para ser libertado o canal dedicado de sinalização.
6.9 Paging
Quando uma chamada para um utilizador chega ao sistema, a MSC determina a área de
localização onde a estação móvel está registada e envia uma mensagem para todas as BSC’s
que controlam as células na respectiva área de localização. Esta mensagem contém a
identificação do assinante (IMSI), para determinar o sub-canal de paging e a lista de células
nas quais é necessário efectuar o paging.
Por sua vez, a BSC envia uma mensagem para o dispositivo da BTS encarregado do
PAGCH do respectivo TN (determinado pela BSC a partir do IMSI e da configuração do canal
comum), para cada célula da lista. Esta mensagem contém o número do sub-canal de paging,
calculado pela BSC, assim como e TN do PAGCH. Esta sequência de procedimentos pode ser
observada na Figura 6.10.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
105
MSC
VLRBSCIMSI, Lista de Células
IMSI, Lista de Células
BSC
TS, NºSubCanalPCH
TS, NºSubCanal PCHIMSI <-> LAI
Figura 6.10 - Fluxo de informação no procedimento de Paging.
Outro ponto importante é a política de repetições. O sistema deve assegurar uma boa
qualidade de serviço, apesar de por vezes a qualidade de transmissão estar muito longe da
perfeita. Assim, a indicação de paging não deve ser enviada apenas uma vez em cada célula.
Uma valor típico será de enviar três vezes. No entanto, a este respeito as especificações do
sistema falham, não especificando qualquer valor, nem qual o mecanismo responsável por
efectuar estas repetições.
6.10 Acesso Aleatório
Depois de seleccionada a célula o móvel terá sempre de aceder à rede, seja na selecção inicial,
em actualização de localização, ou quando pretende efectuar uma chamada. O sistema não
dispõe de uma forma de saber quando as estações móveis precisam comunicar, e portanto esta
primeira mensagem do móvel não pode ser escalonada de forma a eliminar a transmissão
simultânea de mais do que um móvel. Como consequência imediata teremos a colisão.
Claro que os móveis não transmitem a qualquer momento, mas seguem o tempo de
slotting imposto pelo sistema TDMA. Quando duas estações móveis transmitem no mesmo
slot pode acontecer duas coisas: um dos bursts é recebido pela BTS a um nível suficiente alto
em comparação com o outro, permitindo a sua correcta recepção, ou, em caso contrário, não é
possível uma recepção correcta. As colisões são portanto uma causa de perda de mensagens,
que cresce com o aumento de tráfego.
6.11 Controle de Acesso
De forma a permitir um ritmo de sucesso satisfatório nas tentativas de acesso aleatório, têm
que ser utilizadas repetições. O método de repetições não pode ser assim tão simples, pois
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
106
doutra forma, o seu efeito pode ser desastroso e pode até levar a uma situação de deadlock
completo.
Quando um pedido não foi respondido, a estação móvel irá repeti-lo. Se duas estações
móveis cujas tentativas colidiram, tentarem novamente efectuar o acesso uma constante de
tempo à frente, então vão novamente colidir. As repetições no RACH são portanto efectuadas
depois de um intervalo de tempo aleatório, eliminado assim o caso anteriormente visto.
Em GSM, o primeiro método de controlar o tráfego no sistema consiste em quer o
número de repetições, quer o intervalo entre elas, ser controlado através de parâmetros
difundidos regularmente no BCCH. Já que é importante existir um curto atraso entre o
momento em que a BSC decide alterar parâmetros e o momento em que os móveis funcionam
de acordo com eles, foi decidido envia-los em todas as mensagens BCCH, ou seja, 4 vezes por
segundo. O sistema é controlado por dois parâmetros broadcast , o tempo médio entre
repetições (TX_INTEGER), e o número máximo de repetições permitidas (MAX_RETRANS).
Parâmetro Valor Resultante
TX_INTEGER
MAX_RETRANS
escalonamento aleatório de cada tentativa de 3 a 50 slots
permitidas até 1, 2, 4 ou 7 repetições
Quadro 3. 1 - Parâmetros de controle de repetições do RACH.
O canal RACH é responsável apenas pela primeira ligação na cadeia de recursos, e não é
necessariamente quem provoca a congestão do sistema. Existem outros que são também
responsáveis pelo fenómeno, como o PAGCH, que possui uma capacidade limitada para
transportar as mensagens de atribuição inicial e de paging. A alocação de canais é outra
possível causa de congestão, já que o número de canais é limitado em cada célula. Um
controlo de sobrecarga eficiente toma em consideração todos estes factores e tenta cortar o
tráfego na fonte em casos de congestão. Isto quer dizer que os mecanismos de controlo de
sobrecarga não têm necessariamente que tentar maximizar o RACH mas limitá-lo ao máximo
tráfego que a cadeia pode suportar.
A segunda forma de controlar o tráfego consiste na rejeição de pedidos, através do
envio de uma mensagem de rejeição, impedindo assim a estação móvel de aceder ao canal
durante um certo tempo. O mecanismo evita assim que a estação móvel promova mais
repetições, quer através do mecanismo automático de repetições, ou através de repetidos
pedidos do utilizador, uma tendência natural dos utilizadores perante a falha. Obviamente este
mecanismo só deve ser utilizado quando houver uma ameaça de sobrecarga de todo o sistema,
já que incrementa significativamente o tempo de serviço.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
107
Por último, existe uma terceira, e mais robusta, linha de defesa e faz uso do conceito
das classes de acesso. Basicamente, consiste em evitar que toda a população de estações
móveis aceda à célula, através de uma indicação no BCCH. Este método é bastante eficiente,
já que permite um corte no tráfego em muitas fontes, sem implicar um tráfego adicional no
sentido do móvel. De forma a conseguir isto, os subscritores são divididos em dez
balanceadas sub-populações, por meio de uma alocação aleatória controlada pelo operador
PLMN.
A classe de acesso à qual o utilizador pertence é guardada no SIM estando portanto
disponível na estação móvel. Em situações de tráfego normal, todas as classes têm um acesso
permitido. Quando o tráfego necessita de um corte, a BSC pode decidir bloquear 1 2 ou
qualquer número destas classes de acesso, reduzindo estatisticamente o montante do tráfego
em 10%, 20%, ... . A estação móvel pertencente a uma classe de acesso bloqueada fica assim
impedida de aceder ao sistema, excepto para casos específicos, como por exemplo chamadas
de emergência. Para permitir um eficiente serviço, em casos que o período de sobrecarga se
arrasta por algum tempo, a BSC tem que ter cuidado em alterar o conjunto de classes não
autorizadas regularmente.
Para permitir que categorias especiais de utilizadores continuem a ceder à rede em
situações de congestão, estão definidas mais cinco classes, para os utilizadores VIP, como
mostra o Quadro 6.1. O acesso para estas classes é também controlada através de indicadores
difundidos no BCCH. Os utilizadores “privilegiados” correspondentes pertencem a uma das
10 classes normais, e ao mesmo tempo pertencem a uma (ou várias) das classes especiais e
podem aceder à rede quando pelo menos uma das suas classes são permitidas. Os serviços de
emergência estão sempre com acesso permitido.
Classe de Acesso “Especial” Categoria do Utilizador 11 12 13 14 15
deixado aberto ao operador PLMN serviços de segurança
utilidades públicas serviços de emergência
uso interno por pessoal da PLMN
Quadro 6.1 - Quadro de acessos para utilizadores especiais
Quando um móvel tentou aceder a uma célula e não obteve sucesso, é permitido que
seleccione uma célula vizinha ( segunda melhor célula) e tente o acesso à rede através desta
célula. Não é então permitido que regresse à célula anterior pelo menos durante 5 segundos.
Em caso de acesso rejeitado ou de uma classe de acesso bloqueada é aplicado o procedimento
normal de selecção de célula, o que significa que alguns móveis não estão permitidos a aceder
à rede por um certo período, contudo com estas medidas, a média de serviços por estação
móvel aumenta numa situação de congestão.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
108
A mensagem de pedido de canal consiste em apenas 8 bits. Claro que esta mensagem
não tem capacidade para transportar toda a informação da estação móvel, pelo que esta
informação é incluída na “mensagem inicial”, que vai ser primeira mensagem a ser
transmitida no canal dedicado. Um outro problema é o de como as estações móveis
reconhecem a resposta ao seu pedido, pois com uma mensagem tão pequena poderia existir
outras iguais. A solução para isso, é que 5 dos 8 bits são escolhidos aleatoriamente pelo
móvel, o que reduz drasticamente a probalidade de dois móveis terem a mesma mensagem no
mesmo time slot . Os restantes 3 bits indicam a razão do acesso à rede.
6.12 Atribuição de Canal Inicial
Depois ter recebido a mensagem de pedido de canal da estação móvel, a rede responde com o
envio de uma mensagem de atribuição imediata para a estação móvel. Esta mensagem é
enviada pelo canal PAGCH.
A indicação de atribuição inicial enviada para a estação móvel contém a descrição do
canal atribuído, o avanço no tempo inicial a ser aplicado, a potência máxima de transmissão
inicial, bem como uma referência que permite a todas estações móveis que esperavam a
mensagem saberem qual delas está a ser endereçada ou não. Esta referência é a mesma que o
móvel calculou aleatoriamente aquando do pedido de acesso.
A mensagem de atribuição imediata pode ser enviada em qualquer bloco do PAGCH,
mesmo nos sub-canais de paging. Como consequência, já que o móvel fez uma tentativa de
acesso, deve monitorizar todo o PAGCH, do mesmo TS que o RACH utilizado no acesso, por
uma resposta da rede. As mensagens BCCH têm que ser portanto descodificadas
continuamente durante este período, de forma a que a estação móvel estabeleça os parâmetros
de controlo do RACH em tempo real. Esta fase é bastante complexa para a estação móvel em
termos de recepção (40 bursts todos os 51×8 TS), quase comparável à recepção do TACH/F.
6.13 Atribuição do Canal Dedicado
Depois de completado o acesso, o BSC escolhe um canal dedicado para atribuir à estação
móvel com base em sofisticados algoritmos, os quais maximizam o montante total de tráfego
dado pelos recursos disponíveis.
A atribuição é feita com base em três estratégias:
Atribuição Muito Prematura. O BSC atribui um canal de tráfego logo na
atribuição inicial;
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
109
Atribuição Prematura. O BSC atribui um canal de tráfego logo que tem a
certeza de que o referido canal será utilizado;
Atribuição Tardia. O BSC atribui o canal de tráfego só depois do destino
da chamada responder a esta. Esta estratégia é a mais eficiente em termos
de recursos, mas oferece um alto grau de serviço.
6.14 Handover
A possibilidade de mudar de célula sem perder ligação com o sistema é uma função muito
importante num sistema celular, e a maior fonte de complexidade na gestão do recurso rádio.
A qualidade da ligação entre a estação móvel e a estação base pode-se deteriorar quando o
móvel move-se para longe da BTS, aproximando-se dos limites da célula. A uma certa
distância da estação base a alteração da ligação rádio para outra estação base pode
incrementar bastante a qualidade da ligação.
A decisão de iniciar o handover, e a escolha da célula destino, são baseadas num
número de parâmetro, e várias razões podem resultar nesta decisão. Primeiro iremos estudar
estas razões, e então depois a descrição dos parâmetros que afectam a escolha.
6.15 Porquê o Handover?
À primeira vista, o objectivo do handover é evitar a perda duma chamada estação móvel
progresso quando a estação móvel deixa a área de cobertura rádio da célula estação móvel
causa. Alguns cortes são muito mal recebidos pelos utilizadores, e têm um importante peso na
sua opinião acerca da qualidade de serviço do sistema. A este tipo de handover é costume
chamar de Handover de Resgate, onde existe uma enorme probalidade de a chamada cair se
não se mudar de célula. Uma forma extrema de handover de resgate é o restabelecimento de
chamadas, o qual é uma tentativa de salvar a ligação depois perda efectiva de comunicação
com a célula que servia a estação móvel.
Noutros casos, pode ter interesse mudar a célula de serviço da estação móvel mesmo
que a qualidade da transmissão seja aceitável. Isto pode acontecer quando o nível de
interferência global melhorará significativamente se a estação móvel mudar para outra célula.
Os cálculos e simulações mostram de facto que existe normalmente uma célula em melhores
condições do ponto de vista da interferência. Esta consideração é especialmente verdadeira
quando está a ser utilizado controlo de potência, pois a célula correspondente à perda de
percurso mínima, minimiza também a potência de transmissão da estação móvel, o que vai
reduzir o nível de interferência. O handover com o objectivo de optimizar o nível de
interferência é chamado de Handover de Limitação.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
110
O terceiro tipo de handover é chamado como Handover de Tráfego. Pode acontecer
que uma célula esteja congestionada e as células vizinhas não. Tal uma situação acontece
tipicamente quando existem acontecimentos concentrados em determinada área geográfica,
como por exemplo feiras, eventos desportivos, etc. Por causa da cobertura actual das células
vizinhas muitas vezes sobrepostas, a transferência de algumas chamadas de uma célula para
outra menos congestionada pode melhorar temporariamente a situação do tráfego. Este tipo de
handover deve ser tratado com muito atenção, já que entra obviamente em conflito com o tipo
de handover anterior. Os handovers de tráfego vão necessariamente interferir com o
planeamento de células e aumentar o nível de interferência na área circundante.
6.16 Critérios no Handover
Dependendo do objectivo do handover, o critério a ter em conta difere, mas tem que ter
sempre informação sobre o que aconteceria com e sem handover, de acordo com a célula
destino.
O principal critério para o handover de resgate é a qualidade de transmissão na
ligação que está a decorrer, tanto em downlink como em uplink. A melhor informação deve
ser a avaliação da qualidade da transmissão. Com uma transmissão digital, o ritmo de erros da
transmissão é também um bom indicador da qualidade, assim como as perdas no percurso de
propagação. Outra parte da informação é o atraso na propagação. A transmissão no interface
rádio do GSM não suporta um grande atraso na propagação, e a ligação pode ser cortada se
este atraso se torna demasiado grande. Em GSM, todas estas medidas são importantes no
processo de decisão do handover. Tanto a estação móvel como a BTS medem regularmente a
qualidade do nível de transmissão e recepção, a partir do qual as perdas de percurso podem
interferir. A estação móvel transmite estas medidas para a BTS, a um ritmo de duas vezes por
segundo.
O critério chave para o handover de limitação é a qualidade de transmissão no
downlink e no uplink correspondente a cada célula vizinha, da célula onde a estação móvel
está ligada. Já que esta informação é bastante difícil de obter, o processo de handover tem que
funcionar só com a perda de percurso entre a estação móvel e um número de células vizinhas.
Na realidade, só os valores de downlink são medidos, pela estação móvel, e assume-se que a
perda de percurso é equivalente em ambas as direcções.
O processo de decisão para os handovers de tráfego necessita de informação do
tráfego de cada BTS, e esta informação é conhecida pelos MSC’s e BSC’s. Os handovers de
tráfego diferem um pouco dos handovers de resgate e de limitação, porque as razões de
tráfego ditam o número de estação móvel que têm que ser transferidas, duma determinada
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
111
célula, mas não indicam quais o devem ser. A escolha das “favoritas” normalmente passa
inicialmente por saber quais as estação móvel que estão perto de serem transferidas por outras
razões. Ou seja, o handover de tráfego recorre aos critérios anteriores e às respectivas
medidas. Duma forma sumária, a lista dos parâmetros a ter em conta no processo de decisão
do handover é dada em seguida:
• alguns dados constantes, como a máxima potência de transmissão:
⇒ da estação móvel;
⇒ da BTS que serve a célula;
⇒ das BTS’s das células vizinhas;
• medidas em tempo real realizadas pela estação móvel:
⇒ a qualidade da transmissão em downlink (taxa de erros);
⇒ o nível de recepção em downlink do canal corrente;
⇒ os níveis de recepção em downlink das células vizinhas;
• medidas em tempo real realizadas pela BTS:
⇒ a qualidade da transmissão em uplink (taxa de erros);
⇒ o nível de recepção em uplink do canal corrente;
⇒ o avanço temporal;
• considerações de tráfego, capacidades das células , ...
6.16.1 Procedimentos envolvidos no handover
O handover pode ser executado por diferentes razões, mas em todos os casos, a decisão de
tentar o handover de uma determinada estação móvel é tomada pelo BSC. Uma vez tomada a
decisão, e uma vez que foi escolhida uma nova célula (ou uma lista de candidatas), a
transferência actual tem que ser coordenada entre a estação móvel e as máquinas que gerem a
antiga célula (BTS-old) e a nova célula (BTS-new).
O procedimento de handover pode ser de diversas espécies, de acordo com os dois
principais critérios. O primeiro critério está relacionado com o mecanismo do avanço
temporal, e interfere apenas com a parte de “entrada” do procedimento do interface rádio
entre a estação móvel e a BTS-new. Podem se distinguir dois casos:
a estação móvel é capaz de calcular o novo avanço temporal (a ser utilizado
com a BTS-new), porque as células, antiga e nova, estão sincronizadas, tendo
neste caso o handover síncrono;
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
112
o avanço temporal tem que ser inicializado tanto na estação móvel como na
BTS-new durante o procedimento de handover, sendo este caso chamado de
handover assíncrono.
O segundo critério diz respeito à localização do ponto de comutação da infra-estrutura. Esta
localização interfere fortemente com os procedimentos utilizados entre as entidades da infra-
estrutura.
De forma a descrever os diferentes casos, iremos utilizar o sufixo “old” para referir
todas as entidades ao longo do percurso da comunicação antes do handover, e “new” será
utilizado para o percurso após o handover. A BTS-old, BSC-old e MSC-old representam as
máquinas encarregadas da célula antiga, e BTS-new, BSC-new e MSC-new são as máquinas
encarregadas da nova célula. Pode acontecer que a BSC-old=BSC-new, ou MSC-old=MSC-
new.
Quer seja síncrono ou assíncrono, seja inter ou intra-MSC, e seja inter ou intra-BSC, a
execução do handover é composta principalmente por duas fases:
• numa primeira fase, a BSC-old realiza uma série de eventos com o
objectivo de estabelecer o futuro percurso rádio. Uma vez que isto esteja
feito, esta fase termina com o envio dum comando de handover para a
estação móvel;
• numa segunda fase, a estação móvel acede ao novo canal. Este acesso
provoca a comutação dos percursos na infra-estrutura, e a libertação do
antigo percurso.
Uma vez que a decisão de efectuar um handover foi tomada pela BSC-old, isto tem que ser
indicado ao ponto de comutação. Este último tem que então estabelecer os recursos terrestres,
se necessário, até à BSC-new, sinalizar com esta para atribuir um recurso rádio e fornecer a
todas máquinas interferentes no processo toda a informação necessária para o handover e a
futura gestão da ligação. Esta informação inclui:
• o modo de transmissão, utilizado para escolher e configurar o percurso
rádio duma forma apropriada, incluindo o novo canal rádio;
• O modo de encriptação;
• a identidade da célula origem, utilizada para determinar se o handover
pode ser efectuado duma forma síncrona ou assíncrona;
• a classe da estação móvel, utilizada para a futura gestão da ligação.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
113
A estação móvel não sabe nada do que se passa nos processos da infra-estrutura e
decisões até receber a mensagem de handover. Esta mensagem contém toda a informação que
caracteriza a transmissão no novo canal (excepto o modo de encriptação o qual assume-se que
continua a mesmo de que no antigo canal), e os dados necessários para o acesso. Em
particular, esta mensagem indica à estação móvel se o procedimento de handover a seguir
deve ser síncrono ou assíncrono. Em ambos os casos, graças à pré-sincronização, a estação
móvel é capaz de se sincronizar rapidamente no novo canal e começar a recepção
imediatamente.
No caso de um handover síncrono, a estação móvel envia primeiro alguns bursts de
acesso, e então começa a transmissão normal, utilizando o avanço temporal calculado. Se a
handover é assíncrono, a estação móvel continua a enviar bursts de acesso até receber uma
resposta da BTS-new, que transporta o avanço temporal a utilizar. Só então é que começa a
transmissão normal. Este é o único caso onde os curtos bursts de acesso são utilizados num
canal dedicado. A razão para a utilização deste tipo de burst é o desconhecimento, por parte
do móvel, do avanço temporal adequado ao novo canal.
6.16.2 Execução do handover
Vamos então particularizar o processo para as diferentes situações. No primeiro caso temos o
mais simples handover, ou seja, ambas as células são controladas pelo mesmo BSC. Os
procedimentos envolvidos no processo estão representados e numerados na Figura 6.11.
Quando se desenrola um handover deste tipo, o MSC não é envolvido na troca de sinalização.
Contudo O MSC será informado assim que termine o handover, de forma a actualizar o
registo do assinante no VLR. Se as células envolvidas no processo não pertencerem à mesma
área de localização, então será necessário efectuar um procedimento de actualização de
localização após o handover.
A sequência de procedimentos será então:
1. Baseado nos critérios referidos anteriormente, o BSC decide efectuar um
handover entre as duas células. O BSC informa a BTS que esta deve activar
um TCH, com as mesmas características do canal anterior.
2. O BSC envia então a mensagem de handover para o móvel. Esta mensagem
contém informação acerca da frequência e escalonamento temporal do novo
canal, assim como a potência a utilizar inicialmente. Esta informação é
enviada no canal de sinalização associado rápido (FACCH), activado para o
efeito.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
114
3. O Móvel sintoniza a nova frequência e após a correcta sincronização, passa a
transmitir bursts de acesso para handover. Estes bursts são enviados no canal
FACCH.
4. Após detecção dos bursts de acesso, a nova BTS responde, enviando
informação acerca do avanço temporal, pelo no canal FACCH.
5. O móvel recebe a resposta e envia a mensagem de handover completo para o
BSC, através da nova BTS.
6. O BSC está em condições agora de mandar a BTS-old libertar o canal TCH
antigo.
BSCold
new
1
2
2
3
45
5
6
Figura 6.11 - Handover entre células controladas pelo mesmo BSC.
Na segunda situação, temos um handover entre células controladas por BSC diferentes, mas
pertencendo ao mesmo MSC. Neste caso já o MSC/VLR terá de ser directamente envolvido
no processo de estabelecimento do novo canal, pois o percurso terrestre do canal de tráfego
será alterado. Isto poderá ser observado na Figura 6.12:
VLR
BSCold
new
4
5
6
BSC
MSC
old
new
1
2
34
4
4
77
7
8
8
9
Figura 6.12 - Handover entre células controladas por diferentes BSC’s, mas no mesmo MSC.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
115
A sequência numerada na figura será:
1. O BSC que serve no momento o móvel (old) envia uma mensagem de pedido
de handover ao MSC contendo a identidade da célula destino.
2. O MSC sabe qual o BSC que controla a nova célula, e envia-lhe um pedido
de handover.
3. O novo BSC verifica o estado dos canais (poderão estar todos ocupados), e
ordena então à BTS-new que active o canal para que o móvel possa ser
recebido.
4. Este BSC enviará então a mensagem de handover ao móvel, através do MSC
e do antigo BSC e BTS. É esta BTS que suporta o canal ainda activo. Esta
mensagem contém informação acerca das características do novo canal.
5. O Móvel sintoniza a nova frequência e após a correcta sincronização, passa a
transmitir bursts de acesso para handover. Estes bursts são enviados no canal
FACCH.
6. Após detecção dos bursts de acesso, a nova BTS responde, enviando
informação acerca do avanço temporal, pelo no canal FACCH.
7. O móvel recebe a resposta e envia a mensagem de handover completo para o
MSC, através do novo BSC.
8. O MSC informa o BSC que o handover correu bem e que poderá libertar os
canais de tráfego.
9. O BSC antigo manda a BTS-old libertar o canal anteriormente utilizado.
O terceiro e último caso trata do handover entre células que pertencem a áreas de serviço de
diferentes MSC’s. Este tipo de handover apenas poderá ser executado dentro do mesmo
operador. É claro que neste caso também os BSC serão diferentes. Vamos então explicar as
fases apresentadas na Figura 6.13:
1. O BSC que serve no momento o móvel (old) envia uma mensagem de pedido
de handover ao MSC-A. Neste mensagem é enviada a identificação da célula
destino;
2. O MSC-A verifica que a célula pertence a outro MSC, o MSC-B, e pede-lhe
então ajudo no processo;
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
116
3. O MSC-B atribui um número ao handover para o reencaminhamento da
chamada. É então enviado uma mensagem de pedido de handover ao
BSC-new;
4. O novo BSC manda a BTS destino activar o novo canal de tráfego;
5. O MSC-B recebe a informação acerca do canal, e passa-a ao MSC-A
juntamente com o número de handover;
6. Nesta altura é estabelecida uma ligação para transporte de tráfego entre os
dois MSC’s. O estabelecimento deste circuito poderá passar pela PSTN.
7. O MSC-A enviará então a mensagem de handover ao móvel, através do
antigo BSC e BTS.
8. O Móvel sintoniza a nova frequência e após a correcta sincronização, passa a
transmitir bursts de acesso para handover. Estes bursts são enviados no canal
FACCH.
9. Após detecção dos bursts de acesso, a nova BTS responde, enviando
informação acerca do avanço temporal, pelo no canal FACCH.
10. O móvel recebe a resposta e envia a mensagem de handover completo para o
antigo MSC, através do novo BSC.
11. O MSC-A estabelece então um novo circuito de forma a que a chamada passa
a ser encaminhada através da nova ligação. Depois disso e«informa o antigo
BSC que já pode libertar o canal antigo
BSCold
new
7
8
9
old
4
10 10 VLR
MSC
VLR
MSCA
B
1
2
35
5
PSTN /
ISDN
PSTN /
ISDN
6
7
BSCnew
10
11
Figura 6.13 - Handover entre células controladas por diferentes MSC’s.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
117
6.17 Gestão de Chamadas
A gestão de chamadas não é um tema novo. Consiste no estabelecimento e libertação de
circuitos de comunicação através de diversas redes. O desenvolvimento das redes fixas,
principalmente a PSTN e a ISDN, causou uma grande evolução nas técnicas de sinalização. As
redes celulares públicas em geral, e o GSM em particular, são basicamente redes de acesso a
estes sistemas de telecomunicações. O seu esquema de gestão de comunicações é bastante
dependente das técnicas existentes e oferece poucas novidades, por exemplo, a troca de
sinalização na interface entre o GSM e as redes exteriores é imposta pelas últimas. Os
procedimentos de sinalização da gestão de comunicações, definidos entre estações móveis e a
infra-estrutura GSM, são cópias adaptadas e simplificadas daquelas especificadas para o
acesso à ISDN.
No entanto a gestão de chamadas não é totalmente herdada da ISDN, pois os sistemas
celulares acarretam alguns problemas devido à mobilidade dos utilizadores e ao facto de não
existir nenhuma ligação fixa entre cada utilizador e a estrutura da rede. O ponto central é o
estabelecimento de chamadas com utilizadores que se deslocam. Um dos lados do problema é
o percurso que o sistema tem que percorrer para seguir o movimento dos utilizadores entre
chamadas, de maneira a localizá-los sempre que necessário. O outro lado do problema é o
encaminhamento da chamada através de redes até ao utilizador móvel.
6.17.1 Chamada Originada no Móvel
O facto de a chamada ser originada num móvel não implica uma grande diferença de
procedimento em relação às redes fixas. A principal diferença é que o número é
completamente digitado antes de ser estabelecido qualquer contacto com a rede, sendo este
visualizado na MS e estar sujeito a modificações antes da transmissão. Uma outra diferença,
aplicável em redes multi-serviço como GSM, é que informação adicional pode ser trocada
entre o utilizador e a rede no início da chamada, tal como o tipo de serviço ou o tipo de canal.
Na maioria dos casos, estes pontos serão tratados automaticamente pela estação móvel, quer
com valores por defeito ou previamente especificados.
Na Figura 6.14 poderemos observar o fluxo de informação através da rede GSM.
Estão representados e numerados as diversas fases do encaminhamento da chamada. Ao longo
da descrição do projecto será identificado o canal lógico em utilização.
1. Em primeiro lugar o móvel irá efectuar um acesso aleatório, através do canal
RACH, pedindo então um canal de sinalização dedicado SDCCH.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
118
2. O BSC atribui um canal de sinalização, através do canal de acesso concedido
AGCH.
3. É estabelecido o canal de sinalização entre o móvel e o MSC/VLR (SDCCH).
Este canal suportará toda a sinalização entre as entidades de rede e o móvel,
até ser estabelecido o canal de tráfego. A troca de informação agora
processada incluirá:
i) Envio da identificação do móvel – TMSI. Com base nesta
identificação, o VLR activa o registo do móvel e devolve a trio
de parâmetros ao MSC;
ii) Autenticação. O MSC enviará o parâmetro RAND ao móvel. O
móvel devolverá o respectivo SRES que deverá coincidir com o
valor devolvido pelo VLR..
iii) Inicio de encriptação. O BSC é informado da chave de
encriptação Kc.
iv) O móvel envia o pedido de chamada. O número destino é
enviado agora para o MSC (neste caso trata-se de um telefone
fixo).
4. O MSC informa o BSC para que seja atribuído um canal de tráfego ao móvel.
A informação relativa a este canal é então enviada ao móvel.
5. A partir de agora o móvel passará a utilizar o canal de tráfego TCH/SACCH.
6. O MSC envia agora o pedido para a rede fixa. O utilizador móvel passa agora
a ouvir o toque de chamada.
BSC
HLR
AuC
EIR
VLR
MSC
GMSC
VLR
PSTN /
ISDN
PSTN /
ISDN
61
23
4
4
4
5
3
Figura 6.14 - Estabelecimento de Chamada Originada no Móvel.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
119
6.17.2 Chamada Terminada no Móvel
A maior diferença entre o estabelecimento de uma chamada para um utilizador PSTN/ISDN e
um utilizador móvel é que no primeiro, a localização exacta é conhecida, enquanto no
segundo nunca sabemos onde se encontra o móvel, podendo inclusivamente estar no
estrangeiro. Desta forma teremos de encontrar o móvel através das bases de dados e de pois
por paging e só então encaminhar a chamada para o local destino.
Na Figura Figura 6.15 estão representados os procedimentos que se deve efectuar no
estabelecimento da chamada. Neste caso trata-se de uma chamada originada na rede fixa, mas
na verdade, toda a sequência de procedimentos é semelhante, qualquer que seja a origem da
chamada. Passemos então a explicar as diversas fases:
12. O assinante fixo digita o número de telefone destino - MSISDN. Este número
é então analisado pela central de comutação local, que encaminha então a
chamada para a gateway do operador móvel, denominada por GMSC.
13. O GMSC analisa o MSISDN de forma a deduzir em que HLR se encontra
registado o assinante. Um operador móvel pode optar pela utilização de
diversos HLR’s, existindo então uma separação com base no MSIDN. É
então altura de interrogar o HLR acerca do estado do móvel, e a forma de
encaminhar a chamada para o mesmo.
14. Depois de chegado o número do assinante móvel ao HLR, terá então de se
proceder a várias operações:
i) O HLR terá de em primeiro lugar efectuar a transformação do
MSISDN na identificação móvel, o IMSI.
ii) Esta consulta verifica também o estado dos serviços do assinante,
pois pode-se dar o caso de estarem activos reenvios para outros
números, ou por exemplo, para um centro de voice mail.
iii) O HLR contacta agora o MSC da área de serviço onde se
encontra o móvel. Este contacto tem como objectivo a obtenção
do MSRN, que permitirá o encaminhamento da chamada para o
MSC. Repare-se que este MSC pode não ser do próprio operador,
podendo inclusive estar no estrangeiro. No entanto todo o
processo é semelhante.
Sinalização em GSM Capítulo 6
ISEL-DEEC-SST
120
15. Com base no IMSI o VLR selecciona temporariamente um MSRN e
associa-o ao assinante em causa enquanto a chamada decorrer. Este número é
então devolvido ao HLR, que por sua vez o envia ao GMSC.
16. O GMSC está então agora em condições de encaminhar a chamada para o
destino, estabelecendo um circuito através da própria rede, ou através do
PSTN caso o assinante esteja em roaming. Esta chamada é encaminhada
directamente para o MSC.
17. Chegado o MSRN ao MSC/VLR, este converte-o no respectivo TMSI e
obtêm assim a LAI em que se encontra o assinante. É então iniciado o
processo de paging.
18. O MSC pede aos BSC’s que controlam as estações base que pertencem à área
de localização do móvel, que enviem uma mensagem de paging por forma a
encontrar o móvel. Esta mensagem tem como parâmetro o IMSI o TMSI do
móvel destino. É utilizado o canal de paging PCH em todas as estações base.
19. O móvel em causa deverá então responder ao paging, através do canal de
acesso aleatório RACH. O móvel envia o TMSI.
20. É atribuído um canal para sinalização dedicado SDCCH. Esta atribuição faz-
se através do AGCH. O canal lógico SDCCH é então estabelecido entre o
móvel e o MSC/VLR. É então que se dará todo o processo de autenticação
por forma a confirmar a identidade do móvel. Depois de iniciada a chamada
encriptada, será passada ao móvel toda a informação respeitante à chamada
em causa, por exemplo número de origem.
21. Depois de informado o BSC, é então atribuído um canal de tráfego ao móvel,
completando-se a ligação. Esta atribuição poderá ser efectuada antes ou
depois de inicio de alerta no móvel, dependendo da estratégia de atribuição
de canal de tráfego, como foi referido anteriormente.
Sinalização em GSM Capítulo 6
Sistemas de Telecomunicações I
121
BSC
HLR
AuC
EIR
VLR
MSC
GMSC
VLR
PSTN /
ISDN
PSTN /
ISDN
1
12
3
3
4
4
5
6
7
7
7
7
7
1089
11
Destino
Figura 6.15 - Estabelecimento de Chamada Terminada no Móvel .
Acrónimos
A3 Authentication algorithm – Algoritmo de autenticação
A5 Encryption algorithm – Algoritmo de encriptação
A8 Ciphering key generating algorithm – Algoritmo de geração de chave de cifra
AGCH Access Grant Channel – Canal de acesso atribuído
AMPS Advanced Mobile Phone Service
AuC Authentication Centre – Centro de Autenticação
BCC Base Transceiver Station (BTS) Colour Code – Código de cor da BTS
BCCH Broadcast Control Channel – Canal de controle de difusão
BCH Broadcast Channel – Canal de Difusão
BER Bit Error Rate
BP Burst Period – Período de duração de rajada de bits
BSC Base Station Controller - Controlador de Estações Base
BSIC Base transceiver Station Identity Code - Código de identificação de BTS
BSS Base Station System - Sistema de Estações Base
BTS Base Transceiver Station – Estação Transreceptora de Base
C0 BCCH Carrier – Portadora dos canais BCCH
C1 Path Loss Criterion – Critério rádio
C2 Reselection Criterion – Critério de reselecção de célula
CC Country Code - Código de país
CCCH Common Control Channel – Canal de controle comum
CCITT Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique
CDMA Code Division Multiple Access
CEPT Conférence Européene de Postes et Télécommunications
CGI Cell Global Identification – Identificação global de célula
CI Cell Identity – Identificação da Célula
DCE Data Circuit terminating Equipment – Equipamento de terminação de circuitos de dados
Acrónimos
ISEL-DEEC-SST
122
DCS Digital Communication System – Sistema Digital de comunicações
DCS 1800
Digital Communication System at 1800 MHz – Sistema Digital de comunicações a 1800 MHz
DTE Data Terminal Equipment – Equipamento terminal de dados
DTX Discontinuous transmission (mechanism) – Transmissão descontínua
EIR Equipment Identity Register – Registo de identificações de equipamento
ETR ETSI Technical Report
ETS European Telecommunications Standard
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FAC Final Assembly Code – Código final de fabrico
FACCH Fast Associated Control Channel – Canal de controle associado rápido
FCCH Frequency Correction Channel – Canal de correcção de frequência
FDMA Frequency Division Multiple Access
GMSC Gateway Mobile-services Switching Centre
GSM Global System for Mobile communications
HLR Home Location Register – Registo dos assinantes residentes
IMEI International Mobile station Equipment Identity Identificação Internacional do equipamento móvel
IMEISV International Mobile station Equipment Identity and Software Version Number – Identificação internacional do equipamento móvel e do software
IMSI International Mobile Subscriber Identity – Identificação internacional do assinante móvel
ISDN Integrated Services Digital Network – Redes digitais com integração de serviços
Kc Ciphering key – Chave de encriptação
Ki Individual subscriber authentication key – Chave individual de autenticação do assinante
LAI Location Area Identity – Identificação da área de localização
LMSI Local Mobile Station Identity – Identificação local do móvel
LN Location Number – Número de localização
LSP Locally Significant Part – Parte significativa localmente
MCC Mobile Country Code – Código do país móvel
MNC Mobile Network Code – Código de rede móvel
MS Mobile Station – Estação móvel
MSC Mobile-services Switching Centre, Mobile Switching Centre – Centro de comutação móvel
MSIN Mobile Subscriber Indentification Number – Número de identificação do assinante móvel
MSISDN
Mobile Station International ISDN Number – Número RDIS internacional da estação móvel
MSRN Mobile Station Roaming Number – Número de roaming da estação móvel
Acrónimos
Sistemas de Telecomunicações I
123
NCC Network (PLMN) Colour Code – Código de cor do operador móvel
NDC National Destination Code – Código nacional do destino
NMSI National Mobile Station Identification number – Número de identificação nacional da estação móvel
NMT Nordic Mobile Telephone
OMC Operations & Maintenance Centre – Centro de Operação e Manutenção
OSS Operation & Support System – Sistema de suporte e de operação
PCH Paging Channel – Canal de paging
PCM Pulse Code Modulation - Modulação por codificação em impulsos
PIN Personal Identification Number – Número de identificação pessoal
PLMN Public Lands Mobile Network – Rede pública móvel
PSTN Public Switched Telephone Network – Rede pública de comutação telefónica
PTT Nordic Post, Telephone and Telegraph
PUK PIN Unblock Key - Chave para desbloquear o PIN
RACH Random Access Channel – Canal de acesso aleatório
RAND RANDom number (used for authentication) – Número aleatório
RSZI Regional Subscription Zone Identity – Identificação da zona de assinatura regional
SACCH Slow Associated Control Channel – Canal de controle associado lento
SCH Synchronization Channel – Canal de sincronização
SDCCH Stand-alone Dedicated Control Channel – Canal de Controle dedicado
SIM Subscriber Identity Module – Módulo de identificação do assinante
SN Subscriber Number – Número do assinante
SNR Serial NumbeR – Número de Série
SRES Signed RESponse (authentication) - Resposta assinada
SS Switching System – Sistema de Comutação
SVN Software Version Number - Número de versão de software
TAC Type Approval Code – Código de aprovação do equipamento
TACH Traffic Associated Channel – Canal de tráfego associado
TACS Total Access Communication System
TCH Traffic Channel – Canal de tráfego
TDMA Time Division Multiple Access
TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity - Identificação temporária do assinante móvel
TN Timeslot Number – Número da janela temporal
TRAU Transcoder/Rate Adapter Unit – Unidade de transcodificação e adaptação de ritmos
TRX Transceiver - Transreceptor
TS Time Slot – Janela temporal
VAD Voice Activity Detection – Detecção de actividade de voz
Acrónimos
ISEL-DEEC-SST
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VLR Visitor Location Register – registo de localização de visitantes
ZC Zone Code – Código de zona
Bibliografia
Theodore S. Rappaport, “Wireless Communications – Principles & Practice”, Prentice Hall,1996
Yacoub, M.D., “Foundations of Mobile Radio Engineering”, CRC Press, 1993
Ericsson, “AXE 10 Survey”, Ericsson,
GSM 01.04 (ETR 100) : "European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Abbreviations and acronyms".
GSM 03.03 (ETS 300 523): "European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Numbering, addressing and identification".
GSM 03.08 (ETS 300 526) : "European digital cell ular telecommunications system (Phase 2); Organisation of subscriber data".
GSM 03.20 (ETS 300 534) : "European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Security related network functions".
GSM 03.22 (prETS 300 535): "European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Functions related to Mobile Station (MS) in idle mode".
GSM 04.01 (ETS 300 550): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Mobile Station - Base Station System (MS - BSS) interface. General aspects and prin ciples".
GSM 04.03 (ETS 300 552): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Mobile Station - Base Station System (MS - BSS) interface. Channel structures and access capabilities".
GSM 04.04 (ETS 300 553): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); layer 1. General requirements".
GSM 04.05 (ETS 300 554): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Data Link (DL) layer. General aspects".
GSM 04.07 (ETS 300 556): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Mobi le radio interface signalling layer 3. General aspects".
GSM 05.01 (ETS 300 573): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Physical layer on the radio path. General description".
GSM 05.02 (ETS 300 574): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Multiplexing and multiple access on the radio path".
GSM 05.03 (ETS 300 575): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Channel coding".
GSM 05.04 (ETS 300 576): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Modulation".
Bibliografia
ISEL-DEEC-SST
126
GSM 05.05 (ETS 300 577): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Radio transmission and reception".
GSM 08.08 (ETS 300 590): "Digital cellular telecommunications system (Phase 2); Mobile Switching Centre - Base Station System (MSC - BSS) interface. Layer 3 specification".
GSM 11.11 (ETS 300 608) : "European digital cellular telecommunications system (Phase 2); Specification of the Subscriber Identity Module – Mobile Equipment (SIM - ME) interface".
CCITT Recommendation E.164: "Numbering plan for the ISDN era".
CCITT Recommendation E.212: "Identification plan for land mobile stations".
CCITT Recommendation E.213: "Telephone and ISDN numbering plan for land mobile stations in public land mobile networks (PLMN)".
CCITT Recommendation X.121: "International numbering plan for public data networks".