gsm curso

Telecomunicações das Redes Móveis

(2G)

Justino Lourenço – jlourenco007@gmail.com

Bibliografia do Curso

• « An Introduction to Gsm » S.M. Redl, Artech House

• IEEE Spectrum, www.spectrum.ieee.org

• « Réseaux GSM-DCS » X. Lagrange, Hermes

• « Le téléphone Radiocoms », R.C Hozé, Dunod

• www.techonline.com,

• « GSM towards 3rd generation » by Zvonar, Kluwer

• « Digital Modulation techniques », F. Xiong, Artech House

• World Radiocom Conference

História da Telecomunicações

Conceitos Introdutórios

Comunicação Analógica vs. Digital

Bit

BER

Sinal

Ruído

Interferência

Relação S/N

Largura de Banda

Características do Meio

•Canal Partilhado;

•BER mais elevado;

•Dependência das condições atmosféricas;

•Dependência das condições geográficas

Redes Celulares ?

Pq uma célula de comunicação?

– Reutilização

– Capacidade

Tipos de Serviços

• Os serviços de comunicações móveis incluem:

telemensagens (paging);

telefone sem fios;

rádio móvel privado (trunking);

comunicações celulares;

informação e controle de tráfego, e orientação de rotas;

sistemas de dados via rádio;

multimédia e vídeo-telefonia móvel;

Serviços baseados em posição.

Tipos de Serviços

Os serviços podem ser classificados de acordo com

o tipo de ligação:

• difusão: a informação é enviada por um centro,

podendo ser recebida por vários utilizadores;

• ponto-a-ponto: a informação é enviada, ou

trocada, entre dois utilizadores;

• ponto-a-multiponto: a informação é enviada, ou

trocada, entre um utilizador e um grupo de utilizadores.

Tipos de Serviços

Os sistemas podem ser classificados quanto ao

modo de comunicação:

• bidireccional:

___ simplex: um canal

___ duplex: dois canais com utilização simultânea

___ alternado: dois canais sem util. simultânea

• unidireccional:

___ base móvel

___ móvel base

Bandas de Frequência

Em VLF efectuam-se os serviços de telegrafia com os submarinos submersos.

• As comunicações a distâncias longas entre navios e estações costeiras são feitas em LF.

• Em MF fazem-se as comunicações móveis

aeronáuticas, marítimas e terrestres a distâncias

médias.

• Alguns serviços móveis terrestres, marítimos e

aeronáuticos a distâncias grandes são realizadas em HF.

Bandas de Frequência

A banda de VHF é usada para os serviços móveis

terrestres, marítimos e aeronáuticos em distâncias

médias/pequenas, além dos telefones sem fios e

dos serviços de telemensagem.

Os serviços de comunicações celulares (distâncias

pequenas), bem como os serviços móveis

marítimos via satélite, são efectuados em UHF.

Comunicações Móveis

Terrestres

Actualmente usa-se a banda [70, 2 200] MHz

para

os serviços móveis de fonia, dados e mensagem,

devido a:

• características de propagação;

• tamanho e tipo de antenas;

• facilidade de fabrico de equipamento.

• A tendência é para usar bandas de frequência

mais

elevadas no futuro.

Comunicações Móveis

Terrestres

A propagação na banda VHF/UHF caracteriza-se

por:

• ser quase independente da polarização, e das

propriedades electromagnéticas do solo;

• se fazer essencialmente por raios directo e

reflectido;

• ser influenciada pela presença de obstáculos;

Propagação VHF/UHF

• ser pouco sensível à refracção na

atmosfera;

• ter um alcance aquém do rádio horizonte;

• não sofrer perturbação pelos gases

atmosféricos e hidrometeoros.

Comunicações Móveis

Terrestres

As antenas são, geralmente, dipolo,

monopolos, ou elementos impressos:

• isolados para os terminais móveis;

• em agregado para as estações base.

Diferenças com Outros

Serviços

Nos serviços fixos:

• pode escolher-se o percurso de modo a minorar

alguns dos problemas de propagação;

• as antenas são sempre directivas, e colocadas em

linha de vista;

• o desvanecimento é muito menos importante.

Cenários de Inter-ligação

Exemplo de

FWALigações no GSM

Link Atmosférico

iMac

Diferenças com Outros

Serviços

Nos serviços de difusão:

• a comunicação é unidireccional;

• a cobertura é conseguida com um número

relativamente baixo de emissores;

• a localização dos receptores pode ser

escolhida.

Evolução dos Sistemas de

Comunicações Celulares

Evolução dos Sistemas de

Comunicações Celulares

A 1ª geração caracterizou-se por usar

tecnologia analógica e transportar apenas

voz.

• A 2ª geração usou tecnologia digital, e

permite transportar dados, embora tenha

sido dimensionada para voz.

Evolução dos Sistemas de

Comunicações Celulares

• A 3ª geração, de tecnologia digital, é

dimensionada para dados e multimédia.

• A 4ª geração, de tecnologia digital, para

dados e multimédia, diferencia-se por ...?

Cronologia no GSM

GSM - Aparecimento

GSM começa em 1982, quando a Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) forma um grupo de trabalho chamado de Groupe Spécial Mobile (designação inicial de GSM).

Objectivos do GSM

Boa qualidade de voz;

Baixo custo dos terminais e serviços;

Suporte para International Roaming;

Capacidade de integração em terminais portáteis;

Suporte para o desenvolvimento de novos serviços;

Eficiência Espectral;

Compatibilidade ISDN / RDIS

Evolução do GSM

Em 1989 a responsabilidade sobre o GSM passou

para European Telecommunication Standards

Institute (ETSI) e as recomend. Fase 1 aparecem em

1990.

Em 1991 aparece a especificação para Digital

Cellular System (DCS1800).

Evolução dos Sistemas de

Comunicações Celulares

Evolução dos Sistemas de

Comunicações Celulares

Limitações do 2G - GSM

Crescimento nas Redes Móveis

Crescimento nas Redes

Fonte: Nortel 2003

Evolução

Evolução da Largura de Banda

Evolução das Redes Móveis

Tecnologias Wireless

GSM em Portugal

Espectro

Aspectos Básicos de

Propagação

Parte II

Modelos de Propagação

Potência

Antenas

Definições

Definições de Antenas

Antena Omni-Direccional

Antena Direccional

Antenas Sectorizadas

Ganho de uma antena

Abertura e Directividade

Antenas GSM

Relações Gerais

Relações Gerais

Propagação em Espaço Livre

Propagação em esp. livre

Propagação para Dist. Reduzidas

Propagação em “Terra Plana”

Propagação em “Terra Plana”

Propagação em “Terra Plana”

Aproximações

Propagação em “Terra

Plana”

Propagação em “Terra

Plana”

Propagação em “Terra

Plana”

Endereçamento em GSM

GSM permite distinguir as entidades:

– Utilizador

– Equip. Móvel

Identificadores utilizados:

– IMEI, IMSI, MISDN and LAI

Endereçamento em GSM

International Mobile Station Equipment Identity - IMEI

– Número de série que identifica internacionalmente o terminal

móvel.

– Pedido pela rede no momento do registo e contêm:

• Type Approval Code (TAC): 6 dígitos decimais;

• Final Assembly Code (FAC): 6 dígitos decimais;

• Serial Number (SNR): 6 dígitos decimais;

• Spare (SP): 1 digito decimal.

– IMEI = TAC + FAC + SNR + SP (19 digits)

Endereçamento em GSM

International Mobile Subscriber Identity - IMSI

– Identificador único armazenado no SIM;

– MS apenas opera se o SIM tem um IMSI valido;

– MS apenas opera se tiver um IMEI valido;

– Contempla os dados:

• Mobile Country Code (MCC): 3 dígitos decimais

• Mobile Network Code (MNC): 2 dígitos decimais

• Mobile Subscriber Identification Number (MSIN): 10 dígitos

decimais

IMSI = MCC + MNC + MSIN (15 dígitos)

Numeração em GSM

Mobile Subscriber ISDN Number - MSISDN

– Número real do cliente;

– Armazenado na HLR e associado ao IMSI

– Garante a confidencialidade do IMSI, contempla:

• Country Code (CC): até 3 dígitos decimais

• National Destination Code (NDC): tipicamente 2/3 dígitos decimais

• Subscriber Number (SN): Máximo de 10 dígitos decimais

– MSISDN = CC + NDC + SN

OSI

Nível 1 - Especificação

Especificação – Nível 1

Especificação – Nível 1

Células

Exemplo de Segmentação

Detecção de Canal Livre

Comunicação bidireccional

Transmissão vs Recepção

TDMA

Utilizador recebe fatia temporal – slot;

Vários slots originam trama;

Entre distintas tramas é deixado um tempo de

guarda para minimizar crosstalk entre canais.

Trama TDMA

TDMA em GSM

Salto em Frequência

Selectividade

Voz em GSM

Voz em GSM é codificada digitalmente à taxa de 13 kbps- full-rate speech coding.

Os 13 kbps (260 bits cada 20 ms) têm forward error correction adicionado por um encoder convolucional.

Voz em GSM

Depois da codificação do canal chegamos a 22.8 kbps (ou 456 bits cada 20 ms);

456 bits são divididos em 8 blocos de 57 bits;

As tramas são entrelaçadas e transmitidas (Burst Errors).

Voz em GSM

Cada trama de 57 bit é adicionada uma sequencia

de treino (26 bit) para a equalização;

De seguida utiliza-se a modulação Gaussian

Minimum Shift Keying (GMSK) numa portadora de

200 kHz.

Sequência de Treino

Amostragem de Voz

Amostragem Temporal de Voz

Compressão

Compressão de Voz

Encriptação em GSM

QPSK em GSM

Geração do QPSK

Modulação GMSK

Objectivo:

– Suavizar as transições, logo reduzir a largura de banda

ocupada.

Gaussian Modulated Shift Keying (GMSK)

Recepção do sinal

Receptor - Detalhe

Detalhe de um Telemóvel GSM

Detalhe de um Telemóvel GSM

Modulo SIM

Modulo SIM

Autenticação no acesso à rede;

Geração da chave de encriptação;

Armazenamento seguro de chaves e

números telefónicos.

Novas Funcionalidades

Personalização dos telemóveis:

Nome da operadora

Armazenamento in SIM para display no ME

3 Volt Technology SIM

Especificação (GSM 11.12)

Número de serviço específicos da operadora.

Novas Funcionalidades

SIM Application Toolkit

SIM data download

Proactive SIM

Barramento de chamadas

SIM Test Specification

new specification (GSM 11.17)

Support of Universal Coding Scheme 2

(UCS2)

Suporte dos vários caracteres dos vários idiomas

SIM Standards

GSM 02.17

SIM Functional Characteristics

GSM 11.11

Specification of the SIM/ME I/F

GSM 09.91

Interworking aspects of the SIM/ME I/F

between Phases 1 and 2

GSM 11.12

3V SIM/ME Interface

GSM 11.10 Clause 27

Testing of the SIM/ME Interface

GSM 11.14

The SIM Application Toolkit

GSM 11.17 to come

SIM Test Specification

GSM 02.48 to come

Security Requirements for the SIM Toolkit

SIM Application Toolkit

Conjunto de ferramentas que permitem ao

operador a diferenciação de serviços

disponibilizados via SIM, e com

capacidade de serem utilizados em

qualquer terminal móvel.

Capacidade dos SIM Toolkit

Fornece um caminho directo de comunicação

da rede para o SIM, e vice versa,

Móvel SIM Rede

E.x. Administração remota da SIM Data

Aplicações

Banco online

Ferramentas de Segurança

Necessidade de comunicação segura entre o móvel e

a rede!

Autenticação

Integralidade

Detecção de resposta

Detecção de execução da acção

Confidencialidade

Arquitectura do GSM

Arquitectura do GSM

Arquitectura GSM

Distribuição Geog. das BTS

Soluções de Cobertura em GSM

Roll – out

Objectivos: Criar uma rede de comunicações

adequada e fiável:

– Exigências geográficas;

– Exigência demográficas;

– Perspectiva de evolução do tráfego;

Cobertura em GSM

•Problemas principais:

Atenuação e atraso na propagação

Espectro Rádio limitado

Capacidade de reutilização

Soluções para os problemas

–Controlo de potência transmitida

•Redução da Interferência.

–Frequency hopping

•Melhor qualidade de transmissão

•Melhora a relação diversidade da interf. versus efic. espectral

–Transmissão descontinua

•Reduz risco de interferênci

–Mobile Assisted HandOver (MAHO)

•Algoritmo que minimiza a interferencia gerada pela chamada.

Gestão dos recursos Rádio

Características dos Canais: – Alocação dinâmica de canais

– Broadcast channels para todos os terminais móveis

– Dedicated channels para um determinado terminal móvel

Estados do equipamento móvel: – Idle mode: mobile station (MS) escuta os broadcast channels; mas não tem

nenhum canal alocado.

– Dedicated mode: Um canal bi-direccional é alocado ao MS permitindo a troca

ponto-a-ponto de informação e sinalização com a rede.

Consequências da Mobilidade

Gestão da Localização:

– A localização do MS é mantida actualizada em tempo real;

– As células são agrupadas em Location Area (LA)

– Cada célula pertence a uma e a só uma LA

– Enquanto a MS muda de célula:

• Não há actualização quando as células pertencem à mesma LA

• Existe actualização quando as células envolvidas pertencem a LA diferentes.

Consequências da Mobilidade

Handover: – Capacidade de transferência de uma chamada entre células vizinhas sem

ocorrer uma queda da chamada;

– Exige de alguma forma a tomada de uma decisão

• Medidas de intensidade de sianal

• Histerese na comutação

– Requer a disponibilidade de comutação inter-célula.

Consequências da Mobilidade

Capacidade de receber / efectuar chamadas noutras redes

GSM

Exigências Administrativas: – Acordo de taxação entre diferentes operadores, etc…

Exigências Técnicas: – Transf. chamadas, partilha de info do subscritor, info localização, etc

– Interface de acesso comum.

– Exigências de Hardware de MS idênticas.

Handoff em GSM

Rede Segmentada em Células, logo como resolver:

– Travessia inter-célula;

– Quando comutar de célula?

– Comutação com sucesso?

– Evitar drop-call...

Tipos de Handoff em GSM

Tipos

– Intracell

– Inter-Cell com a mesma BSC

– Intra MSC

– Inter MSC

- Entre redes heterogéneas

Elemento que inicia handoff

– Terminal móvel

– Iniciada pela rede, colaboração do term.

Móvel.

Intra-MSC

Inter-MSC

Decisão do instante de handoff

-Potencia de sinal recebido;

-Relação Sinal / Interferência;

-Gestão de recursos da rede;

Requer HISTERESE na decisão.......

Inic. do handover pela rede

Características dos novos canais;

Características da nova célula;

Nível de Potência envolvido;

Procedimentos para estabelecimento da

ligação;

Informação de sincronismo;

Ajuste do Cipher mode.