monografia - m2m - comunicaÇÃo mÁquina a mÁquina
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
M2M – COMUNICAÇÃO MÁQUINA A MÁQUINA
Leonardo Milhardes Mendes Orientador: Prof. Dr. Sérgio Granato de Araújo
GOIÂNIA
JANEIRO DE 2007
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
LEONARDO MILHARDES MENDES
M2M – COMUNICAÇÃO MÁQUINA A MÁQUINA
Projeto final de curso apresentado à banca examinadora como parte dos requisitos para obtenção do título de
Engenheiro de Computação. Área de Concentração: Redes e Automação
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Granato de Araújo
GOIÂNIA JANEIRO DE 2007
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Agradeço principalmente a Deus e à minha família, que sempre me deram o apoio necessário às conquistas de meus objetivos. Dedico a todos aqueles que vêem no co-nhecimento e na informação mais uma forma de prazer na vida.
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RESUMO
Este texto consiste em uma pesquisa sobre os padrões de comunicação de voz e
dados das redes de telefonia móvel atuais, em especial o GSM (Global System for Mobile
Communications) e GPRS (General Packet Radio Service). Com base no funcionamento dos
celulares que atendem a esses padrões, pode-se controlá-los através de um dispositivo micro-
controlador. Se esse dispositivo possuir uma interface analógica e/ou digital com outros equi-
pamentos pode-se utilizar esse conjunto para telemetria, controle e monitoramento remotos,
em uma gama muito variada de aplicações, conhecidas como M2M – Machine to Machine. A
grande vantagem desse tipo de telemetria é a mobilidade, já que o controle pode ser feito de
qualquer lugar do mundo, através da internet convencional, e o aparelho monitorado pode
estar em qualquer local dentro da área de cobertura da operadora de telefonia utilizada.
O objetivo do projeto é fazer um experimento para aplicação e verificação do ex-
posto, utilizando o microcontrolador 8051, comum e bastante conhecido, e um celular con-
vencional. O conjunto enviaria dados de forma ilustrativa para um computador conectado à
internet e previamente configurado para tal, caracterizando o sistema básico para medições e
controle remotos de qualquer dispositivo que possa ser ligado a esse microcontrolador.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.......................................................................................................................................... 10 1.1 ASPECTOS HISTÓRICOS ....................................................................................................................... 10 1.2 JUSTIFICATIVA E OBJETIVO ................................................................................................................. 11
2 A TECNOLOGIA GSM............................................................................................................................ 14 2.1 HISTÓRIA DA COMUNICAÇÃO MÓVEL CELULAR................................................................................... 14
2.1.1 A primeira geração – 1G............................................................................................................... 15 2.1.2 A segunda geração – 2G ............................................................................................................... 16 2.1.3 A terceira geração – 3G ................................................................................................................ 21
2.2 ARQUITETURA DA REDE GSM .............................................................................................................. 25 2.2.1 A divisão em células ...................................................................................................................... 25 2.2.2 Técnicas de Modulação ................................................................................................................. 29 2.2.3 Técnicas de Multiplexação ............................................................................................................ 32 2.2.4 Unidades Funcionais da rede GSM............................................................................................... 35
2.2.4.1 O BSS - Base Station Subsystem ..........................................................................................................36 2.2.4.2 O NSS - Network Switching Subsystem ..............................................................................................38 2.2.4.3 O telefone móvel GSM ........................................................................................................................42
3 GPRS........................................................................................................................................................... 44 3.1 DEFINIÇÕES: ORIENTAÇÃO A CIRCUITOS E ORIENTAÇÃO A PACOTES ................................................. 44 3.2 DESENVOLVIMENTO DAS TECNOLOGIAS DE DADOS DE ALTA VELOCIDADE PARA GSM......................... 48 3.3 CARACTERÍSTICAS DO GPRS .............................................................................................................. 51
3.3.1 Métodos de codificação e Gerenciamento dos recursos a rádio ................................................... 51 3.3.2 Qualidade de Serviço..................................................................................................................... 54
3.4 A ARQUITETURA COMBINADA GSM/GPRS ............................................................................................ 58 3.4.1 A PCU – Packet Control Unit ....................................................................................................... 59 3.4.2 O SGSN – Serving GPRS Support Node........................................................................................ 61 3.4.3 O GGSN – Gateway GPRS Support Node ..................................................................................... 62 3.4.4 Outros componentes adicionados à rede GSM.............................................................................. 65
3.5 PROCEDIMENTOS GPRS E PROTOCOLOS DO PADRÃO ............................................................................ 66 4 EXPERIMENTO REALIZADO E CONCLUSÕES .............................................................................. 71
4.1 O CELULAR COMO MODEM GRPS ......................................................................................................... 71 4.2 O MICROCONTROLADOR 8051 ............................................................................................................. 76 4.3 O EXPERIMENTO REALIZADO ............................................................................................................... 80
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................ 83 REFERÊNCIAS .................................................................................................................................................. 84
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – A estrutura em blocos da rede celular 3G. ...........................................................24 Figura 2.2 - Evolução da comunicação móvel. ........................................................................24 Figura 2.3 – Unidade de comunicação básica das redes celular...............................................25 Figura 2.4 – Padrão de reutilização de freqüências usando sete células. .................................26 Figura 2.5 – Células Setorizadas. .............................................................................................28 Figura 2.6 – Padrões de reutilização de freqüências com nove e doze células setorizadas......29 Figura 2.7 – Modulação ASK...................................................................................................30 Figura 2.8 – Modulação FSK ...................................................................................................31 Figura 2.9 – Modulação PSK ...................................................................................................31 Figura 2.10 – Técnica FDMA de multiplexação. .....................................................................33 Figura 2.11 – A combinação de FDMA e TDMA (acima) e a divisão de time slots no GSM.34 Figura 2.12 – A arquitetura funcional da rede GSM. ...............................................................36 Figura 2.13 – Diagrama funcional de um BSC. .......................................................................37 Figura 2.14 – Possíveis localizações da TRAU........................................................................38 Figura 2.15 – Diagrama funcional do celular GSM .................................................................43 Figura 3.1 – Rede orientada a circuitos ....................................................................................45 Figura 3.2 – Rede orientada a pacotes......................................................................................47 Figura 3.3 – Variantes do EDGE..............................................................................................49 Figura 3.4– Funcionalidades do CSD clássico e HSCSD ........................................................52 Figura 3.5– Diferentes métodos de codificação do GPRS .......................................................53 Figura 3.6 – Classes de QoS de confiabilidade ........................................................................56 Figura 3.7 – Classes de QoS de atraso .....................................................................................58 Figura 3.8 – Conversão dos pacotes de dados em quadros PCU..............................................60 Figura 3.9 – A posição do SGSN na rede como um todo.........................................................61 Figura 3.10 – As funções do SGSN e GGSN...........................................................................63 Figura 3.11 – Tipos de GGSN..................................................................................................64 Figura 3.12 – A rede combinada GSM/GPRS..........................................................................66 Figura 3.13 – Procedimentos do GPRS. Registro e Ativação de contexto PDP ......................68 Figura 3.14 – Protocolos utilizados no GPRS ..........................................................................69 Figura 4.1 – Configurações do pppd para conexão via celular GPRS .....................................75 Figura 4.2 – Saídas do debug do pppd durante o estabelecimento da conexão........................76 Figura 4.3 – Pinagem do microcontrolador 8051.....................................................................79
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Melhoramentos introduzidos com a fase 2+ (2.5G) do GSM..............................18 Tabela 2.2 – Especificações GSM............................................................................................20 Tabela 4.1 – Famílias básicas do 8051.....................................................................................77
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
1X RTT 1x Radio Transmission Tecnology 203GPP Third Generation Partnership Project 22AC Authentication Centre 40AMPS Advanced Mobile Phone System 15APN Access Point Name 66ASK Amplitude Shift Keying 29BG Border Gateway 64BSC Base Station Controller 36BSS Base Station Subsystem 35BTS Base Transceiver Stations 36CDMA Code Division Multiple Acess 32CSD Circuit Switched Data 51CSPDN Circuit Switched Public Data Networks 39D-AMPS North American Digital Cellular ou Digital AMPS 20EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution 48EIR Equipment Identity Register 41ETSI European Telecommunication Standards Institute 16FDMA requency Division Multiple Access 32FSK Frequency Shift Keying 30GERAN GSM/EDGE Radio Access Network 23GGSN Gateway GPRS Support Node 62GMSK Gaussian minimum shift keying 31GPRS General Packet Radio Service 42GR GPRS Register 64GSM Global System for Mobile Communications 16HLR Home Location Register 39HSCSD High Speed Circuit Switched Data 48IMEI International Mobile Equipment Identity 41IMSI International Mobile Subscriber Identity 42ISDN Integrated Services Digital Network 39M2M Machine to Machine 12MSC Mobile Services Switching Center 38NAT Network Address Translation 66NMT Nordic Mobile Telephone System 15NSS Network Switching Subsystem 35
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OQPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying 31PCM Pulse Code Modulation 37PCU Packet Control Unit 58PDA Personal Digital Assistant 11PDC Personal Digital Cellular 20PDP Packet Data Protocol 66PLMN Public Land Mobile Network 39PSK Phase Shift Keying 30PSPDN Packet Switched Public Data Networks 39PSTN Public Switched Telephone Network 39QoS Quality of Service 54RTOS Real Time Operating System 79SDU Service Data Unit 55SGSN Serving GPRS Support Node 60SLR SGSN Location Register 64SMS Short Message Service 17TACS Total Access Communications System 15TCE Trunk Control Element 37TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol 18TDMA Time Division Multiple Access 32TRAU Transcoding Rate and Adaptation Unit 37UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter 76UMTS Universal Mobile Telecommunications Services 22UTRAN UMTS terrestrial radio access network 23VLR Visitor Location Register 40WAP Wireless Application Protocol 18WCDMA Wideband Code Division Multiple Access 23
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1 INTRODUÇÃO
1.1 Aspectos Históricos
À medida que os antigos procedimentos de manufatura e produção de bens do sé-
culo XVIII foram sendo desenvolvidos e evoluíram para processos industriais cada vez mais
complexos, intrincados e dependentes de máquinas para serem executados, o homem sentiu a
necessidade crescente de monitorar e controlar todas as etapas de produção, mas de uma for-
ma automatizada e, se possível, remota. Isso daria um ganho de produtividade gerencial e uma
maior qualidade no controle, principalmente de processos críticos, pois ele seria mais efetivo
e mais abrangente, atingindo atividades que antes não poderiam ser controladas.
Nesse contexto, a partir do início do século XX surgiu o conceito de telemetria,
que é, por definição, um processo de comunicação automatizado, através do qual medições e
outros dados são coletados a partir de fontes remotas e transmitidas a equipamentos de recep-
ção para monitoramento. O primeiro sistema de telemetria implementado foi em Chicago no
ano de 1912, de monitoramento de distribuição de energia. Ele utilizava linhas de telefone
para transmitir dados sobre as bases de distribuição a um escritório central.
A partir de então as aplicações se diversificaram. O uso aeroespacial e bélico da
telemetria nos anos de guerra fria foi decisivo para sua evolução. A primeira aplicação do tipo
foi nos anos de 1930 com a sonda a rádio, que media temperatura, pressão, umidade e outros
parâmetros meteorológicos e os enviava via rádio para centrais em terra. Rapidamente passou
a compor as pesquisas com mísseis aéreos teleguiados, e possibilitou o envio de satélites ao
espaço, que necessitavam ser controlados e monitorados via rádio ou outro meio eletromagné-
tico.
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A maturidade atingida pela tecnologia após essa época permitiu aplicações co-
merciais em setores que tipicamente têm uma larga rede de equipamentos a serem monitora-
dos, como produção e distribuição de energia e água, refinarias de petróleo, gás entre outras.
Esses sistemas normalmente utilizavam métodos dedicados de comunicação, geralmente via
satélite ou linha exclusiva.
1.2 Justificativa e Objetivo
As dificuldades de acesso à comunicação na época levava a soluções de alto cus-
to, que só se tornavam viáveis para grandes aplicações que realmente fossem beneficiadas em
seus processos críticos por esse monitoramento. Além disso, a falta de padrões de comunica-
ção como temos hoje com a internet, fazia com que fossem quase que “sob medida”, depen-
dentes da aplicação e dos equipamentos utilizados. Isso fez com que o uso da telemetria fosse
muito específico, num primeiro momento como uma tática de estratégia de guerra e depois
com aplicações comerciais, mas extremamente restritas.
Nas duas últimas décadas, uma das mais importantes revoluções tecnológicas tra-
zidas por meio do desenvolvimento da eletrônica, informática e áreas afins foi a disseminação
da internet e seu uso em larga escala, tanto comercial como pessoal, permitindo novas formas
de entretenimento, comunicação e relacionamento social. O modo de vida mudou nesses últi-
mos anos, a informação é disseminada muito mais rapidamente e de forma mais abrangente
do que há tempos atrás, em que a televisão era o principal responsável por isso. Agora, come-
ça uma nova revolução que também promete trazer grandes mudanças, a internet móvel. Com
o aumento da capacidade de processamento dos celulares e PDAs (Personal Digital Assis-
tant), e as novas tecnologias de acesso rápido à internet através da própria operadora de tele-
fonia móvel, a tendência tem sido cada vez mais de integração desses dispositivos nos chama-
dos SmartPhones, celulares com capacidades de acesso à internet, leitura de e-mails, jogos,
agenda eletrônica e de compromissos e outras funções de computadores pessoais simplifica-
das, como edição de texto e planilhas.
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Esse cenário de popularização e queda contínua dos preços da internet móvel traz
novas e promissoras expectativas de uso da telemetria, aumentando a gama de aplicações pos-
síveis e tornando-a muito mais acessível. Nessa nova forma de telemetria, que está sendo cha-
mada de comunicação máquina a máquina, ou M2M – Machine to Machine, utiliza-se a pró-
pria rede celular para conectar equipamentos que se deseja monitorar, através da conexão des-
tes com algum dispositivo de aquisição dos dados. Esse dispositivo, que normalmente trata-se
de um microcontrolador, faz o estabelecimento da conexão com a internet através do celular
ou PDA e transmite para um servidor previamente configurado para receber e processar essas
informações. O M2M abre um vasto campo de aplicações de telemetria e controle nas mais
diversas áreas de interesse, antes impossíveis ou inviáveis de serem implementadas. Aplica-
ções como monitoramento de veículos em situações de roubo ou acidente, operação e aquisi-
ção de dados de câmeras de segurança à distância, monitoramento de estoques de máquinas de
venda, proporcionando apoio logístico à operação, a própria venda através da rede celular em
locais sem conexão física, monitoramento remoto de informações vitais de pacientes sendo
acompanhados, levantamento automatizado do consumo de energia e outros recursos em em-
presas, para racionalização do uso e mesmo a integração com os antigos sistemas de teleme-
tria tradicional são apenas alguns exemplos de aplicação dessa nova tecnologia eclética. Esta-
tísticas levantadas pelo Wireless Data Research Group sobre o uso do M2M e outras tecnolo-
gias sem fio de monitoramento, dentre elas principalmente o GPS, indicam que o mercado
mundial deve atingir 28 bilhões de dólares em 2007, entre hardware, software e serviços. No
Brasil, a previsão da consultoria Itelogy Partners é de um crescimento médio de 79% ao ano
até 2008. O faturamento apenas na área de M2M via redes celulares no Brasil foi de 652 mi-
lhões de dólares em 2006.
O objetivo desse trabalho é desenvolver um experimento de M2M com um celular
convencional e um microcontrolador, que enviaria dados em alguma posição de sua memória
interna para algum servidor na internet previamente preparado para a recepção desses dados.
Para isso, o microcontrolador deve conectar-se à internet através de seus protocolos padrões e
enviar a informação, que simula dados de monitoramento de um equipamento qualquer conec-
tado ao microcontrolador. Para tanto, foi feito um estudo do funcionamento da tecnologia de
comunicação móvel GSM, que é a mais utilizada mundialmente, e apresentado no capítulo 2.
Também foram pesquisadas as características e modo de funcionamento da tecnologia GPRS,
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que dá acesso à internet em alta velocidade para redes GSM. Os resultados são apresentados
no capítulo 3. E o capítulo 4 apresenta os resultados do experimento realizado, conclusões e
sugestões de trabalhos futuros.
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2 A TECNOLOGIA GSM
2.1 HISTÓRIA DA COMUNICAÇÃO MÓVEL CELULAR
De maneira simplória, as tecnologias de comunicação móvel através de celulares
não passam de uma combinação de rádio e telefone: um aparelho que codifica a voz de algu-
ma maneira que possa ser transmitida por meio eletromagnético, semelhante ao rádio, e uma
operadora que controla estes aparelhos para multiplexar o acesso, promover tarifação, contro-
le de qualidade entre outras funções de suporte. O primeiro sistema de telefonia móvel que
surgiu, que nem era considerado de “celulares” como são conhecidos hoje, era composto por
telefones a rádio, que eram instalados geralmente em automóveis e se comunicavam com uma
única estação rádio-base por cidade. Cada estação possuía em torno de 25 canais de comuni-
cação para serem preenchidos e apenas um usuário poderia ocupar cada canal por vez. Isso
acarretava um desperdício enorme de freqüências, e um número limitado de usuários, o que
fazia com que os custos fossem extremamente altos. Além disso, o telefone-rádio necessitava
de transmissores de alta potência para alcançar distâncias de cerca de 70 km até a estação, e
com isso eram grandes e com pouca autonomia de bateria, ou eram alimentados continuamen-
te pelo automóvel, o que comprometia a mobilidade. Todas essas características tornavam a
tecnologia extremamente cara para o usuário e com pouco retorno para a empresa concessio-
nária, já que, mesmo que houvesse demanda, o número de usuários era limitado.
O que possibilitou o desenvolvimento vertiginoso das comunicações móveis nas duas
últimas décadas foi a tecnologia celular. Hoje, o termo comunicação móvel é praticamente
sinônimo de comunicação celular, já que a tecnologia de telefones-rádio foi praticamente ex-
tinta, e no caso do Brasil, nem chegou a ser implementada. O grande diferencial das redes
celular para garantir a escalabilidade é a divisão da área de cobertura em diversas células,
cobertas por estações rádio-base. Essa divisão possibilita a reutilização de freqüências (ca-
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nais) de comunicação em células entre as quais é impossível haver interferência devido à dis-
tância de separação. Além disso, com área de cobertura por célula menor, os transmissores
dos aparelhos dessas redes, os já conhecidos celulares, podem ser bem menos potentes, o que
permite o uso de baterias de baixa potência, portanto baixo peso, e mesmo assim com grande
autonomia. Na próxima seção esse assunto será retomado com mais detalhes.
2.1.1 A primeira geração – 1G
No final da década de 70 vários sistemas de comunicação celular de primeira ge-
ração foram introduzidos. Eram caracterizados pela transmissão analógica de voz através da
modulação por freqüência e já implementavam a divisão da área coberta em células. O pri-
meiro sistema do tipo, o AMPS (Advanced Mobile Phone System), foi introduzido nos Esta-
dos Unidos em 1974. Outras implementações 1G são os sistemas NMT (Nordic Mobile Tele-
phone System), introduzido em 1981 na Suécia logo depois na Suíça, em diversos países es-
candinavos e da Europa central e oriental, e o TACS (Total Access Communications System)
em 1985 na Irlanda, Itália, Espanha e Reino Unido.
Apesar de esses sistemas apresentarem boa qualidade de voz, eles se caracterizam por
eficiência espectral limitada, e também sofrem do fato de as mensagens de controle entre o
celular e a estação serem transmitidas pelo mesmo canal de voz, de forma que interrompiam a
transmissão desta, produzindo tiques audíveis. Também não permitiam o uso da rede para
troca de dados, seja na forma de mensagens simples, como existe com o SMS na geração 2G,
seja para internet. Mesmo assim, conquistaram grande número de usuários, principalmente na
Europa, onde em meados da década de 90 o número de assinantes ainda era crescente. Mais
recentemente foram largamente substituídos pelos sistemas 2G, que são o padrão atual, ou
foram relegados para cobertura de áreas rurais. No Brasil, atualmente, representam menos de
1 % do número total de usuários de celulares, segundo a Anatel.
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2.1.2 A segunda geração – 2G
A necessidade de expansão do número de usuários foi o principal motivo para o
desenvolvimento da segunda geração de celulares, que veio em substituição às redes de pri-
meira geração já saturadas. Em comparação com essas, as redes digitais 2G oferecem:
• Melhor capacidade, em número de usuários e em possibilidade de cresci-
mento, graças à codificação de voz com baixas taxas de bits (bit-rate) e
menor fator de reuso de freqüência das células, conforme será explicado
na próxima seção.
• Segurança, possibilitada por criptografia, e autenticação, para prevenção
de fraudes e acesso não autorizado.
• Integração de voz e dados, característica da tecnologia digital.
• Canais dedicados ao intercâmbio de mensagens de controle da rede entre o
celular e as operadoras, cuja falta era uma das principais limitações da tec-
nologia 1G.
Inicialmente, os sistemas 2G operavam apenas em 900 Mhz (800 Mhz no caso do Ja-
pão e Estados Unidos), mas versões com freqüências mais altas de 1800 e 1900 Mhz surgiram
logo depois. A tecnologia GSM (Global System for Mobile Communications) é a principal
representante dessa geração, com o maior número de usuários, mundialmente, portanto sua
história e desenvolvimento merecem atenção especial.
Em 1982, a conferência européia de administradores de telecomunicações e correios, a
CEPT, formou um time de especialistas, o Groupe Speciale Móbile – GSM, com o intuito de
desenvolver um novo padrão europeu de comunicações móveis. Várias características técnicas
possíveis para o novo sistema foram comparadas entre 1984 e 1986, e em 1987 as técnicas
principais de transmissão foram escolhidas. Também em 1987, 13 países assinaram um me-
morando de concordância (Memorandum of Understanding - MoU) para o início das imple-
mentações das redes GSM previstas para 1991. Em 1988 foi fundado o ETSI – European Te-
lecommunication Standards Institute, com a função de converter as recomendações técnicas
da tecnologia em padrões europeus.
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Em 1989, já com intenções de internacionalização, o nome Groupe Speciale Móbile
foi oportunamente alterado para Global System for Mobile Communications e no ano seguinte
começaram os testes de implantação. A primeira rede comercial GSM foi implantada em ju-
lho de 1991, na Finlândia, consolidando o que foi chamada de “fase 1” do desenvolvimento
do padrão. Essa fase inicial definiu toda a infra-estrutura necessária para dar suporte a chama-
das de voz sobre frame relay, alguns serviços extras básicos, como encaminhamento e blo-
queio de chamadas e transmissão de dados a velocidades de 0.3 a 9.6 kb/s, e a padronização
do serviço de SMS (Short Message Service). Também determinou as freqüências de operação,
de 900 Mhz (GSM900) e 1800 Mhz (GSM1800). Algumas dessas características serão vistas
nos capítulos seguintes. A fase 1 possibilitou às operadoras européias a oportunidade de co-
meçar a gerar lucros enquanto a padronização ainda estava em andamento. Assim elas poderi-
am começar com um mínimo de investimento e expandir a capacidade disponível e a oferta de
serviços de acordo com a demanda dos clientes, ao invés de aguardar a padronização final e
implementar tudo de uma vez. Será visto que a natureza aberta e um tanto “incompleta” do
padrão foi um de seus principais fatores de sucesso, justamente por permitir que recursos adi-
cionais, como GPRS, pudessem ser implementados gradualmente e a seu tempo, gerando mais
lucros para as operadoras e serviços mais completos aos clientes.
Logo após o início da operação dessa primeira fase de recursos, começou a ser desen-
volvido o que se chamou de “fase 2” do padrão. Essa etapa foi concluída em 1995 e trouxe
algumas melhorias, como compatibilidade com redes ISDN de operadoras de telefonia fixa,
codificação de voz em half-rate, que possibilitou melhor qualidade de voz nas ligações, e um
pacote completo de serviços adicionais, complementando aqueles da fase 1: identificação de
chamadas; Call Waiting (CW), que informa a um usuário, durante uma conversação, de que
outra chamada está em espera, e o usuário pode aceitar, rejeitar ou ignorar a chamada recém-
chegada; Advice of Charge(AoC), que fornece informações online de tarifação e saldo dispo-
nível; Multiparty Service, serviço de múltiplas conversações ou áudio-conferência; Closed
User Group (CUG), que corresponde a um grupo de usuários com possibilidades limitadas de
chamada, somente para outras pessoas do mesmo grupo ou alguns números em particular;
Operator−determined barring, que fornece restrições pela operadora a diferentes serviços e
tipos de chamada. Todas essas características foram implementadas com compatibilidade a
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versões anteriores. Assim, uma rede GSM de fase 2 deve permitir o funcionamento de todos
os celulares que suportem apenas a fase 1.
A terceira e atual fase de evolução das redes GSM é a chamada “fase 2+”, ou fase
2.5G, que representa o início de uma nova abordagem de evolução para o padrão, com foco na
integração com a internet e seus protocolos orientados a pacotes. Novas recomendações co-
brindo questões específicas estão sendo desenvolvidas e são adicionadas ao padrão como lan-
çamentos anuais. A tabela 1 mostra o conjunto de melhoramentos que foram introduzidos
nessa fase. Alguns serão discutidos em detalhes nos próximos capítulos e sessões, especial-
mente o GPRS. Um erro comum de classificação de tecnologias no tempo é definir o WAP -
Wireless Application Protocol como pertencente à fase 2+. Apesar de ter sido desenvolvido
na mesma época, ele não é parte do padrão GSM. O WAP foi desenvolvido para permitir a-
cesso à internet a partir de celulares e é independente de padrões de telefonia móvel, pois tra-
ta-se de um protocolo que faz interface com o TCP/IP (Transmission Control Protocol / In-
ternet Protocol), padrão da internet, e que não seria adequado para redes móveis devido à
grande sobrecarga (overhead) que provoca com mensagens de controle de fluxo e de erros.
Tabela 2.1 – Melhoramentos introduzidos com a fase 2+ (2.5G) do GSM
TECNOLOGIA EXPLICAÇAO
ASCI: Advanced Speech Call Items Permite que dois tipos de chamada em grupo sejam feitas em um downlink comum ao in-vés de baseadas em conferência, ou seja, o gerador da chamada possui o uplink e os receptores possuem o downlink
SOR: Support of Optimal Routing
A chamada entre dois celulares que estejam em roaming em uma mesma rede alheia à de assinatura pode ser completada localmente, ao invés de ser via operadora de assinatura dos equipamentos.
UUS: User-to-User Signalling
Permite que mensagens SMS sejam enviadas e recebidas durante uma chamada. Isso provê mais flexibilidade ao usuário e reduz as filas na central de SMS
EFR: Enhanced Full Rate
Uma nova codificação de voz que oferece maior qualidade através da adição de redun-
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dância HSCSD: High Speed Circuit Switched Data
Implementa a transmissão de dados através de slots de tempo e uma melhor codificação para tal, que permite velocidades de até 14.4 kbit/s, mas possui a desvantagem de requerer uma conexão dedicada (orientado a circuito – circuit switched)
GPRS: General Packet Radio Service
Implementa a transmissão de dados através de slots de tempo e de quatro novas codifica-ções, e tem a vantagem de ser orientada a pacotes (packet switched)
EDGE: Enhanced Date rates for the GSM Evolution
Uma nova técnica de modulação (8PSK) que aumenta drasticamente a taxa de transmissão de bits sobre a interface sem fio das redes celular e pode ser combinado com GPRS e HSCSD
SIM Tool Kit Adiciona capacidades extras ao cartão SIM (SIM Card). As aplicações rodando no toolkit podem interagir com o usuário e enviar co-mandos ao telefone, possibilitando novos serviços
Com o intuito de facilitar o acesso às especificações do padrão GSM, elas foram divi-
didas em séries. Informações sobre um determinado tópico podem ser encontradas procurando
nas séries principais primeiro. Essas, por sua vez, são divididas em vários documentos que
descrevem todo o padrão. As especificações do GPRS por exemplo aparecem na série 3. A
relação completa das séries de especificações segue na tabela 2. Os detalhes do que está des-
crito na tabela serão vistos nas próximas seções.
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Tabela 2.2 – Especificações GSM
SÉRIE DESCRIÇÃO
01 Os termos, definições e abreviações a serem usados nas especificações GSM
02 Serviços 03 Aspectos da Rede 04 Interface BTS/MS 05 Interface física sem fio 06 Codificação de voz 07 Adaptação de terminal 08 Interface BTS/MSC 09 Transições de Rede 10 Transições de Serviço 11 Especificações de conformidade técnica 12 Operação e manutenção
21 a 55 UMTS O padrão GSM logo se tornou dominante na Europa e começou a ser adotado, e ga-
nhar liderança, em vários outros países do mundo. Mas outras tecnologias de acesso da era 2G
também existem e dividem até hoje a preferência com o GSM. Nos EUA, não há uma lideran-
ça clara dentro do padrão 2G e existem basicamente dois outros tipos de sistemas 2G celula-
res, operando em 800 Mhz e incompatíveis entre si. O primeiro é o D-AMPS (North Ameri-
can Digital Cellular ou Digital AMPS), um sistema baseado na técnica de multiplexação
TDMA e algumas vezes chamado apenas de TDMA. O outro, que foi lançado depois, é o cd-
maOne, que usa a técnica CDMA. As especificações relevantes para a interface sem fio são as
chamadas interim standards IS-136, para o D-AMPS, e IS-95, para o cdmaOne, que se torna-
ram sinônimos para os padrões. Alguns textos se referem a eles apenas por IS-136 e IS-95. O
cdmaOne, muitas vezes conhecido apenas por CDMA, também possui técnicas de otimização
do desempenho para transmissão de dados. A principal delas é o 1X RTT – (1x Radio Trans-
mission Tecnology, o 1x refere-se ao número de canais de 1,25 Mhz utilizados) com velocida-
de máxima de 144 kbps.
Outro padrão 2G existente é o PDC - Personal Digital Cellular, lançado e bastante uti-
lizado no Japão. Ele foi posteriormente complementado com o PHS - Personal Handyphone
System, uma espécie de misto de telefone sem fio com telefone celular, que permite pouca
mobilidade mas é popular em certas aplicações que necessitam de velocidades de transmissão
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relativamente maiores (32 kbps posteriormente melhorada para 64 kbps). Os dois padrões são
baseados em TDMA, mas não foram muito adotados em outros lugares do mundo.
No Brasil, o GSM tem larga vantagem sobre outras tecnologias, consideradas indivi-
dualmente, com 61,2% dos usuários contra 26,2% do CDMA e 12,4% do TDMA, segundo a
Anatel, sendo esses dois últimos baseados nos padrões americanos cdmaOne e D-AMPS, res-
pectivamente. Ainda existe uma pequena parcela de 0,09% de usuários de AMPS, da geração
1G.
2.1.3 A terceira geração – 3G
O uso de internet sem fio tem aumentado dia após dia. Atualmente é fácil encon-
trar bares, cafés, hotéis e outros lugares que disponibilizam acesso sem fio à internet através
da tecnologia Wi-Fi. São os chamados hot spots ou pontos de acesso. Pessoas com seus lap-
tops podem chegar, efetuar algum tipo de autenticação e simplesmente sair navegando na in-
ternet, de uma forma simples, sem burocracia, e que vem se tornando cada vez mais impor-
tante no modo de vida “high tech”. Estar sempre conectado à internet tem se tornado algo
essencial para muitos profissionais, estudantes e mesmo qualquer um que quer estar sempre
acompanhando o mundo.
Mas nem sempre existe um hot spot disponível. Na falta de um, a própria rede celular
torna-se o meio ideal de acesso à internet de forma fácil e quase que onipresente, pois depen-
de apenas da área de cobertura da operadora de celular e da disponibilidade do serviço. A ex-
pansão da cobertura celular para zonas rurais ou suburbanas, que antes não eram atendidas, e
o aumento da velocidade de acesso com novas tecnologias tornam o mercado de aplicações
moveis para internet e multimídia, dentre eles M2M, um dos mais promissores para os próxi-
mos anos. Seguindo essa tendência, os celulares das redes 2G atuais já possuem acesso à in-
ternet através de GPRS e EDGE. Conforme será visto nos próximos capítulos, com a tecnolo-
gia HSCSD pode-se chegar a uma taxa teórica de 115.2 kbs e, usando-se GPRS, 171.2 kbps.
Aplicando as otimizações que o EDGE proporciona ao GPRS pode-se chegar a uma velocida-
- 22 -
de de 473.6 kb/s, mas para aplicações futuras de multimídia e outras que consumirão maior
largura de banda para transferência de dados, essas tecnologias não serão suficientes. Assim,
desde os primeiros anos de uso do GSM, o ETSI e outros institutos têm trabalhado no que
seria um novo padrão internacional e definitivo de telefonia móvel de terceira geração, 3G,
depois chamado de UMTS - Universal Mobile Telecommunications Services. UMTS é um
conceito modular que levará vantagem com a tendência de convergência de tecnologias atuais
com redes de informações, dispositivos e serviços futuros, e as potenciais “sinergias” que po-
dem vir dessa convergência. Os futuros serviços que podem surgir com a tecnologia serão
altamente integrados em voz, dados e multimídia, tudo isso a taxas de até 2Mbps, roaming
global e outras capacidades avançadas. Em 1998 foi fundada a 3GPP - Third Generation
Partnership Project, uma associação de várias entidades de padronização de vários países,
inclusive o ETSI, com o intuito de desenvolver especificações técnicas aplicáveis globalmente
e relatórios técnicos para a terceira geração. Para adquirir status formal de padrões internacio-
nais, as especificações e relatórios devem ser convertidos pelo ETSI e outros órgãos padroni-
zadores de cada local.
A 3GPP definiu alguns requisitos que o UMTS deve preencher para ser lançado co-
mercialmente, dentre eles:
• Fornecer serviços com velocidades de até 2Mbps em regiões metropolitanas e cen-
tros urbanos, no mínimo 384 kbps em áreas suburbanas e no mínimo 144 kbps em
áreas rurais.
• Suporte a vários tipos de operadoras já existentes nas áreas de implantação.
• Obedecer às duas regras anteriores com taxas de erros de bits na faixa baixa de 10-7
para alguns serviços. Isso irá requerer uma interface sem fio bastante flexível.
• Fornecer handovers, que será visto adiante, imperceptíveis ao usuário, mesmo
quando entre células de diferentes operadoras.
• Compatibilidade com serviços já existentes para as redes centrais (core networks)
ATM, GSM, IP e ISDN.
• A interface sem fio deve fazer uso eficiente do espectro de rádio freqüência, mes-
mo em uso misto de interfaces de diferentes operadoras.
- 23 -
• Suporte à alocação assimétrica de freqüências, para facilitar o uso da internet que é
tipicamente assimétrico. Portanto a interface sem fio deve suportar a operação em
bandas de freqüências não emparelhadas e sem a mesma largura.
• Possibilidade de construção de placas avulsas e cartões PCMCIA UMTS viáveis
em termos de preço, tamanho, peso, alcance e potência irradiada.
Fica claro que o UMTS deve ser capaz de expandir a velocidade e a capacidade de
comunicação, reaproveitando as tecnologias das redes 2G atuais, sem que seja necessário alte-
rar todos os modos de comunicação e forçar os usuários a trocarem seus aparelhos. Aliás, isso
seria um entrave à aceitação e implantação do novo padrão. Nesse ínterim, a 3GPP está defi-
nindo o UTRAN - UMTS terrestrial radio access network, que será a nova interface sem fio
da tecnologia, com maior capacidade e velocidade, baseada na técnica de multiplexação
WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access. Essa técnica é derivada da primeira
versão de CDMA e será compatível com ela, mas oferecendo velocidade máxima de 2Mbps e
mínima de 384 kbps. Uma portadora de 5Mhz de freqüência é utilizada para atingir essas ta-
xas, e permitirá a multiplexação de 50 a 80 canais de voz em comparação com 8 do padrão
GSM, além de uso ainda mais eficiente do espectro de freqüências. As interfaces atuais das
redes GSM sofrerão algumas mudanças para serem incluídas ao padrão modular do UMTS. A
nova interface terá o nome de GERAN - GSM/EDGE Radio Access Network. Outra técnica
de otimização que também está em desenvolvimento é o cdma2000, uma evolução do CDMA
para redes 3G, mas diferente do WCDMA. Ele também deve ser incluído na especificação
final do UMTS. A figura 2.1 [5] mostra um esquema de como será a estrutura modular das
redes 3G.
- 24 -
Figura 2.1 – A estrutura em blocos da rede celular 3G.
Como o padrão 3G ainda está em implantação, seu detalhamento foge ao escopo deste
trabalho, mas trata-se de um campo de pesquisa interessante, pois será o futuro das comunica-
ções móveis. A figura 2.2 [5] mostra o resumo das tecnologias apresentadas nesse breve histó-
rico.
Figura 2.2 - Evolução da comunicação móvel.
- 25 -
2.2 ARQUITETURA DA REDE GSM
2.2.1 A divisão em células
Como já citado, a tecnologia móvel celular baseia-se na divisão da área de cobertura
de uma determinada empresa em células, servidas por estações de rádio-base (ou BS - base
stations). As células são dispostas de forma a se sobrepor umas às outras, para garantir que
não haja “áreas de sombra”, aonde não chega sinal de nenhuma estação. O usuário deve ser
capaz de trafegar pela área total de cobertura com uma chamada em andamento e sem inter-
rupções. Para isso, ocorre o handover (troca de mãos), que é a negociação entre duas estações
base para a troca de comando de um celular, da estação da qual ele está se distanciando para a
estação da qual se aproxima. A comunicação entre o celular e a base é chamada de canal de
uplink, e a comunicação inversa, da base para o celular é chamada de canal de downlink. Para
possibilitar a comunicação, a estação base deve reservar vários recursos, como bandas de fre-
qüência, time-slots, circuitos de codificação e decodificação – codecs ou uma combinação dos
três. A figura 2.3 [2] ilustra essa unidade básica de comunicação das redes celulares.
Figura 2.3 – Unidade de comunicação básica das redes celular.
- 26 -
O formato das células deveria ser um hexágono regular e sem distorções. Teoricamen-
te elas também são bem delineadas e com sobreposições regulares onde os handovers aconte-
cem, mas na realidade o formato das células é grandemente influenciado por efeitos de som-
bra, propagação indireta e efeitos de interferência, que fazem com que não sejam da forma
como os projetos prevêem. Esses efeitos devem ser considerados pelos planejadores, através
de modelos de propagação, pesquisa de lugares onde a reflexão pode levar à atenuação do
sinal ou onde edifícios podem causar pontos de sombra. Fontes externas de rádio freqüência
também podem interferir. Todos esses problemas são importantes na implementação de uma
rede celular, mas o maior e mais delicado deles é o planejamento e a otimização dos padrões
de reuso de freqüências. O padrão GSM900 possui 124 canais de freqüência para serem utili-
zados e o papel do planejador é garantir que células vizinhas não utilizem as mesmas freqüên-
cias para não causar interferências. Atualmente existem vários modelos para tal. Cada um
define um padrão de freqüências, ou cluster, que podem ser repetidos garantindo que a distân-
cia entre células com a mesma freqüência seja grande o suficiente para minimizar a interfe-
rência. Essa distância é a chamada “distância de reuso de freqüências”. Até o advento da téc-
nica de frequency hopping, o tamanho mínimo seguro de cluster era de sete células, conforme
mostrado na figura 2.4 [7].
Figura 2.4 – Padrão de reutilização de freqüências usando sete células.
- 27 -
A cada estação base eram atribuídas 64 portadoras, das quais somente 16 poderiam estar em
uso simultaneamente. Usando frequecy hopping, um time-slot de usuário, conforme será visto
na subseção sobre TDMA, não é transmitido sempre na mesma freqüência. Ao invés disso, a
freqüência muda a cada quadro TDMA. Isso reduz drasticamente o impacto de interferências
destrutivas, já que o time-slot do usuário só é afetado quando enviado numa freqüência distor-
cida. Com essa técnica, em média, o time-slot será enviado em canais que estejam relativa-
mente “limpos”. Nas estações base, a alternância de freqüências é sincronizada de forma que
não haja duas estações em clusters vizinhos usando a mesma freqüência ao mesmo tempo.
Isso permitiu a redução do tamanho do cluster para apenas quatro células nas redes 2G atuais
e também o aumento do número de portadoras ativas de 16 para 24 por célula.
Quando o número de clientes em um determinado local supera a capacidade de trans-
missão da operadora de telefonia, geralmente devido à grande densidade populacional e de-
manda, em uma determinada área, há basicamente três soluções a serem tomadas para o au-
mento da capacidade de ligações e de transmissão de dados: diminuir o tamanho das células,
que implica em mais estações rádio base por Km2 e consequentemente mais clientes por Km2,
aumentar a sobreposição de células e fazer uso de células setorizadas. A primeira solução não
traz muitos problemas para a rede, mas deve ser levado em conta o retorno financeiro que a
operadora terá, pois cada redução de tamanho implica novas estações base e outros equipa-
mentos caros a serem instalados, além da infra-estrutura de suporte a eles. Há também um
limite de potência mínima que as estações devem emitir, portanto, existe um tamanho mínimo
para as células, de forma que não extrapole esse limite. A segunda solução deve ser planejada
cuidadosamente em termos de distâncias de reuso para evitar interferências adicionais que
antes não existiam. A terceira alternativa divide cada célula em setores, que podem ser 2 de
180º, 3 de 120° ou 6 de 60°. Cada setor é tratado como uma célula independente, aumentando
bastante a capacidade da rede, mas levando a maior sobrecarga nas centrais de gerenciamento
e também requer cuidados na implantação. A figura 2.5 [7] ilustra o conceito de células seto-
rizadas.
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Figura 2.5 – Células Setorizadas.
Através do uso de células setorizadas, pode-se fazer outras distribuições de células
para reutilização de freqüências, com padrões de nove e doze setores, utilizando a célula seto-
rizada de 3 x 120°, como mostra a figura 2.6 [7].
- 29 -
Figura 2.6 – Padrões de reutilização de freqüências com nove e doze células setorizadas.
2.2.2 Técnicas de Modulação
Para possibilitar o transporte da voz nas freqüências de rádio, seja analógico ou digital,
a informação transmitida deve ser colocada em uma onda portadora. O processo de combina-
ção dos sinais de áudio e rádio é conhecido como modulação e a onda resultante como onda
modulada. A modulação é necessária para que a informação digital, dados ou voz, possa ser
transmitida por um meio analógico, a radiofreqüência. Existem três formas tradicionais de
modulação:
• Por amplitude (ASK - Amplitude Shift Keying): a portadora é modulada em sua ampli-
tude. A freqüência é mantida constante e a amplitude é tornada alta nos bits 1 de in-
formação e baixa nos bits 0. Normalmente duas mudanças de amplitude representam
cada bit. Um exemplo está mostrado na figura 2.7 [1];
- 30 -
• Por freqüência (FSK - Frequency Shift Keying): modo contrário ao ASK, em que a
portadora é modulada em sua freqüência e a amplitude é mantida constante. Normal-
mente uma única mudança de freqüência representa um bit de informação. Um exem-
plo está mostrado na figura 2.8 [1];
• Por fase (PSK - Phase Shift Keying): no PSK, a freqüência e a amplitude da portadora
são mantidas e as mudanças na informação são representadas por uma mudança na fa-
se da onda modulada. A vantagem dessa técnica é que múltiplas fases podem ser usa-
das para representar mais de um bit modulado. No PSK normal, uma mudança de fase
representa um único bit, mas a modulação multi-fase permite que múltiplos bits sejam
representados. Por exemplo, o QPSK (quadrature phase shift keying) permite que 2
bits sejam representados por mudança de fase, enquanto que mudanças mistas de qua-
dratura de fase e amplitude podem representar 4 bits por mudança. Um exemplo de
PSK tradicional está mostrado na figura 2.9 [1].
Figura 2.7 – Modulação ASK
- 31 -
Figura 2.8 – Modulação FSK
Figura 2.9 – Modulação PSK
A modulação GSM usa uma técnica diferente, o GMSK - Gaussian minimum shift
keying. Para uma transmissão digital GSM, a técnica de modulação deve ter boa tolerância a
erros, devido aos ruídos e interferências inerentes ao ambiente das comunicações sem fio. O
GMSK é um método complexo, baseado principalmente em funções matemáticas. A base
dessa técnica é o OQPSK - Offset Quadrature Phase Shift Keying, que tem a vantagem de
gerar um espectro resultante razoavelmente estreito. Ela é combinada com uma técnica de
- 32 -
minimização que controla a taxa de mudança na fase da portadora, que faz com que o espetro
fique ainda mais estreito. Também requer um planejamento cuidadoso na operadora da rede
para prevenir interferências e produz somente um bit por símbolo recebido. As funções com-
binadas do OQPSK, GMSK e um filtro passa-faixa produzem o espectro compacto necessário
ao padrão GSM.
2.2.3 Técnicas de Multiplexação
Apesar de que a divisão da área de cobertura em células é um tipo de multiplexação, já
que permite a reutilização de determinada freqüência para mais de um conjunto de usuários
em células que não se sobrepõem, nas redes celulares é necessário usar técnicas adicionais de
multiplexação para o melhor uso do espectro limitado de freqüências que é destinado à comu-
nicação móvel. Alguns textos se referem à divisão em células como SDMA - Space Division
Multiple Access, ou seja , a divisão espacial de freqüências, o que não chega a ser uma multi-
plexação no sentido de usar de um mesmo canal de comunicação , em um mesmo local, para
transportar mais do que sua capacidade normal. Na comunicação celular, a multiplexação se
dá através de três técnicas principais: FDMA (?requency Division Multiple Access), TDMA
(Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Acess) explicadas adiante.
A técnica FDMA é a mais antiga, na qual a banda de freqüência disponível é dividida
em canais estreitos de freqüência individuais. Cada usuário é associado a um desses canais,
quando em conversação. Para a comunicação bidirecional da estação base com o celular são
necessários dois canais, um para a comunicação do celular para a estação, uplink, e outro para
o trafego da estação para o celular, downlink. No padrão GSM cada canal é de 200 khz, por-
tanto para cada aparelho são alocados 400 khz (2 x 200). A distância entre os canais de down-
link e uplink deve ser sempre a mesma, só sofre alterações de uma variante GSM para outra.
Por exemplo, no PCS1900, a variante GSM usada nos EUA essa distância é de 80 Mhz. Já no
GSM900, é de 45 Mhz. Uma das dificuldades da técnica FDMA é justamente essa necessida-
de de duas bandas de freqüência a uma distância fixa uma da outra, também chamadas de
bandas emparelhadas. Sistemas desse tipo são chamados de sistemas FDD - Frequency Divi-
- 33 -
sion Duplex. Como o espectro de freqüências é um recurso escasso isso pode ser um proble-
ma, por exemplo na implantação de uma nova operadora GSM em um país, deve ser verifica-
do que ambas as bandas de freqüências estejam disponíveis. A figura 2.10 [5] ilustra o es-
quema FDMA.
Figura 2.10 – Técnica FDMA de multiplexação.
No FDMA, durante uma chamada, um canal é atribuído e reservado ao usuário durante
toda a duração da chamada, e nenhum outro usuário pode compartilhar aquelas freqüências. O
TDMA vai um passo além. Cada canal de freqüência é também subdividido no tempo e a cada
assinante é atribuído o direito de uso sobre apenas uma pequena fração do canal. Essa fração
se repete periodicamente e é conhecida como slot de tempo (time slot), como mostra a figura
2.11 [5]. No GSM, cada canal de freqüência é dividido em oito time slots. Cada slot tem uma
duração de 576,9 μs ou 156,25 bits e é repetido a cada 4,615 ms, o chamado quadro TDMA.
Assim, até oito usuários podem compartilhar um mesmo canal de comunicação quase que ao
mesmo tempo e de forma independente entre si. Vale lembrar que a figura mostra apenas uma
banda de comunicação. Essa mesma divisão se repete na outra faixa, de downlink.
- 34 -
Figura 2.11 – A combinação de FDMA e TDMA (acima) e a divisão de time slots no GSM
Na técnica CDMA, sinais de banda estreita são transformados através de espalhamento
espectral em sinais de largura de banda bem maior, a largura de banda da portadora. A seme-
lhança com o TDMA é que múltiplos usuários compartilham a largura de banda da portadora,
mas como no FDMA, eles transmitem continuamente durante uma chamada ou sessão de da-
dos. A capacidade de multiplexação fica por conta do uso de diferentes códigos de espalha-
- 35 -
mento para cada usuário. Devido a essa característica, sistemas CDMA também são chamados
de sistemas SSMA - Spread Spectrum Multiple Access. Duas técnicas básicas de CDMA exis-
tem: FH, de frequency hopping, e DS, de direct sequence, CDMA. Sistemas FH/CDMA para
telefonia móvel não foram implementados ainda, e sua especificação parou de ser desenvolvi-
da. A tecnologia DS/CDMA é utilizada no cdmaOne e WCDMA e também o será no UMTS
da geração 3G. Nessa técnica, um stream de bits é multiplicado por um stream de códigos
compostos dos chamados chips. Eles têm uma duração muito menor que os bits de informação
do usuário, e é graças a isso que o espectro do sinal original fica espalhado. Os mesmos códi-
gos utilizados no lado do transmissor são utilizados no receptor para a “junção” e recuperação
do sinal original.
2.2.4 Unidades Funcionais da rede GSM
De um ponto de vista geral, cada rede GSM pode ser subdividida em subsistema de es-
tações base – BSS (Base Station Subsystem) e subsistema de roteamento da rede - NSS (Net-
work Switching Subsystem), e também as estações moveis, os celulares. Esse conjunto está
mostrado na figura 2.12 [5]. Esta seção irá discorrer um pouco sobre cada componente, para
proporcionar a base necessária ao entendimento da arquitetura GPRS no próximo capítulo. O
advento do GPRS não alterou essa estrutura básica, somente adicionou elementos para o fun-
cionamento do protocolo, que é orientado a pacotes.
- 36 -
Figura 2.12 – A arquitetura funcional da rede GSM.
2.2.4.1 O BSS - Base Station Subsystem
O BSS consiste primariamente de um conjunto de estações rádio base, BTS - Base
Transceiver Stations, que proporcionam a comunicação com os celulares através da interface
sem fio (air interface), também chamada de Um interface. As BTSs assumem todas as fun-
ções de comunicação entre a rede e o celular da camada 1 do modelo OSI. Isso inclui, dentre
outras funções, codificação dos canais, para identificação, multiplexação dos celulares sob seu
comando, modulação e demodulação GMSK, encriptação e decriptação, e medição de atrasos
nos canais de uplink.
Todas as BTSs de um determinado BSS são conectadas ao segundo componente des-
tes, o controlador de estações base, BSC – Base Station Controller. Eles são conectados atra-
vés da chamada interface Abis. O BSC é uma central de roteamento de circuitos adicional à
central de roteamento de serviços móveis, MSC - Mobile Services Switching Center, que será
vista adiante. Foi criado com o intuito de aliviá-la de tarefas relacionadas com o controle do
link sem fio com as estações. Isso inclui a avaliação das várias medições feitas pelas BTSs e
celulares durante uma conversação, controle de handover e de potência de transmissão, con-
- 37 -
trole de frequency hopping, atribuição e liberação de freqüências e time slots aos celulares,
sincronização de tempo e freqüência, e estabelecimento de chamadas, alocando recursos aos
componentes conectados a ele. O BSC, como um componente de roteamento de circuitos na
rede, torna-se um obstáculo considerável para serviços roteados por pacotes, como GPRS.
Suas funções de central de roteamento são praticamente inúteis para tais serviços, portanto, no
momento da expansão da rede GSM para a oferta de GPRS e outros protocolos do tipo torna-
se necessário que ele seja modificado, ou um novo componente seja adicionado, ou ainda que
seja adicionada uma extensão a ele. A figura 2.13 [5] mostra o diagrama básico de um BSC.
Figura 2.13 – Diagrama funcional de um BSC.
O terceiro componente de um BSS é a TRAU - Transcoding Rate and Adaptation U-
nit, também chamada de Trunk Control Element - TCE. Por limitações físicas, a taxa de dados
da interface sem fio entre o celular e as estações base deve ser de no máximo 16 kbps, bem
menor que a taxa de um canal de comunicação PCM (Pulse Code Modulation) padrão de 64
kbps, utilizado na central MSC, que será vista adiante, e no resto da rede. O celular digitaliza
a voz a uma taxa de 104 kbps, que é comprimida para 13 kbps usando full rate (FR), 12,2
kbps usando full rate melhorado (EFR) ou 5,6 kbps com half rate (HR). A função da TRAU é
converter essas taxas baixas, que chegam às estações base, para 16 kbps, através da inserção
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de dados adicionais de sincronismo e então multiplexar quatro deles em um pacote. Esse pa-
cote de 64 kbps, chamado de quadro TRAU, define toda a comunicação entre MSC e BSC.
Como a função da TRAU também é especificamente da primeira camada, ela deveria estar
geograficamente situada junto à BTS. Porém, muitos fabricantes fazem de forma diferente, e
usam as chamadas TRAU remotas. E a razão para isso é a possibilidade de cortar custos com
conexão. Se a TRAU estiver localizada no MSC, a comunicação entre o MSC e o BSC se dá
através de canais de 16 kbps, ao invés de 64 kbps se a TRAU estivesse no BSC. Em outras
palavras, a TRAU remota pode economizar os custos com conexão desses dois aparelhos em
75%. A figura 2.14 [5] ilustra essa questão.
Figura 2.14 – Possíveis localizações da TRAU.
2.2.4.2 O NSS - Network Switching Subsystem
A função do grupo de equipamentos do BSS é prover conexão do celular ao subsiste-
ma de roteamento da rede, que faz o estabelecimento da conexão entre várias centrais de tele-
fone interconectadas. Essas centrais nas redes GSM são as MSCs - Mobile Services Switching
Center, cuja principal função é, nessa seqüência: avaliar o número de telefone discado, tradu-
zindo em informações específicas da rede; encontrar uma rota, de preferência a melhor, para o
destino; chavear a chamada para o destino. Ela equivale à central de comutação dos sistemas
- 39 -
de telefonia fixa. Outras funções desse equipamento central na rede GSM são: efetuar e arma-
zenar tarifação das ligações para compor a fatura do cliente; supervisão de chamadas e prote-
ção de sobrecarga; dar suporte a funções especificas de suporte e manutenção; permitir a in-
terceptação autorizada de chamadas. Quando uma chamada é feita para a rede de outra opera-
dora, fixa ou móvel, deve haver um ou mais MSC conectado a elas. São os chamados GMSC
- Gateway MSC. Nesse ponto, vale uma observação quanto à nomenclatura normalmente uti-
lizada para as outras redes que não sejam as de telefonia móvel: PSTN (Public Switched Tele-
phone Network), a rede de telefonia fixa tradicional, composta também de suas várias opera-
doras; ISDN (Integrated Services Digital Network; PSPDN (Packet Switched Public Data
Networks), rede pública de dados, termo normalmente utilizado em referência à internet,
CSPDN (Circuit Switched Public Data Networks), e ainda PLMN (Public Land Mobile Net-
work) em referência às outras redes de provedoras de telefonia móvel, às quais o GMSC tam-
bém deve estabelecer conexão.
Em uma rede de telefonia fixa, já seria possível efetivar ligações com os componentes
descritos até agora, já que o BSS provê o acesso dos telefones ao subsistema de roteamento,
NSS, e este completa as ligações. Em redes móveis porém, uma infra-estrutura extra é neces-
sária, já que o usuário pode mover seu celular para qualquer local que queira e quando queira.
Assim, em uma chamada de algum número, móvel ou não, para um telefone móvel, a rede
celular deve guardar algum tipo de informação útil para a localização de todos os celulares de
assinantes. A resposta mais comum a essa questão seria guardar em um banco de dados cen-
tral informações dos aparelhos, que seria interrogado a cada chamada com destino em apare-
lhos móveis. Essa é, em parte, a solução para o problema. Existe o chamado HLR - home lo-
cation register. Ele guarda alguns dados temporários de localização e dados permanentes dos
usuários, como nome, endereço etc. É indexado pelo número de telefone do usuário, formal-
mente conhecido por MSISDN - Mobile Subscriber International Service Directory Number.
Mas a manutenção de um banco de dados único e central rapidamente traria problemas de
acesso, pois grandes provedores de telefonia móvel possuem vários milhões de usuários, e o
acesso a esse único HLR para cada chamada que fosse recebida seria inaceitável, tanto do
ponto de vista de tráfego de rede quanto de eficiência de bancos de dados. A primeira solução
lógica para contornar esse problema seria a utilização de vários HLRs, assim cada um trataria
cerca de 1 a 4 milhões de usuários em grandes provedoras. De fato, isso é feito pelas operado-
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ras assim que identificam que seu HLR está sobrecarregado. Em um número de celular por
exemplo, 9123-4567, os dois primeiros dígitos, ‘91’, determinam em qual HLR a rede deve
buscar informações do usuário. Dessa forma, a cada ligação recebida de uma rede externa por
exemplo, o GMSC identifica, pelo número do telefone, o HLR daquele usuário e, a partir des-
se, qual estação base está servindo o aparelho. Uma mensagem de broadcast é enviada da
estação para toda sua célula de cobertura e se o celular estiver ligado irá responder e tocar.
Essa mensagem de “busca” do aparelho é chamada de paging.
Mas ainda há um problema com esse cenário, que é a exigência de o celular atualizar
informações sobre a célula onde se encontra a cada vez que muda de célula, ou seja, a cada
handover. Pensando novamente em uma rede com muitos usuários, o tráfego de controle ge-
rado por essas atualizações também seria imenso e inviável. Na solução inversa, se os celula-
res nunca enviassem informações de atualização, deveria ser feito paging de todos os apare-
lhos, o que também traria um tráfego inaceitável. A saída encontrada para o problema foi de-
finir grupos de células conhecidos como áreas locais, location areas, e cada célula enviaria
um broadcast referente a qual área local ela pertence. O celular somente faz uma atualização
quando muda de área local. Para distribuir ainda mais as tarefas, foi criado um segundo regis-
trador, chamado VLR - Visitor Location Register, que atua junto a cada MSC e guarda a in-
formação de qual a área local atual dos aparelhos. Assim, a informação no HLR só é atualiza-
da quando o aparelho muda de MSC de controle. Enquanto sob a cobertura de qualquer área
local responsável pelo MSC atual a atualização é feita somente no VLR respectivo. Essas du-
as medidas levam a um tráfego de controle hierarquizado e bastante baixo, tanto para o celular
quanto para o HLR. Em suma:
• Um país é dividido em várias (milhares de) células;
• As células são agrupadas em áreas locais (location areas);
• Várias áreas locais formam a área de serviço de um MSC/VLR;
• Se um usuário muda de célula dentro de uma área local, nada acontece;
• Quando ocorre mudança de área local, a estação base atualiza o VLR;
• Se o celular troca de área de serviço de um MSC/VLR, a nova identificação do
VLR é enviada ao HLR.
Outro componente do subsistema de roteamento, sem essa função específica mas mui-
to importante é o centro de autenticação, AC – Authentication Centre. Para evitar fraudes com
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celulares roubados, que eram comuns nas redes 1G, o GSM implementa uma checagem de
autenticação completa do usuário ou, mais precisamente, do SIM card em uso. Cada vez que
o aparelho é ligado, o SIM card deve logar na rede com um nome de usuário e senha. Para
manter a segurança o nome de usuário e senha são alterados a cada autenticação, de forma que
mesmo se fraudadores interceptarem esses dois dados de alguma forma, não teriam muita
utilidade. O procedimento de autenticação não é do escopo desse texto, mas de forma geral,
ocorre baseado em um conjunto de chaves chamadas de “triplas”, que são usadas por ambos
VLR e celular na autenticação. Essas triplas são geradas pelo AC e são usadas em todo e
qualquer procedimento de utilização da rede. A única exceção são chamadas de emergência.
Outro registrador de informações, este opcional, da operadora é o EIR - Equipment
Identity Register, que guarda informações de fraudes sobre os celulares utilizados na rede
GSM. Ele armazena essas informações baseado em um número único de identificação de to-
dos os aparelhos fabricados mundialmente, o IMEI - International Mobile Equipment Identity.
O EIR contém tanto uma “lista negra”, onde aparelhos roubados podem ser listados e bloque-
ados, como uma “lista branca”, onde equipamentos elegíveis podem ter acesso ilimitado. Se o
IMEI de um aparelho não está em nenhuma dessas listas, ele vai para a “lista cinza”, e pode
ter o acesso restringido parcialmente, além de sua operação ser registrada em logs para futuro
rastreamento se for roubado. Apesar de útil, a maioria dos provedores de serviços móveis não
implementa essa funcionalidade, já que a checagem de cada IMEI cada vez que o aparelho
acessa a rede gera uma quantidade de overhead de tráfego grande, que fica por conta da ope-
radora e leva a gastos sem nenhum lucro. Além disso, geralmente existem vários provedores
GSM em um país, e se um deles escolher por não implementar o EIR, aparelhos roubados de
outros provedores poderiam ser facilmente utilizados simplesmente com a troca do SIM card.
Assim, a maioria das operadoras escolhe por não incorrer no trafego adicional necessário ao
EIR.
- 42 -
2.2.4.3 O telefone móvel GSM
O celular GSM é um dos motivos de sucesso da tecnologia. As especificações do pa-
drão contribuíram muito para características que permitiram o desenvolvimento de aparelhos
pequenos, rápidos e baratos. Algumas das características que levaram a esse sucesso são:
• A estrutura em pequenas células da rede requerem baixo consumo de energia do
aparelho para amplificação da transmissão, permitindo o uso de baterias leves e
pequenas, mas ainda assim duráveis;
• A técnica de modulação GMSK também contribui para a baixa emissão de energia;
• O padrão GSM original não exigia a capacidade de transmissão e recepção simul-
tânea, em full-duplex. Isso foi posteriormente necessário para transmissão de da-
dos, como em GPRS, mas contribuiu para a redução da complexidade e custos dos
primeiros aparelhos;
• A definição clara do que é obrigatório e opcional, pelas recomendações do padrão
permitiu a definição de centenas de casos de teste para os aparelhos. Um celular só
pode ser vendido depois de estar conforme com todos esses testes. Essa exigência,
que à primeira vista parece um empecilho, foi vantajosa porque reduziu o número
de recalls dispendiosos aos fabricantes.
Desconsiderando essas simplificações, um celular GSM é um produto de tecnologia avançada,
pois deve implementar todas as funções de camada 1 também implementadas nas BTS e
TRAU, além de softwares de interação com o usuário e controle de conversação. A identifica-
ção de um usuário na rede GSM se dá sempre através do conjunto aparelho (IMEI) mais car-
tão SIM, que também possui um código único associado, o IMSI - International Mobile Subs-
criber Identity. A figura 2.15 [5] mostra um diagrama funcional dos circuitos do celular GSM.
Com a introdução do GPRS o suporte a algumas funções adicionais passou a ser necessário,
como a nova pilha de protocolos do padrão, suporte a novas formas de codificação do canal
de comunicação, transmissão em múltiplos slots e WAP. Esses detalhes serão vistos no capi-
tulo seguinte.
- 43 -
Figura 2.15 – Diagrama funcional do celular GSM
- 44 -
3 GPRS
3.1 DEFINIÇÕES: ORIENTAÇÃO A CIRCUITOS E ORIENTAÇÃO A PACOTES
Dois termos bastante utilizados para classificar e diferenciar sistemas de comunicação
móvel e fixa merecem explicação para o entendimento desse capítulo: orientação, ou rotea-
mento, a circuitos (circuit switched) e orientação, ou roteamento, a pacotes (packet switched).
Para a transmissão de voz em chamadas tradicionais de telefone, redes orientadas a circuitos
são normalmente utilizadas, enquanto que redes orientadas a pacotes são mais utilizadas para
transmissão de dados, que tem aumentado drasticamente nos últimos anos e já ultrapassou em
muitos serviços o volume um tanto estagnado das ligações de voz. Hoje, a maioria dos servi-
ços de telecomunicação são redes mistas que podem transportar tanto um quanto outro, mas
com a demanda crescente por recursos de dados, a tendência é de um futuro em que a voz seja
transmitida também pela rede de pacotes. O primeiro passo para tal já foi dado, com a tecno-
logia VOIP – Voice over IP. O problema com essa integração é que os dois tipos de transmis-
são possuem características totalmente diferentes e portanto, alguns serviços, como voz e ví-
deo, são mais bem servidos por redes orientadas a circuitos, enquanto outros como a internet
são melhores com orientação a pacotes.
Para entender a orientação a circuitos, suponha a situação da figura 3.1 [5], na qual um
usuário A quer se conectar ao usuário B. Em telefonia, a conexão se dá discando o número de
B. No processo de estabelecimento da conexão, conexões fixas são estabelecidas entre os dois
nós da rede, que possuem um caminho de interconexão de alguma forma. Essas conexões
fixas consistem na reserva e alocação de uma porção dos canais de comunicação disponíveis
entre os dois nós. Em redes de telefonia fixa, por exemplo, são tipicamente de 64 ou 56 kbps.
A função dos nós intermediários entre A e B é de alocar os recursos no estabelecimento da
conexão. Durante a conexão, esses nós não necessitam executar nenhuma função de rotea-
- 45 -
mento, apenas liberar os recursos ao final da conexão. No tempo de sua duração, há um “tú-
nel” entre A e B, que só pode ser utilizado para transportar a informação deles, e aqueles re-
cursos alocados para tal ficam indisponíveis para outros usuários. Essa forma simples de
transmissão foi a única possível nas redes de comunicação dos últimos cem anos, afinal de
contas, as conexões não foram sempre estabelecidas com base em redes digitais e sim em ro-
teadores mecânicos e magnéticos. A tecnologia de transmissão por pacotes, que requer muito
mais funções de roteamento, só se tornou viável recentemente, com o desenvolvimento de
equipamentos digitais de grande poder de processamento.
Figura 3.1 – Rede orientada a circuitos
As principais características e problemas da orientação a circuitos são:
• Em uma rede orientada a circuitos, é exigido pouco poder de roteamento dos nós cons-
tituintes. Eles podem ser supridos satisfatoriamente com componentes mecânicos;
• Muitas aplicações de telecomunicações têm demandas muito variáveis de velocidades
de conexão. Na transmissão de voz, por exemplo, geralmente há apenas um lado con-
versando enquanto o outro escuta, o que faz com que no mínimo 50% dos recursos
disponibilizados para a chamada nem sejam utilizados;
• Os nós situados entre A e B não necessitam interpretar os formatos da informação
transmitida, apenas encaminhar;
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• O problema da variação de demandas por velocidade pode inviabilizar certas aplica-
ções, como vídeo conferências. Suponha que em uma transmissão desse tipo, apenas
as diferenças de imagem são transmitidas, o que geralmente é feito. Por um certo tem-
po, enquanto todos estão parados, um canal de 64 kbps pode ser suficiente, mas repen-
tinamente vários Mbps tornam-se necessários porque alguém se levantou na sala. Essa
capacidade não estaria disponível, e resultaria em deformações na imagem, mesmo se
outros canais no mesmo circuito estivessem disponíveis. Se fossem alocados vários
canais, durante muito tempo a capacidade não estaria sendo utilizada;
• Na orientação a circuitos, pelo menos os recursos reservados à conexão estarão conti-
nuamente disponíveis, mesmo depois de um tempo de inatividade, o usuário pode re-
quisitar transmissão de dados sem ter de requisitar recursos novamente, o que traria
um inevitável tempo de atraso. Assim, aplicações em tempo real se beneficiam de re-
des orientadas a circuitos;
• Normalmente, redes orientadas a circuitos são tarifadas pelo tempo de conexão, o que
não é vantajoso para tráfegos tipicamente em rajadas, como na internet. O usuário é
cobrado por tempos de inatividade, enquanto a informação está sendo processada no
servidor ou ele lê o que recebeu;
Nas redes orientadas a pacotes, a principal diferença é que não há o estabelecimento de
nenhuma conexão permanente entre dois nós comunicantes A e B. Ao invés disso, a informa-
ção a ser transmitida deve ser segmentada e empacotada em diversas partes (pacotes). Cada
pacote contém toda a informação de endereçamento necessária, o cabeçalho, de forma que os
nós entre A e B podem encaminhar esses pacotes corretamente até o destino. Como mostra a
figura 3.2 [5], esta forma de roteamento permite que cada pacote tome uma rota diferente até
o destino, se necessário. O nós da rede decidem o caminho em cada passo, dependendo da
carga e distância de cada possível caminho. Assim, a ordem de recepção dos pacotes é incerta.
A demanda nos nós de roteamento é extraordinariamente grande se comparado com redes
orientadas a circuitos. Uma operação de roteamento deve ser feita para cada pacote individual.
Pode-se dizer que, para os nós, cada pacote é como se fosse uma pequena atividade orientada
- 47 -
a circuito, em que o endereço deve ser avaliado, um recurso alocado e então desalocado. O
principal exemplo de rede orientada a pacotes é a internet.
Figura 3.2 – Rede orientada a pacotes
As principais características e problemas das redes orientadas a pacotes podem ser lis-
tadas como:
• Altas exigências de capacidade de processamento dos nós, devido ao roteamento que
executam;
• Na orientação a pacotes, os recursos não são reservados permanentemente, somente
sob demanda. Isso leva a redes muito mais flexíveis que as orientadas a circuitos, por-
que, teoricamente, nenhum recurso é alocado quando não há atividade;
• É muito difícil garantir atrasos de tempo e velocidades constantes. As condições da
rede mudam constantemente, o que leva a grandes variações de ambos os parâmetros.
Para aplicações como voz, isso pode impossibilitar a comunicação ou exigir protoco-
los adicionais de reserva de recursos, já que pode ocorrer de um pacote transportando
parte de uma conversa em um tempo “t” chegar depois de outro pacote que carrega in-
formação do tempo “t + 1”;
• Graças à alocação dinâmica de recursos, para casos de uso em que parte deles não são
utilizados, como nas chamadas de voz, pode-se dimensionar a rede de forma mais mo-
desta do que seria com orientação a circuitos;
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• Na orientação a pacotes, um overhead de dados é inevitável, porque cada pacote deve
carregar toda informação de roteamento consigo.
3.2 DESENVOLVIMENTO DAS TECNOLOGIAS DE DADOS DE ALTA VELOCI-
DADE PARA GSM
Até meados dos anos 90, a internet era utilizada predominantemente por universidades
internacionais, instituições de pesquisa e órgãos do governo. Nessa época, a internet começou
a ser utilizada por um público muito maior. Aberta ao mercado em massa, tornou-se um re-
curso de importância crescente para disponibilização e compartilhamento de bancos de dados,
informações de todo tipo e comunicação por e-mail. Também nessa época o número de usuá-
rios do GSM começou a crescer dramaticamente, e começou a ser imaginado um futuro em
que as duas tecnologias seriam uma só, a internet móvel. Na época, havia o acesso à internet
de forma orientada a circuitos, usando a tecnologia CSD, que, conforme será visto, oferecia
velocidades de apenas 9,6 kbps. As baixas velocidades, latências altas, e o custo extremamen-
te alto tornavam essa primeira experiência de internet móvel decepcionante para o uso em
massa. Apenas clientes executivos que necessitavam do acesso a e-mail e outros recursos es-
tavam dispostos a pagar caro por uma conexão móvel ruim.
O segundo passo para a internet móvel na rede GSM foi o HSCSD (High Speed Circu-
it Switched Data), que tinha a intenção de oferecer largura de banda maior através da concen-
tração de vários time slots GSM para transmissão de dados. Até 64 kbps eram teoricamente
possíveis, mas na prática 38,4 kbps eram utilizados. Com pequenas alterações do padrão GSM
e tempo de implantação pequeno, o HSCSD pode ser considerado mais como uma etapa in-
termediária ao desenvolvimento de outras soluções. Além disso, a tecnologia sofre de três
problemas principais: a necessidade de novos aparelhos celulares compatíveis para utilizar das
poucas melhorias de desempenho; as operadoras estavam preocupadas com o uso em larga
escala do HSCSD, que poderia ocupar os recursos do espectro de freqüências e comprometer
o negócio principal (chamadas telefônicas); o desenvolvimento de aparelhos para a expansão
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da rede HSCSD e de novos celulares estava demorando. A padronização começou em 1994,
mas apenas em 1999 a tecnologia estava disponível, quando outras como GPRS também esta-
vam quase em implementação.
O GPRS, como HSCSD, veio com a intenção de aumentar as velocidades de transmis-
são. Como inovações, trouxe o uso mais eficiente dos recursos da rede, a possibilidade do uso
de vários esquemas de codificação, dependendo das condições de recepção. Assim, mais ou
menos bits de redundância são adicionados de acordo com a necessidade, possibilitando taxas
de até 160 kbps. Mas a mais importante inovação foi o fato de ser orientado a pacotes. Como
será visto na próxima sessão, o GPRS permite o uso quase que simultâneo de um mesmo time
slot por vários usuários, e permite a alocação de recursos apenas quando necessários.
A terceira alternativa para transmissão de dados em alta velocidade em redes GSM e
TDMA foi o EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution). Há algumas variantes do
EGDE, conforme mostra a figura 3.3 [5].
Figura 3.3 – Variantes do EDGE
- 50 -
O EDGE “clássico” é o passo seguinte no desenvolvimento das tecnologias GPRS e
HSCSD, com os nomes de EGPRS (Enhanced GPRS) e ECSD (Enhanced CSD) respectiva-
mente. As taxas de desempenho melhores são possíveis graças ao uso de um novo esquema de
modulação, o 8-PSK. Ao contrário do GMSK, que transmite apenas um bit por símbolo, o 8-
PSK permite a transmissão de 3 bits por símbolo. Assim, é possível atingir a taxa teórica de
480 kbps (EGPRS), que consiste em 3 x 160 kbps do GPRS. Em complementação, o EDGE
clássico introduziu novas técnicas de retransmissão inteligentes que não existiam no HSCSD
nem no GPRS. Já o desenvolvimento de redes ECSD não foi feito em larga escala. Devido à
demora no “amadurecimento” citado anteriormente, a tecnologia HSCSD não conseguiu boa
participação do mercado 2G, que foi dominado pelo GPRS.
Outra variante do EDGE é o Compact EDGE, que não faz parte do padrão GSM, pois
é uma forma de evolução para serviços de dados do padrão TMDA norte americano, IS-136.
Com participação de mercado de apenas 7% naquele país, foi difícil ao padrão IS-136 levar ao
desenvolvimento de novas tecnologias de acesso rápido compatíveis com ele. Apesar das atu-
alizações IS-136+, de 43,2 kbps teóricos, e IS-136 HS, de 384 kbps, o mercado era pequeno
para o desenvolvimento de melhoramentos independentes. A solução para isso foi o Compact
EDGE, padronizado principalmente pela Ericsson. Trata-se basicamente de uma rede “enve-
lope” para o IS-136, que faz a interface entre esta e a rede EGPRS, possibilitando as veloci-
dades do EGPRS. As operadoras TDMA dos Estados Unidos e América Latina são as mais
interessadas nessa tecnologia, porém, ela também sofre de problemas de desperdício do es-
pectro de freqüências, e principalmente da impossibilidade de se comunicar com redes 3G.
Para possibilitar essa integração, foi proposto o desenvolvimento do UWC-136, outra forma
de EDGE que tornaria possíveis velocidades de até 2 Mbps com modulação 8-PSK e usando
canais de 1,6 Mhz, que também não foi implementado, devido à possibilidade, hoje, de inte-
gração entre redes 3G e GSM, através da tecnologia WCDMA.
Hoje, no Brasil, o GPRS já está consolidado como tecnologia padrão para transmissão
de dados e internet móvel na rede GSM, com cobertura em quase todo território nacional. O
restante do capítulo trata dessa tecnologia. O EDGE também foi largamente implementado. O
próximo passo são as redes 3G, que prometem unificar a comunicação móvel com as tecnolo-
gias WCDMA, cdma2000 e UMTS. Dessas, apenas a CDMA 1xEVDO foi implantada co-
mercialmente pela operadora Vivo, com velocidade máxima teórica de 2Mbps.
- 51 -
3.3 CARACTERÍSTICAS DO GPRS
Nessa subseção serão apresentadas algumas características das transmissões de dados
GPRS, em particular como os dados são transmitidos no GPRS, como velocidades mais altas
são atingidas e como o protocolo é flexível o suficiente para permitir alguns parâmetros de
qualidade de serviço (QoS) a muitos usuários. Não é do escopo desse texto entrar em detalhes
da implementação física da interface a rádio no GPRS, como não foi feito com GSM, mas um
estudo introdutório foi feito. O GPRS apresenta todas as vantagens e desvantagens já citadas
das redes orientadas a pacotes. A principal vantagem frente ao CSD tradicional ou HSCSD é a
flexibilidade da alocação dinâmica dos recursos da rede apenas quando são necessários. Ape-
sar de ser possível contratar parâmetros de qualidade de serviço, possui overhead e tempos de
latência altos em comparação com essas outras técnicas.
3.3.1 Métodos de codificação e Gerenciamento dos recursos a rádio
Como foi visto, o GSM utiliza oito time slots por freqüência da portadora. Na trans-
missão CSD (Circuit Switched Data) clássica, um desses slots é alocado para transferência de
dados, por toda a duração da conexão. Cada time slot oferece a taxa bruta de transmissão de
22,8 kbps, mas nem toda essa banda está disponível ao usuário. Para garantir uma transmissão
confiável, uma cópia dos dados é feita e enviada separadamente pelo ar, ou seja, cada time
slot possui dados a serem transmitidos e também cópias de backup de outros time slots. Como
resultado dessa redundância, a taxa líquida de transferência é de 9,6 kbps, ou menos, depen-
dendo da qualidade da interface sem fio. Velocidades maiores poderiam ser obtidas nesse
contexto se a taxa de bits líquida por slot fosse maior ou se fosse possível concatenar vários
time slots para uma transmissão, ou ambos. Para atingir taxas líquidas maiores devem ser uti-
lizados novos métodos de codificação que transmitam mais dados úteis e menos redundância.
Os dois melhoramentos foram implementados na tecnologia HSCSD. Ela permite a taxa mai-
- 52 -
or de 14,4 kbps por time slot e, teoricamente, um usuário poderia receber todos os oito time
slots de um quadro TDMA para transferência, atingindo 115,2 kbps (8 x 14,4). Mas, como é
uma técnica orientada a circuitos, utiliza os mesmos caminhos das chamadas de voz (BTS →
BSC → TRAU → MSC → Provedor de acesso), e portanto não pode exceder a taxa do MSC
de 64 kbps por conexão. Como resultado, o HSCSD é praticamente limitado a 57,6 kbps, qua-
tro time slots de 14,4 kbps. A figura 3.4 [7] ilustra a diferença entre as duas técnicas.
Figura 3.4– Funcionalidades do CSD clássico e HSCSD
O GPRS, como HSCSD, faz a concatenação de time slots para atingir maiores veloci-
dades, e pode chegar a taxas líquidas maiores sacrificando a redundância transmitida.
O GPRS leva em conta a variabilidade que a interface a rádio pode apresentar e sua influên-
cia na qualidade da transmissão. Assim, existem quatro novos métodos de codificação (CS -
coding schemes) para o padrão: CS1 a CS4. O método 1 possui uma taxa líquida de 9,05 kbps,
que é até menos que o padrão CSD tradicional, mas é extremamente estável, mesmo sob as
piores condições de interface sem fio, graças à alta redundância de sua codificação convolu-
cional. Os métodos 2 e 3 oferecem 13,4 e 15,6 kbps respectivamente. Para a codificação em
si, eles utilizam o mesmo algoritmo do CS 1, mas com a alta redundância deste, excederiam a
taxa bruta de 22,8 kbps, o que é impossível. No processo de codificação convolucional alguns
bits de redundância são removidos de forma a atingir a taxa desejada. Assim, CS 2 oferece
menos confiabilidade que CS 1 sob condições ruins de interface sem fio, e o CS 3 menos ain-
da. No método 4, CS 4, a taxa líquida é de 21,4 kbps por time slot. Essa técnica não carrega
nenhum bit de paridade, para otimizar o desempenho. Consequentemente, deve ser utilizado
- 53 -
apenas quando a interface sem fio oferece condições próximas do ideal, já que cada erro de
transmissão leva a uma retransmissão e reduz a velocidade efetiva. Na prática, CS 4 é utiliza-
do apenas quando o aparelho está próximo à estação base e parado, ou movendo-se bem de-
vagar. É importante mencionar que todos os time slots possuem checksums para detecção dos
erros de transmissão no receptor. Esse é o motivo pelo qual o método 4 não atinge a taxa bruta
de 22,8 kbps. A figura 3.5 [7] ilustra os diferentes métodos de codificação do GPRS.
Figura 3.5– Diferentes métodos de codificação do GPRS
Devido à orientação a pacotes, no GPRS não há estabelecimento de conexão como
ocorre no CSD, HSCSD e chamadas de voz. Assim, não é possível saber, de forma simples, a
partir da freqüência da portadora e do número do time slot, a qual usuário os dados sendo
transmitidos pertencem. Nas chamadas de voz GSM, um canal de comunicação de usuário é
definido pelo par de freqüências (uplink e downlink) e pelo número do slot sendo utilizado.
Esse não é o caso no GPRS, em que a atribuição de freqüências é gerenciada automaticamente
pela rede, tanto no uplink(UL) quanto no downlink(DL). Isso significa que enquanto um usuá-
rio faz uso de um time slot de DL qualquer, outro usuário pode estar utilizando o time slot de
UL correspondente. Essa atribuição e gerenciamento são feitos pelo protocolo RLC - Radio-
Link Control. No HSCSD, o número de time slots que serão disponibilizados ao usuário é
- 54 -
decidido no inicio da conexão e permanecem reservados até o final, sem que outro usuário
possa utilizar. No GPRS, após um procedimento inicial de “logon” chamado de registro
GPRS (GPRS attach), não haverá nenhuma alocação de recursos até que o usuário esteja
pronto para enviar/receber dados. Somente então é decidido quantos time slots serão disponi-
bilizados, dependendo da carga na rede e dos parâmetros de qualidade de serviço que foram
contratados. Se não há outros usuários de GPRS transmitindo, podem ser alocados todos os
oito time slots. Do contrário, se a rede estiver sobrecarregada, podem ser alocados apenas um
ou dois time slots. Para manter a flexibilidade, essa decisão é revista a cada quatro quadros
TDMA. Assim, um usuário pode estar utilizando vários time slots continuamente, assim como
pode ocorrer de um time slot estar sendo utilizado por vários usuários, que aguardam permis-
são de uso. Essa variação na alocação de recursos leva à necessidade de controle dos tempos
de transmissão de cada usuário. Se dois deles tentarem transmitir no mesmo time slot do mes-
mo quadro TDMA, haverá colisão e ambos deverão retransmitir. Um elemento de rede cha-
mado PCU, que será visto adiante, faz esse controle pelo protocolo MAC – Media Acess Con-
trol. O tipo de protocolo MAC utilizado pela maioria das redes de telefonia móvel com servi-
ços de roteamento de pacotes é o slotted-ALOHA. Não é do escopo desse texto descrever esse
protocolo, mas basta dizer que é baseado em sincronização de tempo entre transmissores (ce-
lulares) e receptor (estação base). Os transmissores só enviam dados dentro de um quadro
disponível, de forma que, ou a transmissão ocorre com sucesso ou ocorre uma colisão com-
pleta de pacotes. No caso de colisão, eles escolhem um tempo aleatório de espera e fazem a
retransmissão.
3.3.2 Qualidade de Serviço
Como já foi visto, o GPRS foi projetado para alocar os escassos recursos de rádio en-
tre todos os usuários dinamicamente, de forma a responder eficientemente e efetivamente à
demanda da rede. Mesmo se o celular requisitar uma certa largura de banda, a rede irá alocar
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recursos de forma a manter a melhor performance possível aos outros usuários ativos. Como
resultado, os usuários não devem esperar atrasos pequenos e velocidades fixas consistentes,
como nas conexões orientadas a circuitos. Também há a alta probabilidade de perda de dados,
mas isso é o preço a ser pago pela alta flexibilidade e pelo suporte a um grande número de
usuários. Há várias classes de qualidade de serviço que fornecem mais previsibilidade à
transmissão de dados para certas aplicações.
Classes de precedência (Prioridade):
A classe de precedência é fornecida para melhorar ainda mais a flexibilidade do
GPRS, marcando cada pacote com sua prioridade de encaminhamento. São três valores possí-
veis:
• Alta precedência: os pacotes serão roteados à frente de todos os outros. Para tanto, de-
ve ser pago bem mais por essa prioridade.
• Precedência normal: sem sinalização especial, para demandas médias.
• Baixa precedência: os pacotes só serão roteados depois de todas as outras classes se-
rem atendidas. Essa classe é a mais barata, mas o usuário corre o risco de ter pacotes
descartados se necessário, para diminuir o congestionamento.
Os pacotes em redes GPRS são guardados (bufferizados) por um período de tempo pe-
queno em todos os nós intermediários na rota do pacote. Esses nós devem decidir continua-
mente, baseado na classe de precedência, quais devem ser encaminhados imediatamente,
quais devem ser mantidos e se alguns devem ser descartados.
Classes de confiabilidade:
A classe de prioridade alta não garante que os pacotes serão transmitidos perfeitamen-
te. Diferentes aplicações são baseadas na confiabilidade da transmissão da rede e dos protoco-
los de camadas mais baixas. É difícil definir diferentes graus de confiabilidade, no sentido
literal, mas é possível definir alguns parâmetros e, com abordagens estatísticas sobre várias
transmissões, uma confiabilidade relativa pode ser definida, isto é, a probabilidade estatística
de uma chamada “unidade de serviços de dados” (SDU – Service Data Unit) não ser transmi-
- 56 -
tida perfeitamente. SDU é apenas um termo genérico para designar a unidade de dados sobre
a qual a operadora pauta seus contratos de qualidade de serviço. Alguns exemplos típicos de
erros que podem ocorrer em uma transmissão são: a possibilidade de uma SDU ser perdida,
devido a problemas nas linhas de transmissão; a possibilidade de uma SDU ser entregue du-
plicada; de um conjunto de SDUs consecutivas ser entregue na ordem errada; ou de um usuá-
rio receber uma SDU corrompida, com erros que não foram detectados na transmissão. Foram
definidas três classes de confiabilidade que atendem com valores estatísticos cada um desses
problemas, conforme a figura 3.6 [7].
Figura 3.6 – Classes de QoS de confiabilidade
Os valores dessa figura devem ser escolhidos de acordo com os diferentes tipos de a-
plicações e suas diferentes sensibilidades a erros. Por exemplo, a classe 1 é necessária a apli-
cações que sejam sensíveis a erros, mas que não oferecem nenhuma correção dos erros por si
mesmas. Aplicações com boa tolerância a erros ou funcionalidades de correção limitadas de-
vem ser utilizadas com a classe 2, e a classe 3 só é indicada para aplicações que sejam ou
completamente insensíveis a erros ou que implementem algoritmos de detecção e correção
por si só.
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Classes de atraso:
Em comunicação via redes, seja móvel ou de computadores pessoais, sempre há atra-
sos, causados devido ao tempo de propagação do sinal, tempo de processamento e bufferiza-
ção nos roteadores, congestionamento, entre outros motivos. E os atrasos em redes orientadas
a pacotes são mais variáveis, devido à possibilidade de serem enviados por diferentes rotas.
Essa variação é conhecida como jitter. Novamente, há aplicações que são tolerantes a atrasos,
como SMS, e outras que não são, como vídeo sob demanda e outras aplicações em tempo real,
nas quais, em geral, o usuário espera justamente por respostas prontas para suas requisições
ou um fluxo contínuo de dados.
Em GPRS, uma aplicação pode escolher entre quatro diferentes classes de atraso, que
são especificadas apenas dentro dos limites da operadoras. Os valores especificados são a
média de atraso e o tempo esperado de chegada para 95% dos pacotes. Portanto, o atraso de
5% de todos os dados transmitidos não são especificados explicitamente, apenas implicita-
mente, pois o total deve atingir a média contratada, conforme figura 3.7 [7]. As especificações
de atraso são definidas para dois tamanhos de pacotes, sendo de 128 octetos e 1024 octetos.
Os atrasos são medidos geralmente de usuário a usuário, ou de usuário a GGSN, o roteador
final que faz interface com redes externas e será visto adiante. De qualquer forma não são
medidos de “salto em salto”, mas por todo o caminho do roteamento. A garantia, de acordo
com a classe, é válida apenas dentro da rede da operadora, já que atrasos de redes externas,
como a internet, são imprevisíveis. As classes de 1 a 3 oferecem alguns valores garantidos de
atrasos, mas a classe 4 apenas o melhor esforço de transmissão, portanto bastante dependente
das condições de carga da rede.
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Figura 3.7 – Classes de QoS de atraso
3.4 A ARQUITETURA COMBINADA GSM/GPRS
Quando uma rede GSM é estabelecida, entre 70 e 80 % dos custos de implemen-
tação são para o subsistema das estações base, BSS. Esses custos incluem o hardware e soft-
ware do equipamento em si e também gastos com linhas de comunicação, planejamento da
rede, aquisição ou locação de locais e antenas. Um percentual relativamente modesto de 20 a
30 % é gasto com o subsistema de roteamento, NSS, com suas centrais digitais, MSCs, e re-
gistradores de usuários. Por esse motivo, todos os esforços foram feitos para limitar as adições
necessárias ao BSS nos melhoramentos do padrão GSM. O problema é que o GPRS pode ser
visto como apenas um passo para chegar à evolução do EDGE e UMTS. Em outras palavras,
as operadoras não teriam o interesse em investir milhões de reais em uma arquitetura que não
fosse útil para as tecnologias posteriores. Portanto, a concepção da arquitetura da rede e da
pilha de protocolos GPRS foram feitas de forma a garantir a máxima independência entre as
camadas mais altas da rede central, core network, e a interface sem fio, os protocolos utiliza-
dos nela e o BSS de forma geral. Isso permitirá a conexão de diferentes redes como GSM, IS-
136 e os novos padrões WCDMA e cdma2000. Assim, o BSS com suporte a GPRS é mantido
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quase sem nenhum hardware adicional, enquanto uma rede central completamente nova, ori-
entada a pacotes é necessária. As subseções seguintes abordam a arquitetura combinada para
ao funcionamento do GPRS.
3.4.1 A PCU – Packet Control Unit
Pelos motivos já citados, o BSS deve ser afetado o mínimo possível pela expansão do
serviço GPRS. A PCU é a expansão de hardware que deve ser feita ao BSS. Nas formas mais
simples, a PCU é um conjunto de poucas placas adicionadas ao BSC, com o respectivo soft-
ware, com as seguintes funções:
• É responsável pelas funções de gerenciamento dos recursos a rádio (Radio Resour-
ce – RR Management) através dos protocolos de camada 2 RLC/MAC já citados
na seção 3.3.1. Portanto, ao passo que o BSC administra os recursos a rádio das
chamadas orientadas a circuitos do GSM, a PCU faz esse trabalho para o GPRS.
• A segunda função é a conversão dos pacotes de dados nos chamados quadros PCU.
Como mostra a figura 3.8 [5], os pacotes vindos do SGSN, que será visto adiante,
são convertidos na PCU em quadros PCU e encaminhados transparentemente à
BTS, estação base, através do BSC. Esta também deve sofrer uma atualização, mas
de software, para diferenciar usuários de GPRS e de serviços orientados a circuitos
e também para alterar em tempo real entre os métodos de codificação CS 1 a CS 4
de acordo com a qualidade da transmissão. A característica especial dos quadros
PCU é que possuem o mesmo formato dos quadros TRAU, permitindo a transmis-
são transparente e, portanto, a adição de capacidade GPRS a uma rede GSM quase
que “desapercebida” por parte da rede original.
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Figura 3.8 – Conversão dos pacotes de dados em quadros PCU
A PCU, como a TRAU, também pode estar localizada em vários locais: junto às esta-
ções base, junto ao BSC e junto ao SGSN. A segunda opção é a mais implementada pelas
operadoras GPRS.
Com o advento do GPRS, os aparelhos móveis, mobile station, também tiveram que
sofrer atualizações para suportar os novos protocolos e canais de comunicação GPRS. Assim,
de acordo com o suporte a ambos os serviços, GPRS e voz, foi feita uma classificação em três
classes de aparelhos. A classe A são aqueles que suportam os dois modos de serviço, chama-
das de voz e GPRS simultaneamente, ou seja, enquanto uma chamada está em andamento,
pode-se receber dados de uma conexão WAP com a internet ou estar atuando como um mo-
dem GPRS conectado ao laptop, e vice-versa. Todos os celulares GSM vendidos com funções
de voz atualmente são classe A. A classe B refere-se a aparelhos que suportam os dois servi-
ços, mas não simultaneamente, ou seja, ou o usuário acessa a internet ou fala ao telefone, um
de cada vez. E a classe C são aparelhos que suportam apenas um dos serviços quando em ope-
ração. São os aparelhos da classe dos wireless modules e similares, que não suportam chama-
das de voz e, geralmente, ao serem ligados, o usuário deve escolher entre a transmissão de
dados por CSD/HSCSD ou GPRS. O aparelho funciona apenas com um desses modos de
transmissão de dados por vez. Esse tipo de aparelho é o mais utilizado para M2M e outras
funções de transmissão de dados.
- 61 -
3.4.2 O SGSN – Serving GPRS Support Node
O SGSN é um componente da rede central, core network, através do qual vários PCUs
e BSSs podem ter acesso à rede GPRS e internet, como ilustra a figura 3.9 [5]. De forma sim-
ples, o SGSN realiza as funções do conjunto MSC/VLR na rede GSM orientada a circuitos. A
fronteira física entre MSC e VLR, que já não era tão clara no GSM, não existe em GPRS.
Apenas um equipamento físico faz o trabalho de roteamento e manutenção da localização do
usuário. Assim, a principal função do SGSN é o roteamento correto dos pacotes que chegam a
ele. Ele determina a qual aparelho pertence o pacote e localiza esse aparelho pela “pagina-
ção”, paging. Outra função importante é a criptografia dos dados enviados e recebidos pelo
usuário. Diferente das chamadas de voz GSM, em que a criptografia é feita entre o celular e a
estação base, na camada 1, em GPRS a criptografia é feita a nível de pacotes, portanto na ca-
mada 2 entre o celular (MS) e o SGSN.
Figura 3.9 – A posição do SGSN na rede como um todo
Outra função importante do SGSN é a compressão dos dados transmitidos. Há duas técnicas
suportadas pelo GPRS:
• RFC 1144: esse método é usado para comprimir exclusivamente cabeçalhos
TCP/IP. Ele é baseado no fato de que muitos dos parâmetros do cabeçalho TCP/IP
são redundantes e desnecessários após o estabelecimento de uma conexão virtual
- 62 -
entre o aparelho e a aplicação. Podem, portanto, ser suprimidos, levando a uma re-
dução do cabeçalho de 40 bytes para uma média de 2 a 3 bytes.
• V.42bis: o padrão V.42bis do ITU-T, conhecido das aplicações com modems,
também pode ser usado com GPRS. Strings com quase que qualquer tamanho po-
dem ser comprimidas com esse protocolo, que usa árvores de decisão baseadas em
palavras-código, que são concatenadas e permitem a compressão tanto no começo
quanto no final da palavra. A vantagem do uso de V.42bis é que basicamente qual-
quer seqüência não aleatória de caracteres pode ser comprimida, independente do
formato dos dados. Assim, ambos cabeçalho e conteúdo dos pacotes TCP/IP po-
dem ser comprimidos com esse método.
É importante lembrar que a implementação da compressão não é obrigatória, nem ao SGSN
nem ao celular. O processamento adicional necessário desestimula a maioria dos fabricantes
de celulares a implementarem em seus aparelhos, ainda mais que os métodos já existentes em
computadores pessoais são mais efetivos que a integração de métodos de compressão em cada
aparelho móvel.
3.4.3 O GGSN – Gateway GPRS Support Node
Como o nome sugere, o GGSN é essencialmente uma interface entre a rede GPRS e as
redes externas de dados, especialmente a internet. Para oferecer GPRS, uma operadora GSM
deve ter ao menos um GGSN. O padrão GSM é relativamente vago na definição e nas funções
do GGSN, permitindo até a integração do SGSN com o GGSN no mesmo equipamento. O
que permite diferenciar os dois é a função principal. O SGSN cuida do chamado gerenciamen-
to de mobilidade (MM – Mobility Management) dos aparelhos, fazendo paging e mantendo
atualizada a posição do celular na rede para possibilitar continuidade na comunicação à medi-
da que o usuário trafega com seu aparelho, gerenciando para tanto os handovers que aconte-
cem e atualizando o SGSN e a área local se necessário. O GGSN não se preocupa com a mo-
bilidade do usuário, mas apenas com o roteamento de seus pacotes que saem do SGSN para a
- 63 -
rede externa e vêm desta para o SGSN, ou seja, gerencia o roteamento da comunicação exter-
na do aparelho, e é visto pela internet e outras redes como um roteador comum para uma sub-
rede qualquer. Assim, possui maior independência geográfica. A operadora pode ter vários
SGSN para cuidar da mobilidade, dependendo da área de cobertura e do número de usuários,
e apenas um GGSN servindo esses nós com o roteamento externo. Mesmo com vários
GGSNs, seu número é geralmente muito menor que o de SGSNs. A figura 3.10 [5] ilustra o
exposto, com um celular transmitindo dados em movimento, passando pelo controle de vários
SGSNs, mas durante esse período provido por um GGSN.
Figura 3.10 – As funções do SGSN e GGSN
Outra função importante desses dois elementos é a tarifação dos serviços de GPRS. O
SGSN é responsável pela coleta de dados relativos ao uso da rede interna da operadora, en-
quanto o GGSN é responsável pelos dados de uso da rede externa . Em GPRS deve ser sem-
pre possível a escolha entre tarifação por tempo e por volume de dados transmitidos, sendo
essa última altamente recomendada, dada a característica de disponibilidade contínua do ser-
viço e do tráfego da internet. Um outro ponto a considerar são os diferentes tipos de GGSN,
apresentados a seguir e ilustrados na figura 3.11 [5].
• GGSN tipo B: é o tipo padrão, escolhido pelo SGSN quando o usuário requer ape-
nas serviços de IP e DHCP, oferecidos por esse equipamento, utilizando um pro-
vedor de internet qualquer;
• GGSN tipo A: Para um GGSN tipo A, a operadora celular deve tornar-se também
uma provedora de serviços de internet, ISP – Internet Service Provider. Também
são necessários um servidor de endereços dinâmicos (DHCP Dynamic Host Confi-
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guration Protocol), um de nomes de domínio (DNS – Domain Name Server) e um
conjunto de endereços IP para alocar aos usuários. Os usuários que acessam seus
serviços de telefonia móvel e de internet móvel pela mesma provedora fazem sem-
pre uso desse tipo de GGSN, que é o mais comum entre redes GPRS;
• GGSN tipo C: O GGSN tipo C oferece a possibilidade de serviço mais interessan-
te. Suponha uma empresa multinacional na qual frequentemente seus empregados
necessitam de acesso móvel à intranet, como acesso permanente a e-mail. Uma das
maiores preocupações nessa hipótese é a segurança da informação, já que ela pode
ser confidencial, e deve ser de preferência criptografada. Uma possibilidade é essa
empresa fazer um acordo com uma operadora GSM/GPRS e reservar um GGSN só
para si, o GGSN tipo C. Nesse caso, mantendo um link seguro entre a companhia e
a provedora GPRS, a intranet pode ser totalmente móvel e razoavelmente segura.
Essa configuração não é comum hoje em dia, mas torna-se promissora para um fu-
turo próximo, no qual a internet móvel deve ser necessidade.
Figura 3.11 – Tipos de GGSN
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3.4.4 Outros componentes adicionados à rede GSM
Outro componente adicionado às redes GSM foi o BG – Border Gateway, que trata-se
de uma conexão entre PLMNs diferentes. Fisicamente, o BG pode estar integrado no GGSN
ou mesmo em algum SGSN, ou mesmo não existir, no caso de a conexão entre as provedoras
ser feita pela própria internet. De qualquer forma, o roaming de dados entre operadoras GPRS
é feito por esse componente.
O mesmo problema de manutenção e monitoramento da localização de um usuário na
rede GSM aparece no GPRS, ou seja, para não sobrecarregar a rede nem o celular com men-
sagens excessivas de controle de handover e localização foi necessária a divisão da área de
cobertura GPRS em áreas de roteamento, similares às áreas locais da rede original, descritas
na seção 2.2.4.2. Assim, foi adicionado o SLR – SGSN Location Register, um registrador
similar ao VLR, gerenciado pelo SGSN, que guarda informações atualizadas sobre parâmetros
de transmissão de dados do usuário e da localização do mesmo nas áreas de roteamento.
Quando um usuário sai da área de cobertura de um SGSN, e portanto troca de servidor, uma
atualização é feita em uma extensão do HLR, chamado de GR – GPRS Register, que guarda
informações especificas do serviço de dados orientado a pacotes. A figura 3.12 [7] mostra
toda a arquitetura funcional das redes GSM/GPRS descritas até agora. Na figura, a TRAU e a
PCU aparecem com o nome de TCE – Trunk Control Element, referindo-se aos mesmos dois
componentes já descritos. As pilhas de protocolos entre um elemento e outro da rede GPRS
levam nomes específicos de interfaces, como Gb, Gn etc. Elas serão descritas na próxima se-
ção.
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Figura 3.12 – A rede combinada GSM/GPRS
3.5 PROCEDIMENTOS GPRS E PROTOCOLOS DO PADRÃO
Para que os dados possam ser transmitidos entre o celular e a rede de dados exter-
na, algumas preparações são necessárias para que possam ser transferidos pacotes IP pela rede
GPRS. O primeiro passo para isso é o registro na rede (GPRS attach). Trata-se de um proce-
dimento lógico entre o aparelho e o SGSN, que passa a monitorar a posição do celular, ou
seja, sua área de roteamento. Armazenar e atualizar a localização do celular é imprescindível
para transmissões e download. Geralmente o procedimento de anexação é realizado logo que
o aparelho é ligado, ou quando o usuário deseja explicitamente iniciar uma sessão GPRS. A
segunda etapa é criar regras de roteamento para um determinado celular que esteja transmitin-
do, de forma que os pacotes vindos da rede externa possam chegar até ele, e também para que
os pacotes enviados possam ser encaminhados para a rede correta. Esse roteamento é papel do
GGSN, e o procedimento descrito é a ativação de um contexto PDP, de Packet Data Protocol,
em referência ao protocolo que o celular utiliza para conectar-se à rede externa. Esse protoco-
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lo é quase sempre o IP, versão 4 ou 6. O contexto PDP define a conexão GPRS do usuário,
através do armazenamento no HLR (GR) dos seguintes dados:
• O APN – Access Point Name: um nome lógico para determinação de qual prove-
dor de acesso está sendo utilizado. Se o provedor for a própria operadora GPRS, o
APN refere-se a qual servidor GGSN tipo A será utilizado, como por exemplo
www.claro.com.br;
• Os parâmetros de qualidade de serviço, nas classes de prioridade, atraso, confiabi-
lidade e velocidade, necessários à aplicação;
• O protocolo PDP: qual protocolo será utilizado entre o celular e a rede externa, ti-
picamente IP. Outros protocolos suportados são PPP, X.25 e IHOSS (Internet Hos-
ted Octet Stream Service). O suporte a X.25 foi removido na versão de 1999 do
padrão;
• Um endereço IP permanente para o celular, se ele possuir um.
Geralmente o endereço IP alocado dinamicamente ao usuário é falso. O GGSN faz a tradução
de endereços externos e internos por meio da função de NAT (Network Address Translation)
agregada a esse componente. O usuário só terá um endereço IP permanente se contratado no
serviço. Depois da ativação do contexto PDP, o caminho entre o celular e o GGSN fica defi-
nido e a rede como um todo pode rotear pacotes para esse usuário. Vários contextos PDP,
com diferentes provedores e parâmetros de qualidade de serviço, podem ser estabelecidos
para um mesmo aparelho ao mesmo tempo, o que flexibiliza o acesso de acordo com as ne-
cessidades da aplicação sendo utilizada. Vale lembrar que nenhuma alocação de recursos é
feita até que o usuário realmente transmita dados. Mesmo depois da ativação do contexto
PDP, o que a operadora faz é monitorar o movimento do celular e deixá-lo pronto para enviar
pelo endereço IP “emprestado” a ele. A rede externa (internet) não tem conhecimento dessas
etapas de preparação por parte da rede GPRS. Para ela, o GGSN aparece como apenas mais
um roteador para uma sub-rede privada qualquer. A figura 3.13 [7] ilustra os procedimentos
do GPRS.
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Figura 3.13 – Procedimentos do GPRS. Registro e Ativação de contexto PDP
Um último assunto a ser tratado sobre a tecnologia GPRS são os protocolos de rede u-
tilizados entre os equipamentos que fornecem o serviço. A figura 3.14 [7] mostra o esquema
das pilhas de protocolos entre cada nó da rede da operadora. Não é do escopo deste texto a
descrição detalhada de cada um deles, já que seria necessário explicar sobre todo o processo
de transmissão, como canais virtuais de comunicação, implementação física da interface sem
fio, suas formas de multiplexação e codificação e outros aspectos, que renderiam um livro
inteiro, mas uma breve explicação de cada um deles é apresentada a seguir.
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Figura 3.14 – Protocolos utilizados no GPRS
Na camada 1 está a interface a rádio GSM (Um air) entre o aparelho e a estação base,
já discutida no capitulo 2, que não foi alterada para o padrão GPRS. Ela está definida na série
05 das especificações GSM e define, dentre outras características, as freqüências das portado-
ras e estruturas dos canais a rádio GSM, a modulação das ondas a serem transmitidas e a ve-
locidade básica dos dados, as características do transmissor e do receptor e requisitos de per-
formance.
Entre o celular e a PCU/BSC ficam os protocolos RLC/MAC, que formam a segunda
camada do modelo OSI. Suas funções incluem o gerenciamento de recursos, multiplexação e
controle de fluxo, como em redes IP da internet. A seção 3.3.1 dá outras explicações sobre
esses protocolos. A rede central GPRS é baseada em IP, através do qual os vários nós servido-
res (GSN – GPRS Service Nodes) fazem todo o roteamento de pacotes e controle entre si. O
SGSN faz a conversão do IP para o protocolo SNDCP - Sub-Network Dependent Convergen-
ce Protocol, que foi incluído para promover maior independência de camadas inferiores e a
implementação em outras tecnologias a rádio, como foi possível com a implementação do
GPRS/EDGE nas redes TDMA IS-136. Esse protocolo, em conjunto com o LLC – Logical
Link Control, fazem o gerenciamento de mobilidade, MM, já discutido e também lidam com
compressão, criptografia e autenticação dos usuários. O registro na rede GPRS (attach) tam-
bém é feito a nível desses dois protocolos.
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Como mostra a figura, a interface entre a PCU e o SGSN geralmente é implementada
com Frame Relay, escolhido graças à possibilidade de alcance de longas distâncias na camada
2 e por razões históricas, já que é baseado no padrão europeu X.25 e o GSM foi concebido na
Europa. Há também o protocolo BSSGP – Base Station Subsystem GPRS Protocol, que faz o
gerenciamento dos recursos de comunicação entre o SGSN e a PCU. A camada física entre os
equipamentos da rede GSM original e também entre a PCU e SGSN é implementada com a
tecnologia também européia E1, E-carrier 1, bastante utilizado ao redor do mundo na interli-
gação de centrais de telefonia fixa, com velocidade nominal de 2 Mbps.
A rede central, core network, é baseada em IP e nos protocolos de camadas 1 e 2 da
internet, que na figura aparecem como L1 e L2 respectivamente. As opções para L1 são fibra
ótica, cabo par trançado ou E3, uma evolução do E1 com 34Mbps. A camada 2 pode ser im-
plementada com ATM, Frame Relay ou ethernet e fast-ethernet. Entre os nós servidores
SGSN e GGSN o protocolo GTP – GPRS Tunelling Protocol, é usado para fazer túneis de
comunicação de dados e sinalização de controle entre esse nós. O GTP pode ter extensões
proprietárias para permitir recursos proprietários específicos.
A ativação do contexto PDP, que ocorre entre o celular e o GGSN faz a conexão final
com a rede externa, como mostra a figura, possibilitando o uso de quaisquer protocolos da
camada de aplicação que rodem sobre IP, como WAP e outros.
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4 EXPERIMENTO REALIZADO E CONCLUSÕES
Como teste dos conhecimentos adquiridos e da viabilidade de implementação foi
feito um experimento de conexão de um celular comum com um microcontrolador. O celular
funcionaria como um modem para conexão do microcontrolador à internet para possibilitar a
telemetria de um equipamento qualquer ligado ao microcontrolador. Os dados seriam lidos
para a memória do microcontrolador e enviados via porta serial ao celular, que por sua vez os
encaminharia via GPRS até um servidor pré-estabelecido para recepção das medições. O ca-
minho inverso, do telecontrole, o envio de informações de controle para o equipamento remo-
to também seria possível. Esse capítulo apresenta as características de uma conexão desse tipo
e do experimento prático realizado.
4.1 O CELULAR COMO MODEM GRPS
Todo aparelho compatível com GSM deve implementar um conjunto de coman-
dos AT especificados pela 3GPP no documento TS 27.007. Os comandos AT são uma espécie
de linguagem de programação específica para modems de comunicação digital, desenvolvida
primeiramente para o modem Hayes Smartmodem 300. Na época, eles eram operados com
linhas dedicadas de telefone e era necessário discar ou atender manualmente quando uma co-
nexão era iniciada.. Hayes criou o conjunto de comandos para automatizar a operação desses
aparelhos diretamente pelo computador interessado na comunicação. Para isso, criou dois
modos de operação, o modo de dados, em que o modem somente encaminha o que recebe
para o outro lado da linha, e o modo de comandos, em que o modem recebe seqüências de
caracteres específicos e as interpreta como comandos. Essa estratégia possibilitou o aprovei-
tamento das mesmas linhas de dados usadas anteriormente sem necessidade de adição de ca-
bos, mantendo a baixa complexidade dos aparelhos e foi amplamente implementada em todos
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os modelos seguintes, tanto da marca da empresa como de outros fabricantes. Os comandos
devem sempre começar com AT, de attention, seguido geralmente de letras ou de letras e nú-
meros, por exemplo, o comando ATZ para resetar o modem às configurações padrão ou
ATDxxxx para discar a um certo número de telefone. O conjunto incluía várias opções de
manipulações de linha telefônica, como discagem e interrupção e também de configuração
geral do modem. Mais tarde, os comandos foram sendo expandidos à medida que novos mo-
delos com velocidades maiores e novos recursos foram sendo desenvolvidos, até a chegada
aos modelos atuais de modem para conexão discada à internet, que também utilizam esse con-
junto básico, mais uma série de comandos específicos desenvolvidos por cada fabricante.
Os aparelhos GSM também devem responder a esse conjunto básico de comandos AT,
mais vários outros específicos aos celulares e wireless modules, definidos no TS 27.007. Exis-
tem, por exemplo, comandos para determinação do IMSI, AT+CIMI, do IMEI, AT+CGSN, e
do nível da bateria do aparelho, AT+CBC. A maioria dos aparelhos celulares GSM possuem
alguma forma de comunicação externa que possibilite a inserção de comandos AT, geralmen-
te via porta serial do padrão RS-232, USB, e nos modelos mais modernos, infravermelho e
bluetooth. Um dos comandos especificados no documento citado é o AT+CGDATA, que ins-
trui o celular a mudar para o modo de dados e tornar-se um modem para comunicação de ou-
tros aparelhos, como laptop, computador ou microcontrolador. A relação a seguir mostra os
comandos AT do padrão GSM/GPRS necessários para estabelecer uma conexão pelo “modem
celular”.
• AT+CGATT: faz o registro do aparelho na rede GPRS (GPRS attach), através do
qual a rede passa a gerenciar a mobilidade para transmissão de dados, conforme
descrito no capítulo 3. O comando serve tanto para registrar como para de - regis-
trar o celular, de acordo com a opção passada junto com o comando
• AT+CGDCONT: faz a definição do contexto PDP, também descrito no capítulo 3,
para o aparelho em questão. Para esse comando, o usuário adiciona um número de
contexto, já que podem ser definidos vários, o tipo de protocolo de camada 3 que
será utilizado, geralmente IP, o APN do provedor de serviços utilizado, o endereço
IP (PDP) fixo, se houver, e alguns parâmetros de compressão, também opcionais
• AT+CGACT: faz a ativação ou desativação de um determinado contexto PDP no
GGSN. O contexto é determinado pelo seu número identificador
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• AT+CGDATA: faz o celular entrar em modo de dados. Como parâmetros do co-
mando estão o número do contexto PDP já definido que será utilizado e o protoco-
lo de segunda camada utilizado para conexão do terminal que faz uso do modem à
internet, geralmente PPP (Point to Point Protocol). Se o contexto já não houver si-
do ativado ou o aparelho não estiver registrado na rede, esses procedimentos tam-
bém são feitos. Esse comando pode ser substituído, na maioria dos aparelhos mo-
véis, pelo comando de discagem de voz, ATD, na forma ATD*99***X#, onde X é
o número do contexto PDP. Essa forma peculiar de comando serve para diferenciar
dos comandos AT de discagem de voz.
Assim, o celular GPRS pode ser usado como um modem para conexão, semelhante à discada,
ao computador ou laptop, ou ainda a qualquer dispositivo que possa se comunicar com ele. O
computador, ou outro dispositivo, deve ter uma pilha PPP disponível. Esse protocolo é o pa-
drão para conexões ponto a ponto com provedores de serviço de internet nos quais o usuário
recebe endereços dinâmicos. Como ilustração, foi feita uma conexão com um computador
pessoal utilizando o programa de discagem “pppd”, do sistema operacional Linux, e um celu-
lar da marca Siemens, modelo A-65, conectado ao computador pela porta serial. Algumas op-
ções especiais foram necessárias ao estabelecimento da conexão, devido a particularidades
dos provedores GPRS de acesso: noauth, que instrui o pppd a não autenticar nome de usuário
e senha na rede, fato que geralmente não é necessário em GPRS devido à autenticação ocorrer
no momento da ativação do contexto PDP; novj e novjccomp, que desabilitam a compressão
pelo algoritmo de Van Jacobson, padrão do PPP, e não suportado com a operadora testada;
nocrtscts, opção específica para utilização de modem conectado à porta serial, que desabilita o
controle de fluxo por hardware durante a conexão e o envio dos comandos, devido à falta de
suporte a esse controle pelo celular utilizado; noccp, que também desabilita compressão de
dados. Foi utilizado o front-end KPPP, do ambiente de trabalho KDE, com a opção de disca-
gem pelo comando ATD*99***1#, ou seja, contexto PDP número 1, conforme mostra a figu-
ra 4.1. A figura também destaca a opção de inicialização do modem através do programa, que
é a de definição do contexto PDP.
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Figura 4.1 – Configurações do pppd para conexão via celular GPRS
A figura 4.2 complementa a anterior mostrando a saída do programa “pppd“ quando colocado
em modo de monitoramento (debug), durante a conexão da figura 4.1. Os dados foram obtidos
pelo comando “cat /var/log/debug” e mostra que a autenticação PPP ocorre em duas etapas. A
primeira é a configuração das características da conexão, como compressão e autenticação, de
acordo com o requisitado pelo cliente (computador) e com os modos aceitos pelo servidor
(provedor GPRS). Esse conjunto de comandos são chamados de protocolo de configuração de
enlace (LCP – Link Configuration Protocol), e correspondem às saídas de 3 a 15 do log mos-
trado na figura. A segunda etapa é a configuração do protocolo de rede (NCP – Network Con-
figuration Protocol), que nesse caso é a configuração de protocolo IP (IPCP – IP Configurati-
on Protocol). Ele corresponde às saídas de 16 a 22 e mostram a configuração dos endereços
IP necessários ao funcionamento da conexão, quais sejam: 10.124.7.0, um IP falso atribuído
temporariamente ao computador; 192.168.254.254, o endereço do gateway de acesso, prova-
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velmente o próprio GGSN tipo A; 200.169.126.15 e 10.121.5.60 como endereços dos servido-
res de nomes de domínios, DNS para a conexão. Logo após, foi chamado o programa de con-
figuração de rede do linux, “ifconfig”, para mostrar as características da conexão ppp0 recém
criada via GPRS, confirmando os endereços mostrados pelo pppd.
Figura 4.2 – Saídas do debug do pppd durante o estabelecimento da conexão
4.2 O MICROCONTROLADOR 8051
O microcontrolador escolhido para o experimento prático foi o 8051, que faz parte
de uma popular família de microcontroladores de 8 bits lançada pela Intel em 1977. É conhe-
cido por sua facilidade de programação, em linguagem assembly graças ao seu poderoso con-
junto de instruções. Também é tido como o microcontrolador mais popular do mundo, pois
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existem milhares de aplicações para o mesmo, e pelo menos dois mil fabricantes produzindo
variantes e clones do modelo. muitos sendo produzidos por empresas diversas à Intel. Por ser
um microcontrolador CISC, oferece um conjunto de instruções muito vasto que permite exe-
cutar desde um simples programa que faz piscar um LED até um programa como o proposto,
de comunicação máquina a máquina. Os principais motivos da escolha foram a vasta biblio-
grafia e software de compilação e debugação disponíveis, por ser uma arquitetura bem conhe-
cida e antiga, e a disponibilidade do chip, bem como do hardware e software de gravação, no
laboratório de microprocessadores da escola de engenharia elétrica e de computação. A tabela
4.1 mostra as duas famílias principais de chips lançados pela Intel e suas características. Ba-
seando-se nelas, a Intel e outros fabricantes criavam variantes com poucas diferenças entre si.
Hoje, existem modelos com vários melhoramentos, como versões que já incorporam conver-
sores analógico-digital, A/D, de 8 e 10 bits e saída PWM, outras possuem palavras de 16 bits,
maiores freqüências de clock suportadas, suporte a memória RAM externa maior, de até 16
MBytes, memória flash, geralmente de 8 KBytes, interface SPI para gravação na própria placa
de funcionamento, sem necessidade de remoção para hardware gravador, ou tudo isso em con-
junto. Esses avanços mantém a arquitetura, que é bastante antiga, com capacidades necessá-
rias às aplicações atuais, e consequentemente com vários mercados possíveis de aplicação.
CI ROM Interna RAM Interna Versão sem
ROM Interna
Versão com
ROM Interna
Versão com
memória Flash
8051 2 Kbytes 128 bytes 8031 8751 8951
8052 2 a 8 Kbytes 256 bytes 8032 8752 8952
Tabela 4.1 – Famílias básicas do 8051
Não é do escopo desse texto a descrição detalhada do chip, mas os principais compo-
nentes funcionais são apresentados a seguir.
• CPU: A Unidade de Central de Processamento é a responsável por todo o processa-
mento de informações do microcontrolador. Contém os principais registradores, tal
como o acumulador, que é o principal registrador de um microprocessador. Ela con-
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tém ainda a Unidade Lógica e Aritmética (ULA), responsável pelas operações de adi-
ção, subtração, multiplicação, divisão, rotação, and, or e outras;
• RAM: As versões xx51 possuem memória de dados (RAM) de 128 bytes, enquanto a
capacidade de memória RAM das versões xx52 é de 256 bytes, todas integradas ao
chip. A RAM é dividida em blocos, alguns deles sendo conjuntos de registradores ma-
peados, de configuração ou de acesso rápido pelas instruções, sendo quatro conjuntos
de oito registradores com “apelidos” (alias) nas instruções; 16 bytes de memória de
uso geral, mas endereçáveis a bit, portanto 128 bits disponíveis; 80 bytes de memória
de uso geral endereçável somente a byte e mais 128 bytes dos chamados registradores
de função (Special Function Registers) que determinam todas as configurações de
software do microcontrolador.Esses também são endereçáveis a bit;
• ROM: As versões xx51 possuem memória de programa (ROM) interna de 2 kBytes,
enquanto as versões xx52 possuem capacidade de até 8 kBytes de memória ROM. A
exceção é a versão 8032 que não possui memória ROM interna;
• Contadores/Temporizadores: O microcontrolador padrão da família 8051 possui dois
contadores/temporizadores de 16 bits, Timer 0 e Timer 1, que podem trabalhar em
quatro modos diferentes: modo de 13 bits, modo de 16 bits, modo único de 8 bits com
recarga automática e modo duplo independente de 8 bits. O contador é caracterizado
por um clock externo, enquanto o temporizador usa o clock interno do microcontrola-
dor. Essa unidade trabalha de forma independente da CPU e pode ser ativada tanto por
software quanto por hardware;
• Porta Serial: O 8051 possui um dispositivo de controle de comunicação serial, o
UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) integrado ao chip e também
com funcionamento independente, oferecendo comunicação full duplex e bufferização
dos dados recebidos ou enviados. Há dois pinos para porta serial. O pino RxD é o pino
de recepção de dados e o pino TxD é o pino de transmissão de dados. Os modos de
operação podem ser síncrono, com taxa de bits, baud rate, igual à freqüência do clock
dividido por 12, ou assíncrono, com taxa geralmente controlada pelo Timer1;
• Portas Paralelas: As portas paralelas, num total de 4 (quatro), são numeradas de P0 a
P3 e são todas de 8 bits. A porta P3 tem dupla função: além de servir como canal de
entrada e saída de dados também pode ser usada para a comunicação serial (P3.0 e
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P3.1), interrupções externas (P3.2 e P3.3), canal de freqüência para a operação como
contador (P3.4 e P3.5) e canal de controle de gravação e leitura de memória externa
(P3.6 e P3.7). A porta P0 tem uma característica diferente das outras portas por ser de
coletor aberto, o que significa que necessita de um resistor de pull-up e pode drenar
uma corrente maior que as demais.
A figura 4.3 [6] mostra a distribuição de pinos do modelo padrão, de 40 pinos, do
8051 e as funções especiais, ou duplas, que alguns deles possuem.
Figura 4.3 – Pinagem do microcontrolador 8051
O modelo utilizado no experimento prático foi o AT89S8252, da marca ATMEL. Tra-
ta-se de um modelo da família inicial 8952, com recursos adicionais: 8KBytes de memória
flash, velocidade de até 24 Mhz, três timers/contadores de 16 bits e capacidade de gravação
no sistema de distribuição (ISP - In-System Pogrammable). Desses, apenas a memória flash
foi necessária , para comportar o programa desenvolvido. A capacidade de processamento não
foi critica, portanto foi utilizado um oscilador de 11.0592 Mhz, melhor para comunicação
serial, e somente um timer foi utilizado, para gerar a taxa de bits, baud rate, da porta serial.
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4.3 O EXPERIMENTO REALIZADO
O objetivo do experimento foi desenvolver um programa para o 8051 que conec-
tasse à internet por meio do celular GPRS, como foi feito com o computador. Para isso, foi
utilizado um cabo adaptador de conexão serial para a saída padrão de celulares Siemens, já
que foi utilizado o modelo A65 deste fabricante. O microcontrolador envia os comandos AT
de estabelecimento da conexão descritos na seção 4.1 para o celular, que passa a funcionar
como se fosse um modem de transmissão e recepção de dados. A tensão do padrão serial de
comunicação RS-232, que o computador fornece nas conexões, é de -5 a -15 Volts para o ní-
vel lógico 1 e de +5 a +15 Volts para nível lógico 0. O microcontrolador e outros dispositivos
embarcados, como o celular, operam com +5 Volts, ou +3,6 Volts em dispositivos de baixo
consumo para o nível lógico 1 e 0 Volt para nível lógico 0. A conexão do celular com o mi-
crocontrolador poderia ser feita diretamente, mas como o cabo foi feito para uso com o com-
putador, já inclui circuitos conversores de tensão de um padrão para outro, e portanto só opera
com entradas nas faixas de -5/-15 e +5/+15 Volts.Assim, para possibilitar a correta comunica-
ção, foi necessária a utilização novamente de um conversor, como aquele do cabo. A família
de circuitos integrados MAX232, da empresa Maxim, é a mais largamente utilizada e conhe-
cida para essa tarefa. Foi utilizado no experimento um CI similar, da Texas Instruments, mo-
delo MAX232N. Para a programação do microcontrolador foi utilizado um ambiente integra-
do de desenvolvimento, o µVision3 versão 3.23, da Keil Software. O ambiente é o mais utili-
zado para o desenvolvimento de programas para vários modelos de microcontroladores, inclu-
sive outras famílias diferentes do 8051. Suas principais vantagens são a compilação em lin-
guagem C para esses dispositivos e um poderoso ambiente de depuração e simulação. O de-
senvolvimento foi feito em C, que facilitou enormemente a programação e depuração. A sin-
taxe da linguagem é a mesma do padrão ANSI para computadores pessoais, apenas com al-
gumas extensões para abranger as particularidades dos microcontroladores. O programa envia
comandos AT através da saída serial de comunicação, à velocidade de 9600 bits/segundo
(baud-rate) e aguarda alguns segundos pela resposta até enviar os comandos seguintes, para
garantir a interpretação a tempo dos comandos. A seguinte seqüência de comandos AT é en-
viada:
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• ATZ: para inicialização. Esse comando não seria necessário ao celular, mas é pa-
drão no inicio de comunicações seriais com modems em geral;
• AT: comando de eco, ao qual o celular deve responder com OK, para testar a co-
nexão física;
• AT+CGDCONT=1,”IP","claro.com.br",,0,0: definição do contexto PDP, com os
seguintes parâmetros: número do contexto, “um” nesse caso; protocolo de rede, IP;
APN do provedor, que nesse caso foi a própria operadora Claro utilizada; endereço
IP fixo do dispositivo, deixado vazio para indicar que pode ser atribuído dinami-
camente; modo de compressão de pacotes, desativado (zero); e modo de compres-
são de cabeçalhos, desativado (zero);
• AT+CGACT=1, 1: ativação do contexto PDP número 1, recém definido, no GGSN
• AT+CGDATA=”PPP”, 1: início do modo de dados para estabelecimento de uma
conexão ponto a ponto, PPP, no contexto PDP 1. Após esse comando, o celular en-
tra em modo de dados e começa a receber pacotes LCP de estabelecimento de co-
nexão PPP.
Após esta etapa de pré-conexão, o microcontrolador necessitaria ter uma pilha PPP em
memória para começar a receber os pacotes de estabelecimento da conexão e tratá-los ade-
quadamente. No testes com o computador, é utilizada a pilha do sistema operacional de forma
transparente ao usuário. A falta de uma pilha já implementada para o 8051 foi o principal pro-
blema ao desenvolvimento completo do experimento e dos objetivos propostos. Foram encon-
tradas algumas versões na internet, a maioria delas requer um sistema operacional de tempo
real, RTOS – Real Time Operating System, que é uma espécie de pequeno kernel que fica
executando no microcontrolador e gerenciando memória e tarefas, de acordo com a prioridade
das mesmas. Um RTOS só é necessário, e viável, em aplicações mais complexas e com mui-
tas exigências de respostas a várias requisições de ordem externa, como o são as pilhas de
protocolos de rede. Dentre os sistemas operacionais de tempo real para o 8051 estão o CMX
RTOS [12], da empresa CMX, o µC/OS-II [11], da empresa Micrium, ambos comerciais, e o
freeRTOS [9], um projeto de código fonte livre. As pilhas PPP já implementadas também são
em sua maioria comerciais, entre elas uma distribuída pela Computer Solutions Ltda [12] para
executar com o CMX RTOS e uma distribuída pela empresa SCM International [10]. Essa
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última , que também é comercial, possui menos funcionalidades, mas não necessita de um
RTOS para funcionar. A única pilha de código livre encontrada foi a do projeto µC/IP, que
necessita do RTOS da Micrium, µC/OS-II. Foi obtida uma cópia para fins estudantis desse
sistema operacional, que foi compilada com sucesso no ambiente µVision de desenvolvimen-
to, mas a pilha µC/IP, que também inclui os protocolos TCP/IP, não compilou, devido a ser
um projeto incompleto, iniciado em 2002 e abandonado em seguida. O funcionamento correto
do µC/IP ainda demanda muitas alterações e melhoramentos no código. O preço das pilhas e
RTOSs comerciais, que é muito alto para viabilizar uma compra, e a falta de tempo para a
implementação de um código próprio foram ao principal empecilho ao cumprimento do obje-
tivo proposto.
Sendo assim, não foi possível implementar a comunicação completa com a internet e o
envio de informações do microcontrolador a um servidor. A título de exemplo e aprendiza-
gem adicional, foi implementado o código de envio dos comandos AT descritos nesta seção, e
foram ligados leds à porta P1 para acompanhar o andamento da conexão. O microcontrolador
envia os comandos, espera algum tempo e lê a resposta do celular. Se for OK - ou no caso do
último comando enviado qualquer dado recebido que não seja a resposta de ERROR - então
envia o próximo comando e assim por diante, até que os pacotes de configuração PPP come-
cem a chegar, quando então entra em modo IDLE, de inatividade, do qual só sai se for reinici-
ado. O pino de transmissão do microcontrolador foi ligado ao MAX232N para conversão de
tensões. Curiosamente, e provavelmente por motivos de economia de bateria, o cabo utilizado
não converte os sinais de transmissão do celular para o padrão RS-232, permanecendo a saída
em 5 Volts. Portanto, foi possível a ligação direta do fio de transmissão do celular ao pino de
recepção do microcontrolador. Outra particularidade do celular utilizado é a necessidade de
um sinal de controle de fluxo do padrão RS-232, geralmente ignorado nos dispositivos atuais.
Ele requer que o pino de DTR – Data Terminal Ready, esteja em +5 Volts aproximadamente
para começar a responder aos comandos. Assim, foi necessária a ligação da primeira saída da
porta P2, que não foi utilizada e permanece em 0 Volts, ao conversor MAX232N, para gera-
ção de um sinal de mais ou menos +10 Volts e ativação das respostas do celular. Foram feitas
fotos e um vídeo do experimento prático para melhor demonstração.
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5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Apesar do objetivo não ter sido completamente alcançado, o que fica claro é a fa-
cilidade de conectividade existente hoje graças às redes de comunicação móvel em geral, que
disponibilizam boas velocidades de transmissão, velocidades estas cada vez maiores e com
custos cada vez menores. Com um aparelho celular de 100 reais, como o utilizado no experi-
mento prático, pode-se associar um microcontrolador com algum hardware adicional, de cus-
tos também bastante baixos, e utilizar nas mais diversas aplicações de controle e telemetria,
M2M, para diversos setores. Soluções desse tipo são cada vez mais necessárias e essenciais ao
bom gerenciamento logístico, e mesmo à operação de diversos ramos de atividade que neces-
sitam de conexão sempre disponível, confiável e sem fio. As possibilidades de crescimento
para a área de M2M são virtualmente imensuráveis e formam um mercado promissor. Lamen-
tamos somente a impossibilidade de implementação total, pelos motivos de falta de todo o
suporte de software adequado, mas o trabalho foi muito útil para conhecimento da arquitetura
e modo de funcionamento das redes de comunicação móveis, o que exigiu sedimentação de
conhecimentos de redes de comunicação, telecomunicações, programação e microprocessado-
res.
Como sugestões de trabalhos futuros ficam a implementação de uma pilha PPP e
TCP/IP completas para uso no microcontrolador utilizado, ou o melhoramento desses códigos
disponíveis de forma livre na internet, através do projeto µC/IP, e também a implementação
completa do sistema proposto, de preferência com comunicação real com algum equipamento
ou sensor e envio dos dados auferidos pelo microcontrolador para um servidor da internet,
formando assim um projeto M2M completo, que poderia ser utilizado nas aplicações dos wi-
reless modules já disponíveis comercialmente.
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REFERÊNCIAS
[1] BATES, Regis J. Broadband telecommunications handbook. 1ª ed. Phoenix, AZ, EUA: McGraw-Hill Telecommunications, 2002.
[2] BRAND, Alex, AGHVAMI, Hamid. Multiple access protocols for mobile communica-tions: GPRS, UMTS and beyond, 1ª ed. Hoboken, NJ, EUA: John Wiley & Sons, 2002.
[3] CARLSON, James. PPP design, implementation, and debugging. 2ª ed. Upper Saddle River, NJ, EUA: Addison-Wesley, 2000.
[4] HALONEN, Timo, ROMERO, Javier, MELERO, Juan. GSM, GPRS, and edge per-formance : evolution towards 3G/UMTS, 2ª ed. Hoboken, NJ, EUA: John Wiley & Sons, 2003
[5] HEINE, Gunnar, HOLGER, Sagkob. GPRS: gateway to third generation mobile net-works. 1ª ed., Norwood, MA, EUA: Artech House, 2003..
[6] MACKENZIE, J. Scott. The 8051 Microcontroller. 2ª ed. Rio de Janeiro, RJ: Prentice-Hall, 1995.
[7] SANDERS, Geoff. GPRS Networks. 1ª ed. Hoboken, NJ, EUA: John Wiley & Sons, 2003.
[8] ETSI. Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Universal Mobile Tele-communications System (UMTS); AT command set for User Equipment (UE), Especifi-cação técnica TS 127.007 versão 6.8.0, 2005.
[9] FreeRTOS – A Free RTOS. Disponível em < http://www.freertos.org/ >. Acesso em 24 jan. 2007.
[10] Internet Software and Hardware for 8051 Microcontrollers. Disponível em <http://www.scmstore.com/English/IPControl/8051e-mail/default.asp>. Acesso em 24 jan. 2007.
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[11] Micrium.com ::: Empowering Embedded Systems. Disponível em <http://www.micrium.com/ >. Acesso em 24 jan. 2007.
[12] Micronet the TCP/IP Stack for 8/16 bits micros. Disponível em <http://www.computer-solutions.co.uk/chipdev/micronet.htm>. Acesso em 24 jan. 2007.
[13] Mobile Phone – Wikipedia, the free encyclopedia. Disponível em <http://en.wikipedia.org/wiki/Mobile_phone>. Acesso em 24 jan. 2007.