GSM Global System for Mobile sem fios GSM GSM Global System for Mobile communications Introduo A criao da norma GSM para comunicaes mveis foi um

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Comunicao sem fios GSM GSM Global System for Mobile communications Introduo A criao da norma GSM para comunicaes mveis foi um exemplo de sucesso quer em termos tecnolgicos e comerciais. Pela primeira vez uma norma foi adoptada globalmente ao nvel de um continente para fornecimento de servios de comunicao baseados em comunicao digital. O GSM permitiu transpor para as comunicaes mveis, os conceitos e servios associados norma RDIS, at antes nunca disponibilizados em sistemas de comunicao via rdio. A concepo da norma visou no somente aspectos tcnicos como aspectos comerciais. Assim foram adoptadas solues visando o baixo custo dos equipamentos de assinante de modo a possibilitar uma maior adeso do pblico em geral. A adopo de transmisso digital e posterior escolha de tcnicas de diviso na frequncia e no tempo, para acesso ao canal rdio permitiu aumentar consideravelmente a capacidade do sistema face aos sistemas analgicos usados at ento na Europa. A norma abrange todos os aspectos relacionados com os trs primeiros nveis do modelo OSI, isto , o nvel fsico, o lgico e por fim o nvel de rede. Na sua concepo e com o objectivo de diluir custos de implementao ao longo de uma janela temporal 1 Comunicao sem fios GSM mais vasta, foram definidas 3 fases de implementao com diferentes tipos de servios associados: Fase 1 ou E1 Fase 2 ou E2 Fase 2+ ou 2.5 A ltima fase corresponde implementao de servios de dados a ritmos de 64 Kbps, baseados em comutao de pacotes. ATRIBUTOS GSM 900 e DCS 1800 Norma ETSI sries 1 a 12 Frequncias utilizadas ( MHz) 890 915 935 960 Faixa de frequncias disponvel (MHz) 25 + 25 Modo de acesso TDMA/FDMA Espaamento dos canais rdio (KHz) 200 Separao entre canais rdio de cada sentido (MHz) 45 Nmero de canais rdio uplink e downlink 124 Nmero de canais de voz por canal rdio Dbito total 8 Dbito parcial 16 Tipo de transmisso Digital Dbito do canal rdio (Kbit/s) 270 Tipo de codificao RPE-LTP Modulao GMSK Proteco de canal C/I (dB) 9 Proteco do canal adjacente (dB) 60 Roaming e Handover Sim Potncia mxima do mvel (W) 8 (+39 dBm) Sensibilidade de recepo do mvel (dBm) 102 2 Comunicao sem fios GSM Raio mximo de clulas (Km) 30 Dbito til mximo por canal do voz (bits/s) 9600 Salto de frequncia Sim Carto de assinante Sim Autenticao Sim Codificao no interface rdio Sim Durao da trama (ms) 4,615 Trfego Comunicao sem fios GSM Codificao no interface rdio Sim Durao da trama (ms) 4,615 Trfego Comunicao sem fios GSM Em fase posterior a largura de banda foi alargada em 10 MHz, quer para o Uplink (comunicao estao mvel para estao base) quer para o downlink (comunicao estao base para estao mvel), permitido 50 canais adicionais. Estes canais encontram-se numerados entre 974 e 1023, sendo o ARFCN agora calculado por: 1240,,2.0*890)( =+= nARFCNncomMHznMHznFul 1023975,,2.0*)1024(890)( =+= nARFCNncomMHznMHznFule MHznFulnFdl 45)()( += Com a introduo do DCS 1800 na Europa (fase 2 ou E2) e DCS 1900 no EUA, aumentou-se a capacidade do sistema por meio de 374 canais adicionais. Utiliza-se a banda dos 1710 a 1785 MHz para Uplink e a banda entre 1805 e 1880 MHz para Downlink, sendo agora o afastamento entre canais duplex de 95 MHz. Para efeitos de distino com os canais definidos na primeira fase estes canais estendidos so numerados entre 512 e 885, sendo agora o ARFCN definido por: MHznMHznFul 2.0*)511(1710)( += MHznFulnFdl 95)()( += com 5 Comunicao sem fios GSM 885512, = nARFCNn Associado ao incremento de capacidade (devido ao aumento de portadoras) a fase 2 contempla igualmente uma diminuio da potncia empregue na MS e BTS. Notar que na fase 2, tambm introduzido o conceito de micro-clula, com reduo adicional do nvel de potncia empregue na BTS. Esta diminuio encontra-se patente, nas tabelas 2, 3 e 4, apresentadas a seguir. Classe de potncia Potncia mxima da MS Potncia mxima da BTS 1 20 W 320 W 2 8 W 160 W 3 5 W 80 W 4 2 W 40 W 5 0.8 W 20 W 6 10 W 7 5 W 8 2.5 W Tabela 2 Nveis de potncia no GSM 6 Comunicao sem fios GSM Classe de potncia Potncia mxima da MS Potncia mxima da MS Potncia mxima da BTS (DCS 1800) Potncia mxima da BTS (DCS 1800) 1 1 W 1 W 20 W 40 W 2 0.25 W 0.25 W 10 W 20 W 3 2 W 5 W 10 W 4 2.5 W 5 W Tabela 3 Nveis de potncia para GSM fase 2 Classe de potncia Potncia mxima da Micro BTS (GSM) Potncia mxima da Micro BTS (DCS 1800) Potncia mxima da Micro BTS (DCS 1800) M1 0.25 W 1.6 W 1.6 W M2 0.08 W 0.5 W 0.5 W M3 0.03 W 0.16 W 0.16 W Tabela 4 Nveis de potncia para micro-clulas No sistema GSM utiliza-se uma combinao de FDMA com TDMA em cada portadora. Com o TDMA Time Division Multiple Access, cada portadora dividida em oito intervalos temporais. Cada MS (Mobile Station) recebe e envia na mesma 7 Comunicao sem fios GSM janela temporal, o que significa que cada portadora suporta oito conversas em simultneo. Ao comparar as especificaes dos dois sistemas, alm do nmero de canais disponveis, a grande diferena reside na potncia da MS e BTS. O sistema GSM permite uma grande diversidade no tipo de equipamento mvel, podendo a potncia deste oscilar entre os 20 W e os 0,8 W. O sistema DCS 1800 foi desenvolvido desde o incio com especificaes revem apenas a utilizao de equipamento de baixa potncia. Convm frisar que o DCS foi concebido para clulas sujeitas a um elevado trfego, que se situam normalmente em reas urbanas densamente povoadas. Torna-se bvio que as dimenses das clulas so menores. Consequentemente, o menor nvel de potncia empregue acompanhado por uma menor atenuao devido distncia entre MS e BTS. A sensibilidade de recepo por parte dos mveis outra das diferenas entre os sistemas, sendo mais baixa no DCS 1800, o que no uma desvantagem, pois esta diferena pode ser sempre compensada pela estao de base, aumentando a potncia de transmisso. Contudo, o DCS 1800 pode ser considerado como um upgrade do sistema GSM 900, visando cenrios de elevado trfego. Trata-se de um complemento do sistema dedicado aos meios urbanos densamente habitados e reas com taxas de urbanizao elevadas. O DCS 1800 pode ser considerado o meio pelo qual o 8 Comunicao sem fios GSM sistema celular conquistar os utilizadores nos meios de grande densidade de assinantes e no interior de edifcios. Organizao/estrutura Rede GSM encontra-se organizada hierarquicamente, apresentando as seguintes caractersticas: Formada por pelo menos por uma regio administrativa qual est atribudo um MSC (Mobile switching Center) Cada regio administrativa tem pelo menos uma LA (Location Area) LA tambm designada por visited area A cada grupo de clulas atribudo um controlador de estao base (BSC Base Station Controler) Logo cada LA tem pelo menos uma BSC, podendo clulas pertencentes ao mesmo BSC pertencer a diferentes LAs. 9 Comunicao sem fios GSM Figura 1 Estrutura da rede GSM (PLMN) Da figura 1, destacam-se os seguintes aspectos: 1. Clula formada pela cobertura de uma BTS 2. Vrias estaes base controladas por uma BSC 3. Trfego gerado pelos terminais mveis encaminhado pelo MSC 4. Chamadas de ou para outras redes distintas encaminhadas pelo GMSC (Gateway Mobile switching Center) 5. Controlo de manuteno e operacional realizado pelo OMC (Operation and Maintenance Center) 10 Comunicao sem fios GSM Existncia de vrias bases de dados relevantes para o funcionamento e gesto da rede: HLR Home Location register VLR Visited Location Register AUC Authentication Center EIR Equipment Identity register HLR Base de dados que contem a informao fixa respeitante a tipo de utilizadores (tipo assinatura, etc.) e informao temporria como localizao de utilizador. Essencial no estabelecimento de uma chamada, pois h que conhecer previamente a localizao do utilizador. Normalmente existe uma por cada PLMN e no exerce controlo directo sobre a MSC. VLR Responsvel por um grupo de LAs, contendo a informao respeitante aos utilizadores sobre a gesto dos LAs. Abrange informao sobre utilizadores transferida da HLR e identificaes temporrias. Usualmente gere uma area que pode abranger vrios MSCs. 11 Comunicao sem fios GSM AUC Base de dados que contem informao necessria autenticao, como chaves de utilizadores, encriptao. Est relacionado com a HLR, fornecendo a esta conjuntos de parmetros necessrios autenticao de uma MS a qualquer uma das LR. Tem conhecimento do algoritmo utilizado para efeitos de autenticao para cada utilizador. Todos os algoritmos de autenticao encontram-se guardados no centro de autenticao e no carto SIM da MS. EIR Base de dados que contem informao relativa ao equipamento. Contem base de dados com IMEI dos vrios equipamentos e permite uma segurana acrescida ao nvel de operao da rede, bem como evitar a utilizao fraudulenta de equipamento (equipamento desbloqueado, roubado, etc.) No GSM existe uma distino entre equipamento e utilizador, j que a identidade do utilizador est associada ao SIM, podendo estar associados vrios nmeros de telefones. No entanto existem uma grande variedade de identificadores no GSM, que permitem uma maior flexibilidade operacional, semelhana do RDIS. 12 Comunicao sem fios GSM Identificadores IMEI (International Mobile Station Equipment Identity) Identificador atribudo a cada terminal mvel a nvel internacional. Atribudo pelo fabricante e registado pelo operador na EIR. Permite obter informao sobre: Equipamento roubado Equipamento fora de servio Terminais sem servio (contencioso) Terminais e respectivas restries A EIR est assim subdividida em trs categorias na classificao do equipamento: Branca (tem todo o equipamento) Preta (equip. Roubado, avariado ou suspenso) Cinzenta (equip. Avariado ou com software obsoleto) Notar que no registo do equipamento na rede este identificador solicitado e tem uma estrutura hierrquica, contendo os seguintes elementos: TAC (Type Approval Code) 6 dgitos atribudos pelo operador FAC (Final Assembly Code) 6 dgitos atribudos pelo fabricante 13 Comunicao sem fios GSM SNR( Serial Number) 6 dgitos atribudos pelo fabricante SP (Spare) 1 digito Permitem identificar fabricante e data de fabrico. IMSI (Internacional Mobile Subscriber Identity) Identificador atribudo a um utilizador quando subscreve o servio a um operador. nico, encontra-se no SIM e na EIR. Essencial para a segurana e billing nas redes GSM Guardado no SIM para efeitos de Roaming Necessidade de concordncia de IMEI e IMSI vlidos para efectuar chamada. Constitudo por: MCC (Mobile country code) 3 dgitos MNC (Mobile Network Code) 2 dgitos identificador de rede do operador MSIN (Mobile Subscriber Identification Number) 10 dgitos identificador do utilizador MNC+MSIN atribudos pelo operador MCC atribudo internacionalmente MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) 14 Comunicao sem fios GSM Consiste no nmero de telefone e guardado no SIM. SIM pode conter vrios nmeros Permite distinguir identidade de subscritor de nmero de telefone Separao de IMSI e MSISDN permite garantir confidencialidade de utilizador Associao IMSI com MSISDN somente conhecida pelo operador. Vrios MSISDN por utilizador associados a diversos servios Endereo MSISDN com a estrutura dos nmeros ISDN: CC (country Code) NDC (National Destination Code) SN (Subscriber Number) A diferenciao entre IMSI e MSISDN permite distinguir entre identificao de assinante e nmeros atribudos. Possibilidade de existirem vrios MSISDN associados a um SIM. Um assinante pode ter vrios MSISDN, estando cada um ligado a um servio distinto. A associao IMSI e MSISDN s do conhecimento do operador. 15 Comunicao sem fios GSM MSRN (Mobile Station Roaming Number) Trata-se de um nmero atribudo temporariamente pela VLR e permite o encaminhamento de chamadas pela BS. Para realizao de uma chamada o MSRN passado pelo HLR para o GMSC. Tem a mesma estrutura do MSISDN. CC e NDC atribudos pela rede visitada e dependem da localizao. O SN atribudo pela VLR, sendo nico na rede. A atribuio do MSRN realizada de modo a que o MSC que est a ser utilizado possa ser identificado a partir do SN, o que se torna vantajosos em termos de operaes de encaminhamento. Mtodos de atribuio pelo VLR: Cada vez que o MS se regista numa LA. Neste caso o MSRN comunicado ao HLR pelo VLR, para efeitos de routing. No caso de chamadas para o MS, o NSRN solicitado pelo HLR da BS, o que permite a identificao do MSC e posterior encaminhamento das chamadas para este. Cada vez que o HLR o solicita para o estabelecimento de chamadas para o MS. Nesta situao o NSRN no guardado no HLR, j que solicitado no estabelecimento da chamada, sendo guardado o endereo do VLR corrente. 16 Comunicao sem fios GSM Em caso de encaminhamento o HLR consulta o VLR usando um MSISDN ou IMSI de forma a obter um MSRN vlido. LAI (Location Area Identity) Trata-se do identificador de cada LA no PLNM. Est estruturado hierarquicamente, com um campo internacional e um dependente do operador: CC (Country Code) 3 dgitos MNC (Mobile Network Code) 2 dgitos LAC (Location Area Code) 5 dgitos O LAI difundido periodicamente pela BS no canal BCCH (Broadcast Control Channel) e permite identificar a BS dentro da rede. O MS ao escutar o BCCH conhece a sua localizao a partir do LAI. Alteraes no LAI detectadas pelo MS so comunicadas ao LA actual, para se proceder actualizao da informao da sua localizao na HLR e VLR. Este processo essencial na medida em que o MS escolhe a BS cujo o sinal mais forte, e se regista na VLR da LA correspondente. Permite ainda a localizao do MS na rede. (base para servios de seguimento e localizao de pessoas). TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) 17 Comunicao sem fios GSM Atribudo pela VLR e s tem significado na rea gerida pela VLR. Usado para substituir o IMSI ,na identificao da MS. Garante confidencialidade da identidade do subscritor e maior segurana relativamente a fraudes, uma vez que no difundido via rdio o seu IMSI. Alterado periodicamente e guardado no SIM da MS e na VLR. Dependente do operador e constitudo por 32 bits, sendo excludo FFFF FFFF em Hexadecimal. LMSI Utilizado pela VLR como chave de acelerao em operaes de busca na base de dados. Atribudo quando a MS se regista na VLR e conhecido pela HLR. Nas mensagens enviadas para a MS, este campo adicionado, de forma a servir com chave de pesquisa na VLR. Utilizado sempre que um MSRN atribudo em cada chamada, de forma a garantir tempos de estabelecimento de chamada curtos. Formado por 32 bits. CI (Cell Identifier) 18 Comunicao sem fios GSM Uma vez que um LA pode abranger vrias clulas, o CI serve para identificar as clulas existentes. Formado por 8 bits. CI+LAI formam o GCI (Global Cell Identity) BSIC Usado para distinguir estaes base vizinhas. Dois campos: NCC (Network Color Code) 3 bits associados ao PLMN BCC (Base Transceiver Station Color Code) 3 bits associados BTS Difundido no canal de sincronizao. Clulas adjacentes e PLMN tm cdigos de cores distintas. 19 Comunicao sem fios GSM Arquitectura se sistema O sistema GSM trs subsistemas: A. BSS (Base Station Subsystem) - Rede rdio B. SMSS (Switching and management Subsystem) - Rede de comutao mvel C. OMSS (Operating and Management Subsystem) - Rede de operao e manuteno Sub-sistema A. Formado por BTS (Base Transceiver Station) +BSC (Base Station Controler). BTS Consiste no receptor e emissor de RF, isto consiste na interface ar do GSM, sem operaes de controlo ou entre entidades associadas aos protocolos da norma. Realiza a codificao de sinal a o mapeamento em canais. Disponibiliza canais de trfego(full rate e half rate) e sinalizao. ao nvel da BTS que se realiza a atribuio dos canais do planeamento de frequncia. Pode-se dizer que a BTS assegura a transmisso e emisso na interface ar do sistema, utilizando para esse efeito TRXs. Nas operaes de controlo enquadram-se as funes relacionadas com a gesto de recursos rdio bem como 20 Comunicao sem fios GSM funes de manuteno e operao do sistema a nvel da interface rdio. As funes realizadas podem ser divididas em duas categorias: Recursos dedicados tratam-se de funes respeitantes a todos os Mss presentes na rea de cobertura da BTS, como: Paging Pedido de canal pela MS Difuso de informao Recursos comuns tratam-se de funes associadas a atribuio de recursos dedicados a um MS. So responsveis pelo trfego individual entre um MS e a BTS. Nesta categoria destacam-se as funes: Activao de canal Desactivao de canal Inicio de encriptao Deteco de handover A BTS realiza ainda funes relacionadas com a codificao de voz e adaptao de ritmos, deteco de actividade de voz (VAD), multiplexagem de canais lgicos em canais fsicos, codificao de canal, interleaving e encriptao. 21 Comunicao sem fios GSM A gesto dos recursos rdio assegurada mediante a execuo das funes: Medio da qualidade de ligao e potncia de sinal em todos os canais dedicados activos no uplink. No downlink as medies so realizadas na MS e posteriormente enviadas para a BSC. Medio de tempos de propagao para actualizao do alinhamento temporal. Esta informao, juntamente com os dados relativos ao uplink, enviada de seguida para a BSC. A BTS procede igualmente ao envio de sinais para a MS ajustar o timing de transmisso de forma a compensar os atrasos de propagao. Controlo de potncia da BTS e MS de modo a minimizar a potncia de transmisso para reduo da interferncia co-canal. Transmisso, recepo igualizao e diversidade. Deteco de falhas de ligao que so posteriormente comunicadas BSC. BSC A existncia da BSC permite simplificar estruturalmente as BTSs eliminando por exemplo a necessidade de estas possurem unidades de memria como discos rgidos para armazenamento de informao e permite aliviar a carga 22 Comunicao sem fios GSM associada ao MSC. Est ligada gesto da interface rdio da rede e situa-se normalmente entre a BTS e o MSC. O papel da BSC est relacionado com a gesto dos recursos rdio da interface ar e com o funcionamento correcto da rede. Estas tarefas so asseguradas atravs das funes: Gesto dos dados de configurao e descritivos das clulas. Note-se que a descrio das clulas contem informao abrangendo os identificadores das clulas, os cdigos de identificao das BTS e os nmeros de canais de difuso (BCCH). Medio de trfego, tais como nmero de handovers, nmero de chamadas cadas, nmero de tentativas de estabelecimento de chamada, nveis de trfego. Esta informao enviada para o OSS. Gesto de dados de localizao A BSC tem tambm a seu cargo a responsabilidade de transferir o software nas estaes base, em processos de activao ou em casos de falha, uma vez que estas no dispem de discos rgidos. A BSC assegura ainda os mecanismos de estabelecimento, manuteno e terminao de ligaes com as MS. Na fase de estabelecimento de uma ligao, realiza as seguintes tarefas: 23 Comunicao sem fios GSM Envio de mensagens de paging para as BTS pertencentes rea gerida pelo MSC. Estas mensagens so posteriormente enviadas para as MS presentes na rea de cobertura de cada BTS. Atribui os canais de sinalizao utilizados na fase de estabelecimento de ligao. No caso da chamada se iniciar na Ms, verifica o estado de trfego. Atribuio de canais de trfego definidos pelo MSC, aps a atribuio dos canais de sinalizao. Na manuteno, esto envolvidas medies da intensidade do sinal e qualidade da ligao (voz e dados) realizadas pelas Ms presentes e que so enviadas para a BSC. A BSC, atendendo informao recebida executa operaes como: Realiza o controlo de Potncia, mediante o clculo da potncia de emisso da BTS e das MS, enviando esta informao de 480 ms em 480 ms. Define as sequncias de salto que so enviadas para a BTS e MS de forma a permitir a realizao de Frequency Hopping Monitorizao de localizao com avaliao do estado da ligao entre BTs e MS. Compara esta informao com a informao referente s BTS de outras clulas, de forma a verificar a necessidade de handover. 24 Comunicao sem fios GSM Handover Envio de mensagens curtas Tratam-se de operaes do nvel fsico. BSCMSBTSMSBTSMSBTSBSCMSC Figura GSM 2 Parte rdio da rede Sub-sistema B. Consiste no subsistema formado pelos comutadores e bases de dados necessrias ao encaminhamento e gesto de servio. Composto por: MSC (Mobile Switching Center) 25 Comunicao sem fios GSM GMSC (Gateway Mobile Switching Center) ISC (International Switching Center) MSC Trata-se do n de comutao da PLMN, podendo existir vrios numa PLNM. O BSS (Base Station Sub-system) encontra-se subordinado ao MSC, sendo este responsvel por uma rea de servio. responsvel pela gesto de chamadas, pelos handovers entre dois BSC pertencentes ao mesmo MSC ou handovers entre BSCs situados em MSCs distintos. Como responsvel pela gesto de chamadas, executa as seguintes funes: Todas as funes de uma central de comutao da rede fixa. As operaes de gesto e atribuio de canais Taxao e gesto de contas Handover entre clulas, registo de utilizadores e localizao. Interface com redes publicas de voz (PSTN) e dados (ISDN). Embora no estejam definidos os modos de implementao das funcionalidades do MSC, em termos arquitecturais, encontram-se definidos cinco mdulos funcionais: 26 Comunicao sem fios GSM Mdulo de registo de visitantes Suporta a VLR, sendo responsvel pelos dados referentes aos MS que se situam na rea coberta pelo MSC. Os dados provenientes da HLR abrangem a informao abrangendo: IMSI MSISDN Lista de servios suportados pelo assinante Tipo de assinante Triplets usados no processo de autenticao Dados de localizao MAP (Mobile Application Part) parte funcional da aplicao mvel abrangendo procedimentos de sinalizao com a HLR, tais como: actualizao de localizao; cancelamento de localizao; envio de parmetros solicitados pelo HLR, para gerao de novos triplets; envio de nmero de Roaming ao HLR para envio posterior ao GMSC . Mdulo de anlise responsvel pela anlise dos IMSI. Mdulo de administrao responsvel pela configurao e definies dos BSCs, das clulas, dos IMSI e dos nmeros de roaming. Disponibiliza ainda toda a 27 Comunicao sem fios GSM informao relacionada com as configuraes e definies adoptadas. Mdulo de acesso associado ao estabelecimento, manuteno e terminaes de ligaes entre MSs e a rede. Para este efeito so realizadas as funes: Gesto de ligao na qual se faz a coordenao de estabelecimentos e libertao de chamadas bem como o supervisionamento das mesmas; Assegura o processo de actualizao de localizao e os respectivos procedimentos de autenticao; Contem tabelas relacionando BSCs e LAI. Coordena ainda o paging, o handover e inicia processo de encriptao; Permite encaminhar trfego para o BSC. GMSC Permite a interligao de chamadas provenientes de redes distintas. Qualquer chamada da rede fixa encaminhada pela GMSC, para a MSC que cobre a rea de servio onde est a MS. Para esta operao solicitada informao sobre a localizao do MS destino HLR. Chamadas para outras redes mveis ou pases so encaminhadas pela ISC. 28 Comunicao sem fios GSM EIR AuCHLRVLRMSCVLRGMSCOSSBSSISCPTSNISDNPDNPLMNInternet Figura Gsm 3 sub-rede de comutao Manuteno e gesto de rede O subsistema OMSS (Operation and Maintenance Sub-System) controla as operaes de gesto e manuteno da rede. Estas so monitorizadas por um centro de controlo OMC (Operation and Maintenance Center), que executa as seguintes operaes: Gesto comercial e administrao Optimizao e configurao de rede Gesto de segurana Operaes de manuteno 29 Comunicao sem fios GSM A gesto da rede pode ser realizada num ou vrios NMC (Network Maintenance Center). EIR AuCHLROMCArquitectura da PLNM Os elementos, que constituem o subsistema de manuteno e sinalizao, esto interligados entre si por linhas dedicadas a 2 Mbps. Estas podem ser feixes hertzianos ou linhas alugadas. No subsistema BSS utilizam-se linhas a 64 kbps. Notar que a sinalizao transportada a dois ritmos distintos 2 Mbps e 64 kbps, consoante o subsistema considerado. A sinalizao usada no PLNM consiste na sinalizao SS7 (Signaling System Number 7). A parte mvel da rede constituda por MSC, HLR e 30 Comunicao sem fios GSM VLR utiliza uma extenso deste sistema de sinalizao, chamado MAP (Mobile Application Part). A sinalizao entre MSC e BSS chama-se BSSAP (Base station System Application Part). Somente na parte da interface rdio que a sinalizao especfica e difere da SS7. Interfaces de sistema So utilizadas para formas de sinalizao e transferncia de dados entre entidades que formam o sistema GSM. 31 Comunicao sem fios GSM Figura 3 Interfaces do sistema Na figura anterior, constam as seguintes interfaces: UM Interface da parte rdio A interface entre MSC e BSC, usada para transferncia de dados para gesto da BSS, controlo de ligaes e gesto de MS. Abis Interface entre BTS e BSC. B Utilizada para transferncia de dados entre MSC e VLR. O MSC transfere dados referentes sobre localizao de MS presentes na sua rea ou dados associados a servios solicitados pelos MSs. Posteriormente o HLR 32 Comunicao sem fios GSM actualizado com esta informao, usando-se para esse efeito a interface D. O VLR tambm transfere dados para o MSC via esta interface, quando o MSC solicita informao respeitante a uma MS que se encontre presente na rea administrada. C - Utilizada pelo MSC para envio de informao de billing ao HLR, ou para pedir informao de encaminhamento ao HLR durante o estabelecimento de uma chamada. No caso de uma chamada proveniente da rede fixa, esta encaminhada para a GMSC que pode por sua vez questionar a HLR acerca de informao necessria ao encaminhamento D Utilizada para transferncia de informao relacionada com localizao de MSs e sua gesto. via esta interface que a VLR informa a HLR acerca da localizao corrente e do seu MSRN. Via esta interface o HLR transfere toda a informao E Necessria quando se realiza handover entre MSCs F Como a identidade do subscritor ou do equipamento pode ser verificada durante uma operao de actualizao, para efectuar pedidos e confirmar identidades de 33 Comunicao sem fios GSM equipamentos o MSC utiliza esta interface para aceder ao EIR G- utilizada quando durante a actualizao de informao de localizao o novo VLR necessita de dados do VLR anterior. Operaes fundamentais do sistema Registo Quando uma MS se liga vasculha todos os canais dentro da banda do GSM, de forma a detectar a existncia de cobertura de rede. No caso deteco de rede, l a informao do sistema a partir do forward channel, na qual constam identificador de clula (LAI), o MSRN e que lhe permitem conhecer o posicionamento dentro da rede. No caso da localizao actual no coincidir com a guardada na ltima vez que esteve ligada, corre o procedimento de registo exemplificado a seguir: 1. MS solicita canal rede 2. Canal atribudo via interface UM. BSC activa canal na BTS e BTS e solicita confirmao de atribuio de canal. 3. MS informa BTS que pretende executar actualizao de localizao. BTS passa pedido a BSC e esta informa 34 Comunicao sem fios GSM (G)MSC. Notar que realizada em primeiro lugar a autenticao da MS. 4. Se for vlida a autenticao o (G)MSC atribui um TMSI MS, o canal atribudo pela BSC via BTS. A seguir apresenta-se de uma forma esquemtica, os passos BSCRRMBSCRRMCore NetworkPaging(-RRM)(PCCH)PagingBSCRRMBSCRRMCore NetworkPaging(-RRM)(PCCH)Pagingnecessrios execuo desta operao, com identificao das vrias entidades envolvidas em cada uma das operaes. 35 Comunicao sem fios GSM Pedido de canalPedido de autenticaofeito pela redeResposta deautenticao da MSMS BTS BSC (G)MSC VLR HLRPedido de actualizaode localizaoAtribuo de canalActivao de canalConfirmao de activaode canalComparao deparmetros deautenticaoAtribuo de nova rea eTMSIConfirmaodeaatribuo de novarea e TMSIActualizao daatribuo de nova rea eTMSI na HLR e VLRLibertao de canalProcedimentos para registo na rede GSM36 Comunicao sem fios GSM Estabelecimento de chamadas das s possvel aps a OC (Mobile Originated Call) ara realizao do procedimento MOC, so necessrios os ao MSC atribuio de um canal com uma 2. a VLR que MS com TMSI na rea 3. dos dados ar dados. Somente BTS e 6. p com nmero que se 7. o canal para transferncia de dados ao MS 8. e sucesso, a MS informa BTS O estabelecimento de chamaautenticao e actualizao de localizao. Dois procedimentos distintos: MMTC (Mobile Terminated Call) Pseguintes passos: 1. MS solicita mensagem de setup, onde constam os identificadores TMSI e LAI. MSC informidentificada por LAI solicitou uma chamada. Autenticao da MS 4. Inicio de criptografia 5. BTS informa MS para criptografMS conhecem a criptografia usada. Envio pela MS de mensagem de setupretende ligar. A BSC atribui via BTS. Em caso d37 Comunicao sem fios GSM o caso do MTC, so necessrios os seguintes passos: 1. Chamada encaminhada para entidade capaz de interrogar 2. via para a GMSC o MSRN o para a MSC 4. C envia a localizao exacta na sua rea na 5. sponde o que permite determinar o seu TMSI (clula 6. ra autenticao do MS a a MS Na HLR sobre localizao da MS. Normalmente pode ser encaminhada para a GMSC da PLNM qual a MS pertence. A HLR en3. A GMSC reenvia a informacorrespondente. Dependendo do mtodo de obteno do MSRN, a HLR pode fornecer o MSRN ou solicitar ao VLR. O MSmensagem Send information for setup. Uma vez que o LA pode abranger vrias clulas, difundido pelo VLR via MSC/BSS, no canal de paging uma mensagem para a MS. MS reem que se encontra de momento) VLR fornece os dados ao MSC pa7. Inicializao da criptografia de dados. 8. Estabelecimento da ligao BSS/MS 9. Envio de setup com pedido de chamad38 Comunicao sem fios GSM Pedido de canalAtribuio de canalPedido de estabelecimento de chamadaPedido de autenticao feito pela redeResposta de autenticao da MSPedido para transmisso encriptadaResposta de confirmao de transmisso encriptadaMS BTSAtribuo de canal de trfegoSetup da chamada com nmero a chamarEncaminhamento de chamadaConfirmao de atribuo de canal de trfegoAlerta (aviso de chamada na MS)Mensagem de connectConfirmao de aceitao de connectTroca de dados da conversao (voz)Passos para realizao de MOC 39 Comunicao sem fios GSM Para finalizar a chamada, os passos executados consistem na troca de um conjunto de mensagens atravs da interface UM: MS --> Disconnect --> BSS/MSC MS Release BSS/MSC Rel --> rede SS7 MS --> Release complete --> BSS/MSC BSS/MSC --> Register chargin information --> HLR MS Channel Release BSS/MSC BSS/MSC Charging information Ack HLR A informao de billing fica armazenada na HLR 40 Comunicao sem fios GSM Pedido de canalAtribuio de canalResposta a paging da rede no canalatribudoPedido de autenticao feito pela redeResposta de autenticao da MSPedido para transmisso encriptadaResposta de confirmao de transmisso encriptadaMS BTSAtribuo de canal de trfegoPaging da MSSetup da chamadaConfirmaoConfirmao de atribuo de canal de trfegoAlerta (aviso de chamada na MS)Mensagem de connectConfirmao de aceitao de connectTroca de dados da conversao (voz)Passos para realizao de MTS 41 Comunicao sem fios GSM Autenticao Baseada no algoritmo A3, que utiliza dois parmetros: Ki Chave de autenticao presente no carto SIM Rand valor gerado aleatoriamente passado pela BTS MS O valor gerado SRES, na MS enviado para o centro de autenticao que compara com o valor gerado localmente. Para esse efeito o centro de autenticao utiliza os valores de Rand e SRES presentes na HLR e VLR. Estes so recebidos da VLR, aps o MSC enviar o comando Start Criphering. Aps uma autenticao com sucesso, atribudo um MSRN que conjuntamente com o LAI armazenado na HLR e atribudo um TMSI. Encriptao Como o GSM um sistema digital, a transferncia de dados realiza-se atravs de fluxos de bits, o que permite baralhar os bits enviados segundo um algoritmo pr-definido. Garante-se assim uma maior segurana das comunicaes entre MS de BTS, j que escutas dos canais resultantes de intruses na rede no tornam-se infrutferas. O algoritmo usado conhecido pela MS e BTS. Existem dois algoritmos A5/1 e A5/2, sendo o ltimo usado para exportao para pases fora do bloco ocidental (no pertencentes a CEE e Amrica do Norte). 42 Comunicao sem fios GSM Necessitam de uma chave Kc, gerada aleatoriamente com base no algoritmo A8 presente no carto SIM, e um parmetro pr-definido Ki . A chave comum aos processos de baralhamento e desbaralhamento executados na MS e BTS. Processo de encriptao Encaminhamento No estabelecimento de uma chamada, o nmero indicado no MSISDN, no contem informao referente localizao da MS que se pretende chamar. Para efeitos de estabelecimento de uma comunicao necessrio conhecer a MSC que est a servir a MS que se pretende contactar e a localizao da MS. Logo o MSRN tem de ser conhecido e que atribudo pelo VLR corrente. Quando chega uma chamada ao GMSC, o HLR a nica entidade que contem essa informao, da a necessidade de o interrogar na inicializao de cada MS. A sequencia usual de operaes consiste em: 43 Comunicao sem fios GSM 1. Um comutador RDIS reconhece a partir do identificador MSISDN, o tipo de utilizador em presena (Mvel ou fixo), pelo que pode encaminhar, usando os campos CC e NDC, a chamada para o GMSC associado ao PLNM onde o subscritor se encontra. 2. O GMSC solicita o endereo de encaminhamento actual (MSRN) ao HLR, usando o MAP (Mobile Application Part). 3. O MSRN enviado para a MSC local, que por sua vez define o TMSI do subscritor e inicializa o procedimento de paging na rea em que responsvel. 4. A MS responde chamada paging. 5. iniciado o procedimento de estabelecimento de chamada. Quanto ao MSRN existem duas variantes na sua obteno: Na actualizao local Nesta variante o MSRN atribudo em cada actualizao da sua localizao, pelo que o HLR tem a informao actualizada para fornecimento ao MSC. Com base em chamada Nesta situao somente quando solicitada informao de encaminhamento ao HLR, que este pede o MSRN ao VLR. 44 Comunicao sem fios GSM Consoante o tipo de chamada existem trs variantes de encaminhamento. Assim consideram-se dois tipos de ligao: Chamada local no mesmo pas A partir do campo NDC do MSISDN o comutador local reconhece que se trata de uma MS. Quando o comutador local pode interrogar o HLR responsvel pelo MSISDN, a ligao pode ser estabelecida via rede fixa at ao MSC correspondente. No caso do comutador no ser capaz de interrogar a HLR, a ligao redireccionada para a GMSC, sendo da responsabilidade da GMSC a ligao ao MSC correcto (Notar que a GMSC neste caso obtm a informao da HLR). Chamada internacional Neste caso a rede fixa reconhece somente o campo CC, pelo que encaminha para o ISC (International Switching Center). O ISC reconhece o NDC e efectua o encaminhamento de acordo com a informao lida. Novamente o ISC pode aceder ao HLR ou no. Em caso afirmativo pode encaminhar via rede fixa a chamada para o MSC adequado. Caso contrrio repete-se o processo descrito nas chamadas locais. Neste caso esto presentes trs redes distintas: Rede do pas de origem da chamada PLNM do subscritor ou Home-PLNM PLNM de roaming ou Visited-PLNM 45 Comunicao sem fios GSM Handover/handoff Consiste na operao de transferncia de uma sesso para outra estao base. A qualidade da ligao entre a estao mvel e a estao base pode-se deteriorar quando o mvel move-se para longe da BTS, aproximando-se dos limites da clula. A uma certa distncia da estao base a alterao da ligao rdio para outra estao base pode incrementar bastante a qualidade da ligao. A deciso de iniciar o handover, e a escolha da clula destino, so baseadas num nmero de parmetros, e vrias razes podem resultar nesta deciso. De uma forma geral, os parmetros envolvidos no processo de medio, sero os assinalados na prxima figura. MEASUREMENT PREPROCESSINGaccording to A_LEV_HO A_QUAL_HO A_PBGT_HO A_RANGE_HOPerformed every SACCH multiframeMeasurement resultHO_DETECTIONcause 2 : uplink qualitycause 3 : uplink levelcause 4 : downlink qualitycause 5 : downlink levelcause 6 : distancecause 12 : power budgetcause 15 : uplink interferencecause 16 : downlink interferencePerformed every SACCH multiframePreprocessed measurementHO RequestQoSIndicatorsMEASUREMENT PROCESSINGOs nveis de prioridade, associados a cada um dos parmetros envolvidos, esto organizados da forma: 46 Comunicao sem fios GSM UPLINK QUALITY (cause 2)DecreasingPriorityEMERGENCY HANDOVERDOWNLINK QUALITY (cause 4)UPLINK LEVEL (cause 3)DOWNLINK LEVEL (cause 5)DISTANCE (cause 6)UPLINK INTERFERENCE (cause 15)DOWNLINK INTERFERENCE (cause 16)POWER BUDGET (cause 12)BETTER CELL HANDOVERUPLINK QUALITY (cause 2)DecreasingPriorityEMERGENCY HANDOVERDOWNLINK QUALITY (cause 4)UPLINK LEVEL (cause 3)DOWNLINK LEVEL (cause 5)DISTANCE (cause 6)UPLINK INTERFERENCE (cause 15)DOWNLINK INTERFERENCE (cause 16)POWER BUDGET (cause 12)BETTER CELL HANDOVERMotivos para realizao de Handover Normalmente o objectivo do handover evitar a perda duma chamada estao mvel em progresso quando a estao mvel deixa a rea de cobertura rdio da clula estao mvel em causa. A este tipo de handover costume chamar de Handover de Resgate, onde existe uma enorme probabilidade de a chamada cair se no se mudar de clula. Uma forma extrema de 47 Comunicao sem fios GSM handover de resgate o restabelecimento de chamadas, o qual uma tentativa de salvar a ligao depois perda efectiva de comunicao com a clula que servia a estao mvel. Noutros casos, pode ter interesse mudar a clula de servio da estao mvel mesmo que a qualidade da transmisso seja aceitvel. Isto pode acontecer quando o nvel de interferncia global melhorar significativamente se a estao mvel mudar para outra clula. Como existe normalmente uma clula em melhores condies do ponto de vista da interferncia. Esta considerao especialmente verdadeira quando est a ser utilizado controlo de potncia, pois a clula correspondente perda de percurso mnima, minimiza tambm a potncia de transmisso da estao mvel, o que vai reduzir o nvel de interferncia. O handover com o objectivo de optimizar o nvel de interferncia chamado de Handover de Limitao. O terceiro tipo de handover chamado como Handover de Trfego, estando associado a situaes em que uma clula esteja congestionada e as clulas vizinhas no. Tal uma situao acontece tipicamente quando existe uma solicitao de trfego anormalmente elevada em determinada rea geogrfica. Devido existncia de sobreposio de cobertura das clulas vizinhas, a transferncia de algumas chamadas de uma clula para outra menos congestionada pode melhorar temporariamente a situao do trfego. Este tipo de handover entra em conflito com o tipo 48 Comunicao sem fios GSM de handover anterior. Os handovers de trfego vo necessariamente interferir com o planeamento de clulas e aumentar o nvel de interferncia na rea circundante. Critrios no Handover Dependendo do objectivo do handover, o critrio a ter em conta difere, mas tem que ter sempre informao sobre o que aconteceria com e sem handover, de acordo com a clula destino. O principal critrio para o handover de resgate a qualidade de transmisso na ligao que est a decorrer, tanto em downlink como em uplink. A melhor informao deve ser a avaliao da qualidade da transmisso. Com uma transmisso digital, o ritmo de erros da transmisso tambm um bom indicador da qualidade, assim como as perdas no percurso de propagao. Outra parte da informao o atraso na propagao. A transmisso na interface UM do GSM no suporta um grande atraso na propagao, e a ligao pode ser cortada se este atraso se torna demasiado grande. A MS e BS medem regularmente a qualidade do nvel de transmisso e recepo. A MS transmite estas medidas para a BTS, a um ritmo de duas vezes por segundo. O critrio a aplicar no handover de limitao a qualidade de transmisso no downlink e no uplink correspondente a cada clula vizinha, da clula onde a estao mvel est ligada. J 49 Comunicao sem fios GSM que esta informao bastante difcil de obter, o processo de handover tem que funcionar s com a perda de percurso entre a estao mvel e um nmero de clulas vizinhas. Na realidade, s os valores de downlink so medidos, pela estao mvel, e assume-se que a perda de percurso equivalente em ambas as direces. Mecanismos de medio envolvidos:- MS ligada a BS via TCH ou SDCCH- A MS recebe da BS servidora a lista das clulasvisinhas em que tem de monitorizar a potncia.- Em cada trama SACCH a MS reporta as mediesefectuadas estao base. Devem constar oselementos:Nveis de potncia das 6 melhores clulas visinhasQoS do Downlink e QoS da clula onde estposicionada O processo de deciso para os handovers de trfego necessita de informao do trfego de cada BTS, e esta informao conhecida pelos MSCs e BSCs. Os handovers de trfego diferem um pouco dos handovers de resgate e de limitao, porque as razes de trfego ditam o nmero de estaes mveis que tm que ser transferidas, duma determinada clula, mas no identificam quais. A seleco comea por saber quais as MSs que esto perto de serem transferidas por outras razes. Ou seja, o handover de trfego recorre aos critrios anteriores e s respectivas medidas. Duma forma sumria, a lista dos 50 Comunicao sem fios GSM parmetros a ter em conta no processo de deciso do handover dada em seguida: alguns dados constantes, como a mxima potncia de transmisso: da estao mvel; da BTS que serve a clula; das BTSs das clulas vizinhas; medidas em tempo real realizadas pela estao mvel: a qualidade da transmisso em downlink (taxa de erros); o nvel de recepo em downlink do canal corrente; os nveis de recepo em downlink das clulas vizinhas; medidas em tempo real realizadas pela BTS: a qualidade da transmisso em uplink (taxa de erros); o nvel de recepo em uplink do canal corrente; o avano temporal; consideraes de trfego, capacidades das clulas , ... Procedimentos envolvidos no handover Como foi referido atrs, o handover pode ser executado por diferentes razes, mas em todos os casos, a deciso de tentar o handover de uma determinada estao mvel tomada pelo BSC. Uma vez tomada a deciso, e uma vez que foi escolhida uma nova clula (ou uma lista de candidatas), a transferncia 51 Comunicao sem fios GSM tem que ser coordenada entre a estao mvel e as mquinas que gerem a antiga clula (BTS-old) e a nova clula (BTS-new). O procedimento de handover pode ser de diversas espcies, de acordo com os dois principais critrios. O primeiro critrio est relacionado com o mecanismo do avano temporal, e interfere apenas com a parte de entrada do procedimento da interface rdio entre a estao mvel e a BTS-new. Podem-se distinguir dois casos: a estao mvel capaz de calcular o novo avano temporal (a ser utilizado com a BTS-new), porque as clulas, antiga e nova, esto sincronizadas, tendo neste caso o handover sncrono; o avano temporal tem que ser inicializado tanto na estao mvel como na BTS-new durante o procedimento de handover, sendo este caso chamado de handover assncrono. O segundo critrio diz respeito localizao do ponto de comutao da infra-estrutura. Esta localizao interfere fortemente com os procedimentos utilizados entre as entidades da infra-estrutura. Quer seja sncrono ou assncrono, seja inter ou intra-MSC, e seja inter ou intra-BSC, a execuo do handover composta principalmente por duas fases: 52 Comunicao sem fios GSM numa primeira fase, a BSC-old realiza uma srie de eventos com o objectivo de estabelecer o futuro percurso rdio. Uma vez que isto esteja feito, esta fase termina com o envio dum comando de handover para a estao mvel; numa segunda fase, a estao mvel acede ao novo canal. Este acesso provoca a comutao dos percursos na infra-estrutura, e a libertao do antigo percurso. Uma vez que a deciso de efectuar um handover foi tomada pela BSC-old, isto tem que ser indicado ao ponto de comutao. Este ltimo tem que ento estabelecer os recursos terrestres, se necessrio, at BSC-new, sinalizar com esta para atribuir um recurso rdio e fornecer a todas mquinas interferentes no processo toda a informao necessria para o handover e a futura gesto da ligao. Esta informao inclui: o modo de transmisso, utilizado para escolher e configurar o percurso rdio duma forma apropriada, incluindo o novo canal rdio; O modo de encriptao; a identidade da clula origem, utilizada para determinar se o handover pode ser efectuado duma forma sncrona ou assncrona; 53 Comunicao sem fios GSM a classe da estao mvel, utilizada para a futura gesto da ligao. A estao mvel no sabe nada do que se passa nos processos da infra-estrutura e decises at receber a mensagem de handover. Esta mensagem contm toda a informao que caracteriza a transmisso no novo canal (excepto o modo de encriptao que se assume igual), e os dados necessrios para o acesso. Em particular, esta mensagem indica estao mvel se o procedimento de handover a seguir deve ser sncrono ou assncrono. Em ambos os casos, graas pr-sincronizao, a estao mvel capaz de se sincronizar rapidamente no novo canal e comear a recepo imediatamente. No caso de um handover sncrono, a estao mvel envia primeiro alguns bursts de acesso, e ento comea a transmisso normal, utilizando o avano temporal calculado. Se o handover assncrono, a estao mvel continua a enviar bursts de acesso at receber uma resposta da nova BTS, na qual especificado o avano temporal a utilizar. S ento que comea a transmisso normal. Este o nico caso onde os bursts de acesso so utilizados num canal dedicado. A razo para a utilizao deste tipo de burst o desconhecimento, por parte do mvel, do avano temporal adequado ao novo canal. 54 Comunicao sem fios GSM Procedimentos para realizao do handover Particularizando o processo para as diferentes situaes, o primeiro caso consiste no handover mais simples, ou seja, ambas as clulas so controladas pelo mesmo BSC. Intra-BSC HandoverTraffic(TCH)BCCH 2BCCH 3BCCH 4BCCH 4BSCMeasurementReportBCCHBCCHQuando se desenrola um handover deste tipo, o MSC no envolvido na troca de sinalizao. Contudo O MSC ser informado assim que termine o handover, de forma a actualizar o registo do assinante no VLR. Se as clulas envolvidas no processo no pertencerem mesma rea de localizao, ento ser necessrio efectuar um procedimento de actualizao de localizao aps o handover. 55 Comunicao sem fios GSM A sequncia de procedimentos ser ento: 1. Baseado nos critrios referidos anteriormente, o BSC decide efectuar um handover entre as duas clulas. O BSC informa a BTS que esta deve activar um TCH, com as mesmas caractersticas do canal anterior. 2. O BSC envia ento a mensagem de handover para o mvel. Esta mensagem contm informao acerca da frequncia e escalonamento temporal do novo canal, assim como a potncia a utilizar inicialmente. Esta informao enviada no canal de sinalizao associado rpido (FACCH), activado para o efeito. 3. Uma vez sintonizada a nova frequncia e realizada a sincronizao, a MS procede ao envio de burts de acesso via canal FACCH, para realizar o handover. 4. A nova BTS ao receber os burts enviados pela MS responde enviando, no canal FACCH, a informao de Timing Advance. 5. A MS responde enviando a confirmao de realizao de handover ao BSC, atravs da nova BTS. 6. O BSC liberta o canal TCH na BS antiga. O segundo caso corresponde a um handover entre clulas controladas por BSCs distintos, conforme se encontra exemplificado no esquema apresentado na prxima figura. 56 Comunicao sem fios GSM Inter-BSC HandoverDLULDLULBSC BSCA-BisABTSBTSUEA-BisNeste tipo de handover, uma vez que h alterao do posicionamento da MS na rede e alterao do percurso terrestre associado ao canal de trfego alterado, h interveno do MSC e da base de dados VLR. Os passos necessrios execuo do handover so agora : 1. O BSC actual envia uma mensagem de pedido de handover contendo a identificao da nova clula ao MSC. 2. O MSC, com base no identificador da nova clula, envia ao novo BSC um pedido de handover. 57 Comunicao sem fios GSM 3. O novo BSC verifica as condies de trfego a que est sujeito, ou seja, a existncia de canais livres. Em caso afirmativo comunica nova BTS que active um canal para a MS. 4. O BSC envia atravs do MSC e do antigo BSC e BTS uma mensagem de handover MS. A mensagem contm informao respeitante s caractersticas do canal agora atribudo. 5. A MS sintoniza com a nova portadora e aps a sincronizao comea a transmitir bursts de acesso via canal FACCH para execuo do handover. 6. Aps a recepo dos bursts de acesso a nova BTS responde, enviando atravs do canal FACCH informao de timing advance. 7. A MS envia confirmao de realizao de handover atravs da nova BTS e BSC. 8. O MSC informa o BSC anterior, do sucesso do handover e comunica a este para libertar os canais de trfego atribudos MS. 9. O BSC anterior notifica a BTS anterior para libertar o canal de trfego. O ltimo tipo de handover, consiste num handover entre clulas pertencentes a reas de servio associadas a MSCs distintos e 58 Comunicao sem fios GSM consequentemente BSCs distintos. realizado ao nvel de operador, com interveno das bases de dados VLR e HLR. Neste caso, os passo a realizar para execuo do handover so: 1. O BSC de servio envia um pedido de handover para o MSC, contendo a identificao da clula destino. 2. O MSC verifica se a clula pertence a outro MSC. Em caso afirmativo, entra em comunicao com o novo MSC. 3. O novo MSC atribui um nmero ao handover para efeitos de reencaminhamento da chamada, sendo enviado um pedido de handover ao novo BSC. 4. O novo BSC manda activar um canal de trfego na BTS da clula destino. 5. O novo MSC recebe informao respeitante ao novo canal e reenvia-a juntamente com o nmero de handover, para o MSC original. 6. estabelecida uma ligao de transporte de trfego entre os dois MSCs, podendo haver interveno da PTSN no estabelecimento desta ligao. 7. O MSC da clula original envia, atravs do BSC e BTS associados, a mensagem de handover MS. 8. A MS sintoniza com a nova portadora e aps a sincronizao comea a transmitir bursts de acesso via canal FACCH para execuo do handover. 59 Comunicao sem fios GSM 9. Aps a recepo dos bursts de acesso a nova BTS responde, enviando atravs do canal FACCH informao de timing advance. 10. A MS recebe a resposta e envia mensagem de confirmao de handover ao MSC anterior atravs do novo BSC. 11. O MSC, associado primeira clula, estabelece o circuito para que a chamada possa ser encaminhada para a nova clula e manda o BSC libertar o canal atribudo MS que realizou o handover. HLRHLR BSSBSSMSCMSCMAP MAP(e.g. MAP)Other Networks e.g. PSTNOther Networks e.g. PSTN60 Comunicao sem fios GSM Servios Os servios previstos no GSM foram inspirados nos servios oferecidos pelo RDIS, sendo classificados da mesma forma que o RDIS em trs categorias: Bearer services or transport services Teleservices Suplementary services Um servio de transporte consiste num servio de transporte de dados entre terminais situados nos pontos de referncia apresentados abaixo. Os servios de transporte oferecidos, consistem transporte de dados nos modos sncrono ou assncrono em comutao de circuitos ou comutao de pacotes, a taxas compreendidas entre 300 a 9600 bps para dados e 13 kbps par voz. Tambm so fornecidos servios de comutao de pacotes, em acesso assncrono ou acesso sncrono directo. 61 Comunicao sem fios GSM Os servios de transporte so oferecidos em dois modos distintos: Modo Transparente T Neste modo existe uma ligao baseada em comutao de circuitos entre o TE (Terminal Equipment), isto a MS e o MSC, a um ritmo constante, com atrasos de transporte constantes e controle de erros do tipo FEC (Forward Error Correction). Notar que erros residuais s dependem das condies do canal. Modo no transparente NT Neste modo, usado um protocolo do nvel lgico que fornece uma proteco adicional contra erros (ARQ Automatic Retransmission reQuest), em funo das condies verificadas no canal RLP (Radio Link Protocol) . Este modo particularmente til e situaes de fading severo ou fading com variabilidade muito rpida. Estas podem conduzir a situaes de m recepo onde a retransmisso dos dados necessria. Na tabela apresentada a seguir apresentada a lista de servios de transporte (Bearer Services) existentes na norma GSM. Servio Tipo N servio Ritmobps modo transmisso 62 Comunicao sem fios GSM dados Asynch 21 300 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 22 1200 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 23 1200/75 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 24 2400 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 25 4800 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 26 9600 T ou NT UDI ou 3.1 kHz dados Synch 31 1200 T UDI ou 3.1 kHz 32 2400 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 33 4800 T ou NT UDI ou 3.1 kHz 34 9600 T ou NT UDI ou 3.1 kHz PAD Asynch 41 300 T ou NT UDI 42 1200 T ou NT UDI 43 1200/75 T ou NT UDI 44 2400 T ou NT UDI 45 4800 T ou NT UDI 46 9600 T ou NT UDI Packet Synch 51 2400 NT UDI 52 4800 NT UDI 53 9600 NT UDI Voz/dados 61 13000 ou 9600 Voz seguida de dados 81 13000 ou 9600 T- modo transparente; NT- modo no transparente; UDI unrestrited digital information; PAD Packet assembler/disassembler. 63 Comunicao sem fios GSM Notar que nas diversas fases de implementao do GSM, no estiveram logo disponveis a totalidade dos servios, tendo sido implementados na fase 1, o que consta na tabela apresentada a seguir. Tabela de servios da fase 1 Na fase 2 foram implementados servios adicionais relativos ao servio de voz e o primeiro servio de dados a 9.6 kbps. Teleservios Estes servios utilizam os servios de transporte, sendo definidos acima destes. 64 Comunicao sem fios GSM Categoria N servio Servio Classe Voz 11 Telefone E1 12 Chamada de emergncia E1 Fax 61 Voz e fax de grupo 3 alternados E1 62 Fax de grupo 3 A SMS 21 Mensagens curtas terminadas na MS, ponto a ponto - 22 Mensagens curtas iniciadas na MS, ponto a ponto - 23 Difuso de mensagens em clula E3 Acesso MHS 31 Acesso a sistemas de manuseamento de mensagens A - Videotexto 41 Videotexto no perfil 1 A 42 Videotexto no perfil 2 A 43 Videotexto no perfil 3 A Teletexto 51 teletexto A Tabela com teleservios E1-fase 1; E2- fase 2; E3 fase 3 E Servio essencial; A-servio adicional Voz dois servios existentes: Servio de voz normal (TS11) 65 Comunicao sem fios GSM Servio de voz em emergncia (TS12) (exemplo 112) Caractersticas: Comunicao bidireccional ponto a ponto em full-duplex Fax Associado segunda fase de implementao, podendo ser realizado em modo transparente ou no transparente. Caractersticas: Codificao e transmisso de acordo com norma T30 (para fax 3 grupo) TS61 partilha o mesmo canal de transporte que o servio de voz A existncia de vrios MSISDN, permite associar a um utilizador vrios servios, um por nmero, permite ter um associado ao servio de fax. SMS (Short Message Service) Servio que permite o envio e recepo de mensagens em modo texto, at 160 caracteres. Associado fase E3 de implementao. Trs subcategorias: TS21 servio que possibilita a recepo de mensagens numa MS 66 Comunicao sem fios GSM TS22 - servio que possibilita o envio de mensagens a partir de uma MS TS23 ou Cell broadcast Service permite a difuso de uma mensagem em reas geogrficas delimitadas. As mensagens s podem ser recebidas pelas MS se estiverem no modo standby, ao contrrio do TS22. As mensagens esto limitadas a 93 caracteres e podem ser classificadas por categorias. (servios de warnings) Caractersticas: Transmisso em comutao de pacotes Exige confirmao de recepo de mensagem, caso contrrio retransmitida Permite difuso de mensagens para outras redes, via fax, mail ou voz (servio implementado pela Vodafone) Que para a fase 1 e fase 2 foram definidos em conformidade com a norma RDIS todo um conjunto de servios suplementares, conforme apresentado nas prximas tabelas. 67 Comunicao sem fios GSM Servios suplementares fase 1 Servios suplementares fase 2 68 Comunicao sem fios GSM Foi contemplada uma fase 2+, na qual se destaca o GPRS (General Packet Radio Service) , que permite ritmos de transmisso de 64 kbps (anunciado, mas normalmente situam-se abaixo deste valor). Nvel fsico Designado como Air Interface do GSM, cobre diversos aspectos como: Banda ocupada Potncia de transmisso Tcnicas de acesso e transmisso Tipo de canais Modulao Codificao de canal Controlo de potncia Sincronismo Equalizador A ocupao espectral, potncias de transmisso da BS e MS j foram abordadas anteriormente, sendo agora analisados os restantes aspectos frisados na lista anterior. Tcnicas de transmisso 69 Comunicao sem fios GSM No GSM a partilha dos recursos rdio realizada a nvel de frequncia e de tempo, utilizando para esse efeito FDMA (Frequency Division Multiple Access) e TDMA (Time Division Multiple Access). A primeira permite dividir o espectro disponvel em vrios canais, estando cada um associado a uma portadora. A segunda permite dividir o canal de 200 KHz associado a cada portadora em oito intervalos de tempo (Time Slots), sendo cada um deles atribudo a um utilizador distinto. O conjunto de oito Time Slots forma a trama TDMA e permite que oito utilizadores partilhem a mesma portadora e trama. Cada time slot, equivalente a um burst da MS, tem uma durao de 577 s, sendo consequentemente a durao da trama igual a 4.615 ms. Note-se que o TDMA corresponde a uma reduo da banda disponvel em cada canal de trfego para 25 KHz, a qual equivalente banda disponvel para cada canal nos sistemas analgicos. Como o perodo de transmisso da MS corresponde durao da trama, tem-se na MS uma frequncia de transmisso, igual a 216.6 Hz. Esta frequncia encontra-se na gama audvel, pelo que interfere com sistemas Hi-fi ( usual ouvir em diversos sistemas sinal a esta frequncia proveniente da interferncia originada na MS. Tambm podem surgir interferncias com outros dispositivos electrnicos como Pacemakers, sistema de injeco, velas dos carros e sistemas de travagem, nomeadamente ABS e televisores. Deste facto advm as recomendaes de 70 Comunicao sem fios GSM construtores como Mercedes, BMW, AUDI de se evitar a utilizao de MS sem a instalao de uma antena exterior (instalao de kit mos livres). Como a MS transita de portadora cada vez que transmite um burst, esta frequncia coincide com a frequncia qual realizado o Frequency Hopping no GSM. Uma vantagem, inerente tcnica TDMA, reside na possibilidade de se efectuar a recepo e transmisso em instantes distintos. Desta forma no necessrio MS operar em modo full duplex o que permite: Aumentar durao da bateria Minimizar custos das MSs Desnecessrio duplexer no receptor Transmisso e recepo separadas por trs time slots. Transmisso da MS atrasada em trs time slots face transmisso da BTS Como uma MS s pode transmitir durante o time slot que se encontra atribudo, transmitir necessariamente impulsos ao longo do tempo. Assim, o andar de emisso Rf est sempre a transitar entre os estados on/off. Isto permite poupar potncia, mas introduz atrasos j que o tempo que uma MS leva a transitar entre estados de cerca de 28 s. Assim, embora a durao do time slot atribudo a cada utilizador seja de 577 s, a durao 71 Comunicao sem fios GSM til de 542 s, sendo os bits, associados diferena entre os dois intervalos, reservados para o tempo de comutao on/off. Burst de um time slot Existem vrios tipos de burts, tendo cada um com funcionalidades distintas. Podem-se destacar os seguintes tipos: Burst normal Burst de acesso aleatrio Burst para correco de frequncia Burst de sincronizao Burst dummy O primeiro tipo destina-se transmisso de dados nos canais de trfego (excluindo RACH, SCH e FCCH), por parte da BTS ou MS em cada time slot e tem a estrutura apresentada na prxima figura: Dados codificados57Sequncia de treino26Dados codificados57GP8.25T3S1S1T3148 Bits=546.12 s Estrutura de burst normal Da figura anterior destacam-se os seguintes elementos: Bits de cauda ou Tail bits (T) formados por um conjunto de trs bits a zero no inicio e fim de cada burst, que cobrem o intervalo de tempo necessrio 72 Comunicao sem fios GSM transio entre estado off e on. Tambm necessrios ao processo de desmodulao. Dados codificados ou Coded data Formado por dois conjuntos de 57 bits, podendo transmitir dados de utilizador ou sinalizao e controlo. Note-se que os bits j tm o overhead introduzido pelos cdigos correctores de erros. Flags (S) Servem para assinalar ao receptor o inicio de uma sequncia de dados. Utilizados para diferenciar burst de sinalizao de burst de dados, j que dados de sinalizao e dados ocorrem em posies distintas nos bursts. Sequncia de treino Utilizada para efeitos de sincronizao dos receptores com os burts e estimao do canal. Por meio desta sequncia de treino, o receptor fica a conhecer a resposta impulsiva do canal, permitindo por meio de um equalizador compensar os efeitos do canal e regenerar os smbolos modulados. Perodo de guarda ou Guard Period (GP) Este perodo tem uma durao fixa de 8.25 bits ou 30 s. Este intervalo de tempo coincide com o tempo mdio da transio off/on. Como durante este intervalo de tempo as transmisses relativas a dois burst sucessivos se podem sobrepor, no so transmitidos 73 Comunicao sem fios GSM dados durante este intervalo, de forma a evitarem-se interferncias entre as comunicaes. Quando esto presentes vrias MS numa clula, estas no se encontram mesma distncia da estao base, o que acarreta tempos de propagao distintos. Consequentemente, os atrasos e atenuaes de sinal diferem entre si para cada um dos terminais mveis presentes. Nesta situao h que garantir o sincronismo na transmisso dos diversos burts presentes numa trama, bem como a correcta recepo na BTS, mediante a aplicao de tcnicas como avano no tempo e controlo de potncia. A primeira, consiste em solicitar o envio dos burts por parte das MS mais distantes primeiro que as MS mais prximas, de forma a compensar os atrasos devido maior distncia percorrida pelo sinal. Desta forma consegue-se evitar a sobreposio dos diversos burts associados a time slots adjacentes na trama TDMA de dados. A segunda tcnica destina-se a compensar a dependncia da atenuao face distncia percorrida. Nesta tcnica a BTS, solicita s MS mais distantes o aumento da potncia de transmisso, de modo a garantir que os diversos bursts recebidos tenham aproximadamente a mesma potncia. Tambm quando se considera o downlink, a BTS ajusta a potncia do burst associado a cada time slot, consoante a distncia qual a MS se 74 Comunicao sem fios GSM encontra da BTS. Normalmente estes ajustes so realizados por meio de incrementos ou decrementos de 2 dB. O segundo tipo de burst usado no processo de acesso aleatrio destina-se sincronizar MS e BTS, sendo enviado quando a Ms pretende ter acesso ao sistema. Este burst mais curto que o anterior, com um tempo de guarda maior que tem em ateno a situao mais desfavorvel em termos de tempo de propagao do sinal dentro de uma clula. Sendo mais curto, garante-se que no existe risco de sobreposio entre burts adjacentes. A estrutura a que se encontra representada a seguir Sequncia de sincronizao41Dados codificados36GP68.25T3T888 Bits=324.72 s Estrutura de burst de acesso Os bits de cauda T tm a mesma finalidade que os bits do mesmo tipo presentes no burst normal. Agora o nmero de bits associados sequncia de treino de sincronizao maior, j que o equalizador necessita de mais informao para realizar o sincronismo. O GP tambm vem incrementado para uma durao de 68.25 bits, o que corresponde a um tempo de propagao de 252 s. O valor de GP est directamente 75 Comunicao sem fios GSM relacionado com o raio mximo da clula, uma vez que o tempo de propagao corresponde ao percurso formado pelo downlink e uplink, limitando o raio mximo a 37.75 km. O terceiro tipo de burst utilizado para efectuar o sincronismo da frequncia do MS com a frequncia do sistema. A estao transmite periodicamente, durante o tempo de durao de um burst um sinal, um tom puro com o mesmo perodo que a durao do burst (equivalente a uma portadora no modulada ou tom puro). Notar que se trata de um burst longo, de forma a permitir que as MSs desmodulem o burst de sincronizao. O nmero de vezes que a MS tem de sincronizar o seu relgio interno com a frequncia do tom recebido, depende exclusivamente da estabilidade do oscilador local. O canal FCCH formado por sucessivas repeties deste tipo de bursts. Sequncia de bits fixa142GP8.25T3T3148 Bits=546.12 s Estrutura do burst de sincronizao na frequncia Para sincronizao temporal, tem-se um burst com a estrutura representada abaixo 76 Comunicao sem fios GSM Dados codificados39Sequncia de sincronizao64Dados codificados39GP8.25T3T3148 Bits=546.12 sEstrutura do burst de sincronizao A finalidade deste tipo de burst consiste em realizar sincronizao no tempo atravs da sequncia de sincronizao e no envio de parmetros adicionais em dados codificados como: BSIC (Base Station Information Code) BCC (Base Station Color Code) NCC (National Color Code) Este tipo de burst permite MS verificar a identidade da BTS atravs do BSIC e detectar alteraes de operador via BCC e NCC. Estes parmetros so necessrios desmodulao e descodificao da informao enviada pela BTS. Note-se que o SCH formado por repeties sucessivas deste tipo de burts. O ltimo tipo de burst, o Dummy Burst tem uma estrutura semelhante do burst normal. utilizado pela BTS e no contm informao. A sua estrutura a que se encontra apresentada na prxima figura. 77 Comunicao sem fios GSM Padro pr-determinado58Sequncia de teste26Padro pr-determinado58GP8.25T3T3148 Bits=546.12 s Estrutura do Dummy Burst Canais Utilizar um canal significa transmitir bursts em instantes especficos no tempo e frequncia, ou seja slot especfico. Geralmente os slots de um canal no so contguos no tempo, tendo por isso um canal uma definio temporal que d, para cada time slot, o nmero de slots que fazem parte do canal. Esta definio cclica mas varia de acordo com o tipo de canal. Frequncia de um canal define-se como sendo a frequncia de cada slot pertencente ao canal. Existem canais de frequncia fixa para os quais a frequncia a mesma para cada slot, e canais de frequncia varivel, hopping, cujos slots podem utilizar frequncias diferentes. Para canais bidireccionais, por exemplo TCH, as duas direces poderiam ser definidas de diversas formas, mas por razes de simplicidade, as definies do canal para as duas direces so sempre relacionadas de uma maneira bastante simples: um espao para a frequncia fixa, duplex separation, de 45/75 MHz e um tempo de guarda, que depende do tipo de canal, que separa dois slots correspondentes de um dado canal. 78 Comunicao sem fios GSM Cada MS envia um ou mais bursts para a BTS, estando os bursts de todos os MSs sincronizados de forma a ocuparem slots no sobrepostos numa trama TDMA. Esta sincronizao realizada de modo a permitir que no momento da chegada s exista um burst, evitando assim coliso com bursts de outras fontes. Em resposta, a BTS, enviar tambm bursts para os mveis. Com este sistema conseguido um acesso mltiplo, ou seja uma multiplicidade de MSs que podem utilizar a rede simultaneamente, ocupando assim time slots na trama TDMA, ou seja canais fsicos. Canais Lgicos O transporte de informao especfica, como sinalizao, dados de utilizadores realizado com recurso a canais lgicos, isto , um canal lgico consiste num canal que transporta um determinado tipo de informao sobre um canal fsico. Existem diversos tipos de canais lgicos, com funcionalidades distintas e associados a operaes/servios distintos. Na figura apresentada a seguir, so apresentados os diversos tipos de canais lgicos existentes no GSM. 79 Comunicao sem fios GSM Tipos de canais lgicos Como se pode observar, os canais lgicos dividem-se em duas categorias principais, canais de trfego e canais de controle. Canais de Trfego Os canais de trfego so os canais lgicos que garantem o transporte de dados e voz do utilizador, no uplink e no downlink. Usados para transmisso de dados de utilizador. Neste tipo de canais no transportada qualquer informao respeitante aos nveis 2 e 3. O transporte de informao pode ser baseado em comutao de circuitos ou comutao de pacotes. Estes canais podem ser divididos em dois subtipos, full Rate e Half Rate. No ltimo caso os diversos canais resultantes podem ser atribudos a utilizadores distintos. De acordo com a 80 Comunicao sem fios GSM terminologia do RDIS, os canais TCH/F so tambm chamados canais B e os canais TCH/H canais L. Os ritmos associados so os que constam na tabela Tipo de canal Ritmo Full rate TCH/F 22.8 Kbps Half rate TCH/H 11.4 Kbps Canais de controlo ou sinalizao Por analogia com o RDIS, so chamados canais D. Utilizados na interface ar para o envio de informao de controlo entre BTS e MS, por meio de comutao de pacotes. Encontram-se divididos em trs categorias: Canal de difuso ou Broadcast Channel (BCH) Canal de controlo comum (CCCH Common Control Channel) Canal dedicado de controlo (DCCH Dedicated Control channel) Quando se liga uma MS, esta tem de procurar uma estao base adequada para que seja possvel o respectivo registo e posterior escuta. Esta procura realizada atravs de um varrimento em toda a banda de frequncia, ou opcionalmente, utilizando uma lista de algumas portadoras atribudas ao operador, lista esta que 81 Comunicao sem fios GSM se encontra guardada no SIM. Aps o terminal mvel encontrar a portadora mais forte, em termos de potncia de sinal, ter de verificar se esta ou no uma portadora BCCH. Uma portadora BCCH consiste na frequncia utilizada para transportar os canais de Broadcast. Deve existir uma por cada clula, sendo esta portadora normalmente denominada por C0. BCH So canais unidireccionais, usados pelo BSS para difundir informao s MSs presentes numa clula. Existem trs tipos de canais dentro desta categoria: Broadcast Control Channel (BCCH) Difundido na primeira frequncia atribuda clula. Usado para difundir informao referente configurao da rede, informao de sincronizao e identificadores associados ao registo (LAI, CI, BSIC). A ltima informao que a MS ter de receber de forma a iniciar Roaming, esperar chamadas ou efectuar chamadas, diz respeito clula e ao sistema. Esta informao difundida no canal BCCH, e entre outras informaes inclu a Identificao da rea de Localizao (LAI), a potncia mxima de emisso permitida na clula e a lista das portadoras de Broadcast das clulas adjacentes, nas quais o mvel necessita de efectuar medies. 82 Comunicao sem fios GSM Frequency Correction Channel (FCCH) - Usado para sincronismo de frequncia. Neste canal so utilizados os burst de sincronizao de frequncia. Syncronization Channel (SCH) Difunde informao de identificao da BTS e dados para sincronizao de tramas (neste caso usa o burst de sincronismo). Depois de escutar o canal de correco de frequncia, a MS ter de sincronizar-se com a estrutura da trama TDMA desta clula e garantir tambm que a estao base escolhida pertence a uma rede GSM. Escutando o canal de sincronizao SCH o mvel no s recebe o nmero da trama TDMA, como tambm o Cdigo de Identificao da estao base (BSIC). Este cdigo apenas pode ser descodificado se a estao base pertencer rede GSM. Estes canais, s so visveis pelo protocolo associado ao nvel 1, embora transportem informao necessria operao de rede (nvel 3). Realizadas as operaes anteriores, a MS fica sintonizada com a estao base e sincronizada com a estrutura de tramas TDMA da clula. As estaes base no esto sincronizadas entre si, pelo que cada vez que o mvel decidir mudar de clula ter de ler o respectivo FCCH e SCH. A partir deste ponto a MS e BS podem utilizar os canais de controlo comum e de controlo dedicado, descritos a seguir. 83 Comunicao sem fios GSM CCCH (Common Control Channel) Trata-se de um canal de sinalizao ponto multiponto, cobrindo operaes como atribuio de canais dedicados e paging. Os canais de controlo comum so canais que esto disponveis para serem utilizados por todos os mveis, sendo os recursos rdio utilizados por estes comuns a todos os mveis. Existem os seguintes subtipos: Paging Channel (PCH) Faz parte do downlink do CCCH, sendo usado para descobrir MSs (operao de paging). Periodicamente o mvel escuta o canal de paging (PCH), para verificar se o sistema quer entrar em contacto com o mvel. A razo deste contacto poder residir numa chamada para o terminal mvel, ou simplesmente numa mensagem curta para o terminal mvel. A informao enviada no PCH uma mensagem de paging que inclui o nmero de identificao do mvel (IMSI) ou um nmero temporrio (TMSI). O PCH utilizado em downlink ponto a ponto. Random Access Channel (RACH) S existe no uplink de CCCH. Serve para os MSs solicitarem um canal de sinalizao dedicado (SDCCH). O acesso realizado com base no algoritmo Slotted Aloha. Como consequncia de 84 Comunicao sem fios GSM uma mensagem de paging, ou simplesmente porque o utilizador deseja efectuar uma chamada, o mvel ter de entrar em contacto com o sistema. Para isso o mvel ter de pedir um canal de sinalizao atravs do canal de acesso aleatrio (RACH). utilizado em uplink ponto a ponto. Access Grant Channel (AGCH) Faz parte do Downlink do CCCH e usado para atribuio de um SDCCH ou um TCH a uma MS. usado na resposta ao pedido efectuado no RACH, o sistema ter de atribuir um canal de sinalizao para alguma troca de informao entre o mvel e o sistema, o SDCCH. Esta atribuio realizada atravs do canal de acesso atribudo (AGCH). utilizado em downlink ponto a ponto. Notification Channel (NCH) Utilizado para notificar a MS sobre a existncia de chamadas. DCCH (Dedicated Control Channel) Trata-se de um canal de sinalizao bidireccional com ligaes ponto a ponto. Estes canais so atribudos a uma MS em particular, sendo os recursos rdio independentes entre os diversos canais. Os subtipos existentes resultam da associao 85 Comunicao sem fios GSM de um ACCH (Associated Control Channel) com um TCH ou SDCCH. Os subtipos so: Stand alone and Dedicated Control Channel (SDCCH) Usado para sinalizao entre BSS e MS quando no existe conexo activa. solicitado pela MS via RACH e atribudo pela BSS via AGCH. Uma vez completa a troca de sinalizao pode ser atribudo a outro MS. Poder ser utilizado tambm para a transmisso de mensagens curtas em modo de espera. atravs deste canal que realizada a autenticao bem como a atribuio de canal de trfego, sendo enviada informao relativa frequncia e time slot que definem o canal. utilizado em up/downlink ponto a ponto. (Ver os exemplos de actualizao de localizao e estabelecimento de chamada). Slow Associated Control Channel (SACCH) Transporta informao necessria optimizao da interface rdio. Assim informao respeitante a sincronizao, controlo de potncia e estimao de canal, so enviados por este canal. O envio de informao respeitante ao canal por parte da MS, realiza-se quando no existe informao de sinalizao a enviar. associado a um TCH ou a um SDCCH, e trata-se de um canal de dados contnuo transportando informao de sinalizao, tal como relatrios de medidas do nvel de intensidade do sinal 86 Comunicao sem fios GSM recebido na clula onde est presente e as suas adjacentes. Em downlink o mvel recebe informao respeitante ao avano temporal e controle de potncia. utilizado em up/downlink ponto a ponto. Fast Associated Control Channel (FACCH) Sempre associado a um TCH, e requer a atribuio de largura de banda adicional. Isto significa que se por acaso durante a transmisso de voz for necessrio trocar informao de sinalizao com o sistema, a um ritmo muito mais alto que o SACCH, pode faz-lo, mas roubando segmentos de voz de 20 ms para se efectuar essa sinalizao. o caso do handover, em que a interrupo no ser sentida pelo utilizador porque o codificador de voz volta a transmitir os segmentos no transmitidos. utilizado em up/downlink ponto a ponto. Os canais lgicos podem ser usados em diferentes configuraes, consoante a funcionalidade pretendida na utilizao dos canais. As configuraes possveis so: I. TCH/FS+FACCH/FS+SACCH/FS; II. TCH/HS(0,1)+FACCH/HS(0,1)+SACCH/HS(0,1); III. TCH/HS(0)+FACCH/HS(0)+SACCH/HS(0) + TCH/HS(1)+FACCH/HS(1)+SACCH/HS(1); 87 Comunicao sem fios GSM IV. FCCH + SCH + CCCH + BCCH; V. FCCH + SCH + CCCH + BCCH + SDCCH/4 + SACCH/4; VI. CCCH + BCCH; VII. SDCCH/8 + SACCH/8. Em termos de direccionalidade dos canais pode-se apresentar de uma forma resumida o seguinte quadro: Tipo de canal lgico Sentido de comunicao TCH bidireccional FACCH bidireccional BCCH BTS para MS FCCH BTS para MS SCH BTS para MS RACH MS para BTS PCH BTS para MS AGCH BTS para MS SDCCH bidireccional SACCH bidireccional A seguir apresentam-se exemplos de actualizao de localizao e estabelecimento de chamada terminada na MS, com os canais associados a cada operao. 88 Comunicao sem fios GSM RACHAGCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHPedido de canalAtribuio de canalPedido para actualizao de localizao.Transmitido no canal atribudoPedido de autenticao feito pela redeResposta de autenticao da MSPedido para transmisso encriptadaResposta de confirmao de transmisso encriptadaConfirmao de actualizao delocalizao, incluindo atribuo de TMSIResposta de confirmao de actualizao delocalizao, incluindo atribuo de TMSILibertao de canal por parte da redeMS BTSActualizao de localizao 89 Comunicao sem fios GSM PCHRACHAGCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHSDCCHPedido de canalAtribuio de canalResposta a paging da rede no canalatribudoPedido de autenticao feito pela redeResposta de autenticao da MSPedido para transmisso encriptadaResposta de confirmao de transmisso encriptadaMS BTSSDCCHTCHFACCHFACCHSDCCHFACCHAtribuo de canal de trfegoPaging da MSSetup da chamadaConfirmaoFACCHConfirmao de atribuo de canal de trfegoAlerta (aviso de chamada na MS)Mensagem de connectConfirmao de aceitao de connectTroca de dados da conversao (voz)Estabelecimento de chamda terminada na MS 90 Comunicao sem fios GSM Mapeamento de canais lgicos nos canais fsicos Utilizar um canal significa transmitir bursts em instantes especficos no tempo e frequncia, ou seja slot especfico. Geralmente os slots de um canal no so contguos no tempo, tendo por isso um canal uma definio temporal que d, para cada time slot, o nmero de slots que fazem parte do canal. Esta definio cclica mas varia de acordo com o tipo de canal. Frequncia de um canal define-se como sendo a frequncia de cada slot pertencente ao canal. Existem canais de frequncia fixa para os quais a frequncia a mesma para cada slot, e canais de frequncia varivel, hopping, cujos slots podem utilizar frequncias diferentes. Para canais bidireccionais, por exemplo TCH, as duas direces poderiam ser definidas de diversas formas, mas por razes de simplicidade, as definies do canal para as duas direces so sempre relacionadas de uma maneira bastante simples: um espao para a frequncia fixa, duplex separation, de 45/75 MHz e um tempo de guarda, que depende do tipo de canal, que separa dois slots correspondentes de um dado canal. Cada MS envia um ou mais bursts para a BTS, estando os bursts de todos os MSs sincronizados de forma a ocuparem slots no sobrepostos numa trama TDMA. Esta sincronizao realizada de modo a permitir que no momento da chegada s exista um burst, evitando assim coliso com bursts de outras fontes. Em resposta, a BTS, enviar tambm bursts para os mveis. 91 Comunicao sem fios GSM Com este sistema conseguido um acesso mltiplo, ou seja uma multiplicidade de MSs que podem utilizar a rede simultaneamente, ocupando assim time slots na trama TDMA, ou seja canais fsicos. Da mesma forma que a estrutura da trama TDMA permite a existncia de time slots ordenados no tempo numa portadora, existem estruturas multi-trama constitudas por nmeros fixos de tramas TDMA que possibilitam a ordenao dos canais lgicos pelos diversos time slots. Os canais de trfego esto desta forma associados a uma estrutura de multitrama de tamanho contendo 26 tramas TDMA e os canais de sinalizao associados a estruturas com 51 tramas. De momento apresentam-se as estruturas de trama mais comuns, no referindo a sua distribuio no tempo em termos de time slots. Estrutura da trama para canal de trfego (Tipo I) Nesta estrutura as 12 primeiras tramas esto reservadas para canais de trfego ao ritmo de 9.6, 4.8 e 2.4 kbps. A 13 trama reservada para o SACCH seguida de outras 12 tramas associadas aos canais de trfego, mantendo-se a ltima trama vazia. A ltima trama vazia disponibiliza o tempo necessrio MS para realizar outras tarefas, como monitorizao da potncia 92 Comunicao sem fios GSM do sinal proveniente das diversas estaes base. O tempo total da trama 26 4.615 ms=120 ms. Estrutura da trama para canal de trfego (Tipo II ou III) Os canais de voz de meio dbito (half rate) podem ser agrupados em conjuntos de 2 numa estrutura de 26 tramas, sendo as tramas dentro da estrutura atribudas alternadamente a cada um dos canais. Nesta estrutura a trama n 13 reservada ao SACCH do primeiro canal e a ultima trama j no se encontra vazia na medida em que reservada ao SACCH do Segundo canal. Nesta situao tem-se a estrutura de trama apresentada a seguir. No caso de s ser necessrio um canal de meio dbito, as tramas de ordem impar ficam vazias, de acordo com o que se encontra representado na figura anterior. 93 Comunicao sem fios GSM Estruturas associadas a informao de sinalizao. A primeira estrutura multi-trama usada para sinalizao, combina simultaneamente 4 canais em 51 tramas. Esta estrutura contempla a combinao IV, apresentada anteriormente e est associada a canais bidireccionais entre MS e BTS. Esta combinao de canais utilizada em clulas com vrios TRXs, com elevado trfego nos canais do tipo CCCH. atribuda a uma clula uma nica vez, j que os canais FCCH e SCH so especficos da clula. transmitido no time slot 0 em qualquer uma das portadoras disponveis na clula. A portadora usada para esse efeito posteriormente usada pelas clulas adjacentes para identificao da clula transmissora como clula adjacente (significa que os terminais mveis presentes em clulas adjacentes usam esta frequncia para efeitos de medio da potncia emitida por esta clula). Embora esteja associada a canais de comunicao bidireccional, as estruturas so distintas quando se considera downlink e uplink. Para o downlink, so atribudas 36 tramas para canais do tipo CCCH que podem ser do tipo PCH (no caso de uma chamada para a MS) ou AGCH (na atribuio de um canal MS). So igualmente reservadas 10 tramas para os canais FCCH e SCH em cinco conjuntos de duas 94 Comunicao sem fios GSM tramas em posies contguas ao longo da trama. Isto possibilita a sincronizao em frequncia da MS antes do sincronismo de timing, dada a transmisso do FCCH antes do SCH. No uplink, a estrutura multitrama somente usada para transmisso dos bursts associados ao RACH, necessrios aos pedidos de canal por parte da MS. A organizao dos canais pelas diferentes tramas a que consta na prxima figura. A combinao V, formada por: FCCH + SCH + CCCH + BCCH + SDCCH/4 + SACCH/4 usada em clulas sujeitas a pouco trfego (um TRX ou dois TRXs) ou clulas de pequena dimenso. O envio desta combinao obedece s mesmas regras da combinao anterior, isto , envio no time slot 0 e nica na clula. Esta combinao e a IV so mutuamente exclusivas j que no podem coexistir na mesma clula. 95 Comunicao sem fios GSM Nesta combinao existem 4 canais SDCCH e 4 SACCH. Note-se que os espaamentos entre canais SDCCH sucessivos so de 16 tramas no uplink e 36 no downlink, o que permite o ciclo de resposta a uma nica multi-trama. O maior tempo associado ao downlink permite rede demorar mais tempo na operao de autenticao. A organizao dos canais na trama difere igualmente para uplink e downlink, sendo a estrutura a que consta abaixo. No caso de se considerar a combinao VII, as consideraes agora realizadas mantm-se vlidas. Para clulas de sujeitas a nveis de trfego muito intensos, pode ser adopta da a combinao VI, formada por: CCCH + BCCH 96 Comunicao sem fios GSM Esta combinao usada quando a combinao IV no garante os nveis de servio solicitados para uma clula e usada numa clula conjuntamente com a combinao IV. Esta combinao semelhante combinao IV, com os canais FCCH e SCCH eliminados. A utilizao desta combinao permite adicionar mais canais de controlo clula, mas no substitui a combinao IV. A organizao dos canais ao longo da multi-trama realizada de acordo com o apresentado na prxima figura. A utilizao por parte de uma clula da combinao IV ou da associao da combinao IV com a VI, no garante os canais de sinalizao necessrios s operaes de estabelecimento de uma chamada e registo (nestas operaes esto envolvidos os canais SDCCH e SACCH). A associao da combinao VII permite adicionar sinalizao necessria para a realizao deste tipo de operaes, para oito canais de sinalizao em paralelo por cada canal fsico (notar que se trata de SDCCH/8 + SACCH/8, portanto 8 canais SDCCH e 8 do tipo SACCH). A estrutura da multi-trama a que se apresenta a seguir. 97 Comunicao sem fios GSM Dado que os canais comuns, FCCH, SCH, BCCH, PAGCH e RACH, esto associados a uma frequncia fixa, no podem ser sujeitos a frequency hopping. Esta propriedade permite uma aquisio mais simples de sincronismo, uma vez que a MS para detectar um burst FCCH tem de detectar um burst SCH na mesma frequncia. Como este burst demasiado pequeno para conter a sequncia de hopping para o BCCH, a forma mais simples de ultrapassar isto colocar o BCCH na mesma frequncia que o SCH. Se o PAGCH e o RACH fossem canais hopping, as suas sequncias de hopping podiam ser difundidas no canal BCCH, mas iria tornar o sistema ainda mais complexo. Outra restrio imposta por este tipo de canais reside na transmisso continuada a eles associada, mesmo em situaes em que a informao insuficiente para preencher os bursts. Esta restrio deve-se presena de MSs em clulas vizinhas que tm de realizar medies de potncia nas portadoras associadas a este tipo de canais, de forma a assinalar a necessidade de um eventual handover entre clulas. 98 Comunicao sem fios GSM Existem ainda as estruturas de super trama e hiper trama definidas a partir das estruturas descritas atrs. A construo destes tipos de tramas realizada de acordo com o exemplo apresentado a seguir. Hierarquia de tramas no GSM 99 Comunicao sem fios GSM Codificao de voz e compresso de dados no GSM. A transmisso de uma conversao em GSM baseia-se nos passos assinalados no diagrama da figura apresentada a seguir. Primeiro realiza-se a codificao/compresso do sinal de voz, seguindo-se a adio do CRC e codificao dos dados com recurso a um codificador convolucional, para proteco dos dados contra erros. Precede-se ento encriptao dos dados e posterior construo dos burts e sua multiplexagem nos canais de trfego. Codificao de fontee processamento devozCodificaoCRC+Cod.Convol+interleavingEncriptaoConstruo de burste multiplexagemModulador GMSKcom codificaodiferencialDescodificao defonte eprocessamento devozDescodificaoCRC+Cod.Convol+interleavingDesencriptaoDesmultiplexagemDesmoduladorGMSK comcodificaodiferencial100 Comunicao sem fios GSM Por fim recorre-se modulao GMSK com codificao diferencial (ver acetatos de transmisso em portadora sinusoidal) , para envio dos dados pelo canal. Dos passos anteriores, a encriptao, construo de burts/multiplexagem e o modulador j foram analisados em detalhe, pelo que se procede agora anlise do processo de codificao de fonte ou voz. O processo de adio do CRC e codificao convolucional so por sua vez descritos em detalhe mais frente neste documento. No GSM o sinal de voz gerado pelo transmissor amostrado frequncia de 8000 Hz, sendo as amostras quantizadas em nveis distintos. A quantizao com 13 bits, das amostras obtidas a uma frequncia de 8 kHz, traduz-se por um ritmo de 104 kbps. A codificao da voz essencial no GSM, j que baseando-se na redundncia do sinal de voz, permite realizar uma compactao do sinal, qual est associado um ritmo de transmisso mais baixo. 132As funes de codificao/descodificao do sinal de voz, no emissor e receptor, so combinadas no bloco correspondente ao CODEC (Coder/DECoder). A seguir apresentam-se os esquemas referentes ao codificador e descodificador usados no sistema. 101 Comunicao sem fios GSM Trama de vozTrama SIDVADDTXAmostras de 13 bitsa 8k HzGerador deCNCodificadorde vozDeteco devoz (VAD)Codificao e compresso devoz no emissorCN - Comfort Noise Trama de VozTrama SIDVADDTX Amostras de 13 bitsa 8k HzSubstituio detrama comerrosDescodificadorde vozGerador de CNDescodificao edescompresso de voz noreceptorCN - Comfort Noise Outro aspecto importante reside na poupana de energia, possibilitada pela utilizao do VAD (Voice Activity Detection). A funo do VAD consiste na deteco de 102 Comunicao sem fios GSM actividade de voz, analisando para esse efeito as tramas de dados de voz geradas pelo codificador (tramas de 260 bits so analisadas de forma a verificar se tratam de dados relativos a voz ou a uma pausa na conversao). A deciso realizada quanto ao tipo de trama comunicada ao bloco DTX (Descontinuous Transmition), possibilitando um modo descontnuo de transmisso, na medida em que a amplificao s realizada para as tramas cuja a deteco de actividade de voz positiva. O modo descontnuo de transmisso implementado no DTX, permite reduzir o consumo de potncia e consequentemente prolongar a durao da bateria. Convm salientar que o DTX tira partido do facto de no ser usual as duas partes envolvidas numa conversao, estarem a falar em simultneo, sendo normal que cada uma fale somente em 50% do tempo. Numa situao de ausncia de trama de voz, esta substituda no receptor por um sinal de rudo (CN Confort Noise) gerado localmente de acordo com os parmetros enviados na trama SID (Silence Descriptor). Este tipo de trama enviado pelo emissor e antecede sempre uma pausa no sinal de voz, de forma a permitir que o receptor detecte uma pausa de voz e inicie a gerao do rudo de conforto. Note-se que o rudo gerado localmente, ao ser introduzido no sistema em substituio do rudo tpico do sistema, funciona ao nvel do ouvinte como uma contra medida ao efeito de contraste de rudo. 103 Comunicao sem fios GSM Numa situao de erro sem possibilidade de correco em diversas tramas, estas so assinaladas pelo descodificador por meio do indicador BFI (Bad Frame Indication), sendo substitudas por tramas obtidas localmente com base em previses realizadas pelo estimador, a partir da trama anterior recebida com sucesso. Numa situao de falha de 16 tramas consecutivas, no realizada nenhuma previso, limitando-se o sistema a assinalar com um sinal acstico a falha de canal. O processo de codificao/descodificao de voz processa-se segundo os diagramas de blocos apresentados a seguir: 104 Comunicao sem fios GSM Na entrada do codificador apresentam-se tramas de 160 smbolos com 13 bits de 20 em 20 ms. A compresso realizada pelo codificador permite que o sinal de voz se divida em blocos de 260 bits, transmitidos a um ritmo de 13 kbps, o que se traduz numa taxa de compresso de 8. Esta compresso conseguida mediante a realizao do procedimento RPE-LTP(Regular Pulse Excitation - Long-Term Prediction- Linear Predictive Coder). O GSM usa um codificador de voz misto, associando PCM (Pulse Code Modulation) ou ADPCM (Adaptative Pulse Code Modulation) com o LPT. De acordo com o diagrama de blocos anterior, os dados de voz apresentados na entrada do codificador so divididos em trs componentes: Conjunto de parmetros chamado coeficientes de reflexo, para ajuste do filtro de anlise de durao curta LPC. Um sinal de excitao para o RPE, no qual se eliminaram as partes irrelevantes e se realizou compresso. 105 Comunicao sem fios GSM Conjunto de parmetros para controlo do filtro de anlise de durao longa LPT. O LPC e LPT geram 36 bits de parmetros em cada bloco que conjuntamente com os 188 bits de parmetros obtidos pela compresso realizada pelo RPE, perfazem os 260 bits do bloco apresentado na sada do codificador. O codificador elimina componentes dc presentes no sinal de voz e utiliza um filtro de pr-enfase para refora as altas-frequncias presentes no sinal. Aps a operao anterior o filtro LPC reduz a gama dinmica do sinal e obtm os respectivos valores dos coeficientes. No filtro LPT so calculados os coeficientes associados a este filtro, obtendo-se uma nova estimativa do bloco baseada no bloco actual e blocos anteriores. Esta estimativa subtrada ao bloco de dados recebidos, sendo a diferena o sinal de entrada do codificador RPE (Notar que se trata do ADPCM). Com o ADPCM elimina-se a redundncia do sinal e como tal permite obter a taxa de compresso de 1 para 8 referida anteriormente. O RPE ao eliminar informao irrelevante do sinal, desnecessria para a compreenso pelo ouvido humano do sinal de voz, garante uma compresso adicional dos dados. Em termos da qualidade do sinal de voz obtido com este processo, o RPE-LPT tem um valor de MOS (Mean Opinion Score) de 4 (notar que os valores deste 106 Comunicao sem fios GSM parmetro variam entre 1 e 5, correspondendo o 5 a uma qualidade de sinal excelente). No receptor as operaes efectuadas consistem basicamente no inverso das operaes realizadas no codificador. 107 Comunicao sem fios GSM Interleaving O desempenho associado ao processo de descodificao do cdigo convolucional depende da ocorrncia de rajadas de erros durante o processo de transmisso. Longas rajadas de erros devido a desvanecimentos profundos do origem a longas sequncias de bits errados, que se repercutem na capacidade correctora do cdigo utilizado. Para se evitar este fenmeno (equivalente a assumir que o canal apresenta memria) conveniente garantir independncia estatstica dos erros de bit. Isto pode ser conseguido distribuindo os erros ao longo da sequncia transmitida para o canal, mediante a aplicao de interleaving. Existem vrias formas de realizar o interleaving, havendo processos em que se altera a ordem dos bits codificados de maneira que na sequncia enviada para o canal no se tenham bits contguos que estejam associados a palavras de cdigos adjacentes na sada do codificador. No GSM o interleaving consiste na disperso dos bits codificados pertencentes a um bloco de informao por vrios bursts, sendo o nmero de bursts usados o parmetro definidor da profundidade do interleaving usado. Assim os bits de um bloco so dispersos por vrios bursts, evitando-se que os bits adjacentes de um bloco de dados codificado sejam adjacentes quando se realiza a transmisso no 108 Comunicao sem fios GSM canal. Desta forma os bits de um bloco so espalhados por diversos bursts, segundo uma tcnica chamada interleaving diagonal. Com esta tcnica de interleaving diagonal, as rajadas de erros so distribudas uniformemente por diversos blocos, evitando-se a ocorrncia de rajadas de erro longas em cada um dos blocos de informao recebidos. O segundo tipo utilizado, chamado interleaving de bloco consiste em escrever as sequncias de palavras de cdigo presentes em cada bloco linha a linha numa matriz e enviar posteriormente coluna a coluna. Desde que o tamanho das rajadas de erro seja inferior profundidade de interleaving, garante-se que existem somente erros simples nas palavras existentes em cada bloco. No GSM utiliza-se a combinao dos dois tipos de interleaving referidos anteriormente, dependendo a regra e profundidade do interleaving usado do tipo de canal. A ttulo de exemplo, pode-se referir que nos canais TCH/FS utilizado um interleaving de bloco associado a interleaving diagonal. 109 Comunicao sem fios GSM Tipo de canal Profundidade de interleaving TCH/F voz 8 TCH/H voz 4 TCH/F 14.4 kbps 19 TCH/F 9.6 kbps 19 TCH/F 4.8 kbps 19 TCH/H 4.8 kbps 19 TCH/F 8 TCH/F voz 19 FACCH full rate 8 FACCH half rate 8 SDCCH 4 SACCH/TCH 4 SACCH/SDCCH 4 DCCH, AGCH, PCH 4 A ttulo de exemplo apresenta-se de seguida o processo de interleaving relativo combinao dos canais TCH/F 2.4 e FACCH. Neste caso o bloco de informao tem 456 bits, que divido em 8 sub-blocos que so posteriormente espalhados por 8 bursts. O interleaving realizado, processa-se da seguinte forma: Diviso dos 456 bits em 8 sub-blocos segundo a regra: Bit i para bloco I+1 com I = i mod 8 110 Comunicao sem fios GSM Logo a distribuio dos bits realizada mediante uma operao de diviso inteira por 8. Uma vez criados os 8 sub-blocos, os bits respectivos vo ser mapeados nos 8 bursts de acordo com a regra: 4 primeiros sub-blocos colocados nos bits pares de quatro bursts consecutivos 4 ltimos sub-blocos colocados nos bits impares dos quatro bursts seguintes ao conjunto de burts considerado anteriormente Desta forma, cada burst ter os bits associados a dois blocos de dados de voz consecutivos, sendo os bits pares dos burts de ordem B+4,..,B+7 ocupados pelos bits provenientes do bloco de dados de ordem N+1 e os impares dos bits provenientes do bloco de dados de ordem N. possvel descrever o processo sucintamente na forma: Blocos de ordem n com bits com e knC , 455,..,0=K,..1,,..,1,0 += NNnRegra de mapeamento dos bits nos sub-blocos ndice b de sub-bloco obtido mediante a expresso )8mod(0 kbb += 111 Comunicao sem fios GSM Logo admitindo 00 =b e 0=n tem-se: K par b=0, b=2, b=4, b=6;b=8 K impar b=1, b=3, b=5, b=7 Regra de posicionamento dentro do burst de ordem N 8 bits do bloco de dados de voz posicionados no mesmo burst, com bits na posio j do burts posicionados de acordo com a expresso: )4)8mod(())57mod)49((2 divkkj += Na expresso anterior, o 1 termo define o deslocamento dentro do burst resultante do interleaving e o 2 define o posicionamento dos bits pares e mpares. 112 Comunicao sem fios GSM Codificao de canal no GSM A variabilidade do canal, o efeito multi-percurso e fading degradam consideravelmente o desempenho do sistema, chegando a apresentar valores de BER entre e . Com estes valores impossvel garantir um servio de dados ou mesmo um servio de voz com qualidade aceitvel. O emprego de cdigos com capacidade de deteco e correco de erros permite reduzir a Ber para valores na ordem , custa da introduo de bits redundantes. Tambm devido ao tipo de canal o recurso a interleaving evita a ocorrncia de erros em rajada, contribuindo para a melhoria do desempenho do sistema. 310 110510No GSM, utilizam-se vrios nveis de codificao, associados por sua vez a um interleaving na transmisso, conforme se exemplifica a seguir: Cdigo deblocosCodificadorconvolucional interleavingDe-interleavingDescodificadorde ViterbiTeste deparidadeCanalProteco internacontra errosProteco externacontra erros113 Comunicao sem fios GSM Assim pode-se dizer que existe uma codificao externa baseada em cdigos de blocos que introduz bits de paridade, para deteco de erros no bloco de informao. utilizada uma proteco adicional contra os erros introduzidos pelo canal mediante a utilizao de um cdigo convolucional, sobre os bits resultantes da aplicao do cdigo externo. Note-se que ao nvel do codificador convolucional pode ser realizada a perfurao do cdigo, mediante a eliminao de bits na sada do codificador. Existindo perfurao a rate do cdigo aumenta, aumentando o ritmo efectivo de transmisso, j que o nmero de bits redundantes baixa. A perfurao necessria para adaptao do ritmo aos ritmos definidos para os diversos canais lgicos do GSM. Por fim procede-se ao baralhamento dos bits a enviar, por meio de um interleaver. O efeito do interleaver ao baralhar numa outra ordem sequencial os bits, permite evitar que fadings profundos afectem vrios bits consecutivos da sequncia original. Esta situao pode dar origem a uma rajada de erros, dificilmente corrigida ou detectada por um cdigo. Na recepo os bits recebidos so repostos na sequncia original no de-interleaver, sendo posteriormente descodificados mediante o recurso a um descodificador de Viterbi. Aps o processo de descodificao, realizado o teste de paridade baseado no CRC do cdigo externo (somente quando este existe). Notar que um cdigo externo que permita somente a 114 Comunicao sem fios GSM deteco de erros est necessariamente associado a esquemas ARQ (Automatic Repeat reQuest), onde solicitada a retransmisso da trama numa situao de deteco de erro. A existncia e tipo de cdigo interno e externo dependem do tipo de canal, j que os requisitos em termos de QoS so distintos nos diferentes canais. A seguir consideram diversos tipos de canais, exemplificando os respectivos processos de codificao e interleaving. Canais de trfego de Voz (TCH Speech channels) Um bloco completo de um codec de voz tem 260 bits de dados. Consoante a classe os bits dos codecs so agrupados em blocos de tamanhos diferentes. Os dados associados voz so codificados em dois passos. No primeiro passo utiliza-se um cdigo de blocos que adiciona 3 bits de paridade aos 50 bits da classe Ia. Estes bits de paridade permitem a deteco de erros que no tenham sido corrigidos pelo processo de descodificao associado ao cdigo convolucional. No entanto no permite a correco de erros. Numa situao em que o cdigo de blocos detecte um erro nos bits pertencentes classe Ia, os 260 bits do bloco so descartados. Quando se aplica o cdigo interno, os bits da classe Ia e Ib bem como os bits de paridade, so codificados usando um cdigo convolucional de rate e constrain lenght igual a 5. Para se 115 Comunicao sem fios GSM garantir independncia entre sequncias codificadas, associadas a blocos de informao consecutivos so adicionados 4 bits a 0, que garantem a inicializao do codificador convolucional. O processo de codificao obedece aos seguintes passos: Adio do CRC com 3 bits de paridade aos 50 bits da classe Ia; Adio de 4 bits a 0 ao bloco formado pelos bits da classe Ia+ bits de paridade e bits da classe Ib; Codificao dos 189 bits resultantes; Adio aos 378 bits da sada do codificador dos 78 bits no protegidos da classe II. Uma vez que um burst transporta 114 bits e que o interleaving realizado mediante o espalhamento em 8 bursts, obtm-se os sub-blocos de 57 bits j referidos atrs. 116 Comunicao sem fios GSM 50 bits classe Ia 132 bits classe Ib 78 bits classe II50 bits 138 bits3 4378 bits codificados 78 bitsCodificao de canal de vozCodificao em canais de dados Como se viu anteriormente existem diversos tipos de canais tais como: TCH/F 9.6 TCH/F 4.8 TCH/F 2.4 TCH/H 4.8 TCH/H 2.4 Para efeitos de exemplificao do processo de codificao consideram-se somente os canais TCH/F 9.6 e TCH/F 2.4. Codificao no TCH/F 9.6 Neste tipo de canal no se utiliza o cdigo de blocos externo, na medida em que o equipamento terminal j realiza deteco de erros. Os dados de utilizador, so divididos em 4 blocos de 60 117 Comunicao sem fios GSM bits perfazendo um total de 240 bits. Que so codificados pelo codificador convolucional de rate e constrain length igual a 5. Os passos realizados para codificao e interleaving consistem em : Adio de 4 bits para inicializao do codificador; Codificao com perfurao de 32 bits, de forma a ter-se 488-32=456 bits na sada do codificador; Espalhamento dos blocos de informao obtidos na sada do codificador convolucional, por 22 bursts (trama FDMA 26), segundo o esquema de interleaving com profundidade 19. O interleaving realizado da seguinte forma: Diviso dos 456 bits em: 16 partes de 24 bits 2 partes de 18 bits 2 partes de 12 bits 2 partes de 6 bits Cada burst contm a informao de 5 ou 6 blocos consecutivos de forma a preencher os 114 bits de um burst. Logo tem-se: 4 x 24 bits 1 x 18 bits 1 x 12 bits 1 x 6 bits 118 Comunicao sem fios GSM Desta forma obtm-se o seguinte esquema para os bursts ou time slots presentes na trama: N. Burst 1, 22 2 x 6 bits 2, 21 2x 12 bits 3, 20 2 x 18 bits 4 a 19 16 x 24 bits Convm frisar que cada burst corresponde a um dos 22 canais de trfego da trama, que na sua totalidade acomodam os 456 bits. 9.6 kbps240 bits (12 kbps) 4488 bits antes de perfurao456 bitsCodificao de canal de dados a 9.6 kbps Codificao e interleaving no TCH/F 2.4 119 Comunicao sem fios GSM Os dados j com os bits associados ao processo de correco de erros realizado ao nvel do equipamento terminal, so enviados taxa de 3.6 Kbps. Estes dados so divididos em blocos de 72 bits. A codificao realiza-se mediante o emprego de um codificador convolucional de rate 1/6 e constrain lenght igual a 5, sendo necessrios os seguintes passos: Adio de 4 bits a 0 para inicializao do codificador; Gerao de 6 x 76 =476 bits codificados; Mapeamento dos 456 bits em oito sub-blocos de 57 bits, segundo o mesmo esquema empregue nos dados de voz ( ver interleaving dos dados de voz). 2.4 kbps72 bits(3.6 kbps) 4456 bitsCodificao de canal de dados a 2.4 kbps Codificao e interleaving nos canais de sinalizao. Dada a maior relevncia dos dados de sinalizao relativamente aos outros tipos de dados trocados na rede GSM, so usados os dois nveis de codificao, mas agora recorrendo para cdigo 120 Comunicao sem fios GSM externo a um cdigo do tipo Fire Code. No entanto o canal FCCH no se encontra codificado, sendo o mtodo de codificao descrito a seguir vlido para os canais BCCH, PCH, SDCCH e SACCH. A codificao utiliza um cdigo de blocos que adiciona 40 bits de paridade ao bloco de dados original. O bloco resultante posteriormente codificado, utilizando um codificador convolucional de rate e constrain lenght igual a 5. Os passos realizados durante o processo de codificao so: Adio de CRC por meio da juno de 40 bits de paridade ao bloco de 186 bits; Adio de 4 bits a 0 ao bloco formado pelos 186 bits de sinalizao e 40 bits de paridade, para inicializao do codificador convolucional; Diviso dos 456 bits obtidos na sada do codificador em 8 sub-blocos; Espalhamento dos 8 sub-blocos em 4 burst consecutivos segundo a regra: 4 primeiros sub-blocos nos bits de ordem par dos 4 bursts 4 ltimos sub-blocos nos bits de ordem impar dos 4 bursts 121 Comunicao sem fios GSM 184 bits de sinalizao184 bits 40 bitsparidade456 bits codificados4Codificao de canais de sinalizao Apresentam-se a seguir de uma forma esquemtica a caracterizao dos cdigos de blocos usados externamente e cdigos convolucionais internos aplicados para cada tipo de canal. Cdigos de blocos Tipo de canal Polinmio gerador TCH/F 13 ++ xx SACCH, FACCH, SDCCH, BCCH, PCH, AGCH, DCCH e CCH )1)(1( 31723 +++ xxx RACH )1( 2356 +++++ xxxxx SCH )1( 2456810 +++++++ xxxxxxx122 Comunicao sem fios GSM Cdigos convolucionais Cdigo Polinmio gerador G0 134 ++ dd G1 134 +++ ddd G2 124 ++ dd G3 1234 ++++ dddd G4 12356 ++++ dddd G5 1245 +++ ddd G6 12346 +++++ ddddd 123 Comunicao sem fios GSM Cdigos internos versus tipo de canal Tipo de canal Cdigo TCH/F I (voz) G0,G1 TCH/F II (voz) Nenhum TCH/H I (voz) G4,G5,G6 TCH/F II (voz) Nenhum TCH/F 14.4 G0, G1 TCH/F 9.6 G0, G1 TCH/F 4.8 G1, G2, G3 TCH/H 4.8 G0, G1 TCH/F 2.4 G1, G2, G3 TCH/H 2.4 G1, G2, G3 FACCH G0, G1 SDCCH, SACCH G0, G1 BCCH, AGCH, PCH G0, G1 RACH G0, G1 SCH G0, G1 124 IntroduoNormaETSI sries 1 a 12Proteco do canal adjacente (dB)60Potncia mxima do mvel(W) 8 (+39 dBm)NormaETSI sries 1 a 12Proteco do canal adjacente (dB)60Potncia mxima do mvel(W) 4Organizao/estruturaMotivos para realizao de HandoverCritrios no HandoverCanais LgicosTCH/FS+FACCH/FS+SACCH/FS;

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