2 – Arquitetura da rede GSM

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

Arquitetura da rede GSM.

- MS – Mobile Station – Estação móvel : formada pelo próprio aparelho celular, computador ou qualquer outro sistema de comunicação de voz ou dados (Equipamento Móvel). Necessita de um cartão SIM, que guarda seu registro na rede. - BSS – Base Transceiver System – Sistema de estação base : é capaz de se comunicar com as estações móveis e enviar informações para o sistema de comutação de rede, o NSS. - NSS – Network Switching System – Sistema de comutação de rede : processa informações através de interfaces e protocolos e gerencia o banco de dados. Assim, consegue interconectar a rede GSM com a rede pública (RTPC). - OMS – Operations and Maintenance System – Sistema de Operação e Manutenção : comanda os grupos de componentes.

 2.1 – Componentes

Componentes GSM.

2.1.1 – Estação móvel(MS)

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

2.1.1.1 - Equipamento Móvel - ME Cada equipamento móvel tem um número de identificação chamado identidade internacional do equipamento móvel (International Mobile Equipment Identity - IMEI). Esses números são armazenados no registro de identidade e equipamento (Equipment Identity Register - EIR), estudado mais a frente.É o próprio aparelho celular. São três tipos : - Veicular : geralmente uma antena na parte externa do veículo; - Estação Móvel Portátil : Composto por uma maleta. - Estação Móvel (handset) : Composto por um telefone de pequeno porte. Esses três tipos possuem características diferentes que fazem a comunicação da MS com a BSS depender do tipo de aparelho. A BSS, portanto, precisa saber qual é o tipo de aparelho para implementar a comunicação. Para resolver esse problema, a MS envia uma mensagem inicial que carrega as seguintes informações : - Revisão : identifica a fase do padrão GSM adotada. As fases mais recentes conseguem realizar todos os serviços das anteriores, mas o contrário não acontece. Logo, quando duas fases distintas se comunicam, os serviços implantados são os da fase mais antiga; - Algoritmo de Criptografia : diz qual é o algoritmo de criptografia usado na MS. Na fase 1 há somente o algoritmo A5, enquanto na fase 2 existem os algoritmos A5/0 e A5/7; - Capacitação de Freqüências : dependendo do padrão GSM adotado pela MS, o aparelho utiliza uma das faixas de freqüência - 850 MHz, 900 MHz, 1.800 MHz ou 1.900 MHz - , como citado no tópico “Padrão GSM”. A mensagem inicial deve, portanto, indicar em que faixa de freqüências será feita a comunicação.

Existem celulares que operam nas 4 faixas, num modo conhecido como modo quatro (quadri-mode); - Capacitação do Serviço de Mensagens Curtas (Short Message Service – SMS) : informa se a MS está preparada para receber ou enviar mensagens curtas;

2.1.1.2 - Módulo de Identidade do Assinante – SIM Esse módulo consiste em um cartão inteligente (smart card) que carrega informações essenciais para a identificação do assinante. Geralmente é um chip que se conecta ao telefone celular. O processamento dos serviços e suas tarifações são realizados a partir das informações contidas nesse chip, e não no aparelho celular. Sendo assim, o assinante pode retirar seu chip, encaixar em outro aparelho e realizar uma chamada com seu próprio número, o que será tarifado em nome do dono do chip. O SIM carrega as seguintes informações, cuja utilização será estudada mais adiante : - Identidade internacional do assinante (International Mobile Subscriber Identity – IMSI); - Identidade temporária do assinante (Temporary Mobile Subscriber Identity – TMSI); - Identidade da área de localização (Location Área Identity – LAI); - Chave de autenticação do assinante (Subscriber Authentication Key – Ki); - Número internacional ISDN (Integrated Service Digital Network) da estação móvel (Mobile Station Integrated Servicer Digital Network – MSISDN).

2.1.2 – Sistema de estação base (BSS)

O sistema de estação base é responsável por conectar a MS com o sistema de comutação de rede (NSS). A MS envia um sinal à BSS, que o capta e dele extrai as informações. Essas informações são enviadas à rede. No outro sentido, a BSS recebe os dados vindos da rede, e constrói um sinal cujas informações a MS é capaz de extrair. A BSS é formado por três elementos. Um para captar sinais da MS e enviar outros para a mesma, outro para comandar o primeiro e se comunicar com a rede. O terceiro auxilia o segundo na comunicação com a MSC. Os três estão detalhados abaixo : 2.1.2.1 – Estação transceptora base (BTS) A BTS (Base Transceiver Station) implementa conexões com as MSs através da interface aérea. É formada por Hardware de radiofreqüência e antenas, basicamente. Essas estações ficam sempre ligadas ao BSC, e ambos controlam gerenciam os canais de tráfego.

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

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

2.1.3 – Sistema de comutação de rede (NSS)

O sistema de comutação de rede é reponsável por : - Comutar os canais de comunicação entre duas BSSs; - Controlar e gerenciar a mobilidade dos usuários; - Armazenar e consultar a base de dados dos assinantes. Os elementos desse sistema são estudados a seguir.

2.1.3.1 – Central de comutação celular (MSC) A MSC (Mobile services Switching Center) é o “coração” do sistema de comutação de rede. Possui as seguintes funções : - Processar chamadas, ou seja, conectar e desconectar chamadas, promover handover entre BSSs e MSCs; - Supervisionar, manter e operar as bases de dados. - Gerenciar as interfaces entre a rede GSM e outras redes, como a RTCP (rede pública) e a Rede Digital de Serviços Integrados – RDSI; - Tarifar os serviços. Para realizar todas essas funções, a MSC precisa estar conectada aos bancos de dados de todas essas informações. Dois componentes contém grande parte dessas informações : o HLR e o VLR.

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

2.1.3.3 – Registro de localização do visitante (VLR) Pode acontecer de um assinante passar para outra PLMN que não a sua de origem, o que

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

2.1.3.4 – Identidades de um usuário em um sistema GSM Para identificar um usuário em um sistema GSM usa-se algumas identidades, cujas estruturas e funções serão apresentadas agora:

2.1.3.4.1 – Identidade internacional do assinante móvel A identidade internacional do assinante móvel (International Mobile Subscriber Identity) identifica a MS internamente à rede GSM. É transmitido apenas na fase inicial da chamada. Não consiste no número que discamos para realizar uma chamada, e sim um número que identifica o assinante dentro da rede GSM. Para que a implementação seja mais fácil, esse número é parecido com o número que discamos (MSISDN, mencionado mais à frente). O IMSI é formado por três campos : - Código móvel do país (Mobile Country Code – MCC) : três dígitos (12 bits) que identificam a operadora de telefonia móvel em um certo país. - Código da rede móvel (Mobile Network Code – MNC) : dois (8 bits) dígitos que identificam a rede PLMN local do assinante móvel (por exemplo, Rio de Janeiro = 21); - Número de identificação do assinante móvel (Mobile Subscriber Identification Number – MSIN) : com até dez dígitos (40 bits), esse número identifica o assinante dentro de uma PLMN (por exemplo, 98876550). Veja que pode haver o mesmo MSIN em outra PLMN, associado a outro assinante.

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

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

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

1) Após o VLR adquirir os dados do HLR, começa a troca de informações entre a BSS e a MS. Caso a confidencialidade esteja prevista, o VLR aloca o TMSI, de quatro octetos; 2) Após alocar um TMSI, o VLR associa-o ao respectivo IMSI e guarda em uma tabela, em memória RAM ou flash; 3) As informações transmitidas pela BSS passam a ser direcionadas a esse número TMSI em vez do IMSI, o que evita o monitoramento pela interface aérea; 4) A MS passa a usar o TMSI também. O número TMSI com 32 bits iguais a 1 é usado como inválido pelo cartão SIM. O número TMSI é registrado no cartão SIM da MS.

2.1.3.4.4 – Número Internacional ISDN da estação móvel (MSISDN) O MSISDN (Mobile Station International Integrated Service Digital Network) é usado para integrar a rede GSM à rede pública. Formado por três campos, é o número que os usuários mais conhecem. Um campo informa o país de origem, outro a PLMN e outro o número do móvel. O MSISDN 552199988887, por exemplo, é do Brasil (código 55), da PLMN do Rio de Janeiro (21), com o número 99988887. Em diferentes PLMNs pode-se usar o mesmo número. É por isso que quando estamos viajando (ou seja, em outra PLMN) e discamos um número esquecendo de fazer uma ligação DDD – na qual informamos o código da PLMN - , a ligação cai em um número existente, mas dentro da PLMN em que somos visitantes.

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

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

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

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

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

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

A base de dados do EIR é organizada em listas de IMEIs, de acordo com os critérios abaixo : - Lista Branca : todos os IMEIs de MSs

habilitadas a usar a rede GSM; - Lista negra : IMEIs de MSs não habilitadas, como MSs roubadas ou clonadas; - Lista Cinza : IMEIs de MSs com algum problema temporário, como defeito do hardware ou em manutenção na rede autorizada, mas que, enfim, não justificam a presença na lista negra.

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

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

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

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

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

- OMC (R): controla o Subsistema de estação base (BSS) - OMC (S) : controla o subsistema de comutação de rede (NSS). A função do OMC é gerenciar as seguintes funções : - Eventos e alarmes; - Performance do sistema; - Configuração do sistema.

Em suma, o OMC define os principais parâmetros, para atuar em protocolos já implementados. 2.2 – Interfaces

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

Interface aérea (Um) : Interliga a MS e a BTS. É responsável por disponibilizar os canais físicos e lógicos aos assinantes móveis, para viabilizar o processamento de chamadas. Interface Abis : Conecta a BTS ao BSC. Permite controlar os equipamentos e a alocação de recursos na BTS. Interface A : Conecta a BSC e a MSC. Transporta os seguintes dados: - Gerenciamento do BSS; - Tratamento de chamadas; - Alocação de circuitos terrestres (canais de voz entre os elementos conectados); - Gerenciamento de mobilidade. Interface B : Conecta MSC e VLR. Gerencia a base de dados dos assinantes que estão usando a área controlada pelo MSC associado ao VLR. É responsável pela localização dentro da área da MSC, por atualizar o registro quando a MS visita outra área e por atualizar dados sobre os serviços suplementares (como ativação ou desativação de chamada em espera, número escolhido para transferência temporária de chamadas, etc.) Interface C : Conecta MSC e HLR. É usado quando a MSC precisa de informações necessárias ao roteamento de chamadas ou ao envio de mensagens curtas (SMS). Interface D : Conecta HLR e VLR. É usada na troca de dados sobre a localização da MS. Provê a capacidade de um assinante realizar chamadas dentro de uma determinada área de serviço. Interface E : Interliga duas MSCs. Quando uma MS move-se da área de uma MSC para outra de outra MSC, durante uma chamada, um processo chamado handover permite que chamada não seja interrompida. A interface E executa esse

procedimento. Interface F : Conecta MSC e EIR. Verifica se a MS está ou não habilitada para usar os serviços da rede GSM, através do estado do IMEI da MS (guardado no EIR). Interface G : Interliga duas VLRs. É usado quando uma MS move-se de um VLR para outro, recuperando o IMEI e os parâmetros de autenticação guardados no VLR de origem. Interface R : Conecta a MS ao equipamento terminal de dados (Data Terminal Equipment – DTE), usada para conectar o computador pessoal à MS, com o objetivo de transmitir dados por pacotes. Assim pode-se integrar o sistema GSM a uma comunicação que use o protocolo TCP/IP, da Internet, por exemplo.

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

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

por ITC = 120 ms.

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

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

A arquitetura GPRS, implantada na geração 2.5G provê tráfego de dados por pacotes. Foram disponibilizados, para tanto, canais de transporte de dados no modo de comutação de pacotes, que serão estudados na sessão GPRS.

2.2.1.2 – Canais de controle (Control CHannel – CCH) Os canais de controle transportam informações de sinalização e controle entre a MS e a BTS. Tal como os canais de tráfego, são organizados em multiquadros, mas com 51 quadros TDMA. Da mesma forma que para os canais de tráfego, pode-se calcular a duração de um multiquadro de controle : 51 quadros x 8 ITCs x 577 µs por ITC = 235,4 ms.

Os canais de controle são divididos em três gupos : canal de controle dedicado, canal de controle comum e canal de controle por difusão. Grupo canal de controle dedicado (Dedicated Control CHannel – DCCH): Formado por canais associados a uma única MS, é responsável por validar a MS e estabelecer as chamadas. Os canais que o compõem são : - Canal de controle dedicado independente (Stand-alone Dedicated Control CHannel – SDCCH) : transfere dados de/para uma única MS durante o estabelecimento da chamada e a validação do móvel; - Canal de controle associado (Associated Control CHannel – ACCH) : É dividido em dois canais, o Slow ACCH (SACCH) e o Fast ACCH (FACCH). O primeiro transporta informações de medidas do enlace e controle de potência, enquanto o segundo é usado para mensagens de eventos, como informações sobre handover e autenticação, por exemplo. Esses canais “roubam” um intervalo do canal TCH e inserem suas informações. Trabalham nos enlaces direto e reverso. Grupo canal de controle comum (Common Control CHannel – CCCH) : Formado por canaisa que trabalham nos enlaces direto e reverso no estabelecimento de chamadas. Os canais que o compõem são : - Canal de busca (Paging CHannel – PCH): usado pela BTS para procurar uma determinada MS. - Canal de acesso aleatório (Random Acces CHannel – RACH) : usado pela MS para acessar a rede, o que pode acontecer a qualquer instante, originando uma chamada ou respondendo a um processo de busca; - Canal de acesso permitido (Access Granted CHannel – AGCH) : Quando a MS envia um pedido de acesso (pelo canal RACH), a BTS usa esse canal para associar os canais de controle dedicado (SDCCH ou SACCH) necessários; - Canal de notificação (Notification Channel – NCH) : Usado quando a BTS envia uma mensagem de notificação para um grupo de MSs ou em chamadas de voz por difusão. Grupo canal de controle por difusão (Broadcast Control CHannel – BCCH) : Formado por canais que operam apenas no enlace direto, ou seja, servem para difundir mensagens sobre a rede para as MSs. Os canais que o sompõem são : - Canal de controle por difusão (Broadcast Control CHannel – BCCH) : leva informações como identidade da célula, lista de células vizinhas, LAI, lista de freqüências usadas pela célula e indicador de controle de potência; - Canal de difusão para as células (Cell Broadcast CHannel – CBCH) : Usa o serviço de mensagens curtas (Short Message Services – SMS) para enviar a todas as MSs na área de cobertura de uma BTS informações como resultados de jogos, condições do trânsito, etc; - Canal de sincronismo (Synchronizing CHannel – SCH) : leva dados necessários ao sincronismo da comunicação, como o número do quadro TDMA e o código da BTS; - Canal de correção de freqüência (Frequency Correction CHannel – FCCH) : Usado pela MS para sintonizar-se na portadora de RF.

2.2.1.2.1 – Tipos de multiquadro de controle Como já mencionado, multiquadros são conjuntos de quadros. A organização dos quadros em

um multiquadro implementa a ordem das mensagens de controle, sendo assim a espinha dorsal da interface, em relação ao controle. Existem dois tipos de multiquadros de controle : um para os canais de controle dedicado (DCCH/8), e outro para canais de controle comum e por difusão (BCCH/CCCH).

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

Multiquadro DCCH/8

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

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

2.2.1.2.1 – Camada 3 (camada de rede) A camada de protocolos nível 3 implementa as seguintes funções : - Gerenciamento da radiofreqüência; - Gerenciamento da mobilidade; - Gerenciamento das conexões; - Comutação dos circuitos entre a rede GSM e as demais redes; - Controle dos serviços suplementares; - Controle dos serviços de localização. Três subcamadas compõem essa camada : gerenciamento dos recursos de rádio ; gerenciamento da mobilidade e gerenciamento de conexões. Gerenciamento de recursos de rádio (Radio Resource Management – RR) : - Aloca e libera o canal de RF; - Habilita a criptografia; - Controla potência; - Realiza handover de uma célula para outra. Gerenciamento de mobilidade (Mobility Management – MM) : - Registra a MS; - Verifica o usuário e a identidade do equipamento; - Verifica quais serviços estão associados ao usuário; - Autentica o usuário; - Realoca a identidade temporária do assinante (TMSI). Gerenciamento de conexões (Connection Management – CM) - formado por três entidades : - Controle de chamadas (Call Center – CC) : Estabelece, mantém e desconecta a chamada, além de controlar os serviços suplementares. - Serviços suplementares (Supplementary Services – SS) : Provê os serviços

suplementares, como transferência de chamadas, chamada em espera, etc. - Serviço de mensagens curtas (Short Message Service – SMS) : Controla o serviço de SMS.

2.2.1.2.1.1 – Estrutura das mensagens da camada 3 A estrutura das mensagens é definida pela Especificação GSM 04.08. - Campo discriminador de protocolo (Protocol Discrminator – PD) : identifica o protocolo que a mensagem da camada 3 está transportando. - Campo identificador de transação (Transaction Identifier – TI) : usado para determinar múltiplas conexões ou transações que ocorrem ao mesmo tempo. Define se a mensagem é de gerenciamento de rádio (RR), ou de mobilidade, seja sem a tecnologia GPRS (MM) ou para o serviço GPRS. - Campo tipo de mensagem (Message Type) : identifica o tipo da mensagem, RR, MM ou CM, como estudado anteriormente. - Campo outros elementos de informação (other Information Elementes – IE) : pode indicar o tipo de elemento de informação, o comprimento e um valor, se necessário. Abaixo estão descritos os tipos de elemento de informação. 2.2.1.2.2 – Camada 2 (camada de enlace) O protocolo da camada 2 da interface aérea usa procedimentos de acesso ao enlace do canal D modificado (Link Access Procedures on Dm-channel – LAPDm) para prover sinalização entre entidades da camada 3. Todos os canais de controle utilizam o LPDm, exceto o canal RACH.

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

2.2.1.2.2.1 – identificador de conexão do enlace de dados (DLCI) O DLCI é formado pelo identificador do ponto de acesso ao serviço (Service Access Point Identifier – SAPI) e pelo tipo de canal de controle. O SAPI é transportado no campo de endereço de cada quadro, e é definido na camada 3. A camada 1 indica o tipo de canal

em que a mensagem foi recebida. Combinando essas duas informações, a camada 2 define a qual a camada de enlace de dados deve ser entregue a mensagem. O SAPI pode assumir apenas dois valores : 0 ou 3. SAPI=0 : - Controle de chamada (CC); - Gerenciamento de mobilidade (MM); - Serviços suplementares (SS); - Gerenciamento de recursos de rádio (RR). SAPI=3 - Serviço de mensagens curtas (SMS)

2.2.1.2.3 – Camada 1 (camada física)

Representa o enlace físico entre MS e BTS, responsável por estabelecer, liberar e controlar as conexões. As principais funções são : - Controle de potência; - Definição dos canais físicos dedicados, ou seja, exclusivos; - Monitoramento da qualidade do sinal durante as chamadas; - Sintonização das freqüências; - Sincronização dos quadros TDMA; - Frequency hopping, processo no qual a freqüência é reajustada para outro valor; - Criptografia; - Associação entre canais lógicos e físicos; - Codificação para detecção e correção de erros; - Modulação. A figura abaixo mostra a representação esquemática em blocos da camada 1.

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

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

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

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

2.2.2 – Interface Abis A interface Abis é responsável por interconectar BTS e BSC. Deve possibilitar o uso de BTSs e BSCs de diferentes fabricantes, lembrando que cada BSC controla várias BTSs. É definida como um enlace digital terrestre de 2,048 Mbits/s, com as seguintes características padronizados : - Parâmetros físicos e elétricos; - Estruturas dos canais; - Processos de transferência de sinalização, configuração e controle; - Informações sobre operação e manutenção. É importante saber que a TS é formada por dois componentes físicos, o TRX (Transceiver) e BCF (Base Control Function, função de controle da BTS). O primeiro consiste em um quadro TDMA de uma portadora de RF, enquanto o segundo controla funções internas da BTS como os saltos em freqüência, a alocação de canais físico e lógico, etc. A interface Abis pode suportar três configurações internas das BTS distintas, conforme figura abaixo : - Um TRX; - Um conjunto de TRX, todas servidas pela mesma conexão; - Um conjunto de TRX, cada TRX com sua própria conexão física. A interface Abis é formada por um canal de tráfego (8, 16 ou 64 kbits/s), para transportar voz ou dados em um canal de RF, e um canal de sinalização (16, 32 ou 64 kbits/s), para transportar a sinalização entre BSC-MS e BSC-BTS.

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

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

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

2.2.2.3 – Camada 3 (camada de rede) Os procedimentos da camada 3 geram as mensagens de sinalização entre BSC e BTS. São eles : - Procedimentos de gerenciamento de tráfego : geram mensagens de sinalização sobre o tráfego de dados ou voz. Essas mensagens podem ser transparentes (no caso da BTS não alterar o campo da mensagem enviado pela MS) ou não transparente (campo formado entre a BTS e a

BSC, resultado de alguma operação na BTS de uma informação vinda da MS); - Procedimentos de gerenciamento de rede : geram mensagens para gerenciar a rede; - Procedimentos de gerenciamento da camada 2 : geram mensagens para gerenciar a camada de enlace de dados (LAPD); - Distribuição do canal no enlace de sinalização : distribui as mensagens para o canal físico correto, de acordo com o identificador de enlace.

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

2.2.2.4 – Camada 2 (LAPD) A camada 2 da interface Abis deve garantir a integridade das informações de sinalização transmitidas pelo canal D. Utiliza o protocolo LAPD, formado por procedimentos de camada de enlace de dados, que se baseiam no protocolo de enlace de dados de alto nível (High level Data Link Control – HDLC) padronizado pela norma ISO3309. Os procedimentos adotados pela camada 2 são : - Sinalização, inclusive as relativas ao serviço SMS; - Operação e manutenção; - Gerenciamento da camada 2. Suas principais funções são : - Supervisionar enlaces ininterruptamente, mesmo sem tráfego de mensagens; - Prover enlaces dedicados; - prover enlaces transparentes; - Manter o enlace ativo quando não há mensagens de sinalização, incluindo informações de preenchimento; - Controlar a seqüência de mensagens; - Controlar erros, inclusive os não recuperáveis por retransmissão da mensagem.

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

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

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

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

O modelo de sinalização da interface A está representado abaixo.

O subsistema de aplicação do sistema de estação base (Base Station System Application Part – BSSAP) é uma aplicação do SCCP usado para transferir mensagens da camada 3 relacionadas a transação de dados. É dividido em duas aplicações, o subsistema de gerenciamento de aplicações do BSS (BSS Management Application Part – BSSMAP) e subsistema de transferência direta de aplicações (Direct Transfer Application Part - DTAP). O BSSAP realiza os seguintes procedimentos : - Mensagem inicial da MS; - Atualização da classe de potência; - Busca da MS; - Desconexão; - Controle de fluxo; - Indicação de recursos; - Indicação, alocação e execução do handover; - Controle do modo de criptografia; - Bloqueio de circuitos; - Alocação de canais. A aplicação DTAP transfere mensagens direto da MSC para a MS. A BSS, portanto, não interpreta essas mensagens (são ditas transparentes). São mensagens de controle de chamadas (CC) e gerenciamento de mobilidade (MM). A aplicação BSSMAP transfere mensagens da MSC para a BSS que precisam de interpretação da SS.

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

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

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

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

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

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

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

Camada 2 da interface A.

As funções do MTP são divididas em : - MTP nível 1 : enlace de dados de sinalização; - MTP nível 2 : enlace de sinalização; - MTP nível 3 : rede de sinalização. Através do nível 3 do MTP, a interface A: - Trata as mensagens de sinalização : para uma transferência de mensagens, endereçam a mensagem ao enlace de sinalização; - Gerencia a rede de sinalização : tendo uma base de dados preestabelecidos e informações sobre o estado da rede, controla o caminho das mensagens e a configuração da rede. Caso haja mudança no estado da rede, também reconfigura o que for necessário. Através do nível 2 do MTP, a interface A: - Delimita as mensagens; - Detecta e corrige erros; - Executa o alinhamento inicial das mensagens; - Supervisiona erros no enlace de sinalização; - Controla o estado do enlace; - Controla o fluxo de informação.

2.2.3.3 – Camada 1 É formada pelo nível 1 do MTP que define as características físicas e funcionais do enlace de dados de sinalização e o meio pelo qual pode-se acessá-lo. A função do nível 1 do MTP é permitir o acesso ao enlace de dados de sinalização. É composto por canais de transmissão, que carregam informações, e blocos de comutação digital, que fazem a interface com o nível 2. 2.3 – Protocolos GSM O sistema GSM utiliza a idéia de camadas de protocolos, no qual um processo é tratado por uma seqüência de protocolos, cada um em um nível hierárquico. A figura abaixo ilustra os protocolos do modelo de sinalização da rede GSM.

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

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

2.3.1.1 – MTP O MTP tem a função de estabelecer um caminho de comunicação de sinalização que interligasse os diversos subsistemas de usuários que necessitam de sinalizações uns dos outros. É, portanto, comum a todos os subsistemas de usuários. O MTP é dividida em três níveis : - Nível 1 : Camada física, responsável pela padronização das características físicas e funcionais do enlace de dados de sinalização, e o meio para acessá-lo. O meio de transmissão digital tem taxa de transmissão de 64 kbits/s; - Nível 2 : Camada de enlace, que garante a integridade do enlace usado na comunicação. Corrige e detecta erros, delimita as mensagens, controla a seqüência das mensagens enviadas, entre outros; - Nível 3 : Camada de rede, que trata as mensagens de sinalização, encaminhando-as para o

destino certo, e gerencia a rede, garantindo que os caminhos possam ser traçados da origem ao destino.

2.3.1.2 – UP (nível 4) Define funções específicas para cada tipo de usuário, como telefonia, dados, RDSI, ou outros. Cada tipo de usuário tem suas particularidades, tendo que ser tratado por protocolos diferentes ao integrarem-se à rede. Abaixo a figura ilustra os subsistemas de usuários. - Subsistema de usuário para a rede digital de serviços (Integrated Service Digital Network User Part – ISUP) : Integra a rede RDSI à rede GSM; - Subsistema de aplicação do sistema de estação base (Base Station System Application Part – BSSAP) : conecta a BSS à MSC; - Subsistema de aplicação da capacitação de transações (Transaction Cpabilities Application Part – TCAP) : oferece serviços não orientados à conexão; - Subsistema de controle de conexão de sinalização (Signaling Connection Control Part – SCCP) : fornece funções adicionais ao MTP para serviços orientados ou não à conexão (veja o tópico “Camada 3 “ da interface A).

2.3.2 – Protocolo de gerenciamento da estação transceptora base (Base Transceiver Station Management – BTSM) Responsável pelo tratamento de mensagens de recursos de rádio (Radio Resources – RR), que podem ser transparentes à BTS.

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

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

3 – Tecnologia GPRS Com a evolução da internet, os usuários de telefones móveis não ficariam satisfeitos apenas com a telefonia celular. Querem também passar e-mails, receber informações, e outros serviços oferecidos pela internet. Querem, em suma, acessar a internet através do celular. O problema é que a segunda geração de celulares preparou-se para oferecer telefonia digital, mas não para acessar à internet. A internet transporta dados por pacotes, através do protocolo IP e para que a rede móvel seja adaptada à internet, é preciso que os dados sejam organizados também em pacotes. Foi criada então a tecnologia GPRS (General Packet Radio Services), cuja essência é possibilitar o tráfego de dados por pacotes para que a rede de telefonia celular possa ser integrada à internet. O sistema GSM com o GPRS integrado recebeu o nome de geração 2.5G, que foi uma evolução essencial nas telecomuniucações.

3.1 – Comutação de circuitos X comutação de pacotes A comunicação através de comutação de circuitos é feita basicamente da seguinte forma : uma conexão entre as duas entidades comunicantes é alocada, de forma a estar sempre disponível; a comunicação é feita, então, de forma ininterrupta. A comunicação por comutação de pacotes é diferente : a origem envia uma informação para a rede dentro de um pacote, que leva o endereço de destino no seu cabeçalho. O pacote é então transmitido pela rede, que é responsável por escolher o melhor caminho até o destino. A internet é baseada na comutação de pacotes, enquanto o sistema GSM foi inicialmente estruturado na forma de comutação de circuitos. A rede GPRS tem o objetivo de se comunicar por comutação de pacotes com a rede GSM. Os outros componentes da rede GSM, implementados na geração 2G, continuaram utilizando a comutação de circuitos. A figura abaixo representa a comutação de circuitos e de pacotes na rede GSM:

3.2 – Arquitetura GPRS A arquitetura GPRS utiliza toda a estrutura já montada na rede GSM, incluindo-se novos elementos de rede e interfaces, além de modificar alguns já existentes, como mostra a figura a seguir.

As principais modificações foram : - MS : as MSs da geração 2G não conseguem acessar o sistema de comutação por pacotes. As novas MSs são totalmente compatíveis com o sistema de comutação de circuitos; - BTS : Atualização de software nas BTSs existentes; - BSC : Atualização de software e instalação de hardware novo, chamado PCU (Packet Control Unit – unidade de controle de pacote), que direciona o tráfego de dados para a rede GPRS; - SGSN e GGSN : novos elementos de rede, chamados servidor do nó de suporte GPRS (Serving GPRS Support Node – SGSN) e Gateway do nó de suporte GPRS (Gateway GPRS Support Node - GGSN); - VLR, HLR, AuC, EIR e demais bases de dados : atualização do software que forneça as funções do GPRS.

3.2.1 – Novos elementos e serviços

3.2.1.1 – Unidade de controle de pacote (Packet Control Unit - PCU) Todos os BSCs exigem a instalação de um PCU para se integrarem à rede GPRS. Os PCUs organizam os dados vindos da BSC em pacotes e transportam-no até o servidor do nó de suporte GPRS (SGSN). O tráfego de voz continua sendo tratado como na geração 2G, ou seja, do BSS até a MSC.

3.2.1.2 – Servidor do nó de suporte GPRS (Serving GPRS Support

Node – SGSN) Tal como a MSC era o coração de uma rede GSM, o SGSN é o coração da rede GPRS. Em última análise, o advento do GPRS dividiu o tráfego de voz e dados (que era junto, no sistema GSM) em tráfego de voz, que continua sendo tratado como antes, e tráfego de dados, tratado pela nova arquitetura GPRS. As funções do SGSN são : - Detecção de novos usuários GPRS na área de serviço; - Registros de novos usuários; - Criptografia, com os mesmo algoritmos da rede GSM 2G; - Manutenção dos registros de localização dos usuários na área de serviço; - gerenciamento de mobilidade; - Compressão dos dados de acordo com a RFC 1144, para comprimir o cabeçalho das unidades de dados TCP/IP; - Tarifação das transações na rede local; - Comunicação com o HLR, para obter dados dos usuários GPRS (da mesma forma que a MSC, na geração 2G).

3.2.1.3 – Gateway do nó de suporte GPRS (Gateway GPRS Support Node – GGSN) Provê a conexão com as redes de pacotes externas. As principais funções são : - Manter informações de roteamento para entregar as unidades de protocolo de dados (Protocol Data Unit – PDU) ao SGSN que serve uma determinada MS; - Associar endereços de rede aos assinantes, o que é feito através do protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol – protocolo de configuração dinâmica de host); - Tarifar as transações feitas na rede externa. Quando um usuário tenta acessar a rede, o servidor DHCP aloca um IP por um intervalo de tempo determinado, o que é chamado atribuição dinâmica de endereço IP.

3.2.1.4 – Serviço “Nome do ponto de acesso” (Access Point Name - APN) Basicamente, APNs são endereços IP associados a cada interface externa que conecta a rede ao GGSN. São usados para definir quais serviço podem ser acessados por um certo usuário. Consiste de: - Identificador de rede APN (Network ID) : identifica o GGSN e o nó externo ou serviço ao qual o usuário deseja se conectar; - Identificador da operadora APN (Operator ID) : campo opcional que identifica em qual rede backbone GPRS o GGSN está localizado. Inclui o código da rede móvel (Mobile Network Code – MNC) e o código móvel do país (Mobile Country Code – MCC), derivados do IMSI (ver tópico “Identidades de um usuário em um sistema GSM”).

3.2.2 – Interfaces As interfaces do sistema GPRS estão esquematizadas na figura que mostra a arquitetura GPRS, e descritas na tabela abaixo.

3.2.3 – Redes backbone GPRS As redes backbone GPRS transportam dados por pacotes entre os elementos GPRS. Uma rede backbone intra-PLMN transporta dados entre elementos de uma mesma PLMN, enquanto as redes inter-PLMN transportam pacotes entre PLMNs distintas. Sua principal utilidade é eliminar a necessidade de usar alguma PDN para realizar a comunicação entre elementos de

uma PLMN (intra PLMN) ou entre PLMNs distintas (inter PLMN).

3.2.4 – Protocolos Abaixo serão descritos, de forma simplificada, os protocolos principais da rede GPRS. É importante lembrar que, no nível de rede, a rede GPRS usa os protocolos da internet, TCP, UDP, IP, PPP, entre outros de interface com o computador. Abaixo a figura ilustra as camadas de protocolos na rede GPRS.

3.2.4.1 – Camada SNDCP O protocolo de convergência dependente da sub-rede (SubNetwork Dependent Convergence Protocol – SNDCP) é responsável por interfacear MS e SGSN, e visa o suporte aos protocolos de dados por pacotes. Recebe o N-PDU vindo da camada de rede, e transforma em SN-PDU, para passá-lo ao protocolo LLC. Nas figuras abaixo estão descritos os formatos da unidade SN-PDU.

3.2.4.2 – Camada LLC O protocolo de controle de enlace lógico (Logical Link Control – LLC) opera na interfaces aérea e Gb, para prover o enlace entre MS e SGSN. Suas funções são : - Encapsular dados da camada SNDCP em unidades tratadas pelo LLC; - Entregar os dados da camada RLC à SNDCP na ordem certa; - Criptografar; - Controlar o fluxo de dados e a seqüência de pacotes; - Detectar e corrigir erros.

3.2.4.3 – Camadas RLC/MAC A camada de protocolo de controle de rádio (Radio Link Control – RLC) segmenta os quadros LLC em blocos RLC, associando um número de seqüência por bloco (Block Sequence Number – BSN). A camada de protocolo de acesso ao meio (Medium Access Control – MAC) trata os diferentes canais lógicos a serem compartilhados por várias MSs. Sua principal função é definir como deve ser feito o acesso ao meio, o que corresponde à função da camada de enlace do modelo OSI. Provê também mecanismos que evitam colisões de dados por pacotes no enlace reverso, o que acontece quando várias MSs enviam pacotes para uma mesma BTS.

3.2.5 – Canais lógicos O canal físico dedicado ao serviço GPRS, portanto, destinado ao transporte de dados por pacotes, é o canal de dados por pacotes (Packet Data CHannel – PDCH). Os canais lógicos são divididos em três grupos : - Canais de controle comum de pacote (Packet Common Control CHannel – PCCCH); - Canais de tráfego de pacote (Packet Traffic CHannel –PTCH); - Canais dedicados de controle de pacote (Packet Dedicated Control CHannels – PDCCH). A figura abaixo ilustra os canais lógicos da arquitetura GPRS.

Grupo de canais de controle comum de pacote (Packet Common Control CHannel – PCCCH) : formado por canais lógicos de sinalização, usados por todos os usuários, e não de forma dedicada. Os canais são : - Canal de acesso randômico de pacote (Packet Random Access CHannel – PRACH) : atua no enlace reverso para que a MS sinalize o início do envio da informação; - Canal de busca de pacote (Packet Paging CHannel – PPCH) : atua no enlace direto, para buscar uma MS e pedir dela um pacote; - Canal de permissão de acesso de pacote (Packet Access Grant CHannel – PAGCH) : atua no enlace direto, para estabelecer a transferência de um pacote para a MS; - Canal de notificação do pacote (Packet Notification CHannel – PNCH) : atua no enlace direto, para enviar uma informação em

multicast para um conjunto de MSs; - Canal de controle broadcast de pacote (Packet Broadcast Control CHannel – PBCCH) : atua no enlace direto, para enviar em broadcast informações específicas sobre o sistema. Grupo de canais de tráfego de pacotes (Packet Traffic CHannel – PTCH) : formado por canais de tráfego. O canal de tráfego é chamado canal de tráfego de dados por pacote (Packet Data Traffic CHannel – PDTCH), que é dividido em dois canais unidirecionais, o PDTCH/U (Uplink), que envia pacotes no enlace reverso, e o PDTCH/D (Downlink), que envia pacotes no enlace direto. Grupo de canais dedicados de controle de pacotes (Packet Dedicated Control CHannels – PDCCH) : formado por canais lógicos que transportam informação de sinalização para uma MS específica. Os canais são : - Canal associado de controle de pacote (Packet Associated Control CHannel – PACCH) : leva informação de sinalização relacionada a uma determinada MS, como controle de potência, por exemplo; - Canal de controle de avanço de tempo de pacote do enlace reverso (Packet Timing advance Control CHannel/Uplink – PTCCH/U) : canal do enlace reverso, usado para estimar o avanço de tempo de uma MS específica, para transferência de pacotes. Esse avanço varia com a variação da distância da MS à BTS; - Canal de controle de avanço de tempo de pacote do enlace direto (Packet Timing advance Control CHannel/Downlink – PTCCH/D) : leva informações sobre avanço de tempo, da BTS para várias MSs. Cada PTCCHD/D está, portanto, relacionado a vários PTCCH/Us. Note que alguns canais lógicos GPRS possuem a mesma funções de outros canais da rede GSM, mas adaptados para a transferência de dados por pacotes. A seguir, alguns canais GPRS e os GSM correspondentes: PRACH e RACH, PPCH e PCH, PAGCH e AGCH, PNCH e NCH, PBCCH e BCCH. Dependendo da configuração da rede, os canais de controle GPRS podem ser substituídos pelo seu equivalente GSM.

3.2.5.1 – Mapeamento dos canais lógicos nos canais físicos Os canais lógicos PDCH são implementados no canal físico através da estrutura de multiquadro, de 52 quadros. A estrutura de um multiquadro está representada abaixo, onde os blocos de rádio carregam o canal lógico. A operadora pode especificar quais canais lógicos serão transportados em cada bloco.

 

4 – Tecnologia EDGE A tecnologia EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) caracteriza a geração 2.75G, posterior à 2G ou à 2.5G. Sua principal função é aumentar a eficiência do sistema GPRS, motivo pelo qual também é conhecida como GPRS Melhorado (Enhanced General Packet Radio Services – EGPRS).

As principais diferenças em relação à rede GPRS são : - Protocolos de acesso à interface Um com novas facilidades; - Modulação 8-PSK (8-state Phase Shift Keying); - Novos procedimentos de codificação de canal.

4.1 – Arquitetura EDGE A rede EDGE é idêntica à GPRS, exceto pela interface aérea. Apenas a MS e a BTS sofrem mudanças com o sistema EDGE, portanto. Essas mudanças visam suportar, principalmente, a modulação 8-PSK e os novos tipos de codificação. A interface aérea EDGE suporta as interfaces GSM e GPRS.

4.2 – Modulação 8-PSK A tecnologia EDGE utiliza as modulações GMSK, parte da GSM, e 8-PSK. A última é um novo esquema de modulação que usa 8 símbolos, definidos por 3 bits. A GMSK utiliza 1 bit, podendo gerar 2 símbolos diferentes. A importância dessa modulação é transmitir dados três vezes mais rápido que na GMSK, que transmitia a 270,833 kbits/s. A 8-PSK transmite, portanto, a 812,45 kbits/s.

4.3 – Codificação do canal O sistema EDGE utiliza nove esquemas de codificação do canal de voz. Cinco deles usam a modulação 8-PSK e os outros, a modulação GMSK. Os diferentes modos de se codificar os canais são, a verdade, otimizações visando a diminuição de erros e o aumento da taxa de transmissão de dados. Com esses esquemas novos, a mesma tecnologia GPRS teve seu desempenho melhorada em larga escala. A figura abaixo compara alguns parâmetros entre GPRS e EDGE.

4.4 – Principais diferenças entre as tecnologias GSM, GPRS e EDGE As principais diferenças entre essas fases da segunda geração de celulares está no transporte de dados e nas taxas de transmissão requeridas por cada um. A figura abaixo compara, resumidamente, GSM, GPRS e EDGE.

 

5 – UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Em 1989, a União Internacional de Telecomunicações (ITU, em inglês) divulgou através de um documento a visão para os sistemas de celulares futuros, chamados de terceira geração, 3G. Essa visão chamou-se IMT-2000 (International Mobile Telephony 2000) e, após ser divulgada, deu início a uma corrida para que fosse projetado um sistema que atingisse às suas necessidades. Um aspecto interessante do IMT-2000 é a divisão de ambientes para a operação do sistema, de forma hierárquica. A figura abaixo mostra essa divisão.

O IMT-2000 exigiu uma nova alocação do espectro de freqüências. No Brasil, a ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações) reservou a faixa de 1,9 GHz para os sistemas 3G. Diversas propostas foram então desenvolvidas para atender aos requisitos do IMT-2000. As propostas UTRA (Universal Terrestrial Radio Access) e WCDMA (Wideband CDMA) foram as selecionadas, junto com a CDMA2000. As propostas UTRA e WCDMA estão unificadas na mesma especificação, chamada UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). O objetivo era migrar os sistemas de celulares de segunda geração para os de terceira geração. O sistema GSM tem a evolução natural para UMTS, enquanto o sistema CDMA IS-95 evolui naturalmente para o CDMA 2000. A figura abaixo mostra a evolução histórica resumida dos sistemas de celulares.

5.1 – Arquitetura da rede UMTS A Arquitetura UMTS é formada pelos seguintes elementos : - Equipamento de usuário – (User Equipment – UE); - Rede de suporte (Core Network – CN); - Rede universal de acesso de RF terrestre (Universal Terrestrial Radio Access Network – UTRAN). A arquitetura UMTS utiliza a mesma rede de suporte dos

sistemas GPRS e EDGE, o que consiste numa estratégia de migração muito interessante, de fácil implementação. A principal diferença entre esses sistemas está nos protocolos e interfaces da interface aérea.

5.2 – Arquitetura UTRAN A arquitetura UTRAN é formada por subsistemas de rede de RF (Radio Network Subsystem – RNS), conectados à rede de suporte (CN). Essa conexão é feita pela interface Iu. Os subsistemas RNS integram os canais de RF UMTS à rede. Para implementar isso, existe a rede de suporte (CN). O subsistema RNS é formado por dois elementos : - Controlador da rede de RF (Radio Network Controller – RNC) : responsável por gerenciar recursos de radiofreqüência, controlar os nós B, localizar o equipamento de usuário (EU) e gerenciar a mobilidade do usuário; - Nó B (Node B) : Conecta a interface aérea com a infra-estrutura celular. É responsável por controlar os sinais de RF, realizar o espalhamento espectral dos códigos WCDMA, controlar os canais físicos e mapeá-los na portadora de RF. O RNC se conecta com a rede de suporte (CN) através da interface Iu, com outro RNC através da interface Iur e possivelmente com outras BSCs da rede GERAN pela interface Iur-g. A rede GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) é a rede até a geração 2.75, que inclui, portanto, GSM, GPRS e EDGE.

5.2.1 – Interface Iu Conecta CN e UTRAN. Suas principais funções são : - Interconectar o subsistema RNS com os pontos de acesso à rede CN dentro de uma PLMN, independente do fabricantes desses componentes; - Suportar todos os serviços UMTS; - Permitir o interfuncionamento com o sistema GSM.

5.2.2 – Interface Iur Permite a troca de informação de sinalização entre RNCs dentro de uma mesma UTRAN. Seus objetivos são : - Suportar interconexões de RNCs de diferentes fabricantes; - Separar as funcionalidades entre redes de RF e de transporte, para que novas tecnologias possam implementar mudanças nos dois aspectos de forma específica; - Realizar o interfuncionamento entre as redes UTRAN e GERAN.

   Referências - SVERZUT, J.R. - “Redes GSM, GPRS, EDGE e UMTS – Uma evolução a caminho da terceira geração (3G)”, Ed Érica, 2005; - M Rahnema - “Overview of the GSM system and protocol architecture”

- Communications Magazine, IEEE, 1993 - ieeexplore.ieee.org; - G Brasche, B Walke – “Concepts, services, and protocols of the new GSM phase 2+ generalpacket radio service” - Communications Magazine, IEEE, 1997 - ieeexplore.ieee.org; - J Cai, DJ Goodman - “General packet radio service in GSM” - Communications Magazine, IEEE, 1997 - ieeexplore.ieee.org; - T Ojanpera, R Prasad – “An overview of air interface multiple access for IMT-2000/UMTS” - Communications Magazine, IEEE, 1998 - ieeexplore.ieee.org; - http://images.google.com.br.