GSM
Global System for
Mobile communications
Universidade do Algarve
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento de Eng.ª Electrónica e Informática
Redes sem Fios 2005/2006
Elaborado por:
João Carvalho – 20058
Marco Santos – 20610
Assuntos a abordar

História do GSM

Arquitectura da rede GSM

Serviços disponíveis

Aspectos da rede

Interface de rádio
História do GSM





Necessidade surgiu na Europa nos anos 80
Especificação completa em 1990
Implementado em 1991 – 1ª rede foi a Radiolinja na
Finlândia
Em Portugal surgiu em 1992
É actualmente o sistema dominante a nível de
telecomunicações móveis, tendo mais de mil
milhões de utilizadores em todo o mundo, divididos
por mais de 200 países
História do GSM (2)

Redes de 1ª Geração
 Os equipamentos estavam limitados a operar apenas num dado
país
 O mercado de cada equipamento era limitado, o que fazia com
que os custos fossem elevados

Objectivos do GSM:
 Boa qualidade de som
 Suporte para utilização no estrangeiro (roaming)
 Suporte para terminais portáteis
 Fornecer novos serviços e com melhor qualidade
 Eficiência a nível de frequências
 Baixo custo de equipamentos móveis e infra-estruturas
 Compatibilidade com outros sistemas
História do GSM (3) –
Evolução dos equipamentos
Arquitectura da rede GSM
Arquitectura da rede GSM
MS – Mobile Station

Um MS – Mobile System, é composto
por:


Telemóvel ou outro equipamento
similar
Cartão SIM (Subscriber Identity
Module)



É um programa que é executado num
UICC (Universal Integrated Circuit
Card)
Guarda mensagens, lista telefónica,
preferências do utilizador, e
informações relativas ao estado e
subscrição de serviços da rede
Número de série associado a cada
SIM
Arquitectura da rede GSM
Base Station Subsystem (BSS)


Faz o interface com o MS
É composto por:

Base Transceiver Station (BTS)



Contém transceivers, antenas, e
equipamento de
encriptação/desencriptação
É normalmente colocado no centro de uma
célula (a sua potência de transmissão
define o tamanho da célula)
Base Station Controller (BSC)


O BSC controla um grupo de BTS,
normalmente dezenas ou mesmo centenas
Um BSC é responsável por alocação de
canais de rádio, frequency hopping ,
handover entre BTS e comunicação do MS
com o MSC
Arquitectura da rede GSM
Network and Switching Subsystem (NSS)

É o “core” do sistema GSM

Comporta-se como um PSTN (Public Switched Telephone Network)
implementando ainda funcionalidades relativas ao utilizador do MS
tais como registo, autenticação, registo de localização, handover, e
encaminhamento de chamadas para uma rede de outro país
(roaming)

Pertence a um operador especifico e a sua principal função é gerir
as comunicações entre os terminais móveis e outros operadores,
tais como operadores móveis (da mesma ou de outras redes),
operadores de rede fixa
Arquitectura da rede GSM
Componentes do NSS  MSC

É composto por:

Mobile services Switching Center (MSC)







É o componente principal do NSS
Gere as comunicações e implementa os serviços do GSM (voz, dados,
fax, SMS, desvio de chamadas, etc.)
Está conectado a redes fixas e outros MSC de modo a providenciar
handover e roaming
Gateway MSC  MSC que faz a ligação com outras redes. Todas as
comunicações entre essas outras redes e o cliente GSM são
reencaminhadas pelo GMSC
Visited MSC  MSC onde um dado cliente está ligado
Anchor MSC  MSC de onde o processo de handover é iniciado
Target MSC  MSC de destino no processo de handover
Arquitectura da rede GSM
Componentes do NSS  MSC (2)

O MSC é responsável por:






Encaminhar as chamadas de/para os subscritores
baseando-se em informações na VLR
Fazer a entrega de SMS (Short Message Service) do
subscritor para o SMSC (Short Message Service Center) e
vice versa
Tratar dos handovers de BSC para BSC
Tratar dos handovers da MSC actual para outra
Suportar serviços como chamada em espera ou chamada
em conferência
Recolher informação de cobrança de serviços
Arquitectura da rede GSM
Componentes do NSS  HLR

Home Location Register (HLR)

HLR é a base de dados central que contem informação
relativa a todos os subscritores autorizados da rede GSM
do NSS

Para isso guarda informação de todos os SIM do operador

Esses dados são por exemplo os números de telefone
associados (pode ter vários) ou serviços subscritos

Essa informação fica armazenada no HLR enquanto o SIM
for cliente dessa rede
Arquitectura da rede GSM
Componentes do NSS  VLR

Visitors Location Register (VLR)


É uma base de dados temporária com registos dos utilizadores da rede
que estão na zona de cobertura daquele MSC (normalmente está
integrado no V-MSC)
Contém dados como:







IMSI (International Mobile Subscriber Identity) – número do SIM
Dados de autenticação
MSISDN (Mobile Station Integrated Services Digital Network) - número de telefone
do subscritor
Serviços GSM disponíveis para o subscritor
Endereço HLR do subscritor
Os dados podem provir do HLR ou podem ser recolhidos directamente
do MS
Principais funções:



Informar o HLR que o subscritor chegou à área coberta pelo VLR
Saber a localização do subscritor
Apagar o registo do subscritor quando este se move para outro VLR (ordem dada
pelo HLR), ou quando este passa um dado período inactivo (informa o HLR)
Arquitectura da rede GSM
Componentes do NSS  AUC, EIR e GIWU

Authentication Centre (AUC)



Equipment Identity Register (EIR)





É responsável pela autenticação de cada SIM na rede GSM (autenticação
normalmente feita ao ligar o telefone)
Gera uma chave encriptada para ser usada em todas as comunicações
naquela “sessão”
Normalmente integrado com o HLR
Tal como o AUC, serve para propósitos de segurança
Guarda um lista de IMEI (International Mobile Equipment Identity) que estão
banidos da rede ou que estão a ser monitorizados
Normalmente implementado juntamente com o AUC
GSM Interworking Unit (GIWU)



GIWU providencia uma interface para varias redes para transmissões de
dados
Durante essas transmissões, o utilizador pode comutar voz e dados
Tipicamente está implementado no MSC
Arquitectura da rede GSM
Operation and Support Subsystem (OSS)

Está conectado a componentes do NSS e aos BSC
de modo a controlar e monitorizar o sistema GSM

É responsável por controlar a carga de trânsito dos
BSS

Devido ao aumento do número de BS causado pelo
aumento de utilizadores da rede, algumas tarefas
de manutenção foram transferidas para as BTS de
modo a reduzir custos
Serviços disponíveis no GSM

Existem 3 tipos de
serviços:



Tele-serviços: tráfego de
voz
Serviços ao portador:
tipicamente transmissão de
dados em vez de voz.
Serviços suplementares:
criados para fornecer
funcionalidades adicionais
aos outros tipos

Tele-serviços



Os mais comuns são as
chamadas de voz
Chamadas de
emergência
Voice-mail
Serviços disponíveis no GSM (2)

Serviços de portador

São serviços de dados, taxa de
transferência varia entre 300 e 9600
bps
 GPRS (General Packet Radio
Service) trouxe taxas de
transferência mais elevadas
Exemplos:




Acesso à Internet
SMS



Permite ao subscritor enviar e receber
mensagens (até 160 bytes)
Transferência síncrona e
assíncrona de dados
Fax
Serviços suplementares
Complementam os serviços
de portador e voz
Exemplos:
 Chamada em espera
 Reencaminhamento de
chamada
 Barramento de chamada
 Grupos
 Restrição do envio da
identidade


Handover


Processo de transferência de uma ligação
activa (chamada telefónica ou sessão de
dados) de uma célula para outra
Pode ocorrer por 2 motivos:


O MS pode estar a captar um sinal melhor de
outra BS
A BS está cheia e não pode aceitar a ligação
Handover

Tipos de handover:




Entre canais do mesmo BTS
Entre BTS do mesmo BSC
Entre BTS do mesmo MSC mas de BSC diferentes
Entre BTS controlados por diferentes MSC
QoS no GSM
Aspectos da rede GSM

Um terminal GSM pode movimentar-se tanto em território
nacional como internacional, o que implica que as funções de
registo, autenticação, routing da chamada e actualização da
localização do terminal sejam um standard em redes GSM.

O facto de as redes estarem geograficamente distribuídas por
células implica a implementação do mecanismo de handover.

Estas funções são realizadas pelo Network Subsystem, através
do Mobile Application Part (MAP) implementado no topo do
protocolo SS7 (Signalling System No. 7).
Protocolo de Sinalização

O protocolo de sinalização do GSM está estruturado em 3 layers:



Layer 1: camada física;
Layer 2: camada de transmissão;
Layer 3: está divido em 3 sublayers no MS:
Protocolo de Sinalização – Layer 3

Radio Resources Management
•


Mobility Management
•

Tem como função estabelecer e manter uma canal de ligação estável e
ininterrupto entre o MSC e o MS;
O mecanismo de handover é também controlado pela camada RR;
Responsável pela localização e actualização da mesma assim como os
processos de registo (autenticação e segurança).
Connection Management

Tem como função estabelecer as chamadas requeridas pelo utilizador.
Tem 3 funções principais:
 Controlo da chamada: tem como funções estabelecer as chamadas,
a selecção do tipo de serviços (incluindo alternando entre serviços
durante a chamada) e terminar chamadas;
 Controlo dos serviços suplementares: permite as modificações e
verificações dos serviços suplementares;
 Controlo do SMS (Short Message Services): fornece os serviços
SMS aos terminais móveis.
Radio Resources Management

É a camada que estabelece uma ligação, rádio e fixa, entre o MS e o MSC. Os
meios envolvidos são o MS, o BSS e o MSC;


Estabelecimento e alocação dos canais rádio na interface Um;
Estabelecimento da ligação entre a interface A e o MSC;

Os processos de Handover são também controlados nesta camada envolvendo
o MS e o BSS e num plano secundário o MSC;

Tem em atenção uma sessão RR, que é o tempo que um MS está em modo
dedicado assim como a configuração dos canais de rádio, incluindo a alocação
de canais dedicados;

Uma sessão RR é sempre iniciada pelo MS através do processo de acesso:



Saída de chamadas;
Resposta a uma mensagem de paging*;
Controla também o power control, transmissão contínua e descontínua e timing
advance.
Paging: aviso de chegada de chamada para um MS.
Mobility Management – Localização

A localização é feita através de processos que permitem ao sistema
saber a localização corrente de um MS para que as chamadas enviadas ao
mesmo possam ser correctamente encaminhadas.

Quando um MS se move para uma nova área de localização tem de se
registrar com a rede para indicar a sua localização.
 Uma mensagem de update de localização é enviada para o novo
MSC/VLR que grava a informação da área de localização, e depois
envia a informação da localização ao HLR do subscritor do serviço.
 Se o subscritor for válido, o HLR envia um subset da informação do
subscritor, necessário para o Call Control, para o novo MSC/VLR e
envia uma mensagem ao antigo MSC/VLR para cancelar o registo
antigo.

Um outro processo relacionado com o update da localização é o IMSI
(International Mobile Subscriber Identity) attach e detach.
 O detach permite à rede saber que o MS está fora de alcance,
evitando assim que a alocação de canais e o envio de mensagens de
paging;
 O attach é similar ao processo de update da localização, informando
a rede que o terminal está dentro de alcance novamente.
Mobility Management - Aspectos de
autenticação e segurança




A cada subscritor é fornecida um código secreto em que uma cópia do
mesmo é guardado no SIM e outra no AuC.
Durante a autenticação, o AuC gera um número aleatório que envia para o
MS. O MS e o AuC usam esse número aleatório em conjugação com o
código secreto do subscritor e o algoritmo de encriptação A3 para gerar um
SRES (Signed Response) que é enviado depois para o AuC pelo MS.
Se o número enviado pelo MS for o mesmo que o calculado pelo AuC,
então o subscritor é autenticado.
Outro nível de segurança é feito no próprio equipamento móvel. Cada MS
tem um IMEI e uma lista de IMEIs na rede são guardados no EIR. A uma
query IMEI pode ser respondido para o EIR o seguinte:
 White-listed: o terminal tem permissão de se conectar à rede;
 Grey-listed: o terminal está sobre observação pela rede por possíveis
problemas;
 Black-listed: o terminal ou está classificado como roubado, ou não
corresponde a um tipo aprovado (o tipo de terminal correcto para uma
rede GSM). O terminal não está autorizado a conectar-se à rede.
Connection Management – Call Control
Call routing

Para aceder um MS é marcado o MSISDN (Mobile Subscriber ISDN), que inclui:

O código do Pais, que consiste em três dígitos (351);

O código nacional de destino, que identifica o operador do subscritor (91, 96, 93);

O International Mobile Subscriber Identity (IMSI), que identifica o subscritor no HLR;


Quando é feita uma chamada a um MS esta é dirigida ao GMSC. A informação retornada ao GMSC
quando este interroga o HLR sobre a informação de routing do subscritor é o MSRN (Mobile Station
Roaming Number):

Quando o GMSC questiona o HLR pelo MSRN do subscritor, o HLR (que guarda o apenas o
endereço SS7 do corrente VLR do subscritor) vai questionar o VLR do subscritor pelo seu MSRN
(alocado temporariamente para a chamada em questão).

O MSRN é retornado ao HLR que de seguida o retorna ao GMSC, que assim pode encaminhar a
chamada para o novo MSC;
No novo MSC o IMSI correspondente ao MSRN é guardado e o MS é paginado na sua localização
corrente.
TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity
Aspectos da Ligação Rádio

O ITU (Internacional Telecommunication Union),
alocou as bandas 890-915 MHz para uplink (MS
para BS) e 935-960 MHz para downlink (BS para
MS) para as redes móveis na Europa.

O GSM tem 3 frequências principais: 900 MHz,
1800 MHz, e 1900 MHz. Apenas depende do Pais
qual a frequência que é usada.
Aspectos da Ligação Rádio–
acesso múltiplo

O método usado pelo GSM para o esquema de acesso multiplo
é uma combinação do TDMA com o FDMA.

a parte FDMA divide a frequência de 25 MHz em 124
frequências.
 Cada uma destas portadoras são depois divididas em tempo
(burst period ≈ 0.577 ms).
 8 períodos burst são agrupados numa frame TDMA (aprox. 4.615
ms). Um canal físico é um período burst por frame TDMA.
 Os canais são definidos pelo numero e posição dos seus
períodos burst correspondentes. Podem ser:


Dedicados: são alocados a um MS;
Comuns: são usados pelos MS quando estes estão inactivos.
Aspectos da Ligação Rádio –
canais de tráfego

Um canal de tráfego (TCH – Traffic Channel) é usado para transportar voz e
dados.

São definidos usando uma multiframe de 26 frames (grupo de 26 frames
TDMA). Têm um tamanho de 120 ms.

Dos 26, 24 são usados para o tráfego, 1 é usado para o SACCH (Slow
Associated Control Channel) e o restante não é actualmente usado.

O TCH uplink e downlink estão separados por 3 períodos burst, evitando
assim que o MS envie e receba simultaneamente.
Aspectos da Ligação Rádio – canais de controlo


Os canais comuns podem ser
acedidos por MS em modo inactivo
ou dedicado.

São usados pelo MS em modo
inactivo para a troca do sinal de
informação requerida para este
passar a modo dedicado;

Se o MS está em modo dedicado
este vai verificar todas as BS
vizinhas para possível handover
ou obter outras informações;
Os canais comuns são definidos por
uma multiframe de 51 frames,
permitindo desta forma que os MS
dedicados que estão a usar a
multiframe
TCH
possam
ainda
monitorizar os canais de controlo. Os
canais comuns incluem:
Canais de
Controlo
Tipo
Funcionalidade
Broadcast
Control
Channel
(BCCH)
Broadcast
downlink
(BS para MS)
Broadcasts
contínuos no
downlink,
informação, sobre a
identidade da BS,
alocação de
frequências e
sequencias de
frequency-hopping.
Random
Access
Channel
(RACH)
Common
uplink
(MS para BS)
Canal Aloha usado
pelo MS para
requerer acesso à
rede.
Paging
Channel
(PCH)
Common
downlink
(BS para MS)
Usado para alertar o
MS para a chegada
de uma chamada.
Aspectos da Ligação Rádio –
codificação da voz

Sendo o GSM um sistema digital é necessário digitalizar a voz. O
método aplicado pelo GSM para codificar a voz é o RPE-LPC
(Regular Pulse Excited - Linear Predictive Coder) com um ciclo
Long Term Predictor.

Basicamente, a informação das amostras anteriores é usada para
advinhar a amostra corrente. Os coeficientes da combinação linear
das amostras anteriores e uma forma codificada do resíduo, a
diferença da amostra adivinhada e a actual, representam o sinal.
 A voz é dividida em amostras de 20 ms, cada uma codificada em
260 bits, num total de uma taxa de transmissão de 13 kbps.

Actualmente é utilizado o algoritmo de codificação de voz EFR
(Enhanced Full-Rate ), que fornece uma melhor qualidade de voz à
mesma taxa de transmissão de 13 kbps.
Codificação e Modelação do Canal

De forma a proteger o sinal, transmitido na interface de rádio, de erros o GSM
através de rotinas matemáticas que verificam a integridade dos dados.

Cada bloco de dados tem 260 bits por cada amostra de voz de 20 ms que são
divididos em 3 classes:

Classe Ia 50 bits – mais sensíveis a bit errors;

Classe Ib 132 bits – moderadamente sensíveis a bit errors;

Classe II 78 bits – menos sensíveis a bit errors;

Aos bits da classe la são adicionados 3 bits (Cyclic Redundancy Code) para a
detecção de erros. Se um erro for detectado, a frame e tida como corrompida e é
abandonada, sendo substituída por uma versão atenuada da frame recebida
anteriormente.

Estes 53 bits com os 132 da classe lb juntamente com 4 bits do tail sequence (num
total de 189 bits) são enviados a um codificador.

Cada bit de entrada é codificado em 2 bit de saída, baseados na combinação dos 4
bits anteriores. Desta forma o codificador retorna 378 bits, que somados com os
restantes 78 bits da classe II (que não estão protegidos) dão um total de 456 bits por
cada amostra de voz de 20 ms.

Para proteger a amostra dos burst errors os 456 bits da amostra são divididos em 8
blocos de 57 bits e esses blocos são transmitidos em 8 consecutivos time-slot bursts.
Uma vez que cada time-slot burst pode transmitir 2 blocos de 57 bits, cada burst
carrega tráfego de duas amostras de voz diferentes.
Equalização Multipath



À frequência de 900 MHz, as ondas rádio reflectem em todos os
edifícios, montanhas, carros e aviões. Também muitos sinais
reflectidos, cada com diferentes fases, podem chegar a uma
antena.
A equalização multipath é usada para extrair os sinais desejados
dos sinais reflectidos.
 Funciona encontrando o modo como o sinal transmitido
conhecido é modificado pela propagação multipath.
 Este sinal conhecido é a sequência de bits transmitida no meio
de cada time-slot burst.
A actual implementação do equalizador não está documentada
nas especificações do GSM.
Transmitida sem o equalizador
Transmitida usando o equalizador
Frequency hopping

Um MS tem de lidar com diferentes frequências:



Para transmitir;
Para receber;
Para monitorizar o time slot numa frame TDMA.

O GSM implementa os saltos em frequência, em que o MS e o MTS
transmitem cada frame TDMA em diferentes frequências.

É feito um broadcast ao algoritmo frequency hopping no BCC
(Broadcast Control Channel). Uma vez que o multipath é
dependente do portador de frequência, trocas de frequência ajudam
a minimizar este problema.
DTX – Transmissão Descontínua

Transmissão descontínua é um método que, aproveitando o facto de
uma pessoa falar menos de 40% durante uma chamada, desliga o
transmissor durante os períodos de silencio.
 Um benefício consequente deste método é a poupança de energia
no MS.

VAD (Voice Activity Detection)
 Tem de distinguir entre voz e ruído (uma tarefa bastante difícil
se tivermos em conta a voz de fundo);
 Por vezes uma má interpretação do sinal de voz com o barulho
leva a que o transmissor seja desligado durante uma
conversação;
 Por outro lado, se existir uma má interpretação do sinal de ruído
com o sinal de voz, levando a que o ruído seja confundido com
voz, leva a que a performance do DTX diminua drasticamente;
 Devido ao facto do GSM ser uma rede digital, quando o
transmissor é desligado no MS de origem, no MS de destino
nada se houve (silêncio total). Para assegurar ao MS de destino
que a chamada não caiu, é criado um comfort noise no MS de
destino através das características do background noise do MS
de destino.
Recepção Descontínua


É um método utilizado para poupar energia no MS
numa recepção descontínua.
O canal de paginação que é usado pela BS para
sinalizar a chegada de chamadas é estruturado em
sub-canais.


Cada MS necessita de escutar apenas o seu próprio subcanal;
Durante os sucessivos sub-canais de paginação o MS
pode entrar em standby, onde o consumo de energia é
muito reduzido.
Controlo de Potência

Existem 5 classes definidas de MS de acordo com o seu pico de
potencia de sinal:
 20, 8, 5, 2 e 0.8 watts.

Para minimizar a interferência co-canal e para poupar energia,
os MS e os MTS operam no nível mais baixo de potência que
mantenha uma aceitável qualidade de sinal.
 Usando menos potência de sinal traduz-se em menor gasto de
energia e um menor congestionamento entre todos os MS numa
célula.

Um MS mede a “força” do sinal ou a qualidade do sinal (baseado
no Bit Error Ratio) e envia essa informação para o BTC que
decide se e quando os níveis de potência têm de ser ajustados.
Referências bibliográficas

http://www.cs.ucl.ac.uk/staff/t.pagtzis/wireless/gsm/gsm1.html

http://www.iec.org/online/tutorials/gsm

http://ccnga.uwaterloo.ca/~jscouria/GSM/gsmreport.html

http://www.privateline.com/PCS/GSM0.html
Redes de 2ª Geração
GSM
FIM