Conceitos Básicos
Bibliografia:
• Jochen Schiller: Mobile Communications, capítulos 2 e 3.
Modelo de Referência
Aplic.
Aplic.
Transp.
Transp.
Rede
Rede
Rede
Rede
Enlace
Enlace
Enlace
Enlace
Físico
Físico
Físico
Físico
Server
Gateway
© Markus Endler
2
Modelo de Referência
Principais funções:
 Camada Física: Geração da frequência portadora,
modulação, seleção de frequência, detecção de sinal,
filtragem
 Camada de enlace: Acesso ao meio, multiplexação,
correção de erros de transmissão, controle de fluxo,
syncronização enlace ponto-a-ponto confiável
 Camada de Rede: Encaminhamento de pacotes,
estabelecimento de uma conexão através de elementos
intermediários.
 Camada de Transporte: Estabelecimento/manutenção de
uma conexão fim-a-fim confiável
 Camada de Aplicação: Localização de servços, QoS,
caching, conversão de representações
© Markus Endler
3
Conceitos Básicos
Espectro de frequências:
Relação entre frequência f e comprimento de onda :
 = c/f, onde:
c é a velocidade da luz no vácuo (3*108 m/s)
© Markus Endler
4
Conceitos Básicos
Transmissão sem fio:
 Ondas de rádio (RF) e micro-ondas: de 1 MHz (Medium Frequency)
até 30 GHz (Super High Frequency)
 Infra-vermelho (IR):  3 THz
Banda/faixa de frequência:
 Cada tecnologia opera em uma banda (intervalo entre duas
frequências)
 maioria das bandas são reguladas (p.ex. Federal Communications
Commission nos EUA, European Conference for Post and
Telecommunications (CEPT), Anatel no Brasil)
 mas existem bandas que não requerem licenciamento
Exemplos:
 GSM (890-960 MHz, 1710-1880 MHz)
 Banda ISM (2.4 GHz - 5.2 GHz) para Wireless LANs
 Banda C para Satélites (2- 40 GHz)
© Markus Endler
5
Modulação
 para transmissão sem fio, o bitstream digital precisa ser primeiro
transformado em sinal analógico (baseband signal) e depois sofrer
uma modulação analógica para uma frequência portadora
(“carrier”)
Baseband
signal
01101
Modulação Digital
Modul. Analógica
carrier
 Modulação digital pode ser: por variação de amplitude (ASK:
amplitude shift keying”), frequência (FSK: frequency shift keying),
fase (PSK: phase shift keying), Pulse Code Modulation (PCM),
Quadrature PSK, Frequency Hopping (FH), Direct Sequence Spread
Sprectrum (DSSS)
© Markus Endler
6
Modulação
f1
Amplitude Shift Keying
f2
f1
Frequency Shift Keying
Phase Shift Keying (de 180 º)
© Markus Endler
7
Antenas
 Erradiam e recebem ondas eletromagnéticas (p.ex. um sinal modulado)
através do ar
 Transferem energia do transmissor para o meio (e vice-versa)
 podem ter diferentes padrões de propragação
 omnidirecional: em todas as direções
 direcional: em apenas uma direção
 setorizada: em 3, 6, etc. direções
omnidirecional
© Markus Endler
direcional
3 sector
8
Antenas
 O alcance é determinado por:
 Potência de transmissão
 Frequência de transmissão (taxa sinal/ruído)
 antenas direcionais têm maior ganho de energia
(concentra a potência de sinal irradiado em uma direção) e
conseguem uma transmissão a distâncias maiores
 A capacidade de comunicação é asimétrica
•Transmissão: receptor B pode também transmitir
• Deteção: sinal pode ser recebido, mas
não consegue se comunicar
A
© Markus Endler
B
• Interferência: sinal de A interfere na transmissão
9
Propagação: Problemas
 Reflexão e absorção
 depende do material, polarização, frequência, angulo de incidência
 em superfície terrestre, edificações, camadas atmosféricas, etc.
 Espalhamento/Difusão
 Ao incidir sobre um objeto em um determinado ângulo, uma onda
eletromagnética é decomposta em várias ondas “difusas” de
intensidade menor.
 Propagação Multi-caminho (“multi-path”)
 Reflexão em diferentes objetos pode causar recebimentos
defasados
 Atenuação
 decremento da intensidade média de sinal
 motivo: ondas que chegam fora de fase, com ângulos e amplitudes
diferentes, devido a reflexão e movimentação do emissor/receptor
e principalmente pela distância (perda de propagação).
 expoente de perda: 2 (ambiente aberto); 2.7 a 3.5 (área
edificada); 1.6 - 1.8 (indoor)
© Markus Endler
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Propagação
Técnicas para melhorar a eficiência da propagação:
 Aumentar potência de transmissão (pode não ser a melhor
solução, como por exemplo em sistemas CDMA)
 Equalização
 no receptor, compensa dispersão por multipath
 pode ser adaptativo: monitorando e compensando interferências
 Codificação de Canal
 adiciona bits de controle e redundância aos frames transmitidos
(FEC)
 Retransmissão (Automatic Repeat reQuest -ARQ)
 quando frame chega com erro, é retransmitido
 alternativas: stop-and-wait, go-back N, repetição seletiva
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Conceitos Básicos
Sistema de Rádio Digital:
F
Codificação
Fonte
Acesso
Múltiplo
Codificação
de canal
Modulação
Amplificação
+ frequência portadora
D
Decodificação
Fonte
Acesso
Múltiplo
Decodificação
de canal
Demodulação
Equalização
Filtro de
Rádio
- frequência portadora
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Conceitos Básicos
Técnicas de múltiplo acesso:
 Objetivo: Criar um mecanismo de controle de acesso ao
meio (banda), de forma a otimizar a utilização deste
recurso.
 Define “canais de comunicação” independentes
Quatro possibilidades básicas:
 FDMA (Frequency Division Multiple Access)
 TDMA (Time Division Multiple Access)
 CDMA (Code Division Multiplex Access)
 SDMA (Space Division Multiplexing)
Existe a possibilidade de combinar os mecanismos acima, de
forma a conseguir uma maior eficiência na utilização do
espectro. Exemplo: TDMA/FDMA amplamente utilizado
pelasEndler
operadoras de telefonia celular.
13
© Markus
Conceitos Básicos: FDMA
FDMA – Frequency Division Multiple Access (AMPS)
...
Max_freq
Min_freq
•
•
•
•
Cada canal carrega a informação de um unico usuário.
Os canais são subutilizados.
Requer bons filtros para evitar interferência de canal adjacente.
O sincronismo entre Fonte e Destino requer menor overhead
quando comparado com o TDMA.
• Exemplo: AMPS: 2 bandas com 833 canais de 30 kHz cada
© Markus Endler
14
Conceitos Básicos: TDMA
TDMA – Time Division Multiple Access
Max_freq
...
Min_freq
• O TDMA compartilha a banda disponível entre os usuários, dividindo-a
em time-slots.  transmissão dos dados é descontínua (bursts)
• Utiliza mais bits de sincronização e guarda se comparado ao FDMA
• Devido à característica de trasmissão em rajadas, existe um menor
gasto de bateria (transmite só durante o tempo de um time-slot)
© Markus Endler
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Conceitos Básicos
FDMA e TDMA combinados (Exemplos: IS-136, GSM)
Max_freq
portadora
...
Min_freq
• Esta técnica combina a divisão da banda em faixas menores
(portadora) que por sua vez é subdivida no tempo (time-slots).
• consequentemente tem-se uma melhor utilização do espectro.
• No GSM as 2 bandas de 25 MHz (Up/ Down Link) são divididas em
portadoras de 200 KHz cada, que por sua vez são subdivididas em 8
time slots de 4.615ms.
© Markus Endler
16
Conceitos Básicos: CDMA
CDMA – Code Division Multiple Access
Max_freq
Distância mínima
entre os
pontos de frequência
Min_freq
• Todos usuários transmitem na mesma banda (simultâneamente) o
dado codificado; e somente os detentores da chave conseguem
decifrar o dado (boa autocorrelação). Isso garante maior segurança.
• A capacidade não é fixa, dependendo da relação S/N do meio. É
eficiente quando utilizada para muitos usuários.
•Mesmo princípio usado nas técnicas de modulação Frequency
Hopping e Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
© Markus Endler
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Conceitos Básicos: SDMA
SDMA – Space Division Multiple Access
 Usado em redes celulares (células são áreas
irregulares em torno de uma antena)
 Atribuir faixas de frequência diferentes a regiões
(células) adjacentes, de forma a evitar a interferência
de sinal
 Para células distantes, pode-se reutilizar a faixa de
frequência
1
2
6
7
3
5
4
 Para isto, o alcance de transmissão da antena deve ser
bem
ajustado
18
© Markus
Endler
Redes Infra-estruturadas
Os sistemas de comunicação sem fio mais difundidos são as
redes (sistemas) celulares.  Orientados a circuitos ou
comutação de pacotes
 Estação Radio-Base (ERB): transmissor/receptor de baixa
potência + antena e possivelmente processador com
memória.
 Unidade Móvel (UM): dispositivo com transmissor/
receptor de baixa potência + antena + processador.
 Célula:
 área geográfica atendida por uma ERB
 teoricamente são áreas circulares centradas na ERB, onde a
potência do sinal decai quadraticamente com a distância à ERB
(teoricamente representados como hexágonos)
 menor sinal  menor relação sinal/ruído  menor taxa de
transmissão (decaimento quadrático)
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© Markus Endler
Espalhamento de Sinal
Técnicas de espalhamento de sinal:
 Em vez de transmitir em faixa estreita de frequência (e
com alta potência), transforma-se o sinal em faixa larga
de frequência (e baixa potência). A energia final p/ a
transmissão geralmente é igual.
 O receptor tem a capacidade de identificar sinal apesar
de interferências e transformar o sinal de faixa larga
para faixa estreita
P
P
f
P
f
P
f
P
f
f
 Principal vantagem: resistência a interferências de faixa
estreita
 Exemplos: Frequency Hopping e Direct Sequence
© Markus Endler
20
Conceitos Básicos: FH
Frequency Hopping:
 Banda de frequência total é dividida em vários canais de banda
menor + banda de separação
 Transmissor e receptor permanecem no mesmo canal (frequência)
durante certo tempo e depois “pulam” para outro canal, seguindo
uma hopping sequence pré-determinada requer sincronização
 Implementa FDM/TDM
 Exemplo de “Hopping lento” e “Hopping rápido” com 3 frequências
0
1
0
0
1
0
f1
f2
f3
td
© Markus Endler
td
21
Conceitos Básicos: FH
Frequency Hopping é uma das técnicas de modulação
usada em IEEE 802.11
Max_freq
Frequência
portadora
...
Min_freq
• um hopping code (pseudo-randômico) determina a frequência
portadora para cada time-slot
• quando é detectada uma colisão, retransmite-se o dado no proximo
slot
• há um limite para o # de transmissôes simultâneas
• Bluetooth: usa 79 portadoras com 1.600 hops/s
• Vantagem: evita interferência com transmissão em largura de banda
estreita
22
© Markus
Endler
Conceitos Básicos: DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum: Princípio de
funcionamento
Chipping Code [00010011100]
Dados: 101
11111111111, 00000000000, 11111111111
Code: 00010011100, 00010011100, 00010011100
Sequência transmitida:
00010011100, 11101100011, 00010011100
• a fonte codifica cada bit de dados de acordo com um chipping code
(que causa o espalhamento do sinal) e destino faz o “encolhimento”
usando o mesmo código
• espalhamento e encolhimento através de operação NOT XOR
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Conceitos Básicos: DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
Dados
NOT
XOR
Chipping
sequence
Sinal DSSS
Sinal transmitido
Modulação
carrier
• cada chipping codes têm baixa correlação com outros códigos, e com
variações “shiftadas” dó próprio código
• melhor razão signal-to-noise devido ao espalhamento
• quando code_f  code_d, então frequência relativa de 1s e 0s é igual
 possibilita detecção de erros
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24
Conceitos Básicos: Acesso
Múltiplo
Acesso Múltiplo por demanda:
(não em FDMA, TDMA, CDMA,  escalonamento prévio de
acesso do meio)
Categorias:
Com contenção vs. sem Conflito (ex. Token)
Com contenção:
 vários transmissores acessam canal sem alocação prévia
e se houver colisão, frame é retransmitido, portanto:
 existe um potencial atraso (não previsível) na transmissão
 menor eficiência espectral
 Existem 3 categorias de protocolos:
 acesso randômico (Aloha, 802.11)
 acesso escalonado (p.ex. Bluetooth)
 acesso híbrido
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Conceitos Básicos: Acesso
Múltiplo
Protocolos de Acesso Randômico:
ALOHA (U.Havaí)
 puro
 canal é acessado assim que msg está pronta
 ACK esperado em canal separado
 se colisão, transmissor não recebe ACK ou NACK, espera tempo
aleatório e tenta retransmitir
 com aumento do # de usuários  aumenta prob. de colisão
 Período de vulnerabilidade = 2 ( tempo de transmissão de 1
frame)
 Slotted ALOHA
 frames transmitidos em fatias de tempo
 Período de vulnerabilidade = 
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Conceitos Básicos: Acesso
Múltiplo
Carrier Sense Multiple Access (CSMA)
Idéia Central: monitorar tráfego no canal e só transmitir se
este estiver livre
Precisa considerar dois tipos de atrasos:
 Atraso de detecção: tempo para descobrir se canal está livre
 Atraso de propagação: tempo de transmissão de 1 frame (se for
longo, outra fonte pode achar que canal está livre)
 Existem várias variantes p/ tratamento de colisão:
 1-persistente: espera até canal estar livre e depois inicia
retransmissão
 não-persistente: espera tempo aleatório antes de retransmitir
 p-persistente (para canais com time-slots): se canal está livre,
transmite com probabilidade p, senão espera o próximo time-slot
© Markus Endler
27
Conceitos Básicos: Acesso
Múltiplo
Data Sense Multiple Access (DSMA)
(outro nome: Inhibit Sense Multiple Access)
 usado em redes CDPD
Ideia Central:
 ERB transmite sinal livre/ocupado em canal “downlink” para
todas as Ums
 UM transmite dados no canal “uplink” quando downlink
sinalizar (clear to send), e interrompe transmissão se
detectar colisão
© Markus Endler
28
Conceitos Básicos: Acesso
Múltiplo
Problemas de Acesso Múltiplo com Contenção:
1) Efeito da Distância (“near/far problem”):
 sinal do transmissor mais próximo chega ao destino com
maior intensidade (maior razão signal/ruído)
 eventualmente o transmissor mais afastado é ignorado, ou
tem chance menor de poder transmitir
2) Efeito dos Transmissores afastados (“Hidden Terminal
Problem”):
 Quando dois (ou mais) transmissores estão afastados e não
conseguem detectar a colisão
 O receptor comum recebe os sinais simultaneamente e não
é capaz de filtrar apenas 1 sinal
 Unica solução: Receptor deve arbitrar o direito de
transmissão no canal
© Markus Endler
29
Conceitos Básicos: Acesso
Múltiplo
CSMA/CA (=Collision Avoidance) usado em 802.11
Protocolo:
 transmissor difunde RequestToSend (RTS), indicando a
quantidade de dados que deseja transmitir
 Se receptor aceitar, este difunde um ClearToSend (CTS) com
indicação da quantidade (=RTS)
 Ao receber CTS, transmissor inicia a transmissão
 Qualquer outra UM que ouvir o CTS saberá que não deve
transmitir pelo menos pelo período que durar a transmissão (
quantidade de dados)
 Uma UM que ouve o RTS, mas não o CTS correspondente, sabe
que está suficientemente afastado do receptor, e assim poderá
transmitir no mesmo canal sem interferir na transmissão da outra
UM
 isto resolve o Hidden Terminal Problem
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30
Tipos de Interferência
Interferência ocorre quando dois (ou mais) canais estão
usando frequências muito próximas
Tipos:
 Interferência co-canal: uso da mesma frequência f em
diferentes células, quando
potência em f por ERB1 /  potência em f das células
vizinhas de ERB1) < limite
 Interferência Adjacente: devido à frequências próxima f
Devido a banda de frequência limitada, faz-se necessária o
reuso de frequências em células não vizinhas
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31
Handover (Hand-Off)
Na intersecção de células (“overlapping area”), uma UM se
comunica com a ERB com melhor razão sinal/ruído.
Enquanto o sinal/ruído estiver acima de um certo limite
aceitável, UM mantém enlace sem fio com ERB original.
Handover: Quando sinal/ruído cai abaixo de certo limite, UM
tenta estabelecer enlace com outra ERB
Esta negociação é feita através de Canais de
Controle/Sinalização
Signal/noise
Região de Handover
© Markus Endler
ERB1
ERB2
D (m)
32
Tipos de Handover
 Iniciados pela rede (Central de Controle e Comutação)
 primeiras redes celulares
 controle centralizado dos recursos das ERBs (rede tem visão
global)
 dificuldade: saber quando sinal/ruído está abaixo do aceitável
 depende de sinais de controle da UM
 Iniciados pela UM
 dificulta a pre-alocação de recursos nas ERBs
 dá mais flexibilidade de escolha à UM
 UM pode monitorar canais de controle de várias ERBs e escolher
a melhor
 Hand Over só ocorre quando realmente necessário (economia de
energia)
 Iniciados em Colaboração
 UM escolhe as ERBs candidatas, e rede escolhe a ERB com
menor carga (para provisão de QoS)
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33
Reuso
Distância de reuso (D) = distância mínima entre ERBs que
podem transmitir na mesma ferquência sem causar
interferência (co-canal)
 depende da potência de transmissão
Fator de Reuso (N) = é o número de células que precisam
transmitir em frequências diferentes
1
6
5
7
4
2
3
 D = R* (3*N), onde R = raio aproximado das células
 Exemplo: Canais efetivos em FDM: 416/7 = 59
© Markus Endler
34
Técnicas para
Aumento de Capacidade
 Divisão de Células:
 quanto menor uma célula, maior o número de canais efetivos em
uma mesma região
 para isto, instala-se mais ERBs que transmitem em baixa
potencia
 Setoriamento de Células: uso de antenas angulates
1
6
5
7
4
2
3
6
Setor B
2
Setor A
5
Setor C
3
Exemplo: B pode usar
mesma
freqência de celula 4
 Alocação dinâmica de canais: uma ERB com baixa
demanda pode “emprestar” canais a uma ERB com
muitos usuários
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35
Exemplo de Rede Celular
GSM/ GPRS
Visão Geral do GSM
GSM: Global System for Mobile Communications
• sist. celular de 2G usado em > 130 países
© Markus Endler
37
Subsistemas GSM
Subsistema de Rádio (Base station subsystem)
 tarefas: transmissão, codificação/decodificação
de voz, adaptação de taxa de comunicação
 Unidades Móveis (Mobile Stations)
 BaseTransceiver Station (BTS): antenas
amplificadores, processamento de sinal, etc.
 Base Station Controller (BSC): alocação de
frequências de rádio, handover entre BTSs
controladas por diferentes BSCs, paging das
UMs (notificação/atualização da localização)
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38
Subsistemas GSM
Subsistema de Rede e Comutação (Network
switching subsystem)
 Mobile services switching center (MSC): são
switches ISDN, que formam o “backbone” da
rede GSM
 Home Location Register (HLR): base de dados
de todos os assinantes (ID, serviços
contratados, chaves p/ autenticação)
 Visitor Location Register (VLR): armazena os
dados sobre usuários em roaming
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39
Subsistemas GSM
Subsistema de Operação:
 Operation and Maintenance Centre (OMC):
monitoramento de tráfego, gerenciamento de
assinantes e segurança, “accounting” e tarifação
 Authentication Centre (AuC): contém chaves e
augoritmos p/ autenticação
 Equipment Identity Register (EIR): contém
informações sobre todos os dispositivos
registrados (e os bloqueados pelos usuários)
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40
Protocolos do GSM
• Link Access Procedure (LAPDm): transmissão confiável sobre enlaces, controle
de fluxo e sequenciamento de frames
• Radio Resource Mngt (RR): setup e manutenção de canais de comunicação
• Mobility Mngt (MM): registro, autenticação, identificação de usuários e
atualização de informação de localização
• Call Mngt (CM): Call Control, SMS e Suplementary Services
41
© Markus Endler
GSM: Tipos de Handover
 Intra-cell: devido a uma interferência, BSC pode
decidir mudar de frequencia portadora (carrier)
 Inter-cell (intra-BSC): BSC aloca novo canal na
nova célula para UM
 Inter-BSC/intra-MSC: UM passa à área de
cobertura de outra BSC. Uma MSC trata do
handover.
 Inter-MSC: handover entre operadoras GSM; é
tratado entre MSC correspondentes
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42
Por que Comutação de
Pacotes?
Telecomunicações
• Transporte
• Serviços ISDN
• Chamadas com vídeo
• Banda Larga
Computer
• Acesso à Internet
• Pictures
• LAN Remota
• e-mail
• Voz sobre IP
Convegência
IP
IP
Serviços Móveis e
Pessoais
Móvel
Media
• Music
• Video sobre demanda
• Animação
• Infotainment
• Propaganda
© Markus Endler
43
GPRS: General Package Radio
Service
Aplicações e Serviços
 Serviços de Informação
 Acesso a Redes Corporativas
 Serviços Baseados em Localização
 Telemetria
 Logística
 Outras Tecnologias (SMS, WAP e Bluetooth)
Caracteríscicas:
 O usuário está sempre conectado. Não existe tempo de conexão
 Eficiencia de espectro
 Velocidade  até 171,2 kbps em 8 timeslots
 Velocidade real - 50 kbps
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44
GPRS: Aplicações
• Acesso seguro a redes corporativas
© Markus Endler
45
GPRS: Aplicações
GVM/JAVA
MMS
UMTS
Download
animações
WAP Browser
n.TOP
launching
GPRS
/EDGE
AOD/VOD
Karaoke
144K bps
MP3 download
)
Game
Picture-mate
CSD/
HCSD
Game-land
WAP
Chatting
64.K bps
14.4K bps
9.6K bps
GSM
On-line
SMS
Dec.1999
© Markus Endler
2002
2Q/2004
jan.
AcessoSet.seguro
a2003
redes2Q/2003
corporativas
Feb. 2000
46
GPRS: Principais
Componentes
© Markus Endler
47
GPRS: Unidades Funcionais
SGSN
GGSN
•
•
 Tunelamento GTP
para outros GSNs
 Interfaces seguras
para redes externas
 Estatísticas e
Cobrança
 Gerência dos
endereços IP
Gerência de mobilidade
Autenticação da MS
(estação móvel)
•
•
•
•
Cifragem de Dados
Interação com VLR/HLR
Estatísticas e Cobrança
Tunelamento GTP para
outros GSNs
Border Gateway
•
•
Interliga redes GPRS de
diferentes operadoras
Possibilita roaming GPRS
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Charging Gateway


Consolidação de
CDR
Fornece
informações de
CDR para o Billing
Center
Domain Name Server
•
•
•
Tradução dos nomes de host IP para
endereços IP
Simplifica a configuração da rede IP
Em um backbone GPRS, o SGSN usa
o DNS para obter os endereços IP do
GGSN e do próprio SGSN
Legal Interception Gateway
•
•
•
•
Possibilita às autoridades legais
interceptarem dados e sinalização dos
assinantes
Rastreia atividades criminais
Acesso limitado da operadora às
funcionalidades do LIG
LIG é requisito obrigatório no
lançamento do serviço GPRS
48
GPRS: Processo de Conexão
Conexão a rede GSM (GPRS attach)
Realizado quando o usuário liga o terminal
Registro do usuário na rede
O SGSN coleta os dados do usuário (HLR) e autentica o usuário na
rede
Conexão a rede IP (Contextos PDP )
Após o registro do usuário ele pode pedir o inicio de uma sessão
Isto é feito através da ativação de contextos PDP
O usuário pode obter um IP estático ou dinâmico de acordo com seu
perfil
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49
GPRS: Sessão
Gerenciamento de sessões através de contextos PDP
• Quando um contexto PDP é ativado o usuário pode iniciar a
transmissão de dados
Informações necessárias a criação de um contexto PDP
• APN – Access Point Name
• Ip dinamico ou fixo
• Qos necessária
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50
GPRS: Sessão
© Markus Endler
51
GPRS: Sessão
BTS
Apn =
gprs.oi.com.br
BSC
SGSN
GPRS
Core
Network
Intranet
GGSN
gprs.oi.com.br
Internet
© Markus Endler
52