Formação1 GSM

PWS1 - Soluções de Comunicações sem Fios (GSM/WCDMA) �

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PWS1 - Soluções de Comunicações sem Fios (GSM/WCDMA) Documentação do curso Abril de 2009

PWS1 - Soluções de Comunicações sem Fios (GSM/WCDMA)

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PWS1 - SOLUÇÕES DE COMUNICAÇÕES SEM FIOS (GSM/WCDMA ) ............................................ 3

PARTE 1 - INTRODUÇÃO ÀS REDES GSM .............................................................................................. 7

1 GSM (GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATIONS) ..................................................................... 9 1.1 Comunicações Móveis .................................................................................................................. 10 1.2 Evolução das Comunicações Móveis ............................................................................................ 10 1.3 História do GSM ........................................................................................................................... 12 1.4 Especificações GSM ..................................................................................................................... 15 1.5 Fases do GSM............................................................................................................................... 16

1.5.1 Fase 1 ................................................................................................................................................................. 17 1.5.2 Fase 2 ................................................................................................................................................................. 17 1.5.3 Fase 2+ .............................................................................................................................................................. 17

1.6 Principais Características do GSM .............................................................................................. 19 2 ARQUITECTURA GSM .......................................................................................................................... 20

2.1 Introdução .................................................................................................................................... 21 2.2 Mobile Station (MS)...................................................................................................................... 22

2.1.1 Mobile Station (MS) ......................................................................................................................................... 22 2.1.2 Identificadores GSM ........................................................................................................................................ 24 2.2.1 Subscriber Identity Module (SIM)................................................................................................................... 28 2.2.2 Mobile Equipment (ME) .................................................................................................................................. 28

2.3 Base Station System (BSS) ............................................................................................................ 31 2.3.1 Base Transceiver Station (BTS) ...................................................................................................................... 31 2.3.2 Base Station Controller (BSC) ........................................................................................................................ 32

2.4 Sistema de Comutação (SS, Switching System) ............................................................................ 33 2.4.1 Mobile Switching Center (MSC) ..................................................................................................................... 33 2.4.2 Gateway Mobile Switching Center (GMSC) .................................................................................................. 35 2.4.3 Home Location Register (HLR) ...................................................................................................................... 35 2.4.4 Visitor Location Register (VLR) ..................................................................................................................... 37 2.4.5 Authentication Center (AuC) ........................................................................................................................... 38 2.4.6 Equipment Identification Register (EIR) ........................................................................................................ 39 2.4.7 Data Transmission Inter-working (DTI) ......................................................................................................... 39 2.4.8 Message Center (MC) ...................................................................................................................................... 40

2.5 Operation Sub System (OSS) ........................................................................................................ 41 2.5.1 Network Management Center (NMC) ............................................................................................................. 41 2.5.2 Operation and Maintenance Center (OMC) .................................................................................................. 42



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2.6 Interfaces e protocolos GSM ........................................................................................................ 43 3.INTERFACE AR GSM................................................................................................................................. 48

3.1 Transmissão Analógica e Digital ................................................................................................. 49 2.1.3 Informação analógica ....................................................................................................................................... 49 2.1.4 Informação digital ............................................................................................................................................ 49 2.1.5 Vantagens das técnicas digitais ....................................................................................................................... 50

3.2 Técnicas de Modulação ................................................................................................................ 51 3.3 Atribuição de Frequências ........................................................................................................... 52 3.4 Time Division Multiple Access (TDMA) ....................................................................................... 56 3.5 Processo de transmissão rádio GSM ............................................................................................ 57

3.5.1 Amostragem ...................................................................................................................................................... 57 3.5.2 Quantificação .................................................................................................................................................... 58 3.5.3 Codificação ....................................................................................................................................................... 58 3.6.4 Segmentação e Codificação de Sinais Vocais ................................................................................................ 59 3.6.5 Codificação de Canal ....................................................................................................................................... 60 3.6.6 Entrelaçamento ................................................................................................................................................. 61 3.6.7 Cifragem/Encriptação ....................................................................................................................................... 63 3.6.8 Formatação do burst ......................................................................................................................................... 64 3.6.9 Modulação e Transmissão ................................................................................................................................ 65

3.6 Problemas de Transmissão Rádio GSM ....................................................................................... 66 3.6.1 Sombreamento (desvanecimento normal) ....................................................................................................... 66 3.6.2 Desvanecimento Multipercurso ....................................................................................................................... 67 3.6.3 Dispersão Temporal ......................................................................................................................................... 69 3.6.4 Tempo de Atraso .............................................................................................................................................. 70

3.7 Salto de Frequência ...................................................................................................................... 72 3.8 Discontinuous Transmission (DTX) ............................................................................................. 74 3.9 Classes de Potência GSM ............................................................................................................. 74 3.10 Controlo de Potência .................................................................................................................... 74

3 COBERTURA GSM E PLANEAMENTO CELULAR ................................................................................... 77 4.1 Plano de Cobertura GSM ............................................................................................................. 78 4.2 Geometria da Célula .................................................................................................................... 78 4.3 Antenas ......................................................................................................................................... 80 4.4 Reutilização de Frequências ........................................................................................................ 81 4.5 Problemas de Interferência devido à Reutilização de Frequências ............................................. 83

4.5.1 Interferência co-canal ....................................................................................................................................... 84 4.5.2 Interferência de Canal Adjacente .................................................................................................................... 85

4.6 Classificações de Células ............................................................................................................. 86 4.7 Introdução ao Planeamento celular ............................................................................................. 89

5 CANAIS GSM........................................................................................................................................ 92 5.1 Canais Físicos e Canais Lógicos .................................................................................................. 93 5.2 Canais de Tráfego ........................................................................................................................ 94 5.3 Canais de Controlo ....................................................................................................................... 95

5.3.1 Canais de Difusão ............................................................................................................................................. 96 5.3.2 Canais de Controlo Comum ............................................................................................................................. 96 5.3.3 Canais de Controlo Dedicado .......................................................................................................................... 97

5.4 Estrutura Burst TDMA ................................................................................................................. 97 5.5 Mapeamento de Canais Lógicos em Intervalos de Tempo Físicos ............................................. 100 5.6 Estrutura de Trama TDMA ......................................................................................................... 101

6 FLUXOS DE MENSAGENS.................................................................................................................... 103 6.1 Ligação do Telemóvel ................................................................................................................. 104 6.2 Actualização da Área de Localização ........................................................................................ 106 6.3 Handover (transferência) ........................................................................................................... 108

6.3.1 Handover intracelular ..................................................................................................................................... 109 6.3.2 Handover intra-BSC ....................................................................................................................................... 110 6.3.3 Handover Inter-BSC / Intra-MSC ................................................................................................................. 110 6.3.4 Handover Inter-MSC ...................................................................................................................................... 112

6.4 Mobile Terminated Call (MTC) .................................................................................................. 114 6.5 Mobile Originated Call (MOC) .................................................................................................. 116 6.6 Mensagens Curtas ...................................................................................................................... 118


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6.6.1 Processo de Entrega de SMS ......................................................................................................................... 119 7 SERVIÇOS ........................................................................................................................................... 120

7.1 Serviços GSM ............................................................................................................................. 120 7.2 Categorias de Serviços ............................................................................................................... 120

7.2.1 Serviços de telecomunicações básicos .......................................................................................................... 120 7.2.2 Serviços adicionais ......................................................................................................................................... 121

7.3 Chamadas de Dados e Fax GSM ................................................................................................ 121 7.4 Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic (CAMEL) ................................. 122 7.5 Taxação ...................................................................................................................................... 124 7.6 Estruturas para Tarifas e Taxação ............................................................................................. 124

7.6.1 Componente de Acesso à Rede...................................................................................................................... 124 7.6.2 Componente de Utilização da Rede .............................................................................................................. 125

7.6.3 Componentes da Chamada ............................................................................................................ 125 7.6.4 Gateway de Facturação .................................................................................................................................. 125

8 EVOLUÇÃO GSM ................................................................................................................................ 127 8.1 HSCSD ........................................................................................................................................ 128 8.2 Wireless Application Protocol (WAP) ........................................................................................ 129 8.3 General Packet Radio Service (GPRS) ....................................................................................... 130 8.4 Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) ..................................................................... 132

8.4.1 Noções técnicas .............................................................................................................................................. 132 8.5 A Terceira Geração de Sistemas Móveis .................................................................................... 134

8.4.2 Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) ................................................................................ 135 8.4.3 Evolução UMTS ............................................................................................................................................. 135

8.6 O Futuro - a Quarta Geração .................................................................................................... 136

PARTE 2 - INTRODUÇÃO ÀS REDES UMTS ....................................................................................... 139

1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................................................... 141 2 UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATIONS SYSTEM (UMTS) ........................................................ 145

2.1 Apresentação geral do UMTS .................................................................................................... 146 2.1.1 Contexto mundial de normalização ............................................................................................................... 146 2.1.2 O conceito de Global Multimedia Mobility (GMM) .................................................................................... 148 2.1.3 A introdução de serviços multimédia ............................................................................................................ 150 2.1.4 A convergência das tecnologias .................................................................................................................... 150 2.1.5 Plano da tecnologia UMTS ............................................................................................................................ 151 2.1.6 GSM/GPRS/EDGE – Evolução geral do UMTS ......................................................................................... 152

3 ESTRUTURA GERAL DO UMTS .......................................................................................................... 155 3.1 Estrutura de uma Rede UMTS .................................................................................................... 156

3.1.1 Core Network (CN) ........................................................................................................................................ 158 3.2 Packet Switched (PS) e Circuit Switched (CS) ........................................................................... 160 3.3 Interfaces básicas ....................................................................................................................... 162 3.4 Domínio CS (Rel. 4) ................................................................................................................... 164 3.5 Domínio PS (Rel. 4) .................................................................................................................... 168 3.6 Asynchronous Transfer Mode (ATM) ......................................................................................... 174 3.7 Signalling Transport (SIGTRAN) ............................................................................................... 178 3.8 Rede IP e UMTS ......................................................................................................................... 180 3.9 IP móvel ...................................................................................................................................... 182 3.10 Suporte de QoS ........................................................................................................................... 184 3.11 Migração do IPv6 ....................................................................................................................... 186 3.12 Interfaces UTRAN ...................................................................................................................... 187

3.12.1 O ponto de referência Iu ............................................................................................................................ 187 3.12.2 Princípios gerais da interface Iu .......................................................................................................... 188 3.12.3 A interface Iur ........................................................................................................................................... 193 3.12.4 A interface Iub .......................................................................................................................................... 195 3.12.5 Estrutura da interface rádio .................................................................................................................. 197

3.13 Funções da UTRAN .................................................................................................................... 203 3.14 UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) .................................................................. 204

3.14.1 Definição dos diferentes elementos da UTRAN .............................................................................. 205 3.14.2 Função do Serving RNC ........................................................................................................................ 209


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3.15 Serviços UMTS ........................................................................................................................... 217 3.15.1 Introdução ................................................................................................................................................. 217 3.15.2 Conceito de Serviços ............................................................................................................................. 221

4 INTERFACE RÁDIO UMTS .................................................................................................................. 239 4.1 O princípio dos métodos de acesso CDMA/FDMA/TDMA ........................................................ 240 4.2 FDD e TDD ................................................................................................................................ 242 4.3 O WCDMA (modo FDD) ............................................................................................................ 244

4.3.1 Resumo dos Parâmetros Principais no WCDMA Utilizados no UMTS ........................................... 246 4.3.2 As vantagens de WCDMA ......................................................................................................................... 248 4.3.3 Spreading e despreading ........................................................................................................................... 251 4.3.4 Princípios de códigos CDMA/o Factor de Spreading .......................................................................... 257 4.3.5 Relação entre códigos CDMA e intervalos de tempo ......................................................................... 257 4.3.6 A atribuição de códigos de spreading ..................................................................................................... 259 4.3.7 Scrambling e modulação ........................................................................................................................... 260 4.3.8 Canais Lógicos ............................................................................................................................................. 270 4.3.9 Canais de Transporte ................................................................................................................................. 271

5 ALGORITMOS DE RÁDIO EM UMTS .................................................................................................... 276 5.1 Controlo da Potência.................................................................................................................. 277 5.2 Detalhes da ligação à rede UMTS .............................................................................................. 281

5.2.1 Acesso Aleatório............................................................................................................................................. 281 5.3 Princípios de Handover no UMTS ............................................................................................. 283

5.3.1 Detecção de handover .................................................................................................................................... 284 5.3.2 Razões para falhas de handover .................................................................................................................... 285 5.3.3 Indicadores de Desempenho .......................................................................................................................... 285 5.3.4 Teletráfego e medição do desempenho ......................................................................................................... 285 5.3.5 Vários tipos de handover (UMTS) ................................................................................................................ 287

5.4 Handover de UTRAN para GSM ................................................................................................ 291 5.5 Handover de UMTS para GSM .................................................................................................. 293

6 SEQUÊNCIAS DE CHAMADAS .............................................................................................................. 296 6.1 MOC (Chamada Originada na Estação Móvel - Mobile Originated Call) ................................ 297 6.2 Mobile Terminated Call (MTC) .................................................................................................. 301 6.3 Activação do Contexto PDP ....................................................................................................... 304 6.4 Location Area (LA) ..................................................................................................................... 306 6.5 Routing Area (RA) ...................................................................................................................... 308

PARTE 3 - ANEXOS ................................................................................................................................... 309

ACRÓNIMOS ................................................................................................................................................ 310

Parte 1 - Introdução às Redes GSM �

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Parte 1 - Introdução às Redes GSM


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1 GSM (Global System for Mobile Communications)


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1.1 Comunicações Móveis As comunicações móveis são uma das tecnologias de telecomunicações mais exigentes e de evolução mais rápida. Representam actualmente uma percentagem cada vez maior de todas as novas assinaturas telefónicas no mundo inteiro. Em muitos casos, as soluções móveis competem com redes fixas tradicionais e telefones sem fios. No futuro, os sistemas móveis que recorrem a tecnologia digital tornar-se-ão o método universal de telecomunicações.

1.2 Evolução das Comunicações Móveis Antes das redes GSM, existiam redes públicas de rádio móvel. Usavam geralmente tecnologias analógicas que variavam de país para país e de fabricante para fabricante. Essas redes analógicas não seguiam nenhum padrão uniforme. Não era possível usar um telemóvel único de um país para outro. A qualidade de voz na maioria das redes não era satisfatória. Essas redes são consideradas a primeira geração de tecnologias móveis NMT (Nordic Mobile Telephony). As principais normas e mercados em que eram usadas estão resumidos na tabela que se segue.

Ano Standard Mobile Telephone System Tecnologia Mercados

1981 NMT-450 Nordic Telephony Analógica Europe and M. East

1983 AMPS Advanced Mobile Phone System Analógica N. & S. America

1985 TACS Total Access Communication System Analógica Europe and N. America

1986 NMT 900 Nordic Telephony Analógica N. & S. America

Figura 1 – Tecnologias da primeira geração móvel

Desde o desenvolvimento da NMT 450 em 1981, foram desenvolvidas inúmeras normas de comunicação móvel em todo o mundo. Cada norma móvel foi desenvolvida para cumprir os requisitos específicos do país ou dos grupos de interesses envolvidos na sua especificação. Por esse motivo, embora uma norma possa ser adequada para um país, pode não sê-lo para outro. Essas redes são consideradas a segunda geração de tecnologias móveis. As principais normas e mercados em que eram usadas estão resumidos na tabela que se segue.


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Anio Standard Tecnologia Móvel Tecnologia Mercados

1991 GSM Global System for Digital World Wide

1991 TDMA (D-AMPS)

Time Div ision Multiple Access (Digital AMPS)

Digital N& S America

1992 GSM1800 Global Sy stem for Mobile Communications Digital World

1993 CDMAOne Code Division Multiple Access One Digital N&S America

1994 PDC Personal Digital Cellular Digital World

1995 PCS1900 Personal Communication Services Digital N. America

Figura 2 – Tecnologias de segunda geração móvel

O GSM tornou-se rapidamente muito popular por fornecer melhor qualidade de voz e por permitir o uso de um único número de telefone e unidade móvel em todo o mundo, através de uma norma internacional uniforme. O ETSI (European Telecommunications Standards Institute) adoptou a norma GSM em1991, e o GSM é actualmente usado em todo o mundo. A segunda geração também inclui melhorias no GSM: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service) e EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Essas melhorias são denominadas geração 2G+ ou 2,5 . O GSM tem um percurso de migração directo, económico para a terceira geração (3G) através de GPRS, EDGE e UMTS/HSPA (Universal Mobile Telecommunications System/High Speed Packet Access), e para além da 3G através das iniciativas HSPA+ (HSPA Evolution), LTE (Long Term Evolution) e SAE (System Architecture Evolution). Cada etapa no percurso de migração baseado em GSM tira partido da infraestrutura de rede implementada para as etapas anteriores e é 100% retrocompatível. Por exemplo, um telefone UMTS pode fornecer serviço de voz e dados quando está ligado a uma rede GSM. A família de tecnologias GSM também fornece um percurso de migração 3G viável, flexível para operadores CDMA (Code Divison Multiple Access) e TDMA (Time Division Multiple Access). As redes móveis de terceira geração são a geração actual de redes digitais e oferecem, além de voz, velocidades de transmissão de dados até 2Mbps. UMTS, é um dos sistemas de comunicações móveis desenvolvido na estrutura ITU (I n t e r n a t i o n a l T e l ec o m mu n i c a t i o n U n i o n ) conhecida como IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). À semelhança da segunda geração, a terceira geração também inclui melhoramentos no UMTS: HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) e HSPA que podem oferecer débitos de dados superiores a 28.8Mbps. Esses melhoramentos são denominados geração 3G+ ou 3,5 .


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A quarta geração encontra-se em desenvolvimento e irá oferecer débitos binários até 1Gbps em situações de não-mobilidade e 100Mbps em situações de mobilidade. Foram definidas duas normas principais: LTE (pelo consórcio 3GPP (3rd Generation Partnership Project), e WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Figura 3 – Evolução das comunicações móveis

1.3 História do GSM O GSM é a norma de telecomunicações móveis digitais Europeia. GSM é a norma actual de telefonia móvel digital especificada pelo ETSI e fornece uma norma comum que implica que os assinantes móveis possam usar os seus telemóveis em toda a Europa e progressivamente em todo o mundo. A figura que se segue mostra os marcos da evolução GSM:


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Figura 4 – Evolução do GSM

Hoje em dia, mais de 3,7 mil milhões de pessoas no mundo inteiro usam a família de tecnologias GSM. GSM é a tecnologia sem fios mais usada no mundo e está disponível em mais de 220 países e territórios no mundo inteiro. A quota de mercado GSM cresceu exponencialmente nos últimos anos. O GSM demorou 12 anos a conquistar mil milhões de clientes (Fevereiro de 2004), mas apenas 2 anos e meio a ultrapassar os 2 mil milhões (Junho de 2006). Aproximadamente 1000 pessoas por minuto subscrevem o serviço GSM no mundo inteiro.


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Figura 5 - GSM Worldwide (areas laranja)

Como o GSM possui uma norma comum, os assinantes móveis podem usar os seus telefones em toda a área de serviço GSM que inclui todos os países do mundo onde o sistema GSM for usado, desde que a exista um contracto de roaming de ambas as partes. Os diversos percursos de evolução GSM são mostrados na figura seguinte. Os débitos de dados são os débitos máximos teoricamente fornecidos pelas diferentes tecnologias.


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Figura 6 – Evolução do GSM para as redes de Terceira geração

1.4 Especificações GSM O GSM foi pensado de modo a ser independente da plataforma. As especificações GSM não especificam os requisitos de hardware, mas sim as funções de rede e as interfaces. Desta forma revelador os Isso permite que os criadores de hardware sejam criativos no modo como fornecem a funcionalidade. Ao mesmo tempo, os operadores podem comprar equipamento de diferentes fornecedores. As recomendações GSM consistem em doze séries listadas na tabela em baixo. Diferentes entidades trabalhadoras e alguns grupos de especialistas elaboraram essas séries. Todos esses grupos foram organizados pelo ETSI.


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01 General

02 Service aspects

03 Network aspects

04 MS - BSS interface and protocol

05 Physical layer on the radio path

06 Speech coding specification

07 Terminal adaptor for MS

08 BSS - MSC interface

09 Network inter-working

10 Service inter-working

11 Equipment and type approval specifications

12 Operation and maintenance

Figura 7 – Recomendações GSM

A secção GSM 1800 foi escrita como parte delta nas recomendações GSM, descrevendo apenas as diferenças entre a GSM 900 e a GSM 1800. A GSM 1900 baseia-se na GSM 1800 e foi adaptada de modo a cumprir a norma ANSI (American National Standards Institute).

O ETSI foi fundado pela CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations). O ETSI é financiado pela UE (União Europeia) e pelas contribuições dos respectivos membros. É uma cooperação entre os principais fornecedores de telecomunicações e empresas de operadores. A tarefa do ETSI consiste em elaborar normas unificadas para equipamento de telecomunicações na Europa.

1.5 Fases do GSM Devido à falta de tempo do grupo de programadores em concluir o desenvolvimento de especifições de normas para toda a gama de serviços e funcionalidades GSM como planeado inicialmente, decidiu-se que o GSM seria fornecido em fases, consistindo a fase 1 num conjunto limitado de serviços e funcionalidades. Cada nova fase baseia-se nos serviços oferecidos pelas fases existentes. As três fases principais de desenvovimento GSM são mostradas nas próximas sub-secções, a título de exemplo.


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1.5.1 Fase 1

Esta fase contém os serviços básicos de GSM, incluindo: telefonia vocal, roaming internacional, serviços básicos de fax/dados (até 9.6 Kbits/s), reencaminhamento de chamadas, barramento de chamadas e serviço de mensagens curtas (SMS). A fase 1 também incluía funcionalidades como encriptação e cartões SIM (Subscriber Identity Module - módulo de identificação do assinante). As especificações da fase 1 foram então encerradas, não podendo ser alteradas.

1.5.2 Fase 2

Foram introduzidas funcionalidades adicionais nesta fase, incluindo: informação tarifária (AoC - Advice of Charge), identificação de chamador, chamada em espera, retenção de chamada, chamada em conferência, grupo fechado de utilizadores e funcionalidades de comunicação de dados adicionais.

1.5.3 Fase 2+

Esta fase abrange múltiplos números de assinantes e diversas funcionalidades orientadas para o negócio, múltiplos perfis de serviços, planos de numeração privados, acesso a serviços Centrex, interfuncionamento com a GSM 1800, GSM 1900 e a norma DECT (Digital, Enhanced Cordless Telecommunications).


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1989 1999 1991 1992 1993 1994 1995

Phase 1

Phase 2

Phase 2+

Idea

Standardization

Implementation/Usage

Figura 8 – Fases do GSM


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1.6 Principais Características do GSM O GSM é a maior tecnologia digital, foi introduzido pela primeira vez em 1991 para substituir a tecnologia 1G e resolver a incompatibilidade entre redes e fornecer uma tecnologia comum 2G. Originalmente uma norma europeia para telefonia móvel digital, o GSM tornou-se no sistema móvel mais divulgado, sendo usado em todo o mundo. As redes GSM operam na banda de frequências de 900 MHz e 1800 MHz na Europa, Ásia e Austrália, e na banda de 1900 MHz na América do Norte e em partes da América Latina e África.

As principais vantagens do GSM incluem:

• Suporte para roaming internacional;

• Distinção entre identificação de utilizador e dispositivo;

• Excelente qualidade vocal;

• Vasta gama de serviços;

• Interfuncionamento (por exemplo, com RDIS (Rede Digital Integrada de Serviços), DECT);

• Funcionalidades de segurança abrangentes;

• As especificações são abertas e podem servir de base para satisfazer necessidades no futuro (o GSM foi o degrau para redes 3G).

O GSM também se destaca das outras tecnologias com a sua vasta gama de serviços:

• Telefonia;

• Serviços de dados assíncronos e síncronos (2.4/4.8/9.6 kbit/s);

• Acesso a redes de dados por pacotes (X.25);

• Serviços telemáticos (SMS (Short Message Service) , fax, videotexto, etc.);

• Inúmeras funcionalidades de valor acrescentado (reencaminhamento de chamadas, ID do chamador, caixa de correio vocal);

• E-mail e ligações Internet.


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2 Arquitectura GSM


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2.1 Introdução A rede GSM divide-se em dois sistemas, sistema de comutação (SS - Switching System) e sistema de estação base (BSS - Base Station System). Ambos os sistemas são compostos por várias unidades funcionais que constituem componentes individuais da rede móvel. Existe ainda o sub-sistema de operações (OSS - Operations Sub System) que controla o funcionamento do NSS (Network Switching Subsystem) e BSS.

Figura 9 – Arquitectura GSM

Adicionalmente, tal como todas as redes de telecomunicações, as redes GSM são operadas, mantidas e geridas por centros computorizados. Um sistema de facturação preciso e eficiente é também uma parte importante e essencial do sistema. É possível incluir outros serviços GSM nos sistemas de rede básicos para disponibilizar serviços valiosos aos utilizadores de redes GSM. Podem ser: sistema de SMS, serviços de caixa de correio de voz, sistemas pré-pagos e sistema de transmissão de dados.


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2.2 Mobile Station (MS) A estação móvel é conhecida como sendo o “telemóvel” ou o “terminal portátil”, é a interface entre o utilizador e a rede. A MS baseia-se em duas partes independentes:

• cartão SIM;

• Equipamento móvel (ME – Mobile Equipment). Em algumas aplicações (comunicações de dados em particular), uma MS pode ser também um terminal que funciona como interface GSM, por exemplo, um computador portátil. Além de suportar TRX para a transmissão e recepção de voz e dados, a MS também realiza diversas funções muito exigentes, como a autenticação, handover, codificação e codificação de canal. A figura que se segue fornece um diagrama de blocos simplificado de um transmissor e receptor GSM.

SpeechEncoder

ChannelEncoder Interleaver Ciphering

BurstAssembler

RF RxEqualize/Demod

Dechiphering

Deinterleaving

ChannelDecoder

RecoveredUser Data

Speech Decoder

RecoveredSpeech

Channel

RF Tx

GMSKModulator

Figura 10 – Diagrama de blocos do Emissor / Receptor

2.1.1 Mobile Station (MS)

A MS consiste no ME de um fornecedor e num módulo de identificação do assinante, o cartão SIM fornecido e programado pelo operador de rede.


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• A ME é identificada exclusivamente por um código de identificação internacional do equipamento móvel (IMEI - International Mobile Equipment Identity).

• O IMSI (International Mobile Subscriber Identity) identifica exclusivamente um assinante móvel na GSM PLMN (Public Land Mobile Network). O IMSI é programado no cartão SIM e pode ser inserido em qualquer ME. O cartão SIM tem todas as informações relativas ao assinante móvel.

O IMSI é usado entre a MS e o MSC (Mobile Switching Center) durante o registo inicial desta e sempre que entra numa nova área MSC. Por motivos de segurança, o IMSI não é geralmente usado na interface de rádio. Durante o registo, o MSC atribui uma identificação temporária (TMSI - Temporary Mobile subscriber Identity ), que também é alterada sempre que o MS muda de área de MSC. O TMSI é usado pelo MSC para o paging da MS. A MS usa o TMSI durante a actualização da localização e chamadas originadas no telemóvel. Os assinantes GSM são também identificados publicamente pelo número telefónico móvel (MSISDN - Mobile Station International ISDN Number) . Um assinante usa o MSISDN para ligar para um assinante móvel. O MSISDN consiste em: Indicativo do país (CC, Country Code) + Código de destino nacional (NDC, National Destination Code) + Número do assinante (SN, Subscriber Number) A chamada é encaminhada para a PLMN local do assinante móvel. É o HLR (Home Location Register) que traduz o MSISDN em IMSI, conhece a área de serviço MSC/VLR (Visitor Location Register) onde a MS está actualmente situada, e ajuda a encaminhar a chamada para o MSC específico. Outra identificação conhecida como MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number ) é usada internamente na PLMN para encaminhar a chamada recebida para o MSC específico.


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2.1.2 Identificadores GSM

• Mobile Station International ISDN Number (MSISDN) (E.164) CC Indicativo do país (1~3 dígitos) NDC Código de destino nacional (2-3 dígitos) Identifica o código de área GSM PLMN SN Número assinante (comprimento variável)

• International Mobile Subscriber Identity (IMSI) (E.212) MCC Indicativo de país de telemóvel (3 dígitos) MNC Código de rede móvel (2 dígitos) MSIN Número de identificação do assinante móvel (10 dígitos)

• Mobile Station Roaming Number (MSRN) (GSM Rec.)

SN Um número do assinante, excluído do plano de numeração atribuído aos assinantes. De facto, o endereço do nó MSC/VLR na PLMN onde o assinante efectua o roaming. É necessário para encaminhar chamadas com destino EM

IMSI SN Número de telemóvel nacional

( M

á

x 15 dígitos)

CC NDC SN


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• Temporary Mobile Station Identity (TMSI) (GSM Rec.) O TMSI só tem relevância localmente.

• International Mobile Equipment Identity (IMEI) (GSM Rec.) TAC Type Approval Code 6 dígitos (corpo central GSM) FAC Final Assembly Code 2 dígitos (fabricante) SNR Número de série 6 dígitos Número exclusivo entre um TAC + FAC Sp Spare 1 dígito (Uso futuro)

• Location Area Identity (LAI) (GSM Rec.) MCC Indicativo de país de telemóvel 3 dígitos (Como no IMSI) MNC Código de rede móvel 2 dígitos (Como no IMSI) LAC Location Area Code (código da área de localização) 16 bits (operador PLMN) LAI é usada para a actualização de localização da MS. Todas as células numa área de localização transmitem o LAI. A MS reconhece quando entra numa nova LA.

• Cell Global Identity (CGI) (GSM Rec.) CI Identidade da célula 16 bits (Operador PLMN)

Cada célula transmite o seu CGI. A MS ouve esta informação na célula actual e nas células vizinhas.

Máx. 4 octetos de comprimento

TAC FAC SNR Sp

MCC MNC LAC

MCC MNC LAC CI


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• Base Station Identity Code (BSIC) (GSM Rec.)

NCC Código de cor PLMN 3 bits (xyy) x operador yy país (para distinguir entre operadores vizinhos) BCC Código de cor da estação base 3 bits (para distinguir entre estações base vizinhas)

• Global Title (GT) (E.164) GT é um endereço, como por exemplo, dígitos marcados, por exemplo MSISDN, de acordo com a recomendação CCITT/ITU E.164. O SN pode ser um endereço de nó. GT é usado no SS7 (Signalling System No. 7) para encaminhar uma mensagem para um nó remoto sem uma ligação de comutação de circuitos. O SCCP (Signalling Connection Control Part) com função de encaminhamento é usado nos nós de origem e intermediários. O GT está contido como parâmetro dentro da mensagem. Por exemplo, os dois primeiros dígitos no SN do MSISDN identificam um HLR. A função GMSC (Gateway MSC) identifica um HLR adequado do MSISDN recebido.

NCC BCC

CC NDC SN


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• Mobile Global Title (MGT) (GSM Rec.) MSIN Número de identificação da estação móvel de 10 dígitos O MSIN identifica a MS e também o seu HLR CC/NDC Identifica o país e a PLMN e possivelmente o HLR onde a MS está registada.

IMSI & MGT Quando uma MS é ligada (ou entra) na área de serviço MSC/VLR de uma PLMN, a MS tem de ser registada como novo visitante no VLR. O VLR tem de aceder ao HLR onde as informações de subscrição do assinante móvel estão registadas. A informação obtida da MS para esse efeito é o IMSI que consiste em MCC + MNC + MSIN. Existem duas possibilidades. 1 - O HLR está na mesma PLMN que o VLR. Ou seja, a MS está na sua PLMN. A análise do MCC + MNC identifica este caso. Uma análise mais detalhada do próprio MNC ou do MSIN identifica o HLR onde o perfil do assinante da MS está registado. 2 - A análise do MCC + MNC indica outra PLMN, possivelmente noutro país. Em seguida, o VLR tem de enviar uma mensagem através da rede de sinalização pública nacional/internacional para o HLR da PLMN local. O envio tem de ser efectuado como uma mensagem SCCP que requer a conversão do IMSI em MGT. Conversão de IMSI em MGT

Conversão de IMSI em MGT no VLR O CC é obtido directamente a partir da tradução do MCC. O NDC é obtido directamente do MNC ou em conjunto com os dígitos iniciais do MSIN. O MSIN do IMSI é mapeado directamente para a parte MSIN do MGT. Esta tradução é efectuada na camada de aplicação do VLR.

CC NDC MSIN E.164. E.212

MCC

CC

MNC

NDC MSIN

MSIN IMSI

MGT


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2.2.1 Subscriber Identity Module (SIM)

Um cartão SIM é um cartão inteligente electrónico que armazena informação sobre a subscrição do assinante. Contém informações sobre o assinante e tem de ser inserido no ME para que o assinante possa aceder à rede. À excepção das chamadas de emergência, as MS’s só podem ser operadas se existir um cartão SIM válido. O SIM existe em dois tamanhos, o ”ID-1 SIM” e o ”Plug-in SIM”. As interfaces lógicas e eléctricas são iguais para os dois tipos de SIM. Apresentamos seguidamente as dimensões padrão dos 2 tipos de cartão SIM.

Figura 11 – Tamanho do cartão SIM

Cada cartão SIM tem um número de identificação exclusivo denominado IMSI. Este número permite identificar o assinante móvel no percurso rádio e ao longo da rede GSM. Este identificador está armazenado no cartão SIM e na rede. O uso do IMSI permite que um telemóvel da nossa rede GSM aceda a outras redes GSM, quer a nível nacional ou internacional, e que se consiga identificar, independentemente do plano de numeração telefónico da rede em que a estação móvel está situada.

2.2.2 Mobile Equipment (ME)

O equipamento móvel é usado pelo assinante quando este precisa de aceder a uma rede. O assinante pode usar qualquer tipo de dispositivo electrónico, como telefone, fax ou computador portátil, PDA (Personal Digital Assistant), etc. Esse dispositivo electrónico tem um número de identificação associado, exclusivo e específico desse dispositivo, estando permanentemente arquivado no mesmo. Este número de identificação é denominado de IMEI. O IMEI identifica de forma exclusiva uma MS como peça ou conjunto de peças do equipmanento. O IMEI tem 15 dígitos e consiste no seguinte:


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As funcionalidades da MS estão definidas como obrigatórias ou opcionais. As funcionalidades obrigatórias têm de ser implementadas. As funcionalidades opcionais, são deixadas ao critério dos fabricantes. Os fabricantes têm de assegurar que as funcionalidades da MS não entram em conflito com a interface ar nem interferem com a rede, nem com a própria ou qualquer outra MS. A uniformização de um conjunto mínimo de funcionalidades é desejável para tornar um conjunto simples e uniforme de funcionalidades da MS independente do fabricante e tipo de MS. Este conjunto mínimo inclui todas as funcionalidades obrigatórias. Existem três categorias de funcionalidades MS:

1. Funcionalidades básicas: estão directamente associa das à operação de serviços básicos de telecomunicações. Cada funcionalidade é classificada como obrigatória ou opcional.

• Funcionalidades obrigatórias :

♦ Visualização do número chamado;

♦ Função multifrequência de duas tonalidades (DTMF - Dual Tone Multi Frequency);

♦ Indicação de sinais de progressão da chamada;

♦ Indicação de país/PLMN;

♦ Selecção de país/PLMN;

♦ Indicador de serviço;

♦ Gestão de identificadores de subscrição;

♦ Suporte de A5/1 e A5/2;

♦ Indicação e confirmação de mensagem curta;

♦ Indicação de sobrecarga de mensagens curtas;

♦ Capacidades de chamada de emergência.

♦

• Funcionalidades opcionais :

♦ Interruptor On/Off;

♦ Interface DTE/DCE;

♦ Interface terminal ’S’ RDIS;

♦ Função de acesso internacional (‘tecla '+');

♦ Filtragem SMSCB (Short Message Service Cell Broadcast). Funcionalidades suplementares:

• Serviços Suplementares : o Indicação tarifária; o Controlo de serviços adicionais.

2. Funcionalidades adicionais:

• Marcação abreviada;


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• Marcação de número fixo;

• Barramento de chamadas de saída;

• Separador de dígitos de controlo DTMF;

• Indicador de unidades de taxação de chamadas;

• Selecção do número da lista em mensagens curtas;

• Últimos números marcados (LND - Last Number Dialed).


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2.3 Base Station System (BSS) O BSS é responsável por todas as funções de rádio no sistema. Comunica com a estação móvel através da interface ar e com o centro de comutação, o MSC através de ligações PCM de 2 Mbits ou via interface ar (FWA - Fixed Wireless Access). O BSS é constituído pelo controlador de estação base (BSC - Base Station Controller) e pela estação base, a BTS (Base Transceiver Station).

2.3.1 Base Transceiver Station (BTS)

A BTS fornece a ligação de interface ar com o telemóvel e a rede, disponibilizando funções de cobertura rádio a partir das suas antenas. A BTS utiliza uma série de transmissores de rádio para fornecer a capacidade de processamento de chamadas necessária para ligar os telemóveis à rede móvel. As suas tarefas incluem codificação/descodificação de canais e encriptação/desencriptação. Uma BTS é constituída por transmissores e receptores de rádio, antenas, interface PCM, etc.

SSBSS

Figura 12 –Base Station Sub-System e Switching

As funções BTS podem ser divididas nas seguintes áreas:

• Recursos rádio; • Configuração e arranque do sistema;

• Transmissão rádio;

• Recepção rádio

• Processamento do sinal;

• Gestão de ligações de sinalização;


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• Sincronização;

• Processamento de manutenção local; • Supervisão funcional e teste.

2.3.2 Base Station Controller (BSC)

O BSC fornece controlo para o BSS. Um BSC pode controlar os recursos de rádio de várias BTSs. Qualquer informação de que a BTS necessite para operação será recebida através do BSC. A principal função do BSC é a manutenção/gestão de chamadas. As estações móveis enviam a cada 480ms a potência do sinal recebido para o BSC. Com esta informação, o BSC decide iniciar handoverspara outras células, alterar a potência do transmissor BTS, etc. O BSC é o nó central num BSS e coordena as acções das estações de base. O BSC controla grande parte da rede de rádio. A sua tarefa mais importante consiste em garantir o maior uso possível dos recursos de rádio. Principais funções do do BSC são:

• Gestão da rede de radio;

• Medições de tráfego e de eventos;

• Gestão da BTS;

• Processamento de TRC;

• Gestão da rede de transmissão;

• Processamento de ligações MS.


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2.4 Sistema de Comutação (SS, Switching System )

O sistema de comutação é o conjunto de nós responsável pela execução de todas as tarefas de comutação. O sistema de comutação consiste em:

• Mobile Switching Centre - (MSC)

• Home Location Register – (HLR)

• Visitor Location Register – (VLR)

• Equipment Identity Register- (EIR)

• Authentication Centre - (AuC)

• Interworking Function - (IWF)

• Echo Canceller - (EC) As próximas sub-secções fornecem uma explicação detalhada de todos estes elementos.

2.4.1 Mobile Switching Center (MSC)

O MSC é um componente de uma rede GSM equivalente a uma central numa rede fixa. Fornece todas as funcionalidades necessárias para processar um assinante móvel. O MSC controla a comutação e os handovers entre células. Resumindo, as principais funções de um MSC são:

• Comutação e encaminhamento de chamadas;

• Taxação;

• Aprovisionamento de serviços;

• Comunicação com o HLR;

• Comunicação com o VLR;

• Comunicação com outros MSCs;

• Controlo dos BSCs ligados;

• Acesso directo a serviços Internet (por exemplo, via PSTN – Public Switch Telephone Network);

• Acesso primário RDIS (PRA - Primary Rate Access). A sinalização entre entidades funcionais no subsistema da rede utiliza o SS7. Se o MSC também tiver uma função gateway para comunicar com outras redes, é denominado GMSC.


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� The primary node in a UMTS network is the MSC. It is the node, which controls calls both to MS’s and from MS’s. The primary functions of an MSC include the following:� Administers its Base Station Controllers BSC(s).

� Switches calls to/from mobile subscribers.� Records charging and accounting details� Provides the gateway functionality to other networks.

� Service provisioning.� Control of connected BSC’s.� Provides the gateway functionality to other networks.

The Mobile Services Switching Center (MSC)

Figura 13 – Funções do MSC


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2.4.2 Gateway Mobile Switching Center (GMSC)

A função gateway permite a um MSC interrogar um HLR para encaminhar uma chamada com destino no MS. Por exemplo, se uma pessoa ligada à PSTN quiser efectuar uma chamada para um assinante móvel GSM, a central PSTN irá aceder à rede GSM, ligando primeiro a chamada a um GMSC. O GMSC solicita informações de reencaminhamento de chamada ao HLR que fornece infomações sobre o MSC/VLR para o qual a chamada deve ser reencaminhada. O mesmo se aplica a uma chamada de uma MS para outra MS. Qualquer MSC na rede móvel pode funcionar como gateway, através da integração do software adequado e da definição da informação do interrogatório do HLR. Desta forma tem-se um GMSC/VLR.

Gateway Mobile Switching Center (GMSC)

� Gateway functionality enables an MSC to interrogate a HLR in order to route a mobile terminating call. It is not used in calls from MS’s to any terminal other than another MS.

� For example, if a person connected to the PSTN wants to make a call to a CDMA mobile subscriber, then the PSTN exchange will access the CDMA network by first connecting the call to a GMSC

Figura 14 – Funções do GMSC

2.4.3 Home Location Register (HLR)

O HLR é uma base de dados utilizada para gerir os assinantes móveis. Pode haver mais do que um HLR na rede e os dados estão facilmente acessíveis para todos os MSCs e VLRs na rede. O HLR é responsável pelo armazenamento de todos os dados e contém a base de dados principal com todos os números dos assinantes de uma GSM PLMN. O assinante pode efectuar o acesso quer a partir do número IMSI quer do MSISDN. Os parâmetros armazenados no HLR estão descritos abaixo:

• ID do assinante (IMSI e MSISDN);

• VLR de assinante actual (localização actual);


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• Serviços adicionais subscritos;

• Estado do assinante (registado/não registado);

• Chave de autenticação e função AuC;

• Identificador temporário (TMSI);

• MSRN. As principais informações aí armazenadas dizem respeito à localização de cada MS, de modo a conseguir encaminhar as chamadas para os assinantes móveis geridos por cada HLR. O HLR também suporta os serviços associados a cada MS. Um HLR pode servir vários MSC’s.

Home Location Register (HLR)

� The HLR is a centralized network database that stores and manages all mobile subscriptions belonging to a specific operator.

� It acts as a permanent store for a person’s subscription information until that subscription is cancelled.

� The primary functions of the HLR include:– Stores for each mobile subscriber:

• Basic subscriber categories.• Supplementary services.• Current location.• Allowed/barred services.• Authentication data.

– Subscription database management – Controls the routing of mobile terminated calls and SMS.

Figura 15 – Funções do HLR


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2.4.4 Visitor Location Register (VLR)

A principal função do VLR consiste em armazenar temporariamente os dados do assinante, enquanto este estiver activo na área abrangida pelo VLR. Os dados armazenados no HLR são recolhidos pelo VLR. O VLR fornece uma base de dados local temporária para o assinante onde quer que este se encontre fisicamente numa PLMN; Isso significa que o MSC não precisa de contactar o HLR (que pode estar situado noutro país) sempre que o assinante utiliza um serviço ou muda de estado. Enquanto a MS estiver numa área do MSC, o VLR irá conter uma cópia completa dos detalhes de subscrição necessários. Um VLR está ligado a um MSC e está normalmente integrado no hardware do MSC.

Visitor Location Register (VLR)

� The role of a VLR in a CDMA network is to act as a temporary storage location for � subscription information for MSs, which are within a particular MSC service

area.� Thus, there is one VLR for each MSC service area. This means that the MSC

does not � have to contact the HLR (which may be located in another country) every time

the � subscriber uses a service or changes its status.� The VLR may be integrated with the MSC.� For the duration when the MS is within one MSC service area, then the VLR

contains a complete copy of the necessary subscription details, including the following information: – Identity numbers for the subscriber – Supplementary service information (e.g. Does the subscriber has call waiting

activated or not)– Activity of MS (e.g. idle or busy)– Current Location Area of MS

Figura 16 – Funções do VLR


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2.4.5 Authentication Center (AuC)

O centro de autenticação (AuC) é uma base de dados protegida que guarda uma cópia da chave secreta armazenada no cartão SIM de cada assinante, usado para autenticação e cifragem na interface ar. O AuC fornece segurança adicional para proteger os operadores de rede contra a intrusão indesejada de terceiros (fraude). Estará normalmente co-localizado com o HLR, uma vez que terá de aceder e actualizar constantemente, de acordo com as necessidades, o registo do assinante do sistema. As informações fornecidas pelo AuC para garantir o processamento da autenticação são denominadas tripleto e consistem em:

• Um número aleatório não previsível (RAND);

• Uma resposta assinada (SRES - Signed RESponse);

• Uma chave de encriptação (Kc - Ciphering Key).

AC HLR

Figura 17 - Funções do AuC : gerar os triplets no AuC, HLR e VLR


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2.4.6 Equipment Identification Register (EIR)

Como o “assinante” e o equipamento estão separados no GSM, é necessário ter um processo de autenticação separado para o equipamento MS. Dessa forma, garante-se que um terminal móvel roubado não consegue aceder à rede. O EIR é a base de dados que contém uma lista de todos os equipamentos (MS’s) válidos na rede, onde cada MS está identificada pelo respectivo identificador do equipamento móvel, o IMEI. Esta base de dados é acedida remotamente pelo MSC na rede. A base de dados EIR consiste em listas de IMEIs (ou combinações de IMEIs) organizadas da seguinte forma:

• Lista branca : contém os IMEIS atribuídos a equipamento móvel válido;

• Lista negra : contém os IMEIS de telemóveis roubados;

• Lista cinzenta : para telemóveis/IMEIs incertos.

2.4.7 Data Transmission Inter-working (DTI)

O DTI implementa a função de interfuncionamento GSM (IWF). Desempenha funções de processamento de dados, como conversão de débito de dados e fornece as funções necessárias para interfuncionamento de dados entre redes GSM e outras redes, incluindo:

• Tráfego de dados de/para PSTN;

• Tráfego de dados de/para RDIS;

• Tráfego de dados de/para PDNs (Packet Data Network);

• Tráfego de dados entre telemóveis;

• HSCSD;

• Ligação de dados (por comutação de circuitos/de pacotes).


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2.4.8 Message Center (MC)

Um centro de mensagens gera receitas consideráveis para um operador de rede. Pode fornecer um ou vários dos seguintes serviços de mensagens:

• Correio de voz;

• Correio de fax;

• Mensagens de texto SMS;

• Mensagens de texto SMSCB.


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2.5 Operation Sub System (OSS) O subsistema de operação e manutenção permite gerir a rede GSM remotamente. Compete ao operador de rede decidir que funcionalidades pretende gerir. O sistema de operação e manutenção inclui duas partes:

• Centro de gestão da rede - NMC (Network Management Center);

• Centro de operação e manutenção – OMC (Operation and Maintenance Center).

2.5.1 Network Management Center (NMC)

O centro de gestão da rede oferece a capacidade de fornecer gestão de rede hierárquica regionalizada para todo o sistema GSM. As principais funcionalidades do NMC são:

• Monitorizar rotas principais entre os nós da rede;

• Monitorizar alarmes de alto nível;

• Transmitir conhecimentos de uma região OMC para outra, de modo a melhorar as estratégias de resolução de problemas;

• Monitorizar regiões OMC e fornecer assistência ao pessoal OMC;

• Permite planeamento a longo prazo para toda a rede.


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2.5.2 Operation and Maintenance Center (OMC)

O OMC fornece um ponto central a partir do qual é possível controlar e monitorizar as outras entidades da rede (isto é, estações de base, comutadores, base de dados, etc.), assim como monitorizar a qualidade do serviço prestado pela rede como um todo.

As principais funcionalidades do OMC são:

• Gestão de eventos/alarmes;

• Gestão de falhas;

• Gestão do desempenho;

• Gestão da configuração;

• Gestão da segurança.


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2.6 Interfaces e protocolos GSM Proporcionar qualidade na transmissão de voz ou dados através de ligações radioeléctricas é apenas parte das funções de uma rede móvel. Um telemóvel GSM pode efectuar continuamente roaming a nível nacional ou internacional, necessitando para isso de funções normalizadas de actualização de localização e de reencaminhamento de chamadas nas redes GSM. Um sistema de comunicações público também requer mecanismos sólidos de segurança para evitar o uso fraudulento por parte de terceiros. Funções de segurança como autenticação, cifragem e uso de TMSIs (Temporary Mobile Subscriber Identities) são indispensáveis. Numa rede GSM, são necessários diferentes protocolos para permitir o fluxo de dados e sinalização entre diferentes subsistemas GSM. A figura que se segue mostra as interfaces que ligam os diferentes subsistemas GSM e os protocolos usados para comunicar em cada interface.

Figura 18 – Interfaces e Protocolos GSM

Nota: os números entre parênteses indicam as recomendações ETSI (European Telecommunications Standards Institute) – GSM. O modelo de camadas da arquitectura GSM integra e liga as comunicações ponto a ponto (peer-to-peer) entre dois sistemas diferentes. As camadas subjacentes cumprem os serviços dos protocolos de camada superior. As notificações são transmitidas de camada em camada para garantir que a informação foi correctamente formatada, transmitida e recebida.


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Os protocolos GSM estão basicamente divididos em três camadas:

• Camada 1: camada física o Permite a transmissão física (TDMA, FDMA – Frequency Division

Multiple Access, etc.); o Avaliação da qualidade do canal; o Excepto na interface ar (Rec. GSM 04.04), PCM 30 (Pulse Code

Modulation) ou são usadas ligações RDIS (Rec. GSM 08.54 sobre a interface Abis e 08.04 sobre as interfaces de A a F).

• Camada 2: camada de ligação de dados o Multiplexagem de uma ou mais ligações da camada 2 em canais de

controlo/sinalização; o Detecção de erros (com base no HDLC - High Level Data Link

Control); o Controlo de fluxo; o Garantia da qualidade de transmissão; o Encaminhamento;

• Camada 3: camada de rede o Gestão de ligações (interface ar); o Gestão de dados de localização; o Identificação do assinante; o Gestão de serviços de valor acrescentado (SMS, reencaminhamento

de chamadas, chamadas em conferência, etc.). Para ligar os diferentes nós na rede GSM, são definidas diferentes interfaces nas especificações GSM. As diferentes interfaces estão classificadas em:

• Interface Um (MS-BTS) - a interface entre a MS e o BSS;

• Interface Abis (BSC-BTS) - esta interface é usada entre o BSC e a BTS para suportar os serviços oferecidos aos utilizadores e assinantes GSM. A interface também permite controlar os equipamentos de rádio e a alocação de frequências na BTS;


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• Interface A (MSC-BSS) - a interface entre o MSC e o seu BSS. A interface BSS-MSC é usada para transportar informações sobre:

· Gestão do BSS; · Processamento de chamadas; · Gestão da mobilidade.

• Interface E (MSC-MSC) - quando uma MS está num processo de chamada numa área de MSC e é necessário executar um procedimento de handover para continuar a chamada em curso, os MSCs têm de trocar dados para iniciar e posteriormente executar a operação. Uma vez concluída a operação de handover, os MSCs irão trocar informações para transferir a sinalização da interface A. em conformidade. Quando um SMS é trocada entre uma MS e o SC (SMS Center), em qualquer das direcções, esta interface é usada para transferir o SMS entre o MSC onde a MS está alocada e o MSC que funciona como interface para o SC;

• Interface H (HLR-AC) - quando um HLR recebe um pedido de autenticação e encriptação de dados para um assinante móvel e não tem os dados pedidos, o HLR pede os dados ao AC;

• Interface C (MSC-HLR) - o GMSC tem de interrogar o HLR do assinante em causa para obter informações de encaminhamento para uma chamada ou um SMS reencaminhada para esse assinante;

• Interface D (HLR-VLR) - esta interface é usada para trocar os dados relativos à localização MS e à gestão do assinante. O principal serviço fornecido ao assinante móvel é a capacidade de configurar ou receber chamadas dentro de toda a área de serviço;

• Interface F (MSC-EIR) - esta interface é usada entre o MSC e o EIR para trocar dados, de modo a que o EIR possa verificar o estado do IMEI obtido a partir da MSl;

• Interface G (VLR-VLR) - quando um assinante móvel passa de uma área VLR para outra, ocorre o procedimento de registo de localização. Esse procedimento pode incluir a obtenção do IMSI e dos parâmetros de autenticação do VLR antigo;


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• Interface B (MSC-VLR) - o VLR é a base de dados de localização e gestão para os assinantes móveis que fazem roaming na área controlada pelo(s) MSC(s) associado(s). Sempre que o MSC precisa de dados referentes a uma determinada MS alocada na sua área, interroga o VLR. Quando uma MS inicia um procedimento de actualização de localização com um MSC, o MSC informa o seu VLR que guarda as informações relevantes. Este procedimento ocorre sempre que uma MS faz roaming para outra área de localização. Da mesma forma, quando um assinante activa um determinando serviço suplementar ou modifica alguns dados anexados a um serviço, o MSC informa (através do VLR) o HLR que guarda essas modificações e actualiza o VLR, se necessário.

Figura 19 – Interfaces GSM


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3.Interface Ar GSM


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3.1 Transmissão Analógica e Digital

2.1.3 Informação analógica

A informação analógica é contínua e no tempo. O tempo é um exemplo de informação analógica. É contínuo e não pára em pontos específicos. Um relógio analógico pode ter um ponteiro dos segundos que não salta de um segundo para o outro, mas continua a rodar sem parar. Um sinal analógico é uma forma de onda contínua que muda em função das características da informação representada.

2.1.4 Informação digital

A informação digital é um conjunto de valores descontínuos. O tempo também pode ser representado de forma digital. Contudo, o tempo digital seria representado por um relógio que salta de um minuto para o outro sem parar nos segundos. De facto, esse relógio digital recolhe uma amostra de tempo a intervalos predefinidos. Nos sistemas móveis, os sinais digitais podem ser considerados conjuntos de formas de onda descontínuas.

Analog Signal Digital Signal

Figura 20 – Sinais Analógicos e sinais Digitais


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2.1.5 Vantagens das técnicas digitais

Através da cadeia de comunicação durante a transmissão de sinais, estes ficam distorcidos pelo ruído, pela não-linearidade nos amplificadores, pela interferência de outros transmissores, etc. Os sinais analógicos podem adoptar qualquer forma de onda. Assim, as distorções são indetectáveis, uma vez que qualquer forma de sinal é válida. Os sinais digitais têm dois estados distintos, “1” e “0”. Em qualquer estado intermédio, um sinal digital pode ser restabelecido para o seu estado ideal. Pode-se aplicar algoritmos de correcção de erros para detectar erros de transmissão (erros de bit). Esse tipo de sinal digital pode ser transportado de forma "limpa" em todo o percurso da origem ao destino e ser convertido num sinal (analógico) audível apenas ao ouvido do utilizador receptor. Por oposição aos sinais analógicos, os sinais digitais podem ser:

• regenerados de forma ideal e sem erros;

• empacotados;

• comprimidos;

• armazenados;

• reproduzidos de forma idêntica;

• facilmente encriptados/desencriptados;


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3.2 Técnicas de Modulação Independentemente da tecnologia usada, na ligação rádio existe sempre uma frequência portadora que está a ser modificada pelo sinal de informação. Existem várias formas de modular a portadora.

• Where is the information?

• Amplitude modulation

• Frequency modulation

• Phase modulation

equidistant sampling points

Figura 21 – Tipos de Modulação

O esquema de modulação usado em GSM é o GMSK (Gaussian Minimum-Shift Keying) com um BT de produto de largura de banda de tempo normalizado de 0.3, sendo a taxa de modulação de 270.8 kbps. No GMSK, um 1 lógico faz com que a fase da portadora aumente em 90º num período de bits e um 0 lógico faz com que a fase da portadora diminua em 90º. Esta mudança de fase ocorre comutando instantaneamente a frequência de portadora entre dois valores diferentes f1 e f2: sendo Rb a taxa de modulação (270.8 kb/s) e fc a frequência de portadora nominal. No GSM 900, a frequência usada para transferir a informação pela interface ar é aproxidamente de 900 MHz. O GMSK permite a transmissão de 270kbit/s num canal de 200kHz. Isso equivale a um débito binário de 1.3 bit/s por Hz. É um débito binário relativamente baixo, mas aceitável, uma vez que o canal usado tem um nível de interferência elevado no ar. A capacidade do canal no GSM fica aquém de outros padrões móveis digitais que conseguem incluir mais bits/s num canal. Nesse sentido, a capacidade de outros padrões móveis é superior. No entanto, o GMSK do GSM oferece maior tolerância à interferência. Isto, por sua vez, permite uma reutilização mais apertada de

(2) 4/

(1) 4/

2

1

bc

bc

Rff

Rff

−=+=


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frequências que leva a um aumento global de capacidade que ultrapassa a de outros sistemas.

3.3 Atribuição de Frequências O GSM usa um esquema de acesso múltiplo combinado TDMA/FDMA. O espectro disponível é dividido num conjunto de canais, cada um com 200 KHz de largura. Cada um dos canais pode ser ocupado por uma portadora RF (Radio Frequency) de modulação GMSK que suporta vários intervalos de tempo TDMA. As portadoras RF são emparelhadas de modo a permitir um fluxo de dados simultâneo em ambas as direcções; i.e., full duplex. As bandas de frequências GSM900 vão de 890 MHz a 915 MHz para a ligação Uplink e de 935 MHz a 960 MHz para a ligação Downlink. Os operadores têm múltiplas frequências, sendo o GSM na realidade uma combinação de tecnologias TDMA e FDMA. Cada intervalo de tempo é denominado canal físico e pode ser usado como canal de tráfego e/ou canal (de sinalização) de controlo. Os canais de tráfego e de controlo são denominados canais lógicos. Existe uma banda de guarda de 200 KHz na gama de frequência de Uplink e Downlink, não sendo estes canais utilizados. Cada frequência portadora RF tem um ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). As bandas de frequências mais altas e mais baixas para um determinado ARFCN estão ligadas por:

(11) 45)()(

(10) 2.0890)(

+=+=nFnF

nnF

lu

l

Em que as frequências estão ambas em MHz e 1241 ≤≤n . Além da separação de frequências entre as portadoras duplex que corresponde a 45 MHz para o GSM900, os bursts (rajadas) Downlink e Uplink de uma ligação duplex estão separados por 3 intervalos de tempo, estando o Downlink adiantado 3 intervalos de tempo em relação ao Uplink.


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Figura 22 – Alocação dos canais GSM


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Nas aplicações GSM, as bandas estão atribuídas da seguinte forma:

System

Specs P-GSM 900 E-GSM 900 GSM 1800 GSM 1900

Frequency

Uplink 890-915 MHz 880-915 MHz1710-1785

MHz

1850-1910

MHz

Downlink 935-960 MHz 925-960 MHz1805-1880

MHz

1930-1990

MHz

Wavelength ~ 33 cm ~ 33 cm ~ 17 cm ~ 16 cm

Duplex Distance 45 MHz 45 MHz 95 MHz 80 MHz

Carrier Separation 200 KHz 200 KHz 200 KHz 200 KHz

Radio Channels 124 174 374 299

Figura 23 – Alocação das Frequência GSM

Outro factor importante é a capacidade de canal de um sistema móvel. Um canal é uma frequência ou conjunto de frequências que pode ser atribuído para a transmissão e possivelmente a recepção de informação. Qualquer canal de comunicação pode ser um dos seguintes tipos:

Type of Channel Properties Applications

Simplex One-way only FM radio, television

Half duplex Two-way, only one at a time Police radio

Full duplex Two-way, both at the same time Mobile systems

Figura 24 – Tipo de canais


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Um canal simplex, como por exemplo, uma estação de música FM, utiliza uma única frequência numa única direcção. Um canal duplex, como aquele que é usado durante uma chamada móvel, utiliza duas frequências: uma para a MS e uma a partir da MS. A direcção da MS para a rede é denominada Uplink. A direcção da rede para a MS é denominada Downlink. Como é necessário menos potência para transmitir numa frequência mais baixa numa determinada distância, as frequências de Uplink nos sistemas móveis são sempre a banda de frequências mais baixa – isto reduz consideravelmente o consumo de energia da bateria das MSs. A distância duplex é a gama de frequências que separa as bandas de Uplink e Downlink. A distância duplex deve ser suficientemente grande para diminuir a interferência entre canais de Downlink e Uplink. A separação entre portadoras deve ser suficiente para eliminar a interferência entre canais adjacentes. Quanto maior a separação, menor a interferência co-canal, mas também menor a quantidade de canais adequados disponíveis na largura de banda. Uma separação de canais de 200 kHz é adequada para todos os sistemas.


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3.4 Time Division Multiple Access (TDMA) O TDMA é um acesso múltiplo por divisão de tempo e é usado em sistemas digitais para transmitir e receber sinais de voz. Com o TDMA, usa-se uma portadora para transportar um determinado número de chamadas, sendo que cada chamada usa essa portadora em determinados períodos de tempo. Esses períodos são designados por intervalos de tempo. A cada MS é atribuído a um determinado intervalo de tempo na frequência de Uplink e a um intervalo de tempo na frequência de Downlink. A informação enviada durante um intervalo de tempo é denominada burst ou rajada. No GSM, uma trama TDMA consiste em 8 intervalos de tempo chamados de TS (Time Slot). Isto significa que uma portadora GSM pode transportar 8 chamadas em simultâneo. O débito binário total num canal é de 270 Kbit/s, por isso, o débito binário para cada assinante será de 270/8=33.75 Kbit/s. A duração de cada TS é de 0.577 ms. Os TS têm uma duração muito curta, mas o utilizador capta um fluxo de voz contínuo devido a técnicas de compressão e expansão adequadas no transmissor e no receptor. A duração de toda a trama TDMA equivale assim a 0.577 x 8 = 4.616 ms.

Figura 25 – Principio do TDMA


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3.5 Processo de transmissão rádio GSM A conversão de voz na sequência de bits final que será transmitira pela interface ar no sistema GSM decorre em mais do que uma fase. As fases são:

Figura 26 – Conversão Analógica Digital

3.5.1 Amostragem

A amostragem implica a medição do sinal analógico em intervalos de tempo específicos. A exactidão da descrição do sinal analógico em termos digitais depende da frequência de amostragem do sinal analógico. Isto é designado de frequência de amostragem. A teoria da amostragem estipula que: Para reproduzir um sinal analógico sem distorção, é necessário fazer a amostragem do sinal com pelo menos duas vezes a frequência mais alta do sinal analógico do sinal em questão. A voz normal contém maioritariamente componentes de frequência abaixo dos 3400 Hz. Os componentes mais altos têm uma potência mais baixa e podem ser omitidos sem grande impacto na qualidade vocal. Aplicando a teoria da amostragem aos sinais de voz analógicos, a frequência de amostragem teria de ser de pelo menos 2 x 3.4 kHz = 6.8 kHz. Os sistemas de telecomunicações usam uma frequência de amostragem de 8 kHz que é aceitável, com base na teoria de amostragem.

Figura 27 - Amostragem


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3.5.2 Quantificação

A próxima etapa consiste em atribuir um valor a cada amostra. Por esse motivo, a amplitude do sinal no momento da amostragem é medido e aproximado de um valor do conjunto limitado de valores. A figura em baixo mostra o princípio da quantificação aplicado a um sinal analógico. O grau de exactidão depende do número de níveis de quantificação usados. Na telefonia comum, são usados 256 níveis, ao passo que no GSM são utilizados 8,192 níveis.

Figura 28 - Quantficação

3.5.3 Codificação

A codificação envolve a conversão dos valores quantificados em binários. Todos os valores são representados por um código binário de 13 bits (213 = 8192). Por exemplo, um valor quantificado de 2157 teria um padrão de bits de 0100001101101:

Bit 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Total

Set to 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1

Value 0 2048 0 0 0 0 64 32 0 8 4 0 1 2157

Figura 29 – Codificação de 2157


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O resultado do processo de conversão A/D é de 8.000 amostras por segundo com 13 bits cada. Trata-se de um débito binário de 104 Kbits/s. Se considerarmos que 8 assinantes usam um canal rádio, o débito binário global seria de 8 x 104 Kbits/s = 832 Kbits/s. Lembrando a regra geral de 1 bit por Hertz, este débito binário não encaixaria nos 200 kHz disponíveis para a totalidade dos 8 assinantes. O débito binário deve ser de alguma forma reduzido - o que se consegue através da segmentação e da codificação de sinais vocais.

3.6.4 Segmentação e Codificação de Sinais Vocais

A solução para reduzir o débito binário consiste em enviar informação sobre a voz em vez da própria voz. No GSM, o processo de codificação de voz analiza amostras vocais e emite parâmetros sobre a composição da voz: tom, amplitude, altura do som, etc. Esta é depois transmitida através da rede a outra MS que gera a voz, com base nestes parâmetros. O processo do discurso humano começa nas cordas vocais ou órgãos da fala, onde é gerado um tom. A boca, língua, dentes, etc., funcionam como um filtro, alterando a natureza desse tom. O objectivo da codificação de voz no GSM é enviar apenas informação sobre o próprio tom original e sobre o filtro.

2.1.5.1 Segmentação

Tendo em conta que os órgãos da fala são relativamente lentos na adaptação às mudanças, os parâmetros de filtro que representam os órgãos da fala são mais ou menos constantes durante 20 ms. Por esse motivo, durante a codificação de voz no GSM, um bloco de 20 ms é codificado num conjunto de bits. Isto assemelha-se a amostrar a voz a uma velocidade de 50 vezes por segundo em vez dos 8.000 usados pela conversão A/D.

Figura 30 – Velociadade de segmentação


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2.1.5.2 Codificação de Voz

Em vez de usar 13 bits por amostra como na conversão A/D, a codificação de voz GSM usa 260 bits. Isto é calculado como 50 x 260 = 13 Kbits/s, o que fornece uma qualidade de voz aceitável para telefonia móvel e comparável com a PSTN. Estão disponíveis inúmeros tipos de codificadores de voz. Alguns oferecem melhor qualidade de voz à custa de um débito binário mais elevado (codificadores de forma de onda) Outros usam débitos binários mais baixos, à custa de uma qualidade de voz mais baixa (vocoders ou codificadores de voz). O codificador híbrido que é utilizado no GSM fornece boa qualidade de voz com um débito binário relativamente baixo, graças à complexidade do codificador de voz. O codificador de voz GSM produz um débito binário de13 Kbits/s por assinante. Supondo que 8 assinantes usam um canal rádio, o débito binário global seria de 8 x 13 Kbits/s = 104 Kbits/s. Isto é vantajoso em relação aos 832 Kbits/s da conversão A/D. Contudo, a codificação de voz não tem em consideração os problemas que podem surgir no percurso da transmissão rádio. As fases seguintes do processo de transmissão, codificação de canal e entrelaçamento, ajudam a ultrapassar esses problemas. A função de conversão da informação codificada PCM em informação do codificador de voz GSM é denominada transcodificação.

3.6.5 Codificação de Canal

A codificação de canal no GSM usa os 260 bits da codificação de voz como input para a codificação de canal e produz 456 bits codificados. Os 260 bits são divididos em função da sua importância:

Bloco 1: 50 bits muito importantes Bloco 2: 132 bits importantes Bloco 3: 78 bits pouco importantes

O primeiro bloco de 50 bits é enviado através de um codificador de bloco que acrescenta três bits de paridade que irão resultar em 53 bits. Estes três bits são usados para detectar erros numa mensagem recebida. Os 53 bits do primeiro bloco, os 132 bits do segundo bloco e os 4 tail bits ou bits de cauda (total = 189) são enviados para um codificador convulocional 1:2 que produz 378 bits. Os bits acrescentados pelo codificador convulocional permitem a correcção de erros quando a mensagem é recebida. Os bits do bloco 3 não estão protegidos. O débito do codificador de canal é de 456 bits representando uma amostra de voz de 20 ms.


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Figura 31 – Codificação de Canal

3.6.6 Entrelaçamento

Na realidade, os erros de bit ocorrem frequentemente em sequência, pois são causados por longos fading dips (quedas por desvanecimento) que afectam vários bits consecutivos. A codificação de canal é muito eficaz na detecção e correcção de erros individuais e de pequenas sequências de erros. Não é adequada para o processamento de sequências de erros de bit mais longas. Para ultrapassar essa situação, os bursts (rajadas) de dados não são enviados na sua ordem natural, mas sim entrelaçados de acordo com um padrão pseudo-aleatório entre um conjunto de intervalos de tempo na multitrama. O entrelaçamento equivale a enviar um grupo de pessoas importantes de A para B em aviões diferentes. Dessa forma, a probabilidade de perder todo o grupo é minimizada. Por exemplo, um bloco de mensagens pode consistir em quatro bits (1234). Se for necessário transmitir quatro blocos de mensagens e um se perder na transmissão, sem entrelaçamento, haverá um BER (Bit Error Rate - taxa de erros nos bits) de 25% no total, mas um BER de 100% para esse bloco de mensagens perdido. Isso não tem recuperação possível.

De-interleaved blocks

Figura 32 – Entreleçamento (Interleaving)


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Ao usar o entrelaçamento, os bits de cada bloco podem ser enviados de forma não consecutiva. Se se perder um bloco na transmissão, haverá uma vez mais um BER total de 25%. Contudo, desta vez, os 25% estão distribuídos pela totalidade dos blocos de mensagens, estando atribuído um BER de 25% a cada bloco. Isto é mais fácil de gerir e existe uma maior probabilidade de o descodificador de canal conseguir corrigir os erros.

2.1.5.3 Primeiro nível de entrelaçamento

O codificador de canal fornece 456 bits para cada 20 ms de voz. Estes são entrelaçados, formando oito blocos de 57 bits cada, conforme ilustrado na figura em baixo.

Figura 33 – Primeiro nível de Interleaving

2.1.5.4 Segundo nível de entrelaçamento

Se apenas for usado um nível de entrelaçamento, a perda deste burst resulta numa perda total de 25%. O descodificador de canal não consegue corrigir uma perda tão grande. É possível introduzir um segundo nível de entrelaçamento para reduzir ainda mais o BER para 12,5%. Em vez de enviar dois blocos de 57 bits da mesma amostra de voz de 20 ms num burst, são enviados ao mesmo tempo um bloco de uma amostra de 20 ms e um bloco da amostra seguinte de 20 ms. É introduzido um atraso no sistema quando a MS tem de esperar pelos próximos 20 ms de voz. No entanto, o sistema pode agora perder um burst inteiro, dos oito existentes, pois a perda representa apenas 12,5% dos bits totais de cada trama de 20ms. 12,5% é o nível máximo de perda que um descodificador de canal consegue corrigir. Por isso, o bloco de 456 bits será agora enviado em 8 bursts, cada um contendo apenas 57 bits.


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Figura 34 - Second Level of Interleaving

3.6.7 Cifragem/Encriptação

O objectivo da cifragem é codificar o burst para que nenhum outro dispositivo além do receptor planeado consiga interpretá-lo. O algoritmo de cifragem no GSM é o algoritmo A5. Não acrescenta bits ao burst, o que significa que a entrada e débito no processo de cifragem é igual à entrada: 456 bits por 20 ms.


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3.6.8 Formatação do burst

Todas as transmissões de uma MS/BTS devem incluir algumas informações extra, como por exemplo, a sequência de formação (training sequence). O processo de formatação de burst consiste em acrescentar estes bits (juntamente com outros, como tail bits), aos sinais vocais/dados básicos enviados. Isso aumenta o débito binário global, mas é necessário redudir os problemas encontrados no percurso rádio. No GSM, o input para a formatação de burst são os 456 bits recebidos da cifragem. A formatação de bursts acrescenta um total de 136 bits por bloco de 20 ms, elevando o total global a 592. No entanto, cada intervalo de tempo numa trama TDMA dura 0.577 ms. Consegue-se assim tempo suficiente para transmitir 156.25 bits (cada bit demora 3.7 ms), mas um burst apenas contém 148 bits. O resto do espaço, tempos de 8.25 bits, está vazio e é denominado tempo de guarda (GP, Guard Period). Este tempo é usado para permitir o “ramp up” e “ramp down” da MS/BTS. "Ramp up" significa obter energia da bateria/alimentação eléctrica para transmissão. O "Ramp down" é efectuado após cada transmissão para assegurar que a MS não está a transmitir durante intervalos de tempo atribuídos a outras MSs. O resultado da formatação de burst é um burst de 156.25 bits ou 625 bits por 20 ms. Considerando que existem 8 assinantes por trama TDMA, o débito binário global para o GSM pode ser calculado como 270.9 kbits/s.

Figura 35 – Burst GSM


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3.6.9 Modulação e Transmissão

Os bits têm de ser enviados pelo ar, usando uma frequência de portadora. Tal como explicado anteriormente, o GSM usa a técnica de modulação GMSK. Os bits são modulados numa frequência de portadora e transmitidos. A figura que se segue mostra o processo de transmissão GSM.

Figura 36 – Diagrama de blocos de um ME


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3.6 Problemas de Transmissão Rádio GSM Um ambiente de comunicação móvel está sujeito a inúmeros problemas relacionados com a transmissão rádio que podem causar uma degradação inaceitável da qualidade do serviço. Por isso, devem ser disponibilizadas soluções para estes problemas. Nas próximas secções, iremos abordar os problemas mais importantes e as respectivas soluções.

3.6.1 Sombreamento (desvanecimento normal)

O desvanecimento significa que a força do sinal recebido oscila em torno de um valor médio, quando o telemóvel muda de posição. A causa do sombreamento é a presença de obstáculos como grandes edifícios ou montes no percurso entre o site e o telemóvel. A distância entre fading dips (valores mínimos da força do sinal) vai de 10 a 20 metros. Se a técnica de modulação usada for analógica, e o telemóvel se deslocar à velocidade de um carro, o sombreamento irá resultar em batimentos indesejáveis no sinal vocal.

2.1.5.5 Solução para o Problema de Desvanecimento Normal

O problema de desvanecimento normal pode ser reduzido aumentando a margem de desvanecimento, a sensibilidade do receptor é definida como a força do sinal recebido mais baixa necessária para regenerar correctamente o sinal original. A margem de desvanecimento é definida como a diferença entre o valor médio do sinal recebido e a sensibilidade do receptor. Para ultrapassar os problemas de desvanecimento, a margem de desvanecimento deve ser suficientemente ampla para que o fading dip mais baixo seja ainda assim superior à sensibilidade do receptor.

Figura 37 - Fading dips


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3.6.2 Desvanecimento Multipercurso

O desvanecimento multipercurso ocorre quando há mais do que um percurso de transmissão para a MS ou BTS e chega portanto mais do que um sinal ao receptor.

2.1.5.6 Desvanecimento de Rayleigh

Isto ocorre quando um sinal segue mais do que um percurso entre as antenas MS e BTS. Neste caso, o sinal não é recebido num percurso de linha de vista directamente a partir da antena TX. Em vez disso, é reflectido, por exemplo, por edifícios e é recebido a partir de vários percursos diferentes indirectos. O desvanecimento de Rayleigh ocorre quando os obstáculos estão próximos da antena receptora. O sinal recebido é a soma de inúmeros sinais idênticos que diferem apenas na fase (e até certo ponto, na amplitude). Um fading dip e o tempo que decorre entre dois fading dips depende da velocidade da MS e da frequência de transmissão. A distância entre dois dips causada pelo desvanecimento de Rayleigh é de cerca de meio comprimento de onda. Assim, para o GSM 900, a distância entre dips é de aproximadamente 17 cm.

Figura 38 – Desvanecimento multpercurso


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2.1.5.7 Soluções para o Problema de Desvanecimento de Rayleigh

A primeira solução para reduzir o desvanecimento de Rayleigh consiste em usar Diversidade de Espaço de Antena , o transreceptor móvel irá usar duas antenas receptoras em vez de uma. Uma distância de certa de 5 metros irá separá-las e irão receber os sinais de rádio de forma independente, pelo que serão afectadas de forma diferente pelos fading dips e o melhor sinal recebido será escolhido.

Received Signal Strength

Distance

Figura 39 – Diversidade das antenas

Outra solução consiste em reduzir o desvanecimento de Rayleigh usando Saltos de Frequência . Durante a conversação, é atribuído um intervalo de tempo TDMA a um assinante móvel numa das portadoras RF atribuída à célula de na qual o MS está acampado. O efeito de desvanecimento pode não ser o mesmo para todas as frequências, por isso o intervalo de tempo do assinante irá saltar ("hop") entre as frequências da célula quando é repetida em cada trama TDMA. Se apenas uma das frequências for gravemente afectada pelo desvanecimento, perder-se-á uma pequena parte do sinal. A sequência de salto pode ser cíclica ou aleatória.

Time

Figura 40 – Saltos na frequência


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3.6.3 Dispersão Temporal

A dispersão temporal é outro problema associado a múltiplos percursos para a antena Rx de uma MS ou BTS. No entanto, ao contrário do desvanecimento de Rayleigh, o sinal reflectido vem de um objeto muito distante da antena Rx. A dispersão temporal causa interferência entre símbolos (ISI - Inter Symbol Interference) onde símbolos consecutivos (bits) interferem uns com os outros, dificultando a tarefa do receptor em determinar o símbolo correcto. Isso é ilustrado na figura em baixo onde a sequência 1,0 é enviada da BTS. Se o sinal reflectido chegar um intervalo de bit após o sinal directo, o receptor detecta um 1 a partir da onda reflectida, ao mesmo tempo que detecta um 0 a partir da onda directa. O símbolo 1 interfere com o símbolo 0 e a MS não sabe qual é o correcto. É transmitido um bit a cada 3.7 ms. As ondas radioeléctricas viajam a 3x10 8 m/s. Por isso, um bit viaja aproximadamente 1 km dentro de um período bit. Assim, se o percurso directo tiver 1 km de comprimento e o percurso indirecto 3 km, o primeiro bit transmitido irá interferir com o 3º bit transmitido.

Figura 41 – Dispersão no Tempo


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2.1.5.8 Soluções para o Problema da Dispersão Temporal

A primeira solução consiste em aumentar a relação Portadora/Reflexão (C/R, carrier/reflection ). A relação C/R é definida como a diferença na força do sinal entre o sinal recebido do RBS e o sinal reflectido mais forte. O seu valor depende da posição relativa do assinante móvel. A relação C/R aumenta à medida que o telemóvel se aproxima do RBS e vice-versa. Na fase de planeamento de um site, é necessário ter em consideração os objectos reflectores que podem encontrar-se na área de cobertura do site. O objectivo é instalar o site numa posição adequada para que a relação C/R seja suficientemente grande de modo a que a "ISI" seja insignificante. A segunda solução consiste em implementar um equalizador de Viterbi que consiste num equalizador usado para equalizar o efeito de, no máximo, 4 bits de atraso, o que corresponde a uma diferença de percurso de cerca de 4,5 Km. Um padrão de bits denominado "sequência de formação" (training sequence) conhecido pelo telemóvel é transmitido com todos os bursts. O padrão é inserido no meio do burst para assegurar que o canal tem características estáveis. O equalizador compara o padrão recebido com o previsto e cria um modelo matemático do canal que esteve provavelmente na origem da diferença entre os dois padrões. Então, uma sequência provável de bits transmitida é inserida no modelo do canal e o resultado é comparado com os bits recebidos até alcançar a sequência de bits mais provável.

3.6.4 Tempo de Atraso

Cada MS numa chamada tem um intervalo de tempo atribuído numa trama TDMA. É um período de tempo durante o qual a MS transmite informação à BTS. A informação tem de chegar também à BTS nesse intervalo de tempo. O problema do alinhamento temporal ocorre quando parte da informação transmitida por uma MS não chega no intervalo de tempo atribuído. Em vez disso, essa parte pode chegar no intervalo de tempo seguinte e pode interferir com a informação de outra MS que usa o outro intervalo de tempo. Uma grande distância entre a MS e a BTS causa alinhamento temporal. De facto, o sinal não consegue percorrer a longa distância no tempo indicado.


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2.1.5.9 Solução para o problema de tempo de atraso

Timing Advance (TA) é uma solução especificamente concebida para contrariar o problema do alinhamento temporal. Funciona, instruindo a MS desalinhada para que transmita o seu burst antes ou depois do que seria normal. No GSM, a informação de "timing advance" refere-se a tempos de bit. Assim, uma MS pode ser instruída para efectuar a sua transmissão um determinado número de tempos de bit mais cedo ou mais tarde relativamente à posição anterior, de modo a alcançar o intervalo de tempo na BTS no momento certo. Podem ser usados, no máximo, 63 tempos de bit nos sistemas GSM. Isto limita o tamanho normal da célula GSM a um raio de 35 km. No entanto, com equipamento de raio alargado, é possível processar distâncias até 70 km ou mesmo 121 km, usando 2 intervalos de tempo.


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3.7 Salto de Frequência As portadoras de rádio móvel estão sujeitas a interferências selectivas de frequências, por exemplo, desvanecimento devido ao fenómeno de propagação multipercurso. Dado que o sinal da portadora se torna mais ténue com a distância, a interferência selectiva de frequências pode ter um impacto cada vez mais significante na qualidade do sinal. O salto de frequência (FH, Frequency Hopping) usa uma frequência de transmissão em constante mudança na portadora de rádio. Assim, os efeitos da interferência selectiva de frequências serão reduzidos, produzindo um efeito de compensação na interferência causada em cada frequência utilizada na sequência FH. Isto resulta numa melhoria global da relação S/N. A estação móvel tem de ter agilidade na frequência, ou seja, tem de conseguir deslocar-se entre diferentes frequências para transmitir e receber dados, etc. O GSM usa o salto de frequência lento (SFH - Slow Frequency Hopping) para mitigar os efeitos do desvanecimento multipercurso e da interferência. Cada burst pertencente a um determinado canal físico será transmitido numa diferente frequência de portadora em cada trama TDMA. Assim, a taxa de salto é igual à taxa de trama (216.7 tramas/s). Os únicos canais físicos que não podem efetuar saltos são o FCH, SCH, BCCH, PCH e o AGCH. Um telemóvel normal consegue mudar de frequência 217 vezes por segundo. O GSM usa essa agilidade de frequência para implementar o SFH, no qual a MS e a BTS transmitem cada trama TDMA numa frequência de portadora diferente. O salto de frequência pode ser implementado de duas formas diferentes: Baseband Hopping e Synthesiser Hopping.

• Baseband Hopping - O salto de banda de base implica a comutação da frequência de transmissão ao nível da frequência de banda de base. Isto pode ser implementado no local onde a estação de base está equipada com um conjunto de transreceptores discretos, cada um operando numa frequência fixa. O fluxo de dados é comutado para cada transceptor, de acordo com a sequência de salto atribuída.

• Synthesiser Hopping - É usado um único transreceptor sintetizador e a frequência de transmissão é comutada, usando um controlador de sintonização regulado com a sequência de salto atribuída.


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Figura 42 – Tipos de salto na frequência

A sequência de salto define a ordem em que as diferentes frequências de portadora são usadas em Uplink e em Downlink. Uma vez que as frequências de Uplink e de Downlink permanecem sempre separadas pelo espaçamento de canais duplex 45 MHz para o GSM900, basta uma única sequência de salto para descrever toda a ligação duplex. O parâmetro de reserva móvel determina as frequências de portadora que podem ser usadas por cada MS na respectiva sequência de salto. Cada BTS transmite detalhes de todas as portadoras que está a usar, sob a forma de uma mensagem de descrição de canal, transportada no BCCH (Broadcast Control Channel). A MS descodifica e armazena essa informação enquanto se encontra no modo inactivo. Depois de estipular a lista de frequências de portadora atribuídas ao canal de salto de frequência, a MS tem de determinar também a sequência em que cada frequência deve ser utilizada. A sequência de salto é descrita por 2 parâmetros: o número da sequência de salto (HSN, Hopping Sequence Number) e o MAIO (Mobile Allocation Index Offset) MAIO. O HSN selecciona uma das 64 sequências de salto aleatórias predefinidas, enquanto que o MAIO selecciona o ponto de partida na sequência. O MAIO pode assumir tantos valores como o número de frequências existentes na reserva móvel. O valor HSN=0 escolhe uma sequência cíclica em que as frequências na reserva móvel são utilizadas de forma consecutiva. Os canais de salto de frequência com o mesmo HSN, mas diferentes MAIOs, nunca irão usar a mesma frequência em simultâneo, pois são ortogonais. Consequentemente, todos os canais de salto de frequência dentro de uma célula usam o mesmo HSN, mas têm diferentes MAIOs. Se 2 canais de salto de frequência usarem diferentes HSNs, irão interferir para 1/n dos bursts e consequentemente os canais de salto de frequência em células co-canal irão usar diferentes HSNs.


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3.8 Discontinuous Transmission (DTX) Para reduzir o consumo de energia da MS e minimizar a interferência na interface ar, a transmissão do sinal do utilizador é interrompida durante as pausas na conversação. A MS cria artificialmente “comfort noise” (ruído aceitável para supressão de silêncio) de modo a evitar perturbação devido a uma interrupção abrupta da fala.

3.9 Classes de Potência GSM As especificações definem cinco classes de MS para o GSM900, com base nas suas capacidades de potência de saída, tal como indicado na tabela que se segue:

Figura 43 – Potência do MS e as diferentes classes

Cada MS tem a capacidade de reduzir a sua potência de saída a partir da sua potência máxima, em etapas de 2 dB, como resposta a comandos da BTS. Esta funcionalidade é usada para implementar controlo de potência de Uplink, sendo a potência transmitida por uma MS ajustada de modo a que seja suficiente para fornecer uma qualidade de Uplink satisfatória. Este processo é usado para conservar a energia da bateria MS e também para reduzir a interferência da Uplink. Além disso, a potência de saída da BTS também pode ser ajustada para permitir o controlo da potência na Downlink.

3.10 Controlo de Potência O sistema GSM usa o controlo de potência para garantir que a MS e a BTS apenas transmitem potência suficiente para manter uma ligação aceitável,


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reduzindo assim a interferência nas células vizinhas e melhorando a eficiência espectral. Para minimizar a interferência co-canal e conservar a potência, tanto a MS como a BTS operam no nível de potência mais baixo que irá manter uma qualidade de sinal aceitável. A MS consegue diminuir a potência transmitida em etapas de 2 dB. A potência de transmissão da MS é controlada pela rede que transporta mensagens no SACCH (Slow Associated Control Channel). A MS e a BTS medem de forma contínua a potência e a qualidade do sinal (com base na taxa de erros de bit) e transmitem a informação ao BSC que decide se e quando o nível de potência deve ser alterado.

Figura 44 – Controlo da potênica do MS

Depois de receber um comando de controlo de potência, uma MS adapta a sua potência transmitida ao nível de potência solicitado numa taxa máxima de 2 dB a cada 60 ms. Assim, uma mudança de potência de transmissão de 30 dB demorará aproximadamente 900 ms. O algoritmo de controlo de potência baseia-se nas medições de sinal de Uplink efectuadas na BTS. A BTS tem de conseguir adaptar dinamicamente a sua potência em pelo menos 15 etapas de 2 dB. O controlo de potência pode ser aplicado de forma independente em Downlink e Uplink, ou pode não ser aplicado. Contudo, o controlo de potência de Downlink não pode ser aplicado a quaisquer intervalos na portadora BCCH, pois deve ser transmitido numa potência constante, visto ser medido pelas MSs nas células vizinhas para a preparação do handover.


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Figura 45 – Controlo de Potência


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3 Cobertura GSM e Planeamento Celular


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4.1 Plano de Cobertura GSM Para fornecer cobertura para uma vasta área de serviço de uma rede móvel, é possível usar um transreceptor com elevada potência de rádio instalado no centro da área de serviço. Este método é simples e económico, mas por outro lado, tem uma série de desvantagens. Por exemplo, os equipamentos móveis usados nesta rede devem ter elevada potência de saída para conseguirem transmitir sinais na área de cobertura. Além disso, o uso de recursos rádio (banda de frequências RF permitida) é limitado, pois apenas um número limitado de assinantes pode partilhar o espectro atribuído. Por outras palavras, um número limitado de chamadas em simultâneo pode ser processado pelo sistema. Outra solução consiste em dividir esta área de serviço em áreas mais pequenas denominadas “células”. Cada célula, assim como os telemóveis, terão transreceptores relativamente pequenos. O espectro de frequências pode ser "reutilizado" em duas células muito distantes, o que significa capacidade ilimitada do sistema e ao mesmo tempo boas características de interferência.

4.2 Geometria da Célula A forma mais simples de uma célula é ser circular com o seu transreceptor no centro. Mas ao olhar para a figura em baixo, é óbvio que haverá pontos mortos entre as células adjacentes, sem nenhuma cobertura. Para resolver este problema, as células podem ter uma forma quadrada, triangular ou hexagonal.

Figura 46 – Células circulars e pontos mortos entre células

A diferenciação entre estas três formas visa optimizar o número de células necessárias para abranger uma determinada área de serviço face à potência do transreceptor celular onde ambos os parâmetros são funções do “R” variável. Com alguns cálculos, descobrirá que se consegue o resultado ideal usando células de forma hexagonal.


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RRR

Figura 47 – Células hexagonais, triangulares e quadradas

Do ponto de vista prático, a radiação da antena do transceptor não pode assumir uma forma hexagonal. A forma circular é a mais próxima, por isso as células irão assumir a forma de círculos sobrepostos para ultrapassar o problema dos pontos mortos. Uma área de cobertura contém geralmente obstáculos, como grandes edifícios, que deformam a radiação de uma célula. Por isso, a forma real de uma célula será aleatória.


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4.3 Antenas Existem dois tipos de antenas geralmente usados:

• Antena omnidireccional : transmite de igual modo em todas as direcções (360 graus).

• Antena direccional ou sectorial : com o principal lóbulo de radiação direccionado para uma área específica. Ao usar estas antenas, haverá três antenas sectoriais de 120º para cada site, sendo cada sector denominado "célula". Por isso, um site é constituído, no máximo, por três células.

Uma célula pode ser definida como uma área geográfica de cobertura de rádio a partir de um sistema de antenas BTS. É o bloco de construção mais pequeno numa rede móvel e é a razão pela qual as redes móveis são muitas vezes designadas por “redes celulares”. Por norma, as células são representadas graficamente por hexágonos.

Figura 48 – Células Omnidireccionais e células sectorizadas

O limite entre as áreas de cobertura de duas células é o conjunto de pontos em que a força do sinal das duas antenas é igual. Na realidade, o ambiente irá determinar essa linha, mas para simplificar, esse limite é representado como uma linha recta. Na verdade, os hexágonos são modelos extremamente simples de padrões de cobertura rádio, porque a propagação de ondas rádio é altamente dependente do terreno e de outros factores (perda de percurso, sombreamento, desvanecimento multi-percurso, dispersão temporal, relação portadora/reflexão e alinhamento temporal).


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4.4 Reutilização de Frequências As redes celulares modernas são concebidas usando a técnica de reutilização de frequências. Numa rede celular, o número de chamadas que a rede consegue suportar está limitado ao número de frequências atribuídas a essa rede. Se o sistema GSM900 tiver 124 canais de radiofrequência absolutos e estivermos a usar apenas 60 na nossa rede, então apenas podemos processar 8 x 60 = 480 chamadas se usarmos a frequência uma vez. Contudo, uma rede celular ultrapassa essa restrição e maximiza o número de assinantes que pode servir, recorrendo à reutilização de frequências. A reutilização de frequências significa que dois canais rádio na mesma rede podem usar exactamente o mesmo par de frequências, desde que exista uma distância geográfica suficiente (a distância de reutilização de frequências) entre elas, de modo a que não interfiram uma com a outra.

Figura 49 – Reutilização de frequências

Quanto mais apertado for o plano de reutilização de frequências, maior será o potencial de capacidade da rede. Com base nos cálculos de tráfego, o padrão celular e o plano de reutilização de frequências são elaborados não só para a rede inicial, mas também para satisfazer necessidades futuras. Os grupos de frequências podem ser agrupados em padrões de células denominados clusters. Um cluster é um grupo de células no qual todas as frequências disponíveis só são utilizadas uma única vez. Como as mesmas frequências podem ser utilizadas em clusters vizinhos, a interferência pode tornar-se um problema. Por isso, a distância de reutilização de frequências deve ser mantida o mais ampla possível. Contudo, para maximizar a capacidade, a distância de reutilização de frequências deve ser mantida o mais baixa possível. Os padrões de reutilização recomendados para o GSM são o 4/12 e o 3/9. 4/12 significa que existem quatro sites de três sectores que suportam doze células, usando doze grupos de frequências.


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3/9 cluster in which the available frequencies are divided into 9 groups and distributed between 3 sites.

4/12 cluster in which the available frequencies are divided into 12 groups and distributed between 4 sites

Figura 50 - Clusters de 4/12 & 3/9

Segue-se um exemplo de como um operador de rede poderia dividir 24 frequências disponíveis (1.24) num padrão celular 3/9:

Frequency group A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3

Channels

64 65 66 67 68 69 70 71 72

73 74 75 76 77 78 79 80 81

82 83 84 85 86 87

Figura 51 – Grupos de frequências com o padrão 3/9


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No padrão celular 3/9, existem sempre 9 canais a separar cada frequência numa célula. No entanto, quando comparado com o padrão 4/12, as células A1 e C3 são vizinhas e usam frequências adjacentes (10 e 9 respectivamente). Por isso, a interferência C/A irá aumentar. Neste caso, um operador pode usar o salto de frequência que, quando planeado correctamente, pode reduzir a probabilidade dessa interferência de canal adjacente. Numa rede real, a atribuição de canais a células não será tão uniforme como na tabela 10-2 em cima, uma vez que algumas células irão exigir mais canais e outras menos. Nesse caso, um canal pode ser retirado de uma célula com baixo volume de tráfego e deslocado para outra com um volume de tráfego mais elevado. No entanto, ao fazê-lo, é importante assegurar que a interferência continue minimizada.

4.5 Problemas de Interferência devido à Reutilização de Frequências

A interferência é um factor limitativo importante no desempenho de sistemas de telecomunicações móveis. As fontes podem ser:

• Outro telemóvel na mesma célula;

• Outra chamada numa célula vizinha;

• Outras BTS na mesma banda de frequências;

• Qualquer sistema não móvel que perde inadvertidamente energia para a banda de frequências móveis em questão.

A interferência desempenha um papel importante no bloqueio da capacidade e é directamente proporcional à queda das chamadas em curso. Nas próximas sub-secções, estudaremos em mais detalhe os dois tipos principais de interferência: a interferência co-canal e a interferência de canal adjacente.


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4.5.1 Interferência co-canal

As células situadas em diferentes locais numa determinada área usam as mesmas frequências conhecidas, tal como a reutilização de frequências implica. O problema em usar as mesmas frequências é a interferência entre essas células, designada por interferência co-canal. A interferência co-canal é causada pela utilização de uma frequência próxima dessa mesma frequência. A primeira irá interferir com a última, levando aos termos de frequência interferente (lc) e frequência de portadora (C). A especificação GSM recomenda que a relação portadora/interferência (C/lc – Carrier to Interference) seja superior a 9 decibéis (dB). Esta relação C/I é influenciada pelos seguintes factores:

• A localização da MS;

• A geografia local e o tipo de difusão local;

• O tipo de BTS, a elevação e posição do site.

Figura 52 – Interferência Co-Canal

Não é possível contornar a interferência co-canal aumentando simplesmente a potência da onda portadora do transmissor. Isto porque um aumento na potência de transmissão da portadora aumenta a interferência dos co-canais vizinhos. Para diminuir a interferência co-canal, todas as células devem estar situadas a uma determinada distância para fornecer isolamento limitado devido a difusão.


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4.5.2 Interferência de Canal Adjacente

A interferência resultante de sinais que são adjacentes, em termos de frequência, ao sinal desejado, é denominada interferência de canal adjacente, o que significa que frequências adjacentes (Ia), ou seja, frequências deslocadas 200kHz da frequência portadora (C), devem ser evitadas na mesma célula e preferencialmente também em células vizinhas. Embora as frequências adjacentes se encontrem em frequências diferentes da frequência portadora, podem ainda causar problemas de interferência e de qualidade. A especificação GSM estipula que a relação portadora/frequência adjacente (C/la – Carrier to Adjacent ratio) deve ser superior a -9dB.

Figura 53 – Interferência Canal Adjacente

Ao planear a reutilização de frequências de acordo com padrões estabelecidos, nem a interferência co-canal nem a interferência de canal adjacente irão causar problemas. Contudo, as células variam em tamanho, consoante o volume de tráfego que devem transportar. Por isso, é necessário verificar planos de células reais com previsões ou medições de rádio de modo a garantir que a interferência não se transforma num problema.


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4.6 Classificações de Células Uma célula pode ser classificada como:

Tipo de célula Descrição

Célula "umbrella" (guarda-chuva) Uma célula que pode dar cobertura a áreas sem cobertura rádio. Geralmente, a antena está tão alta que a célula pode preencher as lacunas deixadas pelas outras células.

Célula normal Uma célula com nenhum outro atributo.

Micro/pico-célula Uma célula com um raio muito pequeno que fornece cobertura localizada sendo, por isso, adequada para centros comercias ou sistemas subterrâneos.

Célula "overlaid" Uma célula que fornece cobertura rádio a toda a célula.

Célula "underlaid"

Uma célula que dá cobertura apenas a parte da célula, o que significa que transmite com reduzida potência. Isto destina-se a servir uma área de maior densidade dentro da mesma célula.

Tabela 1 - Descrição dos tipos de célula

Umbrella Cell

Overlaid &

Under laid Cells

Normal Cell Normal Cell

Figura 54 – Tipos de células


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A funcionalidade de sub-células "overlaid/underlaid" é uma forma de aumentar a capacidade de tráfego numa rede celular sem construir novos sites. É atribuído um conjunto de canais numa BTS para transmitir a um determinado nível de potência. São os canais de sub-célula "underlaid". É atribuído outro conjunto de canais na mesma BTS para transmitir a um nível de potência mais baixo. São os canais de sub-célula "overlaid". A funcionalidade permite usar dois padrões diferentes de reutilização de frequências: um padrão para sub-células "overlaid" e outro padrão para sub-células "underlaid". Cada sub-célula "overlaid" serve uma área mais pequena do que a sub-célula "underlaid" correspondente e a distância de reutilização de frequências para as sub-células "overlaid" pode ser assim encurtada. Consequentemente, o número de frequências por célula pode ser aumentado, fornecendo uma maior capacidade de tráfego na rede móvel.


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Item CELL TYPE

Macro Cell Micro Cell

Cell Radius 1 to 20 km less than 1 km

Transmitter Power 1 to 10 W less than 1 W

Channel fading Rayleigh Ricean

RMS delay spread 0.1 to 10 µsec 10 to 100 ns

Bit Rate 0.3 Mbps 1 Mbps

Figura 55 – Macrvo células versus Micro células


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4.7 Introdução ao Planeamento celular As principais actividades envolvidas no processo de planeamento celular são mostradas em baixo.

Figura 56 – Ciclo do Planeamento das redes de comunicações móveis

Etapa 1: análise de tráfego e de cobertura O planeamento celular começa com a análise do tráfego e da cobertura. A análise deve produzir informação sobre a área geográfica e a capacidade esperada (volume de tráfego) Os tipos de dados recolhidos são Custo, Capacidade, Cobertura, Grau de qualidade do serviço da rede móvel (GoS – Grade of Service), Frequências disponíveis, Qualidade de voz e Capacidade de crescimento do sistema. A base para todo o planeamento celular é a procura de tráfego, isto é, quantos assinantes usam a rede e qual a quantidade de tráfego que geram. O Erlang (E) é uma unidade de medida de intensidade do tráfego. Pode ser calculado com a seguinte fórmula:

A = n x T / 3600 Erlang Em que

A = tráfego oferecido de um ou vários utilizadores no sistema n = número de chamadas por hora T = tempo médio de chamada em segundos

A distribuição geográfica da procura de tráfego pode ser calculada usando dados demográficos, como a distribuição da população, distribuição do uso de veículos, distribuição do nível de rendimentos, dados sobre o uso da terra, estatísticas de uso de telefones e outros factores, como assinatura/taxação de chamadas e o preço das MSs.


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GOSN

0.007 0.008 0.009 0.01 0.02 0.03 0.05 .1 .2 .4GOS

N

1 .00705 .00806 .00908 .01010 .02041 .03093 .05263 .11111 .25000 .66667 1

2 .12600 .13532 .14416 .15259 .22347 .28155 .38132 .59543 1.0000 2.0000 23 .39664 .41757 .43711 .45549 .60221 .71513 .89940 1.2708 1.9299 3.4798 34 .77729 .81029 .84085 .86942 1.0923 1.2589 1.5246 2.0454 2.9452 5.0210 4

5 1.2362 1.2810 1.3223 1.3608 1.6571 1.8752 2.2185 2.8811 4.0104 6.5955 56 1.7531 1.8093 1.8610 1.9090 2.2759 2.5431 2.9603 3.7584 5.1086 8.1907 67 2.3149 2.3820 2.4437 2.5009 2.9354 3.2497 3.7378 4.6662 6.2302 9.7998 7

8 2.9125 2.9902 3.0615 3.1276 3.6271 3.9865 4.5430 5.5971 7.3692 11.419 89 3.5395 3.6274 3.7080 3.7825 4.3447 4.7479 5.3702 6.5464 8.5217 13.045 910 4.1911 4.2889 4.3784 4.4612 5.0840 5.5294 6.2157 7.5106 9.6850 14.677 10

11 4.8637 4.9709 5.0691 5.1599 5.8415 6.3280 7.0764 8.4871 10.857 16.314 1112 5.5543 5.6708 5.7774 5.8760 6.6147 7.1410 7.9501 9.4740 12.036 17.954 12

13 6.2607 6.3863 6.5011 6.6072 7.4015 7.9667 8.8349 10.470 13.222 19.598 13

14 6.9811 7.1154 7.2382 7.3517 8.2003 8.8035 9.7295 11.473 14.413 21.243 1415 7.7139 7.8568 7.9874 8.1080 9.0096 9.6500 10.633 12.484 15.608 22.891 15

16 8.4579 8.6092 8.7474 8.8750 9.8284 10.505 11.544 13.500 16.807 24.541 16

17 9.2119 9.3714 9.6171 9.6516 10.656 11.368 12.461 14.522 18.010 26.192 1718 9.9751 10.143 10.296 10.437 11.491 12.238 13.385 15.548 19.216 27.844 18

19 10.747 10.922 11.082 11.230 12.333 13.115 14.315 16.579 20.424 29.498 19

20 11.526 11.709 11.876 12.031 13.182 13.997 15.249 17.613 21.635 31.152 20

Figura 57 – Tabela de Erlang B

Para determinar o número e o layout das BTS, é necessário conhecer o número de assinantes e GoS. O GoS é a percentagem de chamadas congestionadas permitidas e define a qualidade do serviço. Com todos estes dados, é possível calcular/ter uma ideia geral de quantos sites serão necessários numa determinada área. Ao planear a rede GSM, é aconselhável configurar o tráfego de modo a estar situado entre 25mE e 33mE.

Etapa 2: Plano celular nominal É possível elaborar um plano celular nominal com base nos dados compilados a partir da análise de tráfego e de cobertura. O plano celular nominal é uma representação gráfica da rede e tem o aspecto de um padrão celular num mapa. Os planos celulares nominais são os primeiros planos celulares e a base do futuro planeamento. O planeamento consecutivo deve ter em conta as características de propagação de ondas rádio do ambiente real. Esse planeamento requer técnicas de medição e ferramentas de análise assistida por computador para estudos de propagação de ondas rádio.

Etapa 3: Surveys Assim que um plano celular nominal estiver concluído e estiverem disponíveis previsões básicas de cobertura e de interferência, é possível realizar site surveys e medições de rádio.


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Etapa 4: concepção do sistema Assim que os parâmetros de planeamento tiverem sido ajustados para corresponderem às medições reais, o dimensionamento do BSC, TRC e MSC/VLR pode ser adaptado e o plano celular final produzido. Tal como o nome indica, este plano pode ser usado para a instalação do sistema. Nesta fase, são executadas novas previsões de cobertura e de interferência, dando origem a documentos de dados de concepção celular (CDD - Cell Design Data) que contêm os parâmetros celulares para cada célula.

Etapa 5 e 6: Implementação do sistema e afinação Depois de instalado, o sistema é constantemente monitorizado para determinar o grau de cumprimento dos objectivos. É a denominada afinação do sistema. Envolve:

• Assegurar que o plano celular final foi implementado com sucesso;

• Avaliar as reclamações dos clientes;

• Assegurar que o desempenho da rede é aceitável;

• Alterar os parâmetros e efectuar outras medições, se necessário.

Etapa 7: Crescimento do sistema e mudança O planeamento celular é um processo contínuo. Se a rede precisar de ser expandida devido a um aumento de tráfego ou a uma mudança no ambiente (por exemplo, um novo edifício), o operador tem de executar de novo o processo de planeamento celular, começando com uma nova análise de tráfego e de cobertura.


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5 Canais GSM


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5.1 Canais Físicos e Canais Lógicos Quando uma MS e uma BTS comunicam, fazem-no num determinado par de portadoras de RF, uma para as transmissões de Uplink e outra para as transmissões de Downlink, num determinado intervalo de tempo em cada trama TDMA consecutiva. A combinação de intervalo de tempo e frequência portadora forma aquilo que é conhecido como canal físico. Um canal RF suporta oito canais físicos em intervalos de tempo de 0 a 7. Os dados, quer se trate de informação de tráfego ou de sinalização, são mapeados para os canais físicos, definindo um determinado número de canais lógicos. O canal lógico transporta informação de um determinado tipo e alguns desses canais podem ser combinados antes de serem mapeados para o mesmo canal físico. A organização de canais lógicos depende da aplicação e da direcção do fluxo de informação (Uplink/Downlink ou bidireccional). Um canal lógico pode ser um canal de tráfego (TCH – Traffic Channel) que transporta dados do utilizador, ou um canal de sinalização.

Figura 58 – Canais físicos e canais lógicos

Existem muitos tipos de canais lógicos, cada um concebido para transportar uma mensagem diferente de ou para uma MS. Toda a informação de e para uma MS tem de ser formatada correctamente para que o dispositivo receptor possa compreender o significado dos diferentes bits na mensagem.


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Logical

channels

Traffic

channelsControl

channels

FULL

RATE

HALF RATE

BCH

CCCHDCCH

FCCHSCH

BCCH

AGCH

PCH

RACH

SDCCHSACCH

FACCH

Figura 59 – Canais lógicos

5.2 Canais de Tráfego Um TCH é usado para transportar tráfego de voz e dados. Os canais de tráfego são definidos usando uma multitrama de 26 tramas ou grupo de 26 tramas TDMA. A duração de uma multitrama de 26 tramas é de 120 ms, o que corresponde à definição de um período burst (120 ms divididos por 26 tramas divididos por 8 períodos burst por trama). Das 26 tramas, 24 são usadas para tráfego, 1 é usada para o canal de controlo lento associado (SACCH - Slow Associated Control Channel) e 1 não está a ser actualmente usada. Os canais de tráfego para a Uplink e a Downlink estão separados no tempo por 3 períodos burst para que a estação móvel não tenha de transmitir e receber ao mesmo tempo, simplificando assim o circuito electrónico. Este método permite evitar filtros duplos de antena complexos e ajuda desta forma a reduzir o consumo de energia. Além destes TCHs com débito binário máximo de (TCH/F, 22.8 kbit/s), são também definidos TCHs em metade do débito máximo (TCH/H, 11.4 kbit/s). Assim sendo os TCHs com metade do débito binário máximo duplicam a capacidade de um sistema, possibilitando a transmissão de duas chamadas num só canal. Se se usar um TCH/F para comunicações de dados, o débito binário de dados utilizável desce para 9.6 kbit/s (no TCH/H: máx. 4.8 kbit/s) devido aos algoritmos de segurança avançados. São também especificados 8 TCHs usados para sinalização. Nas Recomendações GSM, são os denominados canais de controlo dedicado autónomos (SDCCH - Stand-alone Dedicated Control Channel).


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T T T T T T T T T T T T A T T T T T T T T T T T T I

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

A

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

T

A

0:

1:

26 frames = 120 ms

TDMA-frame

Multiframe for full-rate channel

Multiframe for half-rate channels (0.1)

Figura 60 - Full Rate & Half Rate

5.3 Canais de Controlo Os canais de controlo transportam informação de sinalização entre uma MS e uma BTS. Existem várias formas de canais de controlo no GSM e podem ser divididas em três tipos:

• Canais de difusão (BCH – Broadcast Channel);

• Canais de controlo comum (CCCH - Common Control Channel);

• Canais de controlo dedicado (DCCH - Dedicated Control Channel).

Figura 61 – Canais GSM


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5.3.1 Canais de Difusão

Quando uma MS está ligada, procura estabelecer ligação com uma BTS. Os canais de difusão só são transmitidos em Downlink, ou seja, pelas BTSs. O canal FCCH (Frequency Correction Channel ) é o canal lógico GSM mais simples, porque todos os bits de informação estão definidos como 0. O FCCH é usado pela MS nas fases iniciais da aquisição da BTS para corrigir as suas fontes de frequências internas e recuperar a fase da portadora das transmissões BTS. O canal SCH (Synchronization Channel ) contém detalhes completos sobre a sua própria posição na estrutura de trama GSM. Ao usar a informação fornecida no SCH, uma MS sincroniza totalmente os seus contadores de tramas com os de uma BTS. A informação do SCH é transmitida, usando os bursts de sincronização. O canal BCCH (Broadcast Control Channel )é usado para transmitir a informação de controlo a todas as MS de uma célula. Esta informação inclui detalhes sobre a configuração do canal de controlo usada na BTS, uma lista das frequências de portadora do BCCH usadas nas BTSs vizinhas e um conjunto de parâmetros usados pela MS ao aceder a BTS. Outras informações enviadas através destes canais incluem o indicativo do país, o código de rede, o código da área local, o código PLMN, os canais RF usados na célula, as células adjacentes, o número da sequência de salto na frequência, o número do canal RF móvel para atribuição, os parâmetros de selecção de célula e a descrição do RACH (Random Access Channel). É sempre transmitido numa portadora RF especificada e no intervalo de tempo 0, a uma potência constante. Não é possível efectuar saltos no BCCH, FCH e SCH. O canal CBCH (Cell Broadcast Channel ) é usado para transmitir mensagens de texto curtas alfanuméricas a todas as MSs numa determinada célula. Por exemplo, informação de tráfego. Estas mensagens aparecem no monitor da MS e um assinante pode optar por receber mensagens diferentes, seleccionando páginas diferentes. O BCCH e o CBCH usam ambos o burst normal.

5.3.2 Canais de Controlo Comum

Os canais de controlo comum podem ser usados por qualquer MS numa célula. O canal PCH (Paging Channel ) é um canal apenas de Downlink que é usado pelo sistema para procurar (paging) MSs individuais. O canal AGCH (Access Grant channel ) partilha os mesmos recursos físicos que o PCH, um intervalo de tempo específico pode ser usado por cada canal. Um AGCH é usado pela rede para conceder ou negar o acesso de uma MS à rede, fornecendo-lhe detalhes de um canal dedicado; i.e. o TCH ou SDCCH que deve ser usado para comunicações subsequentes. O AGCH é um canal de Downlink e usa sempre burst normal. O canal RACH (Random Access Channel ) é um canal de Uplink usado por uma MS para aceder inicialmente à rede; i.e., durante a configuração da chamada ou antes de actualizar uma localização. O termo "random" (aleatório) deriva do facto


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de mais do que uma MS poder transmitir num intervalo de tempo RACH e assim colidirem.

5.3.3 Canais de Controlo Dedicado

Os canais de controlo dedicado são usados para chamadas ou handover. Quando uma MS está envolvida numa chamada, deve fluir uma determinada quantidade de informação de sinalização na interface rádio para manter a chamada. Este tipo de sinalização é suportado através de canais de controlo lógicos que ocupam o mesmo canal físico que os dados de tráfego. As informações de carácter não urgente, como os resultados de medição, são transmitidas através do canal SACCH (Slow Associated Control Channel ). Este ocupa um intervalo de tempo em cada 26. As informações mais urgentes, como o handover, são enviadas com intervalos de tempo roubados ao canal de tráfego. Este canal é conhecido como FACCH (Fast Associated Control Channel ) devido à sua capacidade de transferir informações entre a BTS e a MS de forma mais rápida do que o SACCH. Em algumas situações, as informações de sinalização também devem fluir quando uma chamada não está em curso. Isto poderia ser conseguido, atribuindo um TCH em débito máximo (full-rate) ou em metade do débito máximo (half-rate), e usando o SACCH ou o FACCH para transportar a informação. No entanto, seria um grande desperdício de recursos rádio. Em vez disso, foi definido um canal de débito de dados mais baixo, com cerca de 1/8 da capacidade de um TCH em débito máximo e que é conhecido como canal SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel ). Existe independentemente de um TCH e está dedicado a uma única MS. Tem também um SACCH associado. Uma vez que o SDCCH transporta sempre tráfego de sinalização, não há roubo de tramas e consequentemente não precisa de FACCH. O SDCCH usa sempre o burst normal e funciona tanto na Downlink como Uplink.

5.4 Estrutura Burst TDMA Cada portadora GSM RF suporta 8 intervalos de tempo por trama, sendo os dados transmitidos sob a forma de bursts que foram concebidos para caberem nesses intervalos de tempo. Cada trama TDMA tem uma duração de 4.615 ms e cada intervalo TDMA dura 577µs. A estrutura burst difere em função do tipo de informação transmitida no intervalo de tempo TDMA. As especificações GSM definem 5 tipos diferentes de bursts, como ilustrado na figura que se segue: No burst normal , a sequência de formação é usada para sondar o canal rádio e produzir uma estimativa da resposta impulsional no receptor para equalização. Os tail bits no burst normal são sempre definidos como 0 de modo a garantir que o descodificador Viterbi começa e termina num estado conhecido. Além disso, o último bit dos primeiros 58 bits de informação e o primeiro bit dos últimos 58 bits de informação são os bits "ladrão".


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O burst de correcção de frequência é usado pela MS para detectar uma portadora especial que é transmitda por todas as BTS na rede GSM. Esta portadora é denominada portadora BCCH; as MSs procuram portadoras BCCH para detectar a presença de uma rede GSM. Todos os bits no burst de frequência são definidos como zero e após a modulação GMSK, isto resulta numa onda sinusoidal pura, com uma frequência cerca de 68 KHz mais alta do que a frequência central da portadora RF. O burst de sincronização é constituído por uma longa sequência de sincronização juntamente com a informação importante encriptada e dividida em dois blocos. Esta sequência de sincronização faz com que o telemóvel reconheça facilmente este canal. Os tail bits e o tempo de guarda são iguais aos de um burst normal. O burst de acesso é usado pelo canal RACH. O telemóvel envia este burst quando não conhece a distância para a BTS de serviço, o que acontece quando o telemóvel está ligado ou quando efectua um handover para uma nova célula. Por isso, este burst deve ser mais curto para evitar que se sobreponha ao burst do intervalo de tempo seguinte. O comprimento do burst equivale a 77 bits, com 8 bits como tail bits no início, 3 bits como tail bits no fim, e um tempo de guarda de 68.25 bits. O último tipo de burst é o burst “fictício” ( dummy burst ). É semelhante ao burst normal na medida em que tem a mesma estrutura e usa as mesmas sequências de formação. A principal diferença entre o dummy burst e o burst normal reside no facto de os bits de informação dos dois lados da sequência de formação estarem definidos com uma sequência predefinida no dummy burst. O dummy burst é usado para preencher intervalos de tempo inactivos na portadora BCCH que têm de ser transmitidos continuamente a uma potência constante.


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Figura 62 – Burst GSM

Figura 63 – Canais Lógicos e os Burst’s


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5.5 Mapeamento de Canais Lógicos em Intervalos de Tempo Físicos

Os recursos de rádio são considerados a parte mais dispendiosa de uma rede móvel, pelo que o uso de canais radioeléctricos deve ser optimizado. Como ficou evidente na descrição anterior dos canais lógicos, todas as células devem ter inúmeros canais de controlo. Não será adequado dedicar um intervalo de tempo físico a cada canal lógico. Em vez disso, haverá mais do que um canal lógico a ocupar alternadamente o mesmo intervalo de tempo físico; por exemplo, um BCCH é enviado no intervalo de tempo 0 numa trama TDMA e um PCH será enviado no mesmo intervalo de tempo na trama seguinte. Este conceito é denominado "mapeamento de canais lógicos". Os diversos canais lógicos podem ser combinados de 7 formas diferentes, antes de serem mapeados num canal físico, conforme ilustrado na tabela que se segue:

Possible Time Slots Downlink Uplink

0-7

0

2,4,6

0

1 TCH/F(+SACCH)0-7 2TCH/H(+SACCH)0-7 8SDCCH(+SACCH)

1SCH+1FCCH+1BCCH+1AGCH+1PCH

1SCH+1FCCH+1BCCH+1AGCH*+1PCH*

+4SDCCH(+SACCH)

1 BCCH+1AGCH+1PCH

1 TCH/F(+SACCH)

8SDCCH(+SACCH)1RACH

1RACH+4SDDCH(+SACCH)

1RACH

Figura 64 – Configuração dos canais lógicos


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5.6 Estrutura de Trama TDMA Vimos anteriormente que o número da trama TDMA é usado durante o processo de encriptação. Por isso, a BTS tem de numerar as tramas num padrão cíclico e deve haver um ponto em que o contador volta a zeros. O número escolhido é 2715 648 que corresponde a 3 h 28 mn 53 s e 760 ms. Esta estrutura é denominada Hipertrama. Uma hipertrama é depois subdividida em 2048 supertramas com uma duração de 6.12 segundos. A própria supertrama é subdividida em multitramas . Existem dois tipos de multitramas. O primeiro é uma multitrama de 26 tramas que contém 26 tramas TDMA. Esta multitrama é usada para transportar TCH, SACCH e FACCH. 51 multitramas deste tipo formam uma supertrama. O segundo tipo é uma multitrama de 51 tramas que contém 51 tramas TDMA. Esta multitrama é usada para transportar o BCH e o CCCH. 26 multitramas deste tipo formam uma supertrama.

Figura 65 – Estrutura da Trama TDMA


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6 Fluxos de Mensagens


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Nas redes fixas, o assinante está ligado o tempo todo ao comutador que fornece o serviço de telefonia. Os cabos nunca serão desligados do respectivo comutador de serviço para serem ligados a outro comutador. Na rede móvel, um assinante é livre de efectuar roaming, pelo menos na sua rede, sem verificar qualquer tipo de problema. Quando chega uma chamada para um assinante, o sistema deve saber onde o assinante se encontra nesse momento para lhe entregar a chamada. Da mesma forma, se o assinante estiver a efectuar uma chamada e deslocar a sua estação móvel de um local para outro, o sistema não deve deixar cair a chamada e deve garantir a sua continuidade. O sistema deve transferir a chamada para uma célula que cubra a nova localização. O sistema deve saber igualmente se o assinante fica fora de cobertura ou se desliga o telemóvel. Os dados acima levam-nos a estudar nas próximas secções os diferentes tipos de casos de tráfego a que um assinante pode estar sujeito.

6.1 Ligação do Telemóvel Quando se liga uma MS, a sua primeira tarefa consiste em localizar uma BTS adequada que lhe permita aceder à rede, se necessário. Isso é conseguido procurando a banda de frequências relevante para as portadoras de BCCH e descodificando depois a informação que elas transportam para seleccionar uma BTS adequada. Inicialmente, a MS pesquisa toda a banda de frequências de Downlink (124 portadoras para o GSM900 original) e mede a força do sinal recebido de cada portadora. O nível do sinal recebido para cada portadora é determinado com base na média de pelo menos 5 medições distribuídas uniformemente por um período de tempo de 3 a 5 segundos. A MS sintoniza depois a portadora mais forte e espera um bursts FCCF; i.e. um burst de onda sinusoidal pura. Se não detectar um burst FCCH que ocorre a cada 10 ou 11 tramas de tempo no intervalo de tempo 0 de uma portadora BCCH, a MS sintoniza de novo para a próxima portadora mais forte e repete o processo. Assim que a MS identifica uma portadora BCCH através de um burst FCCH, realiza a sincronização para a BTS e tenta desmodular a informação de sincronização. O burst FCCH é usado pela MS para corrigir a sua base de tempo interna de modo a garantir que a sua frequência portadora é precisa relativamente ao sinal recebido da BTS. A MS usa a sua base de tempo interna para gerar tanto as versões locais das portadoras RF para desmodulação como os sinais de relógio para os seus contadores internos.


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Figura 66 – Selecção das células

Tendo aplicado a correcção de frequência relevante, a MS tenta descodificar o burst de sincronização contido no intervalo de tempo do SCH. O intervalo de tempo é facilmente localizado por se encontrar sempre imediatamente a seguir ao intervalo de tempo do FCCH no mesmo canal físico; i.e., 8 intervalos de tempo mais tarde. O burst de sincronização contém informação suficiente para a MS identificar a sua posição na estrutura de trama GSM completa. O burst contém 25 bits de informação antes da codificação de canal e 6 desses bits são usados para transmitir o BSIC. Os restantes 19 bits são usados para transmitir o númetro de trama TDMA reduzido (RFN) do intervalo de tempo que contém o burst de sincronização. Tendo efectuado a sincronização para a BTS com sucesso, a estação móvel procede à descodificação da informação do sistema contida no BCCH. O BCCH é facilmente localizado pois ocupa sempre a mesma posição na multitrama do canal de controlo. Este canal contém um conjunto de parâmetros que influenciam a selecção da célula, inclusive a potência máxima de transmissão de uma MS durante o acesso à BTS (parâmetro MS_TXPWR_MAX_CCH) e a potência mínima recebida na MS para o acesso (parâmetro RXLEV_ACCESS_MIN). Estes parâmetros são combinados com a potência recebida da estação de base, R, e a potência máxima de saída da MS, P, para criar um parâmetro de rádio conhecido como CI e obtido mediante:

0Bfor

0Bfor

≤=>−=

ACI

BACI

Em que:

,___

,__

PCCHMAXTXPWRMSB

MINACCESSRXLEVRA

−=−=


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e todos os valores são expressos em dBm. Se o CI de uma determinada BTS for maior do que 0, então considera-se que a MS tem a capacidade de aceder à BTS, se necessário. Da mesma forma, considera-se que a BTS com o CI mais elevado é a BTS mais adequada em termos de recurso de rádio.

6.2 Actualização da Área de Localização O processo de actualização da localização é chamado para identificar exactamente a sua localização na rede, de modo a que qualquer chamada recebida vá directamente para o assinante chamado. Para isso, é possível actualizar o ID da célula sempre que o assinante muda de célula de serviço. O HLR saberá agora exactamente para que célula o roaming é efectuado. Isso resultará num número muito elevado de mensagens de actualização de localização. O extremo oposto consiste em nunca realizar uma actualização da localização e ser chamado em toda a rede. Isso leva a inúmeras mensagens de paging. É introduzida uma solução de compromisso. Essa solução consiste em dividir toda a PLMN em áreas mais pequenas. Cada área tem cobertura de um MSC. Desta forma o assinante através da MS só tem de informar o sistema ou seja, o MSC de que está a efectuar roaming na sua área de cobertura. A cobertura MSC pode ser ainda assim considerada enorme. Em alguns países, a rede até pode ser totalmente constituída por um único MSC. É impossível chamar o assinante em toda a rede. O MSC é dividido em áreas ainda mais pequenas denominadas área de localização (LA – Location Areas). A LA é uma área geográfica coberta por um grupo de células definidas no mesmo MSC e definidas na área de localização Um assinante deve informar a rede cada vez que muda deLA, para que quando recebe uma chamada, o sistema o procure na área de cobertua das células que formam a LA em que este se encontra. Podemos resumir os factos acima mencionados da seguinte forma: A LA faz parte da área de cobertura do MSC/VLR. Cada grupo de células no mesmo BSC tem atribuído um identificador de área (LAI – Location Area Identify) exclusivo. A introdução do conceito da LA permite uma estimativa aproximada da localização da MS.


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MSC A

MSC C

MSC B

Figura 67 – Areas de localização e areas de cobertura numa PLMN

O LAI usado para o paging, indica ao MSC em que LA a MS está a operar. Também é usado para actualizar a localização dos assinantes móveis. O comprimento máximo do LAC (Location Area Code)é de16 bits, o que permite a definição de 65536 diferentes áreas de localização numa PLMN.


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6.3 Handover (transferência) Numa rede móveis, as ligações rádio e de voz fixas não estão permanentemente alocadas durante toda uma chamada. Handover significa mudar uma chamada em curso para outro canal ou outra célula. A execução e medições necessárias para o handover são uma função básica da camada de protocolo RR (Radio Resource). Existem quatros casos de handover:

• Intracelular - Handover entre 2 canais de tráfego na mesma céula;

• Intra-BSC - Handover entre 2 células que pertencem ao mesmo BSC;

• Inter-BSC / Intra-MSC - Handover entre 2 células que pertencem a diferentes BSCs mas ao mesmo MSC;

• Inter-MSC - Handover entre 2 células que pertencem a diferentes BSCs e a diferentes MSCs.

Os dois primeiros tipos de handover envolvem apenas a BSC. Para poupar LB (Largura de Banda) de sinalização, são geridos pelo BSC sem envolver o MSC, excepto para notificá-lo da conclusão do handover. Os dois últimos tipos de handover são geridos pelos MSCs envolvidos. Um aspecto importante do GSM é que o MSC original permanece responsável pela maioria das funções de chamada, à excepção dos handovers inter-BSC subsequentes controlados pelo novo MSC, denominado "relay MSC". Os handovers podem ser iniciados pelo BSC ou pelo MSC (como forma de equilibrar o volume de tráfego). Durante os intervalos de tempo inactivos, o móvel examina o canal de controlo de difusão até 16 células vizinhas e cria uma lista dos seis melhores candidatos para um possível handover, com base na força do sinal recebido. Essa informação é transmitida ao BSC e ao MSC, pelo menos uma vez por segundo, e é usada pelo algoritmo de handover. A decisão sobre quando iniciar um handover é uma função dos seguintes parâmtros:

• Qualidade de recepção,

• Nível de recepção. Os handovers bem sucedidos no GSM podem ocorrer a velocidades de propagação de até 250 km/h.


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Figura 68 – Conceito de Handover

Quando um assinante móvel passa de uma célula para outra durante uma chamada, a rede deve manter a continuidade dessa chamada. Esse processo é denominado "handover".

6.3.1 Handover intracelular

Um tipo especial de handover é o handover intracelular. É efectuado quando o BSC considera a qualidade da ligação demasiado baixa, mas não recebe indicação das medições de que outra célula seria melhor. Nesse caso, o BSC identifica outro canal na mesma célula que pode oferecer melhor qualidade e a MS recebe instruções para voltar a sintonizar. Esta tentativa de handover será primeiro realizada num canal de outra frequência. Se nenhum estiver disponível, será executado um handover.


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6.3.2 Handover intra-BSC

O MSC/VLR não intervém num handover entre duas células controladas pelo mesmo BSC. No entanto, o MSC/VLR será informado de que ocorreu um handover. Se o handover envolver diferentes áreas de localização, a actualização da localização será efectuada assim que a chamada terminar. 1. O BSC ordena à nova BTS que active um TCH. 2. O BSC envia uma mensagem à MS, através da BTS antiga, com informações

sobre a frequência e o intervalo de tempo para o qual deve mudar, assim como a potência de saída a usar. Essa informação é enviada para a MS através do FACCH.

3. A MS sintoniza a informação de TA (Timing Advance) (os bursts de handover são muito curtos (só 8 bits de informação).

Figura 69 – Handover Intra BSC

4. Quando a nova BTS detecta os bursts de handover, envia informação sobre o

TA. Essa informação também é enviada via FACCH. 5. A MS envia uma mensagem de handover concluído para o BSC, através da

nova BTS. 6. O BSC ordena à BTS antiga que liberte o TCH antigo.

6.3.3 Handover Inter-BSC / Intra-MSC

Quando há outro BSC envolvido num handover, o MSC/VLR também tem de estar envolvido para estabelecer a ligação entre os dois BSCs.


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1. O BSC de serviço (antigo) envia uma mensagem "handover necessário" para o MSC, com a identidade da célula de destino.

2. O MSC sabe que BSC controla essa célula e envia um pedido de handover para esse BSC.

3. O novo BSC ordena à BTS de destino que active um TCH. 4. O novo BSC envia uma mensagem para a MS através do MSC e da BTS

antiga. 5. A MS sintoniza a nova frequência e transmite bursts de acesso de handover

no intervalo de tempo correcto. 6. Quando a nova BTS envia informação de TA. 7. A MS envia uma mensagem "Handover concluído" para o MSC através do

novo BSC. 8. O MSC envia ao BSC antigo uma ordem para libertar o TCH antigo. 9. O BSC antigo diz à BTS antiga para libertar o TCH.

Figura 70 – Handover Inter BSC / Intra MSC


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6.3.4 Handover Inter-MSC

O handover entre células controladas por diferentes MSC/VLRs só pode ser efectuado dentro de uma PLMN e não entre duas PLMNs. O facto de as células serem controladas por diferentes MSC/VLRs também significa que são controladas por diferentes BSCs. 1. O BSC de serviço (antigo) envia uma mensagem "handover necessário" para

o MSC de serviço (MSC–A), com a identidade da célula de destino. 2. O MSC–A determina que essa célula pertence a outro MSC (MSC–B) e pede

ajuda. 3. O MSC–B atribui um número de handover para reencaminhar a chamada. É

então enviado um pedido de handover para o novo BSC. 4. O novo BSC ordena à BTS de destino que active um TCH. 5. O MSC–B recebe a informação e transmite-a ao MSC–A, juntamente com o

número de handover. 6. É estabelecida uma ligação para o MSC–B, possivelmente via PSTN. 7. O MSC–A envia uma ordem de handover para a MS, através do BSC antigo. 8. A MS sintoniza a nova frequência e transmite bursts de acesso de handover

no intervalo de tempo correcto. 9. Quando a nova BTS detecta os bursts de handover, envia informação sobre o

TA. 10. A MS envia a mensagem "Handover concluído" para o MSC antigo através do

novo BSC e do novo MSC/VLR. 11. É estabelecido um novo percurso nos comutadores de grupo no MSC–A e a

chamada é transferida. 12. O TCH antigo é desactivado pelo BSC antigo.


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O MSC antigo, MSC–A, mantém o controlo principal da chamada até à libertação da chamada. Isso deve-se ao facto de conter a informação sobre o assinante e os detalhes da chamada como, por exemplo, a taxação. Após a libertação da chamada, a MS tem de executar uma actualização da localização, uma vez que uma LA nunca pertence a mais do que uma área de serviço MSC/VLR. O HLR é actualizado pelo VLR–B e irá, por sua vez, dizer ao VLR–A para eliminar toda a informação sobre o assinante móvel.

Figura 71 – Handover Inter MSC


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6.4 Mobile Terminated Call (MTC) 1. O assinante PSTN marca o número de telefone da MS (MSISDN). O MSISDN

é analisado na PSTN que determina tratar-se de uma chamada para um assinante de uma rede móvel. É estabelecida uma ligação para o GMSC local da MS.

2. O GMSC analisa o MSISDN para descobrir em que HLR a MS está registada e procura no HLR informação sobre como encaminhar a chamada para o MSC/VLR de serviço.

3. O HLR traduz o MSISDN em IMSI e determina que MSC/VLR está actualmente a servir a MS. O HLR também verifica se o serviço “Reencaminhamento da chamada para o número C” está activado. Em caso afirmativo, a chamada é reencaminhada para esse número pelo GMSC.

4. O HLR solicita um MSRN ao MSC/VLR de serviço. 5. O MSC/VLR devolve um MSRN ao GMSC através do HLR. 6. O GMSC analisa o MSRN e reencaminha a chamada para o MSC/VLR. 7. O MSC/VLR sabe em que LA a MS se encontra. É enviada uma mensagem de

paging para os BSCs que controlam a LA. 8. Os BSCs distribuem a mensagem de paging pelas BTSs na LA pretendida. As

BTSs transmitem a mensagem na interface ar, usando o PCH. Para chamar a MS, a rede usa um IMSI ou TMSI que só é válido na área de serviço MSC/VLR actual.

9. Quando a MS detecta a mensagem de paging, envia um pedido no RACH para um SDCCH.

10. O BSC fornece um SDCCH, usando o AGCH. 11. O SDCCH é usado para os procedimentos de configuração de chamada. Toda

a sinalização que precede uma chamada ocorre através do SDCCH. Isso inclui:


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a) Marcar a MS como “activa” no VLR b) O procedimento de autenticação c) Encriptação inicial d) Identificação do equipamento e) O MSC/VLR dá instruções ao BSC/TRC para alocar um TCH inactivo. A

BTS e a MS recebem instruções para sintonizar o TCH. O telemóvel toca. Se o assinante atender, a ligação é estabelecida.

Figura 72 - Mobile Terminated Call (Chamada Terminada na rede móvel)


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6.5 Mobile Originated Call (MOC) 1. A MS usa o RACH para pedir um canal de sinalização. 2. O BSC/TRC atribui um canal de sinalização, usando o AGCH. 3. A MS envia um pedido de configuração de chamada para o MSC/VLR através

do SDCCH. Toda a sinalização que precede uma chamada ocorre através do SDCCH. Isso inclui:

a) Marcar a MS como “activa” no VLR b) O procedimento de autenticação c) Encriptação inicial d) Identificação do equipamento e) Envio do número do assinante B para a rede f) Verificar se o assinante tem o serviço "Barramento de chamadas de

saída" activado 4. O MSC/VLR dá instruções ao BSC/TRC para alocar um TCH inactivo. A RBS

e a MS recebem instruções para sintonizar o TCH. 5. O MSC/VLR encaminha o número B para uma central no PSTN que

estabelece uma ligação com o assinante. 6. Se o assinante B atender, a ligação é estabelecida.


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Figura 73 - Mobile Originated Call (Chamada originada na rede móvel)


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6.6 Mensagens Curtas O serviço de mensagens curtas (SMS) permite que um assinante móvel envie e receba mensagens de texto compostas, no máximo, por 160 caracteres. Essas mensagens podem ser lidas no painel LCD (Liquid Crystal Display)do telefone e são entregues, usando o canal de sinalização SACCH; por isso, é possível receber mensagens curtas enquanto uma chamada está a decorrer. As mensagens curtas enviadas ou recebidas são processadas pelo centro de mensagens (SMSC) que é constituído por três partes:

Service Center SC Short Message Service GMSC SMS-GMSC Short Message Service Inter-working MSC SMS-IWMSC


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6.6.1 Processo de Entrega de SMS

1. O SMS é enviada para o MSC1. 2. O MSC1 reencaminha a mensagem para o SMS-IWMSC. 3. O SMS-IWMSC transfere o SMS para o SC que verifica o formato da

mensagem e, se esta estiver correcta, armazena-a num disco rígido. 4. O SC envia o SMS com o endereço do MSISDN de destino para o SMS-

GMSC. 5. O SMS-GMSC interroga o HLR sobre a localização do móvel de destino,

enviando a mensagem “Enviar info de encaminhamento para SM ”. 7. O HLR responde com o endereço VLR do móvel de destino, enviando a

mensagem “Enviar info de encaminhamento para SM ”. 8. O SMS -GMSC envia o SMS para o MSC2. 9. O MSC2 reencaminha o SMS para o móvel de destino, e esta será depois

eliminada no SC.

1

MSC1

HLR

3

SMS-GMSC

SC

SMS-IWMSC

4

2

MSC25

6

7

8

MTMO

MS 1 MS 2

Figura 74 – Processo de entrega de um SMS


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7 Serviços

7.1 Serviços GSM

O principal objectivo de um sistema de telefonia móvel é permitir que os assinantes móveis comuniquem de forma eficaz. Os sistemas GSM permitem essa comunicação eficaz, disponibilizando um conjunto de serviços de telecomunicações básicos. A funcionalidade do serviço do sistema GSM melhora em cada versão do sistema. Estão constantemente a ser desenvolvidas especificações técnicas para incorporar novas e melhoradas funções no sistema.

7.2 Categorias de Serviços

Existem dois tipos principais de serviços de telecomunicações - serviços de telecomunicações básicos e tele-serviços:

7.2.1 Serviços de telecomunicações básicos

Estão disponíveis para todos os assinantes numa rede móvel. Por exemplo, a capacidade de efectuar chamadas de voz é um serviço básico. Além disso, os serviços de telecomunicações básicos podem ser divididos em duas categorias principais.

7.2.1.1 Serviços de suporte

Um serviço de suporte transporta voz e dados como informação digital numa rede entre interfaces do utilizador. Um serviço de suporte é a capacidade de transferir informação e não inclui o equipamento do utilizador final. Cada tele-serviço está associado a um serviço de suporte. Por exemplo, um serviço de suporte associado ao tele-serviço de telefonia de voz é o intervalo de tempo atribuído a uma chamada numa trama TDMA, na interface ar. Os sistemas GSM oferecem uma vasta gama de serviços de suporte. O DTI suporta serviços de dados disponibilizados pelo sistema. São possíveis velocidades de até 57.6 kbits/s.

7.2.1.2 Tele-serviços

Um tele-seviço permite ao assinante comunicar (geralmente por voz, fax, dados ou SMS) com outro assinante. É um sistema completo que inclui o equipamento terminal necessário.


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7.2.2 Serviços adicionais

Existem serviços adicionais que apenas estão disponíveís mediante subscrição. O reencaminhamento de chamadas é um exemplo de serviço adicional. Os principais serviços adicionais suportados pelos sistemas GSM são:

• Reencaminhamento de chamadas;

• Barramento de chamadas de saída;

• Barramento de chamadas recebidas;

• Informação tarifária;

• Códigos de conta;

• Chamada em espera (call waiting);

• Retenção de chamada (call hold);

• Serviço para múltiplos intervenientes;

• Serviços de identificação de chamador;

• Apresentação/restrição da identificação da linha conectada;

• Grupo fechado de utilizadores (CUG – Closer User Group).

7.3 Chamadas de Dados e Fax GSM

Uma vez que os serviços suportados por uma rede PSTN, RDIS ou GSM podem incluir transmissão de voz, fax e dados, o nó receptor deve ser informado durante a configuração da chamada sobre qual o serviço necessário e como este deve ser efectuado. Por exemplo, qual o débito binário usado em caso de chamada de dados? A informação enviada durante a configuração de chamada da rede RDIS ou GSM sobre "como" o serviço será efectuado, é denominada capacidades de suporte (BC, Bearer Capabilities). RDIS e GSM têm requisitos de transmissão diferentes e esquemas de codificação diferentes, tendo por isso diferentes capacidades de suporte denominadas ISDN-BC e GSM-BC. A PSTN não consegue fornecer este tipo de informação durante a configuração de chamada, por isso não consegue distinguir entre uma chamada telefónica e uma chamada de fax ou dados. Para resolver este problema, será alocado um MSISDN adicional (AMSISDN – Aditional MSISDN) a um assinante móvel que tem o serviço de recepção de chamadas de fax. Se a chamada recebida da PSTN for uma chamada de fax, o AMSISDN deve ser marcado. Para que um MSC consiga processar chamadas de fax ou dados, deve ter um DTI. Trata-se de um equipamento especial usado para adaptação de débito e conversão de protocolo que permite que estas chamadas sejam estabelecidas de/para assinantes móveis.


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7.4 Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic (CAMEL)

O CAP (CAMEL Application Part) é um protocolo de sinalização usado na arquitectura de Rede Inteligente (IN – Intelligent Network). O CAP é um protocolo de utilizador ROSE (Remote Operations Service Element) e como tal, está no topo do TCAP (Transaction Capabilities Application Part) do conjunto de protocolos SS#7. O CAP baseia-se num subconjunto do núcleo ETSI e permite a implementação de serviços de portadora, de valor acrescentado, como o unified messaging, o serviço pré-pago, controlo de fraude e Freephone, tanto na rede de dados GPRS como na rede de voz GSM. O CAMEL é uma forma de acrescentar aplicações inteligentes a redes móveis (em vez de fixas). Baseia-se em práticas estabelecidas no sector da telefonia de rede fixa, geralmente classificadas como protocolo INAP CS-2. (Intelligent Network Application Part) O software portátil CAP fornece mecanismos de suporte para serviços de operador além dos serviços GSM padrão para assinantes que efectuam roaming dentro ou fora da PLMN local (HPLMN – Home PLMN). O produto CAP estende a estrutura de redes IN GSM/3G para implementar serviços baseados em IN dentro de redes GSM/3G. O CAMEL é usado quando o assinante faz roaming entre redes, permitindo à rede local monitorizar e controlar as chamadas efectuadas pelo assinante. O CAMEL fornece serviços como serviços de roaming pré-pago, controlo de fraudes, números especiais (por exemplo, 123 para voicemail que funciona em toda a parte) e grupos fechados de utilizadores (por exemplo, números de extensão para escritório que funcionam em toda a parte). Como o CAMEL, o CAP foi definido em 4 fases, cada uma delas com uma especificação que se baseia na fase anterior. Cada fase CAP fornece o conjunto de mensagens e procedimentos necessários para suportar os requisitos da fase CAMEL correspondente, como definido em 3GPP TS 22.078 e 3GPP TS 23.078.


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A definição do protocolo pode ser dividida em 3 secções:

• a definição das regras de função de controlo de associação simples (SACF - Single Association Control Function)/função de controlo de associação múltipla (MACF - Multiple Association Control Function) para o protocolo, definidas dentro da especificação;

• a definição das operações transferidas entre entidades, definidas através da notação de sintaxe abstracta Um (ASN.1);

• a definição das acções realizadas em cada entidade, definidas através de diagramas de transição de estados.

GMSC VMSC

gsmSSF gsmSSF

gsmSCFHLR

VLRMS

gsmSRF

CAP

MAP

Home Network

InterrogatingNetwork

Visited Network

SGSN

gprsSSF

SMSC

CAMEL 1CAMEL 2CAMEL 3

Figura 75 – Arquitectura functional do CAMEL


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7.5 Taxação

A taxação é uma função-chave para todos os operadores de rede de telefonia, uma vez que é o meio usado para traduzir o tráfego de rede em receitas. A existência de dados de taxação precisos e detalhados é essencial para efeitos estatísticos e de facturação. Na PSTN, o assinante chamador é geralmente taxado pela chamada. A taxação baseia-se na localização do assinante chamado e na duração da chamada. Na PLMN, a localização actual do assinante chamado que pode estar a viajar para qualquer lugar na rede ou a fazer roaming noutro país, não é conhecida pelo assinante chamador. No entanto, o assinante chamador espera ser taxado apenas pelo prefixo marcado, sem incorrer em taxas adicionais. Por esse motivo, o sistema de taxação na PLMN deve ser suficientemente flexível para permitir que os operadores de rede apliquem o método de taxação mais justo para todos os assinantes. Para atingir essa flexibilidade, as chamadas móveis serão divididas em 5 componentes. De referir que as especificações GSM não regulam as tarifas ou pacotes de taxação. Cada operador decide sobre esta matéria. No entanto, lida com os mecanismos de taxação relacionados com chamadas originadas no telemóvel GSM e com o elemento "reencaminhada para" (quando o assinante móvel está a fazer roaming) de uma chamada para um assinante GSM (chamadas terminadas no telemóvel).

7.6 Estruturas para Tarifas e Taxação

A estrutura da tarifa de rede baseia-se em dois componentes principais:

• O componente de acesso à rede

• O componente de utilização da rede

7.6.1 Componente de Acesso à Rede

As taxas de acesso à rede para cada subscrição consistem em:

• Uma taxa inicial única;

• Uma taxa de subscrição (paga mensalmente ou trimestralmente, por exemplo, até ao vencimento da subscrição).

As taxas de acesso variam em função dos privilégios de subscrição e do número de serviços básicos e suplementares subscritos. As taxas de acesso à rede baseiam-se nos dados registados nos procedimentos de processamento da subscrição e são cobradas pelo operador da PLMN local aos assinantes.


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7.6.2 Componente de Utilização da Rede

O componente de utilização da rede é registado por chamada. O princípio básico consiste em começar a taxação no momento em que o assinante B (ou o assinante C se o reencaminhamento de chamadas estiver activado) atende, ou quando é estabelecida a ligação com um atendedor de chamadas internamente na rede. Os principais problemas relacionados com o cálculo da taxação são:

• Utilização de PLMNs GSM;

• Utilização de PSTNs nacionais/internacionais;

• Utilização da ligação entre diferentes redes;

• Utilização do sistema de sinalização nº 7 (SS7). As taxas de utilização da rede variam em função, por exemplo, do país/área regional em que a chamada é originada, do seu destino, do dia e hora, do uso de serviços adicionais, se o chamador está a fazer roaming internacional, e do serviço usado.

7.6.3 Componentes da Chamada

Cada chamada está dividida num conjunto de componentes usados para determinar taxas. Isso facilita a taxação separada do assinante A e do assinante B relativamente a diferentes partes de uma chamada. Principais componentes da chamada:

• Componente para chamada originada

• Componente para chamada reencaminhada com roaming

• Componente para chamada reencaminhada

• Componente para chamada terminada

• Componente para chamada em trânsito

7.6.4 Gateway de Facturação

O gateway de facturação (BGW, Billing Gateway) recolhe os CDR (Call Detail Record) ou seja, os registos de chamada em ficheiros dos elementos de rede e reencaminha-os imediatamente para sistemas de pós-processamento que usam ficheiros CDR como dados. O BGW funciona como interface de facturação para todos os elementos de rede numa rede GSM. As funções do BGW incluem:

• Recolha de informação de facturação dos elementos de rede de diferentes tipos e versões;

• Processamento da informação de facturação;


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• Distribuição da informação de facturação pelos sistemas de pós-processamento de diferentes tipos;

• Configuração gráfica e supervisão do gateway;

• Processamento de alarmes.


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8 Evolução GSM


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8.1 HSCSD

O High-Speed Circuit-Switched Data (HSCSD) é um aperfeiçoamento do CSD (Circuit-Switched Data), o mecanismo de transmissão de dados original do sistema de telemóveis GSM, quatro vezes mais rápido do que o GSM, com débitos binários até 38.4 kbit/s. Mas na realidade, no telemóvel, a velocidade é inferior a 15kb/s. Tal como nos dados por comutação de circuitos, a alocação de canais é feita no modo de comutação de circuitos. A diferença está na capacidade de usar diferentes métodos de codificação e/ou múltiplos intervalos de tempo para aumentar o débito de dados. Uma inovação do HSCSD consiste em permitir o uso de diferentes métodos de correcção de erros para a transferência de dados. A correcção de erros original usada no GSM foi concebida para funcionar nos limites de cobertura e no pior cenário que o GSM irá enfrentar. Isso significa que grande parte da capacidade de transmissão GSM está associada a códigos de correcção de erros. O HSCSD fornece diferentes níveis de possível correcção de erros que podem ser usados, de acordo com a qualidade da ligação rádio. Isso significa que nas melhores condições, 14.4 kbit/s podem ser transmitidos por um único intervalo de tempo que no CSD iria apenas transportar 9.6 kbit/s, uma melhoria correspondente a 50% em termos de débito. A outra inovação no HSCSD é a capacidade de usuar vários intervalos de tempo ao mesmo tempo. Ao usar, no máximo, quatro intervalos de tempo, consegue obter um aumento do débito máximo de transferência até 57.6 kbit/s (i.e., 4 × 14.4 kbit/s) e, mesmo em más condições radioeléctricas em que é necessário usar um nível mais alto de correcção de erros, ainda consegue fornecer 4 vezes mais velocidade do que o CSD (38.4 kbit/s versus 9.6 kbit/s). Ao combinar até oito intervalos de tempo GSM, a capacidade pode ser aumentada para 115 kbit/s. O HSCSD exige que os intervalos de tempo usados sejam exclusivos de um único utilizador. É possível que no início da chamada ou a qualquer momento durante uma chamada, não seja possível satisfazer o pedido completo do utilizador, uma vez que a rede está muitas vezes configurada para permitir que chamadas de voz normais tenham primazia sobre intervalos de tempo adicionais para utilizadores HSCSD. O utilizador é geralmente taxado no HSCSD a uma tarifa superior à de uma chamada telefónica normal (por exemplo, pelo número de intervalos de tempo alocados) durante todo o período em que o utilizador tem uma ligação activa. Isso torna o HSCSD relativamente dispendioso em muitas redes GSM e é uma das razões pelas quais o GPRS (General Packet Radio Service) com comutação de pacotes, a preços geralmente mais baixos (baseado na quantidade de dados transferidos e não na duração da ligação) se tornou mais comum do que o HSCSD. Além de toda a largura de banda alocada da ligação estar disponível para o utilizador HSCSD, o HSCSD é também vantajoso nos sistemas GSM, por ter uma


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latência média de interface de rádio mais baixa do que o GPRS. Isso deve-se ao facto de o utilizador de uma ligação HSCSD não ter de esperar pela permissão da rede para enviar um pacote. O HSCSD é também uma opção em sistemas EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) e UMTS (Universal Mobile Telephone System) em que as velocidades de transmissão de dados em pacotes são muito superiores. No sistema UMTS, as vantagens do HSCSD em relação a dados de pacote são ainda menores, uma vez que a interface de rádio UMTS foi especialmente concebida para suportar elevada largura de banda, ligações de pacote de baixa latência. Isso significa que a principal razão para usar o HSCSD neste ambiente seria o acesso a sistemas telefónicos legados.

8.2 Wireless Application Protocol (WAP)

O Protocolo de aplicações sem fios (vulgarmente denominado WAP) é um padrão aberto internacional para comunicações de rede da camada de aplicação num ambiente de comunicações sem fios. É utilizado principalmente para aceder à Web móvel a partir de um telemóvel ou PDA. Um browser WAP fornece todos os serviços básicos de um Web browser, mas de forma simplificada para que possa funcionar com as restrições de um telemóvel, como por exemplo, o ecrã de visualização mais pequeno. Os sites WAP são Web sites escritos ou convertidos dinamicamente em linguagem WML (Wireless Markup Language) e acedidos atráves do browser WAP. Antes da introdução do WAP, os fornecedores de serviços estavam muito limitados em termos de oferta de serviços de dados interactivos. As aplicações de dados interactivas são necessárias para suportar actualmente actividades banais como:

• E-mail por telemóvel

• Rastreamento de cotações na bolsa

• Resultados desportivos

• Manchetes

• Downloads de música


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8.3 General Packet Radio Service (GPRS)

O GPRS é uma evolução das redes GSM existentes, baseada em comutação de pacotes. Foi desenvolvido para permitir o envio de grandes quantidades de dados em redes celulares, a velocidades três ou quatro vezes superiores à dos sistemas GSM convencionais. Como o GSM é o sistema móvel mais usado em todo o mundo, para muitas operadoras, o GPRS é a forma mais fácil e lógica de disponibilizar serviços rápidos simultâneos de dados aos seus clientes, como o serviço de mensagens multimédia, jogos, entretenimento e notícias. Os utilizadores GPRS podem permanecer em linha sem ocuparem constantemente um canal de rádio específico. O GPRS utilizará o conjunto comum de recursos físicos na interface rádio, juntamente com o GSM de comutação de circuitos existente. Serão utilizados os mesmos canais físicos, mas de forma mais eficiente, uma vez que vários utilizadores GPRS poderão partilhar um canal. O que resultará numa melhor utilização de canais. Além disso, os canais GPRS só são alocados durante o envio ou recepção de dados. Um conceito importante do sistema GPRS é que este não irá necessariamente consumir alguma capacidade das funções de comutação de circuitos no percurso rádio. Isso é possível porque o sistema GPRS pode ser predefinido para utilizar apenas a capacidade restante das chamadas de comutação de circuitos e da transmissão de dados. O GPRS tira partido do excesso de capacidade que seria, de outra forma, inutilizado.

Figura 76 – Uso dos canais GPRS


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Com o GPRS, os dados são tratados como uma série de pacotes que podem ser encaminhados por diversos percursos na rede, em vez de uma sequência de bits contínua numa ligação de acesso telefónico dedicada. O GPRS divide a informação em pacotes que são transmitidos em qualquer circuito disponível. Quando não há pacotes a serem enviados por um telefone, os circuitos são disponibilizados para pacotes de dados de outros telefones. Isso permite um uso muito eficiente dos recursos de rádio disponíveis e permite a introdução de comunicações móveis sempre activas. O GPRS não tem tempo de acesso telefónico, por isso está sempre ligado à Internet. O GPRS oferece tempos de estabelecimento de sessão inferiores a um segundo. Os utilizadores GPRS têm acesso contínuo aos serviços de Internet Móvel enquanto o telefone estiver ligado. O GPRS é uma extensão da arquitectura GSM; o tráfego de dados de pacote realiza-se numa nova rede IP backbone, separado da CN GSM existente que é utilizada para o tráfego de comutação de circuitos (principalmente voz) Dois novos nós formam os pilares do backbone GPRS. O nó SGSN (Serving GPRS Support Node) processa o tráfego de dados de pacote dos utilizadores numa área geográfica. O nó GGSN (Gateway GPRS Support Node) faz a ligação a redes de dados exteriores. O SGSN e GGSN são routers que suportam a mobilidade de terminais. O GPRS utiliza a rede de rádio GSM existente. As ligações de transmissão entre BTSs e BSCs são reutilizadas, o que reduz o custo global do GPRS. O GPRS também reutiliza outros elementos de rede GSM existentes, como o HLR e o MSC/VLR.

Figura 77 – Arquitectura da rede GSM/GPRS


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8.4 Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE)

O EDGE representa uma grande evolução dos débitos binários nos dados GSM/GPRS e melhora significativamente o desempenho da interface ar GSM. O EDGE oferece um maior débito binário na de transmissão de dados através de modulação optimizada (8-PSK - Phase Shift Keying) e introduz um número elevado de esquemas de codificação de canais, juntamente com redundância incremental (IR, Incremental Redundancy), aperfeiçoamento da adaptação de ligações (LA, Link Adaptation ) e AMR (Adaptative Multirate).

Figura 78 – Arquitectura EGPRS

8.4.1 Noções técnicas

A nova modulação e a possibilidade de adaptar os débitos binários de transmissão à qualidade do canal são a base do conceito EDGE. A introdução de EDGE numa rede GSM não implica alterações na arquitectura básica. Em todo o caso, são necessárias modificações da MS, da BTS e do BSC, o que significa, entre outras coisas, upgrades de software e hardware em partes de comutação por circuitos e pacotes da rede. O EDGE oferece ambas as ligações de comutação por circuitos e pacotes, dependendo da plataforma em que está implementado. O objectivo da fase 1 EDGE é aumentar o débito binário GPRS, melhorar o controlo da qualidade de ligação GPRS (EGPRS) e oferecer débitos binários de dados elevados por comutação de circuitos, com menos intervalos de tempo e rápido controlo de potência (ESCD). O objectivo da fase 2 EDGE inclui o suporte de serviços em tempo real por EGPRS.

O tipo de modulação usado no GSM é o GMSK uma espécie de modulação de fases. O EDGE introduz a modulação 8-PSK para além do GMSK existente.


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(0,0,1)

(1,0,1)

(d(3k),d(3k+1),d(3k+2))=

(0,0,0) (0,1,0)

(0,1,1)

(1,1,1)

(1,1,0)

(1,0,0)

Figura 79 – Constelação dos sinais PSK

Estão definidos quatro esquemas de codificação diferentes para o GPRS (CS-1 a CS-4). Cada um tem quantidades diferentes de codificação de correcção de erros, optimizada para diferentes ambientes de rádio.

Class Code rate Payload Data rate (kbps)

CS-1 1/2 181 9,05

CS-2 ~2/3 268 13,4

CS-3 ~3/4 312 15,6

CS-4 1 428 21,4

Figura 80 – Códigos GPRS

São introduzidos nove esquemas de modulação e codificação (MCS - Modulation & Coding Scheme) para o EGPRS. As classes MCS-1 – MCS-4 utilizam a modulação básica GSM 0.3 GMSK, ao passo que as classes MCS-5 – MCS-9 utilizam a nova modulação 8-PSK. A tabela seguinte mostra os esquemas de modulação e codificação EGPRS com os respectivos débitos máximos.

Figura 81 – Modulação EGPRS e esquemas de codificação


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8.5 A Terceira Geração de Sistemas Móveis O futuro do GSM inclui mais assinantes, mais redes e mais serviços. O conceito primário na base desse futuro é o da terceira geração de sistemas móveis. As redes móveis analógicas são consideradas a primeira geração de sistemas móveis. A rede móvel digital é considerada a segunda geração de sistemas móveis. Com a terceira geração de sistemas móveis, é possível fornecer diversos serviços em paralelo para cada utilizador final/terminal individual. Isto significa que os assinantes dos serviços podem realizar uma conversa de voz e acederem paralelamente à intranet ou extranet para obterem informações importantes ou participarem numa videoconferência e, ao mesmo tempo, trocarem e-mails e/ou mails multimédia. Os conceitos gerais para sistemas da terceira geração estão agrupados no conceito do sistema IMT-2000, conforme definido pela ITU-T. Isto é complementado pelo desenvolvimento do UMTS pela ETSI. O UMTS visa fornecer débitos binários de 384 Kbits/s em macro células com alta mobilidade e débitos binários até 2 Mbits/s para a cobertura de micro ou pico células e baixa mobilidade.

Figura 82 – Arquitectura básica do UMTS


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8.4.2 Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA)

Enquanto método de acesso, o CDMA (Code Division Multiple Access) é uma alternativa ao TDMA. No entanto, existem várias diferenças importantes de implementação entre o TDMA e o CDMA. O conceito básico de CDMA consiste em processar simultaneamente as MSs de vários utilizadores sem dividir a portadora de rádio em intervalos de tempo. Em vez disso, cada MS recebe uma chave de descodificação. A informação para várias MSs é transmitida ao mesmo tempo em Downlink. As funções em cada MS podem ser utilizadas para analisar a informação e descodificar apenas a informação relevante para essa MS. A segurança é garantida na medida em que cada MS não tem a chave de descodificação das outras MSs e não conseguirá por isso descodificar a informação de outra MS. O problema da interferência é evitado, utilizando uma função inteligente de controlo de potência, mas à medida que o número de utilizadores da mesma portadora aumenta, mais difícil se torna para uma MS descodificar a sua própria informação. Por esse motivo, é preferível ter uma ampla LB quando se utiliza soluções CDMA. Isso leva ao termo WCDMA que funciona com uma separação entre portadoras de 5 MHz para utilizar totalmente os benefícios inerentes à tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código. Tendo em conta a vasta LB, cada ligação terminal WCDMA pode aceder a vários serviços em simultâneo. Cada serviço pode ser optimizado em débitos binários de dados e qualidade necessárias.

8.4.3 Evolução UMTS

Já foram introduzidos melhoramentos no UMTS como o HSDPA, o HSUPA e o HSPA+ que podem oferecer múltiplos serviços e débitos binários acima dos 28.8Mbps. Esses melhoramentos são denominados geração 3G+ ou 3,5 .


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8.6 O Futuro - a Quarta Geração A quarta geração encontra-se em desenvolvimento e irá oferecer débitos binários até 1Gbps em situações de não-mobilidade e 100Mbps em situações de mobilidade. Foram definidas duas normas principais:

• A tecnologia LTE (Long Term Evolution) pelo Projecto de parceria de 3ª Geração (3GPP);

• WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) pelo IEEE.

Figura 83 – Arquitectura LTE


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Figura 84 – Arquitectura WIMAX


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Parte 2 - Introdução às Redes UMTS �

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Parte 2 - Introdução às Redes UMTS


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1 Introdução


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O GSM é um sistema numérico de telefonia móvel criado na Europa em 1995. Actualmente, mais de 1000 milhões de Europeus subscreveram esse sistema, representando quase 50% do número total de assinantes no mundo. Foi no quadro dos sistemas de segunda geração e com base no GSM que surgiu o conceito de sistema mundial, conhecido na Europa como UMTS. O UMTS é o sistema mantido pela ITU no âmbito do projecto mundial IMT2000, para a definição de um sistema móvel de 3ª geração (3G). Esta escolha foi feita devido ao desejo de promover diversos serviços multimédia móveis, como o aparecimento de uma imagem no terminal portátil, mas também o desenvolvimento de sistemas móveis que integrem os serviços telefónicos actuais (GSM/GPRS). A instalação do sistema UMTS, planeada para 2002, foi feita de forma progressiva, reunindo este sistema os diversos elementos já existentes nas nossas redes. A chegada do UMTS pressupõe uma implementação comercial bem sucedida do GPRS que constitui a base do IP para a rede GSM/UMTS. É portanto essencial antecipar as necessidades actuais dos mercados de comunicações de dados para oferecer amanhã serviços UMTS perfeitos de fluxo de dados elevado.


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O UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Um sistema de 3ª Geração

Figura 85 – Introdução ao UMTS


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2 Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)


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2.1 Apresentação geral do UMTS

O UMTS é a rede móvel europeia de terceira geração que irá permitir o suporte multimédia de serviços de fluxo elevado e mobilidade, com desempenhos superiores aos oferecidos actualmente pelo GSM/GPRS. O objectivo do UMTS é lidar com o enorme tráfego móvel (alguns sistemas já se encontram na sua capacidade máxima), melhorando as funções (serviços, mobilidade...) dos sistemas actuais. O conceito básico do UMTS consiste também em integrar todas as redes existentes dos vários países numa só rede e associar-lhes as capacidades multimédia (fluxo elevado para dados), tal como indicado pelo acrónimo UMTS. Desta forma, devem ser mantidos quatro pontos para a norma UMTS no futuro:

• O contexto mundial de normalização,

• O conceito de GMM (Global Multimedia Mobility),

• A introdução de serviços multimédia,

• A convergência das tecnologias. Com efeito, observámos que os sistemas de comunicação rádio de 3ª geração, como o UMTS na Europa, visam incluir uma grande diversidade de serviços em futuras aplicações. Esses novos sistemas irão assim facilitar a utilização e permitir o desenvolvimento de melhores serviços e maior mobilidade para os assinantes, em comparação com os sistemas de segunda geração, como o GSM/DCS. Os parágrafos seguintes explicam as dificuldades encontradas na normalização do UMTS (dificuldades não técnicas, mas sim gerais).

2.1.1 Contexto mundial de normalização

Cada continente (Estados Unidos, Japão e Europa) estuda a sua própria norma de terceira geração (3G). É uma oportunidade de estudar a possibilidade de uma norma internacional que permita, por exemplo, roaming total. Para isso, já foram atribuídos dois nomes ao sistema de 3ª geração, embora à partida ambos se refiram a uma realidade. O sistema é denominado UMTS na Europa e IMT2000 a nível internacional. Trata-se, pelo menos por enquanto, do mesmo sistema, supostamente internacional. O sistema é normalizado pela organização europeia de normalização ETSI, e o IMT2000 pela organização internacional ITU.


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A normalização teve um resultado positivo, uma vez que permitiu obter a designação de bandas de frequências harmonizadas universalmente, na proximidade de 2 GHz.

1850 2000 215019501800 1900 2050 2100 2200

UMTS-FDD (UL)

UMTS-FDD(DL)

MSS(DL)DECTDCS-1800 (DL)

IMT-2000 (UL) IMT-2000 (DL)PHS

Europe

Japan

IMT-2000 (UL) IMT-2000 (DL)

Korea

UMTS-TDD (DL)

UMTS-TDD (DL)

MSS (UL)

PCS (UL) PCS (DL)

US

IS-95 (DL)

1920 1980 2110 2170

60 MHz60 MHz

Figura 86 – Standard mundial do 3G


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No entanto, apesar de uma atribuição total de frequências, o desenvolvimento dos serviços móveis não foi executado da mesma forma nas três regiões; face a esta situação, foram encontradas duas soluções:

• Procurar desenvolver uma única norma mundial,

• Aceitar a existência de uma família de normas regionais, com a norma europeia UMTS em primeiro plano, e, em paralelo, tomar medidas para garantir uma certa forma de interacção entre os membros.

A primeira destas soluções parece impossível, devido a complicações de mercado ou de datas. O UMTS é, assim, a norma europeia de 3ª geração e deverá ser compatível com outras normas diferentes, desenvolvidas nos outros continentes. Neste contexto, qualquer desenvolvimento de normas ou especificações, em comum com outras organizações regionais de normalização, não deve ser efectuado em detrimento dos requisitos europeus.

2.1.2 O conceito de Global Multimedia Mobility (GMM)

O segundo objectivo do UMTS é oferecer um serviço de cobertura e mobilidade universais, ultrapassando as limitações que se devem à multiplicidade de sistemas e redes. Assim, um único terminal irá permitir que um utilizador comunique em inúmeros ambientes de utilização, o que pressupõe terminais multimodo que podem ser utilizados em diversas infra-estruturas. (será necessário gerir o alcance variado das coberturas radioeléctricas; desde os terminais rádio com fraco alcance dentro de edifícios até aos pontos de satélites que cobrem, por exemplo, zonas de baixa densidade populacional). A abordagem adoptada para o UMTS, com base no conceito de GMM, consiste num desenvolvimento inicial, como vimos anteriormente, da tecnologia de acesso rádio, conhecida como UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). Esta tecnologia foi concebida para ser implementada inicialmente com sistemas de rede já existentes (redes GSM/GPRS, IP...). Assim, os serviços GSM podiam ser oferecidos nas redes de tecnologia de implementação de acesso UTRA. Em termos de telefonia, terão uma qualidade de voz melhorada. Só então será possível especificar um sistema de transporte específico do UMTS. Graças a esta abordagem, o UMTS será provavelmente introduzido como uma extensão do GSM/GPRS, em vez de um sistema novo, completamente diferente, destinado a substituí-lo. O trabalho de especificação dos serviços preexistentes não terá de ser retomado e os enormes desenvolvimentos de software associados serão reutilizados. É aconselhável antever as evoluções necessárias que permitirão implementar todas as potencialidades do UTRA e oferecer os serviços de 3ª geração esperados do UMTS.


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Será também possível:

• Para as redes GSM preexistentes, integrar uma rede de acesso ao UTRA e ter assim acesso a recursos UMTS espectrais, oferecendo um espaço de extensão para as redes cujo crescimento não estará provavelmente concluído durante a introdução do UMTS.

• Para as novas redes UMTS, oferecer a gama completa de serviços GSM.

Figura 87 – Conceito GMM


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2.1.3 A introdução de serviços multimédia

As incertezas quanto à natureza dos serviços multimédia e ao seu mercado foram a principal dificuldade encontrada pelos promotores do UMTS, e isto deveu-se a vários motivos. Mais concretamente, subsistem ainda incertezas relativas ao aparecimento da terceira geração de redes e serviços móveis. Estas incertezas prendem-se, numa fase inicial, com as utilizações e os serviços que irão garantir a implantação do mercado, para além daquilo que a GSM já oferece ou irá oferecer. Numa primeira fase, o UMTS será utilizado principalmente por profissionais, tendo em vista atrair posteriormente o público em geral com os serviços implementados (dispendioso). Para além disso, subsistem incertezas técnicas, particularmente no que respeita à normalização e à possibilidade de adaptar o protocolo IP aos requisitos da mobilidade (os estudos realizados para o IPv6 (Internet Protocol version 6) vão permitir uma gestão mais fácil da mobilidade entre os diversos tipos de redes). Por último, destacam-se os problemas de cariz económico-financeiro relacionados com o custo da implementação de uma rede UMTS e com as expectativas de rentabilidade dos intervenientes neste tipo de mercado.

2.1.4 A convergência das tecnologias

Como já foi referido, uma das recomendações do UMTS vai no sentido de reunir a maior parte das redes celulares numa única rede. Um dos objectivos do UMTS é, por exemplo, ver as aplicações GSM e DECT suportadas pela mesma tecnologia de radiocomunicações. Não é fácil antever o cenário exacto que deverá ser criado, mas é óbvio que os diversos sistemas referidos anteriormente terão de ser desenvolvidos recorrendo a tecnologia equiparável. O UMTS representa uma evolução natural dos sistemas GSM/GPRS, mas deverá demarcar-se destes como o sistema móvel que permite o aparecimento de serviços de valor acrescentado (i.e. Minitel, 3614/3615). A implantação do UMTS estará garantida se permitir uma interacção natural com o mundo IP e uma mobilidade internacional, além de captar o interesse dos fornecedores de serviços (ISP – Internet Service Provider).


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2.1.5 Plano da tecnologia UMTS

O plano abaixo representa um plano teórico inicial, tendo em conta os fornecedores mais avançados no campo do UMTS. Determinados países, como a Finlândia, estão apostados em implementar uma primeira rede UMTS seguindo este plano, mas uma implementação lenta em França poderá originar um atraso de alguns meses.

3G system

WCDMA

3GPP

FDD/TDD mode

CDMA2000

3GPP2

Figura 88 – Planeamento para implementação do UMTS no mercado


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2.1.6 GSM/GPRS/EDGE – Evolução geral do UMTS

A rede UMTS tem em conta a continuidade dos investimentos na rede GSM. O trabalho realizado pelo 3GPP a nível de arquitectura futura assenta na migração de uma rede GSM/GPRS para uma rede UMTS, considerando a provável introdução de um novo operador. Há uma grande probabilidade de o UMTS vir a ser instalado reutilizando as entidades de rede presentes no sistema GPRS/EDGE, ao mesmo tempo que acrescentando alguns elementos como o GLR (Gateway Location Register) à mesma, para facilitar a gestão de roaming, por exemplo. No entanto, é necessário que os nós da rede GPRS sejam desenvolvidos para poderem suportar futuros serviços IP na rede UMTS. A ideia é combinar o SGSN e GGSN num único nó, o IGSN (Internet GPRS Support Node). Ao adaptá-los de modo a utilizarem o IP Móvel (para a gestão da mobilidade inter-IGSN), será possível transformar uma rede IP padrão numa CN UMTS. A componente rádio do UMTS (i.e. UTRAN) será interligada à rede actual graças às unidades IWU (InterWorking Units) e os utilizadores de UMTS conseguirão aceder ao mundo da Internet através dos nós de GPRS ou do novo IGSN. Segue-se um exemplo de um cenário de introdução de UMTS em França, com base nestas unidades IWU e utilizando todos os elementos já presentes. Este cenário é particularmente adaptado ao caso de uma implementação inicial do UMTS em pequenas ilhas (centros urbanos, zonas comerciais, fábricas...), enquanto a cobertura geral é assegurada pela infra-estrutura GSM2+.


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A oportunidade EDGE não será abordada neste documento já que representa uma alternativa ao 3G! Esta solução representa a evolução mais provável (na Europa) da rede GSM/GPRS para a versão R99 de UMTS. Existem outras para a versão 2000 que tencionamos apresentar mais tarde, depois de fornecer uma descrição do UMTS tal como o conhecemos actualmente.

Core Network

Voice SwitchedNetwork

BTSMSCBSC

GSMhandset

GSM Access Network

PacketSwitchedNetwork

SGSNRNC

3Ghandset Node B

UMTS Access Network

Figura 89 – Evolução do GSM/GPRS/EDGE – UMTS


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3 Estrutura geral do UMTS A rede UMTS é uma tecnologia que resulta da organização de normalização ETSI que tem em conta a continuidade dos investimentos na GSM. A coordenação do trabalho de normalização é realizada pelo 3GPP-SA-WG2, em estreita colaboração com o SMG 12 (que especifica a arquitectura para o SMG - Special Mobile Group). Desta forma, tem em consideração vários cenários, entre os quais a migração de uma rede GSM/GPRS e a introdução de um novo operador.


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3.1 Estrutura de uma Rede UMTS

A arquitectura de rede UMTS não era fixa na altura em que as especificações foram emitidas pela primeira vez. A seguir, descrevemos o conceito UMTS, tal como entendido na versão R99 do projecto 3GPP. Isto permite-nos fornecer uma primeira perspectiva de uma arquitectura UMTS que "resulta" directamente de uma rede GSM/GPRS. A (CN) Core Network está dividida em dois campos:

• O campo da Comutação de circuitos (CS, Circuit Switching) centrado no MSC,

• O campo da Comutação de pacotes (PS, Packet Switching) centrado no GSN

Figura 90 – Estrutura da rede Core de acordo com o 3GPP (Release 99)


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VLR ExternalData

Network

GGSNSGSN

Signalling

User data

GbGn

Gr

Abis

Gs

GatewayMobility ManagementRoutingEncapsulation

Mobility ManagementAuthentication CipheringRouting Other

PLMNs

Gp

Gi

New nodes

GSM nodesMSC

GGSN

BSC/RNC

BTS/Node B

HLR

Um

Figura 91 – Arquitectura da rede UMTS (simplificada)


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3.1.1 Core Network (CN)

A CN é responsável pela ligação de outras redes, bem como pela comunicação e gestão de UEs. O equipamento da CN de diferentes versões de protocolo no sistema WCDMA difere. Regra geral, a CN R99 divide-se em domínio CS e domínio PS. A CN R4 é idêntica à CN R99, mas na CN R4, a função MSC da CS R99 é implementada pelas seguintes duas entidades independentes: MSS (MSC Server) e MGW (Multimedia Gateway). A CN R5 é idêntica à CN R4 com a única diferença de que foi acrescentado um domínio IP multimédia à R5. A CN R99 possui as seguintes entidades de função:

3.1.1.1 MSC/VLR

MSC/VLR é um nó funcional do domínio CS na CN WCDMA. Efectua a ligação com UTRAN através da interface Iu-CS, com redes externas (tais como PSTN e RDIS) através da interface PSTN/RDIS, com HLR/AuC através da interface C/D, com MSC/VLR, GMSC ou SMC através da interface E, com SCP através da interface CAP e com SGSN através da interface Gs. As suas principais funções são o controlo de chamadas, a gestão da mobilidade, autenticação e encriptação do domínio CS.

3.1.1.2 GMSC

GMSC é o nó de gateway entre o domínio CS da rede móvel WCDMA e as redes externas, e é um nó funcional opcional. É um nó que efectua a ligação com redes externas (PSTN, RDIS e outras PLMN) através da interface PSTN/RDIS, com HLR através da interface C e com SCP através da interface CAP. Implementa a função de encaminhamento das chamadas recebidas na função VMSC e a função de implantação inter-redes dessas redes externas como redes fixas.

3.1.1.3 SGSN

SGSN é um nó funcional do domínio PS na CN WCDMA. Efectua a ligação com UTRAN através da interface Iu-PS, com GGSN através da interface Gn/Gp, com HLR/AUC através da interface Gr, com MSC/VLR através da interface Gs, com SCP através da interface CAP, com SMC através da interface Gd, com CG através da interface Ga e com SGSN através da interface Gn/Gp. As suas principais funções são o reencaminhamento de rotas, a gestão da mobilidade, autenticação e encriptação do domínio PS.


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3.1.1.4 GGSN

GGSN é um nó funcional do domínio PS na CN WCDMA. Efectua a ligação com SGSN através da interface Gn/Gp e com as redes de dados externas (Internet/Intranet) através da interface Gi. Fornece o encaminhamento e o encapsulamento de pacotes de dados entre a rede móvel WCDMA e as redes de dados externas. A sua principal função é fornecer interfaces a redes de pacote IP externas. Este nó precisa de fornecer a função de gateway para que o UE aceda às redes de pacotes externas. Do ponto de vista das redes externas, o GGSN funciona como se fosse um router para todas as redes IP na rede móvel WCDMA endereçável e necessita de trocar informações de encaminhamento com redes externas.

3.1.1.5 HLR

HLR é um nó funcional partilhado pelos domínios CS e PS na CN WCDMA. Efectua a ligação com MSC/VLR ou GMSC através da interface C, com SGSN através da interface Gr e com GGSN através da interface Gc. As suas principais funções consistem no armazenamento de informações de assinatura para os assinantes, suporte de novos serviços e fornecimento da função de autenticação avançada.


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3.2 Packet Switched (PS) e Circuit Switched (CS)

O PS é baseado no que já foi feito ao nível do GPRS, no qual a maioria dos operadores já terá provavelmente investido desde este momento até à implementação do UMTS. Este campo tem duas interfaces principais que envolvem a utilização de IP:

• A interface Iu entre o RNC (Radio Network Controller; comparável ao actual BSC) e o SGSN,

• A interface Gn entre o SGSN e o GGSN (já presente numa rede GPRS). Tal como já acontece com o PS, o CS será baseado, numa fase inicial, no que já existe relativamente aos serviços de voz GSM. As funcionalidades do MSC serão abrangentes para permitir estabelecer a interface (via Iu) com o RNC da UTRAN. As diversas interfaces são detalhadas a seguir no estudo aprofundado das interfaces. Posteriormente, e após fornecermos um relatório de progresso sobre os diversos conceitos em estudo para normalização, apresentaremos soluções alternativas para a implementação de uma rede UMTS. Estes estudos dizem respeito à versão 2000, no quadro do projecto UMTS ETSI.


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3G-Core Network

UTRAN

GSM

IS-95

S-UMTS

MCCDMA

Radio Access Network (RAN)Radio Dependent funactionalities such as

• Radio resource management• Call admission• Air interface

• Handover (within a RAN)• Interference management

• Medium access control• Radio link controlEDGE

Core Network (CN)Radio independent functionalities such as

• Mobility Management• Authentication• Roaming

Figura 92 – Estrutura simplificada do core da rede UMTS


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3.3 Interfaces básicas

Na primeira fase do UMTS, as capacidades de CN UMTS constituem um superconjunto das capacidades de CN GSM da fase 2+ versão 99. Os requisitos adicionais para a fase 1 da CN UMTS são os seguintes: 1. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar a capacidade mínima de 64 kbit/s por

utilizador em termos de serviço de dados por comutação de circuitos. Isto não deverá impedir o utilizador de escolher débitos de dados inferiores.

2. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar a capacidade mínima de 2 kbit/s de pico de débito binário por utilizador em termos de serviço de dados por comutação de pacotes. Isto não deverá impedir o utilizador de escolher débitos de dados inferiores.

3. A fase 1 da CN UMTS deverá permitir a configuração, renegociação e aprovação de ligações com várias características de desempenho e de tráfego. Deverá ser possível aplicar o controlo de tráfego (por exemplo, o controlo de admissão de conexão, controlo de fluxo, controlo de parâmetros de utilização...) numa ligação durante a sua configuração e duração.

4. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar várias características de tráfego e desempenho para o tráfego sem conexão.

5. As características de tráfego e desempenho que serão suportadas pela fase 1 da CN UMTS para tráfego orientado para conexão e sem conexão deverão corresponder, no mínimo, às do GPRS fase 2+ versão 99.

6. As configurações da comunicação ponto-multiponto definidas em TS 22.05 deverão ser suportadas pela fase 1 da CN UMTS.

7. A fase 1 da CN UMTS deverá permitir que um terminal móvel processe mais do que um serviço de suporte em simultâneo e tenha serviços de suporte de diferentes modos de ligação. Não obstante, prevê-se que as capacidades de terminal e de rede coloquem algumas limitações quanto ao número de serviços de suporte que podem ser processados simultaneamente. Deverá ser possível a cada ligação ter características de tráfego e de desempenho independentes. Deverá ser possível a cada mensagem sem conexão ter características de tráfego e de desempenho independentes.

8. Para facilitar o desenvolvimento de novas aplicações, deverá ser possível endreçar as aplicações de/para um terminal móvel da fase 1 de UMTS nos modos de tráfego orientados para conexão e sem conexão (p.ex., a noção de porta de Internet).

9. A fase 1 da CN UMTS deverá fornecer serviços específicos de operador com base no conceito VHE (Virtual Home Environment). Esta funcionalidade poderá ser fornecida através dos toolkits disponíveis (por exemplo, CAMEL, MExE - Mobile Execution Environment -, WAP e SIM).

10. Se a autenticação de UMTS for invocada quando os serviços de um utilizador estiverem activos, a autenticação não deverá degradar os serviços do utilizador.


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11. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar a geração de registos de taxação normalizados com base em parâmetros como o número marcado, a duração da chamada, tráfego (volume, débito binário) e a Qualidade de Serviço (QoS – Quality of Service) observada fornecida ao utilizador.

12. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar a facturação on-line. A facturação de serviços de valor acrescentado de terceiros com o conceito de facturação centralizada deverá ser suportada pela fase 1 da CN UMTS através de procedimentos normalizados.

13. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar procedimentos de roaming bilateral e automático (possivelmente através de terceiros) para redes UMTS com segurança melhorada, conforme definido por SMG10.

14. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar o interfuncionamento com as redes PSTN, RDIS-BE, GSM, X.25 e IP com os respectivos esquemas de numeração.

15. Deverá possibilitar às classes normalizadas dos terminais móveis UMTS da fase 1, que suportam as interfaces rádio GSM BSS e UTRAN, o roaming nas redes GSM e a recepção de serviços GSM.

16. Os protocolos normalizados deverão ser definidos para a operação, administração e manutenção da fase 1 da CN UMTS em cooperação com a ETSI TMN.

17. Os requisitos de USIM definidos para as versões posteriores de UMTS deverão ser tidos em conta na concepção da fase 1 da CN UMTS.

18. A fase 1 da CN UMTS deverá oferecer uma solução eficaz de tráfego inter-redes e de sinalização em caso de roaming global.

19. A fase 1 da CN UMTS deverá suportar recursos para a monitorização e medição de fluxos e características de tráfego na rede, por exemplo, para controlo de congestionamento.


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CS CORE

3G RAN

2G BSS

Iu-CS

Mc

Nb

MGW

ATM/TDM/IPbackbone PSTN

BSC

A

NBIub

PS CORE

Iu-PS

Mc

NB

BTS

Iur

MGW

RNC

RNC

MSCServer

Iub

SS7 overTDM

SIGTRAN (M3UA/IUA)SS7 over IP

SS7 overATM

SS7 overATM

NBAP

RANAP

RNSAP

SAAL-UNI

SS7 overTDM

BSSAP

AAL2SIG

SIGTRANSS7 over IP

SS7 overATM

ISUPMGCP/Megaco

SS7 overATM

RANAP

Internet

SGSN GGSN

IPbackbone

Figura 93 - UTRAN e rede Core

3.4 Domínio CS (Rel. 4)

No âmbito de CS CN, a Rel.4 contém 3 novas interfaces: Nc, Mc e Nb.

Interface Nc (MSS - MSS) Cabe à interface Nc realizar a sinalização para o processamento lógico de chamadas. Isto significa que deve ser independente de suporte. O ISUP (ISDN User Part) é tradicionalmente utilizado para o processamento lógico de chamadas, mas é dependente de suporte (PCM). Desta forma, a ITU-T definiu uma modificação do ISUP designada por BICC (Bearer Independent Call Control). Na verdade, BICC não é mais do que uma versão independente de suporte do ISUP. O BICC pode ser transmitido utilizando 3 princípios de transmissão diferentes: SS7 "clássico", SS7 sobre ATM ou SS7 sobre IP.

Interface Mc (MSS – MGW) Quando o MSS procede a um controlo lógico de chamadas, o resultado poderá ser a decisão de configurar, disponibilizar ou modificar recursos de suporte de transporte. No entanto, já não é o MSS que faz esse controlo mas sim o MGW. Assim, na interface Mc, o MSS dará instruções ao MGW para preparar, criar,


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disponibilizar ou modificar serviços de suporte. O protocolo CBC (Call Bearer Control) é utilizado para este fim. O CBC baseia-se no quadro geral fornecido pelo H.248/MEGACO (Media Gateway Control), incluindo os procedimentos e parâmetros específicos de UMTS. Pode utilizar SS7 sobre IP ou SS7 sobre ATM (Asynchronous Transfer Mode) para o transporte de mensagens.

Interface Nb (MGW – MGW) A interface Nb é utilizada para transmitir os dados do utilizador. O protocolo UP (User Plane) de Nb é utilizado de forma semelhante ao protocolo UP de Iu para transmitir dados transparentes via Nb. É possível incluir informações adicionais relacionadas com o codec AMR no cabeçalho de UP. O UP utiliza ATM ou IP para a transmissão. Para a CN baseada em ATM, este protocolo UP consiste em ligações de canal virtual AAL2 (ATM Adaptation Layer). Para configurar o serviço de suporte de dados do utilizador (ligação de canal virtual AAL2), o protocolo AAL2L3 é necessário entre o MGW. Na Iu-CS, este protocolo tem o nome de ALCAP (Access Link Control Application Part). Na Nb, estes protocolos de configuração de suporte são designados por protocolos BC (Bearer Control). A transferência IP utiliza o protocolo RTP (Real Time Protocol) (RFC 1889) sobre o protocolo UDP (User Datagram Protocol) e IPv6. O protocolo RTP fornece funções de transporte de rede extremidade-a-extremidade adequadas às aplicações que transmitem dados em tempo real, tal como dados de áudio, vídeo ou simulação. O RTP não é responsável pela reserva de recursos nem garante a QoS dos serviços RT (Real Time).


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MSCServer

Mc

Mc

CAP

Nb

Nc

A / Iu

C/D

A / Iu(Alcap)

CS DomainRel. 4

G-MSCServer

CS-MGW

CS-MGW

ISDN

SignallingUser Data

MTP L3

MTP L2MTP L1

AAL5

ATML1

AdaptationProtocols

IP

L2L1

AdaptationProtocols

BICCBearer Independent Call Control

AAL5ATM

L1

AdaptationProtocols

IPL2

L1

AdaptationProtocols

CBC*Call Bearer Control

* H.248 / MGW Control MEGACO

id. to Rel. `99

AAL5ATML1

AdaptationProtocols

AAL2ATML1

AAL2L3=BCprotoc.

Nb UPUser Plane protocol

Transport NetworkControl Plane IPv6

L2L1

UDPRTP

Figura 94 – Dominio CS (Rel. 4)


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BICC (Bearer Independent Call Control ) O BICC é um protocolo de sinalização baseado em N-ISUP utilizado para o suporte do serviço RDIS de banda estreita sobre uma rede backbone de banda larga sem interferir com as interfaces para a rede nem os serviços extremidade-a-extremidade existentes. Especificado pela ITU-T em Rec. Q.1901, o BICC foi concebido para uma total compatibilidade com as redes existentes e qualquer sistema com capacidade para transmitir mensagens de voz. O BICC suporta serviços RDIS de banda estreita, independentemente do suporte e da tecnologia de transporte de mensagens de sinalização. As mensagens ISUP transportam informações de controlo de chamadas (CC - Call Control) e informações de controlo do suporte, identificando o circuito de suporte físico através de um código de identificação de circuito (CIC - Circuit Identity Code). No entanto, o CIC é específico de redes TDM (Time Division Multiplexing)com multiplexagem por divisão do tempo. O BICC foi desenvolvido para ser interoperável com qualquer tipo de suporte, tais como os baseados em tecnologias ATM e IP e ainda TDM. O BICC separa o CC e o controlo de ligação de suporte, transportando a sinalização BICC de forma independente da sinalização de controlo de suporte. O transporte de suporte real é transparente para o protocolo de sinalização BICC. O BICC não reconhece a tecnologia de suporte específica referida nas informações vinculativas.

CBC (Call Bearer Control ) O protocolo CBC é utilizado entre o MGW e o MSS . Neste caso, as principais tarefas do protocolo são as seguintes:

• configuração, modificação e disponibilização da ligação do suporte de controlo;

• indicação de eventos relacionados com ligações de suporte;

• accionamento e detecção de tons e sinais no suporte;

• obtenção de estatísticas relativas à ligação de suporte. Os protocolos CBC são normalmente específicos da tecnologia de transporte utilizada mas também dependem do sistema (p. ex., UMTS). Daqui se conclui que são necessários diversos protocolos CBC nas telecomunicações. Por este motivo, a ITU-T definiu uma estrutura base para os protocolos CBC com base na norma H.248. A mesma estrutura também é fornecida pela IETF (Internet Engineering Task Force) para ambientes IP e aqui a norma H.248 é designada por protocolo MEGACO.


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3.5 Domínio PS (Rel. 4)

O plano de transmissão de sinalização e dados do Domínio PS Rel.4 consiste em protocolos padrão, tal como o IP e alguns protocolos específicos novos.

Protocolos de interface Um

L1 (Camada 1):

• Permite a transmissão física (TDMA, FDMA, etc.)

MAC (Medium Access Control ) O MAC controla a sinalização de acesso na interface ar, incluindo a gestão de recursos de transmissão partilhados (atribuição do bloco de rádio a múltiplos utilizadores no mesmo intervalo de tempo). O MAC consegue estas funcionalidades colocando um cabeçalho em frente ao cabeçalho RLC nos blocos de controlo e dados RLC (Radio Link Control) /MAC. O cabeçalho MAC contém vários elementos, alguns dos quais específicos de direcção, relacionados com a Downlink ou a Uplink. Os principais parâmetros do cabeçalho MAC são:

• O USF (Uplink Status Flag), que é enviado em todos os blocos RLC/MAC de Downlink e indica o proprietário ou a utilização do próximo bloco de rádio da Uplink no mesmo intervalo de tempo.

• O RRBP (Relative Reserved Block Period), que identifica um bloco de Uplink individual no qual o telemóvel irá transmitir informações de controlo.

• O tipo de payload (PT, Payload Type), que é o tipo de dados (bloco de controlo ou bloco de dados) incluído no restante bloco RLC/MAC.

• O valor de contagem decrescente (CV, Countdown Value), que é enviado pelo telemóvel para permitir à rede calcular o número de blocos de dados RLC restantes no TBF (Temporary Block Flow) de Uplink actual.

RLC (Radio Link Control ): Responsável por uma série de funções:

• Transferência de LLC (Logical Link Control) – PDUs (Protocol Data Unit) entre a camada LLC e a função MAC

• Segmentação de LLC-PDUs em blocos de dados de RLC e reassemblagem de blocos de dados de RLC para encaixe em blocos de tramas TDMA

• Segmentação e reassemblagem de mensagens de controlo RLC/MAC em blocos de controlo RLC/MAC e transmissão de blocos de dados RLC.


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A função de segmentação de RLC é um processo que selecciona uma ou mais LLC-PDUs e divide-as em blocos RLC mais pequenos. As LLC-PDUs são conhecidas colectivamente como TBF (Temporary Block Flow) e recebem os recursos de um ou mais PDCHs (Packet Data Channels). O TBF é temporário e mantido apenas durante a transferência de dados. Cada TBF tem um TFI (Temporary Flow Identity) atribuído pela rede. Os blocos de dados RLC consistem num cabeçalho RLC, numa unidade de dados RLC e em bits suplementares. O bloco de dados RLC, a par de um cabeçalho MAC, pode ser codificado utilizando um de quatro esquemas de codificação. O esquema de codificação é fundamental na decisão sobre o processo de segmentação.

Protocolos de interface Gb

SNDCP (Sub Network Dependent Convergence Protocol ): Utilizado entre o SGSN e o telemóvel. Este protocolo converte as PDUs de camada de rede (N-PDUs) da interface Gn num formato adequado para a arquitectura de rede GPRS subjacente. O protocolo SNDCP executa uma série de funções:

• Multiplexagem de N-PDUs de uma ou várias entidades de camada de rede para a ligação LLC adequada

• Colocação de N-PDUs na memória intermédia para o serviço reconhecido

• Gestão da sequência de entrega para cada NSAPI (Network Service Access Point Identifier)

• Compressão e descompressão das informações do protocolo e dados do utilizador

• Segmentação e reassemblagem dos dados comprimidos até ao comprimento máximo da LLC-PDU

• Negociação dos parâmetros de controlo (XID) entre entidades SNDCP.

LLC ( logical Link Control ): Protocolo que fornece uma ligação lógica encriptada e altamente fiável entre o SGSN e o telemóvel. O LLC utiliza modos reconhecidos e não reconhecidos de transmissão de tramas, dependendo da qualidade de serviço negociada de um utilizador. Este protocolo também gere a retransmissão de tramas, colocação em memória intermédia e o comprimento de informações com base na classe de atraso de QoS negociada.


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BSSGP (Base Station System GPRS Protocol): Encaminha informações entre o SGSN e o BSS. Este protocolo transmite informações de QoS mas não realiza qualquer tipo de correcção de erros. A sua principal função é fornecer informações de rádio para utilização das funções de controlo de ligações radioeléctricas (RLC) e controlo de acesso ao meio (MAC) na interface ar. A camada LLC utiliza os serviços do BSSGP para a transferência de dados. A função de reencaminhamento no BSS transfere as tramas de LLC entre a camada de RLC/MAC e a camada de BSSGP. O BSSGP envia informações às camadas dos serviços de rede para determinar o destino da transferência.

FR (Frame Relay ): A camada de serviço de rede (NS, Network Service) transporta os pacotes de dados de BSSGP. O NS baseia-se no FR que representa o protocolo de camada de ligação para a ligação entre o SGSN e a PCU (interface Gb). O NS é especificado em GSM Rec. 08.16.

L1bis: Refere-se à camada física da interface Gb. L1bis concretiza-se através da tecnologia E1/T1 (PCM30/PCM24).


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Protocolos de interface Gn

L2, L1: L2 e L1 são a camada física e ligação interna de GPRS. L2 e L1 situam-se fora da área de definição de GPRS. As soluções específicas do operador são utilizadas aqui.

GTP (GPRS Tunneling Protocol ): Recebe o datagrama IP e os pacotes X.25 da rede externa e envia-os por túnel através dos nós de suporte de GPRS. Como existirão múltiplas interfaces GGSN e SGSN, o GTP irá fornecer para cada pacote um TID (Tunnel Identifier) que identifica o destino e a transacção a que pertence o pacote/datagrama. As transacções são identificadas através de identificadores lógicos, bem como do IMSI.

TCP (Transmission Control Protocol ) / UDP (User Datagram Protocol ): UDP e TCP são utilizados respectivamente para a transferência de pacotes de dados encapsulados pelo GTP através da rede de base GPRS. O protocolo necessário para esta função é o UDP. Tem de ser suportado por todos os GSNs (Gateway Support Nodes) como solução mínima. Transporta pacotes de dados (GTP PDUs) de protocolos que não requerem uma ligação de dados segura (p. ex., IP). O protocolo UDP também protege a transmissão contra a corrupção/deterioração de dados. Os TCPs têm de ser suportados nos GSNs sempre que tenham de ser transportados pacotes de dados dos protocolos que necessitem de ligações de dados seguras (p. ex., X.25). O protocolo TCP assegura o controlo de fluxo e fornece protecção contra a perda e corrupção de dados.


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MS BSS SGSN GGSN

Um Gb Gn

L1

MAC

RLC

L1bis

FR

BSSGP

L1

MAC

RLC

LLC

SNDCP

IP/X.25

Application

L1bis

FR

BSSGP

LLC

SNDCP

L1

L2

IP

UDP/TCP

GTP

L1

L2

IP

UDP/TCP

GTP

IP/X.25

L1

L2

IP

L1

L2

IP

Application

Gi

ISP

Figura 95 – Pilha protocolar do PS


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IP (Internet protocol ): Utilizado para encaminhar dados do utilizador e informações de sinalização na interface Gn. O tamanho de datagrama IP estará limitado às capacidades de unidade máxima de transmissão (MTU, Maximum Transmission Unit) da camada física. Um datagrama IP pode atingir 65.535 octetos no máximo, mas se a MTU da camada física for inferior a este valor, será necessário realizar uma fragmentação. O nó de suporte no gateway de origem (GGSN ou SGSN) tem de apurar primeiro o tamanho de MTU e, em seguida, realizar a fragmentação. O endereçamento IP utilizado irá encaminhar os dados pela interface Gn, incluindo GSNs intermédios, até ao endereço GSN no destino final.

Protocolos de interface Gi

L2 e L1: L2 e L1 correspondem à camada de ligação e camada física das redes externas ligadas através da interface Gi à GSM-GPRS-PLMN. Como tal, L2‘ e L1‘ situam-se fora da área de definição de GPRS. No entanto, deverá existir um acordo ao nível destas funções de camadas entre os diferentes operadores de rede (GSM-PLMN e PDN) interligadas através da interface Gi ou entre o operador de rede GSM e uma rede de trânsito.

Application

TCP

IP

Layer 1

SNDCP

LLC

RLC / MAC

Header 44-1504 Octets



Header 0-1460Octets

Header + Data

Header <20-50 OctetsHeader <20-50 Octets

Header <20-50 Octets

20 Octets

20 Octets

4 Octets

4 Octets

FCS

3 Octets

Figura 96 – Segmentação PDU


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3.6 Asynchronous Transfer Mode (ATM)

Com o avanço da tecnologia de transmissão, a infra-estrutura de transmissão analógica foi substituída por sistemas de transmissão digital. Esta mudança resultou numa melhor QoS e num custo mais baixo para os fornecedores de serviços. Inicialmente, estes sistemas de transmissão digital baseavam-se na PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). No entanto, com os rápidos desenvolvimentos nas tecnologias de comutação óptica e de alta velocidade, o SDH (Synchronous Digital Hierarchy) substituiu estes sistemas PDH.

A sinalização também evoluiu das formas primitivas de sinalização associada ao canal (CAS - Channel Associated Signalling) para o sistema de sinalização 7 (SS7) baseado na sinalização por canal comum (CCS - Common Channel Signalling). O CCS possuía várias vantagens em relação ao CAS, nomeadamente em termos de facilidade de implementação, controlo centralizado e custos de equipamento mais baixos. Para além disso, a elevada fiabilidade do SS7, aliada a operações mais rápidas e capacidades alargadas, desempenhou um papel importante nesta evolução. O SS7 fornecia a capacidade de sinalização com a qual os utilizadores podiam especificar os requisitos de QoS, em termos de largura de banda, a partir da rede. As ligações digitais extremidade-a-extremidade podiam agora ser configuradas e desmanteladas de forma dinâmica. A sinalização SS7 também permitiu o surgimento de outros serviços além da voz.

No entanto, a tecnologia de comutação no núcleo das redes de telecomunicações continuou a ser feita por comutação de circuitos, o que limitou drasticamente o leque de serviços que podia ser fornecido com eficácia através destas redes.


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MGW

SSCOP

AAL5

ATM

Physical

SSCF- NNI

MTP3b

STC (Q.2150.1)

AAL2 SIG (Q.2630.1)

MGW

SSCOP

AAL5

ATM

Physical

SSCF- NNI

MTP3b

STC (Q.2150.1)

AAL2 SIG (Q.2630.1)

MGW

SSCOP

AAL5

ATM

Physical

SSCF- NNI

MTP3b

STC (Q.2150.1)

AAL2 SIG (Q.2630.1)

MGW

SSCOP

AAL5

ATM

Physical

SSCF- NNI

MTP3b

STC (Q.2150.1)

AAL2 SIG (Q.2630.1)

Figura 97 –Sinalização AAL2

Por exemplo, numa ligação de comutação de circuitos, a largura de banda é dedicada, na sua totalidade, à duração completa da chamada. Os fornecedores de serviços tinham custos elevados com o fornecimento de serviços de elevada qualidade como, por exemplo, vídeo animado e acesso remoto de alta velocidade para computação distribuída. Outra opção consistia em instalar redes separadas (por exemplo, redes FR) para transportar tráfego para estes serviços de elevada qualidade.

Do ponto de vista dos operadores, este não era um compromisso rentável. Implicava a implementação de duas redes praticamente desconexas. Os custos de um compromisso deste tipo, em termos de instalações físicas, instalações de transmissão e capacidades de gestão duplicadas eram substanciais. Estes problemas motivaram a procura de uma tecnologia multiserviços que conseguisse transportar eficazmente todos os tipos de tráfego a um débito binária elevado num único sistema de transmissão.


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Apesar do crescimento nas redes ATM, as redes SS7 continuarão a existir. Entre os principais motivos encontram-se os enormes investimentos efectuados nestas redes e o facto de, em muitas áreas geográficas do mundo, as necessidades não passarem dos serviços básicos.

Também é possível que o ATM seja introduzido apenas na rede de transmissão interurbana para manter a estabilidade dos serviços oferecidos pelas redes SS7. É evidente que mesmo com o surgimento das redes ATM, as redes de banda estreita baseadas no SS7 vão continuar a existir e a crescer.

Esta situação poderá resultar principalmente em dois tipos de configuração de rede que irão exigir um interfuncionamento entre essas duas redes. Num destes cenários, as redes de banda estreita baseadas no SS7 são ligadas através de uma rede backbone ATM. Esta rede ATM backbone poderá eventualmente ser detida por um operador independente.

AAL5 Signalling

MGW

Generic MTP-3

Generic SCCP

MTP-1

MTP-2

AAL5

SSCOP

SSCF-NNI

MSCIu A'

TDMATM

RNC

BSSAPRANAP

Interworking

Platform

scope

Figura 98 – Sinalização AAL5


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Sinalização AAL2 na rede 3G

A vantagem de utilizar a AAL2 como camada de adaptação é que permite a compressão de voz, bem como a detecção e remoção de silêncio. A AAL5 também é utilizada uma vez que é necessária para a sinalização e, portanto, está presente em praticamente todo o nó do ATM.

• A sinalização AAL do tipo 2 proporciona a configuração e disponibilização de ligações AAL2 na rede de acesso rádio 3G (RAN, Radio Access Network)

• As ligações AAL2 são utilizadas em:

• Iu entre RNC e MSC/MGW 3G

• Iur entre dois RNCs

• Iub entre BTS e RNC


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3.7 Signalling Transport (SIGTRAN)

SIGTRAN, uma família de protocolos baseada no trabalho levado a cabo pela IETF, resulta da evolução do SS7. SIGTRAN é um grupo de trabalho da IETF. O principal objectivo deste grupo de trabalho será abordar a sinalização PSTN baseada em pacotes sobre Redes IP, tendo em conta os requisitos funcionais e de desempenho da sinalização PSTN. O modelo de arquitectura SIGTRAN (RFC 2719) inclui 3 componentes principais:

• Subcamada de adaptação

• Protocolo de transporte de sinalização

• IP padrão


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Seguem-se as subcamadas de adaptação já publicadas: M2PA, M2UA, M3UA, SUA, IUA.

IP

SCTP (RFC4960)

Q.931(DSS1)

IUAadapts protocols on top of Q.921 to SCTP

(RFC3057)

ISUP/SCCP

M3UAadapts SS7 User Parts to SCTP

(RFC3332)

MTP-3

M2UA adapts MTP-3 to SCTP

(RFC4165)

MTP-3

M2PA adapts MTP-3 to SCTP

(RFC3331)

TCAP

SUAadapts TC User Parts to SCTP

(RFC3868)

SIGTRAN Protocols

Figura 99 – Protocolos SIGTRAN


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3.8 Rede IP e UMTS

UMTS é uma evolução das redes GSM para a transmissão de dados e o acesso de banda larga. A CN divide-se num domínio de PS e num domínio de CS. Na Rel. R5 de UMTS estudada em 3GPP, o domínio CS é uma evolução do clássico GSM MSC para a NGN (Next Generation Networking): divisão de MSC em MGW para transporte e MSS para controlo de chamadas. O domínio PS é baseado em duas plataformas: SGSN e GGSN. O SGSN tem uma interface com a rede de acesso rádio, ao passo que o GGSN está associado à rede backbone IP. No UMTS Rel.5, é introduzido um IMS (IP Multimedia Subsystem). O IMS é composto principalmente por uma função CSCF (Call State Control Function) e uma função MGCF (Media Gateway Control Function). O domínio PS associado ao IMS permite ao UMTS R5 oferecer serviços VoIP (Voice over IP). A função CSCF controla a admissão e recepção de chamadas, e comunica com o HSS (Home Subscriber Server), uma base de dados de clientes que se ocupa do perfil de mobilidade e serviço. A função MGCF controla os gateways responsáveis pelo interfuncionamento das redes PSTN e IP. O protocolo SIP (Session Initiation Protocol) foi escolhido pelo 3GPP para o UMTS Rel.5. Do ponto de vista estritamente funcional, à excepção da questão da mobilidade, uma função CSCF é um servidor SIP. A versão pós-Rel.5 propõe uma evolução do domínio PS para NGN: externalização de algumas funções de controlo no SGSN e GGSN. A próxima figura mostra esta evolução. O 3GPP2 está a considerar o IP para a gestão da mobilidade. Nestes cenários de "IP total", o IP móvel é um componente chave.


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Legacy Signaling Network

Multimedia IP Network

Application

Network Service and Control

Transport Transport

Platform (MGW, GSN)

UTRA UTRAN

SCP SCP Application servers (WAP, MExE , … )

AP AP AP AP AP AP AP AP

EIR EIR MGCF MGCF

CSCF CSCF R-SGW R-SGW

T-SGW T-SGW

Transport Platform (MGW, GSN)

MSCS MSCS SGSNS SGSNS

GMSCS GMSCS GGSNS GGSNS

PSTN

MRF MRF MRF

HSS HSS

Mc X

Nc

Mc X Iu

Iu

CAP CAP CAP

Y Gf Gr D C Gc

Gi

Mr Mc

Mg

Gi

Mh Cx Ms

Mm

Figura 100 – introdução às redes NGN


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3.9 IP móvel

Obviamente que, tanto para o UMTS como para as redes fixas, a mobilidade impõe-se como uma funcionalidade chave para alcançar a NGN de destino. O IP móvel lida com mecanismos necessários à gestão da macromobilidade ao nível do IP. O IP móvel permite principalmente:

• a manutenção da comunicação quando um telemóvel muda de uma sub-rede IP para outra,

• a utilização do mesmo endereço IP associado a um telemóvel e válido em todas as redes IP.

A arquitectura de IP móvel é composta por três elementos principais:

• Funções de mobilidade dentro do nó móvel. Esta função é obrigatória no terminal e realiza a função de detecção de movimento (de uma sub-rede IP para outra) e funções de registo para um HA (Home Agent) ou um FA (Foreign Agent).

• Função de HA. Esta função obrigatória é realizada ao nível do router que liga a sub-rede local do telemóvel. A função HA é responsável pela actualização da base de dados de informações para localização de telemóveis e pela reemissão para esta localização de datagramas endereçados à localização residencial inicial do telemóvel.

• Função de FA. Esta função obrigatória é realizada ao nível do router que liga a sub-rede visitada do telemóvel. A função FA regista os telemóveis visitantes e oferece serviços como o encaminhamento de datagramas para telemóveis visitantes.


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Para concluir, a rede IP poderia gerir, tanto a macromobilidade (p. ex., na NGN de destino e parcialmente nas redes UMTS) como os serviços de telefonia, graças às arquitecturas de IP móvel e SIP ou H323, respectivamente.

IP Network

Sub Network

NC

NM

HA

Home Sub Network

Visited Sub Network

FARegister

DATA

IP Network

Sub Network

NC

NM

HA

Home Sub Network

Visited Sub Network

FARegister

DATA

Figura 101 – Arquitectura das redes IP e respective mobilidade


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3.10 Suporte de QoS

O suporte de QoS é um requisito importante para as redes IP de próxima geração. Houve sempre um grande esforço no sentido de fornecer os melhores serviços possíveis, mas agora a introdução de novos serviços como a voz, videoconferência e transmissão em sequência requer níveis de QoS ainda mais rigorosos. Além disso, os clientes têm necessidades diferenciadas que deverão ser preenchidas com níveis de QoS também eles diferenciados.

No futuro, as redes IP deverão conseguir suportar vários níveis de QoS, nomeadamente QoS absoluta, QoS relativa e de melhor esforço. A QoS absoluta oferece uma sólida garantia dos diferentes parâmetros de serviço. Esta garantia é independente dos outros serviços. A QoS relativa oferece uma garantia relativa para as diferentes classes de serviço. A QoS de melhor esforço não oferece qualquer garantia.

O suporte de QoS é uma questão complexa a vários níveis:

• é uma funcionalidade extremidade-a-extremidade que envolve cada equipamento no caminho entre a origem e o destino abrangendo, possivelmente, vários domínios administrativos,

• envolve cada camada do plano de transferência e requer mecanismos e procedimentos coordenados nos planos de transferência, controlo e gestão,

• deverão ser utilizados diferentes mecanismos e procedimentos a diferentes escalas de tempo (classificação, tratamento, colocação em fila, agendamento em microssegundos, sinalização em segundos, engenharia de tráfego em horas/dias, monitorização de QoS em segundos/meses),

• a QoS caracteriza-se por uma série de parâmetros normalmente difíceis de medir com precisão e que devem ser calculados durante um longo período de tempo.

• Além disso, o suporte de QoS nas redes IP torna-se ainda mais complexo devido à natureza destituída de ligação dos protocolos IP.

Uma forma de oferecer uma QoS perfeita seria a existência de banda larga ilimitada em toda a rede. Esta abordagem é legitimada pelo rápido progresso nas técnicas ópticas, especialmente em DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Poderá ser relevante a longo prazo mas não parece ser adequada a curto e médio prazo pelos seguintes motivos:

• uma banda larga ilimitada tem de estar associada a uma comutação ilimitada mas estes recursos ilimitados ainda são muito dispendiosos,

• não é fácil fornecer recursos ilimitados na rede de acesso,

• o planeamento da capacidade não vai ser fácil devido à mobilidade generalizada e às aplicações em constante evolução,


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• cada aplicação irá receber o nível de QoS mais elevado mesmo que não necessite dele e irá pagar por ele.

Foram propostos vários conceitos e mecanismos para suporte de QoS sobre redes IP. Estes conceitos ainda estão a ser desenvolvidos.

O modelo de Integração de Serviços (IS, Integrated Services) visa o suporte de serviços de melhor esforço, em tempo real e de carga controlada, conforme exigido pelas aplicações. Este modelo baseia-se na classificação do fluxo, reserva de recursos, controlo de admissão e agendamento de pacotes. Um protocolo de reserva explícita (RSVP - Resource Reservation Protocol) com especificações de fluxo é utilizado extremidade-a-extremidade para reservar recursos nos routers. O modelo IS tem problemas de escalabilidade em redes backbone de grandes dimensões devido ao estado por aplicação dentro da rede.

O modelo de Serviços Diferenciados (DS, Differentiated Services) visa a implementação da diferenciação de serviços escaláveis na Internet sem necessidade de um estado por aplicação em cada salto. Este modelo descreve diversos mecanismos nos nós da rede que podem ser utilizados para criar uma variedade de serviços. Os pacotes são classificados e assinalados com um ponto de código no cabeçalho IP nos limites de rede e cada nó no caminho executa um encaminhamento de pacotes PHB (Per-Hop Behaviour) específico, de acordo com o ponto de código. Os PHBs foram definidos para o suporte de várias classes de serviço como, por exemplo, serviço de melhor esforço, serviço em tempo real e serviço assegurado. O modelo DS especifica mecanismos no plano de transferência mas não possui protocolos de controlo nem ferramentas de gestão para fornecer serviços em toda a rede.

Os dois modelos de serviço IP anteriores não preenchem totalmente os requisitos de QoS.

A Comutação por Etiqueta Multiprotocolos (MPLS - Multi Protocol Label Switching) foi introduzida pela primeira vez com o objectivo de simplificar e acelerar o reencaminhamento numa rede de pacotes. Num domínio MPLS, podem ser estabelecidos automaticamente LSPs (Label Switch Paths) para o transporte de agregados de fluxo IP. É utilizado um protocolo de sinalização para a distribuição das etiquetas pelos nós.

Para além da agregação de tráfego, a MPLS é preciosa em áreas como a engenharia de tráfego, protecção de caminhos e suporte VPN.

A engenharia de tráfego MPLS introduz LSPs explícitos associados a atributos como parâmetros de tráfego, prioridade, preempção, resistência e policiamento. Os LSPs são estabelecidos por um protocolo de sinalização que reserva recursos em cada nó. O encaminhamento LSP requer extensões IGP (Interior Gateway Protocol)para anúncio de recursos e um processo de encaminhamento baseado na restrição, nos nós. O controlo de admissão deve ser realizado em dois níveis: em primeiro lugar, no limite para a admissão de fluxos IP nos LSPs e, em segundo lugar, para a admissão dos LSPs na transmissão de um caminho.


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A engenharia de tráfego de MPLS pode ser alargada para o suporte de Serviços Diferenciados. Neste caso, a engenharia de tráfego é realizada por classe e não por agregação. As informações do tipo por classe devem ser associadas aos LSPs e processadas pelo protocolo de sinalização, extensões IGP e pelo processo de encaminhamento baseado na restrição.

A MPLS generalizada expande a sinalização MPLS de modo a incluir a divisão de tempo, comprimento de onda e comutação espacial, abrindo caminho a redes integradas IP/MPLS/DWDM com grande largura de banda.

Abordámos algumas soluções possíveis para o suporte de QoS ao nível do transporte. Há uma série de questões adicionais em torno da QoS a este nível e a outros mais elevados. Podemos mencionar:

• aplicações preparadas para QoS,

• gestão e aplicação da política QoS,

• controlo de QoS através de procedimentos estáticos, dinâmicos ou agendados,

• monitorização de QoS ao nível da rede e do cliente,

• contabilidade e taxação por classe de QoS,

• suporte de QoS entre domínios,

• modelo económico de QoS entre pares.

Um suporte total de QoS é muito complexo de implementar em redes de pacotes e a sua introdução será gradual, de acordo com as necessidades.

3.11 Migração do IPv6

Devido ao crescimento exponencial da Internet, a falta de endereços IPv4 revelou-se o principal motivo para a evolução dos protocolos IP. De modo mais genérico, o IPv4 não foi concebido para uma utilização generalizada em redes públicas e a implementação actual põe a descoberto uma série de limitações. No entanto, o IPv4 ainda está a ser desenvolvido com vista a alargar a sua duração. Por exemplo, técnicas como o Encaminhamento entre domínios (CIDR, Classless Inter Domain Routing) ou a Tradução de endereços de rede (NAT, Network Address Translator) permitem atenuar a questão do endereçamento.

O IPv6 foi concebido para resolver as limitações do IPv4 (não apenas a questão do endereçamento) com vista a preencher os requisitos de uma implementação à escala mundial.

O IPv6 suporta várias funcionalidades avançadas como, por exemplo:


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• espaço maior de endereços unicast e multicast,

• endereço anycast,

• endereçamento agregável para encaminhamento hierárquico,

• configuração automática do endereço de anfitrião,

• fácil renumeração de sites,

• identificação de fluxo para suporte de QoS,

• formatos de pacote simplificados para um melhor desempenho do reencaminhamento,

• suporte multicast (âmbito explícito),

• cabeçalhos de extensão utilizados para capacidades suplementares,

• segurança com autenticação e encriptação de pacotes,

• melhoramento da mobilidade através de opções de configuração automática, segurança, endereço anycast e destino.

Os protocolos IPv6 irão desempenhar um papel central nas redes de pacote futuras. No entanto, existe uma grande quantidade de equipamento IPv4 actualmente implementado em redes públicas e privadas e ambos os protocolos irão coexistir durante muito tempo. Foram incorporados diversos mecanismos de transição na concepção do IPv6 para ajudar na fase de migração.

3.12 Interfaces UTRAN

A UTRAN, composta por vários elementos, será realçada numa camada de transporte ATM. Com efeito, ao contrário da arquitectura BSS actual de GSM, não é suficiente estar limitado a uma transmissão em MIC.

3.12.1 O ponto de referência Iu

Numa fase inicial, o UMTS será baseado nas redes GSM/GPRS, i.e. um campo de CS e um campo de PS. Dadas as diferenças entre estes campos, o ponto de referência Iu será determinado por duas autoridades, uma para cada campo. Isto permite o desenvolvimento de cada campo, de acordo com as suas características particulares.


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3.12.2 Princípios gerais da interface Iu

A interface Iu é o ponto de referência ou a interligação entre o RNC e a CN. É o ponto de referência entre o RNS e a CN. A interface Iu é independente do modo de transmissão da interface rádio (TDD - Time Division Duplex ou FDD - Frequency Division Duplex) e abrange os serviços de voz e dados. Utiliza o protocolo RANAP (Radio Access Network Application Part) que assegura as seguintes funções, entre outras:

• Estabelecimento de ligações na camada de interface Iu,

• Realocação do Serving RNC,

• O "handover". Este protocolo será explicado mais adiante. O protocolo de sinalização da interface Iu é comum a ambos os campos da CN . O suporte de sinalização permanece por confirmar pelas autoridades de normalização mas o código 7 SCCP na camada de transporte ATM é uma escolha muito provável, pelo menos, na fase inicial do UMTS, para um grande número de fabricantes e operadores. No campo dos dados do utilizador, a interface lu termina no núcleo da rede RDIS (MSC), com o ATM e a AAL2 para voz e dados no modo de circuito, ao passo que AAL5 é a solução adoptada para a ligação de lu ao campo de IP (SGSN). Relativamente a esta interface, o protocolo de multiplexagem por pacotes exacto na camada AAL5 é uma evolução do GTP (GPRS Tunnelling Protocol) GSM/GPRS. Tendo em conta que a UTRAN aumenta a associação de vários protocolos em circulação na interface lu, é necessário que exista:

• Um conjunto comum de serviços RAB oferecidos aos nós da CN (3G MSC ou 3G SGSN) pela UTRAN,

• Uma separação comum entre a UTRAN e os nós da CN , sem ter em conta o respectivo tipo (3G MSC ou 3G SGSN),

• Uma sinalização no plano de controlo da rede de rádio, independentemente das camadas de transporte seleccionadas.

Desta forma, os objectivos da interface lu são:

• Interligar os RNCs com ponto de acesso à CN numa PLMN, conforme já referido,

• Suportar serviços UMTS,


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• Facilitar a utilização, da mesma forma, de RNC, MSC ou SGSN em todas as PLMNs,

• Permitir o interfuncionamento com a CN GSM,

• Manter a independência entre as camadas do protocolo e entre o plano de sinalização e o utilizador,

• Permitir a evolução, independentemente da tecnologia da CN , do acesso à rede de rádio e à rede de transporte,


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• Permitir a evolução separadamente das funções de Operação e Manutenção (O&M,),

• Facilitar a migração do serviço de campo CS para o campo PS. Em particular, o protocolo RANAP será comum a ambos os campos e os protocolos do plano do utilizador da interface lu serão independentes do campo da CN .

Figura 102 – Estrutura do Protocolo Iu PS


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Os dados do utilizador são transportados do RNC através da interface Iu e, em seguida, via 3G-SGSN, através de Gn para o GGSN. É possível utilizar um protocolo de túnel, correspondendo a uma evolução da "parte do plano do utilizador" do GTP, utilizado para o GPRS com UDP/IP. O plano de dados do utilizador no campo PS da CN UMTS é composto por dois túneis:

• Um túnel IP/UDP/GTP entre um RNC e um 3G-SGSN através de Iu,

• Um túnel IP/UDP/GTP entre um 3G-SGSN e um GGSN através de Gn. Esta arquitectura:

• Permite que um RNC seja ligado directamente ao backbone do campo IP,

• Assegura o encaminhamento de todo o tráfego através de 3G-SGSN, que autoriza a utilização de funções como Taxação ou Intercepção Legal,

• Permite uma inserção relativamente fácil dos protocolos de transporte para as camadas inferiores em Gn e/ou Iu, caso seja necessário no futuro.

3.12.2.1 Plano de Controlo das interfaces IuPS Como podemos ver pelo diagrama anterior, a normalização permite aos operadores escolher entre dois tipos de pilhas de protocolos para o transporte de mensagens de sinalização SCCP. A camada SCCP fornece os seguintes serviços:

• Modo off-line (classe 0),

• Off-line com garantia de sequenciação do modo de mensagens transmitidas (classe 1),

• Modo de ligação direccionada (classe 2). A MTP3-B permite o encaminhamento de mensagens, a discriminação e distribuição apenas para uma ligação ponto-a-ponto. As subcamadas SSSCF-NNI (Service Specific Function Coordination- Network Node Interface), SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol) e AAL5 formam a camada SAAL-NNI (ATM Adaptation Layer for Signalling - Network Node Interface). A camada SCTP (Simple Control Protocol Transmission) foi desenvolvida pelo grupo de trabalho SIGTRAN da IETF, com o objectivo de conseguir transportar vários protocolos de sinalização através de uma rede IP.


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A camada ITUN refere-se a "SS7 ISUP Tunnelling", também desenvolvido pelo Sigtran.

3.12.2.2 Pilha de protocolos de IU CS

Figura 103 – Pilha Protocolar do IU CS

Inicialmente, este campo será baseado naquilo que já existe em termos do serviço de voz GSM "clássico". As funcionalidades do MSC serão diversas para permitir estabelecer a interface (via Iu de CS) com o RNC do UMTS.


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3.12.2.3 Radio Access Network Application Part (RANAP) Este protocolo de sinalização tem as seguintes funções:

• Mudança do SRNC (Serving Radio Network Controller),

• Gestão do RAB - Radio Access Bearer (instalação, modificação e disponibilização),

• Disponibilização de todos os recursos da interface Iu,

• Controlo da sobrecarga na interface Iu,

• Envio do Id comum de UE para o RNC,

• Chamar um utilizador ("paging"),

• Controlo de rastreamento de actividade de um UE,

• Transporte de informações NAS (Not Access Stratum) entre o UE e a CN ,

• Controlo de segurança na UTRAN,

• Controlo de relatórios de localização de um UE.

3.12.3 A interface Iur

3.12.3.1 Princípios gerais da interface Iur A interface Iur é uma interface ponto-a-ponto entre 2 RNC/S na UTRAN. Suporta trocas de sinalização entre 2 RNCs, o fluxo de dados de Iur. Pela lógica, esta interface deveria ser uma ligação ponto-a-ponto entre RNS. Mas na prática não pode ser uma ligação ponto-a-ponto. Objectivos da interface Iur Esta interface permite a interligação de RNCs de diferentes fabricantes, e a continuidade, entre RNS, de serviços UTRAN oferecidos através da interface Iu. A interface Iur possibilita que um RRC (Radio Resource Controller) adicione ou remova ligações rádio de células pertencentes a qualquer RNS na PLMN. Um RNC pode comunicar com qualquer outro RNC a partir da mesma PLMN, de modo a estabelecer suportes de sinalização através da interface lur. Um RNC pode comunicar com qualquer outro RNC a partir da mesma PLMN, de modo a criar portadoras de dados para um fluxo de dados lur. A interface Iur liga o Drift RNC e o Serving RNC. Há vários tipos de dados em circulação nesse ambiente; Classificam-se da seguinte forma:

• Informações radiofónicas relacionadas com a sinalização,

• Fluxos de dados Iub/Iur DCH (Dedicated Transport Channel),

• Fluxos de dados Iur RACH (Random Access Channel),


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• Fluxos de dados Iur FACH (Forward Access Channel),

• Fluxos de dados Iur DSCH (Downlink Shared Channel),

• Fluxos de dados Iur USCH (Uplink Shared Channel) para TDD. As principais funções da interface Iur estão relacionadas com o handover suave dos canais dedicados. A interface Iur permite ao SRNC solicitar ao transístor por deriva do RNC que adicione ou remova uma ligação rádio numa ligação RRC e modifique as características de um suporte de rádio. Esta interface resulta da macrodiversidade e do handover suave utilizado com a tecnologia CDMA. No que se refere à interface Iu, o suporte de sinalização desta interface permanece ainda por decidir. O código 7 SCCP também é um candidato muito provável. A transmissão assenta na AAL2. Esta interface pode ser comutada na CN , de modo a evitar a interligação de todos os RNCs. Não obstante, esta é uma escolha do fabricante.

Figura 104 – Pilha protocolar da interface Iur


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3.12.3.2 Radio Network Subsystem Application Part (RNSAP) Este protocolo tem de fornecer informações de sinalização através da interface Iur. O RNSAP possibilita a ligação de 2 RNCs. Os procedimentos do RNSAP dividem-se em 4 categorias:

• Procedimentos de mobilidade BASIC de RNSAP que permitem a utilização e manutenção da mobilidade numa PLMN,

• Procedimento DCH de RNSAP que permite a manutenção do canal DCH entre 2 RNSs,

• Procedimentos de canal de transporte comum de RNSAP,

• Procedimentos globais de RNSAP

3.12.4 A interface Iub

3.12.4.1 Princípios gerais da interface Iub

A interface Iub possibilita a ligação dos Node B (NB) ao RNC. A especificação desta interface permite facilitar a interligação do RNC e dos NB de vários fabricantes. A interface Iub liga o RNC ao NB. Há vários tipos de dados em circulação nesse ambiente:

• A sinalização de NBAP (Node B Application Protocol) que gere o controlo de chamadas e as funções OAM (Operation Administration and Maintenance),

• A circulação de dados em canais dedicados. Possui o mesmo formato nas interfaces Iub e Iur. O cabeçalho destas tramas contêm informações de estimativa de sincronização e qualidade, o corpo da trama é transmitido (ou recebido) na interface rádio...

• Os dados dos canais comuns a circular na interface lub. São definidos três tipos de fluxo: um canal Uplink e um canal Downlink utilizados para a sinalização ou transmissão de utilizadores de pacotes pequenos, um canal Downlink partilhado para efectuar a multiplexagem de vários utilizadores no mesmo recurso físico.

A interface Iub, comparável à interface Abis na GSM, transporta os dados relacionados com a sinalização juntamente com os NB e as ramificações de tráfego com o terminal. Ao contrário do que acontece na GSM, podem ser


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utilizadas várias ramificações lub de comunicação para um terminal, todas elas transportando as mesmas informações de utilizador. Esta interface foi proposta para normalização e um modelo lógico do NB foi recentemente aprovado pela ETSI. As entidades de normalização optaram por uma camada de suporte do protocolo de controlo de sinalização desta interface, com base no "Utilizador ATM para interface de rede". O próprio componente de transmissão é baseado na AAL2.

Figura 105 – Pilha protocolar da interface Iub


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3.12.5 Estrutura da interface rádio

A interface rádio é composta pelas camadas inferiores da rede UTRAN. Estas camadas estão intimamente relacionadas com o conceito de "capacidades de serviços" e, mais concretamente, com a definição e a gestão dos serviços de suporte que estão na base de qualquer serviço UMTS. A principal função destas camadas é gerir a transmissão de cada serviço para assegurar a QoS necessária. A interface rádio está estratificada em 3 camadas de protocolo:

• A camada física que funciona como um suporte para a transmissão.

• A camada de ligação responsável pela alocação de recursos e pela configuração dos parâmetros relacionados com QoS. Esta camada subdivide-se:

1. Na camada MAC (camada inferior) que controla, de forma dinâmica, as prioridades do fluxo de dados do telemóvel, 2. Na camada RLC que controla a reconfiguração do protocolo de retransmissão, de modo a modificar a QoS. Esta camada divide-se num plano de controlo e num plano de utilizador.

• A camada de rede que também mantém a divisão em plano C e plano U. No plano C, a camada de rede divide-se, por sua vez:

1. Na camada de controlo dos recursos de rádio (RRC), 2. Na camada de controlo de chamadas (CC), 3. Na camada de gestão da mobilidade (MM - Mobility Management),


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Figura 106 – Pilha protocolar da interface radio


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3.12.5.1 A camada física Esta camada é utilizada como suporte para uma transmissão de informações provenientes das camadas superiores. A sua principal missão é a gestão da transmissão das tramas de bits no ambiente físico. Os serviços de transporte realizados por esta camada são caracterizados pelo tipo de informações transferidas e pelo método de envio de dados na interface rádio. Esta caracterização resulta na definição de uma série de canais entre a camada L1 e a camada MAC, designadas por canais de transporte. O objectivo destes canais é transportar informações provenientes da camada RLC através dos canais lógicos. A relação entre estes canais e os canais transmitidos pela camada física (canais físicos) é detalhada no diagrama abaixo. A definição dos canais lógicos e a projecção dos canais de transporte para canais físicos depende do método de duplexagem empregue para a transmissão (FDD ou TDD). Estas definições são detalhadas nas secções dedicadas a estes 2 modos. Para além da função de transporte, a camada L1 também tem as seguintes funções:

• Execução do handover suave,

• Detecção e sinalização de erros nos canais de transporte,

• Escalonamento, entrelaçamento e multiplexagem dos canais de transporte,

• Projecção, em canais físicos, dos canais obtidos após o escalonamento, entrelaçamento e multiplexagem dos canais de transporte,

• O controlo da potência emitida pelos canais físicos,

• Modulação e escalonamento dos canais físicos,

• Sincronização de frequência e tempo.


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Figura 107 – Relação entre os diferentes tipos de canais


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3.12.5.2 A camada MAC Os 2 principais serviços realizados por esta camada são:

• A transferência de dados provenientes da camada RLC (através dos canais lógicos) para a camada L1 (através dos canais de transporte),

• A reatribuição de recursos, de acordo com a sinalização da camada RRC. A camada RRC também pode solicitar a reatribuição dos parâmetros da camada MAC (como a identidade do telemóvel ou o tipo de canal de transporte).

A camada RLC A camada RLC tem as seguintes funções principais:

• Reconfiguração do protocolo de retransmissão, para modificar a QoS,

• Notificação das camadas superiores de quaisquer erros irrevogáveis,

• Correcção de erros,

• Controlo do fluxo.

3.12.5.3 A camada RRC A camada RRC é a mais importante do ponto de vista do serviço, uma vez que é responsável pela gestão de recursos e pelo controlo de QoS. Com efeito, o protocolo RRC controla e sinaliza a alocação de recursos rádio ao telemóvel. Com base nas medições realizadas pelas camadas inferiores, o RRC determina quais os recursos disponíveis. Os serviços oferecidos pelo RRC são:

• Controlo geral: O RRC trata da difusão reiterada das mensagens provenientes das camadas superiores em todos os telemóveis pertencentes a uma zona específica,

• Notificação: o protocolo RRC também trata da difusão de mensagens de paging para telemóveis específicos em zonas específicas,

• Controlo dedicado: Permite a transferência de mensagens para um telemóvel específico através de uma ligação ponto-a-ponto ou multiponto.

As principais funções realizadas pela camada RRC são:

• A difusão de informações para todos os telemóveis (aos das camadas superiores e aos das camadas rádio),

• Gestão de ligações RRC entre os telemóveis e a UTRAN,

• Criação, reconfiguração e disponibilização de portadoras de rádio alocadas a um telemóvel no plano do utilizador,


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• Criação, reconfiguração e disponibilização de recursos de rádio alocados a um telemóvel nos planos de utilizador e de controlo,

• Gestão dos parâmetros relacionados com a mobilidade de uma ligação RRC, como no caso do handover,

• Gestão da alocação de recursos entre células,

• Assegurar a QoS solicitada para o RAB,

• Controlo das medições e dos procedimentos de medição desenvolvidos para o telemóvel,

• Controlo da codificação entre o telemóvel e a UTRAN,

• Selecção e nova selecção da célula inicial no modo inactivo.

Figura 108 – Arquitectura dos protocolos da interface radio


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3.13 Funções da UTRAN

As funções asseguradas pela UTRAN são:

• Funções relacionadas com os controlos de acesso do sistema global: controlo de admissão, controlo de congestionamento, difusão de informações do sistema,

• Funções relacionadas com a segurança: a utilização do Identificador Temporário, encriptação do canal rádio, desencriptação do canal rádio,

• Funções relacionadas com handovers: estudo sobre o ambiente rádio, decisão de handover, controlo da macrodiversidade, controlo de handover, execução de handover, conclusão de handover, relocalização do SRNS, handover entre sistemas,

• Funções relacionadas com o controlo e a gestão dos recursos de rádio: controlo do suporte de rádio, reserva e disponibilização dos canais rádio físicos, alocação e desalocação de canais rádio físicos, transferência de dados de pacote através da função de rádio, controlo da potência RF, RF, definição de potência, codificação e descodificação do canal rádio, controlo da codificação de canal, detecção e processamento do acesso (aleatório) inicial, função de distribuição CN para mensagens de nível sem acesso.

A UTRAN também deve assegurar a transmissão de dados para a CN . A partir do momento em que a comunicação entra no modo de ligação, cada entidade da UTRAN tem uma função de protocolo a realizar. O diagrama seguinte ilustra a distribuição das camadas entre as entidades.

Figura 109 – Estrutura protocoloar em modo off-line


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3.14 UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)

A rede de acesso UMTS é relativamente semelhante, a nível de configuração, à rede de acesso GSM, mas caracteriza-se pelas suas funções. Suporta os circuitos de serviço direccionados e o pacote de serviços direccionados. O diagrama seguinte apresenta a arquitectura geral da rede de acesso UMTS, ainda designada por UTRAN. Esta rede de rádio consiste no RNC e NB (estação de base) que desempenha uma função semelhante à BSC e BTS de GSM. O terminal comunica com a rede utilizando tecnologia WCDMA na banda da parte emparelhada do espectro (ambiente interior/exterior, cobertura ampla para serviços de dados de fluxo elevado em condições de mobilidade variada) e TD-CDMA (Time Division- CDMA) na respectiva banda da parte não emparelhada (ambiente interior, cobertura reduzida para serviços de fluxo elevado em condições de mobilidade restrita). O capítulo a seguir é dedicado exclusivamente à transmissão de rádio.

Figura 110 – Arquitectura do UTRAN


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3.14.1 Definição dos diferentes elementos da UTRAN

3.14.1.1 Node B Célula:

Uma célula é definida por uma identidade de célula difundida num canal físico. No vocabulário utilizado pelos grupos SMG para o UMTS, há normalmente alguma confusão entre a definição norte-americana e a definição europeia no que concerne à utilização dos termos "célula" e " sector" para a segunda geração de sistemas móveis (célula [Europa] = sector [E.U.A. e site [Europa] = célula [E.U.A.]). Normalmente, na Europa é utilizado o termo "site" para indicar as (três) células de um site que está dividido em (três) sectores. No entanto, num Relatório Técnico ETSI anterior, o termo "célula" é utilizado para definir a área geográfica abrangida pela cobertura rádio de uma estação de base e o facto de a célula reunir um ou mais sectores. Esta definição está em consonância com o vocabulário americano.

NB:

Trata-se de um Node responsável pela transmissão e recepção via rádio entre uma ou mais células para o UE. Está ligado ao RNC através da interface Iub. O seu equivalente em GSM é a estação de base. No entanto, não é possível utilizar a estação de base como uma definição do NB porque uma estação de base refere-se a um local partilhado por todo o equipamento de rádio que se encontra mesmo local (conceito de co-localização) e que serve uma ou mais células. No entanto, até ao momento, o NB tem funcionado como uma entidade lógica que pode ser distribuída entre várias entidades físicas como, por exemplo, um controlador de sites, equipamento de rádio e equipamento de transmissão, não necessariamente co-localizados. O NB consiste num conjunto de equipamentos: estações de base e controladores de sites que são encarregues, por exemplo, de gerir uma primeira camada de macrodiversidade denominada "handover mais suave". A implementação da macrodiversidade no Nó B não está normalizada. O Nó B é responsável pela transmissão de rádio ao nível da camada das respectivas células: codificação, entrelaçamento, medições da qualidade, multiplexagem dos canais lógicos nos canais físicos, etc...


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As especificações do NB são baseadas no proprietário que, conforme mostrado no diagrama seguinte, pode ser composto:

1. Simplesmente por uma estação de base 2. Ou por um controlador de sites do qual as estações de base dependem, 3. Ou por um SHC (Softer Handover Controller) que gere os controladores de

sites.

Figura 111 – Células / NB


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3.14.1.2 O RNC Controlador da rede de rádio: O equipamento de RNS responsável pelo controlo da utilização e integridade dos recursos de rádio. O RNC será abordado mais detalhadamente em seguida. RNC de controlo: Uma das funções do RNC está relacionada com um conjunto específico de NB’s. Existe apenas um RNC de controlo para cada NB. O RNC de controlo controla os recursos lógicos dos NB que lhe foram alocados.

3.14.1.3 O RNS Subsistema da rede de rádio: O elemento de uma rede de acesso UMTS que permite a concessão e disponibilização dos recursos de rádio específicos, de modo a estabelecer uma ligação entre um UE e a UTRAN. É responsável pelos recursos e pela transmissão/recepção numa unidade de células. Serving RNS: Uma das funções que pode ser atribuída a um RNS no caso de uma ligação específica entre um UE e a UTRAN. Existe sempre um Serving RNS para cada UE que tenha uma ligação à UTRAN. O Serving RNS é responsável pela ligação rádio entre um UE e a UTRAN. O Serving RNS determina a interface Iu para este UE. Drift RNS: Outra função que pode ser atribuída a um RNS para ligações específicas entre um UE e a UTRAN. O Drift RNS ajuda o Serving RNS permitindo a utilização de recursos de rádio quando a ligação entre a UTRAN e o UE requer a utilização de uma ou mais células (que são controladas pelo Drift RNS).


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3.14.1.4 Funcionamento do RNC Foram introduzidas duas funções do RNC (Serving e Drift) para a gestão dos handovers inter-RNCs. Estas funções aplicam-se, de forma independente, entre as várias comunicações estabelecidas através de RNCs. Com efeito, o mesmo RNC pode ser um Serving RNC para uma comunicação e um Drift RNC para outra comunicação. Cada comunicação implementa um Serving RNC, mas apenas um consegue passar por zero ou vários Drift RNCs. O diagrama que se segue mostra um telemóvel numa fase de macrodiversidade e permite identificar qual dos RNCs funciona como Serving e qual funciona como Drift numa comunicação. De facto, um telemóvel numa fase de macrodiversidade mantém, pelo menos, duas ligações radioeléctricas activas com duas estações de base diferentes por exemplo. As funções dos RNCs são especificadas a seguir.

Figura 112 – Definição de "Serving RNC" e "Drift RNC "


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3.14.2 Função do Serving RNC

O Serving RNC é o RNC que gere as ligações rádio com o telemóvel e que é utilizado como um ponto de ligação à CN através da interface de rede de acesso/CN (p.ex., interfaces lu). Ao gerir as ligações rádio, controla e leva a cabo o handover.

3.14.2.1 Função do Drift RNC Em relação ao Serving RNC, uma das funções do Drift RNC é gerir os recursos (de rádio) físicos das estações de base que dele dependem (função de controlo). O Drift RNC consegue realizar a recombinação de ligações (macrodiversidade quando duas ou várias ligações rádio são estabelecidas com as estações de base que estão anexadas ao mesmo). "Encaminha" os dados do utilizador para o Serving RNC na direcção ascendente e para as estações de base na direcção descendente.

3.14.2.2 Realocação do Serving RNS. O procedimento de realocação do Serving RNS consiste em deslocar a interface física entre a rede de acesso UMTS e a CN após um handover, passando o Drift RNC a Serving RNC. O processo de realocação do Serving RNS é necessário para a optimização dos recursos de transmissão na rede de acesso. Começou pelo Serving RNS. Durante o procedimento de relocalização do Serving RNS, o ponto de controlo de macrodiversidade e o ponto terminal da interface lu alteram o RNC. As condições de disponibilização não serão normalizadas. A principal característica deste procedimento é que não poderá haver qualquer perda de dados do utilizador.


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Princípios básicos. Separação lógica entre as redes de sinalização e a transmissão de dados. A macrodiversidade (definida mais à frente) é realizada e controlada na UTRAN. As funções da UTRAN e da CN são independentes das funções de transporte. O endereçamento utilizado na UTRAN e também na CN não deverá ter qualquer relação com o endereçamento utilizado para as funções de transporte. Entre as funções da UTRAN (funções relacionadas com o acesso à rede), as funções da CN (funções relacionadas com a comutação e localização) podem ser co-localizadas (colocação no mesmo equipamento) com algumas das funções de transporte, mesmo que estas funções estejam habitualmente separadas. A mobilidade relativa a uma ligação RRC é controlada pela UTRAN.

Figura 113 – Serving e Drift RNC


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3.14.2.3 O conceito Access Stratum Os campos (domínios) e as camadas (estratos) são abordados no âmbito do UMTS. Um campo é o grupo de entidades físicas de nível mais elevado. Os pontos de referência são definidos entre os campos. Uma camada é o agrupamento dos protocolos associados a um aspecto dos serviços fornecidos por um ou mais campos. Os aspectos físicos são moldados com o conceito de campo e os aspectos funcionais com o conceito de camada. Os vários campos do UMTS são:

• Domínio do Equipamento do Utilizador, separado em o Domínio do Equipamento do utilizador (UE – User Equipement) o Domínio USIM (User Services Identity Module).

• Domínio da Infra-estrutura, separado em o Domínio da rede de acesso, caracterizado pelo contacto directo com

o equipamento do utilizador, o Domínio da CN.

O ponto de referência entre o campo de acesso de rede (Domínio da Rede de Acesso) e o campo da CN (Domínio da CN) é designado pelo ponto de referência Iu. Foram identificadas as seguintes camadas no UMTS:

• Nível de Aplicação,

• Nível Doméstico,

• Nível de Serviço,

• Nível de Transporte. O Nível de Acesso (AS - Acess Stratum), específico do UMTS, é a parte do nível de transporte que está localizada entre o nó final do domínio da CN de serviço e o UE. O Nível de Acesso é o agrupamento funcional formado pelos componentes da infra-estrutura, pelo equipamento do utilizador e pelos protocolos entre estes componentes, que são específicos da técnica de acesso (a forma como os suportes de dados físicos entre o equipamento do utilizador e a infra-estrutura são utilizados para o transporte de informações).


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O Nível de Acesso fornece serviços relacionados com a transmissão de dados sobre a interface rádio e com a gestão da interface rádio relativamente aos restantes componentes do UMTS.

• O handover e a macrodiversidade (caso se aplique à mesma rede de acesso) são processados no nível de acesso.

• O handover entre duas redes de acesso (por exemplo, entre duas URAN (UTRAN Radio Access Network), ou seja, dois operadores diferentes ou entre uma URAN e um GSM BSS) irá utilizar o suporte da CN.

Figura 114 – Conceito de Access Stratum


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3.14.2.4 Gestão da Mobilidade (processamento da mobilidade) A gestão da mobilidade presta especial atenção aos princípios de GSM/GPRS, de modo a não comprometer o roaming entre os sistemas GSM e UMTS, um aspecto vital do êxito comercial do UMTS. Para além disso, a gestão da mobilidade reintroduz princípios como a área de localização e a área de encaminhamento. A estrutura funcional em camadas do UMTS impõe uma gestão da mobilidade rádio dentro da UTRAN. É, desta forma, que surge uma nova identidade, necessária ao encaminhamento e à identificação na rede de rádio (Identidade Temporária de Rede de Rádio) Ligações Dedicadas

O Equipamento do Utilizador (UE, User Equipment) pode ter uma ligação dedicada ou não. É estabelecida entre o ponto de acesso do serviço de controlo dedicado (DC-SAP - Dedicated Control Service Access Point,) do Nível de Acesso. Neste caso, a CN consegue alcançar o UE através da ligação SAP (Service Access Point) dedicada na CN . A UTRAN tem assim um contexto com o UE e a CN para esta ligação em particular. Este contexto é apagado quando a ligação é disponibilizada. A ligação dedicada só pode ser inicializada pelo UE. De acordo com a respectiva actividade, a célula mais próxima conhece a localização actual do UE (no caso de uma actividade elevada) ou, numa zona mais ampla, formada por várias células (actividade reduzida). Isto permite reduzir o número de mensagens de actualização de localização para os UE, caracterizados por uma actividade reduzida e que se deslocam. Esta situação também permite eliminar a necessidade de enviar mensagens de chamada (paging) para os UEs cujo site é conhecido na camada de uma célula.


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Ligações não dedicadas Neste caso, a CN tem de alcançar o UE através da Notificação SAP. A mensagem enviada ao UE pode traduzir-se num pedido dirigido a esse mesmo UE para o estabelecimento de uma ligação dedicada. O UE é alcançado através da sua identidade de utilizador/terminal numa “área geográfica”.

Figura 115 – Gestão de Mobilidade


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3.14.2.5 Consequências do processamento da mobilidade O acesso rádio à UTRAN é conseguido mediante procedimentos específicos. Isto significa que toda a mobilidade na rede de acesso terá de ser processada na UTRAN. Deduz-se, portanto, que a estrutura das células de rede não devam ser necessariamente conhecidas fora da UTRAN. Quando existe uma ligação dedicada com o UE, a UTRAN processa a mobilidade da interface rádio desse UE. Isto inclui procedimentos como o handover suave e procedimentos para processar a mobilidade na procura de procedimentos de acesso (RACH) e paging (PCH). Quando não existe uma ligação dedicada ao UE, não são necessárias quaisquer informações sobre esse UE na UTRAN. Neste caso, a mobilidade é processada directamente entre o UE e a CN fora do Nível de Acesso (por exemplo, através dos procedimentos de registo). Durante a chamada (paging), a CN indica "uma área geográfica" comunicada de imediato pela UTRAN às células correspondentes. Uma "área geográfica" é identificada independentemente da estrutura da célula, graças às identidades das zonas de localização. A UTRAN não contém um registo permanente de localização para o UE, apenas um registo de contextos provisórios relativo ao tempo da ligação dedicada. Este contexto poderá conter informações de localização como, por exemplo, células actuais do UE e informações sobre os recursos de rádio alocados e respectivas referências R à ligação.


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Figura 116 – Consequências dos processos de mobilidade


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3.15 Serviços UMTS

3.15.1 Introdução

Numa primeira fase, os serviços UMTS serão complementares aos de GSM/GPRS. Sistemas como o UMTS deverão ser capazes de proporcionar e complementar os serviços de fluxo elevado que são a sua razão de ser e um serviço de telefonia vocal de elevada qualidade. Por conseguinte, iremos assistir inicialmente, na fase 1 do UMTS, a uma certa recuperação entre os serviços UMTS e os serviços GSM. Isto porque as redes GSM, concebidas inicialmente para radiotelefonia, também suportam aplicações de transmissão de dados (GPRS...). Teremos eventualmente um conjunto de serviços multimédia comparáveis aos que já temos graças à Internet (serviços como FTP (File Transfer Protocol) ou a navegação online passam a ser serviços habituais deste sistema). Segue-se uma lista não exaustiva dos serviços UMTS. Lista de serviços UMTS

• Serviços específicos de telemóvel (já proporcionados pelo sistema GSM): 1. Maior qualidade de voz, 2. E-mail, 3. Fax, 4. SMS (Serviço de mensagens curtas).

• Serviços multimédia (principalmente UMTS): 1. Fluxo médio: < 1 Mb/s - ex.: consulta de páginas Web, 2. Fluxo elevado: aproximadamente 1 Mb/s - ex.: gráficos, clips de vídeo, 3. Interactividade elevada: aproximadamente 2 Mb/s - ex.: videoconferência...


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Estes serviços irão suportar várias aplicações, tais como:

• Informações: 1. Navegação na Web, 2. Compras interactivas, 3. Transacções online, 4. Pesquisa inteligente de informações e possibilidades de ordenação...

• Educação 1. Escola virtual, 2. Laboratório de ciências online, 3. Biblioteca online,

Time delay

Quality (BER)

background

conversational

streaming

interactive

Figura 117 – Serviços UMTS (I)


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E rro rto le ra n t

E rro rin to le ra n t

C o n v e rs a tio n a l(d e la y < < 1 s e c )

In te ra c tiv e(d e la y a p p ro x.1 s e c )

S tre a m in g(d e la y < 1 0 s e c )

B a c k g ro u n d(d e la y > 1 0 s e c )

C o n v e rs a tio n a lv o ic e a n d v id e o V o ic e m e s s a g in g

S tre a m in g a u d ioa n d v id e o F a x

E -m a il a rr iv a ln o tif ic a tio nF T P , s till im a g e ,

p a g in g

E -c o m m e rc e ,W W W b ro w s in g ,T e ln e t,

in te ra c tiv e g a m e s

Figura 118 – Serviços UMTS (II)

• Entretenimento: 1. Música a pedido, 2. Jogos a pedido, 3. Vídeos, 4. Visitas virtuais (museu...).

• Serviços públicos: 1. Serviços de emergência, 2. Procedimentos administrativos.

• Informações profissionais: 1. "Escritório móvel", 2. Canal de televisão profissional, 3. Grupos de trabalho virtuais.


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• Serviços de comunicação (comunicação pessoal): 1. Visiofonia, 2. Videoconferência, 3. Localização de pessoas.

• Serviços financeiros 1. Banco virtual, 2. Facturação online, 3. Cartão SIM universal/pessoal e cartão de crédito.

Os vectores destes serviços serão os seguintes:

• Internet: 128 kb/s bidireccional,

• Internet: 384 kb/s de entrada no telemóvel e 128 kb/s de saída do telemóvel,

• Videodifusão aprox. 1 Mb/s.

Relative environment & speed

BER and maximum time of transfer for services

Real time

BER and maximum time of transfer for services

not real time

Rural: Flow > 144 kb/s Speed < 500km/h

Maximum time of transfer ∈ [20 ; 300 ms]

BER ∈ [10-3 ; 10-7 ]

Maximum time of transfer >150 ms

BER ∈ [10-5 ; 10-8 ]

Limit rural-urban: Flow > 384 kb/s Speed < 120km/h


BER ∈ [10-3 ; 10-7 ]

Maximum time of transfer >150 ms

BER ∈ [10-5 ; 10-8 ] Urban:

Flow = 2048 kb/s Speed < 10km/h


BER ∈ [10-3 ; 10-7 ]


BER ∈ [10-3 ; 10-7 ]

Figura 119 - Typical values of the parameters related to service quality

Nota: A partir do seu lançamento em 2002, o UMTS irá provavelmente permitir débitos binários de 144 kb/s nas zonas rurais e de 384 kb/s nas zonas urbanas em modo de PS não garantido e 64 kb/s em modo de CS.


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Desta forma, podemos calcular teoricamente os tempos de carregamento do sistema e justificar a vantagem introduzida comparativamente ao GSM:

Systems GSM GPRS UMTS Flows 9.6 kb/s 120 kb/s 2 Mb/s

E-mail (10 kB) 8 sec 0.8 sec 0.004 sec

Web page (9 kB) 9 sec 0.8 sec 0.004 sec File (txt : 40 kB) 33 sec 3 sec 0.2 sec

File (graph : 2MB) 28 min 2 min 7 sec File midday (60 kB) 50 sec 4 sec 0.2 sec

Photo JPEG (100 kB) 83 sec 7 sec 0.4 sec Clip video (4 MB) 48 min 4 min 14 sec

Figura 120 – Tempo de carga de diversos services radio móvel

3.15.2 Conceito de Serviços

A implementação de serviços, no âmbito do UMTS, difere das soluções existentes devido à introdução de um conceito de modularidade que permite o desenvolvimento de aplicações específicas do operador e do utilizador.O UMTS oferece, assim, a possibilidade de serviços a pedido. Os serviços são criados "à medida" pelo operador ou pelo fornecedor de serviços, começando pela combinação de um ou mais módulos básicos predefinidos e designados por "serviços de suporte" com ambientes de criação de serviços como "SIM (Application) Toolkit", "MExE" ou "CAMEL". Esta solução traz uma maior flexibilidade em termos de:

• Débitos binários, que rondam os 2 Mb/s conforme vimos, para o ambiente interior, os 384 kb/s para os ambientes exteriores e suburbanos e um mínimo de 144 kb/s para o ambiente rural,

• Configuração do fluxo de informações, que pode variar durante a comunicação para adaptação às condições impostas pelos seguintes factores: tráfego existente, necessidades do serviço... Os parâmetros que provavelmente terão de ser modificados são muito variados (fluxo, aplicações em curso, grau de assimetria, parâmetros relacionados com QoS...),

• O tipo de ligação (pacote ou circuito), um parâmetro directamente relacionado com a QoS de cada aplicação,

• As características da aplicação que podem ser adaptadas de acordo com as preferências do utilizador,


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• O número de possíveis aplicações em curso,

• QoS necessária a cada aplicação... A estrutura de um serviço UMTS é representada na figura seguinte. Cada aplicação pode ser composta por uma combinação de "capacidades de serviço" (serviços de suporte e ambiente de serviços ou mecanismos) e por uma unidade de características adequadas ao serviço. Este conceito permite o desenvolvimento de serviços normalizados e de serviços mais específicos simultaneamente.

Figura 121 – Relação entre os services, as capacidades dos services e das redes


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3.15.2.1 Capacidades de Serviço As capacidades de serviço constituem as pedras basilares de cada serviço. A principal característica do UMTS, do ponto de vista do serviço, é precisamente a normalização das capacidades do serviço e não a normalização dos serviços extremidade-a-extremidade. A utilização destes blocos de construção permite:

• Uma concepção mais flexível de novos serviços,

• Uma maior eficácia na utilização dos recursos de rede, com uma adaptação mais fácil às características de descontinuidade e assimetria da maioria das aplicações.

As capacidades de serviço são formadas por uma combinação dos serviços de suporte com os ambientes de serviço (mecanismos). Esta normalização das capacidades de serviço deverá proporcionar uma "plataforma de funcionamento" que irá suportar, a longo prazo, todos os suportes multimédia (voz, dados, vídeo; ou seja, "Servidores da Capacidade de Serviço", figura "Representação das Capacidades de Serviço na fase 1 do UMTS"). Serviços de Suporte O conceito de serviços de suporte (serviços de transporte ou suportes) inclui uma série de parâmetros relacionados com as camadas inferiores que permitem fornecer os meios necessários à transmissão de informações. Estes parâmetros são classificados em dois grandes grupos:

• Parâmetros relacionados com a transferência de informações (e o débito oferecido),

• Parâmetros relacionados com a qualidade do serviço transferido. Cada serviço de suporte é caracterizado por uma configuração concreta dos valores de cada parâmetro.


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Parâmetros relacionados com a transferência de info rmações Através dos valores destes parâmetros, a rede pode decidir quais os recursos necessários ao correcto desenvolvimento do serviço solicitado. 1. Modo de ligação para a comunicação:

• Com ligação (um modo que torna possível manter a ordem de entrega das informações enviadas mas que requer algum tempo a estabelecer),

• Sem ligação (um modo que não oferece garantias quanto à ordem das informações entregues mas que não requer uma fase de estabelecimento).

2. O tipo de tráfego emitido pela fonte:

• Fluxo constante (empregue para as fontes que necessitam de uma quantidade fixa de recursos durante o tempo de ligação),

• Fluxo variável (utilizado pelas fontes que necessitam de alocar quantidades dinâmicas de recursos durante a comunicação); permite à fonte controlar os respectivos fluxos mínimos, médios e máximos,

• Fluxo disponível (utilizado pela rede para o controlo do fluxo necessário para as fontes que precisam de alocar quantidades dinâmicas de recursos durante a comunicação),

• Fluxo não especificado (empregue pelas técnicas de "melhor esforço" para o tráfego de fontes que não necessitam de uma quantidade específica de recursos reservados durante a comunicação).

3. A simetria da comunicação:

• Comunicação unilateral (ou simplex) ascendente ou descendente,

• Comunicação bidireccional (ou duplex) simétrica ou assimétrica. 4. O tipo de comunicação:

• Ponto-a-ponto,

• Ponto-multiponto (multicast ou difusão)


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Parâmetros relacionados com a qualidade das informa ções Os valores destes parâmetros permitem a gestão da Qualidade de Serviço (QoS) da ligação. Esta QoS pode ser redefinida durante a comunicação, de acordo com as necessidades do serviço associadas a cada serviço de suporte. Os principais parâmetros identificados até à data são: 1. O atraso máximo de transferência 2. Variação do atraso 3. O BER (Bit Error Rate) taxa de erros por bit)

Figura 123 – Parâmetros relacionados com a transferência de informação


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Ambiente de Serviço O ambiente de serviço permite ao operador, ou ao fornecedor de serviços, desenvolver os seus próprios serviços na rede e nos telemóveis. Para tal, serão utilizadas versões melhoradas das ferramentas GSM pré-existentes na fase 1 do UMTS:

• O SAT (SIM Application Toolkit),

• CAMEL,

• MExE. Nota: Estas ferramentas podem ser utilizadas individualmente ou em conjunto, de acordo com os requisitos da aplicação. O SAT (Sim Application Toolkit) O SIM Toolkit representa, actualmente, a tecnologia mais desenvolvida para a integração de serviços no ambiente móvel. Permite suportar todas as novas aplicações móveis que os fornecedores de serviços podem transferir para o próprio cartão SIM. O SIM Toolkit, proposto pela TTP COM, permite que a aplicação realize:

• Transferências de configuração: Esta instrução é enviada pelo telemóvel para o cartão SIM para inicialização. É utilizada para indicar que aplicação do SIM Toolkit controla o telemóvel,

• O Proactive SIM: fornece um mecanismo que permite ao cartão SIM solicitar ao telemóvel que realize determinadas acções. Essas acções incluem o seguinte: apresentar uma determinada mensagem, reproduzir um determinado tom, receber dados de um utilizador, apresentar um menu, enviar uma mensagem curta, estabelecer comunicação, fornecer informações gerais...

• Transferência de dados,

• Acesso a um menu de selecção,

• Controlo de chamadas. Estes mecanismos permitem às aplicações SIM criar sequências eficazes, geridas através de menus no telemóvel e que podem interagir com os serviços disponíveis na rede. Resumindo, através do SIM Toolkit, o cartão SIM pode ser programado e suportar aplicações visualizadas e ouvidas no telemóvel. As aplicações podem ser


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totalmente definidas pelo operador e podem ser instalados menus adicionais no terminal através do cartão.

Figura 124 – Ambiente de serviços


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MExE (Mobile Execution Environment) A aplicação MExE permite, quando instalada numa MS, uma execução normalizada das aplicações referidas anteriormente (como o SIM Toolkit). A sua vantagem em relação ao ambiente de serviços anterior está na oferta de uma maior compatibilidade com os serviços MExE dos fornecedores, independentemente do tipo de terminal. A MS poderá, assim, ser encarada de forma diferente na medida em que se adapta aos serviços dos fornecedores de MExE. A rede pode ser considerada, por um lado, como um "suporte" (de transporte) para aplicações entre o servidor MExE e a MS que utiliza este ambiente e, por outro lado, como um simples fio (tubo) que liga dois terminais utilizando o ambiente MExE, sem sequer desempenhar a função de servidor MExE (diálogo entre duas aplicações MExE da MS de dois assinantes). Como é natural, o número de aplicações MExE tem vindo a aumentar, pelo que a MS deverá ter capacidade para as suportar. Para resolver este problema, era necessário considerar a classificação das aplicações MExE, de modo a que a MS conseguisse determinar a sua capacidade ou não para suportar a aplicação recebida. Esta classificação MExE (conhecida como "classe") tem de ser criada nos terminais MExE e nas aplicações para conseguir:

• Apurar as capacidades de uma MS para suportar determinadas aplicações MExE,

• Identificar e classificar a MExE da MS. Desta forma, as aplicações (conhecidas como aplicações MExE) poderiam ser enviadas pela rede para terminais específicos, independentemente de suportarem ou não as várias aplicações: MS da MExE classe 1, classe 2. As aplicações baseadas nas classes MExE irão funcionar sobre o protocolo WAP analisado no restante parágrafo. Este último protocolo é muito interessante por ser independente do padrão de rede, completamente aberto, expansível a novas redes ou novos meios de comunicação. Este padrão será aplicável às normas GSM900/1800, CDMA IS-95 e TDMA IS-136, bem como às normas de terceira geração como as futuras normas UMTS e IMT2000 (W-CDMA, CDMA 2000…). WML (Wireless Markup Language) será a linguagem que irá prestar "suporte de navegação" (boas-vindas/apresentação de dados, layout do texto e imagem...). É uma linguagem muito fácil de utilizar pela sua semelhança com HTML.


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Nota: O facto de os serviços serem novos e bastante vagos deixa antever que o utilizador que pretender receber esses serviços terá de subscrever os serviços MExE. Da mesma forma, o fornecimento destes serviços (específicos de cada assinante) parece difícil de assegurar durante a deslocação, uma vez que o operador de uma HPLMN (Home PLMN) só consegue assegurar uma única VPLMN (Visited PLMN) que fornece o mesmo acesso a estes serviços.

Figura 125 - MExE


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3.15.2.2 Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic (CAMEL)

O conceito de IN: Rede Inteligente As arquitecturas de rede desenvolvidas até ao dia de hoje permitem ter apenas em conta serviços muito simples, uma única aplicação. Por exemplo, é possível solicitar um serviço de e-mail, um serviço de transferência de ficheiros, um serviço de processamento transaccional, etc. Várias aplicações começam a ser ligadas, desempenhando um novo serviço. No entanto, a complexidade aumenta consideravelmente quando se deixa as aplicações de processamento de dados definidas na estrutura da ISO (International Standards Organization)e se pretende gerir a aplicação como um todo. De facto, o utilizador deseja ter uma visão global do serviço solicitado, desde a sua operação ao custo a suportar, passando pelos problemas de segurança, qualidade e serviço. Num futuro muito próximo, os utilizadores passarão a definir o seu próprio serviço, com base na adequação do serviço à estrutura e ao funcionamento da empresa. O objectivo da rede inteligente é configurar e adaptar a infra-estrutura existente para lidar com as funcionalidades do novo serviço. É isto que a tecnologia CAMEL (fase 1), já presente na última fase de GSM, faz. Para entender claramente o interesse e o funcionamento da CAMEL, é necessário considerar o conceito de uma rede inteligente: RI, como abreviatura de Rede Inteligente. Contrariamente às trocas telefónicas fixas, concebidas inicialmente para comutar circuitos de telefone, as redes móveis utilizam o conceito de uma rede inteligente, que consiste, por um lado, na separação de funções adequadas a cada aplicação ou serviço e, por outro lado, no processamento comum a todas as aplicações (detecção de comutação MS/energia ligada...). As centrais telefónicas só gerem esta última parte, sendo por isso vistas como comutadores de acesso aos serviços ou SSP (Service Switching Point - ponto de comutação de serviços). Por outro lado, o processamento específico dos serviços é integrado em computadores, denominados pontos de comando de serviços (SCP, Service Control Point - ponto de controlo do serviço), capazes de trocar sinais com o SSP. Este tipo de abordagem permite um desenvolvimento mais flexível de novos serviços, através da introdução de alguns SCPs apenas para comutadores diferentes. Além disso, esta arquitectura permite ao operador ser mais independente do fornecedor de "comutação" e solicitar às empresas de serviços o desenvolvimento de novos serviços que pretendam apresentar. Quando é necessário um serviço específico, o SSP (MSC/VLR) no caso da telefonia móvel) e o SCP trocam mensagens de sinais puros em tempo real, com base na rede SS7. Por exemplo, se um assinante utilizar um novo serviço, as várias entidades intervenientes no decorrer da chamada mantêm-se as mesmas, mas o sinal a ser emitido ou recebido poderia ser tratado dentro do SCP. O seguinte esquema representa a arquitectura geral da rede "móvel inteligente"


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Figura 126 – Aruitectura de uma rede IN associada ao CAMEL

Este esquema representa os vários sinais transmitidos na rede; é possível ver que, contrariamente à rede GSM básica, os sinais relativos a um assinante que utiliza tecnologia CAMEL (ambiente CAMEL) passam por um ponto de controlo do serviço, onde são tratados de acordo com o serviço fixado pelo assinante ou o operador.


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Novos procedimentos É possível que o assinante esteja localizado numa VPLMN que não suporta tecnologia CAMEL (sem ligação a CSE - CAMEL Service Environment- ou a outra entidade a utilizar o ambiente CAMEL). Neste caso, a HPLMN tem a possibilidade de autorizar ou não as chamadas recebidas e/ou de saída. Se essa PLMN autorizar estas chamadas, o OSS (Operations Support System) não será assegurado com roaming. Do mesmo modo, é possível que um assinante esteja a viajar numa rede em que o ambiente CAMEL utiliza uma versão mais antiga da utilizada na HPLMN (ex.: fase 3 na HPLMN e fase 1 na VPLMN). Neste caso, a VPLMN indica à HPLMN que fase de CAMEL pode suportar e esta última terá então de adaptar esses serviços à fase indicada. Por fim, verificámos desde o início deste parágrafo que qualquer procedimento, seja ele qual for, passa pelo CSE; sendo assim, parece lógico que este último possa rejeitar pedidos de CAMEL efectuados por assinante(s) de V/IPLMN.

3.15.2.3 Virtual Home Environment (VHE) O ambiente local virtual é um conceito que permite ao utilizador personalizar o seu ambiente de serviço e aceder a esse ambiente, independentemente da rede ou do terminal utilizado. MExE/CAMEL, por exemplo, serão " mecanismos " utilizados para suportar e parametrizar o VHE. As características do VHE, que são, na realidade, as características do ambiente solicitado pelo assinante para certos serviços, são consideradas dados do utilizador. Deste modo, serão armazenadas com o perfil do utilizador e irão permitir a personalização de todos os serviços do assinante mencionados anteriormente (personalização do ponto de vista da QoS...). A configuração solicitada pelo utilizador irá depender unicamente do cartão USIM (cartão SIM UMTS) utilizado (e, assim, das restrições de determinados serviços no momento da assinatura), da capacidade da rede visitada para fornecer determinados serviços e do terminal utilizado. De facto, um utilizador com acesso à maioria dos serviços propostos pode, se esses serviços não estiverem a funcionar num terminal adequado, ver-lhe recusado o acesso a aplicações que foram, no entanto, especificadas no seu VHE (e são suportadas pelo seu USIM); neste caso, é de esperar que o assinante seja informado por uma simples mensagem. O VHE será então criado por uma combinação das várias capacidades/autorizações para fornecer o serviço, definidas pelo fornecedor de serviços, o operador e o terminal. Do ponto de vista do serviço, o perfil do assinante é, por isso, definido por esses três factos. Por fim, para fins de aplicação, é necessário que estas características sejam suportadas por API (Application Program Interface) MExE (se for utilizado o ambiente MExE).


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Nota: O termo API é utilizado para definir a entidade que irá efectuar a aplicação, dentro do terminal e ambiente utilizados (CAMEL, MExE...). Todos os terminais terão então, independentemente da sua classe, um centro API (núcleo) básico (conhecido como núcleo API MExE' MS), que pode ser melhorado para explorar ao máximos todas as funções oferecidas pelos fornecedores de serviços.

Figura 127 – Estructura do VHE

Como exemplo dos serviços oferecidos por este sistema, podemos referir a configuração do ambiente consoante o tipo de chamada, a escolha do idioma dos anúncios ou o controlo do preço de comunicação.


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O VHE na fase UMTS 1 Desde o seu lançamento, em 2002, o VHE desta fase de UMTS, pode oferecer:

• Serviços GSM e uma mobilidade internacional (serviço de roaming),

• Alguns serviços de capacidades básicas: 4. Do ponto de vista do suporte: 1. Comutação de pacotes e de circuitos, 5. Serviços SMS e USSD (Unstructured Supplementary Service Data) 6. Do ponto de vista dos mecanismos (criação de serviços): 1. CAMEL, 2. MExE, 3. SAT. Fornecedores de capacidades de serviços (SCS - Service Capability Servers ) Os servidores de capacidades de serviço são entidades que dão acesso aos serviços de suporte. São compostos por diversas entidades que permitem, por exemplo, o CC, no caso do serviço CAMEL (controlo de chamadas; localização e envio de informação para uma PLMN...)


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Figura 128 – Fase 1 do VHE

Nota: Lembramos que uma "funcionalidade do serviço" não é específica de uma criação de serviço (CAMEL, SAT...) uma vez que as interfaces padronizadas são especificadas entre as capacidades de serviços e as redes (protocolos MAP, CAP...)

3.15.2.4 As Capacidades de Serviços no ambiente CAMEL

Call Control (CC) A tecnologia CAMEL já permite organizar as chamadas recebidas (e de saída) de um assinante; de facto, um assinante CAMEL pode aceder a vários serviços CC e tem a possibilidade de:

• Retribuir todas as chamadas recebidas,

• Desviar essas chamadas para um número a especificar,

• Integrar/eliminar numa chamada de grupo,

• Atender uma chamada em conferência após ter estado em espera...


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Reencaminhamento de Chamadas (CF - Call Forwarding ) Este serviço (já utilizado na fase CAMEL 1) permite a um assinante ordenar as chamadas recebidas, ou seja, autorizar a recepção de todas as chamadas ou apenas de chamadas com critérios especiais (por exemplo, chamadas profissionais). Esses critérios contidos na CSI fazem assim parte do perfil do utilizador. Este último pode activar os seus critérios de selecção de chamadas sempre que necessário (conhecido como activação de UCF: reencaminhamento incondicional de chamadas - Unconditional Call Forwarding), o que é, obviamente, acompanhado por serviços básicos em caso de impossibilidade ou utilização anormal dos critérios de selecção. Chamada em Espera (CW - Call Waiting ) A chamada em espera é o serviço conhecido como "chamada dupla"; um assinante já em comunicação pode receber uma chamada indicando-lhe que uma terceira pessoa pretende estabelecer ligação. A pessoa é então colocada em espera, mas é necessário manter uma ligação virtual a essa pessoa, para que se possa retomar a comunicação quando a segunda chamada terminar. Este serviço já é oferecido pela fase CAMEL 1. Unstructured Supplementary Service Data (USSD). Existem dois modos de USSD:

• Um modo que permite a transferência de uma mensagem de dados; rede para MS (e reciprocamente; do telemóvel para a rede) com aproximadamente 600kb/s-1000kb/s; trata-se, na realidade, de uma transferência de mensagem visualizável pelo utilizador: conhecido como "modo USSD MMI",

• Um modo que corresponde à transmissão de mensagens de sinalização, destinado às aplicações localizadas no telemóvel/na rede, efectuado com o mesmo fluxo; conhecido como "modo USDD aplicável".


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4 Interface Rádio UMTS A parte rádio do UMTS, o UTRA, constitui a maior modificação do UMTS. De facto, baseia-se na tecnologia inovadora para um operador GSM. O UMTS propõe novos serviços que apresentam conceitos de fluxo variável, de transmissão em modo de pacote e modo de circuito, etc. Por este motivo, uma interface rádio específica do UMTS, do UTRA e do acesso rádio terrestre UMTS, encontra-se em processo de especificação com o 3GPP. O UTRA propõe dois métodos para a transmissão duplex: TDD e FDD. Ambos baseiam-se no CDMA e por uma LB de 5MHz.


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4.1 O princípio dos métodos de acesso CDMA/FDMA/TDMA

Para qualquer sistema móvel, é necessário definir e optimizar o modo como os recursos de rádio disponíveis são distribuídos entre vários utilizadores, ou seja, é necessário definir a tecnologia de acesso que permite uma gestão mais eficiente da interface rádio. Foram definidos dois tipos de tecnologia de acesso na estrutura do UMTS:

• O WCDMA (CDMA em banda larga - WideBand CDMA),

• O TD-CDMA (CDMA por divisão de tempo - Time Division CDMA). Ambos resultam da fusão de três métodos de acesso tradicionais: o FDMA, o TDMA e o CDMA.

• O FDMA é o método de acesso múltiplo mais utilizado. Esta técnica é a mais antiga e permite distinguir entre os utilizadores através de uma simples diferenciação de frequência. Para ouvir o utilizador N, o receptor só considera a frequência fN associada. A implementação desta tecnologia é bastante simples.

• O TDMA é um método de acesso baseado na distribuição de recursos no tempo. Cada utilizador emite ou transmite num intervalo de tempo concreto, cuja periodicidade é definida pela duração da trama. Neste caso, para ouvir o utilizador N, o receptor só tem de considerar o intervalo de tempo N associado a esse utilizador.

• O CDMA é o método de acesso mais recente. O CDMA baseia-se na distribuição por códigos. Cada utilizador distingue-se dos restantes utilizadores através de um código N, que lhe é atribuído no início da comunicação e que é ortogonal com os restantes códigos referentes a outros utilizadores. Neste caso, para ouvir o utilizador N, o receptor só tem de multiplicar o sinal recebido pelo código N associado a esse utilizador. Esta codificação permite poupar e optimizar o recurso de rádio, possibilitando a codificação da voz sem falhas.


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User 1 User 2 User 3

Time

Frequency

FDMA

User 1

User 2

User 3

Time

Frequency

TDMA

Time

Frequency

CodeCDMA

User3

User2

User1

Based on codes, all users obtain trafficchannels at the same time and on the samefrequency band, for example, WCDMA andCDMA2000

Traffic channels on different frequency bands areallocated to different users,for example, AMPS andTACS

Traffic channels at different points of time areallocated to different users, for example, DAMPSand GSM

Figura 129 – Principios dos métodos de acesso CDMA/FDMA/TDMA


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Desenvolveram-se duas evoluções destas técnicas dentro do UMTS, começando pela sua combinação para UMTS.

• O WCDMA (modo FDD)

• O TDCDMA (modo W-CDMA TDD) Cada um destes métodos de acesso está associado a uma tecnologia que gere os recursos referentes à emissão e recepção de cada utilizador. Essas tecnologias, chamadas métodos ou modos de duplexagem, são:

• O FDD, duplex por divisão de frequência, que é o modo de duplexagem relativo ao WCDMA,

• O TDD, duplex por divisão de tempo, que é o método relativo ao TD-CDMA. Estas novas tecnologias são uma das partes mais inovadoras do UMTS, uma vez que as suas implementações se reflectem na maioria dos aspectos do UMTS:

• Serviços,

• Novos tipos de handover,

• QoS,

• Dimensionamento... Tenha em atenção que o modo TDD é "normalizado/compatível com 3GPP" desde Março de 2001. Um novo padrão chamado TD-SCDMA (‘"o primo") está a ser normalizado na China, mas não será referido neste documento.

4.2 FDD e TDD

A transmissão duplex em FDD é a mais utilizada em tecnologia para transmissão duplex. É utilizada para o GSM. Permite distinguir entre as comunicações em Uplink e em Downlink pela frequência. Esta tecnologia implica, assim, a definição no espectro de uma banda em Uplink e em Downlink cujas larguras são frequentemente idênticas. No caso do UMTS, estas fitas são 1920-1980 MHz e 2110-2170 MHz. Assim, o modo FDD é diferente do modo TDD, devido ao seu método de duplexagem (e à definição dos seus canais físicos). No jargão UMTS, o W-CDMA é utilizado hoje em dia para definir o modo FDD W-CDMA e o TD-CDMA é utilizado para o modo TDD. No entanto, o W-CDMA TDD por vezes utilizado está relacionado com o modo TD-CDMA


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Users

Name of the Codes

FDD mode/duplexing principles

Temps

Frequencies

TDD mode/duplexing principles

Time

Spectral concentration

f1

Users

Frequencies

fn

Figura 130 - FDD and TDD


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4.3 O WCDMA (modo FDD)

Existem várias maneiras de classificar os sistemas CDMA. A mais habitual é a baseada no método de modulação utilizado para obter um sinal de banda larga. Esta divisão conduz a três tipos de CDMA:

• Sequência directa (DS - Direct Sequence),

• Salto de frequência (FH - Frequency Hopping),

• Salto no tempo (TH - Time Hopping). É possível visualizar estas diferenças no esquema seguinte: No sistema DS-CDMA, o espectro é distribuído multiplicando o sinal que transporta informação por uma uma sequência PN (Pseudo-Noise), que permite obter um sinal de banda larga. No caso de uma distribuição do espectro por salto de frequência, a sequência PN define a frequência de transmissão instantânea. A largura de banda é pequena, em qualquer momento em particular, mas a largura de banda total pode ser grande para um período de taxa de chips, por exemplo. O salto de frequência pode ser rápido (vários saltos para um chip) ou lento (vários chips transmitidos durante um salto).


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No último caso (o espectro distribuído por salto no tempo), uma sequência PN define o momento de transmissão. É possível combinar estas técnicas. O WCDMA é definido como um sistema DSCDMA, em que a informação se estende por uma largura de banda de 5 MHz ou mais. A partir daqui, iremos discutir apenas o WCDMA. É importante salientar que o utilizador emite continuamente em WCDMA FDD, ao contrário do GSM.

Figura 131 - WCDMA (modo FDD)


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4.3.1 Resumo dos Parâmetros Principais no WCDMA Utilizados no UMTS

O WCDMA é um sistema de acesso múltiplo por divisão de código em sequência directa de banda larga (DS-CDMA - Wideband Direct-Sequence Code Division Multiple Access), ou seja, os bits de informação do utilizador são distribuídos por uma vasta largura de banda, multiplicando os dados do utilizador por bits quase-aleatórios (denominados chips) derivados de códigos de spreading CDMA. A taxa de chips de 3,84 Mcps utilizada conduz a uma largura de banda de portadora de aproximadamente 5 MHz. Os sistemas DS-CDMA, com uma largura de banda de cerca de 1MHz (IS-95), são vulgarmente denominados "sistemas CDMA de banda estreita". A largura de banda de portadora "mais larga" de WCDMA suporta débitos de dados do utilizador elevados e também possui certos benefícios de desempenho, tais como uma maior diversidade de multipercurso. O WCDMA suporta débitos de dados do utilizador muito variáveis, isto é, o conceito de obtenção de largura de banda a pedido (BoD - Bandwidth on Demand) é bem suportado. São atribuídas a cada utilizador tramas de 10 ms de duração, durante os quais o débito de dados do utilizador é mantido constante. No entanto, a capacidade de dados entre os utilizadores pode mudar de trama para trama. No modo FDD, são utilizadas frequências de portadoras de 5 MHz separadas respectivamente para a Uplink e para a Downlink, enquanto que em TDD só um 5 MHz é dividido no tempo, entre a Uplink e a descendente. A Uplink é a ligação do telemóvel à estação de base, e a Downlink é a ligação da estação de base ao telemóvel. O WCDMA suporta a operação de estações de base assíncronas, de modo que, ao contrário do sistema IS-95 síncrono, não existe a necessidade de uma referência de tempo global, como em GPS. A implementação de estações de base micro e de interior é mais fácil quando não é necessário receber um sinal GPS . A interface ar WCDMA foi concebida de modo a que conceitos de receptor CDMA avançados, tais como detecção de multiutilizador e antenas adaptativas inteligentes, possam ser fornecidos como uma opção do sistema para aumentar a capacidade e/ou cobertura. O WCDMA foi concebido para ser implementado em conjunto com GSM. Por isso, os handovers entre GSM e WCDMA são suportados de modo a poderem tirar partido da cobertura GSM para a introdução de WCDMA.


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Figura 132 – Parâmetros principais do WCDMA

A seguinte tabela resume estes parâmetros:

Figura 133 –Parâmetros principais


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4.3.2 As vantagens de WCDMA

• Melhor cobertura que um sistema convencional nas mesmas condições de spreading

• Nenhuma necessidade de reutilizar frequências A utilização de recursos de rádio deve ser optimizada, de modo a garantir uma densidade de utilizador máxima por unidade de superfície. Em GSM (TDMA, SFH), graças ao mecanismo de reutilização de frequência, o conceito de um motivo celular permite-nos, teoricamente, obter capacidade ilimitada (graças à reutilização da mesma frequência em locais diferentes). A ideia é utilizar a mesma frequência como um transmissor distante, sem nos preocuparmos com interferências (devido ao obscurecimento do sinal). Repare que, no esquema seguinte (motivo de 7 células) cada célula está rodeada por células de número diferente. Deste modo, usando a célula número 4 como exemplo, podemos ver que todas as células adjacentes estão numeradas do seguinte modo: 1, 2, 3, 5, 6 e 7. Em UMTS, no entanto, como o modo de acesso é o W-CDMA, a mesma frequência pode ser utilizada em toda a zona de cobertura pretendida, sendo os utilizadores diferenciados pelos códigos. Isto permite obter uma melhor eficiência espectral.

• O problema do desvanecimento atenuado O desvanecimento do sinal pode ser muito significativo, mas numa banda fraca. Assim, no caso de um sinal de banda estreita, este fenómeno torna-se muito problemático caso se verifique na banda do sistema utilizado. No caso de um sinal de banda larga, no entanto, o desvanecimento é distribuído por toda a banda, sendo por isso muito mais fraco.

• Receptores RAKE Graças a estes receptores, o sistema recupera os sinais múltiplos devido ao multipercurso. Esses sinais são, então, recombinados, o que permite obter a informação transmitida com mais potência. Cada percurso é tratado como um dedo (finger) no receptor. O sinal é recuperado graças à correlação com diferentes versões sincronizadas do código de spreading. Um estimador de canal permite obter a resposta impulsiva do canal, bem como o atraso de cada percurso e o desvanecimento verificado. Deste modo, será possível sincronizar os vários percursos. Existem dois métodos de combinação:

• Combinação de igual ganho, que compensa cada saída de dedo (finger exit).

• Combinação de rácio máximo, que escolhe o peso, permitindo maximizar o rácio Sinal sobre Ruído na saída combinada.


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Nota: também existem transmissores RAKE.


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4.3.3 Spreading e despreading

O conceito de spreading é um conceito relacionado com a vontade de transmitir o sinal útil numa banda de espectro mais significativa. O interesse do spreading é obter uma melhor diversidade frequencial e menor sensibilidade a congestionamentos (jammers). Na estrutura do UTRA, diz-se que o spreading utilizado está numa sequência directa, a multiplicação dos dados por um código, conhecido como um código de spreading ou channeling. O factor de spreading é igual ao comprimento do código utilizado. Após o spreading, o termo utilizado para definir os bits codificados é "chip". A relação utilizada para verificar o débito binário e a taxa de chips é: Débito binário * Comprimento de código = Taxa de ch ips Para o UTRA, uma das regras mais significativas é ter uma taxa de chips constante de 3,84 Mcps, tanto na Uplink como descendente. Presume-se aqui que os dados do utilizador são uma sequência de bits modulados em BPSK de taxa de R, assumindo os bits de dados do utilizador os valores de ±1. A operação de spreading, neste exemplo, é a multiplicação de cada bit de dados de utilizador por uma sequência de 8 bits de código, denominados chips. O mesmo pode ser presumido para a modulação de spreading BPSK. É possível ver que o spreading de dados resultante tem lugar a uma taxa de 8xR e apresenta a mesma aparência aleatória (semelhante a pseudo-ruído) que o código de spreading. Neste caso, podemos observar que foi utilizado um factor de spreading de 8. Este sinal de banda larga seria então transmitido através de um canal sem fios para a extremidade receptora. Durante o despreading, a sequência de utilizador/chip distribuída é multiplicada, duração de bits a duração de bits, com os mesmos 8 chips de código utilizados durante o spreading desses bits. Conforme demonstrado, a sequência original de bits do utilizador é recuperada na perfeição, desde que exista também uma sincronização perfeita entre o sinal de utilizador distribuído e o código de (de)spreading. O aumento da taxa de sinalização por um factor de 8 corresponde a um alargamento, por um factor de 8, do espectro ocupado do sinal de dados do utilizador distribuído. Devido a este facto, os sistemas CDMA são frequentemente chamados de sistemas de espectro distribuído. O despreading restaura uma largura de banda proporcional a R para o sinal. A operação básica do receptor de correlação é descrita no esquema. A metade superior do esquema ilustra a recepção do próprio sinal pretendido. Tal como na figura precedente, observa-se que a operação de despreading possui um código perfeitamente sincronizado. Sendo assim, o receptor de correlação integra (isto é, soma) os produtos resultantes (código datax) para cada bit do utilizador.


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A parte inferior mostra o efeito da operação de despreading quando aplicada ao sinal CDMA de outro utilizador, cujo sinal se presume ter sido distribuído com um código de spreading diferente. O resultado da multiplicação do sinal interferente pelo próprio código e da integração dos produtos resultantes conduz a valores de sinal interferentes rondando 0. O seguinte esquema descreve as operações básicas de spreading e despreading para um sistema DS-CDMA:

Figura 136 - Spreading & Despreading no WCDMA


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Como podemos ver, a amplitude do próprio sinal aumenta, em média, num factor de 8, relativamente ao do utilizador do outro sistema interferente. Este efeito, denominado "ganho de processamento", é um aspecto fundamental de todos os sistemas CDMA e, em geral, de todos os sistemas de espectro distribuído. O ganho de processamento é o que confere aos sistemas CDMA a robustez contra a auto-interferência necessária para reutilizar as frequências de portadora disponíveis em distâncias consideravelmente pequenas. Tomemos o exemplo de parâmetros reais do WCDMA: o serviço de voz, com débito binário de 12,2 Kbps tem um ganho de processamento de 25dB (=10log10(3,84e6/12,2e3) Após o despreading, a potência do sinal deve ser tipicamente superior em alguns decibéis à interferência e potência de ruído. Eb/N0 (densidade de potência por bit/nível de ruído) é tipicamente de 5 dB e o rácio Sinal/Interferência (SIR - Signal-to-Interference Ratio ) necessário é, consequentemente, de 5 dB menos que o ganho de processamento (=-20 dB). Por outras palavras, a potência do sinal pode ser inferior em 20dB à potência do ruído térmico, continuando o receptor a poder detectar o sinal. Devido às operações de spreading e despreading, o SIR pode ser mais fraco em WCDMA que, por exemplo, em GSM. Uma ligação de voz de boa qualidade em GSM requer um SIR de 9-12dB. Uma vez que o sinal de banda larga pode ser inferior ao nível de ruído térmico, a sua detecção será difícil se a sequência de spreading não for conhecida. Por este motivo, os sistemas de espectro distribuído têm a sua origem em aplicações militares, onde a natureza da banda larga do sinal permite escondê-lo abaixo do ruído térmico omnipresente. É de notar que, para qualquer largura de banda, o ganho de processamento seria superior para os débitos binários de dados do utilizador inferiores. De facto, para um débito de 2Mbps, o ganho de processamento é inferior a 2 (= 3,84 Mcps / 2Mbps=1,92, que corresponde a 2,8 dB) e parte da robustez da forma de onda WCDMA contra interferências está claramente comprometida. Também é significativo perceber que a operação de spreading/despreading em si não pressupõe qualquer ampliação de sinal para as aplicações móveis. Na realidade, o ganho de processamento acarreta uma maior largura de banda de transmissão. Todos os benefícios WCDMA surgem indirectamente pelas propriedades de banda larga dos sinais, quando examinados ao nível do sistema, em vez do nível de ligações de rádio individuais:


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O ganho de processamento, juntamente com a natureza da banda larga, sugerem uma reutilização da frequência de 1 entre células diferentes, ou seja, uma frequência é reutilizada em cada célula. O facto de vários utilizadores partilharem a mesma portadora para a sua comunicação pressupõe uma diversidade de interferências, isto é, as interferências dos vários sistemas são realizadas, o que irá aumentar a capacidade, em comparação com os sistemas em que é necessário planear para a pior interferência possível. No entanto, as duas vantagens acima descritas requerem a utilização de um controlo eficaz da potência e um handover suave, de modo a impedir que o sinal de um utilizador bloqueie a comunicação de outro utilizador. O PC e o handover suave serão explicados mais adiante. Com um sinal de banda larga, os vários percursos de propagação de um sinal de rádio móvel poderiam ser tratados com uma precisão melhor do que com sinais a uma largura de banda inferior. Isto resulta num conteúdo de diversidade superior contra desvanecimento e, deste modo, num melhor desempenho. As estações de base e os telemóveis WCDMA utilizam essencialmente este tipo de receptor de correlação. No entanto, devido ao multipercurso de propagação (e à possibilidade de antenas de recepção múltiplas), é necessário utilizar receptores de correlação múltiplos, com o objectivo de recuperar energia vinda de todos os percursos e/ou antenas. Esse tipo de conjunto de receptores de correlação, denominados "dedos” (fingers) é o que constitui o receptor CDMA Rake. A transmissão para o UMTS é muito diferente da do GSM. Os bits de dados são inicialmente distribuídos e depois modulados em QPSK.


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information pulse interference White noise

The improvement of

time-domain

information rate means

that the bandwidth of

spectrum-domain

information is spread.

The Y-coordinate is energy density.

The spectrum before despreading

informationInterference noise

S（（（（f））））

f0 f f0The spectrum after despreading

information

Interference noise

S（（（（f））））

f

f

S（（（（f））））

The spectrum before spreading

information

f0The spectrum after spreading

information

f0

S（（（（f））））

f

Figura 138 – Conceito de Spreading e DeSpreading


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4.3.4 Princípios de códigos CDMA/o Factor de Spreading

Os códigos CDMA ou OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) são utilizados para distinguir entre os canais. Estes códigos caracterizam-se por serem uma família de códigos ortogonais, no sentido da correlação. Definem-se por uma árvore geradora. Uma raiz gera dois ramos. Os códigos transportados por esses dois ramos resultam do código da raiz. O código de um ramo é composto pelo código da raiz e pelo seu complementar. Este princípio permite, assim, gerar a árvore de códigos OVSF utilizada para o UTRA. A escolha deste factor reflecte-se em dois pontos significativos:

• Tráfego oferecido por um canal físico

• Características dos canais físicos utilizados para fornecer um serviço a um utilizador.

Em spreading de sequência directa, o comprimento do código é igual ao factor de spreading, SF (Spreading Factor). Além disso, o factor K, que determina o número de bits nas tramas do DPCH, valida a seguinte relação: SF=256/2k com k=0...,6 Isto significa que o SF pode assumir os valores: 4,8,16,128, 256 em FDD (512 em Downlink). O SF determina simultaneamente o comprimento de código, mas também o número de códigos disponíveis para um SF. Para a utilização dos códigos, é necessário cumprir certas regras. Dentro da mesma célula, os códigos OVSF não podem ser utilizados em simultâneo, visto não serem todos ortogonais entre si. O código de um ramo está fortemente relacionado com o código da respectiva raiz, o que impede a sua utilização simultânea. Quando um código está atribuído, nenhum código resultante desses ramos pode ser utilizado.

4.3.5 Relação entre códigos CDMA e intervalos de tempo

Um código CDMA é atribuído com cada burst de um intervalo de tempo. Esses códigos podem ser atribuídos a um único utilizador ou a vários utilizadores, de


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acordo com as necessidades de capacidade dos serviços utilizados por cada utilizador. O número máximo de códigos CDMA (k) atribuído a cada intervalo (que é inferior ou igual a 16) depende:

• Dos factores de spreading de cada código (o comprimento dos códigos),

• Do nível de interferência que existe no sistema,

• Das necessidades dos serviços transmitidos no intervalo de tempo.

Figura 139 – Relação entre os códigos CDMA e os TS


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4.3.6 A atribuição de códigos de spreading

Foram definidos dois tipos de transmissão para o modo TDD, que permitem a implementação de todo o leque de serviços, de fluxo reduzido a elevado:

• O multicódigo de transmissão com spreading fixo: todos os códigos presentes no intervalo de tempo têm o mesmo comprimento. O número máximo de códigos presentes no intervalo de tempo tem o mesmo comprimento. O número máximo de códigos por intervalo de tempo depende da direcção da comunicação e do número de utilizadores activos:

Na direcção da Uplink, se os utilizadores forem diferentes, podem suportar até 8 códigos. No entanto, se um utilizador estiver atribuído no intervalo de tempo, o número máximo de códigos pode atingir os 10. Na direcção da Downlink, o limite também são 10 códigos, independentemente do número de utilizadores activos no intervalo de tempo.

• O monocódigo de transmissão com spreading variável. Existem duas possibilidades, de acordo com a direcção de transmissão:

Na direcção da Uplink, um utilizador utiliza um código individual cujo factor de spreading pode ser adaptado, de acordo com o fluxo necessário. A estação de base pode receber vários telemóveis com diferentes factores de spreading no mesmo intervalo de tempo, porque esses telemóveis serão diferenciados pelo respectivo código. Na direcção da Downlink, uma estação de base só pode difundir um código por intervalo de tempo, adaptando o factor de spreading, de acordo com o fluxo necessário.


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4.3.7 Scrambling e modulação

4.3.7.1 Scrambling Para além do spreading, explicado anteriormente, uma parte do processo na transmissão é o scrambling, que permite separar as estações de base ou os terminais uns dos outros. O scrambling é utilizado para além do spreading, permanecendo a largura de banda do sinal inalterada. Como a taxa de chips já foi alcançada no spreading, a taxa de símbolos não é afectada pelo scrambling. O seguinte esquema apresenta a relação entre spreading e scrambling:

Figura 140 - Scrambling


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4.3.7.2 Ganho de Processamento Antes de apresentar o ganho de processamento, é necessário descrever a operação de CDMA de sequência directa, de modo a perceber por que motivo a sua extensão, o WCDMA, constitui uma promessa para os sistemas de terceira geração. O DS-CDMA baseia-se na técnica Espectro Distribuído (Spread Spectrum), em que o sinal original é multiplicado (distribuído) com uma sequência de pseudo-ruído (PN) binária de débito binário elevado. Visto que uma sequência de pseudo-ruído de débito binário elevado é espectralmente larga (assemelhando-se a ruído branco), o sinal resultante após a multiplicação também é espectralmente largo. No receptor, o sinal é multiplicado novamente com a mesma sequência PN (recuperada), ponto em que o sinal receptor é reduzido de volta à sua largura de banda original e a informação é extraída. Por isso, num ambiente de vários utilizadores, a cada utilizador é atribuída uma sequência PN única, sendo as sequências PN praticamente ortogonais entre si, de modo a que, no receptor, todos os sinais recebidos partilhando a mesma largura de banda sejam separados com sucesso. O receptor de correlação de um sistema CDMA, ao receber sinais de dois utilizadores diferentes. O sinal do utilizador A (na parte superior da imagem) é recuperado com a sua própria sequência PN para uma recuperação perfeita do sinal original. Então, o sinal é integrado a cada trama de tempo de símbolo para obter um ganho igual à taxa de chips (neste caso, igual a 8). O motivo para este tipo de receptor torna-se óbvio ao olharmos para a parte inferior desta imagem, em que o sinal do utilizador B (contido na mesma largura de banda que o utilizador A) é multiplicado pela sequência PN do utilizador A e depois integrado. O sinal resultante aproxima-se do nível de ruído e é bastante diferenciável do sinal recebido pelo utilizador A. Por isso, na mesma largura de banda, os sinais de muitos utilizadores podem ser resolvidos, permitindo uma maior capacidade. No entanto, é importante mencionar que quanto mais utilizadores existirem no sistema, maior a interferência, sendo alcançado, num determinado ponto, um limite no número de utilizadores. Para conseguir uma separação com êxito dos sinais recebidos de fontes diferentes, também é necessário controlar cuidadosamente a potência transmitida de cada utilizador. Por exemplo, se o utilizador A sofrer uma perda de 40 dB no seu percurso para o receptor e o utilizador B sofrer uma perda de 80 dB, sendo as suas potências de transmissão as mesmas, o utilizador A irá sobrepor-se ao utilizador B no receptor e o sinal do B perder-se-á. Por esse motivo, a estação de base irá ordenar ao utilizador A para baixar a sua potência para um nível em que receba sinais tanto de A como de B, aproximadamente no mesmo nível, e os possa diferenciar correctamente. Para além de oferecer um ambiente multiacesso resistente a interferências, o CDMA tem dois benefícios adicionais relacionados com as suas características resilientes num canal RF. Em primeiro lugar, um sinal de banda larga é pouco afectado por uma interferência de banda estreita (que é o tipo de interferência mais comum num canal RF). Isto deve-se ao facto de um sinal de banda estreita


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ter impacto numa parte proporcionalmente pequena do sinal de banda larga geral. Esta pequena perda pode ser facilmente colmatada com a correcção de erros. Em segundo lugar, todos os sinais num canal RF sofrem de desvanecimento multipercurso. Isto significa que existem vários percursos tomados por um sinal do transmissor para o receptor. Os sinais recebidos são frequentemente diferentes em amplitude e fase. Nos casos mais extremos, se uma diferença de fase entre os dois sinais recebidos é um múltiplo par de metade de um comprimento de onda, os sinais irão adicionar destrutivamente e o sinal resultante será zero. Por isso, para uma recepção correcta, é necessário distinguir entre diferentes sinais de multipercurso. Felizmente, os sinais de multipercurso CDMA que chegam com um certo atraso entre si tornam-se descorrelacionados devido às respectivas sequências PN, para que os sinais de multipercurso possam ser separados e o desvanecimento seja reduzido ou eliminado.

Figura 141 – Processo de Ganho


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Para os desenvolvedores da próxima geração de sistemas sem fios, era importante reconhecer os tipos de serviços de que os futuros utilizadores iriam necessitar. Apesar de ser impossível prever todas as exigências futuras, é certo que o futuro utilizador irá necessitar de uma variedade de serviços como voz, dados, sequência de vídeo e de música, acesso ao e-mail e à Internet, tudo num dispositivo na mesma ligação sem fios. Para o conseguir, o WCDMA é uma das técnicas de acesso múltiplo competidoras com maior débito binário, maior capacidade e maior eficiência espectral que um sistema de segunda geração. Além disso, o WCDMA pode obter uma largura de banda a pedido (BoD) e uma QoS variável. A BoD é necessária para um acesso eficiente à rede, visto a maioria da largura de banda ser necessária na Downlink e pouca largura de banda ser necessária na Uplink, enquanto que uma QoS variável é pretendida para alojar, por exemplo, sequência de vídeo sensível a atraso (delay sensitive streaming video) na mesma ligação que o acesso a dados intolerante à perda (loss intolerant data access). O débito binário aumentado de 2 Mbps em WCDMA é conseguido aumentando a taxa de chips para 3,84 Mcps, o que resulta num canal com uma largura de 5MHz. Este é um aumento de quatro vezes a largura do canal quando comparado com a largura de banda estreita CDMA. Felizmente, quanto mais largo o canal, mais resistente será a interferências de banda estreita. Quanto menos interferência no sistema, maior a possibilidade de acrescentar utilizadores adicionais ao sistema, aumentando assim a capacidade.


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Além disso, o controlo da potência de CDMA é melhorado em WCDMA para oferecer controlo tanto da Uplink como descendente. O WCDMA oferece ainda um controlo mais frequente; a potência CDMA controla a 800 Hz, enquanto o WCDMA controla a 1500 Hz. Estes deverão oferecer um ambiente de interferência reduzida e potencial para um aumento ainda maior da capacidade. Tal como com CDMA, a largura de banda larga do WCDMA contribui muito para combater o desvanecimento multipercurso. Nos ambientes suburbanos e urbanos habituais, o atraso médio entre sinais multipercurso situa-se entre 1 e 2µs e com uma taxa de chips WCDMA de 3,84 Mcps, o tempo entre cada chip é de 0,27µs. Isto significa que o receptor pode facilmente distinguir entre sinais multipercurso vindos da mesma origem, podendo combiná-los em fase, evitando assim o desvanecimento multipercurso por completo.

Figura 142 - Spreading


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A largura de banda a pedido é outra funcionalidade importante de WCDMA necessária a uma utilização de largura de banda eficiente. Em primeiro lugar, se um utilizador estiver a utilizar aplicações baseadas na Web, a largura de banda de Downlink necessária é muito superior à de Uplink.Ter as duas ligações iguais seria muito ineficiente. Além disso, um utilizador pode ter uma conversa de voz perfeitamente clara a 12,2 kbps, enquanto que ver um vídeo a essa velocidade não seria uma grande experiência. Por isso, é óbvio que a BoD é necessária para um serviço aceitável. O modo como o WCDMA desempenha esta tarefa é conceptualmente simples. A cada utilizador é atribuída uma trama de tempo de 10 ms de duração, durante a qual o débito binário é constante. Em cada trama seguinte, o utilizador pode modificar o débito binário, conseguindo assim variabilidade e obtendo largura de banda a pedido. Ao longo das mesmas linhas, cada aplicação pode ter uma qualidade de serviço diferente, necessária a uma utilização correcta. Por isso, o WCDMA, tal como outros sistemas de terceira geração, distingue entre quatro classes diferentes de QoS; conversacional, de transmissão em sequência, interactiva e de segundo plano. A classe conversacional é estritamente sensível a atraso (voz, vídeo, telefonia, jogos de vídeo), isto é, se o atraso não for preservado, a qualidade é inaceitável. A classe de transmissão em sequência é sensível a atraso mas não rigorosa (multimédia em sequência). A classe interactiva é intolerante à perda e, em menor grau, sensível a atraso (navegação na Web). A classe de segundo plano é intolerante à perda e não é sensível a atraso (transferências em segundo plano). A capacidade de atribuir diferentes classes de serviço necessárias a aplicações distintas irá garantir o fornecimento de um nível de serviço apropriado, o que é um grande passo rumo a um sistema de terceira geração.


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4.3.7.3 Modulação Modulação em Uplink Na direcção de Uplink, devem ser tidos em conta dois critérios na definição da modulação: deve ser concebida de modo a que a eficiência do amplificador final seja maximizada e as interferências audíveis sejam minimizadas. Uma transmissão descontínua de Uplink pode, de facto, causar interferências audíveis para um equipamento áudio perto do terminal (aparelhos auditivos...). Esta é uma questão completamente distinta da interferência na interface ar. A interferência audível só é um efeito de perturbação para o utilizador e não afecta o desempenho da rede nem a sua capacidade. Com o GSM, estamos familiarizados com a interferência audível ocasional com equipamento áudio que não é protegido adequadamente. A interferência do GSM tem uma frequência de 217 Hz, o que é determinado pela frequência de trama GSM, recaindo assim na banda que pode ser ouvida pelo ouvido humano. Com um sistema CDMA, as mesmas questões surgem quando é utilizada uma transmissão descontínua de Uplink, por exemplo, um serviço de voz. Durante os períodos de silêncio, não é necessário transmitir bits de informação, apenas a informação para fins de manutenção da ligação, como o controlo da potência com uma taxa de comando (command rate) de 1,5 kHz. Com este tipo de taxa, a transmissão do piloto e os símbolos de controlo da potência, com multiplexagem de tempo na direcção de Uplink, causariam uma interferência audível no meio da banda de frequência de voz telefónica. Por este motivo, os dois canais físicos dedicados em Uplink não estão multiplexados no tempo e uma modulação I-Q (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying) é implementada, seguida de scrambling. A transmissão contínua obtida com esta modulação é descrita no esquema seguinte:

Figura 144 – Período DTX


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A partir de agora, quando o piloto e o sinal de controlo da potência são mantidos num canal contínuo distinto, não ocorre nenhum impulso de transmissão. Um impulso só aparece quando o canal de dados DPDCH é comutado, mas essas comutações ocorrem muito raramente. O nível de interferência para os outros utilizadores mantém-se idêntico ao da multiplexagem de tempo. O UTRA terá que enfrentar desafios relativos à eficácia da amplificação, em comparação com o GSM. A modulação GMSK do GSM está num envelope constante e é optimizada para amplificação. Além disso, como sistema baseado em banda estreita, o sinal GSM pode ser distribuído mais amplamente no campo frequencial, o que permite utilizar um amplificador menos linear, com um melhor ganho de conversão. No entanto, o WCDMA utiliza um PC rápido em Uplink, o que reduz a potência de transmissão necessária em Uplink. A constelação de sinal da multiplexagem I-Q antes do scrambling é a seguinte (G é a potência relativa):

Figura 145 – Constelação I-Q antes do scrambling


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Modulação em Downlink Em Downlink, foi seleccionada uma modulação QPSK normal, pois é permitida a multiplexagem de tempo, visto não existir uma transmissão descontínua (sem problemas de interferência). A QPSK é uma modulação em 4 estados, o que permite codificar um símbolo em dois bits. As suas características deverão ter uma eficácia espectral superior à GMSK. No entanto, é mais sensível a congestionamentos (jammings) e requer a implementação de amplificadores lineares. Em Uplink FDD, os canais DPDCH e DPCCH são transmitidos numa derivação:

• DPDCH em I,

• DPCCH em Q. Em Downlink, os canais DPCCH e DPCCH são multiplexados por tempo e depois transmitidos em conjunto em I e Q após desmultiplexagem:

• DPDCH/DPCCH em I e Q.


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4.3.8 Canais Lógicos

Os canais lógicos são:

• Canal de controlo de difusão (BCCH - Broadcast Control Channel), que suporta o sistema e informação específica sobre as células,

• Canal de controlo de paging (PCH - Paging Control Channel), utilizado para as mensagens móveis para as áreas de paging,

• Canal de controlo dedicado (DCCH - Dedicated Control Channel), que garante uma ligação ponto-a-ponto bidireccional de informação entre o UE e a rede,

• Canal de controlo comum (CCCH - Common Control Channel ) que garante uma ligação bidireccional entre a rede e vários UEs,

• Canal de tráfego dedicado (DTCH - Dedicated Traffic Channel) que garante uma ligação ponto-a-ponto dedicada com um UE,

• Canal de tráfego comum (CTCH - Common Traffic Channel) que garante uma ligação ponto-multiponto de sentido único para a transferência de informação de rede a vários UEs.

Figura 146 – Mapeamento entre os canais lógicos e os canis de transporte


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4.3.9 Canais de Transporte

Os canais de transporte definem como e com que tipo de características os dados irão ser transmitidos pelos canais físicos. Dividem-se em duas categorias: canais dedicados e canais comuns, podendo estes últimos ser partilhados entre vários utilizadores. Estes canais são definidos pelas suas características de transmissão:

4.3.9.1 Dedicados/comuns

• Em Uplink/descendente,

• Utilização do controlo da potência, ou não,

• Emissão na célula toda ou numa parte,

• Qualidade (taxa de erro de bits, taxa de eliminação de tramas (atraso na transmissão),

• Taxas autorizadas. Canais de Transporte Dedicados Só existe um tipo de canal dedicado na versão R99: o DCH (canal dedicado). Transporta toda a informação vinda das camadas superiores, para um determinado utilizador, incluindo os dados para o serviço em utilização (tramas de voz, por exemplo), e a informação de controlo para as camadas superiores (pedidos para handover ou relatórios de medição, por exemplo). Os conteúdos da informação transportada não são visíveis a partir da camada física. Este canal suporta o handover suave. Entre as suas características, encontram-se: controlo rápido da potência, alteração rápida da taxa (trama a trama), a possibilidade de transmissão em parte da célula ou na célula inteira com um sistema de antena adaptativo……. Na versão de 2000, outro canal dedicado irá aparecer em FDD: o FAUSCH (Fast Uplink Signalling CHannel). Irá transportar informação de controlo proveniente de um terminal (UE). Será utilizado para atribuir os canais dedicados (em associação com o FACH).


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• O RACH (canal de acesso aleatório) Este é um canal de transporte de Uplink, utilizado para transportar informação do terminal, por exemplo, um pedido para estabelecer uma ligação. Também pode ser utilizado para enviar pequenas quantidades de dados de pacote do terminal para a rede. Para funcionar correctamente, o RACH deve ser capaz de ser tocado a partir de qualquer lugar dentro da célula, o que significa que o débito de fluxo real deve ser fraco, pelo menos para o acesso inicial ao sistema e para outros procedimentos de controlo. Este canal é essencial no caso de uma operação básica ao nível da rede.

• O CPCH (canal comum de pacote - Common Packet CHannel)

Este canal comum em Uplink é uma extensão do RACH para transportar dados do utilizador em modo de pacote. As principais diferenças em relação ao RACH são a utilização de controlo rápido da potência, um mecanismo para a detecção de colisões baseado na camada física e um procedimento de vigilância do status do CPCH. Está associado a um canal dedicado em Downlink, que fornece controlo da potência e comandos de controlo para o CPCH em Uplink. A sua utilização é opcional e pode ser decidida pela rede.

• O DSCH (canal partilhado em Downlink - Downlink Shared CHannel) Este é um canal de transporte, que permite o transporte de dados do utilizador e/ou de informação de controlo dedicada. Pode ser partilhado por vários utilizadores. Em vários aspectos, assemelha-se ao FACH, mas o DSCH suporta a utilização de controlo rápido da potência, bem como um fluxo variável. Não precisa de ser recebido em qualquer ponto da célula (podendo, no entanto, ser transmitido em toda a célula) e pode utilizar diferentes métodos de diversidade transmitida, utilizados com o DCH associado em Downlink. O DSCH está associado a um (o mais frequente) ou a vários DCH. A sua utilização é opcional e pode ser decidida pela rede. Contrariamente aos canais lógicos, os DSCH não se caracterizam pelos conteúdos respectivos (sinalização, tráfego). A tabela seguinte descreve os vários tipos de canais válidos para o TDD e o FDD.


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Carries control information when the DSCH is not associated with DCH

Common; downlinkDSCH control channel

Carries dedicated user data and control information using a shared channel

Common; downlinkDSCH (Downlink shared channel)

Control information or short user packets from an UE

Common; uplinkRACH (Random Acceschannel)

Control information to UEs when good sleep mode properties are needed,

e.g. idle mode operation

Common; downlinkPCH (Paging channel)

Control information when system knows UE location or short user packets to

a UE

Common; downlinkFACH (Forward Access channel)

Broadcast system and cell specific information

Common; downlinkBCH (Broadcast channel)

User or control information to a UE (entire cell or part of cell (lobe-

forming))

Dedicated; uplink and downlink

DCH (Dedicated channel)

Used forType and directionTransport channel

Figura 148 – Canais de transporte para TDD e FDD

Figura 149 – Relação entre os canais de transporte e os canais físicos


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5 Algoritmos de Rádio em UMTS O desenvolvimento em 3GPP foi rápido, na sequência da sua configuração em Dezembro de 1998. O primeiro conjunto de especificações 3G foi concluído e aprovado no início de 2000 (conhecido como Rel. 99). O conjunto seguinte surgiu no início de 2001 (conhecido como Rel.4) e seguiram-se versões de especificação subsequentes que trouxeram mais capacidades e funcionalidades ao UMTS. Actualmente (finais de 2008), estão a ser iniciados trabalhos na Rel.9. As primeiras redes UMTS foram lançadas em 2001 (a principal no Japão), seguindo-se-lhes muitas outras pouco tempo depois. Algumas melhorias posteriores ao padrão GSM também foram incluídas nessas versões.


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5.1 Controlo da Potência

O controlo da potência é, talvez o aspecto mais significante do WCDMA, em particular na Uplink. Sem ele, um único telemóvel individual com demasiada potência poderia bloquear uma célula inteira. O esquema seguinte descreve o problema e a respectiva solução, sob a forma de controlo da potência de transmissão em loop fechado. Os UE1 e UE2 operam na mesma frequência, sendo diferenciaods pelo NB através do códigos de spreading. É possível que o UE1 no limite da célula sofra uma perda, devido ao percurso de 70 dB, mais que o UE2, que está perto do NB. Se não existissem mecanismos que permitem controlar a potência do UE1 e do UE2 no mesmo nível que no NB, o UE2 poderia cobrir o UE1 sem quaisquer problemas e, deste modo, bloquear a maior parte da célula. A estratégia óptima para maximizar a capacidade é equalizar sempre a potência recebida, por bits, de todos os telemóveis. Se fosse possível conceber mecanismos de controlo da potência em loop aberto, que fizessem uma estimativa aproximada da perda devido ao percurso, por meio de um sinal de difusão em Downlink, neste caso, um método desse género seria demasiado vago. A primeira razão para tal é que o desvanecimento rápido está principalmente correlacionado entre a Uplink e a Downlink, devido a uma significativa separação em frequência entre a Uplink e a Downlink do modo FDD do WCDMA. O controlo de potência em loop aberto é, no entanto, utilizado em WCDMA, mas apenas para permitir uma instalação inicial preliminar da estação móvel, quando o telemóvel está ligado. Em controlo da potência em loop fechado em Uplink, a estação de base efectua estimativas frequentes do SIR recebido e compara-o com o destino SIR. Se o SIR medido for superior ao destino SIR, a estação de base irá mandar o telemóvel reduzir a sua potência; se a potência for demasiado baixa, irá ordenar ao telemóvel que a aumente. Esse ciclo de medição-ordem-reacção é efectuado a uma frequência de 1500 vezes por segundo (1,5 kHz) para cada telemóvel e impede qualquer desequilíbrio entre os sinais de Uplink recebidos na estação de base.


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Figura 150 - Closed loop power control no CDMA

O mesmo controlo da potência em loop fechado está implementado em Downlink, embora a motivação seja diferente: na Downlink, não existe um problema de proximidade/distância. Todos os sinais no interior de uma célula têm origem numa estação de base. No entanto, é preferível fornecer um suplemento de potência aos telemóveis dentro do limite da célula, uma vez que sofrem interferências de outras células. É assim que o controlo da potência em loop fechado em Uplink funciona num canal em desvanecimento a baixa velocidade: o controlo da potência ordena ao telemóvel que utilize uma potência transmitida proporcional ao oposto da potência recebida (SIR). Desde que o telemóvel tenha margem suficiente para aumentar a potência, restará muito pouco desvanecimento. Embora esta eliminação de desvanecimento seja extremamente desejável do ponto de vista do receptor, a potência média transmitida aumenta no fim da transmissão. Isto significa que o telemóvel sofre um desvanecimento significante, ou seja, a utilização de uma forte potência de transmissão irá provocar uma interferência acrescida às outras células.


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Também é necessário referir um loop de controlo relacionado: o controlo da potência em loop externo. O controlo da potência em loop externo ajusta o destino SIR à estação de base, de acordo com as necessidades da ligação de rádio e pretende manter a qualidade constante, normalmente definida como uma taxa binária de erro de destino (BER) ou taxa de erro por trama ( FER - Frame Error Rate). Porque haveria de ser necessário modificar o destino SIR? O SIR necessário para, por exemplo, uma FER de 1%, depende da velocidade do telemóvel e do perfil de multipercurso. Se o pior destino SIR possível fosse definido agora, por exemplo, para telemóveis de velocidade muito alta, perder-se-ia uma enorme quantidade de capacidade para as mesmas ligações a velocidades baixas. Deste modo, a melhor estratégia é permitir que o destino SIR ronde um valor mínimo que corresponda apenas à qualidade necessária. O setpoint de destino SIR altera-se com o decorrer do tempo, conforme podemos ver no gráfico da figura anterior, quando a velocidade e o ambiente de propagação mudam.

Figura 151 –Outer loop power control


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O controlo em loop externo é implementado do seguinte modo: a estação de base marca cada trama de dados do utilizador em Uplink com um indicador de fiabilidade da trama. Se o indicador de qualidade da trama anunciar ao controlador de rede de rádio (RNC) que a qualidade de transmissão está a diminuir, o RNC irá, por sua vez, ordenar à estação de base que aumente o destino SIR. A razão para que o controlo em loop externo seja efectuado no RNC é que esta função deve poder ser executada após um handover suave.

Figura 152 - Closed loop power control (UL&DL) com supervisão do RNC


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5.2 Detalhes da ligação à rede UMTS

Quando um telemóvel acabou de ser ligado, começa por procurar rede. No espectro que lhe está acessível, procura o SCH primário. Como é provável que receba vários SCHs, o telemóvel escolhe aquele que está a receber com mais clareza, e esse SCH torna-se o principal canal de sincronização. Inicialmente, o telemóvel utiliza o SCH primário para adquirir sincronização na camada de slots. De facto, visto o código primário do SCH primário ser idêntico em cada slot, o telemóvel efectua a correlação entre o código de sincronização primário que conhece e o sinal que recebe. Quando o produto de correlação num código ou em vários códigos consecutivos é suficiente, o telemóvel considera ter adquirido sincronização. O maior senão dessa detecção é a probabilidade de falsa detecção. Então, pelo código secundário do SCH secundário, o telemóvel determina a que grupo de códigos de scrambling a célula pertence. Esta operação permite passar de 512 possíveis códigos de scrambling para 16. Ao correlacionar com os códigos de scrambling do grupo no canal BCCH, o telemóvel determina o código de scrambling exacto da célula.

5.2.1 Acesso Aleatório

O acesso aleatório torna possível a um telemóvel solicitar acesso à rede de rádio. Este procedimento tem várias etapas, a primeira das quais é a sincronização do telemóvel com a estação de base. Para isso, o telemóvel efectua os seguintes passos:

• Leitura do BCCH, incluindo detecção: De códigos OVCF e scrambling dos preâmbulos utilizados na célula, Das assinaturas disponíveis, Dos slots de acesso disponíveis, Dos factores de spreading disponíveis para a parte da mensagem, Do nível de interferência na camada do NB,


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• A escolha de um código OVSF e de um código de scrambling para o preâmbulo,

A escolha do factor de scrambling para a parte da mensagem, O controlo da potência para o canal RACH, A escolha aleatória de um slot de acesso, bem como de uma assinatura, A emissão de uma rajada de acesso,

Após a emissão desta primeira rajada de acesso, o telemóvel aguarda uma confirmação de recepção da estação de base. Se, após um determinado período de tempo, o telemóvel não receber qualquer confirmação de recepção, envia outra rajada de acesso. Quanto o telemóvel receber uma confirmação de recepção correspondente, o procedimento de acesso termina e a estação de base pode enviar a informação necessária ao telemóvel por meio do canal FACH.

frequency

time

10 ms frame

4.4-5.0 MHz

Multiplexed Variable rate users

Power

Figura 153 – Acesso Aleatório


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5.3 Princípios de Handover no UMTS

No vocabulário do UMTS, um handover é o procedimento de criação e lançamento de uma ou mais unidades de recursos de rádio, concebido para manter a ligação de rádio ao atravessar o limite de uma célula ou um sector. O handover também pode ser utilizado para optimizar o volume de tráfego ou a qualidade das comunicações na rede. Um handover pode ser efectuado sem ser notado (o ideal), mas depende do tempo utilizável entre o momento em que o terminal móvel se torna acessível à nova célula e o momento em que se torna inacessível à célula antiga. Deste modo, se esse tempo for suficientemente significativo, a transmissão com a célula antiga pode ser retardada sem qualquer problema. Presume-se que a rede tem tempo suficiente para comutar da célula antiga para a nova, sem perda de dados. Se um terminal móvel desaparecer abruptamente da zona de cobertura da célula antiga, os dados em trânsito na ligação física anterior podem ser:

• Colocados numa memória intermédia pela célula antiga e transferidos para a nova. A transmissão pode começar novamente a partir de um ponto preciso.

• Ou perdidos. Terão de ser retransmitidos posteriormente. É aqui feita referência a serviços em tempo não real (tempos diferidos).


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5.3.1 Detecção de handover

Supervisão da qualidade da ligação As seguintes etapas devem ser seguidas antes de se iniciar um procedimento de execução de handover: 1. Medições, 2. Processamento de medições/monitorização de qualidade, 3. Mecanismo/lançamento de handover, ou não, decisão (de acordo com os

resultados dos algoritmos associados, está prevista a execução de um handover ou de um procedimento de macrodiversidade),

4. Selecção de portadora para o handover, 5. Execução do handover (de acordo com o protocolo de sinalização).

Cell 1

Connected

Add Cell 2 Drop Cell 1

Add Cell 3

time

Drop Cell 3

Eb / N0

Cell 1

T_DROP

Cell 2

Cell 3

T_ADD

∆t ∆t ∆t

T_DROP

Figura 154 – Detecção de Handover


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5.3.2 Razões para falhas de handover

Existem várias razões para falhas de handover

• Nenhum canal disponível na célula seleccionada.

• Handover recusado pela rede, devido a falta de recursos ou porque a estação móvel excedeu o número de handovers que tem o direito de efectuar durante um determinado período.

• A execução do handover, após a sua inicialização, é demasiado longa para a rede.

• Problema encontrado com a ligação de destino durante a execução do handover.

• Bloqueio de recursos.

5.3.3 Indicadores de Desempenho

Indicadores de qualidade da ligação:

• Média em Downlink de Ec/lo para uma determinada carga,

• Média em Uplink de Ec/lo para uma determinada carga. Indicadores de boa distribuição de recursos:

• Um número esperado de células que fazem parte do conjunto activo (uma medição do uso dos recursos do sistema),

• Um número esperado de modificações no conjunto activo (uma medição da carga em rede)

5.3.4 Teletráfego e medição do desempenho

Para além dos parâmetros já mencionados, relacionados acima de tudo com o handover suave, a métrica do desempenho para avaliar os algoritmos de handover é, no geral:

• Tráfego transportado: número de canais esperados que ocupam cada célula,

• Probabilidade de bloqueio de nova chamada: probabilidade de uma nova chamada ser bloqueada,

• Probabilidade de bloqueio de handover: probabilidade de um handover ser bloqueado

• Probabilidade de handover,


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• Probabilidade de queda de chamada: probabilidade de uma chamada ser cortada devido a uma falha de handover; deriva da probabilidade de bloqueio de handover e da probabilidade de handover,

• Probabilidade de um handover desnecessário

• Taxa de handover,

• Atraso: distânciacoberta pelo telemóvel entre o momento em que o handover deve ser efectuadoe o momento da execução.

. PM Tool

Management Marketing NetworkOptimization

NetworkPlanning

CustomerCare

RNC RNC

Radio Commander

Drive Tests

ManagementOperator’sManagement

Marketing Operator’sMarketing

NetworkOptimizationOptimizationDepartment

NetworkOperationNetwork

Operation

NetworkPlanningPlanningDepartment

CustomerCare

End CustomerCare Center

RNC RNC

NEMS

Drive Tests

Radio Commander

PM Tool

Subscriber

Figura 155 – Desempenho de medidas


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5.3.5 Vários tipos de handover (UMTS)

Desde o início das especificações, recomendava-se a consideração de uma colaboração UMTS-GSM, de modo a garantir a perenidade de sistemas 2G fortemente implementados. É, assim, necessário considerar a possibilidade de executar handovers intra-UMTS e handovers entre UMTS e GSM. Deste modo, prevêem-se dois tipos de handover:

• Handover UTRA/UTRA,

• Handover UTRA/GSM. Handover s previstos Para o UTRA, existem vários tipos de handover:

• O handover suave (para o modo FDD, discutido no resto do parágrafo),

• Handover mais suave (salto de sector dentro do mesmo nó),

• Handover rígido (handover utilizado em GSM/GPRS, ou para o modo TDD). Nota: foram criadas alternativas derivadas destes tipos: suave mais suave (soft-softer), mais suave suave (softer-soft)...


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De um modo geral, em comunicações móveis, as características do ambiente criam condições para a execução de handover. Neste caso, as ligações de transmissão físicas são simplesmente comutadas de uma célula para outra, o que implica uma breve interrupção da ligação. No momento dessa interrupção, podem ser perdidos dados. É aqui que entra a necessidade de encontrar técnicas especiais que permitam reduzir essas perdas. Uma técnica é fazer a rede construir antecipadamente o "novo percurso" antecipadamente, de modo a que a interrupção seja tão breve quanto possível. A comutação para o novo percurso e o reencaminhamento da informação são, então, efectuados em simultâneo. São necessárias condições rigorosas de sincronização para que o handover rígido satisfaça a qualidade de serviço (QoS) exigida pelos aspectos de temporização, em particular a qualidade de voz (perturbação temporária). Para os serviços de dados sem restrições de tempo, o handover rígido pode ser aplicado em combinação com retransmissões. O seguinte esquema mostra a diferença entre o handover rígido utilizado em GSM (linhas pontilhadas) e o handover suave (linha contínua).

Figura 156 – Comparação entre o GSM e o UMTS para macrodiversidade


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Handover mais suave Durante um handover mais suave, o UE encontra-se na zona de recuperação de dois sectores adjacentes do mesmoNB. As comunicações entre o telemóvel e o NB têm lugar competitivamente em dois canais da interface ar, para cada sector. Isto requer a utilização de dois códigos distintos na direcção de Downlink, de modo a que o telemóvel possa distinguir os sinais. Os dois sinais são recebidos pelo telemóvel através de um RAKE de processamento, muito semelhante ao processamento multipercurso, excepto na medida em que os dedos devem gerar os respectivos códigos de cada sector para a operação de despreading apropriada. Na direcção de Uplink, verifica-se um processo semelhante no NB: o código de canal do telemóvel é recebido em cada sector e depois encaminhado para o mesmo receptor RAKE numa banda básica. Durante o handover mais suave apenas um loop de controlo da potência está activo por ligação. O handover mais suave ocorre em 5 a 15% das ligações.

Figura 157 - Soft handover


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Vantagens do handover suave

• Contribuição para o controlo da potência necessário para o sistema CDMA,

• Eliminação do efeito "ping pong" notado no handover rígido, o que implica: Uma redução na carga em rede, devido à redução de sinalização do handover, O utilizador não repara nos "cliques" que acompanham a breve interrupção na transmissão de voz (handover rígido).

• A margem de histerese não é utilizada (mas é-o no caso do handover rígido). Assim, o atraso verificado com o handover rígido diminui e a interferência, associada a handovers com histerese, é evitada,

• Existem menos restrições de tempo na rede. Podem existir tempos de espera médios superiores antes da atribuição de um novo canal de célula de destino. Deste modo, a probabilidade de chamadas perdidas ou de bloqueio é reduzida.

Desvantagens do handover suave

• Utilização de recursos de rádio adicionais.

• O handover suave é mais complexo.

• A interferência nas ligações descendentes aumenta durante a execução do handover suave (efeito noutros utilizadores).

O princípio de handover suave cria um compromisso entre dois aspectos relacionados com as dimensões das células:

• Permite aumentar o tamanho da célula inicial porque, ao combinar duas ligações degradadas, consegue gerar uma ligação de qualidade para o telemóvel,

• implica um maior consumo da capacidade dos recursos de rádio disponíveis em cada célula envolvida no procedimento de handover suave do aquele que seria necessário para uma comunicação normal.


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5.4 Handover de UTRAN para GSM

Na especificação actual, é tida em conta a possibilidade de executar handovers entre o UMTS e o GSM. Para que tal seja possível, é necessário que o telemóvel efectue algumas medições na banda GSM. Para permitir que o telemóvel ouça o canal de difusão (canal BCCH) da rede GSM vizinha, a transmissão na direcção de Downlink é interrompida por alguns ms. Esta interrupção caracteriza o modo compartimentado (slotted) do modo FDD (para o modo TDD, não é necessário devido à natureza descontínua da transmissão). No modo comprimido, é utilizado um formato diferente para os slots. Existem duas possibilidades: A e B. O segundo auxilia o modo comprimido através de uma redução do factor de spreading, enquanto o primeiro é utilizado para todos os outros métodos, permitindo reduzir o tempo de transmissão. Com referência à diversidade de transmissão, o modo pode ser utilizado num loop aberto (STTD) ou num loop fechado. No primeiro caso, o número de bits para o piloto pode assumir vários valores:

• 2: os bits piloto são codificados pelo método STTD, com os últimos dois bits do segundo campo de dados (Data2) do slot.

• 4: os primeiros doisbits piloto são codificados pelo método STTD, com os últimos dois do piloto.

• 8, 16: os bits piloto são agrupados dois a dois (os primeiros dois, depois os seguintes….). Cada grupo forma um símbolo. No primeiro caso, existem 4 símbolos e no segundo existem 8. Os símbolos de pares estão codificados com os símbolos ímpares pelo método STTD. Estes são ortogonais entre si.

No segundo caso, os bits piloto são transmitidos de acordo com o modo 1 (são utilizados dois tipos diferentes de bits piloto por ambas as antenas), ou com o modo 2 (os mesmos bits piloto são transferidos por ambas as antenas).


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Transmission Gap (TG) for inter-frequency measureme ntsTransmission Time Interval (TTI)

Spreading Factor Reduction (SF/2)

Higher Layer Scheduling (HLS)PS

CS

Figura 158 – Principio do modo comprimido


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5.5 Handover de UMTS para GSM

Na eventualidade de um ambiente intersistemas, ou seja, na proximidade de células GSM e células do UTRAN, o UTRAN transmite uma lista de células GSM próximas para o telemóvel (é suposto o telemóvel ser dual mode UMTS/GSM). Com base nas medições feitas por esse telemóvel, o RNC pode decidir efectuar um handover para uma célula GSM. Uma vez tomada esta decisão, o RNC envia o sinal da célula de destino, numa mensagem Hard_handover_Required para o MSC. O MSC, conhecendo a configuração completa das células dependentes de cada BSC a ele ligado, pode transferir, tal como com o GSM, o pedido de handover para o BSC de destino. Este BSC cria um novo canal na célula de destino e prepara uma mensagem handover_Command, que é transferida para o UE de modo contínuo, através do RNC. Assim que a execução de handover é concluída com êxito, os recursos dependentes da origem RNC são libertados. Handover GSM para UMTS Pode ser necessário um handover do sistema GSM para o UMTS por motivos de cobertura de rádio e de serviço (este último ponto ainda não foi clarificado). Num ambiente intersistemas, o BSC difunde uma lista de células UMTS vizinhas na mensagem System_Information. O telemóvel dual mode UMTS/GSM efectua assim medições nessas células UMTS. Com base nestas medições, o BSC decide se efectua ou não um handover para uma célula UMTS. Neste caso, o BSC envia uma mensagem handover_Required com uma lista de células para o MSC. O MSC não pode determinar o site das células UMTS necessárias apenas com base na sinalização da identidade das células. A fonte BSC deve, pelo menos, identificar uma célula UMTS pelo seu identificador RNC e pelo seu identificador de célula, de modo a que o MSC saiba a que RNC deve enviar a mensagem Hard_handover_Request. Ao receber a mensagem, o RNC efectua a activação de um canal na célula solicitada e prepara o handover_Command, que é enviado de modo contínuo para o telemóvel pelo BSC. Após a execução (com êxito) do handover, os recursos na fonte BSC são libertados.


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A

C

B

HO quality measure [dB]

TimeReplace A

by CReplace C

by AReplace A

by B

Replace hysteresis

Figura 159 - Handover


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6 Sequências de Chamadas Nos próximos esquemas serão apresentadas as seguintes sequências:

• Chamada originada na estação móvel (MOC - Mobile Originated Call)

• Chamada terminada na estação móvel (MTC - Mobile Terminated Call)

• Activação do contexto PDP (Packet Data Protocol)

• Actualização da área de localização (LA - Location Area)

• Actualização da área de encaminhamento (RA - Routing Area)


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6.1 MOC (Chamada Originada na Estação Móvel - Mobile Originated Call)

No início, o UE está no modo inactivo RRC. Na UTRAN, não é armazenada qualquer informação sobre a localização do UE. Só a CN (servidor SGSN & MSC) contém informação sobre a localização do UE. Agora é iniciada uma chamada de voz pelo UE:

• É estabelecida uma ligação RRC. O UE muda de RRC inactivo para o modo RRC ligado.

• Estabelecimento de Ligação de Sinalização NAS: os procedimentos RRC & RANAP "DT inicial" e "Mensagem UE inicial" são transmitidos em UL do UE, mediante RNC para o servidor MSC, para estabelecer uma ligação de sinalização NAS.

• Funções de segurança: a autenticação é efectuada entre o UE e o servidor MSC, utilizando os procedimentos RANAP e RRC "Transferência Directa". Além disso, a verificação da encriptação e da integridade é iniciada utilizando os procedimentos RANAP "Comando de modo de segurança" e "Modo de segurança completo" e os procedimentos RRC "Comando de modo de encriptação" e "Modo de encriptação completo".

• A mensagem de configuração é transmitida de modo transparente a partir do servidor MSC, via S-RNC para o UE, utilizando os procedimentos RANAP/RRC "DT" respectivamente "DL DT".

• O servidor MSC verifica a autorização do utilizador para desempenhar o serviço solicitado e confirma a continuação do serviço solicitado ao UE. Aqui, as mensagens RANAP/RRC "DT" e "DL DT" são utilizadas para transmitir a "mensagem Chamada em progresso" (Call Proceeding Message).

• O servidor MSC ordena ao MGW que prepare um suporte para o S-RNC. Os procedimentos CBC "ADD.request" e "ADD.response" são trocados via interface Mc entre o servidor MSC e o MGW.

• O servidor MSC ordena ao S-RNC que prepare os recursos RAB na UTRAN e para CN e os recursos de suporte de rádio na interface ar para o UE, utilizando o comando RANAP "Pedido de atribuição RAB" (RAB Assignment Request). O pedido de atribuição RAB contém todos os dados necessários para preparar o suporte para o MGW.


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• Criação de RAB (RAB Establishment): o S-RNC prepara o RAB utilizando diferentes procedimentos NBAB, RRC, ALCAP e RANAP.

• Parte da criação de RAB é a sincronização do lu(CS) entre o S-RNC e o MGW de lu(CS), utilizando os procedimentos ALCAP "Pedido de criação" e "Confirmação de criação".

• O S-RNC informa o servidor MSC sobre a criação de RAB, por meio do procedimento RANAP "Resposta de atribuição RAB" (RAB Assignment Response).

• O servidor MSC ordena ao MGW, por meio da interface Mc, que prepare um suporte para o MGW seguinte. O servidor MSC e o MGW estão a trocar os procedimentos CBC "ADD.pedido" e "ADD.resposta".

• O servidor MSC já consegue contactar o servidor MSC seguinte, por meio da interface Nc, enviando o procedimento BICC "Mensagem de endereço inicial" (IAM - Initial Address Message). Esta mensagem contém toda a informação necessária sobre o suporte a preparar.

• Isto leva o próximo servidor MSC a iniciar a configuração do suporte no sentido inverso. Ordena ao MGW seguinte que prepare um suporte para o MGW inicial/em serviço. Os procedimentos CBC "ADD.pedido" e "ADD.resposta" são trocados via interface Mc entre o servidor MSC e o MGW.

• O MGW seguinte está a estabelecer/sincronizar a ligação directa ao MGW inicial/de serviço mediante a interface Nb. Por isso, os MGWs estão a utilizar os procedimentos AAL2L3/ALCAP "Pedido de criação" e "Confirmação de criação". Agora, o segundo segmento do suporte está pronto.

• O processo deve ser continuado até o suporte ponta-a-ponta estar preparado.

• Quando todo o percurso de transporte estiver criado, o procedimento BICC "Mensagem de endereço completo (Address Complete Message)" é enviado mediante a interface Nc para um servidor MSC de serviço.

• A mensagem ACM é convertida na mensagem ALERTA (ALERTING) e transmitida a partir do servidor MSC via S-RNC para o UE, utilizando os procedimentos RANAP/RRC "DT" e "DL DT".

• Quando a chamada é atendida pelo assinante B, o procedimento BICC Mensagem de resposta ANM (Answer Message) é transmitido do servidor MSC para o servidor MSC, mediante a interface Nc.


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UE CNRNC

Service Request

Security Mode Command

Setup Message

Service Request

Authentication RequestAuthentication Request

NodeB

Authentication ResponseAuthentication Response

Security Mode Command

Security Mode CompleteSecurity Mode Complete

Setup Message

Call ProceedingCall Proceeding

Continues on next Page

Figura 160 - MOCl 1


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UE CNRNC

Alerting

Connect Acknowledge

Radio Bearer Setup

NodeB

Radio Bearer Setup Complete

RAB Assignment Response

Alerting

Connect Acknowledge

Connect

RAB Assignment RequestRadio Link Reconfig. Prepare

Radio Link Reconfig. Ready

Radio Link Reconfig. Commit

Connect

Figura 161 –MOC 2


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6.2 Mobile Terminated Call (MTC)

No início, o UE está no modo inactivo RRC. Na UTRAN, não é armazenada qualquer informação sobre a localização do UE. Só a CN contém informação sobre a localização do UE. O MSC foi informado para configurar uma chamada para o UE.

• “Paging”: O procedimento RANAP é enviado do MSC para o RNC, para o pedido de serviço de terminação UE (UE terminating service request). Contém, por exemplo, o indicador de domínio CN, o IMSI (para coordenação de paging), TMSI, área de paging (LAI) e Motivo de paging (transferido de modo transparente para o UE). Se a área de paging não estiver incluída, o UE é contactado através de paging em toda a área RNC.

• “Paging”: O procedimento RRC é difundido em todas as células da área de paging para solicitar ao UE que entre em contacto com a rede.

• É estabelecida uma ligação RRC. O UE muda do RRC inactivo para o modo RRC ligado.

• "DT inicial" & "Mensagem UE inicial": os procedimentos RRC & RANAP são transmitidos em UL para estabelecer uma ligação de sinalização NAS como resposta no paging RANAP.

• A autenticação é efectuada utilizando os procedimentos RANAP e RRC "Transferência Directa".

• A encriptação dos dados do utilizador e a informação de controlo, bem como a verificação de integridade são iniciadas utilizando os procedimentos RANAP "Comando de modo de segurança" e "Modo de segurança completo" e procedimentos RRC "Comando modo de encriptação" e "Modo de encriptação completo".

• “DT” e “DL DT”: A informação de configuração é transmitida de modo transparente do MSC para o UE.

• “Pedido de atribuição RAB" (RAB Assignment Request): a CN inicia o estabelecimento com esta mensagem RANAP, incluindo os parâmetros RAB.

• “Reconfiguração RL Preparar" (RL Reconfiguration Prepare): O S-RNC prepara o nó B para reservar os recursos necessários para a nova configuração de RLs de acordo com os parâmetros indicados nesta mensagem NBAP. A mensagem contém TFS & TFCS, códigos & TS (apenas TDD).

• 18) “Reconfiguração RL concluída” (RL Reconfiguration Ready): Com esta mensagem NBAP, o nó B informa o S-RNC de que atribuiu os recursos necessários e que está preparado para a transmissão de dados.

• O suporte de dados Iub é configurado utilizando o protocolo ALCAP e sincroniza o S-RNC e o nó B.


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• “Reconfiguração RL Consolidar” (RL Reconfiguration Commit): O nó B recebe instruções para comutar a nova configuração para RLs preparados previamente.

• “Configuração de suporte de rádio concluída” (Radio Bearer Setup Complete): O UE confirma a informação da configuração de suporte de rádio com este procedimento RRC para o S-RNC.

• “Resposta de atribuição RAB” (RAB Assignment Response): o S-RNC confirma agora o tópico 16). Indica a criação com êxito do RAB solicitado ou que o RAB foi colocado em fila de espera. Para um RAB em fila de espera, a UTRAN indica individualmente o resultado da colocação em fila de espera, numa mensagem "Resposta de atribuição RAB" subsequente. (Observação: “Pedido de atribuição RAB" é uma mensagem EP classe 3).

• “UL DT” e “DT”: os procedimentos RRC e RANAP DT são utilizados para transmitir a mensagem NAS “Alerta” de UE para MSC. Indica que o telefone UMTS está a tocar.

• “UL DT” e “DT”: os procedimentos RRC e RANAP DT são utilizados para transmitir a mensagem NAS “Ligar” de UE para MSC. Indica que o UE está agora preparado para a transmissão de dados do utilizador.

• “DT” e “DL DT”: os procedimentos RANAP e RRC DT são utilizados para transmitir a mensagem NAS “Confirmação de ligação” (Connect Ack) de MSC para UE. Confirma a recepção da mensagem de ligação e indica que, a partir desse momento, serão trocados dados do utilizador.


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UE CNNodeB

Connection Setup [S-CCPCH/FACH/CCCH]

RNC

Synch Indication

Connection Setup Complete [DCCH/DCH1/UL DPDCH

Initial UE Message

PagingPaging Type 1 [PCCH/PCH/S-CCPCH]

PRACH: Preamble

AICH

Connection Request [CCCH/RACH/PRACH]

Radio Link Setup

Radio Link Setup Response

Initial Direct Transfer [DCCH/DCH1/UL DPDCH

NAS PROCEDURES

Continues on next Page

Figura 162 -MTC 1


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UE CNNodeB RNC

RAB Asssignment Response

RAB Assignment RequestRL Reconfig. Prepare

RL Reconfig. Commit

RL Reconfig. Ready

Radio Bearer Setup [DCCH/DCH1/DPDCH

Radio Bearer Setup Complete [DCCH/DCH1/DPDCH

Connection Established

Figura 163 - MTC 2

6.3 Activação do Contexto PDP

Um contexto de Protocolo de Dados de Pacote (PDP - Packet Data Protocol) oferece uma ligação de dados de pacote pela qual o UE e a rede podem trocar pacotes IP. A utilização dessas ligações de dados de pacote é limitada a serviços específicos. Esses serviços podem ser acedidos mediante os denominados pontos de acesso. O contexto de protocolo de dados de pacote é um dos conceitos mais importantes para a arquitectura de dados de pacote UMTS. O contexto PDP tem um registo de parâmetros que consiste em toda a informação necessária para estabelecer uma ligação ponta-a-ponta:

• Tipo PDP

• Tipo de endereço PDP

• Pedido de perfil QoS (parâmetros QoS solicitados pelo utilizador)

• Perfil QoS negociado (parâmetros QoS negociados pela rede)

• Tipo de autenticação (PAP ou CHAP)

• Tipo de DNS (DNS dinâmico ou DNS estático) O contexto PDP foi concebido principalmente com dois objectivos para o terminal.


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• Em primeiro lugar, o contexto PDP foi concebido para atribuir um endereço de protocolo de dados de pacote (PDP), tipo de endereço versão IP 4 ou versão IP 6, para o terminal móvel.

• Em segundo lugar, é utilizado para efectuar uma ligação lógica com perfis QoS, o conjunto de atributos QoS negociados para e utilizados por um contexto PDP, através da rede UMTS.

UE GGSNRNC

[DCH] Activate PDP Context Request

RAB Assignment Request

RAB Setup

[DCH] Activate PDP Context Accept

SGSN

RAB Assignment Complete

Create PDP Context Request

Create PDP Context Response

Security procedures

Figura 164 - PDP Context


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6.4 Location Area (LA)

Uma rede GSM ou UMTS, como todas as redes celulares, é uma rede rádio de células individuais conhecidas como estações de base. Cada estação de base cobre uma pequena área geográfica que é parte de uma área de localização identificada de modo único. Ao integrar a cobertura de cada uma destas estações de base, uma rede celular oferece uma cobertura de rádio numa área muito maior. Um grupo de estações de base é denominado área de localização ou área de encaminhamento. O procedimento de actualização da localização permite a um dispositivo móvel informar a rede celular, sempre que se desloca de uma área de localização para a seguinte. Os telemóveis são responsáveis por detectar códigos de área de localização. Quando um telemóvel descobre que o código da área de localização é diferente da sua última actualização, executa outra actualização, enviando para a rede um pedido de actualização da localização, juntamente com a sua localização prévia e a respectiva identidade temporária (TMSI). Existem várias razões, pelas quais um telemóvel pode fornecer à rede informação actualizada sobre a localização. Sempre que um telemóvel estiver ligado ou desligado, a rede pode solicitar-lhe que efectue um procedimento de actualização de localização de anexação de IMSI (IMSI attach) ou desanexação de IMSI (IMSI detach). Além disso, cada telemóvel deve reportar regularmente a sua localização num intervalo de tempo definido, utilizando um procedimento periódico de actualização de localização. Sempre que um telemóvel se desloca de uma área de localização para a seguinte sem ser durante uma chamada, é necessária uma actualização de localização aleatória. O mesmo se exige a um telemóvel estacionário que selecciona novamente a cobertura de uma célula numa área de localização diferente, devido a desvanecimento do sinal. Deste modo, um assinante tem acesso fiável à rede e pode ser alcançado com uma chamada, desfrutando simultaneamente da liberdade de mobilidade dentro da área total de cobertura. Quando um assinante é contactado, numa tentativa de entrega de chamada ou SMS e o assinante não responde a esse contacto, o assinante é marcado como ausente tanto no MSC/VLR como no HLR (é definido o sinalizador MNRF Telemóvel indisponível). A próxima vez que o telemóvel efectuar uma actualização de localização, o HLR será actualizado e o sinalizador Telemóvel indisponível será anulado.


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UE Old VLRSRNS HLR

Update Location

LA Update Request (old LAI, old TMSI)

RRC Connection establishment

Send Identification Request (TMSI)

Location Update Accept (new LAI new TMSI

New VLR

Send Identification Ack. (IMSI, quintiplet)

Cancel Location Comm.

Cancel Location AckInsert Subscriber Comm.

Insert Subscriber Ack.

Update Location Ack..

TMSI reallocation complete

Release

Security procedures

Figura 165 - Location Area Update


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6.5 Routing Area (RA)

Uma RA ou "área de encaminhamento" é uma subdivisão de uma "área de localização". As áreas de encaminhamento são utilizadas por telemóveis associados a GPRS (GPRS-attached). O GPRS, a nova tecnologia de transmissão de dados GSM, está optimizada para serviços de comunicação de dados bursty (de rajada), tais como Internet/intranet sem fios e serviços multimédia. Também é conhecido como GSM-IP ("protocolo de internet") porque irá ligar os utilizadores directamente aos fornecedores de serviços de Internet (ISP). A natureza bursty (de rajada) do tráfego de pacotes significa que são esperadas mais mensagens de paging por telemóvel, valendo a pena conhecer a localização do telemóvel com maior precisão do que no tráfego tradicional em comutação de circuitos. Uma mudança de área de encaminhamento para área de encaminhamento (denominada "actualização de área de encaminhamento") é efectuada de um modo quase idêntico a uma mudança de área de localização para área de localização. A principal diferença é o "Nó de suporte GPRS de serviço" (SGSN) ser o elemento envolvido.

UE Old SGSNSRNS HLR

Update GPRS Location

RA Update Request (old RAI, old P-TMSI)

RRC Connection establishment

SGSN Context Request (old P-TMSI, old RAI)

RA Update Accept (new RAI new P-TMSI

New SGSN

Cancel Location Comm.

Cancel Location AckInsert Subscriber Comm.

Insert Subscriber Ack.

Update GPRS Location Ack..

RA update complete

Release

SGSN Context Response (IMSI, quintiplets

Security Procedures

Figura 166 - Routing Area Update

Parte 3 - Anexos �

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Parte 3 - Anexos

Parte 3 - Anexos

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Acrónimos 3GPP 3rd Generation Partnership Project A MSISDN Aditional MSISDN AAL ATM Adaptation Layer AGCH Access Grant channel ALCAP Access Link Control Application Part AMR Adaptative Multirate ANM Answer Message ANSI American National Standards Institute AoC Advice of Charge API Application Program Interface ARFCN Absolute Radio Frequency Channel Number AS Acess Stratum ATM Asynchronous Transfer Mode AuC Authentication Centre BC Bearer Capabilities BC Bearer Control BCCH Broadcast Control Channel BCH Broadcast Channel BER Bit Error Rate BGW Billing Gateway BICC Bearer Independent Call Control BIT Bit Error Rate BoD Bandwidth on Demand BSC Base Station Controller BSIC Base Station Identity Code BSS Base Station System BSSGP Base Station System GPRS Protocol BTS Base Transceiver Station C/Ic Carrier to Interference C/la Carrier to Adjacent ratio C/R carrier/reflection CAMEL Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic CAS Channel Associated Signalling CBC Call Bearer Control CBCH Cell Broadcast Channel CC Country Code


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CC Call Control CCCH Common Control Channel CCs Common Channel Signalling CDD Cell Design Data CDMA Code Division Multiple Access CDR Call Detail Record CDS Circuit-Switched Data CEPT European Conference of Postal and Telecommunications

Administrations CF Call Forwarding CGI Cell Global Identity CIC Circuit Identity Code CIDR Classless Inter Domain Routing CN Core Network CPCH Common Packet CHannel CS Circuit Switched CSCF Call State Control Function CSE CAMEL Service Environment CUG Closer User Group CV Countdown Value CW Call Waiting DCCH Dedicated Control Channel DCH Dedicated Transport Channel DC-SAP Dedicated Control Service Access Point DECT Digital, Enhanced Cordless Telecommunications DS Differentiated Services DS Direct Sequence DS-CDMA Wideband Direct-Sequence Code Division Multiple Access DSCH Downlink Shared Channel DTCH Dedicated Traffic Channel DTI Data Transmission Inter-working DTMF Dual Tone Multi Frequency DTX Discontinuous Transmission DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing EC Echo Canceller EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution EIR Equipment Identity Register ETSI European Telecommunications Standards Institute FA Foreign Agent FAC Final Assembly Code FACCH Fast Associated Control Channel

Parte 3 - Anexos

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FACH Forward Access Channe FAUSCH Fast Uplink Signalling CHannel FCCH Frequency Correction Channel FDD Frequency Division Duplex FDMA Frequency Division Multiple Access FER Frame Error Rate FH Frequency Hopping FR Frame Relay FTP File Transfer Protocol FWA Fixed Wireless Access GGSN Gateway GPRS Support Node GLR Gateway Location Register GMM Global Multimedia Mobility GMSC Gateway MSC GMSK Gaussian Minimum-Shift Keying GoSZ Grade of Service GP Guard Period GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications GSN Gateway Support Nodes GT Global Title GTP GPRS Tunneling Protocol GTP GPRS Tunnelling Protocol HA Home Agent HDLC High Level Data Link Control HLR Home Location Register HPLMN Home PLMN HSCSD High Speed Circuit Switched Data HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSN Hopping Sequence Number HSPA High Speed Packet Access HSPA+ HSPA Evolution HSS Home Subscriber Server HSUPA High Speed Uplink Packet Access IAM Initial Address Message IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force IGP Interior Gateway Protocol IGSN Internet GPRS Support Node IMEI International Mobile Equipment Identity IMS IP Multimedia Subsystem


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IMSI International Mobile Subscriber Identity IMT2000 International Mobile Telecommunications 2000 IN Intelligent Network INAP Intelligent Network Application Part IPv6 Internet Protocol version 6 IR Incremental Redundancy IS Integrated Services ISI Inter Symbol Interference ISO International Standards Organization ISP Internet Service Provider ISUP ISDN User Part ITU International Telecommunication Union IWF Interworking Function IWU InterWorking Units KC Ciphering Key LA Location Areas LA Link Adaptation LAC Location Area Code LAI Location Area Identity LB Largura de Banda LCD Liquid Crystal Display LLC Logical Link Control LSP Label Switch Paths LTE Long Term Evolution MAC Medium Access Control MACF Multiple Association Control Function MAIO Mobile Allocation Index Offset MCS Modulation & Coding Scheme ME Mobile Equipment MEGACO Media Gateway Control MExE Mobile Execution Environment MGCF Media Gateway Control Function MGT Mobile Global Title MGW Multimedia Gateway MM Mobility Management MOC Mobile Originated Call MPLS Multi Protocol Label Switching MS Mobile Station MSC Mobile Switching Center MSISDN Mobile Station International ISDN Number MSRN Mobile Subscriber Roaming Number

Parte 3 - Anexos

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MSS MSC Server MTC Mobile Terminated Call MTU Maximum Transmission Unit NAS Not Access Stratum NAT Network Address Translator NBAP Node B Application Protocol NDC National Destination Code NGN Next Generation Networking NMC Network Management Center NMT Nordic Mobile Telephony Node B NB NS Network Service NSAPI Network Service Access Point Identifier NSS Network Switching Subsystem OAM Operation Administration and Maintenance OMC Operation and Maintenance Center OSS Operations Sub System OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor PCH Paging Channel PCM Pulse Code Modulation PDA Personal Digital Assistant PDCH Packet Data Channels PDCH Packet Data Channels PDH Plesiochronous Digital Hierarchy PDNs Packet Data Network PDP Packet Data Protocol PDU Protocol Data Unit PHB Per-Hop Behaviour PLMN Public Land Mobile Network PRA Primary Rate Access PS Packet Switched PSK Phase Shift Keying PSTN Public Switch Telephone Network PT Payload Type QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RAB Radio Access Bearer RACH Random Access Channel RAN Radio Access Network RANAP Radio Access Network Application Part RAND Random Number


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RDIS Rede Digital Integrada de Serviços RF Radio Frequency RLC Radio Link Control RNC Radio Network Controller RNSAP Radio Network Subsystem Application Part ROSE Remote Operations Service Element RR Radio Resource RRBP Relative Reserved Block Period RRC Radio Resource Controller RSVP Resource Reservation Protocol RT Real Time RTP Real Time Protocol SAAL-NNI ATM Adaptation Layer for Signalling - Network Node Interface SACCH Slow Associated Control Channel SACCH Slow Associated Control Channel SACF Single Association Control Function SAE System Architecture Evolution SAP Service Access Point SAT SIM Application Toolkit SCCP Signalling Connection Control Part SCH Synchronization Channel SCP Service Control Point SCPT Simple Control Protocol Transmission SCS Service Capability Servers SDCCH Stand-alone Dedicated Control Channel SDH Synchronous Digital Hierarchy SF Spreading Factor SFH Slow Frequency Hopping SGSN Serving GPRS Support Node SHC Softer Handover Controller SIGTRAN Signalling Transport SIM Subscriber Identity Module SIP Session Initiation Protocol SIR Signal-to-Interference Ratio SMS Short Message Service SMSCB Short Message Service Cell Broadcast SMS-GMSC Short Message Service GMSC SMS-IWMSC Short Message Service Inter-working MSC SN Subscriber Number SNDCP Sub Network Dependent Convergence Protocol SRES Signed RESponse

Parte 3 - Anexos

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SRNC Serving Radio Network Controller SS Switching System SS7 Signalling System No. 7 SSCOP Service Specific Connection Oriented Protocol SSP Service Switching Point SSSCF-NNI Service Specific Function Coordination- Network Node Interface TA Timing Advance TAC Type Approval Code TBF Temporary Block Flow TCAP Transaction Capabilities Application Part

TCH Traffic Channel TCP Transmission Control Protocol TD-CDMA Time Division CDMA TDD Time Division Duplex TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Division Multiple Access TFI Temporary Flow Identity TH Time Hopping TID Tunnel Identifier TMSI Temporary Mobile subscriber Identity TS Time Slot UCF Unconditional Call Forwarding UDP User Datagram Protocol UE User Equipment UMTS Universal Mobile Telecommunications System UMTS Universal Mobile Telephone System UP User Plane URAN UTRAN Radio Access Network USCH Uplink Shared Channel USF Uplink Status Flag USIM User Services Identity Module USSD Unstructured Supplementary Service Data UTRA UMTS Terrestrial Radio Access VHE Virtual Home Environment VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP VPLMN Visited PLMN) WAP Wireless Application Protocol WCDMA Wideband Code Division Multiple Access WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WML Wireless Markup Language


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Parte 3 - Anexos

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Formação1 GSM

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Transcript of Formação1 GSM