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REDES GSM, GPRS, EDGE E UMTS Resumo Esse estudo tem por objetivo abordar as caractersticas principais das tecnologias de sistemas de telefonia mvel GSM, GPRS, EDGE e UMTS. Para tanto, h a devida introduo terica e histrica, visando preparar o leitor para que possa entender aspectos mais profundos sobre os temas. Os tpicos considerados mais importantes, como certas interfaces, modelos de arquitetura, entre outros, tm um nvel maior de detalhamento, atravs de uma abordagem mais tcnica. Os sistemas celulares possuem uma cadeia de evoluo, na qual tecnologias mais recentes incrementam as j implantadas. Todas as tecnologias tm, portanto, aspectos em comum, que foram implementados nas tecnologias mais antigas e so usadas at hoje. Cada nova tecnologia, porm, suas novidades, adaptadas para serem agregadas rede, ou, em alguns casos, que exigem adaptaes da prpria rede.

1 Sistemas celulares Com o avano da tecnologia, a globalizao e a necessidade cada vez maior de comunicao com rapidez e mobilidade, foi necessria a criao de um sistema capaz de transmitir informaes entre usurios mveis. Diversos setores da sociedade necessitam desse artifcio, desde o exrcito at as prprias empresas. As necessidades de cada setor instigam a evoluo da tecnologia, cada qual na sua direo. O

resultado disso que avanos em um sentido, estimulados pela necessidade de um setor especfico, acabam por auxiliar outros setores. Em outra abordagem, alguns servios so adaptados para que a implementao existente inicialmente idealizada para outra finalidade possa oferec-los. Para que um formato de tecnologia seja amplamente utilizado, necessrio que haja um padro, malevel o suficiente para que tecnologias mais baratas ou mais eficientes possam ser encaixadas em sua estrutura. Pode-se perceber, portanto, a importncia de uma organizao dessa tecnologia, no sentido de oferecer o servio de comunicao mvel maior parcela possvel da sociedade.

1.1 - Princpios bsicos dos sistemas celulares Os sistemas de comunicao sem fio so formados basicamente por dois usurios transmissor e receptor, dependendo do sentido em que viaja a informao -, cada um com os seguintes componentes: - Microfone: converte o sinal de voz (de quem quer transmitir a informao) em sinais eltricos; - Alto-falante: converte o sinal eltrico (vindo de quem transmite a informao) em sinal de voz (para o receptor ouvir a mensagem); - Transmissor: envia os sinais gerados pelo microfone para o receptor - Receptor: recebe e entende os sinais enviados pelo transmissor e os envia ao alto-falante. - Antena: Converte sinais eltricos em ondas de rdio, para enviar a informao pela atmosfera, ou faz a operao contrria para receber essas informaes. a alma da comunicao sem fio, por ser o aparelho capaz de se comunicar sem a necessidade de um contato fsico.

Ondas de rdio so sinais eletromagnticos capazes de levar dados de um ponto a outro de forma confivel e rpida. 1.1.1 - Modulao Para enviar um sinal de um ponto a outro necessria a modulao do sinal. Modular o sinal consiste em agregar um sinal conhecido (onda portadora) ao sinal da informao. O receptor pode, ento, analisar a onda recebida, e, como conhece a onda portadora, pode entender a informao como a alterao do sinal recebido em relao portadora. Esse processo chamase demodulao. Existem diversos tipos de modulao, pois pode-se alterar diversas caractersticas da portadora, separadamente. Pode-se alterar a freqncia da portadora de acordo com o sinal, na modulao FM; alterar a amplitude da portadora em relao ao sinal, na modulao AM; alterar a fase da portadora, na modulao PM, entre outros diversos tipos de modulao. Cada tipo de modulao possui suas vantagens e desvantagens, e por isso cada servio pode ter peculiaridades que faam esse ou aquele tipo de modulao ser mais interessante. 1.1.2 - Estaes mveis (MS) As estaes mveis so os prprios aparelhos de telefonia celular. Possuem uma antena, capaz de modular ou demodular o sinal. Precisa tambm de osciladores, que posam gerar os sinais nas freqncias determinadas. 1.1.3 - Estaes Rdio Base (ERB ou BTS) Para a implementao do servio de telefonia celular, utiliza-se Estaes Rdio Base, que consistem em uma antena e um sistema capaz de atender as necessidades de comunicao de uma certa regio com o restante da rede de telefonia. O termo estao Rdio base mais usado em sistemas celulares analgicos. Para sistemas digitais, usa-se o nome Estao Transceptora Base, em ingls, BTS. 1.1.4 - Enlaces A comunicao entre MS e ERB acontece quando a onda portadora da informao, ou seja, a informao modulada, gerada em um ponto, viaja pela atmosfera e recebida no outro. Cada portadora tem uma freqncia definida, em uma mesma regio da atmosfera, cada freqncia corresponde a uma conhecida portadora. Sendo assim, o transmissor deve modular seu sinal naquela freqncia, e o receptor deve ajustar seu sensor para essa mesma freqncia. Porm, cada portadora no consegue levar toda a informao em exatamente um valor de freqncia. Na verdade, cada canal possui uma faixa de freqncias, cuja freqncia central a da portadora. A informao includa principalmente nessa freqncia principal, mas pode estar em freqncias um pouco maiores ou um pouco menores. Para incluir essas variaes da freqncia, o canal tem uma largura de freqncias, ou seja, o transmissor emite naquela freqncia e em freqncias um pouco maiores ou menores, e o receptor deve se preparar para sentir aquela freqncia, mas tambm um pouco mais e um pouco menos. O tamanho desse erro, ou seja, a largura do canal, limita o nmero de canais na clula, pois eles devem caber na banda passante da clula (faixa total de freqncias que uma clula suporta).

Ao canal fsico que interliga a Estao Rdio Base e a Estao Mvel se d o nome de enlace. Quando a informao viaja da ERB para a MS, chama-se enlace direto; quando a informao parte da MS chama-se enlace reverso. Os modos de transmisso de informao para comunicaes mveis podem ser feitos de trs maneiras: - Simplex: opera com uma nica freqncia e apenas a ERB pode transmiti-la. Tem-se, portanto, apenas enlaces diretos. Exemplos de aplicaes desse modo de transmisso so os servios de rdio AM e FM, ou a televiso convencional. - Semi Duplex: Opera em uma nica freqncia, mas suporta comunicao bidirecional, sendo cada sentido de comunicao operado em um momento. Ou seja, o usurio pode escutar ou falar, mas no os dois ao mesmo tempo. Como exemplos, os aparelhos de walkie-talkie, e o sistema de comunicao da polcia. - Duplex completo (ou full duplex): cada usurio tem um canal de recepo (enlace direto) e outro canal de transmisso (enlace reverso). possvel, portanto, realizar comunicao em dois sentidos ao mesmo tempo. E importante lembrar que cada canal opera em uma freqncia diferente, necessitando-se, portanto, de duas larguras de freqncia (uma para cada enlace). Esse modo o utilizado pelos servios de telefonia mvel. 1.1.5 - Clula Cada Estao Rdio Base (ERB) atende a uma certa regio, limitada de acordo com as capacidades fsicas da Estao. A essa regio d-se o nome de Clula. As clulas podem ser omnidirecionais ou setorizadas.

No primeiro caso, a ERB equipada de forma a irradiar suas ondas uniformemente em todas as direes. So mais utilizadas em regies onde h pouca necessidade de trfego, como regies rurais. Em compensao, por ser distribuda uniformemente, abrange uma rea de cobertura mais extensa, o que significa ter menos ERBs para atender a certa regio. Nas clulas setorizadas as antenas da ERB so projetadas para irradiar em direes estabelecidas, chamadas setores. Cada setor geralmente formado por um ngulo de 120, o

que significa 3 setores por ERB, ou por clula. Essa setorizao permite um trfego mais denso que as clulas omnidirecionais, apesar de no conseguir cobrir uma regio to extensa. O padro de irradiao de uma clula se aproxima da forma circular, mas totalmente irregular. Isso se d pela formao de reas de sobreposio (mais de uma clula atuando na regio) e reas de sombra (reas onde interferncias destrutivas causam falta de sinal). Por causa disso, o padro escolhido para representar uma clula foi o de um hexgono regular. Essa escolha simplifica clculos essenciais, como a distncia mnima entre canais, ou seja, distncia mnima entre centros de duas clulas adjacentes. 1.1.6 - Espectro de freqncias Os sistemas celulares utilizam o domnio da freqncia para dividir seus canais de comunicao. Cada canal de comunicao exige uma quantidade de valores de freqncia para realizar a comunicao, a largura de faixa: um canal com largura de faixa de 30 Hz pode ser implementado da freqncia 340 Hz at 370 Hz, por exemplo.

Cada ERB tem uma faixa de valores de freqncia nos quais consegue se comunicar. A ANATEL regulamenta o uso das freqncias, a fim de evitar o mau uso do espectro de freqncias. A largura da faixa de freqncias de uma ERB chamada Largura de Banda, e uma medida da capacidade de trfego da ERB. 1.1.7 - Acesso mltiplo Um dos srios problemas enfrentados pela ERB ocorre quando mais de um usurio deseja acess-la, ou seja, requerer e chamado mltiplo acesso. Para resolver esse problema, existem basicamente trs tecnologias: FDMA (que divide a freqncia), TDMA (que divide o tempo) e CDMA (que usa um cdigo para cada acesso). A tecnologia FDMA libera uma faixa de freqncia para cada acesso. Dessa forma, o usurio tem uma largura de banda fixa, sempre disponvel. A tecnologia TDMA libera uma faixa de freqncia para alguns usurios. Esses usurios s podem acessar de forma intercalada, ou seja, eles dividem entre si o tempo.

A tecnologia CDMA insere um cdigo para cada usurio. Assim, eles podem acessar a mesma freqncia durante todo o tempo. 1.1.8 - Cluster Um cluster uma regio que abrange algumas clulas, onde: - h todas as freqncias disponveis; - nenhuma freqncia pode ser reusada. Fora do cluster, possvel reusar as mesmas freqncias. Assim, quanto mais clulas dentro de um cluster, maior ser a distncia mnima entre portadoras de mesma freqncia. Programar o reuso de freqncias faz aumentar o trfego da rede. Para calcular o nmero Nf de freqncias por clula, basta dividir a largura de banda Bs do sistema pela largura de banda Bc de cada clula. 1.1.9 - Fator de reso e Razo de reso O fator de reso o nmero de clulas dentro do cluster: um fator de reso 9 usa cluster com 9 clulas, o de 12 usa cluster com 12 clulas, etc. A razo de reso dada por d/r, onde d a distncia entre os centros de duas clulas adjacentes e r o raio da clula. O fator de reso N est relacionado com a razo de reso d/r segundo a frmula: (d/r)=3N. Quanto maior o fator, maior o reso, quanto menor o reso, menor o fator. Aumentando-se o fator de reso, dividem-se as freqncias de um cluster em um nmero maior de clulas, diminuindo assim o trfego oferecido em cada clula. Por outro lado, aumentar o razo de reso significa dificultar a interferncia entre duas clulas que irradiem a mesma freqncia. Isso melhora a qualidade do sinal. Como o fator e a razo de reso aumentam juntos ou diminuem juntos, ao projetar um sistema celular deve-se escolher entre aumentar o trfego em cada clula (diminuindo o nmero de clulas por cluster) ou melhorar a qualidade do sinal (aumentando o nmero de clulas por cluster). No sistema GSM usa-se fator de reso 9 ou 12. 1.1.10 - Capacidade de sistemas celulares A capacidade de tratamento de trfego em sistemas celulares depende dos seguintes fatores: - Nmero de canais fsicos disponveis na clula; - Setorizao das antenas transmissoras; - Fator de reso escolhido. A capacidade de tratamento de trfego medida pelo nmero mximo de usurios que podem acessar uma clula em um determinado instante (Umx). Para realizar esse clculo, considerase que todos os canais fsicos canal de usurio, necessrio para efetuar uma chamada sero ocupados, e todos com a mesma potncia. A relao usada para o clculo : Umx=(Bs.Uc)/(Sc.N.Fs), onde: Bs a banda de RF alocada para o sistema, Sc o espaamento de freqncia entre portadoras de RF anlogo largura de freqncia usada pelo canal -, e essas duas variveis

mostram quantas portadoras de RF h por clula. Uc o nmero de usurios na mesma portadora (depende do tipo de modulao), e, junto s variveis anteriores, calcula o nmero de canais fsicos disponveis na clula. N o fator de reso e fs o fator de setorizao. Para aumentar a capacidade do sistema GSM j implantado, pode-se alterar os seguintes fatores: - Aumentar a banda passante do sistema, adquirindo mais espectro. E importante lembrar que o espectro de freqncias da interface area regulamentado pela Anatel (Agncia Nacional de Telecomunicaes); - Aumentar o nmero de usurios por cada portadora de RF, aumentando o nmero de janelas de tempo em TDMA ou o nmero de cdigos em CDMA, por exemplo; - Diminuir o espaamento entre portadoras, ou seja, estreitar a largura que um canal necessita para comunicao. Essa alternativa problemtica, pois altera a estrutura da interface area; - Diminuir o fator de reso, ou seja, considerar cluster com menos clulas.

1.2 Evoluo histrica A evoluo dos sistemas celulares sempre puxada pela necessidade ou vontade de se agregar novos servios ao servio de telefonia mvel identificao de chamadas, envio e recebimento de imagens, acesso internet, entre outros. Para implementar esses novos servios, cria-se novos padres, arquiteturas, ou simplesmente otimiza-se o que j existe. A histria dos sistemas celulares separada em geraes. A primeira gerao (1G) usava celulares analgicos, e a segunda gerao (2G) digitalizou a comunicao. Estamos na terceira gerao de celulares (3G), que prov acesso a internet banda larga pelo telefone celular. Essas so apenas algumas caractersticas importantes de cada gerao. Cada gerao dividida em padres e em sub-geraes, que nada mais so do que os padres existentes, mas melhorados, no sentido de alcanar a gerao seguinte. O padro GSM pertence segunda gerao de celulares e, portanto, realiza comunicao digital. 1.2.1 Primeira gerao 1G At ento, toda a comunicao mvel era centralizada, tendo assim baixa capacidade de trfego e alto custo. Seu sucesso deveu-se novidade que surgia: realizar chamadas telefnicas longe de casa, em um aparelho sem fio, e em movimento. Por ser um sistema novo, pouco se conhecia sobre seu potencial e sua aceitao no mercado. Vale lembrar que, no momento de desenvolvimento dessa tecnologia, tudo que a humanidade realizava era feito sem a utilizao desse sistema, o que poderia levar muita gente a pensar que isso talvez no fosse to importante, ou que no valesse o custo de investimento. At por isso, na primeira gerao foram feitos poucos esforos no sentido de padronizar o uso em todos os pases. De fato, vrios padres foram propostos e implementados, de forma isolada, em apenas um pas. Aps a consolidao dessa gerao, constatou-se que a Europa havia se dividido em padres:

- Padro TACS : Reino Unido, ustria, Espanha, Irlanda, Itlia; - NMT450 : Sucia, Noruega, Finlndia, Dinamarca; - Radiocom2000 : Frana. 1.2.1.1 - Padro AMPS O Brasil seguiu a linha dos EUA e adotou o padro AMPS, que opera na faixa dos 800 MHz. So destinados 25 MHz de banda passante para o enlace direto, e mais 25 MHz para o enlace reverso. Esse padro utiliza a tecnologia de acesso mltiplo por FDMA (que reserva uma banda de freqncia para cada canal, para ser usada por todo o tempo), tendo cada canal 30 kHz de largura. Como cada canal precisa ter uma largura pertencente banda passante dos enlaces diretos e outra igual pertencente banda dos enlaces reversos, divide-se 25 MHz por 30 kHz para se calcular o nmero de canais. Na verdade, portanto, cada canal de usurio consiste em dois canais, um direto e um reverso. Isso implica em 833 canais. Nessa conta, no foram levados em considerao o padro de reso de freqncias nem a setorizao das clulas. H ainda de se considerar um canal de controle, o canal 0. Assim, h 832 canais disponveis aos usurios. 1.2.2 Segunda gerao (2G) Como j foi comentada, uma nova gerao cresce sempre no sentido de oferecer o que a primeira gerao deixava a desejar. Os EUA necessitavam de maior capacidade, enquanto o problema na Europa era uniformizar os sistemas para o Mercado Comum Europeu (MCE). Uma caracterstica marcante da segunda gerao o uso da tecnologia digital, em vez da analgica. Isso permite a integrao com circuitos digitais, como computadores, em geral. Para conseguir o aumento de capacidade de trfego os americanos implementaram trs padres: IS-54 (AMPS digital), IS-136 (TDMA digital) e IS-95 (CDMA digital). Na Europa, o esforo de uniformizao fez surgir o GSM (Global System for Mobile Communications). Esse esforo em busca de um padro tornou o GSM o principal representante da segunda gerao. Ao conseguir atingir uma larga parcela da sociedade, diversos investimentos voltaram-se para esse sistema, ampliando a escala de produo, o que atrai mais investimentos, e assim por diante, ate que o mundo todo pudesse ter acesso a essa tecnologia. A competio pelo mercado fez os preos carem, tornando-o ainda mais acessvel. O foco principal dos sistemas de segunda gerao era oferecer telefonia digital mvel para os usurios. Por isso, os protocolos de transmisso de dados se esforam em adaptar o canal de voz para a transferncia de bits de dados. O resultado que o trfego mximo de bits obtido pelo GSM foi inicialmente projetado para atender ao trfego de bits gerado por conversaes telefnicas. Para fazer um celular acessar a internet, por exemplo, seria necessria uma taxa bem maior de trfego, e os projetistas do GSM inicialmente no se preparam para isso. 1.2.2.1 - Padro IS-136 Bastaram cerca de dez anos para o padro AMPS ser totalmente substitudo por um sistema

digital. O Brasil adotou o padro IS-136, que usava a mesma largura de canal que o padro j implantado (30kHz), e aumentava a capacidade e desempenho do sistema. Esse padro permite que at seis unidades mveis possam ser suportadas em apenas uma portadora de RF. Utilizando a tecnologia TDMA (Acesso mltiplo que divide o tempo em slots para acesso de vrios usurios de forma revezada), divide-se o quadro TDMA (durao de 40 ms) em seis slots de tempo, um para cada usurio. Um quadro TDMA carrega 1944 bits, logo, cada canal carrega 1944/6=324 bits. Canais podem ser do tipo full-rate ou half-rate. Os canais full-rate (taxa mxima) reservam dois slots, um para o enlace direto e outro para o enlace reverso. Sendo assim, em vez de 6 usurios por portadora, apenas 3 podem ser suportados. Nos canais half-rate (taxa mdia), cada slot ora enlace direto, ora enlace reverso. Assim, cai pela metade a taxa de transmisso de bits, mas dobra o nmero de usurios por portadora. 1.2.2.2 - Padro IS-95 Esse padro utiliza o acesso mltiplo por diviso de cdigo (CDMA). Cada usurio identificado por um cdigo, e podem usar a mesma freqncia. Sua principal caracterstica a tcnica de espalhamento espectral, onde a freqncia da portadora do sinal a ser transmitido variada aleatoriamente, espalhando-a dentro da largura de banda. Um cdigo usado para enviar uma seqncia a um sintetizador que gera as freqncias da portadora. O padro opera na faixa dos 800 MHz. A largura de cada canal de 1,25 MHZ, com uma largura de banda de 25 MHz disponvel. A distncia entre os canais dos enlaces direto e seu respectivo reverso de 45 MHz. O nmero de usurios por canal projetado segundo a relao Sinal/Rudo adotada na rede. A modulao do sinal de voz a QPSK, modulao digital que transmite 32 mil smbolos por segundo, cada smbolo formado por 2 bits. 1.2.2.3 - Padro GSM Antes de 1980, o mercado celular europeu era constitudo por vrios padres analgicos incompatveis entre si. Isso restringia os servio muitas vezes a seu prprio pas. O padro GSM foi criado no intuito de oferecer tecnologia digital de telefonia celular a toda a Europa. Sua alta capacidade tornou-o rapidamente o padro mais utilizado no mundo. Em dezembro de 2004, 74,9% dos celulares eram do padro GSM. No Brasil, o sistema foi implantado em 2002. A modulao usada a 0,3GMSK, variante da FSK. Cada canal possui 200 KHz de largura de faixa, e possvel a utilizao de 8 usurios em cada canal, ampliando-se para 8 usurios no caso da implementao da transmisso de voz em meia taxa. A faixa de operao depende do padro GSM implantado. Os padres mais usados sero estudados abaixo. 1.2.2.3.1 Variaes Padro P-GSM Tambm conhecido como GSM 900 Primrio, o sistema GSM original. Usa freqncias na banda de 900 MHz, de 890 a 960 MHz, com uma distncia de 20 MHz entre os enlaces direto e reverso. Isso d uma largura de 25 MHz, o que sustenta 25MHz/200KHz = 125 canais de RF.

Padro E-GSM Tambm conhecido como GSM 900 Estendido, comea a usar o espectro de freqncias em 880 MHz, portanto 10 Mhz antes do padro P-GSM, mas termina em 960 MHz, tal como seu antecessor. Alm disso, a distncia entre enlaces direto e reverso de apenas 10 MHz, o que gera 20 MHZ de largura a mais que o padro anterior. Dividindo-se essa largura a mais entre enlaces direto e reverso, obtm-se um acrscimo de 10 MHz de largura de banda. Isso implica em 50 canais extras de RF. Esse padro suporta, portanto, 175 canais de RF. importante ressaltar que o padro E-GSM inclui o P-GSM, pois a banda utilizada no P-GSM tambm disponvel no E-GSM. A recproca no verdadeira.

Padro R-GSM Tambm conhecido como GSM 900 ampliado, foi desenvolvido para se ampliar a capacidade de canais de RF. Comea a utilizar o espectro em 876 MHz, usando-o at 960 MHz, o que lhe disponibiliza mais 4 MHz em relao ao E-GSM. Diminui tambm a distncia entre os enlaces, passando a 6 MHz. A banda passante tem 39 MHz de largura, portanto, e sustenta 195 canais de RF.

Padro GSM 1800 Tambm conhecido como DCS 1800, implantado no Brasil. Adaptao do sistema GSM 900, ampliou suas bandas para 75 MHz de largura, e passou a utilizar a faixa de 1,8 GHz. Trabalha de 1710 a 1880 MHz. Para a identificao dos padres utilizados, os canais desse padro so identificados de 512 a 885 ( 375 canais de RF), enquanto o P-GSM numera os seus de 1 a 124.

Esse padro foi criado a fim de se implementar Redes de Comunicaes pessoais (Personal Communication Networks PCN).

Padro PCS 1900 Desenvolvido para dar uma gama maior de servios aos usurios, opera na faixa de 1,9 GHZ. De 1850 a 1990 MHz, com 20 MHz separando os seus enlaces. Isso gera 300 canais de RF. 1.2.2.3.2 Servios GSM medida em que cresce a demanda por novas aplicaes, os servios GSM vo sendo desenvolvidos. A tecnologia GSM dividia em 3 fases, onde os novos servios acabam por criar a prxima gerao.

Fase 1 Fase inicial, oferecia : - Telefonia (voz); - Chamadas de emergncia; - SMS (mensagens curtas) ponto a ponto e ponto multiponto; - Dados sncronos e assncronos (0.3 a 9.6 kbps); - Transmisso de pacotes assncronos.

Fase 2 - Servios de e-mail; - Voz a meia taxa (half rate). Esse servio permite ampliar o nmero de usurios, abrindo mo de certa parcela da qualidade da voz; - Melhoras no SMS; - Servios de dados, como informaes sobre tempo, clima, esportes, entre outros; - Transmisso sncrona e dedicada de pacotes; - Servios adicionais como identificador de chamadas, chamada restrita, teleconferncia. Fase 2+ Introduziu o servio de dados por pacotes em altas taxas de transmisso (GPRS- General Packet Radio Service) na rede GSM. Mais detalhes sero abordados frente. 1.2.3 Terceira gerao (3G) Com o advento e a estpida evoluo da Internet, essa demanda atingiu os telefones celulares. Enquanto na dcada de 80 realizar chamadas em telefones portteis era o que se sonhava, h pouco tempo o que se espera acessar a Internet atravs do celular. interessante perceber a dificuldade de se acessar a Internet em um lugar qualquer, sem um canal de Internet disponvel. Mesmo com um computador porttil, necessrio um ponto de acesso rede. Com a criao do acesso banda larga Internet atravs do telefone celular, esse servio pode ser adaptado para ser usado por um computador. A terceira gerao evoluiu no sentido de oferecer trfego em alta velocidade para que o acesso a Internet com boa velocidade fosse alcanado. Com o sistema de alta velocidade viabilizado, diversos outros servios passam a ter alta qualidade, como envio de imagens, vdeo-conferncia, etc. A segunda gerao de celulares evoluiu para a chamada 2.5G, que inclua o servio GPRS (para o padro GSM) e a reviso do sistema CDMA IS-95. Na evoluo seguinte, para a chamada 2.75G, o GPRS evoluiu para o sistema EDGE, que estudaremos mais a frente. Na terceira gerao, o CDMA IS-95, ainda da gerao 2.5G, evoluiu para CDMA 2000, e depois para EVDO e EVDV em seguida. O sistema EDGE evoluiu, num sentido para EDGE fase 2, e, em outro, para WCDMA.

2 Arquitetura da rede GSM A rede GSM formada por interfaces abertas e padronizadas, seguindo sua principal inteno, montar uma arquitetura mais abrangente possvel. Ela estruturada para que seja possvel a integrao entre componentes de diferentes fabricantes, o que aquece a concorrncia e diminui o preo para o usurio. Alm do fato, claro, de torn-la extremamente flexvel, logo, mais vivel. Os componentes dessa arquitetura so divididos em 4 grupos O conjunto desses grupos chamado rede mvel pblica terrestre (Public Land Mobile Network PLMN), e implementado por uma operadora. Veja a figura abaixo.

Arquitetura da rede GSM. - MS Mobile Station Estao mvel : formada pelo prprio aparelho celular, computador ou qualquer outro sistema de comunicao de voz ou dados (Equipamento Mvel). Necessita de um carto SIM, que guarda seu registro na rede. - BSS Base Transceiver System Sistema de estao base : capaz de se comunicar com as estaes mveis e enviar informaes para o sistema de comutao de rede, o NSS. - NSS Network Switching System Sistema de comutao de rede : processa informaes atravs de interfaces e protocolos e gerencia o banco de dados. Assim, consegue interconectar a rede GSM com a rede pblica (RTPC). - OMS Operations and Maintenance System Sistema de Operao e Manuteno : comanda os grupos de componentes. 2.1 Componentes

Componentes GSM. 2.1.1 Estao mvel(MS) A estao mvel constituda de um equipamento mvel (Mobile Equipment- ME), e um mdulo de identidade do assinante, (Subscriber Identity Module - SIM), geralmente um chip. 2.1.1.1 - Equipamento Mvel - ME Cada equipamento mvel tem um nmero de identificao chamado identidade internacional do equipamento mvel (International Mobile Equipment Identity - IMEI). Esses nmeros so armazenados no registro de identidade e equipamento (Equipment Identity Register - EIR), estudado mais a frente. o prprio aparelho celular. So trs tipos : - Veicular : geralmente uma antena na parte externa do veculo; - Estao Mvel Porttil : Composto por uma maleta. - Estao Mvel (handset) : Composto por um telefone de pequeno porte. Esses trs tipos possuem caractersticas diferentes que fazem a comunicao da MS com a BSS depender do tipo de aparelho. A BSS, portanto, precisa saber qual o tipo de aparelho para implementar a comunicao. Para resolver esse problema, a MS envia uma mensagem inicial que carrega as seguintes informaes : - Reviso : identifica a fase do padro GSM adotada. As fases mais recentes conseguem realizar todos os servios das anteriores, mas o contrrio no acontece. Logo, quando duas fases distintas se comunicam, os servios implantados so os da fase mais antiga; - Algoritmo de Criptografia : diz qual o algoritmo de criptografia usado na MS. Na fase 1 h somente o algoritmo A5, enquanto na fase 2 existem os algoritmos A5/0 e A5/7; - Capacitao de Freqncias : dependendo do padro GSM adotado pela MS, o aparelho utiliza uma das faixas de freqncia - 850 MHz, 900 MHz, 1.800 MHz ou 1.900 MHz - , como

citado no tpico Padro GSM. A mensagem inicial deve, portanto, indicar em que faixa de freqncias ser feita a comunicao. Existem celulares que operam nas 4 faixas, num modo conhecido como modo quatro (quadri-mode); - Capacitao do Servio de Mensagens Curtas (Short Message Service SMS) : informa se a MS est preparada para receber ou enviar mensagens curtas; 2.1.1.2 - Mdulo de Identidade do Assinante SIM Esse mdulo consiste em um carto inteligente (smart card) que carrega informaes essenciais para a identificao do assinante. Geralmente um chip que se conecta ao telefone celular. O processamento dos servios e suas tarifaes so realizados a partir das informaes contidas nesse chip, e no no aparelho celular. Sendo assim, o assinante pode retirar seu chip, encaixar em outro aparelho e realizar uma chamada com seu prprio nmero, o que ser tarifado em nome do dono do chip. O SIM carrega as seguintes informaes, cuja utilizao ser estudada mais adiante : - Identidade internacional do assinante (International Mobile Subscriber Identity IMSI); - Identidade temporria do assinante (Temporary Mobile Subscriber Identity TMSI); - Identidade da rea de localizao (Location rea Identity LAI); - Chave de autenticao do assinante (Subscriber Authentication Key Ki); - Nmero internacional ISDN (Integrated Service Digital Network) da estao mvel (Mobile Station Integrated Servicer Digital Network MSISDN). 2.1.2 Sistema de estao base (BSS) O sistema de estao base responsvel por conectar a MS com o sistema de comutao de rede (NSS). A MS envia um sinal BSS, que o capta e dele extrai as informaes. Essas informaes so enviadas rede. No outro sentido, a BSS recebe os dados vindos da rede, e constri um sinal cujas informaes a MS capaz de extrair. A BSS formado por trs elementos. Um para captar sinais da MS e enviar outros para a mesma, outro para comandar o primeiro e se comunicar com a rede. O terceiro auxilia o segundo na comunicao com a MSC. Os trs esto detalhados abaixo : 2.1.2.1 Estao transceptora base (BTS) A BTS (Base Transceiver Station) implementa conexes com as MSs atravs da interface area. formada por Hardware de radiofreqncia e antenas, basicamente. Essas estaes ficam sempre ligadas ao BSC, e ambos controlam gerenciam os canais de trfego. 2.1.2.2 Controlador de estao base (BSC) O BSC (Base Station Controller) responsvel por controlar um grupo de estaes transceptoras base (BTSs). Todas as operaes de uma BTS so comandadas pelo respectivo BSC. Atravs de uma matriz de comutao digital, as BSCs conectam os canais de RF com os circuitos terrestres provenientes da central de comutao celular (MSC), um componente do sistema de comutao de rede. Com essa tcnica, o BSC capaz de realizar handovers entre

os canais de RF independente da MSC, o que otimiza o trfego na interface area e reduz o trabalho da MSC. 2.1.2.3 Transcodificador (XCDR) A MSC envia sinais de voz a uma taxa de 64 Kbits/s. Se os canais de voz PCM a essa taxa fossem trasmitidos direto na interface area, sem modificao, iriam ocupar uma faixa muito extensa da banda de RF, o que diminuiria o nmero de possveis canais de voz na interface area. O XCDR responsvel por converter esses sinais de voz de 64 Kbits/s em sinais de 16 Kbits/s que podem ser enviados na interface area. A transmisso de dados no passa pelo processo de transcodificao, apenas adaptada de 9,6 kbits/s para 16 Kbits/s, com 3 Kbits/s de controle. Para isso, utiliza algoritmos de codificao, padronizados no GSM : - Algoritmo de taxa plena : codifica o canal de voz de 64 Kbits/s em 13 Kbits/s, adicionando 3 Kbits/s para dados de controle (chamado TRAU - Transcoder Rate Adaption Unit). - Algoritmo de taxa plena melhorado : presente apenas na fase 2 do GSM, codifica 64 Kbits/s em 12,2 Kbits/s, e usa 3,8 Kbits/s para controle. 2.1.3 Sistema de comutao de rede (NSS) O sistema de comutao de rede reponsvel por : - Comutar os canais de comunicao entre duas BSSs; - Controlar e gerenciar a mobilidade dos usurios; - Armazenar e consultar a base de dados dos assinantes. Os elementos desse sistema so estudados a seguir. 2.1.3.1 Central de comutao celular (MSC) A MSC (Mobile services Switching Center) o corao do sistema de comutao de rede. Possui as seguintes funes : - Processar chamadas, ou seja, conectar e desconectar chamadas, promover handover entre BSSs e MSCs; - Supervisionar, manter e operar as bases de dados. - Gerenciar as interfaces entre a rede GSM e outras redes, como a RTCP (rede pblica) e a Rede Digital de Servios Integrados RDSI; - Tarifar os servios. Para realizar todas essas funes, a MSC precisa estar conectada aos bancos de dados de todas essas informaes. Dois componentes contm grande parte dessas informaes : o HLR e o VLR. 2.1.3.2 Registro de localizao local (HLR) O registro de localizao local administra, altera e atualiza a base de dados dos assinantes locais. Esses dados so acessados remotamente pelo MSC e pelo VLR. Os principais dados guardados pelo HLR so: - Identidade internacional do assinante (International Mobile Subscriber Identity - IMSI); - Localizao corrente do assinante no VLR;

- Servios suplementares aos quais o assinante tem direito, bem como informaes adicionais sobre esses servios; - Estado do assinante (registrado ou no registrado); - Chave de autenticao, que mencionaremos mais frente. 2.1.3.3 Registro de localizao do visitante (VLR) Pode acontecer de um assinante passar para outra PLMN que no a sua de origem, o que bvio em se tratando de sistemas de comunicao mveis. Para se realizar a comunicao com esse usurio de fora, ou seja, visitante, existe o VLR. Ele guarda uma cpia dos principais dados do assinante, contidos no seu HLR de origem. Essas informaes so : - Estado da estao mvel (livre / ocupado/ no responde); - Identidade de rea de localizao (Location Area Identity - LAI); - Identidade temporria do assinante mvel (Temporary Mobile Subscriber Identity TMSI); - Nmero da estao mvel visitante (Mobile Station Roaming Number MSRN). A cpia desses dados mantida no VLR por um tempo determinado pelo operador de rede (especificado em minutos ou horas). A seguir discutiremos os papis dessas identidades associadas ao assinante e estao mvel. 2.1.3.4 Identidades de um usurio em um sistema GSM Para identificar um usurio em um sistema GSM usa-se algumas identidades, cujas estruturas e funes sero apresentadas agora: 2.1.3.4.1 Identidade internacional do assinante mvel A identidade internacional do assinante mvel (International Mobile Subscriber Identity) identifica a MS internamente rede GSM. transmitido apenas na fase inicial da chamada. No consiste no nmero que discamos para realizar uma chamada, e sim um nmero que identifica o assinante dentro da rede GSM. Para que a implementao seja mais fcil, esse nmero parecido com o nmero que discamos (MSISDN, mencionado mais frente). O IMSI formado por trs campos : - Cdigo mvel do pas (Mobile Country Code MCC) : trs dgitos (12 bits) que identificam a operadora de telefonia mvel em um certo pas. - Cdigo da rede mvel (Mobile Network Code MNC) : dois (8 bits) dgitos que identificam a rede PLMN local do assinante mvel (por exemplo, Rio de Janeiro = 21); - Nmero de identificao do assinante mvel (Mobile Subscriber Identification Number MSIN) : com at dez dgitos (40 bits), esse nmero identifica o assinante dentro de uma PLMN (por exemplo, 98876550). Veja que pode haver o mesmo MSIN em outra PLMN, associado a outro assinante. 2.1.3.4.2 Identidade de rea de localizao (LAI) A LAI (Location Area Identity) o nome dado a um conjunto de clulas da PLMN. Tipicamente, uma LAI contm 30 clulas. Quando o assinante passa de sua LAI para outra, o VLR identifica sua presena e percebe que no h dados do perfil desse assinante. Utilizando a rede de sinalizao, solicita esses dados do HLR (1, na figura abaixo).

O HLR ento retorna esses dados para o VLR, que os armazena em uma memria RAM/flash, por um perodo determinado pelo operador da rede. Enquanto guarda essa cpia, o VLR no consulta o HLR (2, na figura abaixo).

2.1.3.4.3 Identidade temporria do assinante mvel (TMSI) A identidade temporria do assinante usada para prover confidencialidade ao usurio. Quando o assinante passa de uma LAI para outra, um nmero alocado para ele, aleatoriamente. A VLR ento associa esse nmero a seu IMSI, mas como a alocao aleatria, apenas a VLR sabe qual o TMSI.

O usurio pode ou no exigir esse servio. Caso ele exija, a implementao feita da seguinte forma :

1) Aps o VLR adquirir os dados do HLR, comea a troca de informaes entre a BSS e a MS. Caso a confidencialidade esteja prevista, o VLR aloca o TMSI, de quatro octetos; 2) Aps alocar um TMSI, o VLR associa-o ao respectivo IMSI e guarda em uma tabela, em memria RAM ou flash; 3) As informaes transmitidas pela BSS passam a ser direcionadas a esse nmero TMSI em vez do IMSI, o que evita o monitoramento pela interface area; 4) A MS passa a usar o TMSI tambm. O nmero TMSI com 32 bits iguais a 1 usado como invlido pelo carto SIM. O nmero TMSI registrado no carto SIM da MS. 2.1.3.4.4 Nmero Internacional ISDN da estao mvel (MSISDN) O MSISDN (Mobile Station International Integrated Service Digital Network) usado para integrar a rede GSM rede pblica. Formado por trs campos, o nmero que os usurios mais conhecem. Um campo informa o pas de origem, outro a PLMN e outro o nmero do mvel. O MSISDN 552199988887, por exemplo, do Brasil (cdigo 55), da PLMN do Rio de Janeiro (21), com o nmero 99988887. Em diferentes PLMNs pode-se usar o mesmo nmero. por isso que quando estamos viajando (ou seja, em outra PLMN) e discamos um nmero esquecendo de fazer uma ligao DDD na qual informamos o cdigo da PLMN - , a ligao cai em um nmero existente, mas dentro da PLMN em que somos visitantes.

Enquanto a ligao DDD (Discagem Direta Distncia) exige que informemos o cdigo da PLMN (NDC National Destination Code), a DDI (Discagem Direta Internacional) exige o NDC e o cdigo do pas (CC Country Code). Quando um usurio da RTCP chama um usurio mvel, disca seu MSISDN, dentro do formato da ligao. A MSC converte o MSISDN para um IMSI, pois a rede GSM usa o IMSI internamente. Para isso, usa uma tabela de encaminhamento. O mvel acessado, ento, pelo seu IMSI.

2.1.3.4.5 Nmero da estao mvel do visitante (MSRN) O nmero de estao mvel do visitante usado para estabelecer o canal de voz entre o assinante e a rede quando esse passa a outra PLMN, que no a sua de origem. Essa nova PLMN comandada por outra MSC. Quando o assinante entra em outra PLMN, o VLR da MSC dessa PLMN aloca um nmero de uma lista feita para prover esse servio, chamadoroaming automtico. O usurio no precisa, portanto, avisar manualmente que mudou de PLMN. Esse servio necessita da troca de vrias informaes entre o MSC de origem e o novo MSC. Para tanto foi criado um protocolo chamado Mobile Application Part (MAP).

Os passos a seguir mostram como o servio feito : A) Ao chegar em outra PLMN, devido sinalizao da MS o MSC identifica um novo usurio e verifica se h um registro para esse aparelho no VLR. O VLR, ento, consulta sua base de dados e no acha. B) O VLR envia uma mensagem de sinalizao para o MSC de origem. Ao perceber a nova MS na sua PLMN, o MSC sabe qual o MSC de origem atravs das informaes contidas no carto SIM do aparelho. C) A MSC de origem envia os dados, e atualiza seu prprio banco de dados informando a localidade na qual o mvel se encontra. D) Um assinante da RTCP (rede pblica) origina uma chamada para o mvel. Quando a chamada chega na MSC do local de origem, esse consulta seu HLR, que diz onde est o mvel. E) A MSC de origem solicita ao VLR do local visitado um nmero MSRN, para que a chamada possa ser estabelecida. F) O VLR do local visitado consulta a lista de MSRNs e aloca um disponvel e envia para a MSC de origem. G) Com o MSRN, a MSC de origem estabelece uma conexo de voz com a MSC do local visitado. 2.1.3.5 Centro de Autenticao (AuC) Normalmente instalado no mesmo hardware do HLR, o Authentication Center (AuC) tem as

funes de autenticar e criptografar as mensagens, para impedir ataques rede, como MSs clonadas, por exemplo. Esses processos so executados simultaneamente no AuC e na MS. Ao tentar acessar o sistema, a MS obrigada a apresentar uma chave de autenticao (Ki), que fica registrada no carto SIM e no AuC. Os processos de autenticao e de criptografia dependem dessa chave, e esto descritos a seguir:

A) Ao receber informaes sobre a MS, no incio de uma chamada ou na atualizao de um registro, o AuC gera um nmero aleatrio chamado RAND. B) Atravs do algoritmo A3, de autenticao, e usando o nmero RAND e a chave secreta Ki, o AuC gera a resposta cifrada SRES (Signed RESponse). Atravs do algoritmo A8, de criptografia, gera a chave de criptografia Kc, usando RAND e Ki. C) O AuC envia SRES, Kc e RAND para o HLR. D) O HLR envia esses 3 dados para o VLR, que os guarda temporariamente. E) O VLR envia RAND para a MS, atravs da MSS e da BSS. F) A MS calcula o SRES, separadamente, usando o algoritmo A3 e a chave Ki, contidos no carto SIM.

G) A MS envia o SRES para o VLR. H) A VLR compara os SRES enviados pela MS e pelo AuC. Se forem diferentes, o processo termina com falha; se forem iguais, a autenticao terminada com sucesso. I) Se a criptografia estiver sendo executada, o VLR envia a seqncia Kc para a BTS. J) A MS calcula Kc e armazena no carto SIM, usando A8, Ki e RAND. A partir de ento, todas as informaes transmitidas pela MS sero criptografadas pela chave Kc. K) Usando o algoritmo de criptografia A5 e o nmero do hiperquadro GSM, a BTS passa tambm a s enviar mensagens criptografadas. J e K consistem nos passos de criptografia. 2.1.3.6 Registro de identidade do equipamento (EIR) O EIR (Equipment Identity Register) possui a base de dados centralizada dos nmeros de identidade internacional do equipamento mvel (IMEI), os quais so nicos por EIR. O formato do IMEI est representado na figura abaixo.

A base de dados do EIR organizada em listas de IMEIs, de acordo com os critrios abaixo : - Lista Branca : todos os IMEIs de MSs habilitadas a usar a rede GSM; - Lista negra : IMEIs de MSs no habilitadas, como MSs roubadas ou clonadas; - Lista Cinza : IMEIs de MSs com algum problema temporrio, como defeito do hardware ou em manuteno na rede autorizada, mas que, enfim, no justificam a presena na lista negra. 2.1.3.7 Funo de Interfuncionamento (IWF) O IWF (InternetWorking Function) responsvel por interfacear a rede GSM com outras redes de dados, como a internet, por exemplo. sua funo adaptar a taxa de dados e converter os protocolos quando necessrio. 2.1.3.8 Supressor de Eco (EC) O EC (Echo Canceler) responsvel por eliminar o efeito de eco presente nas conexes entre a MSC e a RTPC. Esse efeito acontece quando um sinal de voz chega em um tempo errado, superposto a outro sinal no tempo certo. Atrasos de propagao na interface area, ou provocado pelo processo de transcodificao podem gerar esse problema.

2.1.3.9 Sistema de Operao e Manuteno (OMS) O OMS (Operations and Maintence System) administra, opera, mantm e supervisiona os elementos da rede GSM. Faz isso ora de forma centralizada, ora de forma remota. subdividido em dois subsistemas, como mostra a figura abaixo. 2.1.3.9.1 Centro de gerenciamento de rede (NMC) O NMC (Network Management Center) o de mais alta hierarquia em uma rede GSM, pois o de mais alto nvel no OMS, que controla a rede. S existe um NMC por rede. Suas principais funes so de monitoramento: - Dos ns da rede; - Dos dados estatsticos da rede GSM; - Dos OMCs. 2.1.3.9.2 Centro de Operao e Manuteno (OMC) O OMC (Operation and Maintence Center) o elemento que controla os outros elementos da rede GSM (BTS, MSC, HLR, EIR, etc.) Um OMC controla uma determinada regio, e uma rede GSM composta por vrios OMCs. Existem dois tipos de OMCs :

- OMC (R): controla o Subsistema de estao base (BSS) - OMC (S) : controla o subsistema de comutao de rede (NSS). A funo do OMC gerenciar as seguintes funes : - Eventos e alarmes; - Performance do sistema; - Configurao do sistema. Em suma, o OMC define os principais parmetros, para atuar em protocolos j implementados.

2.2 Interfaces Como j foi comentado anteriormente, o principal foco do sistema GSM foi o de permitir que o maior nmero possvel de usurios pudessem ser integrados. As interfaces e protocolos dele devem ser, portanto, padronizados e flexveis, de forma a poder incorporar elementos de diferentes fabricantes. Uma interface precisa prover os aspectos fsicos dos meios de transmisso, o interfuncionamento e a implementao dos servios e aplicaes mveis entre os elementos da rede GSM. Abaixo segue uma viso genrica das principais interfaces do GSM.

Interface area (Um) : Interliga a MS e a BTS. responsvel por disponibilizar os canais fsicos e lgicos aos assinantes mveis, para viabilizar o processamento de chamadas. Interface Abis : Conecta a BTS ao BSC. Permite controlar os equipamentos e a alocao de recursos na BTS. Interface A : Conecta a BSC e a MSC. Transporta os seguintes dados: - Gerenciamento do BSS; - Tratamento de chamadas; - Alocao de circuitos terrestres (canais de voz entre os elementos conectados); - Gerenciamento de mobilidade. Interface B : Conecta MSC e VLR. Gerencia a base de dados dos assinantes que esto usando a rea controlada pelo MSC associado ao VLR. responsvel pela localizao dentro da rea da MSC, por atualizar o registro quando a MS visita outra rea e por atualizar dados sobre os

servios suplementares (como ativao ou desativao de chamada em espera, nmero escolhido para transferncia temporria de chamadas, etc.) Interface C : Conecta MSC e HLR. usado quando a MSC precisa de informaes necessrias ao roteamento de chamadas ou ao envio de mensagens curtas (SMS). Interface D : Conecta HLR e VLR. usada na troca de dados sobre a localizao da MS. Prov a capacidade de um assinante realizar chamadas dentro de uma determinada rea de servio. Interface E : Interliga duas MSCs. Quando uma MS move-se da rea de uma MSC para outra de outra MSC, durante uma chamada, um processo chamado handover permite que chamada no seja interrompida. A interface E executa esse procedimento. Interface F : Conecta MSC e EIR. Verifica se a MS est ou no habilitada para usar os servios da rede GSM, atravs do estado do IMEI da MS (guardado no EIR). Interface G : Interliga duas VLRs. usado quando uma MS move-se de um VLR para outro, recuperando o IMEI e os parmetros de autenticao guardados no VLR de origem. Interface R : Conecta a MS ao equipamento terminal de dados (Data Terminal Equipment DTE), usada para conectar o computador pessoal MS, com o objetivo de transmitir dados por pacotes. Assim pode-se integrar o sistema GSM a uma comunicao que use o protocolo TCP/IP, da Internet, por exemplo. 2.2.1 Interface Area (Um) A interface area, tambm conhecida como interface Um, responsvel por conectar a estao mvel (MS) e a estao transceptora base (BTS). Utiliza as ondas portadoras de radiofreqncia para levar informao. Uma nica portadora de radiofreqncia possui 200 kHz de largura de banda e pode suportar at 8 estaes mveis. Esse acesso de 8 estaes ao mesmo tempo implementado pela tcnica de acesso mltiplo por diviso de tempo (TDMA), na qual a portadora divide seu tempo em 8 intervalos, chamados Intervalo de Tempo de Canal (ITC), e disponibiliza um para cada mvel. Os ITCs so identificados de 0 a 7, e cada conjunto de 8 ITCs corresponde a um quadro TDMA. A informao levada pelo ITC chamada rajada de dados (burst). O Burst representa o tipo de informao que est sendo transportada. O sincronismo um fator crtico para a comunicao. Para isso, as informaes devem ser transmitidas no momento exato. Esse momento exato implementado com um atraso no incio do quadro TDMA. A BTS atrasa em 3 ITCs o envio do seu quadro TDMA, de forma que o enlace direto e o reverso tem 3 ITCs de diferena. J a MS tem um problema maior a resolver. Como se desloca, o atraso devido distncia varia. Dessa forma, o atraso que a MS deve empregar entre o enlace direto e o reverso depende de sua distncia. A rede GSM conhece a localizao do mvel, e resolve o problema informando constantemente MS como ajustar seu atraso a fim de sincronizar a comunicao.

2.2.1.1 Canais de trfego (Trafic CHannel TCH) Os canais de trfego transportam voz e dados no modo de comutao de circuitos. So implementados na interface area atravs de multiquadros, um conjunto de 26 quadros TDMA. Cada quadro possui 8 ITCs, cada ITC possui 577 s, em um multiquadro h 26 quadros. Podese calcular a durao de um multiquadro de trfego : 26 quadros x 8 ITCs x 577 s por ITC = 120 ms.

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

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

A arquitetura GPRS, implantada na gerao 2.5G prov trfego de dados por pacotes. Foram disponibilizados, para tanto, canais de transporte de dados no modo de comutao de pacotes, que sero estudados na sesso GPRS. 2.2.1.2 Canais de controle (Control CHannel CCH) Os canais de controle transportam informaes de sinalizao e controle entre a MS e a BTS. Tal como os canais de trfego, so organizados em multiquadros, mas com 51 quadros TDMA. Da mesma forma que para os canais de trfego, pode-se calcular a durao de um multiquadro de controle : 51 quadros x 8 ITCs x 577 s por ITC = 235,4 ms. Os canais de controle so divididos em trs gupos : canal de controle dedicado, canal de controle comum e canal de controle por difuso. Grupo canal de controle dedicado (Dedicated Control CHannel DCCH): Formado por canais associados a uma nica MS, responsvel por validar a MS e estabelecer as chamadas. Os canais que o compem so :

- Canal de controle dedicado independente (Stand-alone Dedicated Control CHannel SDCCH) : transfere dados de/para uma nica MS durante o estabelecimento da chamada e a validao do mvel; - Canal de controle associado (Associated Control CHannel ACCH) : dividido em dois canais, o Slow ACCH (SACCH) e o Fast ACCH (FACCH). O primeiro transporta informaes de medidas do enlace e controle de potncia, enquanto o segundo usado para mensagens de eventos, como informaes sobre handover e autenticao, por exemplo. Esses canais roubam um intervalo do canal TCH e inserem suas informaes. Trabalham nos enlaces direto e reverso. Grupo canal de controle comum (Common Control CHannel CCCH) : Formado por canaisa que trabalham nos enlaces direto e reverso no estabelecimento de chamadas. Os canais que o compem so : - Canal de busca (Paging CHannel PCH): usado pela BTS para procurar uma determinada MS. - Canal de acesso aleatrio (Random Acces CHannel RACH) : usado pela MS para acessar a rede, o que pode acontecer a qualquer instante, originando uma chamada ou respondendo a um processo de busca; - Canal de acesso permitido (Access Granted CHannel AGCH) : Quando a MS envia um pedido de acesso (pelo canal RACH), a BTS usa esse canal para associar os canais de controle dedicado (SDCCH ou SACCH) necessrios; - Canal de notificao (Notification Channel NCH) : Usado quando a BTS envia uma mensagem de notificao para um grupo de MSs ou em chamadas de voz por difuso. Grupo canal de controle por difuso (Broadcast Control CHannel BCCH) : Formado por canais que operam apenas no enlace direto, ou seja, servem para difundir mensagens sobre a rede para as MSs. Os canais que o sompem so : - Canal de controle por difuso (Broadcast Control CHannel BCCH) : leva informaes como identidade da clula, lista de clulas vizinhas, LAI, lista de freqncias usadas pela clula e indicador de controle de potncia; - Canal de difuso para as clulas (Cell Broadcast CHannel CBCH) : Usa o servio de mensagens curtas (Short Message Services SMS) para enviar a todas as MSs na rea de cobertura de uma BTS informaes como resultados de jogos, condies do trnsito, etc; - Canal de sincronismo (Synchronizing CHannel SCH) : leva dados necessrios ao sincronismo da comunicao, como o nmero do quadro TDMA e o cdigo da BTS; - Canal de correo de freqncia (Frequency Correction CHannel FCCH) : Usado pela MS para sintonizar-se na portadora de RF. 2.2.1.2.1 Tipos de multiquadro de controle Como j mencionado, multiquadros so conjuntos de quadros. A organizao dos quadros em um multiquadro implementa a ordem das mensagens de controle, sendo assim a espinha dorsal da interface, em relao ao controle.

Existem dois tipos de multiquadros de controle : um para os canais de controle dedicado (DCCH/8), e outro para canais de controle comum e por difuso (BCCH/CCCH). Multiquadro BCCH/CCCH Uma portadora de RF, como j visto, suporta 8 usurios, que se dividem nos 8 intervalos (slots) de um quadro TDMA. No slot 0 de cada quadro, na verdade, empregado o multiquadro BCCH/CCCH. Sua estrutura est descrita abaixo. O enlace direto dividido em ciclos, enquanto o reverso exclusivamente destinado ao canal RACH, que prov o pedido de acesso da MS BTS, em qualquer instante.

Multiquadro DCCH/8 Esse multiquadro comporta 8 canais dedicados cada um a um usurio. Cada canal SDCCH (D0, D1, ...) est associado a um SACCH (A0, A1, ...). A diferena entre os enlaces feita para permitir que a MS receba a mensagem e produza a resposta.

2.2.1.2 Protocolos da interface area Os protocolos da interface area so divididos em trs camadas, obedecendo ao modelo de referncia OSI.

2.2.1.2.1 Camada 3 (camada de rede) A camada de protocolos nvel 3 implementa as seguintes funes : - Gerenciamento da radiofreqncia; - Gerenciamento da mobilidade; - Gerenciamento das conexes; - Comutao dos circuitos entre a rede GSM e as demais redes; - Controle dos servios suplementares; - Controle dos servios de localizao. Trs subcamadas compem essa camada : gerenciamento dos recursos de rdio ; gerenciamento da mobilidade e gerenciamento de conexes. Gerenciamento de recursos de rdio (Radio Resource Management RR) : - Aloca e libera o canal de RF; - Habilita a criptografia; - Controla potncia; - Realiza handover de uma clula para outra. Gerenciamento de mobilidade (Mobility Management MM) : - Registra a MS; - Verifica o usurio e a identidade do equipamento; - Verifica quais servios esto associados ao usurio; - Autentica o usurio; - Realoca a identidade temporria do assinante (TMSI). Gerenciamento de conexes (Connection Management CM) - formado por trs entidades : - Controle de chamadas (Call Center CC) : Estabelece, mantm e desconecta a chamada, alm de controlar os servios suplementares. - Servios suplementares (Supplementary Services SS) : Prov os servios suplementares,

como transferncia de chamadas, chamada em espera, etc. - Servio de mensagens curtas (Short Message Service SMS) : Controla o servio de SMS. 2.2.1.2.1.1 Estrutura das mensagens da camada 3 A estrutura das mensagens definida pela Especificao GSM 04.08. - Campo discriminador de protocolo (Protocol Discrminator PD) : identifica o protocolo que a mensagem da camada 3 est transportando. - Campo identificador de transao (Transaction Identifier TI) : usado para determinar mltiplas conexes ou transaes que ocorrem ao mesmo tempo. Define se a mensagem de gerenciamento de rdio (RR), ou de mobilidade, seja sem a tecnologia GPRS (MM) ou para o servio GPRS. - Campo tipo de mensagem (Message Type) : identifica o tipo da mensagem, RR, MM ou CM, como estudado anteriormente. - Campo outros elementos de informao (other Information Elementes IE) : pode indicar o tipo de elemento de informao, o comprimento e um valor, se necessrio. Abaixo esto descritos os tipos de elemento de informao. 2.2.1.2.2 Camada 2 (camada de enlace) O protocolo da camada 2 da interface area usa procedimentos de acesso ao enlace do canal D modificado (Link Access Procedures on Dm-channel LAPDm) para prover sinalizao entre entidades da camada 3. Todos os canais de controle utilizam o LPDm, exceto o canal RACH.

Esse protocolo totalmente baseado no protocolo LAPD, da Rede Digital de Servios Integrados (RDSI), includo na interface Abis. O LAPDm tem como principais funes : - Prover conexes de enlace no canal Dm. Essas conexes so identificadas pelo identificador de conexo do enlace de dados (Data Link Connection Identifier DLCI); - Organizar as informaes vindas da camada 3 nos quadros; - Reconhecer e transmitir os quadros, controlando a seqncia; - Detectar os erros operacionais no enlace de dados. 2.2.1.2.2.1 identificador de conexo do enlace de dados (DLCI) O DLCI formado pelo identificador do ponto de acesso ao servio (Service Access Point Identifier SAPI) e pelo tipo de canal de controle. O SAPI transportado no campo de endereo de cada quadro, e definido na camada 3. A camada 1 indica o tipo de canal em que a mensagem foi recebida. Combinando essas duas informaes, a camada 2 define a qual a camada de enlace de dados deve ser entregue a mensagem. O SAPI pode assumir apenas dois valores : 0 ou 3. SAPI=0 : - Controle de chamada (CC); - Gerenciamento de mobilidade (MM); - Servios suplementares (SS); - Gerenciamento de recursos de rdio (RR). SAPI=3 - Servio de mensagens curtas (SMS) 2.2.1.2.3 Camada 1 (camada fsica) Representa o enlace fsico entre MS e BTS, responsvel por estabelecer, liberar e controlar as conexes. As principais funes so : - Controle de potncia; - Definio dos canais fsicos dedicados, ou seja, exclusivos; - Monitoramento da qualidade do sinal durante as chamadas; - Sintonizao das freqncias; - Sincronizao dos quadros TDMA; - Frequency hopping, processo no qual a freqncia reajustada para outro valor; - Criptografia; - Associao entre canais lgicos e fsicos; - Codificao para deteco e correo de erros; - Modulao. A figura abaixo mostra a representao esquemtica em blocos da camada 1.

Note que durante a transmisso pela interface area muito exposta. Perder bits no processo de transmisso seria ento algo muito comum, e isso inviabilizaria o sistema GSM. No entanto, alguns processos foram criados de forma a detectar e corrigir essas perdas. Dois processos so os maiores responsveis pela robustez da interface area GSM : a codificao convolucional e o interleaving. A codificao convolucional um mtodo que duplica o nmero de bits, a fim de se evitar a perda de bits simples. O interleaving um processo semelhante transposio de mensagens, em criptografia. Com uma mensagem seminterleaving, ao se perder uma faixa de dados (processo chamado desvanecimento ou fading), fica difcil remontar a mensagem, pois a faixa de bits seria consecutiva. Com o interlaving a mensagem s enviada aps a transposio. Assim, se acontecer o desvanecimento, quando o processo inverso transposio for executado, os bits perdidos no sero consecutivos, facilitando a correo da mensagem. A figura abaixo ilustra o interleaving.

Existe ainda outra tcnica que aumenta a eficincia do interleaving e da codificao : o salto em freqncia (Frequency Hopping - FH). O FH consiste na mudana da freqncia usada. A MS transmite o ITC em um quadro TDMA, numa freqncia fixa, e no prximo quadro, envia o ITC em outra freqncia. A variao da freqncia segue um algoritmo. O salto em freqncia ocorre, ento, no intervalo de tempo entre um ITC e outro.

2.2.1.2.1.3.1 Modulao GMSK A modulao GMSK, a mais usada no sistema GSM, derivada da modulao MSK. A MSK consiste basicamente em variar a fase do sinal de acordo com o prximo bit da seqncia : se for 1, varia +90, se for 0, varia -90. A figura abaixo mostra a seqncia 111010000 transmitida na modulao MSK. A GMSK suaviza o sinal MSK atravs de um filtro de pr-modulao gaussiano. Cada bit implica na variao da freqncia do sinal, em +67,708 kHz (bit=1) ou -67,708 kHz (bit=0). A sequncia 1110000 aps a modulao GMSK est mostrada na figura abaixo, no diagrama I/Q.

2.2.2 Interface Abis A interface Abis responsvel por interconectar BTS e BSC. Deve possibilitar o uso de BTSs e BSCs de diferentes fabricantes, lembrando que cada BSC controla vrias BTSs. definida como um enlace digital terrestre de 2,048 Mbits/s, com as seguintes caractersticas padronizados : - Parmetros fsicos e eltricos; - Estruturas dos canais; - Processos de transferncia de sinalizao, configurao e controle; - Informaes sobre operao e manuteno. importante saber que a TS formada por dois componentes fsicos, o TRX (Transceiver) e BCF (Base Control Function, funo de controle da BTS). O primeiro consiste em um quadro TDMA de uma portadora de RF, enquanto o segundo controla funes internas da BTS como os saltos em freqncia, a alocao de canais fsico e lgico, etc. A interface Abis pode suportar trs configuraes internas das BTS distintas, conforme figura abaixo : - Um TRX; - Um conjunto de TRX, todas servidas pela mesma conexo; - Um conjunto de TRX, cada TRX com sua prpria conexo fsica. A interface Abis formada por um canal de trfego (8, 16 ou 64 kbits/s), para transportar voz ou dados em um canal de RF, e um canal de sinalizao (16, 32 ou 64 kbits/s), para transportar a sinalizao entre BSC-MS e BSC-BTS.

2.2.2.1 Canais lgicos do enlace de sinalizao Os enlaces de sinalizao transportam informao entre BTS e BSC, de/para os componentes TRX e BCF (ver figura anterior). O endereamento desses componentes feito pelo identificador de terminal (Terminal Endpoint Identifier TEI), para separar informaes entre TRXe BCF, como mostrado na figura abaixo.

- Enlace de sinalizao de RF (Radio Signaling Link RSL) : suporta os procedimentos de gerenciamento de trfego, entre a MS e a rede. nico por TRX; - Enlace de operao e manuteno (Operations and Maintence Link OML) : suporta o gerenciamento de rede, sendo nico por TRX e BCF; - Enlace de gerenciamento da camada 2 (Layer 2 Management Link L2ML) : usado para o gerenciamento da camada 2, tambm nico por TRX e BCF. 2.2.2.2 Modelo de sinalizao Formado por trs camadas, referentes ao modelo OSI : - Camada 3 : gera as mensagens de sinalizao; - Camada 2 - LAPD : garante as informaes transmitidas, detectando e corrigindo erros, executando o alinhamento do enlace, etc; - Camada 1 : prove um meio de transmisso entre BSC e BTS. A figura abaixo mostra o modelo de sinalizao. Algumas mensagens passam da MS para a BSC sem que a BTS realize algum tipo de processamento. Essas mensagens, como CM e MM,

so ditas transparentes. Um flag de transparncia indica se a mensagem ou no transparente (T-flag). A figura abaixo mostra esquematicamente o modelo de sinalizao da camada 3 da interface Abis.

2.2.2.3 Camada 3 (camada de rede) Os procedimentos da camada 3 geram as mensagens de sinalizao entre BSC e BTS. So eles : - Procedimentos de gerenciamento de trfego : geram mensagens de sinalizao sobre o trfego de dados ou voz. Essas mensagens podem ser transparentes (no caso da BTS no alterar o campo da mensagem enviado pela MS) ou no transparente (campo formado entre a BTS e a BSC, resultado de alguma operao na BTS de uma informao vinda da MS); - Procedimentos de gerenciamento de rede : geram mensagens para gerenciar a rede; - Procedimentos de gerenciamento da camada 2 : geram mensagens para gerenciar a camada de enlace de dados (LAPD); - Distribuio do canal no enlace de sinalizao : distribui as mensagens para o canal fsico correto, de acordo com o identificador de enlace.

2.2.2.3.1 Formato da mensagem na camada 3 O quadro da interface Abis formado pelos seguintes campos : - Discriminador de mensagem : indica a transparncia ou no da mensagem, bem como o seu tipo. Define se a mensagem de gerenciamento de recursos de rdio, de canais dedicados, de canal comum ou de TRX. - Tipo de mensagem : indica a funo da mensagem enviada. A tabela abaixo mostra os tipos de mensagem; - Elementos de Informao (Information Elements IE) : informa outros parmetros quando necessrio, sendo assim de comprimento varivel. Um campo chamado Identificador de Elemento de Informao (IEI), que vem no incio do campo IE, indica que tipo de elemento de informao est sendo passado. 2.2.2.4 Camada 2 (LAPD) A camada 2 da interface Abis deve garantir a integridade das informaes de sinalizao transmitidas pelo canal D. Utiliza o protocolo LAPD, formado por procedimentos de camada de enlace de dados, que se baseiam no protocolo de enlace de dados de alto nvel (High level Data Link Control HDLC) padronizado pela norma ISO3309. Os procedimentos adotados pela camada 2 so : - Sinalizao, inclusive as relativas ao servio SMS; - Operao e manuteno; - Gerenciamento da camada 2. Suas principais funes so : - Supervisionar enlaces ininterruptamente, mesmo sem trfego de mensagens;

- Prover enlaces dedicados; - prover enlaces transparentes; - Manter o enlace ativo quando no h mensagens de sinalizao, incluindo informaes de preenchimento; - Controlar a seqncia de mensagens; - Controlar erros, inclusive os no recuperveis por retransmisso da mensagem. 2.2.2.4.1 Formato da mensagem da camada 2 A estrutura da mensagem da camada est representada abaixo.

- Flag : sempre fixo em 01111110, usado para delinear as mensagens; - Campo de endereo (address field) : indica o receptor de um quadro de comando, e o transmissor da resposta; - Campo de controle (control field) : indica o tipo de quadro transmitido, podendo ser quadro de informao, quadro de superviso ou quadro no numerado. O primeiro transmite informaes de forma seqenciada, atravs de nmeros de seqncia em cada mensagem; o segundo controla a transmisso do primeiro tipo, levando o nmero desequencia dos quadros de resposta; o terceiro prove outras funes adicionais aos enlaces, que no necessitem de uma seqncia. - Campo de informao (information) : transporta a mensagem de sinalizao gerada pela camada 3. - Seqncia de verificao de quadro (Frame Check Sequence FCS) : verifica os campos de endereo, de controle e de informao, a fim de detectar e corrigir erros. 2.2.2.5 Camada 1 A camada 1 da interface Abis usa o enlace digital modulado por PCM (Pulse Code Modulation) 2.048 kbits/s, com uma estrutura de quadros de 32 canais. O intervalo de tempo de cada canal (ITC) de 64 kbits/s, como mostra a figura.

2.2.3 Interface A A interface A conecta a BSC MSC. Deve permitir a integrao de BSCs e MSCs de diferentes fabricantes, sendo uma MSC ligada a vrias BSCs. implementada em um enlace PCM de 2.048 kbits/s. A camada 3 oferece procedimentos adicionais para controlar recursos de RF, que utilizam o nvel 4 da Sinalizao por Canal Comum Nmero 7 (SCC#7, ver tpico Protocolos GSM). usado, nesse nvel, o subsistema de controle de conexo de sinalizao (Signaling Connection Control Part SCCP) para transportar mensagens. A camada 2 baseada nos nveis 2 e 3 da SCC#7 (ver protocolos GSM), usando o subsistema de transferncia de mensagens (Message Transfer Part - MTP). A camada 1 tem a mesma padronizao do nvel 1 do MTP. As funes da interface A so: - Gerenciar o circuitos; - Gerenciar o BSS, alocando, liberando e controlando os canais de RF; - Gerenciar a mobilidade, localizando o assinante, executando o handover, etc; - Controlar as chamadas; - Oferecer os servios suplementares, como chamada em espera, transferncia de chamadas, etc. O modelo de sinalizao da interface A est representado abaixo.

O subsistema de aplicao do sistema de estao base (Base Station System Application Part BSSAP) uma aplicao do SCCP usado para transferir mensagens da camada 3 relacionadas a transao de dados. dividido em duas aplicaes, o subsistema de gerenciamento de aplicaes do BSS (BSS Management Application Part BSSMAP) e subsistema de transferncia direta de aplicaes (Direct Transfer Application Part - DTAP). O BSSAP realiza os seguintes procedimentos : - Mensagem inicial da MS; - Atualizao da classe de potncia; - Busca da MS; - Desconexo; - Controle de fluxo; - Indicao de recursos; - Indicao, alocao e execuo do handover; - Controle do modo de criptografia; - Bloqueio de circuitos; - Alocao de canais. A aplicao DTAP transfere mensagens direto da MSC para a MS. A BSS, portanto, no interpreta essas mensagens (so ditas transparentes). So mensagens de controle de chamadas (CC) e gerenciamento de mobilidade (MM). A aplicao BSSMAP transfere mensagens da MSC para a BSS que precisam de interpretao da SS.

2.2.3.1 Camada 3 O formato das mensagens depende da aplicao que processa a informao, como mostrado na figura abaixo. 2.2.3.1.1 Formato das mensagens BSSMAP A figura abaixo mostra o formato dessa mensagem .

- Campo de discriminao (discrimination) : Um octeto de valor 0, indicando que as mensagens no so transparentes; - Campo indicador de comprimento (LI) : Indica o tamanho do campo elemento de informao (IE), medido em octetos; - Campo elemento de informao (Information Elements IE) : formado por dois campos, onde o primeiro indica o tipo de mensagem (Message Type), e o segundo a prpria mensagem (Message Contents). 2.2.3.1.2 Formato das mensagens DTAP Os campos das mensagens DTAP so : - Campo de discriminao (discrimination) : Um octeto de valor 1, indica que a mensagem transparente; - Campo identificador de conexo do enlace de dados (Data Link Connection Identifier DLCI) : um octeto que indica o tipo de conexo de enlace de dados a ser usado na interface de RF. - Campo indicador de comprimento (Lenght Indicator LI) : Um octeto que indica o comprimento do campo elemento de informao (Information Element), medido em octetos; - L3 Message : mensagens de sinalizao CM, MM ou SMS (ver Protocolos da interface area) 2.2.3.1.2 Formato das mensagens SCCP O SCCP prov conexo aplicao BSSAP, orientada ou no conexo. No servio orientado conexo, em um primeiro momento a conexo alocada, entre origem e destino (representado por a na figura), para que os dados possam ser transmitidos. Logo aps a transmisso terminar, feita a desconexo (b).

No servio no orientado conexo, o pacote leva o endereo completo do destino. O formato das mensagens SCCP est descrito abaixo :

- Endereo do roteamento do subsistema MTP (MTP routing label) : carrega informaes necessrias ao roteamento das mensagens pelo subsistema MTP. formada pelos campos SIO e SIF, que contm informaes sobre o servio e sobre os locais de origem e destino, respectivamente; - Parte fixa obrigatria (Mandatory fixed part) : um campo obrigatrio, relacionado a cada tipo de mensagem particular. Constitudo por vrios parmetros, cada parmetro tem um nome, representado por um octeto, e o contedo, de comprimento fixo; - Parte varivel obrigatria (Mandatory variable part) : anlogo parte fixa obrigatria, com a diferena que o contedo tem comprimento varivel; - Parte opcional (Optional part) : indica parmetros para certos tipos de mensagens. Essa parte opcional, pois nem todos os tipos de mensagem exigem-na. Consiste no nome do parmetro opcional, o comprimento dele e o prprio contedo do parmetro; - Campo cdigo do tipo de mensagem (Message type code) : um octeto que define a funo e o formato dcada origem. 2.2.3.2 Camada 2 Formada pelas camadas 2 e 3 do subsistema MTP. A figura abaixo ilustra a interface A, destacando a camada 2.

Camada 2 da interface A. As funes do MTP so divididas em : - MTP nvel 1 : enlace de dados de sinalizao; - MTP nvel 2 : enlace de sinalizao; - MTP nvel 3 : rede de sinalizao. Atravs do nvel 3 do MTP, a interface A: - Trata as mensagens de sinalizao : para uma transferncia de mensagens, endeream a mensagem ao enlace de sinalizao; - Gerencia a rede de sinalizao : tendo uma base de dados preestabelecidos e informaes sobre o estado da rede, controla o caminho das mensagens e a configurao da rede. Caso haja mudana no estado da rede, tambm reconfigura o que for necessrio. Atravs do nvel 2 do MTP, a interface A: - Delimita as mensagens; - Detecta e corrige erros; - Executa o alinhamento inicial das mensagens; - Supervisiona erros no enlace de sinalizao; - Controla o estado do enlace; - Controla o fluxo de informao. 2.2.3.3 Camada 1 formada pelo nvel 1 do MTP que define as caractersticas fsicas e funcionais do enlace de dados de sinalizao e o meio pelo qual pode-se acess-lo. A funo do nvel 1 do MTP permitir o acesso ao enlace de dados de sinalizao. composto

por canais de transmisso, que carregam informaes, e blocos de comutao digital, que fazem a interface com o nvel 2. 2.3 Protocolos GSM O sistema GSM utiliza a idia de camadas de protocolos, no qual um processo tratado por uma seqncia de protocolos, cada um em um nvel hierrquico. A figura abaixo ilustra os protocolos do modelo de sinalizao da rede GSM.

2.3.1 Sinalizao por canal comum nmero 7 (SCC#7) Com a evoluo tecnolgica dos sistemas de telefonia, as redes telefnicas passaram a implementar processamento distribudo, usando as centrais controladas por programa armazenado (CPA), e meios digitais de transmisso. Esse processamento exigiu sinalizao de maior eficincia, que pudesse ampliar a comunicao entre os ns e acrescentar novos servios, como integrar s outras redes, principalmente a Rede Digital de Servios Integrados (RDSI) e rede telefnica pblica. Surgiu a tcnica, ento, de se criar um novo canal exclusivo para a sinalizao, para executar processos de sinalizao em um canal, e de transmisso de voz e dados por outro canal. Esse canal de sinalizao chamado nmero 7, e padronizado internacionalmente de forma que: - Otimize operaes em redes digitais, suportando aplicaes com diversas outras redes (RDSI, redes de bancos de dados, etc);

- Satisfaa as necessidades atuais e futuras de transferncia de informao ligadas sinalizao de vrios processos; - Seja robusto, protegido de distrbios de transmisso e falhas na rede. Com a criao desse canal, a rede foi dividida em duas redes : - Rede de sinalizao, para toda a movimentao de sinalizao, necessria para implementar as conexes; - Rede de conexo de circuitos, para transportar dados e voz. A figura abaixo esquematiza essas redes:

A fim de se obter um sistema flexvel, o sistema de sinalizao por canal foi dividido em dois subsistemas : o subsistema de transferncia de mensagem (Message Transfer Part MTP) e o subsistema de usurios (User Part UP). 2.3.1.1 MTP O MTP tem a funo de estabelecer um caminho de comunicao de sinalizao que interligasse os diversos subsistemas de usurios que necessitam de sinalizaes uns dos outros. , portanto, comum a todos os subsistemas de usurios. O MTP dividida em trs nveis : - Nvel 1 : Camada fsica, responsvel pela padronizao das caractersticas fsicas e funcionais do enlace de dados de sinalizao, e o meio para acess-lo. O meio de transmisso digital tem taxa de transmisso de 64 kbits/s; - Nvel 2 : Camada de enlace, que garante a integridade do enlace usado na comunicao. Corrige e detecta erros, delimita as mensagens, controla a seqncia das mensagens enviadas, entre outros; - Nvel 3 : Camada de rede, que trata as mensagens de sinalizao, encaminhando-as para o destino certo, e gerencia a rede, garantindo que os caminhos possam ser traados da origem ao destino.

2.3.1.2 UP (nvel 4) Define funes especficas para cada tipo de usurio, como telefonia, dados, RDSI, ou outros. Cada tipo de usurio tem suas particularidades, tendo que ser tratado por protocolos diferentes ao integrarem-se rede. Abaixo a figura ilustra os subsistemas de usurios. - Subsistema de usurio para a rede digital de servios (Integrated Service Digital Network User Part ISUP) : Integra a rede RDSI rede GSM; - Subsistema de aplicao do sistema de estao base (Base Station System Application Part BSSAP) : conecta a BSS MSC; - Subsistema de aplicao da capacitao de transaes (Transaction Cpabilities Application Part TCAP) : oferece servios no orientados conexo; - Subsistema de controle de conexo de sinalizao (Signaling Connection Control Part SCCP) : fornece funes adicionais ao MTP para servios orientados ou no conexo (veja o tpico Camada 3 da interface A). 2.3.2 Protocolo de gerenciamento da estao transceptora base (Base Transceiver Station Management BTSM) Responsvel pelo tratamento de mensagens de recursos de rdio (Radio Resources RR), que podem ser transparentes BTS. 2.3.3 Procedimentos de acesso a enlaces no canal D (LAPD) O procedimento de acesso a enlaces no canal D (Link Access Procedures on the D-channel LAPD) o protocolo usado na camada 2 para transportar mensagens Abis. usado na rede RDSI. Mais detalhes no tpico Interface Abis. 2.3.4 Procedimentos de acesso a enlaces no canal D modificado (LAPDm) O LAPDm (Link Access Procedures on the D-channel modified) usado para transportar mensagens da interface area. uma variao do LAPD adaptada para transportar sinais de RF pelos canais da interface area (Um).

3 Tecnologia GPRS Com a evoluo da internet, os usurios de telefones mveis no ficariam satisfeitos apenas com a telefonia celular. Querem tambm passar e-mails, receber informaes, e outros servios oferecidos pela internet. Querem, em suma, acessar a internet atravs do celular. O problema que a segunda gerao de celulares preparou-se para oferecer telefonia digital, mas no para acessar internet. A internet transporta dados por pacotes, atravs do protocolo IP e para que a rede mvel seja adaptada internet, preciso que os dados sejam organizados tambm em pacotes. Foi criada ento a tecnologia GPRS (General Packet Radio Services), cuja essncia possibilitar o trfego de dados por pacotes para que a rede de telefonia celular possa ser integrada internet. O sistema GSM com o GPRS integrado recebeu o nome de gerao 2.5G, que foi uma evoluo essencial nas telecomuniucaes.

3.1 Comutao de circuitos X comutao de pacotes A comunicao atravs de comutao de circuitos feita basicamente da seguinte forma : uma conexo entre as duas entidades comunicantes alocada, de forma a estar sempre disponvel; a comunicao feita, ento, de forma ininterrupta. A comunicao por comutao de pacotes diferente : a origem envia uma informao para a rede dentro de um pacote, que leva o endereo de destino no seu cabealho. O pacote ento transmitido pela rede, que responsvel por escolher o melhor caminho at o destino. A internet baseada na comutao de pacotes, enquanto o sistema GSM foi inicialmente estruturado na forma de comutao de circuitos. A rede GPRS tem o objetivo de se comunicar por comutao de pacotes com a rede GSM. Os outros componentes da rede GSM, implementados na gerao 2G, continuaram utilizando a comutao de circuitos. A figura abaixo representa a comutao de circuitos e de pacotes na rede GSM:

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

As principais modificaes foram : - MS : as MSs da gerao 2G no conseguem acessar o sistema de comutao por pacotes. As novas MSs so totalmente compatveis com o sistema de comutao de circuitos; - BTS : Atualizao de software nas BTSs existentes; - BSC : Atualizao de software e instalao de hardware novo, chamado PCU (Packet Control Unit unidade de controle de pacote), que direciona o trfego de dados para a rede GPRS; - SGSN e GGSN : novos elementos de rede, chamados servidor do n de suporte GPRS (Serving GPRS Support Node SGSN) e Gateway do n de suporte GPRS (Gateway GPRS Support Node - GGSN); - VLR, HLR, AuC, EIR e demais bases de dados : atualizao do software que fornea as funes do GPRS. 3.2.1 Novos elementos e servios 3.2.1.1 Unidade de controle de pacote (Packet Control Unit - PCU) Todos os BSCs exigem a instalao de um PCU para se integrarem rede GPRS. Os PCUs organizam os dados vindos da BSC em pacotes e transportam-no at o servidor do n de suporte GPRS (SGSN). O trfego de voz continua sendo tratado como na gerao 2G, ou seja, do BSS at a MSC. 3.2.1.2 Servidor do n de suporte GPRS (Serving GPRS Support Node SGSN) Tal como a MSC era o corao de uma rede GSM, o SGSN o corao da rede GPRS. Em ltima anlise, o advento do GPRS dividiu o trfego de voz e dados (que era junto, no sistema GSM) em trfego de voz, que continua sendo tratado como antes, e trfego de dados, tratado pela nova arquitetura GPRS. As funes do SGSN so : - Deteco de novos usurios GPRS na rea de servio; - Registros de novos usurios; - Criptografia, com os mesmo algoritmos da rede GSM 2G; - Manuteno dos registros de localizao dos usurios na rea de servio; - gerenciamento de mobilidade; - Compresso dos dados de acordo com a RFC 1144, para comprimir o cabealho das unidades de dados TCP/IP; - Tarifao das transaes na rede local; - Comunicao com o HLR, para obter dados dos usurios GPRS (da mesma forma que a MSC, na gerao 2G). 3.2.1.3 Gateway do n de suporte GPRS (Gateway GPRS Support Node GGSN) Prov a conexo com as redes de pacotes externas. As principais funes so : - Manter informaes de roteamento para entregar as unidades de protocolo de dados (Protocol Data Unit PDU) ao SGSN que serve uma determinada MS; - Associar endereos de rede aos assinantes, o que feito atravs do protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol protocolo de configurao dinmica de host); - Tarifar as transaes feitas na rede externa.

Quando um usurio tenta acessar a rede, o servidor DHCP aloca um IP por um intervalo de tempo determinado, o que chamado atribuio dinmica de endereo IP. 3.2.1.4 Servio Nome do ponto de acesso (Access Point Name - APN) Basicamente, APNs so endereos IP associados a cada interface externa que conecta a rede ao GGSN. So usados para definir quais servio podem ser acessados por um certo usurio. Consiste de: - Identificador de rede APN (Network ID) : identifica o GGSN e o n externo ou servio ao qual o usurio deseja se conectar; - Identificador da operadora APN (Operator ID) : campo opcional que identifica em qual rede backbone GPRS o GGSN est localizado. Inclui o cdigo da rede mvel (Mobile Network Code MNC) e o cdigo mvel do pas (Mobile Country Code MCC), derivados do IMSI (ver tpico Identidades de um usurio em um sistema GSM). 3.2.2 Interfaces As interfaces do sistema GPRS esto esquematizadas na figura que mostra a arquitetura GPRS, e descritas na tabela abaixo. 3.2.3 Redes backbone GPRS As redes backbone GPRS transportam dados por pacotes entre os elementos GPRS. Uma rede backbone intra-PLMN transporta dados entre elementos de uma mesma PLMN, enquanto as redes inter-PLMN transportam pacotes entre PLMNs distintas. Sua principal utilidade eliminar a necessidade de usar alguma PDN para realizar a comunicao entre elementos de uma PLMN (intra PLMN) ou entre PLMNs distintas (inter PLMN).

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

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

3.2.4.2 Camada LLC O protocolo de controle de enlace lgico (Logical Link Control LLC) opera na interfaces area e Gb, para prover o enlace entre MS e SGSN. Suas funes so : - Encapsular dados da camada SNDCP em unidades tratadas pelo LLC; - Entregar os dados da camada RLC SNDCP na ordem certa; - Criptografar; - Controlar o fluxo de dados e a seqncia de pacotes; - Detectar e corrigir erros. 3.2.4.3 Camadas RLC/MAC A camada de protocolo de controle de rdio (Radio Link Control RLC) segmenta os quadros LLC em blocos RLC, associando um nmero de seqncia por bloco (Block Sequence Number BSN). A camada de protocolo de acesso ao meio (Medium Access Control MAC) trata os diferentes canais lgicos a serem compartilhados por vrias MSs. Sua principal funo definir como deve ser feito o acesso ao meio, o que corresponde funo da camada de enlace do modelo OSI. Prov tambm mecanismos que evitam colises de dados por pacotes no enlace reverso, o que acontece quando vrias MSs enviam pacotes para uma mesma BTS. 3.2.5 Canais lgicos O canal fsico dedicado ao servio GPRS, portanto, destinado ao transporte de dados por

pacotes, o canal de dados por pacotes (Packet Data CHannel PDCH). Os canais lgicos so divididos em trs grupos : - Canais de controle comum de pacote (Packet Common Control CHannel PCCCH); - Canais de trfego de pacote (Packet Traffic CHannel PTCH); - Canais dedicados de controle de pacote (Packet Dedicated Control CHannels PDCCH). A figura abaixo ilustra os canais lgicos da arquitetura GPRS.

Grupo de canais de controle comum de pacote (Packet Common Control CHannel PCCCH) : formado por canais lgicos de sinalizao, usados por todos os usurios, e no de forma dedicada. Os canais so : - Canal de acesso randmico de pacote (Packet Random Access CHannel PRACH) : atua no enlace reverso para que a MS sinalize o incio do envio da informao; - Canal de busca de pacote (Packet Paging CHannel PPCH) : atua no enlace direto, para buscar uma MS e pedir dela um pacote; - Canal de permisso de acesso de pacote (Packet Access Grant CHannel PAGCH) : atua no enlace direto, para estabelecer a transferncia de um pacote para a MS; - Canal de notificao do pacote (Packet Notification CHannel PNCH) : atua no enlace direto, para enviar uma informao em multicast para um conjunto de MSs; - Canal de controle broadcast de pacote (Packet Broadcast Control CHannel PBCCH) : atua no enlace direto, para enviar em broadcast informaes especficas sobre o sistema. Grupo de canais de trfego de pacotes (Packet Traffic CHannel PTCH) : formado por canais de trfego. O canal de trfego chamado canal de trfego de dados por pacote (Packet Data Traffic CHannel PDTCH), que dividido em dois canais unidirecionais, o PDTCH/U (Uplink), que envia pacotes no enlace reverso, e o PDTCH/D (Downlink), que envia pacotes no enlace direto. Grupo de canais dedicados de controle de pacotes (Packet Dedicated Control CHannels PDCCH) : formado por canais lgicos que transportam informao de sinalizao para uma MS especfica. Os canais so :

- Canal associado de controle de pacote (Packet Associated Control CHannel PACCH) : leva informao de sinalizao relacionada a uma determinada MS, como controle de potncia, por exemplo; - Canal de controle de avano de tempo de pacote do enlace reverso (Packet Timing advance Control CHannel/Uplink PTCCH/U) : canal do enlace reverso, usado para estimar o avano de tempo de uma MS especfica, para transferncia de pacotes. Esse avano varia com a variao da distncia da MS BTS; - Canal de controle de avano de tempo de pacote do enlace direto (Packet Timing advance Control CHannel/Downlink PTCCH/D) : leva informaes sobre avano de tempo, da BTS para vrias MSs. Cada PTCCHD/D est, portanto, relacionado a vrios PTCCH/Us. Note que alguns canais lgicos GPRS possuem a mesma funes de outros canais da rede GSM, mas adaptados para a transferncia de dados por pacotes. A seguir, alguns canais GPRS e os GSM correspondentes: PRACH e RACH, PPCH e PCH, PAGCH e AGCH, PNCH e NCH, PBCCH e BCCH. Dependendo da configurao da rede, os canais de controle GPRS podem ser substitudos pelo seu equivalente GSM. 3.2.5.1 Mapeamento dos canais lgicos nos canais fsicos Os canais lgicos PDCH so implementados no canal fsico atravs da estrutura de multiquadro, de 52 quadros. A estrutura de um multiquadro est representada abaixo, onde os blocos de rdio carregam o canal lgico. A operadora pode especificar quais canais lgicos sero transportados em cada bloco.

4 Tecnologia EDGE A tecnologia EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) caracteriza a gerao 2.75G, posterior 2G ou 2.5G. Sua principal funo aumentar a eficincia do sistema GPRS, motivo pelo qual tambm conhecida como GPRS Melhorado (Enhanced General Packet Radio Services EGPRS). As principais diferenas em relao rede GPRS so : - Protocolos de acesso interface Um com novas facilidades; - Modulao 8-PSK (8-state Phase Shift Keying); - Novos procedimentos de codificao de canal. 4.1 Arquitetura EDGE A rede EDGE idntica GPRS, exceto pela interface area. Apenas a MS e a BTS sofrem mudanas com o sistema EDGE, portanto. Essas mudanas visam suportar, principalmente, a modulao 8-PSK e os novos tipos de codificao. A interface area EDGE suporta as interfaces GSM e GPRS. 4.2 Modulao 8-PSK A tecnologia EDGE utiliza as modulaes GMSK, parte da GSM, e 8-PSK. A ltima um novo esquema de modulao que usa 8 smbolos, definidos por 3 bits. A GMSK utiliza 1 bit, podendo gerar 2 smbolos diferentes. A importncia dessa modulao transmitir dados trs vezes mais rpido que na GMSK, que transmitia a 270,833 kbits/s. A 8-PSK transmite, portanto, a 812,45 kbits/s. 4.3 Codificao do canal O sistema EDGE utiliza nove esquemas de codificao do canal de voz. Cinco deles usam a modulao 8-PSK e os outros, a modulao GMSK. Os diferentes modos de se codificar os canais so, a verdade, otimizaes visando a diminuio de erros e o aumento da taxa de transmisso de dados. Com esses esquemas novos, a mesma tecnologia GPRS teve seu desempenho melhorada em larga escala. A figura abaixo compara alguns parmetros entre GPRS e EDGE.

4.4 Principais diferenas entre as tecnologias GSM, GPRS e EDGE As principais diferenas entre essas fases da segunda gerao de celulares est no transporte de dados e nas taxas de transmisso requeridas por cada um. A figura abaixo compara, resumidamente, GSM, GPRS e EDGE.

5 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) Em 1989, a Unio Internacional de Telecomunicaes (ITU, em ingls) divulgou atravs de um documento a viso para os sistemas de celulares futuros, chamados de terceira gerao, 3G. Essa viso chamou-se IMT-2000 (International Mobile Telephony 2000) e, aps ser divulgada, deu incio a uma corrida para que fosse projetado um sistema que atingisse s suas necessidades. Um aspecto inter