O documento descreve as principais tecnologias das redes móveis da segunda geração (2G), incluindo o sistema GSM. Detalha os conceitos básicos de propagação de sinal, antenas, modulação e codificação de voz utilizados no GSM. Explica também a arquitetura e operação básica das redes GSM.

1. Telecomunicações das Redes Móveis
(2G)
Justino Lourenço – jlourenco007@gmail.com

2. Bibliografia do Curso
• « An Introduction to Gsm » S.M. Redl, Artech House 
• IEEE Spectrum, www.spectrum.ieee.org 
• « Réseaux GSM-DCS » X. Lagrange, Hermes 
• « Le téléphone Radiocoms », R.C Hozé, Dunod 
• www.techonline.com, 
• « GSM towards 3rd generation » by Zvonar, Kluwer
• « Digital Modulation techniques », F. Xiong, Artech House
• World Radiocom Conference

3. História da Telecomunicações

4. Conceitos Introdutórios
Comunicação Analógica vs. Digital
Bit
BER
Sinal
Ruído
Interferência
Relação S/N

5. Largura de Banda

6. Características do Meio
•Canal Partilhado;
•BER mais elevado;
•Dependência das condições atmosféricas;
•Dependência das condições geográficas

7. Redes Celulares ?
Pq uma célula de comunicação?
– Reutilização
– Capacidade

8. Tipos de Serviços
• Os serviços de comunicações móveis incluem:
 telemensagens (paging);
 telefone sem fios;
 rádio móvel privado (trunking);
 comunicações celulares;
 informação e controle de tráfego, e orientação de rotas;
 sistemas de dados via rádio;
 multimédia e vídeo-telefonia móvel;
 Serviços baseados em posição.

9. Tipos de Serviços
Os serviços podem ser classificados de acordo com
o tipo de ligação:
• difusão: a informação é enviada por um centro,
podendo ser recebida por vários utilizadores;
• ponto-a-ponto: a informação é enviada, ou
trocada, entre dois utilizadores;
• ponto-a-multiponto: a informação é enviada, ou
trocada, entre um utilizador e um grupo de utilizadores.

10. Tipos de Serviços
Os sistemas podem ser classificados quanto ao
modo de comunicação:
• bidireccional:
___ simplex: um canal
___ duplex: dois canais com utilização simultânea
___ alternado: dois canais sem util. simultânea
• unidireccional:
___ base  móvel
___ móvel  base

11. Bandas de Frequência
Em VLF efectuam-se os serviços de telegrafia
com os submarinos submersos.
• As comunicações a distâncias longas entre
navios e estações costeiras são feitas em LF.
• Em MF fazem-se as comunicações móveis
aeronáuticas, marítimas e terrestres a distâncias
médias.
• Alguns serviços móveis terrestres, marítimos e
aeronáuticos a distâncias grandes são realizadas
em HF.

12. Bandas de Frequência
A banda de VHF é usada para os serviços móveis
terrestres, marítimos e aeronáuticos em distâncias
médias/pequenas, além dos telefones sem fios e
dos serviços de telemensagem.
Os serviços de comunicações celulares (distâncias
pequenas), bem como os serviços móveis
marítimos via satélite, são efectuados em UHF.

13. Comunicações Móveis
Terrestres
Actualmente usa-se a banda [70, 2 200] MHz
para
os serviços móveis de fonia, dados e mensagem,
devido a:
• características de propagação;
• tamanho e tipo de antenas;
• facilidade de fabrico de equipamento.
• A tendência é para usar bandas de frequência
mais
elevadas no futuro.

14. Comunicações Móveis
Terrestres
A propagação na banda VHF/UHF caracteriza-se
por:
• ser quase independente da polarização, e das
propriedades electromagnéticas do solo;
• se fazer essencialmente por raios directo e
reflectido;
• ser influenciada pela presença de obstáculos;

15. Propagação VHF/UHF
• ser pouco sensível à refracção na
atmosfera;
• ter um alcance aquém do rádio horizonte;
• não sofrer perturbação pelos gases
atmosféricos e hidrometeoros.

16. Comunicações Móveis
Terrestres
As antenas são, geralmente, dipolo,
monopolos, ou elementos impressos:
• isolados para os terminais móveis;
• em agregado para as estações base.

17. Diferenças com Outros
Serviços
Nos serviços fixos:
• pode escolher-se o percurso de modo a minorar
alguns dos problemas de propagação;
• as antenas são sempre directivas, e colocadas em
linha de vista;
• o desvanecimento é muito menos importante.

18. Cenários de Inter-ligação
Exemplo de Ligações no GSM
FWA Link Atmosférico
iMac

19. Diferenças com Outros
Serviços
Nos serviços de difusão:
• a comunicação é unidireccional;
• a cobertura é conseguida com um número
relativamente baixo de emissores;
• a localização dos receptores pode ser
escolhida.

20. Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares

21. Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
A 1ª geração caracterizou-se por usar
tecnologia analógica e transportar apenas
voz.
• A 2ª geração usou tecnologia digital, e
permite transportar dados, embora tenha
sido dimensionada para voz.

22. Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares
• A 3ª geração, de tecnologia digital, é
dimensionada para dados e multimédia.
• A 4ª geração, de tecnologia digital, para
dados e multimédia, diferencia-se por ...?

23. Cronologia no GSM

24. GSM - Aparecimento
GSM começa em 1982, quando a
Conference of European Posts and
Telegraphs (CEPT) forma um grupo
de trabalho chamado de Groupe
Spécial Mobile (designação inicial de
GSM).

25. Objectivos do GSM
Boa qualidade de voz;
Baixo custo dos terminais e serviços;
Suporte para International Roaming;
Capacidade de integração em terminais portáteis;
Suporte para o desenvolvimento de novos serviços;
Eficiência Espectral;
Compatibilidade ISDN / RDIS

26. Evolução do GSM
Em 1989 a responsabilidade sobre o GSM passou
para European Telecommunication Standards
Institute (ETSI) e as recomend. Fase 1 aparecem em
1990.
Em 1991 aparece a especificação para Digital
Cellular System (DCS1800).

27. Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares

28. Evolução dos Sistemas de
Comunicações Celulares

29. Limitações do 2G - GSM

30. Crescimento nas Redes Móveis

31. Crescimento nas Redes
Fonte: Nortel 2003

32. Evolução

33. Evolução da Largura de Banda

34. Evolução das Redes Móveis

35. Tecnologias Wireless

36. GSM em Portugal

37. Espectro

38. Aspectos Básicos de
Propagação
Parte II

39. Modelos de Propagação

40. Potência

41. Antenas

42. Definições

43. Definições de Antenas

44. Antena Omni-Direccional

45. Antena Direccional

46. Antenas Sectorizadas

47. Ganho de uma antena

48. Abertura e Directividade

49. Antenas GSM

50. Relações Gerais

51. Relações Gerais

52. Propagação em Espaço Livre

53. Propagação em esp. livre

54. Propagação para Dist. Reduzidas

55. Propagação em “Terra Plana”

56. Propagação em “Terra Plana”

57. Propagação em “Terra Plana”

58. Aproximações

59. Propagação em “Terra
Plana”

60. Propagação em “Terra
Plana”

61. Propagação em “Terra
Plana”

62. Endereçamento em GSM
GSM permite distinguir as entidades:
– Utilizador
– Equip. Móvel
Identificadores utilizados:
– IMEI, IMSI, MISDN and LAI

63. Endereçamento em GSM
International Mobile Station Equipment Identity - IMEI
– Número de série que identifica internacionalmente o terminal
móvel.
– Pedido pela rede no momento do registo e contêm:
• Type Approval Code (TAC): 6 dígitos decimais;
• Final Assembly Code (FAC): 6 dígitos decimais;
• Serial Number (SNR): 6 dígitos decimais;
• Spare (SP): 1 digito decimal.
– IMEI = TAC + FAC + SNR + SP (19 digits)

64. Endereçamento em GSM
International Mobile Subscriber Identity - IMSI
– Identificador único armazenado no SIM;
– MS apenas opera se o SIM tem um IMSI valido;
– MS apenas opera se tiver um IMEI valido;
– Contempla os dados:
• Mobile Country Code (MCC): 3 dígitos decimais
• Mobile Network Code (MNC): 2 dígitos decimais
• Mobile Subscriber Identification Number (MSIN): 10 dígitos
decimais
IMSI = MCC + MNC + MSIN (15 dígitos)

65. Numeração em GSM
Mobile Subscriber ISDN Number - MSISDN
– Número real do cliente;
– Armazenado na HLR e associado ao IMSI
– Garante a confidencialidade do IMSI, contempla:
• Country Code (CC): até 3 dígitos decimais
• National Destination Code (NDC): tipicamente 2/3 dígitos decimais
• Subscriber Number (SN): Máximo de 10 dígitos decimais
– MSISDN = CC + NDC + SN

66. OSI

67. Nível 1 - Especificação

68. Especificação – Nível 1

69. Especificação – Nível 1

70. Células

71. Exemplo de Segmentação

72. Detecção de Canal Livre

73. Comunicação bidireccional

74. Transmissão vs Recepção

75. TDMA
Utilizador recebe fatia temporal – slot;
Vários slots originam trama;
Entre distintas tramas é deixado um tempo de
guarda para minimizar crosstalk entre canais.

76. Trama TDMA

77. TDMA em GSM

78. Salto em Frequência

79. Selectividade

80. Voz em GSM
Voz em GSM é codificada digitalmente
à taxa de 13 kbps- full-rate speech
coding.
Os 13 kbps (260 bits cada 20 ms)
têm forward error correction
adicionado por um encoder
convolucional.

81. Voz em GSM
Depois da codificação do canal
chegamos a 22.8 kbps (ou 456 bits
cada 20 ms);
456 bits são divididos em 8 blocos de
57 bits;
As tramas são entrelaçadas e
transmitidas (Burst Errors).

82. Voz em GSM
Cada trama de 57 bit é adicionada uma sequencia
de treino (26 bit) para a equalização;
De seguida utiliza-se a modulação Gaussian
Minimum Shift Keying (GMSK) numa portadora de
200 kHz.

83. Sequência de Treino

84. Amostragem de Voz

85. Amostragem Temporal de Voz

86. Compressão

87. Compressão de Voz

88. Encriptação em GSM

89. QPSK em GSM

90. Geração do QPSK

91. Modulação GMSK
Gaussian Modulated Shift Keying (GMSK)
Objectivo:
– Suavizar as transições, logo reduzir a largura de banda
ocupada.

92. Recepção do sinal

93. Receptor - Detalhe

94. Detalhe de um Telemóvel GSM

95. Detalhe de um Telemóvel GSM

96. Modulo SIM

97. Modulo SIM
 Autenticação no acesso à rede;
 Geração da chave de encriptação;
Armazenamento seguro de chaves e
números telefónicos.

98. Novas Funcionalidades
Personalização dos telemóveis:

Nome da operadora

Armazenamento in SIM para display no ME

3 Volt Technology SIM

Especificação (GSM 11.12)

Número de serviço específicos da operadora.


99. Novas Funcionalidades
SIM Application Toolkit

 SIM data download
 Proactive SIM
Barramento de chamadas

SIM Test Specification

 new specification (GSM 11.17)
Support of Universal Coding Scheme 2
(UCS2)
 Suporte dos vários caracteres dos vários idiomas

100. SIM Standards
GSM 02.17 GSM 11.10 Clause 27
SIM Functional Characteristics
Testing of the SIM/ME Interface
GSM 11.11 GSM 11.14
Specification of the SIM/ME I/F
The SIM Application Toolkit
GSM 09.91 GSM 11.17 to come
Interworking aspects of the SIM/ME I/F
SIM Test Specification
between Phases 1 and 2
GSM 11.12 GSM 02.48 to come
Security Requirements for the SIM Toolkit
3V SIM/ME Interface

101. SIM Application Toolkit
Conjunto de ferramentas que permitem ao
operador a diferenciação de serviços
disponibilizados via SIM, e com
capacidade de serem utilizados em
qualquer terminal móvel.

102. Capacidade dos SIM Toolkit
Fornece um caminho directo de comunicação
da rede para o SIM, e vice versa,
Rede Móvel SIM
E.x. Administração remota da SIM Data

103. Aplicações
Banco online

104. Ferramentas de Segurança
Necessidade de comunicação segura entre o móvel e
a rede!
Autenticação
Integralidade
Detecção de resposta
Detecção de execução da acção
Confidencialidade

105. Arquitectura do GSM

106. Arquitectura do GSM

107. Arquitectura GSM

108. Distribuição Geog. das BTS

109. Soluções de Cobertura em GSM

110. Roll – out
Objectivos: Criar uma rede de comunicações
adequada e fiável:
– Exigências geográficas;
– Exigência demográficas;
– Perspectiva de evolução do tráfego;

111. Cobertura em GSM
•Problemas principais:
Atenuação e atraso na propagação
Espectro Rádio limitado
Capacidade de reutilização

112. Soluções para os problemas
–Controlo de potência transmitida
•Redução da Interferência.
–Frequency hopping
•Melhor qualidade de transmissão
•Melhora a relação diversidade da interf. versus efic. espectral
–Transmissão descontinua
•Reduz risco de interferênci
–Mobile Assisted HandOver (MAHO)
•Algoritmo que minimiza a interferencia gerada pela chamada.

113. Gestão dos recursos Rádio
Características dos Canais:
– Alocação dinâmica de canais
– Broadcast channels para todos os terminais móveis
– Dedicated channels para um determinado terminal móvel
Estados do equipamento móvel:
– Idle mode: mobile station (MS) escuta os broadcast channels; mas não tem
nenhum canal alocado.
– Dedicated mode: Um canal bi-direccional é alocado ao MS permitindo a troca
ponto-a-ponto de informação e sinalização com a rede.

114. Consequências da Mobilidade
Gestão da Localização:
– A localização do MS é mantida actualizada em tempo real;
– As células são agrupadas em Location Area (LA)
– Cada célula pertence a uma e a só uma LA
– Enquanto a MS muda de célula:
• Não há actualização quando as células pertencem à mesma LA
• Existe actualização quando as células envolvidas pertencem a LA diferentes.

115. Consequências da Mobilidade
Handover:
– Capacidade de transferência de uma chamada entre células vizinhas sem
ocorrer uma queda da chamada;
– Exige de alguma forma a tomada de uma decisão
• Medidas de intensidade de sianal
• Histerese na comutação
– Requer a disponibilidade de comutação inter-célula.

116. Consequências da Mobilidade
Capacidade de receber / efectuar chamadas noutras redes
GSM
Exigências Administrativas:
– Acordo de taxação entre diferentes operadores, etc…
Exigências Técnicas:
– Transf. chamadas, partilha de info do subscritor, info localização, etc
– Interface de acesso comum.
– Exigências de Hardware de MS idênticas.

117. Handoff em GSM
Rede Segmentada em Células, logo como resolver:
– Travessia inter-célula;
– Quando comutar de célula?
– Comutação com sucesso?
– Evitar drop-call...

118. Tipos de Handoff em GSM
Tipos
– Intracell
– Inter-Cell com a mesma BSC
– Intra MSC
– Inter MSC
- Entre redes heterogéneas
Elemento que inicia handoff
– Terminal móvel
– Iniciada pela rede, colaboração do term.
Móvel.

119. Intra-MSC

120. Inter-MSC

121. Decisão do instante de handoff
-Potencia de sinal recebido;
-Relação Sinal / Interferência;
-Gestão de recursos da rede;
Requer HISTERESE na decisão.......

122. Inic. do handover pela rede
Características dos novos canais;
Características da nova célula;
Nível de Potência envolvido;
Procedimentos para estabelecimento da
ligação;
Informação de sincronismo;
Ajuste do Cipher mode.