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telefonia celular – principais conceitos

telefonia celular – principais conceitos. tópicos em redes de computadores I professor: edmundo r. m. madeira aluno: mario zimmer assis. índice. introdução AMPS e TDMA GSM CDMA CDMA2000 UMTS. introdução. características básicas. comunicação sem fio ( wireless )

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telefonia celular – principais conceitos

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  1. telefonia celular – principais conceitos tópicos em redes de computadores I professor: edmundo r. m. madeira aluno: mario zimmer assis UNICAMP2o Semestre 2005

  2. índice • introdução • AMPS e TDMA • GSM • CDMA • CDMA2000 • UMTS UNICAMP2o Semestre 2005

  3. introdução UNICAMP2o Semestre 2005

  4. características básicas • comunicação sem fio (wireless) • receber e gerar chamadas independente da localização (mobilidade) • receber e gerar chamadas em movimento • possibilidade de roaming • transparência de plano numeração para usuário final • interconexão com sistema de telefonia fixa UNICAMP2o Semestre 2005

  5. cenário geral CCC/BSC Interconexão: Outras CCCs, outras centrais Para centrais tel. fixa ERB Terminal Móvel Região de Handoff UNICAMP2o Semestre 2005

  6. faixas de freqüência (bandas) no Brasil • quanto maior a freqüência maior a perda no espaço livre quando a onda se propaga o que implica em células menores • um sistema celular em 1800 MHz precisará de mais células do que um sistema celular em 800 MHz para obter a mesma performance. UNICAMP2o Semestre 2005

  7. principais padrões utilizados • AMPS - Advanced Mobile Phone Service • padrão dominante para os sistemas celulares analógicos de primeira geração • desenvolvido pelos Laboratórios Bell da Lucent • entraram em operação em 1983 nos EUA (adotado pelo Brasil depois) • a comunicação entre celular e ERB é feita na faixa de 800 MHz através de sinais analógicos em canais de 30 kHz • GSM - Global System for Mobile Communication (Groupe Special Mobile) • padrão digital de segunda geração (desenvolvido na Europa) • utilizados pelos países europeus nas faixas de 800 e 450 MHz. • utiliza canais de 200 kHz na faixa de 900 MHz • desenvolvida uma versão adaptada para as faixa de 1800 e 1900 MHz • padrão com o maior número de usuários em todo o mundo UNICAMP2o Semestre 2005

  8. principais padrões utilizados • GSM (Cont) • introduzido no Brasil em 2002 (licitação pela Anatel das Bandas D e E) • adotado também pela maioria das operadoras (migrando do TDMA) • a migração tem impacto não apenas na interface rádio, o que exige novos terminais GSM, mas na rede nacional de roaming (IS-41 para AMPS, TDMA e CDMA) • roaming feito através do protocolo MAP (suporte do SS#7) • projeto de evolução para o 3G através do 3GPP (Third Generation Partnership Project) • TDMA (IS 54 e IS 136) - Time Division Multiple Access • padrão digital de segunda geração • aumenta a capacidade do AMPS (compartilhamento do canal de 30 kHz) • canais digitais de comunicação entre celular e ERB • 3 usuários no mesmo canal - slots de tempo diferentes UNICAMP2o Semestre 2005

  9. principais padrões utilizados CDMA (IS 95) - Code Division Multiple Access • padrão digital de segunda geração • revolucionou os conceitos empregados na comunicação entre celular e ERB • consegue atingir uma grande capacidade de usuários • utilização de spread spectrum (por seqüência direta – DSSS) em uma banda de 1,25 MHz • para cada comunicação utiliza um código de espalhamento espectral do sinal diferente • número de usuários limitado pelo nível de interferência que é administrado através de controle de potência e outras técnicas • projeto de evolução para o 3G através do 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2) UNICAMP2o Semestre 2005

  10. modulação Sinal Portadora FM 1 1 0 1 ASK 1 1 0 1 PSK UNICAMP2o Semestre 2005

  11. modulação FM: Frequency Modulation ASK: Amplitude Shift Keying PSK: Phase Shift Keying GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying Q: Quadratura OQ: Quadratura defasada DQ: Quadratura codificada diferencialmente UNICAMP2o Semestre 2005

  12. AMPS e TDMA UNICAMP2o Semestre 2005

  13. arquitetura • AMPS: chamada básica + roaming e handoff • padronizado pela EIA-553 • serviu de base para outros sistemas analógicos (TACS no Reino Unido) • crescimento da utilização = necessidade do aumento da capacidade • solução: TDMA mantém a compatibilidade com a arquitetura AMPS • AMPS e TDMA (IS-136) apresentam a mesma arquitetura básica UNICAMP2o Semestre 2005

  14. CCC HLR Outras CCCs rede telefonia fixa VLR ERB Estação Móvel arquitetura • Mobile Station (MS) • terminal utilizado pelo assinante • identificada por um MIN (Mobile Identification Number) e um número de série eletrônico (ESN) • Estação Radio Base (ERB) • encarregado da comunicação com as estações móveis dentro de uma célula UNICAMP2o Semestre 2005

  15. definições Central de Comutação e Controle (CCC) • responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis dentro da área da CCC (área geográfica) • Home Location Register (HLR) • base de dados que contém informações sobre os assinantes de um sistema celular • Visitor Location Register (VLR) • base de dados que contém informações sobre os assinantes em visita (roaming) a um sistema celular. UNICAMP2o Semestre 2005

  16. interface entre estação móvel e ERB • Freqüências de Operação • AMPS: freqüência de 800 MHz • TDMA (IS-136): faixa de freqüência de 800 MHz e 1900 MHz UNICAMP2o Semestre 2005

  17. interface entre estação móvel e ERB • Canalização • AMPS: • sistema múltiplo acesso por divisão de freqüência (FDMA) • a banda do AMPS é dividida em canais de RF • cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 30 kHz de banda cada • cada banda (A ou B) ocupa 12,5 MHz • composta por 416 canais (21 canais de controle) • canais de voz no AMPS utilizam modulação FM • canal de controle utiliza modulação FSK (duas freqüências – 0 e 1) • AMPS utiliza canal de voz dedicado UNICAMP2o Semestre 2005

  18. interface entre estação móvel e ERB TDMA: • mantém toda a estrutura de canalização do AMPS • permite que um canal seja compartilhado no tempo (3 x 1) • estrutura de transmissão de dados é implementada através de um frame de 40 ms com 6 intervalos (Slots) de tempo com 6,66 ms cada • cada chamada telefônica utiliza dois intervalos de tempo (3 conversações na mesma banda de 30 kHz) • cada conversação tem uma taxa bruta de 16,2 kbit/s e a modulação utilizada no canal é do tipo 4-DPSK • o canal de controle no TDMA (IS-136) é digital • permite a implantação de serviços de mensagens curtas (SMS) • existem dois tipos de codificadores de voz • Enhanced Full Rate (EFR) especificado no IS-641 • VSELP UNICAMP2o Semestre 2005

  19. interface entre estação móvel e ERB • Capacidade • AMPS e TDMA (IS-136) utilizam um plano de freqüência com reuso de 7 por 21 • cada célula é dividida em três setores formando 21 grupos de freqüências (canais de voz do AMPS) reutilizados em cada grupo de 7 células • no AMPS cada uma destas freqüências (ou par) é utilizada por uma chamada • no TDMA (IS-136) são possíveis até três chamadas simultâneas utilizando esta mesma freqüência UNICAMP2o Semestre 2005

  20. C F A D B E G divisão em células otimiza a utilização das freqüências UNICAMP2o Semestre 2005

  21. roaming • o roaming foi implementado para sistemas AMPS e TDMA (IS-41, tbém no Brasil) • IS-41pode ser implementado tendo como base para transferência de dados o protocolo X.25 ou o SS7 • para o TDMA (e o CDMA) o AMPS é uma alternativa para aumentar a cobertura (celulares duais) • todas as operadoras (Brasil) de Banda A possuem canais AMPS em suas áreas de cobertura (roaming nacional garantido) • roaming do TDMA ou do AMPS com sistemas GSM exige terminais duais, ou com três modos UNICAMP2o Semestre 2005

  22. serviços • o AMPS oferece um número limitado de serviços além de voz • o TDMA (IS-136) oferece dezenas de serviços suplementares (ex.: identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência) • a transmissão digital do TDMA (CDMA e GSM) reduz o consumo de energia da bateria dos terminais móveis (não precisam transmitir de forma contínua) • as operadoras que adotavam o AMPS migraram para o TDMA ou CDMA (97/98) • transição não suave do TDMA para o 3G (altas taxas de transmissão de dados) • para evoluir para o 3G as operadoras precisam escolher UMTS ou CDMA2000 UNICAMP2o Semestre 2005

  23. GSM UNICAMP2o Semestre 2005

  24. OMC AuC EIR MSC HLR Outras MSCs rede telefonia fixa VLR BSS BSS BSC BSC ERB (BTS) ERB Estação Móvel Estação Móvel SIM Card arquitetura • possui estrutura básica dos sistemas celulares • oferece as mesmas funcionalidades básicas (roaming e handoff) UNICAMP2o Semestre 2005

  25. definições • Mobile Station (MS) • terminal utilizado pelo assinante + SIM Card (Subscriber Identity Module) • sem SIM Card o MS não está associada a um usuário (não faz ou recebe chamadas) • SIM card armazena (entre outras) o IMSI (15 dígitos - International Mobile Subscriber Identity) • MS armazena o IMEI (15 dígitos - International Mobile Station Equipment Identity) Base Transceiver Station (BTS) ou ERBs • estação de rádio base Base Station Controller (BSC) • controla as BTSs de uma célula UNICAMP2o Semestre 2005

  26. definições Base Station System (BSS) • sistema encarregado da comunicação com as estações móveis em uma determinada área • formado por várias BTS (de uma célula) e BSC (controla as BTS) • Mobile-Services Switching Center (MSC ou CCC) • responsável pelas funções de comutação e sinalização para as estações móveis dentro da área da MSC (área geográfica) • a MSC leva em consideração a mobilidade dos assinantes (handover) locais ou visitantes quando se movem de uma célula para outra • o MSC encarregado de rotear chamadas para outros MSCs é chamado de Gateway MSC UNICAMP2o Semestre 2005

  27. definições • Home Location Register (HLR) • base de dados que contém informações sobre os assinantes de um sistema celular • Visitor Location Register (VLR) • base de dados que contém a informação sobre os assinantes em roaming de um sistema celular • Authentication Center (AUC) • responsável pela autenticação dos assinantes no uso do sistema • está associado a um HLR • armazena a chave de identidade para o assinante móvel registrado naquele HLR • possibilita a autenticação do IMSI do assinante • responsável por gerar a chave para criptografar a comunicação entre MS e BTS UNICAMP2o Semestre 2005

  28. definições • Equipment Identity Register (EIR) • base de dados que armazena os IMEIs dos terminais móveis de um sistema GSM • Operational and Maintenance Center (OMC) • entidade funcional usada para monitorar e controlar o sistema. UNICAMP2o Semestre 2005

  29. interface entre estação móvel e ERB Freqüências de Operação • GSM 900 e o DCS 1800 adotados na Europa e o PCS 1900 nos Estados Unidos • no Brasil as Bandas C, D e E estão na faixa de freqüências do DCS 1800 (15 MHz por operadora) UNICAMP2o Semestre 2005

  30. canalização • as Bandas do GSM são divididas em canais de RF • cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 200 KHz de banda (cada canal) • são 124 canais de RF no GSM 900 e 373 canais no DCS 1800 (numeração conhecida como ARFCN - Absolute Radio Frequency Channel Number) • as freqüências portadoras dos canais de RF são moduladas em 0,3GMSK por um sinal digital com taxa de 270,833 kbit/s . UNICAMP2o Semestre 2005

  31. modulação • o GSM utiliza a modulação digital 0,3GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) • o 0,3G descreve a Banda do Filtro Gaussiano de pré-modulação utilizado para reduzir o espectro do sinal modulado • MSK (Minimum Shift Keying), tipo especial de modulação FSK (Frequency Shift Keing) onde 1’s e 0’s são representados por deslocamentos na freqüência da portadora de RF • Quando a taxa de bits do sinal modulante é exatamente quatro vezes o deslocamento da freqüência da portadora consegue-se minimisar o espectro e a modulação é chamada de MSK (Minimum Shift Keying) • No GSM, a taxa de dados de 273,833 kbit/s foi escolhida para ser exatamente quatro vezes o deslocamento da freqüência de RF (+/- 67,708 KHz) • Este sinal digital de 270,833 kbit/s é dividido no domínio do tempo em 8 timeslots possibilitando o múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA) das Estações Móveis. UNICAMP2o Semestre 2005

  32. modulação • o GSM assim (como o TDMA) é uma combinação de FDMA e TDMA. UNICAMP2o Semestre 2005

  33. interface entre estação móvel e ERB • Canais Lógicos • No GSM nenhum canal de RF ou timeslot está designado a priori para uma tarefa particular • a informação do usuário (voz e dados) e os dados de controle de sinalização são transmitidos em dois tipos básicos de canais lógicos que vão ocupar a estrutura do quadro (frame) TDMA: canal de tráfego (TCH) e canal de controle (CCH) UNICAMP2o Semestre 2005

  34. capacidade • a eficiência de utilização do Espectro do GSM é maior que a do AMPS e menor que o TDMA • em 200 Khz o GSM tem capacidade para oito chamadas • apresenta uma menor interferência co-canal por isso fazem um reuso de freqüência de 4 por 12 (7 por 21 no TDMA e AMPS) = melhor utilização do espectro UNICAMP2o Semestre 2005

  35. EIR AuC rede telefonia fixa H F MSC C HLR A Abis D BSC VLR B ERB E G Outras MSCs demais interfaces OBS: As interfaces da arquitetura de uma rede GSM foram padronizadas para permitir a interoperabilidade com outras redes (inclusive roaming) internacional, e permitir a utilização de diversos fornecedores na sua implantação. UNICAMP2o Semestre 2005

  36. demais interfaces • Interface Abis entre ERB (BTS) e BSC • a maioria é específicas do fabricante (proprietária) • suporta dois tipos de links: • canais de tráfego a 64 kbit/s (voz ou dados) • canais de sinalização BSC-BTS a 16 kbit/s • camada física é baseada na G.703 • Interface A entre BSC e MSC • camada física é um 2 Mbit/s padrão CCITTT • Interfaces C, D, E, F, G • padronizadas pelo protocolo MAP (utiliza os serviços de transação e transferência de mensagens SS#7) UNICAMP2o Semestre 2005

  37. demais interfaces • Interface entre MSC e redes de Telefonia Fixa • interconexão entre MSC e redes fixas utiliza o Padrão SS#7 TUP ou ISUP • Interfaces B e H • não estão padronizadas (proprietárias) pois tratam-se normalmente de interfaces internas do MSC/VLR e do HLR/AUC UNICAMP2o Semestre 2005

  38. Camada OSI Níveis SS#7 MAP 7 TCAP ISUP 6 TUP 4 ISP 5 4 SCCP 3 3 MTP 2 2 1 1 SS#7 Pode ser dividido em duas partes 1) User Part: implementa funções dos usuário: TUP (Telephone User Part) todas as mensagens de sinalização necessárias para que uma rede telefônica fixa estabeleça uma chamada ISUP (Integrated services user part) acrescenta ao TUP a sinalização para redes de dados comutadas a circuito como previsto na ISDN 2) MTP (Message Transfer Part) Que é responsável pela transferência das mensagens de maneira confiável na rede de sinalização. UNICAMP2o Semestre 2005

  39. SS#7 • define aplicações relacionadas ao tráfego telefônico • estabelece camadas que possibilitam a troca de informações, entre centrais ou bases de dados, não relacionadas ao estabelecimento de circuitos telefônicos (serviços da rede inteligente) • o GSM implementou a camada MAP (Mobile Application Part) para suprir a necessidade de sinalização relativa a mobilidade do usuário • a camada MAP usa como suporte as várias camadas do SS#7 como o TCAP, SCCP e o MTP. OBS: As camadas que possibilitam a troca de informações entre centrais ou base de dados são: SCCP (signaling Connection Control Part), ISP (Intermediate service Part) e TCAP (Transaction capabilities application part) UNICAMP2o Semestre 2005

  40. serviços • Serviços Suplementares • identificação do número chamador, chamada em espera, siga-me e conferência (dentre outros) • o SMS e outros serviços são implementados utilizando-se gateways entre a BSC e o MSC • a comunicação com outros elementos da Rede GSM (MSC, HLR e EIR), é baseada no protocolo MAP (suporte do SS7) EIR AuC rede telefonia fixa H F MSC C HLR A Abis D BSC VLR B ERB E G Gateway Outras MSCs UNICAMP2o Semestre 2005

  41. serviços • Serviços de Localização • permite estimar com precisão a localização da estação móvel • serve de base para vários serviços oferecidos ao assinante GPRS (General Packet Radio Service) • permite a estação móvel uma conexão a Internet sem a necessidade de se estabelecer uma chamada telefônica (always on) • utiliza até os 8 timeslots de um canal GSM de 200 KHz (taxa máxima 115 kbit/s) UNICAMP2o Semestre 2005

  42. serviços 3G • serviços 3G com taxas de dados de até 2 Mbit/s foram padronizadas pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project) • exigiu um novo padrão para a interface entre Estação Móvel e ERB (canais de 5 MHz) • o novo padrão (WCDMA) implica em mudanças na estrutura de canalização do GSM • exige uma banda adicional de freqüências para implementação do serviço por parte das operadoras • mantém a compatibilidade e demais interfaces da arquitetura GSM UNICAMP2o Semestre 2005

  43. CDMA UNICAMP2o Semestre 2005

  44. arquitetura • criado com finalidade militar (segurança) • utiliza espalhamento espectral seqüência direta (Spread Spectrum) como meio de acesso (permite que vários usuários compartilhem uma mesma banda de freqüências) • permite uma melhor utilização do espectro (aumento da capacidade dos sistemas celulares) • sistema celular digital de segunda geração • o CDMA tem a estrutura básica dos sistemas celulares • oferece as mesmas funcionalidades básicas (roaming e handover entre células) • transmissão codificada com “um código para cada chamada” UNICAMP2o Semestre 2005

  45. CCC HLR Outras MSCs rede telefonia fixa VLR BSC BSC ERB (BTS) ERB Estação Móvel Estação Móvel cenário UNICAMP2o Semestre 2005

  46. interface entre estação móvel e ERB • desenvolvido nos EUA, padronizou as freqüências abaixo • no Brasil o CDMA usa a faixa de 800 MHz nas Bandas A e B • uso limitado na freqüência de 1,9 GHz para WLL (faixa não disponível no Brasil para Telefonia Celular) UNICAMP2o Semestre 2005

  47. canalização • as Bandas são divididas em canais de RF • cada canal consiste de um par de freqüências (Tx e Rx) com 1,25 MHz cada canal • poderiam existir até 10 canais de RF em uma Banda de 12,5 MHz (como na faixa de 800 MHz) • o número é menor na prática (divisão com o AMPS - “guarda banda”) • o acesso múltiplo de canais que compartilham uma mesma banda de freqüências é feito pela utilização de códigos diferentes pelos vários terminais • a informação é extraída destes canais conhecendo-se a chave específica com a qual cada canal é codificado • o sinal de informação é codificado utilizando-se uma chave de código que provoca o seu espalhamento espectral (“Spread Spectrum”) em uma banda transformando-o aparentemente em ruído • os códigos utilizados são ortogonais (Walsh) e PN (“Pseudo-noise”) • Um bit deste tipo de código é conhecido como "chip“ UNICAMP2o Semestre 2005

  48. canalização • a taxa de bits deste código é a “chip rate” • utiliza três tipos de código todos com uma taxa de 1,2288 megachips. UNICAMP2o Semestre 2005

  49. canalização • utilizam-se esquemas de codificação diferentes em cada direção do enlace UNICAMP2o Semestre 2005

  50. canalização • todos os canais recebem ainda uma outra máscara com o código de espalhamento PN curto para identificação do setor do transmissor na ERB o que possibilita o reuso de freqüência entre setores • os canais de piloto e sincronismo são necessários para decodificação quando se utiliza códigos de Walsh • os códigos Walsh são usados para identificar canais diferentes • o canal de acesso é utilizado para a Estação Móvel se comunicar com a ERB quando ainda não tem nenhum canal de tráfego designado • os canais de tráfego são utilizados para voz/dados do usuário e informação de sinalização • os vocoders mais utilizados são do tipo EVRC (Enhanced Variable Rate Coder) que utilizam taxas que variam entre 1,8 Kbit/s, 3,6 kbit/s, 7,2 kbit/s e 14,4 kbit/s • o IS-95 é portanto uma combinação de FDMA e CDMA. UNICAMP2o Semestre 2005

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