Aula 11 – Sistemas GSM
Prof. Diovani Milhorim
Comunicações móveis
Introdução
• Na década de 80, sistemas de telefones celulares foram desenvolvidos na Europa
• Cada país desenvolveu seu próprio sistema, o que levou a incompatibilidades
• Problema crítico era o roaming, devido a forma de envio de dados e frequência
• Em 1982, uma conferência formou o grupo denominado Group Special Mobile
• Em 1989, a responsabilidade do GSM passou para o ETSI
• Em 1990, foram publicadas as especificações da 1ª. fase do GSM.
GSM – Global System for Mobile Communications
Grupo GSM
GSM – Global System for Mobile Communications
• O GSM começou a ser comercializado em meados de 1991
• Atualmente GSM significa Global System for Mobile Communications
• Sistema Digital Celular da Segunda Geração
• Em adição à operação celular na frequência de 900 MHz
• A tecnologia GSM é ainda utilizada nas freqüências de 1800/1900 MHz
• Para roaming internacional aparelhos tri-band e quadri-band
• Padronização da fase 2,5 do GSM:
• => Melhores serviços de codificação de voz
=> Serviços mais avançados de transmissão de dados
(Ex. General Packet Radio Service – GPRS)
Arquitetura de Rede GSM
Um sistema GSM é formado por três subsistemas:
BSS - Subsistema de estação rádio base(Base Station Subsystem)
- Gerenciamento de conexões no caminho de rádio;- Gerencia handoff entre células dentro de um mesmo BSS.
NSS - Subsistema de rede e comutação(Network Switch Subsystem)
Controla chamadas; Autentica e valida conta de assinantes; Controla roaming de assinantes móveis; Gerencia handoff entre células de diferentes BSSs. Interface com a rede telefônica fixa (PSTN)
OMC - Centro de operação e manutenção(Operation and Maintenance Center)
Suporta a interface de operação da rede.
GSM – Global System for Mobile Communications
Arquitetura de Rede GSM
GSM – Global System for Mobile Communications
Figura 16.1
Arquitetura de Rede GSM
A arquitetura do sistema GSM inclui três interfaces padrões (Figura 16.2):
Interface A Entre MSC (Mobile Switching Center) e a Estação Base
Controladora (Base Station Controller – BSC);
Interface Abis Entre a BSC e a Estação Base Transceptora (Base Transceiver Station –
BTS);
Interface Um (Interface de rádio) Entre a BTS e a estação móvel (Mobile Station – MS).
GSM – Global System for Mobile Communications
Arquitetura de Rede GSM
Figura 16.2
GSM – Global System for Mobile Communications
NSS - Subsistema de rede e comutação
O subsistema de rede e comutação é formado por um elemento de hardware e quatro elementos de software:
MSC: Centro de Comutação Móvel
HLR: Registro de Localização de Unidade Móvel Local
VLR: Registro de Localização de Unidade Móvel Visitante
EIR: Registro de Identidade de Equipamento
AuC: Centro de Autenticação.
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NSS - Subsistema de rede e comutação
MSC (Mobile Switching Center)
• Gerência de serviços móveis dentro de sua área de jurisdição
• Comutação de chamadas entre estações móveis ou entre uma estação móvel e um
usuário de uma rede fixa
• Atribui canais de usuários junto ao BSS pelo qual é responsável
• Trabalha em conjunto com HLR, VLR, EIR e AuC para prover serviços de
tratamento de assinantes móveis
• Registro
• Gerenciamento de assinantes em roaming
• Transição entre células (handoff)
• Atualização da localização
• Autenticação.
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NSS - Subsistema de rede e comutação
MSC (Mobile Switching Center)
Provê interoperabilidade entre um sistema GSM e outras redes, tais como: PSTN (Public Switched Telephone Network)ISDN (Integrated Services Digital Network)PLMN (Public Land Mobile Network)
Uma MSC com uma interface para redes externas é chamada de GMSC (Gateway MSC).
A chamada para uma MS com origem em uma rede externa, entra na rede via GMSC que examina o HLR e então repassa a chamada para a MSC onde a MS se encontra.
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NSS - Subsistema de rede e comutação
HLR (Home Location Register)
Base de dados que contém informações administrativas dos assinantes registrados nas suas respectivas redes GSM
Dados permanentes (ex.: perfil de serviços);Dados temporários (ex.: localização corrente da estação móvel).
Quando um assinante adquire acesso à rede móvel de uma operadora de telefonia celular, ele é registrado no HLR da operadora
Pode haver mais de uma HLR em uma área de serviço, mas existe apenas uma única entrada por assinante.
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NSS - Subsistema de rede e comutação
VLR (Visitor Location Register)
Base de dados temporária sobre MSs em roaming: MSs que tenham saído da sua área de serviço domiciliada e estejam estabelecendo uma chamada em uma nova área associada a um MSC ao qual o VLR esteja conectado
Quando uma MS visita uma nova área de MSC, o VLR conectado àquele MSC requisitará dados daquele assinante ao HLR
Ao mesmo tempo, o HLR será informado sobre a nova localização da MS.
Se a MS desejar estabelecer uma chamada, o VLR terá as informações necessárias para controlar a chamada e providenciar os serviços necessários.
GSM – Global System for Mobile Communications
NSS - Subsistema de rede e comutação
EIR (Equipment Identity Register)
A distinção entre a identidade do assinante e o identificador do terminal é um potencial causador de problemas para o GSM
É possível operar qualquer terminal GSM com um SIM card válido.
Oportunidade para mercado negro de equipamentos roubados.
O EIR é uma base de dados que contém uma lista de todos os equipamentos móveis válidos na rede GSM.
GSM – Global System for Mobile Communications
NSS - Subsistema de rede e comutação
EIR (Equipment Identity Register)
Equipamentos móveis são identificados pelo IMEI (International Mobile Equipment Identity)
IMEI é uma espécie de número serial, alocado pelo fabricante do equipamento e registrado pela operadora, identificando unicamente e internacionalmente um equipamento móvel
Um IMEI é considerado inválido se declarado como roubado ou incompatível com a rede.
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NSS - Subsistema de rede e comutação
AuC (Authentication Center)
O procedimento de autenticação checa a validade do cartão SIM dos assinantes e se eles têm permissão para usar a rede em questão.
A autenticação baseia-se no algoritmo A3 armazenado no cartão SIM e na base de dados protegida AuC.
A3 utiliza dois parâmetros:- Chave secreta de autenticação Ki armazenada no SIM e na rede- Número gerado aleatoriamente (RAND) que é transmitido para o cartão SIM da MS servindo como entrada para o algoritmo.
O resultado é enviado da MS para a rede onde seu valor é comparado com o valor calculado pelo AuC.
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BSS - Subsistema de estação rádio base
BSS Subsistema de Estação Rádio Base(Base Station Subsystem)
Responsável pelo controle da ligação, via rádio, com a estação móvel (equipamento móvel + cartão SIM)
Assegura a cobertura de n células
É composto por:– Um Controlador de Estações Rádio Base (BSC – Base Station Controller)– Uma ou mais Estação Rádio Base (BTS).
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BSS - Subsistema de estação rádio base
BTS
• Aloja os transmissores/receptores de rádio e antenas que definem cada célula da
rede.
• Suportam e monitoram os protocolos de interface de rádio com a estação móvel
possibilitando que estas sejam capazes de estabelecer/receber chamadas em uma
célula.
• Em uma grande área urbana, há várias BTSs.
• Cada célula possui uma BTS localizada, normalmente no centro.
• Sua potência de transmissão determina o tamanho da célula.
• Recursos inteligentes que foram incorporados em BTSs analógicas, tais como
medidas nos canais de rádio para critério de handoff, foram repassados para as
EMs.
• Duas ou mais BTSs são controladas por uma BSC.
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BSS - Subsistema de estação rádio base
BSC
• Gerencia os recursos para uma ou mais BTS (grupo de células).
• Principais funções:
Configuração dos canais de rádio;
Controle de salto em freqüências;
Transição entre células (handoff) dentro do mesmo BSS.
Controle dos níveis de potência das BTSs.
Conexão entre as estações móveis e o MSC.
• O hardware do BSC pode ser instalado no mesmo local das BTSs, em um lugar próprio ou no mesmo local da MSC.
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OMC (Operation and Maintenance Center)
Centro de operação e manutenção
• Central de comando em uma rede móvel.
• A partir do OMC, o operador da rede pode monitorar e comandar todos os
parâmetros da rede, a configuração atual e as condições de funcionamento.
• Reúne todas as funções de gestão e administração de uma rede móvel (ex.:
processo de tarifação).
• Controla aspectos técnicos da transmissão via rádio (BSS e MSs) e os aspectos
do estabelecimento das chamadas (elementos do subsistema de rede e comutação).
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Estação Móvel (MS – Mobile Station) ou EM
• Inclui o equipamento de rádio e a interface homem-máquina (Man Machine Interface – MMI) que o assinante precisa para acessar os serviços fornecidos por uma GSM PLMN.
• Pode transportar voz e dados.
• Terminais distinguem-se por sua potência e aplicação:– EMs permanentemente instaladas em carros podem ter uma potência máxima
de saída de até 20 W.– EMs de bolso podem emitir até 1 W.
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Estação Móvel (MS – Mobile Station) ou EM
IMEI
• Identificação do MS e significa International Mobile Equipment Identity/
• Fica permanentemente armazenado no terminal móvel;
• Sob demanda, a MS envia este número sobre o canal de sinalização para o MSC
• Pode identificar unidades de celulares roubadas ou com operação defeituosa.
GSM – Global System for Mobile Communications
Estação Móvel (MS – Mobile Station) ou EM
• GSM faz distinção entre a identidade do assinante e a identidade do equipamento
• Uma GSM PLMN roteia chamadas e faz cobranças baseada na identidade do assinante ao invés do terminal móvel usado.
• Isto é possível através do uso do módulo de identidade de assinante (Subscriber Identity Module - SIM).
• Os dados do assinante são armazenados no módulo SIM.
• O assinante é identificado no sistema quando ele insere o cartão SIM no equipamento móvel (equipamento é genérico sem o SIM).
GSM – Global System for Mobile Communications
Cartão SIM
• Quando o SIM é inserido no celular é preciso entrar com a senha para poder utilizá-lo:=> Senha pode ser desativada, porém, perde-se a segurança.
• Conteúdo do cartão SIM:=> IMSI (International Mobile Subscriber Identity) para identificar
de forma única e permanente o assinante na rede móvel;=> TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) atribuída e alterada
periodicamente pelo VLR para identificar temporariamente um assinante (protegendo-o de ser identificado pelo seu IMSI em tentativas de monitoração dos canais de rádio);
• Um microprocessador para realizar operações de segurança;• Uma RAM e uma ROM.• Conteúdo do cartão SIM (cont.):
=> Chave de Desbloqueio Pessoal (PUK - Personal Unblocking Key ) de 8 dígitos.=> Senha de 4 dígitos (Personal Identification Number - PIN);
Se o PIN errado for fornecido 3 vezes, o cartão é bloqueado. => Cartão pode ser desbloqueado com a PUK.
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Cartão SIM
• Conteúdo do cartão SIM:Chave de autenticação Ki de 128 bits
=> Única para o cartão SIM;=> Também mantida no AuC;=> Utilizada nos algoritmos A3 e A8 para autenticação e confidencialidade, respectivamente.
• Algoritmo A3 autenticação: usa a chave Ki ao calcular a resposta do desafio (número randômico) para o BSS.
• Algoritmo A8: usa a chave secreta Ki para gerar uma nova chave secreta (Kc) utilizada para criptografar mensagens de voz e dados.
• Algoritmo A5: criptografa as mensagens antes de serem transmitidas.
GSM – Global System for Mobile Communications
Estrutura de rede GSM
Célula
• Representa a área de cobertura de rádio de uma BTS
• Pode ter um raio entre 100 m e 35 km
• Estações móveis distinguem células através do código de identificação da estação
rádio base (Base Station Identification Code - BSIC) enviado pela estação base em
broadcast na interface aérea.
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Serviços GSM
SMS (Short Message Service)
Mensagem com no máximo 160 caracteres alfanuméricos enviada para/de uma MS. Se a MS for desligada ou deixar sua área de cobertura, a mensagem será armazenada e enviada quando a MS estiver ativa novamente.
Cell broadcast
Mensagem de no máximo 93 caracteres que pode ser enviada para todas as MSs em uma certa área de cobertura. Aplicações típicas: aviso de congestionamento de tráfego.
Call forwarding
Redirecionamento de chamadas recebidas para um outro número se a MS estiverocupada ou se não receber resposta.
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Serviços GSM
Correio eletrônico por voz.
Call waiting
Permite que o assinante móvel seja notificado de uma outra chamada durante umaconversação. Assinante pode responder ou rejeitar essa chamada.
Call hold
Permite que o assinante interrompa uma chamada e posteriormente a restabeleça.
Multiparty service
Permite que o assinante estabeleça uma conversação em grupo (conversaçãosimultânea entre 3 e 6 assinantes móveis).
GSM – Global System for Mobile Communications