UMTS - Guia Rápido

A comunicação sem fio era uma mágica para nossos ancestrais, mas Marconi poderia iniciá-la com seu telégrafo sem fio em 1895. A comunicação sem fio pode ser classificada em três eras.

• Era Pioneer (até 1920)
• Era pré-celular (1920-1979)
• Era celular (depois de 1979)

O primeiro sistema de telefonia móvel comercial foi lançado pela BELL em St. Louis, EUA, em 1946. Poucos clientes sortudos conseguiram os serviços. Os primeiros sistemas móveis usavam transmissores únicos de alta potência com técnicas analógicas de modulação de frequência para dar cobertura até cerca de 50 milhas e, portanto, apenas clientes limitados podiam obter o serviço devido a essas severas restrições de largura de banda.

Era Celular

Para superar as restrições de escassez de largura de banda e dar cobertura a seções maiores, o laboratório BELL introduziu o princípio do conceito de celular. Por meio da técnica de reutilização de frequência, este método proporcionou melhor cobertura, melhor utilidade do espectro de frequência disponível e potência do transmissor reduzida. Mas as chamadas estabelecidas devem ser transferidas entre as estações base enquanto os telefones estão em movimento.

Embora o laboratório BELL dos Estados Unidos tenha introduzido o princípio de celular, os países nórdicos foram os primeiros a introduzir serviços de celular para uso comercial com a introdução do Nordic Mobile Telephone (NMT) em 1981.

Sistemas de primeira geração

Todos esses sistemas eram sistemas analógicos, usando a tecnologia FDMA. Eles também são conhecidos como sistemas de primeira geração (1G). Diferentes sistemas entraram em uso com base no princípio celular. Eles estão listados abaixo.

Ano	Sistema Móvel
1981	Nordic Mobile Telephone (NMT) 450
1982	American Mobile Phone System (AMPS)
1985	Sistema de comunicação de acesso total (TACS)
1986	Nordic Mobile Telephony (NMT) 900

Desvantagens dos sistemas 1G

• Eles eram analógicos e, portanto, não eram resistentes a interferências.
• Diferentes países seguiram seus próprios padrões, que eram incompatíveis.

Para superar as dificuldades do 1G, a tecnologia digital foi escolhida pela maioria dos países e uma nova era, chamada 2G, começou.

Vantagens de 2G

• Melhor utilização espectral obtida usando técnicas avançadas de modulação.
• A codificação de voz com menor taxa de bits permitiu que mais usuários obtivessem os serviços simultaneamente.
• Redução da sobrecarga na via pavimentada de sinalização para aumento de capacidade.
• Boas técnicas de codificação de fonte e canal tornam o sinal mais robusto à interferência.
• Novos serviços como SMS foram incluídos.
• Maior eficiência de acesso e controle de transferência foram alcançados.

Nome dos Sistemas	País
DAMPS-Digital Advanced Mobile Phone System	América do Norte
GSM-Global System for Mobile communication	Países europeus e aplicações internacionais
JDC - Japanese Digital Cellular	Japão
Telefone sem fio CT-2 - 2	Reino Unido
DECT-Telefone Europeu Digital Sem Fio	países europeus

História do GSM

O padrão GSM é um padrão europeu que resolveu muitos problemas relacionados à compatibilidade, especialmente com o desenvolvimento da tecnologia de rádio digital.

Marcos do GSM

• 1982 - A Confederação dos Correios e Telégrafos Europeus (CEPT) cria o Grupo Especial Móvel.
• 1985 - Adoção de lista de recomendação a ser gerada pelo grupo.
• 1986 - Testes de campo diferentes foram feitos para técnica de rádio para a interface aérea comum.
• 1987 - TDMA foi escolhido como o Padrão de Acesso. O MoU foi assinado entre 12 operadoras.
• 1988 - A validação do sistema foi feita.
• 1989 - A responsabilidade foi assumida pelo European Telecommunication Standards Institute (ETSI).
• 1990 - A primeira especificação GSM foi lançada.
• 1991 - Foi lançado o primeiro sistema GSM comercial.

Faixa de frequência do GSM

O GSM funciona em quatro faixas de frequência diferentes com FDMA-TDMA e FDD. Eles são os seguintes -

Sistema	P-GSM (primário)	E-GSM (estendido)	GSM 1800	GSM 1900
Freq Uplink	890-915MHz	880-915MHz	1710-1785Mhz	1850-1910 MHz
Freq Downlink	935-960MHz	925-960MHz	1805-1880Mhz	1930-1990 MHz

O imenso potencial do telefone convencional não pode ser explorado ao máximo devido à limitação imposta pelos fios de conexão. Mas essa restrição foi removida com o advento do rádio celular.

Problema de escassez de frequência

Se usarmos loop RF dedicado para cada assinante, precisaremos de largura de banda maior para atender até mesmo um número limitado de subsc em uma única cidade.

Exemplo

Um único loop RF requer 50 kHz B / W; então, para assinantes de lakh, precisamos de 1.00.000 x 50 kHz = 5 GHz.

Para superar esse problema de P&B, os assinantes precisam compartilhar os canais de RF conforme a necessidade, em vez de loops de RF dedicados. Isso pode ser alcançado usando vários métodos de acesso FDMA, TDMA ou CDMA. Mesmo assim, o número de canais RF necessários para atender aos assinantes acaba sendo impraticável.

Exemplo

Considere uma subsensibilidade de 30Sq.Km., Grau de serviço como 1%, Tráfego oferecido por sub móvel como 30m E. Então, o número de canais RF necessários são -

Raio (km)	Área em Sq.km	Subs	Canais RF
1	3,14	100	8
3	28,03	900	38
10	314	10.000	360

Para 10.000 assinantes para alocar 360 canais de rádio, precisamos de um B / Wof 360 × 50 KHz = 18 MHz. Isso é praticamente inviável.

Abordagem Celular

Com recursos de frequência limitados, o princípio do celular pode servir milhares de assinantes a um custo acessível. Em uma rede celular, a área total é subdividida em áreas menores chamadas de “células”. Cada célula pode abranger um número limitado de assinantes móveis dentro de seus limites. Cada célula pode ter uma estação base com vários canais RF.

As frequências usadas em uma determinada área de célula serão simultaneamente reutilizadas em uma célula diferente que está separada geograficamente. Por exemplo, um padrão típico de sete células pode ser considerado.

Os recursos totais de frequência disponíveis são divididos em sete partes, cada parte consistindo em uma série de canais de rádio e alocada a um local de célula. Em um grupo de 7 células, o espectro de frequência disponível é totalmente consumido. Os mesmos sete conjuntos de frequência podem ser usados ​​após certa distância.

O grupo de células em que o espectro de freqüência disponível é totalmente consumido é denominado cluster de células.

Duas células com o mesmo número no cluster adjacente usam o mesmo conjunto de canais de RF e, portanto, são denominadas “células de co-canal”. A distância entre as células que usam a mesma frequência deve ser suficiente para manter a interferência do co-canal (co-chl) em um nível aceitável. Conseqüentemente, os sistemas celulares são limitados pela interferência do Co-canal.

Portanto, um princípio celular permite o seguinte.

• Uso mais eficiente da fonte de RF limitada disponível.

• Fabricação de cada peça do terminal do assinante dentro de uma região com o mesmo conjunto de canais para que qualquer móvel possa ser usado em qualquer lugar da região.

Forma de Células

Para fins analíticos, uma célula “hexagonal” é preferida a outras formas no papel devido aos seguintes motivos.

• Um layout de hexágono requer menos células para cobrir uma determinada área. Portanto, prevê menos estações de base e investimento mínimo de capital.

• Outras formas geométricas não podem fazer isso com eficácia. Por exemplo, se houver células de formato circular, haverá sobreposição de células.

• Também para uma determinada área, entre quadrado, triângulo e hexágono, o raio de um hexágono será o máximo necessário para celulares mais fracos.

Na realidade, as células não são hexagonais, mas irregulares em forma, determinadas por fatores como a propagação de ondas de rádio sobre o terreno, obstáculos e outras restrições geográficas. Programas de computador complexos são necessários para dividir uma área em células. Um desses programas é o “Tornado” da Siemens.

Ambiente operacional

Devido à mobilidade, os sinais de rádio entre uma estação base e os terminais móveis sofrem uma variedade de alterações à medida que viajam do transmissor ao receptor, mesmo dentro da mesma célula. Essas mudanças são devidas a -

• Separação física de transmissor e receptor.
• Ambiente físico do caminho, ou seja, terreno, edifícios e outros obstáculos.

Desvanecimento lento

• Em condições de espaço livre (ou) LOS, a constante de propagação do sinal de RF é considerada como dois, ou seja, r = 2. Isso é aplicável para sistemas de rádio estáticos.

• No ambiente móvel, essas variações são apreciáveis ​​e normalmente 'r' é considerado como 3 a 4.

Rayleigh desbotando

A linha de visão direta em ambiente móvel, entre a estação base e a unidade móvel, não é garantida e o sinal recebido no receptor é a soma de uma série de sinais que chegam por diferentes caminhos (multipath). A propagação multipercurso de ondas de RF se deve à reflexão da energia de RF de uma colina, prédio, caminhão ou avião aéreo, etc .; a energia refletida também sofre uma mudança de fase.

Se houver 180 fora de fase com sinais de caminho direto, eles tendem a se anular. Portanto, os sinais de caminhos múltiplos tendem a reduzir a intensidade do sinal. Dependendo da localização do transmissor e do receptor e de vários obstáculos refletivos ao longo do caminho, o sinal flutua. As flutuações ocorrem rapidamente e são conhecidas como “desvanecimento de Rayleigh”.

Além disso, a propagação de multicaminhos leva a “ampliação de pulso” e “Interferência de símbolo intermediário”.

Efeito Doppler

Devido à mobilidade do assinante, ocorre uma mudança na frequência dos sinais de RF recebidos. Os sistemas móveis celulares usam as seguintes técnicas para combater esses problemas.

• Codificação de canal
• Interleaving
• Equalization
• Receptores de rake
• Salto de frequência lento
• Diversidade de antenas

Interferência de cocanal e separação de células

Assumimos um sistema celular com um raio de célula “R” e uma distância de co-canal “D” e o tamanho do cluster “N”. Como o tamanho da célula é fixo, a interferência co-canal será independente da potência.

A interferência Co-chl é uma função de “q” = D / R.

Q = Fator de redução de interferência Co-chl.

Um valor mais alto de “q” significa menos interferência.

O valor mais baixo de “q” significa alta interferência.

“Q” também está relacionado ao tamanho do cluster (N) como q = 3N

q = 3N = D / R

Para diferentes valores de N, q é -

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

Valores mais altos de “q”

• Reduz a interferência co-canal,
• Leva a um valor mais alto de “N” mais células / cluster,
• Menor número de canais / células,
• Menos capacidade de tratamento de tráfego.

Valores mais baixos de “q”

• Aumenta a interferência co-canal,
• Leva a um valor inferior de “n” menos células / cluster,
• Mais número de canais / células,
• Mais capacidade de tratamento de tráfego.

Geralmente, N = 4, 7, 12.

Cálculos C / I e 'q'

O valor de “q” também depende de C / I. “C” é a potência da portadora recebida do transmissor desejado e “I” é a interferência co-canal recebida de todas as células interferentes. Para um padrão de reutilização de sete células, o número de células co-canal interferentes deve ser seis.

A perda de sinal é proporcional a (distância) –r

R - Constante de propagação.

c α R-r

R = Raio da célula.

I α 6 D-r

D = distância de separação do co-canal

C / I = R - r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r

C / I = 1/6 qr uma vez que q = D / R e qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / r

Com base na qualidade de voz aceitável, o valor de C / I foi considerado igual a 18 dB.

Assumindo,

• Um padrão de reutilização de sete células
• Antenas omnidirecionais

O valor de 'q' pode ser normalmente em torno de 4,6.

O valor r é considerado 3.

Esta é uma condição ideal, considerando que a distância das unidades móveis das células interferentes é uniformemente igual a 'D' em todos os casos. Mas se move praticamente móvel e a distância 'D' reduz para 'D-R' quando atinge o limite da célula, e C / I cai para 14,47 dB.

Conseqüentemente, o padrão de reutilização 'freq' de 7 não está atendendo aos critérios C / I com antenas omnidirecionais.

Se N = 9 (ou) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 dB

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 dB

Portanto, o padrão de 9 ou 12 células deve ser com antenas omnidirecionais, mas a capacidade de tratamento de tráfego é reduzida. Portanto, eles não são preferidos.

Para usar N = 7 (ou inferior), antenas direcionais são usadas em cada local de célula. Uma célula com 3 setores é muito popular e será como a figura abaixo.

Fonte da antena - fenômeno de acoplamento traseiro reduz o número de interferentes potenciais.

Por exemplo, se N = 7.

Com antenas omnidirecionais, o número de células interferentes deve ser seis. Com antenas direcionais e 3 setores, o mesmo é reduzido para dois. Para N = 7 e três setores, o C / I melhora de 14,47 dB para 24,5 dB, mesmo nas piores condições. Então C / I atende ao requisito de 18dB. Para N = 7 e seis setores, o C / I melhora para 29 dB.

Para aplicações Urbanas, N = 4 e uma célula de três setores são usados ​​para que mais número de portadoras por célula seja obtido do que N = 7. Também C / I se torna 20 dB nos piores casos.

DAMPS Usa padrão de células 7/21

GSM Usa padrão de células 4/21

Vantagens da setorização

• Diminuir a interferência do co-canal
• Aumente a capacidade do sistema

Desvantagens da setorização

• Grande número de antenas na estação base.
• O aumento no número de setores / célula reduz a eficiência do entroncamento
• A setorização reduz a área de cobertura, para um determinado grupo de canais.
• O número de 'Hand offs' aumenta.

Não interferir

Quando a unidade móvel viaja ao longo de um caminho, ela atravessa células diferentes. Cada vez que ele entra em uma célula diferente associada a f = frequência diferente, o controle da unidade móvel é assumido pela outra estação base. Isso é conhecido como 'Hand off'.

A transferência é decidida com base em -

• Informação de força do sinal recebido se estiver abaixo de um valor limite.
• A relação portadora para interferência é inferior a 18 dB.

Interferência de canal adjacente

Uma determinada célula / setor usa vários canais RF. Por causa dos filtros receptores imperfeitos, que permitem que as frequências próximas vazem para a banda de passagem, ocorre interferência no canal adjacente.

Ele pode ser reduzido mantendo as separações de frequência entre cada canal de RF em uma determinada célula o maior possível. Quando o fator de reutilização é pequeno, essa separação pode não ser suficiente.

Uma separação de canal, selecionando frequências de RF, que são mais de 6 canais separados, é suficiente para manter as interferências de canais adjacentes dentro dos limites.

Por exemplo, em GSM que segue o padrão 4/12, N = 4

Setores = 3 / célula

IA usará RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB usará RF Carr 5, 17, 29, …………

IC usará RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. e assim por diante.

Trunking

Os rádios celulares contam com entroncamento para acomodar um grande número de usuários em um espectro de rádio limitado. Cada usuário é alocado a um canal com base na necessidade / por chamada e na terminação da célula, o canal é retornado ao pool comum de canais RF.

Grau de serviço (GOS)

Por causa do entroncamento, há uma probabilidade de que uma chamada seja bloqueada se todos os canais de RF estiverem engajados. Isso é chamado de “Grau de serviço” “GOS”.

O designer de celular estima a capacidade máxima necessária e aloca o número adequado de canais de RF, para atender ao GOS. Para esses cálculos, a tabela 'ERLANG B' é usada.

Divisão Celular

Quando o número de usuários atinge uma saturação em uma célula de inicialização (design inicial) e não há mais frequência sobressalente disponível, a célula de inicialização é dividida, geralmente em quatro células menores e o tráfego aumenta em quatro e mais número de assinantes pode ser servido.

Após 'n' divisões, o tráfego será -

T2 = T0 × 42

A potência será reduzida -

P2 = P0 - n × 12 db

Conseqüentemente, a divisão de células melhora a capacidade e reduz a potência de transmissão.

A rede GSM é dividida em quatro sistemas principais -

• Sistema de comutação (SS)
• Sistema de estação base (BSS)
• Estação Móvel (MS)
• Centro de Operação e Manutenção (OMC)

O sistema de comutação, também denominado Network and Switching System (NSS), é responsável por realizar o processamento de chamadas e as funções relacionadas ao assinante. O sistema de comutação inclui as seguintes unidades funcionais -

• Centro de comutação móvel
• Registro de localização de casa
• Registro de localização do visitante
• Registro de identidade do equipamento
• Centro de autenticação

Centro de comutação móvel

O Mobile Switching Center (MSC) executa todas as funções de comutação para todas as estações móveis, localizadas na área geográfica controlada por seus BSSs atribuídos. Além disso, ele faz interface com o PSTN, com outros MSCs e outras entidades do sistema.

Funções do MSC

• Tratamento de chamadas que lida com a natureza móvel dos assinantes considerando Registro de Localização, Autenticação de assinantes e equipamentos, Serviço de Transferência e Pré-pago.

• Gerenciamento do canal de link de rádio lógico necessário durante as chamadas.

• Gerenciamento do protocolo de sinalização MSC-BSS.

• Lidar com o registro de localização e garantir a interoperabilidade entre a estação móvel e o VLR.

• Controla as transferências inter-BSS e inter-MSC.

• Atuando como um gateway MSC para interrogar HLR. O MSC que está conectado à rede PSTN / ISDN é denominado GMSC. Este é o único MSC da rede conectado ao HLR.

• Funções padrão de um interruptor, como carregamento.

Registro de localização de casa (HLR)

O registro de localização de residência contém -

• A identidade do assinante móvel chamada International Mobile Sub Identity (IMSI).
• Número do diretório ISDN da estação móvel.
• Informações de assinatura em serviços.
• Restrições de serviço.
• Informações de localização para roteamento de chamadas.

Um HLR por rede GSM é recomendado e pode ser um banco de dados distribuído. Os dados permanentes no HLR são alterados pela interface homem-máquina. Dados temporários, como informações de localização, mudam dinamicamente no HLR.

Registro de localização do visitante (VLR)

O VLR está sempre integrado ao MSC. Quando uma estação móvel faz roaming em uma nova área MSC, o VLR conectado a esse MSC solicitaria dados sobre a estação móvel do HLR. Posteriormente, se a estação móvel fizer uma chamada, o VLR terá as informações necessárias para a configuração da chamada sem ter que interrogar o HLR todas as vezes. VLR contém informações como as seguintes -

• Identidade do sub móvel,
• Qualquer subidentidade móvel temporária,
• Número de diretório ISDN do celular,
• Um número de diretório para encaminhar a chamada para a estação de roaming,
• Parte dos dados do HLR para os celulares que atualmente estão localizados na área de serviço da MSC.

Registro de identidade do equipamento

O Registro de Identidade do Equipamento consiste na identidade do equipamento da estação móvel denominado International Mobile Equipment Identity (IMEI), que pode ser válido, suspeito e proibido. Quando uma estação móvel acessa o sistema, o procedimento de validação do equipamento é acionado antes de prestar os serviços.

A informação está disponível em três listas.

• Lista Branca- O terminal tem permissão para se conectar à rede.

• Lista cinza- O terminal está sob observação da rede para os possíveis problemas.

• Lista Negra - Os terminais relatados como roubados não são de tipo aprovado. Eles não têm permissão para se conectar à rede. EIR informa o VLR sobre a lista, o IMEI particular está em.

Centro de Autenticação

Está associado a um HLR. Ele armazena uma chave de identidade chamada chave de autenticação (Ki) para cada assinante móvel. Essa chave é usada para gerar os triplos de autenticação.

• RAND (número aleatório),
• SRES (Resposta Assinada) - Para autenticar IMSI,
• Kc (Cipher Key) - Para cifrar a comunicação pelo caminho de rádio entre o MS e a rede.

Centro de Operação e Manutenção (OMC)

É a entidade funcional por meio da qual o operador de rede pode monitorar e controlar o sistema executando as seguintes funções -

• Instalação de software
• Gestão de tráfego
• Análise de dados de desempenho
• Rastreamento de assinantes e equipamentos
• Gerenciamento de configurações
• Administração de assinantes
• Gestão de equipamentos móveis
• Gestão de cobrança e faturamento

Sistema de estação base (BSS)

O BSS conecta o MS e o NSS. É composto do seguinte -

• Estação Transceptora Base (BTS) também chamada de Estação Base.
• Controlador de estação base (BSC).

O BTS e o BSC se comunicam por meio da interface padronizada da Abis. O BTS é controlado pelo BSC e um BSC pode ter vários BTS sob seu controle.

Estação Transceptora Base (BTS)

O BTS hospeda os transceptores de rádio e lida com os protocolos de link de rádio com a estação móvel. Cada BTS é composto por dispositivos de transmissão e recepção de rádio, incluindo antena, processadores de sinal, etc. Cada BTS pode suportar de 1 a 16 portadoras de RF. Os parâmetros que diferenciam os BTSs são nível de potência, altura da antena, tipo de antena e número de portadoras.

Funções do BTS

• É responsável pela sincronização de tempo e frequência.

• O processo de codificação de canal, criptografia, multiplexação e modulação para trans-direção e reverso para recepção devem ser realizados.

• Ele deve providenciar a transmissão com antecedência dos celulares, dependendo de sua distância do BTS (Timing Advance).

• Ele tem que detectar solicitações de acesso aleatório de celulares, medir e monitorar os canais de rádio para controle de energia e transferência.

Controlador de estação base

O BSC gerencia os recursos de rádio para um ou um grupo de BTSs. Ele lida com a configuração do canal de rádio, salto de frequência, handovers e controle dos níveis de potência de RF. O BSC fornece os sinais de referência de sincronização de tempo e frequência transmitidos por seus BTSs. Ele estabelece a conexão entre a estação móvel e o MSC. O BSC é conectado por meio de interfaces ao MSC, BTS e OMC.

Estação Móvel

Refere-se ao equipamento terminal usado pelos assinantes sem fio. Consiste em -

• SIM - Módulo de identidade do assinante
• Equipamento móvel

O SIM é removível e com SIM apropriado, a rede pode ser acessada através de vários equipamentos móveis.

A identidade do equipamento não está vinculada ao assinante. O equipamento é validado separadamente com IMEI e EIR. O SIM contém um chip de circuito integrado com microprocessador, memória de acesso aleatório (RAM) e memória somente leitura (ROM). O SIM deve ser válido e deve autenticar a validade do MS ao acessar a rede.

O SIM também armazena informações relacionadas ao assinante, como IMSI, identidade de localização de celular etc.

Funções da estação móvel

• Transmissão e recepção de rádio
• Gestão de canais de rádio
• Codificação / decodificação de voz
• Proteção de erro de link de rádio
• Controle de fluxo de dados
• Taxa de adaptação dos dados do usuário ao link de rádio
• Gerenciamento de mobilidade

Medições de desempenho de até um máximo de seis BTSs circundantes e relatórios para o BSS, MS podem armazenar e exibir mensagens alfanuméricas curtas recebidas no display de cristal líquido (LCD) que é usado para mostrar a discagem de chamadas e informações de status.

Existem cinco categorias diferentes de unidades de telefonia móvel especificadas pelo sistema GSM europeu: 20W, 8W, 5W, 2W e 0,8W. Eles correspondem a níveis de potência de 43 dBm, 39 dBm, 37 dBm, 33 dBm e 29 dBm. As unidades de 20-W e 8-W (potência de pico) podem ser montadas em veículos ou em estações portáteis. A potência do MS é ajustável em etapas de 2 dB de seu valor nominal até 20mW (13 dBm). Isso é feito automaticamente sob controle remoto do BTS.

Transcodificadores

Os transcodificadores são entidades de rede inseridas para fazer a interface do lado MSC com o lado móvel. A taxa de codificação de voz no lado PSTN é de 64 Kbps, e em GSM pelo ar a voz é codificada como 13 Kbps. Para reduzir a taxa de dados na interface aérea e reduzir o carregamento do link terrestre (4: 1), os transcodificadores são introduzidos em um local apropriado, principalmente com MSC.

O transcodificador é o dispositivo que recebe voz de 13 Kbps ou multiplexes de dados de 3,6 / 6/12 Kbps e quatro deles para converter em dados padrão de 64 Kbps. Primeiro, os 13 Kbps ou os dados em 3,6 / 6/12 Kbps são trazidos ao nível de 16 Kbps inserindo dados de sincronização adicionais para compensar a diferença entre uma fala de 13 Kbps ou dados de taxa inferior e, em seguida, quatro deles são combinados no transponder para fornecer um canal de 64 Kbps dentro do BSS. Quatro canais de tráfego podem ser multiplexados em um circuito de 64 Kpbs. Portanto, a taxa de dados de saída do TRAU é de 64 Kbps.

Em seguida, até 30 desses canais de 64 Kpbs são multiplexados em 2,048 Mbps se um canal CEPT1 for fornecido na interface A-bis. Este canal pode transportar até 120 (16x 120) sinais de tráfego e controle. Já que a taxa de dados para o PSTN é normalmente de 2 Mbps, que é o resultado da combinação de canais de 30 por 64 Kbps, ou 120 Kbps por canais de 16 Kpbs.

Outros Elementos de Rede

Outros elementos de rede incluem componentes como SMS Service Center, Voice Mail Box e SMS Flow.

Centro de Atendimento SMS

Ele faz interface com o MSC com funcionalidade de interoperação para fornecer Short Message Service (SMS) para assinantes móveis. O SMS pode ser destinado a aparelho de fax, PC na internet ou outro MS. A localização do destinatário MS é consultada pela MSC e entregue.

Caixa de correio de voz

Quando o assinante móvel não está em posição de atender as chamadas recebidas devido a área ocupada / fora de serviço, a chamada é desviada para uma caixa postal que já foi ativada pelo assinante. Para isso, uma conectividade separada foi estabelecida da MSC. O assinante será alertado por SMS posteriormente e poderá recuperar a mensagem.

Fluxo de SMS

• Quando um usuário envia um SMS, a solicitação é feita por meio do MSC.

• O MSC encaminha o SMS para o SMSC, onde é armazenado.

• O SMSC consulta o HLR para descobrir onde está o celular de destino e encaminha a mensagem para o MSC de destino se o celular de destino estiver disponível.

• Se o celular não estiver disponível, a mensagem é armazenada no próprio SMSC atual. Na maioria das instalações, se um celular não estiver disponível para entrega de SMS, o SMSC não tentará novamente. Em vez disso, o MSC de destino informa o SMSC quando o móvel volta ao alcance. O tratamento de SMS é uma operação de armazenamento e encaminhamento, ao contrário do USSD.

• O SMS tem um período de validade durante o qual irá aguardar que o telemóvel de destino esteja disponível. Após esse tempo, o SMSC apagará a mensagem. O período de validade pode ser definido pelo usuário. A validade normal é de 1 dia.

O BTS e o MS são conectados por meio de links de rádio e essa interface aérea é chamada de Um. Uma onda de rádio está sujeita a atenuação, reflexão, deslocamento Doppler e interferência de outro transmissor. Esses efeitos causam perda de intensidade do sinal e distorção, o que afeta a qualidade da voz ou dos dados. Para lidar com as condições adversas, o GSM faz uso de um processamento de sinal eficiente e protetor. O projeto celular adequado deve garantir que a cobertura de rádio suficiente seja fornecida na área.

A variação da intensidade do sinal para dispositivos móveis é devido aos diferentes tipos de enfraquecimento da intensidade do sinal. Existem dois tipos de variações de intensidade do sinal.

• Macroscopic Variations- Devido ao contorno do terreno entre BTS e MS. O efeito de desvanecimento é causado pelo sombreamento e difração (curvatura) das ondas de rádio.

• Microscopic variations- Devido ao desbotamento por multipercurso, curto prazo ou Rayleigh. Conforme o MS se move, ondas de rádio de muitos caminhos diferentes serão recebidas.

Rayleigh desbotando

O desvanecimento de Rayleigh ou as variações macroscópicas podem ser modeladas como a adição de dois componentes que compõem a perda de caminho entre a unidade móvel e a estação base. O primeiro componente é o componente determinístico (L) que adiciona perda à intensidade do sinal à medida que a distância (R) aumenta entre a base e o móvel. Este componente pode ser escrito como -

L = 1 / R ⁿ

Onde n é tipicamente 4. O outro componente macroscópico é uma variável aleatória Log normal que leva em consideração os efeitos do desbotamento da sombra causado por variações no terreno e outras obstruções no caminho do rádio. Valor médio local de perda de caminho = componente determinístico + variável aleatória log normal.

Variações microscópicas ou desvanecimento de Rayleigh ocorre quando o móvel se move em distâncias curtas em comparação com a distância entre o móvel e a base. Essas variações de curto prazo são causadas pela dispersão do sinal nas proximidades da unidade móvel, por exemplo, por uma colina, um edifício ou tráfego. Isso leva a muitos caminhos diferentes que são seguidos entre o transmissor e o receptor (Propagação Multipath). A onda refletida é alterada em fase e amplitude. O sinal pode efetivamente desaparecer se a onda refletida estiver 180 graus fora de fase com o sinal de caminho direto. As relações parciais fora de fase entre vários sinais recebidos produzem uma redução menor na intensidade do sinal recebido.

Efeitos do desbotamento de Rayleigh

A reflexão e a propagação de caminhos múltiplos podem causar efeitos positivos e negativos.

Processos de transmissão / recepção

Existem dois processos principais envolvidos na transmissão e recepção de informações por meio de um link de rádio digital, codificação e modulação.

Extensão de Cobertura

A propagação de múltiplos caminhos permite que os sinais de rádio cheguem por trás de colinas e edifícios e em túneis. Constructive and destructive interference os sinais recebidos por caminhos múltiplos podem se somar ou destruir uns aos outros.

Codificação

Codificação é o processamento de informações que envolve a preparação dos sinais básicos de dados para que sejam protegidos e colocados em uma forma que o link de rádio possa manipular. Geralmente o processo de codificação inclui o lógico EXclusivo OR (EXOR). A codificação está incluída em -

• Codificação de fala ou Trans codificação
• Codificação de canal ou codificação de correção de erro de encaminhamento
• Interleaving
• Encryption

Formatação Burst

A fala humana é limitada em banda entre 300 Hz a 3400 Hz e sofre modulação de frequência em sistemas analógicos. Em sistemas PSTN fixos digitais, a fala limitada por banda é amostrada à taxa de 8 KHz e cada amostra é codificada em 8 bits levando a 64 Kbps (PCM A-Law de codificação). O rádio celular digital não consegue lidar com a alta taxa de bits usada para sistemas PSTN. Técnicas inteligentes para análise e processamento de sinal foram desenvolvidas para redução da taxa de bits.

Propriedades de fala

A fala humana pode ser distinguida em sons elementares (fonemas). Dependendo do idioma, existem 30 a 50 fonemas diferentes. A voz humana é capaz de produzir até 10 fonemas por segundo, de modo que cerca de 60 bits / s são necessários para transferir a fala. No entanto, todas as características e entonações individuais desapareceriam. Para preservar as características individuais, a quantidade real de informações a serem enviadas é várias vezes maior, mas ainda uma fração dos 64 Kbit / s usados ​​para PCM.

Com base no mecanismo de produção de fonemas dos órgãos humanos da fala, um modelo simples de produção de fala pode ser feito. Parece que durante um curto intervalo de tempo de 10-30 ms, os parâmetros do modelo como período de pitch, sonoro / não sonoro, ganho de amplificação e parâmetros de filtro permanecem quase estacionários (quase estacionários). A vantagem de tal modelo é a simples determinação dos parâmetros por meio de predição linear.

Técnicas de codificação de fala

Existem 3 classes de técnicas de codificação de fala

• Waveform Coding- A fala é transmitida da melhor maneira possível na codificação em forma de onda. PCM é um exemplo de codificação de forma de onda. A taxa de bits varia de 24 a 64 kbps e a qualidade da voz é boa e o locutor pode ser reconhecido facilmente.

• Parameter Coding- Apenas uma quantidade muito limitada de informações é enviada. Um decodificador construído de acordo com o modelo de produção de fala irá regenerar a fala no receptor. Apenas 1 a 3 kbps é necessário para a transmissão da fala. A fala regenerada é inteligível, mas sofre de ruído e muitas vezes o falante não pode ser reconhecido.

• Hybrid Coding- Codificação híbrida é uma mistura de codificação de forma de onda e codificação de parâmetro. Ele combina os pontos fortes de ambas as técnicas e o GSM usa uma técnica de codificação híbrida chamada RPE-LTP (Regular Pulse Excited-Long Term Prediction), resultando em 13 Kbps por canal de voz.

Codificação de fala em GSM (transcodificação)

O PCM de 64 kbits / s transcodificado dos 8bits quantizados de lei A padrão por amostra em um fluxo de bits de 13 bits linearmente quantizado que corresponde a uma taxa de bits de 104 kbits / s. O fluxo de 104 kbits / s é alimentado no codificador de voz RPE-LTP, que obtém as amostras de 13 bits em um bloco de 160 amostras (a cada 20 ms). O codificador RPE-LTP produz 260bits a cada 20 ms, resultando em uma taxa de bits de 13kbits / s. Isso fornece uma qualidade de voz aceitável para telefonia móvel e comparável aos telefones PSTN com fio. No GSM 13Kbps, a codificação de voz é chamada de codificadores de taxa total. Como alternativa, codificadores de meia taxa (6,5 Kbps) também estão disponíveis para aumentar a capacidade.

Codificação de canal / codificação convolucional

A codificação de canal em GSM usa os 260 bits da codificação de voz como entrada para a codificação de canal e produz 456 bits codificados. Dos 260 bits produzidos pelo codificador de voz RPE-LTP, 182 são classificados como bits importantes e 78 como bits sem importância. Novamente, 182 bits são divididos em 50 bits mais importantes e são codificados em bloco em 53 bits e são adicionados com 132 bits e 4 bits de cauda, ​​totalizando 189 bits antes de passar pela codificação convolucional 1: 2, convertendo 189 bits em 378 bits. Esses 378 bits são adicionados com 78 bits sem importância, resultando em 456 bits.

Intercalação - Primeiro Nível

O codificador de canal fornece 456 bits para cada 20 ms de voz. Estes são intercalados, formando oito blocos de 57 bits cada, conforme figura a seguir.

Em uma rajada normal, blocos de 57 bits podem ser acomodados e se 1 dessas rajadas for perdida, haverá uma BER de 25% para todos os 20 ms.

Intercalação - Segundo Nível

Um segundo nível de intercalação foi introduzido para reduzir ainda mais o possível BER para 12,5%. Em vez de enviar dois blocos de 57 bits dos mesmos 20 ms de voz em uma rajada, um bloco de 20 ms e um bloco da próxima amostra de 20 ms são enviados juntos. Um atraso é introduzido no sistema quando o MS deve esperar pelos próximos 20 ms de fala. No entanto, o sistema agora pode se dar ao luxo de perder uma rajada inteira, das oito, já que a perda é de apenas 12,5% do total de bits de cada quadro de voz de 20 ms. 12,5% é o nível máximo de perda que um decodificador de canal pode corrigir.

Criptografia / Cifragem

O objetivo da cifragem é codificar o burst de forma que não possa ser interpretado por nenhum outro dispositivo além do receptor. O algoritmo de codificação em GSM é chamado de algoritmo A5. Não adiciona bits ao burst, o que significa que a entrada e a saída do processo de Cifragem são iguais à entrada: 456 bits por 20ms. Detalhes sobre criptografia estão disponíveis nos recursos especiais do GSM.

Multiplexação (formatação contínua)

Cada transmissão de celular / BTS deve incluir algumas informações extras junto com dados básicos. No GSM, um total de 136 bits por bloco de 20 ms é adicionado, trazendo o total geral para 592 bits. Um período de guarda de 33 bits também é adicionado, trazendo 625 bits por 20 ms.

Modulação

Modulação é o processamento que envolve a preparação física do sinal para que a informação possa ser transportada por uma portadora de RF. O GSM usa a técnica Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK). A frequência da portadora é deslocada em +/- B / 4, onde B = taxa de bits. No entanto, usando o filtro Gaussiano, reduz a largura de banda para 0,3 em vez de 0,5.

Recursos especiais do GSM

Listados abaixo estão os recursos especiais do GSM que discutiremos nas seções a seguir -

• Authentication
• Encryption
• Time Slot Staggering
• Avanço de tempo
• Transmissão descontínua
• Controle de poder
• Equalização adotiva
• Salto de frequência lento

Autenticação

Como a interface aérea é vulnerável a acesso fraudulento, é necessário empregar a autenticação antes de estender os serviços a um assinante. A autenticação é construída em torno das seguintes noções.

• A chave de autenticação (Ki) reside apenas em dois lugares, cartão SIM e centro de autenticação.

• A chave de autenticação (Ki) nunca é transmitida pelo ar. É virtualmente impossível para indivíduos não autorizados obter essa chave para se passar por um determinado assinante móvel.

Parâmetros de autenticação

O MS é autenticado pelo VLR com um processo que usa três parâmetros -

• RAND que é um número completamente aleatório.

• SRES, que é uma resposta assinada por autenticação. Ele é gerado aplicando um algoritmo de autenticação (A3) para RAND e Ki.

• Kc que é a chave cifrada. O parâmetro Kc gerado pela aplicação do algoritmo de geração de chave de criptografia (A8) a RAND e Ki.

Esses parâmetros (chamados de tripleto de autenticação) são gerados pelo AUC a pedido do HLR ao qual o assinante pertence. Os algoritmos A3 e A8, são definidos pelo operador PLMN e são executados pelo SIM.

Etapas na fase de autenticação

• O novo VLR envia uma solicitação ao HLR / AUC (Centro de autenticação) solicitando os "tripletos de autenticação" (RAND, SRES e Kc) disponíveis para o IMSI especificado.

• O AUC usando o IMSI, extrai a chave de autenticação de assinantes (Ki). O AUC então gera um número aleatório (RAND), aplica o Ki e RAND ao algoritmo de autenticação (A3) e à chave de cifra, algoritmo de geração (A8) para produzir uma resposta assinada de autenticação (SRES) e uma chave de criptografia (Kc). O AUC então retorna um tripleto de autenticação: RAND, SRES e Kc para o novo VLR.

• O MSC / VLR mantém os dois parâmetros Kc e SRES para uso posterior e, em seguida, envia uma mensagem para o MS. O MS lê sua chave de autenticação (Ki) do SIM, aplica o número aleatório recebido (RAND) e Ki ao seu algoritmo de autenticação (A3) e algoritmo de geração de chave de criptografia (A8) para produzir uma resposta assinada por autenticação (SRES) e criptografia chave (Kc). O MS salva Kc para depois, e usará Kc quando receber comando para cifrar o canal.

• O MS retorna o SRES gerado ao MSC / VLR. O VLR compara o SRES retornado do MS com o SRES esperado recebido anteriormente da AUC. Se igual, o celular passa na autenticação. Se desiguais, todas as atividades de sinalização serão abortadas. Nesse cenário, assumiremos que a autenticação foi aprovada.

Criptografia / Cifragem

Os dados são criptografados no lado do transmissor em blocos de 114 bits, pegando rajadas de dados de texto simples de 114 bits e executando uma operação de função lógica EXOR (OU exclusivo) com um bloco de cifra de 114 bits.

A função de descriptografia no lado do receptor é realizada tomando o bloco de dados criptografados de 114 bits e passando pela mesma operação "OU exclusivo" usando o mesmo bloco de cifra de 114 bits que foi usado no transmissor.

O bloco de criptografia usado por ambas as extremidades do caminho de transmissão para uma determinada direção de transmissão é produzido no BSS e MS por um algoritmo de criptografia chamado A5. O algoritmo A5 usa uma chave de criptografia de 64 bits (Kc), produzida durante o processo de autenticação durante a configuração da chamada e o número do quadro TDMA de 22 bits (COUNT), que leva valores decimais de 0 a 2715647 e tem um tempo de repetição de 3,48 horas (intervalo de hiperframe). O algoritmo A5 realmente produz dois blocos de criptografia durante cada período TDMA. Um caminho para o caminho de uplink e outro para o caminho de downlink.

Time Slot Staggering

O escalonamento do intervalo de tempo é o princípio de derivar a organização do intervalo de tempo do uplink da organização do intervalo de tempo do downlink. Um determinado intervalo de tempo do uplink é derivado do downlink, mudando o número do intervalo de tempo do downlink em três.

Razão

Ao deslocar três intervalos de tempo, a estação móvel evita os processos de 'transmissão e recepção' simultaneamente. Isso permite uma implementação mais fácil da estação móvel; o receptor na estação móvel não precisa ser protegido do transmissor da mesma estação móvel. Normalmente, uma estação móvel recebe durante um intervalo de tempo e, em seguida, muda a frequência em 45 MHz para GSM-900 ou 95 MHz para GSM-1800 para transmitir algum tempo depois. Isso implica que há uma base de tempo para downlink e outra para uplink.

Avanço de tempo

Avanço de temporização é o processo de transmitir o burst para o BTS (o avanço de temporização) antecipadamente, para compensar o atraso de propagação.

Por que é necessário?

É necessário devido ao esquema de multiplexação por divisão de tempo usado no caminho do rádio. O BTS recebe sinais de diferentes estações móveis muito próximas umas das outras. No entanto, quando uma estação móvel está longe do BTS, o BTS deve lidar com o atraso de propagação. É essencial que o burst recebido no BTS se encaixe corretamente no intervalo de tempo. Caso contrário, os bursts das estações móveis usando slots de tempo adjacentes podem se sobrepor, resultando em uma transmissão ruim ou até mesmo na perda de comunicação.

Uma vez que uma conexão tenha sido estabelecida, o BTS mede continuamente a diferença de tempo entre sua própria programação de burst e a programação de recepção do burst da estação móvel. Com base nessas medições, o BTS é capaz de fornecer à estação móvel o avanço de tempo necessário por meio do SACCH. Observe que o avanço de tempo é derivado da medição de distância, que também é usada no processo de transferência. O BTS envia um parâmetro de avanço de tempo de acordo com o avanço de tempo percebido para cada estação móvel. Cada uma das estações móveis, então, avança seu tempo, com o resultado de que os sinais das diferentes estações móveis que chegam ao BTS são compensados ​​pelo atraso de propagação.

Processo de avanço de tempo

• Um número de 6 bits indica quantos bits a MS deve avançar sua transmissão. Este avanço de tempo é TA.

• O GP de 68,25 bits de comprimento (período de guarda) da rajada de acesso fornece a flexibilidade necessária para avançar o tempo de transmissão.

• O avanço de tempo TA pode ter um valor entre 0 e 63 bits de comprimento, o que corresponde a um atraso de 0 a 233 microssegundos. Por exemplo, o MS a 10 km de distância do BTS deve começar a transmitir 66 microssegundos antes para compensar o atraso de ida e volta.

• O alcance móvel máximo de 35 km é mais determinado pelo valor de avanço de tempo do que pela força do sinal.

A estação móvel tenta encontrar uma célula adequada, passando pela lista em ordem decrescente de intensidade do sinal recebido, o primeiro canal BCCH, que satisfaz um conjunto de requisitos que selecionou.

Critérios de Seleção de Células

Os requisitos que uma célula deve satisfazer antes que uma estação móvel possa receber serviço dela são -

• Deve ser uma célula do PLMN selecionado. A estação móvel verifica se a célula faz parte do PLMN selecionado.

• Não deve ser "barrado". A operadora PLMN pode decidir não permitir que estações móveis acessem certas células. Estas células podem, por exemplo, ser utilizadas apenas para tráfego de transferência. A informação da célula bloqueada é transmitida no BCCH para instruir as estações móveis a não acessar essas células.

• A perda do caminho do rádio entre a estação móvel e o BTS selecionado deve estar acima de um limite definido pelo operador PLMN.

• Se nenhuma célula adequada for encontrada, o MS entra em um estado de "serviço limitado", no qual só pode fazer chamadas de emergência.

Chamada para uma estação móvel ativa

À medida que uma estação móvel ativa (MS) se move na área de cobertura de uma rede móvel terrestre pública (PLMN), ela relata seus movimentos para que possa ser localizada conforme necessário, usando os locais de procedimento de atualização. Quando um centro de comutação de serviços móveis (MSC) na rede precisa estabelecer uma chamada para uma estação móvel operando em sua área de fluxo, ocorrem as seguintes coisas -

• Uma mensagem de página é transmitida e contém o código de identificação da MS. Nem todo controlador de estação base (BSC) na rede é solicitado a transmitir a mensagem de busca. A transmissão é limitada a um cluster de células de rádio que juntas formam uma área de localização. A última posição informada do MS identifica a área de localização a ser usada para a transmissão.

• O MS monitora a mensagem de paging transmitida pela célula de rádio na qual está localizada e, ao detectar seu próprio código de identificação, responde transmitindo uma mensagem de resposta de page para a Estação Transceptora Base (BTS).

• A comunicação é então estabelecida entre o MSC e o MS através do BTS que recebeu a mensagem de resposta da página.

Atualização de localização

Case 1 - A localização nunca é atualizada.

Se a localização nunca atualiza a implementação para atualização de localização, o custo torna-se zero. Mas temos que paginar todas as células para localizar o MS e este procedimento não será econômico.

Case 2 - A atualização do local é implementada.

As atualizações de localização estão ocorrendo de acordo com os requisitos da rede, podem ser baseadas no tempo, movimento ou distância. Este procedimento envolve alto custo, mas temos que paginar uma única célula ou poucas células apenas para localizar o MS e este procedimento será econômico.

configuração de rede

A configuração de uma Rede Móvel Terrestre Pública (PLMN) foi concebida de forma a que a estação móvel ativa em movimento na área da rede possa reportar a sua posição. Uma rede consiste em diferentes áreas -

• Área PLMN
• Área de localização
• Área MSC
• Área PLMN

Uma área PLMN é a área geográfica na qual os serviços de comunicações móveis terrestres são fornecidos ao público por um determinado operador de PLMN. De qualquer posição dentro de uma área PLMN, o usuário móvel pode configurar chamadas para outro usuário da mesma rede ou para um usuário de outra rede. A outra rede pode ser uma rede fixa, outro GSM PLMN ou outro tipo de PLMN. Os usuários do mesmo PLMN ou usuários de outras redes também podem chamar um usuário móvel que esteja ativo na área PLMN. Quando há várias operadoras PLMN, as áreas geográficas cobertas por suas redes podem se sobrepor. A extensão de uma área PLMN é normalmente limitada por fronteiras nacionais.

Área de Localização

Para eliminar a necessidade de difusões de paging em toda a rede, o PLMN precisa saber as posições aproximadas dos MSs que estão ativos em sua área de cobertura. Para permitir que as posições aproximadas de qualquer MS sejam representadas por um único parâmetro, a área total coberta pela rede é dividida em áreas de localização. Uma área de localização (LA) é um grupo de uma ou mais células de rádio. Este grupo atende aos seguintes requisitos -

• BTSs em uma área de localização podem ser controlados por um ou mais BSCs.

• BSCs que atendem a mesma área de localização estão sempre conectados ao mesmo MSC.

• As células de rádio com BTSs controladas por um BSC comum podem estar em diferentes áreas de localização.

Identidade da área de localização

Cada transmissor de rádio na transmissão PLMN, através de um canal de controle BCCH, uma Identidade de Área de Localização (LAI), código para identificar a área de localização que serve. Quando um MS não está envolvido em uma chamada, ele varre automaticamente o BCCH transmitido pelas estações base na localidade e seleciona o canal que está entregando o sinal mais forte. O código LAI transmitido pelo canal selecionado identifica a área de localização na qual o MS está atualmente situado. Este código LAI é armazenado no Módulo de Identidade do Assinante (SIM) do equipamento móvel.

À medida que o MS se move pela área da rede, o sinal recebido do canal de controle selecionado diminui gradualmente em intensidade até não ser mais o mais forte. Nesse ponto, o MS sintoniza novamente o canal que se tornou dominante e examina o código LAI que está transmitindo. Se o código LAI recebido for diferente daquele armazenado no SIM, então o MS entrou em outra área de localização e inicia um procedimento de atualização de localização para relatar a alteração ao MSC. No final do procedimento, o código LAI no SIM também é atualizado.

Formato de identificação da área de localização

É um código de identificação de área de localização (LAI) para identificar a área de localização em um PLMN. O código LAI tem três componentes -

Código de país para celular (MCC)

O MCC é um código de 3 dígitos que identifica exclusivamente o país de domicílio do assinante móvel (por exemplo, Índia 404). É atribuído pelo ITU-T.

Código de rede móvel (MNC)

O MNC é um código de 2 dígitos (código de 3 dígitos para GSM-1900) que identifica o GSM PLMN residencial do assinante móvel. Se houver mais de um GSM PLMN em um país, um MNC exclusivo será atribuído a cada um deles. É atribuído pelo governo de cada país. (Por exemplo, Cell one, Chennai 64).

Código de área de localização (LAC)

O componente LAC identifica uma área de localização dentro de uma PLMN; tem um comprimento fixo de 2 octetos e pode ser codificado usando representação hexadecimal. É atribuído por um operador.

Áreas MSC

Uma área MSC é uma região da rede na qual as operações GSM são controladas por um único MSC. Uma área MSC consiste em mais uma área de localização. O limite de uma área MSC segue os limites externos das áreas de localização em sua periferia. Conseqüentemente, uma área de localização nunca ultrapassa os limites de uma área MSC.

Área VLR

Uma área VLR é uma região da rede supervisionada por um único Visitor Location Register (VLR). Em teoria, uma área de VLR pode consistir em mais uma área de MSC. Na prática, no entanto, as funções do VLR estão sempre integradas às do MSC, de modo que os termos "área do VLR" e "área do MSC" passaram a ser sinônimos.

Bancos de dados relacionados à localização

Dois bancos de dados são usados ​​pelo Gerenciamento de localização para armazenar dados relacionados à localização do MS.

• Registro de localização do visitante (VLR)
• Registro de localização de casa (HLR)

Registro de localização do visitante

Um VLR contém um registro de dados para cada um dos MS que estão operando atualmente em sua área. Cada registro contém um conjunto de códigos de identidade do assinante, informações de assinatura relacionadas e um código de identificação de área de localização (LAI). Esta informação é usada pelo MSC ao lidar com chamadas de ou para um MS na área. Quando um MS se move de uma área para outra, a responsabilidade por sua supervisão passa de um VLR para outro. Um novo registro de dados é criado pelo VLR que adotou o MS e o registro antigo é excluído. Desde que exista um acordo de trabalho entre os operadores de rede em questão, a transação de dados pode cruzar as fronteiras da rede e nacionais.

Registro de localização de casa

O HLR contém informações relevantes para assinantes móveis que são clientes pagantes da organização que opera o PLMN.

O HLR armazena dois tipos de informações -

Subscription Information

As informações de assinatura incluem o IMSI e o número do diretório alocado ao assinante, o tipo de serviços fornecidos e quaisquer restrições relacionadas.

Location Information

As informações de localização incluem o endereço do VLR na área onde o assinante MS está atualmente localizado e o endereço do MSC associado.

As informações de localização permitem que as chamadas recebidas sejam encaminhadas para o MS. A ausência desta informação indica que o MS está inativo e não pode ser alcançado.

Quando um MS se move de uma área VLR para outra, a informação de localização no HLR é atualizada com a nova entrada para o MS, usando dados de assinatura copiados do HLR. Desde que exista um acordo de interoperabilidade entre os operadores de rede, as transações de dados em questão podem se mover através da rede e das fronteiras nacionais.

Tipos de números de identificação

Durante a realização do procedimento de atualização de localização e o processamento de uma chamada móvel, diferentes tipos de números são usados ​​-

• Número da estação móvel ISDN (MSISDN)
• Número de roaming do assinante móvel (MSRN)
• Identidade do assinante móvel internacional (IMSI)
• Identidade temporária do assinante móvel (TMSI)
• Identidade de estação móvel local (LMSI)

Cada número é armazenado no HLR e / ou VLR.

Número da estação móvel ISDN

O MSISDN é o número do diretório alocado ao assinante móvel. Ele é discado para fazer uma chamada telefônica para o assinante móvel. O número consiste no Código do país (CC) do país no qual a estação móvel está registrada (por exemplo, Índia 91), seguido pelo número móvel nacional que consiste no Código de Destino da Rede (NDC) e Número do Assinante (SN). Um NDC é atribuído a cada GSM PLMN.

A composição do MSISDN é tal que pode ser usado como um endereço de título global na Parte de Controle de Conexão de Sinalização (SCCP) para o roteamento de mensagem para o HLR do assinante móvel.

Número de roaming da estação móvel

O MSRN é o número exigido pelo gateway MSC para rotear uma chamada de entrada para um MS que não está atualmente sob o controle do gateway MSISDN. Usando um celular, a chamada encerrada é roteada para o gateway MSC. Com base nisso, o MSC do gateway MSISDN solicita que um MSRN encaminhe a chamada para a identidade do assinante móvel internacional (IMSI) do MSC atualmente visitado.

Um MS é identificado por seu IMSI. O IMSI está embutido no SIM do equipamento móvel. É fornecido pela MS sempre que acede à rede.

Mobile Country Code (MCC)

O componente MCC do IMSI é um código de 3 dígitos que identifica exclusivamente o país de domicílio do assinante. É atribuído pelo ITU-T.

Mobile Network Code (MNC)

O componente MNC é um código de 2 dígitos que identifica o GSM PLMN residencial do assinante móvel. É atribuído pelo governo de cada país. Para GSM-1900, é usado um MNC de 3 dígitos.

Mobile Subscriber Identification Number (MSIN)

O MSIN é um código que identifica o assinante em um GSM PLMN. É atribuído pelo operador.

Identidade temporária do assinante móvel (TMSI)

O TMSI é um alias de identidade que é usado em vez do IMSI quando possível. O uso de um TMSI garante que a verdadeira identidade do assinante móvel permaneça confidencial, eliminando a necessidade de transferir um código IMSI não cifrado por um link de rádio.

Um VLR aloca um código TMSI exclusivo para cada assinante móvel que está operando em sua área. Este código, que só é válido dentro da área supervisionada pelo VLR, é utilizado para identificar o assinante, nas mensagens de e para a MS. Quando uma mudança de área de localização também envolve uma mudança de área de VLR, um novo código TMSI é alocado e comunicado à MS. O MS armazena o TMSI em seu SIM. O TMSI consiste em quatro octetos.

Cenário de atualização de localização

No seguinte cenário de atualização de localização, presume-se que um MS entra em uma nova área de localização que está sob controle de um VLR diferente (referido como o "novo VLR") daquele onde o MS está atualmente registrado (referido como o "VLR antigo"). O diagrama a seguir mostra as etapas do cenário de atualização do local móvel.

O MS entra em uma nova área de célula, ouve a Identidade de Área de Localização (LAI) sendo transmitida no canal de transmissão (BCCH) e compara esta LAI com a última LAI (armazenada no SIM) representando a última área onde o celular foi registrado .

• A MS detecta que entrou em uma nova área de localização e transmite uma mensagem de solicitação de canal pelo canal de acesso aleatório (RACH).

• Uma vez que o BSS recebe a mensagem de solicitação de canal, ele aloca um canal de controle dedicado autônomo (SDCCH) e encaminha esta informação de atribuição de canal para a MS através do canal de concessão de acesso (AGCH). É através do SDCCH que o MS se comunicará com o BSS e o MSC.

• A MS transmite uma mensagem de solicitação de atualização de localização para o BSS através do SDCCH. Incluídos nesta mensagem estão a identidade do assinante temporário móvel (TMSI) da MS e o antigo assinante da área de localização (antigo LAI). O MS pode se identificar com seu IMSI ou TMSI. Neste exemplo, assumiremos que o móvel forneceu um TMSI. O BSS encaminha a mensagem de solicitação de atualização de localização ao MSC.

• O VLR analisa o LAI fornecido na mensagem e determina que o TMSI recebido está associado a um VLR diferente (VLR antigo). Para prosseguir com o registro, o IMSI do MS deve ser determinado. O novo VLR deriva a identidade do VLR antigo usando o LAI recebido, fornecido na mensagem de solicitação de atualização de local. Ele também solicita que o VLR antigo forneça o IMSI para um TMSI específico.

• A atualização do cenário de localização - Atualizar HLR / VLR é um ponto em que estamos prontos para informar ao HLR que o MS está sob controle de um novo VLR e que o MS pode ser desregistrado do VLR antigo. As etapas na fase de atualização HLR / VLR são -

  • O novo VLR envia uma mensagem ao HLR informando-o de que o IMSI fornecido mudou de localização e pode ser alcançado por meio do roteamento de todas as chamadas recebidas para o endereço VLR incluído na mensagem.

  • O HLR solicita que o VLR antigo remova o registro do assinante associado ao IMSI fornecido. O pedido é confirmado.

  • O HLR atualiza o novo VLR com os dados do assinante (perfil do cliente dos assinantes móveis).

Etapas na Fase de Realocação TMSI

• O MSC encaminha a mensagem de aceitação da atualização do local para o MS. Esta mensagem inclui o novo TMSI.

• O MS recupera o novo valor TMSI da mensagem e atualiza seu SIM com este novo valor. A unidade móvel então envia uma mensagem de atualização completa de volta ao MSC.

• O MSC solicita ao BSS que a ligação de sinalização entre o MSC e o MS seja liberada.

• O MSC libera sua parte da conexão de sinalização quando recebe a mensagem completa e clara do BSS.

• O BSS envia uma mensagem de liberação de canal de "recurso de rádio" para a MS e então libera o Canal de Controle Dedicado Independente (SDCCH) que foi alocado anteriormente. O BSS então informa ao MSC que a conexão de sinalização foi cancelada.

Periodicidade de atualização de localização

A atualização de localização ocorre automaticamente quando o MS muda seu LA. Muitas atualizações de localização podem ser geradas se um usuário cruzar os limites de LA com frequência. Se o MS permanecer no mesmo LA, a atualização do local pode ocorrer com base no tempo / movimento / distância, conforme definido pelo provedor de rede.

Entregar

É o processo de comutação automática de uma chamada em andamento de um canal de tráfego para outro para neutralizar os efeitos adversos dos movimentos do usuário. O processo de transferência será iniciado apenas se o controle de energia não for mais útil.

O processo de transferência é MAHO (Mobile Assisted Hand Over). Começa com as medições de Down Link pelo MS (Força do sinal do BTS, Qualidade do sinal do BTS). O MS pode medir a intensidade do sinal dos 6 melhores links descendentes BTS vizinhos (lista de candidatos).

Tipos de transferência

Existem dois tipos de transferência -

• Transferência interna ou intra BSS

  Transferência intra-celular

  Transferência entre células

• Transferência externa ou interna do BSS

  Transferência intra-MSC

  Transferência de Inter MSC

  A transferência interna é gerida pelo BSC e a transferência externa pela MSC.

Os objetivos da transferência são os seguintes -

• Mantenha uma boa qualidade de discurso.
• Minimize o número de chamadas perdidas.
• Maximize o tempo que a estação móvel fica na melhor célula.
• Minimize o número de transferências.

When will a Hand Over take place?

• A distância (atraso de propagação) entre o MS e o BTS torna-se muito grande.
• Se o nível do sinal recebido for muito baixo.
• Se a qualidade do sinal recebido for muito baixa.
• A situação de perda de caminho da estação móvel para outra célula é melhor.

A seguinte rede GPRS nova adiciona os seguintes elementos a uma rede GSM existente.

• Unidade de controle de pacotes (PCU).

• Serving GPRS Support Node (SGSN) - o MSC da rede GPRS.

• Gateway GPRS Support Node (GGSN) - gateway para redes externas.

• Border Gateway (BG) - um gateway para outro PLMN.

• Backbone Intra-PLMN - uma rede baseada em IP que interconecta todos os elementos GPRS.

General Packet Radio Service (GPRS)

• O GPRS introduz a transmissão de dados por pacote ao assinante móvel.

• O GPRS foi projetado para funcionar na infraestrutura GSM existente com nós de comutação de pacotes adicionais.

• Esta técnica de modo de pacote usa tecnologia multi-slot juntamente com suporte para todos os esquemas de codificação (CS-1 a CS-4) para aumentar as taxas de dados em até 160 kbit / s.

• O sistema GPRS usa os canais de rádio físicos conforme definido para GSM. Um canal físico usado pelo GPRS é chamado de Canal de Dados de Pacote (PDCH).

• Os PDCHs podem ser alocados para GPRS (PDCH dedicado) ou usados ​​por GPRS apenas se nenhuma conexão comutada por circuito os exigir (sob demanda). O operador pode definir 0-8 PDCHs dedicados por célula. O operador pode especificar onde deseja que seus PDCHs sejam localizados.

• O primeiro PDCH dedicado na célula é sempre um PDCH Mestre (MPDCH). Os PDCHs sob demanda podem ser antecipados por chamadas comutadas por circuito em situações de congestionamento na célula.

Esquema de Codificação	Velocidade (kbit / s)
CS-1	8,0
CS-2	12,0
CS-3	14,4
CS-4	20,0

Servindo Funções de Nó de Suporte GPRS (SGSN)

O elemento SGSN ou Serving GPRS Support Node da rede GPRS fornece uma série de tomadas com foco nos elementos IP de todo o sistema. Ele fornece uma variedade de serviços para celulares -

• Roteamento e transferência de pacotes
• Gerenciamento de mobilidade
• Authentication
• Attach/detach
• Gerenciamento de link lógico
• Dados de carregamento

Existe um registro de localização no SGSN e ele armazena as informações de localização (por exemplo, célula atual, VLR atual). Ele também armazena os perfis de usuário (por exemplo, IMSI, endereços de pacote usados) para todos os usuários GPRS registrados no SGSN específico.

Funções de nó de suporte GPRS do gateway (GGSN)

• O GGSN, nó de suporte GPRS do Gateway é uma das entidades mais importantes dentro da arquitetura de rede GSM EDGE.

• O GGSN organiza a interoperabilidade entre a rede GPRS / EDGE e as redes externas de comutação de pacotes às quais os celulares podem ser conectados. Isso pode incluir redes de Internet e X.25.

• O GGSN pode ser considerado uma combinação de gateway, roteador e firewall, pois esconde a rede interna para o exterior. Em operação, quando o GGSN recebe dados endereçados a um usuário específico, ele verifica se o usuário está ativo e então encaminha os dados. Na direção oposta, os dados do pacote da unidade móvel são roteados para a rede de destino correta pelo GGSN.

Atualização de equipamentos de GSM para GPRS

• Mobile Station (MS)- É necessária uma nova estação móvel para acessar os serviços GPRS. Esses novos terminais serão compatíveis com versões anteriores do GSM para chamadas de voz. Três tipos de aparelhos estão disponíveis. Tipo-A: GPRS e fala (simultaneamente), Tipo-B: GPRS e fala (troca automática), Tipo-C: GPRS ou fala (troca manual).

• BTS - Uma atualização de software é necessária no site do transceptor de base existente.

• BSC- Requer uma atualização de software e a instalação de um novo hardware chamado unidade de controle de pacote (PCU). A PCU é responsável por lidar com as camadas de Controle de Acesso ao Meio (MAC) e Controle de Link de Rádio (RLC) da interface de rádio e as camadas BSSGP e Serviço de Rede da interface Gb. Existe uma PCU por BSC. A interface Gb transporta o tráfego GPRS / EGPRS do SGSN (Serving GPRS Support Node) para a PCU.

• GPRS Support Nodes (GSNs) - A implantação de GPRS requer a instalação de novos elementos de rede central, denominados nó de suporte GPRS de serviço (SGSN) e nó de suporte GPRS de gateway (GGSN).

• Databases (HLR, VLR, etc.) - Todas as bases de dados envolvidas na rede necessitarão de atualizações de software para lidar com os novos modelos de chamadas e funções introduzidos pelo GPRS.

Informações de localização - Hierarquia de área de serviço GSM

• Cell- Célula é a área de serviço básica e um BTS cobre uma célula. Cada célula recebe uma Identidade Global de Célula (CGI), um número que identifica exclusivamente a célula.

• LA- Um grupo de células forma uma área de localização. Esta é a área que é paginada quando um assinante recebe uma chamada. Cada área de localização é atribuída a uma identidade de área de localização (LAI). Cada área de localização é atendida por um ou mais BSCs.

• MSC/VLR Service Area - A área coberta por um MSC é chamada de área de serviço MSC / VLR.

• PLMN- A área coberta por uma operadora de rede é chamada de PLMN. Um PLMN pode conter um ou mais MSCs.

• GSM Service Area - A área em que um assinante pode acessar a rede.

Taxas de dados aprimoradas para evolução global (EDGE) introduz uma nova técnica de modulação, bem como melhorias de protocolo para transmissão de pacotes pelo rádio.

O uso da nova modulação e os aprimoramentos do protocolo resultam em um aumento dramático na taxa de transferência e em ganhos de capacidade, permitindo os serviços 3G nas redes GSM / GPRS existentes. Nenhuma mudança é necessária para a infraestrutura de rede central existente para oferecer suporte a EDGE. Isso enfatiza o fato de que EDGE é apenas um “add-on” para BSS.

Para EDGE, nove esquemas de modulação e codificação (MCS) são introduzidos (MCS1 a MCS9) e otimizados para diferentes ambientes de rádio. Quatro esquemas de codificação EDGE estão usando GMSK e cinco estão usando 8 modulação PSK.

Atualização para EDGE

• Mobile Station (MS) - MS deve estar habilitado para EDGE.

• BTS - HW fornecido é Edge habilitado.

• BSC - As definições dos timeslots EDGE precisam ser feitas no BSC.

• GPRS Support Nodes (GSNs) - Definições para Edge precisam ser definidas em GSNs.

• Databases (HLR, VLR, etc.) - Nenhuma definição é necessária.

Benefícios da EDGE

• Benefícios de curto prazo - capacidade e desempenho,
• Fácil implementação em uma rede GSM / GPRS,
• Custo-beneficio,
• Aumenta a capacidade e triplica a taxa de dados do GPRS,
• Permite novos serviços de multimídia,
• Benefício de longo prazo - Harmonização com WCDMA.

O que EDGE significaria para assinantes

• Aplicativos de streaming
• Downloads de alta velocidade
• Conexões da intranet corporativa
• MMS mais rápido
• Videofone
• Aplicações corporativas verticais - videoconferência, apresentações remotas.

O Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) é um sistema móvel de terceira geração para redes baseadas no padrão GSM. Desenvolvido e mantido pelo 3GPP (3rd Generation Partnership Project), o UMTS é um componente da Standard International Union para todas as telecomunicações IMT-2000 e o compara com o padrão definido para redes CDMA2000 com base na tecnologia cdmaOne da concorrência. UMTS usa tecnologia de acesso de rádio de acesso múltiplo por divisão de código de banda larga (W-CDMA) para fornecer maior eficiência espectral e operadoras de rede móvel de largura de banda.

Evolução da Rede

Uma evolução que faz sentido

HSUPA - Acesso ao pacote de uplink de alta velocidade

HSDPA - Acesso a pacotes de downlink de alta velocidade

A ideia principal do 3G é preparar uma infraestrutura universal capaz de transportar serviços existentes e também futuros. A infraestrutura deve ser projetada de forma que as mudanças e a evolução da tecnologia possam ser adaptadas à rede sem causar incertezas aos serviços existentes, utilizando a estrutura de rede existente.

As primeiras redes de Divisão de Código de Banda Larga (WCDMA) do Projeto de Parceria de Terceira Geração de Acesso Múltiplo (3GPP) foram lançadas em 2002. No final de 2005, havia 100 redes WCDMA abertas e um total de mais de 150 operadoras com licenças para operação de frequências WCDMA. Atualmente, as redes WCDMA são implantadas na banda UMTS de cerca de 2 GHz na Europa e na Ásia, incluindo Japão e América e Coréia. WCDMA é implantado em 850 e 1900 das alocações de frequência existentes e a nova banda 3G 1700/2100 deve estar disponível em um futuro próximo. O 3GPP definiu a operação WCDMA para várias bandas adicionais, que devem ser comissionadas nos próximos anos.

À medida que a penetração móvel WCDMA aumenta, isso permite que as redes WCDMA transportem uma parcela maior do tráfego de voz e dados. A tecnologia WCDMA oferece algumas vantagens para a operadora na medida em que permite os dados, mas também melhora a voz de base. A capacidade de voz oferecida é muito alta devido aos mecanismos de controle de interferência, incluindo reutilização de frequência de 1, controle rápido de potência e transferência suave.

O WCDMA pode oferecer muito mais minutos de voz aos clientes. Enquanto isso, o WCDMA também pode melhorar o serviço de voz de banda larga com o codec AMR, que oferece claramente melhor qualidade de voz do que a linha fixa de telefone fixo. Resumindo, o WCDMA pode oferecer mais minutos de voz com melhor qualidade.

Além da alta eficiência espectral, o WCDMA de terceira geração (3G) oferece mudanças ainda mais dramáticas na capacidade da estação base e na eficiência do equipamento. O alto nível de integração no WCDMA é alcançado devido à operadora de banda larga: um grande número de usuários suportados pela operadora e menos operadoras de radiofrequência (RF) são necessários para fornecer a mesma capacidade.

Com menos peças de RF e mais processamento de banda base digital, o WCDMA pode aproveitar a rápida evolução da capacidade de processamento de sinal digital. O nível de integração da estação base alta permite a construção eficiente de locais de alta capacidade, uma vez que a complexidade dos combinadores de RF, antenas adicionais ou cabos de alimentação podem ser evitados. As operadoras WCDMA são capazes de fornecer serviços de dados úteis, incluindo navegação, chamadas de vídeo pessoa a pessoa, esportes e vídeo e novos clipes de TV móvel.

WCDMA permite voz e dados simultâneos, o que permite, por exemplo, navegar ou enviar e-mail durante uma conferência de voz ou compartilhamento de vídeo em tempo real durante chamadas de voz.

As operadoras também oferecem conectividade móvel para a Internet e intranet corporativa com taxa de bits máxima de downlink de 384 kbps e ambos de uplink. Os primeiros terminais e redes foram limitados a uplink de 64 a 128 kbps, enquanto os últimos produtos fornecem uplink de 384 kbps.

WCDMA-3G

O serviço sem fio 3G foi projetado para fornecer alta velocidade de dados, acesso de dados sempre ativo e maior capacidade de voz. Listados abaixo estão alguns pontos notáveis ​​-

• As altas velocidades de dados, medidas em Mbps, permitem vídeo full motion, acesso à Internet de alta velocidade e videoconferência.

• Os padrões de tecnologia 3G incluem UMTS, baseado na tecnologia WCDMA (frequentemente os dois termos são usados ​​alternadamente) e CDMA2000, que é o resultado da tecnologia CDMA 2G anterior.

• O padrão UMTS é geralmente preferido por países que usam a rede GSM. O CDMA2000 possui vários tipos, incluindo 1xRTT, 1xEV-DO e 1xEV-DV. As taxas de dados que eles oferecem variam de 144 kbps a mais de 2 Mbps.

Sub-sistemas da rede 3G

Um sistema GSM é basicamente projetado como uma combinação de três subsistemas principais -

• Network Subsystem (NSS)- MSC / VLR, HLR, AuC, SMSC, EIR, MGW. Comum para redes 2G e 3G.

• UTRAN - RNC e RBS.

• Subsistema de Suporte de Operação e Manutenção (OSS).

Existem três interfaces dominantes, a saber,

• IuCS - Entre RNC e MSC para voz e dados de circuito;

• IuPS - Entre RNC e SGSN para pacotes de dados;

• Uu interface - Entre o RNC e o MS.

Vejamos resumidamente a padronização e o cronograma de implantação do HSPA -

• O acesso por pacote de downlink de alta velocidade (HSDPA) foi padronizado como parte do 3GPP Versão 5 com a primeira versão de especificação em março de 2002.

• O acesso por pacote de uplink de alta velocidade (HSUPA) fazia parte do 3GPP Versão 6 com a primeira versão de especificação em dezembro de 2004.

• HSDPA e HSUPA juntos são chamados de High-Speed ​​Packet Access '(HSPA).

• As primeiras redes HSDPA comerciais estavam disponíveis no final de 2005 e as redes HSUPA comerciais estavam disponíveis em 2007.

• A taxa de dados de pico HSDPA disponível nos terminais é inicialmente de 1,8 Mbps e aumentará para 3,6 e 7,2 Mbps durante 2006 e 2007, e posteriormente em 10 Mbps e além de 10 Mbps.

• A taxa de dados de pico HSUPA na fase inicial foi de 1–2 Mbps e a segunda fase foi de 3–4 Mbps.

O HSPA é implantado na rede WCDMA na mesma operadora ou - para solução de alta capacidade e alta velocidade - usando outra operadora, consulte a figura acima. Em ambos os casos, WCDMA e HSPA podem compartilhar todos os elementos de rede na rede central e a rede de rádio que compreende estações base, controlador de rede de rádio (RNC), Serving GPRS Support Node (SGSN) e Gateway GPRS Support Node (GGSN). WCDMA e HSPA também compartilham as antenas da estação base do local e os cabos da antena.

A atualização WCDMA HSPA requer novo software e potencialmente novos equipamentos na estação base e RNC para suportar a taxa e maior capacidade de dados. Por causa da infraestrutura compartilhada entre WCDMA e HSPA, o custo da atualização do WCDMA HSPA é muito baixo em comparação com a construção de uma nova rede de dados autônoma.

De muitos, abaixo mencionados são alguns objetivos do UMTS -

UMTS - Interface de Rádio e Aspectos da Rede de Rádio

Após a introdução do UMTS, a quantidade de transmissão de dados de área ampla por usuários móveis aumentou. Mas para as transmissões sem fio locais, como WLAN e DSL, a tecnologia aumentou em uma taxa muito maior. Portanto, era importante considerar as taxas de transmissão de dados iguais às da categoria de banda larga de linha fixa, quando o WIMAX já estabeleceu metas altas para as taxas de transmissão. Ficou claro que a nova tecnologia de rádio 3GPP Evolved UTRA (E-UTRA, sinônimo de interface de rádio LTE) tinha que se tornar fortemente competitiva em todos os aspectos e para isso foram definidas as seguintes taxas de transmissão alvo -

• Downlink: 100 Mb / s
• Uplink: 50 Mb / s

Os números acima são válidos apenas para uma configuração de referência de duas antenas de recepção e uma antena de transmissão no terminal, e dentro de uma alocação de espectro de 20 MHz.

UMTS - All IP Vision

Um princípio muito geral foi estabelecido para o sistema 3GPP Evolved. Deveria “todo IP”, significa que a conectividade IP é o serviço básico que é fornecido aos usuários. Todos os outros serviços de camada, como voz, vídeo, mensagens, etc., são baseados nisso.

Olhando para as pilhas de protocolo para interfaces entre os nós da rede, fica claro que o modelo simples de IP não é aplicável a uma rede móvel. Existem camadas virtuais intermediárias, o que não se aplica a uma rede móvel. Existem camadas virtuais intermediárias, na forma de “túneis”, fornecendo os três aspectos - mobilidade, segurança e qualidade de serviço. Como resultado, os protocolos baseados em IP aparecem na camada de transporte (entre os nós da rede) e nas camadas superiores.

UMTS - Requisitos da Nova Arquitetura

Há uma nova arquitetura que cobre boa escalabilidade, separadamente para o plano do usuário e o plano de controle. Há necessidade de diferentes tipos de suporte de mobilidade de terminal, que são: terminais fixos, nômades e móveis.

A sobrecarga mínima de transmissão e sinalização, especialmente no ar, em modo inativo da sinalização UE de modo dual, deve ser minimizada, na capacidade multicast de canal de rádio. É necessário que seja reutilizado ou estendido, conforme restrições de roaming e compartilhamento de rede, compatível com os princípios tradicionais estabelecidos conceito de roaming, muito naturalmente, o atraso máximo de transmissão necessário é equivalente ao da rede fixa, especificamente inferior a 5 milissegundos, definido para plano de controle é meta de atraso inferior a 200 milissegundos.

Olhando para a evolução do sistema 3GPP na íntegra, pode não parecer menos complexo do que o sistema 3GPP tradicional, mas isso se deve ao grande aumento na funcionalidade. Outro desejo forte é chegar a uma estrutura plana, reduzindo CAPEX / OPEX para operadoras nas operadoras de arquitetura 3GPP.

Funções de controle poderosas também devem ser mantidas com os novos sistemas 3GPP, tanto com operação contínua em tempo real (por exemplo, VoIP) quanto com aplicativos e serviços em tempo não real. O sistema deve funcionar bem para serviços VoIP em ambos os cenários. Atenção especial também é dada à continuidade perfeita com sistemas legados (3GPP e 3GPP2), suporta o rompimento local de tráfego de rede visitado de comunicações de voz.

UMTS - Segurança e Privacidade

O Registro de localização do visitante (VLR) e o SNB são usados ​​para rastrear todas as estações móveis que estão atualmente conectadas à rede. Cada assinante pode ser identificado por sua International Mobile Subscriber Identity (IMSI). Para se proteger contra ataques de criação de perfil, o identificador permanente é enviado pela interface aérea com a menor freqüência possível. Em vez disso, as identidades locais Temporary Mobile Subscriber force (TMSI) são usadas para identificar um assinante sempre que possível. Cada assinante UMTS tem uma rede doméstica dedicada com a qual compartilha uma chave secreta K _{i de} longo prazo.

O Home Location Register (HLR) rastreia a localização atual de todos os assinantes da rede doméstica. A autenticação mútua entre uma estação móvel e uma rede visitada é efectuada com o apoio do actual GSN (SGSN) e do MSC / VLR, respectivamente. UMTS suporta criptografia da interface de rádio e proteção de integridade de mensagens de sinalização.

UMTS foi projetado para interoperar com redes GSM. Para proteger as redes GSM contra ataques man-in-middle, o 3GPP está considerando adicionar uma estrutura de desafio de autenticação RAND.

Assinante UMTS para rede UMTS

Tanto a rede como a estação móvel suportam todos os mecanismos de segurança do UMTS. O contrato de autenticação e chave é o seguinte -

• A estação móvel e a estação base estabelecem uma conexão de controle de recursos de rádio (conexão RRC). Durante o estabelecimento da conexão, a estação móvel envia seus recursos de segurança para a estação base. Os recursos de segurança incluem integridade UMTS e algoritmos de criptografia suportados e possivelmente recursos de criptografia GSM também.

• A estação móvel envia sua identidade temporária atual TMSI na rede.

• Se a rede não conseguir resolver o TMSI, ele pede à estação móvel para enviar sua identidade permanente e as estações móveis respondem ao pedido com o IMSI.

• A rede visitada requer autenticação da rede doméstica dos dados da estação móvel.

• A rede doméstica retorna um desafio aleatório RAND, o token de autenticação AUTN correspondente, autenticação

• Resposta XRES, chave de integridade IK e chave de criptografia CK.

• A rede visitada envia desafio de autenticação RAND e token de autenticação AUTN para a estação móvel.

• A estação móvel verifica AUTN e calcula a resposta de autenticação. Se AUTN for corrigido.

• A estação móvel ignora a mensagem.

• A estação móvel envia sua resposta de autenticação RES para a rede visitada.

• A visita à rede verifica se RES = XRES e decide quais algoritmos de segurança o subsistema de rádio pode usar.

• A rede visitada envia algoritmos admitidos ao subsistema de rádio.

• A rede de acesso de rádio decide permitir (s) algoritmos para uso.

• A rede de acesso de rádio informa a estação móvel de sua escolha na mensagem de comando do modo de segurança.

• A mensagem também inclui os recursos de segurança de rede recebidos da estação móvel na etapa 1.

• Esta mensagem é protegida por integridade com a chave de integridade IK.

• A estação móvel confirma a proteção da integridade e verifica a precisão das funções de segurança.

Assinante UMTS para estação base GSM

A unidade móvel (assinante UMTS) suporta os aplicativos USIM e SIM. O sistema da estação base usa GSM enquanto os componentes da tecnologia VLR / MSC são respectivamente o UMTS SGSN. A estação móvel e a rede central suportam todos os mecanismos de segurança do UMTS. No entanto, o sistema de estação base GSM (BSS) não suporta a proteção da integridade e usa os algoritmos de criptografia GSM. As primeiras oito etapas do protocolo de autenticação são executadas como no caso clássico. O GSM BSS simplesmente encaminha o tráfego de autenticação UMTS.

• O MSC / SGSN decide quais algoritmos de criptografia GSM são permitidos e calcula as chaves GSM Kc UMTS IK, CK.

• O MSC / SGSN informa os algoritmos autorizados GSM BSS e transmite a chave de cifra GSM Kc.

• O GSM BSS decide quais algoritmos de criptografia têm permissão para usar recursos de criptografia baseados na estação móvel.

• GSM BSS envia o comando do modo de cifra GSM para a estação.

A história de sucesso do GSM (2G) é excepcional. Para facilitar a comunicação de dados, algumas extensões foram feitas no GSM existente, mas o sucesso foi limitado. O GPRS foi introduzido para usuários móveis para dados por pacote, a taxa básica de dados subiu para 172 Kb / s em teoria, mas dificilmente alocou o máximo de 8 canais lógicos para um usuário. O GPRS tem o conceito de acesso em 2 estágios à conectividade IP.

O primeiro passo é conectar-se e registrar-se na rede. Para isso, a transmissão dos dados do usuário requer o estabelecimento de um ambiente PDP (Packet Data Protocol). Neste ponto, apenas o endereço IP é atribuído. GPRS também é conhecido como rede 2,5G.

Tanto para GSM / CS (Circuit Switching) quanto GPRS / PS (Packet Switching), esforços contínuos para otimizações foram feitos com base na maior eficiência de modulação em EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), mas nada foi alterado fundamentalmente.

A próxima geração 3G de redes móveis (UMTS) construída sobre uma nova tecnologia de rádio conhecida como WCDMS (Wideband CDMA) e garantiu duas coisas -

• Mais largura de banda devido ao novo espectro de rádio;
• Taxas de pico de dados mais altas para o usuário final.

A arquitetura de rede UMTS foi projetada mantendo CS e PS em paralelo. Mais tarde, uma camada de serviço completamente diferente foi criada na forma do Subsistema de Internet e Multimídia (IMS). O UMTS foi posteriormente aprimorado para taxas de dados mais altas por HSPA e HSPA +. Este foi dividido em downlink / HSDPA e uplink / HSUPA. 3GPP Rel 5 padronizou para HSDPA e Rel 6 padronizou para HSUPA. HSPA + vem sob Rel. 7 padrão de 3GPP.

A melhoria contínua foi alcançada já dentro da tecnologia PS legada pela abordagem Direct Tunnel. No entanto, ficou claro que mais mudanças na arquitetura são necessárias para atingir esse objetivo. Outro aspecto de melhoria na tecnologia legada pode ser identificado com eficiência sobrenatural, o número efetivo de bits entregues por unidade de radiofrequência e unidade de tempo. Embora um novo espectro de rádio tenha sido disponibilizado para comunicação móvel, a pressão por redução de custos e competitividade exigiu ganhos adicionais.

3GPP é o grupo de padronização para redes móveis e existe desde 1998. As especificações 3GPP vêm em pacotes chamados “Release”.

Projeto de Parceria de 3ª Geração (3GPP)

As versões 3GPP vão da versão 99 à versão 7.

Lançamento	Publicados	Principais recursos arquitetônicos
Versão 99	Março de 2000	UTRAN, USIM
Versão 4	Março de 2001	MSC dividido em servidor MSC e gateway de mídia
Versão 5	Março de 2002	IMS, HSPDA, UTRAN baseada em IP
Versão 6	Março de 2005	I-WLAN, HSUPA, MBMS, IMS
Versão 7	Dezembro de 2007	PCC unificado, túnel direto, MIMO, HSPA +, IMS, VCC

As entidades de rede em resumo são -

UE	Equipamento do usuário: o terminal móvel
BTS	Estação Base Transceptora: a estação base de rádio 2G / 2,5G
BSC	Controlador de estação base: um nó de controle na rede de rádio 2G
NodeB	Estação base de rádio 3G
Rede RNC	Controlador de rádio NW: nó de controle e concentração no rádio 3G
(G) Nós MSC	(Gateway) Centro de Comutação Móvel: rede central comutada por circuito
Nós S / GGSN	Nó de suporte GPRS de serviço / gateway: rede central de comutação de pacotes
Base HLR / HSS	Registro de localização residencial / Servidor de assinatura residencial: dados centrais
PCRF	Função de Política e Regras de Cobrança: um nó de controle para gerenciamento de políticas e cobrança

Projeto de Parceria de 3ª Geração 2 (3GPP2)

3GPP2 é a parte correspondente do mercado 3GPP. O órgão de padrões 3GPP2 também desenvolveu um grande conjunto de especificações descrevendo a própria tecnologia de rede móvel, a geração atual sendo rotulada como CDMA2000 ©. 3GPP2 é conceitos e soluções 3GPP, mas é escolhido seletivamente diferente. Em relação ao LTE, tem havido um interesse crescente das operadoras 3GPP2 nos últimos anos em permitir entre flexível e eficiente. A tecnologia 3GPP2 de herança inclui um componente denominado componente 1xRTT CS e PS (EVDO vs eHRPD). 3GPP2 considera sua rede de dados por pacote de alta velocidade (eHRPD) como equivalente ao antigo sistema 3GPP, o direito de transferir procedimentos otimizados especialmente concebidos.

Arquitetura do Sistema 3GPP

A arquitetura geral do 3GPP, o sistema evoluído, bem como as redes centrais e de acesso já existentes 3GPP definidas são chamadas de "sistema 3GPP legado".

As redes de acesso que não são definidas pelo 3GPP, mas podem ser usadas em conjunto com o sistema 3GPP evoluído, são chamadas de "redes de acesso não 3GPP".

A área de serviço deve ser entendida como a multiplicidade de serviços IP, por isso em geral são representados e implementados por redes de dados em pacotes (PDN). O serviço IP pode simplesmente oferecer uma conectividade IP bruta (ou seja, permitindo uma conexão à Internet), fornecendo uma conexão a uma rede corporativa ou uma funcionalidade de controle baseada em IP avançada, como telefonia e mensagens instantâneas via IMS.

É denominado "UTRAN evoluída" (EUTRAN). GERAN e UTRAN são as redes de acesso de rádio existentes e estão conectadas ao domínio PS legado.

Evolved Packet Core (EPC), além das funções básicas para gerenciar o roteamento e encaminhamento de pacotes (para o transporte de dados do usuário), contém todos os recursos necessários para o controle, especialmente para mobilidade, manipulação de sessão, segurança e carga.

Para interagir com o domínio CS legado, a rede central CS também deve ser considerada e conectada com o IMS de back-end. A seta pontilhada indica uma interconexão opcional entre as redes core CS legadas e a nova rede Evolved Packet Core, o declínio no lucro para o domínio CS para serviços de voz, se necessário.

O termo mais geral "Rede de Acesso de Rádio Evoluída" (eRAN), também pode ser usado como parte dos protocolos de sinalização, pois o termo "estrato de acesso" (AS) pode ser usado. A comparação revela que a E-UTRAN consiste em um tipo de nós, ou seja, Evolved Node B (eNodeB), e a variedade de interconexões é reduzida ao mínimo. O eNodeB é uma estação base de rádio e transmite / recebe através de sua antena em uma área (célula), limitada por fatores físicos (intensidade do sinal, condições de interferência e condições de propagação das ondas de rádio). Possui interfaces lógicas X2 com o eNodeB vizinho e o EPC via S1. Ambos têm uma parte de controle (ou seja, para sinalização) e uma parte do plano do usuário (para dados de carga útil).

O ponto de referência da UE (que inclui interface de link de rádio e uma pilha de protocolo de rede móvel ligada) é chamado de "LTE-U u" para indicar que difere da conectividade EU X2 de conectividade de eNodeBs vizinhos. Eles podem ser considerados para a maior parte do E-UTRAN e são usados ​​na maioria dos casos de transferência entre células de rádio.

Conforme o UE se move, a preparação de transferência longa é feita por meio de sinalização, por meio de X2 entre os dois eNodeBs de dados e os usuários afetados podem ser transmitidos entre eles por um curto período de tempo. Apenas em casos especiais, pode acontecer que X2 não esteja configurado para eNodeB entre dois vizinhos. Neste caso, as transferências são sempre suportadas, mas a preparação da transferência e a transmissão dos dados são feitas através do EPC. Conseqüentemente, maior latência e menos "homogeneidade" devem ser fornecidas.

Em mais detalhes, as funções desempenhadas pelo eNodeB são -

• Gerenciamento de recursos de rádio: controle de portadora de rádio, controle de admissão de rádio, mobilidade de controle de conexão, alocação dinâmica de recursos (ou seja, programação) para UES como uplink e downlink.

• Compressão de cabeçalho de IP e criptografia do fluxo de dados do usuário.

• Encaminhando os pacotes de dados do plano do usuário para o EPC (especialmente, para o serviço do nó GW).

• Marcação de pacote de nível de transporte no uplink, por exemplo, configuração de ponto de código DiffServ, com base no índice de classe QoS (QCI) do portador EPS associado.

• Planejamento e entrega de mensagens de paging (a pedido do MS).

• Planejamento e transmissão de informações de transmissão (origem do MME ou O&M).

• Configuração de medição fornecendo e relatando a extensão da mobilidade e programação.

No trabalho de arquitetura inicial para o sistema evoluído 3GPP, foram apresentadas duas visões sobre a implementação da mobilidade com os protocolos do plano do usuário e do plano de controle.

O primeiro foi promovido como o bom desempenho do GPRS Tunneling Protocol (GTP), enquanto o outro defendeu os novos (e chamados "base" do IETF) protocolos.

Ambos tinham bons argumentos do seu lado -

• GTP evolution- Este protocolo provou sua utilidade e capacidades para os operadores e teve muito sucesso nas operações de grande escala. Ele foi projetado exatamente para as necessidades das redes móveis PS.

• IETF based protocols- IETF é o órgão de padrões de fato para a Internet. Seus protocolos de mobilidade evoluíram do foco no cliente de rede baseado em IP móvel para "Proxy Mobile IP (MIP)". O PMIP foi padronizado no sistema paralelo 3GPP Evolved. (Mas a base de cliente Mobile IP é usada em EPS em conjunto com suporte de acesso não 3GPP.)

EPC para acesso 3GPP em não roaming

As funções fornecidas pelos pontos de referência e os protocolos empregados são -

LTE-Uu

LTE-Uu é o ponto de referência para a interface de rádio entre EU e eNodeB, abrange o plano de controle e o plano do usuário. A camada superior do plano de controle é chamada de "Controle de recursos de rádio" (RRC). Ele é empilhado em camadas de "Protocolo de Convergência de Dados de Pacote" (PDCP), Controle de Link de Rádio e MAC.

S1-U

SI-U é o ponto para o tráfego do plano do usuário entre o eNodeB e a referência de serviço GW. A principal atividade por meio deste benchmark é transferir pacotes IP encapsulados para usuários decorrentes do tráfego ou formato de túnel. O encapsulamento é necessário para realizar o link IP virtual entre o eNodeB e o serviço GW, mesmo durante a movimentação da UE, e assim permitir a mobilidade. O protocolo utilizado é baseado em GTP-U.

S1-MME

S1-MME é o ponto para o plano de controle entre o eNodeB e a referência MME. Nele são realizadas todas as atividades de controle, por exemplo, sinalização para fixação, destacamento e estabelecimento do suporte da mudança, procedimentos de segurança, etc. Observe que parte desse tráfego é transparente para o E-UTRAN e trocado diretamente entre a UE e os Estados-Membros, é uma parte designada por sinalização de "estrato de não acesso" (NAS).

S5

S5 é o benchmark que inclui o plano de controle e usuário entre GW e PDN GW Service e se aplica apenas se ambos os nós residirem no HPLMN; o ponto de referência correspondente ao servir GW é VPLMN é chamado S8. Conforme explicado acima, duas variantes de protocolo são possíveis aqui, um protocolo de túnel GPRS (GTP) aprimorado e IP móvel proxy (PMIP).

S6a

S6a é o ponto de referência para a troca de informações relativas a equipamentos de assinaturas (download e eliminação). Corresponde ao ponto de referência Gr e D no sistema existente e é baseado no protocolo DIAMETER.

SGi

Este é o ponto de saída do DPR e corresponde ao ponto de referência Gi GPRS e Wi em I-WLAN. Os protocolos IETF são baseados aqui para os protocolos do plano do usuário (ou seja, encaminhamento de pacotes IPv4 e IPv6) e o plano de controle como DHCP e raio / diâmetro para configurar o endereço IP / protocolo de rede externa são usados.

S10

S10 é um ponto de referência para fins de realocação do MME. É uma interface de plano de controle puro e o protocolo GTP-C avançado é usado para esse propósito.

S11

S11 é um ponto de referência para o plano de controle existente entre o serviço MME e GW. Ele emprega o protocolo avançado GTP-C (GTP-C v2). O (s) titular (es) dos dados entre o eNodeB e o servidor GW são controlados pela concatenação S1-S11 e MME.

S13

S13 é o ponto de referência para Equipment Identity Register (EIR) e MME, e é usado para controle de identidade (por exemplo, com base em IMEI, se na lista negra). Ele usa o protocolo de diâmetro SCTP.

Gx

Gx é o ponto de referência da política de filtragem de políticas QoS e controla a carga entre PCRF e PDN GW. Ele é usado para fornecer filtros e regras de preços. O protocolo utilizado é o DIÂMETRO.

Gxc

Gxc é o ponto de referência que existe em mais de Gx, mas está localizado entre GW e PCRF e serve apenas se PMIP for usado em S5 ou S8.

Rx

Rx é definido como uma função de aplicativo (AF), localizada no NDS e PCRF para a troca de informações de política e faturamento; ele usa o protocolo DIAMETER.

EPC para acesso 3GPP em roaming

Em roaming, neste caso, o plano do usuário -

Estende-se de volta ao HPLMN (por meio de uma rede de interconexão), o que significa que todo o tráfego do usuário da UE é roteado por um PDN GW no HPLMN, onde os DPRs estão conectados; ou

Para uma forma de tráfego mais otimizada, ele deixa um PDN GW no VPLMN para um PDN local.

O primeiro é chamado de "tráfego roteado doméstico" e o segundo é chamado de "breakout local". (Observe que o segundo termo também é usado na discussão de otimização de tráfego para NBs / eNodeB residenciais, mas com um significado diferente porque no conceito de roaming 3GPP, o plano de controle sempre envolve o HPLMN).

Interação entre EPC e Legacy

Desde o início, ficou claro que o sistema 3GPP Evolved irá interoperar perfeitamente com os sistemas 2G e 3G existentes, 3GPP PS amplamente implantado ou, mais precisamente, com GERAN e UTRAN GPRS base (para aspectos de interoperação com o antigo sistema CS para o tratamento de voz otimizada).

A questão do projeto arquitetônico básico para 2G / 3G em EPS é a localização do mapa GGSN. Duas versões estão disponíveis e ambas são suportadas -

• The GW used - É o caso normal onde servir o GW termina o plano do usuário (como visto na rede GPRS existente).

  O plano de controle é concluído no MME, de acordo com a distribuição dos usuários e plano de controle no EPC. Os pontos de referência S3 e S4 são introduzidos e são baseados em GTP-U e GTP-C, correspondentemente. S5 / S8 é encadeado ao PDN GW. A vantagem é que a interoperabilidade é suave e otimizada. A desvantagem é que para este tipo de interoperabilidade, o SGSN deve ser atualizado para Rel. 8 (devido aos novos recursos de suporte necessários no S3 e S4).

• The PDN GW- Neste caso, a herança de benchmark inalterada Gn (em roaming, seria Gp) é reutilizada entre SGSN e PDN GW, tanto para o plano de controle quanto para o plano do usuário. A vantagem desse uso é que o SGSN pode ser pré-Rel. 8. Além disso, ele carrega uma certa restrição nas versões IP, transferência e protocolo S5 / S8.

Interação com o sistema antigo 3GPP CS

Durante a fase de design 3GPP Evolved, ficou claro que o sistema CS legado, com sua comunicação de "voz" de serviço mais importante, não poderia ser ignorado pelo novo sistema. Os operadores eram simplesmente muito relacionados aos investimentos no campo e, portanto, um interfuncionamento muito eficiente foi solicitado.

Duas soluções foram desenvolvidas -

• Continuidade de chamada de voz de rádio única (SRVCC) para transferência de chamadas de voz de LTE (com voz sobre IMS) para o sistema legado.

• CS fallback - Habilitando um movimento temporário para o CS legado antes que uma atividade de entrada ou saída de CS seja realizada.

Continuidade de chamada de voz de rádio única (SRVCC)

Nesta solução escolhida pelo 3GPP para SRVCC com GERAN / UTRAN, um MSC especialmente reforçado é conectado por meio de um novo plano de controle de interface para MME.

Observe que o MSC que atende à UE pode ser diferente do que suportar a interface Sv. No IMS, um servidor de aplicativos (AS) para SRVCC é necessário. Sv é baseado em GTPv2 e ajuda a preparar recursos no sistema de destino (acesso e rede central e a interconexão entre CS e domínio IMS), enquanto está conectado para acessar a fonte.

Da mesma forma, com SRVCC CDMA 1xRTT requer 1xRTT Server (IWS) interoperável, que suporta a interface e retransmissão de sinal de / para 1xRTT MSC servindo o UE S102 com a mesma finalidade. S102 é uma interface de túnel e transmite mensagens de sinalização 1xRTT; entre MME e UE estes são encapsulados.

CS Fallback

Servindo GW e PDN GW não são separados (S5 / S8 não é exposto) e o VLR é integrado com o servidor MSC. Uma nova interface SG é introduzida entre o MSC Server / VLR e o MME, permitindo procedimentos combinados e coordenados. O conceito consiste em -

• Retransmissão de sinal para encerrar a solicitação de CS (chamadas de entrada, tratamento de serviço adicional acionado por rede ou SMS Legacy) do Servidor MSC para MS em SG e vice-versa;

• Os procedimentos operacionais combinados entre o domínio PS e o domínio CS.

Interação com acesso não 3GPP

O interfuncionamento com diferentes sistemas de redes de acesso 3GPP (denominado não 3GPP / acesso) foi um alvo importante para a SAE; isso deve ser feito sob a égide do EPC. Essa interoperabilidade pode ser alcançada em diferentes níveis (e de fato, isso foi feito na camada 4 com VCC / SRVCC). Mas para o tipo genérico de interoperação, parecia necessário contar com mecanismos genéricos, portanto, o nível de IP parecia mais apropriado.

Em geral, os sistemas completos para redes móveis e fixas possuem uma arquitetura semelhante à descrita acima. Para o sistema 3GPP evoluído, normalmente há uma rede de acesso e uma rede central. No sistema 3GPP evoluído da arquitetura de interoperação, outros sistemas de tecnologias de acesso se conectam ao EPC.

Em geral, o sistema de rede móvel completo e os sistemas de rede fixa têm uma arquitetura semelhante à descrita em Sistema 3GPP evoluído e normalmente consistem em uma rede de acesso e uma rede central.

Também foi decidido permitir dois tipos diferentes de interoperabilidade, com base na propriedade dos sistemas de acesso. Para redes com confiança de acesso não 3GPP, pressupõe-se que a comunicação segura entre elas e o EPC seja implementada e que a proteção de dados robusta seja suficientemente garantida.

A geração do GPRS Tunneling Protocol (GTP) era praticamente impossível, mas também não é desejável fornecê-lo para o novo sistema, mas, por outro lado, é perfeitamente compreensível que as melhorias também sejam necessárias para poder interagir. com o mundo do PS legado sem problemas e funções de suporte necessárias para o sistema mais recente.

Protocolo de Tunelamento GPRS (GTP)

O protocolo GTP é projetado para tunelamento e encapsulamento de unidades de dados e mensagens de controle em GPRS. Desde seu projeto no final dos anos 1990, ele foi colocado para ser implantado em grande escala e uma sólida experiência foi acumulada.

O sistema GTP para Evolved 3GPP está disponível em duas variantes, controle e plano do usuário. O GTP-C gerencia a sinalização do plano de controle, e é necessário além do protocolo de transferência de dados na pureza do usuário, o GTP-U; é chamado de plano do usuário. As versões atuais adequadas para EPS são GTPv1 US e GTPv2-C.

A peculiaridade do GTP é que ele suporta a separação de tráfego dentro de seu portador de túnel GTP primário, ou em outras palavras, a capacidade de agrupá-los e tratar portadoras. As extremidades dos túneis GTP são identificadas por TEIDs (identificadores de terminal de túnel); eles são atribuídos ao nível local para o uplink e downlink por entidades pares e relatados transversalmente entre eles. TEIDs são usados ​​em granularidade diferente por exemplo específico de conexão PDN em S5 e S8 e EU em interfaces S3 / S4 / S10 / S11.

Plano de Controle do Protocolo de Tunelamento GPRS

GTPv2-C é usado nas interfaces de sinalização EPC (incluindo SGSNs de pelo menos Rel. 8). Por exemplo -

• S3 (entre SGSN e MME),
• S4 (entre SGSN e Serving GW),
• S5 e S8 (entre Serving GW e PDN GW),
• S10 (entre dois MMEs), e
• S11 (entre MME e Serving GW).

Correspondendo a isso, uma unidade de dados de protocolo GTPv2-C típica como mostrado na figura acima, a parte específica GTP é precedida por cabeçalhos IP e UDP, consiste em um cabeçalho GTPv2-C e parte contendo informações GTPv2-C variável em número, comprimento e formato, dependendo do tipo de mensagem. Como o eco e a notificação de uma versão do protocolo não são suportados, as informações TEID não estão presentes. A versão é obviamente definida com firmeza em 2 nesta versão do protocolo.

O GTP tinha um mecanismo de cabeçalho de extensão legado complexo; não é usado na maioria dos GTPv2-C. O tipo de mensagem é definido no segundo byte (portanto, no máximo 256 mensagens podem ser definidas para futuras extensões). A tabela abaixo fornece uma visão geral das mensagens GTPv2-C definidas atualmente. O comprimento da mensagem é codificado nos bytes 3 e 4 (medidos em bytes e não contendo os quatro primeiros bytes).

TEID é o ID do ponto final do túnel, um único valor no lado oposto / receptor; permite a multiplexação e desmultiplexação de túneis em uma extremidade, nos casos muito frequentes em que um túnel GTP deve ser distinguido.

Tipo de mensagem	mensagem	Explicação Adicional
0	Reservado	Nunca deve ser usado (excluído intencionalmente do protocolo, para impor a configuração explícita)
1/2	Solicitação / resposta de eco	Usado para investigar se uma versão GTP é compatível com o nó de envio.
3	Indicação de versão não suportada	Contém a versão GTP mais recente compatível com o nó de envio.
4/5	Solicitação / resposta de transferência direta	Usado para mensagem de sinalização de túnel na interface S101 para handover otimizado, entre acesso não HRPD e MME
6/7	Solicitação / Resposta de Notificação	Usado para notificação de tunelamento em S101 entre o nó de acesso HRPD e MME
25/26	SRVCC PS para solicitação CS	Usado para acionar e confirmar a iniciação SRVCC entre SGSN / MME e servidor MSC
27/28	SRVCC PS para notificação completa de CS	Usado para indicar e confirmar a conclusão do SRVCC entre o servidor MSC e SGSN / MME
32/33	Criar solicitação de sessão	Usado para estabelecer conectividade entre dois nós
34/35	Modificar solicitação do portador	Usado para modificar as propriedades de um único ou de vários portadores, incluindo informações de contexto do portador
36/37	Excluir solicitação de sessão	Derruba a sessão de controle GTP
38/39	Alterar solicitação de notificação	Usado para relatar informações de localização
66/67	Excluir comando do portador / indicação de falha	Instrua os nós para excluir o portador e confirmar de volta
68/69	Comando de recurso do portador / indicação de falha	Usado para alocar ou modificar recursos
73	Indicação de parada de paging	Enviado do SGW para o MME ou SGSN
95/96	Criar solicitação / resposta do portador	Instrua os nós para instalar os portadores e confirma de volta
97/98	Atualizar solicitação do portador	Usado para informar os nós do plano de controle do plano do usuário sobre as mudanças do portador

GTPv1-U aprimorado

Apenas uma pequena, mas efetiva melhora foi aplicada ao GTP-U, e para isso não foi considerado necessário reforçar o número da versão do protocolo. Assim, ainda esperamos GTPv1-U, mas pelo menos é o Rel mais recente. 8

A pilha de protocolo é essencialmente a mesma que para GTPv2-C com apenas o nome das camadas e os protocolos substituídos de acordo. O mecanismo de cabeçalho de extensão é mantido no lugar; permite inserir dois elementos se necessário.

• Porta de origem UDP da mensagem de disparo (dois octetos);

• Número da PDU do PDCP - relacionado à transferência de característica sem perda; neste caso, os pacotes de dados precisam ser numerados no EPC (dois octetos).

A melhoria é a capacidade de transmitir um "mercado final" no plano do usuário. É usado no procedimento de handover inter-eNodeB e dá a indicação de que a via é ativada imediatamente após o pacote de dados, por exemplo, o recurso não é necessário para pré-Rel.8 porque GTP-U não terminou no acesso de rádio nó (ou seja, não no BS ou NodeB) existem apenas algumas mensagens. GTPv1-U, e eles estão listados na tabela acima.

É claro que, de fato, um tipo muito limitado de sinalização é possível via GTPv1-U (mecanismos de eco e rotulagem final). A única mensagem de que a transferência de dados reais do usuário é do tipo 255, a chamada mensagem G-PDU; a única informação que ele carrega, após o cabeçalho, é o pacote de dados original de um usuário ou equipamento PDN externo.

Nem todas as instâncias de túneis GTP-U estão listadas na arquitetura de referência (que teve como objetivo capturar as associações que não existiam mais entre os nós da rede); túneis temporários são possíveis -

• Entre dois GWs de Serviço, aplicável para a transferência baseada em S1, no caso em que o serviço é movido GW;

• Entre dois SGSNs, corresponde ao caso anterior, mas na rede PS legada;

• Entre dois RNCs, aplicável para a realocação do RNC na rede 3G PS (sem relação com o EPC, é mencionado aqui apenas para ser completo).

É um protocolo de gerenciamento de mobilidade padronizado pela Internet Engineering Task Force (IETF) que trabalha no desenvolvimento de padrões de protocolo de internet.

Capacidade Dual Stack

Capacidade de pilha dupla para PMIPv6 tem dois alvos -

• Para oferecer suporte a endereços domésticos IPv4

• Para permitir o transporte de IPv4 apenas pela rede de acesso; neste caso, o MAG pode usar também um endereço privado IPv4, e um NAT pode ser implantado ao longo do caminho em direção ao LMA.

Esses dois recursos podem ser usados ​​independentemente. Para resolver esses requisitos, as seguintes extensões feitas -

In the Binding Cache of LMA -

• Endereço IPv4 atribuído ao nó móvel e agora registrado com o gateway de acesso móvel (incluindo a máscara de sub-rede correspondente). Ele vem da configuração / perfil estático ou é alocado dinamicamente pelo LMA.

• Endereço do roteador padrão IPv4 atribuído ao nó móvel.

In the Binding Update list of MAG -

• Endereço inicial IPv4 atribuído à interface móvel anexada.

• Roteador padrão IPv4 do nó móvel. O LMA e o MAG devem implementar IPv6 e também precisam de um endereço IPv4. MAG é o IPv4 Default Router para o UE em seu link de acesso.

Sinalização PMIPv6

A tabela abaixo fornece uma visão geral das mensagens de sinalização PMIPv6 (PMIPv6 básico e melhorias especificadas em IETF para conectar demissão e forma de gerenciamento). A sinalização PMIPv6 base é feita com "Binding Update" (BU) MAG para LMA, e uma mensagem correspondente "Atualizar reconhecimento Binding" (BUA) de volta para MAG é usada para registrar, atualizar e deletar vinculação. As informações de endereço IP (prefixo de endereço IPv4 ou IPv6) geralmente são solicitadas pelo LMA e MAG atribuído pelo registro inicial.

Mensagem de Sinalização PMIPv6		Direção	Descrição
Atualização de vinculação	PBU	MAG → LMA	Solicita criações, extensão e exclusão de uma ligação de mobilidade. Ele também é usado para solicitar um novo endereço IPv4.
Reconhecimento de atualização de vinculação	PBA	LMA → MAG	Reconhece os pedidos de criação, extensão e eliminação de uma ligação de mobilidade. Ele também é usado para alocar um endereço IPv4.
Indicação de revogação de vinculação	BRI	LAM → MAG	A notificação de que uma vinculação foi revogada e, portanto, será excluída pelo LAM, também permite revogações em massa.
Reconhecimento de revogação de vinculação	SUTIÃ	MAG → LMA	Reconhece uma revogação vinculativa.
Batimento cardiaco	HB	MAG → LMA LMA → MAG	Mensagem de sinalização periódica, usada para detecção de falha.

Elementos de informação específicos do 3GPP adicionados ao PMIPv6

PMIPv6 é projetado para um uso muito geral; O 3GPP possui alguns requisitos especiais decorrentes da necessidade de torná-lo o mais compatível possível com as capacidades do GTP.

Informações específicas do fornecedor	Direção	Explicação
Opções de configuração de protocolo	MAG → LMA LMA → MAG	Espelhado do GTP, usado para transferir dados relacionados ao protocolo frequentemente necessários entre a UE e a rede.
Código de erro específico relacionado ao 3GPP	LMA → MAG	Pode indicar que nenhum acesso é concedido a um APN.
Identificador de conjunto de conexão (CSI)	LMA → MAG MAG → LMA	Contém um ou mais CSIs. Ele é gerado para cada nova conexão PDN e usado em caso de falha parcial do nó para identificar o PDN.
Indicação do tipo PDN	LMA → MAG	Usado para indicar a decisão do PDN GW.
Endereço IP PDN GW	MAG → LMA	Usado em caso de encadeamento em S2a / S2b para transferir para o LMA intermediário.
Indicação de alocação de endereço DHCPv4	LMA → MAG	Indica que o IP na alocação por meio de DHCPv4 deve ser usado pelo UE.

É uma estrutura genérica desenvolvida pela IETF (RFC 3748). O mecanismo de sinalização básico oferece suporte a diferentes métodos de autenticação.

O uso específico de EAP para interagir com um sistema 3GPP é definido pelo método EAP-AKA EAP-AKA já é usado em I-WLAN.

As principais etapas para autenticação EAP são fornecidas abaixo -

• O autenticador EAP envia uma solicitação de autenticação para o dispositivo / EU (L2) de destino; ele recebe a resposta do dispositivo / EU alvo e a transmite para a infraestrutura AAA.

• O servidor AAA executa o método EAP, resultando em um desafio para o dispositivo de destino, que é enviado pelo autenticador.

• O dispositivo de destino deve atender ao desafio; a resposta é retransmitida ao servidor AAA por meio do autenticador.

• O servidor AAA compara a resposta ao desafio com a esperada e decide a autenticação bem-sucedida. Uma indicação de sucesso ou falha é retornada ao dispositivo de destino.

Opcionalmente, as notificações podem ser usadas para transferir informações adicionais; isso é usado para a indicação de seleção do modo de mobilidade IP. Durante o projeto, houve uma grande decisão de separar áreas de segurança de redes de acesso não 3GPP no campo de segurança 3GPP, e também para o outro domínio.

A consequência prática é que o identificador da rede de acesso não 3GPP entra no algoritmo de segurança, que requer a especificação de uma variante de EAP-AKA, EAP-AKA (premium).

Internet Key Exchange é uma versão 2 sofisticada definida pelo IETF na RFC 4306. Permite criar e manter associações de segurança e túneis IPSec entre dois nós e trocar alguns dados de configuração; eles são transferidos para os chamados diálogos de configuração de carga útil na mensagem.

A sessão IKEv2 abrangente consiste em vários diálogos e fases estruturadas. O fluxo de mensagens e base típica é dado na figura abaixo, e uma descrição de como ele é aplicado no contexto de sinalização entre EU e ePDG -

IKEv2Phase	Comentários
Troca inicial	Notifica a carga útil como indicação de suporte MOBIKE. Endereço IP a ser solicitado / entregue na carga útil de configuração. O endereço do agente local a ser solicitado / fornecido na carga útil da configuração.
Auth Exchange
Criar SA filho	Para criar um túnel protegido para sinalização DSM IPv6
x. Intercâmbio de informações	Em qualquer ponto após AUTH.

No sistema 3GPP Evolved IKEv2 é usado para -

• Informações de endereço IP: endereço IPv4 ou prefixo IPv6.
• Informações de seleção do modo de mobilidade IP.
• Informações de endereço IP: prefixo IPv6.
• Endereço do servidor DNS.

Diâmetro

O diâmetro é um protocolo AAA genérico, com funções adicionais para acesso à rede, mobilidade e tratamento de QoS. Embora seja, em princípio, de natureza geral ponto a ponto, é usado na arquitetura 3GPP no modo cliente-servidor. Tem uma extensibilidade incorporada e, portanto, suporta perfeitamente estruturas de mensagens nas interfaces com a necessidade de alguma flexibilidade. Além disso, ele oferece suporte a várias configurações de servidor com gerenciamento de falhas e failover. Funcionalmente, ele tem semelhanças com seu raio predecessor, mas difere profundamente no nível de mensagem e parâmetros. DIAMETER oferece a capacidade de detectar um peer morto por pares de mensagens de pulsação. Ele pode ser executado em SCTP ou TCP e usa a porta 3868.

O protocolo DIAMETER é amplamente utilizado no EPC -

• S6a para download e atualização de assinatura entre MME e HSS.

• S6d (entre um SGSN atualizado e um HSS), que é a contraparte do S6a para o mundo legado com capacidade de interoperação com o novo sistema.

• S13 para verificação de equipamentos entre MME e EIR.

• SWa para autenticação entre acesso não-3GPP não confiável e servidor AAA.

• STa para autenticação entre acesso não-3GPP confiável e servidor AAA e autorização.

• SWd para encaminhamento entre um proxy AAA e um servidor AAA (encaminhamento entre VPLMN e HPLMN).

• S6b para autorização de APN e mobilidade entre PDN GW e servidor AAA.

• SWm para autenticação e autorização entre o servidor ePDG e AAA.

• SWx para troca de vetor de autenticação e informações de registro entre o servidor AAA e o HSS.

• Gx para manipulação de sessão IP-CAN e manipulação de sessão GW-Control entre PDN GW e PCRF.

O protocolo de transmissão de controle de fluxo (SCTP) é um protocolo de transporte confiável executado em cima de um serviço de pacote sem conexão potencialmente não confiável, como IP. Foi desenvolvido especificamente para aplicações e ofertas de sinalização reconhecidas sem datagramas (mensagens) de erro de transferência não duplicados. A detecção de corrupção de dados, perda de dados e duplicação de dados é realizada usando somas de verificação e números de sequência.

Um mecanismo de retransmissão seletivo é aplicado para corrigir a perda ou corrupção de dados. A diferença decisiva é o multi-homing TCP e o conceito de múltiplos fluxos em uma conexão. Enquanto em um fluxo TCP é chamado de sequência de bytes, um fluxo SCTP representa uma sequência de mensagens. O SCTP tenta combinar as vantagens do UDP e do TCP, mas evita suas desvantagens; é definido na IETF RFC 4960.

O SCTP é usado em várias interfaces de plano de controle interno da rede, com esses aplicativos SCTP -

• S1-MME: entre eNodeB e MME
• SBc: entre o MME e o SBc.
• S6a: entre MME e HSS
• S6d: entre SGSN e HSS
• SGs: entre MSC / VLR e MME
• S13: entre MME e EIR

Protocolo de Aplicação S1

Existem duas categorias de procedimentos em S1-MME: UE associado e não associado. Além disso, duas classes de mensagens são definidas: Classe1 é com a classe 2 é respondida. A Classe 1 e as mensagens de iniciador / resposta de procedimentos relacionados estão listadas na tabela abaixo; os procedimentos para nomes de mensagens de Classe 2 são amplamente idênticos aos nomes de procedimentos e a tabela abaixo (segunda tabela) lista apenas esses.

Procedimento Elementar	Mensagem inicial	Resposta (se bem-sucedida)
Preparação para transferência	Transferência necessária	Comando de transferência
Alocação de recursos manuais	Req. Transferência	Req do switch de caminho. ack.
Solicitação de troca de patch	Path Switch Req.	Path switch ack.
Cancelamento de transferência	Cancelamento de transferência	Handover cancelar ack.
Configuração E-RAB	Configuração de E-RAB Req.	Resp. De configuração do E-RAB.
E-RAB modificar	E-RAB modificar req.	E-RAB modificar Resp.
Lançamento E-RAB	Liberação de comando E-RAB	Comando E-RAB Resp.
Configuração de contexto inicial	Requisito de configuração de contexto inicial.	Configuração de contexto inicial Resp.
Redefinir	Redefinir	Redefinir Ack.
Configuração S1	S1 setup req.	S1 configuração Resp.
Liberação de contexto UE	Comando de liberação de contexto UE	Liberação de contexto da UE concluída
Modificação de contexto UE	Requisito de modificação de contexto da UE	Resp. Modificação de contexto da UE
configuração eNodeB	Atualização de configuração ENB	ACK de atualização de configuração ENB.
Configuração MME	Atualização de configuração MME	ACK de atualização de configuração do MME.
Write- Substituir aviso	Solicitação de aviso de substituição de gravação	Aviso de gravação-substituição resp.

Procedimento Elementar

• Notificação de transferência
• Indicação de liberação E-RAB
• Paging
• Mensagem UE inicial
• Transporte NAS de downlink
• Transporte Uplink NAS
• Indicação de não entrega NAS
• Desativar o Trace
• Trace start
• Indicação de falha de rastreamento
• Indicação de falha de relatório de localização
• Controle de relatórios de localização
• Relatório de localização
• Rastreamento de tráfego celular
• Indicação de erro
• Pedido de liberação de contexto UE
• Tunelamento Downlink S1 CDMA2000
• tunelamento uplink S1 CDMA2000
• Indicação de informações de capacidade UE
• Transferência de status eNodeB
• Transferência de status MME
• Início da sobrecarga
• Parada de Sobrecarga
• Transferência direta de informações eNodeB
• MME transferência direta de informações
• Transferência de configuração eNodeB
• Configuração MME

Protocolo de Aplicação X2

O protocolo de aplicação X2 tem muito em comum com o S1-AP; a mesma categorização nas mensagens de classe 1 e classe 2 é feita. A mensagem de configuração é muito menor, correspondendo à função especializada de X2.

Procedimento	Mensagem inicial	Classe	Resposta (se bem-sucedida)
Preparação para transferência	Req. Transferência	1	Req. Transferência ack.
Redefinir	Req.	1	Reinicializar resp.
Configuração X2	Configuração X2	1	X2 setup resp.
Atualização da configuração eNodeB	Atualização de configuração ENB	1	ENB Configuration update ack.
Iniciação de relatórios de status de recursos	Recurso Status req.	1	Status do recurso resp.
Indicação de carga	Informações de carga	2
Cancelamento de transferência	Cancelamento de transferência	2
Transferência de status SN	Transferência de status SN	2
Liberação de contexto UE	Liberação de contexto UE	2
Status do recurso	Status do recurso	2
Reporting	update
Error Indication	Error Indication	2

The NAS signaling protocol is genuinely a 3GPP protocol and developed for 3GPP only, hence, nowhere else than in 3GPP systems this protocol could be found.

• UE for mobility and session management.
• MME for EPC and legacy network nodes (SGSN for GPRS and MSC for CS domain).
• Messages exchanged.

NAS Signaling Protocol for EPS Mobility Management

NAS signaling EPS mobility management procedures are listed in below table. The "X" in the column "C" indicates whether a variant on the combination with the CS NAS signaling protocol stack is on matching (the case for a configuration with CSFB allowed, under the purported combined).

Only cases of success were presented (if an error occurred using appropriate rejection messages, mainly through the network); the explanation does not include all possible cases. The dialogues messages are usually kept by timers against loss of messages; e.g. timer T3410 is used to supervise the procedure and attach expires after 15 seconds. So if no response (acceptance or rejection) from the network, a retry procedure is started. Counters are used to limit retries. Mobility EPS Management network operates seven timers and timers UE 14.

Procedure	Messages	Explanation
GUTI reallocation	GUTI reallocation command ←	Used to allocate a temporary identifier to the UE.
	GUTI reallocation Complete →
Authentication	Authentication req. ←	Used to authenticate the UE.
	Authentication resp. →
Security mode control	Security mode command ←	Used to negotiate between UE and MME.
	Security mode command →
Identification	Identity req. ←	Used to determine a UE’s identity.
	Identity resp. →
EMM information	EMM information ←	Used to transfer support information to UE.
EMM Status	EMM status ← or →	Used for error reporting.
Attach	Attach req. ←	Used to register the UE with the network and allocation of the resources.
	Attach accept ←
	Attach Complete →
Detach	Detach req. →	Used to remove a UE’s registration with the network.
	Detach accept ← or →
Tracking area updating	Tracking area update req. →	Used for idle mode mobility.
	Tracking area update accept ←
Service Request	Service req. →	Used when the UE is in idle mode.
Paging	Request to lower layer for paging	Used when UE is in idle mode and downlink traffic arrives.
	Service req.
Transport of NAS message	UL/DL NAS transport ← / →	Used for SMS transport in encapsulated form.

NAS Signaling Protocol for EPS Session Management

The second block of the NAS signaling functionality is related to the handling of the session. Four insider network and four UE has initiated the procedures that exist in ESM. Following table lists the messages with the corresponding flows for the success (again, negative cases are created using appropriate reject messages). Some of them are grafted on EMM NAS messages, where a container is provided (for example a REQUEST PDN connectivity is packed on the attach request message). Also two simple messages have been defined for general information exchange.

Procedure	Messages	Explanation
Default EPS bearer context activation	Activate default EPS bearer context req. ←	Establishes a default EPS bearer context between UE and EPC.
	Activate default EPS bearer context req. →
Dedicated EPS bearer context activation	bearer context req.←	context with QoS and TFT between UE and EPC.
	Activate dedicated EPS bearer context req.→
EPS bearer context Modification	Modification EPS bearer context req. ←	Modifies an existing EPS bearer context for QoS and TFT between UE and EPC.
	Modification EPS bearer context accept. ←
EPS bearer context deactivation	Deactivation EPS bearer context req. ←	Deactivate an EPS bearer context.
	Deactivation EPS bearer context accept. ←
UE requested PDN connectivity	PDN connectivity req. →	Requests setup of a default bearer to a PDN.
	PDN connectivity accept ←
UE requested PDN disconnect	PDN disconnect req. →	Disconnect UE from one PDN.
	Deactivation EPS bearer context req. ←
UE requested bearer resources allocation	Bearer resource allocation. →	Used to request bearer resources.
	Modify EPS bearer context req. ←
UE requested bearer resource modification	Bearer resource modification req. →	Used to modify.
	Modify EPS bearer context req. ←
ESM information request	ESM information request ←	Used to request protocol configuration option.
	ESM information response →
ESM status	ESM status ← or →	Informs to other NAS signaling peer of errors.