Redes Celulares by Grupo Lidel

Prefácio As comunicações móveis celulares, por constituírem uma tecnologia recente e com grande adesão de utilizadores, tornaram-se num tema mediático e, por isso, pensamos que com um número significativo de potenciais interessados, desde estudantes e profissionais do sector das telecomunicações até aos simples utilizadores de telefones móveis, com curiosidade sobre o assunto. Neste âmbito, surgiu a ideia de escrever este livro, reforçada com a oportunidade de preenchimento da lacuna existente na bibliografia em português sobre este tema. Com o objectivo de possibilitar o interesse e compreensão do livro por um maior número de leitores, procurou-se utilizar uma linguagem simples e prática, sem um excessivo aprofundamento técnico e com os diversos temas lógica e temporalmente encadeados. O livro está dividido em sete secções. Na secção 1 é efectuada uma descrição do historial das redes celulares em Portugal, ao longo das suas três gerações, sendo as respectivas e principais tecnologias utilizadas descritas sequencialmente, com maior detalhe, ao longo do livro. Na secção 2 é efectuada uma descrição genérica das redes de 1.ª Geração (1G), com referência às principais tecnologias utilizadas, todas elas caracterizadas pelo uso de um modo de comunicação analógico. A secção 3 é iniciada com uma descrição genérica dos princípios das redes 2G, caracterizadas pelo uso de um modo de comunicação digital, cuja principal e (ainda) mais utilizada tecnologia, o GSM, é descrita com maior detalhe ao longo da secção. Para tal, são abordados os seguintes componentes do GSM: conceito de sinalização, arquitectura de rede, hierarquia geográfica de rede, segurança e confidencialidade, rede de acesso, terminais, serviços, exemplos de cenários de tráfego e protocolo WAP. A secção 4 é iniciada com uma descrição genérica das redes 2,5G, caracterizadas por actualizações nas redes 2G, com destaque para a tecnologia GPRS, primeira tecnologia para tráfego PS em redes GSM, cuja descrição é efectuada com maior detalhe ao longo da secção. Para tal, são abordados os seguintes componentes do GPRS: arquitectura, serviços e cenários de tráfego. A secção 5 tem início com uma descrição genérica das redes 3G, caracterizadas por possibilitarem maiores ritmos de transmissão que as redes de gerações anteriores, cuja principal e mais utilizada tecnologia, o UMTS, é descrita com maior detalhe ao longo da secção. Para tal, são descritos os seguintes componentes do UMTS: conceito de QoS, arquitectura de rede, segurança e confidencialidade, rede de acesso rádio, terminais, serviços e IP Multimedia Subsystem. Adicionalmente, na parte final da secção 5 é efectuada uma

VIII Redes Celulares

descrição do HSPA, também designada de 3,5G, nomeadamente as suas sub-tecnologias HSDPA e HSUPA. Na secção 6 são abordados aqueles que pensamos que deverão ser as principais funcionalidades das futuras gerações das comunicações móveis: banda larga, interoperabilidade entre diferentes redes de acesso wireless e convergência de redes e serviços. Finalmente, na secção 7 são descritos como anexos os parâmetros identificadores utilizados nas redes celulares, os canais rádio e o conjunto de protocolos utilizados nas tecnologias abordadas no livro.

REDES CELULARES 2G

A 2.ª Geração (2G) de sistemas de telecomunicações móveis celulares surgiu no fim dos anos 80 e a sua principal diferença para a 1G está na utilização de uma tecnologia de comunicação digital, que lhe confere uma maior capacidade e qualidade que a geração anterior. Para tal, na interface rádio das redes 2G, um canal de frequência é partilhado por diversos utilizadores móveis, seja através de intervalos de tempo, como no GSM (Global System for Mobile communications), seja através do uso de diferentes códigos, como no CDMA (Code Division Multiple Access). Como se pode comprovar na Figura 3.1, o número de utilizadores das redes 2G, ao contrário do número de utilizadores 1G, continua a crescer de forma muito significativa, o que traduz o tremendo sucesso desta tecnologia, nomeadamente do seu sistema dominante, o GSM.

3200 2800 2400 2000 1600

1200

GSM

800 400 2008

2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

Figura 3.1 – Evolução do número de utilizadores 2G/GSM (em milhões) Pela sua grande adopção, principalmente na Europa, nomeadamente em Portugal, nas próximas sub-secções iremos descrever de forma mais detalhada o GSM. No entanto, outros sistemas, como o CDMA, na América, e o PDC (Personal Digital Cellular), no Japão, tiveram igualmente uma aceitação significativa.

10 Redes Celulares

3.1 Conceito de sinalização A sinalização corresponde à troca de informação de controlo entre os componentes de uma chamada, de modo a estabelecer, manter e terminar os serviços invocados (chamadas de voz, dados ou SMS) numa rede de telecomunicações. Para tal, os terminais dos utilizadores e os elementos de rede (componentes da rede) deverão, sempre que necessário, trocar informação de sinalização entre si. Como exemplos de eventos originados por procedimentos de sinalização entre os terminais dos utilizadores e a rede, podemos referir a aplicação de tons e marcação de dígitos. As redes 2G, em CS, utilizam um sistema de sinalização n.º 7 (SS7), caracterizado pela transmissão de mensagens de sinalização em canal comum, ou seja, por não necessitarem de seguir o mesmo caminho que a correspondente ligação de voz ou de dados, que as mesmas controlam.

3.2 Introdução ao GSM O GSM surgiu não só como consequência da evolução tecnológica, mas igualmente como resposta às dificuldades operacionais originadas pela existência de diferentes sistemas nas redes móveis celulares analógicas na Europa. As suas normas foram especificadas pelo ETSI (European Telecommunications Standards Institute), que determinou uma oferta de serviços de voz em conformidade com as características dos mesmos serviços das redes fixas públicas tradicionais (PSTN). Adicionalmente, foi sugerido a todos os países membros do ETSI que reservassem um espectro primário de frequências na banda dos 900 MHz para uso do mesmo na interface rádio GSM. Posteriormente, numa segunda fase, com o objectivo de satisfazer a crescente adesão ao GSM e possibilitar um necessário aumento da capacidade das respectivas redes, as correspondentes especificações foram actualizadas, de modo a incluírem igualmente uma gama de frequências na banda dos 1800 MHz DCS (Digital Cellular System). Deste modo, à característica dos terminais móveis de conseguirem comunicar nas duas bandas de frequências dá-se a designação de dual band. Além disso, de modo a possibilitar um acréscimo adicional da capacidade da rede, a estrutura de células pode também ser definida de forma hierárquica, de modo a que células de diferentes dimensões – macro, micro e pico células – possam coexistir na mesma área geográfica sem originarem interferências, uma vez que utilizam diferentes frequências.

3.3 Arquitectura de rede GSM A arquitectura da rede GSM foi definida com base num sistema hierárquico compreendendo diversos elementos e interfaces.

Redes Celulares 2G 11

Célula Rádio BSS

Célula Rádio

BTS

RSS

BTS Abis BSC

BSC A MSC NSS

MSC

VLR

PDN

GMSC IWF

AUC O

OSS

PSTN

VLR HLR

EIR

PLMN

OMC

Sinalização Voz/Dados + Sinalização

Figura 3.2 – Arquitectura de rede GSM e seus principais elementos Como se pode comprovar na Figura 3.2, os diferentes elementos de rede podem considerar-se divididos em três subsistemas: NSS (Network Switching Subsystem), RSS (Radio Station Subsystem) e OSS (Operation Subsystem). Destes três subsistemas, o utilizador apenas visualiza parte do RSS, nomeadamente o seu próprio terminal e (algumas) antenas (BTS).

3.3.1 Subsistema Rádio (RSS) O subsistema RSS, como se pode observar na Figura 3.2, comporta todos os elementos de rede com funções rádio, ou seja, o Terminal Móvel (TM) e subsistema BSS (Base Station Subsystem). As interfaces do RSS com os restantes dois subsistemas são a interface A, com NSS, e interface O, com OSS (Tabela 3.1). A interface A utiliza o sistema PCM-30 (2 Mbit/s) em comutação de circuitos, possibilitando o transporte de 30 chamadas em canais de 64 Kbit/s. Por sua vez, a interface O utiliza os protocolos X.25 ou IP para o transporte de informação de gestão para/de RSS. O BSS contém vários subsistemas BSS, sendo este constituído pelos seguintes elementos de rede: r BSC (Base Station Controller) – elemento controlador de um conjunto de BTS, às quais se encontra ligada. A BSC é responsável pela gestão de recursos rádio necessários para a manutenção da ligação rádio com um TM. Adicionalmente, também efectua a multiplexação e codificação (transcoding) dos canais rádio na © FCA – Editora de Informática

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interface A, com o NSS. O procedimento de transcoding consiste na conversão dos canais de voz de 13 Kbit/s, na interface rádio, para 64 Kbit/s, na BSC (secção 3.7.3); r BTS (Base Transciever Station) – elemento que comporta todo o equipamento rádio necessário para a transmissão dos sinais rádio GSM, como antenas, processadores de sinais e amplificadores. Uma BTS (ou estação base) pode definir uma célula rádio ou, utilizando antenas sectoriais, várias células diferentes (secção 3.4.1). A área de cobertura de uma célula GSM pode variar entre dezenas de metros (ambientes interiores, com maiores requisitos de capacidade) até 35 km (ambientes rurais, com menores requisitos de capacidade). À interface entre a BTS e o TM dá-se a designação de Um, enquanto que à interface com a BSC se dá a designação de Abis. Finalmente, o subsistema RSS é também constituído pelos terminais nóveis dos utilizadores. r TM (Terminal Móvel) – constituído por dois componentes: equipamento terminal (telemóvel) e cartão SIM (Subscriber Identification Module), com informação específica do utilizador (secção 3.5.2). A rede de acesso GSM é caracterizada pelas seguintes interfaces descritas na Tabela 3.1 e identificadas na Figura 3.2. Interface

Ligações

OSS

BSC

MSC

BSC

Abis

BSC

BTS

Tabela 3.1 – Interfaces de rede de acesso GSM

3.3.2 Subsistema de Comutação de Rede (NSS) O subsistema NSS corresponde ao “coração” da rede GSM. As suas principais funções consistem na gestão da mobilidade dos utilizadores (localização, serviços, encaminhamentos, handovers, taxação, etc.) e interligação com restantes subsistemas da rede GSM (rádio e operação de rede), plataformas de serviços e outras redes públicas (fixa, móvel e dados). Para tal, o NSS é composto pelos seguintes elementos de rede: r MSC (Mobile Switching Centre) – comutador com funções de processamento, encaminhamento e geração de registos para taxação de chamadas realizadas por utilizadores móveis localizados na sua área geográfica de serviço. Um MSC controla um grupo de BSC (cujas BTS definem a área geográfica do MSC) e tem interfaces com todos os restantes elementos de rede NSS e plataformas de serviços;

REDES CELULARES 3G

A 3.ª Geração (3G) de sistemas de telecomunicações móveis celulares surgiu no final dos anos 90 com o objectivo de contornar as limitações dos sistemas 2G, nomeadamente a necessidade de maiores ritmos de transmissão para satisfazer a crescente procura de serviços de dados em cenários de mobilidade. Para tal, as redes 3G procuraram satisfazer os seguintes requisitos: r Utilização universal; r Suporte a uma maior diversidade de aplicações para terminais móveis; r Possibilitar o transporte de dados em modo de Comutação de Pacotes (PS) com QoS; r Disponibilizar ritmos de transmissão até 2 Mbit/s. No âmbito do projecto IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000), foram especificados pelo ITU três modos opcionais de operação para a interface rádio: WCDMA (Wideband CDMA), TD-CDMA (Time Division – CDMA) e CDMA2000. Na Europa (e Japão), foi escolhido maioritariamente o primeiro (o segundo e terceiro maioritariamente na China e América), tendo o ETSI, com recurso ao mesmo, definido o UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) como o sistema 3G a utilizar na Europa, e que iremos descrever na próxima secção. Posteriormente, foi formada a entidade 3GPP (3rd Generation Partnership Project), com o objectivo de dar continuidade à evolução das especificações técnicas do UMTS (releases). Apesar de, ao contrário do objectivo inicial, e por questões técnicas e comerciais, terem vindo a coexistir mais do que um sistema 3G, nesta geração deverá conseguir obter-se um cenário de maior uniformização de tecnologias de interface rádio em relação às gerações anteriores, nomeadamente pela adopção do mesmo sistema na Europa e Japão. Deste modo, consegue-se cumprir apenas parcialmente o objectivo de nos aproximarmos de um cenário de roaming global.

5.1 Conceito de QoS O QoS (Quality of Service) corresponde à garantia de desempenho que a rede consegue oferecer aos serviços a disponibilizar aos seus utilizadores, em parâmetros como taxa de erros, atrasos e ritmos de transmissão. Para os serviços em modo CS, como o tradicional serviço de voz, o QoS é “automaticamente” garantido pela utilização de recursos dedicados durante todo o período em que a correspondente ligação está estabelecida. Por outro lado, no modo PS, como os utilizadores © FCA – Editora de Informática

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partilham os recursos da rede, consegue-se uma mais eficiente utilização dos mesmos, mas, no caso de utilização do protocolo IP, sem garantia de QoS. No entanto, esta limitação pode ser contornada recorrendo a mecanismos adicionais (ao IP), como diferenciação de tráfego, reserva de recursos para tráfego prioritário ou sobredimensionamento da rede. No caso das redes celulares, como os serviços poderão ser disponibilizados extremidade-a-extremidade, ou seja, entre os terminais de dois utilizadores móveis de uma mesma ligação, as redes deverão conseguir garantir o suporte a diferentes tipos de QoS (classes), para diferentes tipos de serviços e em ambas as sub-redes de acesso (rádio) e core (secção 5.6.4.3).

5.2 Introdução ao UMTS O UMTS foi especificado com o objectivo de suceder ao GSM, assinalando a entrada na 3.ª Geração das redes móveis celulares, de modo a satisfazer a crescente necessidade de maior capacidade e ritmos de transmissão para aplicações em terminais móveis. Para tal, o UMTS utiliza uma tecnologia WCDMA, com uma gama de frequências na banda dos 2 GHz na interface rádio. O UMTS é caracterizado por permitir obter os seguintes ritmos de transmissão, nas seguintes condições (os valores superiores só são possíveis em condições “ideais” de utilização máxima de recursos partilhados): r Mobilidade Elevada – até 144 Kbit/s, para utilizadores que se desloquem a velocidades superiores a 120 Km/h ou que se encontrem localizados em zonas rurais, mais afastadas de Nós-B (antenas);

240 200 160 120 80 40 0 2003

2004

2005

2006

2007

2008

Figura 5.1 – Evolução do número de utilizadores UMTS (em milhões) © FCA – Editora de Informática

Redes Celulares 3 G 65

r Mobilidade Média – até 348 Kbit/s, para utilizadores que se desloquem a velocidades inferiores a 120 Km/h ou que se encontrem localizados em ambientes exteriores de zonas urbanas; r Mobilidade Reduzida – até 2 Mbit/s, para utilizadores em ambientes interiores ou em movimento pedestre em ambientes exteriores restritos de zonas urbanas, próximas de Nós-B. Como se pode comprovar na Figura 5.1, o número de utilizadores do UMTS, apesar de ainda muito longe do número de utilizadores do GSM (Figura 3.1), tem vindo a crescer de forma quase linear nos últimos anos, o que leva a perspectivar o sucesso deste sistema.

5.3 Arquitectura de rede UMTS 5.3.1 Release 99 O UMTS, na sua primeira versão 3GPP, designada de Release 99 (R99), correspondeu a uma evolução das arquitecturas de rede 2G (GSM) e 2,5G (GPRS), que, como se pode comprovar na Figura 5.2, teve como principal diferença para essas gerações a rede de acesso rádio. Nesta, o sistema BSS é substituído por um novo sistema UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), onde os elementos de rede RNC (Radio Network Controller) e Nó-B (antena) substituem, respectivamente, a BSC e BTS, utilizando o ATM (Assynchronous Transfer Mode) como tecnologia de transporte predominante. Além disso, relativamente ao GSM (2G), a funcionalidade de compressão de voz/dados em CS (transcoding) passa a ser efectuada na rede core, enquanto no GSM era efectuada na BSC. Esta alteração teve como objectivo a poupança de recursos de transmissão.

GSM Até 9,6 Kbit/s

HLR VLR

BSC PCU GPRS Até 141 Kbit/s

BTS

Gateway MSC

MSC

PSTN

DNS SGSN

GGSN

Intranet

RNC

Nó-B

UTRAN Até 2 Mbit/s

FW Internet

GRX

Rede Rádio

Rede Core

66 Redes Celulares

5.3.2 Release 4 Posteriormente à R99, foi especificada uma segunda versão do UMTS, a Release 4 do 3GPP (por adopção de novo esquema de designação), ao contrário da versão anterior, apropriada para novos operadores celulares que se iniciem na 3G sem terem redes 2G, não necessitando, por isso, de garantir a “evolução” entre as mesmas. Nesta versão, a principal alteração dá-se na rede core, onde o MSC é separado em dois novos elementos de rede, representados na Figura 5.3: r MGW (Media Gateway) – comutador de tráfego que faz de interface entre as (possíveis diferentes) redes de acesso e uma rede de transporte comum para tráfego CS e PS, na rede core. Adicionalmente, funciona também como interface com as diferentes redes exteriores (tradicionais ou UMTS) ao receber/enviar tráfego de chamadas CS e correspondente sinalização, que encaminha para o MSC-Server processar; r MSC-Server – funções de MSC para gestão de mobilidade de utilizadores e controlo de MGW, sem cursar tráfego de chamadas CS (função que passa para MGW), apenas o processamento do correspondente tráfego de sinalização para controlo das mesmas. Pelas suas características, o MSC-Server pode também ser designado por softswitch. O objectivo destes novos elementos de rede é separar as tarefas de controlo/sinalização e suporte/transmissão, de modo a possibilitar a utilização de uma única tecnologia de transporte e encaminhamento, mais flexível e económica, que possibilite optimizar a utilização dos recursos da rede core, podendo suportar diferentes serviços (incluindo a voz), com diferentes requisitos de QoS. Para tal, é utilizada uma tecnologia de transporte PS, como o IP. Sinalização

CS HLR

Tráfego

VLR

Iu RNC

GMSC Server Mc

Serviços

PSTN Redes 2G

Nb Rede de Transporte

MGW

Tráfego + Sinalização

MSC Server

MGW

Internet Nó-B SGSN

UTRAN

GGSN

Rede Core

Outras Redes Dados