Cap5 GSM Network Leonardo v3 4

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título
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Leonardo Melo – 2016 www.area1.edu.br www.jcl-tecnologia.com.br
1
Presentation on GSM
Network
Revisão/Atualização: Prof. Leonardo Melo, 2016.

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2
Prof. Leonardo A. L. Melo, MSc.
Cisco and Tekelec Certified in USA/UK
Nokia Consultant
Senior System Engineer
2

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• Overview of Cellular Systems
• GSM-Introduction
• Architecture
• Technical Specifications
• Frame Structure
• Channels
• Security
• Characteristics and features
• Applications
Contents
3

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4
Overview of Cellular Systems
• As comunicações móveis atingiram o mercado de massa
não antes de 1980. Enquanto a transmissão rudimentar
de expressão análoga através de uma ligação sem fios
estava bem estabelecida na época, o maior desafio foi a
implementação de recursos de mobilidade avançados,
tais como entrega, em roaming, e a localização de
assinantes, o que exigia canais adicionais de controle
entre o terminal e a estação de base que serve para além
dos canais que transportam a fala.
• Desde então, vários sistemas entraram em
funcionamento, que são geralmente classificados em
primeira, segunda e terceira geração de sistemas (1G, 2G
e 3G).

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5

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7
• Em GSM é, a qual compreende uma combinação de
TDMA e FDMA, a alocação de células compreende um
número de canais de frequência, e as células vizinhas
devem usar os canais de frequência diferentes, a fim de
evitar interferências cochannel, tanto quanto possível.
• Esta separação por frequência é também o conceito
preferido utilizado pela maioria dos sistemas de 1G e 2G.
• Em sistemas baseados em CDMA como UMTS, por
outro lado, os terminais diferentes transmitem na mesma
gama de frequências, simultaneamente, e são separados
por canais de código diferentes. Este método também
pode ser aplicado para a separação da celula.

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título
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8
What is GSM ?
Global System for Mobile (GSM) é um
padrão celular de segunda geração
desenvolvido para atender os serviços
de voz e entrega de dados utilizando
modulação digital.

formato do texto-
título
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9
What is GSM ?
GSM (Global System for Mobile Communications,
originalmente Groupe Spécial Mobile), é um conjunto
padrão desenvolvido pelo European
Telecommunications Standards Institute (ETSI) para
descrever protocolos de segunda geração (2G) das
redes digitais celulares usados por telefones celulares.
A norma GSM foi desenvolvido como um substituto
para a primeira geração (1G) de redes celulares
analógicas, e originalmente descrito como um circuito
comutado digital de rede otimizada para um sistema de
telefonia de voz usando full-duplex.

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10
What is GSM ?
Este foi expandido ao longo do tempo para incluir a
comunicação de dados, primeiro pelo transporte de
comutação de circuitos, e em seguida, pelo transporte
de comutação de pacotes de dados, via GPRS (General
Packet Radio Services) e EDGE (Enhanced Data para
GSM Evolution ou EGPRS).
Outras melhorias foram feitas quando o 3GPP (*)
desenvolveu os padrões da terceira geração UMTS (**)
(3G) seguidos da quarta geração (4G) de padrões LTE
Advanced.
(*) O 3rd Generation Partnership Project (3GPP), é uma colaboração entre
grupos de associações de telecomunicações, conhecidos como os parceiros
organizacionais.
(**) O Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) é a terceira
geração do sistema móvel celular para redes baseadas no padrão GSM.

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1111
GSM: History
• Desenvolvido pelo Grupo Spéciale Mobile (fundada 1982), que foi
uma iniciativa da CEPT (Conferência Europeia dos Correios e
Telecomunicações)
• Objetivo: substituir o sistema analógico incompatível.
• Atualmente, a responsabilidade de padronização do GSM reside
com grupo móvel especial sob ETSI (European Telecommunication
Standards Institute).
• O conjunto completo de especificações da fase I tornou-se
disponível em 1990.
• Sob ETSI, GSM é nomeado como "Sistema Global para
Comunicação Móvel"
• Hoje, muitos fornecedores de todo o mundo utilizam GSM (mais de
135 países da Ásia, África, Europa, Austrália, América)
• Mais de 4,6 bilhões de assinantes no mundo, ou seja cerca de 62 %
da população mundial (2016)
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1212
GSM in World
World GSM subscriber statistics
Top 10 countries – total connections Top 10 countries – total net additions
Source: Wireless Intelligence 2008
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1313
GSM in World
World GSM
subscriber
statistics
Source: www.gsma.com
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1414
GSM in World
Regional GSM technology users (in millions):
14

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1515
GSM in World
Alternative mobile technology users (in millions):
15

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16
GSM Services
Tele-services (serviços telefônicos)
Bearer or Data Services (serviços de
operadora ISP ou de dados)
Supplementary services

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1717
Tele Services
• Os serviços de telecomunicações que permitem a
comunicação de voz através de telefones móveis
• Serviços Oferecidos:
- Telefonia móvel
- Chamada de emergência
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1818
Serviços Oferecidos
• Incluem vários serviços de dados para transferência de
informações entre redes GSM e outros como PSTN,
ISDN e outros com taxas de 300 a 9600 bps
• Short Message Service (SMS)
– Até 160 caracteres alfanuméricos de transmissão de dados de /
para o terminal móvel
• Unified Messaging Services (UMS)
– Fax Grupo 3
– Correio de voz
– Correio eletrônico (E-mail)
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formato do texto-
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1919
Supplementary Services
Serviços relacionados com chamadas:
• Call Waiting (Chamada em Espera) - Notificação de uma chamada
enquanto no aparelho
• Call Hold (Chamada retida) - Coloque uma chamada em espera para
receber outra chamada
• Call Barring (Restrição de chamadas)-Todas as chamadas, chamadas
de saída, ou as chamadas recebidas
• Call Forwarding (Reencaminhamento de chamadas ) - As chamadas
podem ser enviadas para vários números definidos pelo usuário
• Chamada de conferência Multi Party – ligação de múltiplas chamadas
• CLIP - apresentação da identificação da linha do chamador
• CLIR - restrição da identificação da linha do chamador
• CUG - Grupo fechado de usuários
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formato do texto-
título
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2020
MSC (Mobile Switching
Center)
 conecta a célula na rede
WAN
 gerencia call setup
(depois)
 trata mobilidade (depois)
Célula
 cobre uma região
geográfica
 estação-base (BS) análoga
ao 802.11 AP
 usuários móveis ligam-se à
rede através do BS
 interface aérea: protocolo
de camada física e de enlace
entre o usuário móvel e o BS
Rede cabeada
Componentes de uma rede com arquitetura
celular

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2222
celular
BSS – Base Station Subsystem
SMSS – Switch Mobiel Subsystem
GMSC -- Gateway Mobile Switching Center
MSC – Mobile Switching Center
VLR – Visitor Location Register
HLR - Home Location Register

formato do texto-
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2323
GSM System Architecture
BTS
BSC
BSC
MSC
MS
MS
MS BTS
BTS
GMSC
PSTN
ISDN
PDN
EIR
AUC
HLR
VLR
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formato do texto-
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2424
GSM System Architecture-I
• Mobile Station (MS)
Mobile Equipment (ME)
Subscriber Identity Module (SIM)
• Base Station Subsystem (BSS)
Base Transceiver Station (BTS)
Base Station Controller (BSC)
• Network Switching Subsystem(NSS)
Mobile Switching Center (MSC)
Home Location Register (HLR)
Visitor Location Register (VLR)
Authentication Center (AUC)
Equipment Identity Register (EIR)
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formato do texto-
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2525
System Architecture
Mobile Station (MS)
A estação móvel [Mobile Station (MS)] é constituída por
duas entidades:
1. Mobile Equipment (ME)
2. Subscriber Identity Module (SIM)
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formato do texto-
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2626
System Architecture
Mobile Station (MS)
Mobile Equipment
• Dispositivo portátil montado em veículo; dispositivo
de mão
• Unicamente identificado por um IMEI (International
Mobile Equipment Identity)
• Transmissão de voz e dados
• Monitoramento de energia e qualidade do sinal das
células vizinhas, para um melhor “handover”
• Power level : 0.8W – 20 W
• 160 character long SMS.
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formato do texto-
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2727
System Architecture
Mobile Station (MS) cont.
Subscriber Identity Module (SIM)
• Cartão inteligente (smart card) contém o International
Mobile Subscriber Identity (IMSI)
• Permite ao usuário enviar e receber chamadas e
receber outros serviços subscritos
• Dados de identificação de rede codificados:
- Chaves Ki, Kc e A3, A5 e A8 algoritmos
• Protegido por uma senha ou PIN
• Pode ser movido de telefone para telefone - contém
as principais informações para ativar o telefone
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formato do texto-
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2828
System Architecture
Base Station Subsystem (BSS)
O Base Station Subsystem- BSS (Subsistema de Estação
de Base) é composto por duas partes que se
comunicam através da interface Abis normalizada,
permitindo operação entre componentes fabricados por
diferentes fornecedores:
1. Base Transceiver Station (BTS)
2. Base Station Controller (BSC)
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formato do texto-
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2929
System Architecture
Base Transceiver Station (BTS):
• Codifica, criptografa multiplexa, modula e alimenta
os sinais de RF à antena.
• Frequency hopping
• Comunica-se com estação móvel (MS) e BSC
• Consiste de unidades de transceptores (TRX)
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formato do texto-
título
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3030
System Architecture
Base Station Controller (BSC)
• Gerencia os recursos de rádio para a BTS
• Atribui freqüências e time-slots para todos os MS na sua área
• Faz o tratamento das configurações de chamadas
• Funcionalidade de Transcodificação e adaptação de taxa de
transmissão
• Entrega (handover) para cada MS
• Controle de potência de rádio
• Se comunica com a MSC e a BTS
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formato do texto-
título
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3131
System Architecture
Network Switching Subsystem(NSS)
Mobile Switching Center (MSC)
• “Coração da rede”
• Gerencia a comunicação entre redes GSM e outros
• Função de configuração de Chamadas e de comutação básica
• Roteamento de chamadas
• Informações de faturamento e cobrança (Billing )
• Gerenciamento de mobilidade
– Registro
– Atualização de Localização
– Handoff de chamadas entre BSS e entre MSC
• O MSC faz função de gateway, enquanto seu cliente entrar em
roaming em outra rede usando HLR / VLR.
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formato do texto-
título
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3232
System Architecture
Network Switching Subsystem
• Home Location Registers (HLR)
- Base de dados permanente sobre assinantes de telefonia
móvel em uma área de serviço grande (geralmente um por
operador da rede GSM)
- Banco de dados que contém IMSI, MSISDN, pré-pago / pós-
pago, restrições de roaming, serviços complementares.
• Visitor Location Registers (VLR)
- Banco de dados temporários que atualiza sempre que um
novo MS entra em sua área, informado pelo banco de dados
do HLR
- Controla esses celulares de roaming na sua área
- Reduz o número de consultas ao HLR
- Banco de dados que contém IMSI, TMSI, MSISDN, MSRN,
Área de Localização, chave de autenticação
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formato do texto-
título
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3333
System Architecture
Network Switching Subsystem
• Authentication Center (AUC)
- Protege contra intrusos na interface ar
- Mantém as chaves de autenticação e algoritmos e fornece
segurança triplets (RAND, SRES, Kc)
- Geralmente associada ao HLR
• Equipment Identity Register (EIR)
- Banco de dados que é usado para rastrear aparelhos usando o
IMEI (International Mobile Equipment Identity)
- Composto de três sub-classes: lista branca, lista negra e lista
cinzenta (White List, Black List e Gray List)
- Apenas uma EIR por PLMN
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formato do texto-
título
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3434
GSM Specifications-1
• RF Spectrum
GSM 900
Mobile to BTS (uplink): 890-915 Mhz
BTS to Mobile(downlink):935-960 Mhz
Bandwidth : 2* 25 Mhz
GSM 1800
Mobile to BTS (uplink): 1710-1785 Mhz
BTS to Mobile(downlink) 1805-1880 Mhz
Bandwidth : 2* 75 Mhz
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formato do texto-
título
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3535
GSM Specification-II
• Carrier Separation : 200 Khz
• Duplex Distance : 45 Mhz
• No. of RF carriers : 124
• Access Method : TDMA/FDMA
• Modulation Method : GMSK
• Modulation data rate : 270.833 Kbps
35
* GMSK: (Gaussian Minimum Shift Keying)

formato do texto-
título
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3636
• A modulação GMSK é baseada em MSK, que é ela própria uma forma
de continuidade de mudança de fase de chaveamento de freqüência. Um
dos problemas com as formas tradicionais de PSK de bandas laterais é
que estendem para fora da portadora. Para resolver isto, MSK e GMSK
,seu derivado, podem ser utilizados.
• O MSK e também a modulação GMSK, é o que é conhecido como um
sistema de fase contínua. Aqui não há descontinuidades de fase, pois as
mudanças de freqüência ocorrem nos pontos de cruzamento de zero
operadora. Isto surge como resultado de o único fator de MSK que a
diferença de frequência entre os estados um lógico e zero de lógicas é
sempre igual a metade da taxa de dados. Isto pode ser expresso em
termos de índice de modulação, e é sempre igual a 0,5.
36

formato do texto-
título
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3737
• Sinal usando modulação MSK
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formato do texto-
título
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3838
• Densidade espectral usando MSK e GSMK
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formato do texto-
título
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3939
Arquitetura GPRS
• O GSM foi inicialmente projetado para oferecer serviços de voz,
que, pela sua própria natureza, são comutados por circuito, mas
com a crescente popularidade da Internet na década de 1990, a
introdução de serviços de comutação de pacotes foi desejado e,
portanto, o GSM clássico foi evoluído para o General Packet
Radio Service (GPRS).
•Numa rede de comutação de pacotes (Rede PS), os dados são
segmentados em vários pacotes, ou de tamanho fixo ou variável,
que são transmitidos através da rede de forma independente um
do outro.

formato do texto-
título
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4040
Arquitetura GPRS
SGSN - Serving GPRS Support Node
GGSN - Gateway GPRS Support Node
PDN - Packet Data Network

formato do texto-
título
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4141
celular GSM
BSS – Base Station Subsystem
SMSS – Switch Mobiel Subsystem
GMSC -- Gateway Mobile Switching Center
MSC – Mobile Switching Center
VLR – Visitor Location Register
HLR - Home Location Register

formato do texto-
título
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4242
GSM protocol stack
42

formato do texto-
título
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4343
Layer 1
• Como foi mostrado na figura, FDMA / TDMA é a
interface de ar (rádio), também chamado de interface
UM (ou Um Interface*). No MS, é usado FDMA /
TDMA, o qual é também seguido na BTS. A BTS
assume esse formato da MS e converte-o para
formato digital de 64kbps para o link digital e as
interfaces com BSC. A BSC se comunica com o MSC
no mesmo formato.
43
* UM Interface - Chama-se Um porque é o análogo
Móvel para a interface U da ISDN.

formato do texto-
título
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4444
Layer 2
• A Camada 2 é a camada de enlace de dados, o qual
executa as seguintes três funções principais.
– Criar, manter e desativar o link
– Controle de fluxo
– Detecção de erro
– Gerencia sobre os quadros Layer-3
44

formato do texto-
título
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4545
Layer 3
Na camada 3, existem muitos protocolos envolvidos, como
mencionado abaixo, com as suas respectivas funções.
• RRM- Radio Resource Management (Gerenciamento de Recursos de
Radio), cuida do canal de rádio e entrega funcionalidades. Atribui,
mantêm e libera portadoras de rádio freqüência / canais.
• MM -Significa gestão da mobilidade, cuida do atualização de
localização, registro, segurança e das funcionalidades de autenticação
de estação móvel (MS) com a rede GSM.
• CM -Suporte para gerenciamento de conexão, cuida da configuração
de chamada, manutenção de chamada e funções de finalização de
chamada de dispositivos finais.
• BTSM -significa Gestão de BTS, cuida de administração de BTS
e gerenciamento funções sob controle da BSC.
• PMA (Parte Mobile Application), cuida da sinalização entre várias
entidades de rede. O MAP funciona acima módulos SCCP e MTP.
45

formato do texto-
título
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4646
FDMA/TDMA
Problemas do uso de FDM e TDM :
FDM - Os sinais têm, frequentemente, uma largura de banda
infinita, que pode efetivamente ser reduzida pelo uso de filtros, de
modo a que o sinal resultante contenha apenas os componentes
de transporte de dados de frequência acima de um certo nível
mínimo de energia. No entanto, é muito difícil de rejeitar
completamente os componentes desnecessários e, portanto, o
FDM geralmente sofre interferências dos canais vizinhos.
46

formato do texto-
título
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4747
FDMA/TDMA
TDM – Assim como o FDM, o TDM em sistemas sem fio também
sofre de um tipo de canal vizinho a interferência que ocorre
no caso dos canais de tempo têm sido atribuídos a diferentes
remetentes, espacialmente distribuídos. Neste caso, os
emissores têm de ser sincronizadas de modo a ter origens bem
definidas e terminações de intervalos de tempo. No entanto,
uma sincronização exata é difícil de alcançar, uma vez que
os sinais de sincronização são também sujeitos à velocidade
finita da luz e, por conseguinte, sempre chega com diferentes
atrasos de remetentes.
47

formato do texto-
título
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4848
FDMA/TDMA
48

formato do texto-
título
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4949
FDMA/TDMA
Uso de FDM e TDM combinados:
49

formato do texto-
título
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5050
Frequency-hopping spread spectrum
Frequency-hopping spread spectrum:
Frequency-hopping spread spectrum (FHSS) é um método de
transmissão de sinais de rádio através da rápida troca de uma
portadora de frequência entre os canais de muitos, utilizando
uma sequência pseudo-aleatória conhecido para o transmissor e
o receptor.
50

formato do texto-
título
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5151
Frequency-hopping spread spectrum
Uma transmissão FHSS oferece três principais vantagens sobre a
freqüência de transmissão fixo:
1. Sinais de espectro de dispersão (spread spectrum ) são altamente
resistentes à interferência de banda estreita. O processo de re-coleta de
um sinal de espalhamento propaga para fora o sinal de interferência,
fazendo-a recuar para o fundo.
2. Sinais de espectro de dispersão são difíceis de interceptar. Um sinal
FHSS aparece simplesmente como um aumento do ruído de fundo para
um receptor de banda estreita. Um intruso só seria capaz de
interceptar a transmissão se a seqüência pseudo fosse conhecida.
3. Espectro de dispersão transmissões podem partilhar uma banda de
frequências com muitos tipos de transmissões convencionais com uma
interferência mínima.
51

formato do texto-
título
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5252
GSM Operation (Camada Fisica)
Speech decoding
Channel decoding
De-interleaving
De-ciphering
Burst Disassembly
DemodulationModulation
Burst Assembly
Ciphering
Interleaving
Channel Coding
Speech coding
Radio Interface (Channel)
Speech Speech
13 Kbps
22.8 Kbps
22.8 Kbps
33.6 Kbps
33.6 Kbps
270.83 Kbps
52

formato do texto-
título
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5353
GSM Operation (Camada Fisica)
A camada física do GSM é formada pelos módulos através dos quais a fala
se propaga antes de serem transmitidos pelo espaço.
Estes módulos são de codificação de fala, codificação de canal,
interleaving, cifragem, burst assembly e modulação. O Bloco de
codificação de fala usa 13kbps RELP (Residually Excited Linear Predictive
Coder ) do canal .
O Bloco interleaving executa uma intercalação diagonal (interleaving),
depois de 456 bits terem sido codificados numa duração 20ms, são
divididos em 57 bits de sub-blocos. Haverá cerca de um total de 8 sub-
blocos de 57 bits cada. O Bloco de codificação utiliza algoritmos de
criptografia A3 e A5.
53

formato do texto-
título
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5757
Call Routing
• Call Originating from MS
• Call termination to MS
57

formato do texto-
título
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5858
Outgoing Call
1. O MS envia número discado para BSS
2. O BSS envia número discado para o
MSC
3,4. O MSC VLR verifica se o MS é
permitido o servico solicitado assim, o
MSC pede BSS para alocar recursos
para a chamada.
5. O MSC encaminha a chamada para
GMSC
6. O GMSC encaminha a chamada para
troca de local do usuário chamado
7, 8, 9,10. O tom de retorno da Resposta é
encaminhado (back ring) a partir da
chamada do usuário para a MS via
GMSC, MSC, BSS
58

formato do texto-
título
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5959
Incoming Call
1. Chamando um assinante da rede
GSM
2. Reencaminhamento da chamada
para o GMSC
3. Estabelecendo Sinal para HLR
4, 5. MSRN Pedido do a partir do VLR
6. MSC Encaminhando a responsável
para o GMSC
7. chamada para Encaminhando a MSC
atual
8, 9. Obtém o status atual do MS
10, 11. Paginação do MS
12, 13. Respostas da paginação do MS
14, 15. verificações de segurança
16, 17. Estabelecendo a conexão
59
MSRN - Mobile Station Roaming Number
GMSC – Gateway of Mobile Switch Center

formato do texto-
título
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6060
Handovers
• Between 1 and 2 – Inter BTS /
Intra BSC
• Between 1 and 3 –
Inter BSC/ Intra MSC
• Between 1 and 4 –
Inter MSC
60

formato do texto-
título
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6161
Security in GSM
• On air interface, GSM uses encryption and TMSI
instead of IMSI.
• SIM is provided 4-8 digit PIN to validate the ownership
of SIM
• 3 algorithms are specified :
- A3 algorithm for authentication
- A5 algorithm for encryption
- A8 algorithm for key generation
61

formato do texto-
título
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6262
Authentication in GSM
62

formato do texto-
título
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6363
Key generation and Encryption
63

formato do texto-
título
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6464
Characteristics of GSM Standard
• Fully digital system using 900,1800 MHz frequency
band.
• TDMA over radio carriers(200 KHz carrier spacing.
• 8 full rate or 16 half rate TDMA channels per carrier.
• User/terminal authentication for fraud control.
• Encryption of speech and data transmission over the
radio path.
• Full international roaming capability.
• Low speed data services (upto 9.6 Kb/s).
• Compatibility with ISDN.
• Support of Short Message Service (SMS).
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formato do texto-
título
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6565
Advantages of GSM over Analog system
• Capacity increases
• Reduced RF transmission power and longer battery life.
• International roaming capability.
• Better security against fraud (through terminal validation
and user authentication).
• Encryption capability for information security and
privacy.
• Compatibility with ISDN,leading to wider range of
services
65

formato do texto-
título
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6666
GSM Applications
• Mobile telephony
• GSM-R : GSM-Railway (GSM –Ferroviário)
• Telemetry System
- Fleet management (gestão de frotas)
- Automatic meter reading
- Toll Collection (pedágio)
- Remote control and fault reporting of DG sets
• Value Added Services
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formato do texto-
título
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6767
GSM Generations
 2nd Generation
 GSM -9.6 Kbps (data rate)
 2.5 Generation ( Future of GSM)
HSCSD (High Speed ckt Switched data)
 Data rate : 76.8 Kbps (9.6 x 8 kbps)
GPRS (General Packet Radio service)
 Data rate: 14.4 - 115.2 Kbps
EDGE (Enhanced data rate for GSM Evolution)
 Data rate: 547.2 Kbps (max)
 3 Generation
WCDMA(Wide band CDMA)
 Data rate : 0.348 – 2.0 Mbps
 4 Generation
LTE Long Term Evolution.
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formato do texto-
título
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68
Bibliografia
 KUPPER, Axel. : fundamentals and operation Wiley, 2005.
 John G. Van Bosse – Signaling in Telecommunications Networks –
Wiley-Interscience Publication, 2000.
 Rahul Sonkhya, Presentation on GSM Network. Yagyavalkya
Institute of Technlogy. 2005.
 Home of RF and Wireless Vendors and Resources. Rfwirelesess
World. http://www.rfwireless-world.com, March 2013.
 Tutorials section- GSM tutorial. Rfwirelesess World. Março,
http://www.rfwireless-world.com , 2013.
68

formato do texto-
título
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69

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