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Slide 1: Curso Básico de GSM
O Sistema Global para Comunicações Móveis (GSM) é uma tecnologia extraordinária, de sucesso e rápida expansão. Há menos de cinco anos, havia algumas poucas dezenas de empresas trabalhando no GSM. Em cada uma destas empresas havia alguns poucos especialistas, que traziam o conhecimento dos comitês do Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI), os criadores das especificações para o GSM. Atualmente, há centenas de empresas trabalhando no GSM e milhares de especialistas em GSM. O GSM não é mais uma tecnologia de laboratório. É uma tecnologia do dia-a-dia, que provavelmente um técnico de serviço poderá compreender tão bem quanto um membro do comitê da ETSI.
A GSM está rapidamente ultrapassando as fronteiras da Europa e se tornando um padrão mundial. A Agilent tornou-se especialista em GSM, através de seu envolvimento na Europa. Com uma excelente comunicação interna, a Agilent está em uma excelente posição para ajudar os nossos clientes em outras regiões do mundo a aproveitar o nosso conhecimento em GSM.
Confidencial da Empresa - 10001506.ppt Rev. 08/98 1
Curso Básico de GSM
GSM
DCS
PCS
GSM
Slide 2: Agenda - Visão rápida do GSM
2 Confidencial da Empresa - 10001506.ppt Rev. 08/
Agenda
- Visão rápida do GSM
- A Rede GSM e a Interface Aérea
- Codificação da conversação e tipos de canais
- Fazendo a chamada telefônica
Slide 4: Redes de Comunicações Pessoais
Qual é a diferença entre o GSM e o CT2 e DECT? O GSM900, DCS1800 e o PCS1900 são sistemas celulares; o DECT e o CT2 são sistemas sem fio. O GSM, como o AMPS e o TACS, permite que os usuários façam e recebam chamadas em uma ampla área geográfica. Este sistema usa um registrador para armazenar a posição de todas as unidades móveis, o que possibilita que as chamadas sejam roteadas à estação base correta. O DECT e o CT2, assim como outros sistemas sem fio, não possuem este recurso de rastreamento. Estes sistemas operam de forma muito similar à dos telefones sem fios domésticos convencionais (CT0 ou CT1). É possível receber chamadas quando a unidade móvel estiver dentro do alcance de sua estação base local, mas não em outras localidades.
Qual é a diferença entre o GSM900, DCS1800 e PCS1900? O GSM900 é o sistema GSM original. Este sistema utiliza freqüências na banda de 900 MHz, tendo sido projetado para a operação celular em uma área ampla. Unidades móveis com valores de potência de saída de 1 a 8W são as mais comuns. O DCS1800 é uma adaptação do GSM900. O termo GSM pode ser usado coletivamente para descrever os padrões GSM900 e DCS1800. A criação do DCS1800 envolveu a ampliação das bandas reservadas ao GSM e a passagem destas a 1,8 GHz. O padrão DCS1800 foi criado para permitir a formação das PCN (Redes de Comunicações Pessoais), aumentando a concorrência no mercado de comunicações celulares. Para evitar confusões, os números de canal (ARFCN) usados para DCS vão de 512 a 885. Os canais do GSM900 vão de 1 a 124. Com uma alocação de freqüência mais ampla, o que levou a um maior número de canais, o DCS1800 pode trabalhar com maiores densidades de usuários. As unidades móveis DCS1800 são também projetadas para potências de saída menores (até 1W); portanto, os tamanhos das células devem ser menores, levando a densidades ainda maiores. Em todos os outros aspectos, o GSM900 e o DCS1800 são iguais. As especificações do GSM fase II (uma norma revisada e reescrita) aproximam ainda mais os dois sistemas. O GSM900 oferece uma largura de banda maior e mais canais, denominados E-GSM (GSM de banda estendida) e menores níveis de controle de potência para as unidades móveis, permitindo a operação com microcélulas. Estas duas novas características permitem o uso de maiores densidades de usuários nos sistemas GSM. A Fase II também prevê a inclusão de novos serviços no GSM e DCS1800. A inclusão de serviços específicos, como
Redes de comunicações
pessoais
DCS
Argentina, Brasil, Chile: DCS
Reino Unido: DCS
Alemanha, França, Hungria, Polônia, Suécia, Suíça: DCS
Cingapura: DCS
Austrália: DCS
Malásia: DCS Tailândia: DCS
Canadá: PCS
EUA: PCS
PCS
dados, fax e operação em modo dual, está atualmente sendo definida na chamada Fase II+.
Slide 5: A Rede GSM e a Interface Aérea
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Agenda
- Visão rápida do GSM
- A Rede GSM e a Interface Aérea
- Codificação da conversação e tipos de canais
- Fazendo a chamada telefônica
Slide 6: Redes GSM
Este é um sistema GSM. As estações móveis (MS), sejam telefones celulares (e portáteis) e as tradicionais unidades móveis instaladas em automóveis, falam com o Sistema da Estação Base (BSS) pela interface aérea de RF. O Sistema de Estação Base (BSS) é formado por uma Estação Transceptora Base (BTS) e um Controlador de Estação Base (BSC). É comum que diversas BTS estejam localizadas em um mesmo local, criando de 2 a 4 células setorizadas ao redor de uma torre de antena comum. As BSC são freqüentemente ligadas à BTS por links de microondas. O link do BSC à BTS é chamado de interface Abis. Tipicamente, de 20 a 30 BTS serão controladas por um BSC. Por sua vez, diversas BSS são subordinadas a uma Central de Comutação e Controle (MSC), que controla o tráfego entre diversas células diferentes. Cada Central de Comutação e Controle (MSC) terá um Registro de Localização de Visitante (VLR), no qual as unidades móveis que estiverem fora das células de sua área local serão listadas, de forma que a rede saiba onde encontrá-las. A MSC será também conectada ao Registro de Localização de Unidade Móvel Local (HLR), a Central de Autenticação (AUC) e ao Registro de Identidade do Equipamento (EIR), de forma que o sistema possa verificar se os usuários e equipamentos são assinantes em situação legal. Isto ajuda a evitar o uso de unidades móveis roubadas ou fraudadas. Há também instalações dentro do sistema para as organizações de Operações e Manutenção (OMC) e de Gerenciamento da Rede (NMC). A Central de Comutação e Controle (MSC) também possui uma interface para outras redes, como as Redes Privadas Fixas de Telefonia Móvel (PLMN), Redes Públicas de Telefonia Comutada (RPTC) e redes RDSI.
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VLR
VLR
HLR
Redes GSM
EIR
AUC
BSC
BSC
BSS
BSS
BTS
BTS
BTS MSC
MSC
Interface a outras redes
NMC
OMC OMC
BTS
MS
MS
BTS
GSM
Slide 8: Agenda
8 Confidencial da Empresa - 10001506.ppt Rev. 08/
Agenda
- Visão rápida do GSM
- A Rede GSM e a Interface Aérea
- Codificação da conversação e tipos de canais
- Fazendo a chamada telefônica
Slide 9: Interface Aérea do GSM
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Interface Aérea do GSM
- Bandas separadas para o uplink e o downlink
Slide 11: Uma célula GSM
O canal de freqüência usado pelo BCH é diferente em cada célula. Os canais podem ser reutilizados por células distantes, nas quais o risco de interferência é baixo.
As unidades móveis em chamada usam um TCH (Canal de Tráfego). O TCH é um canal bidirecional usado para a troca de informações de conversação entre a unidade móvel e a estação base. As informações são divididas em uplink e downlink, dependendo da direção do fluxo. O GSM separa o uplink e o downlink em bandas de freqüência distintas. Dentro de cada banda, o esquema de numeração de canais usado é o mesmo. Na verdade, um canal do GSM é formado por um uplink e um downlink.
É interessante observar que, enquanto que o TCH usa um canal de freqüência no uplink e no downlink, o BCH somente ocupa um canal no downlink. O canal correspondente no uplink é, na verdade, deixado desocupado. Este canal pode ser usado pela unidade móvel para canais não programados ou canais de acesso aleatório (RACH). Quando a unidade móvel quiser chamar a atenção da estação base (para fazer uma chamada, por exemplo), ela poderá fazê-lo usando este canal de freqüência desocupado para enviar um RACH. Como mais de uma unidade móvel pode querer chamar a atenção da estação ao mesmo tempo, é possível que haja uma colisão de canais RACH, e talvez seja necessário que as unidades móveis façam diversas tentativas para serem ouvidas.
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Uma célula GSM
BTS
Uplink Downlink
THC
Canal de Tráfego
Ao BSC
GSM
GSM
Interface
Abis
GSM
BCH
Canal de
Broadcast Downlink
Slide 12: Interface Aérea do GSM
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Interface Aérea do GSM
- Bandas separadas para o uplink e o downlink
- Multiplex TDMA e FDMA
- 124 canaisde freqüência (ARFCN) para o GSM
- Canais de 200kHz
- 8 unidades móveis compartilham
um ARFCN pelo TDMA
Slide 13: O canal GSM - TDMA e FDMA
O GSM usa o TDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo) e o FDMA (Acesso Múltiplo por Divisão da Freqüência). As freqüências disponíveis são divididas em duas bandas. O uplink é utilizado para a transmissão da unidade móvel e o downlink é usado para a transmissão da estação base. Este slide mostra parte de uma destas bandas. Cada banda é dividida em slots de 200 kHz, denominados ARFCN (Número Absoluto de Canal de Radiofreqüência). Além de dividir em fatias a freqüência, nós também dividimos o tempo. Cada ARFCN é compartilhado por 8 unidades móveis, sendo usado por uma delas por vez. Cada unidade móvel usa o ARFCN por um TS (timeslot) e, em seguida, aguarda a sua vez de usá-lo novamente. As unidades móveis usam o ARFCN uma vez por quadro do TDMA.
Este slide mostra 4 TCHs (Canais de Tráfego). Cada TCH usa um determinado ARFCN e um timeslot. Três dos TCH estão no mesmo ARFCN, usando timeslots diferentes. O quarto TCH está em um ARFCN diferente. O conjunto formado pelo número do TS e o ARFCN é denominado canal físico.
Não há muito espaço entre os timeslots e os ARFCNs. É importante que a unidade móvel ou estação base transmitam seus bursts TDMA exatamente no momento certo e exatamente com a freqüência e amplitude corretas. Estando muito adiantado ou muito atrasado, um burst poderá colidir com um burst adjacente. A falta de controle no espectro ou espúrios de modulação podem provocar interferência no ARFCN adjacente.
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1 2 3 4 5 6 ARFCN (freqüência do canal)
O canal do GSM -TDMA e FDMA
7
0
1
2
3
4
6
Tempo
Timeslot
7
5
O Canal Físico é um ARFCN e Timeslot
Amplitude
Freqüência
TDMA
FDMA
Slide 14: O burst do GSM - TDMA/FDMA
14 Confidencial da Empresa - 10001506.ppt Rev. 08/
O Burst do GSM - TDMA/FDMA
Freqüência
Amplitude
Tempo
Slide 16: Modulação 0.3 GMSK
O GSM usa um formato de modulação digital denominado 0.3 GMSK (Chaveamento por Deslocamento Mínimo Gaussiano). O 0.3 indica a relação da largura de banda do filtro gaussiano com a taxa de bit.
O GMSK é um tipo especial de modulação digital FM. Os “1s” e “0s” são representados pelo deslocamento da portadora de RF em mais ou menos 67, kHz. As técnicas de modulação que usam duas freqüências para representar o “1” e o “0” são denominadas FSK (Chaveamento por Deslocamento de Freqüência). No caso do GSM a taxa de dados de 270,833 kbit/s foi escolhida por ser exatamente quatro vezes o deslocamento de freqüência de RF. Isto tem o efeito de minimizar o espectro de modulação e aumentar a eficiência do canal. A modulação FSK na qual a taxa de bit é exatamente quatro vezes o deslocamento de freqüência é chamada MSK (Chaveamento por Deslocamento Mínimo). O espectro de modulação é ainda mais reduzido com o uso de um filtro gaussiano de pré-modulação. Este filtro reduz a velocidade das rápidas transições de freqüência que, caso contrário, espalhariam a energia pelos canais adjacentes.
O 0.3GMSK não é uma modulação em fase. As informações não são transportadas por estados de fase absolutos, como no QPSK, por exemplo. É o deslocamento em freqüência, ou alteração do estado de fase, que transporta as informações. Às vezes, entretanto, é útil tentar visualizar o GMSK em um diagrama I/Q. Sem o filtro gaussiano, se um feixe constante de “1s” estiver sendo transmitido, o MSK permanecerá efetivamente 67,708 kHz acima da freqüência central da portadora. Se a freqüência central da portadora for tomada como uma referência de fase estacionária, o sinal de +67,708 kHz causará um aumento estável de fase. A fase irá girar +360 graus a uma taxa de 67.708 revoluções por segundo. No período de um bit (1/270,833 kHz) a fase será deslocada em um quarto de círculo no diagrama I/Q, ou 90 graus. Os “1s” são vistos como um aumento de fase de 90 graus. Dois “1s” causam um aumento de fase de 180 graus, três “1s”, de 270 graus, e assim por diante. Os “0s” causam a mesma mudança de fase, na direção oposta. A inclusão do filtro gaussiano não afeta esta transição média de 90 graus para “0s” e “1s”.
16 Confidencial da Empresa - 10001506.ppt Rev. 08/
Modulação 0.3 GMSK
Dados 270,833 kB/s
Freqüência
+67,708 kHz
-67,708 kHz
Fase +
o (^) -90 o
Q
I
Como a taxa de bit e o deslocamento em freqüência estão relacionados por um fator de 4, a filtragem não afeta as relações de fase médias. Esta filtragem não reduz a taxa de mudança de velocidade de fase (a aceleração da fase). Quando a filtragem gaussiana é aplicada, a fase muda de direção mais lentamente, mas pode atingir velocidades de pico maiores para alcançar a fase. Sem a filtragem gaussiana, a fase muda de direção instantaneamente, mas se desloca a uma velocidade constante.
A trajetória exata da fase é controlada com bastante rigor. Os rádios GSM precisam usar filtros digitais e moduladores I/Q ou FM digitais para gerar com precisão a trajetória correta. A especificação GSM permite não mais de 5 graus rms e 20 graus de desvio de pico da trajetória ideal.
