O Sistema GSM

Uma breve explicação sobre como funciona a tecnologia por detrás dos telemóveis.

O GSM possui uma série de características que o destinguem dentro do universo das comunicações móveis. Nascido nos anos 80 e fruto de uma cooperação sem precedentes dentro da Europa (consulte aqui a história do GSM), o sistema partilha elementos comuns com outras tecnologias utilizadas em telemóveis, como a transmissão ser feita de forma digital e a utilizar células (como funciona um telemóvel). Este artigo irá apresentar as características fundamentais do sistema, assim como as suas capacidades. 

Arquitectura da rede GSM

Como funciona a transmissão do GSM

Características da rede GSM

Arquitectura da rede GSM

Uma rede GSM é constituída por três elementos: o terminal, a estação-base (BSS) e o subsistema de rede ou nó. Adicionalmente existem centros de operação estabelecidos pelas operadoras, de forma a monitorizarem o estado da rede. 

                        Base Substation System            Network Subsystem

TRX: Transceiver                                                 EIR: Equipment Identity Register
MS: Mobile Station                                              AC: Authentication Center
SIM: Subscriber Identity Module                          HLR: Home Location Register
BTS: Base Transceiver Station                              BSC: Base Station Controller
MSC: Mobile services Switching Center               VLR: Visitor Location Register
ISDN: Integrated Services Digital Network           PTSN: Public Switched Telephone Network
SMSC: Short Message System Center

 A estação móvel, ou terminal contêm o cartão SIM, o qual é utilizado para identificar o utilizador dentro da rede. O SIM confere mobilidade pessoal ao assinante do cartão, permitindo-lhe aceder aos serviços da rede não importando o telemóvel que usa ou a localização. O SIM pode ser protegido contra uso indevido através de um código (o PIN) que é necessário marcar cada vez que se liga o telemóvel. Existe ainda um número que identifica cada terminal individualmente, o International Mobile Susbcriber Identity (IMEI), mas que é independente do SIM.

A estação-base controla a ligação rádio entre o telemóvel e a rede e é também conhecida por célula, devido a cobrir uma determinada área geográfica. Uma BSS é composta por dois elementos: o BTS (Base Transceiver Station) e o BSC (Base Station Controler). Cada BSS pode ter um ou mais BTS. Os BTS albergam o equipamento de transmissão/recepção (os TRX ou transceivers) e gerem os protocolos de rádio com o terminal móvel. Em áreas urbanas existem mais BTS  do que em zonas rurais e em alguns casos com características físicas ou geográficas particulares (como por exemplo, túneis) são colocados retransmissores de forma a garantir o serviço. Cada estação utiliza técnicas digitais de forma a permitir que vários utilizadores se encontrem ligados à rede, assim como para permitir que façam e recebam chamadas simultaneamente. Esta gestão é denominada de multiplexing.

O BSC gere os recursos de rádio de um ou mais BTS. Entre as suas funções incluem-se o handoff, que ocorre quando o utilizador se desloca de uma célula para outra, permitindo que a ligação se mantenha, o estabelecimento dos canais de rádio utilizados e mudanças de frequências. Finalmente, estabelece a ligação entre o telemóvel e o Mobile service Switching Center (MSC), o coração do sistema GSM. 

O MSC, como já foi afirmado anteriormente, é o centro da rede, através do qual é feita a ligação entre uma chamada feita de um telemóvel e as outras redes fixas (as analógicas PSTN ou digitais ISDN) ou móveis. O nó no qual se encontra possui ainda uma série de equipamentos destinados a controlar várias funções, como a cobrança do serviço, segurança e o envio de mensagens SMS.

O Home Location Register (HLR) contêm toda a informação administrativa sobre o assinante do serviço e a localização corrente do terminal. É através do HLR que a rede verifica se um telemóvel que se está a procurar ligar possui uma assinatura do serviço válida. Caso a resposta seja afirmativa o MSC envia uma mensagem de volta ao terminal a informar que se está autorizado a utilizar a rede. O nome da operadora aparece então no visor, informando que se pode efectuar e receber chamadas. Quando o MSC recebe uma chamada destinada a um telemóvel ele vai ao HLR verificar qual a localização. Paralelamente, o terminal de tempos a tempos envia uma mensagem para a rede, para informá-la do local onde se encontra (este processo é chamado de polling)

O Visitor Location Register (VLR) é utilizado para controlar o tipo de ligações que um terminal pode fazer. Por exemplo, se um assinante possui restrições nas chamadas internacionais o VLR impede que estas sejam feitas, bloqueando-as e enviando uma mensagem de volta ao telemóvel a informar o utilizador.

O Equipment Identity Register (EIR) e o Authentication Center (AC) são ambos utilizados para questões de segurança. O EIR contém uma lista de IMEIs de terminais que foram declarados como furtados ou que não são compatíveis com a rede GSM. No caso do telemóvel se encontrar nessa lista “negra”, o EIR não permite que ele se ligue à rede. Dentro do AC encontra-se uma cópia do código de segurança do SIM. Quando decorre a autorização o AC cria um número aleatório que é enviado para o telemóvel. Os dois equipamentos de seguida utilizam esse número, juntamente com o código do SIM e um algoritmo de encriptação denominado de A3, para criar um outro número que é enviado de volta para o AC. Se o número enviado pelo terminal for igual ao calculado pelo AC, o utilizador é autorizado a usar a rede.

Por fim, o Short Message System Center (SMSC) é o responsável por gerar as mensagens curtas de texto. Outros equipamentos utilizados em redes GSM podem incluir a cobrança de chamadas, a ligação à Internet, a caixa de mensagens de voz, etc. 

O sistema GSM 900 utiliza dois conjuntos de frequências na banda dos 900 MHz, o primeiro nos 890-915MHz, utilizado para as transmissões do terminal e o segundo nos 935-960MHZ, para as transmissões da rede. 

O método utilizado pelo GSM para gerir as frequências é uma combinação de duas tecnologias: o TDMA  (Time Division Multiple Access) e o FDMA (Frequency Division Multiple Access). O FDMA divide os 25 MHz disponíveis de frequência em 124 canais com uma largura de 200 kHz e uma capacidade de transmissão de dados na ordem dos 270 Kbps. Uma ou mais destas frequências é atribuída a cada estação base e dividida novamente, em termos de tempo, utilizando o TDMA, em oito espaços de tempo (timeslots). O terminal utiliza um timeslot para recepção e outro para emissão. Eles encontram-se separados temporalmente para que o telemóvel não se encontre a receber e transmitir ao mesmo tempo. Esta divisão de tempo também é chamada de full rate. As redes também podem dividir as frequências em 16 espaços, processo de designado de half-rate, mas a qualidade da transmissão é inferior.

A voz é codificada de uma forma complexa, de forma a que erros na transmissão possam ser detectados e corrigidos. De seguida é enviada nos timeslots, cada um com uma duração de 577 milisegundos e uma capacidade de 116 bits codificados.Cada terminal tem possuir uma agilidade de frequência, podendo deslocar-se entre os timeslots utilizados para envio, recepção e controlo dentro de um frame completo. Ao mesmo tempo, um telemóvel verifica outros canais para determinar se o sinal é mais forte e mudar a transmissão para os mesmos, caso a resposta seja afirmativa.

O sistema GSM permite uma série de funcionalidades, as quais podem ser implementadas pelas operadoras nas suas redes. As várias características incluem:

  • Possibilidade de usar o terminal e o cartão SIM em redes GSM de outros países (roaming).
  • Serviço de mensagens curtas (SMS) através do qual podem ser enviadas e recebidas mensagens com até 126 caracteres.
  • Reenvio de chamadas para outro número.
  • Transmissão e recepção de dados e fax com velocidades de até 9.6 Kbps.
  • Difusão celular – mensagens com até 93 caracteres podem ser enviados para todos os telemóveis numa área geográfica. As mensagens são recebidas quando o terminal não está a ser utilizado e podem ser recebidas a cada dois minutos.
  • CLIP (Calling Line Identification Presentation) – permite ver no ecrân qual o número que nos está a procurar contactar. Por oposição, o CLIR (Calling Line Identification Restriction) impede que o nosso número seja visto por algúem (anónimo) via o CLIP.
  • Possibilidade de visualização do crédito/custos.
  • Grupos restritos de utilizadores – permitem que os telefones registrados nos grupos sejam utilizados com extensões de um outro telefone ou conta.
  • Ligações sem estática.
  • Notificação de chamadas em espera, quando nos encontramos a atender outro telefonema.
  • Poder colocar uma chamada em espera, enquanto se atende a outra.
  • As chamadas são encriptadas, o que impede que sejam escutadas por outros.
  • Possibilidade de impedir a recepção/transmissão de certas chamadas.
  • Chamadas de emergência – o 112 pode ser sempre marcado em qualquer rede.
  • Possibilidade de vários utilizadores conversarem entre si ao mesmo tempo – serviço de conferência.