GSM Global System for Mobile communications

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GSM Global System for Mobile communications

• Universidade do Algarve Faculdade de Ciências e
  Tecnologia
• Departamento de Eng.ª Electrónica e Informática
• Redes sem Fios 2005/2006

Elaborado por João Carvalho 20058 Marco Santos
20610
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Assuntos a abordar

• História do GSM
• Arquitectura da rede GSM
• Serviços disponíveis
• Aspectos da rede
• Interface de rádio

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História do GSM

• Necessidade surgiu na Europa nos anos 80
• Especificação completa em 1990
• Implementado em 1991 1ª rede foi a Radiolinja
  na Finlândia
• Em Portugal surgiu em 1992
• É actualmente o sistema dominante a nível de
  telecomunicações móveis, tendo mais de mil
  milhões de utilizadores em todo o mundo,
  divididos por mais de 200 países

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História do GSM (2)

• Redes de 1ª Geração
• Os equipamentos estavam limitados a operar apenas
  num dado país
• O mercado de cada equipamento era limitado, o que
  fazia com que os custos fossem elevados
• Objectivos do GSM
• Boa qualidade de som
• Suporte para utilização no estrangeiro (roaming)
• Suporte para terminais portáteis
• Fornecer novos serviços e com melhor qualidade
• Eficiência a nível de frequências
• Baixo custo de equipamentos móveis e
  infra-estruturas
• Compatibilidade com outros sistemas

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História do GSM (3) Evolução dos equipamentos
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Arquitectura da rede GSM
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Arquitectura da rede GSM MS Mobile Station

• Um MS Mobile System, é composto por
• Telemóvel ou outro equipamento similar
• Cartão SIM (Subscriber Identity Module)
• É um programa que é executado num UICC (Universal
  Integrated Circuit Card)
• Guarda mensagens, lista telefónica, preferências
  do utilizador, e informações relativas ao estado
  e subscrição de serviços da rede
• Número de série associado a cada SIM

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Arquitectura da rede GSM Base Station Subsystem
(BSS)

• Faz o interface com o MS
• É composto por
• Base Transceiver Station (BTS)
• Contém transceivers, antenas, e equipamento de
  encriptação/desencriptação
• É normalmente colocado no centro de uma célula (a
  sua potência de transmissão define o tamanho da
  célula)
• Base Station Controller (BSC)
• O BSC controla um grupo de BTS, normalmente
  dezenas ou mesmo centenas
• Um BSC é responsável por alocação de canais de
  rádio, frequency hopping , handover entre BTS e
  comunicação do MS com o MSC

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Arquitectura da rede GSM Network and Switching
Subsystem (NSS)

• É o core do sistema GSM
• Comporta-se como um PSTN (Public Switched
  Telephone Network) implementando ainda
  funcionalidades relativas ao utilizador do MS
  tais como registo, autenticação, registo de
  localização, handover, e encaminhamento de
  chamadas para uma rede de outro país (roaming)
• Pertence a um operador especifico e a sua
  principal função é gerir as comunicações entre os
  terminais móveis e outros operadores, tais como
  operadores móveis (da mesma ou de outras redes),
  operadores de rede fixa

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Arquitectura da rede GSM Componentes do NSS ? MSC

• É composto por
• Mobile services Switching Center (MSC)
• É o componente principal do NSS
• Gere as comunicações e implementa os serviços do
  GSM (voz, dados, fax, SMS, desvio de chamadas,
  etc.)
• Está conectado a redes fixas e outros MSC de modo
  a providenciar handover e roaming
• Gateway MSC ? MSC que faz a ligação com outras
  redes. Todas as comunicações entre essas outras
  redes e o cliente GSM são reencaminhadas pelo
  GMSC
• Visited MSC ? MSC onde um dado cliente está
  ligado
• Anchor MSC ? MSC de onde o processo de handover é
  iniciado
• Target MSC ? MSC de destino no processo de
  handover

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Arquitectura da rede GSM Componentes do NSS ?
MSC (2)

• O MSC é responsável por
• Encaminhar as chamadas de/para os subscritores
  baseando-se em informações na VLR
• Fazer a entrega de SMS (Short Message Service) do
  subscritor para o SMSC (Short Message Service
  Center) e vice versa
• Tratar dos handovers de BSC para BSC
• Tratar dos handovers da MSC actual para outra
• Suportar serviços como chamada em espera ou
  chamada em conferência
• Recolher informação de cobrança de serviços

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Arquitectura da rede GSM Componentes do NSS ? HLR

• Home Location Register (HLR)
• HLR é a base de dados central que contem
  informação relativa a todos os subscritores
  autorizados da rede GSM do NSS
• Para isso guarda informação de todos os SIM do
  operador
• Esses dados são por exemplo os números de
  telefone associados (pode ter vários) ou serviços
  subscritos
• Essa informação fica armazenada no HLR enquanto o
  SIM for cliente dessa rede

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Arquitectura da rede GSM Componentes do NSS ? VLR

• Visitors Location Register (VLR)
• É uma base de dados temporária com registos dos
  utilizadores da rede que estão na zona de
  cobertura daquele MSC (normalmente está integrado
  no V-MSC)
• Contém dados como
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)
  número do SIM
• Dados de autenticação
• MSISDN (Mobile Station Integrated Services
  Digital Network) - número de telefone do
  subscritor
• Serviços GSM disponíveis para o subscritor
• Endereço HLR do subscritor
• Os dados podem provir do HLR ou podem ser
  recolhidos directamente do MS
• Principais funções
• Informar o HLR que o subscritor chegou à área
  coberta pelo VLR
• Saber a localização do subscritor
• Apagar o registo do subscritor quando este se
  move para outro VLR (ordem dada pelo HLR), ou
  quando este passa um dado período inactivo
  (informa o HLR)

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Arquitectura da rede GSM Componentes do NSS ?
AUC, EIR e GIWU

• Authentication Centre (AUC)
• É responsável pela autenticação de cada SIM na
  rede GSM (autenticação normalmente feita ao ligar
  o telefone)
• Gera uma chave encriptada para ser usada em todas
  as comunicações naquela sessão
• Equipment Identity Register (EIR)
• Normalmente integrado com o HLR
• Tal como o AUC, serve para propósitos de
  segurança
• Guarda um lista de IMEI (International Mobile
  Equipment Identity) que estão banidos da rede ou
  que estão a ser monitorizados
• Normalmente implementado juntamente com o AUC
• GSM Interworking Unit (GIWU)
• GIWU providencia uma interface para varias redes
  para transmissões de dados
• Durante essas transmissões, o utilizador pode
  comutar voz e dados
• Tipicamente está implementado no MSC

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Arquitectura da rede GSM Operation and Support
Subsystem (OSS)

• Está conectado a componentes do NSS e aos BSC de
  modo a controlar e monitorizar o sistema GSM
• É responsável por controlar a carga de trânsito
  dos BSS
• Devido ao aumento do número de BS causado pelo
  aumento de utilizadores da rede, algumas tarefas
  de manutenção foram transferidas para as BTS de
  modo a reduzir custos

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Serviços disponíveis no GSM

• Existem 3 tipos de serviços
• Tele-serviços tráfego de voz
• Serviços ao portador tipicamente transmissão de
  dados em vez de voz.
• Serviços suplementares criados para fornecer
  funcionalidades adicionais aos outros tipos

• Tele-serviços
• Os mais comuns são as chamadas de voz
• Chamadas de emergência
• Voice-mail

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Serviços disponíveis no GSM (2)

• Serviços de portador
• São serviços de dados, taxa de transferência
  varia entre 300 e 9600 bps
• GPRS (General Packet Radio Service) trouxe taxas
  de transferência mais elevadas
• Exemplos
• Acesso à Internet
• SMS
• Permite ao subscritor enviar e receber mensagens
  (até 160 bytes)
• Transferência síncrona e assíncrona de dados
• Fax

• Serviços suplementares
• Complementam os serviços de portador e voz
• Exemplos
• Chamada em espera
• Reencaminhamento de chamada
• Barramento de chamada
• Grupos
• Restrição do envio da identidade

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Handover

• Processo de transferência de uma ligação activa
  (chamada telefónica ou sessão de dados) de uma
  célula para outra
• Pode ocorrer por 2 motivos
• O MS pode estar a captar um sinal melhor de
  outra BS
• A BS está cheia e não pode aceitar a ligação

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Handover

• Tipos de handover
• Entre canais do mesmo BTS
• Entre BTS do mesmo BSC
• Entre BTS do mesmo MSC mas de BSC diferentes
• Entre BTS controlados por diferentes MSC

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QoS no GSM
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Aspectos da rede GSM

• Um terminal GSM pode movimentar-se tanto em
  território nacional como internacional, o que
  implica que as funções de registo, autenticação,
  routing da chamada e actualização da localização
  do terminal sejam um standard em redes GSM.
• O facto de as redes estarem geograficamente
  distribuídas por células implica a implementação
  do mecanismo de handover.
• Estas funções são realizadas pelo Network
  Subsystem, através do Mobile Application Part
  (MAP) implementado no topo do protocolo SS7
  (Signalling System No. 7).

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Protocolo de Sinalização

• O protocolo de sinalização do GSM está
  estruturado em 3 layers
• Layer 1 camada física
• Layer 2 camada de transmissão
• Layer 3 está divido em 3 sublayers no MS

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Protocolo de Sinalização Layer 3

• Radio Resources Management
• Tem como função estabelecer e manter uma canal de
  ligação estável e ininterrupto entre o MSC e o
  MS
• O mecanismo de handover é também controlado pela
  camada RR
• Mobility Management
• Responsável pela localização e actualização da
  mesma assim como os processos de registo
  (autenticação e segurança).
• Connection Management
• Tem como função estabelecer as chamadas
  requeridas pelo utilizador. Tem 3 funções
  principais
• Controlo da chamada tem como funções estabelecer
  as chamadas, a selecção do tipo de serviços
  (incluindo alternando entre serviços durante a
  chamada) e terminar chamadas
• Controlo dos serviços suplementares permite as
  modificações e verificações dos serviços
  suplementares
• Controlo do SMS (Short Message Services) fornece
  os serviços SMS aos terminais móveis.

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Radio Resources Management

• É a camada que estabelece uma ligação, rádio e
  fixa, entre o MS e o MSC. Os meios envolvidos são
  o MS, o BSS e o MSC
• Estabelecimento e alocação dos canais rádio na
  interface Um
• Estabelecimento da ligação entre a interface A e
  o MSC
• Os processos de Handover são também controlados
  nesta camada envolvendo o MS e o BSS e num plano
  secundário o MSC
• Tem em atenção uma sessão RR, que é o tempo que
  um MS está em modo dedicado assim como a
  configuração dos canais de rádio, incluindo a
  alocação de canais dedicados
• Uma sessão RR é sempre iniciada pelo MS através
  do processo de acesso
• Saída de chamadas
• Resposta a uma mensagem de paging
• Controla também o power control, transmissão
  contínua e descontínua e timing advance.

Paging aviso de chegada de chamada para um MS.
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Mobility Management Localização

• A localização é feita através de processos que
  permitem ao sistema
• saber a localização corrente de um MS para que
  as chamadas enviadas ao mesmo possam ser
  correctamente encaminhadas.
• Quando um MS se move para uma nova área de
  localização tem de se registrar com a rede para
  indicar a sua localização.
• Uma mensagem de update de localização é enviada
  para o novo MSC/VLR que grava a informação da
  área de localização, e depois envia a informação
  da localização ao HLR do subscritor do serviço.
• Se o subscritor for válido, o HLR envia um subset
  da informação do subscritor, necessário para o
  Call Control, para o novo MSC/VLR e envia uma
  mensagem ao antigo MSC/VLR para cancelar o
  registo antigo.
• Um outro processo relacionado com o update da
  localização é o IMSI (International Mobile
  Subscriber Identity) attach e detach.
• O detach permite à rede saber que o MS está fora
  de alcance, evitando assim que a alocação de
  canais e o envio de mensagens de paging
• O attach é similar ao processo de update da
  localização, informando a rede que o terminal
  está dentro de alcance novamente.

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Mobility Management - Aspectos de autenticação e
segurança

• A cada subscritor é fornecida um código secreto
  em que uma cópia do mesmo é guardado no SIM e
  outra no AuC.
• Durante a autenticação, o AuC gera um número
  aleatório que envia para o MS. O MS e o AuC usam
  esse número aleatório em conjugação com o código
  secreto do subscritor e o algoritmo de
  encriptação A3 para gerar um SRES (Signed
  Response) que é enviado depois para o AuC pelo
  MS.
• Se o número enviado pelo MS for o mesmo que o
  calculado pelo AuC, então o subscritor é
  autenticado.
• Outro nível de segurança é feito no próprio
  equipamento móvel. Cada MS tem um IMEI e uma
  lista de IMEIs na rede são guardados no EIR. A
  uma query IMEI pode ser respondido para o EIR o
  seguinte
• White-listed o terminal tem permissão de se
  conectar à rede
• Grey-listed o terminal está sobre observação
  pela rede por possíveis problemas
• Black-listed o terminal ou está classificado
  como roubado, ou não corresponde a um tipo
  aprovado (o tipo de terminal correcto para uma
  rede GSM). O terminal não está autorizado a
  conectar-se à rede.

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Connection Management Call Control

• Call routing
• Para aceder um MS é marcado o MSISDN (Mobile
  Subscriber ISDN), que inclui
• O código do Pais, que consiste em três dígitos
  (351)
• O código nacional de destino, que identifica o
  operador do subscritor (91, 96, 93)
• O International Mobile Subscriber Identity
  (IMSI), que identifica o subscritor no HLR
• Quando é feita uma chamada a um MS esta é
  dirigida ao GMSC. A informação retornada ao GMSC
  quando este interroga o HLR sobre a informação de
  routing do subscritor é o MSRN (Mobile Station
  Roaming Number)
• Quando o GMSC questiona o HLR pelo MSRN do
  subscritor, o HLR (que guarda o apenas o endereço
  SS7 do corrente VLR do subscritor) vai questionar
  o VLR do subscritor pelo seu MSRN (alocado
  temporariamente para a chamada em questão).
• O MSRN é retornado ao HLR que de seguida o
  retorna ao GMSC, que assim pode encaminhar a
  chamada para o novo MSC
• No novo MSC o IMSI correspondente ao MSRN é
  guardado e o MS é paginado na sua localização
  corrente.

TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity
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Aspectos da Ligação Rádio

• O ITU (Internacional Telecommunication Union),
  alocou as bandas 890-915 MHz para uplink (MS para
  BS) e 935-960 MHz para downlink (BS para MS) para
  as redes móveis na Europa.
• O GSM tem 3 frequências principais 900 MHz, 1800
  MHz, e 1900 MHz. Apenas depende do Pais qual a
  frequência que é usada.

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Aspectos da Ligação Rádio acesso múltiplo

• O método usado pelo GSM para o esquema de acesso
  multiplo é uma combinação do TDMA com o FDMA.
• a parte FDMA divide a frequência de 25 MHz em
  124 frequências.
• Cada uma destas portadoras são depois divididas
  em tempo (burst period 0.577 ms).
• 8 períodos burst são agrupados numa frame TDMA
  (aprox. 4.615 ms). Um canal físico é um período
  burst por frame TDMA.
• Os canais são definidos pelo numero e posição dos
  seus períodos burst correspondentes. Podem ser
• Dedicados são alocados a um MS
• Comuns são usados pelos MS quando estes estão
  inactivos.

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Aspectos da Ligação Rádio canais de tráfego

• Um canal de tráfego (TCH Traffic Channel) é
  usado para transportar voz e dados.
• São definidos usando uma multiframe de 26 frames
  (grupo de 26 frames TDMA). Têm um tamanho de 120
  ms.
• Dos 26, 24 são usados para o tráfego, 1 é usado
  para o SACCH (Slow Associated Control Channel) e
  o restante não é actualmente usado.
• O TCH uplink e downlink estão separados por 3
  períodos burst, evitando assim que o MS envie e
  receba simultaneamente.

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Aspectos da Ligação Rádio canais de controlo

• Os canais comuns podem ser acedidos por MS em
  modo inactivo ou dedicado.
• São usados pelo MS em modo inactivo para a troca
  do sinal de informação requerida para este passar
  a modo dedicado
• Se o MS está em modo dedicado este vai verificar
  todas as BS vizinhas para possível handover ou
  obter outras informações
• Os canais comuns são definidos por uma multiframe
  de 51 frames, permitindo desta forma que os MS
  dedicados que estão a usar a multiframe TCH
  possam ainda monitorizar os canais de controlo.
  Os canais comuns incluem

Canais de Controlo Tipo Funcionalidade
Broadcast Control Channel (BCCH) Broadcast downlink (BS para MS) Broadcasts contínuos no downlink, informação, sobre a identidade da BS, alocação de frequências e sequencias de frequency-hopping.
Random Access Channel (RACH) Common uplink  (MS para BS) Canal Aloha usado pelo MS para requerer acesso à rede.
Paging Channel (PCH) Common downlink  (BS para MS) Usado para alertar o MS para a chegada de uma chamada.
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Aspectos da Ligação Rádio codificação da voz

• Sendo o GSM um sistema digital é necessário
  digitalizar a voz. O método aplicado pelo GSM
  para codificar a voz é o RPE-LPC (Regular Pulse
  Excited - Linear Predictive Coder) com um ciclo
  Long Term Predictor.
• Basicamente, a informação das amostras anteriores
  é usada para advinhar a amostra corrente. Os
  coeficientes da combinação linear das amostras
  anteriores e uma forma codificada do resíduo, a
  diferença da amostra adivinhada e a actual,
  representam o sinal.
• A voz é dividida em amostras de 20 ms, cada uma
  codificada em 260 bits, num total de uma taxa de
  transmissão de 13 kbps.
• Actualmente é utilizado o algoritmo de
  codificação de voz EFR (Enhanced Full-Rate ), que
  fornece uma melhor qualidade de voz à mesma taxa
  de transmissão de 13 kbps.

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Codificação e Modelação do Canal

• De forma a proteger o sinal, transmitido na
  interface de rádio, de erros o GSM
• através de rotinas matemáticas que verificam a
  integridade dos dados.
• Cada bloco de dados tem 260 bits por cada amostra
  de voz de 20 ms que são divididos em 3 classes
• Classe Ia 50 bits mais sensíveis a bit errors
• Classe Ib 132 bits moderadamente sensíveis a
  bit errors
• Classe II 78 bits menos sensíveis a bit errors
• Aos bits da classe la são adicionados 3 bits
  (Cyclic Redundancy Code) para a detecção de
  erros. Se um erro for detectado, a frame e tida
  como corrompida e é abandonada, sendo substituída
  por uma versão atenuada da frame recebida
  anteriormente.
• Estes 53 bits com os 132 da classe lb juntamente
  com 4 bits do tail sequence (num total de 189
  bits) são enviados a um codificador.
• Cada bit de entrada é codificado em 2 bit de
  saída, baseados na combinação dos 4 bits
  anteriores. Desta forma o codificador retorna 378
  bits, que somados com os restantes 78 bits da
  classe II (que não estão protegidos) dão um total
  de 456 bits por cada amostra de voz de 20 ms.
• Para proteger a amostra dos burst errors os 456
  bits da amostra são divididos em 8 blocos de 57
  bits e esses blocos são transmitidos em 8
  consecutivos time-slot bursts. Uma vez que cada
  time-slot burst pode transmitir 2 blocos de 57
  bits, cada burst carrega tráfego de duas amostras
  de voz diferentes.

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Equalização Multipath

• À frequência de 900 MHz, as ondas rádio reflectem
  em todos os edifícios, montanhas, carros e
  aviões. Também muitos sinais reflectidos, cada
  com diferentes fases, podem chegar a uma antena.
• A equalização multipath é usada para extrair os
  sinais desejados dos sinais reflectidos.
• Funciona encontrando o modo como o sinal
  transmitido conhecido é modificado pela
  propagação multipath.
• Este sinal conhecido é a sequência de bits
  transmitida no meio de cada time-slot burst.
• A actual implementação do equalizador não está
  documentada nas especificações do GSM.

Transmitida sem o equalizador
Transmitida usando o equalizador
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Frequency hopping

• Um MS tem de lidar com diferentes frequências
• Para transmitir
• Para receber
• Para monitorizar o time slot numa frame TDMA.
• O GSM implementa os saltos em frequência, em que
  o MS e o MTS transmitem cada frame TDMA em
  diferentes frequências.
• É feito um broadcast ao algoritmo frequency
  hopping no BCC (Broadcast Control Channel). Uma
  vez que o multipath é dependente do portador de
  frequência, trocas de frequência ajudam a
  minimizar este problema.

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DTX Transmissão Descontínua

• Transmissão descontínua é um método que,
  aproveitando o facto de uma pessoa falar menos de
  40 durante uma chamada, desliga o transmissor
  durante os períodos de silencio.
• Um benefício consequente deste método é a
  poupança de energia no MS.
• VAD (Voice Activity Detection)
• Tem de distinguir entre voz e ruído (uma tarefa
  bastante difícil se tivermos em conta a voz de
  fundo)
• Por vezes uma má interpretação do sinal de voz
  com o barulho leva a que o transmissor seja
  desligado durante uma conversação
• Por outro lado, se existir uma má interpretação
  do sinal de ruído com o sinal de voz, levando a
  que o ruído seja confundido com voz, leva a que a
  performance do DTX diminua drasticamente
• Devido ao facto do GSM ser uma rede digital,
  quando o transmissor é desligado no MS de origem,
  no MS de destino nada se houve (silêncio total).
  Para assegurar ao MS de destino que a chamada não
  caiu, é criado um comfort noise no MS de destino
  através das características do background noise
  do MS de destino.

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Recepção Descontínua

• É um método utilizado para poupar energia no MS
  numa recepção descontínua.
• O canal de paginação que é usado pela BS para
  sinalizar a chegada de chamadas é estruturado em
  sub-canais.
• Cada MS necessita de escutar apenas o seu próprio
  sub-canal
• Durante os sucessivos sub-canais de paginação o
  MS pode entrar em standby, onde o consumo de
  energia é muito reduzido.

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Controlo de Potência

• Existem 5 classes definidas de MS de acordo com o
  seu pico de potencia de sinal
• 20, 8, 5, 2 e 0.8 watts.
• Para minimizar a interferência co-canal e para
  poupar energia, os MS e os MTS operam no nível
  mais baixo de potência que mantenha uma aceitável
  qualidade de sinal.
• Usando menos potência de sinal traduz-se em menor
  gasto de energia e um menor congestionamento
  entre todos os MS numa célula.
• Um MS mede a força do sinal ou a qualidade do
  sinal (baseado no Bit Error Ratio) e envia essa
  informação para o BTC que decide se e quando os
  níveis de potência têm de ser ajustados.

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Referências bibliográficas

• http//www.cs.ucl.ac.uk/staff/t.pagtzis/wireless/g
  sm/gsm1.html
• http//www.iec.org/online/tutorials/gsm
• http//ccnga.uwaterloo.ca/jscouria/GSM/gsmreport.
  html
• http//www.privateline.com/PCS/GSM0.html

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Redes de 2ª Geração GSM
FIM