Open GSM/3G - Iniciação Científica

Versão Oficial

Título

• Proposta de implementação de uma rede móvel baseada em solução open-source
• Criação de uma rede GSM acadêmica
• Implementação de uma rede GSM open-source para fins acadêmicos
• Estudo, aperfeiçoamento e implementação de uma rede GSM open-source
• PRoposta para criação de uma rede de telefonia móvel baseada em colaboração
• Implementação de uma rede GSM/GPRS acadêmica baseada em tecnologia open-source
• Implementação de uma rede móvel com funcionalidades básicas do serviço de telefonia GSM/GPRS baseada em tecnologia open-source

Palavras-chave

• BSC, GPRS, GSM, OpenBSC, rede móvel, telefonia celular

Key Words

• Cellular telephony, BSC, GPRS, GSM, mobile network, OpenBSC

Resumo

O objetivo deste artigo é propor a implementação de uma estrutura de rede móvel composta por uma controladora de estações radio-base (BSC) que desempenhe as funções de controle, gerenciamento, sinalização e transporte de chamadas de voz e de dados.

Adicionalmente, permitir que se evolua para a implementação dos elementos de uma rede móvel de terceira geração, porém provendo serviços apenas de dados e dessa forma facilitar o aprendizado dos alunos e gerar novas aplicações sem a necessidade de ter uma infraestrutura de software adquirida junto aos fabricantes tradicionais.

Na prática, um usuário com um dispositivo móvel conectado a um modem poderá acessar um serviço de dados numa rede particular com as seguintes funcionalidades básicas: registro na rede, aquisição de um endereço IP (Internet Protocol) e transferência de dados dados para a rede mundial de computadores. Todo o desenvolvimento deste projeto será baseado em soluções open-source integradas a equipamentos comerciais como rádios e aparelhos móveis. Ainda será necessária a conexão com centrais telefônicas tradicionais.

Objetivos

O objetivo deste projeto é implementar uma estrutura de rede móvel composto por uma controladora de estações radio-base (BSC) que desempenhe as funções de controle, gerenciamento, sinalização e transporte de chamadas de voz e de dados.

Adicionalmente, permitir que se evolua para a implementação dos elementos de uma rede móvel de terceira geração, porém provendo serviços apenas de dados e dessa forma facilitar o aprendizado dos alunos e gerar novas aplicações sem a necessidade de ter uma infraestrutura de software adquirida junto aos fabricantes tradicionais.

Efetivamente, a proposta é desenvolver uma solução que desempenha as funções de controle de rádio de um serviço 3G. A finalidade principal é fornecer um serviço de transmissão de dados, excluindo-se neste caso, o serviço de voz, que permita executar tarefas como navegação na internet, acesso a email, transferência de dados, etc.

Na prática, um usuário com um dispositivo móvel conectado a um modem poderá acessar um serviço de dados numa rede particular com as seguintes funcionalidades básicas: registro na rede, aquisição de um endereço IP (Internet Protocol) e transferência de dados dados para a rede mundial de computadores. Todo o desenvolvimento deste projeto será baseado em soluções open-source integradas a equipamentos comerciais como rádios e aparelhos móveis. Ainda será necessária a conexão com centrais telefônicas tradicionais.

Justificativa

A tecnologia de telefonia móvel está presente na maioria dos países provendo serviços de comunicação que envolve chamadas de voz, chamadas de dados e outras tantas funcionalidades. A abrangência deste serviço pode ser verificada com a migração crescente de usuários de telefonia fixa para móvel e também pela utilização maciça de aparelhos celulares, de crianças aos mais idosos, de usuários mais favorecidos até as camadas mais pobres da população mundial.

O serviço oferecido pelas operadoras teve uma explosão de consumo com a tecnologia GSM (Global System for Mobile). Planejada na Europa, teve concorrentes de peso como o CDMA porém em função de uma série de fatores como por exemplo, a facilidade no roaming, a grande oferta de aparelhos e o apoio dos países participantes, se consagrou neste continente e foi adotada em grande parte do mundo como uma proposta eficiente e viável para fornecer os serviços de telefonia móvel tanto para voz quanto para dados.

O GSM lidera o ranking de utilização de tecnologias de comunicação móvel, segundo a Anatel, em dezembro de 2010 haviam no Brasil 178.108.707 celulares GSM e segundo seus dados preliminares, em abril de 2011 esse número seria de 183.864.372 aparelhos, o que representa 86,50% do total de celulares do país. O crescimento era de 1.210.738 aparelhos por mês e 3,23% ao ano. Ainda segundo a associação, para cada 100 habitantes em território brasileiro, haviam 108,34 aparelhos celulares, em março de 2011 e um total de 210.510 aparelhos no mesmo período. Já a empresa Gartner, publicou uma pesquisa onde mostra que foram vendidos 427,8 milhões de telefones celulares no primeiro trimestre de 2011. Em comparação com o mesmo perído de 2010, este número representa um crescimento de 19%. No mundo, a participação do GSM também é expressiva, no final de 2010, haviam 5,1 bilhões de celulares, segundo a UIT, Wireless Intelligence e GSA/Informa. O Brasil está entre os principais mercados do mundo e no ranking de operadoras de 2010, a China Mobile, Vodafone, América Móvil, Telefonica e China Unicom são as cinco primeiras colocadas, de acordo com dados fornecidos pelas próprias operadoras.

Como se tornou uma tecnologia de ampla utilização, nada mais adequado que incorporá-la no currículo das escolas que se propõem a ensinar as teorias sobre as comunicações móveis. Acontece que interessante seria também ensinar no nível prático, as formas de transmissão, de comunicação, de modulação e outras tantas atividades desempenhadas numa chamada entre aparelhos celulares, por exemplo. A aquisição de uma infraestrutura, por menor que seja, é inviável para uma academia. Resta ao professor e aluno, restringir a aula a um conjunto de slides, filmes e fotos das plataformas de telecomunicações. Com muita sorte podem conseguir uma visita a uma central ou a elementos de uma rede móvel para conhecer ao vivo e a cores o funcionamento básico, porém sem cogitar em manipular alguma coisa.

Pesquisar custos de uma pequena infraestrutura (rádio, BSC, MSC e agregados) => Luiz Cláudio

Sempre se pensou em usar o GSM como um framework para preparar o terreno para o 3G, já que este provê vários recursos de rede necessários para estes sistemas, como gerenciamento de mobilidade, segurança e alocação de recursos. Dessa forma, serviria de base para estudar as funções e problemas específicos para as redes celulares. Nessa visão, este projeto tem total aderência pois permite exatamente este tipo de abordagem, evoluir do sistema GSM para o 3G e posteriormente para o LTE num ambiente aberto a visitações e novas implementações.

O GSM traz muitas vantagens para os envolvidos nesta cadeia de negócios: os usuários em geral, se beneficiam da alta qualidade de voz, da taxa de transmissão de dados e das chamadas a custo reduzido, principalmente pelas mensagens SMS; as operadoras , que conseguiram reduzir seus custos acarretado pela interoperabilidade entre os diversos equipamentos dos mais variados fabricantes, já que GSM é um padrão aberto e por esta característica facilita a proposta deste trabalho.

O GSM permite avaliar e implementar uma série de serviços que o tornaram amplamente atrativo. Houveram novos e melhorados serviços de dados, como HSCSD, funcionando a taxas de 14,4 Kbps/slot que trouxe novas taxas de transmissão de dados. A evolução continuou com a implementação do GPRS e EDGE que novamente expandiram as capacidade de transmissão, dessa vez para valores médios de 40 a 120 Kbps. Codificadores melhorados no padrão EFR (enhanced full-rate speech codec) e AMR(Adaptative multi-rate codec) permitiram melhorar a qualidade da voz.

Uma nova linha de aplicações foi possível com a oferta de soluções como os sistemas de posicionamento móveis que identificavam a localização do usuaŕio móvel pela célula onde ele estava autenticado. Cruzando estas informações com outras opções da rede, como Uplink Time of Arrival (TOA) e Enhanced Observed Time Difference (E-OTD), métodos baseados em medidas da rede que tornaram mais precisas as informaçõẽs geradas. Além disso, incrementou o assisted GPS, baseado na tecnologia GPS (Global positioning system). O GSM ainda inovou com um aumento na capacidade do texto do SMS que permitiu concatenar mais de uma mensagem. Inseriu as mensagens multimídias (MMS) e finalmente, ampliou o leque de aplicações com o advento dos SIM Card que permitiam executar programas customizados. Todas estas inovações tornaram, gradativamente, a tecnologia GSM, como a de maior utilização no mundo da telefonia móvel.

Disponibilizar acesso a tantas modalidades de serviço que hoje são relegadas aos ambientes proprietários das grandes operadoras que dependem dos mega fornecedores é uma ansiedade que a comunidade acadêmica tem e que enxerga uma luz no fim do túnel com essa proposta. Conseguindo implementar um ambiente próximo do real que é oferecidos pelas empresas de telecom haveria condições excelentes para que as escolas melhorassem o padrão do aluno e do professor com relação ao seu desempenho e aos resultados gerados a partir disso, como publicações, protótipos e novas aplicações e serviços.

A implementação da proposta deste projeto é bem factível porque algumas iniciativas do mundo open-source permitem que a equipe inicie seu desenvolvimento a partir de um ambiente disponibilizado por outros colaboradores. É uma tarefa árdua mas que será baseada numa solução já testada e validada por pesquisadores de outros países. A intenção aqui é dar continuidade num trabalho bastante evolúído e que depende de implementações específicas para que se torne uma solução capaz de atender aos serviços mínimos de telefonia móvel.

3G

Outra grande oportunidade presente neste trabalho é a possibilidade de evoluir para uma geração. Com a infraestrutura instalada para o GSM, poderá ser planejada uma nova fase para implantação de soluções que envolvem a terceira geração da telefonia celular

Para oferecer o serviço de telefonia celular 3G, existe um módulo, chamado de RNC (Radio Network Controller) que é essencial para todo o processo, pois intermedia toda a comunicação entre as estações radio-base e a central de comutação celular. Acontece que este elemento de rede é um conjunto de hardware e software que gera elevados gastos para as empresas fornecedoras do serviço, pois as mesmas precisam comprar licenças dos fabricantes, para que possam utilizá-las e este custo aumenta à medida que mais usuários solicitam acesso à rede móvel.

Essa solução já vem sendo comercializada por algumas empresas fornecedoras no mundo, como Nokia, Ericsson, Huawei e outras poucas. Já a algum tempo e as operadoras se veem "amarradas" a este pequeno círculo de fabricantes. Desenvolver uma solução que possa ser utilizada pelas operadoras que permita reduzir o custo é algo até pouco tempo impensável, já que os fabricantes utilizam-se de dezenas de profissionais dedicados às pesquisas e criações destas soluções poré, com o passar do tempo, com pesquisadores no mundo todo colaborando para a inovação tecnológica isso passou a ser possível. O desafio de criar uma solução que possa substituir as soluções atuais com o desenvolvimento de um grupo de pesquisadores é arrojado porém baseado no conhecimento das estruturas atuais de funcionamento de um produto comercial passa a ser factível.

Nesse contexto, pode ser pensado no projeto de desenvolvimento de uma RNC, uma vez que, seu desenvolvimento ocorrerá por código aberto, ou seja, com a colaboração de estudantes, pesquisadores, engenheiros e demais interessados, e utilizando-se de software open source. Consequentemente, as companhias que hoje, dispendem elevadas quantias para a compra de licenças, poderão utilizar a solução construída através desse projeto, poupando gastos e tendo autonomia para evolução tecnológica. Uma vez reduzidos os custos para as empresas, as mesmas podem repassar essa economia ao consumidor final facilitando o acesso às camadas menos favorecidas.

Dados preliminares fornecidos pela Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) mostram que ao final do mês de janeiro de 2011, haviam no Brasil 207,6 milhões de aparelhos celulares e desse total 20,1 milhões eram 3G, o que representa 9,7% dos aparelhos. No mundo, segundo a União Internacional de Telecomunicações (UIT), Wireless Intelligence e Global Mobile Suppliers Association (GSA)/Informa existiam no terceiro trimestre de 2010 5,1 bilhões de aparelhos e no mesmo ano 800 milhões, ou seja, aproximadamente 15,7% eram 3G, segundo dados da GSM Association.

Esses dados mostram que a tecnologia 3G é bastante empregada no Brasil e no mundo, mas existe uma parcela significativamente maior de consumidores em potencial. No Brasil, menos de 10% dos aparelhos são 3G, logo, com a redução do valor cobrado pelo serviço oferecido é possível que muitos consumidores migrem para a tecnologia da terceira geração e futuramente para o LTE. Dessa forma, estaremos contribuindo para a inclusão social baixando os custos dos serviços de telefonia e permitindo que uma base maior de pessoas tenha acesso aos serviços básicos de comunicação.

Esta proposta de trabalho, exige estudo e dedicação dos envolvidos no projeto. Logo, além de gerar redução de gastos para empresas de telecomunicações, uma possível redução de custos para o usuário da tecnologia 3G, e um consequente aumento no número de usuários, o desenvolvimento de uma Radio Network Controller, contribuirá para a aprendizagem, o crescimento e instigará os participantes do projeto a pensar e colocar em prática, soluções inéditas, geradas pelo próprio grupo ou ainda, através de colaborações pelo mundo. Esse conhecimento aprofundado do grupo envolvido sobre as soluções a respeito da tecnologia 3G trará condições para que se assimile as atuais propostas de telefonia como W-CDMA e LTE (Long Term Evolution) e com a mesma visão poderá se pensar em prover soluções inovadoras e independentes dos grandes players.

As empresas que contarem com essa conhecimento, terão mais facilidade e autonomia no planejamento, implantação e evolução dos serviços de telecomunicações do mundo móvel e assim poderão acelerar a criação e implementação de novos serviços. Essa divisão em fases, primeiro com o 3G e depois com o LTE, é viável porque ainda é grande a expansão da tecnologia 3G no mundo, onde ainda não há número expressivo de usuários. Gradativamente, poderão ser desenvolvidas soluções para os usuários ansiosos pela quarta geração.

O escopo deste projeto é limitado à transmissão de dados, portanto o serviço de voz tradicional não seria tratado. Com este desenvolvimento atingíriamos principalmente as principais expectativas como:

• Diminuição dos gastos com o software e conseqüentemente os gastos para o usuário final;
• Conhecimento aprimorado da tecnologia, que já uma das mais utilizadas no mundo das telecomunicações;
• Melhoria nos serviços prestados atualmente;
• Criação e construção de novos serviços para futuras demandas;
• Expansão da tecnologia 3G para futuramente atender os usuários da tecnologia LTE.

Seguindo a mesma linha deste trabalho, existem algumas iniciativas no mundo. Uma delas é da Juniper, empresa lider no fornecimento de equipamentos e aplicações de redes, propõe uma solução open source denominada MobileNext para redes móveis 2G, 3G e LTE que pode ser usada num roteador proprietário para implementar serviços como Inspeção de pacotes, Otimização de vídeo, Balanceamento de carga, Firewall, NAT e tráfego. Esta facilidade fornecida pela Juniper para entender e aprofundar em elementos chaves do núcleo de rede móvel, disponibiliza um gateway com funções de uma GGSN, outro gateway com funções de uma SGSN e ainda uma solução de Policy Manager. Apesar destes benefícios, esta proposta está vinculada aos equipamentos da empresa fabricante. O ideal seria que não se vinculasse a um equipamento específico.

Avaliando este cenário se torna mais forte ainda a proposta de se construir uma estrutura que implemente as funções básicas de uma rede GSM e que possa evoluir posteriormente para atender a geração seguinte, 3G com um código aberto.

Introdução

A Telefonia Móvel é um dos serviços mais utilizados atualmente por uma série de fatores como aparelhos a preços acessíveis, mobilidade, inúmeras funções disponíveis e ainda ampla cobertura, podendo ser usado a nível global. A mobilidade, um dos fatores alavancadores da tecnologia só é possível graças à utilização da radiodifusão como meio físico de transmissão.

Nas primeiras implementações de sistemas de comunicação móvel, uma prática comum era tentar atingir grandes áreas de cobertura através de transmissores de alta potência. Essa tentativa era agravada pela limitação do número de usuários em função da alocação de uma frequência única para cada conexão. Posteriormente, surgiu o conceito de telefonia celular, que dividia em regiões denominadas células, as áreas a serem cobertas. Com a implementação do handover que permitia ao usuário se deslocar pelas células sem que o sinal caísse, essa proposta foi efetivamente adotada [1] [2].

Para criar condições de montar células que cobrissem áreas específicas foi instituída a figura da Estação Radio Base (ERB) que era a ligação entre uma central de comutação e o aparelho móvel. Entre o aparelho e a estação radiobase, o acesso era por radiodifusão e entre a estação radiobase e os demais elementos até a central, normalmente por interfaces físicas. Foi possível atender à crescente demanda de usuários simplesmente aumentando os canais disponíveis numa ERB para uma determinada região, tudo isso sem exigir muito da potência de transmissão. Com a possibilidade de reutilização das frequências em células não contíguas, tornou-se ainda mais eficiente o processo de atender as chamadas em larga escala.

Assim, a evolução das tecnologias de telefonia celular foi organizada em gerações com o objetivo de facilitar seu entendimento. A primeira geração, implementada a partir dos anos 80, tinha como característica marcante a transmissão analógica, atingia qualidades adequadas para chamadas de voz, porém era inviável para transmissão de dados. No início da década de 90, a segunda geração confirmou toda a expectativa da comunidade mundial num serviço eficiente de telefonia móvel, nesse momento, já utilizando o padrão digital permitia serviços confiáveis para voz e dados. Com a atuação maciça de pesquisadores, cientistas, engenheiros e demais profissionais, surgiram gerações intermediárias. Inicialmente criou-se a tecnologia Global System for Mobile (GSM), logo em seguida, aproveitando a infraestrutura do GSM surgiu a geração 2,5 também chamada General Packet Radio Service (GPRS) e 2,75 ou Enhanced Data rate for GSM Evolution (EDGE) com foco direcionado para o aumento da capacidade de transmissão de dados. A terceira geração (3G) consolidou definitivamente a aceitação global da telefonia celular como serviço adequado para os mais diversos fins, incluindo o acesso a internet. Neste momento, o mundo vive a fase de introdução da quarta geração que promete, principalmente taxas ainda maiores para as chamadas de dados.

Por volta de 1980, os grupos envolvidos na especificação do padrão GSM perceberam que não teriam tempo hábil para desenvolver as especificações necessárias para todos os serviços e facilidades que imaginaram anteriormente. Assim, foi decidido que o GSM seria desenvolvido em fases, sendo a primeira limitada a um conjunto de funcionalidades. Cada nova fase é montada com base nos serviços oferecidos pelas fases pré-existentes. Na primeira etapa foram incluídos os seguintes serviços: tráfego de voz, roaming internacional, serviços básicos de fax e dados (até 9,6 Kbps), direcionamento e barramento de chamadas, Short Message Service (SMS), cifragem e a adoção do SIM card.

A proposta deste projeto é implementar, por software, todas estas funções que permitem a operação real de um serviço de telefonia móvel usando a tecnologia GSM. Denominado como OpenBSC [6], projeto este que é uma extensão da proposta de colaboração implementada pelo grupo Osmocom, da Alemanha, objetiva incluir funcionalidades executadas pelos componentes descritos até agora: BSC, MSC, HLR, AuC, VLR e EIR. A parte de dados GPRS não será contemplada neste momento. Para atender a essa expectativa, espera-se evoluir a partir deste projeto para a rede 3G que demonstra ser mais interessante implantar a estrutura de chamadas de dados devido à maior capacidade de transmissão.

// A introdução deve conter mais parágrafos, para isso pode-se aproveitar trechos do tópico seguinte (GSM). No projeto que temos como exemplo, foram escritos 10 parágrafos na introdução e utilizou-se citações.

GSM // Acredito que essa parte deveria compor o desenvolvimento(Bruna)

Por volta de 1980, os grupos envolvidos na especificação do padrão GSM perceberam que não teriam tempo hábil para desenvolver as especificações necessárias para todos os serviços e facilidades que imaginaram anteriormente. Assim, foi decidido que o GSM seria desenvolvido em fases, sendo a primeira limitada a um conjunto de funcionalidades. Cada nova fase é montada com base nos serviços oferecidos pelas fases pré-existentes. Na primeira etapa foram incluídos os seguintes serviços: tráfego de voz, roaming internacional, serviços básicos de fax e dados (até 9,6 Kbps), direcionamento e barramento de chamadas, Short Message Service (SMS), cifragem e a adoção do SIM card. Uma rede de telefonia celular GSM é construída a partir de três elementos principais, como pode ser vista na Figura 1: o conjunto estação radiobase e controladora, a estação móvel e a central de comutação móvel [4].

Fig. 1. Estrutura de rede GSM.

As estações móveis mantêm um transceptor de voz e dados que se comunica com os rádios das estações radiobase em qualquer um dos canais alocados, referenciados como link direto e link reverso. O processo exige que mensagens de controle sejam trocadas entre a estação móvel e a estação radiobase, por exemplo, pedido do móvel para acessar um canal, resposta para o móvel identificar o canal alocado e mensagens da base para o móvel, para que este sintonize outro canal, quando num momento de handoff. As estações radiobase ou Base Transceiver Station (BTS), são elementos da rede GSM responsáveis pela comunicação entre a estação ou unidade móvel e o núcleo da rede. Sendo assim, as BTSs, juntamente com a Base Station Controller (BSC), constituem a rede de acesso até a central de comutação móvel. Uma BTS é constituída por uma estrutura física de torre e antenas que abrigam um transceiver, que transmite e recebe os sinais captados dos aparelhos móveis distribuídos na sua região de cobertura. Complementa um conjunto de microprocessadores que controlam, monitoram e supervisionam as chamadas entre os dispositivos móveis. A BTS também tem a responsabilidade de avaliar os níveis de sinal para verificar a necessidade de handoff [5]. Controlando diretamente as estações radiobase, encontra-se a BSC que se conecta à central de comutação móvel. Entre as várias funções da BSC, destacam-se o controle dos canais da BTS e da potência dos equipamentos, manipulação das conexões entre as estações móveis e supervisão dos enlaces entre as unidades móveis e a BTS. Centralizando todas as operações da rede, por possuir uma visão sobre todas as células, a Central de Comutação Móvel ou Mobile Switched Center (MSC) é a responsável pelo gerenciamento e controle das BSCs, suporte às tecnologias de acesso e às atividades de processamento de chamadas possuindo ainda a nobre missão de interoperar com a Rede de Telefonia Pública Comutada (RTPC). Vários outros elementos conectados à central auxiliam para que o serviço de telefonia móvel tenha resultados eficientes e úteis à população. Um deles, o Home Locator Register (HLR), uma base de dados sobre o usuário, armazena o perfil de serviço do assinante, a sua localização e outras informações essenciais que são complementadas por outra estrutura, o Visitor Locator Register (VLR) que controla o usuário em roaming ou fora de sua área de inscrição. Atentando para aspectos envolvendo aparelhos, existe uma base de dados denominada Equipment Identity Register (EIR) que faz o registro da identidade do equipamento referenciado pelo International Mobile Equipment Identity (IMEI) e que é utilizado para identificação e bloqueio dos aparelhos sem autorização. Também integrada à MSC, é essencial a figura da Central de Autenticação (Authentication Centre - AuC), responsável por validar o processo de autenticidade e criptografia já que mantém as chaves e algoritmos para esse fim. Todos estes elementos compõem o que denominamos de Rede GSM e executam o caminho de voz para atender universalmente ao serviço de chamadas telefônicas entre usuários de aparelhos móveis que desejam conversar entre si ou ainda com assinantes da telefonia fixa. De acordo com o descrito até aqui, estruturas como essa, que evoluíram por gerações são providas por sistemas de software de altíssimo nível e que exigem por parte dos fornecedores um time de engenheiros e outros tantos profissionais em alta quantidade. Se atrever a implantar, mesmo num conjunto mínimo, uma solução que atenda às funcionalidades básicas do serviço é uma tarefa que exige um enorme esforço e que pode ser possível com a colaboração de vários pesquisadores espalhados pelo mundo [6]. Toda esta complexidade tecnológica é agravada com o fato de que cresceu assustadoramente nos últimos anos a demanda por transmissão de dados, forçando as empresas com soluções tecnológicas a proverem estruturas que aumentam cada vez mais a velocidade de transferência dos dados. De valores iniciais na faixa de poucos kbits por segundo o requisito atualmente é de valores além dos Gbits por segundo. As incorporações na rede GSM foram implementadas com a denominada rede GPRS e exigiu a inserção de novos elementos de forma integrada. Um primeiro elemento neste novo contexto, mostrado na Figura 2, que pode ser comparado à camada física do modelo OSI (Open Systems Interconnection) é a Packet Control Unit (PCU). Ela é responsável por fazer o desvio das chamadas de dados para um caminho específico dentro da rede GSM/GPRS. Possui a responsabilidade de converter os dados trafegados para um formato que pode ser transmitido pela interface aérea e vice-versa. Também executa a gerência dos recursos de rádio e implementa as medições de Qualidade de Serviço (Quality of Service - QoS). Seguindo a rota interna na plataforma, a PCU é ligada a um elemento denominado de Serving GPRS Support Node (SGSN) que controla a conexão entre a rede e a estação móvel, possibilitando o controle da sessão e de funções de gerenciamento de mobilidade GPRS, como handovers e paging. Neste ponto também é feita a contagem do número de pacotes roteados. Complementando a rota, como segue na figura, o Gateway GPRS Support Node (GGSN) funciona como uma ponte entre a rede GPRS de origem e a rede de dados externa ou outras redes GPRS, fornecendo funções de gerência de autenticação e localização e de tarifação relativa ao consumo do assinante [7].

Fig. 2. Estrutura de rede GSM/GPRS.

A proposta deste projeto é implementar, por software, todas estas funções que permitem a operação real de um serviço de telefonia móvel usando a tecnologia GSM. Denominado como OpenBSC [6], projeto este que é uma extensão da proposta de colaboração implementada pelo grupo Osmocom, da Alemanha, objetiva incluir funcionalidades executadas pelos componentes descritos até agora: BSC, MSC, HLR, AuC, VLR e EIR. A parte de dados GPRS não será contemplada neste momento. Para atender a essa expectativa, espera-se evoluir a partir deste projeto para a rede 3G que demonstra ser mais interessante implantar a estrutura de chamadas de dados devido à maior capacidade de transmissão.

Itálico = texto simplesmente copiado do artigo, ainda sem a revisão do trecho anteriormente postado nesta parte do projeto

Por volta de 1980, os grupos envolvidos na especificação do padrão GSM perceberam que não teriam tempo hábil para desenvolver todas as especificações necessárias para todos os serviços e facilidades para que imaginaram anteriormente. Assim sendo, foi decidido que o GSM seria desenvolvido em fases, sendo a primeira fase limitada a um conjunto de serviços e facilidades. Cada nova fase é montada com base nos serviços oferecidos pelas fases pré-existentes. Na primeira fase foram incluído os seguintes serviços: tráfego de voz, roaming internacional, serviços básicos de fax e dados até 9,6 Kbps), direcionamento e barramento de chamadas, SMS (Short Message Service), cifragem e a adoção do SIM card.

Uma rede de telefonia celular GSM é construída a partir de tres elementos principais: o conjunto estação radiobase e controladora, a estação móvel e a Central de Comutação Móvel.

As estações móveis mantém um transceptor de voz e dados que se comunica com os rádios das estações radiobase em qualquer um dos canais alocados, referenciados como link direto e link reverso. O processo exige que mensagens de controle sejam trocadas entre a estação móvel e a estação radiobase, por exemplo, pedido do móvel para acessar um canal, resposta para o móvel identificar o canal alocado e mensagens da base para o móvel, para que este sintonize outro canal, quando num momento de handoff.

As estações radiobase ou BTSs, são elementos da rede GSM responsável pela comunicação entre a estação ou unidade móvel e o núcleo da rede. Sendo assim, as BTSs, juntamente com as BSCs (Base Station Controller), constituem a rede de acesso até a central de comutação móvel. Uma BTS é constituída por uma estrutura física de torre e antenas que abrigam um transceiver, que transmite e recebe os sinais captados dos aparelhos móveis distribuídos na sua região de cobertura e um conjunto de microprocessadores que controlam, monitoram e supervisionam as chamadas entre os dispositivos móveis. A BTSs também tem a responsabilidade de avaliar os níveis de sinal para verificar a necessidade de handoff.

Controlando diretamente as estações radiobase, temos a BSC que se conecta com a central de comutação móvel. Entre as várias funções da BSC, destaca-se o controle dos canais da BTS e da potência dos equipamentos, manipulação das conexões entre as estações móveis e supervisão dos enlaces entre as unidades móveis e a BTS.

Centralizando todas as operações da rede por possuir uma visão sobre todas as células, a Central de Comutação Móvel ou MSC - Mobile Switched Center, é a responsável pelo gerenciamento e controle das BTSs, suporte às tecnologias de acesso e às atividades de processamento de chamadas e ainda com a nobre missão de interoperar com a RTPC (Rede de Telefonia Pública Comutada).

Inserir uma figura (bonitinha) que tenha: EM, BTS, BSC, MSC, HLR, VLR, AUC e EIR.

Figura 1 - Fonte: Fares, Alex. UTRAN - Signaling and protocols

Vários outros elementos conectados à Central auxiliam para que o serviço de telefonia móvel tenha resultados eficientes e úteis a população. Um deles, o Home Locator Register (HLR), na realidade, uma base de dados sobre o usuário, armazena o perfil de serviço do assinante, a sua localização e outras informações essenciais que são complementadas por outra estrutura, a do Visitor Locator Register (VLR) quando o usuário estiver em roaming, ou fora de sua área de inscrição.

Atentando para aspectos envolvendo aparelhos, existe uma base de dados denominada Equipment Identity Register (EIR) que faz o registro da identidade do equipamento, armazenando os IMEIs (International Mobile Equipment Identity) que é utilizado para identificação e bloqueio dos aparelhos sem autorização. Também integrada à MSC, é essencial a figura da AuC ou Central de Autenticação, responsável por validar o processo de autenticidade e criptografia por ter posse das chaves e algoritmos para esse fim.

Todos estes elementos compoem o que denominamos de Rede GSM e executam o caminho de voz para atender universalmente ao serviço de chamadas telefônicas entre usuários de aparelhos móveis que desejam conversar entre si ou ainda com assinantes da telefonia fixa. De acordo com o descrito até aqui, estruturas como essa, que evoluiram por gerações são providas por sistemas de software de altíssimo nível e que exigem por parte dos fornecedores um time de engenheiros e outros tantos profissionais em alta quantidade. Se atrever a implantar, mesmo num conjunto mínimo, uma solução que atenda às funcionalidades básicas de um serviço envolvendo chamadas telefônicas de voz para aparelhos móveis é uma tarefa que exige um esforço absurdo e que pode ser possível com a colaboração de vários pesquisadores espalhados pelo mundo.

Toda esta complexidade tecnológica é agravada com o fato de que cresceu assustadoramente nos últimos a demanda por transmissão de dados, forçando as empresas com soluções tecnológicas a proverem estruturas que aumentam cada vez mais a capacidade de transmissão. De valores iniciais na faixa de poucos kilo bits por segundo estamos atualmente requisitando valores na faixa de giba bits por segundo. As incorporações na rede GSM foram implementadas com o que chamamos de Rede GPRS (General Packet Radio Service) e exigiu a inserção de novos elementos de forma integrada.

Um primeiro elemento neste novo contexto, que pode ser comparado à camada física do modelo OSI é a Packet Control Unit (PCU), responsável por fazer o desvio das chamadas de dados para um caminho específico dentro da rede GSM/GPRS. Possui a responsabilidade de converter os dados trafegados para um formato que pode ser transmitido pela interface aérea e vice-versa. Também executa a gerência dos recursos de rádio e implementa as medições de QoS - Qualidade de Serviço. Seguindo a rota interna na plataforma, a PCU é ligada a um elemento denominado de SGSN (Serving GPRS Support Node) que controla a conexão entre a rede e a estação móvel, possibilitando a gerência da sessão e funções de gerenciamento de mobilidade GPRS, como handovers e paging. Neste ponto também é feita a contagem do número de pacotes roteados. Complementando a rota, temos a figura do GGSN (Gateway GPRS Support Node) que funciona como um gateway entre a rede GPRS de origem e a rede de dados externa ou outras redes GPRS, fornecendo funções de gerência de autenticação e localização e de tarifação relativa ao consumo do assinante.

Inserir uma figura (bonitinha) que adicione à figura anterior, uma PCU, uma  SGSN e uma GGSN.

Figura 2 - Fonte: Fares, Alex. UTRAN - Signaling and protocols

A proposta deste projeto é implementar todas estas funções por software para um mínimo de funcionalidades que permita a operação real de um serviço de telefonia móvel usando a tecnologia GSM. Denominando como OpenBSC, é uma extensão do projeto de colaboração implementado pelo grupo Osmocom e objetiva incluir funcionalidades executadas pelos componentes descritos até agora: BSC, MSC, HLR, AuC, VLR e EIR. A parte de dados GPRS não seria comtemplada neste momento. Para atender a essa expectativa, espera-se evoluir a partir deste projeto para a rede 3G onde verifica mais interesse em implantar a estrutura de chamadas de dados pela maior capacidade de transmissão.

Desenvolvimento

O desenvolvimento deste projeto é baseado na solução iniciada pelos pesquisadores da Osmocom, um grupo cooperativo que disponibiliza uma base de software que pode ser utilizada para pesquisa e colaboração por universidades e empresas no mundo inteiro. A solução provida por este grupo permite a implementação deste ambiente e sugere alguns equipamentos que podem ser utilizados para tal fim.

A intenção é montar uma pequena rede para utilização acadêmica com os serviços comuns de telefonia móvel e num futuro, possivelmente substituir as soluções de software proprietárias comercializadas a altíssimos preços pelos grandes fabricantes. Como exemplo podem ser citados, os drivers para os periféricos da rede GSM analógica e digital e a pilha de protocolos GSM, da camada 1 até a camada 3.

Efetivamente, usando um telefone compatível, o sistema desenvolvido permitirá fazer e receber chamadas telefônicas, enviar e receber SMS. O foco do projeto está em desenvolver uma BSC, no lado do protocolo A-bis que permite a conexão da BTS com a BSC. Foi utilizada a especificação técnica GSM 88.5x e 12.21. Ela implementa um subconjunto mínimo da BSC, MSC e HLR.

A figura colocada na introdução deve mostrar as interfaces A-bis, A e B.

O projeto pretende como resultado fornecer uma base para pesquisa e experimentação da uma rede GSM permitindo desta maneira um aprendizado profundo sobre a rede GSM em baixo nível mas operando equipamentos convencionais. Dessa forma, não se pretende, num primeiro momento, construir uma estrutura confiável e estável envolvendo uma MSC e BSC, já que uma rede comercial possui um alto nível de disponibilidade. Efetivamente, não se contemplará todos os detalhes de uma especificação GSM. Em contrapartida, levará até o pesquisador da área, um ambiente acessivel para estudo, avaliação e desenvolvimento de novas funcionalidades, como por exemplo, desafios envolvendo segurança.

A solução OpenBSC foi quase que completamente numa linguagem portável mas existe uma parte não-portável: o driver de entrada que exige um kernel Linux com suporte a mISDN e um cartão de interface E1 compatível com mISDN. Vinculado a isto precisaremos ter uma BTS baseada em E1. Alguns equipamentos poderão ser adquiridos para testar a rede já que ela terá interfaces para os produtos do mercado. Um exemplo de estação radiobase que já foi testada e compatibiliza com a solução é uma microBTS Siemens ou uma nanoBTS.

Existem dois modos de configuração previstos para a solução Open BSC. O primeiro deles, é uma solução unificada, onde as funcionalidades de uma BSC são concentradas num único módulo juntamente com as funções de outros elementos da rede como MSC, HLR, VLR, etc. Esta implementaçao é muito diferente de uma rede clássica GSM na qual a BSC é apenas um dentre os vários elemento da rede. Já a BTS é um elemento necessário para ser conectado à solução OpenBSC que conterá os demais elementos integrados. Dessa forma, teremos a solução OpenBSC podendo ser conectada às BTSs utilizando a interface Abis via conexão E1 ou IP. Para implementar as funções previstas, deverá ser usado o programa osmocom-nitb, disponibilizado pelo grupo de pesquisa.

O segundo modo de configuração é o chamada only BSC que requer que tenhamos os outros elementos da rede como os descritos anteriormente. Este modo está previsto para ser implementado numa parceria com uma operadora que abra sua infraestrutura para integração com essa solução. Nesse caso, utilizaremos o programa osmoBSC.

O roadmap de implantação desta solução envolve algumas atividades específicas. A primeira delas é a inicialização da BTS onde estará preparada para assumir o controle do uso e da integridade dos recursos de rádio. A partir daí, a BSC terá condições de alocar os canais e atribui-los aos dispositivos demandantes da chamada.

Para prover os recursos de cadastro e perfil de serviço, a solução provê uma HLR bem simples numa base de dados SQL. A partir de uma autenticação não segura, os usuários do sistema poderão ser liberados para usar o serviço de chamadas telefônicas com verificação do IMEI e do IMSI, a partir das informações recebidas do SIM card. Os critérios de autenticação envolverão chaves baseadas no algoritmo COMP128v1 usado pela maioria das concessionárias apesar de haver métodos mais complicados e que dificultam uma clonagem, isso se o SIM Card tiver uma chave Ki conhecida. Apesar de ser divulgado que alguns pesquisadores já conseguiram clonar aparelhos GSM utilizando engenharia reversa neste algoritmo, este servirá para nossas experiências acadêmicas.

A transmissão de pacotes com o nome da operadora e definições de zona e horário local também é contemplada no OpenBSC e ainda mantém registro de atualização da área de localização dos último local que o aparelho móvel percorreu. Já a questão do handover é possível apenas entre múltiplas células de uma mesma BSC.

O serviço SMS (Short Message Service) também pode ser disponbilizado na solução OpenBSC. Ele mantém um esquema de "store and forward" para o envio e recepção de mensagens curtas incluindo roteamento entre os assinantes. Será implementado a opção de enviar mensagens pela linha de comando e também por meio de aplicações externas a partir da gravação em tabelas SQL.

A função de chamada de voz, ainda o serviço principal do serviço de telefonia móvel GSM será liberado para os usuários dessa solução tanto para chamadas originadas (MO - Mobile Originated) como para chamadas terminadas (MT - Mobile Terminated). Os codificadores de voz utilizados são: EFR - Enhanced Full Rate trabalhando com taxas de 12.2 Kbit/s e o FR - Full Rate nas taxas de 13 Kbit/s. Já o esquema de compressão de áudio aprovado pelo 3GPP, AMR - Adaptative Multi Rate é oferecido apenas para a segunda versão, BSC only e tem a grande vantagem de também ser utilizado nas redes UMTS.

Atendendo às atuais demandas, o serviço de transmissão de dados pode ser usufruido nas tecnologias GPRS (General Packet Radio Service) e EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). A solução OpenBSC permitirá configurar uma nanoBTS para estas duas tecnologias e poderá interoperar com uma SGSN via interface Gb. O desenvolvimento deste projeto prevê cooperar na construção do versão beta do módulo OsmoSGSN.

Todas estas funções descritas, atestam que uma rede móvel com uma boa parte do serviços disponíveis pode ser implementada a partir de uma versão básica disponibilizada pelo grupo de pesquisa Osmocom e seguindo alguns procedimentos de instalaçã, configuração, avaliação e adaptação tem-se como resultado uma aplicação que representa todo a estrutura de uma controladora de estação radiobase que estará interoperando com uma BTS e que poderá unificar ou não os outros elementos de rede.

Com essa solução adaptada aos elementos externos implementados pela nossa equipe de pesquisadores, poderão ser simulados, estudados e avaliados a maioria das funções utilizadas a nível comercial para a telefonia celular GSM e a partir daí permitir a criação de novos serviços ou a migração para uma rede de nova geração.

Metodologia

Primeiramente é necessário o estudo detalhado dos elementos de rede GSM, como: BSC, BTs, MSC, banco de dados, protocolos, entre outros elementos. Para que esse estudo seja implementado no grupo, semanalmente, é feito o alinhamento dos conhecimentos adquiridos. Além disso, exames também foi realizados para avaliar os componentes em relação um ao outro, sendo analisado as dificuldades e as falhas no grupo. Outro passo é pesquisar as soluções já existente com o mesmo objetivo proposto pelo grupo, pois o método de colaboração aplica-se nesse momento. Isso deve-se ao fato do grupo utilizar os recursos open-source, mas não de apenas utilizar o que está pronto, acrescentando melhorias e experiências para o que já existe. Para a implementação da rede GSM com uso de serviços apenas open-source será necessário a compreensão e adaptação ao código da já existente solução OpenBSC, do grupo Osmocom. Solução essa encontrada que mais se aproxima com a ideia do projeto. Como a realidade trabalhada é diferente da solução encontrada, então será necessário fazer a adaptação do código. Para isso, o projeto necessita que baixe o código da Osmocom. Consequentemente será possível estudar o código para encontrar futuros problemas. Depois é possível fazer as adaptações necessárias. A princípio será utilizado a solução unificada, no qual todas a funcionalidades de uma BSC é concentrada em um módulo de simulação. Então o código da Osmocom será adaptado a BSC adquirida e todas as funcionalidades previstas no código serão centralizados num único módulo. Com o código já adaptado é preciso testá-lo. Para isso, será utilizado uma BTs para os teste, no qual a BSC e a MSC serão elementos virtuais na estrutura, conseguindo atingir o primeiro objetivo da solução unificada, depois de solucionar todos os erros encontrados nesta fase de teste. Por último será acrescentado outras funções nessa rede GSM montada, como os bancos de dados. Mas esta etapa será trabalhada apenas se todas as anteriores já forem concluídas sem erros e com todas dificuldades já superadas.

Conclusão

Com a ampla aceitação e expansão dos serviços de telefonia móvel, onde a tecnologia GSM conseguiu efetivamente alavancar este negócio, pesquisadores do mundo inteiro se preocuparam em melhorar cada vez mais, as técnicas e aplicações para prover o melhor serviço para a sociedade. Apesar do GSM trazer uma documentação aberta com fácil acesso, a implementação das novas pesquisas ainda dependem de facilidades junto às operadoras que mantém toda a infraestrutura da rede. O acesso a controladoras, estações radiobases e centrais era inacessível principalmente pelo caráter de segurança necessário a este negócio.

Implementar e disponibilizar uma rede que permita fácil manipulação e acesso a pesquisadores, estudantes e professores passou a ser uma possibilidade quase remota. Este projeto com essa proposta pode tornar realidade uma antiga necessidade que além de facilitar o aprendizado dos envolvidos nas tecnologias de comunicação móvel permita que se crie novas aplicações envolvendo os desafios atuais e ainda que se evolua para rede de nova geração como 3G e LTE.

As escolas, com essa estrutura similar ao utilizado pelas empresas que prestam serviço de telefonia móvel poderão acelerar e ajudar na evolução da tecnologia que tem sido fundamental para o crescimento dos países em geral.

Cronograma e Plano de trabalho

• 1º Semestre
  • 1 - Visão geral da arquitetura de uma rede GSM/3G
  • 2 - Estudo detalhado dos componentes e do funcionamento de uma rede GSM/3G
  • 3 - Visita a uma estrutura de rede GSM/3G
  • 4 - Estudo do Modelo OSI
  • 5 - Estudo aprofundado da BSC
  • 6 - Apresentação à GGSN e à SGSN
  • 7 - Instalação de ambiente para disponibilizar o conteúdo adquirido
  • 8 - Pesquisa de soluções open source que substituem as soluções pagas

• 2º Semestre
  • 1 - Apresentação ao software Wireshark para análise de rede
  • 2 - Avaliação do conteúdo estudado
  • 3 - Estudo do Projeto OpenBSC
  • 4 - Estudo dos códigos disponibilizados pelo projeto OpenBSC
  • 5 - Visita ao Centro de Pesquisa e Desenvolvimento de Campinas (CPqD)
  • 6 - Análise de BTS's disponíveis no mercado