GSM (Global System for Mobile Communications)

Telefonía móvil. Sistemas de comunicación inalámbricos. Frecuencias. Posición Base. Centro de gestión de Red. Telecomunicaciones

  • Enviado por: Negro
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 86 páginas
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INDICE

Pág.

Introducción Teórica................................................................................... 3.

Capítulo I.

  • Descripciones del Sistema de Comunicación Móvil............................... 15.

  • La Reutilización de Frecuencias............................................................. 18.

  • El Sistema de Celdas............................................................................... 19.

  • Características del sistema...................................................................... 23.

Capítulo II.

  • Estructura del sistema GSM.................................................................... 45.

  • Arquitectura funcional del sistema GSM................................................ 48.

  • Elementos de un sistema GSM................................................................ 49.

  • Sistemas de estación Base....................................................................... 55.

  • Centro de comunicación móvil................................................................ 62.

  • Unidad de interfuncionamiento (UI)........................................................ 63.

  • Registro de posición Base (HLR)............................................................ 64.

  • Centro de autentificación (AUC).............................................................65.

  • Registro de Identificación de equipos (EIR)........................................... 67.

  • Centro de operación y Mantenimiento.................................................... 68.

  • Centro de Gestión de Red (NMC)........................................................... 69.

  • Enlaces de voz......................................................................................... 69.

Capítulo III.

  • Estructura física del sistema GSM.......................................................... 71.

  • Sistema GSM de Ericsson........................................................................ 71.

  • Sistema GSM de Motorola....................................................................... 75.

Capítulo IV.

  • Conclusiones y Propiedades del Sistema................................................. 78.

Bibliografía....................................................................................................85.

OBJETIVOS

El presente trabajo, tiene por objeto, mostrar las etapas de funcionamiento del sistema de telecomunicaciones GSM, así también como el funcionamiento de dichas etapas.

Mostrando sus características, y su gran versatilidad vista, redundando, en una mayor cantidad de garantías y privilegios para sus usuarios.

Se intentará, además explicar las diferencias existentes, entre el sistema análogo de telefonía celular, y el sistema digital, mencionando para ello todas las ventajas que posee el sistema GSM, por sobre el anterior sistema de telefonía celular.

INTRODUCCION TEÓRICA

Las comunicaciones celulares, tan de moda últimamente, tienen un funcionamiento parecido al de las llamadas telefónicas convencionales.

Las llamadas se hacen a través de las MTSO (Mobile Telecommunications Switching Office). Las MTSO manejan todas las llamadas desde y para celulares y además, manejan la tarificación. Son parecidas a nuestras centrales telefónicas convencionales.

Una llamada proveniente de la MTSO es enviada a una célula y de cada célula, la señal viaja hasta el teléfono celular.

Estas células, son repetidoras que cubren la superficie de un área.

Cuando nos movemos por esta área, la señal de nuestro teléfono, es manejada por esta célula que la pasa a la MTSO desde donde accede a la red telefónica normal. Cuando nos aproximamos al borde del área de cobertura de una célula, la señal pasa inmediatamente a otra célula donde la llamada continua sin interrupción.

Esto se denomina Cellular Hand-Off.

Las comunicaciones celulares, se reparten entre muchas células, de forma que parece una gran colmena de abejas.

La mayoría de las células están situadas en las áreas en que son necesitadas, por eso vemos tantas células en las orillas de las carreteras. Cada célula tiene su propio transmisor receptor que la conecta con la red telefónica local. Cuando la llamada viaja de una célula al MTSO, la información del celular (número de abonado, frecuencia, numero de serie electrónico etc...) pasa unida a la transmisión telefónica para de esta forma arificar la llamada.

Conociendo la posición geográfica de la célula, se puede llegar a descubrir la posición de un móvil que esté activo. Esto es importante, pues se puede localizar a una persona cuando realiza una llamada.

Los teléfonos celulares son realmente computadores, terminales de red, unidos por una gran red celular.

Al ser computadoras, obviamente los teléfonos celulares también son programables. Esto, en la mente de un hacker significa que no hay razón para limitar un teléfono móvil a las "pobres" funciones que su fabricante le ha dado. También significa, que un teléfono móvil, puede ser Hackeado.

Para hackear un movil, se necesita acceder a una zona de su memoria, la cual contiene el soft que los técnicos metieron allí para posteriormente poder reprogramar el móvil.. Esta zona suele estar escondida tras un password como en los OKI 900.

Para localizar este password no hace falta tratar con la más sofisticada ingeniería social, simplemente se puede encargar el Manual Técnico y estudiarle detenidamente. He dicho Manual Técnico, no Manual del Usuario, tenerlo en cuenta.

Algunos teléfonos móviles contienen un modo secreto que les convierten en un poderoso scanner celular.

Usando desensambladores, se pueden sacar del soft del teléfono, incluso 90 comandos secretos para controlar el celular.

Normalmente, también se puede controlar el teléfono con un ordenador personal, ya que los fabricantes suelen incluir un interface que haga esto más fácil para resolver posibles averias dentro de los teléfonos.

Sigamos con el OKI900. Este celular tiene una ROM de 64-Kbytes en la cual almacena su soft y que tiene cerca de 20 kbytes libres. Todo este espacio se puede llenar de nuevos programas

Esto que viene ahora, puede ser pura ciencia ficción. Pero imaginen un programa en estos 20kbs.

Imaginemos un programa que se pudiera transmitir junto con la información del celular, a la célula.

Imaginemos un programa con algunos comandos que pudieran influir en esa célula, o quizás en el teléfono receptor (siempre que fuera otro celular). Tan solo imaginemos las posibilidades. Quizás sólo sea ciencia ficción.

HISTORIA, DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO

Hasta ahora, los radioaficionados, y cualquier persona que se comprara un escáner podía escuchar los TMA (Teléfono Móvil Analógico) sin ningún problema.

Ahora con la entrada del GSM, eso ha pasado a la historia, ya que es prácticamente indetectable (por lo menos por ahora). Vamos, con los capítulos siguientes a explicar, o a intentar explicar, qué es el GSM, su estructura y en lo que se pueda su funcionamiento, aunque avanzo desde ahora, que es bastante complicado, pero creo que, como tema relacionado con nuestra afición puede ser de interés, o por lo menos para conocer algo nuevo.

UN POCO DE HISTORIA DEL GSM

La historia la podemos situar cuando en 1982 la Conferencia de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones de España, (CEPT) tomó dos decisiones.

La primera fue, establecer un equipo con el nombre de -Groupe Special Mobile- de aquí viene la abreviatura GSM, que desarrollaría un conjunto de estándares para una futura red celular de comunicaciones móviles de ámbito pan-europeo.

La segunda fue recomendar la reserva de dos subbandas de frecuencias próximas a 900 Mhz para este sistema. Estas decisiones fueron tomadas para tratar de solventar los problemas que habían creado el desarrollo descoordinado de sistemas móviles celulares individualmente en los diferentes países de la CEPT y que eran incompatibles.

Dos de estos problemas eran, el no poder disponer de un mismo terminal al pasar de un país al otro y el otro el no disponer de un mercado propio suficientemente extenso que dificulta una industria europea de sistemas móviles competitiva a nivel mundial.

En 1984 empieza a surgir otro factor adicional, los sistemas celulares de la primera generación, y en particular en los países del norte de Europa, experimentan una aceptación y penetración en el mercado extraordinariamente superior a la prevista.

En 1986 las cifras indicaban la saturación de la capacidad de estos sistemas para principio de la década de los 90. Ante esto surgió la tentación de utilizar parte de las subbandas de frecuencias destinadas al GSM como ampliación de las usadas por los sistemas móviles celulares de primera generación. (sistema 900)

En consecuencia la Comisión de las Comunidades Europeas emitió una Directiva en la que reservaban dos subbandas de frecuencias en la banda de 900 Mhz, para el sistema pan-europeo, que empezaría a funcionar en 1991, pero más pequeñas que las recomendadas por la CEPT. Asimismo contemplaba que las frecuencias en estas sub-bandas que estuvieran siendo utilizadas por sistemas móviles celulares de la primera generación (analógicos), deberían abandonarlas en los próximos diez años (o sea hasta el 2001), que es la vida que les queda a los TMA (analógicos).

Mientras tanto los miembros del GSM realizaban excelentes progresos en el desarrollo y acuerdo de estándares.

Se adoptó la decisión de que el sistema sería digital, en lugar de analógico lo que redundaría en mejorar la eficiencia espectral, mejor calidad de transmisión, posibilidades de nuevos servicios y otras mejoras como la seguridad.

También permitiría la utilización de tecnología VLSI, pudiendo fabricar terminales móviles más pequeños y baratos, y en definitiva el uso de un sistema digital complementaría el desarrollo de la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI) con la que GSM deber tener un interface.

Se siguieron haciendo progresos y el 7 de septiembre de 1987 trece operadores de red europeos formaron un MoU (Memorandun of Understanding) para continuar con el proyecto y lanzarlo el 1 de julio de 1991.

Esto fue seguido con la invitación simultanea hecha el 29 de febrero de 1988 a todos los operadores de red involucrados en el sistema.

Pronto se dieron cuenta de que había más problemas de los previstos. Por lo que se acordó que se efectuaría el desarrollo de la especificación en dos fases. Además la implantación en términos geográficos se vislumbró que debía realizarse en fases, empezando por ciudades importantes y aeropuertos y se seguiría con autopistas, calculando que se tardarían años en lograr un servicio completo a todo Europa.

En 1988 se inició una intensa actividad en pruebas de validación particularmente en relación con el interface radioeléctrico.

Como resultado se ajustaron ligeramente las especificaciones GSM y se pudo comprobar que el sistema funcionaría.

No se alcanzó la fecha acordada de 1 de julio de 1991 para el lanzamiento comercial del sistema GSM. A ello contribuyeron el retraso del desarrollo y acuerdo de pruebas de certificación, la necesidad de modificar algunas especificaciones GSM ya que la complejidad técnica del desarrollo de terminales portátiles se tardó en resolver más de lo previsto. Fue en junio de 1992 cuando aparecieron los portátiles de mano.

El servicio comercial del sistema GSM llegó en 1992, si bien el tamaño de las áreas de cobertura y el número de usuarios era bastante dispar. Las redes que estaban funcionando se basaban en las especificaciones de la fase 1 y no todos los servicios contemplados en la fase 1 estaban disponibles.

A finales de 1993 el número de operadores que habían firmado el MoU había aumentado de trece a cuarenta y cinco, entre los que estaban la mayor parte del mundo excepto América del Norte y Japón.

Treinta redes GSM estaban en servicio con cerca de un millón de abonados en todo el mundo.

A finales del 1994 el número de miembros del MoU había crecido a 102 operadores de red y Administraciones reguladores de Telecomunicaciones de 60 países.

El mercado de redes y equipamientos GSM se ha extendido más allá de las fronteras de Europa occidental. Europa del Este, la Commomwealth, Oriente, Asia, Africa y Oceanía son áreas donde existen sistemas GSM operativos. Actualmente la mayor parte de los firmantes del MoU no pertenecen a países europeos. Esta amplitud del mercado es la razón por la que las siglas GSM han tomado otra acepción -Global System for Mobile comunications- que es diferente de la original de 1982.

Cap. I.

DESCRIPSIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MOVILES

La utilización de las ondas radioeléctricas se reveló desde hace mucho tiempo como el único medio eficaz de establecer comunicaciones con puntos móviles, y lo seguirá siendo durante mucho tiempo, ya que las ondas de radio gozan de la propiedad de salvar obstáculos, y el resto de las interacciones conocidas por la física actual no pueden propagarse a grandes distancias.

Desgraciadamente el espectro radioeléctrico es un recurso limitado cuya utilización racional solo ha sido posible mediante reglamentación muy estricta que permite la optimización de la asignación de frecuencias.

Los primeros sistemas diseñados en los años 20 para uso de la policía en EE.UU asignaban a cada vehículo un canal de radio permanente que quedaba totalmente inactivo durante los silencios del vehículo correspondiente.

Tal despilfarro de recursos fue posible porque la única ocupación del espectro, en aquellos tiempos era la que hacían las emisoras de radiodifusión.

En los años 60, con la proliferación de las cadenas de radio, televisión, el uso cada vez más frecuente de los radioenlaces de microondas, los enlaces de satélite etc. la ocupación del espectro preocupaba ya de tal manera, que la telefonía móvil se vio obligada a evolucionar hacia sistemas basados fundamentalmente en un aprovechamiento mejor del espectro disponible.

El primer avance significativo fue la introducción del trunking automático. El sistema trunking consiste en la asignación de un canal libre existente dentro de un conjunto de canales disponibles, y que se mantiene solamente durante el tiempo que el canal esté siendo utilizado en la conversación, pasando al estado de disponible para otro usuario cuando haya terminado la conversación que se desarrollaba a través de él. De este modo el número de canales que hay que instalar y que ocuparán el espectro se reduce notablemente.

Cuando el sistema gana inteligencia y la asignación de canal se realiza de manera automática, sin la intervención de un operador humano, nos encontramos con el trunking automático.

El paso siguiente en el aprovechamiento del espectro radioeléctrico es el concepto celular, propuesto por la "Bell South" a principios de los años setenta.

LA REUTILIZACION DE FRECUENCIAS

La idea fundamental en que se basan los sistemas móviles celulares es la reutilización de los canales mediante la división del terreno en celdas continuas que se iluminan desde una estación base con unos determinados canales.

La reutilización de frecuencias no es posible en células contiguas, pero sí en otras más alejadas. El número de veces que un canal puede ser reutilizado es mayor cuanto más pequeñas sean las células. La red celular se compone así de un conjunto de estaciones base desplegadas por el territorio a cubrir por el servicio y que están conectadas entre sí o con centro de conmutación con acceso a la red telefónica pública, a la RDSI o a otra red celular móvil.

La estación base que recibe al móvil con un mayor nivel de potencia es la que queda asignada al mismo.

Si por la movilidad del terminal, otra estación base recibe la señal procedente de la estación móvil con un nivel de potencia superior a 3 decibeles al que este recibiendo la estación que lo está controlando se produce la conmutación del canal y de la estación base a la que está conectada el terminal móvil. Este procedimiento se llama "Handover" DE POTENCIA.

Asimismo existe un handover de calidad que se realiza de manera similar al anterior pero que en vez de considerar el nivel de señal para decidir sobre la conmutación de la estación base a la que está conectado un terminal móvil considera la calidad de la señal radioeléctrica.

EL SISTEMA DE CELDAS

Existe una profusa literatura que dice que las celdas de estos sistemas son hexágonos puros regulares, formando retículas que se agregan unas a otras sin limitación.

{GSM}

La realidad es otra, el objetivo de un sistema celular es reutilizar canales, pero al estar estos canales asociados a estaciones base, lo que se hace es repetir estaciones base. Se dice que una estación se repite cuando tiene la misma tabla de frecuencias que otra determinada.

Interesa determinar cuantas estaciones como mínimo se necesitan para cubrir una superficie determinada.

Pues bien, con tres tipos de estaciones base se puede conseguir ese objetivo sin que queden enfrentadas dos estaciones del mismo tipo, es decir que tengan un mismo grupo de frecuencias.

En condiciones teóricas de terreno llano, las estaciones formarían retículos formando triángulos equiláteros, no obstante la teoría sobre celdas perfectamente hexagonales no se da en la realidad. Las bases se despliegan de forma irregular según el terreno, buscando un mínimo de zonas de sombra. El problema de la red está en determinar la ubicación idónea de las estaciones base para conseguir una mayor cobertura y minimizar las zonas de sombra.

Lo habitual de las estaciones base es que tengan un diagrama de radiación omnidireccional, es decir, que transmitan en todas las direcciones con la misma potencia y frecuencias. Si bien y para el mejor aprovechamiento del espectro y de la potencia radiada por las antenas, se puede sectorizar la radiación concentrando la potencia hacia un determinado sector. Se trata así de aprovechar la potencia enviada al móvil, dado que éste solo puede estar en un lugar determinado y la potencia enviada en otras direcciones

se perdería inútilmente.

Con este sistema se obtiene un más eficiente uso del espectro en zonas de alta densidad de equipos móviles.

En este caso la idea es que cada base alimente a tres antenas que radían cada una para un determinado sector en principio de 120°.

Este es el caso más común de sectorización, si bien se utilizan además, otras configuraciones.

El diagrama de radiación de estas antenas, al no ser uniforme, siendo más intensa en la bisectriz del sector y diminuyendo en los extremos.

En la práctica en zonas muy congestionadas por la demanda de comunicaciones móviles los sectores de 120° no son operativos.

Normalmente se instalan seis antenas en cada estación base que suponen seis sectores de 60° cada uno en cuyo centro está la estación base de modo que si un móvil sale de un sector y entra en otro que pertenece a la misma estación no se produce -handover- concebido éste como cambio de la estación base a la que esta conectado un equipo móvil, sino que cambia de asignación de antena.

CARACTERISTICAS DEL SISTEMA

El sistema GSM permite la conexión con la red conmutada (Telefónica) y con la RDSI (Red de servicios integrados) y permite ofrecer al usuario telefonía, transmisión de datos (hasta 9.600 bit/s), facsímil del grupo III, conexión a sistemas de correo electrónico (X-400) y envío de mensajes cortos (alfanuméricos) que permite tanto su envío como su recepción desde un terminal móvil, leyéndolos en este último caso en el visor correspondiente.

Soporta igualmente otras prestaciones adicionales, como son, desvío de llamada, restricciones de llamadas entrantes o salientes, conferencias a tres, llamada en espera y otras más.

El terminal a su vez, ofrece prestaciones adicionales como marcación abreviada, repetición del último número marcado, bloqueo del terminal, etc.

El tema de la seguridad ofrece en este servicio novedades importantes respecto a los actuales (TMA), el uso de tarjeta de usuario para la autentificación de la validez de la llamada; encriptado, que facilita una confidencialidad total (voz, datos e identidad del abonado) e imposibilidad de utilización de equipos robados mediante la asignación previa de un número de serie a cada estación móvil.

En su componente radio se utiliza la banda de frecuencias de 900 Mhz con el método TDMA (Acceso por multiplexación en el tiempo), que proporciona ocho canales telefónicos en una misma portadora y una codificación de voz a 13 Kbps, destinándose un octavo de tiempo a cada canal. Esta prevista para un futuro una codificación de voz a velocidad mitad, lo que permitiría la utilización de 16 canales por portadora.

Acceso a Sistemas Truncados

Vamos a ver varias formas de acceso a la interfaz de radio de una forma intuitiva.

Si el número de canales disponibles para todos los usuarios de un sistema de radio es menor que el número de posibles usuarios, entonces a ese sistema se le llama sistema de radio truncado. El truncamiento es el proceso por el cual los usuarios participan de un determinado número de canales de forma ordenada. Los canales compartidos funcionan debido a que podemos estar seguros que la probabilidad de que todo el mundo quiera un canal al mismo tiempo es muy baja. Un sistema de telefonía celular como GSM es un sistema de radio truncado, porque hay menos canales que abonados que posiblemente quieran usar el sistema al mismo tiempo. El acceso se garantiza dividiendo el sistema en uno o más de sus dominios: frecuencia, tiempo, espacio o codificación.

Acceso Múltiple por División en Frecuencia (FDMA)

FDMA ("Frecuency Division Multiple Access") es la manera más común de acceso truncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canales ordenados en el dominio de la frecuencia. Los canales de frecuencia son muy preciados, y son asignados a los sistemas por los cuerpos reguladores de los gobiernos de acuerdo con las necesidades comunes de la sociedad. Cuando hay más usuarios que el suministro de canales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantas más frecuencias se disponen, hay más usuarios, y esto significa que tiene que pasar más señalización a través del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentemente tienen más de un canal de control para manejar todas las tareas de control de acceso. Una característica importante de los sistemas FDMA es que una vez que se asigna una frecuencia a un usuario, ésta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que éste no necesite el recurso.

Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA)

TDMA ("Time Division Multiple Access") es común en los sistemas de telefonía fija. Las últimas tecnologías en los sistemas de radio son la codificación de la voz y la compresión de datos, que eliminan redundancia y periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario en representar un periodo de voz. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema temporal. Aunque no hay ningún requerimiento técnico para ello, los sistemas celulares, que emplean técnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA. Un sistema puro TDMA tendría sólo una frecuencia de operación, y no sería un sistema útil.

TDMA es un concepto bastante antiguo en los sistemas de radio.

En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de técnicas de compresión de voz digitales, que permite a múltiples usuarios compartir un canal común utilizando un orden temporal. La codificación de voz moderna, reduce mucho el tiempo que se lleva en transmitir mensajes de voz, eliminando la mayoría de la redundancia y periodos de silencio en las comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durante los periodos en que éste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal físico en un sistema TDMA, donde están asignado unos slots de tiempo. A todos los usuarios que comparten la misma frecuencia se les asigna un slot de tiempo, que se repite dentro de un grupo de slots que se llama trama. Un slot GSM es de 577 µs, y cada usuario tiene uso del canal (mediante su slot) cada 4.615 ms (577 µs 8 = 4.615 ms), ya que en GSM tenemos 8 slots de tiempo.

Acceso Múltiple por división del Espacio (SDMA)

SDMA ("Space Division Multiple Access") se usa en todos los sistemas celulares, analógicos o digitales. Por tanto, los sistemas celulares se diferencian de otros sistemas de radio truncados solamente porque emplean SDMA. Los sistemas de radio celulares, permiten el acceso a un canal de radio, siendo éste reutilizado en otras celdas dentro del sistema. El factor que limita SDMA es el factor de reutilización de frecuencia (interferencia co-canal).

Acceso Múltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA)

FHMA es un sistema de acceso múltiple digital, en el cual, las frecuencias de las portadoras de los usuarios individuales se varían de forma pseudoaleatoria dentro de un canal de banda ancha. Los datos digitales se dividen en ráfagas de tamaño uniforme que se transmiten sobre diferentes portadoras.

Operaciones Dúplex

Excepto en situaciones especiales, la información vía radio se mueve en modo dúplex, que significa que para cada transmisión en una dirección, se espera una respuesta, y entonces se responde en la otra dirección. Hay dos formas principales de establecer canales de comunicaciones dúplex.

Dúplex por división en Frecuencia (FDD)

Debido a que es difícil y muy caro construir un sistema de radio que pueda transmitir y recibir señales al mismo tiempo y por la misma frecuencia, es común definir un a canal de frecuencia con dos frecuencias de operación separadas, una para el transmisor y otra para el receptor. Todo lo que se necesita es añadir filtros en los caminos del transmisor y del receptor que mantengan la energía del transmisor fuera de la entrada del receptor. Se podría usar una antena común como un sistema de filtrado simple. Los sistemas de filtrado se llaman duplexores y nos permiten usar el canal (par de frecuencias) en el modo full-duplex; es decir, el usuario puede hablar y escuchar al mismo tiempo.

Dúplex por División en el Tiempo (TDD)

Muchos sistemas de radio móviles, como los sistemas de seguridad públicos, no requieren la operación full-dúplex. En estos sistemas se puede transmitir y recibir en la misma frecuencia pero no en el mismo tiempo. Esta clase de dúplex se llama half-dúplex, y es necesario que un usuario de una indicación de que ha terminado de hablar, y está preparado para recibir respuesta de otro usuario.

Frecuencias y Canales Lógicos

GSM utiliza dos bandas de 25 MHz para transmitir y para recibir (FDD) . La banda de 890-915 MHz se usa para las transmisiones desde la MS hasta el BTS ("uplink") y la banda de 935-960 MHz se usa para las transmisiones entre el BTS y la MS ("downlink"). GSM usa FDD y una combinación de TDMA y FHMA para proporcionar a las estaciones base y a los usuarios un acceso múltiple. Las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen en canales de 200 KHz llamados ARFCN ("Absolute Radio Frequency Channel Number" ó Números de Canales de Radio Frecuencia Absolutos). El ARFCN denota un par de canales "uplink" y "downlink" separados por 45 MHz y cada canal es compartido en el tiempo por hasta 8 usuarios usando TDMA.

Cada uno de los 8 usuarios usan el mismo ARFCN y ocupan un único slot de tiempo (ST) por trama. Las transmisiones de radio se hacen a una velocidad de 270.833 kbps usando modulación digital binaria GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying") con BT=0.3. El BT es el producto del ancho de banda del filtro por el periodo de bit de transmisión. Por lo tanto la duración de un bit es de 3.692 ms, y la velocidad efectiva de transmisión de cada usuario es de 33.854 kbps (270.833 kbps/8 usuarios). Con el estándar GSM, los datos se envían actualmente a una velocidad máxima de 24.7 kbps. Cada TS tiene un tamaño equivalente en un canal de radio de 156.25 bits, y una duración de 576.92 µs , y una trama TDMA simple en GSM dura 4.615 ms. El número de total de canales disponibles dentro de los 25 MHz de banda es de 125 (asumiendo que no hay ninguna banda de guarda). Dado que cada canal de radio está formado por 8 slots de tiempo, hacen un total de 1000 canales de tráfico en GSM. En implementaciones prácticas, se proporciona una banda de guarda de la parte más alta y más baja de espectro de GSM, y disponemos tan solo de 124 canales. La combinación de un número de ST y un ARFCN constituyen un canal físico tanto para el "uplink" como para el "downlink". Cada canal físico en un sistema GSM se puede proyectar en diferentes canales lógicos en diferentes tiempos. Es decir, cada slot de tiempo específico o trama debe estar dedicado a manipular el tráfico de datos (voz, facsímil o teletexto), o a señalizar datos (desde el MSC, la estación base o la MS). Las especificaciones GSM definen una gran variedad de canales lógicos que pueden ser usados para enlazar la capa física con la capa de datos dentro de las capas de la red GSM. Estos canales lógicos transmiten eficientemente los datos de usuario, a parte de proporcionar el control de la red en cada ARFCN. GSM proporciona asignaciones explícitas de los slots de tiempo de las tramas para los diferentes canales lógicos.

Los canales lógicos se pueden separar en dos categorías principalmente: - Los Canales de Tráfico (TCHs) - Los Canales de Control

Los TCHs llevan voz codificada digitalmente o datos y tienen funciones idénticas y formatos tanto para el "downlink" como para el "uplink". Los canales de control llevan comandos de señalización y control entre la estación base y la estación móvil. Se definen ciertos tipos de canales de control exclusivos para el uplink o para el downlink. Hay seis clases diferentes de TCHs y un número aún mayor de Canales de Control, que vamos a describir brevemente a continuación.

Canales de Tráfico

Los canales de tráfico en GSM pueden ser de velocidad completa ("full-rate") o de velocidad mitad ("half-rate"), y pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Cuando transmitimos a velocidad completa, los datos están contenidos en un ST por trama. Cuando transmitimos a velocidad mitad, los datos de usuario se transportan en el mismo slot de tiempo, pero se envían en tramas alternativas.

En GSM, los datos TCH no se pueden enviar en el TS 0 ("time slot 0") sobre ciertos ARFCNs ya que este TS está reservado para los canales de control en la mayoría de las tramas. Además, cada trece tramas TCH se envía un canal de control asociado lento (SACCH) o tramas "idle". A cada grupo de 26 tramas consecutivas TDMA se le llama multitrama. De cada 26 tramas, la decimotercera y la vigesimosexta se corresponden con datos SACCH, o tramas "idle". La 26ª trama contiene bits idle para el caso cuando se usan TCHs a velocidad completa, y contiene datos SACCH cuando se usa TCHs a velocidad mitad.

Los TCHs se usan para llevar voz codificada o datos de usuario. Se definen en GSM dos formas generales de canales de tráfico:

- Canal de Tráfico a Velocidad completa (TCH/F). Este canal transporta información a una velocidad de 22.8 kbps.

- Canal de Tráfico a Velocidad Mitad (TCH/H). Este canal transporta información a una velocidad de 11.4 kbps.

Para transportar voz codificada se van a utilizar dos tipos de canales:

- Canal de tráfico a velocidad completa para voz (TCH/FS). Lleva voz digitalizada a 13 kbps. Después de la codificación del canal la velocidad es de 22.8 kbps.

- Canal de tráfico a velocidad mitad para voz (TCH/HS). Ha sido diseñado para llevar voz digitalizada que ha sido muestreada a la mitad que la de un canal a velocidad completa. En este aspecto GSM se ha anticipado a la disponibilidad de codificadores normalizados de voz a velocidades de unos 6.5 kbps. Después de la codificación del canal, la velocidad es de 11.4 kbps.

Para llevar datos de usuario se definen los siguientes tipos de canales de tráfico:

- Canal de Tráfico a velocidad completa para datos a 9.6 kbps (TCH/F9.6). Lleva datos de usuario enviados a 9600 bps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8 bps.

- Canal de Tráfico a velocidad completa para datos a 4.8 kbps (TCH/F4.8). Lleva datos de usuario enviados a 4800 bps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8 bps.

- Canal de Tráfico a velocidad completa para datos a 2.4 kbps (TCH/F2.4). Lleva datos de usuario enviados a 2400 bps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8 bps.

- Canal de Tráfico a velocidad mitad para datos a 4.8 kbps (TCH/H4.8). Lleva datos de usuario enviados a 4800 bps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 11.4 bps.

- Canal de Tráfico a velocidad mitad para datos a 2.4 kbps (TCH/H2.4). Lleva datos de usuario enviados a 2400 bps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 11.4 bps.

Canales de Control

Se definen tres categorías de canales de control: difusión ("broadcast" ó BCH), comunes (CCCH) y dedicados (DCCH). Cada canal de control consiste en varios canales lógicos distribuidos en el tiempo para proporcionar las funciones de control necesarias en GSM. Los canales de control downlink BCH y CCCH se implementan sólo en ciertos canales ARFCN y se localizan en slots de tiempo de una forma específica. Concretamente, éstos canales se localizan solo en el TS 0 y se emiten sólo durante ciertas tramas dentro de una secuencia repetitiva de 51 tramas (llamada multitrama de control del canal) sobre aquellos ARFCNs que se diseñan como canales "broadcast". Desde TS1 hasta TS7 se lleva canales de tráfico regulares.

En GSM se definen 34 ARFCNs como canales "broadcast" estándar. Para cada canal "broadcast", la trama 51 no contiene ningún canal "downlink" BCH o CCCH y se considera como una trama idle. Sin embargo, el canal "uplink" CCH puede recibir transmisiones durante el TS 0 de cualquier trama (incluso la trama "idle"). Por otra parte, los datos DCCH se pueden enviar durante cualquier slot de tiempo y en cualquier trama, y hay tramas completas dedicadas específicamente para algunas transmisiones DCCH. Vamos a pasar a describir los diferentes tipos de canales de control.

Canales "Broadcast" (BCH)

El BCH opera en el "downlink" de un ARFCN específico dentro de cada celda, y transmite datos sólo en el primer slot (TS 0) de algunas tramas GSM. Al contrario que los TCHs que son dúplex, los BCHs solo usan el "downlink". El BCH sirve como un canal guía para cualquier móvil cercano que lo identifique y se enganche a él. El BCH proporciona sincronización para todos los móviles dentro de la celda y se monitoriza ocasionalmente por los móviles de celdas vecinas para recibir datos de potencia y poder realizar las decisiones de handover. Aunque los datos BCH se transmiten en TS0, los otros siete slots de una trama GSM del mismo ARFCN están disponibles para datos TCH, DCCH ó están fijados por ráfagas vacías ("dummy").

Dentro de los canales BCH se definen tres tipos de canales separados que tienen acceso al TS0 durante varias tramas de la multitrama de control formada por 51 tramas. La Figura 19 muestra cómo se colocan las tramas en un BCH. Vamos a describir los tres tipos de canales BCH.

(a) Canal de Control de "Broadcast" (BCCH)- El BCCH es un canal downlink que se usa para enviar información de identificación de celda y de red, así como características operativas de la celda (estructura actual de canales de control, disponibilidad de canales, y congestión). El BCCH también envía una lista de canales que están en uso en una celda. Desde la trama 2 a la 5 de una multitrama de control están contenidos los datos BCCH. Debe notarse que en la Figura 19 el TS0 contiene datos BCCH durante tramas específicas, y contiene otro tipo de canales BCH, canales de control comunes (CCCHs), o tramas idle, en otras tramas hasta completar las 51 tramas que forman la multitrama de control.

(b) Canal Corrector de Frecuencia (FCCH) - El FCCH es una ráfaga de datos que ocupa el TS0 para la primera trama dentro de la multitrama de control, y que se repite cada diez tramas. El FCCH permite a cada estación móvil sincronizar su frecuencia interna de oscilación a la frecuencia exacta de la estación base.

(c) Canal de Sincronización (SCH) - El SCH se envía en el TS0 de la trama inmediatamente después del FCCH y se usa para identificar a la estación base servidora mientras que permite a cada móvil la sincronización de las tramas con la estación base. El número de trama (FN), que oscila entre 0 hasta 2,715,647, se envía con el código de identificación de la estación base (BSIC) durante la ráfaga SCH. El BSIC es asignado individualmente a cada BTS en un sistema GSM. Dado que un móvil puede estar hasta a 30 km de la BTS, es necesario frecuentemente ajustar la temporización de un usuario móvil particular de forma que la señal recibida en la estación base se sincroniza con el reloj de la estación base.

Canales de Control Comunes (CCCH)

En aquellos ARFCN reservados para BCHs, los canales de control comunes ocupan el TS0 de cada trama que no esté ocupada por los BCHs o por tramas idle. Un CCCH puede estar formado por tres tipos diferentes de canales: el canal de búsqueda (PCH) "downlink", el canal de acceso aleatorio (RACH) "uplink", y el canal de acceso concedido (AGCH) "downlink". Como vemos en la Figura 19, los CCCHs son los más comunes dentro de los canales de control y se usan para buscar a los abonados, asignar canales de señalización a los usuarios, y recibir contestaciones de los móviles para el servicio. Vamos a describir estos tipos de canales.

(a) Canal de Búsqueda (PCH) - El PCH proporciona señales de búsqueda a todos los móviles de una celda, y avisa a los móviles si se ha producido alguna llamada procedente de la PTSN. El PCH transmite el IMSI (Identificación de Abonado Móvil Internacional) del abonado destino, junto con la petición de reconocimiento de la unidad móvil a través de un RACH. Alternativamente, el PCH se puede usar para proporcionar envíos de mensajes tipo ASCII en las celdas, como parte del servicio SMS de GSM.

(b) Canal de Acceso Aleatorio (RACH) - El RACH es un canal "uplink" usado por el móvil para confirmar una búsqueda procedente de un PCH, y también se usa para originar una llamada. El RACH usa un esquema de acceso slotted ALOHA.

Todos los móviles deben de pedir acceso o responder ante una petición por parte de un PCH dentro del TS0 de una trama GSM. En el BTS, cada trama (incluso la trama idle) aceptará transmisiones RACH de los móviles durante TS0. Para establecer el servicio, la estación base debe responder a la transmisión RACH dándole un canal de tráfico y asignando un canal de control dedicado (SDCCH) para la señalización durante la llamada. Esta conexión se confirma por la estación base a través de un AGCH.

(c) Canal de Acceso Concedido (AGCH) - El AGCH se usa por la estación base para proporcionar un enlace de comunicaciones con el móvil, y lleva datos que ordenan al móvil operar en un canal físico en particular (en un determinado TS y en un ARFCN) con un canal de control dedicado. El ACCH es el último mensaje de control enviado por la estación base antes de que el abonado es eliminado del control del canal de control. El ACCH se usa por la estación base para responder a un RACH enviado por una MS en la trama CCCH previa.

Canales de Control Dedicados (DCCH)

Hay tres tipos de canales de control dedicados en GSM, y, como los canales de tráfico, son bidireccionales y tienen el mismo formato y función en el uplink y en el downlink. Como los TCHs, los DCCHs pueden existir en cualquier slot de cualquier ARFCN excepto en el TS0 de los ARFCN de los BCHs. Los Canales de Control Dedicados (SDCCH) se usan para proporcionar servicios de señalización requeridos por los usuarios. Los Canales de Control Asociados Lentos y Rápidos (SACCH y FACCH) se usan para supervisar las transmisiones de datos entre la estación móvil y la estación base durante una llamada.

(a) Canales de Control Dedicados (SDCCH) - El SDCCH lleva datos de señalización siguiendo la conexión del móvil con la estación base, y justo antes de la conexión lo crea la estación base. El SDCCH se asegura que la MS y la estación base permanecen conectados mientras que la estación base y el MSC verifica la unidad de abonado y localiza los recursos para el móvil. El SDCCH se puede pensar como un canal intermedio y temporal que acepta una nueva llamada procedente de un BCH y mantiene el tráfico mientras que está esperando que la estación base asigne un TCH. El SDCCH se usa para enviar mensajes de autenticación y de alerta (pero no de voz). A los SDCCH se les puede asignar su propio canal físico o pueden ocupar el TS0 del BCH si la demanda de BCHs o CCCHs es baja.

(b) Canal de Control Asociado Lento (SACCH) - El SACCH está siempre asociado a un canal de tráfico o a un SDCCH y se asigna dentro del mismo canal físico. Por tanto, cada ARFCN sistemáticamente lleva datos SACCH para todos sus usuarios actuales. El SACCH lleva información general entre la MS y el BTS. En el downlink, el SACCH se usa para enviar información lenta pero regular sobre los cambios de control al móvil, tales como instrucciones sobre la potencia a transmitir e instrucciones específicas de temporización para cada usuario del ARFCN. En el uplink, lleva información acerca de la potencia de la señal recibida y de la calidad del TCH, así como las medidas BCH de las celdas vecinas. El SACCH se transmite durante la decimotercera trama (y la vigesimosexta si se usa velocidad mitad) de cada multitrama de control , y dentro de esta trama, los 8 slots se usan para proporcionar datos SACCH a cada uno de los 8 usuarios (ó 16) del ARFCN.

(c) Canales de Control Asociados Rápidos (FACCH) - El FACCH lleva mensajes urgentes, y contienen esencialmente el mismo tipo de información que los SDCCH. Un FACCH se asigna cuando un SDCCH no se ha dedicado para un usuario particular y hay un mensaje urgente (como una respuesta de handover). El FACCH gana tiempo de acceso a un slot "robando" tramas del canal de tráfico al que está asignado. Esto se hace activando dos bits especiales, llamados bits de robo ("stealing bits"), de una ráfaga TCH. Si se activan los stealing bits, el slot sabe que contiene datos FACCH y no un canal de tráfico, para esa trama.

{GSM}

Ejemplo de una llamada GSM

Para comprender cómo se usan los diferentes canales de tráfico y de control, consideremos el caso de que se origine una llamada en GSM . Primero, la estación móvil debe estar sincronizada a una estación base cercana como se hace en un BCH. Recibiendo los mensajes FCCH, SCH y BCCH, el móvil se enganchará al sistema y al BCH apropiado. Para originar una llamada, el usuario primero marca la combinación de dígitos correspondiente y presiona el botón de "enviar" del teléfono GSM. El móvil transmite una ráfaga de datos RACH, usando el mismo ARFCN que la estación base a la que está enganchado. La estación base entonces responde con un mensaje AGCH sobre el CCCH que asigna al móvil un nuevo canal para una conexión SDCCH. El móvil, que está recibiendo en la TS0 del BCH, recibe su asignación de ARFCN y su TS por parte del AGCH e inmediatamente cambia su sintonización a su nuevo ARFCN y TS. Esta nueva asignación del ARFCN y del TS es físicamente el SDCCH (no el TCH). Una vez sintonizado al SDCCH, el móvil primero espera a la trama SDCCH que se transmite (la espera será como mucho de 26 tramas cada 120 ms, como se muestra en la Figura 18), que informa al móvil del adelanto de temporización adecuado y de los comandos de potencia a transmitir. La estación base es capaz de determinar el adelanto de temporización adecuado y el nivel de señal del móvil gracias al último RACH enviado por el móvil, y envía los valores adecuados a través del SACCH. Hasta que estas señales no le son enviadas y procesadas, el móvil no puede transmitir ráfagas normales como se requieren para un tráfico de voz. El SDCCH envía mensajes entre la unidad móvil y la estación base, teniendo cuidado de la autenticación y la validación del usuario, mientras que la PSTN conecta la dirección marcada con el MSC, y el MSC conmuta un camino de voz hasta la estación base servidora. Después de pocos segundos, la unidad móvil está dirigida por la estación base a través del SDCCH que devuelve un nuevo ARFCN y un nuevo TS para la asignación de un TCH. Una vez devuelto el TCH, los datos de voz se transfieren a través del uplink y del downlink, la llamada se lleva a cabo con éxito, y el SDCCH es liberado.

Cuando se originan llamadas desde la PSTN, el proceso es bastante similar. La estación base envía un mensaje PCH durante el TS0 en una trama apropiada de un BCH. La estación móvil, enganchada al mismo ARFCN, detecta su búsqueda y contesta con un mensaje RACH reconociendo haber recibido la página. La estación base entonces usa el AGCH sobre el CCCH para asignar un nuevo canal físico a la unidad móvil su conexión al SDCCH y al SACCH mientras la red y la estación base están conectadas. Una vez que el móvil establece sus nuevas condiciones de temporización y de potencia sobre el SDCCH, la estación base gestiona un nuevo canal físico a través del SDCCH, y se hace la asignación del TCH.

Cap.II.

ESTRUCTURA DEL GSM

En lo que se refiere a la estructura básica del GSM el sistema se organiza como una red de células radioeléctricas continuas que proporcionan cobertura completa al área de servicio. Cada célula pertenece a una estación base (BTS) que opera en un conjunto de canales de radio diferentes a los usados en las células adyacentes y que se encuentran distribuidas según un plan celular.

Un grupo de BTS's se encuentran conectado a un controlador de estaciones base (BSC), encargado de aspectos como el handover(traspaso del móvil de una célula a otra) o el control de potencia de las BTS's y de los móviles.

En consecuencia el BSC se encarga del manejo de toda la red de radio y supone una auténtica novedad respecto a los anteriores sistemas celulares.

Una o varias BSC's se conectan a una central de conmutación de móviles (MSC). Este es el corazón del GSM como responsable de la inicialización, enrutamiento, control y finalización de las llamadas, así como de la información sobre la tarificación. Es también el interface entre diversas redes GSM o entre una de ellas y las redes públicas de telefonía o datos.

La información referente a los abonados se encuentra almacenada en dos bases de datos que se conocen como registro de posiciones base (HLR) y registro de posiciones de visitantes (VLR).

El primero analiza los niveles de subscripción, servicios suplementarios y localización actual, o más reciente de los móviles que pertenecen a la red local. Asociado al HLR trabaja el centro de autentificación (AUC), que contiene la información por la que se comprueba la autenticidad de las llamadas con el fin de evitar los posibles fraudes, la utilización de tarjetas de abonado (SIM's) robadas o el disfrute del servicio por parte de impagados.

El VLR contiene la información sobre los niveles de subscripción, servicios suplementarios y área para un abonado que se encuentra o al menos se encontraba recientemente en otra zona visitada. Esta base de datos dispone también de información relativa a si el abonado se encuentra activo o no, lo que evita el uso improductivo de la red (envío de señales a una localización que se encuentra desconectada)

El registro de identidad de los equipos (EIR) almacena información sobre el tipo de estación móvil en uso y puede eludir que se realice una llamada cuando se detecte que ha sido robada, pertenece a algún modelo no homologado o sufre de algún fallo susceptible de efectar negativamente a la red.

En cuanto a las comunicaciones en la red, se ha desarrollado un nuevo esquema de señalización digital.

Para la comunicación entre MSC's y registros de posición se utiliza la parte de aplicación para móviles del Sistema de Señalización número 7 del CCITT, fórmula casi imprescindible para la operación de redes GSM a nivel internacional.

Entre las diversas entidades de la red se encuentran definidos interfaces estándar que aseguren un método común de acceso para todos los móviles, tanto los de diferentes países como los de diferentes suministradores.

LA ARQUITECTURA FUNCIONAL DEL SISTEMA GSM

La norma GSM únicamente especifica entidades funcionales e interfaces normalizados. Con ello se consigue la utilización de cualquier sistema por cualquier estación móvil, aunque no pertenezcan al mismo suministrador, y la interconexión de equipos de distintos suministradores a través de los interfaces normalizados, evitando influir de forma excesiva sobre los desarrollos particulares de cada uno de los fabricantes de equipos.

Vamos a describir en primer lugar las entidades funcionales e interfaces que constituyen el sistema GSM, describiendo su funcionalidad y las relaciones entre ellas. Y por último para poder tener una idea de la estructura física del sistema.

ELEMENTOS DE UN SISTEMA GSM

-Estación Móvil (MS) Una estación móvil se compone funcionalmente de dos partes:

-El equipo terminal (ET)

-La terminación móvil (TM)

El equipo terminal realiza funciones semejantes a las de un terminal RDSI y realiza las siguientes

funciones :

-Transmisión radio

-Gestión de canales de transmisión radio

-Capacidad del terminal, incluyendo la interfaz hombre-máquina

-Codificación de voz

-Protección de errores

-Control del flujo de datos de usuario

-Adaptación de velocidad de datos de usuario y velocidad del canal

-Soporte de terminales múltiples

-Gestión de movilidad

Hay tres tipos de TM

-TMO Realiza las funciones anteriormente mencionadas, sin incluir ningún interfaz

-TM1 Incluye además una interfaz RDSI

-TM2 Incluye además interfaces CCITT series X y V

Utilizando estos tres tipos de TM se pueden establecer las configuraciones necesarias para acceder al sistema GSM.

Una estación móvil puede además clasificarse en distintos tipos según varias características

-Por su utilización

-Equipo móvil

-Equipo portátil

-Equipo transportable

-Por la potencia de salida

-Clase 1 20 w - Móvil y transportable

-Clase 2 8 w - Vehículo y transportable

-Clase 3 5 w - Portá til

-Clase 4 2 w - Portátil

-Clase 5 0.8 W - Portátil

Las características de las estaciones móviles se clasifican en tres tipos

-Básicas

-Suplementarias

-Adicionales

Características Básicas obligatorias de la estación móvil

-Visualización del número llamado

-Indicación de señales de progreso de la llamada

-Indicación de país/sistema

-Gestión de la identidad de suscripción (SIM)

-Indicador de PIN (clave de acceso) no válido

-Identidad internacional de equipo de estación móvil (IMEI)

-Indicador de servicio

Características básicas opcionales

-Indicación y reconocimiento de mensajes cortos

-Indicación de saturación de memoria para mensajes cortos

-Interfaz para equipo terminal de datos

-Interfaz para terminal RDSI

-Función de acceso internacional (tecla +)

-Conmutador encendido/apagado

-Interfaz analógica

-Auto prueba

Características suplementarias

-Aviso de tarificación

-Control de servicios suplementarios

Características adicionales

-Marcación abreviada

-Limitación de llamada a números fijos

-Repetición del último número marcado

-Operación manos libres

-Restricción de todas las llamadas salientes

-Bloqueo electrónico del terminal

-Indicador de calidad de recepción

-Indicador de unidades de tarificación

-Estación móvil multi-usuario

Módulo de identificación del usuario (SIM):

Para que una estación móvil GSM pueda funcionar necesita tener introducido el módulo de identificación del usuario.

Existen dos tipos distintos de módulo de identificación del usuario:

-una tarjeta inteligente que puede ser retirada de la estación móvil cuando el usuario termina de utilizarla

-Un módulo que es incorporado dentro de la estación móvil, con el fin de estar instalado permanentemente, aunque siempre sería posible retirarlo abriendo la carcasa de la estación móvil.

Este módulo es el que contiene toda la información necesaria para realizar la función de autentificación del usuario, además de otras informaciones necesarias para el sistema.

El SIM debe contener la siguiente información:

-Número de serie

-Estado del SIM (bloqueado o desbloqueado)

-Clave del algoritmo de autentificación

- Algoritmo de Autentificación (A3)

- Identificación internacional del usuario móvil (MSI)

- Identificación temporal del usuario móvil (TMSI)

- Algoritmo de generación de claves de cifrado (A8)

- Clave del algoritmo de cifrado de señalización y datos (A5)

- Número de secuencia de la clave del algoritmo de cifrado

- Clase de control de acceso del usuario

SISTEMA DE ESTACION BASE (BSS)

Es la entidad responsable del establecimiento de las comunicaciones con las estaciones móviles que se encuentran dentro de su área de influencia.

Esta área de influencia puede ser constituida por una o más células radio cada una de ellas con una estación base.

Hay ocho clases de estaciones base en función de la potencia que van desde los 320 W a 2.5 W..

Un sistema de estación base está constituido por un controlador de estación base BSC del que dependen una o más estaciones base BTS.

Una estación base está constituida por un conjunto de transceptores (TRX) que cubren la misma área. La estación base incluye además de los tranceptores un módulo que realiza la función de control común de estos transceptores(FCC)

Tomando como base esta estructura existen dos tipos de sistemas de estación base:

-El sistema de estación integrado donde el BSC y una BTS están integrados en un mismo equipo.

-El sistema de estación base separado donde el BSC es una entidad distinta de las estaciones base, a las que se conecta mediante una interfaz normalizada, denominado interface A-bis.

Esta última estructura, es la más general.

El transcodificador es un elemento que pertenece funcionalmente al BSS pero que puede estar situado físicamente en la BTS, en el BSC o externo al BSS (junto a la central de conmutación móvil).

La función del transcodificador es convertir la velocidad neta utilizada en los canales radio (inferior a 16 kb/s) a la velocidad normalmente utilizada en la red fija (que es de 64 kbit/s).

El que esta conversion no se realice hasta el final posibilita que se puedan multiplexar 4 canales de 16 kbit/s en uno de 64 kbit/s ahorrando capacidad de transmisión, en el interfaz entre la BTS y el BSC y en el interface entre el BSC y la central de conmutación (interface A).

A partir de los tipos básicos anteriormente definidos pueden distinguirse 7 estructuras finales distintas, teniendo en cuenta además la situación del transcodificador, y la utilización de submultiplexación en el interface A-bis. (BSS del 1 al 7).

Además de esta clasificación existen otras características funcionales, opcionales dentro de la especificación GSM, que determinan dentro de cada uno de estos tipos diferentes sistemas de estación base. Hay unas características funcionales que son fundamentales, función de salto de frecuencia (SLF), función de control de potencia (CP) y la función de transmisión discontinua (TXD).

La interconexión del BSS con las demás entidades del sistema GSM se define utilizando un modelo basado en el modelo de interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) recogido en las recomendaciones CCITT X200 y X210.

Dentro de cada capa están las entidades. Las entidades de distintos sistemas que pertenecen a la misma capa, pueden intercambiar información entre sí.

Las entidades de un mismo sistema situadas en capas adyacentes interactúan entre ellas a través de su frontera común. De esta forma las capas inferiores prestan sus servicios a las capas superiores.

Todos los sistemas del BSS: El interface radio, la interfaz A y el interface A-bis se han definido utilizando un modelo de tres capas :

-Capa 3

-Capa 2 (enlace de datos)

-Capa 1 (capa física)

La capa 1, coincide con la capa inferior del modelo OSI, y soporta todas las funciones necesarias para la transmisión de una secuencia de bits sobre un canal establecido en un medio físico de transmisión.

La capa 2, es la capa de enlace de datos, y tiene como misión permitir el intercambio de tramas de información entre dos entidades conectadas a través de un medio físico.

La capa, 3 en realidad comprende las capas 3 a 7 del modelo OSI, llegando por lo tanto hasta definir la naturaleza de la comunicación requerida para satisfacer las necesidades de los usuarios de la comunicación.

Para definir totalmente la interconexión del sistema, además de esa estructura de capas es necesario también utilizar funciones de gestión del sistema. Estas funciones pueden incluir funciones que son comunes a varias capas.

Funcionalidad del BSS.

Funciones del BSC

  • Gestión de canales en el enlace BSC-MSC

  • Gestión de canales radio

  • Configuración de los canales radio (recibe del OMC)

  • Gestión de secuencias de salto de frecuencia(BSC, OMC) estas secuencias son enviadas por el BSC hacia el BTS

  • Selección de canal, supervisión del enlace y liberación de canal

  • Control de potencia en el móvil.

Determinación del nivel de potencia necesario en el móvil

  • Control de potencia en la BSS.

  • Determinación de la necesidad de realizar cambio de canal.

Funciones de la BTS

  • Gestión de canales radio

  • Supervisión de canales libres, y envío de información de estos hacia la BSC

  • Temporización de bloques BCCH/CCCH. Edición de mensajes de aviso

  • Detección de accesos al sistema por parte de móviles

  • Codificación y entrelazado para protección de errores

  • Determinación del avance de temporización que hay que utilizar para una comunicación con el móvil

  • Medidas de intensidad de campo y calidad de las señales recibidas de los móviles. Recepción de medidas enviadas por los móviles sobre condiciones de intensidad y calidad.

  • Opcionalmente la BTS puede realizar un pre-procesamiento

  • Construcción de los mensajes de aviso a partir de la información recibida desde la BSC

  • Detección de acceso por traspaso de un móvil, y comprobación de la identificación de referencia de este traspaso de acuerdo con la información recibida desde BSC.

  • Encriptación de la información de señalización y tráfico.

CENTRAL DE CONMUTACION MOVIL (MSC)

Es una central de conmutación encargada de todas las funciones de conmutación para las estaciones móviles situadas en su área de influencia (área MSC).

Las principales diferencias de esta central respecto a una central de la red fija, consisten en que esta central debe tener también en cuenta el impacto de las funciones de asignación de los recursos radio y la naturaleza móvil de los usuarios. Por lo tanto este tipo de central implementa ciertos procedimientos adicionales a los de una central de red fija, como pueden ser por ejemplo la actualización de la posición de las estaciones móviles, y lo que tienen que ver con las funciones de traspaso de llamadas en curso, cuando los móviles se van desplazando entre las células de la red móvil.

UNIDAD DE INTERFUNCIONAMIENTO (UI)

Es una entidad funcional asociada con la central de conmutación móvil. Esta unidad es la encargada de proporcionar la funcionalidad necesaria para permitir el interfuncionamiento del sistema GSM con las redes fijas (RDSI, RTC, y RTPCP). Las funciones incluidas en esta unidad dependen por lo tanto de los servicios que se implementen y de las redes fijas a las que se conecten.

Su principal cometido es convertir los protocolos utilizados en el sistema GSM a los utilizados en las redes fijas.

REGISTRO DE POSICION BASE (HLR)

Es una base de datos cuya misión es la gestión de los usuarios móviles.

Una red GSM puede tener uno o varios HLR, dependiendo del número de usuarios móviles, de la capacidad del equipo y de la organización de la red.

El HLR almacena dos tipos de información:

  • La información de suscripción de los abonados.

  • La información de localización de los abonados, permitiendo de esta forma la función de seguimiento es decir la actualización automática de la posición del móvil para que se le pueda encaminar las llamadas que reciba.

Todas las funciones de administración de los abonados se realizan sobre esta base de datos.

La información de suscripción de un abonado consta de los siguientes pasos:

  • dos números de identificación

  • El identificativo internacional de la estación móvil IMSI

  • El número RDSI internacional de la estación MSISDN

  • Servicios portadores y teleservicios que el usuario puede usar

  • Restricciones de servicios por ejemplo limitación de seguimiento

  • Servicios suplementarios que el usuario puede usar y las tablas de par metros necesarios para dichos servicios.

  • Características del equipo móvil utilizado por el usuario

CENTRO DE AUTENTICACION (AUC)

Es una base de datos, con la misión de controlar a los móviles que se encuentran en su área de influencia.

Este área de influencia puede comprender una o varias MSC.

Cuando una estación móvil aparece en un área de localización lo primero que hace es iniciar un proceso de registro comunicando a la MSC local su identidad. La MSC comunica este registro hacia su Registro de Posición Visitado. Si el móvil no estaba ya registrado en otra área de localización dependiente también del mismo VLR es necesario enviar también esta información hacia el HLR del móvil, para indicarle que actualice su posición, y encamine las llamadas recibidas hacia el área donde se encuentra actualmente el móvil.

El VRL contiene también la información necesaria para gestionar las llamadas originadas o recibidas por los móviles registrados en su base de datos. Esta información incluye los siguientes elementos:

  • El identificativo internacional de la estación móvil (IMSI)

  • El número RDSI internacional de la estación móvil (MSISDN)

  • El identificativo temporal de la estación móvil (RMSI)

  • El identificativo local de la estación móvil

  • El área de localización donde el móvil se ha registrado.

Esta información es intercambiada entre el HLR y el VLR

El VLR también puede contener los siguientes elementos:

  • Parámetros de servicios suplementarios

  • Características técnicas de los equipos móviles.

REGISTRO DE IDENTIFICACION DE EQUIPOS (EIR)

Este registro se utiliza para almacenar las identidades de los equipos móviles clasificadas en tres tipos de listas:

  • blanca

  • gris

  • negra

La lista blanca contiene todos aquellos identificativos de equipos que han obtenido la homologación.

La lista gris contiene los identificativos de los equipos que es necesario localizar debido a alguna razón técnica.

La lista negra contiene los identificativos de los equipos robados o utilizados de forma ilegal y también la de aquellos equipos que no pueden acceder al sistema porque podrían producir graves problemas técnicos.

Este registro es consultado cuando un móvil se registra en el sistema, o bien cuando realiza una llamada.

CENTRO DE OPERACION Y MANTENIMIENTO (OMC)

Es un sistema de operación que se encarga de las funciones de explotación de una o varias entidades del sistema GSM

CENTRO DE GESTION DE RED (NMC)

Es un sistema de operación que constituye la máxima jerarquía dentro del sistema de explotación. De este centro depende todos los demás Centros de Operación y mantenimiento

ENLACE DE VOZ

Para transmitir la señal de voz por el canal digital del GSM se utiliza un codificador de voz que convierte la voz en una señal digital con la velocidad de 13 kbit/s. El codificador trabaja con bloques de duración de 20 ms, es decir, con bloques de 260 bits.

Codificación de canal

Dado el hecho de que la EM esté en movimiento y las irregularidades del terreno producen variaciones y desvanecimientos en la señal recibida por el móvil y éstas variaciones producen errores en las transmisiones digitales, en el entorno rural cuando estos desvanecimientos son muy grandes descendiendo demasiado el nivel de señal, en el entorno urbano el nivel de interferencia por canal, puede superar el límite tolerado.

Para proteger la transmisión contra errores, el sistema GSM utiliza un FEC (Forward Error Correction) que consiste en la adición de bits redundantes de paridad a los datos transmitidos, siendo capaz el sistema de detectar que ha habido un error y corregirlo. También utiliza codificación convolucional.

La codificación de voz subdivide los bits del enlace en dos clases, aplicándosele a cada una de ellas una codificación de canal diferente. El resultado de ello es una señal digital de velocidad 22.8 kbit/s. Por tanto, el bloque primario del codificador de voz de duración 260 bits se transforma a la salida del codificador de canal en uno de 456 bits.

Cap.III.

ESTRUCTURA FISICA DEL SISTEMA GSM

En estos momentos hay dos fabricantes que han optado por dos sistemas distintos aunque similares.

Ericson y Motorola

SISTMEMA GSM DE ERICSSON

Ericsson ha diseñado una estructura basada en controladores de estación base de gran capacidad, colocados junto a las centrales de conmutación y utilización de estaciones bases simples. Estas estaciones base utilizan la interface A-bis para conectarse al BSC El transcodificador/adaptador de velocidad está situado en el BSC para ahorrar medios de transmisión.

El sistema GSM de Ericsson, se divide en tres sistemas que siguen el modelo general GSM:

  • Sistema de conmutación (SS)

  • Sistema de Estación Base (BSS)

  • Sistema de operación y mantenimiento (OSS)

Las funciones relacionadas con el proceso de llamadas y los abonados están implementadas en el sistema de Conmutación mientras que las funciones relacionadas con la radio se concentran en el Sistema de Estaciones Base.

El sistema de Operación de mantenimiento atiende las actividades necesarias para la gestión de la red celular y del sistema del GSM

(SS) El sistema de Conmutación

El sistema de conmutación realiza las funciones normales en telefonía, como son el control de tráfico, el análisis de números, la facturación y las estadísticas de llamadas, e incluye las siguientes funcionalidades.

  • Central de Conmutación de Servicios Móviles (MSC)

  • Registro de abonados locales (HLR)

  • Registro de abonados visitantes (VLR)

  • Centro de Comprobación de identificación (AUC)

Registro de identidad del equipo (EIR)

Sistema de Estación Base (BSS)

El sistema de Estación Base, fundamentalmente es responsable de las funciones radio, gestiona las comunicaciones por radio con las unidades móviles, maneja con autonomía el paso de llamadas activas entre células en el área que está bajo su control. El BBS controla también los niveles de la potencia de la señal de radio tanto de las estaciones base como de los móviles.

El sistema de Estaciones Base de Ericsson puede manejar, no solamente el tráfico ordinario sino también situaciones de averías normales, sin tener que estar bajo el control del sistema de Operación y Mantenimiento (OSS). Esto significa que el OSS no entra en el tratamiento de tráfico.

El controlador de estaciones base (BSC) del sistema de Estación Base de Ericsson tiene la flexibilidad de trabajar en toda la gama de capacidad, desde aplicaciones rurales pequeñas a las metropolitanas grandes.

Por ejemplo una BSC puede controlar hasta 512 transceptores.

Sistema de operación y Mantenimiento (OSS)

Las funciones de operación y mantenimiento de la red GSM de Ericsson se realizan ambas localmente, en los nodos de la red GSM y centralmente mediante el OMC. Juntos los dos juegos de funciones proporcionan los medios necesarios para poder llevar una eficiente gestión de la red.

Cada elemento de la red GSM de Ericsson lleva incorporadas funciones de mantenimiento que supervisan e informan sobre el estado operativo del elemento. Los errores que se detectan se clasifican según su gravedad. En muchos casos las funciones locales de operación y mantenimiento pueden resolver con autonomía el problema, por ejemplo, conmutando el tráfico a una unidad de reserva.

Las funciones dentro de OSS se basan en el nuevo Sistema de Operación y Gestion de Redes de Telecomunicación. Consiste en una "familia" de aplicaciones individuales que utilizan ordenadores normalizados, RISC y el sistema operativo UNIX. Se ha elegido un subconjunto de las funciones de gestión para construir el Sistema TMOS como soporte operativo del GSM de Ericsson.

SISTEMA GSM DE MOTOROLA

Motorola ha diseñado una estructura basada en controladores de estación base de menos capacidad que en el caso de Ericsson y que están colocados cerca de las propias estaciones base. Esta estructura permite dar al sistema una mayor agilidad y más flexibilidad de configuraciones.

El transcodificador/adaptador de velocidad está situado o bien cerca de la MSC o bien en el BSC, dependiendo de la configuración del sistema.

Sistema de Estación Base (BSS)

El sistema de estación base puede tener varias configuraciones. Hay dos tipos básicos de bastidores en el sistema BSS, el llamado BSSC que realiza funciones de BSC y también puede realizar funciones de transcodificación y el llamado BTS que realiza funciones propias pero también puede realizar funciones de BSC e incluso de transcodificador, aunque sea un bastidor propio de BTS.

El BSS utiliza solo 6 tipos de tarjetas distintas que realizan todas las funciones propias del mismo. Utiliza dos tipos de combinaciones para el salto de frecuencia.

Sistema de Operación y mantenimiento (OSS)

El sistema de Operación y mantenimiento se realiza localmente en los BSS y centralmente en el Centro de Operación y Mantenimiento (OMC)

En el BSS se emplean unas 3/4 partes del SW a la operación y el Mantenimiento.

Las conexiones entre el BSC y BTS se realizan mediante RS232. Se generan estadísticas, alarmas, etc.

Debido a los pocos tipos de tarjetas diferentes que existen los respuestos son reducidos.

El OMC centraliza la Operación y Mantenimiento. Utiliza interfaces estándares sistema UNIX y base de datos INFORMIX. El interfaz hombre máquina es fácil con el X-Windows

Cap.IV.

CONCLUSIONES Y PROPIEDADES

DEL SISTEMA

En el sistema GSM como en la mayoría de los sistemas celulares, la EM obtiene su temporización de las señales recibidas de la EB.

En concreto la EM transmite su señal a 3 intervalos de tiempo (3 x 577 usg) después que las señales hayan sido recibidos de la EB.

No obstante dando que la temporización depende de lo que tarde en propagarse la señal, que esto depende de la distancia entre la EB-EM y que la siguiente señal recibida de la EB (procedente de otra EM con diferente distancia a la EB) puede superponerse, deben ser tomadas algunas acciones al respecto.

La BS determina el adelanto en la temporización en transmisión que el móvil debe tener para que sus señales lleguen en el intervalo de tiempo correcto.

Este adelanto de temporización es inicialmente calculado por la EB sobre la base de la señal de acceso recibido en RACH (que tiene un período de guarda de 68,25 bits o 252 usg) y puede ser de 0 a 63 períodos de bit de avance lo que equivale a una separación máxima de 35 km

La EB controla en modo de operación normal con TCH establecido, el retraso de la señal procedente de la EM, enviando órdenes de corrección en el SACCH y logrando que el error del retardo sea menor que 2 usg (aproximadamente medio período de bit) Para células de radio mayor que 35 Km hay un procedimiento especial establecido que permite realizar esta función en células de hasta 120 Km.

Otra característica importante en este sistema es el control de potencia.

El control de potencia en el sistema GSM puede ser utilizado tanto en la EM como en la EB, y su finalidad principal es la de reducir la interferencia por canal, mientras se trabaja con una potencia transmisora adecuada para mantener la calidad de la señal de voz a través del enlace radioeléctrico.

Este control de potencia es obligatorio para las EM mientras que no lo es para las EB. La EM deber ser capaz de variar su potencia de transmisión desde su máximo valor (diferente según la clase de EM de que se trate) hasta 20 mw en pasos de 2dB.

Para el acceso inicial de una EM en una célula del RACHB, dicha EM debe usar o su valor máximo definido por la clase de EM que es, o el valor máximo permitido en esa célula si éste es menor.

Tras esto, la EB calcula el nivel de potencia en radiofrecuencia que debe usar la EM y se lo señala mediante 4 bits que a tal efecto hay dedicados en el SACCH (EB-> EM). El cambio de potencia en la EM se realiza a una velocidad de 2 dB cada 60 msg y la EM confirma a la EB el nivel de potencia que utiliza en el SACCH (EM->EB).

Las portadoras de radiofrecuencia de BBCH son medidas secuencialmente y promediadas durante un bloque SACCH (480 msg).

La EM tienen establecido el proceso de comunicación con la EB que le proporciona mejor enlace. Como la EM se mueve, la EB con la que existe el mejor enlace varía, por lo que la EM debe ser reasignada a una nueva EB y su llamada re-enrutada adecuadamente.

Esta necesidad es solucionada por el proceso de handover que determina la asignación de EM o de EB y que por tanto determina el tamaño de las células mediante los valores de umbrales de decisión de asignación utilizados y determina la calidad del enlace radioeléctrico.

Para controlar el proceso de handover el sistema ha de poseer información de la calidad del enlace radioeléctrico existente y el de los enlaces alternativos de las EB circundantes.

Las EMs tan sólo son activas en 2 de los 8 intervalos de tiempo de una trama si bien tienen la habilidad de, en los 6 restantes, transmite a la red la información de las 6 EB con mayor intensidad de señal recibida (a través de su EB), donde es tomada la decisión de handover.

Al proceso de medir los BCCHs, la EM debe identificar las EBs circundantes lo que realiza identificando la frecuencia del BCCH y si ésta es coincidente con la de varias EB, sincronizando y demodulando el canal de sincronización de las EBs circundantes, que contienen el código de identificación de estación base (BSICs). La EM realiza esta operación en su trama "idle" TDMA existiendo una sola por multitrama de TCH. Hay que resaltar que para que esto pueda realizarse correctamente todas las portadoras de radiofrecuencia que contengan BCCH debe ser transmitidas con la misma potencia. Esto implica que en la transmisión del BBCH no se puede aplicar ni el control adaptativo de potencia, ni la transmisión discontinua.

Tan solo añadir que respecto de la EB con la que está enlazada, la EM mide no sólo la intensidad de señal recibida, si no también la calidad de la misma en tasa de error de canal. Igualmente, la EB realiza medidas de calidad del enlace EM -> EB. El medir los dos parámetros permite al sistema conocer si la degradación de un enlace radioelectrico se debe a falta de señal o a interferencia por canal.

Por otro lado, la implementación de la tecnología PCS GSM-1900 , permite ir creando una red mundial de comunicaciones con un estándar común. Lo que significa :

  • Tarificación clara, ya que se usan recursos comunes y exclusivos de una red.

  • Número Único Internacional. Cada usuario puede ser ubicado en cualquier área de mundo cubierta por la red con el solamente discando su número dado por el operador.

  • Permite usar otras redes GSM en otras bandas (900 Europa, 1800-DCS). Todo esto sin necesidad de contratar servicios especiales con dichas operadoras, gracias a la tarjeta SIM que puede ser insertada en cualquier equipo.

Además la tecnología TDMA digital tiene excelentes ventajas :

  • Uso eficiente Baterías : Más duración, ya que el envío de la información se realiza en "ráfagas" o instantes de tiempo en los cuales el teléfono está activo.

  • Confiabilidad y Privacidad : Gracias al envío de información digitalizada la cual no es fácil de descifrar y permite la minimización en la distorsión de la voz.

  • Calidad de Voz : Mayor, gracias al uso de digitalización de ésta con una calidad incomparable.

BIBLIOGRAFÍA

  • Michel Mouly and Marie-Bernadette Pautet. The GSM System for Mobile Communications Published by the authors, 1992

  • Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant An Introduccion to GSM Artech House Publisers,1995

  • John Scourias Overview of the Global System for Mobile Communications University of Waterloo, 1995

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