teleco iii - gsm.docx
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Facultad de Ciencias Físicas y
UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
Global System for Mobile
(GSM)
TEMA : TELEFONÍA MÓVIL DIGITAL GSM
CURSO : TELECOMUNICACIONES III
DOCENTE : MOSTACERO ARRAGUI LUIS
ALUMNO : CHAPOÑÁN ACOSTA JUAN
CARLOS
CUSTODIO PISFIL JESÙS
CICLO : 2012 II
Lambayeque 30 de mayo de 2013
TELEFONÍA MÓVIL DIGITAL GSM
1. INTRODUCCIÓN
1.1 INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES
El propósito de un sistema de comunicaciones móvil es, como su nombre indica, prestar
servicios de telecomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrenas fijas, o entre dos
estaciones móviles.
Existen dos formas de comunicaciones móviles: inalámbrica y celular.
Comunicación inalámbrica: El radio de acción de esta tecnología es muy limitado. De
hecho los equipos móviles y los de transmisión-recepción deben estar situados en zonas
geográficas muy cercanas, como por ejemplo, dentro de un mismo edificio.
Comunicación celular: Tiene una red totalmente definida que incluye protocolos para
establecer y despejar llamadas así como rastrear las unidades móviles dentro de áreas
geográficas definidas llamadas células, que dan nombre a la tecnología. Dado que los
sistemas celulares operan con una potencia más alta que los inalámbricos, el radio de
acción de los primeros es mucho más extenso, siendo el tamaño de las células del orden
de kilómetros.
1.2 TOPOLOGÍA DE UN SISTEMA CELULAR
Los componentes principales de un sistema celular son:
El centro de conmutación móvil ( MSC, Mobile Switching Center), que es el centro de control
de los sistemas celulares; se encarga de conmutar las llamadas a las células, proporcionar
respaldo, conectarse con las redes telefónicas, monitorizar el tráfico para fines de cobro, realizar
pruebas y diagnósticos, y realizar labores de administración de la red en general.
Las células, que son las distintas áreas geográficas en las que se divide el área total que
pretende cubrir el sistema.
La unidad móvil, que es el transmisor-receptor móvil, casi siempre situado en un automóvil,
camión, embarcación, etc., y que contiene un módem capaz de cambiar de frecuencia que le
permite sincronizarse con una frecuencia dada, designada por el MSC.
La estación de transmisión-recepción base (BTS, Base Transceiver Station). Existe una por
cada célula y junto a ésta es la interfaz entre la unidad móvil y el MSC.
Figura 1. Topología representativa de un sistema celular.
En áreas urbanas muy
pobladas, el volumen tan alto de
tráfico local puede agotar los canales de radio disponibles. No obstante, es posible aumentar
hasta cierto punto la capacidad del sistema reduciendo continuamente el tamaño de las células y la
potencia transmitida de las estaciones base. La reducción en el radio de las células permite reutilizar
las bandas disponibles en células no contiguas. La estrategia permite al proveedor de portadora
celular reducir y aumentar el tamaño de las células para dar cabida al crecimiento o a la reducción
de las poblaciones de esta base de suscriptores móviles.
Figura 2. División de células.
Figura 3. Ejemplo de reutilización de frecuencias.
Debe hacerse hincapié en que la partición de células requiere un diseño cuidadoso durante el
establecimiento inicial del sistema, a fin de minimizar la cantidad de ajustes que es preciso hacer al
sistema. Además, si las células son pequeñas se requieren transferencias de control más frecuentes
(cuando la unidad móvil pasa de una célula a otra), lo que aumenta el gasto extra de la red.
1.3 INTERFERENCIAS Y CAPACIDAD DEL SISTEMA
La interferencia es el principal factor que limita el desarrollo de los sistemas celulares. Las fuentes
de interferencias incluyen a otras estaciones móviles dentro de la misma celda, o cualquier sistema
no celular que de forma inadvertida introduce energía dentro de la banda de frecuencia del sistema
celular. Las interferencias en los canales de voz causan el "cross-talk", consistente en que el
abonado escucha interferencias de fondo debidas a una transmisión no deseada. Sobre los canales
de control, las interferencias conducen a llamadas perdidas o bloqueadas debido a errores en la
señalización digital. Las interferencias son más fuertes en las áreas urbanas, debido al mayor ruido
de radio frecuencia y al gran número de estaciones base y móviles. Las interferencias son las
responsables de formar un cuello de botella en la capacidad y de la mayoría de las llamadas
entrecortadas. Los dos tipos principales de interferencias generadas por sistemas son las
interferencias co-canal y las interferencias entre canales adyacentes. Aunque las señales de
interferencia se generan frecuentemente dentro del sistema celular, son difíciles de controlar en la
práctica (debido a los efectos de propagación aleatoria). Pero las interferencias más difíciles de
controlar son las debidas a otros usuarios de fuera de la banda (de otros sistemas celulares, por
ejemplo), que llegan sin avisar debido a los productos de intermodulación intermitentes o a
sobrecargas del terminal de otro abonado. En la práctica, los transmisores de portadoras de
sistemas celulares de la competencia, son frecuentemente una fuente significativa de interferencias
de fuera de banda, dado que la competencia frecuentemente coloca sus estaciones base cerca,
para proporcionar una cobertura comparable a sus abonados.
1.3.1 INTERFERENCIA CO-CANAL Y CAPACIDAD DEL SISTEMA
La reutilización de frecuencias implica que en un área de cobertura dada haya varias celdas que
usen el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales, y la
interferencia entre las señales de estas celdas se le llama interferencia co-canal. Al contrario que el
ruido térmico, que se puede superar incrementando la relación señal ruido ("Signal to Noise Ratio" o
SNR), la interferencia co-canal no se puede combatir simplemente incrementando la potencia de
portadora de un transmisor. Esto es debido a que un incremento en la potencia de portadora de
transmisión de una celda, incrementa la interferencia hacia las celdas co-canales vecinas. Para
reducir la interferencia co-canal las celdas co-canales deben estar físicamente separadas por una
distancia mínima que proporcione el suficiente aislamiento debido a las pérdidas en la propagación.
En un sistema celular, cuando el tamaño de cada celda es aproximadamente el mismo, la
interferencia co-canal es aproximadamente independiente de la potencia de transmisión y se
convierte en una función del radio de la celda (R), y de la distancia al centro de la celda co-canal
más próxima (D). Incrementando la relación D/R, se incrementa la separación entre celdas co-
canales relativa a la distancia de cobertura. El parámetro Q, llamado factor de reutilización co-canal,
está relacionado con el tamaño del clúster N. Para una geometría hexagonal sería
Un valor pequeño de Q proporciona una mayor capacidad dado que el tamaño del clúster N es
pequeño, mientras que un valor de Q grande mejora la calidad de la transmisión, debido a que es
menor la interferencia co-canal. Se debe llegar a un compromiso entre estos dos objetivos a la hora
del diseño.
1.3.2 INTERFERENCIA ENTRE CANALES ADYACENTES
Entran en este apartado las interferencias procedentes de señales que son adyacentes en
frecuencia a la señal deseada. Estas interferencias están producidas por la imperfección de los
filtros en los receptores que permiten a las frecuencias cercanas colarse dentro de la banda
pasante. El problema puede ser particularmente serio si un usuario de un canal adyacente está
transmitiendo en un rango muy próximo al receptor de un abonado, mientras que el receptor está
intentando recibir una estación base sobre el canal deseado. A esto se le suele llamar efecto
"nearfar", donde un transmisor cercano (que puede ser o no del mismo tipo que el usado en el
sistema celular) captura al receptor del abonado. Otra forma de reducir el mismo efecto es cuando
un móvil cercano a una estación base transmite sobre un canal cercano a otro que está usando un
móvil débil. La estación base puede tener dificultad para discriminar al usuario móvil deseado del
otro debido a la proximidad entre los canales.
Este tipo de interferencias se pueden minimizar filtrando cuidadosamente, y con una correcta
asignación de frecuencias. Dado que cada celda maneja sólo un conjunto del total de canales, los
canales a asignar en cada celda no deben estar próximos en frecuencias.
1.3.3 CONTROL DE POTENCIA PARA REDUCIR LAS INTERFERENCIAS
En los sistemas celulares de radio, los niveles de potencia transmitida por cada unidad de los
abonados, están bajo un control constante por las estaciones base servidoras. Esto se hace para
asegurar que cada móvil transmite la potencia más baja necesaria y así reducir las interferencias
entre canales.
1.4 TIPOS DE SIS TEMAS CELULARES E IMPACTO EN EL MERCADO
Tabla 1.1. Resumen de sistemas celulares.
Estos sistemas son incompatibles entre sí, lo cual dio lugar a plantearse la implantación de un
sistema celular a nivel mundial. He aquí la razón de ser del modelo GSM.
2. GSM
2.1 INTRODUCCIÓN
A principios de los 80 los sistemas celulares analógicos experimentaron un gran crecimiento en
Europa. Cada país desarrolló su propio sistema, incompatible con el de otro país. Esta situación no
era deseable debido a que la movilidad se limitaba a cada país y lo que es tan importante, los
mercados eran muy limitados. En 1982, la CEPT (Conference of European Post and Telegraphs)
formó un grupo de estudio denominado GSM (Groupe Spécial Mobile) para desarrollar un sistema
pan-europeo de telefonía móvil. En este trabajo se pretende dar una visión general de un sistema
GSM, cuyas especificaciones tienen más de 6.000 páginas, y que junto con su sistema gemelo
operando en 1800 MHz, denominado DCS-1800 son una primera aproximación a un sistema
personal de telecomunicaciones.
2.2 PERSPECTIVA HISTÓRICA
Los factores que promovieron la aparición del GSM son:
– Limitación de capacidad de los sistemas analógicos.
– Saturación de los sistemas analógicos.
– Conveniencia de un sistema de cobertura europea.
– Intento de establecer un estándar europeo para la industria.
En 1989 la responsabilidad del GSM se trasladó al ETSI (Europen Telecommunications Standards
Institute) y las primeras especificaciones se publicaron en 1990. El GSM comenzó su servicio de
forma comercial a mediados de 1991, y en 1993 había 36 redes GSM en 22 países. GSM no es sólo
un estándar europeo. Las redes GSM (incluyendo DCS1800 y PCS1800) son actualmente
operativas (o en fase de planificación) en más de 80 países. A principios de 1994 había 1,3 millones
de usuarios y a principios de 1995 alrededor de 10 millones de usuarios en todo el mundo. Se
estima que en año 2.000 tenga un número de usuarios entre 15 y 20 millones; para el DCS-1800 se
esperan entre 4 a 13 millones para el citado año 2.000.
El GSM ofrece movilidad internacional, y una gran variedad de servicios como telefonía,
transferencia de datos, fax, mensajes cortos, y se acerca a los requerimientos de un sistema de
comunicaciones personales. De hecho está siendo usado como base para la siguiente generación
de tecnología de comunicaciones en Europa, el UMTS (Universal Mobile Telecommunication
System).
El GSM es un estándar muy complejo, pero esto es el precio que hay que pagar para alcanzar el
nivel de servicios y la calidad ofrecida usando un medio con unas restricciones tan importantes
como es la radio.
2.3 ARQUITECTURA DE LA RED
La red GSM está compuesta por numerosas entidades funcionales. En la figura 1 se muestra una
red GSM típica. La red GSM puede dividirse en cuatro partes:
1. Equipo móvil (ME). Es el terminal de usuario.
2. Subsistema de Estaciones Base (BSS). Controla el enlace de radio con el ME.
3. Subsistema de red. Su parte principal es el Centro de Conmutación para Móviles (MSC). Ofrece el
servicio de conmutación de llamadas entre los móviles y la red fija y el manejo de la movilidad.
4. Centro de Mantenimiento y Operaciones (OMC). Controla la operación del sistema y la
inicialización de la red.
Figura 4. Arquitectura de una red GSM
ESTACIÓN MÓVIL
La estación móvil consta del equipo móvil (terminal) y una Smart Card llamada SIM (Subscriber
Identity Module). El SIM es el que permite la movilidad, así el usuario con dicha tarjeta puede
acceder a la red desde cualquier terminal. La tarjeta SIM puede ser protegida contra uso no
autorizado mediante el uso de password o número de identificación personal. El terminal se
identifica de forma inequívoca mediante el IMEI (International Mobile Equipment Identity). El IMEI y
el IMSI son independientes.
El ME y el BSS se comunica a través del denominado interface Um, al que también se conoce como
Interface aire.
El equipo móvil usa tecnología de microprocesadores VSLI (Very Large Scale Integration) con lo que
muchas de sus funciones pueden ser integradas en un solo circuito integrado, lo que resultan
terminales más ligeros, compactos, y con una mayor eficiencia en el uso de la energía.
SUBSISTEMA DE ESTACIÓN BASE (BSS)
El BTS (Base Station Subsystem) está compuesto por dos partes: el BTS (Base Station Transceiver)
y el BSC (Base Station Controller). Estas se comunican mediante el llamado Interface Abis. Este
interface está basado en vías PCM de 2 Mb/s o de 64 Kb/s.
El BTS lleva el transmisor/receptor de radio que define la célula y maneja el protocolo de radio con
la Estación Móvil.
El BSC maneja los recursos de radio de una o más BTS. Maneja la inicialización de los canales de
radio, el salto en frecuencia y los handover. Es la conexión entre la Estación Móvil y el MSC.
En GSM el tamaño de la celda es variable, siendo valores típicos entre 350 m y 35 km.
SUBSISTEMA DE RED
El componente principal de este sistema es el MSC (Mobile services Switching Center).
Actúa como un nodo de conmutación normal de una red PSTN o ISDN añadiendo todas las
funciones necesarias para manejar un usuario móvil, como su registro, autenticación, localización
handovers... El MSC facilita la conexión con las redes fijas utilizando el SS7 (Signalling System
Number 7). El interface entre el BSC y las BTS se realiza mediante el Interfaz A, basado en vías
PCM de 2 Mb/s.
En general, el BTS y el BSC se integran en un mismo equipo, el BSS (Base Station Subsystem).
También cada MSC tiene su propio VLR, que puede cubrir varias áreas.
Cada área se identifica por una identidad de área (LAI) compuesta por tres dígitos de país, dos de
red GSM (puede haber varios proveedores en un mismo país) y dos octetos de identidad de área.
Cada celda se identifica por una identidad de área, más un campo variable de identidad de celda
que siempre es menor de 16 bits.
Por otro lado, cada estación base tiene un código de 6 bits denominado BSIC con el que se
distingue de los adyacentes para el envío de las medidas hacia el MSC. Este BSIC puede repetirse
en el mismo país para dos BTS que no estén próximas.
En el MSC hay 4 registros o bases de datos: HLR, VLR, EIR, AuC.
IDENTIDADES EN GSM
El HLR (Home Location Register) y el VLR (Visitor Location Register) junto con el MSC proporcionan
la ruta o camino de la llamada (routing) y la capacidad de roaming (seguimiento de la llamada) del
GSM (Figura 5).
Figura 5. Identidades en GSM
El HLR (en castellano se denomina RPB, registro de posiciones base) contiene toda la información
administrativa de cada cliente registrado en la red GSM con la actual localización del móvil. Hay un
HLR por cada red GSM, aunque puede estar implementado en una base de datos distribuida.
El VLR contiene la información del HLR necesaria para el control y ejecución de los servicios
contratados para cada móvil situado en el área geográfica controlada por el VLR. Aunque el VLR
puede ser configurado como una entidad independiente todos los fabricantes lo sitúan junto en el
MSC, de forma que el área geográfica controlada por el MSC corresponde a la controlada por el
VLR. De esta forma se simplifica la señalización.
Los otros dos registros se utilizan para autenticación y seguridad. El EIR (Equipmenent Identity
Register) es una base de datos que contiene una lista de los equipos móviles válidos en la red en
donde cada estación móvil se identifica con su IMEI.
El AuC (Authentication Center) es una base de datos protegida que almacena una copia de la clave
secreta almacenada en cada tarjeta SIM y que se utiliza para la autenticación y encriptado de la
señal en el canal de radio.
Cada usuario posee un número personal denominado IMSI, de ámbito internacional. Está
memorizado en la tarjeta SIM (Subscriber Identity Module) en la cual también se graba un código
personal PIN de cuatro dígitos que protege del uso indebido del terminal. De esta clave secreta una
copia se almacena en la tarjeta SIM y otra en el AuC. El usuario también se identifica, para el resto
de los que le llaman, por su número de directorio ISDN.
El IMEI es un número de identificación grabado internamente por el fabricante. Este número puede
ser solicitado por la red para comprobar si no se encuentra en una lista de equipos robados o con
mal funcionamiento.
Cuando un móvil se mueve por un área controlada por un VLR, en éste se le asigna un número
temporal (TMSI). En el HLR y en el VLR se memorizan para usuario unas claves Ki y Kc que sirven
para autenticar y cifrar. En la tarjeta también se graba la identidad de la última área de localización
visitada.
En el centro de autenticación (AuC) que puede estar en el mismo lugar que el HLR se genera y
almacenan por cada IMSI cinco tripletas de autenticación compuestas por cinco conjuntos de serie
pregunta, serie respuesta y llave de cifrado.
AUTENTACIÓN
Cuando un móvil entra en una celda perteneciente a un área diferente de la última visitada debe
actualizar su localización. Para ello, figura 6, se envía al nuevo VLR una petición de actualización,
en donde incluye su último TMSI y la identidad de la última área visitada. Este VLR le pide al antiguo
una serie de datos de móvil, y éste le contesta envían el IMSI, la clave KC y una tripleta.
Figura 6. Autentificación y cifrado
El nuevo VLR le envía al móvil una petición de autenticación junto con una serie aleatoria. Este
proceso implica a dos entidades funcionales: la tarjeta SIM del móvil y el Centro de Autenticación
(AuC). Durante la autenticación, el AuC genera un número aleatorio que envía al móvil. El móvil y el
AuC junto con la clave secreta Ki y un algoritmo de cifrado denominado A3 genera una señal de
respuesta SRES que se envía de vuelta al AuC. Si el número enviado por el móvil es el mismo que
el calculado por el AuC el móvil se considera autentificado.
En el caso que el móvil entre en la red por primera vez (no hay VLR antiguo), envía al actual VLR su
IMSI en la petición de actualización.
2.4 ENLACE DE RADIO
La UIT (International Telecommunication Union), que maneja la localización de los canales de radio
le ha dado las siguientes frecuencias al GSM en Europa:
- UPLINK (de móvil a Estación Base): 890-915 MHz.
-DOWNLINK (de Estación Base a Móvil): 935-960 MHz.
Las principales características del GSM son:
- Tipo de servicio: telefonía celular pública.
- El acceso al medio se realiza mediante TDMA/FDM, esto es acceso por división el tiempo.
- Tiene 124 canales, y cada canal puede dar servicio a 8 o 16 usuarios a la vez.
- Ancho de banda del canal 200 kHz.
- La modulación empleada es GMSK.
- La velocidad máxima del canal de radio es 270.833 kbps
- Duración de un bit de 3,692 msec.
- La longitud de una trama es de 4,615 msec, y la longitud de un slot de tiempo 0,577 msec.
- Codificación de la voz: RELP-LTP 13 kbps
- Potencia de salida de 20 mW a 20W.
- La especificación es la GSM Standard.
MÚLTIPLE ACCESO Y ESTRUCTURA DEL CANAL
Dado que el canal de radio es un recurso limitado debe ser compartido por tantos usuarios como
sea posible. El método elegido por GSM es una combinación TDMA / FDMA (Time and Frequency
Division Multiple Access). FDMA implica la división en frecuencia. Se divide la banda asignada en
124 frecuencias de portadora con un ancho de banda de 25 MHz y separadas 200 kHz. Cada una
de estas frecuencias es entonces dividida en tiempo utilizando el TDMA (figura 7). La unidad de
tiempo en este esquema TDMA se denomina canal y es de 15/26 ms (0.5578 ms). Se agrupan ocho
canales en una trama TDMA (120/26 ms, 4,615 ms) que forma la unidad básica para la definición de
los canales lógicos.
Figura 7. Ejemplo de utilización de TDMA
De todas las frecuencias asignadas a una BTS (fo...fn), la fo se denomina frecuencia piloto de la
celda (beacon frequency) y se dedica obligatoriamente durante el slot de tiempo cero (y
opcionalmente en los 2, 4 6) a la emisión y recepción de canales de control. En cada frecuencia
asignada a una celda hay 8 canales, numerados del 0 al 7. El canal 0 de fo se denomina canal piloto
o canal de control. El resto de las frecuencias y los canales 1 al 7 de fo se denominan canales de
tráfico.
La BSC asigna par un determinado móvil en una conexión una frecuencia y un slot de tiempo. Los
sucesivos envíos de bits que cada móvil hace o escucha en su tiempo de trama TDMA constituyen
su canal, definido por tanto por la frecuencia y el slot de tiempo.
Para separar un canal de otro la portadora sube su nivel de energía de forma progresiva (ramp up),
emite, y baja su nivel de tensión progresivamente (ramp down). Estos tiempos de subida y bajada en
rampa que separan un canal de otro se denominan tiempos de guarda y equivalen a los tiempos de
transmisión de 8,25 bits.
Canales de tráfico
Un canal de tráfico se utiliza para voz y datos. Los canales de tráfico se definen usando una
multitrama de 26 tramas (grupo de 26 tramas TDMA). La longitud de una multitrama es 120 ms. De
las 26 tramas, 24 se usan para tráfico, 1 para el SACCH (Slow Associated Control Channel) y 1
actualmente no se usa. El TCH (Traffic Channel) para uplink y downlink están separados en el
tiempo por 3 veces la duración de un canal (3x0.5578 ms), con lo que el móvil no transmite y recibe
simultáneamente, con lo que se simplifica la electrónica.
Figura 8. Tramas y Multitramas en una red GSM
Cada canal de tráfico transporta 156,25 bits cada 0,577 ms de una comunicación. Estos bits son
usados para una comunicación de voz o de datos previos procesos de codificación de voz, de canal
y entrelazado en un caso o de bloque, de canal y entrelazado en otro.
En caso de envío de datos el terminal puede pedir envío transparente o no. En el primer caso se
adapta el flujo de datos de 2400 a 9600 b/s al canal de tráfico; después se pasan los datos por un
algoritmo de bloque, antes de la codificación de canal. En el segundo caso los datos se envían
insertados en campos de información de tramas de un protocolo HDLC de formato particular.
Opcionalmente la Red puede usar el procedimiento de salto en frecuencias (frequency hopping) que
consiste en enviar cada canal no por una portadora fija sino que se cambian cada trama. El orden de
cambio sigue una secuencia fija, existiendo hasta 64 secuencias.
Los canales de control se organizan en multitramas de 26 tramas (cada trama tiene 8 canales) que a
su vez forman conjuntos de 51 supertramas. A partir de aquí se forman hipertramas con 2047
supertramas.
Figura 9. Hipertramas en una red
Canales de control
Estos canales de control no se utilizan para transmitir voz, únicamente para radiar o recibir
información general hacia o desde todos los móviles situados en la celda. Esta información se utiliza
para el control y el manejo de las comunicaciones, como peticiones de servicio o respuestas a
llamadas.
Los canales de control se organizan en multitramas de 51 tramas (cada trama tiene 8 canales) que a
su vez forman conjuntos de 26 supertramas. A partir de aquí se forman hipertramas con 2047
supertramas.
Se pueden distinguir entre:
Canales de difusión. Son escuchamos por todos los móviles.
BCCH: Canal de control de difusión (de BSS a todas las MS). Se envía en el slot 0 de fo y contiene
6 mensajes de 23 bytes cada uno con información de difusión diversa. A cada paquete de 23 bytes
se le añade un código cíclico, pasando a 244 bits y luego se pasa por un código convolucional de
1/2, obteniéndose 456 bits. Entre la información que se envía por este canal se incluyen las
identidades de la red, la celda y el área, las frecuencias utilizadas en la celda, incluyendo fo, el
mínimo nivel de recepción y la máxima potencia a utilizar.
FCCH: Canal de corrección de frecuencia (de BSS a todas las MS). Es un patrón de bits fijos que al
pasar al modulador producen 1,625 kHz sobre fo. Esta frecuencia en recepción sirve para la
sintonización de los móviles.
SCCH: Canal de sincronización (de BSS a todas las MS). En este canal se incluyen datos como el
número de trama. El subsistema de Estación Base envía los canales de control ordenados en
tramas, de 0 a 2715647, de modo que se puedan poner de acuerdo ambos extremos en procesos
tales como el cifrado. También se envía la secuencia de entrenamiento del ecualizador y la identidad
(BSIC) de la Estación Base formada por 6 bits que diferencian una estación de las vecinas.
Figura 10. Antena GSM
Canales de control común. Son comunes a todos los usuarios. Van dirigidos a un móvil concreto.
Constan de 23 bytes que se convierten en 456 bits después de codificarse y pasar por un código
convolucional.
RACH: Canal de acceso aleatorio (de BSS a 1 MS)
PCH: Canal de búsqueda (de 1 MS al BSS)
AGCH: Canal de acceso aleatorio (de BSS a 1 MS)
Canales de control dedicados. Canal asignado a un móvil en un momento.
SDCCH: Canal dedicado de control independiente (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). Es un canal
de señalización que consta de 23 bytes que se envían sobre una trama HDLC. Estos 23 bytes se
convierten en 4 bloques de 114 bits que se envían consecutivamente en 4 slots de tiempo
consecutivos.
SACCH: Canal dedicado de control lentamente asociado (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). En este
canal se envían medidas del móvil a la estación y consta de mensajes de 23 bytes con medidas de
recepción de la misma fo a la que está sintonizado y de las fo de las celdas vecinas que observa.
Estos 23 bytes se convierten en 4 bloques de 114 bits que se envían consecutivamente en 4 slots
de tiempo consecutivos.
FACCH: Canal dedicado de control rápidamente asociado (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS).
CODIFICACIÓN DE VOZ
GSM es un sistema digital, con lo que hemos de digitalizar la voz para enviarla por el interfaz aire.
La voz se convierte de analógica en digital mediante un conversor que proporciona 8.000 muestras
por segundo de 13 bits cada una. El método empleado por las redes ISDN y los actuales sistemas
telefónicos es la modulación PCM (Pulse Code Modulation). La trama de salida del PCM son 64
kbps, que es una velocidad demasiado alta para un canal de radio. El grupo GSM estudió muchos
algoritmos de digitalización y eligió un sistema de codificación denominado RPE-LPC con LTPL
(Regular Puse Excited - Linear Predictive Coder with Long Term Predictor Loop). Básicamente, la
información obtenida de las muestras anteriores, que no cambia muy rápidamente, se usa para
predecir la muestra actual. La voz se divide en muestras de 20 ms, y cada una de ellas se codifica
como 260 bits, dando una velocidad de 13 kbps.
CODIFICACIÓN DE CANAL Y MODULACIÓN
A causa de las interferencias electromagnéticas tanto naturales como producidas por el hombre, la
voz y los datos codificados en el interfaz radio deben ser protegidos de errores. El GSM utiliza
codificación convolucional y entrelazado para proteger los datos. El algoritmo usado es diferentes
para la voz y las diferentes velocidades de datos. En el caso de la voz el método se describe a
continuación.
Figura 11. Estructura del protocolo de señalización en GSM
Se ha encontrado que algunos bits del bloque de 260 bits son más susceptibles a errores que otros.
Se han dividido entonces en tres clases:
– Clase Ia: 50 bits. Los más sensibles a errores.
– Clase Ib: 132 bits. Moderadamente sensibles a errores.
– Clase II: 78 bits. Los menos sensibles a errores
Los bits de clase I tienen 3 bits de CRC (Cyclic Redundancy Code) para detección de errores. A
estos 53 bits junto con los 132 bits de clase Ib y 4 bits de fin de trama (total 189 bits) se les aplica un
código convolucional de velocidad 1/2 y longitud 4. Cada entrada se codifica como 2 bits de salida
basada en la combinación de los 4 bits anteriores. La salida de este codificador convolucional son
378 bits, a los que se añaden los 78 bits de clase II, que no se protegen. De esta forma, cada 20 ms
de conversación se convierten en 456 bits, dando una velocidad de 22.8 kbps.
Para proteger contra errores de ráfaga, estas muestras se entrelazan. Estos 456 bits se dividen en 8
bloques de 56 bits y se transmiten en 8 tramas consecutivas.
La señal digital se modula en una portadora analógica utilizando una modulación GMSK. Se ha
seleccionado esta modulación como un compromiso entre eficacia espectral, complejidad del
emisor, y limitación de espúreos. Esta limitación de espúreos debe ser controlada fuera del ancho de
banda permitido para limitar la interferencia con los canales adyacentes y permitir la coexistencia del
GSM con los sistemas analógicos.
Figura 12. Localización del móvil
ECUALIZACIÓN MULTIPATH
A la frecuencia de 900 MHz las ondas de radio rebotan con todo: edificios, colinas, vehículos,
aviones.... Muchas de estas ondas reflejadas, cada una con diferente fase, llegan a la antena
receptora. La ecualización se utiliza para extraer la señal deseada de las reflexiones. El sistema
trabaja analizando cómo se ven afectadas las señales debido al efecto multipath y construyendo un
filtro inverso para recuperar la señal. Par ello utiliza una secuencia de bits de entrenamiento situados
en mitad de cada trama. En GSM se consideran cuatro modelos de propagación multipath: urbano,
montaña, rural y suburbano. Se asumen para ellos diferentes formas y duraciones: entre 18 ms a
20ms o hasta 5 bits.
En general, las antenas del GSM, que están polarizadas verticalmente, están situadas en zonas
urbanas en lo alto de edificios y en zonas rurales en lo alto de torres construidas a al efecto.
Se suelen poner 9 antenas situadas en tres planos a 120º (figura 2) de forma que hay 3 antenas por
plano. De las 3 antenas situadas en cada plano las de los extremos son de recepción y la central de
transmisión.
SALTO DE FRECUENCIA
En el caso de no existir salto en frecuencia (hopping) la BS emite en una frecuencia dentro de las
subportadoras de que dispone dentro del conjunto de 124.
El GSM puede implementar un salto en frecuencia lento, donde el móvil y la BTS transmiten cada
trama TDMA en una diferente frecuencia de portadora. El algoritmo de salto en frecuencia se
difunde por el canal de control. Debido a que el multipath depende de la frecuencia de portadora,
este salto en frecuencia ayuda a aliviar el problema.
La unidad de hopping admite como entradas a una matriz de conmutación a las diferentes tramas y
como salida las líneas de input sobre el modulador que ataca a las diferentes m-portadoras
previstas. El número de portadoras deberá ser mayor o igual. A la unidad de control de hopping se le
puede indicar que un determinado slot de tiempo utilice siempre la misma portadora, es decir que
ese canal no se utilice en el hopping.
TRANSMISIÓN DISCONTÍNUA
Minimizar la interferencia entre canales es un reto en cualquier sistema celular, dado que ello
permite mejor servicio para un tamaño definido de celda o el uso de celdas más pequeñas, con lo
que se incrementa la capacidad del sistema. La transmisión discontinua (DTX) es un método que se
aprovecha del hecho de que una persona habla menos de un 40% en el tiempo normal de una
conversación, de esta forma el transmisor se apaga durante los períodos de silencio. Un beneficio
añadido es que se ahorra batería en el móvil.
El componente más importante del DTX es el sistema de detección de actividad vocal (VAD). Debe
distinguir entre voz y ruido de fondo, un asunto que no es trivial dado que si la voz se interpreta
como ruido, el transmisor se apaga. Por otro lado, si el transmisor se apaga no le llega nada de
sonido al receptor. Esto se manifiesta como si no hubiera nadie al otro lado de la línea, que es una
sensación sumamente incómoda. Por ello se crea un ruido de fondo con las características del ruido
de fondo del emisor.
RECEPCIÓN DISCONTINUA
Otro método usado para ahorrar baterías es la recepción discontinua. Cada estación móvil sólo
necesita escuchar el sub-canal por el que le llegan los datos. Entre dos sub-canales sucesivos se
puede poner en modo sleep, en donde el consumo de potencia es mucho menor.
CONTROL DE POTENCIA
Hay definidas 5 clases de estaciones móviles de acuerdo a la potencia del transmisor:
– Clase 1: 20 W/ 43 mdB.
– Clase 2: 8 W/ 39 mdB.
– Clase 3: 5 W/ 37 mdB.
– Clase 4: 2 W/ 33 mdB.
– Clase 5: 0,8 W/ 29 mdB.
Para hacer mínima la interferencia entre canales y ahorrar energía, ambos el móvil y la estación
base funcionan con el menor nivel de potencia necesario para mantener una señal de calidad
aceptable. El nivel de potencia se puede subir o bajar en pasos de 2dB hasta un mínimo de 13 mdB
(20 mW).
La Estación Móvil mide la potencia de la señal o la calidad de la misma (basada en el BER) y para
esta información al BSC, que es quien decide si hay que modificar la potencia de transmisión.
“El GSM ofrece movilidad internacional y una gran variedad de servicios como telefonía, fax,
transferencia de datos”
2.5 ASPECTOS DE LA RED
Asegurar la transmisión de datos y voz con una determinada calidad sobre el enlace de radio es sólo
una parte de las funciones de una red móvil celular. El hecho de que el área geográfica cubierta por
la red esté dividida en células necesita la implementación del mecanismo del handover. También el
hecho de que el móvil puede desplazarse por distintas naciones y proveedores de servicios
(roaming) requiere que el registro, autentificación, direccionamiento de llamadas y puesta al día de
los datos de localización del móvil sean funciones que deben estar implementadas en la red GSM.
Figura 13. Procedimiento de llamada
El protocolo de señalización en GSM está estructurado en tres capas (figura 7). La capa 1 es la capa
física, que utiliza la estructura de canales que se ha visto anteriormente. La capa 2 es la capa de
enlace de datos. A través del interface Um el enlace de datos es una versión modificada del
protocolo LAPD usado en ISDN, que se denomina LAPDm. La capa 3 del protocolo de señalización
de GSM se divide en tres subcapas:
- RR (Manejo de recursos de radio). Controla la inicialización, mantenimiento, y terminación de los
canales de radio, incluyendo los handovers.
- MM (Manejo de la movilidad). Maneja los procedimientos de registro y puesta al día de la
localización así como la seguridad y autenticación.
- CM (Manejo de la conexión). Maneja el control de las llamadas, los servicios complementarios y el
servicio de mensajes cortos.
La señalización entre las diferentes entidades en la parte fija de la red, así como entre el HLR y el
VLR se realiza a través del MAP (Mobile Aplication Part). La especificación del MAP es sumamente
compleja y es uno de los documentos más largos en las recomendaciones GSM (más de 500
páginas).
MANEJO DE LOS RECURSOS DE RADIO
La capa del manejo de los recursos de radio (RR) vigila el establecimiento del enlace, tanto de radio
como fijo, entre la estación móvil y el MSC. Una sesión RR se inicia siempre por un móvil a través
de un procedimiento de acceso, tanto para una llamada al exterior o como respuesta a un mensaje
de paging.
Maneja los recursos tales como la configuración de los canales de radio, la localización de canales
dedicados, características del canal de radio como control de potencia, transmisión discontínua....
HANDOVER
En una red celular, la radio y el enlace fijo no permanecen situados en el mismo sitio durante el
tiempo de llamada. El handover es la conmutación de una llamada en curso a un diferente canal o
celda. La ejecución y las medidas requeridas para el handover es una de las funciones básicas de la
capa RR. En GSM hay 4 tipos diferentes de handover:
– De canal en la misma celda
– De celda bajo el control de la misma BSC.
– De celda bajo el control de diferente BSC pero perteneciendo a la misma MSC.
– De calda bajo el control de diferente MSC.
Los dos primeros tipos se denominan handover internos implican una sola BSC. Son manejados por
la BSC sin implicar al MSC, excepto para notificar la terminación del mismo. Los dos últimos tipos se
denominan handover externos y se encargan de ellos las MSC implicadas. La MSC original se
denomina anchor MSC y la nueva relay MSC.
El handover se puede iniciar tanto por el móvil como por la MSC. El móvil explora el BCC de hasta
16 celdas vecinas y conforma una lista con las 6 mejores candidatas para posibles handover
basándose en la potencia de las señales recibidas.
El algoritmo para decidir cuándo hay que dar un handover no está especificado en las
recomendaciones GSM. Se usan dos tipos de algoritmo basados en el control de potencia.
Figura 14. Servicios portadores
MANEJO DE LA MOVILIDAD
La capa de manejo de la movilidad (MM) está situada encima de la capa RR y maneja las funciones
que derivan de la movilidad del abonado, así como los aspectos de autenticación y seguridad. El
manejo de la localización tiene que ver con los procedimientos que permiten al sistema conocer la
actual localización de un móvil para que se pueda completar el direccionamiento de una llamada.
Localización del móvil
El abonado enciende su terminal e introduce su tarjeta personal de identificación. En ella está su
IMSI y el último TMSI asignado. El móvil escucha las 124 frecuencias y selecciona las 30 mejores.
Busca las frecuencias fo (canal de sincronización), y elige la mejor. Estas medidas se hacen sobre al
menos 5 muestras durante 3 a 5 segundos.
Una vez encontrada fo lee la identidad de área de los datos difundidos por la BTS. Si es diferente de
la última memorizada en su tarjeta se procede a una actualización de localización.
Este mensaje de petición de actualización de localización la BSS lo retransmite hacia el MSC/VLR.
Este MSC/VLR envía un mensaje al antiguo MSC/VLR que le devuelve como respuesta una serie de
datos. El nuevo MSC/VLR le envía al móvil un mensaje de petición de autenticación a través del
BSS.
En el caso de que el móvil entre por primera vez en la red el MSC/VLR le envía los datos al HLR en
vez de al antiguo MSC/VLR.
El móvil envía al MCS/VLR una respuesta de autenticación. Si todo es correcto el MSC/VLR envía el
mensaje “actualiza localización” al HLR y envía al móvil un mensaje de comienzo de cifrado. El móvil
le envía al MSC/VLR un mensaje de comienzo de cifrado aceptado.
El BSS envía al móvil el mensaje “actualización aceptada” con un nuevo TMSI y la nueva identidad
de área en un mensaje cifrado. El móvil responde con el mensaje “completada la actualización del
TMSI”.
Figura 15. Sistema integral de comunicaciones móviles
Actualización de la localización
Un móvil encendido es informado de una llamada mediante un mensaje enviado por el canal
PAGCH de una celda. El GSM envía estos mensajes al área de localización donde se encuentra el
móvil. Únicamente es necesario actualizar la localización cuando el móvil sale fuera del área de
localización.
En los procedimientos de localización y subsiguiente direccionamiento de llamadas, se usan los
registros HLR y VLR. Cuando un móvil cambia de área de localización se envía un mensaje de
actualización de localización al nuevo MSC/VLR que guarda esta información y la envía al HLR. Por
razones de fiabilidad tiene un procedimiento periódico de actualización de localización. El tiempo
entre actualizaciones periódicas está controlado por el operador del sistema.
Cifrado y seguridad
Mediante la clave del usuario usando un algoritmo denominado A8 se puede obtener una clave para
cifrar el mensaje. . Esta clave de cifrado usa el algoritmo A5 para crear una secuencia de 114 bits a
la que se hace la función XoR la trama TDMA. Encriptar es una opción que no se usa demasiado ya
que en GSM la señal ya está codificada, entrelazada, y enviada en una trama TDMA lo que le da
una gran protección.
Otro nivel de seguridad está en el equipo móvil en sí mismo. El terminal móvil GSM se identifica por
el número IMEI. La lista de IMEI de la red se almacena en el EIR. Como respuesta a una petición de
IMEI al EIR se devuelve uno de los siguientes estados:
– Lista blanca. Se permite al terminal conectarse a la red.
– Lista gris. El terminal está bajo la observación de la red debido a posibles problemas.
– Lista negra. El terminal se ha denunciado como robado o es de un tipo que no está aprobado.
No se permite conectar el terminal a la red.
MANEJO DE LAS COMUNICACIONES
La capa de manejo de comunicaciones (CM) es responsable del control de llamadas (CC), del
manejo de los servicios suplementarios, y del manejo de los servicios de mensajes cortos. Cada uno
de estos puede considerarse como una subcapa separada dentro de la capa CM.
Direccionamiento de llamadas
En el caso de la red GSM, al ser una red para servicios a móviles, un usuario de esta red puede
moverse dentro de su país e incluso a otros países. El número a marcar para localizar a un móvil se
llama MSISDN (Mobile Subscriber ISDN) y está definido en el plan de numeración E.164. Este
número incluye un código de país, y un código de destino nacional, que identifica al operador.
Una llamada para un móvil se direcciona a la función Gateway MSC (GMSC). El GMSC interroga al
HLR para obtener la información del direccionamiento y además contiene una tabla que vincula los
MSISDN a sus correspondientes HLR. La información de direccionamiento que se le devuelve al
GMSC es el MSRN (Mobile Station Roaming Number), que está también definido en el plan de
numeración E.164 (figura 15).
“Para el acceso al canal radio se emplea una combinación TDMA/FDMA”
2.6 SERVICIOS OFRECIDOS
Existen en GSM tres tipos de servicios:
– Servicios portadores (Figura 13): Comunicación vía modem, paquetes, datos transparentes-no
transparentes...
1. Voz digitalizada usando 13 Kb/s en el interfaz aire y 64Kb/s en la red fija.
2. Digital sin restricciones, usando 12 Kb/s del canal de tráfico para envío de datos transparentes.
También se pueden enviar de forma no transparente utilizando tramas HDLC entre el móvil y el
MSC.
3. Audio 3,1 kHz para el envío de datos vía módem. Este envío se puede hacer de modo
transparente o no transparente.
4. Voz seguida de envío de datos digitales produciéndose el cambio mediante envío de un mensaje.
5. Voz seguida de envío de datos digitales produciéndose la alternancia por mensaje.
7. Acceso a PAD (red conmutada de paquetes). Se pueden enviar datos hasta 9600 bps hacia
PSTDN (Packet Switched Public Data Networks), ISDN... usando una gran variedad de protocolos
como X.25 o X.32
– Teleservicios: Telefonía de voz, fax...
El servicio básico del GSM es la telefonía. La voz se codifica de forma digital y se transmite por la
red GSM como un conjunto de bits.
1. Telefonía de voz.
2. Llamadas de emergencia destinadas a determinados números.
3. Distribución y radiodifusión de mensajes cortos (239 bytes máximo).
4. Distribución de correo electrónico.
5. Acceso a videotex.
6. Teletex.
7. Facsímil grupo 3.
8. Conversación alternada con facsímil.
– Servicios suplementarios: Desvíos de llamadas, llamada en espera...
1. Identificación de números: presentación del número del llamante, llamada maliciosa...
2. Facilidades para establecer llamada: desvío de llamadas, grupo de captura...
3. Facilidades para completar la llamada: llamada en espera...
4. Llamadas múltiples: conferencia múltiple...
5. Tarificación: aviso de tarificación, cobro revertido...
6. Prohibición de llamadas: salientes, internacionales, entrantes...
Este sistema incorpora el roaming o sea la posibilidad de ser localizado a nivel europeo, esto es
fuera de la cobertura del proveedor de servicios telefónicos del que seamos cliente.
En la figura 14 se representa un sistema integrado de comunicaciones móviles para dar cobertura
tanto a servicios de voz como de datos.
3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Analog and digital communication systems. Martin S. Roden. Prentice Hall.
Evaluating spread spectrum alternatives. Amos young. Wireless design and developement.
El futuro de las comunicaciones móviles: interoperatividad y/o convergencia. J. Bursztejn.
Comunicaciones Eléctricas. 3Q 1994.
Ingeniería de las telecomunicaciones. J. Dunlop y D.G. Smith. Editorial Gustavo Gili.
Cálculo de antenas. Armando García Domínguez. Marcombo. Boixareu editores.
Spread spectrum systems. R. C. Dixon. John wiley and sons.
Digital communications. Funfamentals and applications. Bernard Sklar. Prt Prentice Hall.
Mobile antenna systems handbook. k. J. Fujimoto y j. R. James. Artech House.
Gsm and peersonal communications. Siegmund redl, Mathias Weberm, Malcolm Oliphant. Artech
house.
GSM system engineering. Asha mehrota. Artech house.
http://www.coopvgg.com.ar/alumnado-gomara/Files/gsm.pdf