Comunicaciones Inalámbricas GSM Iván Bernal, Ph.D.

(1)

Comunicaciones Inalámbricas

GSM

Iván Bernal, Ph.D.

[email protected]

GSM

Quito – Ecuador

Copyright @2007, I. Bernal

Agenda

• Generalidades

• Identificadores

• Arquitectura e Interfaces

(2)

• A. Miceli, “Wireless Technician’s Handbook”, 2

nd

_{Edition, Artech House,}

2003.

• T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles & Practice”,

Prentice Hall

Bibliografía

Prentice Hall.

• First Edition: 1995. • Second Edition: 2001.

• W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2

nd

_Edition,

Prentice Hall, 2005.

• S. Redl, M. Weber, M. Oliphant, “GSM and Personal Communications

Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007

Marzo 2007 33

Handbook”, Artech House, 1998.

• Otros

• http://www.gsmworld.com

Introducción

• Groupe Spécial Mobile

Grupo encomendado en establecer un nuevo estándar digital.

Crear un sistema digital celular en el que roaming internacional se realice fácilmente con una variedad de servicios mejorados.

¾A diferencia de D-AMPS, GSM no requería soportar la red analógica existente, sino que sería un reemplazo total.

¾Para resolver el problema de fragmentación de los primeros sistemas celulares en Europa.

Como apoyo al grupo, la Comunidad Europea asignó una nueva región del espectro, específicamente para el sistema totalmente digital.

• Global System for Mobile Communications

Convenientemente, las iniciales se acomodaron al nuevo significado. Regulado por ETSI que lo adoptó en 1991.

A fines de 1993, algunos países no europeos, como países en Sudamérica, Asia y Australia adoptaron GSM. Es un estándar de un sistema de segunda generación.

• El fenomenal crecimiento del estándar por todo el mundo no tiene precedentes.

Alguna forma de GSM se usa en todo continente habitado.

(3)

Introducción

• http://www.gsmworld.com/news/press_2006/press06_29.shtml

• With an estimated 3 billion mobile subscribers by 2008

Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 55

Introducción

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Introducción

• Variedades (

ARFCN- absolute radio frequency channel number)

• Existe versión a 400 MHz

GSM 400

• ETSI estableció una norma

regional para la aplicación GSM

en la banda de 400 MHz.

• La utilización de frecuencias en la

banda 400 MHz, en lugar de las

bandas 900/1800 MHz, permite

que cada estación base cubra una

zona más amplia.

• La cobertura de una zona amplia

se adapta mejor a la baja densidad

de las poblaciones rurales

poblaciones rurales,

(5)

Introducción

• Variedades

La diferencia principal es la banda de frecuencia utilizada.

GSM en el Continente Americano

¾Se usa en la banda PCS y se lo conoce como PCS-1900.

GSM en Europa

¾Usa la banda de 900 MHz.

¾Se ha separado la banda de 1800 MHz y se lo conoce como DCS-1800 (Digital Cellular System).

Introducción

• Ventajas sobre sistemas analógicos

Soporte para roaming internacional

Una distinción entre usuario y dispositivo

Calidad mejorada de voz

j

Seguridad (autenticación y encripción)

¾Una transmisión en GSM está encriptada, es privada.

Nuevos servicios adicionales (SMS y caller ID)

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Introducción

• Un verdadero estándar

Se estandariza todo el sistema, incluyendo todas las interfaces entre los diferentes componentes del sistema. ¾En el caso de los sistemas norteamericanos, la mayor parte de las interfaces son propietarias.

¾La mayoría de sistemas norteamericanos tomaron gran parte de la terminología para sus sistemas de GSM.

Especifica modulación digital, arquitectura a nivel de red y servicios.

• Arquitectura

GSM se refiere a las interfaces estandarizadas específicamente como se indica en la figura.

Nomenclatura conocida: BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller), BSS (Base Station

System), MSC.

¾BSC (Base Station Controller):

9Asignación de recursos de radio a una estación móvil, para una o varias BTSs .

9Administración de las frecuencias de radio (frequency hopping).

9Maneja el handoff de una estación móvil de una celda a otra dentro del BSS.

9Controla el paging Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 1111 9Controla el paging.

9La función BSC puede estar físicamente ubicada en el mismo lugar que una BTS.

En este caso no se necesita el interfaz Abis.

El MSC sirve como la puerta de enlace hacia: ¾El mundo exterior (PSTN).

¾Diferentes bases de datos necesarias para administrar a los usuarios en la red.

9HLR, VLR, AC, EIR.

Introducción

• HLR y VLR

Ayudan en el objetivo principal de diseño de GSM:

roaming internacional.

En estas bases de datos se almacenan la información y ubicación de las estaciones móviles, de tal forma que la red pueda enrutar las llamadas

apropiadamente.

La HLR contiene detalles de la suscripción de cada abonado (información mayoritariamente estática).

¾Puede manejar, típicamente, la información de cientos de miles de abonados.

¾Para ubicar al abonado, la HLR almacena la información del área área en la que el abonado se registró por última vez.

La VLR contiene información dinámica de los usuarios que están asociados a la red móvil, incluyendo la ubicación geográfica.

¾La VLR está usualmente integrada a la MSC.

¾Típicamente, una VLR está asociada con una sola MSC.

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Introducción

• HLR y VLR

A cada abonado se le asigna a una HLR específica, que actúa como un punto de referencia en donde se almacena la información de ubicación actual del usuario.

Para reducir la carga del HLR se introdujo el VLR.

¾La VLR maneja muchas de las consultas relacionadas al abonado (como consultas sobre la

¾La VLR maneja muchas de las consultas relacionadas al abonado (como consultas sobre la ubicación).

¾A cada VLR se le asigna un área geográfica limitada mientras que la HLR trata con tareas que son independientes de la ubicación del abonado.

Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 1313

Introducción

• HLR y VLR

Considerar el EJEMPLO de un abonado en movimiento.

¾A medida que el abonado se mueve de un lugar a otro, los datos se pasan del VLR del lugar al cual abandona el usuario (“VLR vieja”) al VLR de la ubicación a la cual entra (“VLR nueva”)

9La VLR vieja entrega los datos a la nueva VLR

¾Hay ocasiones en las que la nueva VLR tiene que pedir al HLR del abonado datos adicionales.

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Introducción

• EIR

Es una base de datos que almacena el IMEI de todas las estaciones móviles y características del equipo que existe en la estación móvil.

¾International Mobile Equipment Identity

Se puede averiguar si el móvil es robado o no muy rápidamente.

• AuC

El centro de autenticación se usa para autenticación.

Tarjeta SIM (Subscriber Identity Module) ¾Tarjeta usada por los móviles y contiene una

llave especial.

¾Una copia de esta llave se almacena en AuC

Marzo 2007 1515

¾Una copia de esta llave se almacena en AuC.

Se implementa como parte integral de la HLR.

¾La interfaz H entre ellas nunca se detalló.

Introducción

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Generalidades

• GMSK

Gaussian Minimum Shift Keying.

Cambios de fase y envolvente constante.

• En GSM se usan canales de 200 kHz.

Con bandas de 25MHz se tienen 125 canales (sin asumir bandas de guarda) cada uno compartido usando Con bandas de 25MHz se tienen 125 canales (sin asumir bandas de guarda), cada uno compartido usando

TDMA con 8 ranuras de tiempo, da un total de 1000 canales.

¾Considerando dos bandas de guarda de 100 kHz, se tienen solo 124 canales.

• El ritmo de transmisión en GSM es de 270.833 kbps.

Por usuario es 270.833/8=33.854 kbps.

Considerando el overhead, los datos del usuario se transmiten a 22.8 kbps.

• Radio de la celda

Marzo 2007 1717

Entre 100 m y 35 km dependiendo de la situación.

• Detalle sobre TDMA

En NA-TDMA, en la dirección downlink, la estación base transmitía de forma continua todas las ranuras, sin importar si las ranuras fueron asignadas o no.

En GSM se especifica que la estación base puede desconectar el transmisor si las ranuras no se necesitan.

Generalidades

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Identificadores

• Muchos de los identificadores se almacenan en la tarjeta SIM.

El usuario final puede cambiarse a un teléfono diferente solo sacando la tarjeta del teléfono original e insertando la tarjeta en otro diferente.

¾Las unidades GSM son totalmente genéricas hasta que se inserta el SIM.

¾Excepto por ciertas comunicaciones de emergencia, las unidades GSM no trabajarán sin un SIM.p p g , j

Como la tarjeta contiene los identificadores únicos, el usuario retiene el mismo número, plan de servicio, e incluso el directorio de marcado rápido.

Para idea de la capacidad de memoria del SIM

¾http://mk.com.vn/english/index.asp?Cat_ID=5&SubCat_ID=51&News_ID=100 Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 1919

Identificadores

• Identificadores pueden estar asociados a:

La tarjeta SIM

La red (BTS)

Estación móvil

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Identificadores

• IMEI (International Mobile Equipment Identifier)

Número de serie de 15 dígitos que se asigna a la estación móvil al momento de fabricación.

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)

Es el número de teléfono asignado por el i al s ario

Es el número de teléfono asignado por el carrier al usuario.

15 dígitos consideran el código de país para ofrecer servicio internacional.

Se almacena en el SIM.

• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

Es asignado por el VLR luego de que un móvil se establece en la red.

La red lo utiliza en lugar del IMSI para realizar algunas tareas de administración de la

Marzo 2007 2121

llamada.

Es mas pequeño que el IMSI

¾Es mas eficiente transmitir el TMSI (es mas corto).

¾Mejora en algo la seguridad porque el IMSI ya no debe ser transmitido frecuentemente.

Identificadores

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Identificadores

• Ki (Authentication Key)

Ki es asignada al usuario y reside en el SIM.

No se transmite y se usa para el cálculo de Kc.

• Kc (Cipher Key)

(

p

y)

Se usa para proteger la información transmitida y previene intercepción no autorizada.

• Mobile Station Classmark

Informa a la red de las capacidades de la estación móvil.

¾Versión del protocolo soportado

¾Niveles de potencia soportados

¾Capacidades de encripción

Marzo 2007 2323

¾Las frecuencias que soporta

¾Habilidades de la estación móvil para soportar servicios especiales • LAI (Location Area Identity)

Identifica el país y sistema de la estación base.

Similar al SID usado en sistemas norteamericanos.

Identificadores

• BSIC (Base Station Identity Code) y secuencia de entrenamiento

Se asignan a cada estación base.

Tienen un propósito similar al SAT en AMPS o el DVCC en NA-TDMA.

¾Se retransmite el código BSIC a la BS.

L i d i bié li ió

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Niveles de potencia

• Se permiten 5 clases de estaciones móviles divididas en base a la máxima

potencia que pueden radiar.

Para GSM900

¾La clase mas alta permite 20 W de salida (43 dBm).

¾L l b j it 800 W (29 dB )

¾La clase mas baja permite 800 mW (29 dBm).

¾Típicamente, las estaciones móviles de mano (handheld) tienen una potencia máxima de 2W (clase 4), pero como los terminales solo transmiten 1/8 del tiempo, la potencia transmitida promedio es de 250 mW.

¾Una unidad vehicular es típicamente de Clase 2.

¾Cada MS puede disminuir su potencia desde su máximo hasta 5 dBm en pasos de 2 dB.

Niveles de potencia

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Niveles de potencia

• DTX (Discontinuous Transmission)

Detecta si hay actividad de voz, si no hay el transmisor no transmite.

¾Durante una conversación telefónica típica, una persona habla generalmente alrededor del 40% del tiempo y permanece en silencio el otro 60%.

¾Se debe detectar exactamente los periodos de silencio en la voz del usuario.

9Voice Activity Detection (VAD): la energía en la señal de voz se calcula para cada bloque de voz y se realiza una decisión utilizando un umbral adaptivo.

Es voz o ruido?

Comfort noise

¾Si el transmisor se apaga, el otro lado de la llamada “escucharía un silencio total”, que suele ser una sensación molestosa.

Marzo 2007 2727

¾Para solucionar esto se usa este “comfort noise”, para asegurar al otro lado que la llamada está todavía en marcha.

Ayuda con la interferencia y con el tiempo de duración de la batería.

Niveles de

potencia

Niveles de

potencia

ission

)

o

ntinuous Transm

i

Disc

o

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Canales

• Un trama se divide en 8 ranuras de tiempo.

• Cada trama tiene una duración de 4.62 ms.

• Se tiene un offset entre las ranuras relacionadas en el sentido forward y reverso,

para permitir que la estación móvil transmita y reciba a diferentes momentos.

Canales

• La estación base transmite canales de tráfico y control.

Supertrama tiene 51

multitramas de tráfico y

1326 tramas en total

(51*26 tramas/multitrama

de tráfico)

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Canales

• En un canal de tráfico se organizan las hypertramas con supertramas de tráfico.

• En un canal de control se organizan las hypertramas con supertramas de control.

• **En ambos casos se tiene un total de 1326 tramas (5126=2651)**

• Una supertrama ocurre cuando el canal de voz y control reinician al mismo tiempo

(ocurre cada 1326 tramas).

Este punto es útil para propósitos de sincronización porque ayuda a que un móvil conmute de un canal de control a un canal de voz para entender mejor cuando transmitir.

• La hypertrama solo existe porque el número es útil para el proceso de cifrado.

2048*1326=2 715 648

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Canales

Canales: Frequency Hopping

: Frequency Hopping

Canales

Canales: Frequency Hopping

: Frequency Hopping

• Bajo condiciones normales, cada transmisión perteneciente a un

canal físico particular se transmite usando la misma frecuencia de

portadora.

• Sin embargo, si los usuarios de una celda particular tiene serios

problemas multipath o de interferencia, el operador puede marcar

a la celda como una “hopping cell”.

Se implementa slow frequency hopping.

Se implementa trama por trama:

¾En cada trama el sistema puede saltar a una nueva frecuencia

Marzo 2007 3333

¾En cada trama, el sistema puede saltar a una nueva frecuencia. ¾Se combaten desvanecimientos en frecuencias específicas.

¾Se combate la interferencia co-canal ya que se permanece en una frecuencia solo un tiempo.

¾Los saltos se producen a una tasa máxima de 217.6 hops/segundo.

9La duración de una trama es 4.615 ms

Canales

• Cada ranura tiene una asignación de tiempo equivalente de 156.25

bits.

Se proveen bits para prevenir sobrelapamiento con ranuras de tiempo adyacente.

¾8.25 bits son de tiempo de guardap g ¾6 bits son de inicio y parada

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Canales de tráfico

• Multitrama de tráfico

De las 26 tramas que conforman una multitrama de tráfico, 24 se utilizan para

tráfico de voz (tramas 0 a 11 y 13 a 24).

Un canal SACCH (se discute luego) se inserta en la trama 12 o en la 25.

¾La trama restante no se usa en operación full-rate.

Canales de tráfico

• Multitrama de tráfico

Los canales de tráfico pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario.

Operación full rate

¾Se transportan los datos de usuario en una ranura en cada trama.

Operación half rate

¾Se transportan los datos de usuario en una ranura en tramas alternadas.

9 Dos usuarios de canales half rate comparten la misma ranura de tiempo, pero transmiten de forma alternada, pasando una trama.os usu os de c es alf ate co p e s u de e po, pe o s e de o e d , p s do u .

¾Cada trama puede soportar el doble de llamadas: 16.

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Canales de tráfico

• El SACCH se usa para transmitir información de temporización (timing

advance) y control de potencia.

¾Timing advance permite que señales que vienen de fuentes a diferentes distancias lleguen a la BTS al

momento adecuado.

¾Si la señal de un móvil llega “demasiado tarde” y se sobrelapa con la señal de otros usuarios, la BTS indica al móvil que avance el tiempo de sus transmisiones.

En la parte principal de una trama SACCH, la red indica mediante mensaje de información del sistema, las frecuencias de las celdas vecinas usadas para BCCH.

¾La estación móvil debe hacer mediciones de potencia y las envía a la red (por el SACCH).

¾También se indica otra información como si se usa o no DTX.

En el sentido reverso, la MS usa las tramas para reportar las medidas realizadas de la celda actual y de las vecinas

Marzo 2007 3737

• Aunque normalmente los mensajes de SMS se llevan en un SDCCH, también

pueden enviarse en un SACCH, lo que permite la entrega durante una llamada

en progreso.

Esto disminuye la frecuencia con la cual se reportan las mediciones.

Canales de tráfico

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Canales de tráfico

• Multitrama de tráfico

Canales full rate

¾Speech Channel (Full Rate Speech, FS)

9Llevan voz digitalizada a una tasa (raw) de alrededor de 13 kbps.

9Con codificación de canal añadida se transporta por el canal a 22.8 kbps. ¾Data Channel for 9600 bps (F9.6)

9Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 9600 bps.

9Con FEC añadida, los 9600 bps se transportan a 22.8 kbps. ¾Data Channel for 4800 bps (F4.8)

9Con FEC añadida los 4800 bps se transportan a 22 8 kbps

Marzo 2007 3939

9Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 22.8 kbps. ¾Data Channel for 2400 bps (F2.4)

9Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 22.8 kbps.

Canales de tráfico

• Multitrama de tráfico

Canales half rate

¾Speech Channel (Half Rate Speech, HS)

9Llevan voz digitalizada que es muestreada a una tasa que es la mitad de lo que se usa en el caso full rate.

9GSM anticipaba el desarrollo de codificadores que manejen una tasa (raw) de alrededor de 6.5 kbps.

9Con codificación de canal añadida se transporta a 11.4 kbps. ¾Data Channel for 4800 bps (H4.8)

9Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 11.4 kbps., p p p ¾Data Channel for 2400 bps (H2.4)

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Canales de control

• Los canales de control que se

mencionan son aquellos que una

estación móvil usa cuando no está

participando en una llamada (no

asociados a un canal de tráfico).

Excepto el FACCH y SACCH.

• Tres conjuntos de canales de control

BCHs BCHs (Broadcast Channels) ¾FCCH, SCH, BCCHBCCH

Canales de Control Comunes

Marzo 2007 4141

Canales de Control Comunes

¾Common Control Channels ¾PCH, AGCH, RACH

Canales de Control Dedicados (DCCH)

¾Dedicated Control Channels ¾SDCCH, SACCH, FACCH

Canales de control

• Multitrama de control:

Los grupos de canales BCHs y comunes son los primeros que la estación móvil

monitorea cuando se enciende.

¾Estos grupos de canales se multiplexan en las multitramas de control (que contienen 51 tramas).

¾Son emitidos por la BTS.

Si la estación móvil requiere responder o acceder a la red, puede usar el canal

RACH, que es un canal de control común.

(22)

Canales de control

• Multitrama de control

Los canales BCHs y los comunes en la dirección forward, se implementan solo en

ciertos canales y se les asigna ranuras de tiempo de forma muy específica.

¾Se los ubica solo en la ranura 0 y emitidas solo en ciertas tramas dentro de la multitrama, como se ve en la figura anterior.

¾Las ranuras 1 a 7 PODRIAN llevar tráfico de usuario normal.

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de broadcast

FCCH (Frequency Correction Channel)

¾Es una secuencia de 148 ceros.

9Con modulación GMSK, esto se traduce en una onda sinusoidal de alrededor de 67 kHz. 9La estación móvil detecta esta onda sinusoidal y se auto-ajusta para tener la misma frecuencia y j p

de referencia que la red.

¾Se transmite cada 10 tramas dentro de la multitrama.

¾Es el “beacon” del canal de control.

9Cuando un móvil se enciende en una nueva ubicación, no conoce la posición de los canales de control.

9Se detectan las portadoras en la vecindad midiendo la intensidad de las frecuencias de los canales e identificando las mas fuertes.

9Para ayudar al móvil a identificar los canales de control se usa la onda sinusoidal transmitida 9Para ayudar al móvil a identificar los canales de control, se usa la onda sinusoidal transmitida

periódicamente.

¾La estación móvil lo busca ya que sabe que es el primer canal lógico en la secuencia de control. 9Se envía en la primera ranura de tiempo.

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Canales de control

• Opciones de estructura de lo transmitido en cada ranura.

A cada extremo se provee tiempo para el “ramp up” y “ramp down” sus niveles de potencia para evitar un cambio abrupto en la potencia transmitida que generaría interferencia en un amplio rango de frecuencias.

Canales de control

• Multitrama de control

4*114 =456 bits

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Canales de control

• Multitrama de control: Canales de

broadcast

SCH (Synchronization Channel)

¾Transmitido por la BTS en la ranura 0 en la trama luego de la trama del FCCH.g

¾Tiene una estructura única.

¾Contiene:

9Una secuencia de entrenamiento extendida que es la misma para toda la red GSM.

Permite a la estación móvil adquirir sincronización exacta.

Ajustar los ecualizadores.

9BSIC (Base Station Identity Code)

Marzo 2007 4747

9BSIC (Base Station Identity Code) Se usa como el SAT en AMPS.

9Ubicación de la trama actual en relación con la hypertrama. 9Avances de Temporización (timing

advancement, ajustes de tiempo gruesos (no finos))

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de broadcast

SCH (Synchronization Channel)

¾La secuencia de entrenamiento se ubica en la mitad para que la diferencia entre la recepción de la secuencia de entrenamiento y cualquiera de los bits de datos se reduzca al mínimo.

9Los cambios en el canal como resultado del desplazamiento del móvil entre el momento en que p q se recibe la secuencia y el momento en el que reciban los datos se minimizan.

¾Sin embargo, esto requiere que el móvil almacene la primera mitad de los datos hasta que se reciba la secuencia y dicha mitad pueda ser decodificada.

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Canales de control

• Multitrama de control: Canales de broadcast

BCCH (Broadcast Control Channel)

¾Contiene los parámetros utilizados por todas las estaciones móviles en la celda para recibir y solicitar llamadas.

9Podría incluir parámetros de acceso y configuración.

Identidad de la red, del área y de la celda.

Operador de la red

Lista de celdas vecinas

¾Se emiten en 4 de las 51 tramas de la multitrama.

9Un segmento de mensaje Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 4949

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de broadcast

BCCH (Broadcast Control Channel)

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Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Comunes

PCH (Paging Channel) y AGCH (Access Grant Channel)

¾PCH

9Permite que el móvil conozca que tiene una llamada ingresando.

Se transmite el IMSI del abonado destino.

9Puede usarse también para mensajes de broadscast como parte del servicio SMS.

9Los PCHs pueden organizarse para permitir un modo de sleep.

A las estaciones móviles se les puede asignar un grupo específico de PCHs para que lo monitoreen, despertándose justo a tiempo para realizar dicho monitoreo.

¾AGCH (Access Grant Channel)

9Para instruir al móvil a que opere en un canal físico particular (canal de tráfico en

Marzo 2007 5151

frecuencia y número de ranura) y con un canal particular de control dedicado.

9Se utiliza para direccionar a la estación móvil a otro tipo de canal de control (SDCCH) para completarcompletar el proceso de establecimiento de una llamada y/o transferir información.

SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel)

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Comunes

RACH (Random Access Channel)

¾Lo de “random” se refiere a que todas las ranuras reversas del canal de control son elegibles para ser un RACH.

9Principio de Aloha Ranurado.

¾ á ió ó i

¾Este es el canal reverso que usará una estación móvil para: 9Originar una llamada

9Enviar mensajes de señalización cuando no está en una llamada

9Enviar acuses de recibos a mensajes recibidos de la BTS (ejemplo: a mensajes de paging) 9Registrarse

¾Una estación móvil puede seleccionar una ranura utilizando un protocolo específico y luego transmitir versiones reducidas.

9Esto es para asegurarse de que la transmisión esté confinada dentro de la ranura de tiempo.

9L BTS d i l i ió b d ió d id l d l

9La BTS determina la temporización basada en esta versión reducida y luego comanda a la estación móvil para que realice los ajustes necesarios.

¾Si la BTS recibe con éxito el RACH, se direcciona a la estación móvil a un SDCCH (Standalone

Dedicated Control Channel) designado para este tipo de comunicación entre el móvil y la red.

(27)

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Comunes

RACH (Random Access Channel) ¾Transmisión de acceso (Access burst)

9Para acceso al RACH y durante una llamada para corregir la temporización.

9Es una versión corta para asegurar que calce en la ranura de tiempo sin importar problemas severos de alineamiento

alineamiento.

¾Para usar el canal, el móvil transmite el mensaje reducido en el RACH conteniendo solo un número aleatorio y una breve guía de la causa del acceso aleatorio.

9La versión reducida permite reducir el riesgo de colisión con mensajes de acceso aleatorio de otros usuarios.

¾ La red responde con un mensaje en el que se repite el número aleatorio y se indica un canal dedicado SDCCH.

9El móvil escucha a ver si la red envía su número aleatorio y en caso afirmativo se cambia al canal indicado en donde envía detalles del servicio que requiere

El número al cual desea llamar si genera una llamada.

Si el mensaje era de respuesta a un paging, el móvil indica a ésta como la razón del acceso aleatorio.

9Si el móvil no escucha el número aleatorio, asume que el mensaje colisionó con un mensaje de acceso aleatorio

Marzo 2007 5353

, q j j

de otro usuario. Luego de un tiempo aleatorio reintenta.

¾Una vez en el canal SDCCH, la red envía al móvil su propio número para cubrir el caso poco probable de que dos móviles recibieron el mismo mensaje al mismo tiempo y con el mismo número aleatorio.

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Comunes

(28)

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Comunes

RACH (Random Access Channel)

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Comunes

Ejemplo del uso de canales de control cuando una estación móvil está actualizando

su ubicación.

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Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Dedicados

SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel)

¾Es un canal lógico en ambas direcciones. 9Una estación lo solicita usando un RACH. 9Asignado mediante un AGCH.

¾Consiste de 4 ranuras de tiempo en cada multitrama llevando un mensaje.

9Velocidades bajas de transmisión efectiva pero suficiente para la información que necesita enviarse.

¾Se usa para la mayoría de los mensajes de acceso.

9Después de la conexión de la estación móvil con la BTS, hasta justo antes de la asignación del canal de tráfico.

Es un canal intermedio y temporal.Es un canal intermedio y temporal.

9Garantiza que MS y BTS se mantengan comunicados mientras el MSC y la BTS verifican la unidad del abonado y reservan los recursos necesarios

Marzo 2007 5757

unidad del abonado y reservan los recursos necesarios. Se envían mensajes de autenticación y alerta. ¾Se usa para mensajes de actualización de ubicación.

¾Se usa como parte del establecimiento de una llamada.

¾Pueden asignarse en canales físicos o en las ranuras 0 de los canales de broadcast si hay baja demanda de canales de broadcast o de control común.

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Dedicados

SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel)

¾Un concepto algo confuso es que el SDCCH trae asociado un SACCH para llevar información de señalización.

9El SACCH es también multiplexado en la multitrama de canales de tráfico.

(30)

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de Control Dedicados

SACCH (Slow Associated Control Channel)

¾En la dirección forward transporta: 9Mensajes de broadcast

9Información de control de potencia

9Avances de Temporización Específicos (timing advancement ajustes de tiempo) 9Avances de Temporización Específicos (timing advancement, ajustes de tiempo)

¾En la dirección reversa transporta:

9Mensajes con reportes de mediciones realizadas 9Acuses de recibo de mensajes de control de potencia 9Acuses de recibo de timing advancements

¾Un concepto algo confuso es que un SACCH está siempre asociado con un canal de tráfico o un canal SDCCH, y se asocia a un mismo canal físico

9SACH multiplexado en una multitrama de canales de tráfico. Para señalización durante una llamada

Se inserta en la trama 12 o en la 25 como se indicó anteriormente y se usan las 8 ranuras

Marzo 2007 5959

Se inserta en la trama 12 o en la 25, como se indicó anteriormente, y se usan las 8 ranuras.

FACCH (Fast Associated Control Channel)

¾Si el SACCH no es lo suficientemente rápido (para handoff)

¾Se “roba” tiempo de los canales de voz (se indica usando dos bits presentes dentro de cada ranura:

stealing bits).

¾Se dispersa en 8 ranuras de tiempo en 8 tramas. 9Se “roba” la mitad de los bits del canal de tráfico.

Canales de control

• Multitrama de control:

Canales de Control

Dedicados

(31)

Canales de control

(32)

Estructura de una ranura normal

• Used to carry information on traffic

traffic and control channels, except for RACH.

• Trail bits (2x3 bits)

Permiten la sincronización de las transmisiones de estaciones móviles ubicadas a diferentes distancias de la BTS.

• Bits encriptados (2x57 bits)

Dos bloques de 57 bits cada uno.

114 bits planos encriptados en 114 bits.

• Stealing bit (2x1bit)

Indican si este bloque contiene datos o ha sido “robada” para señalización de control urgente

Marzo 2007 6363

Indican si este bloque contiene datos o ha sido robada para señalización de control urgente.

• Bits de guarda (8.25 bits)

Para evitar sobrelapamientos con otras transmisiones debidos a diferentes retardos.

Estructura de una ranura normal

• Training Sequence (26 bits)

Para adaptar los parámetros del receptor a las características de propagación

actuales, y seleccionar la señal mas fuerte en caso de propagación multipath.

Patrón de bits conocido y diferente al de las celdas vecinas.

¾Permite que las MS y BTS determinen si la señal recibida es del transmisor correcto y no de un transmisor provocando fuerte interferencia.

Se usa también para ecualización.

¾Se determina como afecta el desvanecimiento multipath a la secuencia de entrenamiento. ¾El resto de la señal se procesa para compensar estos efectos.

• Velocidad de transmisión

(33)

Estructura de una ranura normal

Marzo 2007 6565

Estructura de una ranura: otras

• Dummy bursts

(34)

Mediciones de Potencia

• El móvil debe leer el canal de control de las celdas vecinas para estar seguro

que está monitoreando las celdas indicadas por la red.

Usando el BSIC de las celdas vecinas cumple con el objetivo.

En el tiempo libre que tiene el móvil durante la llamada será difícil.

¾Si recibe en la ranura 0, transmite en la ranura 3.

¾Se requiere una ranura extra para resintonizar su frecuencia. 9Para el ejemplo, destinaría las ranuras: 1,2,4,7

¾Quedan solo las ranuras 5 y 6, pero no se garantiza que con la celda vecina haya sincronización y que coincida en 5 o 6 el canal de control.

Recordar que en la multitrama de tráfico, la 26 no era utilizada (full rate).

¾Aquí es en donde se realizan las mediciones.

¾Se puede escuchar a las 8 ranuras del canal de control de la celda vecina

Marzo 2007 6767

¾Se puede escuchar a las 8 ranuras del canal de control de la celda vecina.

Mediciones de Potencia

• Para acceder al BSIC de la celda vecina, primero debe decodificar el canal

FCCH y luego el SCH.

Hay la probabilidad 1 en 10 de que el móvil encuentre el FCH la primera vez que escucha al canal de control de la celda vecina.

Por lo tanto debe seguir escuchando durante las tramas 26 para accesar al FCCH de la celda

Por lo tanto, debe seguir escuchando durante las tramas 26 para accesar al FCCH de la celda vecina.

¾Por esta razón los canales de control tienen diferente ciclo de repetición que los canales de tráfico.

¾Cuando ocurra la trama 25 en el canal de tráfico, habrá una trama diferente en el canal de control de la celda vecina.

9Como los canales de control tienen ciclo de repetición de 51, un móvil haciendo mediciones en la trama 26, leerá las tramas 26, 1, 27, 2, 28, 3, ... de las tramas del canal de control. 9Por lo tanto, un FCCH se encontrará en el rango de 10 repeticiones de la trama 26, y un SCH

(35)

Mediciones de Potencia

• Encontrar el BCCH podría tomar hasta 51 repeticiones de la trama 26 de la

multitrama de tráfico.

En promedio, tomará la mitad

51/2 repeticiones de la trama 26: 51/2*120ms= 3060 ms o cerca de 3 segundos.

Con un promedio de seis celdas vecinas, leer los 6 canales BCCH tomaría en promedio de 18 segundos y un máximo de 36 segundos.

Si el móvil se mueve rápidamente a lo largo de celdas pequeñas, esto se convierte en un problema. Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 6969

Vocoders

(36)

Vocoders

• Se especifican tres en GSM.

Por lo general, actualmente los tres se instalan en las MSs que se están fabricando.

¾LPC-RPE (es el original), EFR, Half-Rate Vocoder.

LPC-RPE (Linear Prediction Coding with Regular Pulse Excitation )

¾En la mayoría de procesos de vocoding se divide la voz en bloques de 20 ms. ¾En LPC-RPE cada bloque de 20 ms de voz se representa 260 bits.

9260 bits/20 ms = 13 kbps. ¾Idea básica

9Algunos bits del tren de voz codificado son considerados mas importantes que otros.

A los mas importantes se les somete a una codificación para control de errores mas

Marzo 2007 7171

A los mas importantes se les somete a una codificación para control de errores mas rigurosa.

Se agregan también bits de paridad.

El proceso de corrección de errores significa que los 260 bits/20 ms originales, se convierten en 456 bits/20 ms, es decir 22.8 kbps

¾Se suele llamar al vocoder LPC-RPE como vocoder de 13 kbps o vocoder de 22.8 kbps.

Vocoders

• Discusión simplificada del proceso

Al considerar unos bits como mas importantes, si ciertos bits de éstos fuesen

alterados, se tendría un resultado mas destructivo en la calidad de voz.

En GSM se dividen los bits mas importantes en dos clases (class 1).

¾De los 260 originales

950 bits se consideran los mas importantes y se los denomina de “class 1a”.

A estos se les agrega 3 bits de CRC.

Si hay errores en estos bits se descarta lo recibido en su totalidad.

9132 bits se los denomina “class 1b”

A estos se les agrega una cola que es una secuencia de 4 bits para inicializar registros.

9Los (132+4) + (50+3)=189 se someten a una codificación convolucional (FEC).( ) ( ) ( )

La salida son 378 bits (el doble).

¾Los 78 bits restantes se denominan bits “class II”

9No son protegidos. ¾

(37)

Vocoders

(38)

Vocoders

• EFR (Enhanced Full Rate)

Desarrollado en respuesta a las quejas de la calidad del vocoder original.

Usa la misma tecnología ACELP de NA-TDMA.

• Half-Rate Vocoder

Opera a la mitad de la tasa del vocoder original.

Permite atender a dos veces el número de usuarios usando el mismo espacio.

• Adaptive Multi Rate (AMR)

Conmuta de forma adaptiva entre diferentes esquemas de codificación, con

Marzo 2007 7575

diferentes niveles de protección, y de acuerdo a la calidad actual del canal.

PCS

• El término “comunicaciones personales” usualmente se aplica a nuevos sistemas

y servicios (PCS) que se ofrecen a una porción creciente de la población

mundial.

L

t

l

í

tá

d b j

t

i

l

• Las tecnologías que están por debajo estas comunicaciones personales son las

tecnologías celulares digitales.

Con GSM siendo la mas ampliamente aceptada.

• “Personal communications services: Another name for digital cellular operators,

particularly applied to operators in the United States with spectrum at 1,900 MHz”

• “The only difference between cellular and PCS is that cellular started out

transmitting your call using analog technology and PCS started out using all

digital transmissions”.

(39)

PCS

• Cuál es la diferencia entre PCS y celular?

Perspectiva de mercado

¾Una forma es tratar a PCS como un esquema de instalación que ocurrió luego de los celulares.

¾Como la instalación añadió capacidad inalámbrica significativa algo debía atraer a ¾Como la instalación añadió capacidad inalámbrica significativa, algo debía atraer a

nuevos abonados para ocupar esta capacidad adicional.

9Si el celular fue para los usuarios de negocios y los adinerados, entonces PCS era para las masas.

Perspectiva tecnológica

¾El término “comunicaciones personales” describe un conjunto de servicios que un cliente podría esperar.

¾Celular se refiere a una rango de soluciones tecnológicas que pueden utilizarse para

Marzo 2007 7777

g g q p p

entregar tales servicios.

¾La mayoría de usuarios PCS están recibiendo estos servicios usando tecnología celular.

9Sin embargo, hay una minoría de tecnologías no celulares que también son la base para servicios de comunicaciones personales.

Por ejemplo los sistemas cordless.

PCS

• PCS originalmente representaba a una iniciativa norteamericana con nuevas

asignaciones de espectro en la banda de 1900-MHz.

Así el término PCS 1900 se usa en Norteamérica para la contraparte de GSM 900.

• El término PCN original fue introducido en el Reino Unido antes que PCS, y se

g

q

, y

refería a las personal communications networks licenciadas en la banda de 1800

MHz.

Así que el Reino Unido tuvo los primeros PCSs del mundo, a los cuales fueron y todavía son referidos como PCNs.

(40)

PCS

• Los requerimientos generales para PCS puede ser satisfechos con

las tecnologías celulares de segunda generación de hoy en día y sus

evoluciones, sin importar la banda de frecuencia utilizada.

• “El término PCS (Personal Communications Services) se refiere a

una amplia variedad de accesos inalámbricos y servicios de

movilidad personal provistos usando un pequeño terminal con la

meta de habilitar comunicaciones en cualquier momento, en

l

i

l

i

f

”

Marzo 2007 7979

cualquier lugar y en cualquier forma”.

TRX

• Una BTS contiene los TRXs (radio transceivers).

• Cada TRX puede manejar hasta 8 usuarios full rate.

• Incrementar el número de TRXs permite incrementar el número de

p

usuarios que se manejan en una ceda, lo que implica incrementar el número

de frecuencias.

(41)

TRX

(42)

Abis

• Un BSC se comunica con un BTS usando canales TDM sobre lo que se

denominó la interfaz Abis

Generalmente implementada usando E1s ó T1s.

Puede usarse fibra o cable (si distancias cortas) o enlaces de radio (BTSs cercanas entre sí pero alejadas del BSC). Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 8383

Abis

(43)

TRAU

• Transcoding and Rate Adaption

Unit

• Puede considerarse que

lógicamente pertenece al BSS,

pero usualmente reside cerca

del MSC ya que permite

reducir significativamente los

costos de transmisión.

• La voz se envía en un canal de

16 kbps hacia el TRAU.

Sobre la interfaz de aire se usa 13 kbps para voz (full rate) y 9.6 o 14.4 kbps

Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Marzo 2007 Marzo 2007 8585 p ( ) y p para datos.

• El TRAU convierte los 16 kbps

a los 64 kbps, multiplexando

varios canales en un solo canal

de 64 kbps.

TRAU

(44)

Abis

• Similar a un PCM de 30

• Con las técnicas de compresión que usa GSM, se

puede tener hasta 8 canales de tráfico de GSM en

un solo canal de 64 kbps, por ejemplo.

• GSM nunca especificó todo detalle de la interface

Abis (igual ocurrió con la interfaz B [MSC-VLR]).

• Se considera a Abis propietaria, lo que provoca

variaciones en los protocolos de Capa 2 y

Marzo 2007 8787

variaciones en los protocolos de Capa 2, y

diferentes configuraciones de canales.

• Por lo que una BTS de un fabricante no puede

usarse con el BSC de otro.

NSS

• Network Switching Subsystem

• Comprende la parte principal

(core) de la red de circuitos

conmutados.

MSC

¾Una MSC que provee conectividad de la red móvil a la red fija (PSTN) se denomina gateway MSC (G-MSC).

(45)

NSS

Protocolos y señalización

• La interfaz de aire consiste de las ranuras GSM, en las bandas de frecuencia TDMA/FDMA.

• Sobre lo anterior está el protocolo punto-punto LAPD (Link Access Protocol D channel).

Usado en señalización de ISDN.

Una versión modificada LAPDm (TS04.06) se usa sobre la interfaz de aire entre el TRX de la BTS y el dispositivo móvil.

¾LAPD CRC de la capa enlace de datos no se requiere, ya se tiene FEC en el interfaz de aire.

¾

¾La bandera de inicio de LAPD de 8 bits no se requiere.

• Mensajes incluyen:

Radio Resource Management (RR)

(46)

Mensajes

• Tipos

Información Supervisión

Sin numerar (unnumbered)

• Los mensajes de supervisión y los no numerados simplemente controlan el flujo

de los mensajes de información.

• Los mensajes de información

Administración de las llamadas o conexión

Administración de la movilidad

Administración de los recursos de radio

Marzo 2007 9191

• Un estudio detallado de los formatos de los mensajes y su semántica podría

tomar un libro entero.

Se presenta una noción básica de los grupos de mensajes, pero suficiente para intuir la complejidad del diseño de un sistema de segunda generación.

Mensajes

• Los mensajes de información

Administración de los recursos de radio

¾Para controlar el establecimiento, mantenimiento y la terminación de los canales de radio, incluyendo los handoffs.

9Mensajes del BCCH que incluyen los parámetros de configuración de la red. 9Mensajes de pedidos de canal (CHANNEL REQUEST), enviado en el RACH.

9Mensajes asociados con el PCH y AGCH (proceso usado para asignar el SDCCH para iniciar el establecimiento de una llamada) (paging y acceso)

9Otros ejemplos:

Reportes de mediciones, enviados en el SACCH.

Comandos para el handover enviados por el FACCH.

Administración de las llamadas o conexión

¾Para controlar el establecimiento mantenimiento y la terminación de las llamadas

¾Para controlar el establecimiento, mantenimiento y la terminación de las llamadas.

9Se envían ya sea en un SDCCH, antes que la llamada se establezca, y en el FACCH, después que la llamada se ha establecido.

9Incluyen los mensajes en los que la MS origina llamadas, confirma un canal de tráfico, libera una llamada, obtiene mensajes de alerta, envía y recibe funciones DTMF, etc.

(47)

Mensajes

• Los mensajes de información

Administración de la movilidad

¾Sirven principalmente para los procedimientos de registro y actualización de la ubicación, así como para seguridad y autenticación, usando el SDCCH.

9Registro

Una MS informa al a red que está en los alrededores usando un mensaje LOCATION UPDATING REQUEST.

La red responde con LOCATION UPDATINF ACCEPT o REJECT.

Cuando una MS se apaga envía IMSI DETACH INDICATION.

9Autenticación

La red obtiene información requerida de la MS con IDENTITY REQUEST y IDENTITY RESPONSE (se envían IMSI IMEI y TMSI)