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1. Introducción.
Los inhibidores de frecuencia son dispositivos diseñados para impedir cualquier comunicación inalámbrica interfiriendo en una porción del espectro, ya sea un canal o una banda completa [1], [2]. Estos dispositivos pueden ser utilizados eventualmente por razones de seguridad, por ejemplo para evitar la activación de un explosivo o las comunicaciones dentro de un centro penitenciario [3]. Este tipo de inhibidores consiste generalmente en un transmisor de ruido de banda ancha de alta potencia. Por lo tanto, inhiben cualquier sistema inalámbrico a su alcance. Por otro lado, los inhibidores de frecuencia se pueden utilizar para bloquear, sólo una, varias o todas las conexiones de un sistema de comunicación inalámbrico particular. Así, los sistemas de seguridad inalámbricos fijos empleados en multitud de hogares y negocios, que generalmente operan sobre redes de telecomunicación móvil celular 2G y 3G, pueden ser bloqueados por personas no autorizadas utilizando un inhibidor de corto alcance, impidiendo la transmisión de la correspondiente alarma. Estos inhibidores son difíciles de detectar debido a que afectan a conexiones concretas (por ejemplo, a toda la banda del enlace descendente) y su alcance es limitado. Por esta última razón, a estos dispositivos también se les conocen como inhibidores de baja potencia. El principal objetivo de este proyecto es detectar remotamente este tipo de interferencias, causadas normalmente por inhibidores de baja potencia interfiriendo en el enlace descendente (DL, Down-Link).
En [1], el autor hace una introducción al concepto de Radio Jamming y lo define como una denegación del servicio (DoS, Denial of Service). Estos ataques no se pueden evitar fácilmente; sólo es posible en algunas redes inalámbricas, como en las redes de sensores, si sólo una parte de los recursos se ven afectados [4], [5]. Por lo tanto, nuestro estudio se centra en la detección de la interferencia y, además, en la localización del inhibidor. En sistemas de seguridad basados en redes 2G y 3G, para evitar que el inhibidor sea detectado, éste normalmente no radia en el enlace ascendente (UL, Up-Link), es decir, el enlace entre el terminal móvil (MS, Mobile Station) y la estación base (BS, Base Station). Ya que, si el inhibidor de frecuencia transmitiese con una potencia lo suficientemente alta como para alcanzar la estación base con un nivel similar al de la señal deseada, el sistema podría detectar la presencia del inhibidor fácilmente, por ejemplo, decidiendo niveles de ruido muy altos detectados en las estaciones base cercanas al inhibidor [2], [6], [7]. Además, en este escenario las transmisiones de la mayoría de los terminales conectados a las estaciones cercanas al inhibidor podrían resultar afectadas y generar, por tanto, múltiples caídas de llamadas en curso. En este caso, la localización del inhibidor se podría estimar como la ubicación de la estación base afectada por la interferencia [8]. Cuando la interferencia afecta únicamente al enlace descendente, el terminal móvil es capaz de transmitir en el enlace ascendente pero éste no es capaz de recibir mensaje alguno de la estación base. En sistemas celulares, esto quiere decir que el terminal es incapaz de decodificar la información de señalización, necesaria en 2G y 3G para iniciar cualquier comunicación con la estación base. De esta forma, si el inhibidor del enlace descendente es además de baja potencia, sólo los terminales dentro de un rango de pocos metros serán inhibidos. Otros inhibidores más sofisticados interfieren sólo los canales de control [5], [9], o interfieren sólo cuando los terminales o estaciones base transmiten (reactive jamming) [2].
El tema de la detección de inhibidores ha sido estudiado, entre otros, en [2]-[10], donde los autores exponen varios modelos de interferencias y algunos algoritmos de detección. Sin embargo, en base a nuestros conocimientos, la problemática de detectar inhibidores de corto alcance afectando al enlace descendente ha sido únicamente tratada
5 en [10]. El proceso para detectar este tipo de interferencias consta de dos fases. Primero, en la fase de detección, el terminal debe detectar la interferencia. Segundo, en la fase de señalización, éste debe notificar esta situación al sistema mediante un proceso de señalización adecuado. En [10] se propone un método de señalización para un terminal GSM, en el que éste envía la notificación de la situación de interferencia (Jammed Condition Report) en un mensaje de petición de canal (Channel Request Message) modificado con respecto al descrito en el estándar 3GPP [11], sobre el canal RACH (Random Access CHannel) en el UL. Obviamente, este mensaje debe ser interpretado por la BS. Por lo tanto, esta invención, a pesar de su simplicidad, tiene el gran problema de su implementación, ya que requiere la modificación del protocolo GSM/GPRS tanto en el terminal como en la BS. Esto es especialmente crítico para este último elemento ya que se requeriría la reprogramación de la BS, que, además de ser un proceso complicado, conlleva un coste elevado. Asimismo, esta solución depende del equipo concreto utilizado: sólo funciona el sistema en aquellas estaciones base que hayan sido adaptadas. Es por esta razón, por la que nos centramos en soluciones donde no se requieren cambios de los protocolos o programaciones del equipo de la BS, es decir, afrontamos un diseño de un sistema no intrusivo.
En relación al proceso de localización del inhibidor, en la literatura se suele asumir que la interferencia alcanza a varios terminales y estaciones base [8]. Sin embargo, cuando la interferencia tiene lugar únicamente en el DL, sólo uno o varios terminales son interferidos. En este caso, el terminal podría enviar su identidad a la BS, y ésta chequear una base de datos para su localización, ya que asumimos que los terminales son fijos. Sin embargo, como se expondrá más adelante, esto no es posible sin modificar los protocolos. Por ello, se propone un proceso final de interrogación (polling) de los terminales protegidos dentro de cada BS, en el que se identificaría, y por tanto, localizaría, al terminal fijo afectado.
En este trabajo, se propone un método simple, pero potente, para detectar un inhibidor de corto alcance afectando al enlace descendente que se basa en el análisis de la señalización. Para llevar a cabo una rápida y eficiente detección, se ha incluido una funcionalidad en el terminal móvil (un programa sencillo que corre sobre el sistema operativo) a proteger: un método simple de detección de interferencia basado en medidas de potencia y calidad de la señal recibida en el DL. En una segunda etapa, la señalización generada por terminal, fruto de la realización de peticiones de canal en el UL, es procesada para detectar la interferencia. De esta manera, se define un método novedoso para lanzar una alarma cuando un terminal se vea afectado por una alta interferencia. Este proceso se podría implementar en la estación base, sin embargo, como se ha expuesto, se evitará este método de implementación por los altos costes implicados en la modificación de los protocolos y la programación de la BS. Con este objetivo, se propone un dispositivo externo, escáner de frecuencia, que se situaría junto a la BS (donde se asume que la interferencia es despreciable), sintonizado a la portadora de señalización del DL. En particular, se ha empleado un dispositivo basado en la tecnología SDR (Software-Defined Radio) debido a que esta tecnología se basa en dispositivos de lógica configurable, permitiendo la implementación de sistemas de comunicación definidos en software de forma muy flexible. Además su coste se está reduciendo en gran medida en los últimos años. Todo esto unido a que en el mercado no se han encontrado escáneres de bajo coste con completo acceso a los canales de control común, hacen a esta tecnología muy atractiva, máxime cuando hoy en día existe una comunidad muy amplia de desarrolladores de software de código abierto de multitud de estándares de comunicación. En particular, se ha empleado el dispositivo hardware
6 USRP (Universal Software Radio Peripheral) [13] y el software GNU Radio [23], que en conjunto forman una plataforma SDR que, como se ha comentado, se situaría junto a la BS, fuera del rango de actuación del inhibidor, y analiza el tráfico de señalización del DL para detectar patrones anómalos. Asimismo, la localización de los terminales protegidos se resolvería desde esta misma plataforma: una vez recibida la señalización de interferencia se realiza un proceso de interrogación (polling) a los terminales y en caso de no recibir respuesta de alguno de ellos, se levantaría la alarma.
Finalmente, recalcar que aunque el método propuesto es válido para cualquier sistema celular inalámbrico, este trabajo se centra en la implementación del sistema en GSM/GPRS para mostrar su rendimiento. La extensión del método a cualquier otro sistema, como UMTS o WiMAX, es prácticamente inmediata.
1.1 Resumen del alcance y los objetivos.
Como se ha argumentado anteriormente, el alcance del proyecto cubre el diseño de nuevos métodos y dispositivos para la detección de inhibidores de corto alcance afectando en el DL. Y, el objetivo del proyecto es el diseño e implementación de un método para detectar cuándo un terminal inalámbrico móvil se encuentra afectado por una alta interferencia, normalmente debida a la presencia de un inhibidor, que actúa en el DL de la celda de un sistema inalámbrico celular, y comunicar dicha situación a algún dispositivo o sistema externo. Además, se testea el sistema en entornos reales.
El proceso implementado para detectar esta situación consta de dos problemas claramente diferenciados. En primer lugar, el terminal debe detectar la presencia del inhibidor analizando la señal recibida (detección). Seguidamente, éste debe señalizar dicha situación a la red, a un dispositivo externo (señalización). Este método se materializa en dos dispositivos: un terminal móvil convencional, que corre una aplicación diseñada para detectar y señalizar la interferencia; y un escáner de frecuencia, que se situaría junto con la BS, sintonizado en la portadora del DL (también conocida como portadora BCCH) implementado mediante una plataforma SDR sobre la que se ha diseñado una aplicación software de detección de patrones anómalos de señalización que el terminal nunca llegará a recibir debido a la interferencia.
Por lo tanto, la clave del proyecto es detectar un mal funcionamiento del DL analizando un anormal tráfico (generado por el terminal y replicado por la BS, como indica el estándar) en los canales comunes de señalización del DL en un dispositivo de seguimiento situado fuera del alcance del inhibidor. En la Figura 1 se muestran todos los elementos presentes en el escenario analizado.
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Figura 1: Escenario general.
1.2 Contexto del proyecto.
Las investigaciones llevadas a cabo en el presente proyecto han sido financiadas mayoritariamente por el Proyecto Minerva a través del proyecto “Relación entre potencia y trafico en 2.5/3G y su impacto en redes de acceso a nueva generación (POTRA II)” (SR-0573/2008), cuyo investigador principal es el profesor D. Juan José Murillo Fuentes. En el mismo ha participado personal de Vodafone Group Researchand Development.
El proyecto surge como continuación del proyecto “Relación entre potencia y tráfico en redes GSM/GPRS” (SR-0573/2007) cuyo objetivo último se centraba en el diseño de métodos de detección de interferencias a través de medidas de red con la aplicación final de detectar la presencia de inhibidores de frecuencia de largo alcance e identificar situaciones de interferencia anómalas. Sin embargo, en el presente proyecto se investiga sobre una de las herramientas a tener en cuenta en las generaciones futuras de comunicaciones inalámbricas: radio cognitiva. El tema de investigación está totalmente abierto hoy en día, así como las posibles aplicaciones potenciales. Como primera aproximación básica a esta tecnología se han estudiado soluciones al problema de la detección de inhibidores de frecuencia utilizando la tecnología SDR (Software Defined-Radio). En particular, se ha diseñado un método para detectar inhibidores de baja potencia, que se caracterizan por operar en el enlace descendente de un sistema de comunicación inalámbrico celular.
1.3 Organización del proyecto.
El proyecto tiene la siguiente organización:
En el Capítulo 1 se realiza una introducción, en la que se describen los objetivos del proyecto, el alcance del mismo, el estado del arte de sistemas de detección de interferencias, así como la solución llevada a
8 cabo. Además, se pone en contexto este trabajo en el marco del Proyecto Minerva.
En el Capítulo 2 se detallan los aspectos del estándar GSM/GPRS implicados en el método diseñado para entender adecuadamente el sistema propuesto.
En el Capítulo 3 se describe el método de detección y señalización diseñado y su aplicación al sistema GSM/GPRS, detallando la funcionalidad de cada elemento del sistema.
En el Capítulo 4 se detalla la implementación del sistema de detección, indicando aspectos importantes a tener en cuenta.
En el Capítulo 5 se muestran los resultados, donde se muestra el rendimiento del método en un escenario real. Para ello se analizan datos en tiempo real de una celda de dos operadores de telefonía móvil diferentes.
En el Capítulo 6 se enumeran las conclusiones del proyecto. En el Capítulo 7 se proponen varias líneas futuras de trabajo. En el Capítulo 8 se enumeran las referencias utilizadas.