Comunicaciones Inalámbricas GSM. Julio 06 Iván Bernal, Ph.D.

(1)

Iván Bernal, Ph.D.

[email protected]

http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal

Comunicaciones Inalámbricas

Quito – Ecuador

Copyright @2006, I. Bernal

Escuela Politécnica Nacional

Quito – Ecuador

GSM

Agenda

• Generalidades

• Identificadores

• Arquitectura e Interfaces

(2)

Iván Bernal, Ph.D.

Julio 06

Julio 06 33

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

nd

_Edition,

Artech House, 2003.

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

Practice”, 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 Handbook”, Artech House, 1998.

Bibliografía

Introducción

• Groupe Spe´cial 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, alguno países no europeos, como países en Sudamérica, Asia y Australia adoptaron GSM. Es un estándar de un sistema de segunda generación.

(3)

Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Julio 06 Julio 06 55

Introducción

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

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.

(4)

Introducción

• Ventajas sobre sistemas analógicos

Soporte para roaming internacional

Una distinción entre usuario y dispositivo

Calidad mejorada de voz

Seguridad (autenticación y encripción)

¾Una transmisión en GSM está encriptada, es privada.

Nuevos servicios adicionales (SMS y caller ID)

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.

(5)

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 base de tal forma que la red pueda enrutar las llamadas apropiadamente.

• 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.

Introducción

(6)

Iván Bernal, Ph.D. Iván Bernal, Ph.D. Julio 06 Julio 06 1111

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 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

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

(7)

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 viejo e insertando la tarjeta en el nuevo.

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.

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

Identificadores

• Identificadores pueden estar asociados a:

La tarjeta SIM

La red (BTS)

(8)

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 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 llamada.

Es mas pequeño que el IMSI

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

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

Identificadores

(9)

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)

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. 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.

(10)

Julio 06

Julio 06 1919

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). 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.

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

Niveles de potencia

(11)

Julio 06

Julio 06 2121

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.

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.

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.

(12)

Canales

• La estación base transmite canales de tráfico y control.

Canales

(13)

Julio 06

Julio 06 2525

Canales: Frequency Hopping

Canales

:

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.

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 guarda

(14)

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 a11 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 transporta los datos de usuario en una ranura en cada trama.

Operación half rate

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

9Dos usuarios de canales half rate comparten la misma ranura de tiempo, pero transmiten de forma alternada, pasando una trama.

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

¾Un canal SACCH solo soportar 8 ranuras por trama.

(15)

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.

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)

¾Data Channel for 2400 bps (H2.4)

(16)

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 un canal de tráfico).

Excepto el FACCH y SACCH.

• Tres conjuntos de canales de control

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

Canales de Control Comunes

¾Common Control Channels ¾PCH, AGCH, RACH

Canales de Control Dedicados

¾Dedicated Control Channels ¾SDCCH, SACCH, FACCH

Canales de control

• Multitrama de control:

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

cuando se enciende.

¾Estos 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.

(17)

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 llevan tráficos de usuario normal.

Los canales (de frecuencia) designados como canales de control todavía pueden

llevar usuarios full rate en 7 de los 8 ranuras de tiempo.

La especificación GSM define 34 canales (de frecuencia) como canales de broadcast

estándar.

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de broadcast

FCCH (Frequency Correction Channel)

¾Es el “beacon” del canal de control.

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.

9La MS luego deja pasar 7 ranuras de tiempo y sabe que en la primera ranura de la segunda trama está el SCH (synchronization 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 de referencia que la red.

(18)

Canales de control

• Multitrama de control

Canales de control

• Multitrama de control: Canales de broadcast

SCH (Synchronization Channel)

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

¾Tiene una estructura única.

¾Contiene:

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

Permite a la estación móvil adquirir sincronización exacta.

9BSIC (Base Station Identity Code)

Se usa como el SAT en AMPS.

9Ubicación de la tramas actual en relación con la hypertrama.

9Avances de Temporización (timing advancement, ajustes de tiempo gruesos (no finos))

(19)

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 los monitoreen, despertándose justo a tiempo para realizar el monitoreo.

¾AGCH (Access Grant Channel)

9Para instruir al móvil a que opere en un canal físico particular (en 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 para completar 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.

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 está confinada dentro de la ranura de tiempo.

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

9RACH lleva muy poca información. 9

(20)

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.

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 usado un RACCH. 9Asignado mediante AGCH.

¾Consiste de 4 ranuras de tiempo en cada multitrama. 9Llevando un mensaje

9Velocidades bajas de transmisión pero suficiente para la información que necesita ser enviada.

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.

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

(21)

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) 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.

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

(22)

Julio 06

Julio 06 4343

Estructura de una ranura normal

• 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.

• 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.

(23)

Julio 06

Julio 06 4545

Estructura de una ranura: otras

• Transmisión de corrección de frecuencia (Frequency Correction

Burst)

Es el FCCH.

En esencia una onda sinusoidal que se obtiene con 148 ceros.

• Transmisión de sincronización (Synchronization Burst)

El SCH contiene una secuencia de sincronización mas grande.

Contiene el BSIC y el número de trama en la hypertrama.

Estructura de una ranura: otras

• Transmisión de acceso (Access burst)

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

Es una versión corta para asegurar que calce en la ranura de tiempo sin importar

problemas severos de alineamiento.

• Dummy bursts

(24)

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.

9260bits/20 ms = 13 kbps.

¾Idea básica

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

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) se someten a una codificación convolucional (FEC).

(25)

Vocoders

• EFR

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.

(26)

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.

• 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”.

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 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 entregar tales servicios.

(27)

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

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.

A pedido del Reino Unido, una versión de GSM, operando en la banda de 1800 MHz, fue incluida en el proceso de especificación, ajustado a los requerimientos de la emergente PCN.

¾Este sistema se conoce como DCS -1800 (Digital Cellular System).

• Una alternativa para el extraño término PCS 1900 es GSM-NA, que representa

a GSM North America.

Para un usuario común que no sabe ni le interesa que es un hertz, la nueva asignación en 1900 MHz son simplemente extensiones a la red celular.

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

cualquier lugar y en cualquier forma”.

(28)

TRX

• Una BTS contiene las TRXs (radio transceivers).

• Cada TRX puede manejar hasta 8 usuarios full rate.

• Incrementar el número de TRXs permite incrementar el número de

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

de frecuencias.

TRX

(29)

TRX

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).

(30)

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 para datos.

• El TRAU convierte los 16 kbps a los 64 kbps estándar para su transferencia sobre la

PSTN.

TRAU/Abis

TRAU/

(31)

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 a gateway MSC (G-MSC).

Bases de datos (VLR y HLR)

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.

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

• Mensajes incluyen:

Radio resource management (RR)

Mobility Management (MM)

(32)

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

• 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).

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.

(33)

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).

Arquitectura de Protocolos

• La figura presenta los protocolos utilizados entre los principales

componentes de la arquitectura de red.

(34)

Arquitectura de Protocolos

• La capa mas baja de la arquitectura corresponde la enlace físico entre las

diversas entidades.

Entre la MS y la BTS se tiene el enlace de radio discutido en el material anterior, y lleva datos de las capas mas altas.

Entre otras entidades se utiliza un canal digital de 64 kbps (o 16 kbps considerando el caso delTRAU).

• A nivel de la capa enlace de datos se usa una modificación del protocolo LAPD

(usado en ISDN) llamada LAPDm, entre la MS y la BTS.

Los demás enlaces que requieren este protocolo usan la versión normal.

En esencia, LAPD está diseñado para convertir un enlace físico potencialmente poco confiable en un enlace de datos confiable.

¾Usa un CRC y ARQ para manejar tramas dañadas.

Arquitectura de Protocolos

• Sobre la capa enlace, como se mencionó anteriormente, se tiene una serie de protocolos que proveen funciones específicas.

Administración de las llamadas o conexión Administración de la movilidad Administración de los recursos de radio MAP (Mobile Application Part) Administración del BTS

(35)

Arquitectura de Protocolos

• MAP (Mobile Application Part)

Es una extensión específica para redes móviles del Sistema de Señalización #7

(Signaling System SS#7).

Transporta la información de señalización relacionada a actualizaciones de

ubicación, perfiles de usuarios, handovers, etc.

GSM MAP es un protocolo de señalización utilizado en las interfaces B, C, D, E, F y G.

Arquitectura de Protocolos

• MAP (Mobile Application Part)

No corre directamente sobre la capa de enlace sino sobre dos protocolos SCCP y MTP.

¾Son parte del sistema de señalización No.7 que es un conjunto de protocolos diseñados para proveer señalización de control dentro de redes digitales de conmutación de circuitos tales como redes públicas digitales de telecomunicaciones.

¾Estos protocolos proveen funciones generales utilizadas por varias aplicaciones, incluyendo MAP.

(36)

Arquitectura de Protocolos

• SMS

(37)

Fases

• El proceso de estandarización fue dividido, en parte debido a la

demanda por equipo operacional basado en los estándares GSM,

en tres fases.

Fase 1

¾Congelada en 1991 para permitir que los operadoras construyan sus primeras redes GSM comerciales.

¾Los números de versión para los documentos de la Fase 1 son 3.X.X.

Fase 2

¾Congelada en Octubre de 1995.

¾Los números de versión para los documentos de la Fase 2 son 4.X.X.

Fase 2+

¾Mejoras subsecuentes y adiciones posteriores a Octubre de 1995, automáticamente forman parte de la Fase 2+.

¾Los números de versión para los documentos de la Fase 2+ son 5.X.X.

Fases

• ETSI podría seguir trabajando en base a fases de forma indefinida

pero muchas de las características añadidas en la actualidad son

cada vez mas consideradas como opcionales y no obligatorias

como en las fases previas.

• ETSI reconoció luego paquetes que son liberados cada año.

Empezando desde 1996, a los documentos de la Fase 2+ se hacen referencia como

Release 96, Release 97, Release 98 y Release 99.

• Finalmente, se decidió que las versiones que siguieron al Release

99 se referenciarían de acuerdo a un número de versión.

Release 4 (es la primera nueva versión con esta nomenclatura).

Release 5

(38)

Fases

• ETSI y las organizaciones del 3GPP (3rd Generation Partnership

Project) decidieron incluir el trabajo de estandarización de GSM

en Julio de 2000.

3GPP continuaría el trabajo que llevaba a cargo el ETSI Special Mobile Group

(SMG).

Servicios de Telecomunicaciones

• Usando las definiciones de la ITU-T se tienen las siguientes

categorías:

Teleservicios

Servicios de transporte (Bearer services)

Servicios Suplementarios

(39)

Julio 06

Julio 06 7777

Servicios de Telecomunicaciones

• Teleservicios

Son aquellos que las personas usan directamente. El servicio mas básico que soporta GSM es el de telefonía.

¾En la Fase 1

9Full rate vocoding (13 kbps) ¾En la Fase 2 ( se introdujo mejoras) 9Half rate vocoding (6.5 kbps)

Otros:

¾Servicio de emergencia (112)

9Las MSs pueden usar estos números incluso sin SIM, pero esto depende de regulaciones locales.

¾Servicio de Fax del Grupo 3

9Establecido en Fase 1 pero no disponible en la práctica durante la Fase 1. 9Se requiere el uso de un adaptador.

¾SMS (Short Message Service)

9Servicio para enviar mensajes alfanuméricos de hasta 160 bytes. 9Establecido en Fase 1 pero no disponible en la práctica durante la Fase 1.

9Punto-punto (se envía el mensaje y quien envía recibe un ACK de la entrega del mensaje). 9Broadcast para enviar mensajes del estado del tráfico o noticias.

9En la Fase II ( se introdujo mejoras) Mejoras en punto-punto y punto-multipunto

Adecuadamente documentado y totalmente store-and-forward.

Servicios de Telecomunicaciones

(40)

Julio 06

Julio 06 7979

Servicios de Telecomunicaciones

• Teleservicios

Servicios de Telecomunicaciones

(41)

Julio 06

Julio 06 8181

Servicios de Telecomunicaciones

• Teleservicios

Servicios de Telecomunicaciones

• Servicios de transporte (Bearer services)

La naturaleza digital de GSM habilita el transporte de datos como un servicio bearer

hacia y desde un terminal ISDN.

¾Velocidades hasta 9600 bps pueden no ser atractivas hoy en día pero para un medio inalámbrico móvil eran consideradas muy rápidas.

¾Navegar Internet es un ejemplo de una aplicación que usa servicios bearer.

Fase 1

¾Aceptaba solo acceso asincrónico a un PAD dedicado.

9PAD (Packet Assembler/Dissembler)

9Para acceso a redes X.25

Fase 2

¾Mejor throughput para la transmisión de datos usando un acceso de datos dedicado sincrónico con paquetes, operando a desde 2.4 a 9.6 kbps.

(42)

Julio 06

Julio 06 8383

Servicios de Telecomunicaciones

• Bearer services

Servicios Transparentes

¾Para GSM significa que la infraestructura GSM (incluyendo las MSs) pasan los datos de un terminal sin ningún protocolo adicional para reducir el efecto de los errores introducidos por el medio.

Servicios No Transparentes

¾Añaden corrección de errores.

¾La tasa efectiva de transmisión es mayor para el servicio no transparente.

Servicios de Telecomunicaciones

• Bearer services

HSCSD (High-Speed Circuit-Switched Data)

¾Permite la combinación de hasta 8 ranuras de tiempo para un solo enlace de comunicaiones. 98*9.6 kbps= 76.8 kbps

9En la práctica limitado a 64 kbps (límite en un canal ISDN).

PDS (Packet Data on Signaling Channels)

¾Una respuesta intermedia a la demanda de servicios de datos. 9Utilizan o piden prestado recursos de señalización. 9Entre 600 y 9600 bps.

9Aplicaciones modestas (como bajar email) se hace de forma mas económica usando servicios de paquetes de datos, y ciertamente de forma mas eficiente que HSCSD.

(43)

Julio 06

Julio 06 8585

Servicios de Telecomunicaciones

• Bearer services

Para el Release 97 la mayor novedad era GPRS.

¾General Packet Radio Service

¾Un servicio general de paquetes con ubicación dinámica de recursos.

¾Diferente codificación de canal (tasa de velocidad de hasta 21.4 kbps por ranura) y la opción de utilizar hasta 8 ranuras permitirían una gran variedad de tasas de hasta 100 kbps.

¾Afecta la interfaz de aire.

Servicios de Telecomunicaciones

• Servicios Suplementarios

Son características residentes en la red misma.

¾La MS debe tener una forma para usarlos.

¾Call barring es bloquear o impedir la generación/recepción de ciertas llamadas.

Se implementan sobre los teleservicios y servicios bearer.

(44)

Julio 06

Julio 06 8787

Servicios de Telecomunicaciones

Servicios

Suplementarios

Servicios de Telecomunicaciones

(45)

Julio 06

Julio 06 8989

Servicios de Telecomunicaciones

• Servicios Suplementarios

ECT permite pasar una llamada a otro abonado (como en PBX).

eMLPP permite asignar alta prioridad a algunas llamadas mediante subscripción.

¾Cuando llamadas de alta prioridad encuentran recursos limitados, la red retira los recursos de otras llamadas para liberar recursos.

¾Un usuario estándar probablemente no tenga acceso a esto.

¾Orientado a grupos como personal de trenes en Europa o grupos de seguridad.

Servicios de Telecomunicaciones

Servicios Suplementarios

(46)

Julio 06

Julio 06 9191

Servicios de Telecomunicaciones

• Mejoras en SIM

Servicios de Telecomunicaciones

• Mejoras en la Red

NITZ

¾Un nuevo mecanismo para transferir la identidad de la red, nombre de la red al equipo móvil. 9Ejemplo: si una red debe cambiar su nombre por razones comerciales o legales.

CAMEL (Customized Applications for Mobile Network Enhanced Logic)

¾Característica de la red y ni un servicio suplementario.

9Herramienta para el operador para proveer a los roamers con las mismas características que disfrutan en su red nativa.

¾Se introduce en dos fases: en los Releases 96 y 97.

SOR

(47)

Julio 06

Julio 06 9393

Servicios de Telecomunicaciones

• Mejoras en la Red

Servicios de Telecomunicaciones

• Release 98

Already completed:

¾BTS performance requirements for very small cell scenarios (Picocells)

Ongoing:

¾Access to auxiliary devices, integrated into the ME platform, through the use of the SIM Application Toolkit

¾Access to ISPs and Intranets in GPRS Phase 2 – Separation of GPRS Bearer Establishment and ISP Service Environment Setup

¾Adaptive Multi-Rate (AMR)

¾Call Deflection

¾Call Forwarding Enhancements (CFE)

¾Calling line identification enhancements (CLIe)

¾Connecting an octet stream to a port on an Internet host (R98)

¾Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) - BSS Part ¾Enhanced Data rates for GSM Evolution (EDGE) - NSS Part

¾Enhanced QoS Support in GPRS

¾Follow Me

¾Fraud Information Gathering System(FIGS)

¾General Packet Radio Service Phase 2 (GPRS) - network part1

¾General Packet Radio Service Phase 2 (GPRS) - radio part1

¾GPRS for PCS1900

¾GPRS Mobile IP Interworking

(48)

Julio 06

Julio 06 9595

Servicios de Telecomunicaciones

• Release 98

Ongoing:

¾Harmonization of the PCS1900 Standards with the GSM Base Specification ¾Immediate Service Termination (IST)

¾LAPDm performance enhancement ¾Lawful Interception (LI) ¾Location Services (LCS)

¾Mobile Station Execution Environment (MExE) ¾Modem and ISDN interworking for GPRS ¾MS Antenna Test Method

¾Multiple Subscriber Profile (MSP) ¾Service Provider Number Portability (USA) ¾Support of Localized Service Area (SoLSA)

¾Tandem Free Operation of speech codecs in Mobile-to-Mobile Calls (MMCs) ¾Unstructured octet stream GPRS PDP Type (R98)

¾User-to-User Signalling (UUS) ¾USSD Enhancements

¾1 Comprises sub-work items in the same table having "GPRS" in their title.

Servicios de Telecomunicaciones

• Release 99 and beyond

Access to ISPs and Intranets in GPRS Phase 2 – Wireless/Remote Access to LANs (R99)

Advanced Addressing

Architecture of the GSM-UMTS Platform

Architecture overview of the GSM-UMTS System

Automatic Establishment of Roaming Relations

CAMEL Phase 3

Charging and Billing for GPRS – Advice of Charge

Charging and Billing for GPRS – Hot Billing

Charging and Billing for GPRS – Pre-Paid

End to End UMTS QoS Management

Fraud Information Gathering System applied to GPRS

BSS co-ordination of Core Network Resource allocation for class A GPRS services -GSM-UMTS Core Network (R99)

Comunicaciones Inalámbricas GSM. Julio 06 Iván Bernal, Ph.D.

Iván Bernal, Ph.D.

[email protected]

http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal

http://clusterfie.epn.edu.ec/ibernal

Comunicaciones Inalámbricas

Quito – Ecuador

Escuela Politécnica Nacional

Escuela Politécnica Nacional

Quito – Ecuador

GSM

Agenda

Agenda

•

Generalidades

•

Identificadores

•

Arquitectura e Interfaces

•

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

Edition,

Artech House, 2003.

•

T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles &

Practice”, Prentice Hall.

•

First Edition: 1995.

•

Second Edition: 2001.

•

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

Edition, Prentice Hall, 2005.

•

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

Communications Handbook”, Artech House, 1998.

Bibliografía

Bibliografía

Bibliografía

Introducción

Introducción

Introducción

•

Groupe Spe´cial Mobile

•

Global System for Mobile Communications

Introducción

Introducción

Introducción

•

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

Introducción

Introducción

Introducción

•

Variedades

Introducción

Introducción

Introducción

•

Ventajas sobre sistemas analógicos



Soporte para roaming internacional



Una distinción entre usuario y dispositivo



Calidad mejorada de voz



Seguridad (autenticación y encripción)



Nuevos servicios adicionales (SMS y caller ID)

Introducción

Introducción

Introducción

•

Un verdadero estándar



Se estandariza todo el sistema, incluyendo todas las interfaces entre los diferentes

componentes del sistema.



_Edition,