Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla
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ARRERA
“Desarrollo de una librería de rutinas para la simulación
de sistemas GSM”
Autor: Antonio Pulido Ruiz Tutor: José Ramón Cerquides Bueno
2
“Desarrollo de una librería de rutinas para la simulación de sistemas
GSM”
ÍNDICE
ÍNDICE... 2PRÓLOGO... 9
PRIMERA PARTE: INTRODUCCIÓN... 11
CAPÍTULO I: OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO... 12
I.1.- Objetivos y alcance del Proyecto... 12
I.2.- Justificación del proyecto... 13
CAPÍTULO II: UN POCO DE HISTORIA... 15
II.1.- Las comunicaciones móviles antes de GSM... 15
II.2.- El proceso de especificación de las recomendaciones de GSM... 17
II.3.- El futuro inmediato de las comunicaciones móviles... 20
SEGUNDA PARTE: EL SISTEMA DE TELEFONÍA MÓVIL CELULAR GSM... 22
CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA GSM... 23
I.1.- Requerimientos... 23
Requerimientos del usuario... 23
Requerimientos del operador de red... 24
Requerimientos del fabricante... 24
Requerimientos del organismo regulador... 24
I.2.- Especificaciones del Sistema GSM... 25
I.3.- Servicios de Telecomunicación en GSM... 29
Servicios portadores... 30
Teleservicios... 31
Servicios suplementarios... 33
Calidad de Servicio (QOS)... 34
I.4.- Arquitectura del sistema GSM... 35
I.5.- Descripción de las unidades funcionales... 38
La Estación Móvil (MS)... 38
La Estación Transceptora de Base (BTS)... 40
El Controlador de Estación Base (BSC)... 43
El Centro de Conmutación de servicios Móviles (MSC)... 44
El Registro de Abonados Locales (HLR)... 45
El Centro de Autenticación (AUC)... 46
El Registro de Visitantes (VLR)... 47
El Registro de Identidad de Equipos (EIR)... 48
El Centro de Operaciones y Mantenimiento (OMC), el Centro de Gestión de Red (NMC) y la Unidad de Gestión Comercial... 48
3
Interfaz A... 52
Interfaz A-bis... 53
Interfaz Um... 53
CAPÍTULO II: LA INTERFAZ RADIO DE GSM... 54
II.1.- Introducción... 54
II.2.- La Capa Física... 54
II.2.1- Canales Lógicos... 55
Canales de tráfico... 56
Canales de control... 57
II.2.2.- Canales físicos... 59
II.2.3.- Correspondencia entre canales lógicos y canales físicos... 65
Multitrama MF26... 66
Multitrama MF51... 70
Estructuras de multitramas... 73
Configuración de la correspondencia canales lógicos - canales físicos... 74
II.2.4.- Sincronización de portadora y de ráfaga... 75
II.2.5.- Funcionamiento con saltos de frecuencia ("Frequency Hopping")... 77
II.2.6.- Codificación de canal... 79
Códigos convolucionales... 79
Decodificación de códigos convolucionales... 83
Códigos convolucionales "pinchados" (PCC)... 89
Códigos bloque... 91
Códigos cíclicos... 95
Entrelazado... 101
Codificación de los canales lógicos de GSM... 107
II.2.7.- Modulación... 128
II.2.8.- Demodulación... 136
II.2.9.- Transmisión y Recepción... 138
Espectro de salida en RF... 138
Emisiones espurias... 142
Atenuación de la intermodulación... 143
Características del receptor... 144
Rendimiento de transmisión / recepción... 145
II.2.10.- El canal de propagación... 152
Cálculo de las pérdidas de propagación... 154
Desvanecimiento lento... 159
Desvanecimiento rápido... 160
Modelos de propagación definidos para GSM... 165
II.2.11.- Ecualización... 168
Introducción... 168
Receptor óptimo... 168
Fundamentos de la ecualización Viterbi... 170
Procesado en banda base para la ecualización... 174
II.2.12.- Control del enlace radio... 191
MS en modo inactivo... 191
4
Fallo del enlace radio... 202
II.3.- La capa de Enlace... 202
II.3.1.- Modos de operación de LAPDm... 204
II.3.2.- Formato de las tramas de LAPDm... 205
II.3.3.- Descripción de los campos de las tramas LAPDm... 206
II.3.4.- Puntos de acceso al servicio... 210
II.3.5.- Parámetros del sistema... 212
II.4.- La capa de Red... 213
II.4.1.- Subcapa CM... 214
Control de llamada (CC) ... 214
Soporte para servicio de mensajes cortos (SMS) ... 216
Soporte para Servicios Suplementarios (SS) ... 217
II.4.2.- Subcapa MM... 217
II.4.3.- Subcapa RR... 218
II.4.4.- Formato de los mensajes de capa 3... 219
II.5.- Codificación de la voz... 221
II.5.1.- Introducción... 221
II.5.2.- Codificación de voz en GSM... 223
Elección del codificador de voz a velocidad completa para GSM... 225
El codificador RPE-LTP... 226
El decodificador RPE-LTP... 232
II.5.3.- El concepto de transmisión discontinua... 234
TERCERA PARTE: DESCRIPCIÓN DE LAS FUNCIONES MATLAB®... 237
CAPÍTULO I: DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA LIBRERÍA... 238
I.1.- Introducción... 238
I.2.- Estructura de la librería de funciones... 239
CAPÍTULO II: DESCRIPCIÓN DE LAS FUNCIONES... 243
II.1.- Introducción. Listado alfabético de funciones... 243
II.2.- Funciones del bloque Empaquetado TDMA... 245
burstgen... 245
transbts... 247
II.3.- Funciones del bloque Desempaquetado TDMA... 251
extraedat... 252
II.4.- Funciones del bloque Sincronización... 252
genrel... 253
II.5.- Funciones del bloque Codificador de Canal... 255
codconv... 256 pcc... 258 codbl... 260 tabenths... 261 coefcodc... 262 codcanal... 263
II.6.- Funciones del bloque Decodificador de Canal... 264
genmtcod... 265
decovit... 266
5
gmskmod... 291
II.8.- Funciones del bloque Demodulador... 296
cuant... 297
adc... 299
gmskdem... 303
II.9.- Funciones del bloque Transmisor de RF... 316
sumperd... 317 genruido... 321 amplif... 322 p12l... 326 powramp... 327 genmask... 331
II.10.- Funciones del bloque Receptor de RF... 332
convfrec... 333
agc... 335
II.11.- Funciones del bloque Canal de Propagación... 343
pathloss... 344
matcan... 349
canal... 360
II.12.- Funciones del bloque Ecualizador... 367
gensec... 367
estimcan... 369
estimsec... 373
ecuvit... 374
ecualiz... 381
II.13.- Funciones de carácter general... 386
arfcn2f... 386 bingen... 387 bin2nrz... 387 binadec... 388 decabin... 388 coddif... 388 decoddif... 389 diezmar... 390 hopping... 390 potrafbb... 391
CUARTA PARTE: SIMULACIONES... 392
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN... 393
I.1.- Introducción... 393
CAPÍTULO II: SIMULACIÓN 1... 394
II.1.- Descripción... 394
Configuración del transmisor... 394
Bloques del transmisor de RF... 395
Canal... 397
Receptor RF... 398
6 Fichero simul_1b... 403 Fichero simul_1c... 405 Fichero simul_1d... 405 Fichero simul_1e... 409 Fichero simul_1f... 411 II.3.- Resultados... 415
CAPÍTULO III: SIMULACIÓN 2... 432
III.1.- Descripción... 432
Datos de las Estaciones Base... 433
BTS “A”... 435
BTS “B”... 435
BTS “C”... 436
Canal de Propagación... 436
III.2.- Ficheros de comandos... 439
Fichero simul_2a... 439
Fichero simul_2b... 441
Fichero simul_2c... 442
Fichero simul_2d... 446
III.3.- Resultados... 447
CAPÍTULO IV: SIMULACIÓN 3... 451
IV.1.- Descripción... 451
Configuración de la transmisión... 451
Transmisor de RF... 451
Canal... 452
Receptor de RF... 453
Demodulación, ecualización y decodificación de canal... 455
IV.2.- Ficheros de comandos... 456
Fichero simul_3a... 456 Fichero simul_3b... 458 Fichero simul_3c... 459 Fichero simul_3d... 459 Fichero simul_3e... 462 Fichero simul_3f... 464 IV.3.- Resultados... 468
QUINTA PARTE: CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN... 473
CAPÍTULO I: CONCLUSIONES... 474
CAPÍTULO II: LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN FUTURAS Y POSIBLES AMPLIACIONES... 475
APÉNDICES... 477
ABREVIATURAS EMPLEADAS EN LA MEMORIA... 478
BIBLIOGRAFÍA... 484
7 A Yolanda y a mi familia
8 “My ego and I, we have faced many dangers. Fear and self loathing have never been strangers. Nobody knows of the depths we have been to or all the fine messes we’ve got ourselves into. For ten lonely years, that’s my reward.” Martin Walkyier “Another Fine Mess”
9 Descripción del contenido del presente documento
En este prólogo vamos a comentar brevemente el contenido del presente documento, que se ha estructurado en una serie de Partes divididas en Capítulos.
En la Primera Parte (Introducción) se definirán los objetivos del proyecto y el alcance de los mismos. Se justificarán dichos objetivos pertinentemente. Se hará esto en el capítulo I (Objetivos y Justificación del Proyecto).
En el capítulo II (Un poco de Historia) se ofrecerá un breve repaso a los hitos históricos que han llevado a las Telecomunicaciones hasta el nacimiento del sistema GSM ("Global System for Mobile communications"), y se comentará sucintamente el proceso que siguieron la CEPT ("Conference Europeene des Postes et Telecommunications") y después el ETSI ("European Telecommunications Standards Institute") para la definición del estándar GSM. Se ofrecerá también una breve perspectiva de las expectativas de futuro de las comunicaciones móviles.
La Segunda Parte (El Sistema de Telefonía Móvil Celular GSM) describirá la estructura general de la Red Pública Móvil Terrestre (PLNM, "Public Land Mobile Network") Paneuropea definida por las recomendaciones GSM del ETSI.
En el capítulo I (Descripción General del Sistema) se definirán y describirán los elementos que componen la red, sus funciones y objetivos de calidad, así como los servicios y facilidades que la red ofrece a los usuarios.
En el capítulo II (La Interfaz Radio de GSM) se describirá la estructura de capas de la interfaz radio, haciendo especial hincapié en la capa física, cuya simulación es el principal objetivo de este Proyecto. Se describirán los canales físicos, los canales lógicos, el modo en que se mapean los canales lógicos en los canales físicos, el códec vocal, la codificación de canal, la modulación, etc.
La tercera parte (Descripción de las Funciones Matlab®) versará sobre el desarrollo de las rutinas diseñadas para la simulación de la capa física de la interfaz radio de GSM.
En el capítulo I (Descripción General de la Librería) se ofrece una visión general de la librería de rutinas que se ha desarrollado, definiendo la estructura de bloques lógicos en los que se englobarán las distintas funciones.
En el capítulo II (Descripción de las Funciones) se profundiza en la descripción de cada una de las funciones de la librería, detallando su sintaxis, parámetros de entrada y de salida, relación con otras funciones, pruebas realizadas para la validación de cada función, y, para las funciones de mayor complejidad, una explicación del funcionamiento interno de las mismas. Las rutinas descritas en este capítulo se organizan en los bloques lógicos mencionados anteriormente.
En la cuarta parte (Simulaciones) se ofrecen distintas simulaciones, a modo de ejemplo de utilización de las funciones de la librería y con el principal objetivo de clarificar las interrelaciones entre las diferentes rutinas.
10 ampliaciones al proyecto (capítulo II).
Finalmente, se ofrecen dos anexos, el primero de los cuales contiene el glosario de abreviaturas utilizadas en el texto de la Memoria, mientras que en el segundo se incluyen las referencias bibliográficas empleadas.
487 Dicen que es de buen nacido ser agradecido, así que me dispongo a mencionar a las personas que merecen mi reconocimiento por su apoyo y ayuda durante el periodo de tiempo que he invertido en la realización del presente proyecto.
A Isco Román, Isa Román y familia, por la hospitalidad que siempre mostraron con mi persona.
A Carlos Espada, Luis Morales y Rafa Bretón por la constante presión psicológica durante los últimos meses.
A Celia Trevilla por la información sobre cables y antenas de BTS, así como por los cambios de turno, que siempre me vinieron muy bien.
A Pepe Morales por las noticias de orden burocrático, que siempre son bien recibidas. A Ana Valero por la documentación del curso de Ericsson y los “drive tests”.
A Ángel Barbero por los “drive tests” que hizo con Ana. A Fabrizio Alberoni porque sí.
A Ismael Hervás por la documentación de los emplazamientos (los “final sites”). A José Ramón Cerquides por la paciencia, que parece a veces inagotable.
A Paco Fajardo, Rafa Ceballos y Diego por ese pedazo de piso de estudiantes que compartimos durante el primer año.
A los amigos que hace tiempo que no veo. Ya sabéis quiénes sois.
A Yolanda por estar siempre ahí, y por los sacrificios que ha tenido que hacer para que yo terminara este proyecto. Nunca le estaré suficientemente agradecido.
A los padres de Yolanda, por haberla traído al mundo.
Por supuesto, a mis padres y a mi hermana, que la familia siempre es la familia.
Y por último, un recuerdo a aquellas personas a las que les hubiera gustado verme terminar la Carrera, pero que desgraciadamente ya no están: mis abuelos Antonio, Encarna y Francisca, y Carmen Martínez. Descansen en paz.
Primera
Parte
12 CAPÍTULO I
Capítulo I:
Objetivos y Justificación del Proyecto
I.1.- Objetivos y Alcance del Proyecto I.2.- Justificación del Proyecto
I.1.- Objetivos y Alcance del Proyecto
El objetivo del presente Proyecto Fin de Carrera es diseñar y desarrollar una librería de rutinas para la simulación del comportamiento de la capa física de la interfaz radio de un sistema GSM. Las rutinas deberán conformar un entorno de simulación adecuado para la experimentación con nuevas técnicas de procesamiento de señal que puedan aplicarse al sistema GSM.
En este sentido, el diseño y desarrollo de estas rutinas se hará con un alto nivel de detalle, de modo que los resultados obtenidos se aproximen a la realidad lo más fielmente que sea posible.
Una característica fundamental que debe tener la librería de rutinas es la modularidad, de forma que se faciliten futuras ampliaciones o mejoras en determinados bloques, así como que se permita sustituir alguno de los bloques por otro de funcionalidad similar que pueda haber desarrollado el usuario de la librería.
Además, las funciones deberán tener cierto grado de versatilidad, con objeto de permitir la experimentación con diferentes valores en sus parámetros de entrada, pudiendo en algunos casos ser útiles para la simulación de otros sistemas diferentes de GSM.
El alcance del Proyecto viene determinado por las funciones que realiza la capa física de la interfaz radio del sistema GSM, entre las que se incluyen:
- Codificación y decodificación de canal - Modulación y demodulación
- Ecualización
- Transmisión y recepción - Generación de ráfagas
- Extracción de datos de las ráfagas
El modelado del canal de propagación es también objetivo del presente Proyecto. Se deberán diseñar, generar y probar rutinas que lleven a cabo los diferentes procesos relativos a las funciones que se acaban de mencionar.
13 Finalmente, se realizarán simulaciones del sistema completo en diferentes escenarios, comprobando así el correcto interfuncionamiento de los distintos bloques y la exactitud de los resultados, que en algunos casos podrán compararse con experimentos de campo. Estas simulaciones globales servirán también para una mayor comprensión por parte del usuario de la librería acerca de la correcta utilización de las diferentes funciones.
La codificación y decodificación de la voz no son objetivo del presente Proyecto, por lo que se generarán secuencias pseudoaleatorias para emular la señal entregada por el codificador de voz al codificador de canal.
Tampoco son objetivo del Proyecto los procedimientos de envío de medidas desde la estación móvil a la estación base, control de potencia (“power control”) y traspaso (“handover”). No obstante, este tipo de procedimientos pueden implementarse basándose en las rutinas que de diseñarán y desarrollarán en el presente Proyecto, generándose las estructuras adecuadas en un nivel superior.
I.2.- Justificación del proyecto
El presente proyecto resulta de interés por varias razones, entre las que podemos destacar:
- La profundización en el estudio del sistema GSM, que hoy por hoy es el sistema de telefonía móvil más extendido en Europa.
- La posibilidad de emplear la librería de rutinas como herramienta didáctica para el estudio de diversos aspectos de las comunicaciones móviles en general y de GSM en particular, tales como la codificación y decodificación de canal, la ecualización o el modelado del canal de propagación.
- La librería de rutinas que se ha desarrollado en este proyecto constituye un entorno de simulación útil para ensayar nuevas técnicas de procesado de señal aplicables al sistema GSM, tales como la incorporación al mismo de técnicas de acceso múltiple en el dominio espacial, o para probar diferentes diseños de bloques como amplificadores de radiofrecuencia, filtros, antenas, ecualizadores, etc.
- La facilidad para ampliar la librería de modo que se incluyan rutinas para simulación de GPRS o EDGE, sistemas intermedios entre la 2ª y la 3ª generación de las comunicaciones móviles. Esto resulta de especial interés, dado que estos sistemas, especialmente GPRS, están teniendo un desarrollo mucho más extenso del inicialmente esperado para ellos, debido a los constantes retrasos en la implementación de los sistemas de tercera generación (UMTS).
- Muchas de las rutinas generadas para esta librería pueden utilizarse para la simulación de diversos sistemas, no sólo GSM, dada su versatilidad y carácter general. Este es el caso de las funciones encargadas de llevar a cabo
14 la codificación y decodificación convolucional o la modulación GMSK, por ejemplo. Asimismo, los modelos empleados para la simulación de canales de propagación cuya respuesta es variable con el tiempo pueden ser útiles para la simulación de otros sistemas de comunicaciones móviles diferentes de GSM.
15 CAPÍTULO II
Capítulo II:
Un poco de Historia
II.1.- Las comunicaciones móviles antes de GSM II.2.- El proceso de especificación de las recomendaciones de GSM II.3.- El futuro inmediato de las comunicaciones móviles
II.1.- Las comunicaciones móviles antes de GSM
Desde la antigüedad hasta finales del siglo XIX, el único medio de comunicación entre personas separadas por una larga distancia era la escritura. Los mensajes viajaban a una velocidad limitada por el medio de transporte que se emplease para llevarlos. A partir de los primeros años del siglo XX, la aparición de sistemas de comunicación más sofisticados y rápidos, basados en la transmisión de ondas electromagnéticas por distintos medios, hizo que las distancias parecieran acortarse, en comparación con la transmisión de mensajes escritos utilizada hasta entonces.
Fue durante el siglo XIX cuando se pusieron las primeras piedras para las telecomunicaciones actuales.
El teléfono, debido a Alexander Graham Bell, apareció por vez primera en 1876. La comunicación se realizaba entre dos aparatos fijos unidos por un par de hilos.
En 1887, German Hertz descubrió las "ondas hertzianas", conocidas hoy como ondas de radio.
El descubrimiento de Hertz fue utilizado por Guglielmo Marconi en 1896 para llevar a cabo la primera transmisión de información por radio. Marconi denominó a su invento "telegrafía sin hilos". Ya no era necesario que el transmisor y el receptor estuvieran unidos por hilos. Posteriormente se trasladó a Inglaterra, donde desarrolló el primer enlace transatlántico de radio en 1901. En 1909 recibió el premio Nobel de Física por su trabajo sobre las "ondas hertzianas".
Las ondas electromagnéticas no sólo permiten la comunicación entre dos puntos fijos separados por una larga distancia, sino que ofrecen una solución ideal para el problema de la comunicación entre interlocutores que cambien su posición con el tiempo, ya sean viandantes o personas que viajen a bordo de vehículos en movimiento tales como barcos, coches, aviones o cualquier otro tipo de medio de transporte.
Durante las dos o tres primeras décadas del siglo XX, el código Morse fue el más utilizado para las comunicaciones vía radio. En 1928 apareció el primer sistema de radio móvil terrestre para enviar mensajes a los vehículos de policía. En 1933 se introdujo un sistema que permitía a los agentes enviar mensajes de voz a la central.
Este tipo de sistemas empezaron a ser empleados también por los militares, los servicios de ambulancia, bomberos, la marina, la aviación, etc.
A principios de la década de los 50, los Laboratorios Bell presentaron el servicio de radiotelefonía a sus clientes. Así, las comunicaciones móviles pasaron de estar
16 reservadas a instituciones a estar al alcance del público en general1. De todos modos, la tecnología de la época sólo permitía acomodar un pequeño número de abonados a este sistema.
Para responder a la creciente demanda de conexión al servicio, era necesario desarrollar nuevas técnicas que permitieran compartir las bandas de frecuencia entre un mayor número de clientes, así como mejorar el funcionamiento de la red.
La falta de espectro radioeléctrico disponible para este tipo de servicios hizo que el crecimiento de los mismos fuese lento al principio.
En 1964 se introdujo el concepto de recursos compartidos en las redes de radiotelefonía. La red asignaba dinámicamente un canal de radio a cada nueva llamada. Ese canal era utilizado por el usuario mientras duraba la llamada, siendo liberado al terminar la misma. La gestión de las frecuencias era ya dinámica, y no estática como hasta entonces. Esto permitía un crecimiento en el número de usuarios, ya que podían existir más que canales de radio.
De cualquier modo, las bandas de frecuencia seguían siendo un recurso escaso, y era necesario optimizar su utilización.
Aunque los Laboratorios Bell concibieron la radio celular en 1947, no fue posible desplegar una red de ese tipo hasta 1979, debido a las limitaciones existentes en la tecnología. El sistema introducido por Bell es conocido como AMPS ("Advanced Mobile Phone Service"). Fue estandarizado en los Estados Unidos de América en 1982. El sistema celular se basa en la subdivisión del área geográfica cubierta por la red en un conjunto de zonas de menor tamaño, llamadas células. En cada una de las células, una estación fija actúa como transmisor-receptor, dando servicio a todas las estaciones móviles situadas dentro de los límites de la célula.
A cada célula se le asigna un cierto número de radiocanales. En células separadas entre sí una cierta distancia (la distancia cocanal o distancia de reutilización), pueden reutilizarse las mismas frecuencias.
Las principales ventajas del sistema celular frente a los existentes antes de su aparición son:
1.- Mayor número de abonados móviles, gracias a la reutilización de frecuencias.
2.- Reducción de la potencia radioeléctrica emitida, debido a que las estaciones fijas dan cobertura a zonas de menor superficie que la total.
3.-Capacidad de expansión del sistema.
Pero hay que tener en cuenta la mayor complejidad de la red, que debe soportar la conmutación automática en curso cuando un usuario que está realizando una llamada pasa de una célula a otra. Dicho usuario pasa a estar bajo el control de otra estación base, que le va a asignar una frecuencia distinta a la que empleaba en la célula en la que inició la llamada. La frecuencia original que estaba utilizando será liberada al producirse el traspaso de una célula a otra.
El cambio de frecuencia deberá hacerse de forma transparente al usuario, y con suficiente rapidez para que no parezca que la comunicación ha sufrido cortes.
1
17 Durante la década de los 80 entraron en servicio diferentes redes de radiotelefonía celular. Se trataba de sistemas analógicos, y fueron diseñados siguiendo estándares incompatibles entre sí. Entre ellos podemos mencionar el sistema NMT ("Nordic Mobile Telephone"), utilizado en los países nórdicos, Bélgica, Países Bajos, Francia y España, el británico TACS ("Total Access Communications System"), derivado del estándar americano AMPS, y empleado en el Reino Unido, Italia y España, los sistemas C y D alemanes, el japonés NAMTS ("Nippon Advanced Mobile Telephone System"), y el francés Radiocom 2000™ (de France Télécom).
Todos estos estándares usaban transmisión analógica, tenían una capacidad baja en términos de usuarios y tráfico, y requerían un gran número de frecuencias. La tecnología analógica limitaba la calidad y tipos de servicios que podían ofrecerse.
Además, en esa época, la mayoría de los servicios de telecomunicaciones se prestaban en régimen de monopolio por parte de un único operador, por lo que la inexistencia de competencia apenas estimulaba el crecimiento de la telefonía móvil.
La creciente demanda llegó a sobrepasar la capacidad de estos sistemas, a causa de las limitaciones del espectro disponible y de la tecnología.
Para contrarrestar las limitaciones de estos sistemas se hizo necesario abordar dos problemas técnicos:
1.- La multiplexión de los usuarios en el tiempo.
2.- Cambiar los sistemas analógicos por sistemas digitales.
Además, la creciente movilidad de los usuarios en el ámbito europeo hizo que fuera necesario un estándar a nivel comunitario. Los objetivos de esta solución no sólo serían beneficiosos para los usuarios, que podrían desplazarse por diversos países sin tener que cambiar de terminal móvil, sino también para los fabricantes, cuyo mercado se vería ampliado a millones de usuarios potenciales, consiguiendo reducir los costes de los equipos debido a las economías de escala.
II.2.- El proceso de especificación de las recomendaciones de GSM
La problemática que suponían los sistemas analógicos de telefonía móvil automática hizo que en 1982 la CEPT creara el Grupo Especial Móvil (GSM, "Groupe Spéciale Mobile") con el objetivo de desarrollar un estándar europeo para comunicaciones móviles en la banda de frecuencias reservada a tal efecto en 1978 por la WARC ("World Administrative Radio Conference"). El nuevo sistema a desarrollar tendría un mercado potencial de 10 millones de usuarios en Europa para el año 2000, y debería ser muy flexible en cuanto a los terminales. Asimismo, debería estar abierto a la interacción con futuras redes de telecomunicación.
El GSM definió en primer lugar una serie de requisitos básicos para el sistema. Destacamos los siguientes:
1.- Capacidad total de seguimiento automático, asegurando itinerancia internacional dentro de los países de la Unión Europea.
18 2.- Gran capacidad de tráfico, con una utilización eficiente del espectro radioeléctrico.
3.- Mejoras en la calidad de servicio (que debería ser comparable a la de la red fija) y mayores facilidades que los sistemas analógicos.
4.- Posibilidad de coexistencia con los sistemas analógicos existentes en los mismos emplazamientos de estaciones base.
5.- Posibilidad de interconexión con la RDSI (Red Digital de Servicios Integrados, en inglés ISDN, "Integrated Service Digital Network").
6.- Empleo de sistemas de señalización digitales.
7.- Servicios básicos de voz y datos, con amplia variedad de servicios telemáticos.
8.- Posibilidad de utilización de equipos móviles de reducido tamaño (portátiles).
9.- Terminales personalizables.
10.- Seguridad y privacidad en la interfaz radio, con encriptación de la transmisión.
11.- Coste reducido para los usuarios.
Los primeros estudios del GSM se centraron en la especificación de una banda de frecuencias común en todos los países, así como en el desarrollo de unas especificaciones armonizadas para los interfaces entre las unidades funcionales básicas del futuro sistema, de forma que las redes pudieran construirse con equipos de diferentes fabricantes, dejando siempre la posibilidad de que éstos pudieran ofrecer prestaciones adicionales, estimulando así la competitividad.
Una de las primeras decisiones fue la elección de un sistema digital. Siguieron una serie de experimentos sobre distintos tipos de sistemas digitales de radiotelefonía celular en distintos países europeos.
A mediados de 1986 se recibieron 9 propuestas para el futuro sistema paneuropeo de telecomunicaciones móviles, y se comenzaron una serie de pruebas para elegir el sistema con mejor comportamiento. Los sistemas propuestos empleaban una gran variedad de métodos de acceso múltiple, esquemas de modulación y tasas de transmisión. En la tabla II.2.1 mostramos los 9 sistemas candidatos probados por el GSM en París en 1986.
Tipo de Acceso Tasa binaria de transmisión (kb/s) Espaciado entre portadoras (kHz) Modulación Número de canales por portadora Factor de reutilización de la codificación de canal CD-900 CDMA/TDMA 7980 4500 4-PSK 63 6.67
MATS-D/W CDMA/TDMA 2496 1250 QAM 32 1.13
ADPM TDMA 512 600 ADPM 12 2.0
DMS-90 TDMA 340 300 GMSK 10 1.85 MOBIRA TDMA 252 250 GMSK 9 1.6 SFH-900 TDMA 200 150 GMSK 3 2.6 S900-D TDMA 128 250 4-FSK 10 1.15 MAX II TDMA 104.7 50 8-PSK 4 1.5 MATS-D/N FDMA 19.5 25 GTMF 1 1.13
19 Basándose en las pruebas de campo y en tests de laboratorio, los sistemas candidatos fueron evaluados y ordenados en orden de importancia respecto a los siguientes criterios:
n Eficiencia espectral
n Calidad subjetiva de la voz n Coste del equipo móvil
n Posibilidad de fabricar equipos portátiles de mano n Coste de la estación base
n Capacidad de incorporar nuevos servicios n Coexistencia con sistemas existentes
Con todo ello, el GSM decidió a principios de 1987 adoptar un sistema digital de banda estrecha con acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, "Time Division Multiple Access), encriptado de las transmisiones y un algoritmo de compresión de la voz para obtener una tasa binaria reducida.
Las principales características del sistema elegido fueron: n 8 canales TDMA por cada frecuencia portadora
n Códec vocal RPE-LTP ("Regular Pulse Excited Linear Predictive Coding with Long Term Prediction", en español Codificación Predictiva Lineal con Excitación Pulsada Regular y Predicción a Largo Plazo), operando a 13 kb/s.
n Codificación de canal anidada, con un código de tipo convolucional de longitud obligada K=5 y tasa R=1/2, y un código bloque.
n Espaciado de 200 kHz entre portadoras
n Modulación de envolvente constante GMSK ("Gaussian Minumum Shift Keying")
Hacia finales de 1988 se había completado un conjunto de especificaciones para el sistema paneuropeo de telefonía móvil digital. Las especificaciones fueron publicadas por el GSM como 13 bloques de recomendaciones que cubren diversos aspectos del sistema.
La norma definida para el sistema es conocida también como norma GSM, empleando las mismas siglas que el grupo redactor. Asimismo, el sistema también se designa como GSM, significando la sigla actualmente "Global System for Mobile communications".
Uno de los hechos más importantes que han propiciado la expansión del sistema GSM ha sido la constitución del llamado MoU ("Memorandum of Understanding"), constituido por los operadores de redes GSM.
El MoU se formó en septiembre de 1987 cuando los operadores de 13 países europeos (Alemania, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia Noruega, los Países Bajos, Portugal, el Reino Unido y Suecia) se pusieron de acuerdo para la implantación de una red celular digital europea.
En el seno del MoU se firman los acuerdos de itinerancia ("roaming") que permiten que un abonado pueda llamar y ser llamado a su número personal en cualquier momento y en todas las redes GSM cuyos operadores hayan establecido ese tipo de acuerdos.
20 En el curso del desarrollo de la norma GSM se creó el Instituto Europeo de Normalización de las Telecomunicaciones (ETSI, "European Telecommunications Standards Institute"), con lo que el trabajo del grupo GSM original fue transferido al comité SMG del ETSI.
El SMG se divide en 5 subgrupos, que se encargan de definir: 1) Servicios ofrecidos
2) El interfaz de radio 3) Aspectos de red 4) Transmisión de datos
5) El Módulo de Identidad de Usuario (tarjeta SIM, "Subscriber Identity Module").
Desde la creación del MoU ha habido un aumento del número de operadores signatarios, incluyendo operadores de países no europeos, de modo que GSM es ya un estándar a nivel global.
El sistema GSM ha supuesto un cambio revolucionario en la concepción, diseño y explotación de los sistemas de Telefonía Móvil Pública celular, por lo que se le conoce como un sistema de segunda generación.
La implantación del GSM, a partir de 1992, ha coincidido con la liberalización de las comunicaciones móviles en distintos países. Esto ha hecho que se preste el servicio en régimen de competencia entre varios operadores, con las consiguientes ventajas para los usuarios.
El grado de desarrollo del GSM ha superado con creces las expectativas iniciales, pese a que en muchos países se está compitiendo con sistemas analógicos que tienen, al menos inicialmente, una mayor cobertura superficial.
A finales de 1995 el número de abonados en todo el mundo era de unos 12 millones, cifra que ha crecido vertiginosamente a partir de entonces, alcanzando los 80 millones de abonados a principios de 1999.
II.3.- El futuro inmediato de las comunicaciones móviles
El enorme desarrollo alcanzado en los sistemas de telefonía móvil de segunda generación, como GSM, por un lado, y en paralelo el desarrollo de las redes de datos a nivel mundial (Internet), ha llevado a los fabricantes y organismos reguladores a estimar que el futuro pasa por la condensación de ambos campos en uno solo, dando lugar a los servicios de datos en movilidad.
Los sistemas móviles de segunda generación están evolucionando para adaptarse a estos nuevos servicios basados en Internet. El problema es la coexistencia a nivel mundial de distintos sistemas de segunda generación que utilizan tecnologías radio incompatibles y diferentes bandas en el espectro de frecuencia, lo que imposibilita que puedan captar un mercado mundial a largo plazo.
21 La idea es definir un estándar a nivel mundial que integre servicios de voz y datos de elevada tasa binaria y alta calidad de servicio, y permita movilidad total del usuario. Estos sistemas se conocen como sistemas de tercera generación. Un ejemplo de ellos es el UMTS (“Universal Mobile Telephony System”). El sistema UMTS proporcionará, usando la misma red, servicios de telecomunicación tradicionales junto con nuevos servicios basados en Internet. Soportará tasas binarias elevadas, desde 384 Kbit/s a 2 Mbit/s.
El optimismo inicial respecto a las posibilidades de implementar y desplegar redes basadas en el sistema UMTS en un periodo de tiempo bastante corto no ha tenido de momento una plasmación clara en el mundo real. La tecnología no ha madurado tan deprisa como las expectativas de negocio, lo que ha llevado en muchos casos a terminar paralizando las inversiones en UMTS.
Esto ha permitido que los sistemas de transición entre la segunda y la tercera generación se desarrollen más de lo que en principio se esperaba. En Europa, este es el caso de GPRS (“General Packet Radio Service”), que no es más que una actualización de GSM que permite la transmisión de datos en el interfaz radio en modo paquete y una conexión a velocidad bastante aceptable a servicios de Internet2. Los cambios en la red GSM necesarios para el despliegue de GPRS afectan principalmente a los nodos de conmutación, ya que deben añadirse nodos capaces de realizar conmutación de paquetes. En el interfaz radio los cambios son principalmente a nivel software. La consecución de tasas de bit elevadas es posible gracias a configuraciones multislot en el interfaz aire. Este tipo de configuración, en la que se asignan a un mismo usuario varios intervalos de tiempo consecutivos, es también empleada por HSCSD (“High Speed Circuit Switched Data”), que está pensado para la transmisión de datos basada en conmutación de circuitos.
Mientras que HSCSD y GPRS consiguen aumentar la tasa binaria mediante la asignación de varios intervalos de tiempo a un mismo usuario, EDGE (“Enhanced Data rate for GSM Evolution”) consigue tasas binarias aún mayores modificando el interfaz aire. EDGE emplea una modulación 8-PSK, que al tiempo que mantiene las mismas características espectrales que la modulación GMSK utilizada en GSM, consigue una tasa binaria muy superior, al mapearse 3 bits en cada símbolo. Si se emplean configuraciones multislot en EDGE, puede conseguirse una velocidad binaria de 554 Kbit/s para datos en modo paquete en el interfaz aire. El principal inconveniente de EDGE es que, al funcionar con un esquema de modulación diferente, es necesaria una actualización del hardware en todas las estaciones base de la red, lo cual implica unos costes económicos elevados.
2
Segunda
Parte
Segunda Parte:
EL SISTEMA DE
23 CAPÍTULO I
Capítulo I:
Descripción General del Sistema GSM
I.1.- Requerimientos 1.2.- Especificaciones del Sistema GSM I.3.- Servicios de Telecomunicación en GSM I.4.- Arquitectura del sistema GSM I.5.- Descripción de las unidades funcionales I.6.- Protocolos empleados en las distintas interfaces
I.1.- Requerimientos
Las especificaciones del estándar GSM han sido redactadas por el ETSI con la finalidad de identificar y satisfacer las necesidades de todas las partes implicadas, que no son otras que:
n Los usuarios
n Los operadores de red n Los fabricantes
n Los organismos reguladores de las comunicaciones.
Requerimientos del usuario
Los usuarios buscan en la telefonía móvil una herramienta cuyo uso debe ser simple y confortable, y cuyo precio debe ser barato. Los requerimientos de los usuarios son aplicables tanto al equipo terminal móvil como a los servicios ofrecidos por la red. ETSI ha identificado los siguientes requisitos del usuario:
•
Una calidad de voz comparable a la del teléfono convencional.•
Privacidad de las llamadas.•
Amplia cobertura.•
Servicios de envío de mensajes.•
Servicios de datos.•
Equipos móviles ligeros, compactos y ergonómicos.•
Coste razonable de acceso a los servicios.•
Tarifas razonables de uso de los servicios.•
Posibilidad de usar el servicio en redes extranjeras, distintas a la red a la cual el usuario está suscrito. Es lo que se conoce como itinerancia o "roaming".24
Requerimientos del operador de red
El operador de red considera a ésta como una inversión que debe ser económicamente posible, soportar futuras demandas y ser actualizable.
El operador de red es el encargado de ofrecer servicios a los usuarios. Para él la red es una herramienta de trabajo y el principal sustento de su actividad comercial. Lo que el operador pide a la red es:
•
Utilización óptima de los recursos (frecuencias de radio y capacidad de transmisión).•
Una alta disponibilidad.•
Operación simple y a la vez eficiente.•
Medios simples, efectivos y fiables para identificar abonados y terminales.•
Un gran número de abonados.•
Equipos estandarizados.•
Estándares flexibles.•
Un coste de infraestructura razonable.•
Que existan varios fabricantes de equipos.Requerimientos del fabricante
El fabricante se encarga de la manufactura de los equipos, tanto móviles como fijos. Precisa estándares que aseguren lo siguiente:
•
Una definición estable de la funcionalidad de los productos.•
Una definición clara de las restricciones.•
Una autoridad de certificación de los productos.•
Un mercado tan amplio como sea posible.Requerimientos del organismo regulador
Los objetivos de las autoridades encargadas de la regulación de las comunicaciones son:
•
Que el acceso a la radiotelefonía sea posible a toda la población.•
Abrir este tipo de servicio a la libre competencia entre operadores.•
Estandarizar los equipos para poder abrir el mercado a todos los fabricantes.•
Estandarizar el equipo del abonado.•
Utilizar al máximo la banda de frecuencias asignada a GSM.25 Las autoridades reguladoras pretenden actuar imparcialmente en nombre de todas las partes involucradas en el problema, adoptando políticas que garanticen diversas opciones para el ofrecimiento del servicio y libertad de elección para los consumidores.
I.2.- Especificaciones del Sistema GSM
Para dar respuesta a los requerimientos de las distintas partes, el ETSI ha publicado alrededor de 140 especificaciones técnicas acerca de los sistemas GSM y DCS-18001. Hay tres categorías en ese estándar:
n Las referidas a GSM a 900 MHz n Las referidas a DCS a 1800 MHz n Las referidas a ambos grupos
Las especificaciones del sistema de telefonía móvil celular GSM se dividen en series que tratan de temas específicos del sistema. En la tabla I.2.1 indicamos a qué tema en concreto se refiere cada serie de especificaciones.
Serie Tema
01 Cuestiones generales.
02 Aspectos de servicio.
03 Aspectos de red.
04 Interfaz y protocolos MS-BS.
05 Capa física de radio.
06 Codificación de voz.
07 Adaptadores de terminal para MS.
08 Interfaces BS-MSC.
09 Interfuncionamiento de redes. 11 Especificaciones de homologación.
12 Operación y mantenimiento.
Tabla I.2.1.- División de las especificaciones de GSM en series
Trataremos con más profusión la capa física del interfaz radio, pues el objetivo fundamental del proyecto es el desarrollo de una librería de funciones para la simulación de dicha capa.
No obstante, también haremos indicaciones sobre aspectos de interfuncionamiento y explotación.
A continuación presentamos las especificaciones fundamentales de la capa física del sistema GSM, así como sus aspectos operativos de mayor relieve.
1 DCS 1800 es un estándar de ETSI para Redes de Comunicaciones Personales, conocidas como PCNs
26 1) Bandas de frecuencias
Banda Enlace ascendente (desde la
estación móvil a la estación base)
Enlace descendente (desde la estación base a la estación móvil)
GSM 900 estándar 890 - 915 MHz 935 - 960 MHz E-GSM (“Extended GSM”) 880 - 915 MHz 925 - 960 MHz R-GSM (“Railways GSM”) 876 - 915 MHz 921 - 960 MHz DCS 1800 1710 - 1785 MHz 1805 - 1880 MHz PCS 1900 (Estados Unidos) 1850 - 1910 MHz 1930 - 1990 MHz 2) Separación dúplex
45 MHz para los sistemas de la banda de 900 MHz 95 MHz para DCS 1800
80 MHz para PCS 1900 3) Separación de canales
200 KHz, que proporciona un valor mínimo de selectividad de canal RF adyacente dentro del sistema igual a 18 dB. Los valores correspondientes a los segundos y terceros canales son, respectivamente, 50 y 58 dB como mínimo.
4) Modulación
GMSK con Bb· T = 0.3 y velocidad de modulación de 270.83 Kbit/s en RF, con
un rendimiento espectral aproximado de 1 bit/s/Hz. 5) Clase de emisión
271 K F 7 W2
6) Relación de protección cocanal Rp = 9 dB
7) Retardo compensable máximo 223 µs.
8) Dispersión Doppler
Puede compensarse la dispersión Doppler del canal hasta velocidades del móvil de 200 km/h.
2
Esta denominación de la emisión significa que el ancho de banda necesario es de 271 KHz (271 K), con modulación de frecuencia (F), el 7 significa que se transportan 2 o más canales con información
cuantificada o digital, mientras que W hace referencia a que el tipo de información enviado puede ser una combinación de telefonía, facsímil, transmisión de datos, etc.
27 9) PIRE máxima de la estación base
500 W por portadora 10) Dispersión temporal
Puede ecualizarse una dispersión temporal de hasta 16 µs. 11) Codificación de canal
Se utiliza un código bloque detector y un código convolucional corrector de errores, con entrelazado de bits para combatir las ráfagas de errores.
12) Potencia nominal de las estaciones móviles
Hay diversos tipos de estaciones móviles con potencias de cresta iguales a 0.25, 0.8, 1, 2, 4, 5, y 8 W.
13) Estructura celular y reutilización
La estructura celular es sectorizada, de tipo 3/9 ó 4/12 en medios urbanos. En medios rurales las células son omnidireccionales. El radio celular varía entre 35 km (en zonas rurales) y 200 m (en zonas urbanas).
14) Acceso múltiple
Se utiliza TDMA ("Time Division Multiple Access") con 8 intervalos de tiempo por trama. La duración de cada intervalo es de 0.577 ms. La trama comprende 8 canales físicos que transportan los canales lógicos de tráfico y señalización asociada al canal. También existen estructuras de multitrama para señalización por canal común. 15) Canales de tráfico
Hay dos tipos de canales de tráfico:
a) Para voz: Se han definido canales de velocidad total y de velocidad mitad para los cuales el codec vocal proporciona señales de 13 Kbit/s y 6.5 Kbit/s, respectivamente.
b) Para datos: Se sustentan servicios de datos de tipo transparente a velocidades de 2.4, 4.8 y 9.6 Kbit/s con diferentes procedimientos de adaptación de velocidad, codificación de canal y entrelazado. Se admiten también servicios de datos de naturaleza no transparente con una velocidad neta de 12.0 Kbit/s. También se han definido canales de datos de alta velocidad (HSCSD, “High Speed Circuit Switched Data”), que precisan de una configuración de multi-intervalo.
28 16) Canales de control
Se han establecido cuatro categorías de canales de control:
• De difusión
• Comunes
• Dedicados
• Asociados 17) Protecciones radioeléctricas
Bajo mandato de la red, los móviles pueden efectuar sus transmisiones cambiando de frecuencia de una trama a otra. Esta modalidad de funcionamiento se conoce como saltos de frecuencia o FH ("Frequency Hopping"). Esta técnica produce un efecto similar al de la diversidad en frecuencia, consiguiendo una mejora de la calidad, además de reducir el número de fuentes de interferencia.
También puede utilizarse la técnica de transmisión discontínua o DTX ("Discontinuous Transmission"), mediante la cual únicamente hay emisión de señal RF cuando el usuario está hablando. Se reduce así el nivel de interferencia y se prolonga la duración de la batería.
18) Selección de célula
En situación de reposo el móvil está vinculado a una célula, de forma que pueda interpretar con gran fiabilidad las señales de control del enlace descendente y, asimismo con gran probabilidad, establecer una comunicación por el enlace ascendente.
La condición para efectuar la selección de célula se basa en criterios de pérdidas de propagación. Si se rebasa un umbral de pérdidas, o si el móvil es incapaz de decodificar los bloques de control o de efectuar el acceso a la estación base, inicia el proceso de reselección.
19) Localización automática
Se efectúa mediante la evaluación, por parte del móvil, de la señal de control y la devolución de su identidad a la red.
La localización automática debe ser posible entre los centros de conmutación del servicio móvil (MSCs) de cada país y entre países.
20) Conmutación en curso o traspaso ("handover")
El traspaso asegura la continuidad de una comunicación cuando el móvil pasa de la zona de cobertura de una célula a la de otra. Puede emplearse también para aliviar una congestión de tráfico (traspaso gobernado por la red). El traspaso puede hacerse entre un canal de una célula y otro de una adyacente o entre canales de la misma célula.
La estrategia del traspaso se basa en el control del enlace mediante mediciones efectuadas por las estaciones móviles y las estaciones base. El móvil supervisa el nivel y calidad de la señal enviada por la estación base que le atiende y por las células vecinas. La estación base supervisa el nivel y calidad de la señal enviada por cada móvil. Las mediciones de nivel se utilizan también para el control de la potencia de RF.
29 Es posible el traspaso entre diferentes zonas de localización y centrales MSC pertenecientes a la misma PLMN.
21) Señalización
La señalización entre las estaciones base y el MSC sigue un procedimiento estructurado, similar al de la ISDN. Entre los MSC se emplea el sistema de señalización número 7 del CCITT.
22) Numeración
El plan de numeración es conforme a las recomendaciones de la serie E del Sector de Normalización de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-T). 23) Seguridad
Se ha establecido una técnica de cifrado para las comunicaciones de voz y de datos, así como un sistema de autenticación para el acceso al sistema por parte de los terminales.
I.3.- Servicios de Telecomunicación en GSM
El sistema GSM proporciona a los usuarios servicios que podemos dividir en dos tipos, los servicios portadores y los teleservicios. A ellos se unen los servicios suplementarios, que modifican o complementan a un servicio básico.
Esta clasificación está inspirada en los tipos de servicio especificados por las recomendaciones de la serie I.200 de la ITU-T (Unión Internacional de Telecomunicaciones, sector de Normalización) para la RDSI (ISDN).
La figura I.3.1 muestra el ámbito de definición de los servicios portadores y los teleservicios en relación a los principales elementos en un sistema de radiotelefonía.
Figura I.3.1: Servicios portadores y teleservicios
TE GSM PLMN TE Red terminal Red de tránsito Servicios portadores Teleservicios
:
(
30
Servicios portadores
Los servicios portadores se establecen entre terminaciones de red en ambos extremos y ofrecen al usuario una capacidad de transporte independiente del contenido de la información.
Existen diversas modalidades de funcionamiento, que se especifican mediante una serie de atributos. Para definir un servicio portador se emplean atributos de las capas bajas de OSI (de la 1 a la 3).
Los atributos se clasifican según tres grupos:
•
Atributos de transferencia de información•
Atributos de acceso•
Atributos generalesLos atributos de transferencia de información se dividen, como veremos a continuación, en primarios (o dominantes) y secundarios.
Los atributos de acceso y los atributos generales constituyen el conjunto de atributos calificadores.
A continuación detallamos los distintos atributos de servicio portador: 1.- Atributos de transferencia de información
Describen las opciones de transferencia en redes punto a punto y punto a multipunto.
Existen dos tipos de atributos:
•
Primarios•
SecundariosLos atributos primarios definen una categoría de servicio, mientras que los secundarios definen un servicio en particular, dentro de esa categoría.
Por su parte, veremos que los atributos calificadores (constituidos por los atributos de acceso y loas atributos generales) proporcionarán variaciones dentro del servicio.
En la tabla I.3.1 presentamos una lista de estos atributos. 1 Modo de transferencia (circuito, paquete)
2 Velocidad de transferencia Atributos
3 Tipo de información (voz, datos) primarios 4 Estructura de la información
5 Modo de establecimiento de conexión
6 Simetría (unidireccional, bidireccional) Atributos secundarios 7 Configuración de la comunicación
Tabla I.3.1: Atributos de transferencia de información
2.- Atributos de acceso
Estos atributos describen el modo de acceder a servicios y funciones adicionales de una red. Se muestran en la tabla I.3.2.
31 1 Canal de acceso y velocidad
2 Protocolos de acceso: señalización información
Tabla I.3.2: Atributos de acceso
3.- Atributos generales
Estos atributos se refieren al conjunto completo de servicios suplementarios. Se muestran en la tabla I.3.3.
1 Servicios suplementarios 2 Calidad de servicio
3 Posibilidades de interfuncionamiento 4 Aspectos operacionales y comerciales
Tabla I.3.3: Atributos generales
En la recomendación GSM 02.02 se especifican diversos servicios portadores, cuyas características generales son:
•
Datos síncronos/asíncronos con conmutación de circuitos.•
Acceso a funciones de empaquetado/desempaquetado PAD ("Packet Assembly Disassembly") para datos asíncronos.•
Acceso a redes públicas de paquetes X.25 para datos síncronos a 2400-9600 bit/s.•
Conmutación voz/datos durante una llamada de forma alternada voz/datos o voz seguida de datos.•
Sustentación de técnicas de retransmisión automática ARQ ("Automatic Request") para mejora de la tasa de errores en modo no transparente3.Teleservicios
Los teleservicios son servicios de telecomunicación que proporcionan una capacidad completa de comunicación entre los usuarios, incluyendo las funciones del equipo terminal (TE, "Terminal Equipment"). Se proporcionan atributos de teleservicio compatibles o idénticos en el punto de acceso a la red GSM (GSM PLMN) y en el punto de acceso en la red del otro extremo de la comunicación.
Asimismo, permiten al usuario el acceso a algunas funciones de la red, como el almacenamiento y tratamiento de mensajes. Se trata de aplicaciones que involucran a un terminal en un punto de acceso en una red GSM y a un sistema que proporciona funciones de capa superior. Ese sistema puede estar situado en la propia red GSM o en otra red.
3
Los servicios portadores pueden ser transparentes o no transparentes. En un servicio transparente la protección contra los errores se hace empleando un código de corrección de errores FEC ("Forward
Error Correction"). Los servicios no transparentes tienen además la protección adicional de la petición de
retransmisión automática ARQ en el protocolo del enlace radio. Esto proporciona mayor integridad en los datos, pero tiene dos inconvenientes principales: mayor retardo de transmisión y menor "throughput".
32 Los teleservicios hacen uso de las opciones ofrecidas por los servicios portadores para poder permitir la comunicación entre usuarios en el contexto de una aplicación.
Un teleservicio se caracteriza por un conjunto de atributos de bajo nivel y otro de atributos de alto nivel, además de un conjunto de atributos generales.
Los atributos de bajo nivel son los mismos que los utilizados para caracterizar un servicio portador.
Lo mismo ocurre con los atributos generales: son los mismos que se utilizan para la caracterización de un servicio portador.
Los atributos de alto nivel hacen referencia a funciones y protocolos de las capas 4 a 7 del modelo de referencia OSI ("Open Systems Interconnection"). Se relacionan con la transferencia, almacenamiento y procesado de los mensajes de usuario.
En la tabla I.3.4 se da una lista de los atributos (de bajo y alto nivel) de teleservicio.
Atributos de capa 1 y capa 2 (Bajo nivel)
1 Modo de transferencia de información 2 Velocidad de transferencia
Atributos de las capas 3 a 7 (Alto nivel)
3 Tipo de codificación de datos
4 Funciones del protocolo de la capa de transporte 5 Funciones del protocolo de la capa de sesión 6 Funciones del protocolo de la capa de presentación 7 Funciones del protocolo de la capa de aplicación
Tabla I.3.4: Atributos de teleservicio.
Los teleservicios que puede proporcionar una red GSM se dividen en seis categorías:
1) Transmisión de conversación y tonos de señalización en la banda de frecuencias vocales de la PSTN ("Public Switched Telephone Network" o Red Telefónica Pública Conmutada) y la ISDN (o RDSI), a velocidades de 13 kbit/s (velocidad normal, calidades normal y mejorada) y 6.5 kbit/s (velocidad mitad).
2) Servicio de mensajes cortos SMS ("Short Message Service"), que permite al usuario enviar o recibir mensajes alfanuméricos de hasta 160 caracteres a través de un centro de control. Los mensajes pueden leerse en la pantalla del teléfono móvil o en un PC que disponga de programas de gestión de MS ("Mobile Station" o Estación Móvil).
• Punto a punto: con origen o destino en una MS.
• Punto a multipunto: difusión desde la BS ("Base Station" o Estación Base).
3) Almacenamiento y tratamiento de mensajes. Se trata de un servicio de mensajería vocal que permite el almacenamiento de los mensajes no atendidos, por estar el teléfono móvil desconectado o fuera de cobertura. Los mensajes se almacenan en un buzón de voz, y pueden ser recuperados en
33 cualquier momento por el usuario, que también puede realizar operaciones de tratamiento como borrado, ordenación o repetición.
4) Teletext 5) Videotext
6) Facsímil. Es posible la conexión de aparatos facsímil del Grupo 3 de forma automática o alternada con la voz para la transmisión y recepción de documentos en la estación móvil.
Servicios suplementarios
Los servicios suplementarios modifican o complementan a un servicio básico de manera que el usuario puede elegir ciertos aspectos de su prestación. Consecuentemente, no se puede ofrecer un servicio suplementario por sí solo, sino que debe ir asociado siempre a un servicio básico.
En GSM los servicios suplementarios son, fundamentalmente, servicios de llamadas. Se dividen en ocho categorías. A continuación damos una lista de dichas categorías y de algunos de los servicios que pueden encontrarse en ellas.
1) Identificación de números
• Presentación de la identificación del número del abonado que llama
• Presentación de la identificación del número conectado
• Restricción de la identificación del número del abonado que llama
• Restricción de la identificación del número conectado
• Identificación de llamadas "maliciosas"
⇒ Los servicios de "presentación de identificación" ofrecen la posibilidad de indicar el número del interlocutor que llama o que está conectado, mientras que los servicios de "restricción de identificación" ofrecen al interlocutor que llama o que está conectado la posibilidad de restringir la presentación de su número.
2) Tratamiento de llamadas entrantes
• Servicios de desvío de llamadas: Permiten que las llamadas entrantes dirigidas al abonado sean desviadas hacia otro número. El desvío de llamadas puede ser:
∗ Incondicional
∗ Si el móvil está ocupado con otra llamada
∗ Si el destinatario no contesta
∗ Si existe congestión en el sistema
∗ Si el destinatario está desconectado o fuera de cobertura
• Transferencia de llamada. Permite transferir la llamada a un tercer interlocutor.
3) Complemento de llamadas
• Llamada en espera
34
⇒ El servicio de llamada en espera permite al abonado ser informado de una llamada entrante mientras está ocupado con otra llamada. El usuario podrá contestar, rechazar o ignorar la llamada entrante.
⇒ El servicio de retención de llamada permite interrumpir la comunicación en una llamada existente para posteriormente reestablecerla.
4) Multiconferencia
• Llamada a tres
• Llamada con múltiples participantes 5) Grupo cerrado de usuarios
⇒ Permite a un grupo de usuarios conectados a la red GSM y/o a la ISDN (RDSI) comunicarse solamente dentro de ese grupo. Si se requiere, uno o más abonados pueden realizar y recibir llamadas fuera del grupo.
6) Tarificación
• Indicación del coste de la llamada en curso
• Cobro revertido
• Servicio de teléfono gratuito, en el que el usuario paga las llamadas entrantes, que son gratuitas para el interlocutor que llama.
7) Transferencia de información adicional
⇒ Es un servicio de señalización entre usuarios que permite a un abonado intercambiar una cantidad limitada de información con otro abonado de la red GSM o de la ISDN. La transferencia se realiza sobre el canal de señalización.
8) Restricción de llamadas
• Prohibición de realizar llamadas
• Prohibición de realizar llamadas internacionales
• Prohibición de realizar llamadas internacionales, excepto las dirigidas al país de origen
• Prohibición de entrada de llamadas
• Prohibición de entrada de llamadas cuando el abonado esté itinerante en una PLMN ajena.
Calidad de Servicio (QOS)
Los objetivos generales de calidad de servicio telefónico para GSM son: n Tiempo entre el encendido de la estación móvil y la disponibilidad del
servicio:
4 segundos en la red local (H-PLMN) 10 segundos en la red visitada (V-PLMN)
35 n Tiempos de conexión/liberación con la red destinataria de la llamada:
4 seg. / 2 seg.
n Tiempo de aviso a la estación móvil de una llamada entrante: 4 seg. en la primera tentativa
15 seg. en la última tentativa n Retardo máximo unidirecccional: 90 ms.
n Inteligibilidad de la voz: 90 %
n Interrupción máxima en el traspaso: 100 ms dentro de la misma célula 150 ms entre distintas células
I.4.- Arquitectura del sistema GSM
El sistema GSM se estructura en unidades funcionales e interfaces. Las primeras son entidades encargadas de la ejecución de las funciones del sistema, mientras que las interfaces son las fronteras de separación entre las unidades funcionales.
Las interfaces soportan el diálogo entre las diferentes unidades funcionales y facilitan su interfuncionamiento. La estandarización de las interfaces garantiza la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes.
El conjunto organizado de estos elementos constituye la arquitectura funcional de GSM. Se ha representado en la figura I.4.1.
En la figura podemos observar que existen tres grandes bloques, que son:
•
El Subsistema de Estación Base BSS ("Base Station Subsystem"), también conocido como Estación Base BS ("Base Station")•
El Subsistema de Conmutación de Red NSS ("Network Switching Subsystem")•
El conjunto de Estaciones Móviles MS ("Mobile Stations")Entre estos subsistemas funcionales se han definido las dos interfaces básicas:
•
Interfaz de línea, denominada "A", entre el NSS y el BSS•
Interfaz aérea o interfaz de radio, denominada "Um", entre el BSS y el bloque de MS36
Figura I.4.1: Arquitectura funcional de GSM
Dentro de los bloques anteriores, se definen una serie de unidades funcionales: n Dentro del BSS:
• La unidad funcional BTS ("Base Transceiver Station" o Estación Transceptora de Base), que incluye las Funciones de Control de la Estación Base (BCF, "Base station Control Functions") y los equipos de transmisión TRX.
• El Controlador de Estación Base BSC ("Base Station Controller").
n Dentro del NSS:
• Los Centros de Conmutación de servicios Móviles MSC ("Mobile services Switching Centre") junto con sus Registros de Visitantes VLR ("Visitors Location Register").
• El MSC de Cabecera GMSC ("Gateway MSC"), a través del cual se efectúa la conexión de la PLMN/GSM con las redes públicas externas: PSTN, ISDN, otras PLMN, etc.
• El Registro de Abonados Locales HLR ("Home Location Register"). NMC BSC OMC EIR AUC HLR MSC GMSC VLR VLR PSTN ISDN PLNM NSS BSS MS MT TE BTS BCF TRX Interfaz A
Interfaz A bis Interfaz Um
Unidad de gestión comercial
