Técnicas de mediciones de parámetros en los sistemas celulares GSM/GPRS/EDGE y selección de instrumentos de medición

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(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Técnicas de mediciones de parámetros en los sistemas celulares GSM/GPRS/EDGE y selección de instrumentos de medición. Autor: Jean Petty Marcellus Tutor: Ing. Franck Zurbano Quintana Co-tutor: Msc. Hiram del Castillo Sabido Santa Clara. Curso 2008-2009 Aniversario 50 del triunfo de la revolución.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas FACULTAD DE INGENÍERIA ELÉCTRICA. Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Técnicas de mediciones de parámetros en los sistemas celulares GSM/GPRS/EDGE y selección de instrumentos de medición Autor: Jean Petty Marcellus jeanp@uclv.edu.cu jeanpetty2009@yahoo.es Tutor: Ing. Frank Zurbano Quintana Asistente Adjunto del Dpto. de Telecomunicaciones y Electrónica de la UCLV e Instructor Adjunto del Centro Nacional de Capacitación de ETCSA. Especialista de la filial de Servicios Móviles de ETECSA Gerencia Villa clara.. frank.zurbano@cubacel.cu Co-tutor: Msc. Hiram del Castillo Sabido Profesor del departamento de telecomunicaciones y electrónica UCLV. Facultad de ingeniería eléctrica. hiramd@uclv.edu.cu Santa Clara Curso 2008-2009 Aniversario 50 del triunfo de la revolución.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Para ir por el buen camino en este mundo, es necesario sacrificarse hasta el final. La misión del hombre no consiste sólo en ser feliz. Debe él descubrir algo grandioso en la humanidad”. J .E. Renan.

(5) ii. AGRADECIMIENTOS Yo le doy las gracias primero a Dios por la salud que me da y permitirme estudiar hasta el momento. Deseo agradecerle principalmente a mi padre Dieuly MARCELLUS por sacrificarse a mantenerme desde niño, guiarme por el camino de la educación y hacer de mí lo que hoy soy. Yo le agradezco de forma exclusiva a mi hermana Suzette MARCELLUS por hacerse cargo de mí desde que se murió mi madre y ayudarme a concretizar mi sueño de hacerme universitario (Ingeniero). Yo les agradezco también a mis compatriotas y amigos, Frisner MARCADIEU y el primo Anoul LOUIS, por su considerable apoyo durante los últimos momentos de mi carrera. Yo le agradezco de forma especial a mi padrino Joseph ASTREL por su incondicional y variado apoyo durante mi estancia en Cuba. Yo les agradezco a mis compañeros de aula principalmente al africano saotomese Eudijoa Da Graça Dos Santos por su apoyo moral y aliento durante toda la carrera. Yo les agradezco especialmente a mis tutores, los profesores Msc. Frank Zurbano y Hiram del Castillo Sabido Iran por su incondicional colaboración y paciencia en la elaboración del trabajo de diploma. Yo les agradezco a todos los profesores que me impartieron clase en la carrera y de esta forma contribuyeron a mi formación como cuadro y futuro profesional. Por fin, mis agradecimientos a todas aquellas personas que de una forma u otra ayudaron en la construcción de mi futuro y que entre ellos yo puedo mencionar a: Yohansy Espino, Yoannis Hernandez y Dayan Rubio (cubanos compañeros de aula), Prince Samoa Contor (africano ghanés compañero de cuarto), Kitiolson Quaresma igualmente compañero de aula etc..

(6) iii TAREAS TÉCNICAS. ¾ Investigar las mediciones que se realizan en los sistemas celulares GSM, GPRS y EDGE y los métodos o técnicas para realizarlas. ¾ Proponer la instrumentación necesaria y adecuada que permite realizar las mediciones. ¾ Proporcionar una bibliografía de referencias que permite ampliar los conocimientos sobre las técnicas de medición utilizadas y sus principios.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(7) iv RESUMEN. En este trabajo se abordan las técnicas de medición de parámetros en los sistemas celulares GSM, GPRS y EDGE. Se presenta una base de datos tabulada de los instrumentos de medición propuestos para los sistemas objeto de estudio, que permita a los operadores de estas redes su rápida y efectiva selección a utilizar en los procesos de mantenimiento y operación, sobre la base de los líderes mundiales que fabrican esta instrumentación..

(8) v. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO.......................................................................................................................i AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................... ii TAREAS TÉCNICAS .......................................................................................................... iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1 .......................................................................................................................... 7 CAPÍTULO 1. 1.1. Arquitectura de red del sistema GSM ...................................................................... 8. 1.1.1 1.2. Generalidades sobre el sistema GSM ........................................................ 8. El concepto de Áreas de GSM .......................................................................... 8. Los elementos de la red GSM .................................................................................. 9. 1.2.1. La Estación Móvil (MS) .................................................................................. 9. 1.2.2. El equipo móvil (Mobile Equipement) .................................................................... 9. 1.2.3. Módulo de Identidad del Subscritor (Subscriber Identity Module, SIM) .............. 10. 1.3. Subsistema de Estación Base (BSS) ...................................................................... 10. 1.3.1 Base Transceiver Station (Transceptor de Estación Base, BTS) ................................. 11 1.3.2 Base Site Controller (Controlador del Sitio Base, BSC) ............................................ 11 1.3.3 Transcoder (XC) ......................................................................................................... 12 1.4 Sistema de Conmutación de Red (NSS) ......................................................................... 12.

(9) vi 1.4.1 Mobile Switching Center (MSC) ................................................................................. 12 1.4.2 Home Location Register (HLR) .................................................................................. 13 1.4.3 Visitor Location Register (VLR) ................................................................................. 13 1.4.4 Equipment Identity Register (Registro de Identidad de Equipo, EIR) ........................ 14 1.4.5 Autentication Center (Centro de Autenticación, AUC) ............................................... 14 1.5 Centro de Mantenimiento y de Operación (OMC) ......................................................... 14 1.6 Centro de Administración de Red (NMC) ...................................................................... 15 1.7 Interfaces y Protocolos en red GSM ............................................................................... 15 1.7.1 Interfaz aérea GSM ...................................................................................................... 17 1.7.1.1 Acceso múltiple y estructura del canal en GSM900 ................................................ 17 1.7.2 Canales Físicos ............................................................................................................ 18 1.7.3 Canales lógicos ............................................................................................................ 18 1.7.3.1 Canales de Tráfico (TCH)......................................................................................... 20 1.7.3.2 Canales de Control (CCH) ........................................................................................ 20 1.8 Sistema General de Paquetes por Radio (GPRS) .......................................................... 21 1.8.1 Arquitectura de GPRS ................................................................................................. 21 1.8.2 Interfaz de radio en GPRS ........................................................................................... 24 1.8.3 Terminales GPRS ........................................................................................................ 25 1.9 Razón de Datos Mejorados para la Evolución de GSM (EDGE) .................................. 26 1.10 Problemas en la interfaz aérea ..................................................................................... 29 1.11 Handover. ..................................................................................................................... 31 CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................ 34 CAPÍTULO 2.. Mediciones sobre los sistemas GSM/GPRS/EDGE ................................ 35. 2.1 Mediciones en GSM/EDGE............................................................................................ 36.

(10) vii 2.1.1 Calidad de modulación ............................................................................................... 37 2.1.2 Medición de la Magnitud del Vector de Error de EDGE ........................................... 40 2.1.3 Cálculo de EVM .......................................................................................................... 41 2.1.4 Error de fase y de frecuencia ....................................................................................... 44 2.1.5 Potencia de la ráfaga .................................................................................................... 46 2.1.6 Potencia de portadora RF transmitida contra tiempo y Potencia Media de portadora. .............................................................................................................................................. 46 2.1.6.1 Potencia de portadora RF transmitida contra tiempo.............................................. 46 2.1.6.2 Potencia Media de la portadora. ............................................................................... 49 2.1.6.3 Potencia contra tiempo en múltiples ranuras ........................................................... 49 2.1.7 Potencia del canal ....................................................................................................... 50 2.1.7.1 Ancho de banda ocupado ......................................................................................... 52 2.1.8 Mediciones espectrales ................................................................................................ 54 2.1.8.1 El espectro debido a la modulación y el ruido de banda ancha ................................ 54 2.1.8.2 El espectro debido a la conmutación ....................................................................... 55 2.1.9 Razón de potencia del canal adyacente (ACPR) ......................................................... 56 2.1.9.1 ACPR y la distorsión de intermodulación (IMD) ..................................................... 56 2.1.9.2 Diferentes tipos de intermodulación ......................................................................... 59 2.1.9.3 Técnicas de medición............................................................................................... 61 2.1.10 Análisis de interferencias ........................................................................................... 63 2.1.10.1 Relación de portadora a Interferencia C/I (Carrier to Interference C/I) ................. 63 2.2 Mediciones específicas en GPRS ............................................................................. 66 2.2.1 Mediciones del desempeño (rendimiento) de datos ..................................................... 66 2.2.1.1 Mediciones en la capa de aplicación......................................................................... 68 2.2.2 Medición de la calidad y desempeño de la señal de RF .......................................... 70.

(11) viii CAPÍTULO 3 ........................................................................................................................ 71 CAPÍTULO 3.. Relación de instrumentos y firmas en la realización de las mediciones.. 72. •. Equipos de medición de ANRITSU............................................................................. 72. •. Equipos de medición de AGILENT.............................................................................. 72. •. Equipos de medición de TEKTRONIX ........................................................................ 73. •. ROHDE & SCHWARZ ................................................................................................ 73. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 81 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 82 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 86.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Actualmente la telefonía celular se ha convertido en un medio indispensable en materia de comunicaciones móviles dentro de los límites del territorio nacional o fuera del mismo. La primera red de telefonía móvil se creó en 1956 y era analógica. Al principio, estos eran sistemas de telefonía celulares analógicos desarrollados principalmente en Norte América (Sistema de Telefonía Móvil Avanzado, AMPS) y luego en Europa en el Reino Unido (TACS, Sistema de Comunicación de Acceso Completo) los que tuvieron una rápida y creciente evolución. Cada país desarrollaba su propio sistema y en consecuencia cada sistema desarrollado no siempre era compatible entre ellos, situación nada deseable teniendo en cuenta el criterio del momento que se enfocaba hacia una Europa unificada. El móvil servía únicamente dentro de los límites nacionales y eso traía consigo la limitación del mercado para cada tipo de equipo por lo que la economía de escala de los subsecuentes ahorros no. podían realizarse. Los sistemas analógicos tenían una capacidad muy. restringida y pocos fueron los usuarios a beneficiarse de su servicio [1]. El uso de la tecnología digital para reproducción de discos compactos popularizó la calidad de audio digital. Por otra parte, la idea de eliminar el ruido y proveer el habla clara hasta los límites de cada área de servicio fueron atractivos para los ingenieros y los usuarios comunes. A finales de los años 80, el interés emergió hacia los sistemas celulares de tipo digital donde la voz fuera tratada digitalmente [2]. A partir de 1982 la conferencia de CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) formó un grupo de estudio llamado GSM (Groupe Spécial Movile) a fin de que estudiara y desarrollara un sistema que abarcara a toda Europa y unificara criterios y sistemas en el campo de telefonía móvil tales como buena calidad de audio (dentro de lo posible),costos bajos del Terminal móvil y del servicio, compatibilidad con la ISDN (Red Digital de.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. Servicios Integrados) etc…El sistema GSM tuvo la ventaja de haberse diseñado desde cero sin importar si era o no compatible con los sistemas celulares analógicos existentes. El servicio de las especificaciones de GSM comenzó en 1991 y al mismo tiempo empieza a reducirse el costo de las comunicaciones inalámbricas, mejorando la capacidad de manejar llamadas de los sistemas celulares analógicos que es uno de los objetivos por los cuales el sistema ha sido diseñado. En 1989, la responsabilidad del proyecto GSM fue transferida a la European Telecommunication Standards Institute, ETSI (Instituto de Estandares de Telecomunicación Europea), específicamente a una Comisión Técnica de ETSI. En aquella sede fue redefinida la sigla GSM como Global System for Mobile Communications (Sistema Global para Comunicaciones Móviles) [1]. Cuando se definió el sistema de telefonía celular GSM se trató de realizar un sistema que no tuviera las deficiencias de los sistemas de comunicaciones móviles por radio anteriores Para esto se plantearon objetivos que llevaron a la necesidad del concepto celular. Entre los objetivos perseguidos por GSM se puede destacar: . Alta capacidad de servicio (Capacidad para dar servicio de tráfico a varios miles de usuarios dentro de una zona determinada y con un espectro asignado (Algunos cientos de canales de voz).. . Uso eficiente del espectro (Uso eficiente de un recurso muy limitado como es el espectro de radio asignado al uso público).. . Adaptabilidad a la densidad de tráfico (La densidad de tráfico varía en los distintos puntos de un área de servicio, el sistema se tiene que adaptar a estas variaciones).. . Compatibilidad (Seguir un estándar, de forma tal de proveer el mismo servicio básico, con las mismas normas de operación a lo largo de todo el país).. . Facilidad de extensión (Se trata que un usuario pueda cambiar de área de servicio pasando a una distinta y tener la posibilidad de comunicarse, Roaming).. . Servicio a vehículos y portátiles.. . Calidad de servicio (Implica seguir niveles estándares de bloqueo y calidad de voz).. . Accesible al usuario (Es decir que el costo del servicio pueda ser afrontado por un gran número de personas) [2]..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. GSM ha sido diseñado esencialmente en base a transmisión de voz, pero en el transcurso de su desarrollo, el servicio de SMS (Short Message Service) soportado por GSM se vio considerablemente aumentado. El WAP (Wireless Access Prototol) que permitía un acceso a Internet no tuvó gran éxito, las tasas de transmisión permitidas por las especificaciones GSM estaban por mucho muy por debajo. Para enfrentar esta dificultad, aparecieron nuevas técnicas destinadas a aumentar las tasas de transmisión de datos dando lugar a la generación GSM 2.5 en la que se destaca como solución la técnica GPRS (General Packet Radio System). Durante la estandarización, una variedad entera de servicios de datos favorecía el objetivo perseguido por los servicios de GSM. En los años ochenta y temprano en los años noventa, los servicios de datos móviles eran algo bastante exótico. Al principio de 1990, el envío de fax por móviles era de interés para un número importante de clientes. Esta situación realmente no ha cambiado desde que GSM se puso en funcionamiento. En la era de Internet de hoy, una gran mayoría de clientes de comunicación móviles, todavía está usando exclusivamente GSM para los servicios de voz. En principio, GSM fue implementado principalmente para voz, con una velocidad máxima de trasmisión de datos inicial de 9,6 Kbps. Los ejemplos más importantes de servicios de datos de GSM antes de la introducción de GPRS son los siguientes: ¾ Circuit Switch Data (CSD), con varios tipos de canales y tasa de transmisión que va en el intervalo de los 300 bps a 14.4 Kbps. CSD es disponible en forma transparente (sin el reconocimiento de error en banda y corrección) y non transparente (con el reconocimiento de error y corrección). Como una regla, la versión no transparente se usa con vista a garantizar baja tasa de error. ¾ Fax/Group 3 con 9.6kbit/s. ¾ Unstructured Supplementary Services Data (USSD), para la transmisión de mensajes de texto entre la estación móvil y una propiedad de aplicación de operador de red. El WAP también puede usar USSD como un servicio de la portadora. ¾ Short Message Services (SMS) para la transmisión de mensajes de texto en ambas direcciones entre un SMS service center (SMS-SC) y la estación móvil..

(15) INTRODUCCIÓN. 4. ¾ Short Message Service Cell Broadcast (SMS-CB), para la transmisión mensajes cortos pertinentes regionalmente en difusión hacia todas las estaciones móviles en una región dada. ¾. WAP, que puede presentarse como los contenidos de datos de Internet. en la. pantalla de la estación móvil. WAP no es un servicio datos de GSM, porque usa otro servicio de datos de GSM tal como CSD como portadoras para la transmisión de los contenidos binarios WAP. ¾. HSCSD, que concentran algunos canales de tráfico para habilitar ancho de banda mayor que CSD exclusivamente [3].. GPRS (General Packet Radio System) forma parte del mundo de 2.5G y utiliza las infraestructuras existentes en GSM. El está destinado a reemplazar las tecnologías CSD (Circuit Swtched Data) y SMS actualmente utilizadas para la transmisión de datos en las redes GSM. Esta sustitución es necesaria en vista a alcanzar mayores tasas de transferencia de datos sobre los teléfonos móviles (115kbit/s), y permitir una tarificación más justa. Permite ofrecer a los abonados un servicio WAP sin necesidad de invertir en las grandes infraestructuras como el UMTS (Universal Mobile for Telecommunication System). EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) es una técnica de generación (2¾G) intermediaria entre GPRS y UMTS que facilita la migración de las redes economizando los recursos de frecuencias. En el mismo rango de frecuencia, utilizando la técnica de Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA), EDGE puede suministrar 384 a 473.6kbit/s con mejor costo en las zonas rurales (60kbit/s por intervalo de tiempo o sea tres veces más que en GPRS). Esta tecnología tiene la ventaja de apoyarse siempre en las redes GSM existentes, pero la puesta en marcha del UMTS se está acercando. La red de telefonía celular GSM, por ser una tecnología basada en la explotación del espectro radioeléctrico, es obvio que su funcionamiento debe verse afectado por un conjunto importante de fenómenos tanto naturales como también introducidos por el hombre mismo, los cuales son características de un sistema de transmisión aérea. Entre estos problemas se destacan las pérdidas por espacio libre, pérdidas por obstrucción y propagación multirecorrido etc. Con el objetivo de salvar estos problemas, se exige un alto grado de complejidad en sus estructuras de comunicación...

(16) INTRODUCCIÓN. 5. Por otra parte, debido a la naturaleza limitada de los recursos (para no mencionar su costo alto), la optimización de la red está volviéndose un factor económico cada vez más crítico. Para lograr un buen desempeño de la red, tanto en su utilización, como en cuanto al comportamiento del subscriptor garantizando una calidad de servicio (QoS), es necesario realizar determinadas pruebas, mediciones y comprobaciones sobre los parámetros del sistema. Para garantizar una gran cobertura y accesibilidad de los usuarios desde cualquier parte, se debe hacer especial enfoque en la potencia de transmisión y el espectro de radio por lo que es importante analizar el proceso de medición de potencia en el sistema de telefonía celular GSM y evaluar también el espectro. Teniendo en cuenta el ancho de banda que se asigna en GSM y el objetivo de satisfacer mayor número posible de usuarios, deben tomarse en consideración los recursos de la red (frecuencias o radiocanales) que se deben gestionar lo mejor posible. Entonces es importante analizar las mediciones que se realizan sobre las tramas TDMA/FDMA que son formas de acceso a los radiocanales. En cuando a calidad de servicio se refiere, hay que tener en cuenta el receptor utilizado, por lo que son imprescindibles las mediciones que se llevan a cabo sobre este. Para hacer posible la transmisión de datos, GPRS usa distintos protocolos para asegurar la interoperabilidad dentro de GSM y con la Internet. Distintas mediciones se llevan acabo en GPRS tales como mediciones de calidad de señal, mediciones de rendimiento de RF etc… GPRS es soportada inicialmente sobre una técnica de modulación conocida como GMSK (Gaussian Minimum Shift-Keying); pero pudo ser soportada igualmente por otras modalidades de modulación tales como EDGE, que se basa en un nuevo tipo de esquema de modulación denominado 8-PSK que permite una tasa de transferencia de bits mucho más alta a través de la interfaz de aire. Como resultado, EDGE por su nueva técnica de modulación permite hacer otra apreciación del espectro radioeléctrico cuya medición y una buena explotación contribuye al rendimiento de una red determinada. Teniendo en cuenta lo anterior se infiere la necesidad de comprobaciones, mediante mediciones de los parámetros técnicos del sistema, lo que en la terminología técnica se conoce como mantenimiento preventivo. Para la realización de estas operaciones, que se.

(17) INTRODUCCIÓN. 6. traducen en la garantía del sistema en cuanto a la optimización de sus recursos y calidad de servicio, los operadores del sistema deben conocer las principales mediciones que se deben realizar en el sistema, sus fundamentos, método de ejecución y principalmente la selección de la instrumentación adecuada para su realización. Este trabajo tiene como objetivo fundamental el de proporcionar a los operadores de red los elementos necesarios que le permitan la correcta operación y mantenimiento del sistema celular mediante el conocimiento de las mediciones esenciales a realizar y una guía de los instrumentos que pueden ser utilizados para este fin que les permita la elección adecuada de estos. Además se brinda una amplia referencia de artículos, sitios y bibliografía, tanto sobre los instrumentos como la literatura que fundamenta las diferentes mediciones y sus principios. Para cumplir con los objetivos establecidos en las tareas técnicas que consisten en todo un procedimiento de pruebas y mediciones de los parámetros que conduce al diseño de una red GSM con un óptimo desempeño, dividiremos este trabajo en tres capítulos, los que se describirán a continuación. El primer capítulo consistirá en hacer la descripción de la estructura básica de un Sistema de Telefonía Móvil bajo la norma GSM. Se muestra de forma general la arquitectura del sistema, describiendo las funciones más representativas de cada uno de sus subsistemas, así como de los componentes de red e interfaces que intervienen en el mismo. Se describe la arquitectura. y funcionamiento de las posteriores generaciones de móviles como la. generación 2.5 en la que se incluye el Sistema General de Paquetes de Radio (GPRS) y Razón de Datos Mejoradas para la Evolución de GSM (EDGE) como alternativas importantes en el camino hacia la tercera generación de los móviles (3G). Se hará énfasis en el proceso de Handover que permite el proceso de Roaming (Traspaso) y que un buen ajuste de los parámetros es importante a este fin. El segundo capítulo se dedicará completamente al estudio del procedimiento de mediciones de parámetros en GSM, los métodos y técnicas utilizadas para la realización de las mismas. Se identificará cada sistema (GSM, GPRS, EDGE) y las mediciones que se realizan en los mismos. El tercer capítulo fundamentará una relación y tabulación de las propuestas de instrumentación que responden a las mediciones consideradas..

(18) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. CAPÍTULO 1. 7.

(19) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 8. CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 1.1. Arquitectura de red del sistema GSM La mejor forma de crear sistemas de comunicaciones manejables es dividirlo en varios subgrupos que están interconectados mediante interfaces estandarizados. Una red GSM puede dividirse en tres subgrupos: La estación móvil (MS), el subsistema de estación base (BSS) y el subsistema de conmutación de Red (NSS). La arquitectura de GSM se muestra en la figura 1.1 [4].. Figura 1.1 Arquitectura de red de GSM 1.1.1. El concepto de Áreas de GSM. Área 1 o GSM service Área: es el área geográfica en el interior de la cual un abonado GSM puede alcanzar el servicio ofrecido por los operadores y corresponde al conjunto de todos aquellos países europeos que han adoptado el GSM..

(20) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 9. Área 2 u Operator: es el área donde la cobertura disponible se ofrece por un operador GSM. Área 3 o MSC Área: es el área cubierta por las Base Transceiver Station (BTS) conectadas al mismo conmutador. Área 4 o Location Area: es una parte de un área MSC (Mobil Switching Center) dentro de la cual acontece el "paging" (búsqueda de un abonado llamado) y la actualización de las Mobile Station (MS). . Área 5 o Cell: es el área mínima dentro de la cual se ofrece el servicio GSM y corresponde al área de cobertura de una BTS Una celda forma parte de una Location Area.. 1.2. Los elementos de la red GSM. 1.2.1. La Estación Móvil (MS). Es el dispositivo móvil y está constituido por dos partes: 1) Mobile Equipement (Equipo móvil,ME): es el hardware utilizado para acceder a la red al cual está asociado un único número de identidad conocido como IMEI(Internacional Mobile Equipement Identifier); 2) Suscriber Identity Module (Módulo de Identidad del Subscritor, SIM): es una tarjeta que identifica al abonado y suministra informaciones relativas a los servicios que debería recibir el abonado identificado por el IMSI (Internacional Mobile Suscriber Identity). Con el ME sin SIM se pueden efectuar sólo llamadas de emergencia.GSM puede enrutar o tarifar las llamadas sólo en base a la identidad del abonado. 1.2.2. El equipo móvil (Mobile Equipement). Es la única parte de la red GSM que ve el abonado y existen tres tipos principales: 1) Vehicle Mounted: montado en vehículo con antena externa al vehículo y clase de potencia 2. 2). Portable Mobile Unit (Unidad móvil portable): portátil con antena no conectada al equipo, clase de potencia 2/3..

(21) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 10. 3) Hand Portable Unit (Unidad portable de mano): teléfono portátil con antena conectada de potencia 4/5. Ya que estos tres equipos tienen características distintas y la red debe ser informada mediante un identificativo llamado "classmark" que es transmitido con el mensaje inicial por el MS. El classmark contiene el valor que indica la potencia máxima transmisible, lo que indica el tipo de algoritmo de cifrado implementado en la estación móvil y otros valores, que indican las bandas de frecuencia en las cuales la estación móvil transmite y recibe y si la estación móvil es capaz de recibir unos "short-message". 1.2.3. Módulo de Identidad del Subscritor (Subscriber Identity Module, SIM). La SIM es una "smart card"(tarjeta inteligente) que está insertada en el Equipo Móvil y contiene informaciones sobre el abonado. La SIM contiene muchas informaciones entre otras se menciona: ¾. IMSI: es el número que identifica el abonado del móvil.. ¾ TMSI (Identidad Temporal de la Estación Móvil): es el número que identifica el abonado y es periódicamente cambiado por el gestor del sistema. ¾ LAI (Local Area Identity): identifica la posición del abonado. ¾ KI (Key Identifier): es una clave utilizada para identificar la tarjeta SIM. MSISDN: es el número telefónico de la estación móvil. 1.3. Subsistema de Estación Base (BSS). El BSS representa la base del equipamiento de un sitio de celda; este suministra el canal entre el MS y el MSC (figura 1). El BSS comunica con la estación móvil en la interfaz aérea y con el MSC mediante canales PCM a 2 Mbps. El BSS está compuesto de tres elementos de hardware: 1) BTS (Transceptor de Estación Base): es la parte de la red GSM que comunica con el MS y comprende los componentes a Radio Frecuencia que suministran la interfaz aérea para una particular celda. La antena es parte integrante del BTS. 2) BSC (Controlador de Estación Base): suministra el control para el BSS, comunica con el MSC y puede controlar BTS simples o múltiples..

(22) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 11. 3) TRANSCODER (XCDR): se usa para compactar las señales provenientes del MS. 1.3.1. Base. Transceiver. Station. (Transceptor. de. Estación. Base,. BTS). El BTS suministra la conexión con el MS mediante la interfaz aérea, pero posee también una cierta cantidad de funciones de control que reducen la cantidad de tráfico entre BTS y BSC y que son: a) Recepción de una llamada de la estación móvil: el BTS recibe una llamada y transmite al BSC un mensaje que contiene el tiempo de retardo, el timeslot de la llamada, etc. Las estaciones móviles envían normalmente al BSC un reporte de la intensidad de la señal recibida cada 480 ms. Con esta información el BSC decide si inicializa el proceso de handovers a otra celda, cambia la potencia del transmisor BTS, etc. b) Codificación/decodificación: el BTS ejecuta la criptografía/decriptografía de la cadena de bits y el BSC le envía una clave que define el aspecto de la criptografía. c) Frequency hopping: la secuencia del salto de frecuencia relativa a cada celda es definida por el BSC que envía la información a cada BTS. d) Mediciones: el BTS mide el nivel y la calidad de la señal transmitida por la estación móvil en el canal de radio. Los valores de estas mediciones son enviados al BSC que los valora. e) Transmisión en canales lógicos BCCH y CCCH. 1.3.2 Base Site Controller (Controlador del Sitio Base, BSC) Las funciones del BSC son las siguientes: ¾ Gestión de la red dependiente del BSC: el BSC contiene la configuración para cada celda, o sea, canales de voz, etc. ¾ Gestión de los canales hacia el MS: el BSC es responsable de la conexión y administración de los canales de control y voz hacia la estación móvil. ¾ Handover (Traspaso): el BTS efectúa mediciones sobre la calidad de la llamada y envía todas las informaciones al BSC que las valora y decide cuando es necesario el handover. Si la celda de destino está incluida en el área controlada por el BSC, el procedimiento de handover es ejecutado por el BSC, de otra manera es enviada una solicitud al MSC..

(23) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 12. ¾ Distribución de los canales de paging: el MSC envía las órdenes de paging a los BTS presentes en el área mediante el BSC. ¾ Gestión de los canales hacia el BTS: el BSC controla la conexión de los canales a 64 Kbps hacia el BTS. ¾ Speech coding (Codificación de voz): la conversión da un formato "normal" de la voz a 64 Kbps a otro a 13 Kbps es ejecutado por el BSC. 1.3.3 Transcoder (XC) El transcoder es utilizado para convertir voz o datos en la salida del MSC en la forma definida por las especificaciones GSM para su transmisión en la interfaz aérea, o sea, entre BSS y MS. En particular, los canales PCM a 64 Kbps provenientes del MSC y que ocuparían una banda de radio excesiva son convertidos de manera tal que la cantidad de información solicitada para transmitir la voz a 13 Kbps. 1.4 Sistema de Conmutación de Red (NSS) El NSS realiza, en su conjunto, las funciones de conmutación de las llamadas de la red GSM. Este contiene las bases de datos necesarias para la gestión de los datos, de los abonados y de la movilidad. Una de sus funciones principales es la gestión de las comunicaciones entre una red GSM y otra red GSM y otros tipos de redes de comunicaciones. A continuación, describiremos sus componentes. 1.4.1 Mobile Switching Center (MSC) El MSC es el dispositivo de la red GSM dispuesto para la conmutación de las llamadas. Este, sin embargo, está en condiciones de desempeñar muchas otras funciones vinculadas al control y a la seguridad solicitada al sistema GSM. Cuando un MSC suministra la interfaz entre el BSS y otra red, es definido Gateway MSC. La señalización entre entidades funcionales (Registros) en el subsistema de red usa el sistema de señalización7 (SS7). A continuación se describen las funciones del MSC: . Control de la activación de llamada: el MSC gestiona la activación de todas las llamadas.. . Gestión de la movilidad de abonado: el intercambio de informaciones relativo a la movilidad del abonado debe desarrollarse entre MS y MSC. El MSC busca y memoriza.

(24) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 13. informaciones en el VLR (Visitor Location Register) y en el HLR (Home Location Register), por ejemplo, para la actualización de la posición de la estación móvil. Cuando se busca una estación móvil, el MSC envía una orden de paging al BSC que difunde la orden a todas las celdas presentes en el área donde se encuentra la estación móvil buscada. . Tarificación: es el MSC el que gestiona la tarificación de las llamadas. Es el MSC involucrado al inicio de la llamada el que contiene el conteo del costo.. . Internetworking: uno o más MSC, denominados Gateway MSC (GMSC) están presentes para gestionar la interconexión entre la red GSM y otras redes (por ejemplo la PSTN).. 1.4.2 Home Location Register (HLR) El HLR es la base de datos que contiene todas las informaciones referentes a un abonado. En este están contenidos diversos números de identificación y parámetros de autenticación. Estas informaciones son insertadas en la base de datos por el operador de red cuando se añade un nuevo abonado al sistema y consisten en: ¾ Identificativos del abonado, IMSI y MSISDN. ¾ El VLR actual del abonado. ¾ Los servicios suplementarios suministrados al abonado. ¾ El estado, la clave de autenticación, el TMSI y el MSRN (Mobile Station Roaming Number). En una red GSM puede existir más de un HLR a los cuales pueden acceder los MSC y los VLR presentes en la red. 1.4.3 Visitor Location Register (VLR) El VLR es una base de datos (uno para cada MSC) que contiene una copia de casi todas las informaciones presentes en el HLR, pero relativas solamente a los abonados activos en el área gestionada por el correspondiente MSC y sólo temporalmente. El VLR contiene, además otros datos: ¾ Estado del móvil (libre, ocupado, etc.)..

(25) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 14. ¾ Local Area Identity (LAI): las celdas en el interior de la red está agrupadas dentro de áreas geográficas llamadas Location Area y a cada una de tales áreas es asignado un LAI. Cada VLR controla muchas Location Area y cuando un abonado se mueve de una LA a otra, este es actualizado en el VLR. ¾ Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI): es un número de identidad del abonado utilizado por razones de seguridad. El VLR gestiona y controla tales números y los notifica al HLR. ¾ Mobile Subscriber Roaming Number (MSRN): es el número utilizado por un abonado externo a la red de un operador GSM, para una llamada del GMSC hacia el MSC que controla el BSS conectado al llamado. 1.4.4 Equipment Identity Register (Registro de Identidad de Equipo, EIR) El EIR contiene una base de datos utilizada para convalidar el IMEI y por tanto concierne a los equipos físicos de la estación móvil y no al abonado que lo usa. El acceso al EIR es efectuado por los MSC, también por aquellos situados en otras redes. 1.4.5 Autentication Center (Centro de Autenticación, AUC) Es el centro de una red GSM dispuesto para la ejecución del procedimiento de autenticación. El AUC está asociado al HLR al cual solicita informaciones relativas al abonado a autenticar. El proceso de autenticación se efectúa cada vez que un abonado intenta por primera vez acceder al sistema. 1.5 Centro de Mantenimiento y de Operación (OMC) El OMC suministra un punto central desde el cual controla y monitorea las otras entidades de la red. El OMC soporta las siguientes funciones: ¾ EVENT/ALARM Management: el OMC suministra las funciones de gestión del evento de alarma. ¾ FAULT Management: es la función que suministra los medios para aislar y minimizar los efectos de las averías y comprende otras dos funciones principales, informar al operador sobre los problemas en los dispositivos en cada uno de los elementos de la red.

(26) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 15. y suministrar al operador las facilidades para cambiar el estado de los dispositivos del elemento de red. ¾ SECURITY Management: suministra una extensión de las características para asegurar que el acceso a las funciones OMC esté restringido al personal autorizado. ¾ PERFORMANCE Management. ¾ CONFIGURATION Management. 1.6 Centro de Administración de Red (NMC) Se ocupa de gestión del tráfico de la red geográfica, monitoreando la red para las alarmas, como en el caso de nodos averiados o sobrecargados. Además, monitorea el estado de los controles automáticos aplicados a los componentes de la red y visualiza el estado de la red para los operadores NMC. El staff NMC tiene conocimiento del estado de toda la red y está en condiciones de dar directivas al staff OMC. Este además, se ocupa de enfocar la señalización y las dorsales de tramo entre los nodos para prevenir condiciones de sobrecarga [5]. 1.7 Interfaces y Protocolos en red GSM Esta parte está dedicada a las interfaces que existen entre los diferentes elementos de la red GSM y los protocolos que rigen las mismas. Proporcionar calidad de transmisión de voz y datos mediante radioenlaces son sólo partes de las funciones de una red móvil celular. Un móvil GSM puede vagar nacionalmente e internacionalmente requiriendo enrutamiento estandarizado de llamadas. Dentro de una red GSM, diferentes protocolos son usados para habilitar el flujo de datos y la señalización entre diferentes subsistemas GSM. La figura 1.7 muestra las distintas interfaces que enlazan los diferentes subsistemas GSM y los protocolos utilizados para comunicarse en cada interface..

(27) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 16. Figura 1.2: Estructura de la capa OSI en GSM. NOTA: Los números entre paréntesis indican las recomendaciones relevantes ETSI-GSM. Los protocolos GSM están básicamente divididos en tres capas: 1) Capa 1: Capa física Habilita la transmisión física. Valora la calidad del canal. 2) Capa 2: Capa de enlace de datos ¾ Multiplexación de uno o más capas de dos conexiones en los canales de control y señalización. ¾ Detección de error (Basado en HDLC). ¾ Flujo de control. ¾ Seguridad de calidad de transmisión. ¾ Enrutamiento. 3) Capa 3:Capa de Red ¾ Gestión de conexión (Interfaz aérea). ¾ Gestión de localización de datos. ¾ Identificación de suscriptores ¾ Gestión de los servicios adicionados (Mensajes cortos, SMS), reenvío de llamadas (Call forwading) y conferencia de llamadas (Conference calls) etc..

(28) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 17. 1.7.1 Interfaz aérea GSM La Unión Internacional de Telecomunicación (UIT) que maneja la asignación internacional de espectro de radio (entre muchas otras funciones) tiene asignadas las bandas siguientes: 9 GSM900 Uplink: 890-915MHZ (Transmisión desde estación móvil hacia estación base) Downlink: 935-960MHZ (Transmisión desde estación base hacia estación móvil) 9 GSM1800 (Previament DCS1800) Uplink: 1710-1785MHZ Downlink: 1805-1880MHZ 9 GSM 1900 ( Previamente PCS1900) Uplink: 1850-1910MHZ Downlink: 1930-1990MHZ La interfaz aérea de GSM es conocida como interfaz Um. 1.7.1.1 Acceso múltiple y estructura del canal en GSM900 Dado que el espectro de radio es un recurso limitado y debe compartirse por todos los usuarios, debió desarrollarse un método capaz de dividir el ancho de banda entre la mayor cantidad posible de usuarios. El método elegido por GSM es una combinación de TDMA y FDMA. La parte FDMA implica la división en frecuencia del máximo de 25 MHz en 124 frecuencias de portadoras espaciadas 200 Khz entre si mismas. Una o más portadoras son asignadas a cada estación base. Cada una de esas frecuencias portadoras es dividida en el tiempo usando TDMA. La unidad fundamental en este esquema TDMA se llama "burst period” (periodo de ráfaga) y dura 15/26 ms (0.577 ms aproximadamente).Ocho “burst periods” se agrupan en un marco o trama TDMA (120/26 ms, unos 4.615 ms aproximadamente), el cual es la unidad básica para la definición de canales lógicos. Un canal físico es un ‘burst period’ por trama TDMA (Ver Figura 1.3)..

(29) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 18. Figura 1.3: Interfaz aérea de GSM900, Trama TDMA 1.7.2 Canales Físicos Cada ‘burst period (periodo de ráfaga) en la trama TDMA (Acceso Múltiple por División en el Tiempo) es llamado un canal físico. Como hay ocho Burst period por trama TDMA, por tanto hay ocho canales físicos por frecuencia portadora en GSM. Por otra parte, ya que las portadoras (los canales de radio) son 124, en total, los canales físicos a disposición resultan ser 124*8=992. Cada Burst period tiene una duración igual a 0,577ms y una capacidad igual a 156,25 bits. Los canales físicos pueden ser utilizados para transmitir voz, datos o información de señalización [4]. 1.7.3 Canales lógicos Un canal físico puede llevar varios mensajes, dependiendo de la información que será enviada. Estos mensajes son los llamados canales lógicos. Por ejemplo, en uno de los canales físicos utilizados para tráfico, el tráfico del mismo es transmitido usando un mensaje de Canal de tráfico (Traffic Channel, TCH), mientras una instrucción de Handover es transmitida usando un mensaje de FACCH (Fast Associated Control Channel, Canal de Control Asociado Rápido).El concepto de Canal tanto físico como lógico se ilustra en la figura 1.4.

(30) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 19. Figura 1.4: Concepto de canal de la trama TDMA. Los canales se definen por el número y posición de su correspondiente “burst period”. Todas esas definiciones son cíclicas y el diseño entero se repite aproximadamente cada 3 horas. La organización de los canales lógicos depende de la aplicación y la dirección del flujo de información (Uplink, downlink o bidireccional) .Un canal lógico puede ser un canal de tráfico (TCH) o un canal de señalización que lleva información de usuarios. Los canales pueden ser divididos en canales dedicados donde son ubicadas las estaciones móviles y los canales comunes los cuales son utilizados por estaciones móviles en modo “idle” (es decir en modo reposo).La organización de los canales GSM se muestran en la figura 1.5.. Figura 1.5.

(31) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 20. 1.7.3.1 Canales de Tráfico (TCH) Un canal de tráfico (TCH) es usado para tráfico de transporte de voz y de datos. Los TCH se definen usando una multitrama de 26 tramas (o un grupo de 26 tramas TDMA). La duración de una multitrama-26 es de 120 ms la cual coincide con la definición de duración de una “burst period” (120 ms dividido 26 tramas y dividido 8 burst periods). De las 26 tramas, 24 se usan para tráfico, 1 es usado por el canal lento de control asociado (SACCH) y 1 se dejo sin usar. Los TCHs para uplink u downlink se separan en tiempo por 3 bursts tal que el móvil no deba transmitir y recibir simultáneamente lo cual simplifica la electrónica. Además de esos TCH “full-rate”, se definen también los TCH “half-rate”, a pesar de aún no se han implementado. Los half-rate TCHs doblarán efectivamente la capacidad de un sistema una vez que los codificadores de voz half-rate sean especificados (por ejemplo, codificar voz a 7 kbps en lugar de 13Kbps) [4]. 1.7.3.2 Canales de Control (CCH) Los canales comunes pueden ser accedidos de dos formas, en el modo reposo (idle) y en el modo dedicado. Los canales comunes son empleados en el modo reposo del móvil para intercambiar información de señalización requerida para cambiar a modo dedicado. Los móviles que ya están en modo dedicado monitorean las estaciones base de los alrededores por “handovers” y otra información. Los canales comunes se definen dentro de una 51tramas multitrama tal que los móviles en modo dedicado usando la 26-tramas multitrama de estructura TCH puedan monitorear los canales de control. Los canales comunes incluyen: a) Canal de Control para Broadcast (BCCH) Continuamente transmitiendo en broadcast (difusión) en el downlink, información que incluye la identificación de la estación base, ubicación de frecuencias y secuencias de frecuency-hopping (salto de frecuencia). b) Canal de Corrección de Frecuencia (FCCH) y Canal de Sincronización (SCH) Usado para sincronizar el móvil a la estructura de burst-period de una celda definidas las fronteras del burst period, y la numeración del time-slot. Cada celda en una red GSM hace un broadcast de exactamente un FCCH y de un SCH los cuales están por definición en el time-slot número 0 (dentro de una trama TDMA). c) Canal de Acceso Aleatorio (RACH). Canal de tipo “Aloha ranurado” usado por los móviles para pedir acceso a la red..

(32) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 21. d) Canal de Paging (PCH). Empleado para alertar a la estación móvil de una llamada entrante. e) Canal de Acceso Permitido (AGCH). Empleado para ubicar un SDCCH para un móvil para señalización (de forma de obtener un canal dedicado) seguido de un pedido sobre el RACH [1].. 1.8 Sistema General de Paquetes por Radio (GPRS) El GPRS se ha vuelto recientemente en un estándar para extender los servicios proporcionados por el Sistema Global para las Comunicaciones (GSM). GPRS se dirige hacia el tráfico orientado a paquetes, permitiendo un uso más eficiente de los recursos de radio con la consecuente mejora en la calidad de servicio (QoS) de los subscritores. El GPRS ha sido desarrollado para mejorar el sistema de GSM con la introducción de servicios basados la técnica de conmutación de paquetes. Estos servicios proporcionan un uso más eficaz de los recursos de radio acomodando las fuentes de datos que abundan en la naturaleza. Los ejemplos típicos de aplicaciones de este tipo de tráfico son Internet, World Wide Web (WWW), FTP (Protocolo de Transferencia de Fichero) y correos electrónicos. Una meta importante de la tecnología es hacer posible para los poseedores de licencia de GSM compartir recursos físicos en una dinámica base flexible entre los servicios de paquetes de datos y otros servicios de GSM. Por consiguiente, GPRS comparte las bandas de frecuencia de GSM y tráfico de datos de circuito conmutado y hace uso de muchas propiedades de la capa física del sistema GSM original, precisamente la estructura de trama de acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA), la técnica de modulación y la estructura de las ráfagas de tiempo de GSM [6]. 1.8.1 Arquitectura de GPRS GPRS es una red superpuesta a GSM, que comparte con ella la red de acceso MT y BSS GPRS introduce dos nuevos nodos: ¾ Gateway GPRS Support Node (SGSN) ¾ Serving GPRS Support Node (GGSN) SGSN es responsable de la entrega de paquetes al terminal móvil en su área de servicio. GGSN actúa como una interfaz lógica hacia las redes de paquetes de datos externas..

(33) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 22. GPRS también introduce a nivel de BSC el denominado Packet Control Unit (PCU). Nodos adicionales: Charging Gateway (CG), Border Gateway (BG) y Domain Name System). En la figura 1.6 se ve cómo se disponen los elementos de GPRS.. Figura 1.6: Arquitectura de GPRS • SGSN: Serving GPRS Support Node Es, junto con el GGSN, el elemento encargado de llevar a cabo la conmutación de paquetes en la red GPRS. Proporciona funcionalidades similares a las realizadas por el nodo MSC/VLR en el sistema GSM. Las principales funciones del nodo SGSN están relacionadas con: ¾ Red de Acceso.- Efectúa los procesos de Aviso (Paging) y Control de Acceso antes de permitir alguna transmisión de paquetes entre el móvil y la red de acceso. También está encargado de encaminar (mediante tunneling) los paquetes de datos de usuario recibidos. ¾ Gestión de Movilidad: Mantener actualizada la información de localización de los usuarios. ¾ Autentificación y registro de los móviles. ¾ Control Enlace Lógico (LLC): En el enlace descendente, realiza el proceso de segmentación de los paquetes de usuario transformándolos en tramas LLC que entrega.

(34) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 23. al PCU (Packet Control Unit) del nodo BSC. En el enlace ascendente realiza funciones de ensamblado. ¾ Gestión de facturación. •. GGSN: Gateway GPRS Support Node. El GGSN constituye la interfaz entre la red GPRS y las redes de paquetes de datos externas para el acceso a sus servicios y aplicaciones basadas en IP. Desde el punto de vista de la red externa, el GGSN es un router conectado a una subred, ya que oculta la infraestructura de la red GPRS al resto de redes. Cuando recibe datos dirigidos hacia un usuario específico, comprueba si la dirección está activa, y en caso afirmativo, envía los datos al SGSN. Las principales funciones del nodo GGSN están relacionadas con: ¾ Mantenimiento de los datos de usuarios.- El nodo GGSN contiene información sobre cuál es el nodo SGSN al que está conectado el usuario. ¾ Recepción de los datos de usuario desde una intranet o desde Internet y envío de los mismos al SGSN que gestiona el terminal a través de la red de transporte, mediante el protocolo de túnel GTP (GPRS Tunneling Protocol). ¾ Recepción de datos de señalización desde la red de transporte y configuración de la operación correspondiente. ¾ Recogida de información sobre la sesión: Access Point Name (APN), volumen de datos en sentido ascendente/descendente, tiempo de vida del contexto, uso de direcciones IP estáticas/dinámicas, etc. para generación de CDR y su envío al CG en tiempo real. ¾ Asignación de direcciones IP a los terminales GPRS de forma estática o dinámica. ¾ Proporcionar los servicios básicos para el acceso a ISP (Internet Service Provider) y, en caso de que exista, al plano de servicios. ¾ Garantizar la privacidad y seguridad para la red de transporte y el terminal GPRS. Para ello, el GGSN actúa como un gateway (pasarela) entre las redes externas y la red de transporte GPRS. ¾ En el traspaso inter-SGSN, dialoga con los SGSN implicados con el fin de mantener actualizada la información concerniente al contexto activo..

(35) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 24. El GGSN se comporta como un router, de forma que “camufla” las características especiales de la red GPRS desde el punto de vista de la red externa. (Figura 1.7). Figura 1.7 El direccionamiento se realiza por medio de direcciones IP. Según la naturaleza de estas direcciones tendremos: ¾ Direcciones IP Privadas: accesibles sólo dentro de un entorno determinado dentro de la red. ¾ Direcciones IP Públicas: accesibles desde cualquier punto de Internet. Según la asignación de estas direcciones tendremos: ¾ Direcciones IP Estáticas: estas direcciones irán asociadas de forma estática vía el HLR ¾ Direcciones IP Dinámicas: estas direcciones se obtienen de unos pools de direcciones gestionados bien por el Operador de la red o bien por una Entidad Externa.. 1.8.2 Interfaz de radio en GPRS En GPRS, cada sesión de transferencia de datos se denomina TBF (Temporary Block Flow). Los paquetes de un TBF se segmentan, se codifican y se transforman en bloques, denominados bloques radio, para su transmisión por la interfaz aire. Cada bloque radio está formado por 4 ráfagas transmitidas en el slot asignado en cuatro trama sucesivas. Los slots se asignan dinámicamente según necesidades. Se asignan por separado para cada sentido, pudiendo establecer conexiones asimétricas..

(36) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 25. Figura 1.8 1.8.3 Terminales GPRS Los terminales GPRS presentan las siguientes características comunes: ¾. Capacidad Dual. Los terminales GPRS están adaptados para aprovechar la cobertura existente GSM para la voz y en GPRS para la transmisión de datos. Velocidad de transferencia: Los terminales GPRS utilizan varios canales simultáneos o slots. El número de canales depende de cada terminal, variando de 1 a 4 para la recepción de datos y de 1 a 2 para el envío. Cada canal representa una velocidad teórica de 13.4 kilobits (en GSM sólo 9Kbits). ¾ Tarjeta SIM La tarjeta SIM es la misma que para GSM. No es preciso cambiar de tarjeta para usar GPRS. Los terminales GPRS (GPRS MS) están divididos en tres clases de acuerdo a su funcionalidad..

(37) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 26. Clase A: Es la clase más demandada de los terminales GPRS. Un terminal de esta clase puede establecer ambas conexiones simultáneas conmutación de circuito (CS) y de conmutación de paquete (PS). Clase B: Tiene la posibilidad para seleccionar automáticamente el tipo de conexión entre conmutación de circuito y conmutación de paquete, pero solamente una puede ser utilizada al mismo tiempo. De forma que si el MS tiene ambas conexiones CS y PS conformadas uno de ellos está en la espera del otro. Clase C: Estos terminales no pueden tener ambos servicios al mismo tiempo y la selección del modo de operación debe ser hecha manualmente. Esta clase incluye un caso especial, terminales que solamente soportan servicios de conmutación de paquetes (PS) [7]. Comparación de servicios GSM-GPRS. 1.9 Razón de Datos Mejorados para la Evolución de GSM (EDGE) EDGE es la nueva etapa en la evolución de GSM. El objetivo de la nueva tecnología es aumentar las tasas de transmisión y la eficiencia del espectro, facilitar nuevas aplicaciones e incrementar la capacidad de uso del móvil..

(38) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 27. Con la introducción de EDGE en GSM fase 2+, los servicios existentes como GPRS y Circuito Conmutado de Dato de Alta Velocidad (HSCSD) son mejorados ofreciendo una nueva capa física. Estos servicios no se modifican. EDGE es introducido dentro de especificaciones existentes en lugar de crear nuevas. Su función se enfoca hacia la mejora de paquetes conmutados para GPRS, llamado EGPRS. GPRS permite razón de datos de 115kbps sobre la capa física y teóricamente, de hasta 160kbps sobre la capa física. EGPRS puede proporcionar tasas de transmisión de 384kbps y teóricamente, hasta 473.6kbps. Una nueva técnica de modulación y métodos de tolerancia de error de transmisión, combinado con los mecanismos de adaptación de enlace mejorado, hace posible estas tasas de EGPRS. Es la clave para aumentar la eficiencia del espectro y mejorar las aplicaciones, como acceso a Internet inalámbrico, correo electrónico y transferencia de ficheros. •. Diferencias técnicas entre GPRS y EDGE. EDGE es un método para aumentar las tasas de datos en el enlace de radio de GSM. Básicamente, EDGE introduce una nueva técnica de modulación y una nueva codificación de canal que puede ser utilizado para transmitir los dos, servicios de voz y datos de paquetes conmutados y circuitos conmutados. EDGE es un agregado a GPRS y no puede trabajar por separado. EDGE tiene un impacto más grande en el sistema GSM que EDGE. Introduciendo la nueva modulación y codificación a GPRS y por hacer ajustes a los protocolos de enlace de radio, EGPRS ofrece razón de datos y capacidad considerablemente más alto.. Figura 1.9 Diferencias entre GPRS y EDGE. GPRS y EGPRS tiene diferentes protocolos y diferente comportamiento al lado de del sistema de estación base. Sin embargo, al lado de la red central, GPRS y EGPRS comparte los mismos protocolos de manejo de paquetes y en consecuencia, se comporta de la misma.

(39) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 28. manera. El reuso de la infraestructura central existente de GPRS (support node/gateway GPRS support node) se enfatiza al hecho de que EGPRS es sólo un complemento al sistema de estación base y por tanto es más fácil introducir que GPRS. La figura 1.9 muestra entre otras la diferencia entre GPRS y EGPRS y cómo EGPRS introduce cambios a GPRS sólo en la parte de red del sistema de estación base. Además de mejorar la transmisión de datos para cada usuario, EDGE también aumenta la capacidad. Con EDGE, la misma ranura de tiempo puede soportar a más usuarios. Esto disminuye el número de recursos de radio requeridos para soportar el mismo tráfico, mientras liberando así la capacidad para más datos o servicios de voz. EDGE hace más fácil coexistir el tráfico para circuito conmutado o paquete conmutado mientras haciendo uso más eficaz de los mismos recursos de radio. Así en las redes herméticamente planeadas de espectro limitado, EDGE también puede verse como un propulsor de capacidad para el tráfico de datos. EDGE. aprovecha el conocimiento ganado a través del uso de las normas de GPRS. existentes para realizar significantes mejoras técnicas. La figura 1.10 compara los datos técnicos básicos de GPRS y EDGE. Aunque GPRS y EDGE comparte la misma razón de símbolo, la modulación de la razón de bit se difiere. EDGE puede transmitir tres veces más la misma cantidad de bits que GPRS durante el mismo periodo de tiempo. Esta es la razón principal de de las tasas de bit superiores de EDGE. Las diferencias entre radio y las tasas de datos de usuario son el resultado de si o no el encabezado del paquete se toma en cuenta. Estas distintas maneras de calcular la transmisión de datos a menudo causa un mal entendido dentro de la industria acerca de la configuración real de transmisión de datos para GPRS y EGPRS. La razón de datos de 384 kbps se utiliza a menudo con relación a EDGE. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) definió 384 kbps como la razón de datos límite requerida para un servicio para cumplir con la norma de las Telecomunicaciones Móviles Internacionales-2000 (IMT-2000) en un ambiente pedestre. Estas 384 kbps razón de datos corresponden a 48 kbps por ranura de tiempo, asumiendo un terminal de ocho ranuras de tiempo [8]..

(40) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 29. Figura 1.10. GPRS y EDGE.: Una comparación de técnica de dato. (Leyenda: 8PSK, Modulación por desplazamiento de Fase- 8Fases; GMSK, Modulación por Desplazamiento Mínimo Gausiano; MCS, Esquema de codificación y modulación).. 1.10 Problemas en la interfaz aérea En la mayoría de los sistemas radioeléctricos reales la potencia de la señal recibida sufre fluctuaciones temporales, como se aprecia en la figura 1.4, este fenómeno toma el nombre de desvanecimiento.. P R (d B m ) V a lo r no m in a l AR. ∆t t. Figura 1.4 Desvanecimiento de señal radioeléctrica En los sistemas analógicos cuando ocurre el desvanecimiento no se puede recuperar la señal, pero en los sistemas digitales aplicando técnicas de codificación y algoritmos de corrección de errores es posible recuperar la señal. Existen diversos fenómenos físicos que causan el desvanecimiento de la señal recibida y depende del tipo de sistema (fijo, móvil, terrestre, espaciales), de la frecuencia de operación y de las características del entorno de recepción (rural, suburbano y urbano). De acuerdo al tipo de fenómeno físico implicado, el desvanecimiento puede clasificarse en los siguientes grupos principales:.

(41) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 30. Desvanecimiento multitrayecto: La señal se propaga por diferentes trayectos hasta el punto de recepción debido a reflexiones en obstáculos o condiciones cambiantes del medio de propagación (ionosfera, troposfera). Las diferentes señales recibidas se suman en el punto de recepción con diferentes amplitudes y fases. En el caso de sistemas radioeléctricos móviles, este tipo de desvanecimiento queda identificado por tres efectos: variaciones en la amplitud de la portadora recibida, dispersión Doppler (movimiento relativo entre el receptor y transmisor) y dispersión del retardo (variaciones de las longitudes de los multitrayectos).En la figura 1.5 se ilustra el entorno de recepción más general donde se despliega el desvanecimiento multitrayecto radio móvil. Se ha seleccionado un entorno radio móvil ya que contiene los tres efectos ya mencionados: desvanecimiento de la envolvente, dispersión Doppler y dispersión de retardo. Tx. LO S v Rx. Figura 1.5 Sistema radioeléctrico móvil donde se desarrolla el desvanecimiento Multitrayecto (LOS: line of sight).. •. Desvanecimiento por ensombrecimiento y obstrucción:. En muchos casos aun cuando no existen trayectos alternativos de la trayectoria principal de propagación (LOS: line of sight), queda ensombrecida u obstaculizada por la presencia de elementos naturales o hechos por el hombre. Esto trae como consecuencia la caída abrupta del nivel de potencia recibida, afectando la calidad de la recepción. Este desvanecimiento resulta típico en sistemas radioeléctricos móviles en entornos rurales y suburbanos [9]..

(42) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 31. 1.11 Handover. Es el proceso por el cual un móvil corta comunicación con una determinada BTS y se conecta con otra BTS, las razones para éste cambio de BTS pueden ser variadas. Si el nivel de interferencia es muy alto, para disminuir el nivel de tráfico, esto tiene que ocurrir sin perder la llamada que esté en curso. La decisión para ejecutar un handover y la BTS más adecuada para recibir al móvil, se toma de acuerdo a varias mediciones que se realizan tanto en la BTS como en la unidad móvil. Mediciones realizadas en la radio base. ¾ El nivel de la señal que recibe por el enlace de subida. ¾ La calidad de la señal recibida del móvil así como su tasa de error de bit o BER. ¾ La distancia entre el móvil y la BTS. ¾. El nivel de interferencia en ranuras de tiempo sin uso.. Mediciones realizadas en la unidad móvil. ¾ El nivel de la señal que recibe en el enlace de bajada. ¾ La calidad y BER que recibe por el enlace de bajada. ¾ El nivel de la señal del enlace de bajada de otras BTS. El proceso de handover también toma en cuenta la máxima potencia de transmisión del móvil, la BTS que está sirviendo al móvil y las BTSs vecinas. También se considera el tráfico que existe en la red para hacer una distribución más efectiva de éste tráfico. Para la elección de la adecuada BTS, el móvil tiene que monitorear la potencia que recibe de las BTSs vecinas, para esto éste consulta la lista que le da la BTS que lo está sirviendo, con las frecuencias de los canales de control de los vecinos. Para estas mediciones, cada móvil se le requiere que continuamente revise el código de identidad de la BTS, por medio del canal de sincronización, ya que debido al reuso de frecuencia, no se puede garantizar que el móvil está recibiendo la señal de la BTS que cree tiene asignada. Las especificaciones del estándar dicen que estas mediciones tienen que ocurrir cada 10s. Los resultados de las mediciones realizadas por el móvil son reportadas a la radio base por medio del SACCH, cada reporte puede contener información acerca de seis señales además de la que está siendo utilizada. Este reporte representa un retraso de 480ms.

(43) CAPÍTULO 1. Generalidades sobre el sistema GSM. 32. repartidos en 4 ráfagas. Cada BSS debe poder almacenar por lo menos 32 promedios de mediciones. Ya que la decisión de realizar el handover ha sido tomado, de acuerdo con los niveles de RSSI (Indicador de Fuerza de Señal Recibido) recibidos de los móviles, o por la cantidad de tráfico en una célula. Es necesario agregar que cada operador puede manejar diferentes niveles de RSSI mínimo. De acuerdo con esto y cuando la célula más adecuada ha sido identificada, se pasa a la etapa de ejecución del handover. Existen varios tipos de handover dependiendo del lugar en donde se realice el cambio. A continuación se explica en que consiste cada handover. Tipos de handover. 1. Intra BSC: La BTS nueva es controlada por la misma BSC que controlaba a la BTS anterior. 2. Inter. BSC/intra MSC: Se cambia de BSC pero son controlados por el mismo MSC. 3. Inter. MSC (Anchor a Relay): El MSC en el cual se inicia la llamada y mantiene el control por la duración de la misma se le denomina el Anchor, si es necesario utilizar otro MSC se le denomina Relay. En este tipo de handover se cambia de MSC, BSC y BTS, sin embargo, el control permanece en el anchor que está conectado al relay. 4. Inter. MSC (relay a relay): Aquí es cuando la conexión ya incluye un MSC relay y para el handover se necesita otro MSC que también sería un relay. El control se mantiene desde el MSC anchor y se elimina la conexión con el relay anterior. 5. Inter. MSC (relay a anchor): Cuando el MSC viejo no es el anchor y se pasa el MSC nuevo que es el anchor se elimina la conexión con el relay. Para la realización de un handover la BSC nueva debe ser informada de la necesidad de un handover, a menos que la BSC sea la misma. El mensaje es transmitido vía el punto de conmutación. Se establece una nueva ruta de comunicación. Al recibir la petición para el handover la BSC nueva busca un canal disponible para la comunicación, si esto es exitoso se envía por medio del punto de conmutación la orden para el handover. Esta orden incluye información acerca del canal de comunicación que ocupara en la nueva BSC así como información acerca de la nueva célula, como la frecuencia en la que se encuentra el BCCH..