GSMyGPRS
Short Description
Download GSMyGPRS...
Description
GSM y GPRS INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
GSM Y GPRS UN PASO MÁS EN TELEFONÍA CELULAR Dar a conocer nuevas tecnologías celulares las cuales permiten entre sus múltiples posibilidades ofrecer al usuario una conexión constante a Internet, lo que permitirá una nueva idea de comunicación permanente y móvil.
CONTENIDO: INTRODUCCIÓN. CAPÍTULO 1.- CÓMO TRABAJA LA TELEFONÍA CELULAR. CAPÍTULO 2.- QUÉ ES GSM?. CAPÍTULO 3.- EL SISTEMA GSM. CAPÍTULO 4.- QUÉ ES GPRS?. CAPÍTULO 5.- COMUNICACIÓN DE DATOS POR GPRS. CONCLUSIONES.
GUILLERMO GONZALO PÉREZ ROJAS JESÚS VEGA VERA ROBERTO CARLOS HURTADO TORRES
1
GSM y GPRS
ÍNDICE INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1. CÓMO TRABAJA LA TELEFONÍA CELULAR. 1.1. Qué es la telefonía celular.
1
1.1.1. PLMN.
5
1.1.2. Bandas de Frecuencia y Asignación de Canal.
8
1.1.3. Acceso Múltiple.
9
1.2. Elementos que conforman una red celular. 1.2.1. Las Células.
10 10
1.2.1.1. Tamaño de la célula.
11
1.2.1.2. La potencia de la célula.
14
1.2.1.3. Potencia efectiva radiada.
14
1.2.1.4. Célula práctica y analítica.
15
1.2.1.5. Área de cobertura.
16
1.2.1.6. Handover o Hand-off.
17
1.2.1.7. Planes de re-uso de frecuencia (clusters).
19
1.2.1.8. Interferencias y capacidad del sistema.
20
1.2.1.9. Canales en redes celulares.
22
1.2.1.10. Configuración de células.
24
1.2.2. Estaciones Radio Bases (RBS).
26
1.2.2.1. Antenas.
28
1.2.2.2. Unidades funcionales.
32
1.2.3. Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC).
36
1.2.4. Estaciones Móviles (MS).
39
2
GSM y GPRS
1.2.4.1. Tipos o clases de móviles.
40
1.2.4.2. Potencia de salida de la estación móvil.
41
1.2.4.3. Componentes.
42
1.2.4.4. Características.
44
1.3. Métodos de Acceso Múltiple.
45
1.3.1. FDMA.
46
1.3.2. TDMA.
46
1.3.3. CDMA.
49
CAPÍTULO 2. QUÉ ES GSM? 2.1. El concepto de GSM.
54
2.2. Fases GSM.
58
2.3. Bandas de frecuencia.
61
2.4. Novedades en GSM.
62
2.4.1. SIM-Card.
62
2.4.2. Bluetooth.
67
2.4.3. SMS.
73
2.4.4. WAP.
77
2.5. Servicios de GSM.
85
2.5.1. Bearer Services.
86
2.5.2. Teleservicios.
86
2.5.3. Servicios Suplementarios.
87
3
GSM y GPRS
CAPÍTULO 3. EL SISTEMA GSM. 3.1. Arquitectura de red en GSM.
93
3.1.1. La Estación Móvil (MS).
94
3.1.2. El Sistema de Estación Base (BSS).
95
3.1.2.1. Base Station Controller (BSC).
97
3.1.2.2. Base Transceiver Station (BTS).
98
3.1.3. El Sistema de Conmutación de Red (SS).
101
3.1.3.1. Mobile Switching Center (MSC).
101
3.1.3.2. Home Location Register (HLR).
102
3.1.3.3. Visitor Location Register (VLR).
103
3.1.3.4. Autentication Center (AUC).
104
3.1.3.5. Equipment Identity Register (EIR).
105
3.1.4. El Sistema de Operación y Soporte (OSS).
106
3.1.4.1. Centro de Operación y Mantenimiento (OMC).
107
3.1.4.2. Centro de Manejo de la Red (NMC).
107
3.2. Interfaces.
108
3.2.1. Interfaz de Radio (Interfaz Um).
108
3.2.2. Interfaz entre la MSC y el BSS (Interface A).
109
3.2.3. Interfaz entre el BSC y la BTS (Interfaz A-bis).
109
3.2.4. Interfaz entre la MSC y el VLR asociado (Interfaz B).
109
3.2.5. Interfaz entre el HLR y la MSC (Interfaz C).
109
3.2.6. Interfaz entre el HLR y el VLR (Interfaz D).
110
3.2.7. Interfaz entre MSC’s (Interfaz E).
111
3.3. Identidades GSM.
111
3.3.1. Mobile Station ISDN Number (MSISDN).
111
3.3.2. Mobile Station Roaming Number (MSRN).
113
3.3.3. International Mobile Subscriber Identity (IMSI).
114
3.3.4. Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI).
115
4
GSM y GPRS
3.3.5. International Mobile Equipement Identity (IMEI).
115
3.3.6. Location Area Identity (LAI).
116
3.3.7. Cell Global Identity (CGI).
117
3.4. Interfaz de radio.
118
3.4.1. Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA).
118
3.4.2. Operaciones Duplex.
120
3.4.2.1. Duplex por División de Frecuencia (FDD).
120
3.4.2.2. Duplex por División de Tiempo (TDD).
120
3.4.3. Frequency Hopping.
121
3.4.4. El Canal de Radio.
122
3.4.4.1. Características del canal de radio.
122
3.4.4.2. Condiciones estáticas.
123
3.4.4.3. Condiciones dinámicas.
123
3.4.5. Frecuencias.
123
3.4.5.1. GSM Básico.
124
3.4.5.2. GSM Extendido.
125
3.4.5.3. PCN ó DCS-1800.
126
3.4.5.4. PCS-1900/DCS-1900.
126
3.4.6. Canales Físicos.
127
3.4.7. Canales Lógicos.
128
3.4.7.1. Canales de tráfico (TCH).
129
3.4.7.2. Canales de control.
131
3.4.8. Proceso de una Llamada en GSM.
136
3.4.9. Burst ó Ráfagas.
138
3.4.10. Estructura de las Tramas en GSM.
139
5
GSM y GPRS
3.5. Proceso de transmisión en GSM.
142
3.5.1. Codificación de la Fuente.
143
3.5.2. Codificación del Canal.
142
3.5.3. Entrelazado ("Interleaving").
148
3.5.4. Cifrado/Encriptado.
151
3.5.5. Preparación del Burst.
151
3.5.6. Modulación Digital en GSM.
152
3.5.6.1. Modulación MSK.
153
3.5.6.2. Modulación GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying").
155
3.5.7. Control de Potencia y timing advance.
156
3.5.8. Handover en GSM.
157
3.6. Seguridad en GSM.
159
3.6.1. Proceso de Autenticación.
162
3.6.2. Proceso de Confidencialidad de los Datos y Señalización en GSM.
163
3.6.3. Proceso de Confidencialidad de la Identidad del Abonado.
163
3.6.4. Consideraciones Sobre el Algoritmo A5 de Cifrado GSM y los Algoritmos A3 y A8.
164
CAPÍTULO 4. QUÉ ES GPRS? 4.1. Introducción a GPRS.
165
4.1.1. Características y ventajas de GPRS. 4.2. Servicios y aplicaciones.
167 169
4.2.1. Servicios.
169
6
GSM y GPRS
4.2.2. Aplicaciones.
172
4.3. Arquitectura de red en GPRS.
181
4.3.1. Base Station System (BSS).
182
4.3.1.1. Base Station Controller (BSC).
182
4.3.1.2. Base Transceiver Station (BTS).
183
4.3.2. Circuit Switching System (CSS).
183
4.3.2.1. MSC/VLR (Mobile Service Switching Center/ Visitor Location Register).
183
4.3.2.2. GMSC (Gateway Mobile Service Switching Center).
184
4.3.2.3. HLR (Home Location Register).
184
4.3.2.4. AUC (Autentication Center).
186
4.3.2.5. SMS-IW-MSC (Short Message Service-Interworking MSC). 4.3.2.6. SMS-GMSC (Short Message Service Gateway MSC). 4.3.3. Packet Switching System (PSS).
186 186 186
4.3.3.1. SGSN (Serving GPRS Support Node).
187
4.3.3.2. GGSN (Gateway GPRS Support Node).
187
4.3.4. Terminales GPRS.
187
4.3.4.1. Estados operativos del terminal.
191
4.4. PCU (Packet Control Unit).
202
4.5. Nodos de soporte de GPRS (GSN).
204
4.5.1. SGSN (Serving GPRS Support Node).
205
4.5.1.1. Funcionalidad del SGSN.
206
4.5.1.2. Seguridad en los SGSN.
210
4.5.1.3. Direcciones IP dinámicas.
211
4.5.1.4. Direcciones IP estáticas.
212
4.5.2.5. Tarificación.
212
4.5.2. GGSN (Gateway GPRS Support Node).
7
213
GSM y GPRS
4.5.2.1. Funcionalidad del GGSN.
214
4.5.2.2. Seguridad en los GGSN
215
4.5.2.3. Gestión de carga útil
216
4.5.2.4. Border gateway.
216
4.5.2.5. Enrutamiento de IP
217
4.6. Interfaces.
218
4.6.1. Interfaz Gb.
218
4.6.2. Interfaz Gs.
219
4.6.3. Interfaz Gr.
221
4.6.4. Interfaz Gd.
222
4.6.5. Interfaz Gi.
223
4.6.6. Interfaz Gn.
223
4.7. APN (Access Point Name).
224
CAPÍTULO 5. COMUNICACIÓN DE DATOS POR GPRS. 5.1. Conmutación de circuitos (CS).
231
5.2. Conmutación de paquetes (PS).
234
5.3. Protocolos.
239
5.3.1. Protocolos del Plano de Transmisión.
239
5.3.2. Pila de Protocolos del Plano de Señalización.
241
5.4. Interfaz de radio.
242
5.4.1. Canales Lógicos.
242
5.4.2. Asignación de PDCH para GPRS.
247
8
GSM y GPRS
5.4.2.1. Asignación de PDCH dedicado.
247
5.4.2.2. Asignación de PDCH por demanda.
248
5.4.3. Multitrama.
249
5.5. Transferencia de paquetes.
253
5.5.1. Modo de Operación de Red.
253
5.5.2. Transferencia de Paquetes en Downlink.
255
5.5.2.1. Paging.
255
5.5.2.2. Establecimiento de TBF downlink.
257
5.5.3. Transferencia de Paquetes en Uplink.
259
5.5.3.1. Establecimiento de TBF uplink.
259
5.5.3.2. TBF ya establecido.
261
5.5.3.3. Reconocimiento.
261
5.5.3.4. Finalizando un TBF.
262
5.6. Cambio de celda en GSM y GPRS.
262
5.6.1. Cambio de Celda en GSM.
262
5.6.2. Cambio de Celda en GPRS.
263
5.6.3. Reselección de Celda en un Caso de Tráfico Downlink.
264
5.6.4. Reselección de Celda en un Caso de Tráfico Uplink.
265
5.7. Disciplinas de servicio.
267
5.7.1. Sin Prioridad.
267
5.7.2. Con Prioridad.
268
5.7.3. Garantizando QoS.
268
CONCLUSIONES
270
GLOSARIO.
9
GSM y GPRS
BIBLIOGRAFÍA.
10
GSM y GPRS
11
GSM y GPRS
INTRODUCCIÓN El auge de las comunicaciones móviles celulares ha revolucionado el concepto de telefonía. Sobre todo por la movilidad de los usuarios que ya no llaman a un sitio, sino a una persona específica. Cuando se introdujeron por primera vez a principios de los años ochenta, estos teléfonos estaban circunscritos a automóviles y limitados por su peso y su potencia, pero poco a poco se fueron fabricando aparatos más pequeños y de menor peso, más baratos, y abandonaron el automóvil y se trasladaron al portafolio o al bolsillo. El término celular se debe a que la cobertura radioeléctrica de una zona geográfica completa se realiza cubriendo pequeñas regiones llamadas células. En cada una de estas células existe una Estación Radio Base (ERB) que controla el tráfico de teléfonos móviles que se desplazan en la zona correspondiente. A su vez estas estaciones están enlazadas con el Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) y éste a su vez está conectado a la Red Telefónica Pública (PSTN). Las correspondientes estaciones radio base se ponen en contacto mediante ondas electromagnéticas, también llamadas radiación electromagnética o campos electromagnéticos. Sin embargo, las ondas de esta naturaleza no suponen una fuente de energía novedosa. Desde la aparición de las primeras transmisiones de radio a principios del siglo XX, la radiación electromagnética nos acompaña en multitud de servicios que asumimos como cotidianos. Las ondas de radio, la televisión, los servicios de emergencia como policía o bomberos, radioaficionados, sistemas de vigilancia, radares, sistemas de navegación aérea, o comunicaciones vía satélite son también algunas de las formas de energía de radiofrecuencia más extendidas y conocidas.
12
GSM y GPRS
Uno de los aspectos más interesantes del teléfono celular es que es solamente un radio extremadamente sofisticado, pero un radio a fin de cuentas. HISTORIA DEL TELÉFONO CELULAR. El teléfono fue inventado por Alexander Graham Bell en 1876, y la comunicación inalámbrica tiene sus raíces en la invención del radio por Nikolai Tesla en la década de 1880, formalmente presentado en 1894 por un joven italiano llamado Guglielmo Marconi. En la época predecesora a los teléfonos celulares, la gente que realmente necesitaba comunicación móvil tenía que confiar en el uso de radio-teléfonos en sus autos. En el sistema radio-telefónico, existía sólo una antena central por cada ciudad, y probablemente 25 canales disponibles en la torre. Esta antena central significaba que el teléfono en el vehículo requeriría una antena poderosa, lo suficientemente poderosa para transmitir a 50 ó 60Kms de distancia. Esto también significaba que no muchas personas podrían usar los radio-teléfonos simplemente no existían suficientes canales para conectar. RESEÑA Y DESARROLLO DE LA TELEFONÍA CELULAR.
AÑO
EVENTO Alexander Graham Bell impresiona a la sociedad de Filadelfia al
1876
transmitir voz por medio de un telégrafo, es el principio de una nueva tecnología que en pocos años tendrá millares de usuarios.
1905
Se realizan las primeras transmisiones de AM de voz y música, la calidad era pobre.
13
GSM y GPRS
Entra en operación el primer sistema de comunicación móvil del 1928
departamento de policía de Detroit de tipo Simplex (Transmisión unidireccional desde el sitio hacia el móvil). Al año siguiente la policía de Cleveland implementa un sistema similar al de Detroit. Se desarrollan los primeros transmisores móviles de tipo Half Duplex
1930
(Transmisión bidireccional utilizando el sistema de "Push to talk") y los pone en operación la policía de New Jersey. Los transmisores ocupaban casi todo el espacio de las cajuelas de los autos. Edwin H. Amstrong realiza una demostración de un radio de FM
1935
(Modulación en Frecuencia por sus siglas en inglés), asombrando a la comunidad de la época con la calidad de la señal recibida. Debido a la participación de los Estados Unidos en la Segunda Guerra Mundial, Bell Labs y Western Digital fueron contratadas por el gobierno para desarrollar sistemas de comunicación para el campo de batalla,
1940
todos los tanques, aviones y navíos contaban con radios de FM, gracias a esto toda una estructura industrial de radios FM fue instalada en Estados Unidos y la radio de FM se volvió una opción económicamente viable. La FCC (Federal Communications Commission) permite que AT&T instale el primer sistema de telefonía móvil en la ciudad de St. Louis. La
1946
"Radio Urbana" estaba basada en una única torre de transmisión de alta potencia que cubría 80Km. de radio y operaba en tres canales, con transmisión Half Duplex, con costos relativamente bajos. La demanda por el servicio creció y el sistema quedó saturado. Bell Labs presenta el concepto de Telefonía Móvil Celular, pero se
1947
requería del permiso por parte de la FCC para utilizar un mayor número de frecuencias. En ese año más de 25 ciudades americanas ya tenían instalado el sistema de "Radio Urbana". El 6 de Octubre dada la visión emprendedora e innovadora de Don Alejo
1955
Peralta se crea SOS (Servicio Organizado Secretarial), cuyo objetivo fue el proveer el servicio de radiotelefonía móvil.
14
GSM y GPRS
Surge el concepto de distribución de los canales de radio (Trunking). Hasta entonces cada radio trabajaba en una frecuencia diferente. Con el 1960
sistema de Trunking cada radio podía ocupar cualquiera de las frecuencias disponibles. Se podía dar servicio a 250 usuarios con diez canales. Se introduce experimentalmente el IMTS (Improved Mobile Telephone
1962-
System) ó sistema de telefonía móvil con transmisión FM, Full Duplex,
1964
con selección automática de canales y conmutación automática en Pensilvania. El servicio es implantado en varios sistemas metropolitanos. El sistema de Bell Labs sólo contaba con 12 canales disponibles para
1966
toda la población de la ciudad de Nueva York, por lo que sólo consigue atender a 543 abonados de telefonía móvil, con un grado de servicio de 13% y una lista de espera de más de 37,00 personas.
1971 1975 1984 1989 1998
AT&T hace la primera propuesta de implantación del sistema AMPS (Advanced Mobile Phone System). AT&T implanta el sistema de telefonía celular en Chicago, Illinois. Más de 25 ciudades de Estados Unidos cuentan con sistema de telefonía celular Nace IUSACELL, innovando en México los servicios de telefonía celular. IUSACELL construye la primera Red Celular Digital en la Ciudad de México
SITUACIÓN ACTUAL. En la actualidad existen tres tecnologías comúnmente usadas para transmitir información en las redes:
15
GSM y GPRS
→ Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) → Acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) → Acceso múltiple por división de código (CDMA)
La diferencia primordial yace en el método de acceso, el cual varía entre:
Frecuencia, utilizada en la tecnología FDMA
Tiempo, utilizado en la tecnología TDMA
Códigos únicos, que se proveen a cada llamada en la tecnología CDMA.
La primera parte de los nombres de las tres tecnologías (Acceso múltiple), significa que más de un usuario (múltiple) puede usar (accesar) cada celda. TENDENCIA. A pesar de que la telefonía celular fue concebida estrictamente para la voz, la tecnología celular de hoy es capaz de brindar otro tipo de servicios, como datos, audio y video con algunas limitaciones. Sin embargo, la telefonía inalámbrica del mañana hará posible aplicaciones que requieran un mayor consumo de ancho de banda. LAS GENERACIONES DE LA TELEFONÍA INALÁMBRICA. GENERACIÓN
CARACTERÍSTICA
16
GSM y GPRS
Hizo su aparición en 1979 y se caracterizó por se analógica y estrictamente para voz. La calidad de los enlaces era muy baja, Primera Generación (1G)
tenían baja velocidad (2400Bauds). En cuanto a la transferencia entre celdas, era muy imprecisa ya que contaban con una baja capacidad (Basadas en FDMA, Frequency Division Multiple Access) y, además, la seguridad no existía. La tecnología predominante de esta generación es AMPS (Advanced Mobile Phone System). Arribo hasta 1990 y a diferencia de la primera se caracterizó por ser digital. El sistema 2G utiliza protocolos de codificación más sofisticados y se emplea en los sistemas de telefonía celular actuales. Las tecnologías predominantes son: GSM (Global System por Mobile Communications); IS-136 (conocido también como TIA/EIA136 o
Segunda Generación (2G)
ANSI-136) y CDMA (Code Division Multiple Access) y PDC (Personal Digital Communications), éste último utilizado en Japón. Los protocolos empleados en los sistemas 2G soportan velocidades de información más altas por voz, pero limitados en comunicación de datos. Se pueden ofrecer servicios auxiliares, como datos, fax y SMS (Short Message Service). La mayoría de los protocolos de 2G ofrecen diferentes niveles de encriptación. En Estados Unidos y otros países se le conoce a 2G como PCS
Generación
(Personal Communication Services). Muchos de los proveedores de servicios de telecomunicaciones
2.5G
se moverán a las redes 2.5G antes de entrar masivamente a la 3. La tecnología 2.5G es más rápida, y más económica para actualizar a 3G. La generación 2.5G ofrece características extendidas, ya que 17
GSM y GPRS
cuenta con mas capacidades adicionales que los sistemas 2G, como: GPRS (General Packet Radio System), HSCSD (High Speed Circuit Switched), EDGE (Enhanced Data Rates for Global
Tercera Generación (3G)
Evolution), IS-136B e IS-95Bm entre otros. La 3G se caracteriza por contener a la convergencia de voz y datos con acceso inalámbrico a Internet; en otras palabras, es apta para aplicaciones multimedia y altas transmisiones de datos.
Los protocolos empleados en los sistemas 3G soportan altas velocidades de información y están enfocados para aplicaciones más allá de la voz como audio (mp3), video en movimiento, videoconferencia y acceso rápido a Internet, sólo por nombrar algunos. Asimismo, en un futuro próximo los sistemas 3G alcanzarán velocidades de hasta 384Kbps, permitiendo una movilidad total a usuarios, viajando a 120K/h en ambientes exteriores. También alcanzará una velocidad máxima de 2Mbps, permitiendo una movilidad limitada a usuarios, caminando a menos de 10 kilómetros por hora en ambientes estacionarios de corto alcance o en interiores.
Justificación. Se eligió este tema para mostrar la evolución de la telefonía celular y los alcances que puede tener en un futuro, sobre todo por la gran importancia que han adquirido en nuestros días las comunicaciones móviles en general, y en particular el estándar GSM, así como GPRS, que es considerado paso de transición hacia los sistemas de tercera generación (3G). 18
GSM y GPRS
Objetivo General. Tener una visión general de las comunicaciones móviles, así como los avances que han tenido, explicando cada uno de los conceptos fundamentales de la telefonía inalámbrica. Una vez que se tenga por entendido el concepto básico de la telefonía celular, se explicará el estándar de comunicaciones móviles GSM, y posteriormente se estudiará el sistema de transmisión de datos GPRS. Objetivos Específicos. •
Conocer los elementos y funcionamiento de una red celular.
•
Mostrar la nueva tendencia en los sistemas de comunicación móvil.
•
Realizar un breve análisis de los nuevos sistemas celulares.
•
Mostrar
un
panorama
general
del
futuro
que
pueden
tener
las
comunicaciones inalambricas. Problemas a Resolver. La demanda de usuarios cada día es mayor por lo que se requieren sistemas que cubran dicha demanda con una mejor calidad y al mismo tiempo ofrezca otras opciones en el campo de las comunicaciones al reducir tiempos en la intercambio de información.
Contenido Capitular. CAP. 1.- Cómo trabaja la telefonía celular. En este capitulo se trataran los principios básicos de una red celular, su funcionamiento, así como cada uno de los componentes que la conforman.
19
GSM y GPRS
CAP. 2- Qué es GSM. Se dará un panorama general de que se trata este sistema, explicando su evolución así como las novedades y servicios que ofrece. CAP. 3.- El sistema GSM. Se explicarán los componentes que lo conforman así como también se dará una descripción de como se lleva a cabo la comunicación a través de GSM. CAP. 4.- Qué es GPRS. En esta parte se verá un panorama general del futuro en la comunicación de datos a nivel mundial y su implementación al sistema GSM, describiendo los nuevos elementos que se integran a la red. CAP. 5.- Comunicación de datos a través de GPRS. Se hará un breve análisis de la comunicación de datos vía celular, mostrando los pasos que se llevan a cabo durante la transmisión de datos. CONCLUSIONES
20
GSM y GPRS
21
Cómo trabaja la telefonía celular
CÓMO TRABAJA LA TELEFONÍA CELULAR. Las tecnologías inalámbricas están teniendo mucho auge y desarrollo en estos últimos años, una de las que ha tenido un gran desarrollo ha sido la telefonía celular. Desde sus inicios a finales de los 70s ha revolucionado enormemente las actividades que realizamos diariamente. Los teléfonos celulares se han convertido en una herramienta primordial para la gente común y de negocios, las hace sentir más segura y las hace más productivas. A pesar que la telefonía celular fue concebida para la voz únicamente, debido a las limitaciones tecnológicas de esa época, la tecnología celular de hoy en día es capaz de brindar otro tipo de servicios tales como datos, audio y video con algunas limitaciones, pero la telefonía inalámbrica del mañana hará posible aplicaciones que requieran un mayor consumo de ancho de banda. 1.1. QUÉ ES LA TELEFONÍA CELULAR. La estructura de la red celular se basa en la conexión de terminales móviles al sistema a través de una serie de estaciones repartidas por un área geográfica, que dependen de un sistema de conmutación, que permiten la interconexión entre estaciones bases y la conexión del sistema a la red pública. Las principales características de un sistema celular son: •
Gran capacidad de usuarios.
•
Utilización eficiente del espectro.
•
Amplia cobertura.
1
Cómo trabaja la telefonía celular
Cada sistema de telefonía celular comparte virtualmente la misma arquitectura comprendida en tres bloques funcionales.
Red de Telefonía Pública (PSTN)
Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC)
Estación Radio Base
Estación Móvil
(RBS)
(MS)
Fig. 1.1. Elementos de una Red Celular. Existe un Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC) el cual realiza la función de conmutación para llamadas de teléfonos celulares y provee la interface entre el sistema celular y la red de telefonía pública (PSTN), o a otra Estación Radio Base (RBS). El siguiente bloque es el emisor el cual proporciona la interface entre el Centro de Conmutación (MSC) y la unidad móvil. El emisor es nombrado como Estación Radio Base (RBS). La RBS contiene todo el equipo de radio utilizado para la comunicación desde/hacia los móviles y la conexión de los suscriptores móviles hacia el MSC. El tercer bloque funcional es uno de los más importantes, la unidad móvil en sí. Este elemento es la razón para que el resto del sistema exista. La unidad móvil, a veces llamado Estación Móvil (MS), Handset o Teléfono Celular, es el Equipo Terminal (TE) para llamadas de teléfono celular. El término de Equipo Terminal indica que las llamadas de teléfono celular pueden comenzar o terminar en la Estación Móvil. La gran idea del sistema celular es la división de la ciudad en pequeñas células o celdas, de ahí el término celular. Esta idea permite la re-utilización de frecuencias a través de la ciudad, con lo que miles de personas pueden usar los teléfonos al mismo tiempo.
2
Cómo trabaja la telefonía celular
Cada celda tiene una RBS que consiste de una torre y un pequeño edificio que contiene el equipo de radio. Dependiendo del tipo de antena de transmisión empleada en la RBS, se puede cubrir una o más áreas por una RBS. Para representar una célula, usualmente se utiliza un hexágono en forma teórica, pero en realidad el área de cobertura es circular. Existen dos tipos de células: Omnidireccionales y Sectoriales. Una célula Omnidireccional se produce cuando la RBS está equipada con una antena Omnidireccional transmitiendo igualmente en todas direcciones y se forma un área circular, con la RBS en el centro de la célula.
Real
Gráfica
Fig. 1.2. Representación de una Célula Omnidireccional. Para formar una célula sectorial, la RBS está equipada con tres antenas direccionales, cada una cubriendo una célula sectorial de 120 grados. En cada una de las estaciones base, algunas unidades de canal están conectadas a una antena cubriendo una célula sectorial; otras unidades de canal están conectadas a la segunda antena cubriendo una segunda célula, y el resto a una antena para tener una tercer célula.
3
Cómo trabaja la telefonía celular
Por lo tanto, una RBS controla a tres células sectoriales. Cuando se muestran tres células sectoriales, se dibujan tres hexágonos, uno para cada célula, con la RBS localizada en la esquina de cada hexágono. Para que se lleve a cabo la cobertura total, las células vecinas deben traslaparse entre sí.
Real
Gráfica
Fig. 1.3. Representación de una Célula Sectorizada. La RBS está conectada al MSC por medio de circuitos de enlace punto a punto. La RBS maneja la radiocomunicación con los teléfonos celulares o estaciones móviles y supervisa la calidad de la radiotransmisión durante una llamada. La MSC y la RBS están conectados por medio de un enlace E1 (o T1 en Norte América). La RBS está conectada a la MS por medio de una interface aérea. Como se mencionó, una de las principales características de los sistemas celulares es el re-uso de frecuencias, que consiste en comunicar al teléfono celular con la RBS por medio de un canal telefónico con frecuencias disponibles en ese momento. El teléfono celular no tiene una frecuencia fija de enlace. Esta técnica permite hacer un eficiente uso del espectro electromagnético disponible, así como atender a más usuarios en un número determinado de canales de radio. Este re-uso de frecuencias es posible utilizando canales de la misma frecuencia en varias células que no sean adyacentes, evitando así alguna interferencia.
4
Cómo trabaja la telefonía celular
Todos los teléfonos celulares pueden utilizar un canal de la RBS la cual detectará su desplazamiento en el área, asignándole una nueva frecuencia si cruza la frontera de la célula en que se encontraba y pasa a otra célula diferente, este cambio es imperceptible para el usuario, debido a que su teléfono continúa funcionando normalmente. Los teléfonos celulares tienen adentro transmisores de bajo poder. Muchos teléfonos celulares tienen dos intensidades de señal: 0.6Watts y 3.0Watts (en comparación, la mayoría de los radios de banda civil transmiten a 4Watts.) La estación central también transmite a bajo poder. Los transmisores de bajo poder tienen dos ventajas: •
Las transmisiones de la base central y de los teléfonos en la misma celda no salen de ésta. Por lo tanto, cada celda puede re-utilizar las mismas frecuencias a través de la ciudad.
•
El consumo de energía del teléfono celular, que generalmente funciona con baterías, es relativamente bajo. Una baja energía significa baterías más pequeñas, lo cual hace posibles los teléfonos celulares.
1.1.1. PLMN. La Public Land Mobile Network (Red Pública Móvil) es la red formada para el sistema celular. Los componentes de esta estructura como hemos mencionado son: •
Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC).
•
Radio Bases (RBS).
•
Estaciones Móviles (MS).
5
Cómo trabaja la telefonía celular
Cada PLMN es una red de capas de componentes que están agrupadas dentro de áreas.
La célula es la unidad básica de la PLMN. La red de telefonía móvil está dividida en muchas células. Cada Célula es controlada por una RBS, la cual está conectada a una MSC.
Un número de células pueden agruparse para formar un Área de Localización (LA). Un número de áreas de localización, controladas por una MSC, pueden agruparse para formar un Área de Servicio.
Una o más Áreas de Servicio están combinadas para formar una PLMN.
6
Cómo trabaja la telefonía celular
Fig. 1.4. La Red Celular.
7
Cómo trabaja la telefonía celular
1.1.2. BANDAS DE FRECUENCIA Y ASIGNACIÓN DE CANAL. En Norte América, la Federal Communication Commission (FCC) asigna un espectro de frecuencias para el sistema celular. El espectro de frecuencias está concedido como una licencia a un proveedor y está identificado como Banda A y Banda B. El proveedor de Banda A es una compañía Non-Wireline y un proveedor de Banda B es una compañía Wireline. Las licencias son otorgadas para un área en particular. Estas áreas están definidas como Áreas Estáticas Metropolitanas (MSAs) y Áreas Estáticas Rurales (RSAs). Cada proveedor esta obligado a proporcionar el servicio en sus áreas con licencia. Frecuencia Tx de la Estación Base en MHz
Frecuencia Tx de la Estación Móvil en MHz
Fig. 1.5. Espectro de frecuencias para celular. Cada frecuencia de Transmisión (TX) y Recepción (RX) está separada por 45MHz. Esto está definido como distancia Duplex. Cada canal asignado está separado por 30KHz. Cada Banda tiene 416 canales. Dependiendo la planificación de frecuencias usada por un ingeniero de radio, podría haber 21 canales asignados como canales de control, dejando 395 canales para ser usados como canales de voz.
8
Cómo trabaja la telefonía celular
La planificación de frecuencias es usada para asignar canales para el equipo que será utilizado en un área designada. Esta planeación es usada para aumentar el número de llamadas simultáneas, las cuales pueden tomar un lugar a través de la técnica de reutilización de frecuencias. El re-uso de frecuencias propone que dos canales de radio pueden usar exactamente el mismo par de frecuencias con la condición de que haya una separación geográfica suficiente entre ellos. Algunas planificaciones de frecuencias usadas son: 7/21, 3/9, 4/12 y 9/27. Cada uno de los canales en las tablas de asignación de frecuencias pueden ser separados en una o dos categorías: canal de control y canal de voz. El canal de control proporciona la comunicación necesaria entre el MSC y el MS cuando el teléfono no esta en conversación. Los canales de control pueden operar solamente sobre algunos canales definidos en la planeación de canales. 1.1.3. ACCESO MÚLTIPLE. El método por el cual la frecuencia es procesada es conocido como método de acceso. Los métodos de acceso actualmente disponibles son: •
FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia).
•
TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo).
•
CDMA (Acceso Múltiple por División de Código).
FDMA es utilizado con los sistemas de transmisión análogos, mientras que TDMA y CDMA son usados para transmisiones digitales.
9
Cómo trabaja la telefonía celular
Ahora trataremos un poco más a fondo el funcionamiento de los elementos mencionados para una red celular. 1.2. ELEMENTOS QUE CONFORMAN UNA RED CELULAR. Los elementos de una red celular básica se pueden representar por el Centro de Conmutación Móvil (MSC). Lleva a cabo el control y administración centralizado del sistema celular (cerebro del sistema celular). Las estaciones base o radio-bases o cell-sites (RBS). Encargadas de la comunicación con los móviles, así como también las unidades móviles. Todo esto encerrado en zonas geográficas llamadas células o celdas.
1.2.1. LAS CÉLULAS. La "célula" es el área de cobertura de una estación base, generalmente representada de forma hexagonal. La zona a la que se quiere dar servicio se divide en células, normalmente hexagonales. •
Una célula es un área geográfica cubierta por señales de RF.
•
La fuente de RF está localizada en el centro de la célula.
•
La forma y tamaño de la célula dependen de muchos parámetros.
Potencia de transmisión (ERP).
Ganancia y patrón de la antena.
Ambiente de propagación.
10
Cómo trabaja la telefonía celular
Nivel de recepción de la señal (RSL) en el borde de la célula (-90dbm definido en el borde de la célula).
Por lo tanto una célula es prácticamente irregular, y cada estación base tiene diferente potencia de transmisión.
Fig. 1.6. La Célula 1.2.1.1. TAMAÑO DE LA CÉLULA. Otro factor que influye en el tamaño de las células y que tiene también una relación directa con la organización de los clusters es la cantidad de tráfico, de hecho, debido a esto es que deben hacerse más pequeñas para aumentar el número e incrementar el re-uso de frecuencias. Existen diversos tamaños, que pueden cubrir desde áreas mayores a 35Km, hasta menores de 50m. Una célula se define por: •
Tamaño físico.
•
Tamaño de la población.
•
Patrones de tráfico de la zona urbana.
11
Cómo trabaja la telefonía celular
El tamaño de las células no es algo fijo pero para poder trabajar con un área de cobertura, debemos dividirla y estructurarla, es por esto que se utilizan las células hexagonales, y los diferentes tamaños de éstas. El radio de la célula está dada por la siguiente expresión:
Donde: R = radio de la célula r = distancia del centro al vértice y que es prácticamente el radio de la célula y la región Handover Esta fórmula fue desarrollada por un empleado de Lucent y se encuentra actualmente en uso.
Fig.1.7. Radio de la Célula.
Megacélulas. Las Megacélulas son las que más amplia área de cobertura soportan, con un radio mayor a los 35Km. Estas células, como podemos ver, se han establecido en ambientes de muy poco tráfico o de tráfico ocasional.
12
Cómo trabaja la telefonía celular
Las podemos encontrar en ambientes rurales o en cobertura de carreteras, con éstas es posible cubrir una gran extensión de tierra con una sola radio base.
Macrocélulas. Las Macrocélulas se encuentran en el rango de 1 a 35Km. Estas células están diseñadas y varían su tamaño con respecto, también, al tráfico de la región. Se han establecido en ambientes urbanos poco densos, así como en ambientes rurales con buena cantidad de tráfico. Estas células proveen servicios en ambientes Outdoor y vehiculares. Sin embargo, para ambientes urbanos intensos estos dos tipos de células no son suficientes.
Microcélulas. Las Microcélulas son establecidas como la siguiente jerarquía de tamaño. Su tamaño puede variar a menos de 1Km. Estas pueden soportar ambientes urbanos intensos Indoor/Outdoor. Está claro que para poder proveer estos tamaños, es necesario un exhaustivo estudio probabilística y estadístico, así como una buena planeación del sistema celular a fin de lograr un buen re-uso de frecuencia.
Picocélulas. Las Picocélulas están diseñadas para ambientes urbanos intensos y ambientes Indoor, llegan a medidas de menos de 50m.
13
Cómo trabaja la telefonía celular
Fig. 1.8. Tamaños celulares. 1.2.1.2. LA POTENCIA DE LA CÉLULA. Existen también otros factores que afectan el tamaño de la célula. La potencia del transmisor afecta los límites electrónicos de la célula. La potencia producida por el transmisor, y la longitud de nuestra célula pueden ser tan amplias como tantos suscriptores móviles tengan un nivel equivalente de potencia disponible. La potencia de la señal es inversamente proporcional a la distancia entre el móvil y la estación base. Cuando el móvil ha llegado a un límite máximo de pérdidas se encuentra en los límites de la célula. 1.2.1.3. POTENCIA EFECTIVA RADIADA. La potencia efectiva radiada (ERP) es la potencia radiada en dirección de la máxima ganancia de la antena, expresada en Watts. La ERP de una estación base se diseña cuidadosamente para garantizar la cobertura geográfica deseada.
14
Cómo trabaja la telefonía celular
El área de cobertura y el concepto de equilibrio del camino son mantenidos por las consideraciones dadas para la potencia de salida de la estación base, estación móvil y parámetros de ubicación de la célula. Esto significa que la apropiada colocación del amplificador de potencia en el transceptor y la alineación apropiada del equipo es esencial para el diseño del ERP. 1.2.1.4. CÉLULA PRÁCTICA Y ANALÍTICA. Las células son irregulares en la práctica pero para una mejor planeación se utilizan las células teóricas. Ya que una célula práctica es irregular y la fuerza de la señal es idéntica en el borde de la célula, tiene un RSL, igual en todo el perímetro de la célula, además la forma adoptada para representarla es hexagonal. Esta forma se ha escogido dado que es la mejor aproximación a la forma circular. Una célula analítica se usa para planear y dimensionar un sistema. El arranque inicial de una célula analítica está basado en herramientas de predicción asistidas por computadora que se aproximan a una célula práctica, en un ambiente de propagación.
Fig.1.9. Célula Práctica y Analítica.
15
Cómo trabaja la telefonía celular
La distancia entre dos células está dada por la ecuación:
Fig. 1.10. Distancia entre dos células. Donde: R = radio de la célula 2r = distancia entre dos células hexagonales 1.2.1.5. ÁREA DE COBERTURA. La cobertura de la célula depende principalmente de dos tipos de parámetros: •
Definidos por el usuario. Potencia de transmisión, altura de las antenas, ganancia de las antenas, ubicación de las antenas y directividad.
•
No definidas por el usuario. Ambiente de propagación, colinas, túneles, follaje, edificios, y/o construcciones.
Ambos parámetros influyen enormemente sobre la cobertura de RF; sin embargo, los no definidos por el usuario son difíciles de predecir y varían de acuerdo al lugar. Debido a estos parámetros es que las células en la práctica son muy irregulares en su cobertura.
16
Cómo trabaja la telefonía celular
Debido a estas dificultades, en años recientes, se han desarrollado varios modelos para predecir la propagación tomando en cuenta los dos tipos de parámetros. Estos modelos son probabilísticos y estadísticos. Los modelos más utilizados son: •
Okumura-Hata para ambientes urbanos, suburbanos y espacio abierto.
•
Walfish-Ikegami para ambientes urbanos y urbano denso.
La mayoría de las herramientas de predicción basadas en computadora (software), se basan en estos dos modelos. Estos modelos de predicción tienen fuertes bases teóricas, pero también se basan en una gran cantidad de datos experimentales (muestras) y en análisis estadísticos. Esto nos permite calcular el nivel de potencia recibida en un modelo de propagación dado.
1.2.1.6. HANDOVER O HAND-OFF. El Handover, o Hand-Off es el proceso por el cual dos radio bases intercambian la prestación de servicios a un usuario. Esto se da cuando durante la llamada, la unidad móvil se mueve fuera del área de cobertura la recepción se hace débil, la célula pide un Handover. El sistema conmuta la llamada a un nuevo canal en una nueva célula o sector sin interrumpir la llamada o alertar al usuario. Este proceso tiene que ser transparente para el usuario.
17
Cómo trabaja la telefonía celular
Fig. 1.11. Handover o Hand-Off. A mayor tamaño de las células (menor tráfico), menor es la cantidad de entregas Handover y viceversa. A menor tamaño de las células (mayor tráfico), mayor es la cantidad de entregas Handover. El Handover, se puede dar a diferentes niveles, desde un sector a otro de una célula sectorizada, entre células de un mismo cluster, entre células de distintos clusters o incluso entre sistemas diferentes.
18
Cómo trabaja la telefonía celular
El Handover se realiza por: •
Cambio de célula.
•
Balance de carga.
•
Mantenimiento (dentro de una misma célula sectorizada).
1.2.1.7. PLANES DE RE-USO DE FRECUENCIA (CLUSTERS). Las estructuras o modelos que permiten de forma ininterrumpida la cobertura de una determinada área, son configuraciones a modo de panal de abejas, basadas en 4, 7, 12 o 21 células, siendo la de 7 la más común. El número total de canales por célula, directamente ligado a la capacidad de manejo de tráfico, depende del número total de canales disponibles y del tipo del plan, según la fórmula: No. de canales por célula = No. total de canales / Plan (4, 7, 12, 21) Cuantas más pequeñas sean las células, mayor será el número de operaciones intracelulares del sistema, al poder asignar conjuntos de frecuencias diferentes para áreas o células distintas. Pero también existen clusters de una sola célula, esto se da en los sistemas que utilizan la tecnología CDMA y redunda en un aprovechamiento total de canales.
19
Cómo trabaja la telefonía celular
Fig. 1.12. (a) Cluster de 7 células y (b) plan de re-uso de 7 células.
1.2.1.8. INTERFERENCIAS Y CAPACIDAD DEL SISTEMA. La capacidad del canal es la capacidad del sistema para ofrecer canales libres a sus abonados. La capacidad de canal está determinada por la ingeniería de tráfico. El objetivo de la ingeniería de tráfico es proveer al sistema con circuitos de comunicación (proporcionar canales Full Duplex) en un área de servicio dada, tomando en cuenta el número de abonados y el grado de servicio, QoS. El QoS se definió como la probabilidad de bloqueo de llamada y quedó en términos de la cantidad de llamadas que serán bloqueadas durante la hora pico, debido a una falta de canales.
20
Cómo trabaja la telefonía celular
Otro parámetro de diseño es el tiempo promedio de duración de una llamada ACHT (Average Call Holding Time). ACHT es el tiempo promedio que se espera que dure la llamada de cada abonado activo durante la hora pico. ACHT varía dependiendo del tipo de usuario (ejecutivo, hombre de negocios, personal, etc.). Interferencia Co-Canal. Un causador de interferencia co-canal es aquel que está utilizando la misma frecuencia portadora que la unidad móvil de interés. Este tipo de interferencia ocurre como resultado del múltiple uso de la misma frecuencia (re-uso de frecuencias). Cuando dos células que utilizan la misma frecuencia se encuentran demasiado cerca, se da esta interferencia. Esto limita la capacidad del canal. Una BS que radía en todas direcciones, Omnidireccional (OMNI site), se representa por una razón portadora-interferencia de la siguiente manera:
Donde: J = cantidad de causadores de interferencia co-canal y = constante de propagación D = distancia de re-uso de frecuencia R = radio mayor de la célula
Interferencia de Canal Adyacente. La interferencia de canal adyacente se da en una misma célula. Al tener asignado un grupo de canales a cada célula, estos canales están separados 30KHz o 200KHz dependiendo del sistema.
21
Cómo trabaja la telefonía celular
Cuando se transmite en canales adyacentes las componentes más altas y más bajas de la información, se mezclan con las componentes de los canales adyacentes, esto provoca interferencia en el canal. Estas interferencias afectan en la recepción de ruido sobre el canal de transmisión (Uplink o Downlink), esto trae deformación de datos. Para reducir esto se controla la potencia de los canales, a fin de mejorar la recepción de la información.
1.2.1.9. CANALES EN REDES CELULARES. Los canales de un sistema celular son los medios por los cuales se transmite la información entre radio base y unidad móvil, también controla la forma en que esta información es enviada, la información de control y señalización necesarias para establecer una conversación estable. Aunque existen diferentes maneras de clasificarlos, podemos definirlos en dos grandes grupos, canales físicos y canales lógicos. Canales Físicos. El canal físico está caracterizado por una técnica de modulación, por un nivel de potencia y por uno o varios de las siguientes características: ranura de tiempo (timeslot), código, frecuencia, o área geográfica, según la técnica de acceso múltiple empleada. Estos canales son los que sirven de enlace en la capa física, en pocas palabras se trata de canales de radios. Es importante establecer las características que los identifican.
Canales Lógicos. Los canales lógicos pueden ser usados para enlazar la capa física con la capa de datos dentro de las capas de la red GSM.
22
Cómo trabaja la telefonía celular
Estos canales lógicos transmiten eficientemente los datos de usuario, a parte de proporcionar el control de la red en cada ARFCN. GSM proporciona asignaciones explícitas de las ranuras de tiempo de las tramas para los diferentes canales lógicos. Los canales lógicos se pueden separar en dos categorías principalmente: •
Canales de tráfico (TCHs).
•
Canales de control.
→ CANALES DE TRÁFICO. Los TCHs llevan voz codificada digitalmente o datos y tienen funciones idénticas y formatos tanto para el Downlink como para el Uplink. Los canales de tráfico en GSM pueden ser de velocidad completa (Full Rate) o de media velocidad (Half Rate), y pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Cuando transmitimos a velocidad completa, los datos están contenidos en un ST por trama. Cuando transmitimos a media velocidad, los datos de usuario se transportan en la misma ranura de tiempo, pero se envían en tramas alternativas. → CANALES DE CONTROL. Dentro del modelo OSI, la capa física se relaciona con la de enlace mediante una serie de canales lógicos, que se dividen en canales de voz y datos, conocidos con el nombre de canales de tráfico (TCH), y canales de control y señalización (CCH).
23
Cómo trabaja la telefonía celular
Los canales de voz y datos pueden transmitir en dos modos: Full (TCH/F) a 22.8Kbps, y Half (TCH/H) a 11.4Kbps. Un canal físico transmite un canal en modo Full o dos en modo Half. Los canales de control llevan comandos de señalización y control entre las estaciones base y la estación móvil. Se definen ciertos tipos de canales de control exclusivos para el Uplink o para el Downlink.
1.2.1.10. CONFIGURACIÓN DE CÉLULAS. Hay dos configuraciones de células básicas usadas por proveedores celulares, Omnidireccional y Sectorizada. Estas configuraciones tienen estructuras diferentes de bases de datos en el sistema. Célula Omnidireccional. Se configuran células omnidireccionales para cobertura Omnidireccional de RF. Serán equipados con un sólo grupo de equipo conectado a un sólo sistema de antena transmisora. El patrón de radiación de una antena Omnidireccional es descrita típicamente como un círculo perfecto. En realidad, el patrón de radiación de una antena Omnidireccional tiende a menudo a ser más elíptica en forma. Para una variedad de razones, las células omnidireccionales se usan más frecuentemente en áreas rurales con baja densidad de tráfico que las áreas metropolitanas mayores. Los requisitos de mantenimiento tienden a ser menos desde que hay, típicamente, una disminución de equipos que proporcionan servicio a una célula Omnidireccional que a una sectorizada.
24
Cómo trabaja la telefonía celular
Uno de los mayores beneficios de las células omnidireccionales, aparte del hecho que satisfacen a un área geográfica en particular, es que ellos proporcionan un mejor servicio del sectorizado.
Fig. 1.13. Célula Omnidireccional.
Célula Sectorizada. Se configuran células sectorizadas para cobertura direccional de RF. Una configuración sectorizada típica consiste de tres grupos de equipo de radio. Cada grupo de equipo sería responsable de servir un área de cobertura de RF separada, o sector, vía un sistema de antena separada. En una configuración sectorizada, cada sector puede proveer cobertura celular para un área que puede estar entre 120 y 180 grados de radio. Los sectores son configurados como células separadas para propósitos administrativos, aunque cada uno de estas células es parte del mismo transmisor.
Fig. 1.14. Célula Sectorizada a 60˚.
25
Cómo trabaja la telefonía celular
Fig. 1.15. Célula Sectorizada a 120˚.
1.2.2. ESTACIONES RADIO BASES (RBS). La Estación Radio Base (RBS) se encarga de la radio comunicación desde y hacia las Estaciones Móviles. Funciona principalmente como una estación retransmisora para la MSC. La RBS también supervisa la radio transmisión durante todas las llamadas en progreso. Esto se lleva a cabo por medio de el Tono de Supervisión de Audio (SAT) en transmisiones analógicas o por Tasa de Error de Bit (BER) en transmisiones digitales y midiendo la fuerza de las señales recibidas desde las Estaciones Móviles. En los sistemas de transmisión analógicos, el Tono de Supervisión de Audio (SAT) es una de las tres frecuencias generadas por el canal de radio de voz. La proporción señal a ruido del SAT (S/N ratio) es monitoreada para determinar si la calidad de la llamada telefónica se deteriora. Si el SAT S/N ratio cae por debajo de los parámetros determinados, la llamada telefónica será conmutada a otro canal. El proceso de conmutar una llamada telefónica en progreso a otro canal de voz es llamado Handover.
26
Cómo trabaja la telefonía celular
Las tres posibles frecuencias para el SAT generadas por un canal de radio de voz son: •
SAT 0
5,970 Hz.
•
SAT 1
6,000 Hz.
•
SAT 2
6,030 Hz.
El SAT es diferente para cada celda. Los ingenieros que realizan la planeación de células deciden cual SAT es utilizado actualmente, porque el SAT es utilizado también para diferenciar entre el grupo de canales de voz re-utilizados. Durante la conversación, el SAT esta transmitiendo continuamente por el canal de radio de voz. Las Estaciones Móviles recibirán el SAT y transmiten de regreso a la RBS. En la transmisión digital la calidad es medida en los canales de tráfico digital para medir la Tasa de Error de Bit (BER) de la información digital. Si el BER esta por encima de un promedio del 3%, la llamada es transferida a otro canal. El SAT no se transmite cuando se utiliza transmisión digital. El CDVCC (Coded Digital Verification Color Code) es usado en transmisión digital para diferenciar entre los grupos de canales de voz re-utilizados. El CDVCC es diferente para cada sector de celda. Sin embargo, en contraste con el SAT, el cual solo tiene tres valores, el CDVCC tiene 256 valores diferentes. La Estación Base puede ser instalada casi en cualquier parte. Esto es posible para la instalación tradicional dependiendo el sitio y las necesidades del cliente. Una RBS puede servir a un número de celdas, una celda Omnidireccional o a un número limitado de celdas sectorizadas.
27
Cómo trabaja la telefonía celular
1.2.2.1. ANTENAS. Una antena es un dispositivo de procesamiento de señales que transmite y recibe señales electromagnéticas al mismo tiempo. Hay dos categorías principales: •
Antenas pasivas.
•
Antenas activas.
El patrón de radiación de una antena pasiva depende del tipo de antena y de su construcción ya que el patrón de radiación no se fija hasta después de construir el dispositivo.
Sin
embargo,
el
patrón
de
radiación
se
puede
manipular
mecánicamente (hasta cierto grado). El mechanical downtilt es un método muy utilizado para manipular y controlar la radiación de señales dentro de una célula. El patrón de radiación de una antena activa depende del tipo de antena, construcción y circuitería interna de la antena. Generalmente se utilizan técnicas de PDS para generar el patrón de radiación deseado. De esta manera, la mayor parte de la energía se puede transmitir hacia cierta dirección. Hay dos tipos generales de patrón de radiación: 1. Omnidireccional (en todas direcciones). 2. Direccional (en cierta dirección). Las antenas omnidireccionales se utilizan en la BS Omni y las antenas direccionales en la BS sectorizada. En seguida se describen los parámetros de las antenas más importantes para la ingeniería de sitio de célula o BS.
28
Cómo trabaja la telefonía celular
•
Directividad y ganancia.
•
Ancho de haz.
•
Razón front-to-back o front-to-back-ratio.
•
Respuesta en frecuencia y ancho de banda.
Directividad y Ganancia de la Antena. La directividad de la antena determina el grado de concentración de la energía transmitida en una dirección con respecto a las otras direcciones. Lo anterior provoca ganancia en la potencia de transmisión, y se expresa como ganancia en una dirección vs ganancia isotrópica. La ganancia de la antena es un parámetro de diseño muy importante para calcular el presupuesto.
Fig. 1.16. Directividad y ganancia de la antena. Ancho de Haz de Radiación de la Antena. El ancho de haz de radiación de una antena se calcula con la siguiente ecuación: Beam Widht = 2θ
29
Cómo trabaja la telefonía celular
Donde: θ = es el ángulo con respecto al bore sight (línea de vista o punto o dirección donde la ganancia es máxima) donde la ganancia es 0.707 de su máximo valor. El desempeño de una célula sectorizada depende mucho del antenna beam width.
Fig. 1.17. Ancho de haz de radiación de la antena. Relación Front-To-Back de la Antena. La relación front-to-back de la antena se define como la razón de la potencia radiada por el lóbulo principal de la antena sobre el lóbulo que se encuentra atrás de la antena.
Fig. 1.18. Relación front-to-back de la antena.
30
Cómo trabaja la telefonía celular
Ancho de Banda y Respuesta en Frecuencia de la Antena. Toda antena tiene una respuesta en frecuencia, lo cual significa que permite el paso de ciertas frecuencias y atenúa otras. La siguiente figura muestra la respuesta en frecuencia de una antena (ganancia vs frecuencia). Ancho de Banda (AB) = fH – fL Donde: fH = frecuencia superior de 3dB fL = frecuencia inferior de 3dB
Fig. 1.19. Respuesta en frecuencia (ganancia vs frecuencia). La antena es un componente esencial en cualquier sistema de radio comunicación. En radio comunicación celular, los siguientes puntos son problemas de ingeniería que requieren mucha atención en el diseño de enlaces de RF: •
Tipo de antena.
•
Respuesta en frecuencia de la antena.
•
Patrón de radiación de la antena.
•
Altura de la torre.
•
Antena Downtilt.
31
Cómo trabaja la telefonía celular
1.2.2.2. UNIDADES FUNCIONALES. La RBS está compuesta por cuatro unidades funcionales: la Parte de Control (COP), la Parte de Módem (MOP), la Parte de Antena Próxima (ANP) y la Parte de Soporte (SUP).
MSC
Fig. 1.20. Diagrama a bloques de las partes funcionales de una RBS Parte de Control (COP). El COP proporciona la comunicación entre la MSC y el hardware de la RBS para tráfico de radio, control y datos estadísticos de grupos de personas. También controla la MOP, la ANP y la SUP. El Software puede ser transferido remotamente a la Parte de Control.
32
Cómo trabaja la telefonía celular
El COP recibe la información de voz y control desde la MSC por medio de un enlace PCM (Pulse Code Modulation). Este demultiplexa la información y la enruta propiadamente. En dirección contraria, el COP recibe la información de voz y control y la multiplexa sobre el enlace PCM hacia el MSC. Parte de Módem (MOP). El MOP convierte la conversación digitalizada y los datos en señales de RF y viceversa. También aloja el canal de funciones de codificación y decodificación y realiza mediciones de calidad en las transmisiones de radio. El MOP consta de transceivers y Transcoders and Rate Adaption Boards (TRAB’s). •
Transceivers. Los transceivers (transceptores) no pueden operar hasta que sean cargados por medio de software. La aplicación de software da al módulo del canal las características para operar. Hay cuatro aplicaciones que pueden ser cargadas desde la MSC hacia un módulo de canal.
•
Canal de Voz Digital Móvil (MDVC). Los MDVCs manejan la transmisión de voz modulada y la información de control/señalización entre un transceptor y una estación móvil de modo dual. Cada canal RF digital esta divido en timeslots.
•
Canal de Control Digital Móvil (MDCC). El DCCH (Canal de Control Digital) incluye todas las funciones del Canal de Control Analógico (ACC) y proporciona características avanzadas como modo de apagado temporal y el Servicio de Mensajes cortos (SMS).
•
Verificación Móvil (MVER). La verificación de presencia del MS en una celda dada puede ser requerida cuando la lista final de celdas candidatas para Handover está preparada.
33
Cómo trabaja la telefonía celular
•
Canal de Control Móvil (MCC). El MCC sirve como un Canal de Control/Señalización para un grupo de Canales de Voz Móviles (MVC) en una celda y es responsable del manejo de Paging (radiolocalización) y la señalización de acceso entre los suscriptores móviles y la RBS.
•
Canal de Voz Móvil (MVC). Los MVCs son canales del equipo de radio. Un MVC puede soportar un suscriptor móvil y es responsable del monitoreo de la calidad de la señal y reporta las conclusiones a la MSC. Una calidad pobre de señal ocasiona un Handover a una celda vecina.
•
Localizador Móvil (MLOC). El MLOC monitorea la fuerza de la señal desde el suscriptor móvil dentro de una celda y es responsable para: -
Monitoreo de los canales asignados para sus celdas vecinas.
-
Reporte de la lectura de fuerza de la señal al Centro de Conmutación de Servicios Móviles cuando sea requerido.
•
Probador de Canal de Radio Móvil (MRCT). El MRCT prueba automáticamente los Canales de Voz Móviles (MVCs) y los Canales de Control Móviles (MCCs).
•
Transcoders and Rate Adaption Boards (TRAB’s), están situados en la MSC.
34
Cómo trabaja la telefonía celular
Parte de Antena Próxima (ANP). La ANP contiene varios componentes de RF asociados con la transmisión y recepción de rutas de señales de Radio Frecuencia (RF), tales como Combinadores
de
Autosintonización,
Repartidores
de
Potencia,
Multiacopladores, Filtros Pasa-Banda, etc. Las principales funciones de la ANP son:
Combinar las señales de salida del transceptor (TRX).
Filtrar señales de transmisión (TX) y recepción (RX).
Proteger los TRXs de la potencia reflejada.
Proporcionar aislamientos entre los TRXs.
Preamplificar y distribuir las señales de RX.
Calibrar y supervisar los TRXs y asociar los componentes de RF.
Medir y reportar la potencia enviada y recibida, así como el rendimiento
del Gabinete de Combinadores de Autosintonización y TRX. Parte de Soporte (SUP). La Parte de Soporte provee un soporte general, como enfriamiento y funciones de suministro de potencia para la RBS. Los elementos que componen el SUP son los siguientes: Convertidor de AC/DC. Montaje de ventiladores (FAN). Módulo de Alarmas Externas (ALM). Aire acondicionado y calefacción. Respaldo de Baterías. Unidades de Ventiladores. Unidad de Control Ambiental (ECU).
35
Cómo trabaja la telefonía celular
1.2.2. CENTRO DE CONMUTACIÓN DE SERVICIOS MÓVILES (MSC). Al corazón del sistema de radio celular se le conoce como Mobile Switching Center o Centro de Conmutación de Servicios Móviles (MSC). El MSC es un producto de conmutación digital para telefonía celular, diseñado por sistemas de comunicación celular en el rango de los 800 MHz. Tiene diferentes acrónimos tales como Digital Multiplex Switch - Mobile Telephone Exchange (DMS-MTX), Mobile Switching Office (MTSO). El nombre depende del fabricante. El MSC se considera parte de la familia de PSTN y las funciones celulares que proporciona son: 1. Administra y controla el equipo y las conexiones de los sitios celulares. 2. Soporta varias técnicas de acceso múltiple como: AMPS, TDMA, CDMA y CDPD (sólo datos). 3. Proporciona la interfaz con la PSTN y las radio bases por medio de enlaces T1 4. Proporciona y administra el registro de ubicación de usuarios locales ó Home Location Register (HLR). 5. Soporta interconectividad entre sistemas (IS-41). 6. Soporta funciones de procesamiento de llamadas. 7. Proporciona la medición y monitoreo de operaciones, así como facturación (O&M).
36
Cómo trabaja la telefonía celular
Fig. 1.21. Estructura del MSC. Home Location Register (HLR). El HLR es una base de datos fija, la cual se utiliza para almacenar la siguiente información del abonado, del móvil y servicios relacionados con el abonado. 1. Nombre, dirección y servicios adicionales contratados. 2. Estado de servicio. 3. MIN (Mobile Identification Number). 4. Número de directorio. 5. SEN (Serial Electronic Number). 6. Duración de las llamadas. 7. Información pertinente para negar el servicio. 8. Datos suplementarios sobre el origen y terminación de las llamadas. 9. Información sobre el proveedor del servicio. El HLR también mantiene contacto con el VLR, para que éste le informe cuando un suscriptor se ha registrado en el sistema.
37
Cómo trabaja la telefonía celular
Visitor Location Register (VLR). El VLR es una base de datos dinámica y se utiliza para almacenar información de los abonados actualmente localizados fuera de su área original (en Roaming). Almacena la información del suscriptor o abonado necesaria para el manejo de las llamadas que el abonado haga o reciba. El VLR almacena información temporal, la cual puede cambiar como resultado de la operación normal del sistema. El VLR se comunica con el HLR a través de una conexión interna al MSC. Soporte del Protocolo IS-41. El estándar internacional 41 (IS-41) es un protocolo especial, cuya principal función es permitir que varios MSC se comuniquen entre ellos. El IS-41 permite el Roaming de abonados. Facturación. El MSC lleva un registro detallado de cada llamada, incluyendo lo siguiente: •
Uso de enlaces aéreos.
•
Uso de troncales (T1).
•
Información para descargar pagos (llamadas a 01 800 p.e.).
38
Cómo trabaja la telefonía celular
El MSC es capaz de rastrear un móvil activo sobre AMPS/TDMA o CDMA y puede registrar todas las actividades relacionadas al procesamiento de las llamadas. Esta característica es útil para mapear la cobertura de las células en AMPS/TDM/CDMA y de esa manera la capacidad de cobertura.
1.2.4. ESTACIONES MÓVILES (MS). Una estación móvil es el instrumento utilizado para tener acceso dentro del sistema celular. A las estaciones móviles y portátiles generalmente se les conoce como unidades de suscriptor o unidades de abonado, o simplemente unidades móviles. Un suscriptor o abonado es un cliente que se suscribe a un servicio de telefonía terrestre y/o a un servicio de telefonía móvil. Las estaciones móviles pueden ser usadas en diferentes aplicaciones:
Instaladas en un automóvil.
Los transportables, que pueden ser usados en un carro, pero también pueden ser fácilmente removidos para colocarlos en un bote, en el campo, o simplemente llevados a mano en donde se necesiten.
Usados
permanentemente
como
reemplazo
de
los
teléfonos
convencionales (con alcancías) en lugares remotos fuera del área de PSTN, pero con cobertura celular.
39
Cómo trabaja la telefonía celular
Usadas como teléfonos públicos en trenes, barcos, etc. Esto requiere información de tarifas para ser enviada a canal de radio.
Fig. 1.21. Tipos de Estaciones Móviles. 1.2.4.1. TIPOS O CLASES DE MÓVILES. Existen cuatro clases de potencia de estaciones móviles definidas para el uso dentro del sistema celular. Las clases de potencia, en combinación con las características de transmisión, crean el Station Class Mark (SCM) de una estación móvil. La siguiente tabla muestra la clasificación de los MS.
Power Class
Nombre
I II III IV
Full Mobile Transportable Handheld Handheld
Potencia Efectiva Radiada (ERP) 4W 1.6 W 0.6 W 0.6 W
Tabla 1.1. Clasificación de Estaciones Móviles. 1.2.4.2. POTENCIA DE SALIDA DE LA ESTACIÓN MÓVIL.
40
Cómo trabaja la telefonía celular
La estación móvil utiliza bajos niveles de potencia comparados con la RBS. Debido al avanzado sistema de diversidad del receptor en las estaciones base, puede aceptar señales de bajo nivel enviadas por las estaciones móviles. La máxima potencia de salida es de 4 W para las estaciones móviles instaladas en los automóviles y alrededor de 0.6 W para el Handheld en el sistema de acceso. La estación móvil envía su SCM el cual indica su máxima potencia de salida disponible. La potencia del MS es ajustada de acuerdo a la cercanía con la RBS. En contraste, la estación móvil incrementa su potencia tanto como se mueve hacia el borde de la célula, lejos de la estación base. El nivel de potencia debe incrementarse debido a la débil fuerza de la señal en el borde de la celda y opuestamente la señal de la radio base es más fuerte.
Configuraciones de Potencia para las Estaciones Móviles. Las configuraciones de potencia para las estaciones móviles están dadas en niveles desde 0 a 10 que corresponden a los niveles predeterminados de Potencia Efectiva Radiada (ERP) medidos en Watts. El nivel de potencia 0 es el mas alto y 10 el más bajo. Las clases de estaciones móviles I, II y III pueden operar en niveles de potencia desde 0 hasta 7, mientras la Clase IV puede operar niveles desde 0 hasta 10. Los cambios en el nivel de potencia están bastados en las lecturas de fuerza de la señal tomadas mientras el teléfono celular está en operación y representa atenuación de 4dB. El Control y Potencia de Salida determinan el nivel de potencia del MS utilizando códigos de Atenuación del Control de Canal del Móvil (CMAC), Atenuación Digital del Móvil (DMAC), y Atenuación del Control de Voz del Móvil (VMAC) basados en la medición de fuerza de la señal en la RBS desde el MS.
41
Cómo trabaja la telefonía celular
Nivel de Potencia de la Estación
Código de
Potencia Nominal Transmitida (dBm) para Clases de Potencia de las Estaciones Móviles
Atenuación del Móvil
I
II
III
IV
3 3 28 24 20 16 12 8
3 3 28 24 20 16 12 8
28 28 28 24 20 16 12 8
28 28 28 24 20 16 12 8 4 0 -4
(MAC
Móvil 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010
Tabla 1.2. Potencia de Salida de las Estaciones Móviles. 1.2.4.3. COMPONENTES. La Estación Móvil tiene tres partes principales:
Handset: Contiene todos los componentes del teléfono, incluye los dispositivos para escuchar y hablar. El Handset alberga a las otras dos partes. Consiste de un teclado y una pantalla para los dígitos marcados. La detección de las teclas presionadas y la operación de la pantalla de cristal líquido es manejada por un microprocesador.
Parte de Control: Es la responsable de controlar la transmisión hacia la estación base. La parte de control, la cual está basada también en un microprocesador, maneja las siguientes tareas:
42
Cómo trabaja la telefonía celular
Señalización de datos en la ruta del radio de acuerdo a los protocolos. Controlar la parte de radio como seleccionar canal, comenzar a transmitir, abrir ruta de canal, etc. Comunicación con la parte operativa (Handset).
Parte de Radio: Recibe las señales de la RBS y transmite señales de regreso a la RBS en niveles de potencia adecuados. La parte de radio consta de tres componentes: Transmisor (TX).- Transmite la señal desde el MS a la RBS. Receptor (RX).- Recibe la señal de la RBS. Amplificador de potencia.- Amplifica las señales entrantes y salientes en el MS.
La potencia de salida (transmisión) de un MS debe ser suficiente todo el tiempo para permitir a la RBS recoger su señal. Se puede ordenar a la MS incrementar o disminuir su potencia de salida (dentro de los limites establecidos) para mantener el contacto con la estación base. Las funciones de la parte de radio (transmisor, receptor y amplificador de potencia) son muy similares a las desarrolladas por la parte de radio de la RBS.
1.2.4.4. CARACTERÍSTICAS. El diseño de las estaciones móviles puede variar, ya que existe una gran variedad de fabricantes. Algunas de las características encontradas en los teléfonos celulares son las básicas de un teléfono a otro, mientras que al igual
43
Cómo trabaja la telefonía celular
presentan características adicionales dependiendo el estándar bajo el cual fueron fabricados, por ejemplo AMPS, TDMA, etc. Algunas de las características más comunes encontradas en los teléfonos son:
Indicador de servicio disponible (In-Service).
Indicador de fuerza de la señal.
Pantalla de Cristal Líquido (LCD) presentando de dos a cinco líneas de caracteres de altura, o pantalla de LEDs.
Teclado alfanumérico.
Teléfonos plegables que reducen el tamaño de estos cuando no se están operando.
Un pequeño protector plástico en la antena para evitar que se dañen.
Batería de larga duración.
Las siguientes son algunas características adicionales agregadas por los proveedores o dadas por el estándar utilizado:
Llamada en espera.
Identificador de llamadas (ID).
Enviar y recibir datos, Fax, y mensajes cortos (SMS).
Paging (radiolocalización).
Correo de voz.
1.3. MÉTODOS DE ACCESO MÚLTIPLE. En un sistema de comunicaciones móviles los usuarios no se conectan directamente con otro usuario, algo que a veces la distancia entre ellos haría
44
Cómo trabaja la telefonía celular
imposible. La comunicación se realiza a través de una estación base, que cubrirá las transmisiones de un área delimitada llamada célula o celda. El conjunto de las estaciones del sistema componen una estructura celular, que hace que los sistemas de telefonía móvil se les llamen sistemas celulares. Existen varios métodos para permitir que los equipos de usuario y la estación base se comuniquen, compartiendo el mismo medio. A estos métodos se les llama métodos de acceso múltiple.
Fig. 1.22. Accesos múltiples.
1.3.1. FDMA. FDMA (Múltiple Acceso por División de Frecuencias) es la manera más común de acceso truncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de
45
Cómo trabaja la telefonía celular
un conjunto limitado de canales ordenados en el dominio de la frecuencia. Los canales de frecuencia son muy preciados, y son asignados a los sistemas por los cuerpos regulados de los gobiernos de acuerdo con las necesidades comunes de la sociedad. Cuando hay más usuarios que el suministro de canales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantas más frecuencias se disponen, hay más usuarios, y esto significa que tiene que pasar más señalización a través del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentemente tienen más de un canal de control para manejar todas las tareas de control de acceso. Una característica importante de los sistemas FDMA es que una vez que se asigna una frecuencia a un usuario, ésta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que éste no necesite el recurso. La tecnología FDMA es mayormente utilizada para la transmisión analógica. Ésta tecnología no es recomendada para transmisiones digitales, aun cuando es capaz de llevar información digital. FDMA también se utiliza en el sistema de comunicación total del acceso (TACS). 1.3.2. TDMA. TDMA (Múltiple Acceso por División de Tiempo) es una de las tecnologías que proveen de servicio digital inalámbrico usando multiplexación por división de tiempo. TDMA trabaja al dividir un canal de frecuencia de radio en ranuras de tiempo, y asigna estas ranuras hacia múltiples usuarios. Cada dos ranuras son asignadas a un sólo móvil. TDMA asigna un solo canal de frecuencia por un tiempo corto y después se mueve a otro canal. Las muestras digitales de un solo transmisor ocupan diversas ranuras de tiempo en varias bandas al mismo tiempo.
46
Cómo trabaja la telefonía celular
Aunque esto también varía conforme al sistema, ya que GSM utiliza la misma técnica, pero con capacidad de atender 8 usuarios simultáneamente. El multiplexor recoge los datos de unos buffers, cada uno correspondiente a una fuente de datos diferente, donde se van acumulando. En recepción el demultiplexor los va depositando en el buffer
destino apropiado. En ambos
extremos se trabaja con la misma tasa: hay una fuente origen que pasa los datos al canal a la misma velocidad con que son recogidos en el otro extremo, de forma que no es necesario ningún mecanismo de control de flujo.
Fig. 1.23. TDMA. Si la fuente no tiene nada que comunicar a su ranura estará vacío en la trama y se estará desperdiciando la capacidad del canal: TDM síncrono es una técnica sencilla, pero no es muy eficiente. Cuando TDM quiere manejar fuentes con distinta velocidad asigna un mayor número de ranuras por ciclo a éstas.
En el caso de control de errores ocurre algo similar, no parece provechoso solicitar la retransmisión de una trama TDM completa sólo porque haya ocurrido un error en un canal.
47
Cómo trabaja la telefonía celular
En el receptor, el deconmutador (muestreador) se tiene que sincronizar con la forma de onda de entrada de modo que la información correspondiente a la fuente 1, por ejemplo, aparezcan en la salida del canal1. Esto se llama sincronización de tramas. Con la evolución hacia nuevos servicios de voz y datos que se han introducido a los sistemas de 2G, TDMA (IS-136) y GSM han experimentado la necesidad de incrementar las capacidades de sus anchos de banda, ya que con la saturación del espectro es cada vez más difícil. Para lograr vencer estas necesidades se han contemplado cuatro técnicas posibles, las cuales incrementan la velocidad de transmisión e introducen el manejo de información por paquetes de datos. Con esta última técnica se hace posible la introducción del servicio de Internet móvil. Las técnicas son: •
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) se basa en circuitos conmutados de alta velocidad, proporciona una velocidad de 58Kbps. Permite acceder a varios servicios simultáneamente. Es parecida a la actual RDSI (Red Digital de Servicios Integrados).
•
CDPD (Cellular Digital Packet Data) servicio de transmisión de datos estándar que se puede añadir a las redes móviles digitales TDMA dentro de la asignación de frecuencias existente para soportar servicios básicos de Internet móvil.
Es la primera tecnología en el mundo de datos por paquetes que reúne los requisitos del TCP/IP. Los datos son transmitidos por canales dedicados o disponibles, a velocidades de hasta 19.2Kbps Asíncrono, Full Duplex.
48
Cómo trabaja la telefonía celular
•
GPRS (General Packet Radio Service) puede llegar a velocidades de 115Kbps. Al contrario que HCSD que para su implementación requiere únicamente de actualización software, GPRS necesita de un hardware específico para el enrutamiento a través de una red de datos.
•
EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) nos acerca a las capacidades que otorga 3G en la comunicación. En combinación con GPRS puede alcanzar velocidades de 384Kbps.
1.3.3. CDMA. CDMA (Múltiple Acceso por División de Códigos) fué desarrollado por QUALCOMM Incorporated. CDMA a diferencia de TDMA y FDMA coloca a los usuarios en el mismo canal al mismo tiempo. CDMA, que es la tecnología que usa CDMAOne y en la que se basa WCDMA, utiliza canales de 1.25MHz, respectivamente, no de 30Khz, o de 200Khz, como en el caso de TDMA y GSM.
Fig. 1.24. Locación de los usuarios para CDMA.
Existen dos técnicas de ensanchar el espectro: Frequency Hopping y Direct Sequence.
49
Cómo trabaja la telefonía celular
El funcionamiento básicamente, es que una señal de banda angosta que contiene la información sigue un patrón aleatorio de salto entre una y otra frecuencia, sin una localización fija en el espectro. Está claro que el receptor debe conocer también el patrón correcto de salto para remodular la señal. De entre las diferentes variantes de CDMA, la utilizada en los sistemas comerciales es CDMA de secuencia directa (DS-CDMA). En ésta técnica, la señal que contiene la información, se codifica multiplicando ésta por un código pseudo-aleatorio parecido al ruido o código PN (Pseudorandom Noise-like Code, PN-Code). Este código se compone de un número N de símbolos 1 y 0.
Fig. 1.25. Técnicas de ensanchamiento de espectro.
La figura 1.25 nos muestra este proceso para una señal. En ella, cada uno de los símbolos de la señal de datos es multiplicado por todo el código completo. Ello
50
Cómo trabaja la telefonía celular
revela que el régimen de chips (chip rate) ha de ser 10 veces mayor que el régimen binario (bit rate) en este caso, y N veces mayor en un caso general. Así, la señal resultante también tendrá un régimen binario N veces mayor e igual al chip rate. El ancho de banda ocupado será también N veces mayor y, puesto que la potencia transmitida no puede aumentar, su Densidad Espectral de Potencia quedará repartida, de forma que la potencia de la señal resultante contenida en un pequeño margen del espectro será muy baja. A este tipo de señales se les conoce como señales de espectro ensanchado (spread spectrum signals).
Fig. 1.26. Ensanchamiento de una señal por Direct Sequence. Al asignar a cada móvil un código PN, la transmisión de un móvil será detectada por los otros como ruido. Y solo podrá ser codificada con el código apropiado. Los sistemas CDMA aprovechan las ventajas que brindan las señales de espectro ensanchado, que es un concepto más amplio que los propios sistemas CDMA, y que por ello han sido utilizados a lo largo de los años en comunicaciones militares.
•
Baja Probabilidad de Intercepción: Al multiplicar la señal por un código, solamente conocido por el emisor y el receptor, evitamos que la señal
51
Cómo trabaja la telefonía celular
pueda ser escuchada por un tercero. Además, la baja densidad espectral de potencia luce muy difícil su detección. •
Rechazo a las interferencias: Al tratarse de señales de banda ancha y baja densidad espectral de potencia, parecida a la del ruido, hacen también imposible interferencia intencionada de la señal.
•
Capacidad de Acceso Múltiple: Cuando una señal de espectro ensanchado es recibida, esta es multiplicada de nuevo por el mismo código PN y de esa forma es recuperada. Para una señal recibida por ese receptor y que no haya sido codificada mediante ese código PN, ese proceso generaría de nuevo una señal con el mismo régimen binario e igual al chip rate, con lo cual la señal se vería como ruido.
Además de ello existe una ventaja adicional al compartir la misma porción del espectro, y es que las estaciones base contiguas también usarán
la misma
frecuencia, lo que se convierte en una reutilización de frecuencias ideal. Una terminal de usuario podrá escuchar a 2 o 3 estaciones base a la vez y así combatir los efectos nocivos del canal de radio tipo Rayleigh o canal de radio con desvanecimientos (Rayleigh fading channel). La posibilidad de escuchar varias estaciones base, todas a la vez, hace también posible el Sofá Handover. WCDMA está diseñado para implementarse en la banda de frecuencia de 2GHz, en la que las nuevas bandas del espectro permitirán aprovechar plenamente las ventajas de la tecnología. Por ejemplo, un solo operador WCDMA de 5MHz podrá ofrecer servicios mixtos con velocidades de entre 8Kbps y 2Mbps.
Dentro de la tecnología DS-CDMA se han planteado dos modos de funcionamientote duplexado: FDD y TDD, estos modos tiene que ver
52
Cómo trabaja la telefonía celular
principalmente en la distribución de canales Uplink y Downlink, para lograr las características de duplexado convenientes.
53
Que es GSM?
QUÉ ES GSM? Los sistemas de telefonía móvil "más antiguos" (NMT y TACS en Europa y AMPS en Estados Unidos) utilizan tecnología analógica. La señal de radio desde un teléfono analógico es continua, es decir, el teléfono transmite una señal ininterrumpida para transportar la llamada. En los sistemas más recientes, como GSM o D-AMPS, la información se digitaliza y se comprime en cortos períodos, enviándose en diferentes tiempos en forma de pulsos a y desde los diversos teléfonos. De esta forma, varios usuarios comparten la misma frecuencia, de la cual se asigna a cada uno de ellos intervalos de tiempo recurrentes o timeslots. Los sistemas digitales tienen ventajas sobre los analógicos, por ejemplo, más alta capacidad de usuarios, mejor inmunidad frente a las interferencias, menor consumo de potencia y mayor confidencialidad al ir todas las comunicaciones cifradas. Además, permiten la utilización del mismo terminal en diferentes redes, de distintos operadores, siempre y cuando los operadores de las redes por las que "se mueva" tengan acuerdos para facilitar el servicio. 2.1. EL CONCEPTO DE GSM. GSM, cuyas siglas provienen de la palabra en inglés "Global System for Mobile Communications" (Sistema Global para Comunicaciones Móviles), es la red digital celular más utilizada en el mundo, cubriendo toda Europa, con crecimiento en
América, Asia, y otras zonas del mundo. Una de las características más
resaltantes de la red GSM es la capacidad de transmisión de datos.
54
Que es GSM?
Porque GSM es digital, cualquier cliente GSM puede conectarse a través de su teléfono con su computador (una PC o una PC portátil), enviar y recibir e-mail, faxes, navegar por Internet, acceso seguro a la red informática de su compañía (LAN/Intranet), así como utilizar otras funciones digitales de transmisión de datos, incluyendo el Servicio de Mensajes de Texto. En un primer momento el servicio GSM se concibió como el estándar europeo para las comunicaciones móviles digitales, pero se está convirtiendo, de hecho, en estándar mundial. Con el estándar GSM se pueden transmitir voz y datos, pero, dada su baja velocidad, el uso que se hace para la transmisión de datos es escaso. A corto plazo este problema estará resuelto con la nueva generación de GSM, la GSM phase2+. La evolución de GSM (hasta llegar a UMTS) la hará capaz de soportar comunicaciones de datos a velocidades mucho mayores, lo que la dotará de funcionalidades multimedia reales, por encima de las aplicaciones actuales de transmisión de voz y de datos. Desde los principios del GSM en 1994, muchos operadores han estado ofreciendo servicios de transmisión de datos. Los actuales servicios de circuito conmutado a 9,6Kbps permiten el uso de una amplia variedad de aplicaciones de la telefonía sin hilos, con especial mención al correo electrónico y al acceso a Intranets e Internet. El servicio GSM de mensajes cortos, SMS, permite enviar y recibir mensajes de texto de hasta 160 caracteres. Por último el servicio de Fax permite intercambiar documentos de Fax donde exista cobertura para ello. Además, todos estos servicios se benefician de la capacidad de itinerancia internacional de GSM. Las redes GSM actuales operan en 3 diferentes frecuencias:
55
Que es GSM?
GSM 900: Opera en la frecuencia de 900MHZ y es la frecuencia más utilizada en Europa. Asimismo, Venezuela y Jamaica utilizan esta frecuencia. Próximamente ingresará Cuba. GSM 1800: Opera en la frecuencia de 1800MHZ y es utilizada por algunos países de Europa, Asia, África, y en Sudamérica es utilizada por Brasil. GSM 1900: Es la frecuencia utilizada por todas las operadoras GSM de Estados Unidos, Canadá, Chile, Perú, Bolivia y Paraguay. Las principales ventajas y beneficios que le ofrece GSM son: •
ESTÁNDAR MUNDIAL. GSM es un estándar mundial completo al cual están suscritos 7 de cada 10 usuarios de celular. Por su tamaño y relevancia GSM ha creado toda una serie de industrias proporcionando servicios y productos alrededor de este estándar. De hecho, el estándar va más allá de los teléfonos para cubrir todos los aspectos necesarios para que el usuario tenga una experiencia satisfactoria.
•
ROAMING INTERNACIONAL. Por ser un estándar mundial, GSM ofrece la capacidad de moverse sin esfuerzo alrededor del mundo entre más de 179 países que gozan de la tecnología GSM.
•
SEGURIDAD, PRIVACIDAD y FLEXIBILIDAD. A través de la tarjeta SIM que lleva cada teléfono, se obtiene una mayor flexibilidad en la manera como se usa el teléfono sin perder la seguridad y privacidad de las comunicaciones. Se podrá prestar un teléfono y limitar las llamadas que hará quien lo vaya a usar. Al igual se podrá cambiar de teléfono con sólo transferir la tarjeta SIM manteniendo la misma cuenta y número.
56
Que es GSM?
•
TRANSMISIÓN INALÁMBRICA DE DATOS. Con GSM/GPRS ahora la transmisión inalámbrica de datos es más fácil. Se podrá acceder a una multitud de aplicaciones y servicios.
•
INNOVACIÓN CONSTANTE. Desde sus inicios, los avances más populares e importantes en la comunicación celular así como los servicios de valor agregado más exitosos se han dado en las redes GSM. Entre estos cabe destacar: o Mensajes cortos de texto (SMS), tonos de ring, logos, íconos. o Transmisión conmutada de datos inalámbricos (Circuit Switched Data). o WAP. o Packet Data (GPRS, EDGE). o Servicios de localización geográfica. o Accesorios avanzados (Módulo GSM de Visor Handspring, módulos de telemática). o Tarjeta SIM (seguridad, m-commerce). o Integración con SyncML (sincronización entre terminales), MMS (transmisión de imágenes multimedia), Java y terminales EPOC. o Mensaje cortos de texto
Otro elemento fundamental en el GSM es el uso de tecnologías criptográficas a escala militar que ofrecen una absoluta seguridad, desde la autentificación de la tarjeta, hasta la conversación: nadie puede simular vía radio ser otro abonado ni descifrar las conversaciones vía radio.
57
Que es GSM?
2.2. FASES GSM. El desempeño de un sistema de radio comunicación celular depende principalmente de la interferencia co-canal en los sistemas digitales, a diferencia de los sistemas analógicos, es posible alcanzar una buena calidad de voz con niveles bastante altos de interferencia co-canal. Después de un considerable debate sobre la técnica de acceso múltiple más adecuada (FDMA, TDMA o CDMA), la decisión final, tomada en 1987, fue la de adoptar TDMA para GSM. En 1989 la responsabilidad de generar especificaciones para GSM fue transferida a de la CEPT al recientemente formado ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Los grupos involucrados en el desarrollo de estándares para GSM se dieron cuenta de que no podrían completar las especificaciones para todos los servicios y características como estaba originalmente planeado. Por esta razón se decidió que GSM sería lanzado por fases. Cada nueva fase trabajaría sobre la fase ya existente y agregaría las nuevas especificaciones. FASE 1. Las especificaciones para GSM fase 1 se completaron en 1990 y se dividen en 12 grupos de recomendaciones, los cuales cubren los distintos aspectos del sistema GSM. GSM fase 1 es una versión del estándar GSM que soporta únicamente una parte de los servicios que originalmente se planearon para GSM. La fase 1 contiene los servicios más comunes como son:
Telefonía para voz.
58
Que es GSM?
Roaming Internacional.
Servicios básicos de Fax/datos (arriba de 9.6Kbps).
Servicio de mensajes cortos (SMS).
También incorpora otras características como las tarjetas de Módulo de Identidad del Suscriptor (SIM). FASE 2. GSM fase 2 es la versión completa del estándar GSM. La principal diferencia con GSM fase 1 es que tiene un buen número de servicios suplementarios. Sin embargo, después de una revisión detallada, se encuentra también que el protocolo de señalización MAP (Mobile Application Part) y el protocolo entre la unidad móvil (Mobile Station, MS) y la infraestructura han sido modificados en varias áreas. Las características adicionales que fueron introducidas en GSM fase 2 son:
Estado de cuenta.
Identificación de línea de llamada.
Llamada en espera.
Retención de llamada.
Llamada en conferencia.
Usuario de Grupos Cerrados.
Capacidades de comunicación de datos adicionales.
59
Que es GSM?
FASE 2+. Las actividades de GSM fase 2+ están organizadas como un conjunto de actividades independientes, de tal manera que cada una de ellas podría ser introducida con repercusiones mínimas o sin repercusiones sobre las otras. Se han identificado más de 80 tareas en SMG (Special Mobile Group), éstas cubren aspectos desde la radio transmisión, hasta el manejo de las llamadas. El reto de GSM fase2+ era introducir gradualmente cambios importantes, mientras se trataba de mantener la compatibilidad anterior y posterior. Algunas de las características ofrecidas para la fase 2+ son:
Perfiles de servicio múltiple.
Planes de numeración privada.
Acceso a servicios Centrex.
Interacción con GSM 1800, GSM 1900 y el estándar Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT).
Fig. 2.1. Fases GSM.
60
Que es GSM?
2.3. Bandas de Frecuencia Las redes GSM actuales operan en 3 diferentes frecuencias: GSM 900: Consta de 124 canales en dos sub-bandas de 25MHz cada una en los rangos 890MHz a 915Mhz para Uplink y 935MHz a 960MHz para Downlink, con ancho de banda (BW) por canal de 200 Khz. Cada portadora se divide en tramas donde cada trama tiene 8 ranuras de tiempo (timeslot), con una duración de trama de 4.6ms. Ha sido adoptado en varios países, incluyendo una gran parte de Europa, el norte de África, Medio Oriente, varios países de Asia y Australia. En la mayoría de estos casos hay acuerdos y convenios de Roaming que permiten que los abonados viajen a distintas partes del mundo y disfruten de un servicio contínuo de Telecomunicaciones, con el mismo número y un sólo recibo. GSM 1800: Consta de 374 canales en dos sub-bandas de 75MHz cada una en los rangos 1710Mhz a 1785MHz para Uplink y 1805MHz a 1880MHz para Downlink, con un ancho de banda por canal de 200KHz. La adaptación de GSM a la banda de los 1800MHz se denomina DCS 1800 (Digital Cellular System 1800), DCS 1800 también está siendo ampliamente adoptado y utilizado en varios países de Asia y algunos países de Sudamérica. GSM 1900: Consta de 299 canales en dos sub-bandas de 60MHz cada una en los rangos 1850MHz a 1910MHz para Uplink y 1930MHz a 1990MHz para Downlink, con ancho de banda por canal de 200kHz.
61
Que es GSM?
GSM 1900, también llamado PCS 1900 (Personal Communication Services 1900) está basado en GSM 1800 para Norteamérica, actualmente ya cubre un área substancial de los Estados Unidos de América. Estos sistemas tendrán una forma de Roaming (internacional-intersistemas, GSM 900, DCS 1800, PCS 1900) basada en el Módulo de Identidad del Suscriptor (SIM, Subscriber Identity Module). Un abonado de cualquiera de estos tres sistemas puede acceder los servicios de telecomunicaciones utilizando la tarjeta SIM en una unidad móvil.
Fig. 2.2. Banda de Frecuencias. Si el abonado tiene una unidad móvil multibanda, entonces la misma unidad móvil se puede utilizar en todo el mundo. Esta globalización está haciendo de GSM y sus derivados una de las principales opciones para ofrecer los servicios de comunicaciones personales (PCS) y de comunicaciones digitales en el mundo. 2.4. NOVEDADES EN GSM 2.4.1. SIM-CARD Los teléfonos GSM funcionan con una "Tarjeta Inteligente" llamada Módulo de Identidad del Suscriptor o Tarjeta SIM (Subscriber Identity Module). En principio la funcionalidad de la tarjeta SIM en comunicaciones inalámbricas es la autenticación del abonado y el Roaming. Aunque tales características pueden
62
Que es GSM?
lograrse a través de una red inteligente centralizada (IN) o un teléfono más inteligente, pero hay muchos beneficios clave que no se podrían utilizar sin este tipo de tarjeta, la cual es independiente del móvil. Estos beneficios reforzaron la seguridad, mejoraron la logística, y las oportunidades de un nuevo mercado. La tarjeta SIM está basada en un módulo inteligente con un circuito integrado programable. Cada tarjeta está personalizada por abonado, el módulo se programa con un código secreto utilizado por el operador para identificar al teléfono, y con un PIN (Personal Identification Number) para el subscriptor. Permite identificar al teléfono y al abonado dentro de la red y provee los códigos de autenticación a la red, el cual posibilita la adecuada facturación, ya que el cobro del servicio GSM se lleva a cabo a través de la tarjeta SIM. Con excepción de llamadas de emergencia, un móvil GSM puede operar solamente si tiene una SIM válida insertada.
Fig. 2.3. Tarjeta SIM. La SIM guarda tres tipos de información relacionada al suscriptor:
Datos fijos guardados antes de que la SIM sea asignada a un suscriptor, por ejemplo: el IMSI, claves de autenticación y algoritmos de seguridad.
63
Que es GSM?
Datos temporales de red, como pueden ser el área de localización del suscriptor y PLMNs restringidas.
Datos del servicio, como idioma preferido, estado de cuenta.
Las SIMs pertenecientes al GSM fase 1 contienen toda la información necesaria de control de red, mientras que en GSM fase 2, incluyen un gran número de características extras como identificador de idioma y una opción de idioma preferido. Existen dos tipos de tarjeta SIM, la SIM ID-1 y la SIM Plug-In. Las interfaces eléctricas y lógicas son idénticas en ambos tipos. La SIM ID-1 cumple con los estándares ISO para las tarjetas de circuitos integrados. Tiene las dimensiones de una tarjeta de crédito, preparada principalmente para los radioteléfonos vehiculares.
Fig. 2.4. Tarjeta SIM ID-1. La SIM Plug-In es más pequeña, como un sello, preparado para los teléfonos palmarios. La intención de esta tarjeta es que sea de instalación semi-permanente en la estación móvil.
64
Que es GSM?
Fig. 2.5. Tarjeta SIM Plug-In.
Existe en todo caso un adaptador que permite transformar una tarjeta SIM desde el formato Plug In al formato ISO. En la tarjeta SIM se pueden memorizar números telefónicos asociados a nombres, además de aquellos que se pueden memorizar en la memoria del móvil. GSM define un número de características de seguridad para ser soportadas por las tarjetas SIM. Estas son:
Algoritmo de autenticación, A3.
Clave de autenticación del suscriptor, Ki.
Algoritmo de generación de clave de cifración, A8.
Clave de cifración, Kc.
Control de acceso a datos guardados y funciones realizadas en la SIM.
Una tarjeta SIM contiene información para operar en la red GSM. Esta información ser relacionada al abonado, a los servicios GSM o a la PLMN. El almacenamiento de datos requeridos de una SIM está dividido en dos categorías: obligatorio y opcional. ALMACENAMIENTO OBLIGATORIO. Una SIM debe proporcionar capacidad de almacenamiento para lo siguiente:
Información administrativa: Describe el modo de operación de la SIM.
65
Que es GSM?
Tarjeta de identificación IC: Única información identificando la SIM y la tarjeta del expendedor.
Tabla de servicio de la SIM: Indica qué servicios opcionales son proporcionados por la SIM (último número marcado, indicación de la duración de llamada, selección de PLMN, etc.).
Identidad Internacional del Usuario Móvil (International Mobile Subscriber Identity, IMSI): Un número de identidad usado por la red para identificar la suscripción.
Información de localización: Consta del LAI (Identidad del área donde está ubicado), el valor actual del contador actualizado de posición periódica, y el estado actualizado de la posición.
Clave de cifración (Kc) y número de secuencia de la clave de cifración.
Lista de frecuencias portadoras para ser usadas por la celda seleccionada.
PLMNs prohibidas.
Idioma preferido: Idiomas preferidos del abonado.
La información de localización, Kc y el número de secuencia de Kc pueden ser actualizados al finalizar la llamada. Además, la SIM debe ser capaz de manejar y proporcionar almacenamiento de acuerdo con los requerimientos de seguridad:
Número de Identificación Personal (PIN).
Indicador de PIN habilitado/deshabilitado.
Contador de errores de PIN.
Clave para desbloqueo de PIN (PUK).
Contador de errores de PUK.
Clave de autenticación del abonado (Ki).
66
Que es GSM?
Toda la información relacionada con el suscriptor transferida a la estación móvil durante la operación debe ser borrada después de remover la SIM o desactivar la estación móvil.
Un PIN inicial es cargado por el operador de red al realizar la suscripción. Después el PIN puede ser cambiado por el usuario. El PIN consta de 4 a 8 dígitos. Además el usuario puede decidir si usa la función del PIN o no, activando la función apropiada en la estación móvil. Esta función de deshabilitar el PIN puede ser bloqueada al momento de la suscripción por una persona autorizada. Si se introduce un PIN incorrecto, se avisa al usuario. Después de tres intentos erróneos al introducir el PIN, la tarjeta SIM es bloqueada aunque entre los intentos la SIM haya sido removida o la estación móvil se hubiera apagado. Cuando una SIM está bloqueada, las operaciones en la red GSM son prohibidas. Para desbloquear la SIM, el usuario debe introducir el código de desbloqueo de PIN, el PUK. El PUK es un código numérico de 8 dígitos. Si el PUK se introduce incorrectamente, se avisa al usuario. El usuario tiene 10 intentos para introducir el PUK correcto antes que el sistema bloquee la entrada, en cuyo caso el suscriptor debe contactar a su operador de red. 2.4.2. BLUETOOTH. Es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica, que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia. Los principales objetivos que se pretende conseguir con esta norma son:
67
Que es GSM? •
Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.
•
Eliminar cables y conectores entre éstos.
•
Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre nuestros equipos personales.
Cada dispositivo deberá estar equipado con un microchip (transceptor) que transmite y recibe en la frecuencia de 2.4GHz que está disponible en todo el mundo (con algunas variaciones de ancho de banda en diferentes países). Además de los datos, están disponibles tres canales de voz. Cada dispositivo tiene una dirección única de 48 bits basado en el estándar IEEE 802. Las conexiones son uno a uno con un rango máximo de 10m (dependiendo del medio podría ser más). La tecnología Bluetooth comprende hardware, software y requerimientos de interoperatibilidad, por lo que para su desarrollo ha sido necesaria la participación de los principales fabricantes de los sectores de las telecomunicaciones y la informática,
tales
como:
Ericsson,
Nokia,
Toshiba,
IBM,
Intel
y
otros.
Posteriormente se han ido incorporando muchas más compañías, y se prevé que próximamente los hagan también empresas de sectores tan variados como: automatización industrial, maquinaria, ocio y entretenimiento, fabricantes de juguetes, electrodomésticos, etc., con lo que en poco tiempo se nos presentará un panorama de total conectividad de nuestros aparatos tanto en casa como en el trabajo.
68
Que es GSM?
Fig. 2.6. Dispositivos Bluetooth.
BANDA DE FRECUENCIA LIBRE. El estándar Bluetooth opera en la banda de 2,4GHz. Aunque a nivel mundial, ésta banda se encuentra disponible, el ancho de banda puede diferir según el país. En los Estados Unidos y Europa, una banda de 83,5MHz de ancho está disponible, en esta banda 79 canales de RF con un espaciamiento de 1MHz se define. En Japón, España y Francia una banda más pequeña es utilizada, 23 canales de RF con un espaciamiento de 1MHz se define. En la tabla 2.2. se muestran las bandas y los canales de RF empleados por ésta tecnología. Geografía EUA, Europa y otros
Rango Regulatorio 2.400-2.4835GHz
Canales RF f=2402+k MHz,k=0,…,78
países España Francia
2.445-2.475GHz 2.4465-2.4835GHz
f=2449+k MHz,k=0,…,22 f=2454+k MHz,k=0,…,22
Tabla 2.1. Bandas de frecuencia y canales RF. DEFINICIÓN DE PAQUETE. La información que se intercambia entre dos unidades Bluetooth se realiza mediante un conjunto de slots que forman un paquete de datos. Cada paquete comienza con un código de acceso de 72 bits, que se deriva de la identidad maestra, seguido de un paquete de datos de cabecera de 54 bits. Éste contiene importante información de control, como tres bits de acceso de dirección, tipo de
69
Que es GSM?
paquete, bits de control de flujo, bits para la retransmisión automática de la pregunta, y chequeo de errores de campos de cabeza. Finalmente, el paquete que contiene la información, que puede seguir al de cabeza, tiene una longitud de 0 a 2745 bits. En cualquier caso, cada paquete que se intercambia en el canal está precedido por el código de acceso.
Fig. 2.7. Paquete de datos. DEFINICIÓN DE ENLACE FÍSICO. En la especificación Bluetooth se han definido dos tipos de enlace que permitan soportar incluso aplicaciones multimedia: •
Enlace de sincronización de conexión orientada (SCO).
•
Enlace asíncrono de baja conexión (ACL).
Los enlaces SCO soportan conexiones asimétricas, punto a punto, usadas normalmente en conexiones de voz, estos enlaces están definidos en el canal, reservándose dos slots consecutivos (envío y retorno) en intervalos fijos. Los enlaces ACL soportan conmutaciones punto a punto simétricas o asimétricas, típicamente usadas en la transmisión de datos. Un conjunto de paquetes se han definido para cada tipo de enlace físico: •
Para los enlaces SCO, existen tres tipos de slot simple, cada uno con una portadora a una velocidad de 64Kbps. La transmisión de voz se realiza sin ningún mecanismo de protección, pero si el intervalo de las señales en el
70
Que es GSM?
enlace SCO disminuye, se puede seleccionar una velocidad de corrección de envío de 1/3 o 2/3. •
Para los enlaces ACL, se han definido los slots: 1, 3 y 5. Cualquiera de los datos pueden ser enviados protegidos o sin proteger con una velocidad de corrección de 2/3. La máxima velocidad de envío es de 721Kbps en una dirección y 57.6Kbps en la otra.
CONMUTACIÓN Y VELOCIDADES. El protocolo Bluetooth, utiliza una combinación de conmutaciones de circuito y paquetes. Para asegurar que los paquetes no sean recibidos fuera de orden, ranuras de tiempo (hasta 5) pueden ser reservadas para los mismos. Como se dijo con anterioridad, canales de frecuencia son aplicados para evitar interferencia y desvanecimiento. La conmutación de circuitos puede ser síncrona o asíncrona. Hasta 3 canales de datos síncronos, ó 1 síncrono y 1 asíncrono pueden ser soportados. Cada canal síncrono soporta una velocidad de 64Kbps, lo cual es utilizado para transmisiones de voz. Un canal asíncrono puede transmitir 721Kbps en una dirección y 57,6Kbps en la dirección opuesta. Es posible también en una conexión asíncrona soportar velocidades de 432,6Kbps en ambas direcciones si el enlace es simétrico. INMUNIDAD A LAS INTERFERENCIAS. Como se mencionó anteriormente Bluetooth opera en una banda de frecuencia que está sujeta a considerables interferencias, por lo que el sistema ha
71
Que es GSM?
sido optimizado para evitar éstas interferencias. En este caso la técnica de canal de frecuencia es aplicada a una alta velocidad y una corta longitud de los paquetes (1600 saltos/segundo, para slots-simples). Los paquetes de datos están protegidos por un esquema ARQ (repetición automática de consulta), en el cual los paquetes perdidos son automáticamente retransmitidos, aun así, con este sistema, si un paquete de datos no llegase a su destino, sólo una pequeña parte de la información se perdería. La voz no se retransmite nunca; sin embargo, se utiliza un esquema de codificación muy robusto. Éste esquema, que está basado en una modulación variable de declive delta (CSVD), que sigue la forma de la onda de audio y es muy resistente a los errores de bits. Estos errores son percibidos como ruido de fondo, que se intensifica si los errores aumentan. APLICACIONES. Entre las numerosas aplicaciones de éste estándar, las más importantes son: Teléfono 3 en 1: Al estar en la oficina el teléfono funcionará como un intercomunicador (sin cargos telefónicos). En el hogar funcionará como teléfono inalámbrico (con cargos ajustados a la línea). Al estar en movimiento y fuera del hogar, el teléfono se comportará como un móvil (con cargo a la empresa celular). Puente Internet: Permite utilizar el PC portátil para navegar en la Internet donde sea, sin importar si se está conectado (wireless) al teléfono móvil (celular) o a una conexión cableada (PSTN, ISDN, LAN, xDSL). Conferencia Interactiva: En reuniones ó conferencias, pueden transferirse documentos instantáneamente entre un grupo de asistentes ó inclusive realizar una presentación e inalámbricamente conectarse con un proyector.
72
Que es GSM?
2.4.3. SMS
Fig. 2.8. Estructura de la Red SMS. SME (Short Messaging Entity): Entidad que puede enviar o recibir mensajes cortos, pudiendo estar localizada en la red fija, una estación móvil, u otro centro de servicio. SMSC (Shor Message Service Center): El SMSC, es el responsable de la transmisión y almacenamiento del un mensaje corto, entre el SME y una estación móvil. SMS-Gateway/Interworking MSC (SMS-GMSC): es un MSC capaz de recibir un mensaje corto de un SMSC, interrogando al HLR (Home Location Register) sobre la información de encaminamiento y enviando el mensaje corto al MSC visitado de la estación móvil receptora. El "SMS-Gateway/Interworking MSC" es un MSC capaz de recibir un mensaje corto de la red móvil y enviarlo hacia el SMSC apropiado. El SMS-GMSC/SMS-IWMSC está normalmente integrado en el SMSC.
73
Que es GSM?
HLR (Home Location Register): Es una base de datos usada para el almacenamiento permanente y gestión de los usuarios y el perfil del servicio. Sobre la interrogación del SMSC, el HLR le proporciona la información de encaminamiento para el usuario indicado. El HLR, también informa al SMSC, el cual previamente inició un intento de envío de SMS fallido a una estación móvil específica, que ahora la estación móvil es reconocida por la red y es accesible. MSC (Mobile Switching Center): Lleva a cabo funciones de conmutación del sistema y el control de llamadas a y desde otro teléfono y sistema de datos. VLR (Visitor Location Register): Es una base de datos que contiene información temporal de los usuarios. Esta información, la necesita el MSC para dar servicio a los usuarios de paso (que están de visita). BSS (Base Station System): Formada por el BSCs(Base-Station Controllers) y por BTSs (Base-Transceiver Strations), su principal responsabilidad es transmitir el tráfico de voz y datos entre las estaciones móviles. MS (Mobile Station): terminal sin hilos (wireless) capaz de recibir y originar tanto mensajes cortos como llamadas de voz. La infraestructura de la red sin hilos está basada en SS7 (Signaling System 7). El SMS hace uso del MAP (Mobile Application Part), el cual define los métodos y mecanismos de comunicación en las redes sin hilos, y usa el servicio del SS7 TCAP (Transation Capabilities Application Part). Una capa del servicio SMS hace uso del MAP y permite la transferencia de mensajes cortos entre el par de entidades. El Servicio de Mensajes Cortos (SMS) es un servicio inalámbrico global aceptado que permite la transmisión de mensajes alfanuméricos entre los suscriptores móviles y los sistemas externos tales como correo electrónico, radiolocalización, y sistemas de correo de voz.
74
Que es GSM?
SMS proporciona un mecanismo para transmitir mensajes cortos a y desde los dispositivos inalámbricos. El servicio hace uso de un SMSC, que actúa como sistema de almacenaje-envío para los mensajes cortos. La red inalámbrica proporciona los mecanismos requeridos para localizar la(s) estación(es) destino y transporta mensajes cortos entre el SMSC y las estaciones inalámbricas. En contraste con otros servicios de transmisión de mensajes de texto existentes tales como búsqueda alfanumérica, los elementos del servicio se diseñan para garantizar la entrega de los mensajes de texto al destino. Además, SMS soporta varios mecanismos de entrada que permitan la interconexión con diversas fuentes y destinos del mensaje Los mensajes pueden tener hasta 160 caracteres. Una característica que distingue al servicio es que un móvil activo puede recibir o enviar un mensaje corto en cualquier momento, independiente de si una llamada o datos están en progreso (en algunas implementaciones, ésta puede depender de las capacidades del MSC o de SMSC). SMS también garantiza la entrega del mensaje corto por la red. Las fallas temporales debido a las estaciones de recepción no disponibles se identifican, y el mensaje corto se almacena en el SMSC hasta que el dispositivo destino llega a estar disponible. SMS se caracteriza por la entrega de paquetes fuera de la banda y la transferencia del mensaje en un ancho de banda pequeño, que da lugar a los medios altamente eficientes para transmitir ráfagas cortas de datos. Las aplicaciones iniciales de SMS se centraron en la eliminación de buscadores alfanuméricos permitiendo servicios de uso general de dos vías y servicios de notificación, sobre todo para el correo de voz. Como la tecnología y las redes se desarrollaron, una variedad de servicios se ha introducido, incluyendo E-mail, Fax, actividades bancarias interactivas, servicios informativos tales como cotizaciones e integración con aplicaciones basadas en Internet. Las aplicaciones de datos
75
Que es GSM?
inalámbricos incluyen descarga de tarjetas SIM para activación, debito, POSs (Puntos Inalámbricos de Venta), y otras aplicaciones del campo de servicios como sensores remotos y servicios de localización. APLICACIONES DE SMS. SMS fue diseñado inicialmente para soportar mensajes de tamaño limitado. Mientras
que
estas
aplicaciones
son
y
continuarán
siendo
utilizados
extensamente, hay lugares más recientes que SMS todavía puede explotar. Pequeñas ráfagas de datos son el corazón de muchas aplicaciones que fueron restringidos al mundo de las redes de datos con las terminales fijas unidas a una Red de Área Local (LAN) o a la Red de Área Amplia (WAN). Sin embargo, muchas de estas aplicaciones servirían mejor si las capacidades de la comunicación de datos se podrían agregar a la movilidad de la estación. También, la capacidad de seguir la localización de un móvil activo tal como un carro tiene mucho valor para los proveedores y los clientes. Ésta aplicación, otra vez, necesita justamente intercambiar pequeñas cantidades de información, tales como longitud y latitud de un día cualquiera, y quizá otros parámetros como temperatura o humedad. Esta aplicación no requiere necesariamente el monitoreo de la entidad en movimiento. Los requisitos son ráfagas de datos básicamente cortos, y cobertura de localización que tiene la red digital. Otra familia de aplicaciones que pueden utilizar SMS como un mecanismo de transporte de datos son los bancos. No es ningún secreto que los cajeros automáticos (Automated Teller Machine – ATM) y las transacciones por Internet
76
Que es GSM?
son menos costosas. Las transacciones por Internet son incluso más baratas que las transacciones por la ATM. Por consiguiente, el permitir a suscriptores comprobar sus balances, hacer transferencias entre cuentas, pagar las tarjetas de crédito y sus cuentas, tienen valores no solamente para el suscriptor sino también para las instituciones financieras. Las aplicaciones de entretenimiento son también buenos conductores del uso del SMS. Ejemplos de éstos son simples intercambios de mensajes cortos entre dos fiestas ("Texto") o entre múltiples participantes ("Chat"). También, la entrega de la información que el suscriptor puede adaptar a su forma de vida representa un asunto atractivo para los usuarios inalámbricos. Las redes inalámbricas permiten que los usuarios busquen información sin las restricciones físicas de una PC. Los universitarios aprecian ciertamente no tener que ir a la computadora del laboratorio o a su dormitorio para revisar su E-mail o para descubrir cuál es el libro requerido para el semestre próximo a iniciar. El E-mail continúa siendo en gran medida el uso inalámbrico más usado de los datos. Sin embargo, los teléfonos se están desarrollando rápidamente y están incluyendo más y más funcionalidad que apoye nuevos usos. El siguiente gran éxito más allá de la red inalámbrica será probablemente compras por Internet y otras aplicaciones de comercio tales como cupones electrónicos, publicidad, etc. El potencial para las aplicaciones es enorme, y las nuevas necesidades parecen presentarse constantemente, exigiendo una solución que pueda viajar sobre SMS. 2.4.4. WAP.
77
Que es GSM?
El Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas (WAP) es un protocolo global para la presentación y envió de información sobre sistemas inalámbricos. Tiene entre sus objetivos principales asegurar la compatibilidad con los estándares que rigen la Internet, para así explotar al máximo las fortalezas de la red de redes en las comunicaciones móviles. Las capas del protocolo WAP son similares a las usadas en la Internet.
Fig. 2.9. Capas del protocolo WAP. Los clientes WAP usan los servicios de la red móvil para accesar un WAP Gateway que optimiza el ancho de banda usado a nivel móvil y accede a los contenidos de la Internet a nombre del cliente. Dependiendo de los servicios usados, el WAP Gateway puede proveer al usuario, un ISP o algún contenido suministrado por él. Las aplicaciones WAP anfitrionas sobre servidores Web comunes permiten que éstas sean accesibles a través de la Internet ó cualquier otro lugar. Sin embargo, para acceder a ellas, el uso de los clientes WAP y la WAP Gateway son también requeridas. El Wap Gateway describe y contiene todo los compiladores, capas y funcionalidades de control necesarias para que un ISP u operador maneje un confiable servicio del WAP Gateway. La integración con la red móvil permite que
78
Que es GSM?
todos los servicios de soporte sean compatibles por los dispositivos móviles para su uso, y estos a su vez soportarán la telefonía orientada a las funciones WAP. La entrega del contenido usando Circuit Switched Data (CSD), como soporte de servicio, permite al WAP Gateway localizar un ISP o una red corporativa usando un servidor de acceso que maneja las llamadas entrantes. Usar SMS como soporte de servicio, puede ser otra opción.
Fig. 2.10. Entidades definidas en WAP. Las siguientes entidades son definidas en el ambiente WAP en los servicios de aplicación y ejecución: •
Micro-browser: Puede ser comparado como un navegador estándar de la Internet: por ejemplo , Netscape Navigator o Microsoft Internet Explorer.
•
WML script (Wireless Markup Language ), similar a JavaScript. Los scripts tienen como finalidad simplificar el procesamiento que debe realizar el sistema móvil, lo que permite al mismo procesar más información antes de requerir la ayuda del servidor.
79
Que es GSM? •
Wireless Telephony Application/Interface WTA: Es la parte de aplicación del sistema de telefonía inalámbrica, en el protocolo WAP. Hace posible crear aplicaciones de manejo y control de llamadas: por ejemplo, la definición de la llamada cambia y varía en opciones cuando una llamada es recibida.
•
Capacidad de formatos: Incluye tarjetas de presentación, calendarios, entre otros.
•
Diagrama de capas: Incluye las de transporte, seguridad y sesión.
Las aplicaciones son diseñadas usando WML y WML Script los cuales son lenguajes específicamente hechos para su uso en el dominio móvil. Esto a fin de asegurar que puedan ser compilados a un código de bytes eficiente por los WAP gateways que poseen los estándares aprobados por el WAP Forum. Herramientas tales como WAP IDE asisten en el desarrollo de aplicaciones permitiendo simular clientes WAP en un ambiente de computadora y editores que pueden ser usados para rápidamente modificar y probar las aplicaciones. Suministrar servicios de Internet y Web sobre el sistema de telecomunicaciones inalámbrico representa muchos cambios para los proveedores, desarrolladores de aplicaciones y fabricantes de dispositivos inalámbricos. Sin embargo, la vertiginosa explosión de la telefonía móvil, la competencia entre proveedores de servicios y la demanda de nuevos y mejores servicios por parte de los usuarios impulsan a la red de comunicaciones a un cambio de paradigma. Entre las ventajas que ofrece el protocolo WAP se pueden mencionar: •
Las especificaciones WAP definen un poderoso y funcional modelo de interfaz de usuario que es apropiado para los dispositivos inalámbricos.
80
Que es GSM? •
Las especificaciones WAP usan la tecnología Web Proxy como estándar para conectar el dominio inalámbrico con la web.
•
El conjunto de protocolos definidos en WAP optimiza los estándares definidos en la Web, tales como HTTP, para ser usado bajo estrecho ancho de banda, condición muy frecuentemente encontrado en la red inalámbrica.
•
Provee una segura conexión para transacciones que requieren una confiable conexión entre el cliente y el servidor.
•
Define un microbrowser, que cumple las funciones de cliente, el cual es capaz de ser manejado de forma eficiente por la limitada memoria de los dispositivos inalámbricos.
•
Define nuevas funcionalidades que no han sido definidas por otro estándar, tal como un API para la integración de voz/datos.
•
Capacita el desarrollo de aplicaciones usando las herramientas existentes en el modelo de desarrollo de la Web. WML es un lenguaje basado en etiquetas especificadas como los documentos de tipo XML. También, pueden ser usados ambientes de desarrollo para hacer aplicaciones WML, al igual que en el caso de HTML; incrementando y fortaleciendo de esta manera el mercado de desarrollo.
•
El protocolo está abierto a la participación de otras industrias, a través de WAP Forum.
•
Libera el uso y la integración en las nuevas tecnologías de aire.
•
Mantiene la independencia de soporte en el software de los teléfonos.
•
Asegura la interoperabilidad.
•
Incrementa el valor de los dispositivos inalámbricos para los usuarios.
SERVICIO DE PORTADORES. El protocolo WAP fue diseñado para operar sobre una gran variedad de servicios portadores, incluyendo los de mensajes cortos, datos conmutados por circuitos y paquetes. Los servicios portadores ofrecen diferente calidad de servicio dependiendo de la cantidad de información total de salida, tasa de error y los
81
Que es GSM?
retardos. El protocolo WAP está diseñado para compensar con cierto grado de tolerancia estas variaciones del grado de servicio. Ya que la capa WDP provee la convergencia entre los servicios portadores y el resto de las capas del WAP, la especificación de la capa WDP enumera los servicios portadores que son soportados y las técnicas utilizadas para permitir al protocolo WAP correr sobre cada uno de ellos. Este listado de portadores soportados se irá actualizando a medida que nuevos servicios portadores en el mercado inalámbrico vaya evolucionando. OTROS SERVICIOS Y APLICACIONES. La arquitectura de capas WAP permite habilitar otros servicios y aplicaciones que utilicen las características de las especificaciones de este protocolo, mediante un conjunto de interfaces bien definidas. Aplicaciones externas pueden estar en la capacidad de acceder a las capas de sesión, transporte, transacción y seguridad directamente. Esta facilidad permite al protocolo WAP ser utilizado por aplicaciones y servicios que no están especificados por el WAP Forum, pero que incrementa el valor agregado para un mercado inalámbrico. Por ejemplo, dentro de las aplicaciones podemos encontrar, correo electrónico, calendarios, libreta telefónica, archivos de notas, comercio electrónico, mapas de tráfico, itinerarios, servicio de navegación; los cuales podrían ser desarrollados para ser utilizados con los protocolos WAP. Entre las aplicaciones está la de servicio de navegación que entra en la categoría de servicios de localización inalámbrica. Con esta aplicación se provee al usuario de mapas, rutas, búsqueda espacial y servicio de navegación. Se usan dispositivos de salida con WAP habilitado para identificar la ruta más óptima para cualquier viaje así como para obtener recomendaciones de tiempos de salida para
82
Que es GSM?
evitar llegadas tardías al destino, obtener información gráfica de cómo llegar a un destino, obtener mapas de tráfico en tiempo real entre otros. La clave del crecimiento de servicios de localización inalámbricos se basa en la capacidad de la tecnología para ubicar un equipo móvil con una precisión de 50m o menos. Los operadores móviles cuentan con un rango de opciones tecnológicas tales como la identificación de celdas, redes basadas en triangulación, dispositivos manuales basados en triangulación, incluyendo GPS. Compañías que están basadas en tecnología de redes inalámbricas tales como Ericsson, Motorola, Nokia, Cambridge Position Systems, Cellpoint son capaces de ubicar un equipo móvil en un lapso de tiempo de 5 a 10 seg. En realidad los operadores y usuarios necesitan más que coordenadas de longitud y latitud móvil. Ellos necesitan tener la capacidad de proveer y obtener direcciones calle por calle, mostrar y ver mapas y presentar otras facilidades de navegación. Considerando esto, proveedores de servicio de contenido para integrar funciones simplemente acceden a la Internet desde sus servidores o desde los buscadores de los equipos móviles usando requerimientos HTTP a un servidor que ofrezca el servicio de navegación. Toda la información es procesada en el servidor de navegación y retornada vía XML o WML al servidor o equipo móvil que hizo el requerimiento.
83
Que es GSM?
Fig. 2.11. Arquitectura del protocolo WAP.
WAP FORUM. El WAP Forum es el organismo encargado de controlar, dirigir y agrupar las recomendaciones dadas en el protocolo WAP, para así garantizar que operadores, proveedores y desarrolladores de aplicaciones puedan ofrecer productos compatibles y servicios confiables sobre la red inalámbrica. Entre sus objetivos principales se encuentran: •
Integrar la Internet y los servicios de datos avanzados a los teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos.
•
Crear un protocolo global inalámbrico con especificaciones que puedan ser operativas sobre todas las tecnologías inalámbricas.
•
Habilitar la creación de contenidos y aplicaciones que sean soportadas por un gran rango de redes y dispositivos inalámbricas.
•
Fortalecer y extender los estándares y la tecnología existentes.
El WAP Forum no desarrolla productos, pero en cambio crea licencias libres para el desarrollo de productos válidos para la industria entera. Cada línea de
84
Que es GSM?
productos perteneciente a una compañía puede ofrecer características propias, mientras estén acorde con las especificaciones WAP. CAMPOS DE APLICACIÓN WAP. Las aplicaciones de WAP abarca la comunidad entera de sistemas inalámbricos. Algunos ejemplos de las aplicaciones son: •
Manejo de la información que se encuentra en la Intranet.
•
Habilita la posibilidad de servicios de consulta de base de datos desde lugares de difícil acceso.
•
Aplicaciones interactivas y de notificación móviles.
•
Comercio electrónico móvil.
•
Combinación de aplicaciones telefónicas.
2.5. SERVICIOS DE GSM. La base para los servicios de GSM se encuentra en el concepto ISDN, a estos servicios también se les denomina servicios de GSM-PLMN (Public Land Mobile Network). Un servicio de telecomunicaciones soportado por GSM-PLMN se define como un conjunto de capacidades y facilidades que el proveedor de servicios ofrece a los abonados. Los servicios básicos GSM-PLMN se dividen básicamente en tres clases de servicios: a) Servicios Portadores o de Portadora (Bearer Services). b) Teleservicios.
85
Que es GSM?
c) Servicios Suplementarios (Supplementary Services).
2.5.1. BEARER SERVICES. Estos servicios le dan al abonado la capacidad necesaria para transmitir señales de información entre dos o más puntos de acceso. Las capacidades de estos servicios incluyen:
Transmisión de información a distintas velocidades. Comunicación de datos Dúplex con conmutación de circuitos síncrona y asíncrona, de 300 a 9600bps. o Acceso a funciones de PAD (Packet Assembler/Disassembler) para comunicación asíncrona, de 300 a 9600bps.
Acceso de redes públicas de datos, protocolo X.25, servicio de conmutación de paquetes para comunicación de datos Dúplex, 200 a 9600bps.
Transmisión de voz y datos durante una llamada (Speech & Data Swapping). Envío alterno de voz y datos.
Selección de Módem, selección de servicios de audio de 3.1 Khz cuando se conecte a la ISDN.
Soporte de Solicitud Automática de Retransmisión (ARQ, Automatic Request for Retransmisión) para mejorar la tasa de errores, modo transparente (No ARQ) y modo no transparente (Con ARQ).
2.5.2. TELESERVICIOS.
86
Que es GSM?
Estos servicios le proporcionan al abonado las capacidades necesarias para comunicarse con otros abonados, incluyendo las funciones de equipo terminal:
Transmisión de voz, telefonía y llamadas de emergencia.
Servicios de Mensajes Cortos (SMS, Short Message Services), punto a punto terminado en el móvil, punto a punto originado en el móvil, Broadcast en las células.
Manejo de los mensajes y servicios de almacenamiento.
Acceso a videotexto.
Transmisión de teletexto.
Transmisión de Fax.
2.5.3. SERVICIOS SUPLEMENTARIOS Estos
servicios
modifican
o
complementan
los
servicios
básicos
de
telecomunicaciones. Se ofrecen junto con o asociados con los servicios básicos de telecomunicación y se clasifican en los siguientes 8 tipos de servicios: 1. Servicios de identificación de números. 2. Servicios de ofrecimiento de llamadas. 3. Servicios de completamiento de llamadas. 4. Servicios multi-usuario. 5. Servicios de interés comunitario. 6. Servicios de cobro. 7. Servicios de transferencia adicional de información. 8. Servicios de restricción de llamadas. 1.- Servicios de Identificación de números
Calling Number Identification Presentation (CNIP). Se muestra en pantalla el número del abonado que llama.
87
Que es GSM?
Calling Number Identification Restriction (CNIR). Desactiva CNIP del abonado A.
Connected Number Identification Presentation (CNOP).
Connected Number Identification Restriction (CNOR).
Malicious Call Identification (MCI).
2.- Servicios de Ofrecimiento de Llamadas.
Call Forwarding Unconditional (CFU) - Cuando se activa éste servicio, las llamadas entrantes al abonado GSM se rutean automáticamente a otro número.
Call Forwarding Mobile Busy (CFB) - Cuando se activa éste servicio las llamadas entrantes se rutean a otro número si el abonado GSM está ocupado (llamada en progreso).
Call Forwarding No Reply (CFNRy) - Cuando se activa éste servicio las llamadas entrantes se rutean a otro número si el abonado GSM no responde.
Call Forwarding Mobile Not Reachable (CFNRc) - Cuando se activa éste servicio las llamadas entrantes se rutean a otro número si el móvil GSM está fuera del área de servicio o apagado.
Call Transfer (CT) - La llamada actual (en progreso) se puede transferir a otro número.
Mobile Access Hunting (MAH).
3.- Servicios de completamiento de llamadas.
Call Waiting (CW) - Llamada en espera.
88
Que es GSM?
Call Holding (CH) - Cuando está activado permite a una unidad móvil GSM recibir una segunda llamada, mientras está en curso otra, el abonado puede conmutar a la segunda llamada, mientras deja a la primer llamada en espera.
Completion of Call to Busy Subscriber (CCBS) - Cuando éste servicio está activo el abonado GSM (A) puede solicitar que el sistema monitoree el status de un teléfono (abonado B) al cual trató de llamar y estaba ocupado y que se complete la llamada cuando el abonado B se desocupe.
4.- Servicios Multi-usuario.
Three-Party Service (3PTY) - Permite a un móvil de GSM unir dos llamadas más para una comunicación simultánea entre tres abonados.
Conference Calling (CONF) - Permite a un móvil de GSM tener comunicación simultánea con entre 3 y 5 abonados más.
5.- Servicios de Interés Comunitario.
Closed User Group (CUG) - Cuando éste servicio está activo, varios usuarios de GSM pueden formar grupos a los cuales habría un acceso restringido. Un abonado específico puede pertenecer a uno o más CUG. Los miembros de un CUG pueden comunicarse entre ellos, pero no con usuarios que no pertenezcan al CUG.
6.- Servicios de Cobro.
Advine of Charge (AoC) - Éste servicio proporciona información al abonado GSM acerca del cobro asociado con una llamada específica. El costo mostrado en el display en ese momento podría variar.
89
Que es GSM?
Freephone Service (FPH).- El abonado que contrate este servicio pagará todas las llamadas que entren a su número. Similar al 01-800.
Reverse Charging (REVC).- Éste servicio permite a un abonado GSM pagar por las llamadas entrantes, a tarifas especiales.
7.- Servicios de Transferencia Adicional de Información.
User-to-User Signaling (UUS) - Permite a un móvil de GSM enviar datos a otra unidad de GSM o a un número de ISDN.
8.- Servicios de Restricción de Llamadas.
Barring All Originating Calls (BAOC) - Cuando éste servicio está activo evita que salgan llamadas de la unidad móvil, pero sí permite que entren llamadas.
Barring Outgoing International Calls (BOIC) - Cuando éste servicio está activo evita que salgan llamadas internacionales de la unidad móvil, pero sí permite que salgan llamadas locales y nacionales y permite recibir cualquier tipo de llamadas.
BOIC except Home Country (BOIC-exHC) - Cuando éste servicio está activo, y la unidad móvil GSM está en Roaming, la unidad móvil GSM no puede realizar llamadas internacionales, excepto al país de origen, pero sí permite que salgan llamadas locales y nacionales y permite recibir cualquier tipo de llamadas
Barring All Incoming Calls (BAIC) - Opuesto a BAOC, permite que salga cualquier tipo de llamadas, pero evita que entre cualquier llamada.
Barring Incoming Calls When Roaming (BIC-Roam) - Cuando éste servicio está activo, y la unidad móvil GSM está en Roaming, la unidad móvil GSM no puede recibir llamadas de ningún tipo, pero sí puede realiza cualquier tipo de llamadas. Similar a BAIC, pero sólo cuando el móvil está en Roaming.
90
Que es GSM?
El estándar GSM impone una variedad de requisitos en la calidad de los servicios ofrecidos al usuario. Algunos de estos requisitos son: El tiempo que debe transcurrir al activar un servicio hasta que el servicio este disponible debe ser de 4 segundos en el sistema local y de 10 segundos cuando el móvil está en Roaming.
Tiempo de conexión de 4 segundos cuando se hacen llamadas a otras redes. Tiempo de liberación de 2 segundos cuando la llamada a otras redes concluye. El tiempo para alertar a un móvil de una llamada entrante debe ser igual a 4 segundos en el primer intento y de 15 segundos en el intento final. La duración del Hand-Off o Handover debe ser de 150 ms si es de una célula a otra y de 100 ms si es de un sector a otro dentro de la misma célula.
91
Que es GSM?
92
El sistema GSM
EL SISTEMA GSM Para proporcionar comunicaciones inalámbricas dentro de una región geográfica en particular, se debe emplear una red integrada de estaciones base para proporcionar la suficiente cobertura de radio a todos los usuarios móviles. Las estaciones base, a su vez, deben estar conectadas a un eje central llamado Centro de Conmutación
de Servicios Móviles (MSC). El MSC proporciona
conectividad entre la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN) y las numerosas estaciones base, y por último, entre todos los abonados móviles de un sistema. La PSTN forma la red de telecomunicaciones global que interconecta los centros de conmutación de telefonía convencional (terrestres), llamados oficinas centrales, con los MSCs de todo el mundo. Para conectar a los abonados con las estaciones base, se establecen enlaces de radio usando un protocolo de comunicaciones cuidadosamente definido, llamado la interfaz de radio. La interfaz de radio debe asegurar una gran fiabilidad en el canal para asegurar que los datos se envían y se reciben correctamente entre el móvil y la estación base, y es por ello por lo que se realizan una codificación de la voz (de la fuente) y una codificación del canal. En la estación base, los datos de señalización y sincronización se descartan, y el resto de información de voz ó datos se pasan a través del MSC hasta las redes fijas. Mientras que cada estación base puede gestionar unas 50 llamadas simultáneas, una MSC típica es responsable de conectar hasta 100 estaciones base a la PSTN, en otras palabras, hasta 5,000 llamadas a la vez, y es por eso que la interfaz entre el MSC y la PSTN requiere una gran capacidad en cualquier instante de tiempo. Está claro que las estrategias de red y los estándares pueden variar mucho dependiendo si se está sirviendo a un circuito simple de voz, o a una población metropolitana completa.
92
El sistema GSM
Las interfaces, los protocolos y las normas en GSM están adecuadas con los principios del sistema OSI (Open System Interconnect). GSM tiene una arquitectura abierta que brinda máxima interdependencia entre los elementos de la red. Este enfoque simplifica el diseño, las pruebas y la implementación del sistema. También favorece un desarrollo evolutivo, ya que la interdependencia entre los elementos de red implica que las modificaciones realizadas a uno de los elementos de la red, causa un impacto mínimo o nulo sobre los otros elementos. Por otro lado, el operador tiene la opción de utilizar equipo de distintos fabricantes.
3.1. ARQUITECTURA DE RED EN GSM. Dentro de una breve descripción de la organización interna de GSM, podemos identificar los siguientes sistemas: la Estación Móvil ("Mobile Station" ó MS), el Sistema de Estación Base (BSS), el Sistema de Conmutación de Red (NSS ó SS) y el Sistema de Operaciones y Servicio (OSS). El Sistema Conmutación de Red (SS)
debe gestionar las comunicaciones y conectar las
estaciones móviles a otro tipo de redes como por ejemplo la PTSN, o a otras estaciones móviles. Las MS, BSS y la SS forman la parte operacional del sistema, mientras que el OSS proporciona los medios para que el operador los controle.
93
El sistema GSM
OS S
Fig. 3.1. Arquitectura de Red GSM. 3.1.1. LA ESTACIÓN MÓVIL (MS). La estación móvil representa normalmente la única parte del sistema completo que el usuario ve. Una estación móvil además de permitir el acceso a la red a través de la interfaz de radio con funciones de procesado de señales y de RF, debe ofrecer también una interfaz al usuario humano como un micrófono, altavoz, display y tarjeta, para la gestión de las llamadas de voz, y/o una interfaz para otro tipo de equipos que pueden ser un ordenador personal o máquina facsímil o Fax. Otra parte dentro de la estación móvil es el Módulo de Identificación del Abonado (SIM), que es un nombre muy restrictivo para las diversas funciones que este permite. El SIM, como se mencionó anteriormente, es básicamente una tarjeta, que sigue las normas ISO y que contiene toda la información relacionada con el
94
El sistema GSM
abonado. Sus funciones, además de la capacidad de almacenar información, están relacionadas con el área de la confidencialidad. 3.1.2. EL SISTEMA DE ESTACIÓN BASE (BSS). El Sistema de Estación Base es la entidad responsable del establecimiento de las comunicaciones con las estaciones móviles que se encuentran dentro de su área de influencia. Esta área de influencia puede estar constituida por una o más células, cada una de ellas con una estación base. Hay ocho clases de estaciones base en función de su potencia, que va desde los 320 a los 2.5Watts. Un Sistema de Estación Base está constituido por un Controlador de Estación Base (BSC) del que dependen una o más estaciones base (BTS). Una estación base esta constituida por un conjunto de transceptores (TRX) que cubren la misma área. La estación base incluye además de los transceptores un módulo que realiza la función de control común de estos transceptores (FCC). Tomando como base esta estructura, existen dos tipos de Sistemas de Estación Base: • El Sistema de Estación Integrado: donde el BSC y una BTS están integrados en un mismo equipo. • El Sistema de Estación Base Separado: donde el BSC es una entidad distinta de las estaciones base con las que se conecta mediante una interfaz normalizada, denominada interfaz A-bis. Esta ultima estructura, es la más general. El transcodificador es un elemento que pertenece funcionalmente al BSS pero que puede estar situado físicamente en la BTS, en el BSC o externo al BSS (junto a la central de conmutación móvil). La función de transcodificador es convertir la velocidad neta utilizada en los canales
95
El sistema GSM
radio (inferior a 16Kbps) a la velocidad normalmente utilizada en la red fija (que es de 64Kbps). El que esta conversión no se realice hasta el final posibilita que se puedan multiplexar 4 canales de 16Kbps en uno de 64Kbps, ahorrando capacidad de transmisión, en el interfaz entre la BTS y el BSC y en la interfaz entre el BSC y la central de conmutación. A partir de los tipos básicos anteriormente definidos, pueden distinguirse 7 estructuras finales distintas, teniendo en cuenta además la situación del transcodificador, y la utilización de submultiplexación en la interfaz A-bis (BSS del 1 al 7). Además de esta clasificación existen otras características funcionales, opcionales dentro de la especificación GSM, que determinan dentro de cada uno de estos tipos, diferentes sistemas de estación base. Hay unas características funcionales que son fundamentales: función de salto de frecuencia (SLF), función de control de potencia (CP) y la función de transmisión discontinua (TXD). La interconexión del BSS con las demás entidades del sistema GSM se define utilizando un modelo basado en el modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) recogido en las recomendaciones ITU-T. Dentro de cada capa están las entidades. Las entidades de distintos sistemas que pertenecen a la misma capa, pueden intercambiar información entre sí. Las entidades de un mismo sistema situadas en capas adyacentes interactúan entre ellas a través de su frontera común. De esta forma, las capas inferiores prestan sus servicios a las capas superiores.
96
El sistema GSM
Todos los sistemas del BSS, la interfaz radio, la interfaz A y la interfaz A-bis se han definido utilizando un modelo de tres capas: • Capa 3. • Capa 2 (enlace de datos). • Capa 1 (capa física). La capa 1 coincide con la capa inferior del modelo OSI, y soporta todas las funciones necesarias para la transmisión de una secuencia de bits sobre un canal establecido en un medio físico de transmisión. La capa 2 es la capa de enlace de datos, y tiene como misión de permitir el intercambio de tramas de información entre dos entidades conectadas a través de un medio físico. La capa 3 en realidad comprende las capas 3 a 7 del modelo OSI, llegando, por lo tanto, hasta definir la naturaleza de la comunicación requerida para satisfacer las necesidades de los usuarios de la comunicación. Para definir totalmente la interconexión del sistema, además de esa estructura de capas es necesario también utilizar funciones de gestión del sistema. Estas funciones pueden incluir funciones que son comunes a varias capas. 3.1.2.1. BASE STATION CONTROLLER (BSC). La función primaria de una BSC es el mantenimiento de la llamada, así como la adaptación de la velocidad del enlace radio al estándar de 64Kbps. utilizado por la red. Desde el momento en que el usuario es móvil, éste puede estar cambiando con más o menos frecuencia de celda; el procedimiento por el
97
El sistema GSM
que la llamada se mantiene en estas condiciones sin que se produzcan interrupciones importantes es el llamado Handover. GSM proporciona unos tiempos de conmutación mucho más bajos que otros sistemas celulares. En GSM, durante una llamada, la estación móvil está continuamente "escuchando" a una serie de estaciones base así como informando a la BSC de la calidad de la señal con que está trabajando. Esto permite a la BSC tomar la decisión de cuando iniciar un Handover y a qué célula. La BSC controla a su vez la potencia de trabajo de la estación móvil para minimizar la interferencia producida a otros usuarios y aumentar la duración de la batería. Funciones del BSC: • Gestión de canales en el enlace BSC-MSC. • Gestión de canales radio. ◊
Configuración de los canales radio (recibe del OMC).
◊
Gestión de secuencias de salto de frecuencia (BSC,OMC). Estas secuencias son enviadas por el BSC hacia el BTS.
◊
Selección de canal, supervisión del enlace y liberación de canal.
◊
Control de potencia en el móvil. Determinación del nivel de potencia necesario en el móvil.
◊
Control de potencia en la BSS.
◊
Determinación de la necesidad de realizar cambio de canal.
3.1.2.2. BASE TRANSCEIVER STATION (BTS). La función principal de una BTS es proporcionar un número de canales radio a la zona a la que da servicio. La antena puede ser omnidireccional o sectorial (se divide la célula en tres sectores, con diferentes juegos de frecuencias). Una BTS con un transceptor y con codificación "Full Rate" proporciona 8 canales en el
98
El sistema GSM
enlace de radio, uno de los cuales se utiliza para señalización. Con una codificación "Half Rate" el número de canales disponibles se duplica (16=15+1). Funciones de la BTS: • Gestión de canales radio. ◊
Supervisión de canales libres, y envío de información de estos hacia la BSC.
◊
Temporización de bloques BCCH/CCCH. Edición de mensajes de aviso.
◊
Detección de accesos al sistema por parte de móviles.
◊
Codificación y entrelazado para protección de errores.
◊
Determinación del avance de temporización que hay que utilizar para una comunicación con el móvil.
◊
Medidas de intensidad de campo y calidad de las señales recibidas de los móviles. Recepción de medidas enviadas por los móviles sobre condiciones de intensidad y calidad.
◊
Opcionalmente la BTS puede realizar un pre-procesamiento.
◊
Construcción de los mensajes de aviso a partir de la información recibida desde la BSC.
◊
Detección de acceso por traspaso de un móvil, y comprobación de la identificación de referencia de este traspaso de acuerdo con la información recibida desde BSC.
◊
Encriptación de la información de señalización y tráfico.
Diversidad de antenas. La diversidad de antenas incrementa la fuerza de la señal recibida tomando ventaja de las propiedades naturales de las ondas de radio. Hay dos métodos principales de diversidad: diversidad de espacio y diversidad de polarización.
99
El sistema GSM
• Diversidad de espacio. Un incremento en la fuerza de la señal recibida en la BTS puede lograrse montando dos antenas receptoras en lugar de una. Si las dos antenas Rx están físicamente separadas, la probabilidad de que ambas sean afectadas por un desvanecimiento al mismo tiempo es baja. En 900MHz, es posible ganar más o menos 3dB con una distancia de cinco a seis metros entre antenas. En 1800MHz la distancia puede ser acortada porque su longitud de onda decae. Escogiendo lo mejor de cada señal, el impacto del desvanecimiento puede reducirse. La diversidad de espacio ofrece levemente una mejor ganancia que la diversidad de polarización, pero requiere mas espacio.
Fig. 3.2. Diversidad de espacio.
100
El sistema GSM
• Diversidad de polarización. Con la diversidad de polarización las dos antenas de diversidad de espacio son remplazadas por una antena polarizada de forma dual. Esta antena tiene un tamaño normal pero contiene dos diferentes arreglos de antenas polarizadas. Los tipos más comunes son arreglos vertical/horizontal y arreglos con pendientes de ± 45 grados de inclinación. Los dos arreglos están conectados al respectivo brazo de Rx en la BTS. Los dos arreglos pueden ser usados también como una combinación de antenas Tx/Rx. Para la mayoría de las aplicaciones, la diferencia entre la diversidad de ganancia por diversidad de espacio y diversidad de polarización es insignificante, pero la diversidad de polarización reduce el espacio requerido para las antenas. 3.1.3. EL SISTEMA DE CONMUTACIÓN DE RED (SS). El SS incluye las principales funciones de conmutación en GSM, así como las bases de datos necesarias para los datos de los abonados y para la gestión de la movilidad. La función principal del NSS es gestionar las comunicaciones entre los usuarios GSM y los usuarios de otras redes de telecomunicaciones. 3.1.3.1. MOBILE SWITCHING CENTER (MSC). Dentro del SS, las funciones básicas de conmutación están realizadas por el MSC, cuya función principal es coordinar el establecimiento de llamadas hacia y desde los usuarios GSM. El MSC tiene interfaces con el BSS por un lado para estar en contacto con los usuarios GSM, y con redes externas por el otro. La interfaz con las redes externas requiere un gateway para la adaptación (funciones de interworking), cuya función es más o menos importante dependiendo del tipo de datos y de la red a la que se accede.
101
El sistema GSM
El Sistema de Conmutación también necesita conectarse a las redes externas para hacer uso de su capacidad de transportar datos o señalización entre entidades GSM. En particular el SS hace uso de un tipo de señalización parcialmente externo a GSM, que sigue el sistema de señalización del CCITT no. 7, que usualmente se conoce como la red SS7; esta red de señalización habilita el trabajo interactivo entre los elementos del Sistema de Conmutación de Red dentro de una o varias redes GSM. Como parte del equipo, un MSC controla unos cuantos BSCs y es normalmente bastante grande. Un MSC típico de hace unos 5 años era capaz de cubrir una capital mediana y sus alrededores, totalizando una cobertura de cerca de 1 millón de habitantes. Un MSC incluye cerca de media docena de armarios de conmutación. 3.1.3.2. HOME LOCATION REGISTER (HLR). Además de los MSCs, el SS incluye las bases de datos con la información del abonado relativa al suministro de los servicios de telecomunicación. Ésta se encuentra en el Registro de Localización Base (HLR), independientemente de la posición actual del abonado. El HLR contiene información de estado (nivel de subscripción, servicios suplementarios, etc.) de cada usuario asignado a este, así como información sobre la posible área visitada, a efectos de enrutar llamadas. En un esquema de numeración múltiple (Multinumbering) pueden existir números adicionales (AMSISDN) dependientes de un principal (MSISDN) asociados a diferentes servicios de datos y Fax, caracterizados por una serie de atributos que también quedan recogidos en esta base de datos.
102
El sistema GSM
3.1.3.3. VISITOR LOCATION REGISTER (VLR). El VLR contiene información de estado de todos los usuarios que en un momento dado están registrados dentro de su zona de influencia; información que ha sido requerida y obtenida a partir de los datos contenidos en el HLR del que depende el usuario. Contiene información sobre si el usuario está o no activo, a efectos de evitar retardos y consumo de recursos innecesarios cuando la estación móvil esta apagada. Cuando una estación móvil aparece en un área de localización, lo primero que hace es iniciar un proceso de registro, comunicando a la MSC local su identidad. La MSC comunica este registro hacia su Registro de Posición Visitada (VLR). Si el móvil no estaba ya registrado en otra área de localización dependiente también del mismo VLR, es necesario enviar también esta información hacia el HLR del móvil, para indicarle que actualice su posición y encamine las llamadas recibidas hacia el área donde se encuentra actualmente el móvil. El VLR contiene también la información necesaria para gestionar las llamadas originadas o recibidas por los móviles registrados en su base de datos. Esta información incluye los siguientes elementos: • El identificativo internacional de la estación móvil (IMSI). • El numero RDSI internacional de la estación móvil (MSISDN). • El identificativo temporal de la estación móvil (RMSI). • El identificativo local de la estación móvil. • El área de localización donde el móvil se ha registrado. Esta información es intercambiada entre el HLR y el VLR.
103
El sistema GSM
El VLR también puede contener los siguientes elementos: •
Parámetros de servicios suplementarios.
•
Características técnicas de los equipos móviles.
3.1.3.4. AUTENTICATION CENTER (AUC). Una subdivisión funcional del HLR es el Centro de Autenticación (AUC), cuya función se limita a la gestión de la seguridad de los datos de los abonados. El Centro de Autenticación es una función del sistema que se ocupa de verificar si el servicio ha sido solicitado por un abonado legítimo, proporcionando ya sea los códigos para la autenticación como la clave, para proteger tanto al abonado como al operador de red, de intrusiones del sistema por parte de terceros.
El mecanismo de autenticación verifica la legitimidad de la SIM sin transmitir sobre el canal radio las informaciones personales del abonado, como IMSI y llaves de clave, a fin de verificar que el abonado que está intentando el acceso sea el verdadero y no un clon; la clave sin embargo genera algunos códigos secretos que se usarán para criptar toda la comunicación cambiada por error sobre el canal de radio. Los códigos de autenticación y clave están generados casualmente por cada abonado en particular por algunos conjuntos de algoritmos definidos por el estándar y que son memorizados además de en la AUC también en la SIM. La autenticación se produce cada vez que el MS se conecta a la red y más precisamente en los siguientes casos: •
Cada vez que el MS recibe o efectúa una llamada.
104
El sistema GSM
•
Cada vez que se efectúa la actualización de la posición de el MS (Location Updating).
•
Cada vez que se solicita la activación, desactivación o información sobre los servicios suplementarios.
El AUC puede ser implementado también como otra aplicación en la misma estación de trabajo en que se encuentra la HLR, que es el único elemento del sistema con el que está interfazado y dialoga, y además no puede ser gestionado por control remoto por motivos de seguridad. 3.1.3.5. EQUIPMENT IDENTITY REGISTER (EIR). El Registro de Identidad del Equipo (EIR) es un base de datos que verifica si un equipo móvil está autorizado o no para acceder al sistema. La base de datos está dividida en tres secciones: White List: Contiene todos los IMEI designados a todos los operadores de las varias naciones con las que se tienen acuerdos de roaming internacional. Black List: Contiene todos los IMEI que se consideran bloqueados (por ejemplo los robados). Grey List: Contiene todos los IMEI marcados como faulty o también los relativos a aparatos no homologados. Las terminales introducidas en la Grey List les son señaladas a los operadores de sistema a través de una alarma cuando solicitan el acceso, permitiendo la identificación del abonado que utiliza la terminal y del área de llamada en donde se encuentra.
105
El sistema GSM
El EIR puede ser único para todo el sistema o bien puede estar implementado en una configuración distribuida. Puede encontrarse en la misma estación de trabajo en que se encuentran el HLR y el AUC, pero generalmente es preferible tenerlo en una máquina a parte por razones de seguridad. Se puede acceder también por control remoto para permitir la actualización de las diferentes listas contenidas en él desde cada punto de la red. En el futuro está prevista la interconexión con todos los EIR de los diferentes operadores GSM, para evitar el uso de aparatos robados en países distintos de aquellos en los que ocurrió el robo. Pero el SS contiene más elementos que los MSCs, VLRs y HLRs. Para establecer una llamada hacia un usuario GSM, la llamada es primero encaminada a un conmutador gateway llamado GMSC, sin ningún conocimiento de dónde está el abonado. El GMSC es la compuerta para comunicarse con otras redes (PSTN, ISDN, etc.). Los GMSCs están encargados de buscar la información sobre la posición y encaminar la llamada hacia el MSC a través del cual el usuario obtiene servicio en ese instante.
3.1.4. EL SISTEMA DE OPERACIÓN Y SOPORTE (OSS). El OSS tiene varias tareas que realizar. Todas estas tareas requieren interacciones entre algunos o todos los elementos de la infraestructura que se encuentra en el BSS ó en el SS y los miembros de los equipos de servicio de las distintas compañías comerciales. La parte operacional provee y establece las rutas de transmisión. La parte de control interactúa con las actividades de manejo de tráfico de la parte operacional monitoreándolas y modificándolas para mantener y mejorar sus funciones, al igual que de la gestión de los equipos móviles y de la gestión y cobro de la cuota.
106
El sistema GSM
3.1.4.1. CENTRO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO (OMC). Un OMS es un centro de monitoreo computarizado el cual esta conectado a otros componentes de la red como MSC’s y BCS’s a través de enlaces de red de datos X.25. En el OMC, se presenta la información sobre el estado de la red y se puede monitorear y controlar una variedad de parámetros del sistema. Puede haber una o varias OMC’s dentro de una red dependiendo el tamaño de esta.
3.1.4.2. CENTRO DE MANEJO DE LA RED (NMC). Aquí es donde se centraliza todo el control de la red. Solo se requiere de un NMC para la red, además de que este controla a los OMC’s. La ventaja de esta propuesta jerárquica es que el personal en el NMC puede concentrar durante un largo periodo las emisiones de todo el sistema, mientras que el personal localizado en cada OMC puede concentrar a corto plazo los asuntos regionales. EL OMC y el NMC pueden ser combinados en el mismo nodo físico de la red o implementarse en diferentes locaciones.
107
El sistema GSM
3.2. INTERFACES.
D C
B
Fig. 3.3. Interfaces GSM.
3.2.1. INTERFAZ DE RADIO (INTERFAZ Um). La interfaz de radio, o también conocida como interfaz de aire, es utilizada por las estaciones móviles para acceder a todos los servicios y utilidades del sistema GSM, empleando para ello los Sistemas de Estación Base como punto de conexión con la red.
108
El sistema GSM
3.2.2. INTERFAZ ENTRE LA MSC Y EL BSS (INTERFACE A). Esta interfaz se utiliza fundamentalmente para el intercambio de información relacionada con las siguientes funciones: •
Gestión del BSS.
•
Manejo de la llamada.
•
Gestión de la movilidad.
3.2.3. INTERFAZ ENTRE EL BSC Y LA BTS (INTERFAZ A-BIS). Esta interfaz permite conectar de una forma normalizada estaciones base y controladores de estación base, independientemente de que las conexiones sean realizadas por un mismo suministrador o por suministradores distintos. 3.2.4. INTERFAZ ENTRE LA MSC Y EL VLR ASOCIADO (INTERFAZ B). Como se vio en apartados anteriores, el Registro de Posición Visitado es la base de datos para gestión y seguimiento de los móviles dentro del área controlada por su MSC asociada. 3.2.5. INTERFAZ ENTRE EL HLR Y LA MSC (INTERFAZ C). Esta interfaz se utiliza fundamentalmente para las siguientes funciones: •
Al final de una llamada en la que un móvil tiene que ser tarificado,
la MSC de ese móvil puede enviar un mensaje de tarificación al HLR.
109
El sistema GSM
•
Cuando la red fija no puede realizar el procedimiento de
interrogación necesario para el establecimiento de una llamada hacia un usuario móvil, la MSC de cabecera debe interrogar al HLR del usuario llamado para conocer el número de seguimiento del móvil.
3.2.6. INTERFAZ ENTRE EL HLR Y EL VLR (INTERFAZ D). Esta interfaz se utiliza para intercambiar los datos relacionados con la posición de la estación móvil y los datos de suscripción del usuario. A través de esta interfaz el VLR informa al HLR correspondiente de la posición de una estación móvil gestionada por este último registro, proporcionándole un número de seguimiento a fin de que pueda encaminar las llamadas dirigidas hacia esta estación móvil. En el otro sentido el HLR envía al VLR que controla el área donde se encuentra la estación móvil, los datos correspondientes necesarios para soportar los servicios contratados por el usuario. Asimismo, mediante una interfaz similar, el HLR debe informar también al VLR anterior que cancele el registro de localización correspondiente a dicha estación móvil, cuando esta estación móvil se desplaza a una nueva área VLR. Estos intercambios de datos se producen cuando la estación móvil requiere un servicio determinado, cuando el usuario quiere cambiar algunos datos relacionados con su suscripción, o bien cuando los parámetros de la suscripción se modifican por el operador del sistema.
110
El sistema GSM
3.2.7. INTERFAZ ENTRE MSC’s (INTERFAZ E). Cuando una estación se desplaza del área controlada por una MSC al área de otra MSC distinta, es necesario realizar un procedimiento de traspaso para poder continuar la conversación. En este caso, las MSC’s deben intercambiar datos para poder llevar a cabo esta operación.
3.3. IDENTIDADES GSM. GSM debe usar más de una dirección y plan de numeración para identificar las diferentes redes a las cuales se puede estar conectado. Un suscriptor móvil puede hacer o recibir llamdas desde cualquier lugar dentro del área de servicio GSM. Adicionalmente, el suscriptor puede reenviar llamadas y tener un alto nivel de seguridad dentro del sistema.
3.3.1. MOBILE STATION ISDN NUMBER (MSISDN). El MSDISDN es un número, el cual únicamente identifica la suscripción del teléfono móvil en el plan de numeración de la PSTN. En GSM 900/1800, el MSISDN consiste de lo siguiente: MSISDN = CC + NDC + SN CC
Código del país
NDC Código de destino nacional SN
Número de suscriptor
111
El sistema GSM
Fig. 3.4 MSISDN (GSM 900/1800). En GSM 1900, el MSISDN consiste de lo siguiente:
MSISDN = CC + NPA + SN CC
Código del País
NPA Número de planificación de área SN
Número de suscriptor
Fig. 3.5. MSISDN (GSM 1900). El NDC/NPA es asignado por la PLMN GSM. En algunos países más de un NDC/NPA puede ser requerido por cada PLMN GSM. La longitud del MSISDN depende de la estructura y plan de numeración de cada operador. La máxima longitud es de 15 dígitos, sin prefijos incluidos. Cada suscripción es conectada a un HLR.
112
El sistema GSM
3.3.2. MOBILE STATION ROAMING NUMBER (MSRN). El HLR sabe en que área de servicio MSC/VLR se encuentra localizado un suscriptor. Cuando un suscriptor móvil tiene una llamada entrante, el HLR solicita al actual MSC/VLR le proporcione un MSRN como un número temporal de ruteo para que el suscriptor obtenga la llamada. A la recepción de el MSRN, el HLR lo envía al GMSC que este disponible para usar ese número para enrutar la llamada al MSC/VLR para intercambiar donde esta registrado el suscriptor que tomo la llamada. Todos los datos intercambiados entre el GMSC, HLR y MSC/VLR con propósitos de interrogatorio son enviados por medio de C7/SS7. El MSRN consta de tres partes: MSRN = CC + NDC ó NPA + SN CC
Código del País
NDC Código de destino nacional NPA Número de planificación de área SN
Número de suscriptor
Nota: En este caso, el SN es la dirección de intercambio del MSC.
113
El sistema GSM
Fig. 3.6. MSRN.
3.3.3. INTERNATIONAL MOBILE SUBSCRIBER IDENTITY (IMSI). El IMSI es una identidad única asignada a cada suscriptor. Es usada para la correcta identificación sobre la ruta de radio y a través de la red PLMN GSM. Toda la información del suscriptor relacionada a la red es conectada a la IMSI. La IMSI es guardada en la SIM, en el HLR y en el VLR. El IMSI consta de tres partes: IMSI = MCC + MNC + MSIN MCC Código del país del móvil MNC Código de la red del móvil MSIN Número de identificación de la estación móvil De acuerdo a las especificaciones GSM, el IMSI tiene un máximo de 15 dígitos de longitud.
114
El sistema GSM
Maximum 15 digits
Fig. 3.7. IMSI. Nota: El MNC tiene un tamaño de dos dígitos, pero puede tener tres en redes GSM 1900.
3.3.4. TEMPORARY MOBILE SUBSCRIBER IDENTITY (TMSI). El TMSI es usado para proteger la privacidad del suscriptor en la interfaz aérea. El TMSI tiene simplemente importancia local, esto es, dentro del área del MSC/VLR, y desde aquí su estructura puede ser determinada por cada operador. El TMSI podría no ser más grande de cuatro octetos.
3.3.5. INTERNATIONAL MOBILE EQUIPEMENT IDENTITY (IMEI). El IMEI es usado para la identificación del equipo y únicamente identifica a un MS como una pieza por separado o montaje del equipo. El IMEI consta de lo siguiente: IMEI = TAC + FAC + SNR + SVN
115
El sistema GSM
TAC Código de aprobación de tipo - determinado por un cuerpo central GSM. FAC Código de montaje final - Identifica al fabricante. SNR Número de serie - un número serie individual de seis dígitos únicamente identifica todo el equipo dentro de cada TAC y FAC. SVN Número de versión de software - permite al fabricante identificar diferentes versiones de un tipo dado de móvil aprobado.
Fig. 3.8. IMEI. 3.3.6. LOCATION AREA IDENTITY (LAI). El LAI es usado para el paging, le dice al MSC en que área de localización (LA) esta localizado el MS. También es usado para actualizar la localización del suscriptor móvil. El LAI consta de los siguiente: LAI = MCC + MNC + LAC MCC Código del país del móvil, el mismo del IMSI MNC Código de la red del móvil, el mismo del IMSI LAC
Código del área de localización – la longitud máxima del LAC es de 16 bits, permitiendo 65,536 áreas de localización diferentes para ser definidas en una PLMN
116
El sistema GSM
Fig. 3.9. LAI.
3.3.7. CELL GLOBAL IDENTITY (CGI). El CGI es usado para la identificación de la celda dentro de un área de localización. Esto se hace añadiendo una identidad de celda (Cell Identity “CI”) a los componentes de una LAI. El CI tiene como máximo 16 bits de longitud. El CGI consta de: CGI = MCC + MNC + LAC + CI
Fig. 3.10. CGI.
117
El sistema GSM
3.4. INTERFAZ DE RADIO. Si el número de canales disponibles para todos los usuarios de un sistema de radio es menor que el número de posibles usuarios, entonces a ese sistema se le llama sistema de radio truncado. El truncamiento es el proceso por el cual los usuarios participan de un determinado número de canales de forma ordenada. Los canales compartidos funcionan debido a que podemos estar seguros que la probabilidad de que todo el mundo quiera un canal al mismo tiempo es muy baja. Un sistema de telefonía celular como GSM es un sistema de radio truncado, porque hay menos canales que abonados que posiblemente quieran usar el sistema al mismo tiempo. El acceso se garantiza dividiendo el sistema en uno o más de sus dominios: frecuencia, tiempo, espacio o codificación. 3.4.1. ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE TIEMPO (TDMA). TDMA ("Time Division Multiple Access") es común en los sistemas de telefonía fija. Las últimas tecnologías en los sistemas de radio son la codificación de la voz y la compresión de datos, que eliminan redundancia y periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario en representar un periodo de voz. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema temporal. Aunque no hay ningún requerimiento técnico para ello, los sistemas celulares, que emplean técnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA. Un sistema puro TDMA tendría sólo una frecuencia de operación, y no sería un sistema útil. TDMA es un concepto bastante antiguo en los sistemas de radio. En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de técnicas de compresión de voz digitales, que permite a múltiples usuarios compartir un canal común utilizando un orden temporal. La codificación de voz moderna, reduce mucho el tiempo que se lleva en transmitir mensajes de voz, eliminando la mayoría de la redundancia y periodos de silencio en las comunicaciones de voz.
118
El sistema GSM
Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durante los periodos en que éste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal físico en un sistema TDMA, donde están asignados timeslots. A todos los usuarios que comparten la misma frecuencia se les asigna un timeslot, que se repite dentro de un grupo de slots al que se conoce como trama. Un slot GSM es de 577 µs, y cada usuario tiene uso del canal (mediante su slot) cada 4.616mseg (577µs x 8 = 4.616ms), ya que en GSM tenemos 8 timeslots.
Fig. 3.11. Trama TDMA.
119
El sistema GSM
3.4.2. OPERACIONES DUPLEX. Excepto en situaciones especiales, la información vía radio se mueve en modo Duplex, que significa que para cada transmisión en una dirección, se espera una respuesta, y entonces se responde en la otra dirección. Hay dos formas principales de establecer canales de comunicaciones Duplex.
3.4.2.1. DUPLEX POR DIVISIÓN EN FRECUENCIA (FDD). Debido a que es difícil y muy caro construir un sistema de radio que pueda transmitir y recibir señales al mismo tiempo y por la misma frecuencia, es común definir un a canal de frecuencia con dos frecuencias de operación separadas, una para el transmisor y otra para el receptor. Todo lo que se necesita es añadir filtros en los caminos del transmisor y del receptor que mantengan la energía del transmisor fuera de la entrada del receptor. Se podría usar una antena común como un sistema de filtrado simple. Los sistemas de filtrado se llaman duplexores y nos permiten usar el canal (par de frecuencias) en el modo Full-Duplex; es decir, el usuario puede hablar y escuchar al mismo tiempo.
3.4.2.2. DUPLEX POR DIVISIÓN EN EL TIEMPO (TDD). Muchos sistemas de radio móviles, como los sistemas de seguridad públicos, no requieren la operación Full-Duplex. En estos sistemas se puede transmitir y recibir en la misma frecuencia pero no en el mismo tiempo. Esta clase de Duplex se llama Half-Duplex, y es necesario que un usuario de una indicación de que ha terminado de hablar, y está preparado para recibir respuesta de otro usuario.
120
El sistema GSM
3.4.3. FREQUENCY HOPPING. El “hopping” consiste en cambiar la frecuencia usada por un canal a intervalos regulares de tiempo. Esta operación involucra saltos a una velocidad de 217 veces/seg; 1200 bits por hop. En GSM la frecuencia de transmisión permanece constante durante la transmisión de una trama completa, pero el transceptor la cambia cada trama. En GSM hay 64 patrones de frequency hopping, uno de ellos es un ciclo simple o patrón secuencial. Los restantes 63 son conocidos como patrones pseudoaleatorios, de los cuales un operador puede escoger cualquiera de ellos. De acuerdo a la figura 3.12, durante una trama TDMA en el frame N, se utiliza C 1 y durante el frame N+1, se usa C2. La llamada utiliza el mismo timeslot pero cambia de frecuencia de acuerdo a un patrón identificado. Esta técnica procede de los sistemas de transmisión de radio militares y se decidió incluirla en las principales características de la transmisión de radio de GSM, además de utilizarla por motivos de seguridad, también para conseguir una mayor diversidad de frecuencias, y para disminuir los efectos de los desvanecimientos tipo Rayleigh.
121
El sistema GSM
Fig. 3.12. Frequency hopping. 3.4.4 EL CANAL DE RADIO. 3.4.4.1. CARACTERÍSTICAS DEL CANAL DE RADIO. Podemos ocupar el canal de radio mediante las alteraciones de la amplitud, frecuencia o fase de la portadora. Cualquiera de estos tres parámetros de la portadora se puede alterar, y estas alteraciones pueden llevar información que nosotros medimos en bits o símbolos por segundo. El espectro de radio es un recurso fijo y valioso con un valor incalculable. Los diseñadores de sistemas deben basar su estudio en mandar la información en el segmento más estrecho que se pueda del espectro asignado por cualquier cuerpo regulador. Hay dos fuentes de problemas dentro del canal: el ruido y las interferencias de las cuales ya hemos hablado anteriormente.
122
El sistema GSM
3.4.4.2. CONDICIONES ESTÁTICAS. Vamos a considerar el caso en que ni el móvil se está moviendo, ni hay nada más moviéndose cerca. El canal es en este caso inusual un canal con ruido blanco Gaussiano y aditivo (AGWN). Todos los datos además, están sujetos al efecto multipath, zonas con sombras, y retardos que pueden ser de incluso varios microsegundos. La ecualización del canal mediante filtros adaptativos se usa para eliminar la interferencia intersimbólica a velocidades altas. Finalmente, el receptor local genera su propio ruido. 3.4.4.3. CONDICIONES DINÁMICAS. En el caso del móvil en movimiento, añadimos los efectos de la propagación terrestre, que está dominada por la influencia más destructiva de todas: los desvanecimientos Rayleigh. Dado que las ondas de radio pueden seguir una variedad de caminos hasta el receptor móvil, pueden ocurrir cambios de fase, que son dependientes de la frecuencia. Este tipo de desvanecimientos ocurren con una distribución estadística llamada distribución Rayleigh. 3.4.5. FRECUENCIAS. GSM utiliza dos bandas de25 MHz para transmitir y para recibir. En el caso de GSM 900 la banda de 890-915MHz se usa para las transmisiones desde la MS hasta el BTS (“Uplink”) y la banda de 935-960MHz se usa para las transmisiones entre el BTS y la MS (“Downlink”). GSM usa FDD y una combinación de TDMA y FHMA para proporcionar a las estaciones base y a los usuarios un acceso múltiple. Las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen en canales de 200KHz llamados Absolute Radio Frequency Channel Number ó Números de Canales de Radio Frecuencia
123
El sistema GSM
Absolutos (ARFCN), que en sí son frecuencias de portadora. GSM cuenta con 524 portadoras si se consideran los sistemas Básico, Extendido y DCS-1800.
Fig. 3.13. Separación entre portadoras. El ARFCN denota un par de canales "Uplink" y "Downlink" separados por 45MHz y cada canal es compartido en el tiempo por hasta 8 usuarios usando TDMA.
Fig. 3.14. Distancia Duplex. 3.4.5.1. GSM BÁSICO. El GSM básico se refiere a los sistemas 2G que inicialmente se instalaron el continente europeo. Este sistema usa dos bandas de frecuencias de 25MHz en el rango de los 900MHz. 890 – 915MHz para el Uplink y 935 – 960MHz para el Downlink. Cada una de las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen en canales de 200KHz. Cada banda se divide en 125 canales. Estos canales están numerados del 0 al 124. El canal 0 es usado como banda de guarda entre GSM y otros sistemas o servicios de menores frecuencias. Para encontrar la frecuencia de un ARFCN se utilizan las siguientes fórmulas:
124
El sistema GSM
Ful(n) = 890.0MHz + (0.2MHz * n) Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz donde: n = ARFCN, 1 ≤ n ≤ 124 Ful = Frecuencia Uplink Fdl = Frecuencia Downlink Cualquier frecuencia en estos rangos puede ser asignada a los MS por los BS. Esto también depende del factor de re-uso utilizado. 3.4.5.2. GSM EXTENDIDO. Después de que el sistema GSM básico fuera establecido, se agregaron 10 MHz más de ancho de banda. Para cada uno de los rangos de frecuencias se agregó a los límites de cada banda, extendiendo el rango de frecuencias a otros 50 canales. Ahora, el canal más bajo, número 974 (880 MHz), sirve para la banda de guarda. Las fórmulas que se utilizan son: Ful(n) = 890.0MHz + (0.2MHz * n) donde: n = ARFCN, 1 ≤ n ≤ 124 Ful(n) = 890.0MHz + 0.2MHz *(n - 1024) donde: n = ARFCN, 975 ≤ n ≤ 1023 Fdl(n) = Ful(n) + 45MHz
125
El sistema GSM
3.4.5.3. PCN ó DCS-1800. Cuando el ETSI por fin terminó las especificaciones de DCS-1800, en algunos países (Reino Unido) se le llamó PCN (Personal Communications Network). Este sistema usa las mismas señalizaciones y esquemas de transmisión que el GSM básico, pero las frecuencias asignadas son mucho más altas. DCS utiliza las bandas de 1710 - 1785MHz para el Uplink y 1805 – 1880MHz para el Downlink, 75MHz más. La separación entre estas bandas es de 95MHz con 374 canales de 200KHz cada uno. La numeración de los canales es de 512 a 885. Las fórmulas utilizadas son: Ful(n) = 1710.0MHz + 0.2MHz *(n - 511) donde: n = ARFCN, 512 ≤ n ≤ 885 Fdl(n) = Ful(n) + 95MHz
3.4.5.4. PCS-1900/DCS-1900. Durante 1995, el estándar PCS fue introducido en los Estados Unidos. El sistema es el mismo que el DCS-1800, solo que 100MHz arriba, esto dado que ya existía un servicio en la banda de los 1800MHZ. Las fórmulas son: Ful(n) = 1850.0MHz + 0.2MHz *(n - 512) donde: n = ARFCN, 512 ≤ n ≤ 810 Fdl(n) = Ful(n) + 80MHz
126
El sistema GSM
3.4.6. CANALES FÍSICOS. Cada uno de los 8 usuarios usan el mismo ARFCN y ocupan un único timeslot por trama. Las transmisiones de radio se hacen a una velocidad de 270.833Kbps usando modulación digital binaria GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying") con BT=0.3. El BT es el producto del Ancho de Banda del filtro por el periodo de bit de transmisión. Por lo tanto la duración de un bit es de 3.692 µs, y la velocidad efectiva de transmisión de cada usuario es de 33.854Kbps (270.833Kbps/8 usuarios). Con el estándar GSM, los datos se envían actualmente a una velocidad máxima de 24.7Kbps. Cada timeslot tiene un tamaño equivalente en un canal de radio de 156.25 bits, y una duración de 576.92 µs, y una trama TDMA simple en GSM dura 4.615 ms. El número de total de canales disponibles dentro de los 25MHz de banda es de 125 (asumiendo que no hay ninguna banda de guarda). Dado que cada canal de radio está formado por 8 timeslots, hacen un total de 1,000 canales de tráfico en GSM. En implementaciones prácticas, se proporciona una banda de guarda de la parte más alta y más baja de espectro de GSM, y disponemos tan solo de 124 canales.
Fig. 3.15. Timeslot y Trama. La combinación de un número de timeslots y un ARFCN constituyen un canal físico tanto para el "Uplink" como para el "Downlink". Cada canal físico en un
127
El sistema GSM
sistema GSM se puede proyectar en diferentes canales lógicos en diferentes tiempos. Es decir, cada slot de tiempo específico o trama debe estar dedicado a manipular el tráfico de datos (voz, facsímil o teletexto), o a señalizar datos (desde el MSC, la estación base o la MS). 3.4.7. CANALES LÓGICOS. Las especificaciones GSM definen una gran variedad de canales lógicos que pueden ser usados para enlazar la capa física con la capa de datos dentro de las capas de la red GSM. Estos canales lógicos transmiten eficientemente los datos de usuario, a parte de proporcionar el control de la red en cada ARFCN. GSM proporciona asignaciones explícitas de los slots de tiempo de las tramas para los diferentes canales lógicos. Los canales lógicos se pueden separar en dos categorías principalmente: •
Canales de Tráfico (TCH).
•
Canales de Control.
TCH: Traffic Channel TCH/F: Traffic Channel/Full TCH/H: Traffic Channel/Half CCH: Control Channel BCH: Broadcast Channel LOGICAL CBCH: Cell Broadcast Channel CHANNEL CCCH: Common Control Channel TCH CCH CBCH DCCH: Dedicated Control Channel FCCH: Frequency Correction Channel TCH/F TCH/H SCH: Synchronization Channel BCCH: Broadcast Control Channel BCH CCCH DCCH PCH: Paging Channel FCCH SCH BCCH AGCH: Access Grant Channel RACH: Random Access Channel AGC RAC PCH SDCCH: Stand-Alone Dedicated H H Control Channel ACCH SDCCH ACCH: Associated Control Channel. SACCH: Slow Associated Control SDCC SDCC SACC FACC H/4 Channel H/8 H H SACC SACCH/ SACCH SACCH FACC FACC FACCH: Fast Associated Control H/TF TH /C4 /C8 H/F H/H Channel
Fig. 3.16. Canales Lógicos.
128
El sistema GSM
Los TCH llevan voz codificada digitalmente o datos y tienen funciones idénticas y formatos tanto para el "Downlink" como para el "Uplink". Los canales de control llevan comandos de señalización y control entre la estación base y la estación móvil. Se definen ciertos tipos de canales de control exclusivos para el Uplink o para el Downlink. Hay seis clases diferentes de TCH y un número aún mayor de Canales de Control, que vamos a describir brevemente a continuación. 3.4.7.1. CANALES DE TRÁFICO (TCH). Los canales de tráfico en GSM pueden ser de velocidad completa (FullRate) o de media velocidad (Half-Rate), y pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Cuando transmitimos en Full-Rate, los datos están contenidos en un timeslot por trama. Cuando transmitimos en Half-Rate, los datos de usuario se transportan en el mismo timeslot, pero se envían en tramas alternativas. En GSM, los datos TCH no se pueden enviar en el TS 0 (timeslot 0) sobre ciertos ARFCNs ya que este TS está reservado para los canales de control en la mayoría de las tramas. Además, cada trece tramas TCH se envía un canal de control asociado lento (SACCH) o tramas "idle". Los datos de un TCH se envían en tramas consecutivas. A cada grupo de 26 tramas consecutivas TDMA se le llama multitrama. La 26va trama contiene bits “idle” para el caso cuando se usan TCHs a velocidad completa, y contiene datos SACCH cuando se usa TCHs a media velocidad.
Fig. 3.17. Trama Canales de Trafico.
129
El sistema GSM
Se definen dos formas generales de canales de tráfico para voz codificada: → Canal de Tráfico a Velocidad completa (TCH/F). Lleva voz digitalizada a 13Kbps. Después de la codificación del canal la velocidad es de 22.8Kbps. → Canal de Tráfico a Media Velocidad (TCH/H). Ha sido diseñado para llevar voz digitalizada que ha sido muestreada a la mitad que la de un canal a velocidad completa. En este aspecto GSM se ha anticipado a la disponibilidad de codificadores normalizados de voz a velocidades de unos 6.5Kbps. Después de la codificación del canal, la velocidad es de 11.4Kbps. Para llevar datos de usuario se definen los siguientes tipos de canales de tráfico: → Canal de Tráfico a velocidad completa para datos a 9.6Kbps (TCH/F9.6). Lleva datos de usuario enviados a 9.6Kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8bps. → Canal de Tráfico a velocidad completa para datos a 4.8Kbps (TCH/F4.8). Lleva datos de usuario enviados a 4.8Kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8bps. → Canal de Tráfico a velocidad completa para datos a 2.4Kbps (TCH/F2.4). Lleva datos de usuario enviados a 2.4Kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8bps. → Canal de Tráfico a media velocidad para datos a 4.8Kbps (TCH/H4.8). Lleva datos de usuario enviados a 4.8Kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 11.4bps.
130
El sistema GSM
→ Canal de Tráfico a media velocidad para datos a 2.4Kbps (TCH/H2.4). Lleva datos de usuario enviados a 2.4Kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 11.4bps.
3.4.7.2. CANALES DE CONTROL. Se definen tres categorías de canales de control: difusión ó broadcast (BCH), comunes (CCCH) y dedicados (DCCH). Cada canal de control consiste en varios canales lógicos distribuidos en el tiempo para proporcionar las funciones de control necesarias en GSM. Los canales de control Downlink BCH y CCCH se implementan sólo en ciertos canales ARFCN y se localizan en timeslots de una forma específica. Concretamente, estos canales se localizan solo en el TS 0 y se emiten sólo durante ciertas tramas dentro de una secuencia repetitiva de 51 tramas, llamada multitrama de control del canal, sobre aquellos ARFCNs que se diseñan como canales "broadcast". Desde TS1 hasta TS7 se lleva canales de tráfico regulares. En GSM se definen 34 ARFCNs como canales broadcast estándar. Para cada canal "broadcast", la trama 51 no contiene ningún canal Downlink BCH o CCCH y se considera como una trama idle. Sin embargo, el canal Uplink CCH puede recibir transmisiones durante el TS 0 de cualquier trama (incluso la trama "idle"). Por otra parte, los datos DCCH se pueden enviar durante cualquier slot de tiempo y en cualquier trama, y hay tramas completas dedicadas específicamente para algunas transmisiones DCCH. Vamos a pasar a describir los diferentes tipos de canales de control. Canales de difusión ó "Broadcast" (BCH) El BCH opera en el Downlink de un ARFCN específico dentro de cada celda, y transmite datos sólo en el primer slot (TS 0) de algunas tramas GSM. Al
131
El sistema GSM
contrario que los TCHs que son Duplex, los BCHs solo usan el Downlink. El BCH sirve como un canal guía para cualquier móvil cercano que lo identifique y se enganche a él. El BCH proporciona sincronización para todos los móviles dentro de la celda y se monitoriza ocasionalmente por los móviles de celdas vecinas para recibir datos de potencia y poder realizar las decisiones de Handover. Aunque los datos BCH se transmiten en TS 0, los otros siete slots de una trama GSM del mismo ARFCN están disponibles para datos TCH, DCCH ó están fijados por ráfagas vacías (dummy). Dentro de los canales BCH se definen tres tipos de canales separados que tienen acceso al TS 0 durante varias tramas de la multitrama de control. Vamos a describir los tres tipos de canales BCH. Canal de Control de Broadcast (BCCH). El BCCH es un canal Downlink que se usa para enviar información de identificación de celda y de red, así como características operativas de la celda (estructura actual de canales de control, disponibilidad de canales, y congestión). El BCCH también envía una lista de canales que están en uso en una celda. Desde la trama 2 a la 5 de una multitrama de control están contenidos los datos BCCH. El TS0 contiene datos BCCH durante tramas específicas, y contiene otro tipo de canales BCH, canales de control comunes (CCCHs), o tramas idle, en otras tramas hasta completar las 51 tramas que forman la multitrama de control. Canal Corrector de Frecuencia (FCCH). El FCCH es una ráfaga de datos que ocupa el TS 0 para la primera trama dentro de la multitrama de control, y que se repite cada diez tramas. El FCCH permite a cada estación móvil sincronizar su frecuencia interna de oscilación a la frecuencia exacta de la estación base. Canal de Sincronización (SCH). El SCH se envía en el TS 0 de la trama inmediatamente después del FCCH y se usa para identificar a la estación base servidora mientras que permite a cada móvil la sincronización de las tramas
132
El sistema GSM
con la estación base. El número de trama (FN), que oscila entre 0 hasta 2,715,647 se envía con el código de identificación de la estación base (BSIC) durante la ráfaga SCH. El BSIC es asignado individualmente a cada BTS en un sistema GSM. Dado que un móvil puede estar hasta a 30Km de la BTS, es necesario frecuentemente ajustar la temporización de un usuario móvil particular de forma que la señal recibida en la estación base se sincroniza con el reloj de la estación base.
Fig. 3.18. Mulitramas de control para Downlink y para Uplink. Canales de Control Comunes (CCCH). En aquellos ARFCN reservados para BCHs, los canales de control comunes ocupan el TS 0 de cada trama que no esté ocupada por los BCHs o por tramas idle. Un CCCH puede estar formado por tres tipos diferentes de canales: el canal de búsqueda (PCH) para Downlink, el canal de acceso aleatorio (RACH) "Uplink", y el canal de acceso concedido (AGCH) "Downlink". Los CCCHs son los más comunes dentro de los canales de control y se usan para buscar a los
133
El sistema GSM
abonados, asignar canales de señalización a los usuarios, y recibir contestaciones de los móviles para el servicio. Vamos a describir estos tipos de canales. Canal de Búsqueda o Paging (PCH). El PCH proporciona señales de búsqueda a todos los móviles de una celda, y avisa a los móviles si se ha producido alguna llamada procedente de la PTSN. El PCH transmite el IMSI del abonado destino, junto con la petición de reconocimiento de la unidad móvil a través de un RACH. Alternativamente, el PCH se puede usar para proporcionar envíos de mensajes tipo ASCII en las celdas, como parte del servicio SMS de GSM. Canal de Acceso Aleatorio (RACH). El RACH es un canal de Uplink usado por el móvil para confirmar una búsqueda procedente de un PCH, y también se usa para originar una llamada. El RACH usa un esquema de acceso slotted ALOHA. Todos los móviles deben de pedir acceso o responder ante una petición por parte de un PCH dentro del TS 0 de una trama GSM. En el BTS, cada trama (incluso la trama idle) aceptará transmisiones RACH de los móviles durante TS 0. Para establecer el servicio, la estación base debe responder a la transmisión RACH dándole un canal de tráfico y asignando un canal de control dedicado (SDCCH) para la señalización durante la llamada. Esta conexión se confirma por la estación base a través de un AGCH. Canal de Acceso Concedido (AGCH). El AGCH se usa por la estación base para proporcionar un enlace de comunicaciones con el móvil, y lleva datos que ordenan al móvil operar en un canal físico en particular (en un determinado TS y en un ARFCN) con un canal de control dedicado. El ACCH es el último mensaje de control enviado por la estación base antes de que el abonado sea eliminado del control del canal de control. El ACCH se usa por la estación base para responder a un RACH enviado por una MS en la trama CCCH previa.
134
El sistema GSM
Canales de Control Dedicados (DCCH). Hay tres tipos de canales de control dedicados en GSM, y, como los canales de tráfico, son bidireccionales y tienen el mismo formato y función en el Uplink y en el Downlink. Como los TCHs, los DCCHs pueden existir en cualquier slot de cualquier ARFCN excepto en el TS0 de los ARFCN de los BCHs. Los Canales de Control Dedicados (SDCCH) se usan para proporcionar servicios de señalización requeridos por los usuarios. Los Canales de Control Asociados Lentos y Rápidos (SACCH y FACCH) se usan para supervisar las transmisiones de datos entre la estación móvil y la estación base durante una llamada. Canales de Control Dedicados (SDCCH). El SDCCH lleva datos de señalización siguiendo la conexión del móvil con la estación base, y justo antes de la conexión lo crea la estación base. El SDCCH se asegura que la MS y la estación base permanecen conectados mientras que la estación base y el MSC verifica la unidad de abonado y localiza los recursos para el móvil. El SDCCH se puede pensar como un canal intermedio y temporal que acepta una nueva llamada procedente de un BCH y mantiene el tráfico mientras que está esperando que la estación base asigne un TCH. El SDCCH se usa para enviar mensajes de autenticación y de alerta, pero no de voz. A los SDCCH se les puede asignar su propio canal físico o pueden ocupar el TS0 del BCH si la demanda de BCHs o CCCHs es baja. Canal de Control Asociado Lento (SACCH). El SACCH está siempre asociado a un canal de tráfico o a un SDCCH y se asigna dentro del mismo canal físico. Por tanto, cada ARFCN sistemáticamente lleva datos SACCH para todos sus usuarios actuales. El SACCH lleva información general entre la MS y el BTS. En el Downlink, el SACCH se usa para enviar información lenta pero regular sobre los cambios de control al móvil, tales como instrucciones sobre la potencia a transmitir e instrucciones específicas de temporización para cada
135
El sistema GSM
usuario del ARFCN. En el Uplink, lleva información acerca de la potencia de la señal recibida y de la calidad del TCH, así como las medidas BCH de las celdas vecinas. El SACCH se transmite durante la decimotercera trama (y la vigesimosexta si se usa media velocidad) de cada multitrama de control, y dentro de esta trama, los 8 slots se usan para proporcionar datos SACCH a cada uno de los 8 usuarios (ó 16) del ARFCN. Canales de Control Asociados Rápidos (FACCH). El FACCH lleva mensajes urgentes, y contienen esencialmente el mismo tipo de información que los SDCCH. Un FACCH se asigna cuando un SDCCH no se ha dedicado para un usuario particular y hay un mensaje urgente (como una respuesta de Handover). El FACCH gana tiempo de acceso a un slot "robando" tramas del canal de tráfico al que está asignado. Esto se hace activando dos bits especiales, llamados bits de robo (stealing bits), de una ráfaga TCH. Si se activan los stealing bits, el slot sabe que contiene datos FACCH y no un canal de tráfico, para esa trama. 3.4.8. PROCESO DE UNA LLAMADA EN GSM. Para comprender cómo se usan los diferentes canales de tráfico y de control, consideremos el caso de que se origine una llamada en GSM. Primero, la estación móvil debe estar sincronizada a una estación base cercana como se hace en un BCH. Recibiendo los mensajes FCCH, SCH y BCCH, el móvil se enganchará al sistema y al BCH apropiado. Para originar una llamada, el usuario primero marca la combinación de dígitos correspondiente y presiona el botón de enviar del teléfono GSM. El móvil transmite una ráfaga de datos RACH, usando el mismo ARFCN que la estación base a la que está enganchado. La estación base entonces responde con un mensaje AGCH sobre el CCCH que asigna al móvil un nuevo canal para una conexión SDCCH. El móvil, que está recibiendo en el TS0 del BCH, recibe su asignación de ARFCN y su TS por parte del AGCH e
136
El sistema GSM
inmediatamente cambia su sintonización a su nuevo ARFCN y TS. Esta nueva asignación del ARFCN y del TS es físicamente el SDCCH (no el TCH). Una vez sintonizado al SDCCH, el móvil espera primero a la trama SDCCH que se transmite (la espera será a lo más de 26 tramas cada 120 ms), que informa al móvil del adelanto de temporización adecuado y de los comandos de potencia a transmitir. La estación base es capaz de determinar el adelanto de temporización adecuado y el nivel de señal del móvil gracias al último RACH enviado por el móvil, y envía los valores adecuados a través del SACCH. Hasta que estas señales no le son enviadas y procesadas, el móvil no puede transmitir ráfagas normales como se requieren para un tráfico de voz. El SDCCH envía mensajes entre la unidad móvil y la estación base, teniendo cuidado de la autenticación y la validación del usuario, mientras que la PSTN conecta la dirección marcada con el MSC, y el MSC conmuta un camino de voz hasta la estación base servidora. Después de pocos segundos, la unidad móvil está dirigida por la estación base a través del SDCCH que devuelve un nuevo ARFCN y un nuevo TS para la asignación de un TCH. Una vez devuelto el TCH, los datos de voz se transfieren a través del Uplink y del Downlink, la llamada se lleva a cabo con éxito, y el SDCCH es liberado. Cuando se originan llamadas desde la PSTN, el proceso es bastante similar. La estación base envía un mensaje PCH durante el TS 0 en una trama apropiada de un BCH. La estación móvil, enganchada al mismo ARFCN, detecta su búsqueda y contesta con un mensaje RACH reconociendo haber recibido la página. La estación base entonces usa el AGCH sobre el CCCH para asignar un nuevo canal físico a la unidad móvil su conexión al SDCCH y al SACCH mientras la red y la estación base están conectadas. Una vez que el móvil establece sus nuevas condiciones de temporización y de potencia sobre el SDCCH, la estación base gestiona un nuevo canal físico a través del SDCCH, y se hace la asignación del TCH.
137
El sistema GSM
3.4.9. BURST ó RÁFAGAS. Los Burst son “tramas” o bits que envía el MS hacia las BS’s. La estructura tiene asociada una secuencia de 22 bits, que indentifica una trama TDMS dentro de un hyperframe dado. Cada timeslot dentro de una trama TDMA contiene dados conocidos con el nombre del Burst de 147 bits de longitud (0 - 147). Existen 5 tipos: ◊ Normal (NB). ◊ Acceso (AB). ◊ Corrección de frecuencia (FC). ◊ Sincronización (SB). ◊ Dummy (DB). El Burst normal se compone de una secuenca de 3 bits de inicio, 116 encriptados, 26 bits utilizados por las interferencias, 3 bits de stop y un periodo de 8.25 bits vacío, que es utilizado en la llegada de timeslots pertenecientes a la misma trama TDMA, que es introducida al modulador GMSK a una velocidad aproximada de 271Kbps. Como el intervalo de bit es 3.69 ms, la duración del timeslot es de 156.25 x 3.69 = 0.577 ms. Si 8 NB son multiplexadas se obtiene una trama TDMA de: 8 x 0.577 = 4.615 ms.
Ráfaga de 148 bits = 546.12µseg.
Fig. 3.19. Estructura de un Burst Normal (timeslot).
138
El sistema GSM
Donde:
Tail bits: Tres bits al principio y final de cada Burst usados como tiempo de guardia. Estos bits cubren el tiempo de incertidumbre entre la subida de pendiente de potencia de los Burst.
Coded data. Dos tiempos de 57 bits cada uno, contienen los datos transmitidos.
Stealing bits. Son la indicación para el decodificador de que el Burst entrante transporta datos de señalización o datos del usuario.
Training sequence. Es una secuencia fija de bits conocida por el MS y la BS, la cual permite la sincronización de la recepción con el Burst, también ayuda al ecualizador, existen 8 secuencias diferentes.
Guard Bits. No se transmite datos durante ese tiempo. Sirve como una banda de guarda para cada burst.
3.4.10. ESTRUCTURA DE LAS TRAMAS EN GSM. Cada usuario transmite una ráfaga de datos durante cada slot de tiempo asignado. Estas ráfagas de datos pueden tener uno de cinco posibles formatos, definidos en el Estándar GSM. La figura 3.20 muestra los cinco tipos posibles de ráfagas de datos usadas en GSM. Las ráfagas normales se usan para transmisiones TCH y DCCH tanto para el "Uplink" como para el "Downlink". Las ráfagas FCCH y SCH se usan en el TS0 de las tramas específicas (como se ha visto con anterioridad) para enviar los mensajes de control de frecuencia y sincronización temporal en el Downlink. La ráfaga RACH se usa por todos los móviles para acceder al servicio desde cualquier estación base, y la ráfaga vacía se usa para rellenar información en slots inutilizados en el Downlink.
139
El sistema GSM
Fig. 3.20. Estructura de trama. La figura 3.20 muestra las estructura de datos dentro de una ráfaga normal. Está formada por 148 bits que se transmiten a una velocidad de 270.833333Kbps (8.25 bits sin uso proporcionan un tiempo de guarda al final de cada ráfaga). Del total de 148 bits por TS, 114 son bits de información que se transmiten en dos secuencias de 57 bits al comienzo y al final de la ráfaga. En el centro de la ráfaga hay una secuencia de 26 bits de entrenamiento que permiten al ecualizador adaptativo del móvil o de la estación base analizar las características del canal de radio antes de descodificar los datos. A cada lado de la secuencia de entrenamiento se encuentran los dos "stealing flags". Estos dos "flags" se usan para distinguir si el TS contiene datos de voz (TCH) o control (FACCH), ambos con el mismo canal físico. Durante una trama, el móvil usa un solo TS para transmitir, uno para recibir, y puede usar seis slots para medir la potencia de la señal de cinco estaciones base adyacentes así como la de su propia estación base.
140
El sistema GSM
Como se muestra en la figura 3.20, hay ocho slots por trama TDMA, y el periodo de trama es de 4.615 ms. Una trama contiene 8 x 156.25 = 1250 bits, aunque algunos periodos no se usan. La velocidad de las tramas es de 270.833 kbps/1250 bits/trama es decir 216.66 tramas por segundo. Las tramas decimotercera y vigesimosexta no se usan para tráfico, sino para tareas de control. Cada una de las tramas normales se agrupan en estructuras más grandes llamadas multitramas que a su vez se agrupan en supertramas y éstas en hipertramas. Una multitrama contiene 26 tramas TDMA, y una supertrama contiene 51 multitramas, ó 1326 tramas TDMA. Una hipertrama contiene 2048 supertramas, o 2,715,648 tramas TDMA. Una hipertrama completa se envía cada 3 horas, 28 minutos, y 54 segundos, y es importante en GSM dado que los algoritmos de encriptación relacionan este particular número de tramas, y sólo se puede obtener una suficiente seguridad si se usa un número suficientemente grande como el que proporciona la hipertrama. Las multitramas de control ocupan 51 tramas (235.365 ms), a diferencia de las 26 tramas (120 ms) usadas por los canales de tráfico o dedicados. Esto se hace intencionadamente para asegurar que cualquier móvil (si está en la celda servidora o en la adyacente) recibirá con seguridad las transmisiones del SCH y el FCCH del BCH.
141
El sistema GSM
3.5. PROCESO DE TRANSMISIÓN EN GSM.
Fig. 3.21. Proceso de transmisión en GSM. El servicio más importante ofrecido al usuario de GSM es la transmisión de voz. La telefonía es el principal generador de beneficios para las compañías de móviles, y justifica los enormes esfuerzos e investigaciones que se necesitan para instalar estas redes. El requerimiento técnico general es simple: transmitir señales de voz con un nivel aceptable de calidad. En los sistemas analógicos de radio, la señal continua de baja frecuencia, también llamada como señal en banda base, modula la portadora de RF. En el receptor, se realiza la demodulación de la señal de forma que se obtiene de nuevo la señal en banda base más el ruido introducido por el canal.
142
El sistema GSM
Debido a la reducida capacidad del canal de radio disponible, es deseable minimizar el número de bits que necesitamos transmitir. El dispositivo que transforma la voz humana en una cadena digital de datos que se puedan transmitir a través de la interfaz de radio y genera una representación analógica audible de los datos recibidos es el Codec de voz. El Codec de voz forma parte de cada estación móvil diseñado para la transmisión de voz. El Codec de voz en GSM se desarrolló después de que se pidieran una serie de propuestas. La propuesta ganadora fue la denominada RPE-LTP ("Regular Pulse Exciting - Long Term Prediction"), que quiere decir excitación de pulsos regulares y predicción de periodo largo. 3.5.1. CODIFICACIÓN DE LA FUENTE. Los requisitos para la codificación de la voz son:
La forma más sencilla para pasar una señal analógica a digital se implementa mediante convertidores analógicos - digitales, y viceversa. Pero estas técnicas de digitalización no son las únicas empleadas en transformar las señales banda base analógicas en digitales y viceversa. La codificación de la voz en GSM debe tener los siguientes requisitos:
La redundancia inherente a la señal de voz humana se reducirá significativamente. Hay una gran cantidad de redundancia en los sonidos del lenguaje humano, y si eliminamos la mayoría de esta redundancia, quedará una gran cantidad de tiempo útil para otros usuarios en el canal. El proceso de la codificación de voz se basa en quedarnos con la mínima cantidad de información necesaria para reconstruir la señal de voz en el receptor.
La calidad de la transmisión de voz bajo la condiciones del canal de radio debe ser al menos como la calidad ofrecida en los sistemas convencionales de telefonía celular bajo las mismas condiciones.
143
El sistema GSM
Las pausas en el flujo normal de las conversaciones telefónicas se deben detectar para suspender (opcionalmente) la transmisión durante estos periodos. Esta característica reducirá el tráfico, la interferencia entre celdas y la duración de las baterías de los móviles de mano. Esta función se llama transmisión discontinua (DTX).
El sonido se convierte en una señal eléctrica mediante el micrófono.
Fig. 3.22. Conversión A/D. El canal telefónico en banda analógica se somete a un proceso de codificación digital de la palabra denominada RPE-LTP (Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction). Mediante el mismo es posible obtener la secuencia de datos de 13Kbps. El procesamiento es el siguiente: -El canal telefónico se muestrea a 8KHz (teorema del muestreo) y cada muestra se codifica inicialmente en 13 bits (formato no-comprimido). Las muestras se agrupan en secciones de 20mseg con un total de las 160 muestras cada una. Las 160 muestras serán codificadas en 260 bits totales resultando en una velocidad de 13Kbps.
Fig. 3.23 Muestro de la señal.
144
El sistema GSM
La codificación RPE genera impulsos de ruido para simular la naturaleza de la palabra. En tanto, LTP genera formas de onda mediante filtros de 8 coeficientes en tramas de 20mseg. STP (Short Term Prediction) genera 8 coeficientes LAR (Logarithmic Area Ratio). El codificador LPC (Linear Predictive Coding) y RPE generan mediante LTP los coeficientes Pn y Gn (período y ganancia).
Fig. 3.24. Codificación de señal de voz en GSM. 3.5.2. CODIFICACIÓN DEL CANAL. La codificación del canal se basa en añadir redundancia a los datos generados por la codificación de la fuente de forma que se detecten e incluso se corrijan algunos errores introducidos por el canal que suponemos que contiene un ruido blanco Gaussiano aditivo.
145
El sistema GSM
El proceso de codificación del canal normalmente se compone de dos codificaciones sucesivas. Primero se aplica un código bloque y luego se aplica un código convolucional. Para explicar a grandes rasgos en qué consiste un código bloque, vamos a suponer que tenemos k bits de entrada en el codificador a R bps. A la salida de éste, vamos a tener n bits con n > k a una velocidad de R/Rc bps, en donde el factor Rc es un valor adimensional llamado redundancia, y que es k/n (siempre va a ser menor que la unidad). Un código convolucional implica el concepto de memoria, ya que se forma a partir de un registro de desplazamiento (máquina de estados finitos).
Fig. 3.25. Codificación de canal. El proceso permite formar una secuencia de datos que contiene la codificación vocal, control de errores, secuencia conocida de Training (0000) y FEC para corrección de errores. La secuencia es la siguiente: -Los 260 bits del tipo PE-LTP se dividen en tres grupos: 50 bits de clase Ia, 132 bits de clase Ib y 78 bits de clase II o Ic. -Clase Ia. A los 50 bits de clase Ia se le adicionan 3 bits de paridad CRC-3 para detección de errores.
146
El sistema GSM
-Clase Ib. A los 132 bits de clase Ib se le adicionan 4 bits de Trainig (0000) para el ajuste del ecualizador de recepción. -Clase Ia+Ib. El total de 189 bits de clase Ia+Ib es sometido a una codificación convolucional FEC ½ y de profundidad 5, con lo que obtenemos 378 bits de salida. -En total se dispone de un Burst de 456 bits lo cual corresponde a una velocidad equivalente a 22,8Kbps.
Fig. 3.26. Codificación de clases de bits. Un problema típico en telefonía móvil es la diferenciación entre el ruido generado por ambientes ruidosos (automóviles) y la voz. En GSM se resuelve empleando una combinación de umbrales comparativos (nivel de señal) y técnicas de dominio espectral para detección de actividad vocal o ruido aleatorio. Cuando se detecta una pausa, suspendemos la transmisión de radio durante la duración de la pausa. El uso de esta característica es una opción de la red. La opción DTX (transmisión discontinua) tiende a reducir las interferencias entre celdas adyacentes y con las estaciones móviles cercanas a la base. Dado que el tiempo de transmisión se reduce, el consumo de potencia de la estación móvil de
147
El sistema GSM
mano se reduce, lo cual da a los usuarios la posibilidad de tener baterías de menor tamaño. Las pausas en una conversación normal ocurren de forma que aparecen durante un 50% del tiempo aproximadamente. Esto significa que un canal de voz sólo se está usando la mitad del tiempo que el locutor lo usa. La posibilidad de usar DTX han incluido dos características adicionales:
Detección de la Actividad de Voz ("Voice Activity Detection" ó VAD) que
determina la presencia o ausencia de voz en el teléfono. Esto no es fácil de implementar, dado que debe de funcionar bien incluso cuando haya un alto nivel de ruido de fondo, como en un coche.
La ausencia total de sonido puede molestar al usuario en el receptor del
canal de radio; el terminal parece como estar muerto, y los usuarios tienden a hablar demasiado alto cuando no escuchan nada. Es necesario que haya un mínimo de ruido convencional de fondo durante las pausas, y este ruido de fondo se le suele llamar presencia. Esto se suele hacer enviando un tipo especial de tramas cada 480 ms llamadas tramas descriptoras de silencio (SID). Una vez que el receptor detecta la llegada de una trama SID genera su propio ruido de fondo llamado ruido de confort, que da al sistema la presencia.
3.5.3. ENTRELAZADO ("INTERLEAVING"). Para minimizar el efecto de los desvanecimientos súbitos de los datos recibidos, el canal proporciona 456 bits cada 20 ms en una trama de voz o de control que se dividen en 8 bloques de 57 bits.
148
El sistema GSM
Fig. 3.27. Interleaving de 20ms. Estos 8 bloques que forman una trama simple de voz, se esparcen a través de 8 slots TCH consecutivos, es decir, 8 tramas consecutivas para un timeslot específico. Si se pierde una ráfaga debido a las interferencias o a los desvanecimientos, hay un 25% de BER (Bit Error Rate) por todos los 20ms de voz, la codificación del canal asegura que disponemos de suficientes bits para descodificar la secuencia correcta. Cada slot TCH, como vimos, lleva dos bloque de datos de 57 bits de dos segmentos de voz (o de control) diferentes (cada uno de los segmentos son los bloques de 456 bits). Esto se considera como primer nivel de interleaving.
Fig. 3.28. Burst Normal.
149
El sistema GSM
Si únicamente se utiliza el nivel uno de interleaving, se puede llegar a tener una perdida en la ráfaga del 25%. Pero un segundo nivel de interleaving puede ser introducido para reducir el BER lo más posible que sería el 12.5%. En vez de enviar dos bloques de 57 bits de los mismos 20 ms de voz dentro de una ráfaga, un bloque de los 20 ms y un bloque de la siguiente muestra de 20ms son enviados juntos. Un retraso es introducido en el sistema cuando el MS debe esperar por los siguientes 20ms de voz. Sin embargo, el sistema puede ahora permitirse perder una ráfaga completa, fuera de las ocho, ya que la perdida es ahora de el 12.5% del total de bits de cada trama de 20ms. 12.5% es el máximo nivel que el canal decodificador puede corregir.
Fig. 3.29. Trama de voz.
Fig. 3.30. Segundo nivel de interleaving. 150
El sistema GSM
3.5.4. CIFRADO/ENCRIPTADO. La información de 456 bits del codificador vocal, luego de entrelazada mediante el interleaving se somete a un proceso de cifrado criptográfico. En GSM se procede a encriptar la información para protección de escuchas no autorizadas. El cifrado se realiza sobre pares de grupos de 57 bits con la operación de interleaving ya realizada. Se tienen algoritmos distintos pero similares para el proceso de autentificación (ver más adelante) y cifrado de datos de usuario. El proceso es el siguiente:
La red GSM (desde el MSC) envía un número aleatorio RAND de 128 bits.
El móvil utiliza ese RAND para mezclarlos con un parámetro secreto Ki disponible en el centro de autenticación.
La mezcla se realiza mediante un algoritmo denominado A8 y permite obtener la señal Kc de 64 bits.
Por otro lado, se recibe la numeración secuencial de las trama por el canal de control de sincronismo SCH.
Con el número de trama de 22 bits y Kc (64 bits) se generan la señal S2 de 114 bits.
Para ello se utiliza un algoritmo conocido como A5.
Esta señal S2 se usa para componer los datos (2 x 57 bits) a ser transmitidos mediante compuertas XOR.
3.5.5. PREPARACIÓN DEL BURST. Como se mencionó anteriormente, cada transmisión desde un MS/BTS debe incluir alguna información extra, como son los 26 bits de secuencia training, 2 bits de bandera y 6 tail bits. El proceso de preparación del burst es añadir estos bits a la voz/datos básicos (57 + 57 = 114 bits) que serán enviados.
151
El sistema GSM
Consecuentemente esto incrementara el burst de 114 a 148 bits, incrementando así la tasa de transmisión en el aire. En GSM, la entrada del burst para 20ms de voz es de 456 bits recibidos del cifrado. El formato del burst añade 136 bits a este, dando un total así de 592 bits. Sin embargo, cada timeslot en la trama TDMA tiene un tamaño de 0.577ms. Esto proporciona suficiente tiempo para que 156.25 bits sean transmitidos (cada bit toma 3.7µs), pero un burst contiene solamente 148 bits. El resto del espacio, 8.25 bit times, está vacío y se le llama periodo de guardia (GP). Este tiempo es usado para permitir en el MS/BTS lo que se conoce como “ramp up” y “ramp down”. El ramp up se refiere a obtener la potencia de la bateria/sumunisitro de poder para la transmisión. El ramp down se realiza después de cada transmisión para asegurar que el MS no esta transmitiendo durante timeslots asignados a otros MS’s. La salida de la preparación del burst es un burst de 156.25 bits (un burst) o 625 bits (4 burst) para una muestra de 20ms. El Bit Rate para la transmisión en GSM puede calcularse para ser de 270.9Kbps (156.25/0.577). 3.5.6. MODULACIÓN DIGITAL EN GSM. El principal objetivo de la modulación es convertir los datos a ser transmitidos en una forma que se ajuste tanto a los requisitos de transmisión del medio usado como a cualquiera impuesto por el sistema y las operaciones. La modulación que más se adapta es la GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), que es una modulación en frecuencia digital binaria lineal, con un índice de modulación de 0.5 en la que se ha realizado previamente sobre la señal moduladora un filtrado Gaussiano con 0.3 de producto BT, donde 0.3 describe el ancho de banda del filtro Gaussiano con relación al Bit Rate de la señal (BT=0.3). GMSK es un tipo especial de modulación FM. Los unos y ceros binarios se
152
El sistema GSM
representan en GSM por desplazamientos en frecuencia de ±67.708KHz. La velocidad de datos en GSM es de 270.833333Kbps, que es exactamente cuatro veces el desplazamiento en frecuencia. Esto minimiza el ancho de banda ocupado por el espectro de modulación y por tanto mejora la capacidad del canal. La señal MSK modulada se pasa a través de un filtro Gaussiano para atenuar las variaciones rápidas de frecuencia que de otra forma esparcirían energía en los canales adyacentes. En esta modulación, al presentarse un 1 la señal se adelanta 90°, es decir, se mueve a la izquierda, y si se presenta un 0 se atrasa 90°, es decir a la derecha.
Fig. 3.31. Diagrama I/Q modulación GMSK. 3.5.6.1. MODULACIÓN MSK. Los bits deben ser enviados a través del aire usando una frecuencia portadora. GSM utiliza la técnica de modulación MSK. MSK es un tipo especial de FSK ("Frecuency Shift Keying"), con fase continua y un índice de modulación de 0.5.
153
El sistema GSM
La modulación de frecuencia FSK o de fase PSK es utilizada en varios sistemas bajo formatos de 2 o 4 niveles. Normalmente se realiza un filtrado previo de características particulares para obtener la eficiencia espectral más conveniente. Son dos los tipos de filtros aplicados: -Filtro coseno realzado (Raised Cosine Rolloff Filter). Este tipo satisface la condición de Nyquist de anulación de la señal en los instantes de decisión anteriores y posteriores (interferencia intersímbolo ISI igual a cero). La respuesta en frecuencia tiene la siguiente ley: H(f)= ½.[1 + cos π .(1+{f-f N /f N .ß})/2]
donde
(1+ß) =f =f N .(1-ß)
-Filtro Gaussiano (Gaussian Pulse-Shaping Filter). Este filtro no satisface el criterio de Nyquist de ISI cero. La función transferencia en frecuencia y la respuesta temporal a un impulso de señal son exponenciales: H(f)= exp (-α2 . f2 )
y
h(t)= π /α . exp (-π . t/α )2
Donde α = 1,1774/BW y el ancho de banda BW es a 3dB. Si el valor de α se incrementa la eficiencia espectral disminuye y la dispersión temporal del pulso de salida aumenta. La modulación de fase continua CP-FSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) se produce filtrando la señal digital antes de alcanzar al modulador FSK. Cuando el filtro cumple ciertas condiciones se tiene la modulación MSK (Minimum Shift Keying). MSK corresponde a una desviación máxima igual a la mitad de la tasa de bits (índice de modulación K de 0,5). El índice de modulación se define como K= 2∆F/Rb, donde ∆F es el corrimiento de frecuencia máximo y Rb la tasa de datos.
154
El sistema GSM
En MSK la palabra Minimun significa que es el menor valor (mínima separación de frecuencia) que es factible de ser demodulada coherentemente ortogonal. Cuando el tipo de filtro es Gaussiano la modulación se denomina GMSK. Esta es utilizada en el sistema celular.
3.5.6.2. MODULACIÓN GMSK ("GAUSSIAN MINIMUM SHIFT KEYING"). GMSK es un esquema de modulación binaria simple que se puede ver como derivado de MSK. En GMSK, los lóbulos laterales del espectro de una señal MSK se reducen pasando los datos modulantes a través de un filtro Gaussiano de premodulación. El filtro Gaussiano aplana la trayectoria de fase de la señal MSK y por lo tanto, estabiliza las variaciones de la frecuencia instantánea a través del tiempo. Esto tiene el efecto de reducir considerablemente los niveles de los lóbulos laterales en el espectro transmitido. El filtrado convierte la señal, donde cada símbolo en banda base ocupa un periodo de tiempo T, en una respuesta donde cada símbolo ocupa varios periodos. Sin embargo, dado que esta conformación de pulsos no cambia el modelo de la trayectoria de la fase, GMSK se puede detectar coherentemente como una señal MSK, o no coherentemente como una señal simple FSK. En la práctica, GMSK es muy atractiva por su excelente eficiencia de potencia y espectral. El filtro de premodulación, por tanto, introduce interferencia intersimbólica (ISI) en la señal transmitida, y se puede mostrar que la degradación no es grave si el parámetro BT del filtro es mayor de 0.5. Debido que en GSM tenemos que el BT es 0.3, vamos a tener algunos problemas de ISI y es por ello por lo que en GSM la señal no es totalmente de envolvente constante. Como se sabe, una señal cuadrada posee un número infinito de componentes espectrales, al aplicársele un filtro Gaussiano, se reducen la intensidad y el número de las componentes de esta señal.
155
El sistema GSM
La manera más simple de generar una señal GMSK es pasar una cadena de mensajes a través de un filtro Gaussiano pasa bajos como los descritos anteriormente, seguido de un modulador de FM. Esta técnica de modulación se usa actualmente en una gran cantidad de implementaciones analógicas y digitales para el CDPD norteamericano así como para GSM.
3.5.7. CONTROL DE POTENCIA Y TIMING ADVANCE. En el sistema GSM como en la mayoría de los sistemas celulares, la MS obtiene su temporización de las señales recibidas de la BTS. En concreto, la MS transmite su burst 3 intervalos de tiempo después de que los burst hayan sido recibidos de la BTS (3 x 577µseg). La BTS determina el adelanto en la temporización en transmisión que el móvil debe tener para que sus burst lleguen en un intervalo de tiempo correcto. Este adelanto de temporización es inicialmente calculado por la BTS sobre la base del burst de acceso recibido en RACH, que tiene un periodo de guarda de 68.25 bits o 252 µseg, y puede ser de 0 a 63 periodos de bit de avance lo que equivale a una separación máxima de 35 Km. La BTS controla en modo de operación normal con TCH establecido el retraso de la señal procedente de la MS, enviando ordenes de corrección en el SAC y logrando que el error del retardo sea menor que 2 µseg (aproximadamente medio periodo de bit). Para células de radio mayor a 35 Km. hay un procedimiento especial establecido que permite realizar esta función en células de hasta 120 Km.
156
El sistema GSM
El control de potencia en el sistema GSM puede ser utilizado tanto en la MS como en la BTS y su finalidad principal es la de reducir la interferencia co-canal, mientras se trabaja con una potencia transmisora adecuada para mantener la calidad de la señal de voz a través del enlace radioeléctrico. Este control de potencia es obligatorio para la MS mientras que no lo es para las BTS’s. La MS debe ser capaz de variar su potencia de transmisión desde su máximo valor (diferente según la clase de MS que se trate) hasta 20mW en pasos de 2dB. Para el proceso inicial de un MS en una célula del RACH, dicho MS debe usar o su valor máximo definido por la clase de MS que es o el valor máximo permitido en esa célula si este es menor. Tras esto, la BTS calcula el nivel de potencia en radiofrecuencia que debe usar la MS y se lo señala mediante 4 bits que a tal efecto hay dedicados en el SACCH. El cambio de potencia en la estación móvil se realiza a una velocidad de 2dB cada 60mseg y la MS confirma a la BTS el nivel de potencia que utiliza en el SACCH.
3.5.8. HANDOVER EN GSM. La MS tiene establecido el proceso de comunicación con la BTS que le proporciona mejor enlace. Como la MS se mueve, la BTS varía dependiendo con cual existe un mejor enlace, por lo que la MS debe ser reasignada a una nueva BTS y su llamada re-enrutada adecuadamente. Para controlar el proceso de Handover el sistema ha de poseer información de la calida del enlace radioeléctrico existente y el de los enlaces alternativos de las BTS’s circundantes. Las estaciones móviles tan solo son activos en 2 de los 8 intervalos de tiempo de una trama si bien tiene la habilidad de, en los 6 restantes, explorar las transmisiones del BCCH de las BTS’s circundantes.
157
El sistema GSM
Las portadoras de radiofrecuencia de BBCH son medidas secuenciales y promediadas durante un bloque SACCH (480mseg). Una vez que se tiene la información de calidad enlace con la BTS utilizada y con las circundantes, se transmite a la red la información de las 6 BTS con mayor intensidad de señal recibida, donde es tomada la decisión de Handover. Al momento de medir los BCCH’s, la MS debe identificar las BTS’s circundantes lo que realiza identificando la frecuencia del BCCH y si esta es coincidente con la de varias BTS’s, se sincroniza y remodula el canal de sincronización de las BTS’s circundantes, que tienen el código de identificación de estación base (BSICs). La MS realiza esta operación en su trama idle TDMA existiendo una sola por multitrama de TCH. Hay que resaltar que para que esto pueda realizarse correctamente todas las portadoreas de radiofrecuencia que contengan BCCH deben ser transmitidas con la misma potencia. Esto implica que en la transmisión del BBCH no se puede aplicar ni el control adaptativo de potencia ni la transmisión discontinua. La BTS con la que esta enlazada la MS mide no solo la intensidad de señal recibida, sino que también la calidad de la misma en tasa de error de canal. Igualmente, la BTS realiza medidas de calidad del enlace MS-BTS. El medir los dos parámetros permite al sistema conocer si la degradación de un enlace radioeléctrico se debe a falta de señal o a interferencia co-canal. Junto con el Handover visto como cambio de la BTS con la que trabaja una MS, también existe el concepto de Handover intracelular (al anterior se le conoce como Handover intercelular) y que consiste en cambiar el canal en el que se realiza la comunicación dentro de una misma BTS. Esto se puede llevar a cabo ya que la BTS mide la señal que llega en todos los canales que la reciben y no solo en el utilizado, por lo que puede determinar en que canal tiene una menor interferencia co-canal.
158
El sistema GSM
El criterio para cambiar de BTS es tener una diferencia de 3dB del móvil con las BTS’s.
3.6. SEGURIDAD EN GSM. Las motivaciones referentes a la Seguridad en los Sistemas de Telecomunicaciones Celulares son asegurar las conversaciones y datos de señalización de potenciales interceptaciones así como impedir posible fraude en telefonía celular. Con los sistemas de telefonía celular analógicos más antiguos como AMPS (Advanced Mobile Phone System) y TACS (Total Access Communication System) es relativamente simple para cualquiera aficionado a cuestiones de radio interceptar conversaciones telefónicas celulares con un simple "scanner" de la policía. Otra consideración referente a la seguridad de los sistemas analógicos de telecomunicaciones celulares que tiene que ver con la identificación de credenciales utilizando el ESN (Electronic Serial Number) es que se transmite en claro (sin cifrar). Con equipos sofisticados es posible recibir el ESN y utilizarlo para cometer fraude de teléfono celular "suplantando" otro teléfono celular y realizando llamadas con él. El procedimiento en donde la estación móvil registra su localización con el sistema también es vulnerable a la interceptación y permite monitorizar la localización del abonado incluso cuando una llamada no está en progreso. Los mecanismos de seguridad (confidencialidad, autenticación, etc.) incorporados en GSM hacen que sea el estándar de comunicaciones móviles más seguro actualmente disponible, particularmente en comparación con los sistemas analógicos antes citados. Parte de la seguridad mejorada de GSM se debe al hecho de que es un sistema digital que utiliza un algoritmo de codificación de voz, modulación digital GMSK
159
El sistema GSM
(Gaussian Minimum Shift Keying), lento salto de frecuencia y arquitectura de ranuras de tiempo TDMA (Time Division Multiple Access). Para interceptar y reconstruir esta señal deberían necesitarse equipos más caros y especializados que un simple "scanner" de la policía para realizar la recepción, sincronización y decodificación de la señal. Además, las capacidades de cifrado y autenticación aseguran la seguridad de las conversaciones de teléfono celular GSM y de las credenciales de identificación del abonado contra posibles escuchas clandestinas. Los aspectos de seguridad de GSM se describen en las recomendaciones GSM 02.09 (Aspectos de Seguridad), 02.17 (Módulos de Identidad del Abonado ó SIMs), 03.20 (Funciones de Red Relacionadas con la Seguridad) y 03.21 (Algoritmos Relacionados con la Seguridad). La seguridad en GSM consta de los siguientes aspectos: 1. Autenticación de la Identidad del Abonado. 2. Confidencialidad de la Identidad del Abonado. 3. Confidencialidad de los Datos de Señalización. 4. Confidencialidad de los Datos del Usuario. El abonado se le identifica de forma única utilizando la Identidad de Abonado Móvil Internacional (IMSI). Esta información junto con la clave individual de autenticación de abonado (Ki) constituyen las "credenciales de identificación" sensibles, análogas al ESN de los sistemas analógicos como AMPS y TACS. El diseño de los esquemas de cifrado y autenticación es tal que esta información sensible nunca se transmite por el canal de radio. En su lugar se utiliza un mecanismo de "desafío-respuesta" para realizar la autenticación.
160
El sistema GSM
Las conversaciones reales se cifran utilizando una clave temporal de cifrado generada aleatoriamente (Kc). La Estación Móvil se identifica por medio de la Identidad Temporal de Abonado Móvil (TMSI) que emite la red y puede cambiarse periódicamente, por ejemplo durante momentos de no intervención ó "Hand-Offs", para mayor seguridad. Los mecanismos de seguridad de GSM se implementan en tres elementos diferentes del sistema •
El Módulo de Identidad del Abonado (SIM).
•
El Aparato portátil GSM ó MS.
•
La Red GSM.
El SIM contiene la IMSI, la clave individual de autenticación del abonado (K i), el algoritmo de generación de claves de cifrado, denominado A8, el algoritmo de autenticación, denominado A3 y el Número de Identificación Personal ó PIN. El aparato GSM contiene el algoritmo de cifrado, denominado A5. Los algoritmos de cifrado A3, A5 y A8 también están presentes en la red GSM. El Centro de Autenticación (AUC) consta de una Base de Datos de Información de identificación y autenticación de abonados. Esta información consta de la IMSI, de la TMSI, de la Identidad de Area de Localización (LAI) y de la clave individual de autenticación de abonado para cada usuario. Esta distribución de credenciales de seguridad y de algoritmos de cifrado proporciona una medida adicional de seguridad para asegurar la privacidad de las conversaciones telefónicas celulares y la prevención de fraude en la telefonía celular.
161
El sistema GSM
Dentro de la red GSM, la información de seguridad se distribuye entre el AUC, el HLR0 y el VLR. El AUC es responsable de generar los conjuntos de RAND (Número aleatorio), SRES (Respuesta Firmada) y Kc (clave de cifrado temporal generada aleatoriamente) que se encuentran almacenados en el HLR y en el VLR para su utilización posterior en los procesos de autenticación y cifrado.
3.6.1. PROCESO DE AUTENTICACIÓN. La red GSM autentifica la identidad del abonado utilizando un mecanismo de "desafio-respuesta". Se envía a la estación móvil un número aleatorio de 128 bits denominado RAND. La estación móvil calcula la respuesta firmada de 32 bits denominada SRES (Signed Response) basándose en el cifrado del número aleatorio RAND con el algoritmo de autenticación A3 utilizando la clave individual de autenticación de abonado (Ki). Al recibir del abonado la SRES, la red GSM repite el cálculo para verificar la identidad del abonado. Nótese que la clave individual de autenticación de abonado (Ki) nunca se transmite sobre el canal de radio. Está presente en el SIM del abonado, así como en las bases de datos del AUC, HLR y VLR. Si la SRES recibida coincide con el valor calculado, la estación móvil ha sido autentificada con éxito y puede continuar. Si los valores no coinciden la conexión se termina y se indica un fallo de autenticación a la estación móvil. El cálculo de la respuesta firmada (SRES) se realiza dentro del SIM. Esto proporciona mayor seguridad, debido a que la información del abonado confidencial como la IMSI ó la clave individual de autenticación del abonado (K i) nunca salen del SIM durante el proceso de autenticación.
162
El sistema GSM
3.6.2. PROCESO DE CONFIDENCIALIDAD DE LOS DATOS Y SEÑALIZACION EN GSM. El SIM contiene el algoritmo de generación de claves de cifrado denominado A8 que se utiliza para producir la clave de cifrado (Kc) de 64 bits. La clave de cifrado se calcula aplicando el mismo número aleatorio RAND utilizado en el proceso de autenticación con el algoritmo de generación de la clave de cifrado A8 con la clave individual de autenticación de abonado (K i). La clave de cifrado (Kc) se utiliza para cifrar y descifrar los datos transmitidos entre la estación móvil y la estación base. Se proporciona un nivel adicional de seguridad al haber medios para cambiar la clave de cifrado, haciendo al sistema más resistente contra posibles "escuchas clandestinas". La clave de cifrado puede cambiarse a intervalos regulares según lo requieran las consideraciones de seguridad y diseño de red. De una manera similar al proceso de autenticación, el cálculo de la clave de cifrado (Kc) tiene lugar internamente dentro del SIM. Por tanto, la información sensible como la clave individual de autenticación de abonado (Ki) nunca la revela el SIM. Las comunicaciones de datos y voz cifradas entre la estación móvil y la red se realizan utilizando el algoritmo de cifrado A5. La comunicación cifrada se inicia por un comando de "petición de modo de cifrado" desde la red GSM. Al recibir este comando, la estación móvil empieza el cifrado y descifrado de datos utilizando el algoritmo de cifrado A5 y la clave de cifrado (Kc).
3.6.3. PROCESO DE CONFIDENCIALIDAD DE LA IDENTIDAD DEL ABONADO. Para asegurar la confidencialidad de la identidad del abonado se utiliza la TMSI. La TMSI se envía a la estación móvil después de que han tenido lugar los procedimientos de autenticación y cifrado. La estación móvil responde confirmando la recepción de la TMSI. La TMSI es válida en el área de localización
163
El sistema GSM
en la que fue emitida. Para comunicaciones fuera del área de localización, es necesario además de la TMSI, la LAI (Location Area Identification).
3.6.4. CONSIDERACIONES SOBRE EL ALGORITMO A5 DE CIFRADO GSM Y LOS ALGORITMOS A3 Y A8. El algoritmo A5 es un "cifrador en flujo" formado por tres LFSR (Linear Feedback Shift Registers) controlados por reloj de grados 19, 22 y 23. El control de reloj es una función "thereshold" (ó umbral) de los bits del medio de cada uno de los tres registros desplazamiento. La suma de los grados de los tres registros es 64. La clave de sesión de 64 bits se utiliza para inicializar los contenidos de los registros desplazamiento. El número de trama TDMA de 22 bits se alimenta en los registros desplazamiento. Se generan dos corrientes de claves de 114 bits para cada trama TDMA que son operados con XOR con los canales de tráfico Uplink y Downlink. En un principio el algoritmo A5 tuvo una longitud de clave "efectiva" de 40 bits, posteriormente 64 bits y en un futuro próximo 128 bits. Los algoritmos A3 y A8 de GSM son funciones unidireccionales "hash" dependientes de la clave. Los algoritmos A3 y A8 de GSM son similares en funcionalidad y se implementan como un único algoritmo denominado COMP128.
164
Que es GPRS?
QUÉ ES GPRS? Hoy en día el número de usuarios de telefonía móvil y de usuarios de Internet ha crecido de una manera increíble. Debido a esto era inevitable que en algún momento ambos mundos se fusionarán. El sistema GSM es el sistema de comunicación de móviles digital de 2ª generación basado en células de radio. Apareció para dar respuestas a los problemas de los sistemas analógicos. Fue diseñado para la transmisión de voz por lo que se basa en la conmutación de circuitos. Al realizar la transmisión mediante conmutación de circuitos los recursos quedan ocupados durante toda la comunicación y la tarificación es por tiempo. La velocidad de transmisión de datos con esta tecnología está limitada a 9.6Kbps, además de que el establecimiento de la llamada de datos es muy largo. Las tradicionales redes GSM no se adaptan adecuadamente a las necesidades de transmisión de datos con terminales móviles. Por ello surge una nueva tecnología portadora denominada GPRS (General Packet Radio Services) que unifica el mundo IP con el mundo de la telefonía móvil, creándose toda una red paralela a la red GSM y orientada exclusivamente a la transmisión de datos. 4.1. INTRODUCCIÓN A GPRS. GPRS es una nueva tecnología que comparte el rango de frecuencias de la red GSM utilizando una transmisión de datos por medio de 'paquetes'. La conmutación de paquetes es un procedimiento más adecuado para transmitir datos, hasta ahora los datos se habían transmitido mediante conmutación de circuitos, procedimiento más adecuado para la transmisión de voz.
165
Que es GPRS?
GPRS es un servicio de valor agregado que permite el envío y recepción de datos a través de una red celular. Con GPRS la conexión es permanente, lo cual permite la transmisión de información en cualquier lugar y momento. Esta tecnología, dentro del entorno de la telefonía móvil, también se conoce como Generación 2.5 (2.5G). Es un sistema de transmisión que funciona en el entorno de la telefonía móvil y que permite, gracias a la utilización de paquetes de información, que un mismo usuario utilice más de un canal simultáneamente, lo que se traduce en una mayor velocidad efectiva de transmisión de datos. Las siglas GPRS corresponden a General Packet Radio Services (Servicio General
de
Paquetes
por
Radio).
Es
un
estándar
del
European
Telecommunications Standards Institute (ETSI). Se basa en la conmutación de paquetes realizando la transmisión sobre la red GSM que actualmente se utiliza. Al sistema GPRS se le conoce también como GSM-IP ya que usa la tecnología IP (Internet Protocol) para acceder directamente a los proveedores de contenidos de Internet. En GSM, cuando se realiza una llamada se asigna un canal de comunicación al usuario, que permanecerá asignado aunque no se envíen datos. En GPRS los canales
de
comunicación
se
comparten
entre
los
distintos
usuarios
dinámicamente, de modo que un usuario sólo tiene asignado un canal cuando se está realmente transmitiendo datos. Para utilizar GPRS se precisa un teléfono que soporte esta tecnología. La mayoría de estos terminales soportarán también GSM, por lo que podrá realizar sus llamadas de voz utilizando la red GSM de modo habitual y sus llamadas de datos (conexión a Internet, WAP) tanto con GSM como con GPRS.
166
Que es GPRS?
La tecnología GPRS, o generación 2.5, representa un paso más hacia los sistemas inalámbricos de Tercera Generación o UMTS. Su principal característica radica en la posibilidad de disponer de un terminal permanentemente conectado, tarificando únicamente por el volumen de datos transferidos (enviados y recibidos) y no por el tiempo de conexión. Tradicionalmente la transmisión de datos inalámbrica se ha venido realizando utilizando un canal dedicado GSM a una velocidad máxima de 9.6Kbps. Con GPRS no sólo la velocidad de transmisión de datos se ve aumentada hasta un mínimo 40Kbps y un máximo de 115Kbps por comunicación, sino que además la tecnología utilizada permite compartir cada canal por varios usuarios, mejorando así la eficiencia en la utilización de los recursos de red. GPRS es una evolución no traumática de la actual red GSM. No conlleva grandes inversiones y reutiliza parte de las infraestructuras actuales de GSM. Por este motivo, GPRS tendrá, desde sus inicios, la misma cobertura que la actual red GSM. GPRS es una tecnología que subsana las deficiencias de GSM 4.1.1. CARACTERÍSTICAS Y VENTAJAS DE GPRS. Al igual que en IP, GPRS se caracteriza por estar basada en paquetes, cada paquete puede tener una longitud variable, dependiendo de los recursos disponibles, pero con un máximo de 1.5Kbytes. Además utiliza direcciones estáticas/dinámicas (DNS). El medio de transmisión es compartido entre los usuarios que hagan uso de él y soporta cualquier tipo de aplicación IP. Como hemos visto, el sistema GSM no se adapta del todo bien a la transmisión de datos, por lo cual las características de GPRS que lo hacen diferente de GSM son:
167
Que es GPRS?
-
Velocidad de transferencia de hasta 144Kbps.
-
Conexión permanente. Tiempo de establecimiento de conexión
inferior al segundo. -
Pago por cantidad de información transmitida, no por tiempo de
conexión. Veamos unos ejemplos de los tamaños de información que descargaríamos: 1.
Envío de un E-mail de 5 líneas de texto con un anexo
(documento tipo de Word de 4 páginas), consumiría alrededor de 95kbytes. 2.
Acceder a un buscador, buscar un término (p.e. viajes) y
recibir una pantalla de respuesta podría ocupar 100kbytes aproximadamente. 3.
Recibir una hoja de cálculo (documento tipo Excel de 5
hojas), consumiría aproximadamente 250Kbytes. 4.
Bajarse una presentación (documento tipo PowerPoint de
20 diapositivas y con fotos) equivale a unos 1.000Kbytes. Como vemos estas características se amoldan mucho mejor para la transmisión de datos que el tradicional sistema GSM. Las ventajas que obtiene el usuario con el sistema GPRS son consecuencia directa de las características vistas: •
“Always connected". Un usuario GPRS puede estar conectado todo
el tiempo que desee, puesto que no hace uso de recursos de red (y por tanto no paga) mientras no esté recibiendo ni transmitiendo datos.
168
Que es GPRS?
•
Tarificación por volumen de datos transferidos, en lugar de por
tiempo. •
Costo nulo de establecimiento de conexión a la red GPRS, frente a
los quantum de conexión existentes actualmente en GSM. •
Mayor velocidad de transmisión. En GSM sólo se puede tener un
canal asignado (un timeslot), sin embargo, en GPRS, se pueden tener varios canales asignados, tanto en el sentido de transmisión del móvil a la estación base como de la estación base al móvil. La velocidad de transmisión aumentará con el número de canales asignados. Además, GPRS permite el uso de esquemas de codificación de datos que permiten una velocidad de transferencia de datos mayor que en GSM. •
Posibilidad de realizar/recibir llamadas de voz mientras se está
conectado o utilizando cualquiera de los servicios disponibles con esta tecnología. •
Modo de transmisión asimétrico, más adaptado al tipo de tráfico de
navegación HTML o WML. Una terminal GPRS 4+1 (4 slots Downlink y 1 Uplink) tendrá cuatro veces mayor capacidad de transmisión de bajada que de subida.
4.2. SERVICIOS Y APLICACIONES. 4.2.1. SERVICIOS. Los servicios que es posible establecer sobre GPRS como medio de acceso, vienen determinados por sus características técnicas. GPRS proporciona un servicio portador de datos entre un MS y otro terminal, conectado a una red GPRS o a una red externa de transmisión de datos (PDN),
169
Que es GPRS?
El servicio GPRS pone a disposición de sus usuarios dos tipologías de servicio diferentes: •
Basados en protocolos estándar. o TCP/IP (Internet/Intranet, FTP, E-mail, Telnet). o X.25
(PAD
–
Packet
Assembler/Disassembler
-
Ensamblador/Desensamblador de Paquetes). •
Basados en protocolos GPRS. o PTP (Point to Point – Punto a Punto): Servicio en el que el usuario envía uno o más paquetes a un único destinatario. Sistema de pago en peaje, sistemas de control de flotas, trenes, telemetría, equipos de monitoreo, etc. En relación a las modalidades con las que la conexión punto-punto es gestionada se pueden localizar dos clases de servicios punto-punto:
Connection Less PTP Services. Un servicio PTP CLNS es un servicio no orientado a conexión en el que dos paquetes sucesivos son independientes entre ellos; por tanto, es como si cada uno de los paquetes formase parte de una comunicación en sí misma. Un servicio con esta característica se define como un servicio de datagrama y puede ser útil para soportar aplicaciones bursty de tipo no interactivo.
Connection Oriented PTP Services. Un servicio PTP CONS es, por el contrario, un servicio orientado a conexión en el que se establece una relación lógica entre la fuente y el destinatario de los paquetes, relación que permanece activa durante el tiempo total de la conexión; el servicio es, por lo
170
Que es GPRS?
tanto, un circuito virtual, es decir, en la fase de set-up de la conexión se establece un recorrido para el routing de los paquetes, con la diferencia de que, respecto a una conexión por conmutación del circuito, los recursos físicos se liberan en cuanto el paquete genérico se ha transmitido, manteniendo la conexión lógica. Las aplicaciones que se adaptan bien a un servicio
bearer
(portador)
de
este
tipo
son
aquellas
interactivas o transacionales, en las que se mantiene un diálogo contínuo entre las dos entidades en comunicación. o PTM (Point to Multipoint – Punto a Multipunto). Los servicios PTM, al contrario de los servicios PTP, implican a más de un usuario destinatario y, como se verá sucesivamente, el envío de los paquetes se ejecuta en base geográfica. Obviamente el servicio bearer PTM no puede implicar como usuarios destinatarios de paquetes a los usuarios de las redes interconectadas a la GPRS PLMN, sino sólo a usuarios de móviles. Información del tiempo (clima), tráfico, noticias, mensajería, anuncios, etc. Permite la transmisión de un paquete a múltiples suscriptores:
PTM-M: Multicast. El mensaje es enviado a todos los suscriptores en una determinada área geográfica.
PTM-G: Group Calls (Grupos de llamada). El mensaje es enviado sólo a un conjunto de usuarios identificados con una dirección de grupo.
o SMS.
GPRS actúa como servicio portador.
171
Que es GPRS?
Servicios suplementarios: •
CFU (Call Forwarding Unconditional – Envío de Llamada Incondicional), CFNR (Call Forwarding on Not Reachable – Envío de Llamada No Extensa), CUG (Closed User Group – Grupo Cerrado de Usuarios), AoC (Advice of Charge – Consejo de Cargo).
•
Servicio
Anonymous:
Acceso
anonymous
para
servicios predefinidos. La tabla 4.1. resume las configuraciones posibles en base al punto de acceso (fijo/móvil) del destinatario de los paquetes.
Remitente / Destinatario Fijo/Móvil Móvil/Móvil Móvil/Fijo
Servicio PTP soportado soportado no aplicable
Servicio PTM Soportado soportado no aplicable
Tabla. 4.1. Configuraciones de destinatario.
4.2.2. APLICACIONES. Hay un conjunto de aplicaciones para las que es especialmente adecuado GPRS: las que requieren elevados períodos de conexión durante los cuales la propia red a la que se esté conectado puede iniciar acciones de envío de cualquier tipo de información hacia el usuario. Se trata de aprovechar la tarificación por volumen de datos transmitidos y no por tiempo. Como consecuencia, se puede dejar la conexión establecida sin costo alguno o incluso permitir que sea la red GPRS la que se conecte al usuario sin petición previa por parte de éste (servicios push). Esto abre un nuevo abanico de posibilidades en servicios como pueden ser Chat o mensajería instantánea. 172
Que es GPRS?
Algunas de las aplicaciones más usadas se describen a continuación: •
Información. Noticias, deportes, tráfico, el tiempo (clima), finanzas, recetas, viajes, etc.
Fig. 4.1. Información.
•
Directorio. Páginas amarillas, páginas blancas, restaurantes, cines, servicios.
•
Comunicación.
o
Correo Electrónico (E-Mail). La nueva tecnología permite la utilización desde dispositivos móviles (p.e un Notebook) del sistema de correo electrónico que la empresa tenga implantado (Microsoft Mail, Outlook Express, Microsoft Exchange, Lotus Notes, etc.). De esta forma y gracias a la característica de conexión permanente de GPRS (always on), el usuario puede acceder a su correo, leerlo y contestarlo como si estuviera en la oficina.
173
Que es GPRS? o
Mensajes
Cortos. Una amplia gama de información
puede
entregarse a usuarios telefónicos móviles como pueden ser: cotizaciones, clima, vuelos, noticias, resultados deportivos y de la lotería, chistes, horóscopos, tráfico, etc. Esta necesidad de información no necesariamente es textual, pueden ser mapas, gráficos u otros tipos de información visual. La longitud de un mensaje corto es de 160 caracteres. GPRS probablemente usará los servicios de información cualitativos (horóscopo, noticias, etc.), cuando los usuarios terminales tengan los dispositivos GPRS correspondientes; pero, SMS continuará siendo usado
para
entregar
servicios
de
información
cuantitativos
(cotizaciones, resultados deportivos, clima, etc.)
o
CHAT (charla). Puede distinguirse de los servicios de información generales porque la fuente de información es una persona charlando. La "intensidad de información" (cantidad de información transferida por mensaje) tiende a ser más bajo con el Chat. De la misma manera que Internet, los grupos de Chat han demostrado una aplicación muy popular de Internet, grupo de personas con un mismo parecer (llamados comunidades de interés) han empezado a usar los servicios móviles non-voice como un medio para charlar, comunicar y discutir. Debido a su sinergia con el Internet, GPRS le permitirá a los usuarios móviles participar totalmente en Internet existiendo grupos de charla en lugar de necesitar crear sus propios grupos dedicados a los usuarios móviles.
174
Que es GPRS?
Fig. 4.2. CHAT. •
Navegación Geográfica. Basado también en la identificación de la ubicación del usuario, se están desarrollando nuevas soluciones de gran utilidad en los casos de desplazamiento por zonas no conocidas, como por ejemplo:
•
o
Búsqueda de direcciones.
o
Sugerencia de itinerarios.
o
Guía de carreteras.
Comercio Electrónico Móvil (M-Commerce). Se denomina Comercio Electrónico Móvil al conjunto de transacciones de valor económico cuantificable, que se realizan mediante procedimientos telemáticos (el terminal móvil ya no es un medio para acceder a un canal, sino que forma parte intrínseca de un proceso telemático) sobre redes móviles, y todos aquellos procesos que las potencian y facilitan.
o
Compra de bienes y servicios.
o
Reserva de entradas.
175
Que es GPRS?
Fig. 4.3. M-Commerce. •
Financieros. Banca móvil, transacciones bursátiles.
•
Localización. Esta aplicación integra sistemas de posicionamiento satelital que indican a las personas a través de servicios móviles nonvoice donde se encuentran. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es una red global de uso libre de 24 satélites trabajando para el Departamento de Defensa de E.U. Cualquiera con un receptor de GPS puede recibir su posición satelital. Esta aplicación también se emplea para servicios vehiculares como son: diagnósticos remotos, asistencia en el camino, rastreo de vehículo robado, etc. El SMS es ideal para enviar información de posición GPS como longitud, latitud y altitud. Las coordenadas de GPS son típicamente de 60 caracteres en longitud. GPRS podría usarse alternativamente.
176
Que es GPRS?
Fig. 4.4. Localización. •
Navegación por Internet. El incremento en la velocidad de transmisión que la tecnología GPRS aporta permite comenzar a utilizar dispositivos móviles como
Notebooks
para
la
navegación
por
Internet,
utilizando
los
navegadores estándar conocidos. Un caso especial lo constituye la navegación a través de teléfonos portátiles, utilizando el formato adecuado para este tipo de dispositivos de pequeño tamaño (formato WAP). Aunque el número de direcciones disponibles en este formato aún es limitado, el progreso de las capacidades gráficas de los móviles hará que este tipo de navegación adquiera una importancia creciente en el futuro. Pagando sólo por el volumen de datos transmitidos y recibidos y no por el tiempo de conexión.
Fig. 4.5. Navegación por Internet. •
Multimedia. Constituyen una de las puntas de lanza de las redes de datos de gran ancho de banda, ya que constituyen un factor diferencial frente a los que pueden proporcionar otros tipos de redes. GPRS permite usar algunas de estas aplicaciones pero, debido a sus características de retardo y ancho de banda, no todas ellas tienen un rendimiento adecuado ni resultan lo suficientemente interesantes. Se pueden citar algunas de estas aplicaciones:
177
Que es GPRS?
o
Servicios de audio y video. Son servicios de tiempo real cuyo factor clave es la anchura de banda.
o
Multimedia interactivo (videoconferencia).
o
Servicios de entretenimiento.
o
Juegos interactivos.
Fig. 4.6. Multimedia. •
Telemáticos. Los nuevos usuarios de telefonía móvil pasan a ser máquinas que utilizan las redes móviles y los servicios ofrecidos por el operador para intercambiar información entre sí. En algunos casos, es posible la interacción del hombre con la máquina, pero con una finalidad diferente a la planteada hasta hoy: la utilización del terminal móvil como un elemento de control remoto y supervisión de las máquinas.
•
Transferencia de archivos. Adicionalmente, el incremento de velocidad de transmisión permite abordar la transmisión en movilidad de cualquier tipo de archivo conteniendo textos, presentaciones, documentos, hojas de cálculo, etc., en cualquiera de sus variantes y formatos (FTP, Telnet, Java, HTTP, etc.).
178
Que es GPRS?
Fig. 4.7. Transferencia de archivos. •
Acceder en movilidad a la Intranet corporativa.
o
GPRS permite utilizar desde un dispositivo móvil (Ordenador portátil, PDA o el propio móvil) los sistemas de correo electrónico de la empresa (Microsoft Mail, Outlook Express, Microsoft Exchange, Lotus Notes, etc.).
o
El usuario puede acceder en movilidad a su correo corporativo, leerlo y contestarlo como si estuviera en la oficina.
Fig. 4.8. Intranet. •
Acceso a bases de datos y aplicaciones corporativas desde un dispositivo móvil.
179
Que es GPRS? o
Gestión de Fuerza de Ventas. Consulta de estados de pedidos,
consulta
de
catálogos,
consulta
de
stocks,
información relativa a los clientes desde cualquier lugar.
o
Gestión de equipos de trabajo que operan fuera de la empresa (equipos de mantenimiento, supervisión, reparto). Con GPRS se pueden enviar avisos, obtener información detallada sobre envíos o reparaciones desde cualquier lugar.
•
Acceso GPRS a aplicaciones WAP para uso empresariales (a través del servicio WAP).
o
Agenda, directorios, tarjetas de visita, E-mail, tareas, envío de Fax, gestión de equipos.
Fig. 4.9 WAP. •
Multimedia Cards. Para disponer de mayor capacidad de almacenamiento surgen las tarjetas de memoria que van incorporadas en los terminales de forma externa. Almacenan ficheros de usuario del cliente, como juegos, canciones MP3, ficheros de vídeo, etc. Actualmente llegan hasta 64MBytes, se prevé lleguen a varios Gbytes.
180
Que es GPRS?
Fig. 4.10. Multimedia CARDS.
4.3. ARQUITECTURA DE RED EN GPRS. Como GPRS es un nuevo servicio de GSM, la infraestructura existente GSM es reutilizada con algunas modificaciones. Los elementos de red existentes en la red GSM solamente necesitan una actualización de software, excepto la BSC que necesita una actualización de hardware. GPRS es implementado sobre la estructura de red de GSM a través de la instalación de dos nuevos nodos: el Serving GPRS Support Node (SGSN), el cual está en el mismo nivel jerárquico que el MSC/VLR, y el Gateway GPRS Support Node (GGSN) que está al mismo nivel jerárquico que el GMSC. Además son introducidas nuevas interfaces. Estos elementos proporcionan al sistema la capacidad de conmutación de circuitos, y son conocidos como la red GPRS.
Fig. 4.11. Arquitectura de red GPRS.
181
Que es GPRS?
4.3.1. BASE STATION SYSTEM (BSS). El sistema GPRS se comunica a través del aire con el MS usando señales de radio transmitidas y recibidas por un BSS. El BSS maneja la transmisión y recepción de señales de radio para la comunicación de voz y datos por circuito y paquetes de datos. El BSS esta compuesto por el Base Station Controller (BSC) y la Base Transceiver Station (BTS). El BSS se utiliza para separar los datos de circuito y de paquetes, así que solamente las llamadas por circuito son reenviadas al MSC y el paquete de datos es reenviado a los nuevos nodos de conmutación de paquetes GPRS. 4.3.1.1. BASE STATION CONTROLLER (BSC). Para poder implementar GPRS en la BSC se requiere de nuevo hardware, llamado Unidad de Control de Paquetes (PCU). El PCU es el responsable del manejo de recursos de radio para paquetes de datos GPRS en la BSS. En particular el PCU es responsable del manejo de las capas de control de acceso medio (MAC) y el control de enlace de radio (RLC) de la interfaz de radio y el BSSGP y las capas de servicio de red de la interfaz Gb. La interfaz Gb está conectada al PCU. Esta nueva interfaz, la Gb, es introducida entre el PCU (BSC) y el SGSN. La interfaz A-bis es reutilizada para GPRS permitiendo así la conmutación de circuitos y tráfico GPRS.
182
Que es GPRS?
Fig. 4.12. Estructura de BSS e interfaces. 4.3.1.2. BASE TRANSCEIVER STATION (BTS). GPRS se implementa en la BTS por medio de una actualización de software, así que no es necesario instalar nuevas BTS’s. La necesidad de actualizar solo el software es para permitir una rápida introducción con cobertura completa. 4.3.2. CIRCUIT SWITCHING SYSTEM (CSS). El CSS es el tradicional sistema GSM, incluyendo los siguientes nodos: 4.3.2.1. MOBILE SERVICE SWITCHING CENTER (MSC)/VISITOR LOCATION REGISTER (VLR). El MSC realiza las funciones de conmutación telefónica del sistema de conmutación de circuitos GSM. Controla las llamadas hacia y desde otros sistemas de telefonía y datos.
183
Que es GPRS?
El MSC requiere una actualización de software para permitir la combinación de procedimientos GSM/GPRS como el attach de IMSI/GPRS. 4.3.2.2. GATEWAY MOBILE SERVICE SWITCHING CENTER (GMSC). El GMSC cambia las llamadas de conmutación de circuitos entre la red de conmutación de circuitos GSM y la PSTN, que es la red de telefonía fija. El GMSC no es afectado por el sistema GPRS. 4.3.2.3. HOME LOCATION REGISTER (HLR). El actual HLR es reusado para GPRS. Contiene datos sobre la suscripción GPRS e información de ruteo. La información del HLR es accesible desde el SGSN. Guarda información para la comunicación por conmutación de circuitos (CS) y para conmutación por paquetes (PS). Para el Roaming, el HLR puede estar en una PLMN diferente de donde se encuentra el SGSN. Contiene información, como por ejemplo, de servicios suplementarios, parámetros de autenticación y si el suscriptor tiene permitido o no la comunicación de paquetes. En suma, el HLR contiene información sobre la localización del MS. Para GPRS, la información del suscriptor es intercambiada entre el HLR y el SGSN No se necesita nuevo hardware para el HLR, solo se necesita actualizar el software para soportar los servicios GPRS y datos específicos como:
Network Access Mode (NAM).
Registros de suscripción.
Soporte de SMS sobre GPRS.
Soporte para combinar los procesos de actualización de localización desde el SGSN.
184
Que es GPRS?
El modo de acceso a la red (NAM) de el suscriptor es añadida al registro este en el HLR. Determina el tipo de transmisión que el suscriptor tiene permitido realizar. El NAM de un suscriptor determina si el suscriptor está registrado para acceder a redes GPRS únicamente, a redes no-GPRS, o a ambas. El HLR guarda información para la autenticación y cifrado desde el AUC, y se la proporciona al SGSN cuando le es solicitada. Para la transmisión de datos en el modo de paquetes el suscriptor necesita acceso a la red GPRS, para esto, se le debe permitir estar temporalmente registrado en un SGSN. El IMSI de un suscriptor que tiene acceso a la red GPRS puede estar asociado a su dirección de Packet Data Protocol (PDP). El PDP contiene información describiendo la conexión entre un MS y una red externa. Los elementos de un registro de suscripción PDP son: -
Access Point Name. Es utilizado para determinar cual GGSN usar.
-
Tipo de PDP. Indica que tipo de protocolo usa el abonado móvil. Este es siempre IPv.4
-
Dirección PDP. Este parámetro indica la dirección IP. Aquí se debe de distinguir entre: o Direccionamiento dinámico PDP. La dirección PDP asociada con el Id del usuario móvil es asignada por demanda. o Direccionamiento estático PDP. La dirección PDP es asignada en el contexto PDP de suscripción y es guardada en el HLR por el operador local de la PLMN.
-
Visitor PLMN (VPLMN) Address Allowed Flag. Especifica si el MS tiene permitido usar un APN solamente en el dominio de una PLMN local o también un APN en el dominio de una PLMN visitada.
185
Que es GPRS? -
Calidad de Servicio (QoS). Es el conjunto de parámetros que pueden ser directamente observados y medidos en el punto donde el usuario accesa al servicio.
4.3.2.4. AUTENTICATION CENTER (AUC). La autenticación para GPRS es la misma que en GSM. El cambio en la seguridad para GPRS es relacionada con la cifración. Este cambio no necesita una actualización en el AUC. 4.3.2.5. SHORT MESSAGE SERVICE-INTERWORKING MSC (SMS-IW-MSC). Permite a un móvil GPRS enviar SMS a través de canales de radio GPRS. 4.3.2.6. SHORT MESSAGE SERVICE GATEWAY MSC (SMS-GMSC). Permite a un móvil GPRS recibir SMS a través de los canales de radio GPRS. 4.3.3. PACKET SWITCHING SYSTEM (PSS). El PSS es nuevo dentro de la estructura de red, está diseñado para la conmutación de paquetes basado en IP. Incluye nuevos nodos de conmutación de paquetes, comúnmente conocidos como GSN’s (GPRS Support Nodes). Actualmente hay dos tipos de GSN: Serving GPRS Support Node (SGSN) y el Gateway GPRS Support Node (GGSN). El SGSN se conecta con los nodos estándar de GSM, como la MSC/BSC, y el GGSN se conecta hacia las redes externas de paquetes de datos como Internet e Intranets corporativas.
186
Que es GPRS?
4.3.3.1. SERVING GPRS SUPPORT NODE (SGSN). El SGSN es un componente básico en la red GSM cuando se usa GPRS. Este nuevo nodo reenvía los paquetes IP entrantes y salientes direccionados desde/hacia un MS que esté sujeto dentro del área de servicio del SGSN. El SGSN maneja el ruteo y transferencia de paquetes desde y hacia el área de servicio del SGSN. Sirve a todos los suscriptores que están localizados físicamente dentro del área de servicio del SGSN. Un abonado GPRS puede ser atendido por cualquier SGSN de la red GPRS, todo depende de su localización. El tráfico es ruteado desde el SGSN hacia la BSC, por medio de la BTS a la estación móvil. 4.3.3.2. GATEWAY GPRS SUPPORT NODE (GGSN). El GGSN es el segundo tipo nuevo de nodo introducido para el manejo de las conexiones GPRS. El GGSN maneja la interfaz hacia la red de paquetes externa IP y actúa como un ruteador para las direcciones IP de todos los abonados GPRS en la red. 4.3.4. TERMINALES. El objetivo fundamental de los terminales móviles GSM es el uso de la voz. Por ello las características de estos teléfonos han ido convergiendo hacia un menor tamaño, siendo el diseño una prioridad creciente. GPRS supone una ruptura en esta tendencia. La adecuación de los terminales al uso de datos en movilidad implica la necesidad de características típicas de la informática personal: pantallas de color de alta resolución, navegación por iconos, sistemas operativos y programas potentes y compatibles.
187
Que es GPRS?
Los terminales GPRS presentan las siguientes características comunes: •
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 13.4Kbits (en GSM sólo 9Kbits).
•
Tarjeta SIM. La tarjeta SIM es la misma que para GSM. No es preciso cambiar de tarjeta para usar GPRS.
La introducción de un servicio de datos por conmutación de paquetes, como es el GPRS,
no
asegura
a
los
usuarios
GSM
la
posibilidad
de
disfrutar
contemporáneamente de servicios por conmutación de circuitos (voz, datos). Naturalmente el uso contemporáneo de dos servicios puede llevar a una degradación de las prestaciones, en términos de throughput, de la llamada GPRS. Con este propósito se definen tres clases de servicio según el terminal: •
Clase A. Terminales duales GSM/GPRS con posibilidad de manejar simultáneamente ambos tipos de tráfico (voz y datos).1 timeslot para GSM y 1 o más timeslots para GPRS. No hay degradación de ninguno de los dos servicios.
Fig. 4.13. Terminal Clase A.
188
Que es GPRS?
•
Clase B. Terminales duales con configuración automática GSM/GPRS (no simultáneos) en función del tráfico demandado (si se demanda voz para la transmisión de datos, reanudándose ésta posteriormente en el punto donde se encontraba). Uno de los dos está en espera mientras el otro está activo. Prioridad para GSM. Degradación de QoS sólo para GPRS.
Fig. 4.14. Terminal Clase B. •
Clase C. Terminales exclusivos GPRS o duales con configuración manual (voz o datos). No hay uso simultáneo.
Un móvil de clase B 4+1 nos permite tener 4 timeslots en recepción y un timeslot en transmisión. Así que podemos recibir hasta 40Kbps y transmitir a 10Kbps. Lo normal es recibir más cantidad de datos de los que transmitimos. Además la transmisión gasta más batería que la recepción. En la tabla 4.2. se indica lo que ocurre en la estación móvil cuando ésta recibe una llamada GPRS, mientras está ocupada con una llamada por conmutación de circuito en relación a la clase de servicio de la MS. CLASE A CLASE B PTP-CONS aceptada aceptada con perjuicio PTP-CLNS aceptada aceptada con perjuicio PTM aceptada aceptada con perjuicio
CLASE C rechazada rechazada rechazada
Tabla 4.2. Clases de terminal.
189
Que es GPRS?
Los beneficios que la tecnología GPRS aporta supone la necesidad de subir un escalón en la gama de teléfonos móviles, utilizando modelos más potentes que los actuales para que puedan manejar conjuntamente datos y voz, y que estén diseñados pensando en la funcionalidad requerida para servicios de datos. Por ello, está próximo un cambio de tendencia en los terminales que irán desarrollando cada vez más capacidades de representación de la información con mayores pantallas, formas diferentes a las hoy conocidas y especialización de terminales según su uso: preferentemente voz; o voz y datos; o preferentemente datos. Así, veremos a corto plazo cinco tipos de terminales GPRS que irán desarrollando capacidades adicionales a medida que la tecnología vaya avanzando: 1. Teléfonos móviles similares a los actuales con visor cada vez mayor y con mejor resolución. Estos terminales permitirán el uso de información escrita o gráfica de forma resumida. Además actuarán de Módem inalámbrico cuando se conectan a un ordenador portátil o de escritorio. 2. Terminales tipo agenda electrónica con funciones mixtas de voz y datos, que dispondrán de pantallas de mayor tamaño y capacidad gráfica, con un formato similar a los teléfonos móviles. 3. Terminales tipo Organizador Personal Digital (PDA - Personal Digital Assistant) con pantalla plana en color de mayor formato y gran capacidad gráfica. 4. Ordenadores portátiles que utilicen para su conexión inalámbrica un teléfono móvil GPRS o una tarjeta PCMCIA con capacidad de comunicación móvil.
190
Que es GPRS?
5. Otros dispositivos muy diversos que utilizarán comunicación móvil y que estarán adaptados a una función muy especializada como sistemas de navegación en los coches, tarjetas de comunicación inalámbrica en máquinas autoservicio, dispositivos de telemetría y telecontrol industrial, etc. 4.3.4.1. ESTADOS OPERATIVOS DEL TERMINAL. Los estados del terminal (móvil) nos describen: La funcionalidad del móvil y la Información almacenada en el contexto MM (Mobility Management Functions). Con relación a MM, un usuario GPRS se puede encontrar en uno de tres estados posibles. Cada estado describe un tipo de funcionalidad e información almacenada. La información se denomina contexto MM y es almacenada en el MS y en SGSN. Estos estados son: •
Inactivo (IDLE). Se trata del estado en que un usuario GPRS no se encuentra registrado en GPRS MM, y por tanto no resulta alcanzable. El MS sólo puede recibir paquetes PTM-M (Point to Multipoint- Multicast).
•
En espera (STANDBY). Es el caso en que un usuario GPRS está registrado en GPRS MM. El MS y el SGSN tienen establecido un contexto MM asociado al IMSI del usuario. El MS sólo puede recibir page o señalización. El MS puede activar o desactivar un contexto PDP.
•
Activo (READY). Se refiere a la información de localización en el contexto MM SGSN e indica la celda donde se encuentra el MS. El MS puede enviar y recibir PDP PDU, así como desactivar un contexto PDP o activar uno nuevo.
191
Que es GPRS?
Fig. 4.15. Estados del terminal. La transición del estado Idle al estado Standby prevé la puesta en marcha de las siguientes funciones: •
La MS GPRS ejecuta el acceso al servicio (para solicitar una conexión o bien para responder a un requerimiento por parte de la red).
•
Autenticación de la MS GPRS.
•
Set Up de una conexión virtual end to end entre el que llama y el llamado (esta función es ejecutada sólo cuando es solicitado un servicio PTP CONS).
La transición inversa, de Standby a Idle, prevé que, ya sea la MS o el nodo GSN al que ésta está conectada, borren las informaciones que caracterizan la conexión lógica MS/GSN y que sintetizadamente serán denominadas durante el contexto de la conexión. En Standby se ejecutan las siguientes funciones: •
Actualización del contexto memorizado por la HSN (Home GPRS Support Node).
192
Que es GPRS? •
Gestión de la conexión lógica entre el móvil y el VSN (Visited GPRS Support Node).
•
Gestión de movilidad del usuario GPRS.
La transición entre el estado de Standby y el estado Activo prevé que sea actualizada, en el contexto de la conexión, la variable que describe el estado de la estación móvil; esta operación tiene lugar al arrancar un timer que tiene la misión de desactivar automáticamente la conexión en cuanto pase un intervalo de tiempo preestablecido, cuya duración, de todos modos, puede ser negociada entre el usuario y la red. En el estado Activo se ejecutan las siguientes funciones: Recogida de informaciones necesarias para la tarificación de la llamada: •
Encapsulamiento de los PDU (Protocol Data Unit) en un frame GPRS (función G-Relay).
•
Encapsulamiento de los PDU en un frame GPRS (función G-Relay).
•
Routing de lo paquetes (función PRT, Packet Routing and Transfer).
•
Transmisión de paquetes en el interfaz de radio.
A continuación se describen las principales funciones cuya invocación determina las transiciones de estado especificadas anteriormente. Transición Idle/Standby. Esta transición, como ya se ha apuntado, puede ser originada por una petición de servicio por parte del móvil o por efecto de una llamada de datos dirigida al móvil. En el segundo caso, cuando el HSN recibe un PDU, es interrogado el GPRS register de modo que desde la dirección de destino del PDU se
pueda
remontar
al
IMSI
(International
Mobile
Subscriber
Identity)
correspondiente; después, el HSN envía a un Gateway MSC un mensaje MAP,
193
Que es GPRS?
que contiene como parámetro el IMSI, con el que vuelve a solicitar la interrogación del HLR (Home Location Register) para la recuperación del Roaming Number del móvil. Determinado el VMSC (Visited Mobile Switching Center) en cuya área se encuentra el móvil en modo Idle, el mensaje recibido Gateway MSC envía a tal VMSC un mensaje MAP que contiene el IMSI del móvil; recibido el mensaje MAP, el VMSC inicia el procedimiento de paging del móvil. El móvil accede al RACCH (Random Access Channel) para responder al paging y, una vez recibida en el canal AGCH (Access Grant Channel) la información relativa al canal SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) asignado por la BSS (Base Station SubSystem), envía una petición de acceso al servicio GPRS. La autentificación del usuario ocurre en base a los parámetros memorizados en el VLR, así como la ejecución del procedimiento de cifrado de las informaciones del usuario. La función de cifrado es una función de nivel uno para los servicios por conmutación del circuito de GSM, mientras que para el GPRS dicha función pertenece a un nivel más alto. Como se verá más adelante, para transferir los PDU desde el nodo GSN al móvil se necesita el encapsulamiento de los paquetes en tramos GPRS, cada una de las cuales está constituida por un encabezado y un SDU (Service Data Unit) que no es más que el PDU oportunamente cifrado, si ha sido seleccionado el modo de transmisión cifrado. El modo de transmisión cifrado, desde la óptica GPRS, ve, por tanto, el intercambio de paquetes por el contenido cifrado entre el nodo GSN y el móvil, mientras en los servicios del GSM el cifrado es utilizado sólo en el interfaz de radio. El control y la petición del procedimiento de cifrado, de todas formas, son tarea de la red.
194
Que es GPRS?
Una tarea posterior del nodo GSN es la de asignar y comunicar a la estación móvil un identificador lógico que la hace reconocible en el interior de la location area gestionada por el nodo; este identificador se denomina TLLI (Temporary Logical Link Identifier) y se utiliza para reconocer la conexión de nivel entre el nodo y la estación móvil (el TLLI, de hecho, es uno de los parámetros del encabezado de las tramas de nivel dos y, en base a esto, el móvil está en grado de recibir los paquetes dirigidos al mismo). En base a todas estas informaciones, tanto el nodo visitado como el móvil, memorizan el contexto de la conexión por el que se refiere un cuadro resumen. Contexto memorizado por el VSN: 1. Identidad del usuario móvil (IMSI). 2. Estado del móvil (Standby/Activo). 3. Dirección de la red troncal (backbone network) del HSN. 4. TLLI. 5. Routing Area (RA) en estado Standby. 6. Identificador de la celda en que se encuentra el móvil y el canal GPRS empleado en el estado Activo. Contexto memorizado por el móvil GPRS: 1. Estado actual del móvil (Standby/Activo). 2. Tipo de PDP (Packet Data Protocol), dirección PDP (una copia para cada protocolo soportado). 3. Flag (Bandera) o celda de habilitación del algoritmo de compresión de datos. 4. TLLI. 5. Routing Area (RA) actual (en estado de Standby). 6. Identificador de la celda en que se encuentra el móvil y el canal GPRS utilizado en estado Activo.
195
Que es GPRS?
Tras las informaciones significativas en el estado Standby aparece la de RA. El concepto de RA es un concepto nuevo y estrechamente ligado al GPRS y en particular a la necesidad de efectuar el paging o búsqueda del móvil GPRS en un lapso de tiempo más corto con respecto al característico del GSM. Para reducir este tiempo es necesario enviar los mensajes de paging a canales físicos que soportan el tráfico de paquetes y, desde esta óptica, con la finalidad de reducir el amontonamiento de recursos físicos utilizados en el procedimiento de paging es necesario reducir la extensión del área en la que se transmiten los mensajes de paging. Con ese propósito es útil la subdivisión en sub-áreas de las típicas áreas de localización, cada una de las cuales toma el nombre de Routing Area. La red, por tanto, conoce la posición de la estación móvil en Standby con una resolución limitada a una RA; dicho conocimiento presupone que, entre las funciones ejecutadas por un móvil en Standby se encuentre la de actualización de la posición que se solicita cada vez que se pasa de una RA a otra.
Fig. 4.16. Diagrama de estados.
196
Que es GPRS?
Las transiciones de un estado a otro son conducidas por el estado actual y por las funciones que, en tal estado, se solicitan. En la figura 4.16. se puede ver un diagrama de estados que resume las posibles transiciones a la luz de las que son funciones necesarias para soportar el servicio PTP. El estado Standby. La primera función puesta en marcha en el momento en que un estación móvil GPRS entra en Standby es la de actualización del contexto memorizado a través del HSN y en particular de la dirección de backbone del nodo VSN en cuya área se encuentra la MS. Esta información, de hecho, es fundamental para poder reenviar los paquetes dirigidos al móvil, que, en base al valor de su dirección PDP, se dirigen en una primera fase hacia el HSN. El VSN notifica al HSN, a través de un mensaje MAP, su dirección de backbone, pero antes de efectuar esta señalización determina el HSN al que está asociado el móvil que ha iniciado el procedimiento de attachment al servicio GPRS. Para lograr esto se pueden ejecutar diferentes procedimientos. Una primera alternativa es determinar el HSN de forma algorítmica teniendo como ingreso el IMSI; otro método podría ser el de memorizar en la tarjeta SIM del usuario móvil la identidad del HSN. Una tercera solución podría ser la de memorizar en el registro GPRS la identidad del HSN del que depende el móvil, relacionándola con el IMSI. Una vez determinada la identidad del HSN, el VSN le envía un mensaje MAP que contiene como parámetros su dirección de backbone y el IMSI del usuario del móvil GPRS que ha ejecutado el attachment al servicio. Recibido el mensaje, el HSN actualiza el contexto relativo a la estación móvil en base a las informaciones contenidas en él; en resumen, las informaciones memorizadas son las siguientes.
197
Que es GPRS?
Contexto memorizado por el HSN. 1. Identidad del usuario del móvil (IMSI). 2. Información necesaria para la tarificación. 3. Tipo de PDP, dirección PDP (una copia para cada PDP soportado por el móvil). 4. Clave de cifrado. 5. Flag de habilitación del algoritmo de compresión. 6. Dirección de backbone network del VSN. La función de gestión de la conexión lógica entre la MS y el nodo VSN permite establecer, mantener e interrumpir la conexión lógica, identificada por el TLLI, que se establece durante la fase de attachment al servicio y que permite la transferencia a nivel dos de los frames entre el MS y el VSN. La función de gestión de movilidad de la estación que se encuentra en Standby permite la actualización de las informaciones necesarias para su localización. La MS pone en marcha dicho procedimiento cuando reconoce, tras la información transmitida en broadcast a la celda, un identificador de RA diferente al memorizado por el móvil. Se pueden producir dos situaciones: •
Paso a una RA en el propio GSN.
•
Paso a una RA de un otro GSN.
En el primer caso es necesario actualizar el identificador de RA memorizado en el contexto del VSN, operación que se ejecuta a través de un mensaje de actualización RA (que contiene el TLLI y los identificadores del viejo y del nuevo RA) predefinido en el protocolo GPRS. El VSN responde con un mensaje de respuesta con el que se notifica el resultado de la operación solicitada.
198
Que es GPRS?
El segundo caso es un poco más complejo porque tiene que ser actualizado también el contexto del HSN, visto que se tiene el paso en el área de competencia de un nuevo GSN. La estación móvil envía al nuevo GSN el mismo mensaje de actualización RA, y este último, suponiendo que dicho usuario proviene de un área controlada por otro GSN, solicita al viejo GSN (a través de un mensaje MAP) el IMSI del usuario al que está asociado el TLLI contenido en la petición de actualización RA. Conocido el IMSI, el nuevo GSN está en grado de determinar el HSN del que depende el móvil y de enviarle un mensaje MAP (que contiene el IMSI, y su dirección de red backbone) como notificación de actualización en el contexto relativo al usuario. Entretanto, el nuevo GSN memoriza el contexto relativo al usuario, después de haberle asignado y comunicado el TLLI, que lo identifica en el área de su competencia. El HSN actualiza el contexto modificando la dirección de la red del nodo visitado por el usuario y envía al antiguo nodo VSN el comando de cancelación del contexto del usuario memorizado por éste. Otra función ejecutada por los nodos GSN es la de gestionar los timer que indican la caducidad del intervalo de tiempo en el que puede encontrarse el móvil en Standby. Transición Standby/Active. Esta transición puede tener lugar por uno de los dos siguientes motivos: •
El nodo VSN recibe paquetes dirigidos al usuario del móvil.
•
El usuario del móvil tiene que enviar paquetes al destinatario.
En el primer caso se transmite un mensaje de paging (que contiene el TLLI) en la RA cuyo identificador está memorizado en el contexto del usuario a través del VSN; la estación móvil responde al mensaje notificando al VSN el canal GPRS en el que está sintonizada y éste utiliza esta información para actualizar el contexto
199
Que es GPRS?
del usuario, además, variando de Standby a Activo el identificador del estado operativo de la estación móvil. En el segundo caso es la estación móvil la que notifica al VSN el cambio de estado operativo mediante un mensaje predefinido del protocolo GPRS (en el que se proporciona, además del TLLI, el canal GPRS en el que está sintonizada la estación). El estado Active. En este estado la MS intercambia paquetes con el VSN, por tanto, se activa la función de tarificación que, en base a la contabilización de los bytes transferidos, permite a los parámetros de QoS solicitados y al tipo de servicio de tasar la llamada GPRS (en un servicio CONS, al contrario que un servicio CLNS, la tarificación se realiza también en base a la hora desde el momento en que se utilizan y durante toda la duración de la comunicación de las fuentes lógicas, como los circuitos virtuales). Los PDU se transfieren entre VSN y TE después de haber sido encapsulados en tramos GPRS, a través de la función de G-Relay. Los PDU son sustituidos por el SAP (Service Access Point) relativo al protocolo al que se refieren y se elaboran gracias a la función G-Relay que, en base al encabezado recibido del PDU, genera un encabezado GPRS y, por tanto, un paquete GPRS (en el que están el SDU y el PDU recibido por el SAP). Los PDU, antes de ser excluidos como SDU en los paquetes GPRS, son comprimidos y cifrados; los paquetes GPRS obtenidos así son gestionados por la función PRT (Packet Routing and Transfer), que es esencialmente una función de nivel dos. La función G-Relay prevé también la segmentación eventual de los PDU que tienen dimesiones superiores al espacio previsto para el campo de datos dentro de una red GPRS. Por otro lado, de la conexión lógica VSN/MS se toman los paquetes GPRS desde el PRT SAP y se realiza la eventual descompresión y descriptación de los SDU y, sucesivamente, se pasan al oportuno SAP.
200
Que es GPRS?
Encapsulamiento y transporte de los PDU. Cuando la estación móvil encuentra que la calidad de la señal es mejor en otro canal GPRS, envía al nodo VSN un mensaje predefinido del protocolo GPRS con el que vuelve a pedir la actualización del contexto memorizado en el mismo, en relación a la indicación del canal GPRS en el que está sintonizado el móvil. Dicho mensaje el TLLI y la indicación del nuevo canal GPRS en el que se sintoniza la estación móvil. La actualización puede estar determinada por el desplazamiento del móvil entre celdas de áreas controladas por nodos GSN diferentes, o bien por la misma área. En el segundo caso es suficiente actualizar el contexto del usuario por medio del VSN, además del memorizado a través del propio móvil. En el primer caso, sin embargo, el nuevo VSN, encontrando que la petición de actualización proviene de un usuario que ha realizado el attachment al servicio en otro nodo GSN, da comienzo a una serie de señalizaciones del todo idéntica a la ya descrita en el caso de actualización del RA inter GSN, con la única diferencia de que, en este caso, lo que tiene que ser actualizado es el identificador de la celda en la que se encuentra el móvil y la indicación del canal GPRS sobre el que éste está sintonizado. Una función posterior que se ejecuta en el estado Activo es la función de PTA (Packet Terminal Adaption), a través de la cual es posible adaptar los paquetes generados por el TE, con la finalidad de poderlos transmitir en la GPRS PLMN (Public Land Mobile Network), y los paquetes que se dirigen al TE. Esta función es una función de nivel uno y la ejecuta el MT. Con este propósito, permitir a través del interfaz de radio el acceso de diversos terminales a la GPRS PLMN, es verosímil que se desarrollen varios MT, cada uno de los cuales proporcionen un acceso al TE a través un interfaz estándar. Estarán disponibles MT que garantizan a los terminales no sincronizados el acceso a la GPRS PLMN, por medio de un interfaz serial no sincronizada estándar y un PAD (por primera vez el PAD ya no será remoto con respecto al terminal de datos no sincronizado),
201
Que es GPRS?
y también estarán disponibles MT que garantizan el acceso a terminales no sincronizados a través de un interfaz serial no sincronizada. Este hecho constituye una gran innovación en relación con el acceso al mundo por paquetes, que actualmente prevé el acceso a un PAD remoto (con respecto al usuario final) por medio de una conexión por conmutación de circuito, con todas las desventajas que derivan de ello, sobre todo para aplicaciones de usuario de tipo bursty. Por lo que respecta las conexiones de datos por conmutación de paquetes, el servicio GPRS del GSM será la primera en garantizar una conexión a paquete end-to-end entre los dos (o más de dos en el caso de servicios PTM) entidades implicadas en la comunicación. No se excluye la posibilidad de que la funcionalidad de la MT sea integrada en el terminal TE, utilizando interfaz API (Application Program Interface) para permitir al usuario el desarrollo de las propias aplicaciones. 4.4. PACKET CONTROL UNIT (PCU). La Unidad de Control de Paquetes (PCU) consiste de un software central y dispositivos de hardware con hardware regional (RP). Este tendrá uno o más Procesadores Regionales (RPP). Un RPP puede trabajar hacia la interfaz Gb y la A-bis o solo hacia la A-bis. La función de un RPP es distribuir los paquetes de datos entre la interfaz Gb y la A-bis. Donde se encuentra un solo RPP en el PCU, se trabajará hacia las ambas interfaces. Donde hay más de un RPP, cada uno de ellos puede trabajar ya sea hacia A-bis o Gb o hacia ambas.
202
Que es GPRS?
Fig. 4.17, El PCU en el BSC. Cuando más de un RPP está siendo usado (excepto para los dos RPP’s en una configuración active/standby) estos se comunicaran con los otros usando Ethernet. Una celda puede no estar repartida entre dos RPP’s. Si un RPP no maneja la celda hacia donde el mensaje está destinado, el mensaje se reenvía vía Ethernet al RPP correspondiente. Una conexión duplicada Ethernet es proporcionada en el backplane del magazine del PCU. Además algunos HUB’s serán necesarios para conectar los RPP’s por medio de Ethernet. El HUB está duplicado por razones de redundancia. El PCU se conecta al dispositivo Gb por medio del grupo de interruptores (GS), y al dispositivo A-bis a través del GS y el subrate switch. Los RPP’s están conectados al grupo de interruptores por medio de DL2s y al procesador central CP por medio del bus RP. El tráfico GPRS es multiplexado con tráfico de conmutación de circuitos en el subrate switch.
203
Que es GPRS?
Fig. 4.18. PCU con más de un RPP y la conexión con GS y SRS. 4.5. NODOS DE SOPORTE DE GPRS. Los nodos de soporte de GPRS constituyen las partes de la red del sistema celular que conmutan los paquetes de datos. Los dos nodos principales son: •
GGSN. Gateway GPRS Support Node (Nodo de Soporte GPRS Pasarela).
•
SGSN. Serving GPRS Support Node (Nodo de Soporte GPRS Servidor).
Los SGSN encaminan paquetes a y desde la zona geográfica del SGSN, en tanto que los GGSN hacen interfaz con redes externas de paquetes IP. Los SGSN y los GGSN están físicamente separados de la parte de circuitos conmutados de la red del sistema celular. La funcionalidad de los SGSN y los GGSN pueden ser combinados en el mismo nodo físico (Nodo de Soporte GPRS Combinado Combined GPRS Support Node - CGSN) o residir en diferentes nodos físicos. Tanto el SGSN como el GGSN contienen funciones de encaminamiento de protocolo de red principal GPRS (IP), y pueden ser interconectados con ruteadores IP. Los nodos estarán interconectados por una red backbone IP, como se muestra en la figura 4.19.
204
Que es GPRS?
Un requisito clave para estos nuevos nodos consiste en que se puedan ampliar, de manera que los operadores empiecen a ofrecer servicios de datos por paquetes a alta velocidad empleando nodos pequeños en áreas seleccionadas que sean rentables y añadir después más capacidad extra según sea necesario. Al mismo tiempo, el SGSN y el GGSN también deben ser compatibles con diversas redes de radio (las que poseen interfaces abiertas compatibles con ETSI).
Fig. 4.19. Nodos de GPRS.
4.5.1. SGSN. El SGSN está localizado en la red GPRS. .Está interconectado con el BSC, el MSC/VLR, el SMS-G, y el HLR, y está conectado con una red backbone para la comunicación con GGSNs y otros SGSNs, El SGSN ofrece encaminamiento de paquetes, incluyendo gestión de movilidad, autentificación y cifrado entre todos los abonados GPRS que se encuentren en el área de servicio SGSN. Cualquier SGSN de la red puede prestar servicio a un abonado GPRS, dependiendo de donde éste se halle.
205
Que es GPRS?
El tráfico se dirige desde el SGSN al Controlador de la Estación Base (BSC) y al terminal móvil mediante la Estación Transceptora Base (BTS). Un suscriptor de GPRS puede ser servido por cualquier SGSN en la red dependiendo de la localización.
4.5.1.1. FUNCIONALIDAD DEL SGSN. El SGSN realiza las funciones siguientes dentro de GPRS: •
Mobility Management (MM). El nodo SGSN implementa protocolos de MM (Gestión de Movilidad) en el MS al interfaz de la red. Los procedimientos del MM soportados en este interfaz son GPRS y conmutación de circuitos IMSI attach/detach, actualización del área de ruteo, área de ruteo combinada y actualización del área de localización.
Los protocolos de MM permiten a la red soportar a suscriptores móviles. El MM da la capacidad a los móviles para: o Moverse entre las células. o Moverse entre las áreas de ruteo de SGSN. o Moverse entre SGSNs dentro de la red GPRS PLMN.
206
Que es GPRS?
Fig. 4. 20. Mobility Management. Las áreas de localización (LA) no son empleadas para GPRS. En cambio, una nueva área se define para GPRS, llamada Área de Ruteo (RA). Una RA consiste de una o varias células. El MM permite a suscriptores transmitir y recibir datos mientras se muevan dentro de una PLMN, u otras PLMNs. El SGSN almacena la ID de la célula y el RA para un MS mientras que el MS acampa en una célula dentro de un RA controlado por el SGSN. •
Cifra (cifrado y descifrado) y autenticación.
•
Gestión del enlace lógico al abonado móvil.
•
Conexión a otros nodos (HLR, MSC, BSC, SMS, GMSC, SMS-IWMSC, GGSN).
207
Que es GPRS?
•
Gestión de Sesión (GS). Los procedimientos de SM comprenden la activación del contexto PDP (Packet Data Protocol / Protocolo de Paquetes de Datos), modificación del contexto PDP y desactivación del contexto PDP. Los contextos PDP se ocupan de la asignación de las direcciones IP al terminal MS, y de los parámetros del QoS.
Fig. 4.21. Contexto PDP. El SGSN recibe datos del contexto PDP del HLR en GPRS attach, y la actualización de la localización.
Fig. 4.22. Manejo del contexto PDP en SGSN.
208
Que es GPRS?
El SGSN entonces almacena los datos, que incluyen: •
Identificador del contexto PDP. Un índice usado para el contexto particular de PDP.
•
Tipo de PDP. Éste es el tipo de contexto PDP. Soportado actualmente sobre Ipv4.
•
Dirección PDP. La dirección del terminal móvil.
•
Nombre del Punto de Accesso (APN). El identificador de la red de una red externa. P.e. www.ericsson.com.
•
QoS suscrito. Éste es el perfil QoS del usuario suscrito.
Un contexto PDP debe estar activo en el SGSN antes de que cualquier Unidad de Paquetes de Datos (PDU) pueda ser transferido a/desde el MS. Cuando se recibe un mensaje de petición del contexto PDP activado, el SGSN aplica una función de Control de Admisión. El SGSN entonces comprueba que la suscripción esté permitida para tener acceso a cierta red corporativa ISP, esto podría también incluir restricción de acceso a otra red corporativa ISP.
209
Que es GPRS?
Fig. 4.23. Proceso de activación del contexto PDP. El SGSN negocia el QoS con el MS. Esto sucede en la activación del contexto PDP y en las actualizaciones del área de ruteo inter SGSN. El QoS dependerá de los datos del suscriptor almacenados, del QoS solicitado y del promedio estadístico del ancho de banda reportado desde el BSC por la célula. El SGSN utiliza el APN proporcionado por el MS para interrogar a un DNS. El DNS proporciona la dirección virtual IP del GGSN que debe ser utilizado para este contexto particular PDP. Los datos de la configuración dentro del GGSN identifican el servidor RADIUS (si es usado). 4.5.1.2. SEGURIDAD EN LOS SGSN. La autenticación se lleva siempre a cabo para la conexión y para actualizaciones de .área de enrutamiento entre SGSNs, tanto para los abonados propios como para los visitantes. Se mantiene un registro de anotaciones de intentos de autenticación fallidos. Dicho registro contiene la fecha y la hora, y la Identidad Internacional del Suscriptor Móvil (International Mobile Subscriber Identity - IMSI), la Identidad Internacional de Equipo Móvil (International Mobile
210
Que es GPRS?
Equipment Identity - IMEI), la ID de SGSN y la identidad de la célula de los abonados móviles o de los aparatos cuya autenticación falló. El GSN soporta valores de autenticación selectivos para todos los abonados de la red propia en el nodo. Dichos valores dictan el número de procedimientos de conexión y los procedimientos de actualización del área de enrutamiento entre SGSNs. La autenticación se lleva siempre a cabo para los abonados visitantes. Las tripletas de seguridad se traen desde el HLR. Sin embargo, para las actualizaciones del área de enrutamiento entre SGSNs, se traen tripletas que no se hayan usado desde el anterior SGSN (si se conoce). Se pueden proporcionar conexiones seguras en la capa 1 (L1), usando una línea física dedicada; en la capa 2 (L2), usando Modo de Transferencia Asíncrona (Asynchronous
Transfer
Mode
-
ATM),
Circuitos
Virtuales
Permanentes
(Permanent Virtual Circuits - PVC), o el Protocolo Punto a Punto (Point-to- Point Protocol - PPP); y en la capa 3 (L3), usando seguridad de IP (IP security - IPsec). Estas técnicas se pueden usar también en combinación. 4.5.1.3. DIRECCIONES IP DINÁMICAS. La asignación de direcciones IP dinámicas permite a los operadores, a los ISP, y a las redes corporativas reutilizar las direcciones IP desde un fondo común asignado a la PLMN o alguna otra red. También reduce de forma significativa el número total de direcciones IP requerido por la PLMN. Una dirección IP dinámica puede ser asignada por un GGSN o a través de la red visitada o por un GGSN en la red propia. La dirección IP dinámica puede ser proporcionada por el GGSN mismo o por un servidor RADIUS elegido por el GGSN. El GGSN contiene un cliente RADIUS que suministra al servidor RADIUS externo información de autenticación procedente del abonado móvil. Por lo tanto, el servidor RADIUS puede devolver una dirección IP si la autenticación es correcta.
211
Que es GPRS?
La configuración puede especificar que el GGSN debe ponerse en contacto con un servidor RADIUS específico para cada Nombre del Punto de Acceso (Access Point Name - APN). Esto es, cada red corporativa o ISP. El servidor RADIUS puede estar situado o bien en el ISP o en un sitio corporativo. El GGSN incluirá también un Cliente de Protocolo Dinámico de Configuración de Anfitrión (Dynamic Host Configuration Protocol - DHCP). 4.5.1.4. DIRECCIONES IP ESTÁTICAS. No se recomienda el uso de direcciones IP estáticas, principalmente debido a una escasez de direcciones IP (esta situación cambiará cuando se introduzca IPv6). La dirección IP estática es definida para el abonado por el HLR - como opción, se puede contactar con un servidor RADIUS con fines de autenticación. Cuando el terminal está en el estado activo, las direcciones IP del abonado se copian al SGSN. De acuerdo con esto, cuando entra una petición de activación de contexto PDP: •
Proporciona una dirección IP que se comprueba con la información del abono; o
•
Permite al SGSN asignar la dirección IP siempre y cuando el abonado contenga solamente una dirección IP.
4.5.2.5. TARIFICACIÓN. Como se mencionó anteriormente, tanto el SGSN como el GGSN pueden producir registros de datos de tarificación. Combinado con un dispositivo mediador, tal como la Pasarela de Facturación (Billing Gateway), esto da a los operadores un amplio abanico de opciones. La tarificación puede estar basada en volumen de datos, duración de la llamada, tipo de servicio, punto de destino, o algún otro factor. El Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicaciones
212
Que es GPRS?
(European Telecommunications Standards Institute - ETSI) ha especificado tanto una alternativa centralizada como una distribuida para la Función de Pasarela de Tarificación (Charging Gateway Function - CGF). Las CGF básicas están distribuidas y las CGF perfeccionadas están centralizadas. Las CGF básicas recopilación, almacenamiento y transferencia de datos de tarificación - están implementadas en los GSN. Los registros de datos de tarificación se almacenan en memorias temporales en los nodos, lo que proporciona una mayor seguridad contra problemas de la red o de transmisión. La salida de datos de tarificación procedente de los SGSN y los GGSN se codifica con la Notación uno de Sintaxis Abstracta / Reglas Básicas de Codificación (Abstract Syntax Notation one / Basic Encoding Rules ASN.1/BER) y se transfiere mediante el Protocolo de Transferencia de Archivos (File Transfer Protocol - FTP). Las CGF perfeccionadas - consolidación, filtrado, preproceso y formateo de los registros de datos de tarificación - están implementadas centralmente en la Pasarela de Facturación. La centralización reduce el número de interfaces al sistema de facturación y proporciona diversa opciones de postproceso. Además, el almacenamiento en medios masivos es mejor que el almacenamiento distribuido en GSNs.
4.5.2. GGSN. GGSN proporciona el interfaz hacia las redes de paquetes IP externas. GGSN por lo tanto contiene la funcionalidad de acceso que interconecta funciones externas de la ISP (Proveedor de Servicios de Internet) como los ruteadores y los servidores de Servicio de Usuario de Marcación con Acceso Remoto RADIUS (Remote Access Dial-In User Service) para los propósitos de seguridad. Desde el punto de vista de la red IP externa, el GGSN actúa como ruteador para las direcciones IP de todos los suscriptores servidos por la red GPRS, intercambiando información de enrutamiento con la red externa. El ruteo al SGSN correcto y el protocolo de conversión también son proporcionados por el GGSN.
213
Que es GPRS?
La GGSN prepara la comunicación con redes externas y gestiona las sesiones de GPRS. También incluye funciones para asociar abonados con la SGSN apropiada. Para cada abonado móvil, el GGSN recopila también datos de tarificación -uso de la red de datos externos y uso de los recursos de la red GPRS. Físicamente el GGSN puede estar integrado en el MSC o puede ser un elemento separado de la red, basado en la arquitectura de los ruteadores de las redes de datos. Los paquetes de datos del usuario pasan directamente entre el GSN y el BSS (Base Station Subsystem), gracias a la señalización que acontece entre el GGSN y el MSC. 4.5.2.1. FUNCIONALIDAD DEL GGSN. El GGSN realiza las funciones siguientes dentro de GPRS. •
Conexión a las redes IP. El GGSN soporta conexiones a las redes IP externas vía un servidor de acceso. El servidor de acceso utiliza un servidor RADIUS para la asignación de las direcciones IP dinámicas.
•
Seguridad del IP. La característica de la seguridad del IP permite la transmisión segura entre un SGSN y un GGSN (interfaz Gn), y entre el GGSN y los hosts y ruteadores externos (interfaz Gi). Ésto es necesario cuando los suscriptores de GPRS desean conectarse con sus redes corporativas, o virtuales (VPN). IPSec (IP Security Protocol – Protocolo de Seguridad de IP) está también disponible en las interfaces Gom y Gp.
IPsec es una característica opcional para las interfaces Gi, Gn, y Gp. IPsec puede proporcionar una red principal intra-PLMN segura e interfaz a redes externas, tales como ISPs, redes corporativas, y otras PLMNs.
214
Que es GPRS?
IPSec también permite la codificación de todos los datos transferidos. Esto proporciona la protección contra el acceso ilegal, y asegura la confidencialidad, integridad y autentificación origen de los paquetes de datos. Los mecanismos de seguridad de los paquetes se basan en la filtración, autenticación y cifrado.
Fig. 4 24. IPSec GGSN. 4.5.2.2. SEGURIDAD EN LOS GGSN. El GGSN garantiza que el tráfico para un abonado móvil específico viene del ISP al que dicho abonado móvil estaba conectado durante la activación del contexto PDP. El GGSN puede acceder a los servidores RADIUS que estén situados en la red de datos externa. El GGSN proporciona una cabecera de autenticación IPv4 IPsec usando el Algoritmo 5 de Resumen de Mensajes (Message Digest Algorithm five - MD5), y Carga Útil de Seguridad de Encapsulado (Encapsulating Security Payload - ESP) usando el modo de Encadenamiento de Bloques de Cifra (cifrado y descifrado) del Estándar de Cifrado de Datos (Data Encryption Standard - Cipher Block Chaining DES-CBC). El sistema está también preparado para la introducción de nuevos algoritmos de cifrado, tales como un protocolo de autenticación de clave pública asimétrica. Se dispone de diversas opciones de filtrado de paquetes para proteger
215
Que es GPRS?
al GGSN contra la intrusión o los ataques con negación de servicio, incluyendo origen, destino, protocolo, y número de puerto. 4.5.2.3. GESTIÓN DE CARGA ÚTIL.. Los paquetes se dividen en diferentes clases de retardo de QoS de acuerdo con una prioridad asignada. Dentro de un periodo de tiempo dado, todos los paquetes procedentes de una clase de retardo de QoS con alta prioridad se envían antes que los paquetes de una clase con una prioridad más baja. El tráfico a y desde abonados móviles con la misma clase de retardo de QoS se pueden poner en cola de manera que el primero que entra es el primero que sale (First-In First-Out - FIFO). 4.5.2.4. BORDER GATEWAY.
Fig. 4.25. Funcionalidad del Border Gateway. La función del border gateway (pasarela fronteriza) es compartir las interfaces físicas de GGSN a redes externas y a la red principal. Una border gateway puede manejar múltiples Redes Terrestres Móviles Públicas (Public Land Mobile Networks - PLMN). La función del border gateway se integra dentro del GGSN, y utiliza un ruteador común para el GGSN. Las interfaces físicas comunes se pueden por lo tanto utilizar para GGSN y la transmisión de datos del border gateway.
216
Que es GPRS?
OSPF o BGP-4 (Border Gateway Protocol) (o RIP II – Routing Information Protocol II) son los protocolos de ruteo previstos para el border gateway en la red backbone interna. 4.5.2.5. ENRUTAMIENTO DE IP. Cada GSN tiene un ruteador integrado que: •
Sirve como ruteador de IP primario o IP secundario en redes IP, aunque solamente de forma temporal - se recomienda encarecidamente un ruteador IP más grande para dirigir a otras redes IP.
•
Proporciona redundancia para la interfaz Gn/Gi.
El ruteador soporta Abrir Primero el Camino más Corto (Open Shortest Path First OSPF) y el Protocolo de Pasarela Fronteriza (Border Gateway Protocol - BGP), así como otros protocolos de enruteamiento. También puede filtrar paquetes IP en todas las interfaces IP (p.e. desde una PLMN a otra). El filtro, cuyos datos de configuración pueden ser asignados durante la Operación y Mantenimiento (O&M), aplica
la
información
de
cabecera
del
Pprotocolo
de
Control
de
Transmisión/Protocolo de Internet (Transmission Control Protocol/Internet Protocol - TCP/IP), y una combinación de dirección IP de origen, dirección IP de destino, tipo de protocolo, señales TCP, tipo de mensaje del protocolo de mensajes de control de Internet (Internet Control Message Protocol - ICMP), puerto de origen de TCP / Protocolo de Datagrama de Usuario (User Datagram Protocol - UDP), y puerto de destino TCP/UDP e interfaz física.
217
Que es GPRS?
4.6. INTERFACES. Las interfaces del GSN pueden separarse en tres principales grupos:
Interfaz basada en Frame Relay: Gb.
Interfaces basadas en SS7: Gs, Gr, Gd.
Interfaces basadas sobre IP: Gn, Gi.
4.6.1. INTERFAZ Gb. La interfaz Gb es la ruta del SGSN-BSC para tráfico y señalización. Gb utiliza protocolo Frame Relay, trasfiriendo transparentemente Unidades de Paquetes de Datos (PDU’s) entre las dos entidades. La interfaz Gb puede estar conectada punto-a-punto o por medio de una red Frame Relay. Un SGSN puede estar conectada a varias BSC’s, pero una BSC puede estar conectada a un solo SGSN, sobre uno o más enlaces físicos.
Fig. 4.26. Interfaz Gb entre SGSN y BSC.
218
Que es GPRS?
4.6.2. INTERFAZ Gs. RED DE SEÑALIZACIÓN SS7. Una red de señalización Nº 7 puede ser considerada como una red de comunicación de datos, óptima para la transferencia de diversos tipos de información de señalización que debe transmitirse entre los procesadores de una red de Telecomunicaciones. La red de señalización N°7 dispone de medios para asegurar la transferencia fiable de los mensajes de señalización, aún en el caso de averías en la red. Con enlaces y rutas de señalización redundantes pueden generarse funciones para la desviación automática de señalización a enlaces y rutas alternativas, en caso de fallas. De allí que el sistema puede dimensionarse para adaptarlo a los requisitos de calidad y fiabilidad de la administración y de los usuarios. La señalización Nº 7 tiene como objetivo proporcionar un sistema de señalización por canal común de aplicación general. Tiene muchas aplicaciones tanto de voz como de datos, permitiendo una amplia gama de conexiones incluyendo el modo circuito, el modo paquete, Frame Relay y ATM. Es requisito de la RSDI, pero puede utilizarse sólo para telefonía convencional, servicios móviles y bases de datos y su flexibilidad permite la introducción de nuevos servicios. Está optimizado para funcionar en canales digitales de 64Kbps y puede utilizarse a través de canales por satélite, también funciona a través de canales analógicos. Los protocolos SS7 son usados entre el SGSN y los elementos del CSS de GSM. El MSC/VLR está conectado directamente con el SGSN por medio de la interfaz Gs. La interfaz Gs es utilizada para tratar eficazmente con las terminales que estén sujetadas a tráfico GPRS y GSM. La interfaz Gs conecta así las bases de datos en el MSC/VLR y el SGSN. Está especificada para coordinar la información
219
Que es GPRS?
de localización de los MS’s que están trabajando en la red GPRS y la de conmutación de circuitos. BSSAP+ (Base Station Application Part +) es un nuevo protocolo que soporta la señalización entre el SGSN y el MSC/VLR como un nuevo usuario de servicio de conexión SCCP. Este protocolo es una adaptación del protocolo BSSAP. La interfaz Gs permite combinar la actualización de Área de Localización/ Área de Ruteo así como el paging en conmutación de circuitos sobre GPRS. Por lo tanto la interfaz Gs es esencial para soportar la operación de red en modo I y el modo de operación A y B de la MS.
Fig. 4.27. Interfaz Gs entre SGSN y MSC/VLR. La asociación entre el SGSN y el MSC/VLR es creada cuando el VLR guarda el número del SGSN y el SGSN guarda el número del VLR.
220
Que es GPRS?
4.6.3. INTERFAZ Gr. El HLR guarda información de la comunicación por conmutación de circuitos y conmutación por paquetes. La interfaz Gr conecta las bases de datos del HLR y el SGSN. Para GPRS, la información del suscriptor y los datos relacionados con la autenticación son intercambiados entre el HLR y el actual SGSN que este atendiendo al abonado. La información del suscriptor que pasa del HLR al SGSN es asignada al abonado por el operador del servicio. Esta transferencia de información se realiza cuando el operador cambia la información del suscriptor o cuando un nuevo SGSN necesita datos para un abonado después de sujetarse o del Roaming.
Fig. 4.28. Interfaz Gr entre SGSN y HLR. Como parte de la asignación, el SGSN informa al HLR de la localización del MS si se encuentra en una nueva posición, entonces un nuevo SGSN es usado.
221
Que es GPRS?
El anterior SGSN también es informado del Roaming. 4.6.4. INTERFAZ Gd. El centro de servicio de mensajes cortos (SC ó SM-SC) está conectado a la red GPRS por medio del SMS-GMSC y del SMS-IWMSC. La interfaz Gd es la conexión lógica entre el SGSN y el SMS-IWMSC, y entre el SGSN y el SMS-GMSC, respectivamente. La interfaz hace posible recibir SMS enviados a los MS’s, y para enviar SMS enviados por medio de un MS a través de los canales de radio GPRS. Para entregar los SMS enviados a un MS por medio de canales de radio GPRS, el operador puede guardar los escasos canales dedicados de señalización utilizados para la transferencia de SMS en la red de conmutación por circuitos.
Fig. 4.29. SMS Interworking con GPRS.
222
Que es GPRS?
4.6.5. INTERFAZ Gi. La interfaz Gi conecta la red de datos GSM-GPRS con redes IP externas, como redes corporativas y proveedores de servicio de Internet (ISP), usando IPv4. La función de la interfaz Gi permite a la estación móvil intercambiar paquetes IPv4 con una red externa, utilizando direcciones IP estáticas o dinámicas. Cada red externa conectada al GGSN es únicamente identificada por un (APN). La figura 4.29. muestra la pila de protocolos de la interfaz Gi.
Fig. 4.30. Pila de protocolos de la interfaz Gi.
4.6.6. INTERFAZ Gn. La interfaz Gn es usada para accesar a la red backbone. El Payload es transportado a través del backbone encapsulado de GPRS en un protocolo de aplicación específico, el GPRS Tunneling Protocol (GTP). Este protocolo encapsula los datos del usuario y de señalización entre los nodos de soporte GPRS en la red backbone GPRS. Todas las unidades de protocolo de paquete de datos punto-a-punto serán encapsulados por el GTP.
223
Que es GPRS?
La interfaz Gn implementa la transmisión de la carga útil y el control de señalización a través de una red backbone. La interfaz Gn consta de dos partes: una entre el SGSN y el GGSN y otra entre dos SGSN’s. La señalización entre SGSN y GGSN consiste principalmente en el establecimiento de un contexto de ruteo cuando un móvil activa una dirección PDP o se realiza una actualización de área de ruteo inter SGSN. En una actualización inter SGSN la interfaz SGSNSGSN es utilizada para transferir datos del suscriptor del anterior al nuevo SGSN. La selección del tipo de interfaz incluye: Ethernet/Fast Ethernet, E1/T1, PPP, Frame Relay y ATM. La figura 4.30. muestra la pila de protocolos de la interfaz Gn.
Fig. 4.31. Pila de protocolos de la interfaz Gn.
4.7. ACCESS POINT NAME (APN). Cada red externa que es accesada por medio de una interfaz Gi necesita datos de la configuración en el GGSN. El punto de acceso de la red externa es identificado por un Access Point Name (APN).
224
Que es GPRS?
El APN es la entidad lógica, el cual representa la red externa dentro del GGSN. Su disposición implica el especificar de cómo el GGSN se comportará y funcionará con respecto a una red externa particular. Desde un punto de vista de la disposición de la comunicación, el rango de IP en la configuración de APN es el rango de direcciones en la red externa puesta a un lado para los suscriptores de GPRS conectados con ése GGSN específico. Una red externa se puede conectar con varios GGSNs, dando a cada GGSN un rango único de IP de el rango total de IP en la red externa. Este puede ser no más grande que una red de clase B, que es entonces, dentro del GGSN, repartido en segmentos de clase C y distribuida entre los tableros existentes del procesador. El usuario no esta involucrado con esta repartición y distribución. La configuración de APN también requiere una Dirección IP para ser utilizada por el GGSN al hacer las peticiones, por ejemplo petición del RADIUS a la red externa. Esta Dirección IP, esta se llama Dirección IP de GGSN en la forma de APN, es está fuera del rango de direcciones permitidas. PARÁMETROS APN Se utiliza para identificar la red externa.
Red MS APN La dirección IP de un MS manejado por un GGSN pertenece a una red MS APN. Esta red de MS APN pertenece a una red externa. APN es el nombre de la red externa, que es el punto de acceso para la red MS APN. Este esta sobre la red MS APN para cada APN.
225
Que es GPRS?
Dirección GGSN IP La configuración de APN también requiere una Dirección IP para ser utilizada por el GGSN al hacer las peticiones, peticiones por ejemplo del RADIUS o del DNS a la red externa. Esta Dirección IP, que se llama Dirección IP de GGSN en la forma de APN, está fuera del rango de las direcciones permitidas. También se llama Dirección IP Apéndice.
Método de ruteo El método de ruteo puede ser usarse para:
-
Ruteo de IP.
-
LLF: Nombre lógico de un túnel hacia una red externa.
En caso de que se utilice LLF, se deben dar uno o varios nombres de enlace. Varios nombres de enlace se pueden definir para proporcionar redundancia. Para cada nombre de enlace se introduce un 'VC Metric' para dar la prioridad del enlace; cuanto más alto es el VC Metric, más alta es la prioridad. Un enlace (definido con LLF) puede ser del tipo ATM, FR, IPsec o PPP. El túnel se debe configurar en un GUI separado.
MS IP Address Origin. El MS IP Address Origin indica cómo el MS consigue su Dirección IP. Esta puede ser dada cuando:
-
El MS tiene una Dirección IP estática.
-
La Dirección IP es proporcionada al GGSN
-
La Dirección IP es proporcionada al RADIUS (requiere la autentificación del RADIUS).
Cuando este parámetro se da a un GGSN dado, el pool del IP será creado automáticamente.
226
Que es GPRS?
Entonces este pool del IP administrará todas las direcciones IP dadas en las Direcciones de Red APN (red MS APN) a excepción de las direcciones IP más bajas y más altas que no pueden ser utilizadas. La dirección más baja es la dirección de red y el más alto es la dirección de broadcast. Si varios rangos de IP se definen en las Direcciones de Red APN, el pool del IP tendrá varios rangos de IP. Nota: En caso de que se utilice el ruteo de IP, los segmentos IP soportados deben ser únicos dentro del GGSN.
Modo de Selección. El modo de selección indica cómo el APN se puede seleccionar en un procedimiento para crear el contexto PDP. Este se usara para:
-
Usuario seleccionado: Le permite al MS seleccionar a que APN se conecta. Este requiere un comodín como APN en la suscripción del MS.
-
SGSN Seleccionado: El MS permite conectar al APN por default para el nodo SGSN.
Por default el APN es definido por el operador y almacenado por SGSN. Se almacena como una propiedad del nodo: Gn_defaultApn. -
Suscripción Seleccionada: El MS tiene permitido conectarse con uno de los APNs que es válido para la suscripción GPRS para el MS.
Hay dos tipos de APN usado dentro de un contexto de PDP: •
Publico
•
Privado
227
Que es GPRS?
APN público o privado Un APN público es un nombre DNS válido el cual es accesible por cualquier suscriptor, típicamente es la dirección de cualquier ISP. Los APN’s privados son, sin embargo, sólo accesibles por un usuario que se ha suscrito a esa dirección. Esto es típicamente un usuario que intenta tener acceso a un Intranet corporativo. Un APN privado es puesto en ejecución comprobando un parámetro del modo de la selección en GGSN.
Fig. 4.32. APN bestISP.se, colocado como “APN público”.
228
Que es GPRS?
Figura 4.33. GGSN configurado con APN Volvo.com fijado como‚ "APN privado".
Un MS que requiere acceso a un ISP por default, usará por una red APN por default. Mientras que el contexto de PDP se construye de MS a GGSN, el SGSN fija el APN para este contexto. Por ejemplo, el GGSN es configurado con “BestISP.se” como APN público. Cuando una conexión a un APN público es requerida, el GGSN no requiere que el APN este suscrito. Un MS que requiere el acceso a un APN privado remitirá este APN en la petición del contexto de PDP, por ejemplo, “Volvo.com” está configurada como un APN privado. Cuando la petición del MS se conecta a un APN privado, el GGSN requiere que el APN este suscrito, y este parámetro de Modo Selección es enviado de SGSN a GGSN para verificar la suscripción.
229
Que es GPRS?
Ingress Filtering El Filtro para el Ingreso indica si puede o no utilizar el MS su Dirección IP asignada al enviar los paquetes del IP. Los paquetes del IP que tienen una dirección culpable de la fuente se desechan silenciosamente cuando se activa la función.
RADIUS El RADIUS se utiliza para la autentificación del MS, cuando el RADIUS esta configurado. El RADIUS se puede utilizar para dar la Dirección MS IP como buena. Si se utiliza el RADIUS, un servidor primario del RADIUS debe ser configurado y es opcional configurar un servidor de reserva del RADIUS. Para cada uno de los servidores de RADIUS se puede soportar lo siguiente: •
Dirección IP del servidor del RADIUS.
•
Secreto compartido (llave de autentificación usada entre un servidor
del RADIUS y un GGSN)
•
Número de recomprobaciones
•
Tiempo fuera del contador de tiempo
Primary and Secondary DNS Server Address IPes Las Direcciones IP primarias del servidor del DNS son opcionales. Si se da esta, las Dirección IP secundarias del servidor del DNS son también opcionales al entrar.
Esos son los servidores del DNS, que deben ser utilizados por los suscriptores
230
Que es GPRS?
231
Comunicación de datos por GPRS
COMUNICACIÓN DE DATOS POR GPRS GPRS no es una nueva red de comunicaciones, sino un complemento de la red GSM ya existente que añade un sistema basado en la transmisión de paquetes de datos. GPRS hace el Internet móvil. Los usuarios pueden accesar a las intranets de sus compañías o conectarse a un ISP desde sus dispositivos móviles. Los usuarios de GPRS pueden estar en línea sin ocupar continuamente un canal específico de radio. Un canal es asignado únicamente cuando un paquete de datos deba ser transmitido o recibido. Enfocarse en la introducción de datos por paquetes a las redes móviles, permite que los usuarios se mantengan siempre conectados sin tener que pagar por minutos de conexión sino por volumen de información, de allí el hecho de tener siempre conexión permanente o siempre en línea.
5.1. CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS (CS). El actual sistema GSM es una red establecida que ofrece servicios móviles de conmutación de circuitos a los suscriptores. La conmutación de circuitos requiere colocar una conexión “virtual” en ambas terminales antes de que se pueda procesar una llamada, esto significa que los recursos son asignados durante toda la comunicación.
231
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.1. Conmutación de circuitos Por ejemplo, en una red de conmutación de circuitos, se establece una conexión entre el MS transmisor y el MS receptor cuando el host quiere transmitir datos a través de la red. Los datos son transmitidos a través de la red únicamente cuando ambos MS’s están conectados.
Fig. 5.2. Comunicación de datos por conmutación de circuitos La conmutación de circuitos es apropiada para tráfico de datos para alguno de los siguientes casos:
Flujo de datos con ancho de banda constante.
Datos sensibles a pequeños retrasos en la conexión.
232
Comunicación de datos por GPRS
Un ejemplo de esto podría ser la videoconferencia, ya que es sensible a pequeños retrasos. La comunicación entre dos terminales, ya sean fijos o móviles, de una red de circuitos conmutados consta de tres fases: 1. Establecimiento de la conexión. 2. Transferencia de datos. 3. Cierre o liberación de la conexión. Cuando se establece la comunicación entre los dos terminales, se crea un paso físico o lógico entre ellos (ocupando así un canal de comunicación), que se mantiene reservado hasta que se libera la conexión. Estas redes de circuitos conmutados se encargan de llevar los bits desde su punto de origen al de destino, sin identificar PDUs (Protocol Data Unit), paquetes de datos) ni ocuparse de su estructura. Las Redes de Conmutación de Circuitos no son convenientes a la hora de realizar la sesión de datos y la tasa de transferencia, donde la cantidad de información enviada y recibida varía enormemente. El costo es alto tanto para el usuario como para el operador. Al introducir el empaquetamiento de datos en la red no solo resuelve estos problemas, sino también, los usuarios comparten los recursos radio (esto implica que el tráfico es manejado sobre una Internet fija donde varios usuarios comparten la misma conexión para maximizar la eficiencia) Muchos de los problemas que presenta el Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas WAP, se deben al usar Redes Conmutadas por Circuitos, los cuales son resueltos al introducir empaquetamiento de datos, para mejorar el rendimiento. Por lo anteriormente expuesto surge la necesidad de empaquetar los datos.
233
Comunicación de datos por GPRS
Ventajas: √ El enlace creado entre los dos terminales tiene la capacidad de transmisión (ancho de banda) requerida siempre disponible. √ Una vez establecida la conexión, la red es transparente para las entidades que se están comunicando. √ El retardo es menor que en la conmutación de paquetes
Desventajas: •
Ineficiencia por dedicar capacidad de transmisión (ancho de banda) aún cuando no se requiera.
•
Consumo de tiempo en el establecimiento y cierre de la conexión, lo que introduce un retardo adicional.
5.2. CONMUTACIÓN DE PAQUETES (PS). Para la comunicación por conmutación de paquetes, la red entrega paquetes con datos cuando se requiere. Así, para la interfaz de aire, un canal de radio puede ser compartido entre varios MS’s simultáneamente. Cuando un MS genera un paquete de datos, la red reenvía el paquete a un canal de radio. De esta forma los canales de radio son usados más eficientemente.
234
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.3. Conmutación de paquetes. En una red de conmutación de paquetes, los datos son empaquetados y etiquetados con una dirección de destino y enviados al nodo de red mas cercano. Cuando el paquete es enviado, el remitente pasa a un estado pasivo, y el nodo de la red reenviara el mensaje en la red a otro nodo disponible. Esto continúa hasta que el paquete encuentra el nodo donde se encuentra conectado el destinatario. Cada paquete de datos en GPRS contiene la dirección de destino, así no hay necesidad de reservar o establecer una ruta para el paquete para que llegue a su destino.
Fig. 5.4. Comunicación de datos por conmutación de paquetes.
235
Comunicación de datos por GPRS
La comunicación por conmutación de paquetes puede es adecuada para tráfico de datos para alguno de los siguientes casos:
Datos que son enviados en burst.
Datos que no son sensibles a retrasos.
Por ejemplo, se podría utilizar para aplicaciones de telemetría y para e-mail. Algunas de las ventajas que ofrece la conmutación de paquetes en GPRS son: ⇒ Rápido tiempo de acceso. ⇒ Cobro por volumen de información. ⇒ Uso eficiente de los recursos de radio. ⇒ Transporte eficiente de paquetes en la red GSM. ⇒ Uso simultáneo de GSM y GPRS, coexistencia sin disturbios. ⇒ Conectividad a otras redes de paquetes de datos, usando IP. La velocidad de transmisión también se incrementa con la introducción de GPRS. Teóricamente velocidades de hasta 115 kbits son posibles con GPRS usando ocho time slots. Esto es alrededor de tres veces la velocidad de transmisión a través de las redes fijas de telecomunicaciones actuales, y diez veces la velocidad de los actuales servicios de datos por conmutación de circuitos en las redes GSM. El proceso que se lleva a través de una red de conmutación de paquetes es el siguiente: •
La entidad transmisora segmenta el mensaje a transmitir en PDUs (paquetes de datos) independientes, de tamaño apropiado. La entidad receptora se encarga de reconstruirlos (reensamblarlos) hasta obtener el mensaje original completo.
236
Comunicación de datos por GPRS
•
Cada paquete de datos se transfiere de un nodo a otro como una sola unidad. Contienen información de control (direcciones de origen y destino, identificador, etc.) que permite su manejo en la red.
•
El PDU se almacena temporalmente en cada uno de los nodos por los que pasa mientras espera ser enviado al siguiente. Esto conlleva un aumento del retardo en función del volumen de tráfico existente y de la capacidad del enlace.
•
Todos los PDUs que componen los datos están relacionados unos con otros, pero la forma en que viajan y son reagrupados varía.
•
La propia red puede fragmentar los PDUs si la longitud de éstos es mayor que la unidad máxima de transferencia (MTU) de la red.
Ventajas: √ Alta eficiencia. Aprovecha mejor el ancho de banda disponible, ya que no es necesario que un canal de comunicación sea utilizado exclusivamente para la transmisión de un punto a otro. √ Cambio de velocidad. Ya que es posible recibir datos a una velocidad y transmitir a otra (normalmente más baja). √ Manejo de congestión. Puede continuar aceptando datos aún cuando los recursos estén ocupados y es capaz de establecer prioridades.
237
Comunicación de datos por GPRS
Desventajas: •
Colas de espera en cada nodo, lo que conlleva un cierto retardo que es mayor que en conmutación de circuitos.
•
Posibilidad de congestión, ya que la red acepta paquetes más allá de su capacidad para despacharlos.
En la tabla 5.1 se muestra una comparación entre ambas redes de conmutación.
Características
Conmutación de Circuitos Dedicación de los recursos de
Uso de
red para uso exclusivo del
recursos
usuario durante la llamada completa. Baja, existen recursos
Eficiencia
Uso de los recursos sólo en caso de que existan datos que transmitir o recibir datos. Alta, sólo se reserva capacidad
reservados extremo-a-extremo de red cuando hay que transmitir aunque no se utilicen. Requerido. Bajo, sólo retardo de
Establecimiento
Retardo
Conmutación de Paquetes
propagación por el medio físico El de conmutación, casi
Rechazo
despreciable. Sí. No existe distinción entre datos
Priorización
y voz. No se establecen prioridades.
o recibir datos. No requerido. Mayor, hay que considerar el tiempo de encaminamiento de los paquetes. No. Se pueden establecer prioridades en los paquetes.
Tabla 5.1. Conmutación de circuitos VS Conmutación de paquetes. 5.3. PROTOCOLOS.
238
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.5. Pila de Protocolos. 5.3.1. PROTOCOLOS DEL PLANO DE TRANSMISIÓN. El plano de transmisión es el encargado de proveer la transmisión de los datos del usuario y su señalización para el control de flujo, detección de errores y la corrección de los mismos. GTP: GPRS Tunneling Protocol. Es el encargado de transportar los paquetes del usuario y sus señales relacionadas entre los nodos de soporte de GPRS (GSN). Los paquetes GTP contienen los paquetes IP o X.25 del usuario. Por debajo de él, los protocolos estándares TCP o UDP se encargan de transportar los paquetes por la red. Resumiendo, en el Backbone del GPRS tenemos una arquitectura de transporte IP/X.25-sobre-GTP-sobre-UDP/TCP-sobre IP.
SNDCP: Subnetwork Dependent Convergence Protocol. Es el encargado de transferir los paquetes de datos entre los SGSN (nodo responsable de la entrega 239
Comunicación de datos por GPRS
de paquetes al terminal móvil) y la estación móvil. Las funciones que desempeña son:
Multiplexación de diversas conexiones de la capa de red en una conexión lógica virtual de la capa LLC.
Compresión y descompresión de los datos e información redundante de cabecera.
AIR INTERFACE: Concierne a las comunicaciones entre la estación móvil y la BSS en los protocolos de las capas física, MAC, y RLC. Las subcapas RLC/MAC permiten una eficiente multiplexación multiusuario en los canales de paquetes de datos compartidos, y utiliza un protocolo ARQ selectivo para transmisiones seguras a través del interfaz aire. El canal físico dedicado para tráfico en modo de paquete es el PDCH. En adelante se considerará la capa de enlace de datos (Data Link Layer) y la capa física (Physical Layer) como parte de la Interfaz Aire Um. → DATA LINK LAYER (Capa de enlace de datos). Se encuentra entre la estación móvil (el móvil GPRS en sí) y la red. Se subdivide en: La capa LLC (entre MS-SGSN): Provee un
enlace altamente fiable y esta basado en el protocolo DIC e incluye control de secuencia, entrega en orden, control de flujo, detección de errores de transmisión y retransmisión. Es básicamente una adaptación del protocolo LAPDm usado en GSM.
La capa RLC/MAC (entre MS-BSS): Incluye dos funciones. El principal propósito de la capa de Control de Radio Enlace (RLC) es la de establecer
un
enlace
fiable.
Esto
incluye
la
segmentación
y
reensamblado de las tramas LLC en bloques de datos RLC y ARQ
240
Comunicación de datos por GPRS
(peticiones de retransmisión) de códigos incorregibles. La capa MAC controla los intentos de acceder de un MS a un canal de radio compartido por varios MS. Emplea algoritmos de resolución de contenciones, multiplexación de multiusuarios y prioridades según la QoS contratada. → PHYSICAL LAYER (Capa física entre MS y BSS). También se subdivide en dos subcapas:
La capa del enlace físico (PLL) provee un canal físico. Sus tareas incluyen la codificación del canal (detección de errores de transmisión, corrección adelantada (FEC), indicación de códigos incorregibles), interleaving y la detección de congestión del enlace físico.
La capa de enlace de radio frecuencia (RFL) trabaja por debajo de la PLL e incluye la modulación y la demodulacion.
INTERFAZ BSS-SGSN: El protocolo de aplicación BSS GPRS (BSSGP) se encarga del enrutado y lo relativo a la información de la QoS entre BSS y SGSN. El servicio de red (NS) esta basado en el protocolo de Frame Relay. 5.3.2. PILA DE PROTOCOLOS DEL PLANO DE SEÑALIZACIÓN. Se incluye en esta pila de protocolos aquellos encargados del control y mantenimiento de las funciones del plano de transmisión, conexión desconexión, activación de contexto, control de caminos de routing y localización de los recursos de la red. GMM/SM: GPRS MOBILITY MANAGEMENT/SESSION MANAGEMENT. Es el protocolo que se encarga de la movilidad y la gestión de la sesión en momentos de la ejecución de funciones de seguridad, actualizaciones de rutas, etc.
241
Comunicación de datos por GPRS
La señalización entre SGSN y los registros HLR, VLR, y EIR utilizan los mismos protocolos que GSM con ciertas funciones ampliadas para el funcionamiento con el GPRS.
5.4. INTERFAZ DE RADIO. GPRS usará el pool común de los recursos físicos a través de la interfaz de radio en coexistencia con la conmutación de circuitos de GSM. Esto hace posible mezclar canales GPRS con canales de conmutación de circuitos en una celda. Los recursos GRPS pueden ser dinámicamente asignados en intervalos en las sesiones de conmutación de circuitos. De esta forma el espectro se utiliza mucho más eficientemente. GPRS usa los mismos canales lógicos pero de una manera mas eficiente comparada con la conmutación de circuitos GSM donde varios usuarios GPRS podrán compartir un canal, dando así una mejor utilización del canal, Adicionalmente, los canales GPRS son asignados únicamente cuando los datos son enviados o recibidos.
5.4.1. CANALES LÓGICOS. En GSM hay alrededor de 10 diferentes canales lógicos definidos. Estos canales son usados para la transferencia de tipos separados de información. El canal de paging (PCH) por ejemplo, es usado para llevar mensajes de paging y en el canal de control Broadcast (BCCH), se transfiere la información del sistema.
242
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.6. Canales lógicos en GPRS. Con GPRS se define un nuevo conjunto de canales lógicos. La mayoría de ellos tienen nombres y funciones similares a sus correspondientes en el canal de GSM. Una letra “P” para definir “Paquete” al frente del nombre y la abreviación indica que es un canal de GPRS. Los canales lógicos son mapeados dentro de canales físicos que son usados para paquetes dedicados de datos. Estos canales físicos son llamados Canal de Paquete de Datos (PDCH). El Packet Timing Advance Control Channel (PTCCH) es un nuevo canal dedicado para la regulación de Timing Advance. en GSM esta información es enviada sobre el SACCH. Para soportar GPRS, se pueden asignar múltiples canales para las conexiones de conmutación de paquetes (PS). Se asignan canales para tráfico GPRS desde el Dominio de Conmutación de Circuitos (CSD) como Canales de Paquetes de Datos (PDCH).
Este PDCH pertenecerá entonces al Dominio de Conmutación por
Paquetes (PSD). Para la asignación del PDCH se utiliza un multislot y un TCH apto para PS.
243
Comunicación de datos por GPRS
En una celda, el PDCH coexistirá con los canales de tráfico para CS. El PCU el es responsable de todos los canales asignados PDCH. En el PSD, varias conexiones PS pueden compartir el mismo PDCH. Una conexión PS esta definida como un Temporary Block Flow (TBF) en uplink y downlink. Un MS puede tener levantados dos TBF al mismo tiempo, uno para uplink y otro para downlink. Cuando se establece un TBF para un MS, se coloca una reservación sobre uno o más PDCH. El PDCH es asignado en el conjunto de PDCH (PSET) y solamente el PDCH en el mismo PSET puede ser usado por un MS. Antes de que una reservación pueda tomar su lugar, uno o más PDCH deben ser presentados en el PSD.
Fig. 5.7. Reservación de Canal.
Canal de difusión o de “Broadcast”.
244
Comunicación de datos por GPRS
Packet Broadcast Control Channel (PBCCH) (Downlink). El PBCCH emite paquetes de datos de información específica del sistema. Si no se asigna el PBCCH, el paquete de datos es emitido por un BCCH.
Canal de Control Común de Paquetes (PCCCH). El PCCCH consta de los canales lógicos para control de señalización común usado para paquetes de datos como se describe a continuación. Packet Paging Channel (PPCH) (Downlink). El PPCH es usado para buscar un MS antes de la transferencia de paquetes en downlink. El PPCH puede ser usado para paging tanto en conmutación de circuitos y servicios de paquetes de datos. El paging para servicios de conmutación de circuitos sobre PPCH se aplica solo para móviles GPRS clases A y B en modo I de operación de red. Packet Random Access Channel (PRACH) (Uplink). El PRACH es utilizado por el MS para iniciar la transferencia en uplink para enviar datos o información de señalización. Packet Access Grant Channel (PAGCH) (Downlink). Es utilizado en la fase de establecimiento de transferencia de paquetes para enviar la asignación de recursos a un MS antes de la transferencia de paquetes. Packet Notification (PNCH) (Downlink). Es usado para enviar una notificación PTM-M a un grupo de MS’s antes de una transferencia de paquetes PTM-M.
Canal de Control Dedicado de Paquetes (PDCCH).
245
Comunicación de datos por GPRS
Packet Associated Control Channel (PACCH) (Uplink/Downlink). El PACCH transmite información de señalización relacionada a un MS’s dado. La información de señalización incluye por ejemplo reconocimiento e información de control de potencia. El PACCH transporta también asignación de recursos y mensajes de reasignación. El PACCH comparte recursos con los PDTCH’s que actualmente estén asignados a un MS. Packet Timing advance Control Channel, uplink (PTCCH/U). Es usado para transmitir rafagas de acceso aleatorio para permitir una estimación del timing advance para un MS en el modo de transferencia de paquetes. Packet Timing advance Control Channel, downlink (PTCCH/D). Se usa para transmitir actualizaciones de información de timing advance a varios MS’s. Un PTCCH/D esta emparejado con varios PTCCH/U’s.
Canales de Tráfico. Packet Data Traffic Channel (PDTCH) (Uplink/Downlink). El PDTCH es un canal asignado para la transferencia de datos, Es temporalmente dedicado a un MS o a un grupo de MS’s en el caso de PTM-M. En operación multislot, un MS puede usar multiples PDTCH’s en paralelo para la transferencia individual de paquetes. Todos los canales de trafico de paquetes de datos son unidireccionales, uplink (PDTCH/U) para un móvil que origina una transferencia de paquetes, o downlink (PDTCH/D) para un móvil donde llega la transferencia de paquetes.
5.4.2. ASIGNACIÓN DE PDCH PARA GPRS.
246
Comunicación de datos por GPRS
El PCU es responsable de asignar canales a los diferentes MS’s GPRS. Hay dos situaciones en las cuales un conjunto de PDCH puede ser asignado para GPRS: PDCH dedicados PDCH por demanda Los canales que son asignados para GPRS (PDCH) son asignados en conjuntos de 4 time slots consecutivos como máximo. Un conjunto de PDCH es llamado PSET y puede consistir de PDCH dedicados y por demanda. Todos los canales en un PSET están en la misma frecuencia o saltan en el mismo conjunto de frequency hopping. No hay un límite adicional en el número de PDCH’s que pueden ser asignados en una celda, excepto el número de TCH’s disponibles.
5.4.2.1. ASIGNACIÓN DE PDCH DEDICADO. El operador coloca un número de PDCH dedicados en una celda. Estos PDCH’s son asignados desde el CSD hacia el PSD, y serán dedicados para tráfico de GPRS únicamente. El operador puede especificar de cero a ocho PDCH dedicados por celda. El PDCH dedicado asegura que siempre habrá recursos GPRS en una celda. El operador puede especificar donde quiere que estén localizados sus PDCH dedicados. Desde un punto de vista de radio, los canales non-hopping en la portadora BCCH son generalmente no equivalentes a los canales de tráfico en otras frecuencias. Las frecuencias BCCH pueden tener un plan
247
Comunicación de datos por GPRS
de separación de frecuencias, y los burst en la frecuencia BCCH no están regulados en potencia. El operador puede decidir por celda si el PDCH dedicado será asignado en la frecuencia BCCH non-hopping como primera o última opción o sin preferencia.
Fig. 5.8. Canales físicos GPRS Dedicados o por demanda. 5.4.2.2. ASIGNACIÓN DE PDCH POR DEMANDA. El PDCH por demanda es asignado desde el CSD solamente cuando hay necesidad de más PDCH’s para tráfico de PS. Los PDCH’s por demanda pueden ser pre-empted por llamadas entrantes de conmutación de circuitos en situaciones de congestión en la celda. No hay un límite físico de cuantos PDCH por demanda pueden estar en una celda. El número de PDCH depende de cuanto tráfico de conmutación de circuitos exista, hasta el límite cuando el tráfico por conmutación de circuitos comience a pre-empt PDCH debido a la congestión. En una
248
Comunicación de datos por GPRS
celda sin algún tráfico de conmutación de circuitos podría ser posible usar todos los canales para tráfico GPRS. Una función de supervisión de carga es implementada tanto en una celda con o sin PDCH dedicados, nuevos canales PDCH por demanda son asignados cuando el número de usuarios GPRS es demasiado alto con respecto al número existente de PDCH en esa celda, asumiendo que hay canales idle disponibles. El número de usuarios simultáneos en un PDCH puede ser colocado por medio de un comando por el operador por BSC antes de un nuevo intento de asignación de canal de PDCH por demanda.
Fig. 5.9. Canales físicos GPRS por demanda. 5.4.3. MULTITRAMA. Una multitrama de estructura 52 es usada en el Packet Data Channel (PDCH).
249
Comunicación de datos por GPRS
Las tramas LLC recibidas del SGSN en una transferencia en downlink son cortadas en pequeñas piezas llamadas blocks de radio o blocks RLC por el PCU.
Fig. 5.10. Multitrama. Cada block de radio es enviado en cuatro burst consecutivos en un time slot. Si un MS esta asignado, por ejemplo, a los time slots 1-4, un block de radio es enviado en cuatro burst sobre el time slot 1, un segundo block de radio es enviado en cuatro burst sobre el time slot 2, etc.
250
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.11.
Fig. 5.12.
A un número de MS’s les pueden ser asignados recursos sobre el mismo time slot. El encabezado de cada block de radio downlink contiene el TF1 que muestra a cual MS es direccionado el block de radio. El encabezado de cada block de radio downlink también contiene el Uplink State Flag (USF). El USF es utilizado para decir al MS con un TBF uplink sobre ese time slot, cual esta permitido enviar un block de radio uplink en el siguiente grupo de cuatro burst.
251
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.13. En la estructura de la multitrama (Fig. 5.10), los burst marcado por una X son usados en downlink para enviar mensajes de timming advance al MS. En uplink, no se envía nada en estos periodos. En lugar de esto el MS utiliza el tiempo en uplink para realizar mediciones. El USF es enviado únicamente en los blocks de downlink.
252
Comunicación de datos por GPRS
5.5. TRANSFERENCIA DE PAQUETES. 5.5.1. MODO DE OPERACIÓN DE RED. La red puede proporcionar la coordinación de paging para servicios de conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. La coordinación de paging significa que la red envía los mensajes de paging para conmutación de circuitos en el mismo canal que se utiliza para los servicios de conmutación de paquetes (en el canal de paging de GPRS o en el canal del tráfico de GPRS), y el MS necesita solamente supervisar ese canal. Se definen tres modos de la operación de red: •
Modo I de operación de red. La red envía un mensaje paging del CS para un MS GPRS-attached, en el mismo canal de paging de GPRS (es decir el canal paging de paquetes o el canal común del control, CCCH, canal paging), o en un canal de tráfico de GPRS. Esto significa que el MS debe supervisar solamente un canal paging, y que recibe mensajes de paging del CS en el canal de paquete de datos cuando a este le ha sido asignado un canal de paquete de datos.
•
Modo II de operación de red. La red envía el mensaje de paging del CS para un MS GPRS-attached en el canal de paging CCCH, y este canal también se utiliza para paging GPRS. Esto significa que el MS debe supervisar solamente el canal de paging CCCH,
253
Comunicación de datos por GPRS
pero que el paging del CS continúa en este canal de paging, incluso si al MS le ha sido asignado un canal de paquete de datos.
•
Modo III de operación de red. La red envía el mensaje de paging del CS para un MS GPRS-attached en el canal de paging de CCCH, y envía un mensaje de paging GPRS en el canal de paging del paquete (si está asignado en la célula) o en el canal de paging de CCCH. Esto significa que un MS que desea recibir las páginas para servicios de conmutación de circuitos y conmutación de paquetes debe supervisar ambos canales de paging, si el canal del paquete está asignado en la célula. La red no realiza ninguna coordinación de paging.
Cuando la interfaz Gs está presente, véase la figura 5.14, todos los paging originados por MSC de MS’s GPRS-attached irán vía SGSN, permitiendo así la coordinación de la red de paging. El SGSN coordina el paging basado en el IMSI, si el MS está en estado standby o ready. La red funciona en el modo I, según lo demostrado en la figura 5.14. Cuando la interfaz Gs no está presente, véase la figura 5.14, todo el paging originado por MSC de MS’s GPRS-attached puede ir vía interfaz A, y el paging no puede ser coordinado. Entonces cualquier red funcionará en el modo II, en el cual el canal común del control de paquetes no será asignado en la célula, o en otro caso opera en el modo III, en el cual el canal común del control de paquetes se puede utilizar para paging de GPRS cuando el canal de paging se asigne en la célula.
254
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.14. Modos de operación de red, Gs presentes (I) y no presente (II y III). El modo de operación de red (modo I, II o III) será indicado como información del sistema para MS’s. Para la operación apropiada, el modo de operación debe ser igual que en cada célula de un área de ruteo. Basado en el modo de operación proporcionado por la red, el MS puede entonces elegir, según sus capacidades, si puede unir a los servicios de GPRS, a servicios no-GPRS, o ambos.
5.5.2. TRANSFERENCIA DE PAQUETES EN DOWNLINK. 5.5.2.1. PAGING. Cuando un MS en modo de operación clase A o B es sujetado por GPRS y CS, y la interfaz Gs entre el MSC y SGSN está disponible, el MSC envía las páginas al SGSN, vía interfaz Gs, en vez de directamente al BSC. Puesto que el
255
Comunicación de datos por GPRS
SGSN conoce la localización del MS en nivel de la célula cuando está en estado ready y en nivel de área de ruteo en cualquier otro caso, el área de paging será del mismo tamaño o más pequeño que cuando la página se envía directamente al BSC. El SGSN envía la página al PCU afectado con la información de la célula o área de ruteo. Si el MS está implicado en una transferencia de paquetes, el PCU envía la página en el canal del control asociado a la transferencia de paquetes, PACCH. Si no la página se envía en PPCH, o en PCH si PPCH no está disponible. Es posible tener una red sin interfaz Gs. En este caso el MSC no puede enviar la página al SGSN. En su lugar el MSC envía la página directamente al BSC. El operador puede especificar por BSC si hay una interfaz Gs o no y entonces el modo apropiado de la operación de la red (I o III) será difundido. Si el MS está en estado standby, la transferencia del paquete en downlink es iniciada por paging al MS en un área de ruteo. Esto es iniciado por el SGSN que envía una petición de paging BSSGP al PCU. El PCU entonces calculará a qué grupo de paging pertenece el MS, y envia la petición de paging en un time slot cuando el MS es despertado (escuchando). El MS responde a la página enviando un mensaje de respuesta paging al SGSN. Esto se hace usando el procedimiento de la transferencia de paquetes en uplink. El mensaje es transparente al BSS y parece una trama ordinaria LLC. El MS esta ahora en estado ready y el SGSN puede empezar a enviar tramas LLC al PCU con célula y la identidad del MS.
256
Comunicación de datos por GPRS
5.5.2.2. ESTABLECIMIENTO DE TBF DOWNLINK. Cuando el PCU recibe tramas LLC del SGSN, el PCU comprueba si el MS direccionado esta ya implicado en una transferencia de paquetes:
Si MS ya tiene un downlink TBF, la nueva trama LLC se pone en la fila con otra trama LLC para ese MS.
Si el MS tiene ya un uplink TBF (véase Figura 5.15), el PCU tiene que tomar esto en consideración. El PCU asignará probablemente recursos de downlink en los mismos time slots (o por lo menos parcialmente) que el MS tiene para recursos de uplink. Esto permite para que el MS utilice los recursos de uplink y de downlink en el mismo tiempo. La clase del multislot del MS observa la capacidad del MS con respecto a cuántos PDCH puede dirigir en cada dirección en el mismo tiempo. El mensaje de asignación Downlink del paquete se envía en el canal que es asociado con el uplink asignado, el PACCH.
257
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.15. TBF’s uplink y downlink concurrentes.
Si el MS no tiene ningún TBF establecido (véase Figura 5.16), se envía un mensaje de asignación Downlink del paquete en un time slot que el MS escucha, según su grupo de paging. El MS permanece en el modo de no-DRX (recepción discontinua) por cierto tiempo después de que haya estado implicado en una transferencia de paquete. Eso significa que esta despierto y no hay necesidad de esperar por su grupo de paging. El mensaje se puede enviar inmediatamente.
258
Comunicación de datos por GPRS
Fig. 5.16. Transferencia en Downlink al MS attached en modo ready.
El mensaje asignado downlink del paquete consiste en una lista de los canales que serán utilizados y un TFI para direcciones al MS. 5.5.3. TRANSFERENCIA DE PAQUETES EN UPLINK. 5.5.3.1. ESTABLECIMIENTO DE TBF UPLINK. Si un MS no tiene ningún TBF establecido, el MS envía un mensaje de petición de canal de paquete al PCU.
259
Comunicación de datos por GPRS
En un ejemplo, en la implementación de Ericsson‚ hay dos maneras principales de asignar recursos después de recibir un mensaje de la petición del canal de paquete del MS: •
Al MS se le asignan recursos en uno o varios time slots por un tiempo más largo usando el método de la asignación dinámica. Para cada time slot , al MS se le asigna un valor del USF. El TFI se usado en señalización para identificar al MS.
•
Un time slot sencillo es reservado para enviar un bloque de RLC. Esto se puede ser usado para permitir al MS enviar un mensaje de petición de recurso del paquete, para especificar más lejos sus capacidades y/o demandas. Esto se llama un acceso bifásico. El bloque sencillo RLC podría también ser utilizado cuando el MS tiene solamente una trama LLC muy corta para enviar.
En el acceso bifásico, el MS envía una petición de recurso de paquetes en el time slot asignado. Con la nueva información recibida, el PCU asigna recursos y envía una nueva asignación uplink para el paquete al MS. El procedimiento se muestra en la Figura 5.17.
Fig. 5.17. Establecimiento de conexión Uplink RLC.
260
Comunicación de datos por GPRS
5.5.3.2. TBF YA ESTABLECIDO. Si el MS tiene ya TBF downlink establecido, el MS envía un mensaje de petición de recursos de paquete sobre el canal del control asociado con el TBF downlink, el PACCH. El PCU tiene que considerar la asignación del downlink al asignar recursos de uplink. El mensaje de la asignación de Uplink del paquete entonces se envía al MS en el PACCH. Cuando un MS tiene únicamente un solo bloque de RLC para enviar, por ejemplo un reconocimiento o una petición del recurso del paquete, el PCU puede asignar un time slot en cierto tiempo al MS. Entonces no se asigna ningún USF al MS. En el encabezado del bloque correspondiente del downlink RLC, al USF entonces se da un valor que no se asigne a ningún MS, para evitar la colisión.
5.5.3.3. RECONOCIMIENTO. Los bloques de radio se pueden enviar en modo RLC de reconocimiento (acknowledged) o de no reconocimiento (unacknowledged). Actualmente los mensajes de Ack/Nack se envían en ambos modos, pero los paquetes se retransmiten solamente sobre el interfaz de aire en modo RLC reconocido. Las razones de enviar acknowledged en modo unacknowledged pueden ser varias:
Para comprobar que la comunicación no ha sido rota.
Para conseguir conocimiento sobre la calidad de transmisión, para utilizar el esquema de codificación que da el mejor funcionamiento.
Para dar la prioridad al MS dependiendo de calidad del acoplamiento.
261
Comunicación de datos por GPRS
5.5.3.4. FINALIZANDO UN TBF. Cuando no hay tramas LLC para un cierto MS en el PCU (pero puede haber más en el SGSN), se libera el TBF downlink. Si llega una nueva trama LLC inmediatamente después, una nueva asignación que corresponde a un TBF nuevo se envía al MS. El MS todavía está en estado READY, así no hay necesidad de localizar al MS. Cuando el MS tiene solamente algunos bloques RLC más para enviar, esto se señala a la red, y un procedimiento de cuenta regresiva. Después de que se hayan enviado y se hayan reconocido todos los bloques, se lanza el TBF uplink. Si el MS tiene más paquetes para enviar después de que se haya iniciado el procedimiento de la cuenta regresiva, un TBF nuevo tiene que ser establecido. No se permite al MS continuar enviando más paquetes que tenía al iniciar el procedimiento de la cuenta regresiva.
5.6. CAMBIO DE CELDA EN GSM Y GPRS. 5.6.1. CAMBIO DE CELDA EN GSM. En el modo idle (sin comunicación en progreso), la red GSM autonómicamente realiza la reselección en relación al criterio de reselección. Las mediciones de radio realizadas por un MS son usadas para calcular estos criterios. En modo activo (comunicación en progreso), los MS’s GSM son guiados por la BSC. Esto significa que el BSC promueve el handover a otras celdas.
262
Comunicación de datos por GPRS
El MS realiza las mediciones sobre las celdas adyacentes y sobre su misma celda. El MS envía los reportes de las mediciones a la red. De acuerdo a estos reportes, la red decide cuando debe cambiar de celda el MS. cual es la nueva celda asigna recursos de radio en la nueva celda para el MS. Este paso es el handover.
Fig. 5.18. Cambio de celda en GSM durante la comunicación.
5.6.2. CAMBIO DE CELDA EN GPRS. En GPRS la reselección de celda es usada si el MS transfiere o no paquetes. Cuando una estación móvil clase A es simultáneamente involucrada en un servicio de conmutación de circuitos y en una transferencia GPRS el handover para la conmutación de circuitos tiene precedencia sobre la re-selección de celda controlada por la red GPRS.
263
Comunicación de datos por GPRS
El MS realiza las mediciones sobre las celdas adyacentes y sobre su misma celda. El MS computa los criterios de reselección para determinar si este necesita cambiar de celda y cual será la mejor. De acuerdo a los criterios de reselección, el MS decide cuando tiene que cambiar de celda. cual celda es la mejor
Fig. 5.19. Cambio de celda en GPRS durante una transferencia de paquetes.
5.6.3. RESELECCIÓN DE CELDA EN UN CASO DE TRÁFICO DOWNLINK. Un MS que esta involucrado en una transferencia de paquetes en downlink. El MS descubre, de acuerdo a sus propias mediciones y a los parámetros de selección de celda, que otra celda es una mejor opción. El MS detiene la escucha de la vieja celda y comienza a leer la información del sistema necesaria en la nueva celda. Entonces, El MS accesa la nueva celda y envía una actualización de celda al SGSN. Este mensaje es transparente para el PCU. El SGSN recibe la actualización de la celda y descubre que ya había una transferencia de paquetes en downlink. El SGSN envía un mensaje ráido al PCU, responsable de la anterior celda. El mensaje rápido contiene las direcciones de la vieja y de la nueva celda, así como la identidad del MS.
264
Comunicación de datos por GPRS
El PCU checa si es responsable de la nueva celda. En este caso, todas las tramas con buffer que no han sido reconocidas o enviadas son movidas a una hilera hacia la nueva celda. El PCU asigna nuevos recursos para el MS en la nueva celda y la transmisión es reiniciada. Si el PCU no es responsable de la nueva celda, este borrará todas las tramas destinadas a ese MS y dejara la retransmisión a las capas superiores.
Cuando el MS decide re-seleccionar una nueva celda Este cambia de celda sin informar a la red. Pide a la red un recurso UL en la nueva celda y realiza una actualización de celda. Las redes Asignan recursos de downlink para el móvil en la nueva celda. Envía paquetes a la nueva celda.
Fig. 5.20. Cambio de celda en GPRS durante una transferencia de paquetes: caso de Downlink.
5.6.4. RESELECCIÓN DE CELDA EN UN CASO DE TRÁFICO UPLINK. Un MS esta involucrado en una transferencia de paquetes en uplink. El MS descubre, de acuerdo a sus propias mediciones y los parámetros de selección de celda, que otra celda es la mejor opción. El MS libera los recursos de uplink enviando un valor cuenta atrás igual a cero en el último block de radio.
265
Comunicación de datos por GPRS
Entonces, el MS accesa la nueva celda y continúa las transferencia en uplink con las tramas sin transferir.
Cuando el MS decide re-seleccionar una nueva celda Este informa a la red que de detendrá la transferencia en uplink Pide a la red recurso de UL en la nueva celda. reinicia la transferencia de paquetes en la nueva celda. (La primera trama enviada permite hacer la actualización de celda.
Fig. 5.21. Cambio de celda en GPRS durante una transferencia de paquetes: caso de Uplink.
266
Comunicación de datos por GPRS
5.7. DISCIPLINAS DE SERVICIO. Podemos encontrar gran variedad de disciplinas de servicio, desde las más rudimentarias y poco efectivas, como son FIFO y Round Robin, hasta las más desarrolladas como MED. Las desarrolladas en el entorno GPRS son las siguientes:
5.7.1. SIN PRIORIDAD. FIFO: Se garantiza una QoS de hasta un 30% de carga, sin embargo presenta retardos muy variables. No existe protección entre diferentes aplicaciones de usuarios móviles. RR: Los paquetes se clasifican y envían a N colas garantizando una QoS de hasta un 70% de carga. A pesar de tener también retrasos variables, son inferiores al de FIFO y es más equitativo. Los dos sistemas, sin aplicar ningún tipo de prioridad arrojan buenos resultados en condiciones de poca carga. Sin embargo tienen problemas evidentes, como por ejemplo el caso de que FIFO no protege contra usuarios o aplicaciones abusivas que consuman mucho ancho de banda. RR se comporta mejor por el hecho de separar los paquetes en diferentes colas.
267
Comunicación de datos por GPRS
5.7.2. CON PRIORIDAD. Cada una tiene sus características, pero en cierto modo todos se dirigen a, en caso de congestión, evitar en mayor grado su efecto sobre los usuarios. Aunque para ello se deben definir prioridades o pesos a priori, o basándose en variaciones del tráfico. WRR: Diferentes pesos para cada cola. DRR: El peso de cada cola oscila alrededor de un “deficit”. ARR: Adopta prioridades hacia colas Round Robin. SJN: Escoge los paquetes según su tamaño. Los paquetes pequeños se envían antes. SPS: Una cola de cierta prioridad no se servirá hasta que todas las colas de prioridad superior están vacías. WPQ: Igual que SPS pero ahora se limita el número de paquetes procesados para evitar la desatención de las colas menos prioritarias.
5.7.3. GARANTIZANDO QoS.
Finalmente encontramos los sistemas basados en asegurar la calidad de servicio (retardo). Para ello cada paquete entrante en el sistema recibe un “Timestamp” o un “Deadline”, que no son más que controladores de la situación del paquete dentro del sistema, indicando cuanto como máximo se puede quedar en las colas. Básicamente se diferencian en la manera de gestionar los paquetes,
268
Comunicación de datos por GPRS
mientras que Virtual Clock busca el paquete y lo transmite, MED lo busca y lo envía hacia una segunda cola de QoS. Estas disciplinas de servicios son las que arrojan mejores resultados, incluso que las “Best Effort” con prioridad, como SPS o WPQ. Virtual Clock: Garantiza el ancho de banda por conexión. A cada paquete se le asocia un “Timestamp” y en cada cola se selecciona con menor “Timestamp”. MED: Aquí a cada paquete se le asigna un “Deadline” y si se cumple dicho valor, este se pone en su cola de QoS.
269
Comunicación de datos por GPRS
270
El sistema GSMConclusiones
Con este trabajo hemos tratado de dar una visión general de lo que son las comunicaciones inalámbricas hoy en día, más enfocados primeramente a mostrar la eficiencia espectral de GSM, demostrando nuevos métodos innovadores que incrementan la capacidad de voz. GSM ha demostrado ser la tecnología más efectiva a nivel mundial. Proporciona roaming internacional, un camino de migración claro hacia los sistemas de la próxima generación, y capacidades actuales que igualan o superan a las tecnologías competidoras. El concepto tecnológico clave que comparten la mayoría de los enfoques de alta capacidad es el de “espectro distribuido”. En el espectro distribuido cada sitio de celda distribuye sus señales de radio en la totalidad del ancho de banda espectral, y por ello, comparte este escaso recurso con otras estaciones base cercanas. Con el uso de técnicas de salto de frecuencia (frequency hopping), GSM constituye un sistema de espectro distribuido, y presenta las mismas ventajas que normalmente se atribuyen a CDMA. En el caso de GSM el espectro distribuido no está limitado a 1.25 MHZ, sino que puede utilizar todo el ancho de banda disponible. Por consiguiente, GSM en combinación con salto de frecuencias, planificación de radio avanzada y nuevos métodos de compresión de voz incrementan la capacidad en GSM al equivalente de CDMA2000 o aún más. Pero como hemos visto, las comunicaciones inalámbricas en la actualidad no se limitan únicamente a la transmisión de voz, sino que también es posible lograr una comunicación de datos sin necesidad de cables.
14
El sistema GSMConclusiones
Finalmente, este trabajo expuso la evolución más allá de GSM.
GPRS es una evolución no traumática de la actual red GSM: no conlleva grandes inversiones y reutiliza parte de la infraestructura actual de GSM. Por este motivo, GPRS tendrá, desde sus inicios, la misma cobertura que la actual red GSM. GPRS (Global Packet Radio Service) es una tecnología que subsana las deficiencias de GSM, hablando en el sentido de la transmisión de datos. El uso de nuevos terminales GPRS como módem inalámbrico tendrá una aplicación inmediata y evidente. Los podremos conectar a ordenadores portátiles o de sobremesa como cualquier módem, pero, evidentemente, con las ventajas de ser inalámbrico. Igualmente, los terminales GPRS nos permitirán visualizar contenidos y utilizar servicios de Internet directamente en su pantalla reducida, en una evolución continua de convergencia entre el teléfono móvil y los PDA (Asistentes Digitales Personales). El salto actual de GSM a GPRS es superior, cualitativamente hablando, al que se producirá de GPRS a UMTS (Universal Mobile Telephony System). La Internet móvil pasa por un momento de máximo empuje: vivimos una situación de transición de la industria. El tiempo de establecimiento de conexión y el sistema de pago pueden ser factores más importantes que la velocidad de transmisión. GPRS es, por tanto, un puente que une una carretera llena de dificultades y obstáculos, y una autopista recién asfaltada repleta de lugares en donde se ofrecen todos los servicios imaginables. Pero antes de llegar hasta allí hay que
15
El sistema GSMConclusiones
atravesar el camino de transición por el que, según parece, no se circulará nada mal. Sólo falta saber si habrá conductores dispuestos a pagar el peaje.
Esta autopista de la que hablamos, es la tan esperada tercera generación (3G), hablando más específicamente, el UMTS. El estándar UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) es un intento de unificar los sistemas de telefonía móvil en el mundo. Aunque se ha logrado casi estandarizar a nivel mundial los sistemas de telefonía digital, aún existen diferencias, más entre los sistemas de E.U. y los europeos. El futuro global de las comunicaciones necesita un sistema que permita utilizar el mismo terminal en cualquier parte del mundo. Es por esto que la ITU (International Telecommunications Union) y la Comisión Europea han impulsado desde 1998 un proyecto llamado IMT-2000 para implantar un único sistema de telefonía móvil mundial, el UMTS. Estas son algunas de las evidentes ventajas de UMTS: • El sistema UMTS mantendrá la compatibilidad con las redes GMS. • La frecuencia para UMTS es de 2GHz y será posible transmitir datos a 2Mbps. Con estas velocidades, la videoconferencia móvil es una realidad. • Velocidad adaptable: el ancho de banda de cada llamada se asigna de forma dinámica (no es lo mismo una llamada de voz que una transmisión de imágenes), con lo que se optimiza su uso. • Global: el sistema está diseñado para funcionar en todo el mundo, empleando tanto redes terrestres como enlaces por satélite. Seguirá siendo compatible con GSM 900 y 1800.
16
El sistema GSMConclusiones
• Sencillo de utilizar: como es un sistema único, el roaming es prácticamente instantáneo, sin cortes en la comunicación. Además, al cambiar de operador, el usuario dispondrá de sus servicios originales, por ejemplo, los de la intranet corporativa. Para que el UMTS funcione comercialmente es preciso crear las correspondientes regulaciones en cada país, distribuir las licencias entre los operadores y sobre todo, potenciar su uso en diferentes países para que realmente sea global.
En resumen, és muy difícil intentar imaginar cómo será el futuro e intentar hacer predicciones, ya que incluso el presente actual es un sistema sometido a cambio constante. Podemos, sin embargo, dar algunas pinceladas de lo que puede aportarnos la tecnología en el futuro próximo: Un ancho de banda de hasta 2 Mb en cualquier lugar y momento. Estaremos siempre conectados a Internet mediante un dispositivo personal, con lo que desaparecerá el concepto “conectarse a Internet”, ya que dispondremos de conexión permanente. La conexión será instantánea y el pago, por información transmitida. Dispositivos que intercambiarán información con el sólo hecho de acercarlos (Bluetooth).
Y a manera de reflexión: Cuando recién se hablaba de las computadoras en casa, de las ventajas que se podrían tener, mucha gente pensó que no tendrían ningún éxito, no
17
El sistema GSMConclusiones
llegarían a nada más que ser una moda pasajera y que únicamente gente adinerada podría conseguirlas y que serían obsoletas en muy poco tiempo.
Pero el tiempo ha hablado de una forma muy distinta, ya dejaron de ser un lujo para convertirse en algo básico de nuestra vida diaria, al grado que ya no son solamente caseras, sino que ahora existe una cantidad inimaginable de
dispositivos
portátiles,
llegando
hasta
la
fusión
con
las
comunicaciones inalámbricas.
Es por esto que no podemos decir que la tecnología ha llegado a su límite, siempre habrá algo nuevo que tal vez al principio parezca moda, pero con el tiempo, puede llegar a convertirse en una necesidad.
18
El sistema GSMConclusiones
19
El sistema GSMConclusiones
El sistema GSMConclusiones
GLOSARIO. • 1G. Abreviatura de la Primera Generación analógica de comunicaciones móviles. Aunque comenzó a dar sus primeros pasos durante el siglo XIX, en la actualidad la mayoría de estos sistemas han sido apagados. Principalmente en los EE.UU. todavía se siguen usando activamente sistemas de comunicación móviles de 1G. • 2G. Abreviatura de la Segunda Generación de comunicaciones móviles. Aunque se han puesto en marcha varios sistemas dentro de esta segunda generación, GSM se ha convertido en el estándar global para las comunicaciones móviles. • 2.5G. Abreviatura de GSM Fase 2+, una extensión de GSM, que incluye HSCSD y GPRS. • 3G. Abreviatura de la Tercera Generación de comunicaciones móviles. Los dispositivos y redes de esta tercera generación utilizan una familia de estándares adoptados bajo la denominación de IMT-2000. UMTS es el miembro más popular de la familia. • 3GPP (3rd Generation Partnership Project / Proyecto Societario de la 3G). Asociación de compañías manufactureras, organizaciones y observadores interesados que juegan un papel dirigente en el desarrollo de las especificaciones técnicas y en la realización organizativa de las futuras especificaciones UMTS. •
ADSL (Assymetrical Digital Subscriber Line / Línea de Abonado Digital Asimétrica). Método para aumentar la velocidad de transmisión en un cable de cobre. ADSL facilita la división de la capacidad en un canal con velocidad mayor hacia el abonado, en general para la transmisión de video, y una canal con velocidad mucho menor en la otra dirección. • Alfanumérico. Se usa para representar los múltiples símbolos empleados para las letras, números y puntuación. • Algoritmo. Conjunto de reglas y procedimientos, expresados mediante datos o símbolos, que describen un estado o una asociación lógica para resolver un problema. Es la condición necesaria para el desempeño de tareas automáticas.
El sistema GSMConclusiones
•
AMPS (Advanced Mobile Phone System / Sistema de Teléfono Móvil Avanzado). Estándar de telefonía móvil analógica que cubre los EE.UU, varias regiones de Sudamérica y el Pacífico Sur. Un 80 % de los clientes de teléfonos móviles de EE.UU. todavía utilizan el estándar AMPS, que no es compatible con los estándares de telefonía móvil europeos. Fue la especificación estándar original para los sistemas analógicos, la primera generación de la telefonía móvil. • Analógico. Término relativo a una técnica de señalización, en la que una transmisión se realiza modulando (variando) alguno de los parámetros (amplitud, frecuencia o fase) de una señal portadora. Algunos de los sistemas analógicos que existen son: AMPS, NMT y ETACS. • Antena. Dispositivo de procesamiento de señales que transmite y recibe señales electromagnéticas al mismo tiempo. Puede ser fija, telescópica o interior. • APN (Access Point Name / Nombre del Punto de Acceso). Perfil de configuración de la red GPRS que identifica el punto de acceso a una subred externa. • Asíncrono. Generalmente usada para transmitir información en forma de carácter, y en la cual no es necesario sincronizar los relojes del Tx y Rx, en vez de esto, los bits se agrupan de tal forma que al comienzo de cada carácter se coloca un bit de arranque y se termina con uno de parada, así la temporización entre el Tx y Rx se restablece cada que se detecta un bit de arranque. Este tipo se emplea para la comunicación entre una computadora y sus periféricos. •
ATM (Asynchronous Transfer Mode / Modo de Transferencia Asíncrona). Sistema de transmisión de datos usado en banda ancha para aprovechar al máximo la capacidad de una línea. Se trata de un sistema de conmutación de paquetes que soporta velocidades de 1.544Mbps y hasta 1.2Gbps. También se conoce como "paquete veloz" (fast packet). • Autenticación. Proceso que permite que los teléfonos celulares y las operadoras confirmen la identidad de cualquier teléfono que se registre en la red, haga o reciba una llamada.
El sistema GSMConclusiones
• Backbone Network (Columna Vertebral de la Red). Dentro de la organización de las redes ésta ocupa el nivel más elevado. Dentro de sus funciones se encuentra el garantizar que las redes aisladas (stub) y de tránsito (transit) conectadas en un mismo eje troncal estén interconectadas. Cualquier red que forme la interconexión central para una red de redes. Una red backbone nacional es una WAN; una red backbone corporativa puede ser una LAN. • Banda Dual. Es el término que se utiliza para los móviles que son capaces de hacer llamadas a través de dos tipos de frecuencias distintas, las de la red GSM 900 y GSM 1800. La banda 1800 al ser más amplia tiene mayor capacidad y calidad. • Band Width (Ancho de Banda). Se refiere a la cantidad de datos que se envían en determinado tiempo a través de un circuito de comunicación. En otras palabras es la diferencia en hertzios (Hz) de la frecuencia más alta y la más baja de un canal de transmisión. • Bearer Services (Servicios de portadora). Servicios que le dan al abonado la capacidad necesaria para transmitir señales de información entre dos o más puntos de acceso. • Bit. Es la unidad de datos más pequeña que puede procesar un ordenador. Sólo puede tomar los valores "0" ó "1". •
Bit de paridad.
Consiste en un único bit, que indica si el número de bits con valor "1" enviados es par o impar. Es el método más elemental de detección de errores. • Bluetooth. Iniciada por Ericsson, Bluetooth es una tecnología de radio de bajo costo y bajo consumo de energía que permite la comunicación inalámbrica entre teléfonos móviles, PCs, PDAs, laptops, impresoras y otros dispositivos de computación que se encuentren separados por una distancia hasta de diez metros. • Bps (bits por segundo). Es el número de bits de datos enviados por segundo y es la auténtica velocidad de transmisión. El número de bits de datos por señal multiplicado por los baudios, da como resultado el número de bits por segundo. Solamente en el caso de que cada estado de una línea esté representado por un bit, coincidirán la velocidad en baudios y en bits por segundo. •
Broadband (Banda Ancha).
El sistema GSMConclusiones
Denominación que se aplica a un canal de comunicaciones cuyo margen de frecuencias es superior al habitual. • Broadcast (Difusión). Se trata de un tipo de comunicación que abarca numerosos tipos de receptores a través de una sola transmisión. La difusión puede implantarse con hardware (p.e. en una red Ethernet) o con software (p.e. Ciprés). • Browser. Programa de software que permite visualizar documentos escritos en el lenguaje de programación HTML, utilizado en las páginas que existen en la World Wide Web. El browser, o navegador, lee las instrucciones y presenta la información de la forma como está definida en el HTML. Los navegadores más conocidos son el Internet Explorer y el Netscape Navigator. • BS (Base Station / Estación Base). Red de trabajo que alberga el equipo necesario para realizar y completar llamadas sobre teléfonos inalámbricos (p.e. equipo de Tx y Rx, antenas, y computadoras). La BS trabaja con los suscriptores móviles y la MSC para completar llamadas y/o transmitir datos. • BSC (Base Station Controller / Controlador de la Estación Base). Elemento del Subsistema de Estación Base - Base Station Subsystem (BSS) de la Red GSM designado para asegurar la conectividad entre varias Estaciones Transceptoras Base - Base Transceiver Stations (BTS) y una Estación Móvil Mobile Station (MS). • BTS (Base Transceiver Station / Estación Transceptora Base). Componente de Red del BSS que gestiona los protocolos del enlace radio con una estación móvil dentro del área de cobertura determinado por una célula. • Buffer Memoria temporal que almacena el bit que ha de ser transmitido o que acaba de ser recibido. • Burst. Los Burst son “tramas” o bits que envía el MS hacia las BS’s. • Carrier. Señal de frecuencia continua que puede modular una señal portadora de información. • CCH (Control Channel / Canal de Control). En el sistema TACS de telefonía móvil, se denomina así a los canales dedicados al intercambio de información entre la estación base y la estación móvil.
El sistema GSMConclusiones
• CCITT (Comité Consultivo Internacional de Telefonía y Telegrafía). Una Organización Internacional extinta que diseñaba estándares para la comunicación analógica y digital que implica a los Módems, redes de computadoras y máquinas para Fax. El CCITT ha sido reemplazado por la ITUTSS. •
CDMA (Code Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de Código). Sistema que permite reutilizar el mismo canal de transmisión (la misma frecuencia), al mismo tiempo y por más de un usuario. Su principio básico es el transporte de paquetes simultáneos a través de la ruta de transmisión, con una dirección codificada para cada receptor. Es utilizado de acuerdo con el estándar US (IS 95) en el intervalo de frecuencias entre los 800 y los 1900 Mhz. • CDMAOne. Estándar de telefonía móvil digital basado en el principio de CDMA. Para migración a la tercera generación de telefonía móvil, las redes CDMAOne pueden ser actualizadas al estándar de banda ancha CDMA2000. • CDMA2000. Estándar de telefonía móvil digital basado en el principio CDMA. La transmisión CDMA2000 es compatible con su predecesor CDMAOne y puede ser utilizado en futuras redes UMTS como una alternativa a W-CDMA y TD-CDMA. •
CDPD (Cellular Digital Packet Data / Paquetes de Datos Digitales Celulares). Es el primer paso para brindar servicios de Internet móvil en el estándar de telefonía móvil TDMA. Los datos CDPD se transfieren en paquetes por canales que no están siendo utilizados por canales de voz. Es un sistema compartido por voz y datos que utiliza una capacidad que de lo contrario sería desaprovechada por la transmisión de voz. • Cell (Célula). Zona geográfica que engloba la amplitud de cobertura de la señal desde una estación de base (el lugar que contiene el transmisor/receptor de radio y el equipo de comunicación de la red). Las redes de transmisión inalámbrica están formadas por múltiples células hexagonales con zonas en común para un uso eficaz del espectro de radio en las transmisiones inalámbricas. Constituye también la base del término “teléfono celular”. • Chat (Charla interactiva). Comunicación simultánea entre dos o más personas a través de Internet, fundamentalmente escrita. Existen diversas plataformas y programas que se utilizan para Chats, los hay en modo Java, HTML, con imágenes, etc.
El sistema GSMConclusiones
• Circuit Switching (Conmutación de Circuitos). Modo de transmisión de datos en sistemas digitales 2G/2.5G como GSM y HSCSD. Los datos se transmiten en una línea continua desde el dispositivo emisor al receptor (teléfono móvil y estación base). En contraste con las transmisiones de conmutación de paquetes, se asigna a los usuarios durante la conexión un canal entero exclusivo para la transmisión, por lo que ningún otro usuario puede utilizar una ranura de tiempo hasta que la primera conexión ha concluido. • Cluster. Agrupación de células. Los clusters se basan típicamente en 4, 7, 12 0 21 células. • Cobertura. Radio de alcance de la señal emitida por las antenas del servicio de telefonía móvil. Se dice que hay una buena cobertura cuando hay acceso a una red GSM, siendo posible realizar llamadas sin rupturas de la señal o sin cortes en el pasaje de una célula a otra. •
CODEC (COdificador/DECodificador también COmpresor/DECompresor). Dispositivo que convierte las señales de audio y video en señales digitales, y las combina o multiplexa para su transmisión en forma digital de datos a una sala de Videoconferencia remota. Se compone de: codificador de fuente, multiplexor de video, buffer de transmisión y codificador de transmisión. • Comunicación de Datos. Transferencia de información de una computadora a otra, la que puede ocurrir mediante conexiones directas de cables, como en las redes de área local (LANs), o a través de líneas telefónicas mediante Módems. • CRC (Cyclic Redundancy Code / Código de Redundancia Cíclica). Número entero calculado a partir de una secuencia de octetos utilizados para detectar errores que aparecen cuando una secuencia de octetos se transmite de una máquina a otra. •
D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System / Sistema Avanzado de Telefonía Digital Móvil). Extensión digitalizada de AMPS, diseñada para la migración a la 2G. Es utilizada por varios operadores en los EE.UU. D-AMPS utiliza el estándar de transmisión TDMA en el rango de frecuencia de los 1900MHz. Para posibilitar la migración de las redes TDMA a la 3G se proveerá una mejora de EDGE.
El sistema GSMConclusiones
• Datagrama. Grupo de datos autocontenidos y que de manera independiente llevan información suficiente para ser encaminada desde la computadora de origen a una de destino sin que esto dependa de que antes se haya producido tráfico entre ambos y la red que transporta la información. Estos pueden ser retrasados, perdidos, duplicados, enviados, en una secuencia incorrecta o fragmentados intencionalmente. •
DCE (Data Communications Equipment / Equipo de Comunicación de Datos). Término de los estándares de protocolo ITU-TS que se aplica al equipo de conmutación que forma una red de conmutación de paquetes para distinguirlos de las computadoras o terminales que se conectan a la red. • DCS (Digital Cellular System / Sistema Celular Digital). Una implementación GSM de EE.UU y Europa en la banda de los 1800MHz, estandarizada por ETSI en 1991. • Digital. Que utiliza un código binario (valores independientes no continuos) para representar la información. Las redes digitales ofrecen mejor calidad de voz, transmisiones seguras, varios servicios suplementares que le permiten aún el envío de los datos. Entre las redes digitales se encuentran los siguientes sistemas: GSM 900, GSM 1800, GSM 1900, D-AMPS y DECT. • Dirección IP. La Dirección IP no identifica por sí misma a un computador, sino más bien la conexión de un computador con su red. Dirección de 32 bits definida por el Protocolo Internet en STD 5, RFC 791. Se representa usualmente mediante notación decimal separada por puntos. Un ejemplo de dirección IP es 202.158.212.93. • Dirección IP dinámica. La asignación dinámica de la dirección IP reduce significativamente el número total de las direcciones IP requeridas por la PLMN. • Dirección IP estática. La asignación estática de la dirección IP permite a los suscriptores proporcionar sus propias direcciones IP. Esto puede ser útil al tener acceso a las redes seguras que utilizan la llamada dirección IP como una forma de chequeo de seguridad.
El sistema GSMConclusiones
• DNS (Domain Name System / Sistema de Nombres de Dominio). Se trata de un servicio de búsqueda de los datos de uso general, que se distribuyen y multiplican. Se utilizan principalmente para buscar direcciones IP en sistemas anfitriones (hosts) tomando como base los nombres de éstos. Los dominios se clasifican según el rubro de las organizaciones o empresas que los utilicen, entre los más importante se encuentran: ".com" (comercial-empresas), ".edu" (educación, universidades, etc.), ".org" (Organización sin fines de lucro), ".net" (operación de la red), ".gob" (Gobiernos en general) y ".mil" (Ejército de Estados Unidos). La mayoría de los países cuentan con su propio dominio. Por ejemplo, ".br" (Brasil), ".de" (Alemania), ".mx" (México). • Downlink (Infraenlace o Bajada). Término técnico para la transmisión de datos en dirección desde la red, el proveedor o el proveedor de Internet hacia el usuario. En los métodos de transmisión asimétrica, mayor flujo de velocidades de datos en la dirección del infraenlace, comparado con la dirección del supraenlace. En transmisión simétrica las velocidades de datos de ambas direcciones son idénticas. • DTE (Data Terminal Equipment / Equipo Terminal de Datos). Término de los estándares ITU-TS aplicado a computadoras y/o terminales para distinguirlas de una red de conmutación de paquetes a la que están conectadas. • Duplex. Capacidad de un dispositivo para recibir/transmitir información. Existen tres modalidades: SIMPLEX. Modo que permite transmitir en ambos sentidos, pero no simultáneamente. HALF-DUPLEX. Cuando puede recibir y transmitir alternativamente y FULL-DUPLEX. Cuando puede hacer ambas cosas simultáneamente. Para un enlace de comunicación entre dispositivos móviles se ocupan dos frecuencias: un canal de transmisión desde el terminal hacia la red (Uplink) y un canal en la dirección opuesta (Downlink). • E1 (Interfaz ETSI 2Mbps). Uidad básica del transporte para la información electrónica a través de la red telefónica. Capaz de proporcionar el transporte para 32 EOs. • ECSD (Enhanced Circuit Switched Data / Datos Conmutados por Circuitos Extendidos). Tecnología de transmisión extendida para HSCSD dentro de la Red GSM basada en EDGE, también desarrollada para GPRS (EGPRS).
El sistema GSMConclusiones
• EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution / Velocidades de Datos Extendidas para la Evolución de GSM). Tecnología que facilita a las redes GSM y TDMA la capacidad de suministrar servicios de telefonía móvil de tercera generación. El EDGE utiliza una técnica de modulación de frecuencias electromagnéticas que junto a evoluciones en el protocolo de radio permite a los operadores usar los espectros de las frecuencias 800, 900 y 1800Mhz de manera más eficiente. EDGE soporta la transmisión de datos, servicios y aplicaciones multimedia hasta 384Kbps. • EFR (Enhanced Full Rate / Velocidad Completa Extendida.) Se trata de un algoritmo de codificación-decodificación, que mejora la calidad de la conversación en GSM. El efecto metálico, los tonos agudos, la voz artificial, es decir, los inconvenientes de convertir el sonido en señal digital, que es lo que hace el sistema GSM, desaparecen. • EGPRS (GPRS Extendido). Tecnología de transmisión extendida para GPRS dentro de la red GSM, basada en EDGE, también desarrollada para HSCSD (ECSD). En este sentido, se ve en EDGE como un futuro desarrollo del estándar GPRS. • EIR (Equipment Identity Register / Registro de Identidad de Equipo). Es la base de datos responsable de la validación de la MS, de MSs aprobadas o restringidas. • E-mail (Correo Electrónico). Sin duda alguna una de las más populares aplicaciones de Internet que ha cambiado la forma de comunicación de miles de personas en todas partes del mundo, de esta forma un usuario puede intercambiar información con otros desde puntos remotos. Permite a los usuarios enviar correspondencia entre ellos, sea de modo texto u otro formato digital. • Encryption (cifrado, encriptación). Se trata de un mecanismo de seguridad en Internet cuya principal función es la de hacer llegar la información a un determinado usuario sin que nadie más pueda tener acceso a ella. Existen diversos tipos de cifrados que en cierta manera son la base de la seguridad de la red • EPOC. Sistema operativo para terminales móviles desarrollado por Symbian (una unión transitoria de empresas entre Ericsson, Matsushita, Nokia, Motorola y Phillips). • ERP (Potencia Efectiva Radiada). Potencia radiada en dirección de la máxima ganancia de la antena.
El sistema GSMConclusiones
•
ETSI (European Telecommunications Standards Institute / Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones). Fundada en 1987. Su objetivo principal es el desarrollo mundial en el área de las Telecomunicaciones por medio de la estandarización del equipo electrónico, así como la estandarización de símbolos y nomenclaturas utilizadas en estas áreas. • Fast Packet Switching (Conmutación Rápida de Paquetes). Una tecnología digital emergente orientada a paquetes que difiere de la conmutación de paquetes tradicional en varios aspectos. El más obvio es la transmisión de la totalidad de los datos en un formato de paquetes simple si la información es video, voz o datos. Ésta utiliza paquetes cortos de longitud fija y, mediante conmutación de equipos es capaz de lograr velocidades de entre 100.000 y 1.000.000 paquetes/segundo. •
FCC (Federal Communications Commission / Comisión Federal de Comunicaciones). Su principal función es la de mantener el control sobre el amplio sector de las telecomunicaciones en los Estados Unidos. • FDD (Frequency Division Duplex / División de Frecuencia Duplex). Método de transmisión que posibilita conexiones Duplex de canales de radio. Los supra e infraenlaces se llevan a cabo en dos bandas de frecuencia diferentes (p.e. desarrolladas en GSM y UMTS). •
FDMA (Frequency Division Multiple Access / Acceso Múltiple por División de Frecuencia). Junto con TDMA y CDMA es una técnica por la que un canal de transmisión es utilizado por más de un usuario. El principio básico consiste en que la banda de frecuencias disponible se divide en varias sub-bandas ('bandas parciales'), que son entonces asignados a diferentes usuarios. • File Transfer (Transferencia de archivos). Es la acción que consiste en sacar una copia de un archivo de una computadora a otra a través de una red. • Firewall. Nodo utilizado para implantar las políticas de seguridad y auditoría de una Organización a través de esquemas que permitan la privacidad, autenticación y seguridad en las redes. • Frame (Trama). Conjunto de pulsos, bits o dígitos binarios que se originan tras un ciclo completo de muestreo y codificación de los N canales telefónicos.
El sistema GSMConclusiones
• FTP (File Transfer Protocol / Protocolo de Transferencia de archivos). Uno de los protocolos más utilizados en Internet lo es sin duda el FTP, el cual nos permite bajar información de los servidores que se encuentran en Internet, para lo cual debemos de teclear un nombre de usuario y una contraseña. • Gateway (Compuerta, Pasarela). Dispositivo de comunicaciones que sirve como enlace entre redes que funcionan de manera similar, pero que sin embargo cuentan con implantaciones diferentes Desde las futuras redes UMTS, habrá pasarelas a las redes fijas existentes y también a las existentes redes móviles GSM. • Gestión de movilidad. Se encarga de seguir la situación/estado de cada uno de los móviles dentro y fuera de su PLMN. • Gestion de sesión. Asignación al usuario de una dirección PDP para que se pueda conectar a las redes de datos externas. •
GGSN (Gateway GPRS Suppoert Node / Nodo de Soporte GPRS Pasarela). El GGSN es un servidor que posee las direcciones IP de todos los abonados a los que presta servicio la red GPRS. Hará posible la interrelación con redes externas de datos por paquetes para acceder a Internet y a las Intranets de las empresas, gestionando la seguridad y las funciones de contabilidad así como la asignación dinámica de direcciones IP. • GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Método de modulación utilizado en GSM, con el valor BT=0.3 para una transferencia de datos de 270Kbps. •
GPRS (General Packet Radio Service / Servicio General de Radio por Paquetes). Estándar del ETSI en paquetes de datos de la generación 2.5G que se basa en la Red GSM permitiendo velocidades de transmisión de datos en condiciones óptimas de hasta 114Kbps. Permite un mejor aprovechamiento de los recursos (compartición del espectro, asignación de ancho de banda bajo demanda, soporte de aplicaciones tipo ráfaga, etc.). Soporta los protocolos estándar de Internet y permite al usuario estar siempre conectado. • GPS (Global Positioning System / Sistema de Posicionamiento Global). Sofisticado sistema de orientación y navegación cuyo funcionamiento está basado en la recepción y procesamiento de las informaciones emitidas por una red de 24 satélites conocida como NAVSTAR que orbitan alrededor de la Tierra
El sistema GSMConclusiones
completando dos órbitas en solo 24 horas a razón de 1.8 millas por segundo. Esta tecnología fue desarrollada por los militares americanos para localizar y manejar aviones, buques, vehículos y personal de tropa en lo que ha estrategia se refería para su uso en combate. •
GSM (Global System for Mobile Communications / Sistema Global para Comunicaciones Móviles). Estándar 2G de origen europeo para la comunicación móvil, en el cual podemos transmitir voz y datos, fue desarrollado por empresas, operadores y gobiernos de varios países. GSM utiliza los rangos de frecuencia de los 900MHz y 1800MHz en Europa, Asia y África. En Norteamérica y Latinoamérica opera en la frecuencia de los 1900MHz. Esta variación de los 1900MHz también se denomina PCS. GSM se ha convertido en el sistema móvil de uso más difundido en el mundo. GSM eran originalmente las iniciales de "Groupe Speciale Mobile", pero posteriormente lo cambiaron para "Global System for Mobile Communications". • GSM 900. O simplemente GSM, es la red digital más adoptada. La utilizan actualmente más de 100 países del mundo, principalmente en Europa y en Asia (Pacífico). Utiliza la frecuencia de radio de 900MHz. Hoy día, como ya está bastante saturada en varios países (como por ejemplo Portugal), las operadoras la utilizan juntamente con la red GSM 1800 para poder aumentar la capacidad de utilización. Para hacer uso de la red GSM 1800 es necesario tener un teléfono Dual Band que conmute automáticamente para el GSM900 o para el GSM1800 según la disponibilidad del sitio. La red GSM900 tiene más alcance pero tiene menos capacidad de penetración, por eso es ideal para ser utilizada en espacios abiertos, y menos indicada en las ciudades o en zonas verticalmente urbanizadas. • GSM 1800. También conocido por DCS 1800 o por PCN, es utilizado en Europa y AsiaPacífico. Utilizando una banda de frecuencias superior sirve de alternativa a la ya sobrecargada red GSM 900, pudiendo estar disponible simultáneamente con ésta. • GSM 1900. También conocida por PCS 1900; es una red digital utilizada en algunas partes de Estados Unidos y de Canadá, y también está prevista para otras partes de América y África. Utiliza la frecuencia de radio 1900Mhz. • GSM phase 1/phase 2. Niveles de conformidad con la norma. Abarca un conjunto de servicios y de procedimientos de seguridad y de autenticación. Un teléfono que corresponda con la etapa 2, soporta más servicios. En este momento, no todas las redes GSM soportan todos los servicios de la etapa 2.
El sistema GSMConclusiones
• GSM-R (GSM-Railway / GSM-Ferrocarril). Se ha estandarizado en un proceso que incluye a la UIC (International Union of Railways), ETSI y otros cuerpos normalizadores. GSM-R proporciona una plataforma de comunicación común para el personal del tren y servirán como sistemas de control del tren en el futuro. • Half Rate (Canal de Velocidad Media). Permite que el teléfono móvil tenga menos calidad de sonido que con el EFR, pero tiene como ventaja permitir más llamadas en la misma red (al ocupar menos ancho de banda en la recepción y transmisión), reduciendo el congestionamiento y ahorrando batería, haciendo aumentar la autonomía del móvil. •
Handover. Proceso por el cual dos radio bases intercambian la prestación de servicios a un usuario. El sistema conmuta la llamada a un nuevo canal en una nueva célula o sector sin interrumpir la llamada. • Header (Encabezado). Secuencia de sincronización que es agregada al principio de la trama. Parte de inicio en un paquete que viene antes de los datos propiamente dichos que contiene información acerca del remitente, control de fallos, etc. • HLR (Home Location Register / Registro de Localización de Usuarios). Base de datos en redes de telefonía móvil, en las que se almacena el dato de usuario o cliente del teléfono móvil. HLR proporciona información sobre servicios suscritos por el usuario de la red y guarda una referencia a la localización del cliente. • Host (Sistema anfitrión). Servidor o computadora muy potente que por medio de protocolos TCP/IP permite a los usuarios la comunicación con otros servidores en Internet. Los usuarios pueden para ello hacer uso de infinidad de aplicaciones como E-mail, Telnet, FTP, etc. • HSCSD (High Speed Circuit Switched Data – Datos Conmutados por Circuitos de Alta Velocidad). Tecnología que será aplicada brevemente en los teléfonos móviles, con el objetivo de aumentar las velocidades de transferencia de datos en móviles equipados con WAP.
El sistema GSMConclusiones
• HSDPA (High Speed Downlink Packet Access / Acceso de Paquetes del Infraenlace de Alta Velocidad). Extensión de la tecnología de 3G que está siendo desarrollada actualmente por 3GPP como la Fase 5 del lanzamiento UMTS. HSDPA incrementa la eficiencia espectral proporcionando altas transmisiones de datos en el infraenlace CDMA en orden a sostener servicios multimedia. Son posibles de hasta 10Mbps para las velocidades de datos del usuario. •
HTML (HyperText Markup Language / Lenguaje de Marcado de Hipertexto). Lenguaje de programación utilizado para crear páginas Web. Admite elementos de hypertexto y multimedia entre otras muchas cosas. Actualmente se encuentra en su versión 3. •
HTTP (HyperText Transfer Protocol / Protocolo de Transferencia de Hipertexto). Protocolo usado para la transferencia de documentos WWW. • ID (Identificación de usuario). Nombre de usuario con el cual accesamos a una página o sistema en el que previamente nos hemos registrado. Este nombre puede estar compuesto de letras, números o signos. •
IMSI (International Mobile Subscriber Identity / Identidad Internacional del Suscriptor Móvil). El IMSI es una identidad única asignada a cada suscriptor. Es usada para la correcta identificación sobre la ruta de radio y a través de la red PLMN GSM. Toda la información del suscriptor relacionada a la red es conectada a la IMSI. La IMSI es guardada en la SIM, en el HLR y en el VLR. • IMT-2000 (International Mobile Telephone Standard 2000). Familia de estándares para métodos de transmisión en los teléfonos móviles de tercera generación. 2000 hace referencia a la banda de frecuencia en la que las tecnologías IMT-2000 operan. IMT-2000 utiliza varios métodos de transmisión para transportar muchas mayores velocidades de datos que las redes de telefonía móvil previas. En Europa, será UMTS, basada en W-CDMA (FDD) y TD-CDMA (TDD). En Norteamérica en particular, CDMA2000 será la tecnología 3G predominante, en China TD-SCDMA. • IN (Intelligent Network / Red Inteligente). Arquitectura superpuesta con inteligencia centralizada para la rápida creación y despliegue de servicios suplementarios avanzados a través de toda la red. Se posibilitan nuevos servicios de comunicación como números de teléfono personales, derivación inteligente de llamadas y filtros de llamadas.
El sistema GSMConclusiones
• Interfaz. Conexión entre dos dispositivos de hardware o sistemas que permite el intercambio de información y para el que se han especificado sus características físicas, eléctricas y el tipo de señales a intercambiar, así como su significado. • Interfaz Aérea. En telefonía móvil, la "interfaz aérea" denota la especificación de la radio transmisión entre la estación base y el teléfono móvil. Define la frecuencia de uso, la banda de los canales de radio individuales o channels, o los métodos de codificación empleados. • Internet. Internet es el nombre de la red mundial de ordenadores, que se encuentran en constante conexión. Consiste en un conjunto de redes informáticas interconectadas, en las cuales los utilizadores pueden intercambiar información y recursos. Inicialmente fue desarrollada en los años 60 en Estados Unidos, con el objetivo de ser utilizada en investigación científica y fines militares y de seguridad, permitiendo que en caso de ataque nuclear los ordenadores pudiesen seguir comunicando. En los años 90 se dio su apertura al público en general, y esta masificación correspondió a una revolución e las comunicaciones humanas, siendo actualmente el mayor medio de contacto entre personas. • Internet Protocol (Protocolo de Internet). Se trata de una serie de normas que regulan la transferencia de paquetes de información a través de Internet. Actualmente se desarrolla la versión 6 (IPv6), que va a permitir mejores prestaciones dentro del concepto QoS (Quality of Service). • Interoperability (Interoperabilidad). Capacidad del software y hardware en máquinas diversas, de distintos fabricantes para comunicarse con éxito. • Intranet (Intrarred). Hace referencia a una red propia que ha sido creada para satisfacer las necesidades específicas de una Compañía u Organización, la cual sigue debidamente los protocolos ya establecidos de Internet, muy en específico el TCP/IP. Puede darse el caso de que sea una red aislada, o sea que no se encuentre en Internet. •
IPv4. Sinónimo de la versión actual de IP.
•
IPv6. Nombre oficial de la próxima versión del IP.
• IS (Interim Standard). Estándar Interino.
El sistema GSMConclusiones
• IS-95 (Interim Standard 95 / Estándar Interino 95 (alternativamente CDMAOne). Estándar original para telefonía móvil digital basado en la tecnología CDMA. • IS-136 (Interim Standard 136 / Estándar Interino 136). Estándar norteamericano para telefonía móvil basado en la Tecnología TDMA, también llamado D-AMPS. Ésta especificación TDMA resulta en sistema de 2G totalmente digital y es compatible hacia atrás con los sistemas analógicos AMPS. •
ISDN (Integrated Services Digital Network / Red Digital de Servicios Integrados). Red telefónica con anchos de banda desde 64Kbps. Similar a la red telefónica de voz en cuanto a necesidades de instalación de cara al abonado, pero digital. La gran ventaja de este tipo de tecnología es que permite que los datos, conexiones de voz, etc. viajen a través de un solo cable. •
ISO (International Organization for Standardization / Organización Internacional de Estándares). Organización Internacional que bosqueja, discute, propone y especifica estándares para los protocolos de red. ISO es mejor conocido por su modelo de referencia de 7 capas que describe la organización conceptual de los protocolos. • ISP (Internet Service Provider / Proveedor de Servicios Internet). Es una asociación con fines de lucro que aparte de dar diversos servicios de Internet como el acceso, puede también proporcionar el hospedaje de páginas, diseño, consultoría, redes, intranets, etc. • Itinerancia. El uso de un teléfono inalámbrico fuera de la zona local de cobertura o zona de llamada local del proveedor del servicio se denomina itinerancia. Los acuerdos de itinerancia entre proveedores de servicios amplían la extensión de la zona en la que se puede utilizar el teléfono. Los proveedores de servicios suelen cobrar unas tarifas por minuto más elevadas para las llamadas realizadas fuera de la zona de llamada local o de cobertura. •
ITU (International Telecommunications Union / Unión Internacional de Telecomunicaciones). Organización trasnacional que regula los múltiples estándares nacionales en el ámbito de las telecomunicaciones de tal manera que los usuarios puedan comunicarse entre sí, independientemente del lugar donde se encuentren.
El sistema GSMConclusiones
•
ITU-TSS (International Telecommunications UnionTelecommunications Standards Sector / Unión Internacional de Telecomunicaciones-Sector de Estándares de Telecomunicaciones). Es el nuevo nombre que se le ha dado al CCITT tras la reorganización de la ITU. Su función es la misma, habiendo cambiado sólo el nombre. • KEY (Clave). Se trata de una serie de signos previamente convenidos que sirven como clave o fórmula para transmitir mensaje secretos o privados. • LAN (Local Area Network / Red de Área Local). Con una velocidad aproximada de 100Mbps esta red de datos presta el servicio en un área limitada a pocos kilómetros cuadrados, lo cual implica una optimización en los protocolos de señal de la red. • LLC (Logical Link Control / Control de Enlace Lógico). Control de flujo extremo a extremo para regular la transferencia de mensajes entre el transmisor y el receptor. Uno de los campos en un encabezado NSAP. • MAC (Media Access Control / Control de Acceso al Medio). Se trata en general de los protocolos de hardware de bajo nivel utilizados para acceder una red en particular. Encapsulado de los datos en tramas de Tx y desencapsulado en las de Rx. Aplicación del algoritmo CRC para detectar errores en la Tx. • Macrocélulas. Las Macrocélulas se encuentran en el rango de 1 a 35Km. Estas células están diseñadas y varían su tamaño con respecto, también, al tráfico de la región. Se han establecido en ambientes urbanos poco densos, así como en ambientes rurales con buena cantidad de tráfico. • Megacélulas. Las Megacélulas son las que más amplia área de cobertura soportan, con un radio mayor a los 35Km. Estas células, como podemos ver, se han establecido en ambientes de muy poco tráfico o de tráfico ocasional. • Microcélulas. Las Microcélulas son establecidas como la siguiente jerarquía de tamaño. Su tamaño puede variar a menos de 1Km. • Mobile Positioning (Posicionamiento Móvil). Los servicios basados en la ubicación pronto serán una de las fuentes más importantes de ingresos para los operadores. Ovum pronostica que el mercado global para los servicios basados en la ubicación, tales como información local, navegación vehicular, administración de flotas, y localización de amigos y familiares, sumarán 25 mil millones de dólares entre 1999 y el 2005.
El sistema GSMConclusiones
• MÓDEM (Modulador/DEModulador). Dispositivo que convierte las señales digitales generadas por el puerto en serie de la computadora en señales moduladas y analógicas necesarias para transmitir a través de una línea telefónica; de manera semejante, también transforma los signos analógicos de entrada en signos digitales equivalentes. Los Módems operan a diversas velocidades y usan varios protocolos de modulación. • Modulación. Modificación sistemática con una serie de reglas de una señal portadora de acuerdo al comportamiento de una señal modulante en los cambios sistemáticos (parámetros o características) con el propósito de adecuarla para su transmisión a través de un medio de comunicación. • MS (Mobile Station / Estación Móvil). Es el teléfono móvil mismo, también llamado ME (Mobile Equipment- Equipo Móvil) más el llamado Módulo de Identificación del Usuario- Subscriber Identity Module (SIM). Aquí se guarda toda la información relevante sobre el usuario como la IMSI (International Mobile Subscriber Identity- Identidad Internacional del Usuario Móvil). Esto garantiza la independencia del usuario respecto de un terminal específico, el cual es identificado por su propia IMEI (International Mobile Equipment Identity- Identidad Internacioal del Equipo Móvil). • MSC (Mobile Switching Center / Centro de Conmutación Móvil). Realiza las funciones de conmutación, señalización y procesamiento para llamadas de teléfonos celulares y provee la interfaz entre el sistema celular y la red de telefonía pública (PSTN), o a otra Estación Radio Base (RBS). • Multicast (Multidifusión). Técnica que permite que copias de un solo paquete se transfieran a un subconjunto seleccionado de todos los posibles destinos. Técnica de transmisión de datos a través de Internet en la que se envían paquetes desde un punto a varios simultáneamente. • Multimedia. Es la manera de presentar la información combinando texto, imágenes, animación, audio y video. • NAMPS Versión de banda estrecha norteamericana del sistema de primera generación AMPS. • Net surfing (Navegación por la Red). Se refiere a la acción de buscar y consultar en Internet información, basada en el hipertexto, realizada de forma no estructurada.
El sistema GSMConclusiones
• Network (Red). En las comunicaciones inalámbricas el término red se refiere a la infraestructura que permite la transmisión de las señales inalámbricas. La red sirve para unir entre sí los distintos elementos y compartir los recursos. • NMT (Nordic Mobile Telephony / Telefonía Móvil Nórdica). El estándar común para la telefonía móvil analógica establecido por las administraciones de telecomunicaciones de Suecia, Noruega, Finlandia, y Dinamarca a principios de la década de 1980. Los sistemas NMT también se instalaron en algunos países europeos, incluso en partes de Rusia, así como en medio oriente y en Asia. • Nodo. Dispositivo electrónico de conmutación entre usuarios, de donde se gestionan las llamadas de un determinado número de abonados. • NS (Network Subsystem / Subsistema de Red). Una conmutación de telefonía moderna, la conexión entre dos Estaciones Móviles y a la red final. NS es, entre otros, el encargado del registro, autentificación, enrutamiento de la llamada y Hand-Overs posibilitado por el HLR (Home Location Register), el VLR (Visitor Location Register), el EIR (Equipment Identity Register) y el AuC (Authentification Center). •
NSAP (Network Service Access Point / Punto de Acceso al Servicio de Red). Formato de dirección que puede codificarse en 20 octetos. El ATM Forum recomienda utilizar direcciones NSAP. • NTACS. Versión de banda estrecha de TACS (Total Access Communication System) • Octet (Octeto). Se refiere a una unidad de información compuesta por 8 bits. Este es un sinónimo utilizado para reemplazar la palabra byte en casi todo tipo de tecnología, aunque existen sus excepciones puesto que en ciertos sistemas se manejan bytes que no se conforman de 8 bits. •
OSI (Open Systems Interconnection /Interconexión de Sistemas Abiertos). Se trata de un modelo de referencia que fue diseñado por el ISO con la finalidad de que se conviertan en estándares a nivel mundial con respecto a la arquitectura de redes y ordenadores. Divide las tareas de la red en siete niveles.
El sistema GSMConclusiones
• Packet (Paquete). Cantidad mínima de datos que se transmite en una red o entre dispositivos. Tiene una estructura y longitud distinta según el protocolo al que pertenezca. La forma en que la información es mandada a través de Internet es en paquetes, los cuales se reagrupan una vez que han llegado a su destino. • Packet Switching (Conmutación de Paquetes). Es un principio básico en las comunicaciones en donde se dice que determinado paquete de información que forma parte de un mensaje, traza su recorrido entre los sistemas anfitriones (hosts), sin que este camino (path) esté predeterminado. Al contrario de lo que sucede en las conexiones de conmutación de circuitos, a los usuarios no se les asigna un canal entero de transmisión exclusivo durante una conexión. Mientras se transmite, los datos son envueltos en pequeños paquetes y enviados a través del canal. Tan pronto como se completa la transmisión de ese paquete, se libera el canal para otro usuario para que pueda enviar su paquete por el aire, incluso aunque la conexión original del primer usuario esté todavía activa. La secuencia de los paquetes se mantiene y el destino se establece mediante el intercambio de información de control (también contenida en los paquetes) entre la terminal emisora y la red antes de comience la transmisión. La red está abierta a todos los usuarios, en todo momento, y los paquetes de los distintos nodos se intercalan en toda la red. Los paquetes pueden enviarse en cualquier orden, dado que la información de control enviada al inicio garantiza que se interpreten en el orden correcto en el extremo receptor. Como cada paquete lleva sus propias instrucciones de control, puede usar cualquier ruta para llegar a destino. • PAD (Ensamblador/Desensamblador de Paquetes). Dispositivo usado para convertir la información procedente de un dispositivo en paquetes de datos. También permite concentrar múltiples dispositivos locales y remotos, además de efectuar la conversión de protocolos. •
PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association / Asociación Internacional de Tarjetas de Memoria para Ordenadores Personales). Es un dispositivo electrónico en forma de tarjeta de crédito que se emplea en nuestra computadora. Una de sus principales funciones es la transmisión de datos, faxes, etc. utilizando teléfonos portátiles y laptops. • PCS (Personal Communications Services / Servicio de Comunicaciones Personales). Término colectivo que se refiere a los servicios de telefonía móvil de América en la banda de frecuencia de 1900Mhz. PCS puede implementarse en alguna de las mayores frecuencias celulares utilizadas hoy en día.
El sistema GSMConclusiones
• PDA (Personal Digital Assistant / Asistente Personal Digital). Programa que se encarga de atender a un usuario concreto en tareas como búsquedas de información o selecciones atendiendo a criterios personales del mismo. Suele tener tecnología de IA (Inteligencia Artificial). • PDC (Personal Digital Cellular / Celular Digital Personal). Sistema de telefonía móvil digital acorde con los estándares japoneses en los rangos de frecuencia de 800 y 1500MHz. • PDP (Packet Data Protocol / Protocolo de Paquetes de Datos). El PDP contiene información describiendo la conexión entre un MS y una red externa. • Picocélulas. Son la más pequeña variante de las células de radio. Se suelen extender a sólo unos pocos cientos de metros de diámetro. Se utilizan para áreas de telefonía móvil congestionadas, como los centros urbanos o centros comerciales. •
PIN (Personal Identification Number / Número Personal de Identificación). Número secreto asociado a una persona o usuario de un servicio mediante el cual se accede al mismo. Se podría decir que es una "Password" numérica. • PLMN (Public Land Mobile Network / Red Pública Móvil). La red PLMN, con telefonía móvil como su principal servicio, es una de las aplicaciones en Telecomunicaciones que ha tenido un rápido crecimiento. Las aplicaciones públicas más comunes están basadas en células. • Protocol (Protocolo). Se trata de una serie de reglas y especificaciones que los servidores deben seguir para intercambiar datos o información. Estos protocolos pueden describir detalles de bajo nivel de las interfaces computadora-computadora o por el contrario intercambios de alto nivel entre programas de asignación de recursos. •
PSTN (Public Switching Telephony Network / Red Telefónica Pública Conmutada). Aunque hay otras aplicaciones que están creciendo, la red PSTN continúa siendo la principal aplicación soportada por los operadores de red. Las tendencias en la red PSTN son hacia un creciente desarrollo de los sistemas de conmutación digital y de transmisión digital en la red. • PTM (Point to Multipoint / Punto a Multipunto). Los servicios PTM, al contrario de los servicios PTP, implican a más de un usuario destinatario y, el envío de los paquetes se ejecuta en base geográfica.
El sistema GSMConclusiones
• PTM-G (Point to Multipoint Group Calls / Grupos de llamada). El mensaje es enviado sólo a un conjunto de usuarios identificados con una dirección de grupo. • PTM-M (Point to Multipoint Multicast / Punto a Multipunto Multicast). El mensaje es enviado a todos los suscriptores en una determinada área geográfica. • PTP (Point-to-Point / Punto a Punto). Servicio en el que el usuario envía uno o más paquetes a un único destinatario. • PUK (Personal Unblocking Code / Desbloqueo del Código Personal). Utilizado para desbloquear una tarjeta SIM que esté bloqueada. Este código se lo entregan durante la suscripción y hay que guardarlo en un sitio donde esté seguro. La tarjeta SIM podrá ser bloqueada si se introduce mal el código PIN más de dos veces. • RBS (Radio Base Station / Estación Radio Base). La RBS contiene todo el equipo de radio utilizado para la comunicación desde/hacia los móviles y la conexión de los suscriptores móviles hacia el MSC. • Roaming. Dentro de una red, significa que el teléfono se conecta automáticamente a células diferentes cuando se halla en desplazamiento. Cuando su contacto con una determinada célula o teléfono se pierde o se debilita, busca inmediatamente otra célula que garantice una comunicación mejor. • Router (Ruteador, Enrutador). Es un dispositivo electrónico que administra el tráfico entre las redes. Las decisiones en cuanto al lugar a donde enviar los datos se hace con base en la información del nivel de red y tablas de direccionamiento. • SDU (Service Data Unit / Unidad de Datos de Servicio). No es más que el PDU oportunamente cifrado. • Servidor. Computadora que proporciona recursos (por ejemplo, servidores de ficheros, servidores de nombres).En Internet este término se utiliza muy a menudo para designar a aquellos sistemas en los que residen aplicaciones a las que acceden los usuarios, llamados en este caso clientes.
El sistema GSMConclusiones
• SIM (Subscriber Identity Module / Módulo de Indentidad del Usuario). Término técnico para una tarjeta con chip que se inserta en el teléfono móvil. Contiene el número de teléfono del usuario, un algoritmo codificado para identificación de la red, el PIN (Personal Identification Number), la agenda del usuario y otras cosas. Para los terminales UMTS se implementará una variación especial de la tarjeta-chip, el USIM. • Síncrono. Este involucra un mecanismo de sincronización de relojes. Dada la naturaleza de la información (no hay bit de arranque y parada que delimiten un carácter de otro), el Tx y el Rx deben de acordar la velocidad a la cual los caracteres han de ser transmitidos, lo que asegura que la línea sea monitoreada a los intervalos de tiempo acordados. Una secuencia de sincronización es agregada al principio de la trama (header). Al ser recibida esta secuencia, el Rx queda listo para aceptar la próxima porción de la trama que contiene los datos. Este tipo es usado cuando se intercambia información entre computadoras. •
SGSN (Serving GPRS Support Node / Nodo de Soporte GPRS Servidor). El SGSN es un componente básico en la red GSM cuando se usa GPRS. Este nuevo nodo reenvía los paquetes IP entrantes y salientes direccionados desde/hacia un MS que esté sujeto dentro del área de servicio del SGSN. • SMS (Short Message Service / Servicio de Mensajes Cortos). Servicio disponible en redes digitales que permite enviar y recibir hasta 160 caracteres en un teléfono móvil, a través del centro de mensajes del operador de la red. Gracias a esta capacidad se puede enviar también E-mail desde un teléfono GSM y recibir mensajes desde Internet. • Switching (Conmutación). Conjunto de operaciones necesarias para unir entre sí los circuitos, con el fin de establecer una comunicación temporal entre dos o más estaciones o puestos. La conmutación está asociada principalmente a una central telefónica y consta de dos partes básicas: 1) el establecimiento, mantenimiento y liberación de la comunicación (procesamiento de la llamada) coordinados por el control; 2) el establecimiento de la vía física por la cual se produce la comunicación realizada por la red de conexión. • Symbian. Symbian es una nueva empresa pionera formada por Nokia, Ericsson, Motorola y Phillips para la creación de sistemas operativos fáciles de usar destinados a aparatos inalámbricos y agendas portátiles (PDA). El primer sistema operativo se llama EPOC y fue lanzado en el año 2001.
El sistema GSMConclusiones
• TACS (Total Access Communication System / Sistema de Comunicacionón de Acceso Total). Estándar 1G y adaptación del sistema AMPS, desarrollado para establecer asignaciones de frecuencia. Instalado en Irlanda, España, Austria, Kuwait, Emiratos Árabes Unidos, Bahrain, Hong Kong, Singapur, Malasia y China. TACS está todavía en uso en algunos de esos países. •
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol / (Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet). Definidos por el RFC 793, este sistema de protocolos establece las bases de la mayor parte del universo de Internet. El TCP se encarga de fragmentar la información en pequeños paquetes para después volverlos a juntar en un destino final. El IP tiene como función el checar que estos paquetes vayan dirigidos correctamente hacia un mismo destino. • TDD (Time Division Duplex / División de Tiempo Duplex). Una tecnología duplexadora que divide un canal de radio durante el tiempo en que se utiliza la misma banda de frecuencia. TDD utiliza una solución híbrida entre TDMA y W-CDMA como acceso múltiple y tiene la gran ventaja de operar en un espectro de frecuencias sin par (FDD). •
TDMA (Time Division Multiplex Access / Acceso Múltiple por División de Tiempo). Modo de transmisión que permite que un canal de radio sea utilizado por más de un usuario. De una forma periódicamente exclusiva, se les asigna un canal a las estaciones móviles durante la duración predeterminada de una ranura de tiempo (timeslot). Este principio se utiliza frecuentemente en los teléfonos móviles GSM: un canal de radio GSM puede ser utilizado hasta por 8 usuarios simultáneamente. Cada uno de los 8 terminales transmite durante un corto periodo de tiempo (en GSM alrededor de 577 microsegundos) y entonces se mantiene en silencio de nuevo para permitir a otros móviles utilizar la misma frecuencia de sintonización. • TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access / Múltiple acceso por División de Código Síncrono/División de Tiempo). Un método de transmisión especial para UMTS. • Teleservicios. Estos servicios incorporan todos los aspectos de las comunicaciones entre los abonados. Incluyen las funciones del equipo terminal además de las funciones de la red. Por ejemplo la telefonía y el Fax.
El sistema GSMConclusiones
• Telnet (Tele Network / Tele Red). Conexión a un Host en la que el ordenador cliente emula un terminal de manera que se configura como terminal virtual del ordenador servidor. En la actualidad casi en desuso. Fue definido a través del STD 8, RFC 854 y cuenta con aplicaciones adicionales contenidas en muchos otros RFC's. • Terminal GPRS Clase A. Soporta tráfico simultáneo en modo circuito (circuit-switched) y en modo paquete (packet-switched). • Terminal GPRS Clase B. Permite tráfico secuencial en ambos modos, pero no simultáneamente. • Terminal GPRS Clase C. Puede configurarse para operar en uno u otro tipo de conexión, pero no simultáneamente. • Transceiver (Transmisor-Receptor / Transceptor). Un transmisor y un receptor de radio combinados en una sola unidad. • Tunneling. Transporte de paquetes multicast a través de dispositivos y Routers unicast. Los paquetes multicast se encuentran encapsulados como paquetes normales de esta manera pueden viajar por Internet a través de dispositivos que solo soportan protocolos unicast. •
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System / Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles). Es un sistema desarrollado por ETSI (European Telecommunications Standard Institute) para la telefonía móvil, de un gran ancho de banda (de 2 Mbps en adelante) y por consiguiente alta velocidad. Este sistema permite la conexión a Internet, entrará al mercado de manera oficial en el 2001 para desplazar a los sistemas GSM y GPRS. • UMTS Forum El único cuerpo industrial de telefonía móvil que ha sido comisionado con exclusividad para la introducción exitosa y desarrollo de UMTS/IMT-2000. El UMTS Forum es una organización sin ánimo de lucro, trans-industrial, con miembros pertenecientes a los operadores móviles, proveedores, cuerpos regulatorios, consultoras y comunidades de contenidos de medios de 40 países del mundo. • Unicast. Se refiere a Protocolos o Dispositivos que transmiten los paquetes de datos de una dirección IP a otra dirección IP
El sistema GSMConclusiones
• Uplink (Supraenlace o Subida). Término técnico para la transmisión de datos en la dirección desde el usuario a la red o al proveedor de Internet. Término alternativo: canal de retorno. La dirección opuesta de transmisión se denomina Downlink o Infraenlace. • USIM (Universal Subscriber Identity Module / Modulo Universal de Identidad del Usuario). Versión extendida de la tarjeta-chip SIM, diseñada para ser utilizada en los terminales UMTS. El tamaño físico es el mismo que el de una tarjeta GSM SIM. • Velocidad de Transmisión. Cantidad de datos que puede ser enviada en un período de tiempo determinado a través de un circuito de comunicación dado. • Videoconference (Videoconferencia). Se refiere a una plática entre personas que se encuentran en distintas partes del mundo utilizando audio y video a través de Internet conectados en un punto común. • Video Messaging Service (Servicio de Video Mensajes). Extensión del servicio SMS de GSM que posibilita la transmisión de videos. • Virtual Circuit (Circuito Virtual). Abstracción básica proporcionada por un protocolo orientado a la conexión como el TCP. Es un método de conexiones independientes de la arquitectura de la red que se utiliza. •
VLR (Visitor Location Register / Registro de Localización de Visitantes). Este está combinado con el MSC y contiene, temporalmente, por cada MS localizado en el Área de Servicio MSC/VLR, tanto la información del móvil como la información relativa al Área de Localización en la cual el MS está actualmente situado. •
WAP (Wireless Application Protocol / Protocolo de Aplicaciones Inalámbricas). Protocolo simple que permite acceder a los usuarios de teléfonos móviles el acceso a páginas de Internet móvil, visualizando la información en la pantalla del móvil. Fue iniciada por Ericsson. • WAP browser (Navegador WAP). Un micro navegador incluído en el teléfono móvil en Wireless Markup Language (WML), un lenguaje de programación diseñado para pequeños dispositivos de mano utilizados para la comunicación inalámbrica.
El sistema GSMConclusiones
• WAP Forum. Organismo encargado de controlar, dirigir y agrupar las recomendaciones dadas en el protocolo WAP, para así garantizar que operadores, proveedores y desarrolladores de aplicaciones puedan ofrecer productos compatibles y servicios confiables sobre la red inalámbrica. •
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access / Acceso Múltiple de División de Código de Banda Ancha). Tecnología para las radio comunicaciones digitales de banda ancha de la Internet, multimedios, video y otras aplicaciones que exigen mucha capacidad. WCDMA, desarrollada por Ericsson y otras empresas, fue elegida para la tercera generación de los sistemas de telefonía móvil de Europa, Japón y los Estados Unidos. • X.25. Red de comunicación de datos que usa la tecnología de conmutación de paquetes para efecto de transmitirlos. Utiliza las tres primeras capas del modelo OSI (física, enlace de datos y red). Define el interfaz entre los DTEs y DCEs para terminales que trabajan en modo paquete sobre redes de datos públicas.
El sistema GSMConclusiones
BIBLIOGRAFÍA
Bibliografía
CONCEPTOS TELEFONÍA CELULAR http://whatis.com/definition/fdma.htm http://members.fortunecity.com/dmitry_rusak/fdma_f.htm http://yucatan.com.mx/especiales/celular/radiacion.asp http://udec.cl/Emjensen/tecnologias_de_acceso_celular.htm http://mail.udlap.mx/~tesis/udlap/lem/bonilla_h_d/capitulo2.pdf http://mailweb.udlap.mx/~lgojeda/apuntes/sistcom/capitulo2pagina1.htm http://mailweb.udlap.mx/~lgojeda/apuntes/sistcom/capitulo2pagina2.htm http://neutron.ing.ucv.ve/revista-e/No8/Jesus%20Prada/WAPwork1.1.htm CMS 8800 System Survey Ericsson EN/LZUU 108 3360 R1E CMS 8800 RBS Basics Ericsson EN/LZT 119 2649/1 Rev B GSM http://www.internet-solutions.com.co/deacosta/commov/introd_6a.htm#62 http://wapforum.org http://www.zonabluetooth.com/que_es_bluetooth.htm http://neutron.ing.ucv.ve/revista-e/No8/Joffre%20Perez/Bluetooth.1.htm http://www.gsmspain.com/info_tecnica/sms/pagina5.php http://www.auladatos.movistar.com/Aula-de-Datos/Tutoriales-yDocumentacion/GSM/Introduccion/3--Servicios-de-Telecomunicacion-en-GSM/ http://www.hackhispano.com/oldhh/paginas/gsm/gsm_01.htm a gsm_22.htm http://telcel-gsm.com/pages/gsmCostaRica.htm http://www.telecomiespana.es/telecom/telef/gsminfo.htm http://www.telcel-gsm.com/pages/gsmCostaRica.htm http://www.tid.es/presencia/publicaciones/comsid/esp/20/2XX.PDF gprs6
Bibliografía
http://www.tid.es/presencia/publicaciones/comsid/esp/21/01.pdf gprs 7 http://www.ericsson.com/about/publications/review/2000_03/files/es2000034.pdf gprs8 http://www.frc.utn.edu.ar/organizaciones/IEEE/Seminario_2002_parte3.pdf http://neutron.ing.ucv.ve/revista-e/No6/Villavicencio/trabSisT1.htm http://www.digigrup.es/aprs/gps.htm http://www.dolphinpesca.com/gps.htm http://www.patagonia4x4.com.ar/~pat47/queesungps.php http://www.valdellera.biz/gps.htm http://www.ibertronica.es/Garmin/TeoriaGPS.htm http://ceres.ugr.es/~alumnos/alonso/p3.html http://ceres.ugr.es/~alumnos/c_avila/gsm0.htm http://elqui.dcsc.utfsm.cl/apuntes/redes/2001/pdf/1-4-Capa-Fisica_Wireless-CelularSatelite.pdf http://www.intelsat.com/isdocs/iess/s/iess317.pdf http://www.zonabluetooth.com/que_es_bluetooth.htm http://www.ericsson.com.mx/wireless/products/mobsys/tdma/cms.shtml http://www.teleddes.org/deinteres/revolucionmovil.html http://www.ericsson.com.mx/wireless/products/mobsys/tdma/radiobases_red.shtml GSM System Survey Ericsson EN/LZT 123 3321 R3B GSM BSC Operation Ericsson EN/LZT 123 3801 R3A The Migration from TDMA/GSM/CDMA Systems to the 3G Ericsson EN/LZT 123 6773 R1A
Bibliografía
GPRS http://www.gsmworld.com/technology/gprs/intro.shtml http://www.waymovil.net/root/90_1252.htm http://www.ecojoven.com/02102000/gprs.html http://www.udec.cl/~eduamoli/gprs.htm http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2650,00.html http://www.extremadurasi.org/info_intranet/paginas/gprs.htm http://212.73.32.211/hosting/00010/teleco/movil/gprs/cursos/intro/intro.htm http://es.gsmbox.com/gprs/gprs.gsmbox?page=uso&flag=no http://www.melodiasmoviles.com/documentacion/gprs.php http://www.amena.com/presentacion/profesional/gprs/terminales.html http://www.udec.cl/~eduamoli/gprs.htm http://212.73.32.211/hosting/00010/teleco/movil/gprs/cursos/intro/intro.htm http://personals.ac.upc.es/amolina/cap_iv.html http://www.gsmworld.com/technology/gprs/intro.shtml http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2643,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2644,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2645,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2646,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2647,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2648,00.html http://212.73.32.211/hosting/00010/teleco/movil/gprs/cursos/intro/intro.htm http://es.gsmbox.com/gprs/gprs.gsmbox?page=topologia&flag=no http://www.melodiasmoviles.com/documentacion/gprs.php http://www.uv.es/~montanan/redes/trabajos/GPRS.doc http://www.udec.cl/~eduamoli/gprs.htm http://personals.ac.upc.es/amolina/cap_ii.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,3040,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2250,00.html http://www.vodafone.es/Vodafone/Campus/Campus/0,1463,2248,00.html
Bibliografía
TESIS “REDES PDH Y SDH”. Hernández Rodolfo, Hernández Pinto Martín, Ricardez Toledo Juan Carlos. ESIME-IPN. Septiembre 1999. México, D.F. GPRS BSS Operation Ericsson EN/LZT 123 6560 R1A GPRS Overview Ericsson 1/03802 LZT 123 6625 UenA GPRS Circuit Switched Operation Ericsson 1/03802 LZU 108 3954 A GPRS System Survey Ericsson EN/LZT 123 5374 B GPRS Support Node (GSN) Configuration Ericsson EN/LZT P1A GSN Maintenance Ericsson EN/LZT 123 6763 A TDMA GSM & GPRS RDN Fast Track Module Ericsson EN/LZT 123 6888 R1A
View more...
Comments
