Sistemas GSM / GPRS

Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones Escuela Ingeniería Electrónica UNPRG

08 de Marzo del 2008

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Sistemas GSM • •

Groupe Special Mobile – Global System for Global Communication (GSM) Obtuvo un crecimiento sin precedentes a nivel mundial. Sin soporte de Redes Analógicas Servicios: - Roaming Internacional - Distinción entre la identificación de móvil y usuario - Calidad de voz mejorada - Seguridad Mejorada - Servicios Adicionales (SMS, Caller ID, etc )

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Sistemas GSM: Celdas CDMA vs celdas GSM

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Sistemas GSM •

Bandas de Frecuencia América: Banda PCS 1900 MHz; Europa: Banda 900 MHz, 1800 MHz (DCS 1800 MHz) Bandas GSM •GSM 450 Band •GSM 480 Band •GSM 850 Band •Standard or Primary GSM 900 Band, P GSM •E GSM (includes GSM 900 band) •Railways GSM 900 Band, R GSM •DCS 1 800 Band •PCS 1 900 Band

Banda Celular

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Sistemas GSM • •

Bandas de Frecuencia GSM-R Dual Band, Triple Band, Quad Band Phones

Dual Band: • •

Tri Band:

Quad Band:

•

•

• •

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900 MHz – 1800 MHz (Europa, Asia,Australia, Brazil) 850 MHz – 1900 MHz (North America, South América)

900, 1800, 1900 MHz (Europa, Asia,Australia, Brazil + América) 850, 1900, 1800 MHz (North America, South América + Europe) 850,1900, 2100 UMTS

•

850-1900 MHz (America) 900-1800 MHz (Europa) 850/1700/1900/2100 Para servicios UMTS HSDPA, HSUPA

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Sistemas GSM Bandas de Frecuencia • • • •

Perú: Códigos de Operadores MCC: Mobile Country Code (Código de País de la Red Móvil) MNC: Mobile Network Code (Código de Red Móvil) LAC: Local Area Code (Código de Area Local) CID: Cell Identifier (Identificador de Celda) Movistar GSM 850, CHs: (128 – 251) PCS 1900, CHs (512 – 810) MCC+MNC= 716 – 06 LAC = 4401 (Trujillo) CID = 30011 (Larco) CELLGLID="716"-"06"-4401-30011

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América Móviles PCS 1900, CHs (512 – 810) MCC+MNC= 716 – 10 LAC = 4001 (Trujillo) CID = 51132 (Larco) CELLGLID="716"-"10"-4001-51132

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Sistemas GSM: Banda Celular

Claro pagó US$22,2 por la Banda B en el espectro de 835-845MHz, 880-890MHz, 846,5-849MHz y 891,5-894MHz. Sin embargo deberá devolver 25 MHz, ya que al haberse adjudicado la banda B, ha superado el tope del MTC fijado en 60 MHz.

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Sistemas GSM Bandas de Frecuencia: Bandas Celulares A y B (GSM 850 MHz) (GSM 800 MHz)

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Sistemas GSM Bandas de Frecuencia

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Sistemas GSM

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Sistemas GSM Bandas de Frecuencia: Bandas Celular A,B y PCS A, B, C, D, E, F (GSM 1900 MHz)

Frecuencia

Banda

850 MHz

A,A”,A’ B

1900 MHz

B1 B2 A D B E C

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Rango de Frecuencias Total Empresa Ida (MHz) Retorno (MHz) (MHz) 824 835 869 880 25 Telefónica Móviles 845 846.5 890 891.5 835 845 880 890 25 América Móviles 846.5 849 891.5 894 846.5 847.75 891.5 892.75 847.75 849 892.75 894 1850 1865 1930 1945 1865 1870 1945 1950 1870 1882.5 1950 1962.5 1882.5 1895 1962.5 1975 1895 1910 1975 1990

2.5 2.5 30 10 25 25 30

Valtron Disponible América Móviles Nextel Telefónica Móviles Nextel América Móviles

Area de Asignacion A nivel nacional A nivel nacional Rural Huarochiri A nivel A nivel A nivel A nivel A nivel

nacional nacional nacional nacional nacional

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Sistemas GSM

Arquitectura Sistema GSM

BTS GRANADOS

Antenas celulares

BTS PRIMAVERA

radio links microondas

BTS EL GOLF

backbone microondas Enlace Ramal Norte Ramal Sur

BSC + BTS AV. LARCO

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Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM MT: Mobile Terminal SIM: Suscriber Identity Module TA: Terminal Adaptator TE: Terminal Equipment

GMSC: Gateway Mobile Switching Center IWF: Inter Working Function ADC: Administration Center NMC: Network Maintenance Center OMC: Operation and Maintenance Center

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Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM

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Sistemas GSM Códigos Identificadores Sistema GSM

CID (Cell Site Identity) LAI = CC+ MNC+LAC

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Sistemas GSM Estación Móvil GSM

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Sistemas GSM Modulo de Identidad de Usuario

Goldwafer Card

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Sistemas GSM Modulo de Identidad de Usuario

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Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station) Una BTS consta de dispositivos de: •Transmisión •Recepción •Procesado de señal •Cifrado •Medición de Señal •Capacidad de 1 a 16 transceivers •Cada Transceiver corresponde a un canal de RF

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Arquitectura Local: Estaciones Base

Monopolo con plataforma Rx

Estación Base + MSC autosoportada

Tx Rx

β α

γ

Estación Base

2

γ

3 β

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α

120º 1

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Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station) Unidades de control

banco baterías

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Radio Canales TRX

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Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)

CU: Carrier Unit COBA: Core Basis Module DIAMCO: Diversity Amplifier Multi Coupler ACOM: Antenna Combining

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Sistemas GSM

UPAO

Estación Base (Base Transceiver Station)

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Sistemas GSM

UPAO

Estación Base (Base Transceiver Station)

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Sistemas GSM Centro de Autenticación GSM • Gestion de los datos de seguridad • Proporciona parámetros a la HLR para completar la autenticación del móvil

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Sistemas GSM Autenticación GSM • Se parte de una clave Ki (128 bits) almacenada tanto en la SIM como en el Centro de Autenticación (AuC) • Los algoritmos utilizados son A3 (clave autenticación) y A8 (cifrado de datos tx). Incluídos en la SIM •La implementación de los algoritmos A3-A8, también es conocida como COMP128 Tabla de Relación IMSI - Ki

La Red GSM solicita IMSI

Se envía Nº aleatorio El móvil opera el mismo Algoritmo (128 bits) El móvil envía Respuesta Firmada

Se genera Respuesta Firmada (32 bits)

Se genera Kc para Tx información

AuC compara las respuestas Al coincidir se valida autenticación

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Sistemas GSM Cifrado de tráfico GSM • • • •

La clave de cifrado (Kc) se utiliza para cifrar y descifrar los datos transmitidos entre la estación móvil y la estación base La clave de cifrado puede cambiarse a intervalos regulares según lo requieran las consideraciones de seguridad y diseño de red En un principio el algoritmo A5 tuvo una longitud de clave "efectiva" de 40 bits, posteriormente 64 bits y en un futuro 128 bits. Versiones del algoritmo : A5/1, A5/2

Operación XOR

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Operación XOR

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Sistemas GSM Registro de Identidad de Equipos • Posee tres • • •

apartados Lista Blanca: Equipos autorizados para el acceso Lista Negra: Equipos que tienen prohibido el acceso ( Ej. Terminales robados) Lista Gris: Lista de equipos que deben ser puestos en observación. Poseen un comportamiento anómalo

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Sistemas GSM Interfases de transporte y señalización • • • •

Elementos indispensable de comunicación para el enlace entre sus componentes Uso de señalización Nº 7 ( SS7 ) SS7 es una variante de packet switching , similarmente a IP realiza cálculo de costes, rutas, etc Nodos de Enrutamiento (STP), Puntos de Servicio de Conmutación (SSP), Service Control Points (SCP)

Interconexión GSM

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Sistemas GSM Modulación GSM:

• • •

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Introducción

Formas de Onda: Pulso rectangulares contienen muchos armónicos. Su ancho de banda debe de limitarse para aprovechar el ancho de banda del sistema. A mayor limitación en frecuencia más pronunciado es el “spreading”en el tiempo.

Filtros Los pulsos digitales son filtrados antes de entrar al modulador para reducir el ancho de banda de la señal modulada Con esto es inevitable que dejen de ser rectángulos. Se busca un compromiso entre Ancho de banda ↔ ISI El filtro mas usado es el Coseno cuadrado (“Raised-cosine”) junto con el filtro Gaussiano.

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Sistemas GSM Modulación GSM:

Introducción

Modulación FSK (Frecuency Shift Keying)

Modulación MSK (Minimun Shift Keying) •

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La modulación de tipo MSK es una variante de FSK, con la diferencia de no variar la fase durante la transmisión de dos bits consecutivos

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Sistemas GSM Modulación GMSK • • •

Se reduce el espectro de la señal MSK pasando la señal NRZ por un filtro Gaussiano antes de atacar el modulador MSK. Método sencillo: Se puede generar GMSK aplicando la salida de un filtro Gaussiano-pasa.baja a un VCO (varactor) en un transmisor FM. Se usa GMSK en GSM-DCS por: - Buena eficiencia espectral 1,4 bps/Hz, pero menor que TDMA: 1.6 bps/Hz - Resistencia a la interferencia de canales y co-canal

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Sistemas GPRS EDGE

Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones Escuela Ingeniería Electrónica

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Sistemas GPRS-EDGE • • • • •

GSM fue originalmente diseñado para transmisión de voz, con capacidades de roaming. Su migración hacia transmisión de datos no era un camino fácil Primera Opción: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Limitaciones de la conmutación de circuítos Surgen alternativas para integrar alta velocidad en canales de 200 KHz GPRS: Global Packet Radio Service, el primer estándar para alta velocidad EDGE: Enhanced Data for GSM Evolution, Aplicaciones de mas alta velocidad. Orden de modulación mayor

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Sistemas GPRS-EDGE • • • • •

Aspectos Básicos de GPRS El camino de evolución de la tecnología para GSM y los Operadores TDMA está marcado por el paso a través de GPRS, y EDGE, aunque algunos operadores pueden optar para migrar directamente hacia UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Las aplicaciones de datos están basados en Internet. Así el núcleo de red necesita ser Internet Protocol (IP) Los formatos 3G utilizan un núcleo de red basado en IP sin la necesidad de inversiones adicionales. Aún WCDMA hace uso de la arquitectura GPRS para sus servicios de datos. Todas las tecnologías de alta velocidad soportan VoIP, de las cuales EDGE posee mayores ventajas

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Sistemas GPRS-EDGE • • •

Aspectos Básicos de GPRS El móvil GPRS trabaja de igual manera que un terminal GSM. La diferencia comienza en el enlace backhaul. El BSC enruta la llamada de datos a través de un Nodo de Soporte GPRS (SGSN) En la Red Pública Móvil Terrestre GPRS (PLMN) se encuentran dos nodos formando el backbone de la Red GPRS: Serving GPRS Support Node (SGSN): Pasarela para los datos de la red móvil. Monitorea el servicio del móvil Gateway GPRS Support Node (GGSN): Pasarela desde la PLMN, hacia la red IP exterior.

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Sistemas GPRS-EDGE • • • •

Arquitectura GPRS PCU (Packet Control Unit): Gestiona transferencia de paquetes entre terminales móviles y el SGSN. SGSN (Serving GPRS Support Node): Gestión de Sesión, Movilidad, Seguridad (cifrado interfaz aire), Tarificación GPRS, Compresión de datos GGSN (Gateway GPRS Support Node): Funciones de Encaminamiento, Gestión de Sesión ( IP al terminal movil) , Movilidad, Pasarela de Seguridad, Tarificacion hacia redes externas. BG (Border Gateway): Conecta redes IP autónomas realizando funciones de seguridad

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Sistemas GPRS-EDGE • • •

Clases de Estaciones GPRS Class A: Estaciones Móviles pueden hacer y recibir llamadas en GSM y GPRS al mismo tiempo. Class B: Estaciones Móviles pueden hacer y recibir llamadas en GSM and GPRS, pero no al mismo tiempo. Class C: Se debe seleccionar manualmente en las estaciones móviles para que ellas operen en modo GPRS o GSM. Esta selección se realiza por el usuario al momento de la suscripción.

SGNS: CPX-5000 08 de Marzo del 2008

GGNS: CPG-3300 UNPRG

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Identificación de Canales Red GSM up link BTS down link

Móvil TS8 Móvil TS1 Móvil TS0

– –

Acceso TDMA: (Traffic Channels) GSM divide cada radio canal en 8 time slots. La velocidad de los datos esta determinada por la velocidad individual de cada time slot, y por el número de time slots usados

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Sistemas GPRS-EDGE •

Clases de Estaciones GPRS Adicionalmente se clasifican a las estaciones de acuerdo a su acceso a time slots Clase 1: 1 TS para Tx, 1 TS para Rx Clase 29: 8 TS para Tx, 8 TS para Rx; (Las clases intermedias se dan de manera asimétrica)

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Sistemas GPRS-EDGE • •

•

Asignaciones de Slots Las asignaciones de slots GPRS and GSM son mostradas en un ejemplo en la figura. Cualquier slot puede ser asignado hacia GSM o GPRS a menos que haya sido asignado permanentemente, sin embargo una asignación dinámica es mucho mas eficiente. Existen asignaciones híbridas permitiendo que algunos slots sean asignados a GSM y algunos a GPRs basados en su necesidad. La voz siempre tiene preferencia, así GSM siempre tendrá la primera opción.

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Sistemas GPRS-EDGE •

•

Codificación GPRS Aplicaciones como voz, video o juegos son sensibles a retardos y/o retransmisones. Otros como Web Browser son poco perceptibles al usuario Data Rate: Velocidad de Datos enviados Throughput: Transferencia de Datos Efectiva (recibida) La meta del operador es ofrecer una transferencia óptima, a pesar de los problemas de propagación o distancia. Luego se desarrolla el uso de formatos de codificación para protección variable de errores

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Sistemas GPRS-EDGE Codificación GPRS (Coding Schemes) •

CS-1:

•

CS-2:

•

CS-3:

•

CS-4:

Nivel C/I muy bajo. 1/2 code rate, 9.05 Kbps payload data rate, 181 bits en 20 ms. 1/2 encoder, 12 bits in, 24 bits out. Usa 2/3 code rate, 13.4 Kbps payload data rate of, 268 bits en 20 ms. 2/3 encoder, 12 bits in, 18 bits out. Usa 3/4 coder rate, 15.6 Kbps payload data rate, 312 bits en 20 ms. 3/4 encoder, 12 bits in, 16 out. Nivel ideal C/I. Sin codificación de correcciones, 1 code rate (12 in, 12 out) maximum payload data rate of 21.4 Kbps, or 428 bits per 20 ms.

La máxima tasa de datos para una trama GPRS se dará utilizando los 8 TS. Luego es: 8 × 21.4K = 171.2 Kbps. Interleaving: Es usado para esparcir los bits en la ráfaga de datos. Si una ráfaga de datos tiene errores significativos, estos no afectan los bits adyacentes, lo cual haría imposible su corrección, facilitando el trabajo de las técnicas de correcciçón de errores Ejemplo: ELECTRONICA

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ELEOIACTRNC

ELXCTRXNXCX

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Sistemas GPRS-EDGE Codificación GPRS - EDGE (Coding Schemes)

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Sistemas GPRS-EDGE Formato EDGE • • • • •

EDGE es un upgrade para GPRS, e integración en redes GSM. GPRS: gross payload por time slot es 116 bits EDGE: gross payload llega hasta 464 bits. Este incremento se logra por el uso de un formato de modulación mayor y diferentes tasas de codificación. GPRS: modulación GMSK (igual a GSM). Esto quiere decir que el upgrade de una BTS GSM para soportar GPRS era en teoría un cambio de software. EDGE usa un nuevo formato de modulación: eight-phase shift keying (8PSK). Esto quiere decir que el upgrade hacia EDGE involucra nuevos TRX’s y su instalación es mas compleja. El técnica de manejo de paquetes es idéntica en EDGE y GPRS.

GMSK

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8-PSK

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Sistemas GPRS-EDGE • • • •

Modulación y Codificación EDGE En 8-PSK, cada cambio de símbolo representa 3 bits de información. En GSM y GPRS, cada cambio de símbolo representa 2 bits. Así se permite una mayor tasa de datos. La Modulación EDGE puede ser intercambiable. Ejemplo: Un TS con GMSK, y el siguiente TS con 8PSK. El móvil necesitará mayor potencia recepción RF para recibir la señal 8PSK. La diferencia entre los niveles necesarios para una calidad de BER para EDGE y GMSK son muy considerables, así deben planificarse colocar mas estaciones para obtener la misma cobertura y perfomance. Se piensa en amplificadores basados en superconductores con figuras de ruido muy altas.

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Situación Actual: Tecnologías Comunicaciones Móviles Mundo EDGE / EGPRS: Enhanced Data Rate for GSM Evolution DTM: Dual Transfer Mode CS: Circuit Switched PS: Packet Switched MBMS: Multimedia Broadcast Multicast Service EDGE Ph2: Adaptative MultiRate Codec (AMR) HSPA: High Speed Packet Access 3GPP: Third Generation Partnership Project Evolución GSM 3GPP2: Evolución CDMA Rev A: 3.1 Mbps Rev B: hasta 73 Mbps Rev C: hasta 200 Mbps

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Situación Actual: Convergencia con Redes de Próxima Generación UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network GERAN: GSM Edge Radio Access Network HSCSD High Speed Circuit Switched Data FDD Frequency Division Duplexing TDD Time Division Duplexing TD-SCDMA Time DivisionSynchronous CDMA EDCH CAMEL

IMS IP Multimedia Subsystem

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Muchas Gracias

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