Proyecto Final de Carrera

ESTUDIO DE VIABILIDAD DE UN NODO INALÁMBRICO CON IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO GSM/GPRS

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

Tutor: Antonio Jesús Torralba Silgado Autor: Alfonso Grande Navarro

CONTENIDO 1. Introducción y alcance.

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2. Descripción de la tecnología ………………………………………………………………………………………. 2.1 GSM …………………………………………………………………………………………………………….. 2.1.1 Introducción. ………………………………………………………………………………. 2.1.2 Arquitectura de una red GSM. …………………………………………………………… 2.1.3 Transmisión en GSM. ………………………………………………………………………… 2.1.4 Servicio SMS de la red GSM. ……………………………………………………………… 2.1.5 Limitaciones de GSM para transmisión de datos. ………………………………

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2.2 GPRS. ………………………………………………………………………………………………………… 9 2.2.1 Introducción. ……………………………………………………………………………………. 9 2.2.2 Clases de dispositivos GPRS ……………………………………………………………… 10 2.2.3 Contexto de Protocolo de Paquete de Datos (PDP) …………………………. 11 2.2.4 Enrutamiento de Datos …………………………………………………………………… 11 2.2.5 Transferencia de Datos …………………………………………………………………… 11 2.2.6 Codificación …………………………………………………………………………………… 12 2.2.7 Clases Multislots GPRS …………………………………………………………………….. 12 2.2.8 Servicios y aplicaciones de GPRS ……………………………………………………… 13 2.2.9 Resumen GPRS ………………………………………………………………………………… 14 2.3 Comandos AT. ……………………………………………………………………………………………….. 15 2.3.1 Introducción …………………………………………………………………………………… 15 2.3.2 Protocolo de funcionamiento …………………………………………………………. 16 2.3.3 Línea de comandos AT …………………………………………………………………… 17 2.3.4 Estructura de comandos ………………………………………………………………. 17 2.3.4.1 Formato ………………………………………………………………………… 18 2.3.4.2 Modo ………………………………………………………………………………. 18 2.3.4.3 Argumento ……………………………………………………………………. 18 2.3.5 Estructura de códigos de resultados ……………………………………………. 19 2.3.6 Estructura de respuestas e indicadores …………………………………………… 19 2.4 PPP y TCP/IP. ………………………………………………………………………………………………. 20 2.4.1 Protocolo punto a punto (PPP) ………………………………………………………. 20 2.4.2 Pila de protocolos TCP/IP ……………………………………………………………….. 21 2.5 Resumen de la comunicación completa del nodo en estudio.

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3. Descripción Hardware utilizado ………………………………………………………………………………….. 24 3.1 Modulo GSM/GPRS HiLoNC Sagem. …………………………………………………………….. 25 3.1.1 Introducción. …………………………………………………………………………………. 25 3.1.2 Características técnicas del dispositivo ………………………………………….. 25 3.1.3 Diagrama de bloques ……………………………………………………………………… 27 3.1.4 Interfaz de comunicación UART: V24. ………………………………………………. 27 3.1.5 Multiplexación modo Comandos/Datos ……………………………………………. 28 3.1.6 Modos de bajo consumo (SLEEP) ……………………………………………………… 29 3.1.6.1 Modo OFF ………………………………………………………………………. 29 3.1.6.2 Modo espera (Stand-by) ………………………………………………….. 29

3.1.7 Alimentación …………………………………………………………………………………… 30 3.1.8 Arrancando el módulo ……………………………………………………………………. 30 3.2 Microcontrolador. …………………………………………………………………………………………. 31 3.2.1 Introducción. …………………………………………………………………………………… 31 3.2.2 Características y especificaciones técnicas. …………………………………… 33 3.2.3 Modos de bajo consumo ………………………………………………………………… 35 3.2.4 Reloj de tiempo real (RTC) ……………………………………………………………… 36 4. Viabilidad técnica ………………………………………………………………………………………………… 37 4.1 Diseño del nodo. …………………………………………………………………………………………… 38 4.1.1 Esquema básico de conexión entre componentes del nodo. ….………. 38 4.2 Consumo del nodo. ………………………………………………………………………………………… 40 4.2.1 Microcontrolador …………………………………………………………………………… 41 4.2.2 Módulo HiloNC Sagem ……………………………………………………………………. 42 4.2.2.1 Consideraciones generales ……………………………………………… 46 4.2.2.2 Red GSM …………………………………………………………………………… 47 4.2.2.3 Red GPRS …………………………………………………………………………. 48 4.2.3 Dispositivos adicionales ……………………………………………………………… 49 4.2.3.1 Sistema interfaz con los contadores de agua ………………… 49 4.2.4 Diferentes casos. ………………………………………………………………………… 52 4.2.5 Tabla resumen consumos. ……………………………………………………………… 58 4.3 Baterías .Aspectos a tener en cuenta …………………………………………………………… 59 4.3.1 Tipos y características de las baterías. ………………………………………… 59 4.3.2 Sistema con panel fotovoltaico. ………………………………………………… 62 4.3.2.1 Paneles fotovoltaicos ……………………………………………………… 62 4.3.2.2 Reguladores …………………………………………………………………… 64 4.3.2.3 Baterías recargables ………………………………………………………… 64 4.4 Resumen autonomía nodo. ………………………………………………………………………… 67 4.4.1 Caso 1 ……………………………………………………………………………………………. 67 4.4.2 Caso 2 …………………………………………………………………………………………… 68 5. Viabilidad económica. ………………………………………………………………………………………………. 69 5.1 Coste inicial nodo. …………………………………………………………………………………………. 70 5.2 Análisis de costes. …………………………………………………………………………………………. 71 6. Bibliografía

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AGRADECIMIENTOS Agradezco todo el apoyo recibido por mi familia en todos estos años cursados en Sevilla, tanto a mi madre, la principal, como todos mis hermanos María Teresa, Miguel, María José y Juan Antonio. Sin ellos, no hubiese sido posible realizar esta titulación. Tampoco puedo olvidarme de mi cuñado José y cuñada María, y de todos mis compañeros de universidad y amigos especiales como Joaquín, Andrés y José. A todos, de corazón, muchas gracias.

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1. Introducción y alcance

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Proyecto Final de Carrera Este trabajo se enmarca dentro de la línea de investigación del proyecto AMICO, en el cual se desarrolla un sistema de telemedida de contadores de agua. En este sistema de telemedida, se opta por la colocación de un nodo inalámbrico en cada conjunto de contadores de agua, alimentado por batería y dotado de tecnología 802.15.4, a través de la cual, poder forma una red inalámbrica. Esta red queda formada por un nodo coordinador (o concentrador) donde se reciben todos los datos de las lecturas de los contadores de cada nodo unido a su red. Una vez recibidos todas las lecturas, a través de una pasarela con módulo GSM/GPRS, se transfiere toda la información de su red (lecturas de contadores, estado de los nodos, etc.) hacía un servidor conectado a Internet. El presente documento desarrolla un estudio de viabilidad, tanto técnicamente como económicamente, sobre la realización de un nodo inalámbrico, dotado de conectividad a Internet (a través de incorporar un módulo GSM/GPRS), para la obtención de datos del nodo remotamente. Para el sistema del proyecto AMICO, será la lectura de los contadores de agua conectados al nodo. Usar esta tecnología (GSM/GPRS), a priori, parece ser una solución eficaz, ya que otorga muchas ventajas en la transmisión de datos y a un coste razonable. Dota al nodo de una alta capacidad de independencia. El objetivo que se pretende con este proyecto es analizar y estimar el consumo de los nodos inalámbricos, ya que van alimentados por batería, y obtener su autonomía para compararla con otros sistemas que se utilicen para aplicaciones similares. El proyecto se estructura en 4 apartados. En el primero se describen la tecnología utilizada y protocolos de comunicación que se aplicarían en el desarrollo de este tipo de nodo en estudio, tanto comunicación entre microcontrolador y módulo GSM/GPRS, como protocolos de conexión a Internet. A continuación, el apartado segundo, se comentan las especificaciones técnicas y características principales del hardware utilizado. Y en los dos últimos apartados, se realiza el estudio de viabilidad técnica y económica con diferentes posibles situaciones o casos para aplicación del nodo en la lectura de contadores de agua.

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2. Descripción de la tecnología.

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2.1 GSM 2.1.1 Introducción. GSM (Sistema Global para las Comunicaciones Móviles) es el sistema de comunicación móvil digital denominado de “2ª generación” basado en células de radio. Apareció para dar respuestas a los problemas de los sistemas analógicos. El estándar GSM fue desarrollado a partir de 1982. Fue diseñado para la transmisión de voz por lo que se basa en la conmutación de circuitos, aspecto del que se diferencia del sistema GPRS. Al realizar la transmisión mediante conmutación de circuitos los recursos quedan ocupados durante toda la comunicación y la tarificación, que las operadoras de telefonía móvil realizan, es por tiempo. El interfaz de radio de GSM se ha implementado en diferentes bandas de frecuencia. En Europa, opera en las bandas de 900 MHz y 1800 MHz. GSM permite un rendimiento máximo de 9,6 Kbps, que permite transmisiones de voz y de datos digitales de bajo volumen, por ejemplo, mensajes de texto (SMS, Servicio de mensajes cortos).

2.1.2 Arquitectura de una red GSM. Todas las redes GSM se pueden dividir en cuatro partes fundamentales y bien diferenciadas: 1.- La Estación Móvil (MS): Consta a su vez de dos elementos básicos que debemos conocer, por un lado el terminal o equipo móvil y por otro lado el SIM o Subscriber Identity Module. 2.- La Estación Base (BSS): Sirve para conectar a las estaciones móviles con los NSS, además de ser los encargados de la transmisión y recepción. Como los MS, también constan de dos elementos diferenciados: La Base Transceiver Station (BTS) o Base Station y la Base Station Controller (BSC). La BTS consta de transceivers y antenas usadas en cada célula de la red y que suelen estar situadas en el centro de la célula, generalmente su potencia de transmisión determinan el tamaño de la célula. Los BSC se utilizan como controladores de los BTS y tienen como funciones principales las de estar al cargo de los handovers, los frequency hopping y los controles de las frecuencias de radio de los BTS.

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Proyecto Final de Carrera 3.- El Subsistema de Conmutación y Red (NSS): Este sistema se encarga de administrar las comunicaciones que se realizan entre los diferentes usuarios de la red; para poder hacer este trabajo la NSS se divide en siete sistemas diferentes, cada uno con una misión dentro de la red: -Mobile Services Switching Center (MSC): Es el componente central del NSS y se encarga de realizar las labores de conmutación dentro de la red, así como de proporcionar conexión con otras redes. -Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC): Un gateway es un dispositivo traductor (puede ser software o hardware que se encarga de interconectar dos redes haciendo que los protocolos de comunicaciones que existen en ambas redes se entiendan). La función del GMSC es de mediador entre las redes de telefonía fijas y la red GSM. -Home Location Registrer (HLR): El HLR es una base de datos que contiene información sobre los usuarios conectados a un determinado MSC. Entre la información que almacena el HLR tenemos fundamentalmente la localización del usuario y los servicios a los que tiene acceso. El HRL funciona en unión con en VLR que vemos a continuación. -Visitor Location Registrer (VLR): contiene toda la información sobre un usuario necesaria para que dicho usuario acceda a los servicios de red. Forma parte del HLR con quien comparte funcionalidad. -Authentication Center (AuC): Proporciona los parámetros necesarios para la autentificación de usuarios dentro de la red; también se encarga de soportar funciones de encriptación. -Equipment Identy Registrer (EIR): También se utiliza para proporcionar seguridad en las redes GSM pero a nivel de equipos. La EIR contiene una base de datos con todos los terminales que son válidos para ser usados en la red. Esta base de datos contiene los International Mobile Equipment Identy o IMEI de cada terminal, de manera que si un determinado móvil trata de hacer uso de la red y su IMEI no se encuentra localizado en la base de datos del EIR no puede hacer uso de la red. -GSM Interworking Unit (GIWU): sirve como interfaz de comunicación entre diferentes redes para comunicación de datos. 4. Los Subsistemas de soporte y Operación (OSS): Los OSS se conectan a diferentes NSS y BSC para controlar y monitorizar toda la red GSM. La tendencia actual en estos sistemas es que, dado que el número de BSS se está incrementando se pretende delegar funciones que actualmente se encarga de hacerlas el subsistema OSS en los BTS de modo que se reduzcan los costes de mantenimiento del sistema. En la figura se muestra un pequeño esquema de la estructura de una red GSM.

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Figura 1: Arquitectura de red GSM

2.1.3 Transmisión en GSM Para la comunicación entre la estación base y una estación móvil se utilizan canales físicos, caracterizados por un número de slots y una portadora. Dentro de cada portadora se multiplexan en el tiempo 8 ranuras o slot, formando una trama TDMA.

Figura 2: Trama TDMA de GSM En cada slot asignado al terminal móvil, éste puede enviar una trama GSM. Esas tramas o ráfagas, a nivel físico, pueden ser de 5 tipos: Ráfaga normal:

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Proyecto Final de Carrera Ráfaga de acceso:

Ráfaga de sincronización:

Ráfaga de corrección de frecuencia:

Ráfaga de relleno:

En GSM las tramas suelen agruparse en unidades mayores llamadas multitramas. Existen dos tipos de multitramas: las que están formadas por 26 tramas y las que están formadas por 51 tramas. A su vez las multitramas se agrupan formando hipertramas. A un nivel superior, en lugar de tramas o ráfagas GSM, se habla de canales. Estos canales se dividen en: -Canales de tráfico: Llevan la voz y/o los datos -Canales de Control: señalización y señales de control. Los canales de tráfico pueden ser de 2.4, 4.8 ó 9.6Kb/s. Para el servicio SMS se utilizan canales de control.

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2.1.4 Servicio SMS de la red GSM Uno de los principales servicios que la red GSM ofrece es la posibilidad de enviar y recibir mensajes cortos de texto (SMS). El servicio SMS permite transferir un mensaje de texto entre una estación móvil (MT) y otra entidad y viceversa. Para la correcta gestión de los mensajes SMS se hace necesario introducir en el sistema GSM el centro de mensajes cortos o SMSC (Short Message Service Center). A continuación describimos una estructura típica de una PDU para servicio de SMS, desde un terminal móvil hasta el centro de servicio. 1-12

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7-26

Nº Destino

Tipo PDU

Otros datos

0-140 (bytes) Datos Usuario

Figura 3: Trama PDU para servicio GSM. El tamaño máximo de datos de usuario permitido es de 140 bytes o equivalentemente, 160 caracteres de texto ASCII (7 bytes por carácter). El servicio final ofrecido es una comunicación extremo-extremo entre la estación móvil (MT) y la entidad. La entidad puede ser otra estación móvil o puede estar situado en una red fija. Las tramas a enviar por cada PDU-SMS, al no ser un servicio prioritario en la red, se envía por canales de señalización y control. Esto hace que el tiempo medio en la transmisión de un SMS puede ser en torno a 2,4 segundos.

2.1.5 Limitaciones de GSM para la transmisión de datos A partir de las características que la red GSM nos ofrece: -velocidad de transferencia de 9,6 Kbps, -tiempo de establecimiento de conexión, de 15 a 30 segundos (además las aplicaciones deben ser reinicializadas en cada sesión), -pago por tiempo de conexión, -problemas para mantener la conectividad en itinerancia (Roaming), hacen que GSM sea una tecnología mayoritariamente utilizada para la voz y no para los datos.

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Proyecto Final de Carrera 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 Service) 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. Al sistema GPRS se le conoce también como GSM-IP ya que usa la tecnología IP (Protocolo Internet) para acceder directamente a los proveedores de contenidos de Internet.

2.2 GPRS 2.2.1 Introducción. GPRS (General Packet Radio Service) es una 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 la transmisión de datos. Permite una tasa de datos teóricos alrededor de 171,2 Kbits/s (hasta 114 Kbits/s en la práctica). El sistema GPRS actualiza los servicios de datos GSM para hacerlos compatibles con Redes de área local (LANs, Local Area Network), Redes de área extendida (WANs, Workwide Area Network), e Internet. Mientras el sistema GSM fue originariamente diseñado con un especial énfasis en las sesiones de voz, el principal objetivo de GPRS es ofrecer un acceso a redes de datos estándar, como TCP/IP. Estas redes consideran a GPRS como una subred normal. Cuando un usuario transmite datos, éstos son encapsulados en paquetes cortos en cuya cabecera se indica las direcciones origen y destino, cada uno de estos paquetes puede seguir rutas diferentes a través de la red hasta llegar a su destino, así mismo los paquetes originados por distintos usuarios pueden ser intercalados, de esta forma se comparte la capacidad de transmisión. Los paquetes, no son enviados a intervalos de tiempo, sino que cuando se necesita se asigna la capacidad de la red siendo liberada cuando no es necesaria. GPRS utiliza los recursos de radio solamente cuando hay datos que enviar o recibir, adaptándose así a las aplicaciones de datos. Permite a los operadores ofrecer un servicio a mejor precio, ya que la facturación se puede basar en la cantidad de datos enviados o recibidos. El sistema GPRS, además de las entidades GSM, requiere una serie de elementos extras como: - El nodo de acceso GPRS (GGSN, Gateway GPRS Support Node) que actúa como interfaz entre la red GPRS y la red pública de datos como IP y X.25, conectándose también con otras redes GPRS.

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Proyecto Final de Carrera - El nodo de soporte de servicios GPRS (SGSN, Service GPRS Support Node). - La estructura principal o red troncal GPRS (backbone).

Figura 4: Arquitectura de la red GPRS

2.2.2 Clases de dispositivos GPRS. En GPRS, la MS (estación móvil) se clasifica según la capacidad que tenga para soportar diferentes modos de operación (GSM y GPRS) simultáneamente. Dentro de estos modos tenemos: -Clase A. Pueden estar conectados simultáneamente tanto a GPRS como a GSM sin que haya degradación de la calidad de ninguno de los servicios. -Clase B. Pueden estar conectados a GPRS y GSM, pero sólo puede utilizarse un servicio. Es decir, si tenemos una llamada de voz, el servicio de GPRS se suspenderá. Una vez finalizada la llamada de voz el servicio de GPRS se restablecerá automáticamente tal y como estaba. GSM tiene la prioridad, por lo que la calidad de servicio GPRS se ve reducida. La mayor parte de móviles GPRS son de clase B. -Clase C. Pueden conectarse tanto a servicios GPRS como GSM, pero el usuario debe seleccionar entre uno y otro.

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2.2.3 Contexto de Protocolo de Paquete de Datos (PDP) PDP (por ejemplo IP, X.25, Frame Relay) es una estructura de datos existente tanto en nodo GGSN como en nodo SGSN, que contiene información del abonado mientras permanece una conexión activa. Contiene la dirección IP asignada a la MS, nivel de calidad de servicio (QoS) y dirección del GGSN, que es la puerta de enlace de la red de datos. Esta información mencionada consta de: -Dirección PDP (IPv4, IPv6, X.25). -Dirección del GGSN (APN, Nombre del Punto de Acceso) -Calidad de Servicio (QoS) solicitada.

2.2.4 Enrutamiento de Datos El GGSN actúa como puerta de enlace entre la red GPRS y redes externas de conmutación de paquetes. Se distinguen tres tipos de enrutamientos: -Mensajes generados en la MS (estación móvil). -Mensajes generados en la red cuando la MS está en la red local. -Mensajes generados en la red cuando la MS se encuentra en una red GPRS de otro operador.

2.2.5 Transferencia de Datos Cuando una estación móvil se ha registrado a un SGSN y ha activado un contexto PDP, se puede iniciar el proceso de transferencia de datos con otros terminales. Esta información puede ser enviada desde la MS o hacia la MS. -Transferencia de datos desde la MS: La MS envía información hacia las redes de paquetes de datos externas, generando paquetes IPs con una dirección origen, una dirección destino y los datos a transferir. Para esto se crea un enlace lógico entre la MS y el SGSN, el cual a su vez envía la información al GGSN para finalmente enrutar los paquetes de datos a su destino. -Transferencia de datos hacia la MS: Un terminal que desee enviar paquetes hacia la MS sigue el proceso inverso de transmisión de datos generados desde la MS. Así, los paquetes de la red externa llegan al GGSN, el cual encapsula un paquete IP con la dirección del GGSN como dirección origen y con la dirección del SGSN como dirección destino, para finalmente enviar estos datos a la MS.

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2.2.6 Codificación Se codifican los canales de radio para prevenir posibles errores de los paquetes que se transmiten. En GPRS existen cuatro tipos de codificación que varían sus velocidades de acuerdo a la calidad del canal. -CS-1: Usa codificación convolucional con una tasa ½, dando como resultado una velocidad de la carga útil de 9,05 Kbps o 181 bits en 20 ms. -CS-2: Usa codificación convolucional con una tasa 2/3, dando como resultado una velocidad de la carga útil de 13,4 Kbps o 269 bits en 20 ms. -CS-3: Usa codificación convolucional con una tasa 3/4, dando como resultado una velocidad de la carga útil de 15,6 Kbps o 312 bits en 20 ms. -CS-4: Este tipo de codificación se usa solo cuando la relación señal a ruido(S/R) es óptima, en esta codificación no se usa la relación 1/1. CS-4 da como resultado una velocidad de la carga útil de 21,4 Kbps o 428 bits en 20 ms. La siguiente tabla muestra la velocidad por slot en función del esquema de codificación:

Método de codificación CS-1 CS-2 CS-3 CS-4

Rendimiento (Kbps) 9.05 13.4 15.6 21.4

Protección Normal (señalización) Ligeramente menor Reducida Sin error de conexión

2.2.7 Clases Multislots GPRS Dentro de cada portadora se multiplexan en el tiempo 8 ranuras o slots, formando una trama TDMA. La velocidad de transmisión en GPRS va en función del número de slots temporales TDMA asignados. Este número dependerá tanto de la estación a la cual nos conectemos como de la capacidad de nuestro dispositivo GPRS.

Multislot Class 1 2 3 4 5 6 7 8

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Downlink Slots 1 2 2 3 2 3 3 4

Uplink Slots 1 1 2 1 2 2 3 1

Active Slots 2 3 3 4 4 4 4 5 Alfonso Grande Navarro

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9 10 11 12

3 3 4 4

2 2 3 4

5 5 5 5

La transmisión puede ser asimétrica entre el enlace ascendente y descendente y además estas se gestionan de forma independiente. El modo de transmisión está adaptado al tiempo de navegación. Un terminal GPRS 4+1 tendrá cuatro veces mayor capacidad de transmisión de bajada que de subida. Por último, una pequeña tabla comparativa entre las velocidades de la comunicación mediante CSD (conmutación de circuitos) y mediante GPRS, con las clases comúnmente más utilizadas, clase 8 y 10.

Tecnología Download (Kbps) Upload (Kbps) Configuración CSD 9.6 9.6 1+1 GPRS (Clase8 y 10 80.0 20.0 4+1 con CS-4) GPRS (Clase 10 60.0 40.0 3+2 con CS-4)

2.2.8 Servicios y aplicaciones de GPRS El conjunto de servicios soportados por GPRS se corresponde con los servicios de datos en modo paquete. Por su importancia en la sociedad actual, destacan los servicios basados sobre protocolo IP (Internet). Principalmente, los servicios ofrecidos destacan por: -Movilidad -Tiempo bajo de establecimiento -Always-on: Servicio que permite al dispositivo móvil estar siempre conectado a Internet o a una red en particular. - Facturación en base a tráfico cursado - Nº de Time Slots asignados según servicio Dentro de las aplicaciones que ofrece el servicio GPRS están las aplicaciones que en GSM son imposibles por sus limitaciones de velocidad y longitud de mensajes, como pueden ser: e-mail, servicios de chat, información visual y textual, SMS optimizado, envío de MMS, navegación web, etc.

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Proyecto Final de Carrera En definitiva, servicio GPRS está dirigido a aplicaciones que tienen las siguientes características: -Transmisión poco frecuente de pequeñas o grandes cantidades de datos (por ejemplo, aplicaciones interactivas). -Transmisión intermitente de tráfico de datos “bursty” (por ejemplo, aplicaciones en las que el tiempo medio entre dos transacciones consecutivas es de duración superior a la duración media de una única transacción.) A continuación, hacemos un especial interés en el servicio MMS (sistema de mensajería multimedia) en GPRS. Para proporcionar este servicio, la red GPRS se facilita del MMSC (Centro de servicio de mensajes multimedia), que es similar en función a un centro de mensajes cortos SMSC. El límite de cada mensaje multimedia suele ser de 100 o 300 KB, dependiendo de cada terminal móvil, si bien ese límite lo definen el operador o las características del terminal y no el protocolo. El transporte de los MMS entre el usuario y el MMSC se realiza mediante una conexión WAP GPRS. Así, normalmente los operadores especifican un perfil WAP gratuito para transportar los MMS. La tarificación la realiza el MMSC y no se hace en la red núcleo de GPRS.

2.2.8 Resumen GPRS El protocolo GPRS es un protocolo de nivel tres, transparente para todas las entidades de red comprendidas entre el terminal móvil MT y el nodo GSN al que el Hilo está, lógicamente, conectado; las entidades entre las que se establece una conexión a este nivel están, de hecho, localizadas en el terminal móvil MT y en el nodo GSN. Este protocolo soporta tanto el intercambio de informaciones de control como de paquetes PDP-PDU (Packet Data Protocol - Protocol Data Unit) entre el móvil y el nodo al que éste está conectado (los PDP-PDU son, de hecho, encapsulados en las tramas GPRS). El formato de una trama GPRS prevé los siguientes campos: identificador del protocolo GPRS, identificador del protocolo de los PDU (identificador de PDP) y mensaje GPRS. El identificador del protocolo GPRS es una información numérica cuyo objetivo es el de distinguir las ráfagas que contienen paquetes GPRS, de las ráfagas que contienen informaciones GSM. El identificador del protocolo de los PDU encapsulados en las tramas GPRS es necesario para direccionar éstos en cuanto son desencapsulados, hacia el correcto SAP (Service Access Point), para distinguir entre paquetes X25, paquetes IP, ect. Las tramas GPRS son utilizadas tanto para el transporte de mensaje de control como para el transporte de paquetes de datos, por lo tanto, se hace necesario el uso de un indicador

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Proyecto Final de Carrera que permita distinguir a cuál de las dos categorías posibles pertenece el mensaje GPRS. Los mensajes GPRS de control son definidos por un valor preestablecido del identificador de PDP. En GPRS, en un servicio punto a punto orientado a conexión 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 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.

2.3 Comandos AT 2.3.1 Introducción. Para hacer uso de los servicios que ofrecen las tecnologías (GSM/GPRS) existe un lenguaje que permite controlar el modem. Este lenguaje se conoce como comandos AT o comandos Hayes, definidos en el estándar ETSI GSM 07.07. En las especificaciones, se divide el MT en adaptador de terminal (TA) y equipo móvil (ME). El TA es el elemento del MT que recibe e interpreta los comando AT y el ME es la parte que se conecta a la red.

Figura 5: Resumen comunicaciones

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2.3.2 Protocolo de funcionamiento En este apartado se explica cómo funciona el intercambio de mensajes entre los dispositivos que se quieren comunicar. El modulo se activa por medio de la recepción de instrucciones AT, cuyo valor subsiguiente modifica la ejecución del as mismas. Los mensajes enviados por el DCE proporcionan información sobre la ejecución de las instrucciones. La comunicación casi siempre la inicia el DTE, lo que significa que la petición de todos los servicios debe realizarlas el terminal mediante el envío de comandos AT. Cada comando deber ser respondido con un “código de resultados”, que será enviado por el modulo al DTE. Los mensajes “indicador” son enviados asíncronamente y son generados debido a que algunos comandos inician un modo en el que se generan eventos específicos en el DCE. Algunos comandos pueden incluir varias peticiones “respuesta”, para enviar datos desde el modulo hacia el terminal. El DCE también puede repetir los comandos recibidos y enviarlos de vuelta hacia el DTE.

Figura 6: Protocolo de comandos AT

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2.3.3 Línea de comandos AT Cada línea de instrucción debe iniciar con el código de atención “AT”, y a continuación se escribe la instrucción que el DCE debe interpretar. Tanto el código de atención como los comandos pueden ser introducidos en mayúsculas o minúsculas. Además, en cada línea de instrucción se pueden concatenar varios comandos, uno detrás del otro sin necesidad de usar separadores, siempre que se trate de comandos básicos, pero es necesario escribir punto y coma entre dos comandos, si estos son extendidos. Los comandos extendidos son los que tienen el prefijo “+”. La longitud máxima de una línea de instrucciones es de 391 caracteres y viene determinada por la capacidad de memoria intermedia. Si se sobrepasa este número, no se ejecutara ninguno de los comandos de la línea y el TA devolverá un mensaje de error. Para poder ejecutar una línea de comandos, se debe añadir al final de la misma los caracteres . De no ser así, la línea de comandos permanecerá almacenada en la memoria intermedia de instrucciones hasta que reciba la correspondiente secuencia o hasta que sea cancelada. Tras la recepción de el DCE ejecuta las órdenes de la línea y responde con un mensaje adecuado.

Figura 7: Estructura de una línea de comandos AT.

2.3.4 Estructura de comandos Cada comando individual está compuesto de tres partes: formato, modo y argumento. El formato indica si se trata de una comando básico, de un registro S o de un comando extendido. El modo nos informa si se trata de un comando de lectura, de escritura, de prueba o de ejecución. El argumento puede ser un parámetro o conjunto de parámetros separados por coma “,”.

Figura 8: estructura de comandos

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2.3.4.1 Formato El formato de un comando básico, excepto para los comandos D y S, es: “comando []”. El comando puede ser tanto un carácter individual como el carácter “&” seguido de un carácter individual (que será un carácter alfabético). El número representa un valor entero decimal y puede ser una cadena de uno o más caracteres de “0” a “9”. Los registros S son localizaciones de memoria en el DCE donde se almacena la configuración activa. Para modificar y comprobar determinados valores de estos registros, se emplean un grupo especial de comandos, que empiezan con la letra “S”. Estos se diferencian de otros comandos en que el número que se encuentra a continuación de la “S” indica el número de registro que está siendo referenciado. A continuación de este número puede aparecer un “=”, que se usa para darle un nuevo valor al parámetro S; o un “.”, que sirve para leer el valor actual del registro indicado. Los comandos extendidos con los que comienzan con el carácter “+”.

2.3.4.2 Modo Existen cuanto tipo de comandos AT extendidos. Los comandos de lectura, tienen la estructura “AT+COMANDO?” y retoman el valor actual de los parámetros. Para establecer los valores de los parámetros relacionados con el usuario se usan los comandos de escritura, “AT+COMANDO=”. Por su parte, los comandos de prueba, “AT+COMANDO=?”, hacen que el equipo devuelva la lista de parámetros y rangos de valores establecidos con el correspondiente comando de escritura o por procesos internos. Por último, los comandos de ejecución, “AT+COMANDO”, leen los parámetros no variables afectados por procesos internos del equipo.

2.3.4.3 Argumento Un parámetro es un valor adicional que se debe introducir junto con el comando y que puede ser tanto una constante numérica, como una secuencia de caracteres constante (debe iniciar y finalizar con comillas). El argumento de un comando AT puede ser un parámetro o un conjunto de parámetros separados por coma: ,,...,

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Proyecto Final de Carrera Si un parámetro es una cadena de caracteres debe ir entre comillas (““). Los parámetros opcionales o subparametros pueden ser omitidos a no ser que tengan otros parámetros a continuación. Un parámetro puede ser sustituido por una coma si se encuentra en medio de una cadena de caracteres.

2.3.5 Estructura de códigos de resultados Cuando el terminal emite un comando, el modulo responde con un mensaje llamado“código de resultados”, el cual proporciona información sobre el estado de ejecución de las instrucciones (es decir, el resultado del comando AT solicitado) o sobre el estado de una conexión. Estos códigos se pueden presentar tanto en formato de código numérico como en respuestas verbales.

Figura 9: Estructura código resultado

2.3.6 Estructura de respuestas e indicadores Tanto la estructura de la respuestas como la de los indicadores es muy similar a la de los comandos, pero se diferencia en que entre el formato y el argumento hay un carácter que actúa como separador, “:”.

Figura 10: Estructura de respuesta e indicadores.

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2.4 Protocolo TCP/IP y PPP La comunicación entre aplicaciones software de dos dispositivos aislados, se realiza mediante la utilización de ciertos protocolos y modelos de interconexión. Un modelo común de interconexión entre sistemas es mediante la utilización de capas predefinidas. La idea fundamental de estos modelos, es que cada capa ofrece sus servicios a la capa inmediatamente superior y utiliza los servicios aportados por las capas inferiores. Existen varios modelos de capas, como por ejemplo el modelo OSI (Open System Interconnection) que define 7 capas. En nuestro caso, se utilizara una comunicación a través de Internet, que es un modelo de capas denominado TCP/IP, y que a continuación se detalla.

2.4.1 Protocolo punto a punto (PPP) PPP (Point-to-point Protocol) es un protocolo de nivel de enlace estandarizado en el documento RFC 1661. Se trata de un protocolo asociado a la pila TCP/IP que se utiliza para establecer la conexión a Internet de un dispositivo con su ISP (proveedor de servicio Internet). Proporciona un método estándar para el transporte de datagramas multiprotocolo sobre enlaces punto a punto. Sus tres principales características son: 1. Es un método para encapsular datagramas multiprotocolo, es decir, permite multiplexación de diferentes protocolos de red de forma simultánea por el mismo enlace. 2. Permite un Protocolo de Control de Enlace (LCP) para establecer, configurar, probar la conexión de enlace de datos, desconexión del enlace cuando ya no es necesario y detección de errores en la configuración. Otra de las funciones del LCP es el proceso de autenticación en el enlace. 3. Proporciona una familia de Protocolos de Control de Red (NCP) para establecer y configurar los diferentes parámetros de la capa de red con independencia del protocolo de red utilizado (un NCP para cada protocolo). Una de las funciones de estos protocolos es, por ejemplo, la gestión y asignación de direcciones IP. El NCP del TCP/IP es el IPCP (Internet Protocol Control Protocol).

Protocolo

Datagrama IP

Protocolo: Identificador del protocolo IP encapsulado

Figura 11: Trama PPP

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2.4.2 Pila de protocolos TCP/IP Las siglas TCP/IP se refieren a un conjunto de protocolos para comunicaciones de datos. Este conjunto toma su nombre de dos de sus protocolos más importantes, el protocolo TCP (Transmission Control Protocol) y el protocolo IP (Internet Protocol). Desde el punto de visto de un modelo estructurado mediante capas, consta de 4 capas software (aplicación, transporte, internet y acceso a red) más una capa física. En cada una de estas capas hay variedad de protocolos que se pueden utilizar en una comunicación a través de Internet. En nuestro caso, la comunicación entre el DCE y GGSN a través de TCP/IP, se utilizarán estos protocolos en cada capa (ver figura):

Aplicación

FTP, DNS, HTTP,…

Transporte

TCP

Internet (Red) Acceso a red (Enlace) Física

IP PPP HARDWARE

Figura 12: Modelo de capas de la pila de protocolos TCP/IP

Los datos que son enviados a la red recorren la pila del protocolo TCP/IP desde la capa más alta de aplicación hasta la más baja de acceso a red. Cuando son recibidos, recorren la pila de protocolo en el sentido contrario. Durante estos recorridos, cada capa añade o sustrae cierta información de control a los datos para garantizar su correcta transmisión. Este proceso se denomina encapsulación o desencapsulación de mensajes, según se añade o sustrae información. La información añadida en el paso descendente de capas, se denominan cabeceras, que son usadas para la gestión de los servicios que cada capa ofrece a su capa inmediatamente superior. Por ejemplo, el protocolo TCP de la capa de transporte, ofrece a la capa de aplicación, un transporte fiable de datos. La capa de red, a su vez, ofrece un encaminamiento de los datos a su destino. La información que trata la capa de transporte al añadirle la cabecera, se le denominan paquetes. De igual manera, la información que la capa de red pasa a su inferior, se le

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Proyecto Final de Carrera denominan datagramas. Y la información que se envía al medio físico es denominada trama. En nuestro caso, serán paquetes TCP, datagramas IP y tramas PPP.

2.5 Resumen de la comunicación completa del nodo en estudio A continuación, se detalla un resumen de cómo será la comunicación desde el dispositivo o nodo en estudio, hasta otro dispositivo modem o servidor conectado a la red Internet, en donde sea procesada y tratada toda la información recibida desde el nodo colocado en una situación aislada. Como ya se detalló en los primeros apartados, el nodo está formado básicamente por un microcontrolador y un modem GSM/GPRS, en cuanto a dispositivos intermediarios en la comunicación. Si representamos estos componentes mediante bloques genéricos en una comunicación, el microcontrolador actuará como un DTE (equipo terminal de datos) y el modem GSM/GPRS como un DCE (equipo terminal de circuitos de datos). En nuestro sistema, se define un DCE, ya que hay varias interfaces físicas en la comunicación. Según estas interfaces, el esquema de comunicación quedaría de esta manera:

Enlace Puerto Serie RS232

DTE Micro

DCE Modem

Enlace GPRS

GGSN

Internet

Dispositivo destino (Servidor o modem GPRS)

Nodo Inalámbrico

Figura 13: Esquema de comunicación Nodo inalámbrico - Servidor

La comunicación entre el DTE y el DCE será mediante comandos AT. Físicamente, la conexión es un enlace serie RS232 entre la UART del microcontrolador con la UART del modem GSM/GPRS. Por otro lado, el modem GSM/GPRS puede comunicarse a Internet usando una conexión TCP/IP a través de enlace inalámbrico.

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Proyecto Final de Carrera En la siguiente figura, podemos ver la torre de protocolos, en cuanto al modem GSM/GPRS. Tiene dos interfaces físicas, por un lado una interfaz serie RS232 y por otro lado una interfaz inalámbrica GSM/GPRS.

TCP IP Comandos AT PPP RED GPRS

RS232

Figura 14: Torre de protocolos de comunicación en modem GSM/GPRS

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3. Descripción Hardware utilizado.

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3.1 Módulo GSM/GPRS Hilo Sagem. En este apartado se describen las características hardware del modulo HiloNC de Sagem y su interfaz de conexión a un TE.

3.1.1 Introducción. El HiloNC es el modulo GSM/GPRS de cuatro bandas más pequeño del mercado. Está orientado a aplicaciones M2M (Machine-to-Machine), incluyendo automóvil, gestión de medidas automática, sistema de seguimiento, alarmas, seguridad, etc. Además de su reducido tamaño y coste, tiene un conjunto completo de servicios GSM/GPRS. El dispositivo incluye una pila TCP/IP embebida. Dispone de comandos AT especialmente mejorados para que un microprocesador se pueda comunicar con el HiloNC. La comunicación entre los dos dispositivos se realiza a través del puerto serie. Las bandas de frecuencia en las que trabaja son 900/1800/1900 MHz (Europa y Asia) o 850/900/1900 MHz (América del Norte), garantizando así la operabilidad en todas las redes GSM. El módulo funciona con un consumo de corriente de