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Sistemas de Telecomunicación TEMA 6 REDES CELULARES 2G - GSM
6.0. Contenidos
6.1. Introducción
6.1.1. Redes 1G 6.1.2. Evolución a redes 2G
6.2. Sistema Global para comunicaciones Móviles (GSM)
6.2.1. Introducción a GSM 6.2.2. Servicios 6.2.3. Arquitectura 6.2.4. Interfaz radio 6.2.5. Tipos de canal
6.2.5.1. Canales de tráfico GSM 6.2.5.2. Canales de control GSM
6.2.6. Ejemplo de establecimiento de llamada
6.3. Sistemas 2.5G
6.1.1. Redes 1G
El primer sistema de telefonía móvil, conocido como Mobile Telephone System (MTS), fue introducido en 25 ciudades de EE.UU. en 1946 Æ Una única estación base para dar la mayor cobertura posible (hasta 50 km)
Terminales de gran tamaño Uso ineficiente del espectro
FDMA: se asigna un canal (frecuencia) para la comunicación entre dos usuarios del sistema Canales half-duplex de 120 KHz, 60 KHz ó 30 KHz, dependiendo de la capacidad para construir filtros precisos
Conmutación manual Æ La mejora de MTS da lugar al sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System) que incluye conmutación automática
Durante los años 50 y 60 AT&T Bell Laboratories y otras compañías de telecomunicaciones desarrollaron el concepto de sistema celular Æ División del espacio en zonas de cobertura, permitiendo la reutilización de frecuencias Æ Sistemas 1G
6.1.1. Redes 1G
Las redes 1G transmiten señales analógicas:
No se encripta la información: las señales analógicas no permiten la utilización de sistemas de encriptación efectivos Æ Las señales de voz transmitidas pueden ser interceptadas así como la información de control Inferior calidad en las llamadas: las señales analógicas pueden verse afectadas por interferencias y no se emplean códigos de corrección de errores, como se hace en comunicaciones digitales, para subsanar este defecto. Uso ineficiente del espectro: en sistemas analógicos se reserva un canal para cada usuario, independientemente de si éste lo utiliza durante todo el tiempo o no. Por tanto, puede que no se esté optimizando el uso de ese recurso.
6.1.1. Redes 1G
Ejemplos de sistemas 1G:
Advance Mobile Phone System (AMPS) en EE.UU. Dos bandas de 25 MHz (50 MHz) ubicadas en 824-849 MHz y 869-894 MHz. Canales de 30 KHz y modulación FM. Sistemas con funcionamiento similar en Europa:
Total Access Communications System (TACS) en UK, Italia, España, Austria e Irlanda. Nordic Mobile Telephone (NMT) en países nórdicos. C-450 en Alemania y Portugal. Radiocom 2000 en Francia. Radio Telephone Mobile System (RTMS) en Italia
6.1.2. Evolución a redes 2G
Los sistemas 2G permiten superar los inconvenientes mencionados para las redes 1G Las redes 2G son completamente digitales (transmisión y procesado de señales digitales):
Se proporciona seguridad en las comunicaciones mediante técnicas de encriptación. Corrección de errores:
Incremento en la calidad de la comunicación. Velocidad más alta para la transmisión de datos Uso eficiente del espectro ya que se requiere menor número de retransmisiones. Se emplean técnicas de acceso al medio como TDMA o CDMA (en 1G se usaba FDMA), lo que permite un mejor aprovechamiento del espectro.
6.2.1. Introducción a GSM
Anteriormente, se empleaban diferentes estándares 1G como solución de red móvil en Europa Æ No era posible tener conectividad en todos los países con un mismo terminal de usuario
GSM se puso en marcha en Europa en 1991
GSM es un sistema digital desarrollado para servir como solución de red móvil 2G en toda Europa Æ El éxito de este estándar ha sido notable ya que ha sido adoptado en otros continentes
A finales de 1993 Australia y otros países de América del Sur y Asia adoptaron GSM
Actualmente, sigue en vigor como solución para la transmisión de voz en redes móviles de área amplia
6.2.2. Servicios
Los servicios disponibles para el usuario pueden dividirse en tres categorías:
Servicios de telefonía
Servicios de datos
Desde el punto de vista de usuario, una de las características más destacadas del sistema GSM es el módulo identificador de usuario (SIM, Subscriber Identity Module):
Dispositivo de memoria
Número de identificación de usuario
Redes y países donde el usuario posee conectividad
Claves privadas
Servicios suplementarios a RDSI: grupos de usuarios, identificación de llamadas, short messaging service (SMS)
Se emplea con un número de 4 cifras y son necesarias para que el terminal de usuario sea funcional
Otra característica relevante de GSM es la garantía de privacidad en la transmisión Æ Encriptación de datos
6.2.3. Arquitectura
El sistema GSM se compone de tres subsistemas principales conectados entre sí que interactúan entre ellos mismos y con los terminales de usuario:
Subsistema de Estación Base o Subsistema Radio (BSS, Base Station Subsystem): proporciona y gestiona los circuitos de radio entre las Estaciones Móviles (MS, Mobile Station) y el Centro de Conmutación Móvil (MSC, Mobile Switching Centre). Se compone de múltiples Controladores de Estación Base (BSC, Base Station Controllers). Subsistema de Red y Conmutación (NSS, Network and Switching Subsystem): lleva a cabo las funciones de conmutación y permite al MSC conectarse a otras redes como la RTB. Subsistema de Soporte de Funcionamiento (OSS, Operation Support Subsystem): se encarga de que la red se mantenga funcionando adecuadamente mediante el mantenimiento de la misma. Permite a los ingenieros monitorizar, diagnosticar y solventar los problemas de la red. Sólo el personal de la compañía que posee la red tiene acceso a este subsistema.
6.2.3. Arquitectura
6.2.3. Arquitectura
Las MSs se comunican con el BSS a través del aire. El BSS se compone de muchos BSCs que están conectados a un único MSC. Cada BSC controla hasta cientos de Estaciones Base (BST, Base Station Transceiver) El paso de un usuario de una BST a otra controladas por el mismo BSC se gestiona a través de éste. Interfaz de comunicación entre BTS y BSC: Abis interface
Permite que BTSs y BSCs de distintos fabricantes puedan conectarse Algunas de estas BSTs pueden estar ubicadas junto con el BSC Es posible que algunas BSTs se encuentren alejadas del BSC de forma que su conexión se realice mediante líneas de cable o con un enlace microondas.
6.2.3. Arquitectura
Interfaz de comunicación entre BSC y MSC: A interface
Un proveedor de servicios sobre GSM puede utilizar estaciones base y equipos de conmutación de diferentes fabricantes Los BSCs están físicamente conectados al MSC mediante líneas dedicadas o enlaces microondas
Funciones del NSS:
Se encarga de la conmutación de llamadas desde la red GSM hacia otras redes exteriores, y viceversa Gestiona el acceso a bases de datos de clientes:
HLR (Home Location Register)
VLR (Visitor Location Register)
AUC (Authentication Center)
6.2.3. Arquitectura
Bases de datos de clientes:
HLR (Home Location Register): información de suscripción y localización de cada usuario que reside en la misma ciudad que el MSC. Cada usuario GSM recibe un número de identificación IMSI (International Mobile Subscriber Identity). VLR (Visitor Location Register): almacena temporalmente el IMSI e información de cliente para cada usuario que visita el área de cobertura de un MSC diferente al suyo. AUC (Authentication Center): base de datos altamente protegida que almacena una copia de las claves de autenticación y encriptación de cada usuario en el HLR y el VLR.
6.2.3. Arquitectura
El OSS engloba a uno o varios Centros de Mantenimiento del Funcionamiento (OMC, Operation Maintenance Center) que monitorizan el rendimiento de los MSs, BTSs, BSCs y MSCs dentro del sistema GSM.
Posee tres funciones principales:
Mantenimiento del hardware de red
Facturación
Gestión de los equipos móviles del sistema
Dentro de un sistema GSM existe un OMC para cada una de estas tareas
6.2.4. Interfaz radio
Dos bandas de 25 MHz cada una para la red GSM:
MS Æ BTS (Reverse link o uplink): 890 – 915 MHz BTS Æ MS (Forward link o sownlink): 935 – 960 MHz
Las bandas “forward” y “reverse” se subdividen en subcanales de 200 KHz de ancho denominados ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Numbers) Cada ARFCN viene dado por un par de subcanales (forward y reverse) separados 45 MHz
6.2.4. Interfaz radio
TDMA para gestionar el acceso al medio de los múltiples usuarios:
La capacidad de cada ARFCN es de 270.833 Kbps mediante modulación GMSK (BT = 0.3) Æ 3.692 μs/bit
Capacidad efectiva del canal para cada usuario: 270.833 kbps/8 usuarios = 33.854 kbps Incluyendo datos de cabecera: 24.7 kbps por usuario
Cada TS tiene una duración de 576.92 μs (156.25 bits)
Cada ARFCN se divide en 8 slots de tiempo (TS) Cada usuario ocupa un único TS en un ARFCN determinado
8.25 bits de guarda 3 bits de comienzo + 3 bits de final
La trama completa (incluyendo los 8 TS) tiene una duración de 4.615 ms
6.2.4. Interfaz radio
6.2.4. Interfaz radio Parámetro
Especificación
Banda “reverse”
890 – 915 MHz
Banda “forward”
935 – 960 MHz
Espaciado frecuencial entre Tx y Rx
45 MHz
Espaciado temporal entre Tx y Rx
3 TS
Tasa de datos
270.833 kbps
Duración de la trama
4.615 ms
Usuarios por trama
8
Duración del slot
576.9 μs
Periodo de bit
3.692 μs
Modulación
0.3 GMSK
Anchura de ARFCN
200 KHz
6.2.4. Interfaz radio
Cuestión: ¿Cuántos canales ARFCN (usuarios) soportaría una red GSM?
6.2.4. Interfaz radio
Solución:
Cada banda tiene 25 MHz
Cada subcanal tiene un ancho de 200 KHz
Número de subcanales en 25 MHz / 200 KHz = 125 subcanales
cada
banda:
Cada subcanal se divide en 8 TSs (TDMA): 125 subcanales x 8 TSs = 1000 ARFCN
En la práctica, se dejan 100 KHz de guarda en cada uno de los extremos de las bandas Æ Se implementan 124 canales
6.2.4. Interfaz radio
La combinación de un TS y un ARFCN constituye un canal físico de comunicación:
Cada canal puede emplearse:
El canal “reverse” de MS Æ BTS está distanciado 3 TS del canal “forward” de BTS Æ MS
Trafico de usuario Señalización Información de control
GSM define una amplia variedad de canales con diferentes usos
6.2.5. Tipos de canal
Existen dos tipos de canales:
Canales de tráfico. Transportan datos de usuario encriptados y poseen funciones similares en ambos sentidos. Canales de control. Transportan datos de señalización y sincronización entre la BTS y los MSs. Algunos tipos de canales de control se definen únicamente en uno de los sentidos. Hay múltiples tipos de canales de control en GSM
6.2.5.1. Canales de tráfico
Los canales de tráfico pueden operar:
Full-rate. Los datos de un usuario se tx en un slot dado durante tramas consecutivas. Half-rate. Los datos de usuario se tx en un slot dado durante tramas alternativas Æ Dos usuarios comparten un mismo slot
Multitrama: formada por 26 tramas (8 slots cada una):
La trama 13 contiene información de control (SACCH, slow associated control channel data) La trama 26 es SACCH o vacía, e indica si los canales soportados son full-rate o half-rate
6.2.5.2. Canales de control
Tres tipos de canales de control:
Canal de difusión (BCH, Broadcast channel)
Canal de control común (CCCH, Common control channel)
Canal de control dedicado (DCCH, Dedicated control channel)
Los canales BCH y CCCH que se tx en sentido forward Æ en el TS0 de determinados ARFCN
La secuencia de 51 TS0 consecutivos Æ Multitrama de control
Parte de los TS0 de la mutitrama son de tipo BCH
Otros TS0 de la multitrama son de tipo CCCH
El último slot de la multitrama está vacío
6.2.5.2. Canales de control
Canales de difusión (BCH)
Sólo en la banda “forward” y en ARFCNs específicos
Ocupan el TS0 de ciertas tramas
Proporciona sincronización para todos los MSs dentro de la celda y es monitorizado por las MSs de celdas vecinas El resto de TSs dentro de la trama pueden ser utilizados para definir canales de tráfico (datos de usuario) u otros canales de control Tipos de BCH:
Broadcast Control Channel (BCCH): identidad de la red y la celda, características de operación, lista de canales en uso Frequency Correction Channel (FCCH): permite a cada MS sincronizar su frecuencia de funcionamiento con la de la BTS Synchronization Channel (SCH): identificación de la BTS y sincronización con ésta debido a posibles retardos en el trayecto MS ÅÆ BTS
6.2.5.2. Canales de control
Canales de control comunes (CCCH)
Ocupan los TS0 de la multitrama de control que no son ocupados por los BCH Dos tipos de canales CCCH se tx en sentido forward (PCH y AGCH) y un tipo de CCCH se tx en sentido reverse (RACH) Tipos de CCCH:
Paging Channel (PCH): señal de llamada desde la BTS hasta los MSs. Tx la identidad (IMSI) del destino y una petición de ACK Random Access Channel (RACH): envío de ACK ante la recepción de señal de llamada a través de PCH. También, para el envío de señal desde la MS para originar una llamada. Se utiliza el TS0 y la gestión de acceso (múltiples usuarios) a este canal se realiza mediante ALOHA. Access Grant Channel (AGCH): la BTS indica a la MS el canal físico dedicado (ARFCN y TS) para la comunicación. Es la respuesta de la BTS al RACH enviado por la MS como solicitud de llamada o bien como ACK ante una llamada entrante. La MS deja de escuchar en el canal de control y pasa al canal asignado.
6.2.5.2. Canales de control
6.2.5.2. Canales de control
Canales de control dedicados (DCCH)
Son bidireccionales (como los canales de tráfico) y tienen el mismo formato y función en ambos sentidos Pueden establecerse en cualquier ARFCN y TS (excepto en el TS0 de los ARFCN dedicados para BCH y CCCH) Tipos de DCCH:
Stand-alone Dedicated Control Channels (SDCCHs): canal temporal para tx información de control desde que se produce la solicitud de llamada hasta que se asigna un canal de tráfico Slow Associated Control Channel (SACCH): asociado a un canal de tráfico o a un SDCCH, y utiliza el mismo canal físico que éstos. Se interrumpe la tx sistemáticamente para tx información de control en ambos sentidos (BTS Æ MS y MS Æ BTS) Fast Associated Control Channel (FACCH): asociado a un canal de tráfico al que “roba” tramas para tx mensajes urgentes (p. ej. Para realizar hand-off)
6.2.6. Ejemplo de establecimiento de llamada
1. (BTS Æ MS) El MS monitoriza el BCH: recepción de los canales FCCH, SCH y BCCH para engancharse a una BTS.
2. (MS Æ BTS) El usuario teclea el número destino y marca el botón de llamada: el MS envía información de solicitud mediante el canal RACH, usando el mismo ARFCN que la BTS a la que está enganchado
3. (BTS Æ MS) La BTS responde con un mensaje AGCH para asignar un nuevo canal SDCCH
La MS recibe el ARFCN y TS donde se establece el SDCCH. A partir de ahora, se utiliza este canal para la comunicación
4. (BTS Æ MS) La MS espera la recepción del mensaje SACCH, donde la BTS indica potencia y retardo (lo obtiene del RACH enviado por la MS)
La RTB conecta el destino con el MSC, que establece un circuito con la BTS
5. (BTS Æ MS) A través del canal SDCCH, la BTS le asigna un nuevo ARFCN y TS a la MS que será el canal de tráfico
6. (MS Æ BTS) La MS ya puede tx los datos de voz a través del canal de tráfico y se deja libre el canal SDCCH
6.3. Sistemas 2.5G
Desarrollo de las redes móviles 2G desde los años 90 Æ Antes de la expansión en el uso de Internet
Las tecnologías 2G como GSM se basan en conmutación de circuitos Æ El usuario dispone de un circuito para la tx de su información (voz o cualquier tipo de datos)
La capacidad de los canales (circuitos) fue diseñada para soportar voz (orden de 10 kbps) Æ Insuficiente para una mayor carga de datos
Tecnologías 2.5G: surgen para acomodar las redes 2G a servicios de tx de datos con mayor carga (navegación web, e-mail, comercio electrónico, etc.)
Se trata de aprovechar la infraestructura existente para 2G, de forma que sólo sea preciso actualizarla
Se han desarrollado diferentes tecnologías 2.5G en función de la red 2G existente
6.3. Sistemas 2.5G
Tres evoluciones para redes GSM:
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data): técnica de conmutación de circuitos que permite a un único usuario utilizar varios slots consecutivos en una red GSM, obteniéndose una mayor capacidad GPRS (General Packet Radio Service): se ajusta a la utilización de servicios de Internet no en tiempo real (p. ej., descargar e-mails).
Los usuarios comparten los slots Los terminales GPRS se sintonizan en canales GPRS dedicados y en slots particulares para tener acceso “constante” a la red Requiere la instalación de nuevos routers para dar acceso a Internet en las BTS
EDGE (Enhanced Data rate for GSM Evolution): introduce cambios considerables en la red GSM
Nuevo HW y SW en las BTS Nuevo tipo de modulación (8-PSK) Define 9 interfaces diferentes (multiple modulation and coding schemes) con diferentes técnicas de protección frente a errores Se “relaja” la corrección de errores Æ Menor cobertura que HSCSD y GPRS
6.3. Sistemas 2.5G