Comunicaciones Móviles. El sistema GSM. Carlos Crespo Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones ccrespo@us.es

Transcripción

1 Comunicaciones Móviles Tema 6 El sistema GSM Carlos Crespo Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones 19/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 1 El sistema GSM 1. Estructura de la red GSM 2. Interfaz radio de GSM 3. Procedimientos en la interfaz radio 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 2 2

2 Estructura de la red GSM PSTN? Cómo acceder a la red Cómo iniciar la comunicación Cómo encaminar la llamada Cómo se transmite el mensaje 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 3 3 Estructura de la red GSM CC PSTN CC SIG BA MT SIG BA SIG BA: Bucle de Abonado MT: Medio de Transmisión CC: Centro de Conmutación SIG: Señalización 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 4 4

3 Estructura de la red GSM PLMN Movilidad!? Cómo localizar al móvil Cómo se le avisa que tiene una llamada Cómo se hace posible la comunicación mientras el móvil se desplaza Cómo accede el móvil a la red desde cualquier punto Cómo se evitan fraudes 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 5 5 Estructura de la red GSM PLMN Funciones: Registro (Register) Localización (Location) Itinerancia (Roaming) Aviso (Paging) Traspaso (Handover) Seguridad BTS BTS BTS 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 6 6

4 Estructura de la red GSM HLR HLR Cuáles son los elementos que componen una red GSM Cómo están interconectados Qué funciones realizan BSC VLR VLR Cómo se conecta la red GSM con una red exterior BTS 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 7 7 Estructura de la red GSM U m BTS GMSC PSTN ISDN A bis BSC A HLR VLR AUC EIR Sistema de la Estación Base : BSS Terminal Móvil : MS Suscriber Identity Module : SIM Centro de Conmutación del Servicio Móvil : GMSC 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 8 8

5 Estructura de la red GSM AREA DE SERVICIO de la PLMN AREA DE LOCALIZACIÓN 1 MSC atiende varias LAs AREA DE SERVICIO de la MSC CELDA Área atendida por una BTS 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 9 9 Estructura de la red GSM LA1 LA2 LA3 MSC VLR LA4 LA5 LA6 Identificación de área y celda: MCC, MNC, LAC y CI 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 10 10

6 Módulo de Identidad de Abonado: SIM Tarjeta que se conecta en el terminal móvil Contiene información exclusiva del abonado IMSI, Clave de autenticación (Ki), PIN Listas de redes permitidas Almacena información de la última localización Almacena información del usuario Agenda de números Parámetros actualizables TMSI, clave de cifrado Kc, Identidad LAI 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Terminal de Abonado Móvil: MS Es la parte mejor conocida de la red celular Contiene al SIM Potencias de 0.25 W hasta 2 W En su inicio se usaron equipos fijados en automóviles con potencias de hasta 8 W 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 12 12

7 Estación Base del Transceptor: BTS Está localizada en el centro de la célula BTS Sirve de interfaz entre la MS y la red Su potencia determina la dimensión de la célula Hasta 20 W (0.16 W en micro-bts) Puede tener de 1 a 16 Transceptores de 1 a 16 radiocanales 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Controlador de la Estación Base: BSC BSC Monitora y controla varias BS (10-100) Administra las frecuencias y controla la conmutación Situado en la misma BTS, en su propio sitio o en el sitio del MSC Junto con la BTS forma el BSS 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 14 14

8 Centro de Conmutación del Servicio Móvil: MSC MSC Interfaz entre la red de telefonía celular y otras redes fijas Es una central de conmutación con registros propios Una o más son de cabecera (GMSC) que tienen asociado un HLR Encamina las llamadas hacia/desde las MS 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Registro de Abonados Locales: HLR HLR Almacena la identidad y los datos de los abonados del área de la GMSC IMSI, No. de Teléfono (tabla MSISDN = IMSI), clave de autenticación, servicios permitidos Almacena datos temporales Dirección de la VLR temporalmente visitada, número de redirección de llamada (si procede), parámetros actualizables para autenticación y cifrado. IMSI: MCC (3 díg.), MNC (2 díg.), MSIC (hasta 10 díg.) 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 16 16

9 Registro de Abonados Visitantes: VLR VLR Registra los datos permanentes de los móviles que están de visita en el área de la GMSC Almacena también datos temporales TMSI No. de encaminamiento de una llamada MSRN Zona de localización donde está registrado el móvil Apoya al GMSC durante el establecimiento de una llamada Proporciona la información cuando la llamada se origina en un móvil 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Centro de Autenticación: AUC AUC Asociado al HLR Le proporciona los parámetros necesarios para la autenticación de la MS Conoce el algoritmo que debe usar cada abonado y que almacena en su SIM 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 18 18

10 /26 µs 147 bits Registro de Identidad del Equipo: EIR EIR Contiene los números de serie de los equipos robados o con defecto inaceptable por la red El IMEI contiene el no. de serie del equipo, el fabricante, el país de producción y el tipo de permiso El operador puede prohibir el acceso a un móvil que genera emisiones no deseadas y perturba al sistema o a otros servicios 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Características del Interfaz Radio Cómo atiende una sola BS a varias MS Es necesario sincronizar Por qué canal van las señales de control Por qué canal va el tráfico de datos entre abonados Nivel (db) t (µs) 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 20 20

11 Características del Interfaz Radio RECEPCION 8x0.577 ms TRANSMISION 3xBP La no coincidencia de Transmisión y Recepción permite prescindir del filtro duplexor 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Características del Interfaz Radio BTS Trama TDMA 8 intervalos de tiempo en un radiocanal de 0.2 MHz 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 22 22

12 Características del Interfaz Radio BTS 1 3 El móvil más alejado debe adelantar su transmisión para compensar el retardo! R=35 km t=233 µs 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Características del Interfaz Radio Ventana de la ráfaga GSM: Nivel (db) bits de datos /26 µs 147 bits t (µs) 3 T 57 DATOS 1 26 SEC. ENTREN DATOS 3 T 8 25 GP 148 bits 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 24 24

13 Canales Lógicos CANALES DE TRÁFICO TCH CANALES DE CONTROL CANALES DE DIFUSIÓN: BCH FCCH SCH BCCH CANALES COMUNES: CCCH RACH PCH AGCH CANALES DEDICADOS: SADCCH CANALES ASOCIADOS SACCH FACCH 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Canales de Control: Canales de Difusión FCCH: Canal de Corrección de Frecuencia (Frequency correction Channel): Indica a la MS la frecuencia de referencia del sistema SCH: Canal de Sincronización (Synchronization Channel): Suministra a las MS las claves para demodular correctamente la información BCCH: Canal de Difusión (Broadcast Control Channel): Transmite a todas las MS los parámetros necesarios para identificar la red y conseguir el acceso a la misma 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 26 26

14 Canales de Control: Canales Comunes PCH: Canal de Búsqueda (Paging Channel): Se destina para que la BTS avise a sus MS cuando tienen una llamada. RACH: Canal de Acceso Aleatorio (Random Access Channel): Lo utiliza la MS para solicitar que se le asigne un canal dedicado. AGCH: Canal de Concesión de Acceso (Access Grant Channel): Lo utiliza la BTS para responder a un mensaje RACH. 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Canales de Control: Canales Dedicados SDCCH: Canal de Control Dedicado Autónomo (Standalone Dedicated Control Channel): Canal provisional entre BCH y TCH Se utiliza para: Autenticación Transferencia de otros datos previos al establecimiento de una llamada. 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 28 28

15 Canales de Control: Canales Asociados SACCH: Canal de Control Asociado Lento (Slow Associated Control Channel): Va asociado a un canal de tráfico o a un canal dedicado y se utiliza para el intercambio de información recurrente, no urgente, durante la llamada. FACCH: Canal de Control Asociado Rápido (Fast Associated Control Channel): Va asociado a un canal de tráfico y se emplea para el intercambio de información urgente de llamada. 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Canales de Tráfico TCH/FS: Canal de Tráfico de voz a tasa máxima (Traffic Channel/Full-rate Speech): Es el canal utilizado para transmitir la señal de voz. La tasa neta de transmisión de este canal es de 13 kbps. TCH/HS: Canal de Tráfico de voz a mitad de tasa (Traffic Channel/Half-rate Speech): Ocupa la mitad de un canal TCH/FS. BTS TCH/F9.6/4.8/2.4: Canal de Tráfico de Datos (Traffic Channel/Full-rate Data): Se usa para transmisión de datos a tasas de 9.4/4.8/2.4 kbps. TCH/H4.8/2.4: Canal de Tráfico de Datos a mitad de tasa (Traffic Channel/Half-rate Data) Se usa para transmisión de datos a mitad de tasa del TCH. 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 30 30

16 Multitramas Las tramas se agrupan en estructuras jerárquicas de nivel superior llamadas multitramas. Hay dos clases de multitramas: Multitrama de 26 tramas: MF26 Se utiliza exclusivamente para canales de tráfico y canales de control asociados. Multitrama de 51 tramas: MF51 Se utiliza para canales comunes, de difusión, de control dedicados y los canales asociados a los SDCCH. 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Multitrama GSM: MF26 (combinaciones I-III) TCH/FS SACCH Medida de nivel recibido 120 ms ms/26 = 8x15/26 ms 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 32 32

17 Multitrama GSM: MF51 (combinaciones IV-VII) FCCH BCCH IV SCH CCCH (PCH+AGCH) RACH (CCCH) 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Multitrama GSM: MF51 BCCH + CCCH (downlink) IV BCCH + CCCH (uplink) 8 SDCCH / 8 (downlink) 8 SDCCH / 8 (uplink) BCCH + CCCH + 4 SDCCH / 4 (downlink) V BCCH + CCCH + 4 SDCCH / 4 (uplink) 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 34 34

18 Multitrama GSM: MF Hipertrama: 3 h 28 min 53,76 s Supertrama: 6,12 s Multitrama de 26 tramas = 120 ms SA ID Multitrama de 51 tramas 4,615 ms ,577 ms 3 T 57 DATOS 1 26 SEC. ENTRE DATOS 3 T 8 25 GP 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Realizando una llamada telefónica Encendido del Teléfono Móvil Busca los canales de difusión, BCH Se sintoniza en frecuencia y se sincroniza en tiempo Decodifica los canales BCCH Se comprueba si el SIM es válido en la red Se actualiza la localización Se autentica 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 36 36

19 Realizando una llamada telefónica Llamada originada en el Móvil El móvil envía un RACH Se envía la asignación de canal en el AGCH (BCH) El móvil y la BTS se comunican en el SDCCH La MS se autentica Se asigna un TCH al móvil Se abre el canal de comunicación entre abonados: 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Interfaz Radio Tasa de transmisión en RF = kbps Cómo se procesa la voz en la MS Cómo se protege contra el canal Cómo se acomodan los datos en la ráfaga BPF A D 50 bits 132 bits 78 bits CODIF. DE VOZ Clase I Protección Clase II Sin protección CODIF DE CANAL Período de bit = µs 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 38 38

20 Frecuencia, GHZ Interfaz Radio TCH/FS SACCH Medida de nivel recibido 120 ms ms/26 = 8x15/26 ms Intervalo de tiempo: 120 ms /(26 x 8) = 15/26 ms = ms Capacidad de la MF26: 114 b /(8x(15/26) ms) = 24.7 kbps Capacidad del TCH/FS = 24.7 kbps x 24/26 = 22.8 kbps Capacidad del SACCH = 24.7 kbps x 1/26 = 0.95 kbps No. de bits en cada ráfaga = 148 b b de guarda = bits Tasa de transmisión en RF = bits / (15/26 ms) = kbps Período de bit = 15/(26 x ) ms = µs 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Procedimientos en el Interfaz Radio Nivel de señal recibida, dbm Cómo se sincronizan las MS Cómo descifran los mensajes de la BS Cómo se actualiza la localización Cómo se establece una llamada 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 40 40

21 Procedimientos en el Interfaz Radio Nivel de señal recibida, dbm Frecuencia, GHZ 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Procedimientos en el Interfaz Radio Procedimiento forzado por la red: Para evitar tráfico innecesario a MS apagadas Motivado por un cambio de área de localización: Si la MS se enciende en un área de localización diferente a la grabada en su SIM o entra en una nueva área, informa a la red de su nueva ubicación 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 42 42

22 Procedimientos en el Interfaz Radio RACH Solicitud de un canal AGCH Concesión de un canal dedicado SDCCH Solicitud de actualización de la localización 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Procedimientos en el Interfaz Radio SDCCH SDCCH La red solicita autenticación Respuesta de autenticación La red comprueba la firma Solicitud de transmisión en modo cifrado Aceptación del modo cifrado (utilizando el cifrado) SDCCH Asignación de la nueva área de localización y del nuevo TMSI en VLR y HLR 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 44 44

23 Procedimientos en el Interfaz Radio SDCCH Aceptación de la nueva localización y de la nueva TMSI SDCCH La red libera el canal dedicado 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Procedimientos en el Interfaz Radio 3) MSISDN HLR 5) MSRN GMSC 2) MSISDN PSTN 1) MSISDN 10) TMSI/IMSI 4) MSRN PCH 6) MSRN 7) LA? VLR 8) LA MSC LA 9) TMSI/IMSI 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 46 46

24 Procedimientos en el Interfaz Radio PCH Aviso a la MS RACH Solicitud de un canal AGCH Concesión de un canal dedicado 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Procedimientos en el Interfaz Radio SDCCH Solicitud de actualización de la localización La red solicita autenticación SDCCH SDCCH Respuesta de autenticación La red comprueba la firma Solicitud de transmisión en modo cifrado Aceptación del modo cifrado (utilizando el cifrado) 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 48 48

25 Procedimientos en el Interfaz Radio Mensaje de establecimiento de la llamada entrante SDCCH Confirmación Asignación de un canal rápido asociado al canal de Tráfico SDCCH Aceptación del canal FACCH FACCH La MS acepta la llamada (los abonados escuchan el timbre) 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT Procedimientos en el Interfaz Radio Mensaje de conexión cuando el abonado móvil acepta la llamada FACCH Aceptación del mensaje de conexión TCH+SACCH Transmisión de los mensajes de voz (o datos) entre abonados 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 50 50

26 Frecuencia, GHZ Procedimientos en el Interfaz Radio BTS1 BTS2 TCH+SACCH FACCH TCH+SACCH Handover 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT El Sistema GSM HLR VLR HLR GMSC Handover VLR PCH MSC Nivel de señal recibida, dbm LA 17/03/ /12/2006 Carlos Carlos Crespo Crespo RRC-4IT CM-5IT 52 52