Sistemas de Telecomunicación TEMA 6 REDES CELULARES 2G - GSM

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1 Sistemas de Telecomunicación TEMA 6 REDES CELULARES 2G - GSM

2 6.0. Contenidos 6.1. Introducción Redes 1G Evolución a redes 2G 6.2. Sistema Global para comunicaciones Móviles (GSM) Introducción a GSM Servicios Arquitectura Interfaz radio Tipos de canal Canales de tráfico GSM Canales de control GSM Ejemplo de establecimiento de llamada 6.3. Sistemas 2.5G

3 Redes 1G El primer sistema de telefonía móvil, conocido como Mobile Telephone System (MTS), fue introducido en 25 ciudades de EE.UU. en 1946 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 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 División del espacio en zonas de cobertura, permitiendo la reutilización de frecuencias Sistemas 1G

4 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 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.

5 Redes 1G Ejemplos de sistemas 1G: Advance Mobile Phone System (AMPS) en EE.UU. Dos bandas de 25 MHz (50 MHz) ubicadas en MHz y 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 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.

7 Introducción a GSM Anteriormente, se empleaban diferentes estándares 1G como solución de red móvil en Europa 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 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

8 Servicios Los servicios disponibles para el usuario pueden dividirse en tres categorías: Servicios de telefonía Servicios de datos Servicios suplementarios a RDSI: grupos de usuarios, identificación de llamadas, short messaging service (SMS) 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 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 Encriptación de datos

9 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.

10 Arquitectura

11 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.

12 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)

13 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.

14 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

15 Interfaz radio Dos bandas de 25 MHz cada una para la red GSM: MS BTS (Reverse link o uplink): MHz BTS MS (Forward link o sownlink): 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

16 Interfaz radio TDMA para gestionar el acceso al medio de los múltiples usuarios: Cada ARFCN se divide en 8 slots de tiempo (TS) Cada usuario ocupa un único TS en un ARFCN determinado La capacidad de cada ARFCN es de Kbps mediante modulación GMSK (BT = 0.3) μs/bit Capacidad efectiva del canal para cada usuario: kbps/8 usuarios = kbps Incluyendo datos de cabecera: 24.7 kbps por usuario Cada TS tiene una duración de μs ( bits) 8.25 bits de guarda 3 bits de comienzo + 3 bits de final La trama completa (incluyendo los 8 TS) tiene una duración de ms

17 Interfaz radio

18 Interfaz radio Parámetro Banda reverse Banda forward Espaciado frecuencial entre Tx y Rx Espaciado temporal entre Tx y Rx Tasa de datos Duración de la trama Usuarios por trama Duración del slot Periodo de bit Modulación Anchura de ARFCN Especificación MHz MHz 45 MHz 3 TS kbps ms μs μs 0.3 GMSK 200 KHz

19 Interfaz radio Cuestión: Cuántos canales ARFCN (usuarios) soportaría una red GSM?

20 Interfaz radio Solución: Cada banda tiene 25 MHz Cada subcanal tiene un ancho de 200 KHz Número de subcanales en cada banda: 25 MHz / 200 KHz = 125 subcanales 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 Se implementan 124 canales

21 Interfaz radio La combinación de un TS y un ARFCN constituye un canal físico de comunicación: El canal reverse de MS BTS está distanciado 3 TS del canal forward de BTS MS Cada canal puede emplearse: Trafico de usuario Señalización Información de control GSM define una amplia variedad de canales con diferentes usos

22 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

23 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 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

24 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 en el TS0 de determinados ARFCN La secuencia de 51 TS0 consecutivos 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

25 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 BTS

26 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.

27 Canales de control

28 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 MS y MS 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)

29 Ejemplo de establecimiento de llamada 1. (BTS MS) El MS monitoriza el BCH: recepción de los canales FCCH, SCH y BCCH para engancharse a una BTS. 2. (MS 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 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 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 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 BTS) La MS ya puede tx los datos de voz a través del canal de tráfico y se deja libre el canal SDCCH

30 6.3. Sistemas 2.5G Desarrollo de las redes móviles 2G desde los años 90 Antes de la expansión en el uso de Internet Las tecnologías 2G como GSM se basan en conmutación de circuitos 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) 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, , 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

31 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 s). 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 Menor cobertura que HSCSD y GPRS

32 6.3. Sistemas 2.5G

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