2. Detalles del estándar GSM/GPRS implicados.

Transcripción

1 2. Detalles del estándar GSM/GPRS implicados. En GSM, los canales lógicos se clasifican en canales comunes y canales dedicados. Este proyecto trata directamente con los primeros. Estos canales transmiten información de señalización común a todos los móviles que se encuentran acampados en una celda dada. Son canales punto-multipunto. Dentro de éste grupo de canales se encuentran los siguientes: BCCH, FCCH, SCH, PCH, AGCH, NCH (descendentes) y RACH (ascendente) [21]. De especial interés son, en nuestro contexto, los canales AGCH (Access Grant CHannel) y RACH (Random Access CHannel), que junto con los canales PCH y NCH forman el canal CCCH (Common Control CHannel). Además, de todas las portadoras que trasmite una celda dada, hay una de ellas que funciona como señal piloto para los móviles, utilizándose su TN (Time-slot Number) 0 físico para transmitir todos los canales comunes de señalización. Esta portadora se identifica generalmente con el nombre de uno de los canales lógicos que transmite: BCCH y se denomina portadora BCCH. Los canales FCCH y SCH se transmiten obligatoriamente en el TN 0 y sólo en él. En cambio, el canal BCCH y el resto de canales comunes pueden ocupar además del TN 0, otros TN [21]. 2.1 El canal RACH. El canal RACH es el canal lógico empleado por los móviles cuando necesitan acceder a la red. Es por tanto un canal unidireccional que se transmite en el UL. Se considera canal común ya que todos los RACH enviados por los móviles comparten el mismo canal físico (de hecho equivale a utilizar una técnica de acceso tipo ALOHA ranurado). Además, este canal utiliza ráfagas cortas de acceso, en el TN 0 de la portadora BCCH, aunque es posible utilizar, como se ha comentado anteriormente, otros TN dentro de esta portadora. En la Figura 2 se representa la estructura de la ráfaga de acceso. TB 8 41 Bits SYN 36 Bits Datos Cifrados TB 3 Figura 2: Ráfaga de acceso. GP 68,25 Como se aprecia, al inicio de la ráfaga hay 8 bits de cabecera que contienen la secuencia fija A esta secuencia le sigue una secuencia de sincronización de 41 bits, que se envía para permitir a la estación base distinguir la ráfaga de acceso del ruido aleatorio. Además, esta secuencia y la secuencia de cola inicial son más largas que en una ráfaga normal para aumentar la probabilidad de éxito de la demodulación. Hay que tener en cuenta que el receptor no conoce a priori el nivel con el que va a llegar esta ráfaga, ni el error de frecuencia, ni el momento de recepción [21]. Los siguientes 36 bits de datos contienen únicamente 8 bits de información, cuyo propósito es doble: por un lado, según la fase 2 de GSM, al menos tres de los cinco bits (Establishment Cause) indican la causa por la que se solicita el canal. Los restantes bits (Random Reference) componen una secuencia aleatoria que distinguen a esa ráfaga de 9

2 acceso (en definitiva, al terminal que la envía) de cualquier otra ráfaga de acceso que se reciba en la estación base. Valores típicos del elemento de información Establishment Cause son: Answer to paging Call re-establishment Emergency call Originating data call Originating speech call Location updating Otros, como por ejemplo IMSI detach, SMS y gestión de servicios suplementarios. Según [11], este elemento de información puede tomar los valores reflejados en la Figura 3. Por lo tanto, concluimos que será realmente el operador/fabricante el que gestione gran parte de las posibles causas de establecimiento. Figura 3: Random Reference/Establishment Cause information element [11] Finalmente, se ha previsto de un tiempo de guarda largo, con una longitud de 68,25 periodos de bit, que es suficiente para compensar los diferentes retardos de propagación entre las ráfagas emitidas por móviles próximos a la estación base y por otros más alejados debidos a un mal ajuste del timing advance. La distribución del canal RACH dentro de la multitrama depende del tipo de señalización que se utilice. Si no se combina la señalización, el canal RACH ocuparía los TN 0 de todas las tramas de la multitrama MF51 en el UL (Figura 4). Si la señalización está combinada, sólo se emplearían como canal RACH los TN 0 de 23 tramas dentro de la multitrama MF51 (Figura 6). 2.2 El canal AGCH. El canal AGCH es un canal unidireccional que tiene como misión conceder el acceso a la red a los móviles que quieren iniciar llamadas o demandar cualquier servicio de la red. Este canal utiliza ráfagas normales y se transmite en el enlace descendente. 10

3 Además, la información útil de cada bloque que se transmite ocupa 23 octetos (la trama de capa 2 de señalización tiene 23 octetos disponibles). Realmente en estos bloques se transmiten conjuntamente los canales AGCH y PCH, de modo que a veces se habla del canal AGCH/PCH. Dependiendo de la organización de los canales CCCH, hay dos posibles canales PCH/AGCH en función del número de tramas que ocupan dentro de la multitrama MF51. El que proporciona mayor capacidad de búsqueda y de acceso a la red utiliza intervalos de 36 tramas de las 51 de la multitrama (Figura 4), mientras que el que da menor capacidad únicamente ocupa 12 tramas de las 51 (Figura 5). En ambos casos, se organizan en subcanales formados por grupos de 4 intervalos en tramas consecutivas (serían así 9 y 3 grupos ó subcanales respectivamente), correspondiendo la información transmitida en cada uno de estos grupos a la de un bloque de codificación. La organización concreta de estos canales se informa previamente a los móviles en el canal BCCH. Además, en este último canal se trasmite, entre otras cosas, los parámetros que determinan el comportamiento de los móviles cuando se hallan en modo desocupado (idle). El mensaje con el que la red indica al móvil el canal que le ha asignado es el IMMEDIATE ASSIGNMENT, o IMMEDIATE ASSIGNMENT EXTENDED, cuando se utiliza el mismo mensaje para asignar canal simultáneamente a dos móviles distintos. Este mensaje contiene: La descripción del canal asignado (TN: Time slot Number, frecuencia utilizada -normal, o con salto en frecuencias-, TRX asignado, subcanal si se emplea SDCCH). El campo de información del mensaje CHANNEL REQUEST, y el número de la trama en que se recibió el mensaje CHANNEL REQUEST. El valor inicial del avance temporal (TA). En este inicio de la comunicación es una estimación inicial, poco exacta, que luego se va afinando. Opcionalmente, un indicador de tiempo de espera antes de comenzar. Si se utiliza esta opción puede especificarse únicamente el canal a utilizar después de que pase ese tiempo hasta que llegue ese momento el móvil se limitará a esperar -, o indicar el canal a utilizar antes y después de ese tiempo. A continuación se estudiarán las posibles estructuras de multitrama de señalización para tener presente las distintas posibilidades, en cuanto a temporización se refiere, que se pueden dar en un escenario real. 11

4 2.3 Multitrama de señalización [21]. Como se ha comentado, la multitrama de los canales de señalización (MF51) está formada por 51 tramas. Su duración se calcula con referencia a los 120 ms que dura la multitrama de tráfico MF26, siendo por tanto igual a 51x120/26= 235,38 ms. Esta multitrama se utiliza para canales de señalización tanto comunes como dedicados. Hay tres posibles formas de combinar los canales de señalización comunes, que se plasman en otras tres posibles estructuras de la multitrama (las dos ya comentadas y otra para transmitir canales de señalización comunes de muy alta capacidad), y, además, una forma de multiplexar los subcanales de señalización dedicados, que da la cuarta posible estructura de la multitrama de señalización. A continuación se detallan las tres primeras por su interés en este proyecto Multitrama de señalización descombinada. En este caso el TS que se utiliza en cada una de las tramas es el TN0 y, además, esta multitrama sólo está soportada por la portadora BCCH. En la Figura 4 se muestra la organización de los canales en la multitrama en los enlaces descendente (DL) y ascendente (UL). Figura 4: Multitrama de señalización descombinada. Dado que se ocupan 36 tramas de la multitrama en el canal CCCH, la velocidad de transmisión de este canal es: 114 bits codificados/trama*36 tramas CCCH/ 235,38 ms multitrama = 17,43 kbit/s. Teniendo en cuenta que realmente el canal CCCH está compuesto por 9 subcanales independientes, la velocidad de transmisión de cada uno de estos subcanales es 1,94 kbit/s. En cambio, la velocidad de información de cada uno de los mismos es: 23*8 bits/ 235,36 ms = 0,781 kbit/s Multitrama de señalización combinada. En este caso sobre el TN0 de la portadora BCCH se multiplexan los canales BCCH, FCH, SCH, CCCH y SDCCH/4. En la Figura 5 y en la Figura 6 se muestran la organización de los canales en la multitrama en los enlaces descendente (DL) y ascendente (UL) respectivamente. 12

5 Figura 5: Multitrama de señalización combinada. Enlace descendente. Figura 6: Multitrama de señalización combinada. Enlace ascendente. Dado que se ocupan 12 tramas de la multitrama en el canal CCCH, la velocidad de transmisión es: 114 bits codificados/trama*12 tramas CCCH/ 235,38 ms multitrama = 5,81 kbit/s. Teniendo en cuenta que realmente el canal CCCH está compuesto por 3 subcanales independientes, la velocidad de transmisión de cada uno de estos subcanales es 1,94 kbit/s. En cambio, la velocidad de información de cada uno de los mismos es, como se mostró en el apartado anterior, 23*8 bits/ 235,36 ms = 0,781 kbit/s Multitrama de canales de señalización común de muy alta capacidad. En este caso se utilizan varios TN de la portadora BCCH para transmitir los canales de señalización común (Figura 7 y Figura 8). La multitrama soportada en el TN0 es exactamente igual a la utilizada en la configuración de señalización descombinada. La estructura de las multitramas soportadas en los posibles TN de extensión (2, 4 ó 6) es la misma que la del TN0, salvo que en estos casos no se transmiten los canales FCH y SCH, por lo que esas tramas quedan libres. 13

6 Figura 7: Multitrama de señalización común de muy alta capacidad. Enlace descendente. Figura 8: Multitrama de señalización común de muy alta capacidad. Enlace ascendente. 2.4 Supertramas e hipertramas. La estructura jerárquica temporal que siguen las multitramas son las denominadas supertramas. El período de una supertrama es el mínimo común múltiplo de los períodos de los dos tipos de multitramas, es decir, 51*120ms= 6,12 segundos. Una supertrama está por tanto formada por 51 multitramas de tráfico (MF26) o por 26 multitramas de señalización (MF51). La estructura temporal periódica más larga definida es la denominada hipertrama. La hipertrama tiene una duración de 2048 supertramas, por lo que su período es igual 2048x6,12=12533,76 s, es decir, 3h. 28 min. 53s 760ms. El tener una estructura tan larga se debe a que se necesita para soportar los mecanismos de cifrado a que se somete la señal vocal. La estructura completa temporal del sistema se muestra esquemáticamente en la Figura 9. 14

7 Figura 9: Estructura jerárquica de las tramas en GSM. Como se aprecia, los ciclos de los dos tipos de multitramas corren en paralelo sobra cada supertrama. Gracias a los mensajes transmitidos en el SCH, el móvil conoce exactamente la posición que ocupa dentro de cada uno de los dos ciclos de multitramas. Cuando el móvil se encuentra en estado desocupado, está escuchando la multitrama MF51. Al iniciar una llamada y comenzar la etapa de señalización continúa en esa estructura MF51, pero al asignársele el canal de tráfico pasa a modo dedicado u ocupado, atendiendo a partir de ese momento al ciclo de la MF Establecimiento de una conexión RR. Procedimiento de asignación inmediata [21]. En este apartado se describirá el procedimiento de asignación inmediata para ilustrar el proceso de intercambio de mensajes entre el móvil y la estación base durante el establecimiento de una conexión cuando éste lo inicia el terminal móvil Inicio del procedimiento. Acceso del móvil a la red. Suponiendo que el terminal móvil tiene el acceso permitido a la celda que tiene seleccionada en modo reposo, al iniciar una comunicación, da comienzo el denominado procedimiento de asignación inmediata. En el mismo, lo primero que se hace es enviar a la estación base, en un RACH, el mensaje CHANNEL REQUEST, abandonando de esta manera el modo desocupado (idle). El número de TS, pertenecientes al canal RACH del móvil que transcurren desde el inicio del procedimiento de asignación inmediata (inicio de llamada desde un móvil) y el envío del mensaje CHANNEL REQUEST es un valor aleatorio distribuido uniformemente entre los valores del conjunto (0, 1,, max(t,8)-1). T es el parámetro Tx-integer transmitido en el BCCH. 15

8 Después de enviar el CHANNEL REQUEST, el móvil permanece a la escucha del BCCH, esperando la respuesta de la red. Si no recibe respuesta, reintenta enviando un nuevo CHANNEL REQUEST. El número de TS pertenecientes al canal RACH del móvil que transcurren entre dos mensajes CHANNEL REQUEST sucesivos (es decir, el número de tramas transcurridas entre dos reintentos consecutivos) es un número aleatorio escogido con probabilidad uniforme dentro del conjunto (S, S+1,,S+T-1). T es, de nuevo, el parámetro Tx-integer transmitido en el BCCH y S es un parámetro que depende de la configuración de los canales CCCH y del valor de Tx-integer, tal y como se define en la Tabla 1. T S, CCCH no combinado S, CCH/SDCCH combinado 3,8,14, ,9, ,10, ,11, ,12, Tabla 1: Posibles valores del parámetro S. El móvil puede enviar como máximo M+1 mensajes CHANNEL REQUEST a la red, siendo M el valor del parámetro max_retrans transmitido en el BCCH. Una vez enviado el último mensaje, la entidad RR del móvil inicia el temporizador T3126. Cuando éste expira, aborta el procedimiento de asignación inmediata. Si este procedimiento se había iniciado por una petición de la subcapa MM, se indica a dicha subcapa que ha habido un fallo de acceso aleatorio Respuesta de la red. Una vez recibida la petición del canal (mensaje CHANNEL REQUEST), la red debe asignar un canal dedicado al móvil (canal punto a punto) para iniciar en él la fase de señalización. Hay dos posibles estrategias en lo que se refiere a la asignación del canal de señalización: Asignar un SDCCH como canal de señalización. Utilizar como canal de señalización el mismo TCH que luego se va a utilizar para cursar el tráfico. En este caso, una vez terminada la fase de señalización se hace un cambio de modo de operación de este canal para que pase a comportarse como un canal de tráfico. El mensaje con el que la red indica al móvil el canal que le ha asignado es el IMMEDIATE ASSIGNMENT, o IMMEDIATE ASSIGNMENT EXTENDED, cuando se utiliza el mismo mensaje para asignar simultáneamente a dos móviles distintos. Este mensaje se transporta dentro del mismo TS del canal CCCH en que se recibió el mensaje CHANNEL REQUEST. El CHANNEL REQUEST utiliza un canal RACH, y el IMMEDIATE ASSIGNMENT se transmite a través de un canal AGCH. Cuando el móvil recibe el mensaje IMMEDIATE ASSIGNMENT deja de enviar mensajes CHANNEL REQUEST, detiene el temporizador T3126, sintoniza el canal asignado, cambia el modo de canal a señalización y activa los canales asignados. Después establece el enlace de señalización principal enviando una instrucción SABM de capa 2. 16

9 Si no hay ningún canal de señalización disponible, la red envía al móvil un mensaje IMMEDIATE ASSIGNMENT REJECT en modo no confirmado en el mismo CCCH en que se recibió el mensaje de petición de canal. Al recibirlo el móvil deja de enviar mensajes CHANNEL REQUEST, inicializa los temporizadores T3122 y T3126 (si todavía no lo había hecho) y queda esperando el canal CCCH hasta que expira el T3126. Si no se recibe ningún IMMEDIATE ASSIGNMENT como respuesta a alguno de los últimos CHANNEL REQUEST que se envió durante ese tiempo, el móvil vuelve al modo reposo. Hasta que no expira el T3122 no se permite a ese móvil volver a intentar establecer una conexión en esa misma celda. El procedimiento de asignación inmediata termina cuando se establece el enlace de señalización. Es decir, la red recibe el mensaje de capa 2 SABM en cuyo campo de información va el mensaje de capa 3 correspondiente (CM SERVICE REQUEST, PAGING RESPONSE ). En ese momento se detiene el temporizador T3101 y se informa a la subcapa MM de que existe una conexión RR [21]. 2.6 Parámetros de interés implicados. Como se ha mencionado, el terminal móvil debe detectar en primera instancia la presencia del inhibidor. Para ello se propuso la monitorización del nivel y calidad de la señal recibida. Así, los parámetros que podríamos monitorizar son los siguientes: Niveles de la señal medido por la MS: RSSI, RxLevel, potencia (dbm). Niveles de calidad medido por la MS: RxQual, BER (Bit Error Rate). Además, en relación a lo expuesto en el proceso de establecimiento de una conexión, se utilizarán los siguientes parámetros (difundidos por la red): Max_retrans (N max en la Figura 12). Parámetro Tx-integer. Parámetro S. Asimismo, prestaremos especial atención al campo de información presente en los mensajes CHANNEL REQUEST y IMMEDIATE ASSIGNMENT: Random Reference / Establishment Cause. Los diferentes valores que puede tomar este campo de información según la versión de software empleada por el suministrador de 2G de Vodafone, acorde a la fase 2 de GSM, se recogen en la Tabla 2. Establishment Cause Traffic case (GSM phase 2 establishment causes) xxxx Answer to Paging or other procedures that can be completed with an SDCCH (IMSI detach, SMS, supplementary services, ) 17

10 2 0000xxxx Location updating xxxx Answer to Paging xxxx Answer to Paging xxxx MS originating call: MS capability dual rate, channel for speed is needed, TCH/HR is sufficient xxxx MS originating call: MS capability dual rate, channel for data is needed, TCH/HR is sufficient xx Call re establishment: TCH/HR was in use xx Call re establishment: TCH/HR + TCH/HR was in use xxx Other causes and reserved for future use xxxx Other causes and reserved for future use xxxxx Answer to Paging xxxxx Emergency call xxxxx Call re establishment: TCH/FR was in use xxxxx MS originating call: TCH/FR is needed Tabla 2: Establishment causes (NECI=1). 18

11 Finalmente, si bien muchos de los parámetros implicados en el diseño del método dependen directamente de valores difundidos por la estación base, se han ajustado dichos parámetros a sus valores máximos para que el diseño sea válido para cualquier posible configuración. 19