Comunicaciones Inalámbricas GSM. Julio 06 Iván Bernal, Ph.D.

Transcripción

1 Comunicaciones Inalámbricas GSM Iván Bernal, Ph.D. Escuela Politécnica Nacional Quito Ecuador I. Bernal Generalidades Agenda Identificadores Arquitectura e Interfaces Estructura de los canales 2

2 A. Miceli, Wireless Technician s Handbook, 2 nd Edition, Artech House, T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles & Practice, Prentice Hall. First Edition: Second Edition: W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2 nd Edition, Prentice Hall, S. Redl, M. Weber, M. Oliphant, GSM and Personal Communications Handbook, Artech House, Otros Bibliografía 3 Groupe Spécial Mobile Introducción Grupo encomendado en establecer un nuevo estándar digital. Crear un sistema digital celular en el que roaming internacional se realice fácilmente con una variedad de servicios mejorados. A diferencia de D-AMPS, GSM no requería soportar la red analógica existente, sino que sería un reemplazo total. Para resolver el problema de fragmentación de los primeros sistemas celulares en Europa. Como apoyo al grupo, la Comunidad Europea asignó una nueva región del espectro, específicamente para el sistema totalmente digital. Global System for Mobile Communications Convenientemente, las iniciales se acomodaron al nuevo significado. Regulado por ETSI que lo adoptó en A fines de 1993, algunos países no europeos, como países en Sudamérica, Asia y Australia adoptaron GSM. Es un estándar de un sistema de segunda generación. El fenomenal crecimiento del estándar por todo el mundo no tiene precedentes. Alguna forma de GSM se usa en todo continente habitado. La Asociación GSM aseguraba que a inicios del 2004 había mas de un billón de usuarios en todo el mundo. 4

3 Introducción With an estimated 3 billion mobile subscribers by Introducción 6

4 Introducción Variedades (ARFCN- absolute radio frequency channel number) 7 Variedades Introducción La diferencia principal es la banda de frecuencia utilizada. GSM en el Continente Americano Se usa en la banda PCS y se lo conoce como PCS GSM en Europa Usa la banda de 900 MHz. Se ha separado la banda de 1800 MHz y se lo conoce como DCS-1800 (Digital Cellular System). 8

5 Introducción Ventajas sobre sistemas analógicos Soporte para roaming internacional Una distinción entre usuario y dispositivo Calidad mejorada de voz Seguridad (autenticación y encripción) Una transmisión en GSM está encriptada, es privada. Nuevos servicios adicionales (SMS y caller ID) 9 Un verdadero estándar Introducción Se estandariza todo el sistema, incluyendo todas las interfaces entre los diferentes componentes del sistema. En el caso de los sistemas norteamericanos, la mayor parte de las interfaces son propietarias. La mayoría de sistemas norteamericanos tomaron gran parte de la terminología para sus sistemas de GSM. Especifica modulación digital, arquitectura a nivel de red y servicios. Arquitectura GSM se refiere a las interfaces estandarizadas específicamente como se indica en la figura. Nomenclatura conocida: BTS (Base Transceiver Station), BSC (Base Station Controller), BSS (Base Station System), MSC. BSC (Base Station Controller): Asignación de recursos de radio a una estación móvil, para una o varias BTSs. Administración de las frecuencias de radio (frequency hopping). Maneja el handoff de una estación móvil de una celda a otra dentro del BSS. Controla el paging. La función BSC puede estar físicamente ubicada en el mismo lugar que una BTS. En este caso no se necesita el interfaz Abis. El MSC sirve como la puerta de enlace hacia: El mundo exterior (PSTN). Diferentes bases de datos necesarias para administrar a los usuarios en la red. HLR, VLR, AC, EIR. 10

6 HLR y VLR Ayudan en el objetivo principal de diseño de GSM: roaming internacional. En estas bases de datos se almacenan la información y ubicación de las estaciones móviles, de tal forma que la red pueda enrutar las llamadas apropiadamente. La HLR contiene detalles de la suscripción de cada abonado (información mayoritariamente estática). Puede manejar, típicamente, la información de cientos de miles de abonados. Para ubicar al abonado, la HLR almacena la información del área en la que el abonado se registró por última vez. La VLR contiene información dinámica de los usuarios que están asociados a la red móvil, incluyendo la ubicación geográfica. La VLR está usualmente integrada a la MSC. Típicamente, una VLR está asociada con una sola MSC. Su interfaz B tiene deficiencias y en la Fase 2 del estándar no se la especifica y existen soluciones propietarias. Introducción 11 HLR y VLR Introducción A cada abonado se le asigna a una HLR específica, que actúa como un punto de referencia en donde se almacena la información de ubicación actual del usuario. Para reducir la carga del HLR se introdujo el VLR. La VLR maneja muchas de las consultas relacionadas al abonado (como consultas sobre la ubicación). A cada VLR se le asigna un área geográfica limitada mientras que la HLR trata con tareas que son independientes de la ubicación del abonado. 12

7 HLR y VLR Introducción Considerar el EJEMPLO de un abonado en movimiento. A medida que el abonado se mueve de un lugar a otro, los datos se pasan del VLR del lugar al cual abandona el usuario ( VLR vieja ) al VLR de la ubicación a la cual entra ( VLR nueva ) La VLR vieja entrega los datos a la nueva VLR Hay ocasiones en las que la nueva VLR tiene que pedir al HLR del abonado datos adicionales. 13 EIR AuC Es una base de datos que almacena el IMEI de todas las estaciones móviles y características del equipo que existe en la estación móvil. International Mobile Equipment Identity Se puede averiguar si el móvil es robado o no muy rápidamente. El centro de autenticación se usa para autenticación. Tarjeta SIM (Subscriber Identity Module) Tarjeta usada por los móviles y contiene una llave especial. Una copia de esta llave se almacena en AuC. Se implementa como parte integral de la HLR. La interfaz H entre ellas nunca se detalló. Introducción 14

8 Introducción 15 GMSK Gaussian Minimum Shift Keying Cambios de fase y envolvente constante. En GSM se usan canales de 200 khz. Generalidades Con bandas de 25Mhz se tienen 125 canales (sin asumir bandas de guarda), cada uno compartido usando TDMA con 8 ranuras de tiempo, da un total de 1000 canales. Considerando dos bandas de guarda de 100 khz, se tienen solo 124 canales. El ritmo de transmisión en GSM es de kbps. Por usuario es /8= kbps. Considerando el overhead, los datos del usuario se transmiten a 22.8 kbps. Radio de la celda Entre 100 m y 35 km dependiendo de la situación. Detalle sobre TDMA En NA-TDMA, en la dirección downlink, la estación base transmitía de forma continua todas las ranuras, sin importar si las ranuras fueron asignadas o no. En GSM se especifica que la estación base puede desconectar el transmisor si las ranuras no se necesitan. 16

9 Generalidades 17 Identificadores Muchos de los identificadores se almacenan en la tarjeta SIM. El usuario final puede cambiarse a un teléfono diferente solo sacando la tarjeta del teléfono original e insertando la tarjeta en otro diferente. Las unidades GSM son totalmente genéricas hasta que se inserta el SIM. Excepto por ciertas comunicaciones de emergencia, las unidades GSM no trabajarán sin un SIM. Como la tarjeta contiene los identificadores únicos, el usuario retiene el mismo número, plan de servicio, e incluso el directorio de marcado rápido. Para idea de la capacidad de memoria del SIM 18

10 Identificadores Identificadores pueden estar asociados a: La tarjeta SIM La red (BTS) Estación móvil 19 Identificadores IMEI (International Mobile Equipment Identifier) Número de serie de 15 dígitos que se asigna a la estación móvil al momento de fabricación. IMSI (International Mobile Subscriber Identity) Es el número de teléfono asignado por el carrier al usuario. 15 dígitos consideran el código de país para ofrecer servicio internacional. Se almacena en el SIM. TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) Es asignado por el VLR luego de que un móvil se establece en la red. La red lo utiliza en lugar del IMSI para realizar algunas tareas de administración de la llamada. Es mas pequeño que el IMSI Es mas eficiente transmitir el TMSI (es mas corto). Mejora en algo la seguridad porque el IMSI ya no debe ser transmitido frecuentemente. 20

11 Identificadores (15 DIGITS vs 32 BITS) 21 Ki (Authentication Key) Ki es asignada al usuario y reside en el SIM. No se transmite y se usa para el cálculo de Kc. Kc (Cipher Key) Identificadores Se usa para proteger la información transmitida y previene intercepción no autorizada. Mobile Station Classmark Informa a la red de las capacidades de la estación móvil. Versión del protocolo soportado Niveles de potencia soportados Capacidades de encripción Las frecuencias que soporta Habilidades de la estación móvil para soportar servicios especiales LAI (Location Area Identity) Identifica el país y sistema de la estación base. Similar al SID usado en sistemas norteamericanos. 22

12 Identificadores BSIC (Base Station Identity Code) y secuencia de entrenamiento Se asignan a cada estación base. Tienen un propósito similar al SAT en AMPS o el DVCC en NA-TDMA. Se retransmite el código BSIC a la BS. La secuencia de entrenamiento se usa también en ecualización. 23 Niveles de potencia Se permiten 5 clases de estaciones móviles divididas en base a la máxima potencia que pueden radiar. Para GSM900 La clase mas alta permite 20 W de salida (43 dbm). La clase mas baja permite 800 mw (29 dbm). Típicamente, las estaciones móviles de mano (handheld) tienen una potencia máxima de 2W (clase 4), pero como los terminales solo transmiten 1/8 del tiempo, la potencia transmitida promedio es de 250 mw. Una unidad vehicular es típicamente de Clase 2. Cada MS puede disminuir su potencia desde su máximo hasta 5 dbm en pasos de 2 db. 24

13 Niveles de potencia 25 Niveles de potencia DTX (Discontinuous Transmission) Detecta si hay actividad de voz, si no hay el transmisor no transmite. Durante una conversación telefónica típica, una persona habla generalmente alrededor del 40% del tiempo y permanece en silencio el otro 60%. Se debe detectar exactamente los periodos de silencio en la voz del usuario. Voice Activity Detection (VAD): la energía en la señal de voz se calcula para cada bloque de voz y se realiza una decisión utilizando un umbral adaptivo. Es voz o ruido? Comfort noise Si el transmisor se apaga, el otro lado de la llamada escucharía un silencio total, que suele ser una sensación molestosa. Para solucionar esto se usa este comfort noise, para asegurar al otro lado que la llamada está todavía en marcha. Ayuda con la interferencia y con el tiempo de duración de la batería. 26

14 Un trama se divide en 8 ranuras de tiempo. Cada trama tiene una duración de 4.62 ms. Canales Se tiene un offset entre las ranuras relacionadas en el sentido forward y reverso, para permitir que la estación móvil transmita y reciba a diferentes momentos. 27 Canales La estación base transmite canales de tráfico y control. Supertrama tiene 51 multitramas de tráfico y 1326 tramas en total (51*26 tramas/multitrama de tráfico) Supertrama tiene 26 multitramas de control y 1326 tramas (26*51 tramas/multitrama de control) en total 28

15 Canales 29 Canales En un canal de tráfico se organizan las hypertramas con supertramas de tráfico. En un canal de control se organizan las hypertramas con supertramas de control. En ambos casos se tiene un total de 1326 tramas (51*26=26*51) Una supertrama ocurre cuando el canal de voz y control reinician al mismo tiempo (ocurrea cada 1326 tramas). Este punto es útil para propósitos de sincronización porque ayuda a que un móvil conmute de un canal de control a un canal de voz para entender mejor cuando transmitir. La hypertrama solo existe porque el número es útil para el proceso de cifrado. 2048*1326= Requiere 22 bits para numerar cada trama dentro de la hypertrama (en el SCCH). 30

16 Canales: Frequency Hopping Bajo condiciones normales, cada transmisión perteneciente a un canal físico particular se transmite usando la misma frecuencia de portadora. Sin embargo, si los usuarios de una celda particular tiene serios problemas multipath o de interferencia, el operador puede marcar a la celda como una hopping cell. Se implementa slow frequency hopping. Se implementa trama por trama: En cada trama, el sistema puede saltar a una nueva frecuencia. Se combaten desvanecimientos en frecuencias específicas. Se combate la interferencia co-canal ya que se permanece en una frecuencia solo un tiempo. Los saltos se producen a una tasa máxima de hops/segundo. La duración de una trama es ms 31 Canales Cada ranura tiene una asignación de tiempo equivalente de bits. Se proveen bits para prevenir sobrelapamiento con ranuras de tiempo adyacente bits son de tiempo de guarda 6 bits son de inicio y parada 32

17 Multitrama de tráfico Canales de tráfico De las 26 tramas que conforman una multitrama de tráfico, 24 se utilizan para tráfico de voz (tramas 0 a 11 y 13 a 24). Un canal SACCH (se discute luego) se inserta en la trama 12 o en la 25. La trama restante no se usa en operación full-rate. 33 Multitrama de tráfico Canales de tráfico Los canales de tráfico pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Operación full rate Se transportan los datos de usuario en una ranura en cada trama. Operación half rate Se transportan los datos de usuario en una ranura en tramas alternadas. Dos usuarios de canales half rate comparten la misma ranura de tiempo, pero transmiten de forma alternada, pasando una trama. Cada trama puede soportar el doble de llamadas: 16. Se usa la trama adicional que estaba libre (la 12 o la 25). 34

18 Canales de tráfico El SACCH se usa para transmitir información de temporización (timing advance) y control de potencia. Timing advance permite que señales que vienen de fuentes a diferentes distancias llueguen a la BTS al moemento adecuado. Si la señal de un móvil lluega demasiado tarde y se sobrelapa con la señal de otros usuarios, la BTS indica al móvil que avance el tiempo de sus transmisiones. En la parte principal de una trama SACCH, la red indica mediante mensaje de información del sistema, las frecuencias de las celdas vecinas usadas para BCCH. La estación móvil debe hacer mediciones de potencia y las envía a la red (por le SACCH). También se indica otra información como si se usa o no DTX. En el sentido reverso, la MS usa las tramas para reportar las medidas realizadas de la celda actual y de las vecinas Aunque normalmente los mensajes de SMS se llevan en un SDCCH, también pueden enviarse en un SACCH, lo que permite la entrega durante una llamada en progreso. Esto disminuye la frecuencia con la cual se reportan las mediciones. 35 Multitrama de tráfico Canales full rate Canales de tráfico Speech Channel (Full Rate Speech, FS) Llevan voz digitalizada a una tasa (raw) de alrededor de 13 kbps. Con codificación de canal añadida se transporta por el canal a 22.8 kbps. Data Channel for 9600 bps (F9.6) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 9600 bps. Con FEC añadida, los 9600 bps se transportan a 22.8 kbps. Data Channel for 4800 bps (F4.8) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 4800 bps. Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 22.8 kbps. Data Channel for 2400 bps (F2.4) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 2400 bps. Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 22.8 kbps. 36

19 Multitrama de tráfico Canales half rate Canales de tráfico Speech Channel (Half Rate Speech, HS) Llevan voz digitalizada que es muestreada a una tasa que es la mitad de lo que se usa en el caso full rate. GSM anticipaba el desarrollo de codificadores que manejen una tasa (raw) de alrededor de 6.5 kbps. Con codificación de canal añadida se transporta a 11.4 kbps. Data Channel for 4800 bps (H4.8) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 4800 bps. Con FEC añadida, los 4800 bps se transportan a 11.4 kbps. Data Channel for 2400 bps (H2.4) Lleva datos de usuario a una tasa (raw) 2400 bps. Con FEC añadida, los 2400 bps se transportan a 11.4 kbps. 37 Los canales de control que se mencionan son aquellos que una estación móvil usa cuando no está participando en una llamada (no asociados a un canal de tráfico). Excepto el FACCH y SACCH. Tres conjuntos de canales de control BCHs (Broadcast Channels) FCCH, SCH, BCCH Canales de Control Comunes Common Control Channels PCH, AGCH, RACH Canales de Control Dedicados (DCCH) Dedicated Control Channels SDCCH, SACCH, FACCH Canales de control 38

20 Multitrama de control: Canales de control Los grupos de canales BCHs y comunes son los primeros que la estación móvil monitorea cuando se enciende. Estos grupos de canales se multiplexan en las multitramas de control (que contienen 51 tramas). Son emitidos por la BTS. Si la estación móvil requiere responder o acceder a la red, puede usar el canal RACH, que es un canal de control común. 39 Multitrama de control Canales de control ****** Los canales BCHs y los comunes en la dirección forward, se implementan solo en ciertos canales y se les asigna ranuras de tiempo de forma muy específica. Se los ubica solo en la ranura 0 y emitidas solo en ciertas tramas dentro de la multitrama, como se ve en la figura anterior. Las ranuras 1 a 7 llevan tráficos de usuario normal. Los canales (de frecuencia) designados como canales de control todavía t pueden llevar usuarios full rate en 7 de las 8 ranuras de tiempo (??). 40

21 Canales de control Multitrama de control: Canales de broadcast FCCH (Frequency Correction Channel) Es una secuencia de 148 ceros. Con modulación GMSK, esto se traduce en una onda sinusoidal de alrededor de 67 khz. La estación móvil detecta esta onda sinusoidal y se auto-ajusta para tener la misma frecuencia de referencia que la red. Se transmite cada 10 tramas dentro de la multitrama. Es el beacon del canal de control. Cuando un móvil se enciende en una nueva ubicación, no conoce la posición de los canales de control. Se detectan las portadoras en la vecindad midiendo la intensidad de las frecuencias de los canales e identificando las mas fuertes. Para ayudar al móvil a identificar los canales de control, se usa la onda sinusoidal transmitida periódicamente. La estación móvil lo busca ya que sabe que es el primer canal lógico en la secuencia de control. Se envía en la primera ranura de tiempo. La estación móvil deja pasar 7 ranuras de tiempo y sabe que en la primera ranura de la segunda trama está el SCH (synchronization channel). 41 Canales de control Opciones de estructura de lo transmitido en cada ranura. A cada extremo se provee tiempo para el ramp up y ramp down sus niveles de potencia para evitar un cambio abrupto en la potencia transmitida que generaría interferencia en un amplio rango de frecuencias. 42

22 Multitrama de control 4*114 =456 bits Canales de control 43 Multitrama de control: Canales de broadcast SCH (Synchronization Channel) Transmitido por la BTS en la ranura 0 en la trama luego de la trama del FCCH. Tiene una estructura única. Contiene: Una secuencia de entrenamiento extendida que es la misma para toda la red GSM. Permite a la estación móvil adquirir sincronización exacta. Ajustar los ecualizadores. Canales de control BSIC (Base Station Identity Code) Se usa como el SAT en AMPS. Ubicación de la trama actual en relación con la hypertrama. Avances de Temporización (timing advancement, ajustes de tiempo gruesos (no finos)) 44

23 Canales de control Multitrama de control: Canales de broadcast SCH (Synchronization Channel) La secuencia de entrenamiento se ubica en la mitad para que la diferencia entre la recepción de la secuencia de entrenamiento y cualquiera de los bits de datos se reduzca al mínimo. Los cambios en el canal como resultado del desplazamiento del móvil entre el momento en que se recibe la secuencia y el momento en el que reciban los datos se minimizan. Sin embargo, esto requiere que el móvil almacene la primera mitad de los datos hasta que se reciba la secuencia y dicha mitad pueda ser decodificada. 45 Canales de control Multitrama de control: Canales de broadcast BCCH (Broadcast Control Channel) Contiene los parámetros utilizados por todas las estaciones móviles en la celda para recibir y solicitar llamadas. Podría incluir parámetros de acceso y configuración. Identidad de la red, del área y de la celda. Operador de la red Lista de celdas vecinas Se emiten en 4 de las 51 tramas de la multitrama. Un segmento de mensaje 46

24 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes PCH (Paging Channel) y AGCH (Access Grant Channel) PCH Permite que el móvil conozca que tiene una llamada ingresando. Se transmite el IMSI del abonado destino. Puede usarse también para mensajes de broadscast como parte del servicio SMS. Los PCHs pueden organizarse para permitir un modo de sleep. A las estaciones móviles se les puede asignar un grupo específico de PCHs para que lo monitoreen, despertándose justo a tiempo para realizar dicho monitoreo. AGCH (Access Grant Channel) Para instruir al móvil a que opere en un canal físico particular (canal de tráfico en frecuencia y número de ranura) y con un canal particular de control dedicado. Se utiliza para direccionar a la estación móvil a otro tipo de canal de control (SDCCH) para completar el proceso de establecimiento de una llamada y/o transferir información. SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) 47 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes RACH (Random Access Channel) Lo de random se refiere a que todas las ranuras reversas del canal de control son elegibles para ser un RACH. Principio de Aloha Ranurado. Este es el canal reverso que usará una estación móvil para: Originar una llamada Enviar mensajes de señalización cuando no está en una llamada Enviar acuses de recibos a mensajes recibidos de la BTS (ejemplo: a mensajes de paging) Registrarse Una estación móvil puede seleccionar una ranura utilizando un protocolo específico y luego transmitir versiones reducidas. Esto es para asegurarse de que la transmisión esté confinada dentro de la ranura de tiempo. La BTS determina la temporización basada en esta versión reducida y luego comanda a la estación móvil para que realice los ajustes necesarios. Si la BTS recibe con éxito el RACH, se direcciona a la estación móvil a un SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) designado para este tipo de comunicación entre el móvil y la red. RACH lleva muy poca información. El SDCCH sirve para llevar mayor cantidad de info (en las dos direcciones: directa y reversa). En definitiva, mediante el RACCH se ha solicitado un SDCCH. 48

25 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes RACH (Random Access Channel) Transmisión de acceso (Access burst) Para acceso al RACH y durante una llamada para corregir la temporización. Es una versión corta para asegurar que calce en la ranura de tiempo sin importar problemas severos de alineamiento. Para usar el canal, el móvil transmite el mensaje reducido en el RACH conteniendo solo un número aleatorio y una breve guía de la causa del acceso aleatorio. La versión reducida permite reducir el riesgo de colisión con mensajes de acceso aleatorio de otros usuarios. La red responde con un mensaje en el que se repite el número aleatorio y se indica un canal dedicado SDCCH. El móvil escucha a ver si la red envía su número aleatorio y en caso afirmativo se cambia al canal indicado en donde envía detalles del servicio que requiere El número al cual desea llamar si genera una llamada. Si el mensaje era de respuesta a un paging, el móvil indica a ésta como la razón del acceso aleatorio. Si el móvil no escucha el número aleatorio, asume que el mensaje colisionó con un mensaje de acceso aleatorio de otro usuario. Luego de un tiempo aleatorio reintenta. Una vez en el canal SDCCH, la red envía al móvil su propio número para cubrir el caso poco probable de que dos móviles recibieron el mismo mensaje al mismo tiempo y con el mismo número aleatorio. 49 Multitrama de control: Canales de Control Comunes RACH (Random Access Channel) Canales de control 50

26 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Comunes Ejemplo del uso de canales de control cuando una estación móvil está actualizando su ubicación. 51 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Dedicados SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) Es un canal lógico en ambas direcciones. Una estación lo solicita usado un RACCH. Asignado mediante un AGCH. Consiste de 4 ranuras de tiempo en cada multitrama llevando un mensaje. Velocidades bajas de transmisión efectiva pero suficiente para la información que necesita enviarse. Se usa para la mayoría de los mensajes de acceso. Después de la conexión de la estación móvil con la BTS, hasta justo antes de la asignación del canal de tráfico. Es un canal intermedio y temporal. Garantiza que MS y BTS se mantengan comunicados mientras el MSC y la BTS verifican la unidad del abonado y reservan los recursos necesarios. Se envían mensajes de autenticación y alerta. Se usa para mensajes de actualización de ubicación. Se usa como parte del establecimiento de una llamada. Pueden asignarse en canales físicos o en las ranuras 0 de los canales de broadcast si hay baja demanda de canales de broadcast o de control común. 52

27 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Dedicados SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) Un concepto algo confuso es que el SDCCH trae asociado un SACCH para llevar información de señalización. El SACCH es también multiplexado en la multitrama de canales de tráfico. Se inserta en la trama 12 o en la 25, como se indicó anteriormente (usando las 8 ranuras). 53 Canales de control Multitrama de control: Canales de Control Dedicados SACCH (Slow Associated Control Channel) En la dirección forward transporta: Mensajes de broadcast Información de control de potencia Avances de Temporización Específicos (timing advancement, ajustes de tiempo) En la dirección reversa transporta: Mensajes con reportes de mediciones realizadas Acuses de recibo de mensajes de control de potencia Acuses de recibo de timing advancements Un concepto algo confuso es que un SACCH está siempre asociado con un canal de tráfico o un canal SDCCH, y se asocia a un mismo canal físico SACH multiplexado en una multitrama de canales de tráfico. Para señalización durante una llamada Se inserta en la trama 12 o en la 25, como se indicó anteriormente, y se usan las 8 ranuras. FACCH (Fast Associated Control Channel) Si el SACCH no es lo suficientemente rápido (para handoff) Se roba tiempo de los canales de voz (se indica usando dos bits presentes dentro de cada ranura: stealing bits). Se dispersa en 8 ranuras de tiempo en 8 tramas. Se roba la mitad de los bits del canal de tráfico. 54

28 Multitrama de control: Canales de Control Dedicados Canales de control 55 Canales de control 56

29 Canales de control 57 Estructura de una ranura normal Used to carry information on traffic and control channels, except for RACH. Trail bits (2x3 bits) Permiten la sincronización de las transmisiones de estaciones móviles ubicadas a diferentes distancias de la BTS. Bits encriptados (2x57 bits) Dos bloques de 57 bits cada uno. 114 bits planos encriptados en 114 bits. Stealing bit (2x1bit) Indican si este bloque contiene datos o ha sido robada para señalización de control urgente. Bits de guarda (8.25 bits) Para evitar sobrelapamientos con otras transmisiones debidos a diferentes retardos. 58

30 Estructura de una ranura normal Training Sequence (26 bits) Para adaptar los parámetros del receptor a las características de propagación actuales, y seleccionar la señal mas fuerte en caso de propagación multipath. Patrón de bits conocido y diferente al de las celdas vecinas. Permite que las MS y BTS determinen si la señal recibida es del transmisor correcto y no de un transmisor provocando fuerte interferencia. Se usa también para ecualización. Se determina como afecta el desvanecimiento multipath a la secuencia de entrenamiento. El resto de la señal se procesa para compensar estos efectos. Velocidad de transmisión 59 Dummy bursts Estructura de una ranura: otras Usado como relleno para ranuras sin utilizar. 60

31 Mediciones de Potencia El móvil debe leer el canal de control de las celdas vecinas para estar seguro que está monitoreando las celdas indicadas por la red. Usando el BSIC de las celdas vecinas cumple con el objetivo. En el tiempo libre que tiene el móvil durante la llamada será difícil. Si recibe en la ranura 0, transmite en la ranura 3. Se requiere una ranura extra para resintonizar su frecuencia. Para el ejemplo, destinaría las ranuras: 1,2,4,7 Quedan solo las ranuras 5 y 6, pero no se garantiza que con la celda vecina haya sincronización y que coincida en 5 o 6 el canal de control. Recordar que en la multitrama de tráfico, la 26 no era utilizada (full rate). Aquí es en donde se realizan las mediciones. Se puede escuchar a las 8 ranuras del canal de control de la celda vecina. 61 Mediciones de Potencia Para acceder al BSIC de la celda vecina, primero debe decodificar el canal FCCH y luego el SCH. Hay la probabilidad 1 en 10 de que el móvil encuentre el FCH la primera vez que escucha al canal de control de la celda vecina. Por lo tanto, debe seguir escuchando durante las tramas 26 para accesar al FCCH de la celda vecina. Por esta razón los canales de control tienen diferente ciclo de repetición que los canales de tráfico. Cuando ocurra la trama 25 en el canal de tráfico, habrá una trama diferente en el canal de control de la celda vecina. Como los canales de control tienen ciclo de repetición de 51, un móvil haciendo mediciones en la trama 26, leerá las tramas 26, 1, 27, 2, 28, 3,... de las tramas del canal de control. Por lo tanto, un FCCH se encontrará en el rango de 10 repeticiones de la trama 26, y un SCH se encontrará dos repeticiones mas tarde. Celda vecina 62

32 Mediciones de Potencia Encontrar el BCCH podría tomar hasta 51 repeticiones de la trama 26 de la multitrama de tráfico. En promedio, tomará la mitad 51/2 repeticiones de la trama 26: 51/2*120ms= 3060 ms o cerca de 3 segundos. Con un promedio de seis celdas vecinas, leer los 6 canales BCCH tomaría en promedio de 18 segundos y un máximo de 36 segundos. Si el móvil se mueve rápidamente a lo largo de celdas pequeñas, esto se convierte en un problema. 63 Se especifican tres en GSM. Vocoders Por lo general, actualmente los tres se instalan en las MSs que se están fabricando. LPC-RPE (es el original), EFR, Half-Rate Vocoder. LPC-RPE (Linear Prediction Coding with Regular Pulse Excitation ) En la mayoría de procesos de vocoding se divide la voz en bloques de 20 ms. En LPC-RPE cada bloque de 20 ms de voz se representa 260 bits. 260 bits/20 ms = 13 kbps. Idea básica Algunos bits del tren de voz codificado son considerados mas importantes que otros. A los mas importantes se les somete a una codificación para control de errores mas rigurosa. Se agregan también bits de paridad. El proceso de corrección de errores significa que los 260 bits/20 ms originales, se convierten en 456 bits/20 ms, es decir 22.8 kbps Se suele llamar al vocoder LPC-RPE como vocoder de 13 kbps o vocoder de 22.8 kbps. 64

33 Discusión simplificada del proceso Vocoders Al considerar unos bits como mas importantes, si ciertos bits de éstos fuesen alterados, se tendría un resultado mas destructivo en la calidad de voz. En GSM se dividen los bits mas importantes en dos clases (class 1). De los 260 originales 50 bits se consideran los mas importantes y se los denomina de class 1a. A estos se les agrega 3 bits de CRC. Si hay errores en estos bits se descarta lo recibido en su totalidad. 132 bits se los denomina class 1b A estos se les agrega una cola que es una secuencia de 4 bits para inicializar registros. Los (132+4) + (50+3)=189 se someten a una codificación convolucional (FEC). La salida son 378 bits (el doble). Los 78 bits restantes se denominan bits class II No son protegidos. Se tienen = 456 bits (456 bits)/(114 bits/ranura)= 4 ranuras 65 Vocoders 66

34 Vocoders EFR (Enhanced Full Rate) Desarrollado en respuesta a las quejas de la calidad del vocoder original. Usa la misma tecnología ACELP de NA-TDMA. Half-Rate Vocoder Opera a la mitad de la tasa del vocoder original. Permite atender a dos veces el número de usuarios usando el mismo espacio. Adaptive Multi Rate (AMR) Conmuta de forma adaptiva entre diferentes esquemas de codificación, con diferentes niveles de protección, y de acuerdo a la calidad actual del canal. 67 PCS El término comunicaciones personales usualmente se aplica a nuevos sistemas y servicios (PCS) que se ofrecen a una porción creciente de la población mundial. Las tecnologías que están por debajo estas comunicaciones personales son las tecnologías celulares digitales. Con GSM siendo la mas ampliamente aceptada. Personal communications services: Another name for digital cellular operators, particularly applied to operators in the United States with spectrum at 1,900 MHz The only difference between cellular and PCS is that cellular started out transmitting your call using analog technology and PCS started out using all digital transmissions. 68

35 PCS Cuál es la diferencia entre PCS y celular? Perspectiva de mercado Una forma es tratar a PCS como un esquema de instalación que ocurrió luego de los celulares. Como la instalación añadió capacidad inalámbrica significativa, algo debía atraer a nuevos abonados para ocupar esta capacidad adicional. Si el celular fue para los usuarios de negocios y los adinerados, entonces PCS era para las masas. Perspectiva tecnológica El término comunicaciones personales describe un conjunto de servicios que un cliente podría esperar. Celular se refiere a una rango de soluciones tecnológicas que pueden utilizarse para entregar tales servicios. La mayoría de usuarios PCS están recibiendo estos servicios usando tecnología celular. Sin embargo, hay una minoría de tecnologías no celulares que también son la base para servicios de comunicaciones personales. Por ejemplo los sistemas cordless. 69 PCS PCS originalmente representaba a una iniciativa norteamericana con nuevas asignaciones de espectro en la banda de 1900-MHz. Así el término PCS 1900 se usa en Norteamérica para la contraparte de GSM 900. El término PCN original fue introducido en el Reino Unido antes que PCS, y se refería a las personal communications networks licenciadas en la banda de 1800 MHz. Así que el Reino Unido tuvo los primeros PCSs del mundo, a los cuales fueron y todavía son referidos como PCNs. A pedido del Reino Unido, una versión de GSM, operando en la banda de 1800 MHz, fue incluida en el proceso de especificación, ajustado a los requerimientos de la emergente PCN. Este sistema se conoce como DCS (Digital Cellular System). Una alternativa para el extraño término PCS 1900 es GSM-NA, que representa a GSM North America. Para un usuario común que no sabe ni le interesa que es un hertz, la nueva asignación en 1900 MHz son simplemente extensiones a la red celular. 70

36 PCS Los requerimientos generales para PCS puede ser satisfechos con las tecnologías celulares de segunda generación de hoy en día y sus evoluciones, sin importar la banda de frecuencia utilizada. El término PCS (Personal Communications Services) se refiere a una amplia variedad de accesos inalámbricos y servicios de movilidad personal provistos usando un pequeño terminal con la meta de habilitar comunicaciones en cualquier momento, en cualquier lugar y en cualquier forma. 71 TRX Una BTS contiene los TRXs (radio transceivers). Cada TRX puede manejar hasta 8 usuarios full rate. Incrementar el número de TRXs permite incrementar el número de usuarios que se manejan en una ceda, lo que implica incrementar el número de frecuencias. 72

37 TRX 73 TRX 74

38 Abis Un BSC se comunica con un BTS usando canales TDM sobre lo que se denominó la interfaz Abis Generalmente implementada usando E1s ó T1s. Puede usarse fibra o cable (si distancias cortas) o enlaces de radio (BTSs cercanas entre sí pero alejadas del BSC). 75 Abis 76

39 Transcoding and Rate Adaption Unit TRAU Puede considerarse que lógicamente pertenece al BSS, pero usualmente reside cerca del MSC ya que permite reducir significativamente los costos de transmisión. La voz se envía en un canal de 16 kbps hacia el TRAU. Sobre la interfaz de aire se usa 13 kbps para voz (full rate) y 9.6 o 14.4 kbps para datos. El TRAU convierte los 16 kbps a los 64 kbps, multiplexando varios canales en un solo canal de 64 kbps. 77 Similar a un PCM de 30 Abis Con las técnicas de compresión que usa GSM, se puede tener hasta 8 canales de tráfico de GSM en un solo canal de 64 kbps, por ejemplo. GSM nunca especificó todo detalle de la interface Abis (igual ocurrió con la interfaz B [MSC-VLR]). Se considera a Abis propietaria, lo que provoca variaciones en los protocolos de Capa 2, y diferentes configuraciones de canales. Por lo que una BTS de un fabricante no puede usarse con el BSC de otro. 78

40 NSS Network Switching Subsystem Comprende la parte principal (core) de la red de circuitos conmutados. MSC Una MSC que provee conectividad de la red móvil a la red fija (PSTN) se denomina gateway MSC (G-MSC). Bases de datos (VLR, HLR y EIR) 79 NSS 80