digital GSM Telefonía móvil Los factores que promovieron 14 anales Perspectiva histórica

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1 Telefonía móvil digital GSM A principios de los 80 los sistemas celulares analógicos experimentaron un gran crecimiento en Europa. Cada país desarrolló su propio sistema, incompatible con el de otro país. Esta situación no era deseable debido a que la movilidad se limitaba a cada país y lo que están importante, los mercados eran muy limitados. En 1982, la CEPT (Conference of European Post and Telegraphs) formó un grupo de estudio denominado GSM (Groupe Spécial Mobile) para desarrollar un sistema pan-europeo de telefonía móvil. En este artículo se pretende dar una visión general de un sistema GSM, cuyas especificaciones tienen más de páginas, y que junto con su sistema gemelo operando en 1800 MHz, denominado DCS-1800 son una primera aproximación a un sistema personal de telecomunicaciones. Juan José Domínguez Sánchez Ingeniero del I.C.A.I. Ingeniería de Electrónica Industrial. División de Componentes. CCT. Alcatel España. Profesor de la E.U. de Ingenieros Técnicos del I.C.A.I. Perspectiva histórica Los factores que promovieron la aparición del GSM son: Limitación de capacidad de los sistemas analógicos. Saturación de los sistemas analógicos. Conveniencia de un sistema de cobertura europea. Intento de establecer un estándar europeo para la industria. En 1989 la responsabilidad del GSM se trasladó al ETSI (Europen Telecommunications Standards Institute) y las primeras especificaciones se publicaron en El GSM comenzó su servicio de forma comercial a mediados de 1991, y en 1993 había 36 redes GSM en 22 países. GSM no es sólo un estándar europeo. Las redes GSM ( incluyendo DCS1800 y PCS1800) son actualmente operativas ( o en fase de planificación) en más de 80 países. A principios de 1994 había 1,3 millones de usuarios y a principios de 1995 alrededor de 10 millones de usuarios en todo el mundo. Se estima que en año tenga un número de usuarios entre 15 y 20 millones; para el DCS-1800 se esperan entre 4 a 13 millones para el citado año El GSM ofrece movilidad internacional, y una gran variedad de servicios como telefonía, transferencia de datos, fax, mensajes cortos, y se acerca a los requerimientos de un sistema de comunicaciones personales. De hecho está siendo usado como base para la siguiente generación de tecnoa 14 anales

2 logía de comunicaciones en Europa, el UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). El GSM es un estándar muy complejo, pero esto es el precio que hay que pagar para alcanzar el nivel de servicios y la calidad ofrecida usando un medio con unas restricciones tan importantes como es la radio. FIGURA 1. ARQUITECTURA DE UNA RED GSM HLR VLR SIM BTC BTS MSC ME BTC BTS EIR AuC Um Abis A Móvil Subsistema de estación base Subsistema de red PSTN ISDN PSPDN Arquitectura de la red La red GSM está compuesta por numerosas entidades funcionales. En la figura 1 se muestra una red GSM típica. La red GSM puede dividirse en cuatro partes: 1. Equipo móvil (ME). Es el terminal de usuario. 2. Subsistema de Estaciones Base (BSS). Controla el enlace de radio con el ME. 3. Subsistema de red. Su parte principal es el Centro de Conmutación para Móviles (MSC). Ofrece el servicio de conmutación de llamadas entre los móviles y la red fija y el manejo de la movilidad. 4. Centro de Mantenimiento y Operaciones (OMC). Controla la operación del sistema y la inicialización de la red. Estación móvil La estación móvil consta del equipo móvil (terminal) y una smart card llamada SIM (Subscriber Identity Module). El SIM es el que permite la movilidad, así el usuario con dicha tarjeta puede acceder a la red desde cualquier SIM: Módulo Identificador de Cliente. MSC: Centro de Conmutación de Móviles. HLR: Registro de Localización de Clientes. BTS: Transmisor de Estación Base. AuC: Centro de Autentificación. terminal. La tarjeta SIM puede ser protegida contra uso no autorizado mediante el uso de password o número de identificación personal. El terminal se identifica de forma inequívoca mediante el IMEI ( International Mobile Equipment Identity). El IMEI y el IMSI son independientes. El ME y el BSS se comunica a través del denominado interface Um, al que también se conoce como Interface aire. El equipo móvil usa tecnología de microprocesadores VSLI (Very Large Scale Integration) con lo que muchas de sus funciones pueden ser integradas en un solo circuito integrado, lo que resultan terminales más ligeros, compactos, y con una mayor eficiencia en el uso de la energía. Subsistema de estación base (BSS) El BTS (Base Station Subsystem) está compuesto por dos BSC: Controlador de Estación Base. ME: Equipo móvil. EIR: Registro de Identifación de Móviles. VLR: Registro de Localización de Visitantes. partes: el BTS (Base Station Transceiver) y el BSC (Base Station Controller). Estas se comunican mediante el llamado Interface Abis. Este interface está basado en vías PCM de 2 Mb/s o de 64 Kb/s. El BTS lleva el transmisor/receptor de radio que define la célula y maneja el protocolo de radio con la Estación Móvil. El BSC maneja los recursos de radio de una o más BTS. Maneja la inicialización de los canales de radio, el salto en frecuencia y los handover. Es la conexión entre la Estación Móvil y el MSC. En GSM el tamaño de la celda es variable, siendo valores típicos entre 350 m y 35 km. Subsistema de red El componente principal de este sistema es el MSC (Mobile services Switching Center). aanales 15

3 FIGURA 2. IDENTIDADES EN GSM implementado en una base de datos distribuida. IMEI IMSI PIN ISDN Actúa como un nodo de conmutación normal de una red PSTN o ISDN añadiendo todas las funciones necesarias para manejar un usuario móvil, como su registro, autenticación, localización handovers... El MSC facilita la conexión con las redes fijas utilizando el SS7 (Signalling System Number 7). El interface entre el BSC y las BTS se realiza mediante el Interfaz A, basado en vías PCM de 2 Mb/s. En general, el BTS y el BSC se integran en un mismo equipo, el BSS (Base Station Subsystem). También cada MSC tiene su propio VLR, que puede cubrir varias áreas. Cada área se identifica por una identidad de área (LAI) compuesta por tres dígitos de país, dos de red GSM (puede haber varios proveedores en un mismo país) y dos octetos de identidad de área. Cada celda se identifica por una identidad de área, más un campo variable de identidad de celda que siempre es menor de 16 bits. a 16 anales MSC VLR HLR AuC TMSI Kc Ki Kc Ki Tripletas Por otro lado, cada estación base tiene un código de 6 bits denominado BSIC con el que se distingue de los adyacentes para el envío de las medidas hacia el MSC. Este BSIC puede repetirse en el mismo país para dos BTS que no estén próximas. En el MSC hay 4 registros o bases de datos: HLR, VLR, EIR, AuC. Identidades en GSM El HLR (Home Location Register) y el VLR (Visitor Location Register) junto con el MSC proporcionan la ruta o camino de la llamada (routing) y la capacidad de roaming (seguimiento de la llamada) del GSM (Figura 2). El HLR (en castellano se denomina RPB, registro de posiciones base) contiene toda la información administrativa de cada cliente registrado en la red GSM con la actual localización del móvil. Hay un HLR por cada red GSM, aunque puede estar El VLR contiene la información del HLR necesaria para el control y ejecución de los servicios contratados para cada móvil situado en el área geográfica controlada por el VLR. Aunque el VLR puede ser configurado como una entidad independiente todos los fabricantes lo sitúan junto en el MSC, de forma que el área geográfica controlada por el MSC corresponde a la controlada por el VLR. De esta forma se simplifica la señalización. Los otros dos registros se utilizan para autenticación y seguridad. El EIR (Equipmenent Identity Register) es una base de datos que contiene una lista de los equipos móviles válidos en la red en donde cada estación móvil se identifica con su IMEI. El AuC (Authentication Center) es una base de datos protegida que almacena una copia de la clave secreta almacenada en cada tarjeta SIM y que se utiliza para la autenticación y encriptado de la señal en el canal de radio. Cada usuario posee un número personal denominado IMSI, de ámbito internacional. Está memorizado en la tarjeta SIM (Subscriber Identity Module) en la cual también se graba un código personal PIN de cuatro dígitos que protege del uso indebido del terminal. De esta clave secreta una copia se almacena en la tarjeta SIM y otra en el AuC. El usuario también se identifica, para el resto de los que le llaman, por su número de directorio ISDN.

4 El IMEI es un número de identificación grabado internamente por el fabricante. Este número puede ser solicitado por la red para comprobar si no se encuentra en una lista de equipos robados o con mal funcionamiento. Cuando un móvil se mueve por un área controlada por un VLR, en éste se le asigna un número temporal (TMSI). En el HLR y en el VLR se memorizan para usuario unas claves Ki y Kc que sirven para autenticar y cifrar. En la tarjeta también se graba la identidad del última área de localización visitada. En el centro de autenticación (AuC) que puede estar en el mismo lugar que el HLR se generan y almacenan por cada IMSI cinco tripletas de autenticación compuestas por cinco conjuntos de serie pregunta, serie respuesta y llave de cifrado. Autentación Cuando un móvil entra en una celda perteneciente a un FIGURA 3. AUTENTIFICACIÓN Y CIFRADO Petición de actualización de localización TSMI Último LA Petición de autentificación Serie aleatoria Serie respuesta Comienzo de cifrado Datos cifrados área diferente de la última visitada debe actualizar su localización. Para ello, figura 3, se envía al nuevo VLR una petición de actualización, en donde incluye su último TMSI y la identidad de la última área visitada. Este VLR le pide al antiguo una serie de datos de móvil, y éste le contesta envían el IMSI, la clave KC y una tripleta. El nuevo VLR le envía al móvil una petición de autenticación junto con una serie aleatoria. Este proceso implica a dos entidades funcionales: la tarjeta SIM del móvil y el Centro de Autenticación (AuC). Durante la autenticación, el AuC genera un número aleatorio que envía al móvil. El móvil y el AuC junto con la clave secreta Ki y un algoritmo de cifrado denominado A3 genera una señal de respuesta SRES que se envía de vuelta al AuC. Si el número enviado por el móvil es el mismo que el calculado por el AuC el móvil se considera autentificado. En el caso que el móvil entre en la red por primera vez (no hay VLR antiguo), envía al actual VLR su IMSI en la petición de actualización. Enlace de radio La UIT (International Telecommunication Union), que maneja la localización de los canales de radio le ha dado las siguientes frecuencias al GSM en Europa: - UPLINK (de móvil a Estación Base): MHz. -DOWNLINK (de Estación Base a Móvil): MHz. Las principales características del GSM son: - Tipo de servicio: telefonía celular pública. - El acceso al medio se realiza mediante TDMA/FDM, esto es acceso por división el tiempo. - Tiene 124 canales, y cada canal puede dar servicio a 8 o 16 usuarios a la vez. - Ancho de banda del canal 200 khz. - La modulación empleada es GMSK. - La velocidad máxima del canal de radio es kbps - Duración de un bit de 3,692 msec. - La longitud de una trama es de 4,615 msec, y la longitud de un slot de tiempo 0,577 msec. - Codificación de la voz: RELP-LTP 13 kbps - Potencia de salida de 20 mw a 20W. - La especificación es la GSM Standard. aanales 17

5 FIGURA 4. EJEMPLO DE UTILIZACIÓN DE TDMA Time Slot 0 Time Slot 1 Time Slot 2 energía de forma progresiva (ramp up), emite, y baja su nivel de tensión progresivamente (ramp down). Estos tiempos de subida y bajada en rampa que separan un canal de otro se denominan tiempos de guarda y equivalen a los tiempos de transmisión de 8,25 bits. Canales de tráfico Múltiple acceso y estructura del canal Dado que el canal de radio es un recurso limitado debe ser compartido por tantos usuarios como sea posible. El método elegido por GSM es una combinación TDMA / FDMA (Time and Frequency Division Multiple Access). FDMA implica la división en frecuencia. Se divide la banda asignada en 124 frecuencias de portadora con un ancho de banda de 25 MHz y separadas 200 khz. Cada una de estas frecuencias es entonces dividida en tiempo utilizando el TDMA (figura 4). La unidad de tiempo en este esquema TDMA se denomina canal y es de 15/26 ms( ms). Se agrupan ocho canales en una trama TDMA (120/26 ms, 4,615 ms) que forma la unidad básica para la definición de los canales lógicos. De todas las frecuencias asignadas a una BTS (fo...fn), la fo se denomina frecuencia piloto de la celda (beacon frequency) y se dedica obligatoriamente durante el slot de tiempo cero (y opcionalmente en los 2, 4 6) a la emisión y recepción de canales de control. En cada frecuencia asignada a un celda hay 8 canales, numerados del 0 al 7. El canal 0 de fo se denomina canal piloto o canal de control. El resto de las frecuencias y los canales 1 al 7 de fo se denominan canales de tráfico. La BSC asigna par un determinado móvil en una conexión una frecuencia y un slot de tiempo. Los sucesivos envíos de bits que cada móvil hace o escucha en su tiempo de trama TD- MA constituyen su canal, definido por tanto por la frecuencia y el slot de tiempo. Para separar un canal de otro la portadora sube su nivel de Un canal de tráfico se utiliza para voz y datos. Los canales de tráfico se definen usando una multitrama de 26 tramas (grupo de 26 tramas TDMA). La longitud de una multitrama es 120 ms. De las 26 tramas, 24 se usan para tráfico, 1 para el SACCH (Slow Associated Control Channel) y 1 actualmente no se usa. El TCH (Traffic Channel) para uplink y downlink están separados en el tiempo por 3 veces la duración de un canal (3x ms), con lo que el móvil no transmite y recibe simultáneamente, con lo que se simplifica la electrónica. Cada canal de tráfico transporta 156,25 bits cada 0,577 ms FIGURA 5. TRAMAS Y MULTITRAMAS EN UNA RED GSM Trama 0-11: TCH Trama 12: SACCH Trama 13-24: TCH Trama 25 sin uso Trama TDMA Duración 60/13 ms. Multitrama de 26 tramas. Duración 120ms. TCH: Traffic Channel SCCH: Slow Associated Control Channel Bits de datos Cabecera Stealing bit Stealing bit Final de trama Secuencia de entrenamiento Bits de datos Bits de Guarda Canal Duración 15/26 ms a 18 anales

6 FIGURA 6. HIPERTRAMAS EN UNA RED Canales de control Canales de tráfico Hipertrama Hipertrama Supertrama Supertrama Los canales de control se organizan en multitramas de 51 tramas (cada trama tiene 8 canales) que a su vez forman conjuntos de 26 supertramas. A partir de aquí se forman hipertramas con 2047 supertramas. Se pueden distinguir entre: 0 50 Multitrama 0 50 Multitrama Canales de difusión. Son escuchamos por todos los móviles. 0 7 Trama de una comunicación. Estos bits son usados para una comunicación de voz o de datos previos procesos de codificación de voz, de canal y entrelazado en un caso o de bloque, de canal y entrelazado en otro. En caso de envío de datos el terminal puede pedir envío transparente o no. En el primer caso se adapta el flujo de datos de 2400 a 9600 b/s al canal de tráfico; después se pasan los datos por un algoritmo de bloque, antes de la codificación de canal. En el segundo caso los datos se envían insertados en campos de información de tramas de un protocolo HDLC de formato particular. Opcionalmente la Red puede usar el procedimiento de salto en frecuencias (frequency hopping) que consiste en enviar cada canal no por una portadora fija sino que se cambian cada trama. El orden de cambio sigue una secuencia fija, existiendo hasta 64 secuencias tramas (cada trama tiene 8 canales) que a su vez forman conjuntos de 51 supertramas. A partir de aquí se forman hipertramas con 2047 supertramas. Canales de control Estos canales de control no se utilizan para transmitir voz, únicamente para radiar o recibir información general hacia o desde todos los móviles situados en la celda. Esta información se utiliza para el control y el manejo de las comunicaciones, como peticiones de servicio o respuestas a llamadas. 120 o Trama Vista superior 120 o FIGURA 7. ANTENA GSM BCCH: Canal de control de difusión (de BSS a todas las MS). Se envía en el slot 0 de fo y contiene 6 mensajes de 23 bytes cada uno con información de difusión diversa. A cada paquete de 23 bytes se le añade un código cíclico, pasando a 244 bits y luego se pasa por un código convolucional de 1/2, obteniéndose 456 bits. Entre la información que se envía por este canal se incluyen las identidades de la red, la celda y el área, las frecuencias utilizadas en la celda, incluyendo fo, el mínimo nivel de recepción y la máxima potencia a utilizar. Vista lateral Los canales de control se organizan en multitramas de 120 o 3 m FCCH: Canal de corrección de frecuencia (de BSS a todas las MS). Es un patrón de bits fijos que al pasar al modulador producen 1,625 khz sobre fo. esta freaanales 19

7 cuencia en recepción sirve para la sintonización de los móviles. SCCH: Canal de sincronización (de BSS a todas las MS). En este canal se incluyen datos como el número de trama. El subsistema de Estación Base envía los canales de control ordenados en tramas, de 0 a , de modo que se puedan poner de acuerdo ambos extremos en procesos tales como el cifrado. También se envía la secuencia de entrenamiento del ecualizador y la identidad (BSIC) de la Estación Base formada por 6 bits que diferencian una estación de las vecinas. Canales de control común. Son comunes a todos los usuarios. Van dirigidos a un móvil concreto. Constan de 23 bytes que se convierten en 456 bits después de codificarse y pasar por un código convolucional. RACH: Canal de acceso aleatorio (de BSS a 1 MS) PCH: Canal de búsqueda (de 1 MS al BSS) AGCH: Canal de acceso aleatorio (de BSS a 1 MS) SACCH: Canal dedicado de control lentamente asociado (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). en este canal se envían medidas del móvil a la estación y consta de mensajes de 23 bytes con medidas de recepción de la misma fo a la que está sintonizado y de las fo de las celdas vecinas que observa. Estos 23 bytes se convierten en 4 bloques de 114 bits que se envían consecutivamente en 4 slots de tiempo consecutivos. FACCH: Canal dedicado de control rápidamente asociado (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). Codificación de voz GSM es un sistema digital, con lo que hemos de digitalizar la voz para enviarla por el interfaz aire. La voz se convierte de analógica en digital mediante un conversor que proporciona muestras por segundo de 13 bits cada una. El método empleado por las redes ISDN y los actuales sistema telefónicos es la modulación PCM (Pulse Code Modulation). La trama de salida del PCM son 64 kbps, que es una velocidad demasiado alta para un canal de radio. El grupo GSM estudió muchos algoritmos de digitalización y eligió un sistema de codificación denominado RPE-LPC con LTPL (Regular Puse Excited - Linear Predictive Coder with Long Term Predictor Loop). Básicamente, la información obtenida de las muestras anteriores, que no cambia muy rápidamente, se usa para predecir la muestra actual. La voz se divide en muestras de 20 ms, y cada una de ellas se codifica como 260 bits, dando una velocidad de 13 kbps. Codificación de canal y modulación A causa de las interferencias electromagnéticas tanto naturales como producidas por el hombre, la voz y los datos codificados en el interfaz radio deben ser protegidos de errores. El GSM utiliza codificaión convolucional y entrelazado para proteger los datos. El algoritmo usado es diferentes para la voz y Canales de control dedicados. Canal asignado a un móvil en un momento. FIGURA 8. ESTRUCTURA DEL PROTOCOLO DE SEÑALIZACIÓN EN GSM Um A SDCCH: Canal dedicado de control independiente (de BBS a 1MS y de 1MS al BBS). Es un canal de señalización que consta de 23 bytes que se envían sobre una trama HDLC. Estos 23 bytes se convierten en 4 bloques de 114 bits que se envían consecutivamente en 4 slots de tiempo consecutivos. GSM Capa 3 Capa 2 Capa 1 CM CM MM Abis MM RR LAPDm TDMA RR LAPDm TDMA BSSMAP SCCP MTP BSSMAP SCCP MTP Estación móvil BTS BSC MCS a 20 anales

8 las diferentes velocidades de datos. En el caso de la vozel método se describe a continuación. Se ha encontrado que algunos bits del bloque de 260 bits son más susceptibles a errores que otors. Se han dividido entonces en tres clases: Clase Ia: 50 bits. Los más sensibles a errores. Clase Ib: 132 bits. Moderadamente sensibles a errores. Clase II: 78 bits. Los menos sensibles a errores IMSI TMSI Escucha 124 frecuencias Elige las 30 mejores Selecciona Fo Lee identidad de área FIGURA 9. LOCALIZACIÓN DEL MÓVIL Si la entidad de área es diferente se procede a la actualización de localización Repuesta de autentificación Cifrado aceptado Completada actualización Petición de autentificación de localización Petición de autentificación Comienzo de cifrado Actualización aceptada ANTIGUO MSC MSC VLR Los bits de clase I tienen 3 bits de CRC (Cyclic Redundancy Code) para detección de errores. A estos 53 bits junto con los 132 bits de clase Ib y 4 bits de fin de trama (total 189 bits) se les aplica un código convolucional de velocidad 1/2 y longitud 4. cada entrada se codifica como 2 bits de salida basada en la combinación de los 4 bits anteriores. La salida de este codificador convolucional son 378 bits, a los que se añaden los 78 bits de clase II, que no se protegen. De esta forma, cada 20 ms de coversación se conviereten en 456 bits, dando una velocidad de 22.8 kbps. Para proteger contra errores de ráfaga, estas muestras se entrelazan. Estos 456 bits se dividen en 8 bloques de 56 bits y se transmiten en 8 tramas consecutivas. La señal digital se modula en una portadora analógica utilizando una modulación GMSK. Se ha seleccionado esta modulación como un compromiso entre eficacia espectral, complejidad del emisor, y limitación de espúreos. esta limitación de espúreos debe ser controlada fuera del ancho de banda permitidopara limitar la interferencia con los canales adyacentes y permitir la coexistencia del GSM con los sistemas analógicos. Ecualización multipath Actualiza localización A la frecuencia de 900 Mhz las ondas de radio rebotan con todo: edificios, colinas, vehículos, aviones... Muchas de estas ondas reflejadas, cada una con diferente fase, llegan a la antena receptora. La ecualización se utiliza para extarer la señal deseada de las reflexiones. El sistema trabaja analizando como se ven afectadas las señales debido al efecto multipath y construyendo un filtro inverso para recuperar la señal. Par ello utiliza una secuencia de bits de entrenamento situados en mitad de cada trama. En GSM se consideran cuatro modelos de propagación multipath: urbano, montaña, rural y suburbano. Se asumen para ellos diferentes formas y y duraciones: entre 18 ms a 20ms o hasta 5 bits. En general, las antenas del GSM, que están polarizadas verticalmente, están situadas en zonas urbanas en lo alto de edificios y en zonas rurales en lo alto de torres construidas a al efecto. Se suelen poner 9 antenas situadas en tres planos a 120º (figura 2) de forma que hay 3 antenas por plano. De las 3 antenas situadas en cada plano las de los extremos son de recepción y la central de transmisión. Salto de frecuencia En el caso de no existir salto en frecuencia (hopping) la BS emite en una frecuencia dentro aanales 21

9 El GSM ofrece movilidad internacional y una gran variedad de servicios como telefonía, fax, transferencia de datos Clase 1: 20 W/ 43 dbm. Clase 2: 8 W/ 39 dbm. Clase 3: 5 W/ 37 dbm. Clase 4: 2 W/ 33 dbm. Clase 5: 0,8 W/ 29 dbm. de las subportadoras de que dispone dentro del conjunto de 124. El GSM puede implemetar un salto en frecuencia lento, donde el móvil y la BTS transmiten cada trama TDMA en una diferente frecuencia de portadora. El algoritmo de salto en frecuencia se difunde por el canal de control. Debido a que el multipath depende de la frecuencia de portadora, este salto en frecuencia ayuda a aliviar el problema. La unidad de hopping admite como entradas a una matriz de conmutación a las diferentes tramas y como salida las líneas de input sobre el modulador que ataca a las diferentes mportadoras previstas. El número de portadoras deberá ser mayor o igual. A la unidad de control de hoppoing se le puede indicar que un determinado slot de tiempo utilice siempre la misma portadora, es decir que ese canal no se utilice en el hopping. Transmisión discontínua Minimizar la interferencia entre canales es un reto en cualquier sistema celular, dado que ello permite mejor servicio para un tamaño definido de celda o el uso de celdas más pequeñas, con lo que se incrementa la capacidad del sistema. La transmisión discontínua (DTX) es un método que se aprovecha del hecho de que una persona habla menos a 22 anales de un 40% en el tiempo normal de una conversación, de esta forma el transmisor se apaga durante los períodos de silencio. Un beneficio añadido es que se ahorra batería en el móvil. El componente más importante del DTX es el sistema de detección de actividad vocal (VAD). Debe distinguir entre voz y ruido de fondo, una asunto que no es trivial dado que si la voz se interpreta como ruido, el transmisor se apaga. Por otro lado, si el transmisor se apaga no le llega nada de sonido al receptor. Esto se manifiesta como si no hubiera nadie al otro lado de la línea, que es una sensación sumamante incómoda. Por ello se crea un ruido de fondo con las características del ruido de fondo del emisor. Recepción discontínua Otro método usado para ahorrar baterías es la recepción discontínua. Cada estación móvil sólo necesita escuchar el sub-canal por el que le llegan los datos. Entre dos subcanales sucesivos se puede poner en modo sleep, en donde el consumo de potencia es mucho menor.. Control de potencia Gay definidas 5 clases de estaciones móviles de acuerdo a la potencai del transmisor: Para hacer mínima la interferencia entre canales y ahorrar energía, ambos el móvil y la estación base funcionan con el menor livel de potencia necesario para mantener una señal de calidad aceptable. El nivel de potencia se puede subir o bajar en pasos de 2dB hasta un mínimo de 13 dbm (20 mw). La Estación Móvil mide la potencia de la señal o la calidad de la misma (basada en el BER) y para esta información al BSC, que es quien decide si hay que modificar la potencia de transmisión. Aspectos de la red Asegurar la transmisión de datos y voz con una determinada calidad sobre el enlace de radio es sólo una parte de las funciones de una red móvil celular. El hecho de que el área geográfica cubierta por la red esté dividida el células necesita la implementación del mecanismo del handover. También el hecho de que el móvil puede desplazarse por distintas naciones y proveedores de servicios (roaming) requiere que el registro, autentificación, direccionamiento de llamadas y puesta al dia de los datos de localización del móvil sean funciones que deben estar implementadas en la red GSM.

10 Abonado Central de la red fija PSTN/ISDN FIGURA 10. PROCEDIMIENTO DE LLAMADA GATEWAY MSC HLR Central PSTN/ISDN MSC/VLR Móvil MAP es sumamente compleja y es uno de los documentos más largos en las recomendaciones GSM (más de 500 páginas). MSISDN MSISDN MSISDN MSRN MSRN IMSI Manejo de los recursos de radio Nodo de conmutación El protocolo de señalización en GSM está estructurado en tres capas (figura 7). La capa 1 es la capa física, que utiliza la estructura de canales que se ha visto anteriormente. La capa 2 es la capa de enlace de datos. A través del interface Um el enlace de datos es una versión modificada del protocolo LAPD usado en ISDN, que se denomina LAPDm. La capa 3 del protocolo de señalización de GSM se divide en tres subcapas: - RR (Manejo de recursos de radio). Controla la inicialización, mantenimiento, y terminación MSRN MSRN TMSI de los canales de radio, incluyendo los handovers. - MM (Manejo de la movilidad). Maneja los procedimientos de registro y puesta al dia de la localización así como la seguridad y autenticación. - CM (Manejo de la conexión). Maneja el control de las llamadas, los servicios complemetarios y el servicio de mensajes cortos. La señalización entre las diferentes entidades en la parte fija de lared, así como entre el HLR y el VLR se realiza a través del MAP (Mobile Aplication Part). la especificacaión del La capa del manejo de los recursos de radio (RR) vigila el establecimeinto del enlace, tanto de radio como fijo, entre la estación móvil y el MSC. Una sesión RR se inicia siempre por un móvil a través de un procedimiento de acceso, tanto para una llamada al exterior o como respuesta a un mensaje de paging. Maneja los recursos tales como la configuración de los canales de radio, la localización de canales dedicados, características del canal de radio como control de potencia, transmisión discontínua... Handover FIGURA 11. SERVICIOS PORTADORES Modem Voz Modem 13Kb/s BS 64Kb/s MSC 64Kb/s PSTN 13Kb/s REDES DE PAQUETES Fax Fax En una red celular, la radio y el enlace fijo no permanecen situados en el mismo sitio durante el tiempo de llamada. El handover es la conmutación de una llaaanales 23

11 mada en curso a un diferente canal o celda. La ejecución y las medidas requeridas para el handover es una de las funciones básicas de la capa RR. En GSM hay 4 tipos diferentesde handover: De canal en la misma celda De celda bajo el control de la misma BSC. De celda bajo el control de diferente BSC pero perteneciendo a la misma MSC. De calda bajo el control de diferente MSC. Los dos primeros tipos de denominan handover internos implican una sola BSC. Son manejados por la BSC sin implicar al MSC, excepto para notificar la terminación del mismo. Los dos últimos tipos se denominan handover externos y se encargan de ellos las MSC implicadas. La MSC original se denomina anchor MSC y la nueva relay MSC. El handver se puede iniciar tanto por el móvil como por la MSC. El móvil explora el BCC de hasta 16 celdas vecinas y conforma una lista con las 6 mejores candidatas para posibles handover basándose en la potencia de las señales recibidas. El algoritmo para decidir cuando hay que dar un handover no está especificado en las recomendaciones GSM. Se usan dos tipos de algoritmo basados en el control de potencia. Manejo de la movilidad La capa de manejo de la movilidad (MM) está situada encima de la capa RR y maneja las funciones que derivan de la movilidad del abonado, así como los aspectos de autenticación y seguridad. El manejo de la localización tiene que ver con los procedimientos que permiten al sistema conocer la actual localización de un móvil para que se pueda completar el direccionamiento de una llamada. Localización del móvil El abonado enciende su terminal e introduce su tarjeta personal de identificación. En ella está su IMSI y el último TMSI asignado. El móvil escucha las 124 frecuencias y selecciona las 30 mejores. Busca las frecuencias fo (canal de sincronización), y elige la mejor. estas medidas se hacen sobre al menos 5 muestras durante 3 a 5 segundos. Una vez encontrada fo lee la identidad de área de los datos difundidos por la BTS. Si es diferente de la última memorizada en su tarjeta se procede a una actualización de localización. Este mensaje de petición de actualización de localización la BSS lo retransmite hacia el MSC/VLR. Este MSC/VLR envía un mensaje al antiguo MSC/VLR que le devuelve como respuesta una serie de datos. El nuevo MSC/VLR le envía al móvil un mensaje de petición de autenticación a través del BSS. En el caso de que el móvil entre por primera vez en la red el MSC/VLR le envía los datos al FIGURA 12. SISTEMA INTEGRA DE COMUNICACIONES MÓVILES a 24 anales

12 HLR en vez de al antiguo MSC/VLR. El móvil envía al MCS/VLR una respuesta de autenticación. Si todo es correcto el MSC/VLR envía el mensaje actualiza localización al HLR y envía al móvil un mensaje de comienzo de cifrado. El móvil le envía al MSC/VLR un mensaje de comienzo de cifrado aceptado. El BSS envía al móvil el mensaje actualización aceptada con un nuevo TMSI y la nueva identidad de área en un mnesaje cifrado. El móvil responde con el mensaje completada la actualización del TMSI. Actualización de la localización Un móvil encendido es informado de una llamada mediante un mensaje enviado por el canal PAGCH de una celda. El GSM envía estos mensajes al área de localización donde se encuentra el móvil. Únicamente es necesario actualizar la localización cuando el móvil sale fuera del área de localización. En los procedimientos de localización y subsiguiente direccionamiento de llamadas, se usan los registros HLR y VLR. Cuando un móvil cambia de área de localización se envía un mesaje de actualización de localización al nuevo MSC/VLR que guarda esta información y la envía al HLR. Por razones de fiabilidad tiene un procediminento periodico de actualización de localización. El tiempo entre actualizaciones periódicas está controlado por el operador del sistema. Cifrado y seguridad Mediante la clave del usuario usando un algoritmo denominado A8 se puede obtener una clave para cifrar el mensaje.. Esta clave de cifrado usa el algoritmo A5 para crear una secuencia de 114 bits a la que se hace la función XoR la trama TDMA. Encriptar es una opción queno se usa demasiado ya que en GSM la señal ya está codificada, entrelazada, y enviada en una trama TDMA lo que le da una gran protección. Otro nivel de seguridad está en el equipo móvil en si mismo. El términal móvil GSM se identifica por por el número IMEI. La lista de IMEI de la red se almacena en el EIR. Como respuesta a un apetición de IMEI al EIR se devuelve uno de los siguientes estados: Lista blanca. Se permite al terminal conectarse a la red. Lista gris. El terminal está bajo la observación de la red debido a posibles problemas. Lista negra. El terminal se ha denunciado como robado o es de un tipo que no está aprobado. No se permite conectar el terminal a la red. Manejo de las comunicaciones Para el acceso al canal radio se emplea una combinación TDMA/FDMA La capa de manejo de comunicaciones (CM) es responsable de el control de llamadas (CC), del manejo de los servicios suplementarios, y del manejo de los servicios de mensajes cortos. Cada uno de estos puede considerarse como una subcapa separada dentro de la capa CM. Direccionamiento de llamadas En el caso de la red GSM, al ser una red para servicios a móviles, un usuario de esta red puede moverse dentro de su pais e incluso a otros paises. El número a marcar para localizar a un movil se llama MSISDN (Mobile Subscriber ISDN) y está definido en el plan de numeración E.164. Este número incluye un código de pais, y un código de destino nacional, que identifica al operador. Una llamada para un móvil se direcciona a la función gateway MSC (GMSC). El GMSC interroga al HLR para obtener la información del direccionamiento y además contiene una tabla que vincula los MSISDN a sus correspondientes HLR. La información de direccionamiento que se le devuelve al GMSC es el MSRN (Mobile Station Roaming Number)., que está también definido en el plan de numeración E.164 (figura 10). Servicios ofrecidos Existen en GSM tres tipos de servicios: aanales 25

13 El servicios básico del GSM es la telefonía. La voz se codifica de forma digital y se transmite como un conjunto de bits Servicios portadores (Figura 10): comunicación vía modem, paquetes, datos transparentes-no transparentes Voz digitalizada usando 13 Kb/s en el interfaz aire y 64Kb/s en la red fija. 2. Digital sin restricciones, usando 12 Kb/s del canal de tráfico para envío de datos transparentes. También se pueden enviar de forma no transparente utilizando tramas HDLC entre el móvil y el MSC. 3. Audio 3,1 khz para el envío de datos vía módem. Este envío se puede hacer de modo transparente o no transparente. 4. Voz seguida de envío de datos digitales produciéndose el cambio mediante envío de un mensaje. 5. Voz seguida de envío de datos digitales produciéndose la alternamcia por mensaje. 7. Acceso a PAD (red conmutada de paquetes). Se pueden enviar datos hasta 9600 bps hacia PSTDN (Packet Switched Public Data Networks), ISDN... usando una gran variedad de protocolos como X.25 o X.32 a 26 anales Teleservicios: telefonía de voz, fax... El servicio básico del GSM es la telefonía. La voz se codifica de forma digital y se transmite por la red GSM como un conjunto de bits. 1. Telefonía de voz. 2. Llamadas de emergencia destinadas a determinados números. 3. Distribución y radiodifusión de mensajes cortos (239 bytes máximo). 4. Distribución de correo electrónico. 5. Acceso a videotex. 6. Teletex. 7. Facsímil grupo Conversación alternada con facsínil. Servicios suplementarios: desvios de llamadas, llamada en espera Identificación de números: presentación del número del llamante, llamada maliciosa Facilidades para establecer llamada: desvío de llamadas, grupo de captura Facilidades para completar la llamada: llamada en espera Llamadas múltiples: conferencia múltiple Tarificación: aviso de trificación, cobro revertido Prohibición de llamadas: salientes, internacionales, entrantes... Este sistema incorpora el roaming o sea la posibilidad de ser localizado a nivel europeo, esto es fuera de la cobertura del proveedor de servicios telefónicos del que seamos cliente. En la figura 11 se representa un sistema integrado de comunicaciones móviles para dar cobertura tanto a servicios de voz como de datos. a Bibliografía 1. Analog and digital communication systems. Martin S. Roden. Prentice Hall. 2. Evaluating spread spectrum alternatives. Amos young. Wireless design and developement. 3. El futuro de las comunicaciones móviles: interoperatividad y/o convergencia. J. Bursztejn. Comunicaciones Eléctricas. 3Q Ingeniería de las telecomunicaciones. J. Dunlop y D.G. Smith. Editorial Gustavo Gili. 5. Cálculo de antenas. Armando García Domínguez. Marcombo. Boixareu editores. 6. Spread spectrum systems. R. C. Dixon. John wiley and sons. 7. Digital communications. Funfamentals and applications. Bernard Sklar. Prt Prentice Hall. 8. Mobile antenna systems handbook. k. J. Fujimoto y j. R. James. Artech House. 9. Gsm and peersonal communications. Siegmund redl, Mathias Weberm, Malcolm Oliphant. Artech house. 10. GSM system engineering. Asha mehrota. Artech house.