Telefonía móvil celular, GSM 1
Sistemas celulares 2
Organización del sistema celular La filosofía de los sistemas celulares es utilizar estaciones base de pequeña o mediana potencia y dar servicio a un área más limitada (estación base <-> célula). En cada célula se puede utilizar una subbanda (subconjunto) de frecuencias, dentro de la banda total que el operador tenga asignada. En una célula sólo se ofrece una parte de todos los radiocanales de los que el operador dispone. Se considera un radiocanal la pareja de frecuencias para el enlace ascendente y para el descendente. 3
Diseño recursos de acceso Los radiocanales de una célula se comparten entre todos los móviles que están en la célula y se asignan de forma dinámica. Es posible reutilizar radiocanales. El diseño del número de radiocanales necesarios en una célula es función del tráfico esperado (probabilidad bloqueo llamada) 4
Localización, traspasos, roaming El móvil debe estar permanentemente localizado =>Registros de localización=> si se recibe una llamada para un terminal, la red la encaminarla. Traspaso: Cambio de radiocanal de una comunicación ya establecida (handover) sin perder la comunicación en curso. Roaming: Es posible que un usuario sea localizado y pueda seguir utilizando un servicio incluso si el servicio lo ofrece otro operador => esfuerzo de coordinación => tarificación (protocolo MAP) 5
Evolución sistemas celulares 6
1G: Telefonía analógica Años 80: Sistemas de telefonía analógica Problemas: Limitaba la calidad, características y tipos de servicios. Escasas prestaciones (regimen de monopolio). No permitía roaming (incompatibilidad de sistemas) En 1982, en el marco de la CEPT (Conference Europeenne des Postes et Telecommunications) se crea el llamado Groupe Speciale Mobile (GSM), para preparar el estándar de un sistema de telefonía móvil público. Objetivo: Especificar unas interfaces básicas entra las unidades funcionales del sistema para construirse las redes con equipos de distintos fabricantes. 7
2G. Sistema GSM (I) Primer sistema digital. Permite : Servicios básicos de voz (13kbps FR, 6.5 kbps HR) y datos (9600 kbps) Empleo de sistemas de señalización digitales Amplia variedad de servicios suplementarios: desvío, identificación llamante, llamada en espera, grupo cerrado de usuarios,prohibición de llamadas... Interconexión con la ISDN Uso de teléfonos portátiles Calidades altas de cobertura y de señal recibida Gran capacidad de tráfico Utilización eficiente del espectro radioeléctrico Seguridad y encriptado de los datos. Itinerancia internacional dentro de los países de la CE 8
2G. Sistema GSM (II) PSTN/ISDN PSTN: Public Switch telephone Network PLMN: Public Land Mobile Network 9
2.5G. Sistema GPRS/EDGE GPRS son las siglas de General Packet Radio Service (tecnología para transferir paquetes utilizando la interfaz radio de GSM). Cambios software y hardware, introducción de elementos nuevos para adaptar la red a la conmutación de paquetes. A la red de conmutación de circuitos se le añade una red de transporte IP (IP Backbone) paralela. Los datos se transmiten en la capacidad excedente de la red de voz, usando los intervalos libres temporales =>no es posible ofrecer niveles de calidad de servicio altos (conexiones best effort ) EDGE es una evolución de GPRS que introduce mejoras en la Red de Acceso para multiplicar la tasa binaria de GPRS (multiplica x3 tasas binarias de unos 40 kbps) 10
Historia GSM Date Task Completion 1979 Europe wide frequency Band set aside for cellular. 1982 Groupe Special Mobile is created within CEPT. 1986 GSM has full time team in Paris. 1988 ETSI takes over GSM Committee. First Tender invitations made. 1990 The phase 1 GSM Recommendations are frozen. 11
Historia GSM Date Task Completion 1991 DCS1800 Phase 1 recommendation frozen. GSM Committee takes on next generation radio communication systems (UMTS). 1992 The GSM Committee is renamed Special Mobile Group GSM System is renamed Global System for Mobile Communications". 1992 GSM is launched for commercial operations. 1993 The phase 2 GSM Technical Specifications are frozen. World's first personal communication network (DCS1800) launched in UK in September. 1994 GSM Commercial operations coverage world-wide exceeded GSM committee expectations (Russia, China, India, Middle East, Far East). 1995 DCS1800 Commercial Operations launched in Thailand, Qatar and United Kingdom. GSM System declared as the `Gateway' for Iridium Satellite System. 1996 Introduction of microcellular techniques in GSM900/DCS1800 networks. 12
Cómites GSM (ETSI) Committee Name Committee Responsibility Technical Specifications SMG1 Definition of services 01, 02 SMG2 Specification of radio Transmission 03, 05, 06 SMG3 Network Architecture, Signalling Protocols, Open Interfaces 03, 04, 08, 09 SMG4 Data Services 07 SMG5 UMTS - SMG6 Operation and Maintenance 12 11 series Test Specification 11 13
Especificaciones GSM - Series Specification Series Number Specification Coverage 00 Preamble 01 General 02 Service Aspects 03 Network Aspects 04 MS-BS Interface and Protocols 05 Physical Layer in the radio Path 06 Audio Aspects 07 Terminal Adaptors for Mobile Stations 08 BTS/BSC ad BSC/MSC Interfaces 09 Network Interworking 10 Service Interworking 11 Equipment Specification and Type Approval Specification 12 Network Management (including O & M) 14
2.5G. Sistema GPRS/EDGE (II) PSTN/ISDN internet intranet 15
3G. Sistema UMTS/HSDPA (I) 3G: En Europa, UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Busca la completa globalización de las comunicaciones móviles además de servicios más sofisticados. Convertir la red de telefonía móvil en una red de telecomunicaciones móvil Objetivos: Especificación normalizada de carácter internacional (3GPP) Claro valor añadido respecto a GSM Soportar tráfico multimedia Servicios ofrecidos al usuario final independientes del acceso radio y la infraestructura de red. HSDPA es una evolución de 3G que introduce mejoras en la Red de Acceso para multiplicar la tasa binaria de UMTS (de 2Mbps a 14 Mbps) 16
3G. Sistema UMTS/HSDPA (II) Configuración de Release 99: PSTN/ISDN Internet intranet 17
Evolución sistemas 3G Cambio en la estructura de red de forma: Conseguir un backbone de red basado totalmente en IP (para todo el tráfico, paquetes normales y tráfico en tiempo real de alta calidad) => optimización de retardos y calidad del servicio. Permitir distintas modalidades de acceso radio. 18
Arquitectura funcional red GSM 19
Arquitectura funcional (I) Unidades funcionales: Son entidades que tienen a su cargo la ejecución de las funciones del sistema. Funciones de red: transmisión y conmuntación (NSS) Funciones relativas a los aspectos radioeléctricos (BSS) Interfaces: Son las fronteras de separación entre las unidades. Tres grandes bloques: El subsistema de estación base BSS (Base Estation Subsystem) El subsistema de conmutación y red NSS (Network Switching Subsystem) OSS Subsistema de operación y mantenimiento, (Operation and Support Subsystem) 20
Arquitectura funcional (II) Al especificar entidades funcionales e interfaces normalizadas, siempre que se cumplan las especificaciones, los equipos de todos fabricantes podrán interaccionar entre sí y un operador podrá comprar sus equipos a distintos fabricantes. 21
Unidades funcionales: BSS El subsistema BSS está formado por: Las estaciones base o BTS (base transceiver station) son equipos que contienen los transceptores radio (TRX) y las antenas. El controlador de estación base BSC (Base Estation Controller). Actúa como concentrador remoto de tráfico de varias estaciones base. Son responsables de la asignación dinámica de canales radio para la comunicación entre las estaciones base y móviles. Pueden conectarse a las estaciones base por cable o radioenlace. 22
Unidades funcionales: NSS (I) MSC: Centros de conmutación de servicios móviles MSC (Mobile Switching Center). Son centrales de conmutación como las de las redes fijas, con software específico para el entornos móviles y para actuar como pasarela a red fija (en el caso de las GMSC) Soporte de movilidad, traspasos, autenticación... GMSC: MSC de cabecera, (Gateway MSC), a través del cual se efectúa la conexión de la PLMN/GSM con las redes fijas. 23
Unidades funcionales: NSS (II) El tratamiento de llamadas requiere la consulta por parte de la MSC de distintas bases de datos (MAP de SS7). Registros de información y localización: Dispositivos de almacenamiento utilizados para diversos propósitos dentro de las redes GSM. Almacenan información sobre: Identidad de los abonados y de los terminales. Servicios a los que está subscrito un abonado. Localización actual de una estación móvil dentro de la red. Parámetros de seguridad como claves personales para la autenticación de móviles y el cifrado de las comunicaciones. 24
Interconexiones y elementos funcionales 25
Estaciones móviles MS El conjunto de estaciones móviles MS (Mobile Stations). No son sólo móviles, cualquier dispositivo en el que puedas insertar una SIM: Portátil, Blackberry, Móvil con cable al portatil. La estación móvil está formada por el terminal del usuario y la tarjeta SIM (Subscriber Identity Module). Todo terminal GSM tiene un número de serie (IMEI, International Mobile Equipment Identifier) que lo identifica internacionalmente. El IMEI permite a los operadores controlar el acceso de un terminal concreto a sus redes. La SiM es una tarjeta inteligente que almacena, entre otras informaciones (frecuencias vecinas, localización...), el identificador universal de usuario GSM (IMSI; International Mobile Suscriber Identity). 26
BTS: Base Station System (I) Constituidas por : equipos transmisores/receptores de radio (transceptores) Elementos de conexión al sistema radiante (combinadores, multiacopladores, cables coaxiales), Antenas Instalaciones accesorias (torres soporte, pararrayos, tomas de tierra, etc..). 27
BTS: Base Station System (II) 28
BSC: Controlador de estaciones base Elemento de red que se encarga de: Gestión de varias BTS en lo relativo a los recursos radio : asignación, utilización y liberación de las frecuencias, ciertos tipos de traspasos, control de potencia etc... Ciertas funciones de conmutación Se interacciona con el a través del OMC para labores de operación y mantenimiento. Recoge estadísticas y alarmas tanto de su propio funcionamiento como de las BTS (detección de posibles problemas en la red radio). 29
Topología BTS- BSC Estructura de conexión física de las BTS al BSC. Un elemento muy importante para poder realizar las distintas topologías es el transconector digital, DXX (Digital Cross Connector). El DXX es una entidad que permite combinar canales (intervalos temporales) que le llegan de diferentes fuentes de entrada en una única o varias de salida mediante conexiones semipermanentes. Pueden utilizarse tanto líneas enterradas como radioenlaces 30
Conexiones típicas BTS-BSC Conexión en estrella: En este caso la configuración física coincide con la lógica, todas las BTS van directamente conectadas al BSC. Configuración en estrella remota: Una BTS actúa como concentrador de otras cercanas a ella. Conexión en anillo: Es la más fiable junto a la de estrella, al proporcionar un camino alternativo para cada BTS Conexión en cascada: Las BTS se encadenan una a otra. Permite un ahorro muy grande en el coste de los enlaces 31
MSC: Centro de conmutación de móviles Central telefónica que realiza las funciones de encaminamiento y conmutación de llamadas para las MS situadas en su área de actividad. Proporciona las funciones adicionales necesarias para: Soportar movilidad Organizar la asignación de los recursos radioeléctricos Realizar los traspasos de llamadas entre BTS controladas por distintas MSCs 32
HLR: Registro de abonados Home Location Register (HLR): Base de datos donde están inscritos todos los clientes de un operador, que se utiliza para la gestión de los abonados móviles. El HLR contiene información de dos tipos: Estática: Información administrativa de cada abonado (parámetros de identificación, servicios contratados, limitaciones de servicio) Dinámica: Datos de localización del usuario (direcciones del VLR y del MSC e identidad temporal de la MS). Esta información permitirá encaminar las llamadas dirigidas al móvil. 33
VLR: Registro de abonados itinerantes Visitor Location Register (VLR): Base de datos, asociada a una MSC, donde se almacena información dinámica (temporal) sobre los usuarios transeúntes en el área cubierta por la MSC. Información más precisa que el HLR (contiene LA, área de localización) Cuando un MS itinerante entra en una zona de MSC, èsta lo notifica al VLR asociado. El MS recibe una dirección de visitante que sirve para encaminar las llamadas destinadas a ese móvil. 34
Diferencia HLR - VLR La información de cada cliente se almacena en un HLR único, entre todos los que existen en la red, dependiendo de la numeración que posea. El HLR posee la información de cada abonado. Cuando se mueve por la red, se hace una copia de estos valores en el VLR de la zona en que se encuentra dicho abonado (está localizado ). Cuando realiza una llamada: Si la información sobre él está actualizada en el VLR de la zona en donde se encuentra, no es necesario que intervenga el HLR. Cuando recibe una llamada: siempre es necesario que intervenga el HLR. Es el único que sabe en qué VLR se encuentra dicho cliente 35
Centro de autenticación AUC Autenthication Center (AUC): Elemento vinculado al HLR Gestiona parámetro relacionados con seguridad y privacidad de las comunicaciones. información necesaria para la validación de los usuarios por parte de la red. Base de datos en donde se guardan las identidades IMSI de los clientes junto con la clave secreta de identificación ki de cada usuario, el cual tiene una copia almacenada en la tarjeta SIM de su teléfono móvil. 36
EIR: Registro de identidades de equipos Equipment Identity Register (EIR): Base de datos que contiene las identidades de los terminales, IMEI (International Mobile Equipment Identity). El IMEI permite identificar cada terminal internacionalmente de forma unívoca. Incluye, junto a otra información, el código del fabricante y el número de serie del equipo (también se almacena en la memoria del terminal). Cuando un MS trata de realizar una llamada, el MSC consulta al EIR la validez del IMEI de ese equipo. Contiene tres tipos de listas Lista blanca: terminales autorizados para el acceso a la red Lista gris: terminales en observación (fallos, irregularidades) Lista negra: terminales que tienen prohibido el acceso a la red (por ejemplo por haber sido robados) 37