Presentacion6 - Inalambrica - GSM

7/24/2019 Presentacion6 - Inalambrica - GSM

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Instituto Especializado de Estudios Superiores Loyola.

GSM

Septiembre-Diciembre 2015

Carlos febles.


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Global System for Mobile comunications (GSM), originalmente GroupMobile. Es un set de estandares desarrollados por la European TelecomStandards Institute (ETSI).

Describe protocolos para redes celulares digitales de segunda genera

Es por mucho el mas exitoso sistema de comunicaciones a nivel mundialdesarrollo inicio en el 1982.

Para su desarrollo se tenian dos objetivos a alcanzar:1. Desarrollar la mejor y mas eficiente solucion tecnica para comunicacioninalambricas. En ese momento era evidente la superioridad de los sistemastenian mas capacidad, facil uso y un mayor numero de servicios adicionalescon los sistemas analogos de la epoca.

2. Desarrollar un solo estandard para toda Europa, permitiendo roaming entAnteriormente esto no era posible con los sistemas analogos incompatibles cada pais.


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En esencia podemos dividirlo en 3 partes:

1. Base Station Subsystem (BSS):compuesto por las BS y sus controladoras.

2. Network and Switching Subsystem (NSS): la parte de la red mas parecida a

tambin conocida como Core Network.

3. Operation Support System (OSS)

Opcional - GPRS Core Network: permite las conexiones de paquetes para in


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Base Station Subsystem, compuesto por:

Base Transceiver Stations (BTSs)

Base Station Controllers (BSCs)

La BTS establece y mantiene la conexionentre el MS y la celda.

En GSM a la interface aerea entre le MSy la BTS se le llama Um-interface.

La BTS aloja, como minimo, las antenas,el hardware RF y el software de accesomultiple.


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El BSC es responsable de los Handover entre dos BTS conectadas a la mBSC.

La interface entre BTS y BSC se llamaAbis-interface.

Las funcionalidades entre BTS y BSC pueden variar dependiendo el fabr

La BSS (BTS+BSC) cubre funcionalidades como: Asignacion de canales

Mantenimiento de la calidad de enlace y handovers

Control de potencia

Codificacion y encriptacion.


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En el NSS (Network and SwitchingSubsystem) el component principales el Mobile-services SwitchingCenter (MSC).

El MSC controla el trafico entrediferentes BSC.

Otras funciones son: Gestin de la movilidad.

Handover si el MS deja rea de un BSChacia otro.

Paging y location update

Interacciones con otras redes (comoPSTN).


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La NSS incluye algunas base de datos como: Home location register (HLR): contiene todos los numeros de los suscripto

asociados a un MSC e informacion sobre la localizacion de cada suscriptor. Cada cierto tiempo el MS envia una actualizacion de su localizacion al HLR. Pueden haber varios HLR fisicos o logicos en la red.

El HLR guarda detalles de cada SIM card. Cada SIM tiene un identificador nico lla(es primary Key de cada record en el HLR).

Visitor Location Register (VLR): el VLR de un MSC contiene toda la informacsuscriptores del HLR del area a que pertenece el MSC. Cada celda es servida por un VLR.

Cuando el MSC detecta un Nuevo MS crea un record en el VLR y lo actualize en el HL

AUthentication Center (AUC):verifica la identidad de MS conectado. Equipment Identity Register (EIR): centraliza informacion sobre MSs robad

desuso.


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Operating Support System (OSS): responsable de la organizacin, operacin ymantenimiento de la red, sus funciones cubren:

Contabilidad (Accounting, Billing): cuanto le cuesta una llamada especifica a un susconsiderando los planes y servicios disponibles.

Mantenimiento: se debe mantener plena funcionalidad de cada componente en la redmomento.

Las averas pueden ocurrir tanto en el software como en el hardware. Las averas de h

mas costosas por el movimiento del personal al sitio.

Administracin de los MS: a pesar de que todos los MSs deben pasar por un procesohomologacin, existen algunos dispositivos problemticos que causan interferenciSistema. Estos dispositivos deben ser identificados y sus acciones bloqueadas.

Data collection: el OSS colecta data sobre la cantidad de trafico como tambin de la caenlaces.


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GSM emplea una combinacin de FDMA/TDMA, enfoque que combin

con Frequency Domain Duplexing (FDD).

FDD:

En GSM-900 las frecuencias son 890-915Mhz para el uplink y 935-960Mhz pa

downlink. Espacio entre frecuencias (uplink a downlink) 45Mhz.

Para GSM-1800 los rangos de frecuencia son 1710-1785Mhz para el uplink y

1880Mhz para downlink.

Para GSM-1900va de 1850-1910Mhz en uplink y 1930-1990Mhz para downli


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FDMA Las bandas de frecuencia Uplink y

Downlink estn particionadas en

canales de 200khz.

Cada subbanda esta numerada deforma consecutiva por el numero

ARFCN (Absolute Radio FrequencyChannel Number).

Band Designation ARFCN

GSM 400

GSM 450 259-293 450

GSM 480 306-340 479

GSM 700 GSM 750 438-511 f UP(

GSM 850 GSM 850 128-251 824

GSM 900

P-GSM 1-124 890

E-GSM0-124

975-1023

890

890

GSM-R0-124

955-1023

890

890

GSM 1800 DCS 1800 512-885171

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GSM 1900 PCS 1900 512-810185

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TDMA: Usando una modulacin GMSK, cada

subbanda de 200Khz soporta un datarate de 271Kbps.

Cada subbanda es compartida por 8usuarios.

El eje del tiempo esta particionado en

Timeslots, los cuales estndisponibles peridicamente para cadauno de los 8 posibles usuarios.

Cada timeslot tiene una duracin de576.92s, que es equivalente a 156.25bits.


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TDMA: El set de 8 timeslot se llama Frame.

Cada frame tiene duracin de4.615ms.

Dentro de cada frame los timeslotsestn numerados de 0-7.

Cada suscriptor accesa

peridicamente un timeslot especificode cada frame de una subbanda.

A la combinacin del numero detimeslot y la frecuencia se le llamaphysical channel.


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Asignacin de timeslots en eluplink y downlink: Cada suscriptor utiliza el mismo

numero de timeslot en el uplink comoen el downlink.

Los numero en el uplink estndesplazados 3 espacios con relacin a

la numeracin del downlink. Esto para facilitar el diseo del

transmisor/receptor, porque larecepcin y la transmisin no ocurrenal mismo tiempo.


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Tcnica de modulacin:

GSM utiliza GMSK (Gaussian

minimum shift keying) como formato

de modulacin.

Tcnicamente, es una seal OQPSK

que usa un seal senoidal en vez de la

tpica funcin rectangular.


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Control de potencia1. Incrementa el tiempo de duracin de la batera del MS.

2. Transmitir a muy alta potencia incrementa los niveles de interferencia en cadyacentes.

GSM especifica varios tipos de MSs con diferentes potencias mximas de trlos mas comunes son los de 2W.

Esta potencia se puede reducir hasta 30dB, en ajustes de 2dB en cada paso. El control es adaptativo: la BS informa peridicamente al MS el nivel de sea

el MS utiliza esta info para incrementar o reducir la potencia de transmisin.

La potencia mxima de las BSsvaria entre 2W y mas de 300W. Estas tambicontrol de potencia similar que puede decrecer hasta 30dB.


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Power Ram Duracin 2


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Estructura del Timeslot. La figura muestra un timeslot de

longitud de 148 bits.

El payload se transmite en dosbloques de 57bits.

Entre los bloques hay una secuenciade 26 bits (Midamble) que sirve de

entrenamiento para la ecualizacin,esta secuencia tambin sirve paraidentificar la BS.

Tambin existen dos bits de controlantes y despus del midamble.


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Estructura del Timeslot.

La rfaga de transmisin inicia y

finaliza con 3 tail bits.

Estos tail bits sirven para indicar el

inicio y fin de la transmision,incrementan el desempeo de los

decodificadores.

Se finaliza con un periodo de guarda

de 8.25 bits.


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Estructura del Timeslot. Existen 4 tipos de rafagas (Bursts):

1. Normal burst: para comunicacinnormal entre MS y BS transfiere 114bitsde payload.

2. Random Access Burst: 88bits usadospara solicitar acceso el sistema GSM.

3. Frequency Correction Burst: patrnde 142bits, todos convalor 0. Le

sirve al MS para ajustar la frecuencia.

4. Synchronization Burst: contieneinformacin de temporizacin del

sistema.


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Estructura del Timeslot.


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En GSM, aparte de la informacin de Payload, es necesario transmitircantidad de informacin de sealizacin.

Los diferentes tipos de data se transmiten por diversos canales lgicos.

Traffic Channels (TCHs): El payload se transmite via TCHs.

Puede ser voz codificada o data pura.

Los TCHs tienen flexibilidad en el data rate, pueden ser Full-rate Traffic CHA(TCH/F) y Half-rate Traffic Channels (TCH/H)

Dos TCH half-rate se pueden mapear en el mismo timeslot, pero alternand


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Canales de trafico Full-Rate: Canales deVoz full-rate: el data rate de la voz codificada es de 13kbit/s. Los

codificadores de canal incrementan el flujo a 22.8kbit/s (agregando FEC y de

Canales de Datos full-rate: data rates de 9.6, 4.8 o 2.4kbit/s son codificados ctransmitidos con un data rate efectivo de 22.8kbit/s.

Canales de trafico Half-Rate: Canales deVoz half-rate: data rate de 6.5kbit/s. los codificadores de canales

incrementan la transmision a 11.4kbit/s.

Canales de Datos half-rate: payload con data rate de 4.8 o 2.4kbit/s se codifipara lograr un data rate efectivo de 11.4kbit/s.


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Broadcast CHannels (BCHs):

Solo esta presente en el downlink.

Provee al MS de la informacin inicial necesaria para iniciar el establecimi

cualquier conexin.

El MS usa la seal de este canal para iniciar el establecimiento de la sincroni

tiempo y frecuencia.

La identidad de la celda se provee por este canal, entre otras cosas.

Los mviles dan seguimiento a estos canales todo el tiempo con el fin de prov

informacin de posibles Handovers.


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Frequency Correction CHannels (FCCHs): La frecuencia de portadora de las BS son muy precisas y no varan en el tiemp

en relojes de Rubidio. Por consideraciones de dimensin y precio es imposib

implementar buenos generadores de frecuencia en los MS.

Por el FCCH la BS provee al MS de una referencia de frecuencia.Asegurandtanto el MS como la BS estn usando la misma frecuencia.

Synchronization CHannel (SCH): Provee la temporizacin de referencia para una portadora en especifico.

Informa al MS sobre numero de frame y el Base Station Identity Code (BS

La decodificacin del BSIC asegura que el mvil se adjunte a celdas GSM per

intente sincronizar con seales emitidas por otros sistemas en la misma banda


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Broadcast Control CHannel (BCCH): Se emiten informaciones propias de la celda como:

Location Area Identity (LAI), (Location Area es un set de celdas donde el MS puedesin necesidad de actualizar informacin de localizacin en el HLR)

Potencia mxima permitida al MS.

Los canales TCH disponibles.

Listado de frecuencias de BCCH de BS vecinas para preparar al mvil para Handov

Common Control CHannels (CCCHs): Antes de que la BS establezca una conexin con un MS, debe enviar informac

sealizacin a todos los MSs del rea aunque solo uno es el receptor deseado

En los estados iniciales de configuracin no hay canales dedicados entre BS y


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Paging CHannel (PCH): Cuando un requerimiento de llamada (ej. De la red Fija) llega a la BS, esta en

seal a todos los MSs dentro de su rango.

Esta seal contiene el IMSI y el TMSI del MS deseado.

El mvil buscado continua el proceso de establecimiento de conexin enviansolicitud de un TCH (via Random Access CHannel RACH).

El PCH tambin se puede usar para enviar informacin de trafico vehiculapublicidad a todos los suscriptores dentro de una celda.

El PCH solo se encuentra en el Downlink.


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Random Access CHannel (RACH): Lo usa el MS para enviar solicitud de conexin, puede ser por dos razones:

1. El suscriptor quiere iniciar una conexin.

2. El MS fue informado de una conexin entrante por el PCH

El RACH solo se encuentra en el Uplink.

Access Grant CHannel (AGCH): El canal AGCH lo usa la BS para asignar al MS un SDCCH. Al momento que llega una solicitud de conexin via RACH, lo primero que se

es un Dedicated Control CHannel (DCCH) para la conexin. Este canal se llam

Standalone Dedicated Control CHannel (SDCCH).


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Canales dedicados (Dedicated Control CHannels DCCHs ) Al igual que los TCH, los DCCHs son bidireccionales.

Transmiten informacin que es necesaria durante la conexin.

Como el nombre lo indica, son dedicados para cada conexin en especifico.

Standalone Dedicated Control CHannel (SDCCH): Es el responsable de proceso restante para el establecimiento de la conexi

El SDCCH se asegura que el MS y la BS permanezcan conectados durante ede autenticacin.

Cuando el proceso de autenticacin culmina, finalmente se asigna un TCH a via SDCCH.


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Slow Associated Control CHannel (SACCH): Por el SACCH se transmite informacin relativa a las propiedades del canal d

Esta informacin no es necesaria transmitirla con tanta frecuencia, por eso el

llama slow.

El MS informa a la BS sobre la intensidad y calidad de la seal recibida dservidora y las vecinas.

La BS enva al MS data acerca del control de potencia y el runtime de seadesde el MS.

Fast Associated Control CHannel (FACCH): Usado para Handovers, son necesarios por un corto periodo de tiempo. Por l

canal tiene que ser capaz de transmitir a una velocidad ms alta que la SACCH


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Las seales de los canales lgicosdescritos previamente sontransmitidasva canales fsicos.

Los canales fisicos estnrepresentados por el numero deTimeslot y el ARFCN.

En la dimensin tiempo, los 8Timeslot de un Frame son lasunidades mas pequeas. De hecho,multiples frames se combinan endiferentes niveles para hacer framesmas grandes.


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No todos los timeslot sern usadospara TCH.

El data rate disponible en el canalfsico es de 2 x 57bits / 4.615ms =24.7kbit/s.

Mientras un TCH full rate requiere

solo 22.8kbit/s de data rate, Por lo tanto, los restantes 1.9kbit/s

puede ser usado por otros canaleslgicos.


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SACCH (Slow Asociated ControlChannel), De un multiframe (26 Frames) se utiliza

el frame 13ro y a veces el 26to.

FACCH (Fast Asociated ControlChannel) No es necesario este disponible

permanentemente, solo ensituaciones especiales (HO).

El FACCH puede incluirse en un TCHnormal (robndole algunos bits)

Los control bits (antes y despus delMidamble) indican si hay un FACCHpresente.

Comon channels en el Downlin


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Sincronizacin de Frecuencia, BSusan relojes de Rubidio, los MS deQuarzo.

Sincronizacin de tiempo. Va el SCH,indica hiperframe, superframe ymultiframe.

Time Advance (avance temporal): GSM soporta celdas de hasta 30km, as

el retardo de propagacin entre BS y elMS puede ser tan grande como 100 s.

Para resolver el problema del retardode propagacin y obtener un buenaprovechamiento del espectro, esnecesario un mecanismo decompensacin en el MS. ste debe sercapaz de avanzar su tiempo detransmisin mediante un tiempoconocido como time advance.


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Criptografia: Una de las ms graves deficiencias de las comunicaciones mviles analgic

facilidad con la que podia ser interceptada.

En comunicaciones digitales se resolvi aplicndole un proceso de encriptaccadena de bits.

Frequency Hopping (Salto de frecuencia): Feature opcional en GSM, aqu se cambia la frecuencia de la portadora en cad

transmisin. Ayuda a mitigar el desvanecimiento de pequea escala. Particularmente impo

cuando el MS no se esta moviendo: sin frequency hopping, este vera todo el timismo canal, as, si ocurre un desvanecimiento prolongado, el BER ser muy g


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Mobile Station ISDN Number (MS ISDN): Es el numero telefnico del cliente en la red.

Esta formado por Country Code, NationalDestination Code (o Number Planning Area) y elnumero del suscriptor.

El MS ISDN no puede ser mayor de 15 dgitos.

International Mobile Subscriber Identity (IMSI): Usado por el SIM, HLR y VLR.

Esta formado por:

3 dgitos, Mobile Country Code (MCC).

2 dgitos, Mobile Network Code (MNC)

Hasta 10 dgitos, Mobile Subscriber IdentificationNumber (MSIN)

MCC MNC IMSI

370 01 37001XX

370 02 37002XX

370 03 37003XX

370 04 37004XX

MSISDN = CC + NDC + SN

CC = Country Code

NDC = National Destination C

one or part of a PLMN

SN = Subscriber Number

MSISDN = CC + NPA + SN

CC = Country Code

NPA = Number Planning Area

SN = Subscriber Number


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Mobile Station Roaming Number (MSRN): Identificacin temporal que se asocia a un mvil que no esta en su rea de HLR.

Este numero consiste de un Country Code, MNC y un TMSI que se lo da la red en lhaciendo roaming.

International Mobile Station Equipment Identity (IMEI). Identidad del hardware del MS.

Consiste en 15 dgitos:

6 dgitos para Type Approval Code (TAC), especificados por la entidad central de

2 dgitos para Final Assembly Code (FAC), identifica el fabricante.

6 dgitos para el Serial Number

1 digito de verificacin, ver si el IMEI es correcto.


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La tarjeta SIM es un circuitointegrado que almacena de formasegura el IMSI y otros nmeros deidentificacin, autenticacin, cifrado,informacin temporal de la red local,el listado de servicios.

Cada SIM esta identificada con el

numero ICCID (integrated circuitcard identifier).

La primera SIM fue construida en1991.


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La mayor tarea de una SIM esalmacenar data. Eso no significa quela data es solamente del suscriptor. Acontinuacin una tabla con lasfunciones de una SIM; quepadestacar que all no estn todas lasfunciones de una SIM, dado que, porejemplo, una SIM puede almacenarnmeros telefnicos.


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Cuando el suscriptor quiere establecer una conexin desde el MS.1. El MS solicita un SDCCH de la BS usando el canal RACH.

2. La BS concede al MS el acceso a un SDCCHvaAGCH.

3. El MS usa el SDCCH para enviar una solicitud de conexin al MSC. Estvarias actividades:

a) El MS dice al MSC cual numero quiere llamar.

b) Toma accin el algoritmo de autenticacin; evala si el MS tiene permitido hace

c) El MSC marca (etiqueta) al MS como ocupado.4. El MSC ordena al BSC que asocie un TCH libre a la conexin. Se le informa

MS del timeslot y el numero de carrier del TCH.

5. El MSC establece la conexin a la red a la cual la llamada va dirigida (ej. PS

Si el suscriptor a quien se llama (parte B) esta disponible y contesta la llamada,se establece.


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Una llamada que viene de otra red sigue el siguiente procedimiento:1. La red reconoce que el nmero llamado pertenece a un suscriptor GSM de

proveedor especfico, porque el NDC en el MSISDN contiene informacinla red (809-756-). La PSTN establece una conexin con el Gateway MSC dproveedor GSM.

2. El Gateway MSC busca en el HLR la informacin del suscriptor y la informenrutamiento (la Location Area actual del suscriptor).

3. El HLR traduce el MSISDN en el IMSI. (Si el call forwarding esta activado

tambin contiene la informacin hacia donde va la llamada ).4. Si el MS esta haciendo roaming, el HLR sabe en cual MSC esta conectado,

solicitud de MSRN al MSC husped donde actualmente esta el MS.

5. El MSC husped enva el MSRN el HLR. El Gateway MSC puede ahora acceinformacin en el HLR.


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6. Como el MSRN contiene un numero de identificacin del MSC huspedGateway puede ahora enviar la llamada al MSC husped. Informaciones acomo el caller ID esta incluida en este paso.

7. El MSC husped conoce la Location Area del Mvil. El MSC contacta la Bsolicita que haga paging al MS.

8. BSC enva la solicitud de paging a todas las BTSs que cubren la LocationBTSs transmiten la informacin de paging via el BCH.

9. El MS llamado reconoce la informacin de paging y enva una solicitud d

asignacin de un SDCCH.10. El BSC concede acceso a un SDCCH via AGCH.

11. El establecimiento de la conexin via SDCCH sigue los mismos pasos que vprocedimiento Mvil origina, (se verifica la autenticacin y se asigna TCsuscriptor contesta la llamada, la conexin se establece.


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Algunas consideraciones: La intensidad de la seal recibida de las diferentes BTS es promediada sobre p

segundos (este valor es variable, depende del proveedor). Esto para asegurar que epequea escala no inicie un handover y para que un mvil recibiendo la misma poteBTS no inicie un handover con los cambios se seal entre ellas.

La potencia recibida se mide a una resolucin de 1-dB en un rango de -103dBm a -4limite inferior refleja la sensibilidad de los receptores GSM (la potencia mnima requcomunicacin).

Adems, un handover se inicia cuando el timing advance excede el limite de los 23

Y mas importante, un handover se inicia cuando la calidad de la seal se vuelve mainterferencia.


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1. La BSC ordena a la nueva BS queactive un canal fsico.

2. La BSC usa el FACCH del enlaceentre MS y BTS vieja paratransmitir informacin del ARFCNy TS (timeslot) del canal fsico de lanueva BTS.

3. El MS cambia al nuevo canal yenva frames de acceso ahandover (handover Access burst).


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4. Cuando la nueva BTS detecta elhandover burst, este enva eltiming advance y la informacin dede control de potencia via FACCHdel nuevo enlace.

5. El MS informa a la BSC que elhandover fue exitoso.

6. El BSC solicita a la vieja BTS viejaque libere el canal viejo.


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1. BSC viejo informa a MSC que esnecesario un handover en una BTSespecifica.

2. El MSC informa al nuevo BSC quese solicita un handover en una BTSespecifica.

3. El nuevo BSC solicita a la nuevaBTS activar el canal fsico.

4. El nuevo BSC informa al MS el TS yARFCN del nuevo enlace. Estainformacin viaja via MSC y el

viejo BSC, finalmente se transmiteel MS mediante el FACCH de la

vieja BTS.


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5. El MS cambia al nuevo ARFCN y TSy transmite Access Bursts.

6. Cuando la BTS detecta los framesde handover, transmiteinformacin de time advance ycontrol de potencia al MS viaFACCH.

7. El MS informa al viejo BSC delhandover exitoso.

8. El nuevo BSC instruye al viejo BSCque libere la conexin con el MS.

9. El viejo BSC instruye a la vieja BTSque desactive el canal fsico.


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1. El BSC viejo informa al MSC-A lanecesidad de handover.

2. MSC-A reconoce que la solicitudde handover involucra una BTSasociada a otro MSC.

3. MSC-B asocia un numero dehandover con el proceso, asipuede enrutar la conexin.

4. El nuevo BSC ordena a la nuevaBTS activar un canal fsico.

5. MSC-B consigue la informacin deTS y ARFCN del nuevo canal y se laenva al MSC-A.


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6. Conexin entre MSC-A y MSC-Bqueda establecida.

7. MSC-A informa al MS sobre elARFCN y TS via FACCH.

8. MS transmite handover burst ennuevo canal fsico.

9. Cuando la nueva BTS detecta el

handover burst, instruye al MSsobre el time advance y el powercontrol.

10. El MS informa al MSC-A que elhandover fue exitoso


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11. Se desactiva el canal fsico viejo.

12. Despus que la conexin(llamada) finaliza, la nueva locationrea del MS se establece. Por lotanto, el VLR del MSC-B informa alHLR que el MS esta ahora su rea.Despus el HLR solicita al VLR del

MSC-A que borre los registrosasociados con el MS.


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A diferencia de la telefona anloga, GSM ofrece una gran variedad de s

adicion a las llamadas telefnicas regulares. Estos servicios se pueden d

tres categoras:

1. Teleservicios

2. Servicios de soporte

3. Servicios suplementarios


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Teleservicios: Llamadas telefnicas regulares

DTMF (Dual Tone Multi Frequency)

Llamadas de Emergencia

FAX

SMS

Cell Broadcast

Buzon de Voz

Fax mail

Servicios de soporte: Conexin a la PSTN

Conexin a ISDN

Conexin a redes de paquetes

Servicios Suplementarios: Call Forwarding

Bloqueo de llamadas saliente

Bloqueo de llamadas entrant

Avisos de cargo por llamada

Llamada en espera

Conference call

Caller ID

Closed groups (Flotas)

Presentacion6 - Inalambrica - GSM

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