Tema 2_Sistema GSM

Sistema GSM

REDES DE ACCESO CELULAR

Redes de acceso celular - Sistema GSM

IntroducciónEl sistema GSM (Global System for Mobile communications) inició su operación comercial en 1992 en base a las especificaciones GSM Phase-1 concluidas por el ETSI (European Telecommunications Standards Institute) en 1990.

Se trata de un sistema de comunicaciones móviles digitales que proporciona numerosas ventajas respecto a los sistemas analógicos precedentes:

• Transmisión de datos con distintas velocidades binarias.• Interconexión con RDSI.• Implantación de sistemas criptográficos. Mejora la seguridad.• Mejoras en la calidad de servicio: Uso de códigos para control de errores y

técnicas de ecualización.• Mayor calidad en presencia de interferencias: Reducción de la distancia de reúso

de frecuencias. Aumento de la capacidad.• Mayor eficacia de las baterías de los portátiles: Reducción del volumen y consumo

de los terminales.• Terminales y sistema de menor coste.• Ampliación de servicios.• Permite la itinerancia (roaming) internacional.


IntroducciónBandas de frecuencia en Europa.

MHz880915

925960

GSM 900ascendente

GSM 900descendente

1710 17851805

1880

GSM 1800ascendente

GSM 1800descendente

Operadores en España:

• Telefónica (Movistar): 16,5 x 2 MHz en la banda GSM 900 MHz y 25 x 2 MHz en GSM 1.800 MHz.

• Vodafone: 12,5 x 2 MHz en la banda GSM 900 MHz y 25 x 2 MHz en GSM 1.800 MHz.

• Orange: 6 x 2 MHz en la banda GSM 900 MHz y 25 x 2 MHz en GSM 1.800 MHz.

• En América GSM opera en las bandas 824 - 849 MHz / 869 - 894 MHz y 1850 - 1910 MHz / 1930 - 1990 MHz.

• En Asia-Pacífico y África se usan las mismas bandas que en Europa.


Características radioeléctricasEl duplexado es FDD:

UPLINK

35MHz frecuenciaMHz

DOWNLINK

880 960915 925

Canal0

Canal1

Canal174

Canal0

Canal1

Canal174

35MHz

200 kHz

Separación de duplexado: 45 MHz

200 kHz 200 kHz 200 kHz

UPLINK

75MHz frecuenciaMHz

DOWNLINK

1710 18751785 1805

Canal0

Canal1

Canal374

Canal0

Canal1

Canal374

75MHz

200 kHz

Separación de duplexado: 95 MHz

200 kHz 200 kHz 200 kHz

El canal 0 se utiliza como banda de guarda con otros sistemas radio.

Se utiliza una técnica de acceso FDMA/TDMA, con canales de 2 x 200 kHz y ocho timeslots por canal, de modo que 8 usuarios pueden compartir un canal.


Características radioeléctricas

Desplazamiento de 3 TS entre tramas de UL y DL (el UL aparece retrasado 3 TS respecto al DL) para evitar el uso de duplexores en los terminales móviles. Este tiempo es suficiente para realizar la alineación temporal adaptativa, la sintonización del transceptor y la conmutación entre recepción y transmisión.

Canal físico = Nº. radiocanal + Nº. TSMS’s

...

1 trama = 4,625 mseg

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 75 6 7

...

BTS

Downlink (DL)

Uplink (UL)

3 TS

8 canales de usuario multiplexados en una portadora de 200 kHz


Arquitectura de red GSM

SIM

MS

TAF TEMT

MÓVIL

BTS

InterfazAbis

InterfazA

Interfaz RadioUm

BSS

NSS

OSS

AuC

EIR

B

C

D

H

F

G

E

BSCBTS

BTS BSC

PSTN /RDSI

MSC

MSC

GMSC

IWF

HLR

VLR VLR

VLR

INTERNET

RED DE ACCESO

RED TRONCAL

SMS-GMSC

OMC

NMCADC

OMCOPERACIÓN YMANTENIMIENTO


Arquitectura de red GSMMS Mobile Station

MT Mobile Termination TE Terminal EquipmentTAF Terminal Adaptor SIM Subscriber Identity Module

BSS Base Station SubsystemBTS Base Transceiver StationBSC Base Station Controller

NSS Network and Switching SubsystemMSC Mobile Switching Center GMSC Gateway Mobile Switching CenterHLR Home Location Register VLR Visitor Location RegisterEIR Equipment Identity Register AuC Authentication Center SMS-GMSC Short Message Service GMSC

OSS Operation Support SubsystemOMC Operation and Maintenance Center NMC Network Management Center ADC ADministration Center

IWF (InterWorking Function): Conjunto de operaciones que permiten conectar el sistema GSM a redes externas: ej módems, canceladores de eco, etc.


Arquitectura de red GSMEstructura jerárquica

GSM-PLMN Area

Switching Area

Zona celular

Location Area

GSM System Area

GSM System Area: área mundial donde se presta servicio GSM.

GSM-PLMN Area: área de servicio de un operador de GSM.

Switching Area: zona controlada por una MSC.

Location Area: área donde una estación móvil puede desplazarse sin que se modifique su registro de localización.

Zona celular: área cubierta por una estación base.



PSTN/RDSIGMSC

BTS

BTS BTS

BTS

BTS

BSC

BTS

BTS

BTS

BTSBTS

BTS

BTS

BTS

BTS

AL1

BSC

VLR

BSC

MSCMSC

HLR

VLR

VLR

AL 2

AL 3

INTERNET

ACTUALIZACIÓN DE LOCALIZACIÓN



EEPROM

RAM ROM

CPUI/O

CLK

RSTVccGNDSIM

MS: Estación móvil (Mobile Station) = TERMINAL+SIM

Como equipo, la MS proporciona la plataforma física para el acceso, pero es "anónima” y no puede funcionar con la red hasta que se la "personaliza" mediante la inserción de una "tarjeta inteligente" (smart card) denominada módulo de identidad de abonado, SIM (Subscriber Identity Module) donde figura, entre muchas informaciones, la identidad del abonado IMSI (International Mobile Subscriber Identity).

En GSM se considera por separado al usuario (SIM) y a los terminales, lo que aumenta la movilidad personal, pues la SIM puede insertarse en cualquier terminal homologado y acceder con ello a los servicios abonados.

La SIM contiene además los algoritmos de cifrado, datos de configuración de la red (celda de localización, frecuencias de la estación base, etc) y almacena mensajes cortos provenientes de la red.


Arquitectura de red GSMMS: Estación móvil (cont)

La estación móvil debe desempeñar las siguientes funciones básicas:• Proporcionar una interfaz de comunicaciones entre los usuarios y la red vía radio.

• Realizar la transmisión/recepción de las informaciones de usuario y de señalización a través de esa interfaz radio.

• Efectuar la inicialización de la conexión con la red.

• Realizar la sintonización de frecuencias y seguimiento automático de las estaciones base en cuya zona de cobertura se encuentre.

• Efectuar funciones de procesamiento de voz: conversión analógico/digital y viceversa.

• Realizar la adaptación de interfaces y velocidades para las señales de datos.

• Proporcionar una interfaz con el usuario humano (micrófono, auricular, pantalla y teclado para gestionar llamadas con transmisión de voz), con otros equipos terminales (fax, ordenadores personales, etc.) o ambas.

Se definen diferentes clases de estaciones móviles dependiendo de la máxima potencia de transmisión permitida. Para los terminales portátiles, la máxima potencia de transmisión es 2 W en GSM 900 y 1 W en GSM 1800.


Arquitectura de red GSMSubsistema de Estación Base (BSS) = BTS + BSC

Transceptor de Estación Base, BTS (Base Transceiver Station). Se sueledenominar simplemente estación base y está constituida por los equipostransmisores/receptores de radio (transceptores), los elementos de conexión alsistema radiante, las antenas y las instalaciones accesorias (torre soporte,pararrayos, tomas de tierra, etc.).

Funciones:

• Formación del múltiplex GSM

• Realiza medidas de la señal radio proveniente del móvil.

• Establece el enlace radio con el usuario móvil (modulación, demodulación, igualación, codificación, etc.)

• Gestión del Time Advance (Sincronización)

• Operación y mantenimiento

Se compone de dos partes:


Arquitectura de red GSMSubsistema de Estación Base (BSS) = BTS + BSC (cont)

Controlador de Estación Base, BSC (Base Station Controller).Gestiona y controla las BTS (hasta varias decenas). Constituye un primer nivelde concentración de tráfico hacia la red con objeto de minimizar costes detransmisión.

Funciones:

• Es el responsable de la asignación y liberación de los radiocanales (recursos radio)con el móvil y de canales terrestres con la red.

• Fija el contenido de los canales de Radiodifusión y asigna los mensajes de paginga los subcanales físicos o “paging group”

• Gestión de los procesos de transferencia (handover) entre BTS´s bajo su control.

• Ejecuta los algoritmos del control de potencia y cifrado.

• Físicamente, puede encontrarse en el mismo emplazamiento que una BTS, junto auna MSC o solo.


Arquitectura de red GSMSubsistema de Estación Base (BSS) = BTS + BSC (cont)

Um BSS13 kbps

MSC64 kbps

A

Um TRAU MSCABTS

BSCA-bis BSS

UmTRAU MSCA

BTSBSC

A-bis BSS

13 kbps 64 kbps16 kbps 64 kbps

13 kbps 64 kbps16 kbps 16 kbps

Um A-bis

13 kbps16 kbps TRAU MSC

64 kbps

ABSC

16 kbps

NSS

TRAU4 × 64 kbpsBSC 4 × 16 kbps

MUX MUX4×16 kbps

64 kbpsMSC

• Adapta la señal de voz específica del interfaz radio GSM (13 kbps)al formato utilizado en la red fija (64 kbps).

• Puede estar localizado en la BTS, BSC o MSC.

TRAU(Transcoder/Rate

Adapter Unit)


Arquitectura de red GSMSubsistema de Conmutación (NSS)

La provisión del servicio básico:

- Gestión de llamadas. - Autentificación de la identidad del usuario.- Llamadas de emergencia. - Servicios suplementarios.- Servicios de grupo de voz. (GSM 2+).- Servicio de mensajes cortos, SMS (Short Message Service). - Confidencialidad de los elementos de información de señalización.

Soportar la operación entre celdas:

- Registro de posición. Son los procedimientos mediante los cuales las bases de datos de la red (VLR y HLR) guardan de forma actualizada la posición en la que se encuentran los móviles. Así, por ejemplo, la red sabrá hacia dónde dirigir una llamada a un móvil.- Traspaso (Handoff). - Restablecimiento de la llamada.

Gestión de la propia red:

Son las funciones relacionadas con la operación y mantenimiento de la red.

Funciones:

Es la parte de GSM que incluye las funciones necesarias para conmutar llamadas y las bases de datos propias del sistema que permiten el establecimiento de las mismas.


Arquitectura de red GSMSubsistema de Conmutación (NSS) (cont)

Componentes:

GMSCAuC

EIR

SMS-GMSC

SMS-IWMSC

HLR

IWF

MSC VLR

Voz o datos

Señalización



MSC/VLR: Funcionalmente son diferentes aunque están relacionadosestrechamente.

• Realiza la gestión completa de las llamadas desde y hacia usuarios GSM(establecimiento, encaminamiento, control y finalización).

• Realiza de los traspasos entre dos BSC que estén conectadas a él o a otroMSC.

• Proporciona el control de la autenticación y de la actualización de posición de losmóviles, la prestación de servicios suplementarios y la tarificación de lasllamadas.

MSC (Mobile Services Switching Center): Es el componente central del NSSy se encarga de realizar las labores de conmutación dentro de la red yseñalización básicas:

VLR (Visitor Location Register): base de datos en la que se guardainformación temporal de cada cliente que se encuentra en el área de influenciade los MSC. Se guardan datos de identificación del usuario como el (IMSI o elTMSI), datos para el encaminamiento como el MSRN, servicios contratados,tripletas de autenticación, etc.



HLR (Home Location Register): Base de datos distribuida (única por red GSM)que contiene información estática relativa al servicio de todos los clientes de la redGSM y también información dinámica, como el MSC y VLR en el que se encuentran, elnúmero C en el caso de desvío de llamada y las tripletas de autenticación.

GMSC (Gateway Mobile Switching Center): Es un nodo que permite interrogaral HLR para obtener información de encaminamiento para una llamada dirigida a unmóvil. Por lo tanto, es el nexo de unión de la red GSM con otras redes externas.

AuC (Authentication Center): Gestiona los datos de seguridad y autenticación delos usuarios. Proporciona al HLR la tripleta de autenticación (RAND, SRES y Kc) quepermite la autenticación del móvil en cada MSC/VLR. Guarda la clave de identificaciónindividual de cada usuario, Ki.

EIR (Equipment Identity Register): Registro de identificación de equipos. Su función consiste en evitar que se utilicen equipos móviles no autorizados (por ejemplo, porque han sido robados o pueden producir perturbaciones) en la red. Para la comprobación se utiliza el IMEI o identificación internacional del equipo móvil.

IWF (InterWorking Function): Entidad funcional asociada al MSC. Proporciona losmedios necesarios para el interfuncionamiento de la red GSM con las redes externasfijas (PSTN, ISDN y redes de paquetes PDN).


Arquitectura de red GSMSubsistema de Conmutación (NSS) (cont)Nodos relacionados con el servicio de mensajes cortos (SMS)

GSM ofrece a sus usuarios la posibilidad de tener servicios de mensajes cortos, SMS.

Los mensajes cortos pueden ser de dos tipos: punto a punto o desde la red a un conjunto de móviles (broadcast). Dentro de los punto a punto, GSM distingue dos servicios según el móvil envíe (SMS-MO: Short Message Service - Mobile Originating) o reciba (SMS-MT: Short Message Service -Mobile Terminating) el mensaje.

El SM (Short Message) se intercambia entre un móvil y otra entidad capaz de transmitir o recibir mensajes cortos, SME (Short Message Entity). La SME puede ser un terminal situado en una red externa, un móvil o un centro servidor de mensajes cortos, SC (Service Centre). El SC no entra en las especificaciones de GSM, aunque físicamente puede estar integrado con el MSC.

Para comunicarse con el SC la red utiliza los nodos SMS - GMSC (Short Message Service - Gateway Mobile-services Switching Center) y SMS-IWMSC (Short Message Service -InterWorking MSC).


Arquitectura de red GSMSubsistema de Conmutación (NSS) (cont)Nodos relacionados con el servicio de mensajes cortos (SMS) (cont)

Centro Servidor, SC (Service Centre)

Es un nodo interno o externo a la PLMN que debe ser capaz de dirigir y recibir SM hacia y desde los móviles. También debe ser capaz de intercambiar mensajes de confirmación de la recepción o envío de los SM con la PLMN.

Si el SC no puede entregar inmediatamente un SM a un móvil (por ejemplo, porque está apagado), deberá esperar a que esté disponible (en el ejemplo, a que se encienda). Si sucede esto, la red notificará el estado de indisponibilidad al SC para que tenga constancia e intente volver a enviarlo más tarde. Para ello, el SC suele disponer de una tabla de reintentos en la que se especifican los intervalos de tiempo entre los que el SC debe intentar de nuevo el envío.

Un SC puede estar conectado a una o varias PLMN y a uno o varios MSC de una misma PLMN.



SMS-GMSC (SMS - Gateway Mobile-services Switching Center)

Es el nodo que realiza las funciones de pasarela para el servicio SMS-MT; es decir, sólo interviene cuando hay un SM dirigido a un móvil. Físicamente puede ser un MSC cualquiera.

Cuando el SMS-GMSC recibe un SM desde el centro servidor, comprueba que todos los parámetros son correctos e interroga al HLR para que le envíe la información de encaminamiento que necesita para entregar el SM. Con esta información, el SMS-GMSC envía el SM al MSC correspondiente, quien finalmente se lo intentará entregar al móvil.

El SMS-GMSC informará al HLR del resultado de la entrega, tanto si ha sido satisfactoria como si no. En este último caso, deberá indicar la causa por la que no se ha podido entregar el mensaje para que el HLR obre en consecuencia y realice las acciones que considere necesarias, como por ejemplo informar también al SC de la causa del error para que de este modo pueda ajustar su tabla de reintentos.



SMS-IWMSC (SMS - InterWorking MSC)

Es el nodo que realiza las tareas de interfuncionamiento para el servicio SMS-MO; es decir, sólo interviene cuando hay un SM originado por un móvil.

Cuando un móvil genera un SM, el MSC lo recibe y pide a su VLR información para poder continuar la operación de entrega. Cuando recibe la confirmación por parte del VLR de que todo es correcto, entrega el SM al SMS-IWMSC.

El SMS-IWMSC recibe el SM y establece una comunicación con el SC correspondiente para entregárselo. Una vez que el SC recibe el SM, responderá al SMS-IWMSC indicando si todo ha ido bien o si se ha producido algún error. El SMS-IWMSC deberá remitir esta información al MSC donde está el móvil que ha originado el SM.

En el caso de que pase el intervalo de tiempo estipulado por el operador sin que el SMS-IWMSC reciba contestación del SC, informará al MSC de que se ha producido error.

Asimismo, el SMS-IWMSC avisa al SC de que un móvil para el que tiene guardado un SM ya está disponible para recibirlo. Para ello, cuando el móvil entra en actividad, el HLR es notificado y avisa al SMS-IWMSC para que indique al SC que ya puede enviar el SM.


Numeración GSMIdentificación de clientes móviles: IMSI, TMSI, LMSI

El IMSI (International Mobile Subscriber Identity) es la identidad internacional del cliente móvil y, por tanto, es única para cada cliente en todo el mundo. Identifica un cliente con su red GSM.

Para asegurar la privacidad del IMSI y evitar que esté viajando continuamente en la interfaz radio, el VLR asigna un número temporal TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) a cada uno de sus visitantes.

De forma opcional y para acelerar la búsqueda de los datos en el VLR, se define el LMSI (Local Mobile Station Identity). El LMSI es asignado por el VLR en el procedimiento de actualización de posición y es enviado al HLR junto con el IMSI. Aunque el HLR no lo utiliza para nada, en caso de que disponga de él, lo envía siempre junto al IMSI hacia el VLR en todos los mensajes referentes a dicho móvil para facilitarle la búsqueda dentro de su base de datos.


Numeración GSMIdentificación de clientes móviles: IMSI, TMSI, LMSI (cont)

IMSI

MCC MNC MSIN

MCC (Mobile Country Code). 3 dígitos. Identifica el país donde está domiciliado el usuario. La asignación la realiza el ITU-T. España: 214.

01: Vodafone03: Amena/Orange04: Xfera05: Movistar (revendedores)06: Vodafone (revendedores)07: Movistar09: Orange (revendedores)

NMSI

La estructura del IMSI es la mostrada en la figura. Todos los caracteres deben ser numéricos y en ningún caso excederá los 15 dígitos. Está formado por tres partes:

NMSI = MNC + MSIN (NMSI = National Mobile Subscriber Identity)

MNC (Mobile Network Code). 2 dígitos. Identifica la red a la que pertenece el cliente. La asignación la realiza la administración de cada país.

MSIN (Mobile Subscriber Identification Number). 10 dígitos. Identifica al usuario dentro de su red. Lo asigna el operador y si existe más de un HLR en la red, los primeros dígitos referencian al HLR donde está dado de alta el usuario.


Numeración GSM

TMSI

Como el TMSI sólo tiene significado dentro del VLR y de su zona de influencia, no hay regulación establecida sobre el mismo. Por ello, sólo se guarda en el VLR y no en el HLR. Deben ser el operador y el suministrador quienes lleguen a un acuerdo sobre su estructura.

La longitud del TMSI es 4 octetos (32 bits). Para asegurar que al producirse un reinicio en un VLR no se duplican sus TMSI, una parte de los mismos deben incluir información relacionada con la hora a la que se asignó cada TMSI o bien un indicador que señale de alguna forma que se ha producido un reinicio.

El TMSI debe asignarse siempre de forma cifrada.

EL VLR asigna al móvil un nuevo TMSI cada vez que ésta cambia de área de localización.

LMSI

Como es un número interno del VLR, lo único que hay regulado es que debe tener una longitud de 4 octetos.

Identificación de clientes móviles: IMSI, TMSI, LMSI (cont)


Numeración GSMPlan de numeración para estaciones móviles

• MSISDN (Mobile Station International ISDN Number): Es el número ISDN internacional de la estación móvil. Identifica de forma única al cliente móvil dentro del plan de numeración de la red telefónica pública.

• MSRN (Mobile Station Roaming Number): Es el número de itinerancia o seguimiento de la estación móvil e identifica tanto al usuario como al MSC en el que se encuentra el móvil en cada momento. Sirve para que el GMSC pueda encaminar una llamada dirigida al móvil al MSC en el que se encuentra.

Cada Administración realizará el plan de numeración para las redes móviles de su país. En principio, cualquier cliente de PSTN o de ISDN deberá poder comunicarse con un móvil, por lo que los números de teléfono de los móviles deberán cumplir el plan de numeración de ISDN de cada país. Es importante que pueda cambiarse el IMSI sin necesidad de cambiar el número ISDN y viceversa. A cada cliente móvil se le podrá asignar uno o varios números ISDN.

Se utilizan dos números diferentes:


Numeración GSMPlan de numeración para estaciones móviles (cont)

MSISDN

CC NDC SN

NMNCC (Country Code).

Código del país donde está registrado el móvil.

España: 34.

NDC (National Destination Code).

Código que se asigna a cada red GSM dentro de un país.

Cada red GSM puede tener asignados más de un NDC.

SN (Subscriber Number).

Dígitos que identifican al usuario. Lo asigna el operador y si existe más de un HLR en la red, los primeros dígitos referencian al HLR donde está dado de alta el usuario.

Vodafone: 600, 603, 607, 610, 617, 627, 634, 637, 647, 661, 662, 663, 664, 666, 667, 670, 671, 672, 673, ...

Movistar: 606, 608, 609, 616, 618, 619, 620, 626, 628, 629, 630, 636, 638, 639, 646, 648, 649, 650, 659, ...

Orange: 605, 615, 625, 635, 645, 651, 652, 653, 654, 655, 656, 657, 658, 665, ...

Algunos NDC en España

NMN = NDC + SN (NMN = National Mobile Number)


Numeración GSMPlan de numeración para estaciones móviles (cont)

MSRNCuando una llamada llega al GMSC, éste interroga al HLR para saber dónde está el móvil llamado y le pasa como parámetro su MSISDN. El HLR busca en su base de datos el VLR en que se encuentra el móvil y le pide que le envíe un MSRN para dicho móvil. Una vez que el HLR recibe el MSRN del VLR, lo remite al GMSC para que éste pueda encaminar la llamada entrante al MSC en el que se encuentra el móvil.

El VLR asigna el MSRN al móvil dentro de un rango que tiene disponibles cuando le es demandado. Cuando finaliza la llamada, se libera el MSRN.

El MSRN tiene la misma estructura que el MSISDN de la zona en la que está el VLR que entrega dicho MSRN, sólo que ahora el SN hace referencia a un MSC.

CC NDC SN

CC: Código del país en que se encuentre el VLR queproporciona el MSRN.

NDC: Código de la red GSM a la que pertenece el VLR.SN: Dígitos de acuerdo al área de numeración.


Numeración GSMIdentificación del equipo móvil: IMEI, IMEISV

El IMEI (International Mobile Equipment Identity) es la identidad internacional del equipo móvil y permite identificar a dicho equipo de forma unívoca. Puede ser requerido por el EIR de cualquier red GSM para validar el estado del terminal. Esta formado por 15 dígitos divididos en tres partes.

TAC (Type Approval Code): 8 dígitos. Indica que el equipo está aprobado por un organismo central GSM.

SNR (Serial Number). 6 dígitos. Código de serie único que identifica al equipo dentro de cada TAC. El fabricante debe asignarlo de forma secuencial.

SP (Spare Digit): 1 dígito. Debe ser 0 cuando lo transmite el móvil y aparece por primera vez en las especificaciones de GSM 2+.

Para ver el IMEI en un móvil teclear *#06#

El IMEISV (IMEI - Software Version) es igual que el IMEI salvo el número de versión de software, SVN (Software Version Number), que consta de dos dígitos e identifica la versión software del móvil.

TAC SNR SVN

TAC SNR SVN


Numeración GSMIdentificación de áreas de localización y estaciones base

El LAI (Location Area Identity) es la identificación del área de localización. Consta de tres partes.

MCC MNC LAC

MCC (Mobile Country Code). 3 dígitos. Es el mismo del IMSI. España: 214.

MNC (Mobile Network Code). 2 dígitos. El mismo del IMSI, Identifica la red a la que pertenece el cliente.

LAC (Location Area Code). Es un número de longitud fija e igual a dos octetos (16 bits). Identifica un área de localización dentro de una red GSM.

El CI (Cell Identity) es la identificación de la celda. Tiene una longitud fija de dos octetos. Permite identificar a la celda dentro del área de localización a la que pertenece.

El CGI (Cell Global Identity) es la identificación global de la celda y es el conjunto del LAI seguido del CI.

MCC MNC LAC

CGI

CI

LAI


Estructura TDMA

HIPERTRAMA

51 MULTITRAMAS 26 MULTITRAMAS

MULTITRAMA26 TRAMAS = 120 ms. 51 TRAMAS = 235,38 ms.

8 TIME SLOTS = 4,61 ms.

0 1 2 3 4 5 6 7

0 0 1 2 49 50

0 1 23 24 2549 50

1

1

1

2

2

2

0

0

24 25

2045 2046 2047

SUPERTRAMA( 6,12 s.)

(3 horas 28 min. 53 s. 760 ms.)

0,577 ms.

156,25 bits

156,25 bits0,577 ms.

= 270,833 kbps

Velocidad de transmisión en la interfaz radio.

2

Estructura jerárquica de las tramas GSM


Estructura TDMA

• Ráfaga NORMAL (Uplink y Downlink)• Ráfagas específicas:

Ráfaga de CORRECCIÓN DE FRECUENCIARáfaga de SINCRONIZACIÓNRáfaga de RELLENO

Ráfaga de ACCESO

Ráfaga (Burst):Secuencia de bits enviada en un intervalo de tiempo. TS (Time Slot) = 156,25 bits = 0,577 ms.TS = Ráfaga + Tiempo de guarda.

• Los tiempos de guarda son necesarios puesto que los equipos no pueden aumentar/disminuir su potencia de salida de forma instantánea.

• También minimizan el riesgo de colisión entre usuarios con retardos de propagación distintos.

Enlace ascendente:Enlace descendente:

Tipos de ráfagas (bursts)


Estructura TDMATipos de ráfagas (bursts) (cont)

Ráfaga de acceso

Permiten el acceso del móvil a la red. Sólo se usan en enlace ascendente (“uplink”).

Incluyen Secuencia de sincronización más larga para facilitar la sincronización del móvil.

El elevado tiempo de guarda sirve para asegurar la recepción de móviles alejados de la estación base.

La estación base usa el instante de recepción de la ráfaga para estimar la distancia a la que está el móvil.

Los bits de cola se usan para la inicialización del ecualizador de canal.

Tail bits

Secuencia de sincronización

Información de acceso codificada

Tail bits Tiempo de guarda

8 41 36 3 68,25 bits

156,25 bits = 0,577 ms.



Ráfaga de acceso (cont)

• Móvil base

8 41 36 3

Secuencia desincronización

60+8,25

Informaciónde acceso

0,252 msg.

37,8 km.

35 km.radio máximocelda

d1

d2



Ráfaga de corrección de frecuencia

Tail bits Secuencia de corrección de frecuencia (todo ceros) Tail

bitsTiempo de

guarda

3 142 3 8,25 bits

156,25 bits = 0,577 ms.

Sólo se usa en enlace descendente (downlink) y permite que el móvil sincronice su oscilador a la frecuencia exacta de la estación base.

La estación base transmite un tono puro desplazado de la frecuencia portadora 67,7 kHz. El móvil realiza la estimación de la frecuencia recibida de acuerdo a su propio oscilador y como sabe la frecuencia transmitida, determina la diferencia. A continuación corrige su frecuencia propia para compensar esa diferencia.

La corrección no será perfecta, pues las perturbaciones del canal (propagación multicamino, ruido, interferencias, desplazamiento doppler, etc.) hacen que la estimación se produzca con un cierto error.



Ráfaga de sincronización

Sólo se usa en enlace descendente (downlink) y permite que el móvil se sincronice en tiempo con la estación base.

Es la primera ráfaga que detecta el sistema.

La secuencia de entrenamiento es única para el sistema y de mayor duración (facilita sincronismo)

Los bits codificados contienen:

• Identificador de la estación base.

• Identificadores de trama, multitrama y supertrama para sincronización.

Tail bits

Tail bits

Tiempo de guarda

3 39 64 39 3 8,25 bits

156,25 bits = 0,577 ms.


Información codificada




Ráfaga normal

Se usa en los enlaces ascendente y descendente.

Los 3 bits de inicio y cola (Tail bits) sirven para inicializar el ecualizador.

El bit S (Stealing flag) indica si la ráfaga transporta información de control urgente en lugar de información de usuario.

La secuencia de sincronización se utiliza para estimar la respuesta impulsional del canal y ajustar el sincronismo de bit. Se coloca en el centro para minimizar la distancia de dicha secuencia a los bits de información.

Hay 8 secuencias de sincronización (entrenamiento) diferentes que se asignan a células vecinas (se disminuye el efecto de las interferencias en la estimación de la respuesta impulsional gracias a su baja correlación).

Tail bits

Tail bits

Tiempo de guarda

3 57 1 26 1 57 3 8,25 bits

156,25 bits = 0,577 ms.




SS



Ráfaga de relleno

Se usan únicamente en el enlace descendente.

Se transmiten cuando no hay información que transmitir en los time slots de la frecuencia en la que se envía la información de control necesaria para la sincronización con el sistema. Toda estación base debe transmitir constantemente en todos los time slots de esa portadora para que los móviles puedan realizar las medidas de potencia recibida (señal piloto). Cuando hay móviles ocupando esos TS, en ellos se transmitirá información de usuario utilizando ráfagas normales. Sin embargo, en los TS en los que no haya ninguna comunicación en curso, es preciso que se transmita algo para que no se pierda en esos intervalos la señal piloto. Lo que se envía en esos casos es precisamente la ráfaga de relleno.

Tail bits Secuencia de bits de relleno Tail

bitsTiempo de

guarda

3 142 3 8,25 bits

156,25 bits = 0,577 ms.


Estructura TDMACanales lógicos

Un canal lógico no es más que una combinación ordenada de ráfagas dentro de una estructura de trama que transportan un mismo tipo de información.

En el sistema GSM existen dos grupos de canales lógicos:

• Canales COMUNES: Transmiten información de señalización común a todos los móviles ubicados en una célula determinada. Son canales punto a multipunto.

• Canales DEDICADOS: Transmiten información correspondiente a una conexión establecida entre un móvil concreto y la red. Son canales punto a punto.

De todas las portadoras que transmite una celda dada, hay una de ellas que funciona como señal piloto para los móviles, utilizándose su TN 0 (timeslot number 0) para transmitir todos los canales comunes de señalización. Esta portadora se identifica generalmente con el nombre de uno de los canales lógicos que transmite (BCCH) y se denomina portadora BCCH.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)

Canales comunes

- Canales de RADIODIFUSIÓN (Broadcast CHannels: BCH)Proporcionan al móvil información suficiente para su sincronización con la red:

- BCCH (Broadcast Control CHannel) (DL)- FCCH (Frequency Correction CHannel) (DL)- SCH (Synchronization CHannel) (DL)

- Canales de CONTROL COMUNES (Common Control CHannels: CCCH)Permiten el establecimiento del enlace entre el móvil y la base:

- PCH (Paging CHannel) (DL)- AGCH (Access Grant CHannel) (DL)- NCH (Notification CHannel) (DL)- CBCH (Cell Broadcast CHannel) (DL)- RACH (Random Access CHannel) (UL)



Canales dedicados

- Canales de TRÁFICO (Traffic CHannels: TCH)Se utilizan para transmitir información de usuario entre la red y el móvil:

- TCH/F (Traffic CHannel Full Rate) (DL y UL)- TCH/H (Traffic CHannel Half Rate) (DL y UL)

- Canales de CONTROL DEDICADOS (Dedicated Control CHannels: DCCH)Se utilizan para transmitir información de control entre la red y el móvil:

- SACCH/TF (Slow Associated Control CHannel/Full Rate) (DL y UL)- SACCH/HF (Slow Associated Control CHannel/Half Rate) (DL y UL)- FACCH/F (Fast Associated Control CHannel Full Rate) (DL y UL)- FACCH/H (Slow Associated Control CHannel Half Rate) (DL y UL)- SDCCH (Stand alone Dedicated Control CHannel) (DL y UL)



SCH (Synchronization CHannel)

• Permite identificar la estación base sintonizada y sincronizarse con la estructura de trama.

• Transmite los parámetros a partir de los que pueden calcularse los números BN (bit Number), QN (Quarter bit Number), TN (Time slot Number) y FN (Frame Number), así como los números de multitrama y supertrama (19 bits).

• Transmite el BSIC (Base Transceiver Station Identity Code) asignado a la celda (6 bits). Este código permite distinguir células distintas que transmitan en la misma frecuencia cuando haya solape de coberturas.

• Informa al móvil de la secuencia de entrenamiento que utiliza la base y que es necesaria para la demodulación de la ráfaga (a partir de los 3 bits del BCC (Base station Colour Code) que contiene el BSIC).

• El móvil determina el resto de los TSs de la celda a partir de su posición relativa a la del TS en el que se ha recibido el SCH (TN=0).

• Los 25 bits de información se codifican mediante la concatenación de un código cíclico y otro convolucional de tasa 1/2 y dan lugar a 78 bits codificados.

Se transmite dentro de una RÁFAGA DE SINCRONIZACIÓN.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)FCCH (Frequency Correction CHannel)

• Informa al móvil de la frecuencia portadora de la estación base.

• Permite la sintonía de los receptores móviles.

Se transmite dentro de una RÁFAGA DE CORRECCIÓN DE FRECUENCIA.

BCCH (Broadcast Control CHannel)

• Se utiliza para informar al móvil de parámetros del sistema necesarios para identificar la red y acceder a la misma.

• La información útil de cada bloque ocupa 23 octetos. Estos bits se codifican mediante la concatenación de un código cíclico y otro convolucional de tasa 1/2 y dan lugar a 456 bits codificados.

Se transmite dentro de una RÁFAGA NORMAL.

• Como una ráfaga normal tiene capacidad para transmitir 114 bits codificados, son necesarias cuatro ráfagas para transmitir los 23 octetos de un bloque de información BCCH.



BCCH (Broadcast Control CHannel) (cont)

Información en el BCCH:• Country Code• Mobile Network Code (MNC).• Location Area Identity (LAI).• Frecuencias de las celdas vecinas (beacon frequencies).• Secuencia de frecuencias asignadas por celda (Frequency hopping).

I) Del sistema:

II) De acceso: • Nivel de potencia en acceso.– Nivel de potencia inicial de acceso.– Paso de incremento en cada intento.

• Algoritmo de acceso.– Número máximo de intentos de acceso.– Intervalo de tiempo entre intentos de accesos.

• Período de actualización de la posición (Location Update).

III) De búsqueda: • Configuración de los canales de concesión de acceso.• Configuración de los canales de paging.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)PCH (Paging CHannel)

• Avisa al móvil de las llamadas entrantes procedentes de la estación base.



AGCH (Access Grant CHannel)• Concede o niega la llamada solicitada por el móvil.

• En caso de concesión de llamada también informa del valor de TA (Time Advance).



Como una ráfaga normal tiene capacidad para transmitir 114 bits codificados, son necesarias cuatro ráfagas para transmitir los 23 octetos de un bloque de información, tanto para el canal PCH como para el canal AGCH.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)NCH (Notification CHannel)

• Se emplea para avisar de la llegada de mensajes de difusión de voz a todos o a un grupo de móviles de la red.



CBCH (Cell Broadcast CHannel)

• Se emplea para enviar mensajes cortos a todos o a un grupo de móviles de la red.



Como una ráfaga normal tiene capacidad para transmitir 114 bits codificados, son necesarias cuatro ráfagas para transmitir los 23 octetos de un bloque de información, tanto para el canal NCH como para el canal CBCH.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)RACH (Random Access CHannel)

• Se emplea por el móvil para solicitar un canal.

• La información útil de cada bloque ocupa 8 bits. Estos bits se codifican mediante la concatenación de un código cíclico (se calculan 6 bits de paridad que se añaden una vez sumados or exclusiva con los 6 bits del BSIC de la estación base a la que se accede) y otro convolucional de tasa ½ (previamente se añaden cuatro bits de cola) y dan lugar a 36 bits codificados.

Se transmite dentro de una RÁFAGA de ACCESO.Información en el RACH: •8 bits de información:

–3 bits razón de acceso:•respuesta al paging•solicitud de llamada•llamada de emergencia•actualización de localización.

–5 bits número aleatorio:•identifica al móvil que accede.

Todos los canales comunes de control se transmiten en el slot 0 de una multitrama de 51 tramas.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)TCH/F, TCH/H (Traffic CHannel)

• Transmiten información de voz o datos.

• Son canales bidireccionales que utilizan el mismo TN tanto en la portadora del DL como en la del UL.

• Pueden ocupar cualquier TN en cualquier portadora, excepto el TN=0 de la portadora BCCH, que se reserva para los canales comunes de señalización.

• Hay dos clases de canales de tráfico: de velocidad total (TCH/F: TCH Full Rate) y de velocidad mitad (TCH/H: TCH Half Rate), que se diferencian en la periodicidad del canal. El TCH/F ocupa un TS por trama, mientras que el TCH/H ocupa un TS cada dos tramas.

Se transmiten dentro de una RÁFAGA NORMAL.

• Se definen también canales de tráfico para la transmisión de datos en modo circuito a 9,6 kbps, 4,8 kbps y ≤ 2,4 kbps para velocidad total (full rate) y a 4,8 kbps y ≤ 2,4 kbps para velocidad mitad (half rate)


Estructura TDMACanales lógicos (cont)SACCH/TF, SACCH/TH (Slow Associated Control CHannel)

• Son los canales de señalización lentos asociados a los canales de tráfico de velocidad total o mitad, respectivamente.

• Transmiten información de control dedicada al mantenimiento del enlace:

o Enlace Descendente: Potencia a transmitir y valor de Time Advance

o Enlace Ascendente: Potencia y Time Advance reales con los que transmite y medidas realizadas por el móvil para handover.

• Dentro de la multitrama de canales de tráfico, se intercalan tramas dedicadas a señalización SACCH entre las dedicadas a TCH.



• Como una ráfaga normal tiene capacidad para transmitir 114 bits codificados, son necesarias cuatro ráfagas para transmitir los 23 octetos de un bloque de información SACCH.


Estructura TDMACanales lógicos (cont)FACCH/TF, FACCH/TH (Fast Associated Control CHannel)

• Son los canales de señalización rápidos asociados a los canales de tráfico de velocidad total o mitad, respectivamente.

• Transmiten información de control que no puede esperar a la llegada del SACCH correspondiente, como por ejemplo la gestión de traspasos (handover).

• Para transmitir la información urgente se sustraen los bits de las tramas de tráfico. Para saber si la información que va en un determinado TS es del TCH o del FACCH, se incluyen dos bits indicadores (flags).



• Como una ráfaga normal tiene capacidad para transmitir 114 bits codificados, son necesarias cuatro ráfagas para transmitir los 23 octetos de un bloque de información FACCH.



SDCCH (Stand-alone Dedicated Control CHannel)

• Se utiliza en el intercambio de mensajes entre el móvil y la base, una vez el móvil ha accedido a un slot y antes de establecer la comunicación, para:

o Establecimiento de una llamada: La información incluye la comprobación de la identidad del abonado, la autenticación del móvil, el número al que se llama y el establecimiento de los parámetros necesarios para el cifrado de la conversación.

o Encendido/Apagado del móvil: IMSI Attach/ IMSI Detach

o Actualización de posición: La información incluye la comprobación de la identidad del abonado, autentificación del móvil, establecimiento del cifrado e indicación del nuevo LAC (Location Area Code) en el que quiere registrarse el móvil.

o Envío/recepción de SMS (mensajes cortos): La información es semejante a la que corresponde al establecimiento de llamada, pero además se incluye el contenido del mensaje.




SDCCH (Stand-alone Dedicated Control CHannel) (cont)

• Es un canal bidireccional, que emplea por tanto el mismo TN tanto en la portadora del DL como en la del UL. Puede ocupar cualquier TN en cualquier portadora.

• Cada "subcanal" físico del SDCCH utiliza ráfagas formadas por 4 TS en tramas consecutivas. Al igual que los TCH, tienen canales SACCH asociados.

• Hay dos clases de canales SDCCH:

o SDCCH/8: Se utiliza un único TS para transportar 8 subcanales SDCCH independientes (es decir, asociados a móviles distintos). Se usa cualquier TS excepto el TN0 de la portadora BCCH.

o SDCCH/4: En este caso, se utiliza el TN0 de la portadora BCCH y se dice que la señalización está combinada, ya que en él se multiplexa la información de los canales comunes de señalización y cuatro subcanales SDCCH. Es decir, se transmite la señalización generada por 4 móviles en el mismo TS que la información de los CCCH.


Estructura de las multitramas

Existen dos tipos de multitramas:

• Multitramas de canales dedicados de tráfico (MF26). Consta de 26 tramas y su duración es de 120 ms. Las duraciones de la trama, 120/26 = 4,615 ms., y del TS, 120/(26×8) = 0,577 ms., vienen determinadas por este valor de 120 ms.

• Multitramas de canales de señalización y control (MF51). Consta de 51 tramas, valor que no tiene ningún divisor común con las 26 de tráfico. Esto se ha elegido así para asegurar que los móviles activos pueden escuchar los canales SCH y FCCH de las celdas vecinas (condición imprescindible para decodificar el BSIC de esas celdas), lo cual es necesario para realizar el traspaso de una celda a otra.

Ambas multitramas siguen ciclos que corren en paralelo sobre una estructura superior denominada supertrama.



Hay dos tipos básicos de multitramas de 26 tramas, la empleada por un canal TCH/F y la empleada por dos canales TCH/H.

Las multitramas de tráfico pueden estar soportadas por un canal físico que ocupe cualquier TS sobre cualquiera de las portadoras que utilice la celda, salvo el TN0 de la portadora BCCH.

Multitrama de tráfico (MF26)

En todas las representaciones gráficas de las multitramas se mostrará únicamente el TS utilizado por ese canal en cada trama, por lo que no hay que olvidar que la separación temporal entre dos TS representados consecutivamente es precisamente la duración de la trama (4,615 ms.).

Nota:

T = TCH/F o FACCH

S = SACCH

I = Vacío (trama libre)

24222018 232119171615141311109876543210

26 TRAMAS = 120 ms.

T T T T T T TTT T T T12S

25I

Multitrama para un TCH/FT T T T T T TTT T T T

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 ...

1 TRAMA = 8 Time slots = 4,615 ms.

TN



Velocidades de información y transmisión:

Multitrama de tráfico (MF26) (cont)

• Se transmiten 65 bits de información codificada (considerando únicamente la codificación de fuente, no la de canal) en la ráfaga correspondiente a cada trama. Como se utilizan 24 tramas de cada 26, la velocidad neta de información es:65 bits/trama TCH × 24 tramas TCH / 120 ms. multitrama = 13 kbps

114 bits/trama TCH × 24 tramas TCH / 120 ms. multitrama = 22,8 kbps

TCH/F

• Si se tiene en cuenta la codificación de canal, el número de bits de información codificada en la ráfaga de cada trama es de 114 (divididos en dos campos de 57 bits). La velocidad de transmisión de este canal es:



Velocidades de información y transmisión (cont):

Multitrama de tráfico (MF26) (cont)

• La información útil transmitida en el SACCH antes de someterla a la codificación de canal ocupa 184 bits (23 octetos). Esta información se divide en 4 bloques que se transmiten a lo largo de cuatro multitramas consecutivas, por lo que el período del SACCH es 120 × 4 = 480 ms., y en cada multitrama se transmiten 46 bits de información del SACCH. Como se utiliza únicamente una trama de la multitrama para transmitir este SACCH, la velocidad neta de información resultante es:

SACCH


46 bits/trama SACCH / 120 ms. multitrama = 383 bps.

114 bits/trama SACCH / 120 ms. multitrama = 950 bps.


Estructura de las multitramasMultitrama de tráfico (MF26) (cont)

Multitrama para un TCH/H

T, t = canales TCH/H o FACCH/HS,s = canales SACCH/TH asociados a cada uno de los canales TCH/H. El S es el asociado al canal T y el s, al canal t.

24222018 232119171615141311109876543210

26 TRAMAS = 120 ms.

T T T T T T ttt t t t12S

25sT T T T T T ttt t t t

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 ...1 TRAMA = 8 Time slots = 4,615 ms.

TN

En este caso no quedan tramas libres dentro de la multitrama.



Velocidades de información y transmisión:Multitrama de tráfico (MF26) (cont)

114 bits/trama TCH × 12 tramas TCH/H / 120 ms. multitrama = 11,4 kbps

TCH/H


SACCH

• Tanto la velocidad de información (383 kbps), como la de transmisión (950 kbps) son las mismas que para el caso de la multitrama para TCH/F, ya que al igual que en ese caso, se utiliza una trama dentro de la multitrama para transmitir el SACCH.

• En este caso se utilizan 12 tramas para cada uno de los dos canales multiplexados en la multitrama. Por consiguiente, la velocidad neta de información es:

56 bits/trama TCH × 12 tramas TCH/H / 120 ms. multitrama = 5,6 kbps


Estructura de las multitramasMultitrama de tráfico (MF26) (cont)

Como se ha indicado, esta multitrama puede estar soportada por un canal físico que ocupe cualquier TS sobre cualquiera de las portadoras que utilice la celda (salvo el TN0 de la portadora BCCH). Sin embargo, el inicio de la multitrama varía de un TN a otro, existiendo así un desplazamiento temporal entre ellas.

La razón de tal desplazamiento es la siguiente: como se ha visto, el ciclo del canal SACCH es de 4 multitramas, de forma que cada 4 multitramas (480 ms.) se transmite un mensaje SACCH completo del móvil a la BS. Si no existiera ese desplazamiento temporal entre los ciclos de los SACCH de los diferentes TN, lo que ocurriría es que llegarían a la BS cada 480 ms. y casi simultáneamente los mensajes SACCH de todas las estaciones móviles que transmiten en esa celda. Esto implicaría aumentar la complejidad del receptor de la BS.

El valor concreto del desplazamiento aplicado entre el inicio de la multitrama del TNi de una determinada portadora y el de la multitrama del TNi+1 de la misma es de 13 tramas. De este modo, cada 13 tramas se recibe el SACCH de la mitad de los TN (para la otra mitad, esa trama será la trama libre de la estructura de multitrama).


Estructura de las multitramasMultitramas de señalización (MF51)

La multitrama MF51 consta de 51 tramas y su duración es de 51×120/26 = 235,38 ms.

Esta multitrama se utiliza para canales de señalización tanto comunes (BCCH, SCH, FCH, PCH, AGCH, RACH) como dedicados (SDCCH).

Existen cuatro estructuras diferentes para la multitrama MF51: Hay tres formas de combinar los canales de señalización comunes (señalización descombinada, señalización combinada y señalización en celdas con gran necesidad de capacidad), que se plasman en otras tres posibles estructuras de la multitrama, y una forma de multiplexar los subcanales de señalización dedicados, que da lugar a la cuarta posible estructura de la multitrama MF51.

La adopción de una configuración (combinación) determinada dependerá de la capacidad de búsqueda/señalización/tráfico que se desee en una determinada celda y la decisión depende del operador de GSM.

En toda celda, los canales que deben usarse necesariamente son un único FCCH, un único SCH y al menos un BCCH


Estructura de las multitramasMultitramas de señalización (MF51) (cont)

En la señalización descombinada, sobre el TN0 de la portadora BCCH se transmiten en el DL el FCCH, el SCH, un BCCH y nueve subcanales CCCH (PCH/AGCH) independientes. En el UL se transmite un canal RACH, de modo que no queda ninguna trama sin utilizar.

Un bloque de información útil de los canales BCH y CCCH ocupa 23 octetos, que se transmiten en cuatro tramas consecutivas.

Multitrama para señalización descombinada

24222018 232119171615141311109876543210F B B C C F SCS B B C

12C

25CC C C C S C CCC C C F

2826 27 29CC CC

5048 494746454443414039383736353433323130F C C C C F SCS C C C

42C C C C CC C C -

DL F = FCCH S = SCHB = BCCH C = CCCH- = Canal libre

24222018 232119171615141311109876543210R R R R R R RRR R R R

12R

25RR R R R R R RRR R R R

2826 27 29RR RR

5048 494746454443414039383736353433323130R R R R R R RRR R R R

42R R R R RR R R R

ULR = RACH



En la señalización combinada, sobre el TN0 de la portadora BCCH se transmiten en el DL el FCCH, el SCH, un BCCH, tres subcanales CCCH(PCH/AGCH) independientes y un SDCCH/4 (4 subcanales SDCCH independientes). En el UL se transmite la parte correspondiente del SDCCH/4 y un canal RACH que ocupa 23 de las 51 tramas. Con esta estructura, el período completo dura dos multitramas MF51, quedando 2 TS libres, uno en cada multitrama.

Multitrama para señalización combinada

DL 24222018 232119171615141311109876543210F B B C C F SCS B B C

12C

25D0C C C C S D0 D0D0C C C F

2826 27 29

5048 494746454443414039383736353433323130F D2 D2 D3 D3 F SD3S D2 D2 D3

42A0 A0 A0 A1 A1A0 A1 A1 -

D1D1 D1D1

24222018 232119171615141311109876543210F B B C C F SCS B B C

12C

25D0C C C C S D0 D0D0C C C F

2826 27 29

50454443414039383736353433323130F D2 D2 D3 D3 F SD3S D2 D2 D3

42A2 A2 A2A2

48 494746A3 A3A3 A3 - F = FCCH S = SCH

B = BCCH C = CCCHDi = Subcanal i del canal

SDCCH/4

D1D1 D1D1

Ai = Canal SACCH asociado a cada subcanal i del SDCCH/4



La señalización combinada se emplea en celdas con poca necesidad de capacidad. Al no tener mucho tráfico, no requieren gran capacidad de búsqueda ni de accesos aleatorios desde los móviles. En este caso, parte de las tramas que componen la MF51 se comportan como canales punto a multipunto y otra parte como canales punto a punto (SDCCH/4).

Si con esta configuración de señalización se opta por transmitir un canal CBCH, éste ocuparía las tramas destinadas al tercero de los 4 subcanales SDCCH, de forma que se tendría una capacidad más reducida de canales de señalización dedicados: 3 en vez de 4.

Multitrama para señalización combinada (cont)

UL 3210D3 D3 D3D3

54R R

24222018 23211917161514 25RR R R R R RRR R R R

2826 27 29RR RR

4645R R

50494847D2 D2D2 D2

3937 38 40D0D0 D0D0

4341 42 44D1D1 D1D1

9876A2 A2 A2A2

12 131110A3 A3A3 A3

363534333231R R R RR R R30

3210D3 D3 D3D3

54R R

24222018 23211917161514 25RR R R R R RRR R R R

2826 27 29RR RR

4645R R

50494847D2 D2D2 D2

3937 38 40D0D0 D0D0

4341 42 44D1D1 D1D1

9876A0 A0 A0A0

12 131110A1 A1A1 A1

363534333231R R R RR R R30

R = RACH



En este caso, el TN0 de la portadora BCCH sigue la misma configuración que en la señalización descombinada y se utilizan otro u otros TS de esa portadora (hasta 3 TS de extensión: TN 2, 4 y 6) en los que se transmiten en el DL un BCCH y un PCH/AGCH de alta capacidad y en el UL un RACH de alta capacidad.

Multitrama para señalización común de muy alta velocidad

DL

24222018 232119171615141311109876543210F B B C C F SCS B B C

12C

25CC C C C S C CCC C C F

2826 27 29CC CC

5048 494746454443414039383736353433323130F C C C C F SCS C C C

42C C C C CC C C -

F = FCCH S = SCHB = BCCH C = CCCH- = Canal libre

TN 0

TN de extensión (2, 4 ó 6)

24222018 232119171615141311109876543210- B B C C - -C- B B C

12C

25CC C C C - C CCC C C -

2826 27 29CC CC

5048 494746454443414039383736353433323130- C C C C - -C- C C C

42C C C C CC C C -



Esta configuración se emplea en celdas con gran necesidad de capacidad. En este tipo de celdas no basta con emplear un canal PCH/AGCH de gran capacidad, sino que es necesario utilizar más de un TS para acomodar la señalización común.

Como TS extendidos se emplean los TN 2, 4 y 6 y no otros porque de esta manera se puede utilizar esta configuración en celdas de rango extendido (celdas cuyos TS "duran" el doble), permitiendo así la utilización de radios celulares de hasta 121 km.

Multitrama para señalización común de muy alta velocidad (cont)

UL

24222018 232119171615141311109876543210R R R R R R RRR R R R

12R

25RR R R R R R RRR R R R

2826 27 29RR RR

5048 494746454443414039383736353433323130R R R R R R RRR R R R

42R R R R RR R R R

R = RACH

(En todos los TN posibles)



En esta multitrama se multiplexan los canales SDCCH/8 y sus SACCH asociados. Esta multiplexación puede hacerse sobre cualquier TN de cualquier portadora, salvo el TN0 de la portadora BCCH.

Multitrama de canales de señalización dedicados

DL

3210D0 D0D0

15141312D3 D3D3 D3

7654D1 D1 D1D1

10 1198D2 D2D2 D2D0

19181716D4 D4D4 D4

2220 21 23D5D5 D5D5

2624 25 27D6D6 D6D6

31302928D7 D7D7 D7

43424140A2 A2A2 A2

35343332A0 A0 A0A0

38 393736A1 A1A1 A1

47464544A3 A3A3 A3

48 49--

50-

3210D0 D0D0

15141312D3 D3D3 D3

7654D1 D1 D1D1

10 1198D2 D2D2 D2D0

19181716D4 D4D4 D4

2220 21 23D5D5 D5D5

2624 25 27D6D6 D6D6

31302928D7 D7D7 D7

43424140A6 A6A6 A6

35343332A4 A4 A4A4

38 393736A5 A5A5 A5

47464544A7 A7A7 A7

48 49--

50-

Ai = Canal SACCH asociado a cada subcanal i delSDCCH/8

Di = Subcanal i del canalSDCCH/8



Si se opta por transmitir también un CBCH, éste ocuparía las tramas correspondientes a uno de los 8 subcanales del SDCCH, que por tanto resultaría con la capacidad reducida. En este caso, el CBCH podría ocupar los TN 0 (pero no en la frecuencia BCCH), 1, 2 ó 3.

Multitrama de canales de señalización dedicados (cont)

UL

Ai = Canal SACCH asociado a cada subcanal i delSDCCH/8

Di = Subcanal i del canalSDCCH/8

18171615D0 D0D0

30292827D3 D3D3 D3

22212019D1 D1 D1D1

25 262423D2 D2D2 D2D0

3735 36D5 D5D5

34333231D4 D4D4 D4

38D5

4139 40 42D6D6 D6D6

46454443D7 D7D7 D7

50494847A0 A0 A0A0

7654A2 A2A2 A2

2 310A1 A1A1 A1

111098A3 A3A3 A3

12 13--

14-

7654A6 A6A6 A6

2 310A5 A5A5 A5

111098A7 A7A7 A7

12 13--

14-

18171615D0 D0D0

30292827D3 D3D3 D3

22212019D1 D1 D1D1

25 262423D2 D2D2 D2D0

3735 36D5 D5D5

34333231D4 D4D4 D4

38D5

4139 40 42D6D6 D6D6

46454443D7 D7D7 D7

50494847A0 A0 A0A0


Codificación de canal y entrelazadoCodificación de los canales de voz (cont)

Inicialmente se estandarizaron dos codificadores de voz:• Full Rate (FR). Es del tipo RPE - LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term

Prediction) y opera a 13 kbps.

• Half Rate (HR). Es del tipo VSELP (Vector-Sum Excited Linear Prediction) y opera a 5,6 kbps.

Posteriormente se han estandarizado otros codificadores de voz que proporcionan una mejor calidad:

• Enhanced Full Rate (EFR). Es del tipo ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction Coder) y opera a 12,2 kbps.

• Adaptive Multi-Rate (AMR). Es del tipo Algebraic Code Excited Linear Prediction Coder (ACELP) y opera a diferentes velocidades: 12,2; 10,2; 7,95; 7,40; 6,70; 5,90; 5,15 y 4,75 kbps.

• Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB). Es del tipo Algebraic Code Excited Linear Prediction Coder (ACELP) y opera a diferentes velocidades: 12,65; 8,85 y 6,60 kbps.


Codificación de canal y entrelazadoCodificación de los canales de voz

Para el vocoder RPE-LPT a 13 kbps:

A/D Codificadorfuente Decodificador D/A

fm = 8 kHz13 bits/muestra

Codificadorcanal

13 kbps 22,8 kbps

20 ms. 260 bits 456 bits

Sin protección

Requiere 4 SLOTS

Con protección: - codigo convolucional- CRC de deteccción de errores

Cada 20 msg. el VOCODER entrega 260 bits (Net Bit Rate: 13 kbps) que presentan distintos grados de importancia:

• Clase Ia: 50 bits, Clase Ib: 132 bits, Clase Ic: 78 bits

Los bits clase Icno son protegidosLos bits clase Ia se protegen

mediante un código cíclico que añade 3 bits de CRC Se añaden cuatro “0” para

permitir el reset del decodificador.CODIGO CONVOLUCIONAL r =1/2, K = 5

78 bits378 bits CODIFICADOS

78 bits50 bits

43 132 bits50 bits

132 bitsClase Ia Clase IcClase Ib



El VOCODER entrega bloques de 260 bits al codificador de canal. Una vez codificados estos bits se transforman en 456 bits codificados que se reparten y entrelazan considerando 8 ráfagas consecutivas, a razón de 57 bits por ráfaga.

Puesto que en una ráfaga normal pueden transmitirse hasta 114 bits de información, cada ráfaga contiene la contribución de dos bloques consecutivos de voz codificada.Ráfaga bit(1) bit(2) bit(3) bit(4) bit(113) bit(114)

N S0(i) ...N+1 ...N+2 ...N+3 ...N+4 ...N+5 ...N+6 ...N+7 ...

S1(i)S2(i)S3(i) S4(i)

S5(i)S6(i)S7(i)

S8(i)S9(i)S10(i)S11(i) S12(i)

S13(i)S14(i)S15(i)

S448(i)S449(i)S450(i)S451(i)

S452(i)S453(i)S454(i)S455(i)

S0(i+1)S1(i+1)S2(i+1)S3(i+1)

S4(i-1)S5(i-1)S6(i-1)S7(i-1)

S8(i+1)S9(i+1)S10(i+1)S11(i+1)

S448(i+1)S449(i+1)S450(i+1)S451(i+1)

S452(i-1)S453(i-1)S454(i-1)S455(i-1)

S12(i-1)S13(i-1)S14(i-1)S15(i-1)

20 ms 20 ms 20 msA/D Codificadorfuente

fm = 8 kHz13 bits/muestra

Codificadorcanal

13 kbps

i+1 i i-1

456 bitsS0(i) S1(i) S2(i) S455(i)...



El entrelazado introduce un retardo. El tiempo mínimo de transmisión entre la primera y la última ráfaga de un bloque de voz, en el caso más desfavorable, que es cuando se inserta el SACCH, es igual a:

9 tramas × 8 ráfagas/trama - 7 ráfagas = 65 ráfagas = 37,5 ms.

El retardo total de transmisión será la suma de este tiempo más el período del codificador y el tiempo de procesado.

Cuando se pierde una trama de voz durante la transmisión debido a errores irrecuperables, para mejorar la calidad subjetiva percibida por el usuario y evitar que se percate de esa pérdida, se sustituye en el receptor la trama perdida por una repetición o interpolación de las últimas tramas recibidas.

Si se pierde más de una trama consecutiva, para las siguientes a las primeras se utiliza una técnica que consiste en ir reduciendo el nivel de salida de las tramas "interpoladas", de forma que se termina perdiendo totalmente el sonido después de un máximo de unos 320 ms.


Codificación de canal y entrelazadoCodificación de los canales de datos. TCH a 9,6 kbps.

El entrelazado es más profundo que en el servicio de voz. Los 456 bits correspondientes a un bloque de datos de 20 ms. se transmiten a lo largo de 22 tramas, lo que supone un retardo de 101,53 ms.

Se añaden cuatro “0” parapermitir el reset del decodificador.

Se elimina 1 bit de cada 16.

CODIFICACION CONVOLUCIONAL r = 1/2 ; K = 5

32 BITS ELIMINADOS (Puncturing)

9,6 kbps

456 BITS CODIFICADOS


240 bits ( = 12 kbps) 4

20 ms.


Codificación de canal y entrelazadoCodificación de los canales de señalización

Los bits de los canales de señalización (salvo el SCH y el RACH, que siguen una estructura diferente) se organizan en grupos de 23 octetos (184 bits) a los que se les aplica un código bloque Fire concatenado con un convolucional, obteniéndose finalmente un bloque de 456 bits.

Se transmiten mediante un entrelazado extendido a 4 tramas.

Se añaden cuatro “0” para permitir el resetdel decodificador.

El primer código es un código bloque (184,40)

CODIFICACIÓN CONVOLUCIONAL r = 1/2


184 Bits 4Paridad 40 Bits

184 Bits Bits de Señalización

CÓDIGO FIRE


Compensación de la distancia BTS - MS

Como las MS pueden encontrarse a diferentes distancias de la BTS, los tiempos de propagación para que sus respectivas señales alcancen la BTS también son distintos. Por ello, para evitar colisiones en el acceso es TDMA una MS deberá ajustar los instantes de transmisión de sus ráfagas de forma que se compense en la medida de lo posible el retardo de propagación. Este ajuste se denomina avance temporal, TA (Time Advance).

Durante las llamadas, la BTS mide el tiempo de propagación desde la MS y evalúa el TA, enviándolo a la MS (a través del SACCH) para que ajuste sus transmisiones subsiguientes.

Cuando el móvil necesita acceder a una estación base, bien para señalizar en ella, bien para realizar un handover a ella, a priori no sabe a qué distancia se encuentra de la BTS. Al demodular el SCH, la MS determina el instante de inicio de la trama, que estará retrasado el tiempo de propagación Tp segundos respecto al de referencia de la BTS. Tras ello, envía una ráfaga de acceso con TA = 0. Esta ráfaga se recibe Tp segundos (tiempo de propagación) después en la BTS, por lo que el retraso total respecto al inicio real de la trama es de 2· Tp segundos.



Tp

SINCRONISMO.

SINCRONISMO. RACH

RACH

BTS

t

Duración del SLOT (TSLOT)

t

Tp

Tp

Número Entero SLOTS

Origen Referencia de laRáfaga de Sincronización

0 TSLOT

MS

Downlink

TSLOT

Por lo tanto, la BTS puede determinar el retardo de propagación a partir del momento de recepción del RACH. Entonces, la BTS transmite a la MS el valor del TA con el que tiene que adelantar su transmisión TA = 2·Tp, de forma que a partir de ese momento el móvil transmitirá 468,75 (los 3 TS de diferencia entre UL y DL que se han comentado anteriormente) - TA períodos de bit después de haber recibido la transmisión de la BTS. De esta forma, la transmisión de la MS a la BTS llegará a ésta exactamente 3 TS después de la transmisión de la BTS.



Cada unidad de TA equivale a un retardo de transmisión igual a la duración de un bit en el trayecto de ida y vuelta. Puesto que un bit dura 3,69 µs., esto equivale a una distancia de ida y vuelta de 1.108 m. Respecto a la distancia de la MS a la BTS, será la mitad: 554 metros. Así, si por ejemplo la base indica TA = 1, significa que la MS se encuentra a una distancia entre 554 y 1.108 m. de la BTS.

No es posible mayor precisión debido a que la BTS cuantifica el retardo medio en unidades de intervalo de bit. En realidad, siempre se producirá un cierto error en la estimación debido a los efectos del ruido, la interferencia y la propagación multicamino.

Hay una limitación para la distancia máxima a la que puede estar el móvil de la BTS. Esta distancia corresponde a unos 35 km., que equivalen a 63 unidades de TA. Aunque el tiempo de guarda de la ráfaga de acceso es de 68,25 bits, lo que equivale a unos 37,8 km., para codificar el TA se emplean 6 bits, por lo que el máximo valor de TA que puede cuantificarse es TA = 63.



Existen estaciones denominadas de rango extendido que pueden dar cobertura a celdas de hasta 121 km. de radio. Para ello, lo que hacen es utilizar TS del doble de duración, de forma que el retardo máximo tolerable, y con ello la distancia, es mayor (el tiempo de guarda del primer slot más todo el slot siguiente). La contrapartida de estas celdas es que se reduce la capacidad (cada usuario usa 2 TS de los 8 disponibles en una portadora).

En el enlace descendente, que es TDM, no se plantean problemas de colisiones, ya que funciona en modo difusión y cada MS extraerá sus ráfagas de la trama común difundida por la BTS, sin afectar a las demás estaciones móviles.


Seguridad

En la red GSM a veces es necesario pedir al móvil que se identifique, para lo que éste debe enviar determinados parámetros que permitan su identificación, como el IMSI o el IMEI.

El procedimiento de identificación es necesario en determinadas ocasiones, pero supone una brecha de seguridad en el sistema al transmitir elementos como el IMSI.

Con objeto de evitar que un intruso pueda saber qué móvil está accediendo a la interfaz radio con sólo escuchar la información intercambiada, el IMSI se cifra y se intenta evitar su transmisión en la medida de lo posible.

Para evitar transmitir el IMSI, se transmite el TMSI. Éste sólo tiene validez dentro de un área de localización, por lo que es necesario que vaya acompañado siempre del LAI para evitar ambigüedades. Así, cuando un VLR recibe de un móvil un TMSI y un LAI y ve que el LAI no es de su zona de influencia, le asigna un nuevo TMSI. Cuando el móvil lo recibe, reemplaza al anterior y lo guarda junto con el nuevo LAI en una memoria no volátil (en la SIM) de forma que estos datos no se pierdan al apagar el móvil.

Los VLR siempre guardan la relación entre el IMSI y el TMSI que han asignado.

Confidencialidad de la identidad del usuario


Seguridad

Normalmente, se asigna un nuevo TMSI al menos cada vez que se produce una actualización de posición y se envía de forma cifrada.

Si la actualización de posición se realiza entre dos áreas de localización dentro del área de influencia de un mismo MSC, la acción se denomina reasignación de TMSI (TMSI reallocation). El móvil envía al VLR su LAI y su TMSI anteriores y el VLR le asigna un nuevo TMSI cifrado. Cuando el móvil confirma la recepción del nuevo TMSI, el VLR procede a eliminar la asignación del TMSI anterior a ese IMSI. En este caso, el HLR no recibe notificación del proceso.

Si la actualización de posición se realiza entre dos áreas de diferentes MSC asociados a un mismo VLR, el proceso es similar al anterior, pero en este caso es necesario que el VLR informe al HLR, ya que la información de encaminamiento ha variado al cambiar de MSC y este tipo de información sí tiene que estar actualizado en el HLR.

Confidencialidad de la identidad del usuario (cont)


Seguridad

Si la actualización de posición se realiza entre dos áreas de localización controladas por diferentes VLR, el móvil enviará al nuevo VLR el TMSI y el LAI antiguos. A través del LAI, el VLR intentará identificar al VLR anterior. Si lo consigue, le pide que le transmita el IMSI y una vez que lo tiene, asigna un nuevo TMSI al móvil y se lo envía cifrado. De este modo se evita que el IMSI viaje por la interfaz radio. Si el proceso concluye de forma satisfactoria, el VLR recibirá la confirmación del móvil e informará al HLR, con lo que el HLR informará al VLR anterior para que elimine la asignación del TMSI a ese cliente. En caso de que el VLR nuevo no logre identificar al VLR anterior (a veces ocurre, por ejemplo cuando es de otra red), el VLR nuevo debe pedir al móvil que transmita su IMSI de forma transparente (sin cifrar) por la interfaz radio.

La red puede obligar al móvil a transmitir su IMSI de forma transparente en más casos. Por ejemplo, cuando el VLR ha borrado de sus datos (cada VLR tiene un tiempo estipulado, transcurrido el cual, si no ha recibido noticias del móvil, procede al borrado de sus datos).

Confidencialidad de la identidad del usuario (cont)


Seguridad

La autenticación es necesaria para evitar que personas no autorizadas puedan utilizar la red GSM y también para que el móvil pueda calcular la clave de cifrado Kc. Por lo tanto, la autenticación se realiza después de que la red tenga conocimiento del IMSI o del TMSI del móvil y antes de que el canal esté cifrado.

En el proceso de autenticación participan varias claves:

• Ki: Clave individual de usuario de 128 bits. Se asigna al cliente a la vez que el IMSI y se guarda en su SIM. En la red, el IMSI queda registrado en el HLR y la pareja IMSI-Ki se registra en el AuC. Esta clave no se transmite nunca en la interfaz radio.

• RAND: Es un número aleatorio de 128 bits que genera el AuC y unido a la clave Ki obtiene otro número denominado SRES utilizando el algoritmo A3.

• SRES o respuesta firmada: es el número de 32 bits que se obtiene al aplicar el algoritmo A3 a la clave Ki y a RAND.

Autenticación


SeguridadAutenticación (cont)

AuC

Ki

Generador Aleatorio

RAND (128 bits)

RANDSRES

TRIPLETA

HLR

Kc

128 bits

32 bits 64 bits

VLRMSC

SIM

SRES Kc32 bits 64 bits

Ki

128 bitsRAND (128 bits)

AlgoritmoA3

AlgoritmoA8

RANDRAND

Algoritmo A3 Algoritmo A8

BSC

BTSMS

RAND

SRES (3)

¿ = ?

SRES



El proceso de autenticación siempre comienza por parte de la red. Cuando la red necesita autenticar a un móvil, el VLR dispone de parejas RAND, SRES. Si no dispusiera de estas parejas, se las pediría al HLR, quien en caso de no tener, las solicitaría al AuC.

Posteriormente, la red envía el número RAND al móvil, que tiene en su SIM el algoritmo A3 y la clave Ki. Con todo ello, obtiene SRES y lo devuelve a la red. El MSC compara la SRES recibida del móvil con la enviada y si coincide, se completa la autenticación.

En realidad, lo que genera el AuC son tripletas (RAND, SRES, Kc). Kc es una clave de cifrado que se genera a la vez que las demás y que es necesaria para cifrar, pero no para autenticar.

Muchas veces el HLR y el AuC están integrados, pero no siempre. En caso de que no lo estén, el HLR requerirá tripletas del AuC y las guardará en su base de datos. Puede almacenar hasta cinco tripletas.



Si la autenticación obedece a una actualización de la posición en un nuevo VLR, cuando éste interroga al VLR antiguo para pedirle el IMSI del móvil, el antiguo le devuelve no sólo el IMSI, sino también la tríada RAND, SRES y Kc asociados a ese cliente. Si no es posible la comunicación entre ambos VLR, el nuevo pide el IMSI al móvil y las tripletas de autenticación al HLR.

Cuando un VLR ha usado un juego de parámetros para autenticar a un móvil, deberá borrarlo o, al menos, marcarlo como usado. A la hora de autenticar de nuevo al móvil, debe usar preferentemente las tríadas que todavía no ha utilizado. Es decisión del operador establecer el número de veces que pueden usarse tríadas ya usadas en el caso de que no puedan obtenerse nuevas.


SeguridadCifrado

El cifrado no es un servicio extremo a extremo como lo son la identificación y la autenticación. Sólo actúa para proteger la información, tanto de tráfico como de señalización, en la interfaz radio. El método de cifrado se realiza bit a bit en bloques de 114 bits; es decir, lo que se transmite por la interfaz radio es el resultado de aplicar el algoritmo A5/X a la información que se quiere transmitir y a una secuencia de cifrado y se realiza a nivel de bit. En el proceso interviene la clave de cifrado Kc y el número de trama FN. La X de A5/X puede tomar valores de 1 a 7, dando lugar a 7 algoritmos diferentes. A5/1 y A5/2 son obligatorios, el resto opcionales.

La clave no se transmite de forma directa por la interfaz radio. Tal como se ha visto, dentro de la red es el AuC el que la calcula utilizando RAND, Ki y el algoritmo A8, a la vez que calcula los parámetros necesarios para la autenticación.

Los algoritmos A5/1 y A5/2 se almacenan en el equipo terminal, no en la SIM.

El móvil guarda la clave Kc en la SIM hasta que se actualice en la siguiente autenticación. Durante un traspaso la clave Kc no se cambia.


SeguridadCifrado (cont)

AuC

Ki

Generador Aleatorio

RAND (128 bits)

RANDSRESTRIPLETA

HLR

Kc

128 bits

32 bits 64 bits

VLRMSC

SIM

SRES Kc32 bits 64 bits

Ki

128 bits

RAND (128 bits)

AlgoritmoA3

AlgoritmoA8

RANDRAND

Algoritmo A3 Algoritmo A8

BSC

BTS

KcKc

AlgoritmoA5/X

DatosKc

MS

AlgoritmoA5/X

KcDatos

Datoscifrados

Datoscifrados

FN

FN


ProcedimientosProcedimiento de actualización de la localización del terminal móvil: Location Updating

Canal Lógico MS BTS Comentarios

RACH Petición de canal

AGCH Asignación de canal

SDCCH Petición de actualización de localización del móvil (se envíael IMSI o TMSI). Se transmite en el canal asignado por AGCH

SDCCH Petición de autenticación desde la RED (envío de RAND)

SDCCH Respuesta de autenticación desde la MS (envío de SRES)

SDCCH Petición de transmisión en modo cifrado

SDCCH Respuesta a la petición de transmisión en modo cifrado

SDCCH Confirmación por parte de la red de la localización del móvil. Asignación temporal de identidad (TMSI) y actualización HLR

SDCCH Reconocimiento de la asignación desde el móvil.

SDCCH La RED libera el canal de transmisión.


ProcedimientosProcedimiento de establecimiento de llamada procedente de la red


PCH Llamada al móvil desde la red



SDCCH Respuesta a la llamada (se envía el IMSI o TMSI).





SDCCH Mensaje de inicio de la llamada entrante (SETUP)

SDCCH Confirmación

SDCCH Asignación de un canal de tráfico

FACCH Reconocimiento del canal de tráfico

FACCH Alerta (el móvil permite que el usuario que llama oiga el timbre)

FACCH Conexión cuando el móvil descuelga

FACCH Aceptación del mensaje de conexión

TCH Intercambio de voz/datos entre los usuarios


ProcedimientosProcedimiento de establecimiento de llamada procedente de la red (cont)

GMSCHLR

MSC/VLR

LABSC

BSC

PSTN 1

MSISDN

2MSISDN

3MSISDN

MSISDN IMSIIMSI MSC4

7 MSRN

BTS

BTSBTSBTS


ProcedimientosProcedimiento de establecimiento de llamada procedente del móvil




SDCCH Respuesta a la asignación (se envía el IMSI o TMSI).





SDCCH Mensaje de inicio de la llamada entrante (SETUP)

SDCCH "Proceeding Message". La red encamina la llamada a su destino

SDCCH Asignación de un canal de tráfico

FACCH Reconocimiento del canal de tráfico

FACCH Alerta (el usuario que llama escucha el tono de llamada)

FACCH Conexión cuando el destinatario acepta la llamada

FACCH Aceptación del mensaje de conexión

TCH Intercambio de voz/datos entre los usuarios


Traspaso de llamadasLos objetivos del proceso de traspaso (HO: HandOver) son:

• Conseguir una elevada calidad y continuidad de las llamadas, manteniendo la conexión con el máximo nivel de señal posible en cada momento.

• Controlar el área de cobertura de una celda para evitar o minimizar las interferencias producidas en la red.

• Reajustar la distribución de tráfico en las celdas.

• En el proceso de configuración de la red el operador debe definir una serie de celdas vecinas a una dada. Este proceso de definición consiste en identificar aquellas BTS (candidatas) a las cuales está permitido hacer un HO. El número de vecinas que se definen para cada celda es variable y, en general, coincide con las celdas que la rodean.

La MS intercambia continuamente información de señalización con la red GSM. En el estado ocupado (llamada en curso) la BTS indica a la MS mediante mensajes de SYSTEM INFORMATION, enviados por el SACCH, las frecuencias de las celdas vecinas que debe medir. La MS notifica el promedio de esas medidas con el mensaje MEASUREMENT REPORTenviado a la BTS vía el SACCH ascendente cada 480 ms.


Traspaso de llamadasPor su parte, la BTS también mide el nivel de señal y la calidad de las transmisiones de la MS (enlace ascendente).

En algunos sistemas, la BTS realiza un primer procesado, de manera que envía al BSC una lista de celdas candidatas al traspaso. En otros casos, la BTS envía directamente la información recopilada al BSC sin procesar, para que sea éste el que elabore la lista de candidatas.

Finalmente, el BSC dispone de una lista de vecinas ordenadas con una prioridad determinada en función de los parámetros establecidos por el operador. En el caso de que se identifique la necesidad de HO, el BSC iniciará el proceso de traspaso a la celda de mayor prioridad de esa lista. Pueden distinguirse tres tipos de traspaso:

• HO intraBSC. Se produce cuando las celdas origen y destino se encuentran en el mismo BSC.

• HO interBSC. Se produce cuando las celdas origen y destino se encuentran en distinto BSC pero en el mismo MSC.

• HO interMSC. Se produce cuando las celdas origen y destino se encuentran en distintos MSC.


Traspaso de llamadasMediciones de señal para traspaso

Hay tres tipos de medidas: de calidad de señal, de nivel de señal y de avance temporal (los valores de TA se promedian de acuerdo a unos parámetros de promediado fijados por el operador y se tienen en cuenta como posible causa de HO.

Medidas de calidad• Son las medidas realizadas por la BTS

(enlace ascendente) y por la MS (enlace descendente) relativas a la conexión establecida con la MS cuando se está desarrollando una comunicación.

• Estas medidas se definen mediante el parámetro RXQUAL, que toma un valor de 0 a 7 (de mejor a peor) en función de la tasa de error media en el bit, BER (Bit Error Rate). Se mide la probabilidad de error antes de la decodificación de canal, promediándose las medidas durante las 104 tramas contenidas en un período SACCH.

RXQUAL BER

0 BER ≤ 0,2%

1 0,2% < BER ≤ 0,4%

2 0,4% < BER ≤ 0,8%

3 0,8% < BER ≤ 1,6%

4 1,6% < BER ≤ 3,2%

5 3,2% < BER ≤ 6,4%

6 6,4% < BER ≤12,8%

7 12,8% < BER


Traspaso de llamadasMediciones de señal para traspaso (cont)

Medidas de nivel de señal

• El móvil debe medir (enlace descendente) el nivel de señal recibido tanto de la celda servidora como de cada una de las celdas vecinas que le indica la BTS.

• En el UL, la BTS mide también el nivel de señal que le envía la MS. Al igual que las medidas de calidad, éstas, tras un promediado determinado que permite eliminar en cierta medida los efectos de los desvanecimientos rápidos y lentos y la posterior comparación con un cierto umbral, se usarán para decidir la conveniencia o no del HO.

• El nivel se cuantifica mediante el parámetro RXLEV en función de la potencia recibida.

RXLEV POTENCIA

0 ≤ -110 dBm

1 -110 < dBm ≤ -109

2 -109 < dBm ≤ -108

62 -49 < dBm ≤ -48

63 -48 < dBm


Traspaso de llamadasAlgoritmos de traspaso

Una vez procesadas todas las medidas, el BSC evalúa si es necesario o no el traspaso. Los algoritmos definidos para tomar esta decisión son muy variados. A continuación se describen los más importantes. El operador puede habilitar o no estos tipos de HO en su red, así como determinar los límites de los valores que provocarían el HO.

1. HO producido por nivel de señal

• Cuando las medidas realizadas muestran que el nivel de señal recibido por la celda servidora es menor que un determinado valor establecido por el operador se iniciará un proceso de HO a la celda más prioritaria de la lista.

• Esta situación se da cuando el móvil se encuentra en el límite de la zona de cobertura de la celda servidora. En un escenario en el cual el HO se produce por nivel de señal, las fronteras de realización del HO dependerán directamente de las potencias de salida de cada una de las estaciones involucradas.

RXLEV < L_RXLEV_HO RXLEV: Nivel de señal recibido (tras filtrado)L_RXLEV_HO: Límite de nivel de señal para HO


Traspaso de llamadasAlgoritmos de traspaso (cont)

2. HO producido por mala calidad de la señal

• Uno de los objetivos de la red es mantener un valor elevado para la relación C/I (portadora / interferencia), pues existe una relación directa entre la C/I y la BER.

• El sistema no puede medir la calidad que se obtendría en las celdas vecinas, porque en el momento de realizar medidas la MS no dispone de conexión con ellas. Por tanto, se supone que el valor del nivel de señal medido puede asemejarse al valor de C/I para cada celda vecina, lo cual es cierto desde un punto de vista estadístico. Si al realizar las medidas de calidad para la celda servidora se detecta un alto nivel de interferencia (C/I baja), se hace necesario un HO a otra celda vecina con el fin de mejorar la relación C/I.

• Un caso especial de HO originado por la mala calidad es el denominado traspaso intracelular, IHO (Intracell HandOver). Se trata de HO en el cual se permite el cambio de canal dentro de la misma célula cuando las medidas realizadas indican una baja calidad para esta celda, pero un alto nivel de señal.



2. HO producido por mala calidad de la señal (cont)

• Las condiciones que deben cumplirse para un traspaso intracelular son:

• En el IHO, la BTS no enviará ninguna lista al BSC, sino que se encargará de elegir un canal dentro de la misma celda.

• Generalmente, el sistema tiende a eliminar la mala calidad pasando la comunicación a otro canal de la misma celda antes que cambiar a otra celda diferente, aunque la prioridad entre el traspaso intracelular y el traspaso a otra célula sólo la puede definir el operador.

RXQUAL < L_RXQUAL_HORXLEV > L_RXLEV_IH

RXQUAL: Nivel de calidad recibido (tras filtrado)RXLEV: Nivel de señal recibido (tras filtrado)L_RXQUAL_HO: Límite de nivel de calidad para HOL_RXLEV_IH: Límite de nivel de señal para IHO



3. HO producido por retardo de propagación excesivo

• Como hemos visto, el parámetro que mide el retardo de propagación es el time advance,TA, que toma un máximo valor de TA = 63.

• Además del nivel de señal y calidad, se debe abandonar la celda servidora y cambiar a otra cuando el valor de TA medido supera un determinado valor fijado por el operador, que puede ser el máximo o, como suele ser habitual, un valor inferior para proteger a la red de las interferencias que provocarían ecos con retardos mayores debidos a la propagación multicamino:

• Este HO no es habitual más que en dos tipos de escenarios. Uno de ellos es las zonas costeras, donde por efecto de la reflexión en el mar puede haber alcances elevados. El otro escenario corresponde a zonas en las que la MS está al límite de la celda servidora y no hay celdas con niveles de señal muy elevados, por lo que no se cumplen las condiciones para la realización de los otros tipos de HO; es decir, en zonas de cobertura dispersa o residual.

DIST_MS_BTS > MAX_DISTANCIADIST_MS_BTS: Distancia entre MS y BTS

(medida a partir de TA)MAX_DISTANCIA: Máxima distancia permitida



4. HO producido por balance del enlace

• Si después de evaluar las pérdidas de propagación entre la MS y la BTS servidora, así como entre la MS y las celdas vecinas, y comparar estos valores con un umbral resulta que la pérdida del trayecto entre la MS y alguna de las vecinas es menor que la producida en el camino de la conexión en curso, se enviará una petición de HO causado por balance del enlace.

• La diferencia con el HO producido por nivel de señal es que ahora no afectan las potencias transmitidas por las BTS. Las condiciones que deben cumplirse son:

RXLEV_CELDAVECINA(n) > MINIMO_RXLEV(n)RXLEV_CELDAVECINA(n) - (RXLEV + CONTROLP) > MARGENHO

RXLEV_CELDAVECINA(n): Nivel de señal recibido por vecina n-ésimaMINIMO_RXLEV(n): Mínimo nivel fijado para la vecina n-ésimaCONTROLP: Corrección a aplicar al nivel recibido por la celda servidora si ésta tiene activado el control de potencia.RXLEV: Nivel de señal recibido por la BTS servidora.MARGENHO: Parámetro fijado por el operador para evitar HO repetidos a celdas vecinas.



5. HO producido por congestión

• Un traspaso se puede realizar también por motivos de tráfico, por ejemplo el denominado Directed Retry. Esta funcionalidad consiste en que si un móvil intenta acceder a una celda que tiene ocupados todos sus canales de tráfico, la red es capaz de asignarle uno que pertenezca a una celda vecina. Es por tanto un procedimiento que persigue disminuir el bloqueo de llamadas por congestión en la interfaz radio.

• La otra alternativa para un traspaso por motivos de tráfico es el Congestion Relief, que consiste en que cuando un móvil intenta acceder a una celda que tiene todos sus canales de tráfico ocupado, si existe alguna otra llamada en curso que puede ser transferida a otra célula sin menoscabo apreciable de su calidad, se ejecuta el handover y se ubica la nueva llamada en el canal liberado.

• El BSS deberá ser capaz de generar una indicación hacia el MSC de un HO por razones de tráfico. Sin embargo, dentro de un entorno donde coexistan varios BSS, sólo el MSC tendrá una visión total de la carga de tráfico y por tanto, en el caso de que el traspaso deba realizarse por motivos de tráfico, será el MSC el que deba originarlo.


Traspaso de llamadasProcedimiento de traspaso.

Vamos a analizar los procedimientos relacionados con un handover interBSC, que son: petición de traspaso, asignación de recursos para el traspaso y ejecución del traspaso.

Petición de traspaso (Handover Required Indication).

• Es el procedimiento mediante el cual el BSS informa al MSC de que se va a llevar a cabo un traspaso para un móvil concreto.

• Para ello, el BSS envía al MSC un mensaje HANDOVER REQUIRED. Si por cualquier circunstancia el traspaso no se pudiera realizar, el MSC informa al BSS enviándole un mensaje HANDOVER REJECT. El mensaje de petición de traspaso debe contener, entre otras cosas, la causa del traspaso (señal, calidad, congestión, ...) y la lista de celdas candidatas al traspaso por orden de preferencia.

• El algoritmo para decidir qué celda es mejor que otra depende de cada operador. El número de celdas que puede haber en la lista es 16. Si no hay tantas celdas candidatas disponibles, se incluyen todas las que haya.


Traspaso de llamadasProcedimiento de traspaso (cont).

Petición de traspaso (Handover Required Indication) (cont).

• El BSS repetirá el mensaje de petición de traspaso HANDOVER REQUIREDperiódicamente hasta que ocurra una de las siguientes acciones:

o Reciba un HANDOVER COMMAND por parte del MSC.

o Reciba un RESET.

o Desaparezca el motivo por el que se solicitó el traspaso o se termine la comunicación con el móvil por cualquier razón.

o Supere un tiempo máximo de espera.



Asignación de recursos para el traspaso

• Es un proceso en el que el MSC pide al BSS receptor que asigne los recursos radio necesarios enviándole un mensaje HANDOVER REQUEST.

• El procedimiento difiere ligeramente según quién sea la parte maestra. Cuando el BSS asigna los recursos necesarios, envía al MSC un mensaje HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE indicando los circuitos que ha reservado.

• El mensaje HANDOVER REQUEST ACKNOWLEDGE lanzado por el BSS destino debe contener el mensaje de la interfaz radio HANDOVER COMMAND dentro del campo de información de capa 3. Este mensaje es traspasado a través del MSC hasta el BSS antiguo. Cuando el BSS antiguo lo recibe, se lo envía al móvil en cuestión.



Ejecución del traspaso

• El móvil accede a los recursos radio del nuevo BSS con una ráfaga HANDOVER ACCESS que contiene el número de referencia del traspaso. Este número le había sido enviado al móvil en el HANDOVER COMMAND.

• El nuevo BSS comprueba que el número de traspaso que le ha enviado el móvil es el que estaba esperando. En caso afirmativo, envía un mensaje HANDOVER DETECT al MSC.

• Cuando el móvil esté estable en el nuevo BSS enviará un mensaje RR HANDOVER COMPLETE. En el momento de su recepción el nuevo BSS envía otro mensaje HANDOVER COMPLETE al MSC para informarle de que el móvil ya se está comunicando a través del nuevo BSS.

• A continuación, el MSC envía al BSS antiguo un mensaje CLEAR COMMANDpara que libere definitivamente todos los recursos que estaban asignados a ese móvil, Todo el proceso termina cuando el BSS antiguo envía el mensaje CLEAR COMPLETE al MSC informándole de que todo ha sido liberado.



MS BTSold BSCold MSC BSCnew BTSnew

Measurementreport

Measurementresult

HO decision

HO required

HO request

resource allocationchannel activation

ch. activation ack

HO detect

HO commandHO commandHO command

HO access

HO completeHO completeclear command

clear command

clear completeclear complete

HO request ack

HO complete

HO access


Mejora de la calidadTransmisión discontinua

En una conversación normal, cada uno de los interlocutores está en silencio durante aproximadamente el 50% del tiempo. Esto ha permitido desarrollar en GSM una funcionalidad denominada transmisión discontinua (DTX).

Cuando se activa la DTX, sólo se transmite señal cuando existe conversación. De este modo, al reducir la energía transmitida, se reducen los niveles de interferencia y, en el caso de las MS, además se prolonga la duración de la batería y se disminuye la radiación sobre la cabeza.

La aplicación de la DTX se realiza a nivel de celda, pudiéndose activar por separado en el UL y en DL, lo cual es decisión del operador de la red.

Cuando se aplica la DTX, la voz se codifica a su velocidad normal de 13 kbps. cuando existe conversación. Cuando hay silencio, se transmite una señal a una velocidad mucho menor (500 bps) que simula el ruido de fondo. Este ruido de fondo mejora la sensación subjetiva del oyente al evitar períodos de silencio absoluto y evita que éste piense que la llamada se ha cortado.

Para poder aplicar la DTX, es necesario detectar si existe o no señal de voz, para lo que se usa el módulo detector de actividad vocal, VAD (Voice Activity Detection), presente tanto en la BTS como en el móvil.


Mejora de la calidadTransmisión discontinua (cont)

El algoritmo utilizado por el VAD es similar al utilizado para la codificación de voz. Para cada bloque de salida del codificador, éste proporciona un bit de información adicional que indica si la ráfaga debe ser transmitida o no, dependiendo de si el algoritmo decide que contiene voz o ruido de fondo. Si la ráfaga es sólo ruido, el transmisor genera una trama indicadora de silencio, SID (Silence Descriptor), y la transmisión se para. Al comienzo de cada período de inactividad se envía una ráfaga SID, y mientras no se detecte voz de nuevo, se envía una ráfaga SID en cada período SACCH.

En la parte receptora, bien de la MS o de la BTS, un detector de silencio compara las ráfagas que llegan con determinados umbrales y es capaz de separar las ráfagas de ruido de las de voz.

La desventaja es que las medidas de nivel de señal y de calidad son menos precisas. Además, al algunas ocasiones se puede percibir una cierta degradación de la calidad de voz.

Al aplicar la DTX en los enlaces UL y DL, se consigue una importante mejora en la relación C/I (hasta 4 dB en algunos casos). Esta mejora puede aprovecharse para reducir el tamaño del cluster al planificar la red, lo que redunda en un aumento de capacidad.


Mejora de la calidadFrequency Hopping (salto de frecuencias)

Uno de los factores más perniciosos sobre la calidad de las transmisiones en entornos móviles son los desvanecimientos rápidos ocasionados por la propagación multicamino. Estos desvanecimientos son selectivos en frecuencia, lo que significa que afectan de distinta manera a señales de frecuencias diferentes. Por ello, cuando una ráfaga transmitida se ve afectada por un desvanecimiento, las ráfagas sucesivas tienen una elevada probabilidad de verse afectadas por el mismo fenómeno, sobre todo en el caso de móviles estacionarios o con movimiento lento (peatones). Esto originará una elevada tasa de tramas erróneas.

Por otra parte, GSM, como todos los sistemas celulares, es un sistema limitado por interferencia como consecuencia de la reutilización frecuencial. En escenarios de elevada carga de tráfico, la interferencia cocanal es quizá la más importante, pero hay otras como las interferencias de canales adyacentes, las externas y las debidas a productos de intermodulación.

Estas dos perturbaciones actúan de forma permanente cuando la frecuencia de operación de un canal se mantiene constante durante toda la comunicación. Para contrarrestarlas, puede pensarse en aprovechar la estructura TDMA para cambiar de frecuencia en la transmisión en cada trama. Esta es la técnica denominada Frequency Hopping, FH.


Mejora de la calidadFrequency Hopping (salto de frecuencias) (cont)

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 0 1

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 0 1

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 70 1 2 3 4 5 6 7 0 1

5 6 7 0 1 2 3 4 5 65 6 7 0 1 2 3 45 6 7 0 1 2 3 4

5 6 7 0 1 2 3 4 5 65 6 7 0 1 2 3 45 6 7 0 1 2 3 4

5 6 7 0 1 2 3 4 5 65 6 7 0 1 2 3 45 6 7 0 1 2 3 4

fd1

fd2

fd3

fu1

fu2

fu3

BS transmite (downlink)

MS transmite (uplink)

Cambio de frecuencia en la transmisión en cada trama para evitar que los desvanecimientos e interferencias actúen de forma permanente a un determinado canal:

En cualquier caso, aunque se utilice FH, el canal BCCH debe hacerse a frecuencia constante (sin FH).


Mejora de la calidadControl de potencia

Mediante el control de potencia, se realiza la adaptación de la potencia transmitida tanto por el móvil como por la BTS a las condiciones de propagación. El objetivo es minimizar la potencia transmitida por la BTS y la MS manteniendo la calidad en la comunicación.

Esta funcionalidad puede activarse por separado en los enlaces UL (la MS es la que regula la potencia) y DL (es la BTS la que regula la potencia), aunque lo habitual es que ambos caminos tengan el control de potencia activado. El control de potencia se aplica tanto a los canales de tráfico (TCH) como a los de señalización involucrados en el establecimiento de la llamada (SDCCH).

Los principales objetivos perseguidos con esta función son:

• Reducción de la interferencia cocanal.

• Aumento de la duración de la batería de los móviles.

En la portadora BCCH no puede aplicarse el control de potencia y debe transmitirse siempre a la máxima potencia. Sin embargo, en el UL, las MS que transmitan tráfico en TS distintos de 0 de esa portadora, sí pueden aplicarlo.


Mejora de la calidadControl de potencia (cont)

La regulación de potencia sólo es efectiva cuando el móvil se encuentra en una determinada zona de la celda, denominada área de regulación. En zonas próximas y lejanas a la BTS, se transmite al mínimo y al máximo, respectivamente.

BTS

Área de regulación

Pérdidas de propagación

...

Potencia de salida de la BTSMáxima potencia

permitida

Mínima potencia permitida

Área de regulación

Los saltos de potencia los fija el operador (un valor típico es 2 dB).


Mejora de la calidad

Mejora cualitativa de la calidad combinando las técnicas anteriores


Bibliografía- J. Eberspächer, H.J. Vögel, C. Bettstetter, C. Hartmann, “GSM - Architecture, Protocols

and Services. 3rd edition. Ed. Wiley, 2008- S. M. Redl, M. K. Weber, M. W. Oliphant, "GSM and Personal Communications

Handbook". Ed. Artech House, 1998.

Tema 2_Sistema GSM

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