Trabajo de GSM

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

CÁTEDRA: COMUNICACIONES MÓVILES E INALÁMBRICAS

EL SISTEMA GSM

Integrantes:

Méndez, Carlos

Ramírez, Alonso

Valladares, Rafael

Maracaibo, septiembre de 2012

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ÍNDICE GENERAL

pág.

1 Arquitectura del sistema GSM............................................................................................. 3

2 Interfaces del sistema GSM……………………………...…………………………………….. 6

3 Canales lógicos en GSM……………………………………………………............................. 8

4 Formatos de ráfaga en GSM……………………………………………….............................. 12

5 Codificación de canal y entrelazado en GSM………………………………………………... 15

6 Funcionamiento del sistema GSM…………………………………..…………………………. 18

7 Monitorización del sistema…………………………………………………………………….... 19

8 Encendido del terminal móvil………………………………………………………………….... 20

9 Selección de celda……………………………………………...………………………………. 24

10 Acceso a la red…………………………………………………………………………………. 27

11 Elementos de información en GSM……………………………..……………………………. 34

12 HLR. Centro de autenticación….……………………………………………………………… 36

13 VLR. La tarjeta SIM…………………………………………………………………………….. 37

14 Planificación y dimensionamiento de una red GSM………………………………………… 44

15 Ubicación de las BTS………………………………………………..…………………………. 47

16 Dimensionamiento de los canales de tráfico………………………………………………… 47

17 Estimación del numero de cruces entre celdas……………………………………………… 52

18 Dimensionamiento de las áreas de localización……..……………………………………… 55

19 Dimensionamiento de las áreas de señalización.…………………………………………… 57

20 Dimensionamiento del número de BSC, MSC, VLR y HLR. QoS en GSM………………. 58

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1 Arquitectura del sistema GSM

Los componentes fundamentales de una red GSM se muestra en la figura 3,1. Un usuario realiza una Estación Móvil (MS), que se puede comunicar a través del aire con una estación base, llamada Estación Base Tranceiver (BTS) en GSM. Las BTS contienen transmisor y el equipo receptor, tales como antenas y amplificadores, así como unos pocos componentes para la señal y el procesamiento de protocolo. Por ejemplo, la codificación de protección de errores se realiza en la BTS, y el protocolo de nivel de enlace para la señalización en la ruta de acceso de radio se termina aquí. Con el fin de mantener las estaciones de base pequeña, el control y la inteligencia protocolo esencial reside en el controlador de estación base (BSC). Contiene, por ejemplo, las funciones de protocolo para la asignación de canales de radio, la configuración de canal y la gestión de los traspasos. Típicamente, varias BTS se controlan mediante un BSC.

En la práctica, el BTS y el BSC están conectados por líneas fijas o de punto a punto de enlaces de radio. BTS y BSC forman conjuntamente la red de acceso radio.

El tráfico combinado de los usuarios se enruta a través de un interruptor, llamado el Centro de Conmutación Móvil (MSC). Se realiza todas las funciones de conmutación de un nodo de conmutación en una red de telefonía fija, por ejemplo, en una red digital de servicios integrados (RDSI). Esto incluye la ruta de búsqueda, transferencia de datos y el procesamiento característica de servicio. La diferencia principal entre un switch RDSI y un MSC es que el MSC también tiene que considerar la asignación y administración de los recursos radio y la movilidad de los usuarios. El MSC tiene por lo tanto para proporcionar funciones adicionales para el registro de ubicación de los usuarios y para el traspaso de una conexión en el caso de cambio de celda a celda. Una red celular puede tener varios MSCs con cada uno que es responsable de una parte de la red (por ejemplo, una ciudad o área metropolitana). Las llamadas originadas desde o que termina en la red fija son manejados por un MSC de puerta de enlace dedicado (GMSC). El inter-funcionamiento de una red celular y una red fija (por ejemplo, PSTN, ISDN) se realiza mediante la función de inter-funcionamiento (IWF). Es necesaria para mapear los protocolos de la red celular en las de la red fija respectiva. Las conexiones a otras redes móviles o internacionales normalmente se enrutan a través del Centro Internacional Switching (ISC) de los respectivos países.

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Una red GSM también contiene varios tipos de bases de datos. El Home Location Register (HLR) y el Visitor Location Register (VLR) almacenan la ubicación actual de un usuario móvil.

Esto es necesario ya que la red debe conocer la celda actual de un usuario para establecer una llamada a la estación base correcta. Además, estos registros almacenar los perfiles de los usuarios, que son necesarios para la carga y la facturación y otros aspectos administrativos. Dos bases de datos más realizar funciones de seguridad: el Centro de autenticación (AUC) almacena datos relacionados con la seguridad, tales como llaves utilizadas para la autenticación y el cifrado, el Registro de identidad de equipo (EIR) registra datos de los equipos en lugar de datos de suscriptor.

La gestión de la red se organiza desde un lugar central, el centro de operaciones y mantenimiento (OMC). Sus funciones incluyen la administración de suscriptores, terminales de carga de datos, configuración de red, operación, monitoreo del desempeño y mantenimiento de la red. El funcionamiento y las funciones de

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mantenimiento se basan en el concepto de la red Telecommunication-Management (TMN) que está estandarizado en la serie de la UIT-T M.30.

En resumen, una red GSM se pueden dividir en tres subredes: el acceso de radio red, la red central y la red de gestión. Estas subredes son llamados subsistemas en el estándar GSM. Los respectivos tres subsistemas son llamados subsistema de estación base (BSS), el subsistema de conmutación de red (NSS) y la Operación y Mantenimiento de Subsistema (OMSS).

La Figura 3.2 resume la relación jerárquica entre el MSC componentes de red, BSC y BTS. Toda la red se divide en regiones MSC. Cada uno de estos se compone de Área de Ubicación por lo menos un (LA), que a su vez se compone de varios grupos de celdas.

Cada grupo de celdas se le asigna a un BSC. Para cada LA existe al menos un BSC, pero las celdas de un BSC pueden pertenecer a diferentes LAs. La división exacta de la red de área con respecto a las AL, BSC y MSC no es, sin embargo, determinada de manera única y se deja al operador de la red que de esta manera tiene muchas posibilidades de optimización.

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2 Interfaces del sistema GSM

El interfaz Um es el interfaz de interconexión entre los terminales móviles y la red GSM. Se trata del interfaz radio que define la disposición de los canales lógicos de funcionamiento del sistema GSM sobre los canales físicos o radiofrecuencias utilizadas, [MOUL92], [REDL95].

El sistema GSM es un sistema FDD/FDMA/TDMA con duplexado de las comunicaciones en frecuencia. Las bandas de operación del sistema GSM son dos, la banda de 900 MHz y la banda de 1800 MHz. Véase figura 3.9. El sistema GSM de operación en la banda de 1800 MHz se denomina DCS-1800, y su comportamiento es idéntico al sistema GSM-900. El ancho de banda ocupado por el sistema GSM-900 es de 50 MHz, 25 MHz para el canal de subida, de terminal móvil a estación base y 25 MHz para el canal de bajada, en sentido opuesto. Para el sistema DCS-1800 el ancho de banda es de 150 MHz, con 75 MHz para cada sentido.

Los 25 MHz de ancho de banda del sistema GSM-900 para cada sentido de la comunicación se subdividen en 124 canales de 200 KHz de ancho de banda cada uno. Los dos canales de los extremos no se utilizan porque cada uno de los 124 canales ocupa en la práctica 270 KHz por el tipo de modulación utilizada, esto da lugar al efecto de aliassing. El aliassing provocado por los canales en los extremos se produciría fuera de la banda asignada.

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Estos 122 canales multiplexados en frecuencia se subdividen, a su vez, en 8 slots temporales. El multiplexado temporal da lugar a un total de 976 canales lógicos.

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3 Canales lógicos en GSM

Los canales radio asignados a cada estación base se subdividen entre canales de tráfico y canales de control. Los canales de tráfico son los utilizados para el transporte de las comunicaciones de los usuarios, mientras que los canales de control son empleados para gestionar el funcionamiento del sistema GSM.

Como se ha comentado con anterioridad, el sistema GSM es un sistema con duplexado en frecuencia de forma que un canal de tráfico en el enlace descendente de la comunicación tiene su simétrico en el enlace ascendente para el otro sentido de la comunicación. Para los canales de control el enlace descendente es utilizado para transmitir información de utilidad al conjunto de los terminales móviles, es por ello que en ocasiones se les denomina canales de control comunes. El enlace ascendente es utilizado por los terminales móviles para acceder a la red. Los canales de control del enlace descendente son: FCCH, SCH, BCCH y PAGCH. El canal de control del enlace ascendente es el RACH.

Canales lógicos de control

El FCCH (Frequency Correction Channel) es el canal donde se transmite la señal portadora sin modular. Es utilizado por los terminales móviles en recepción para la sincronización en frecuencia.

El SCH (Synchronization Channel) es el canal donde se transmiten los contadores de tramas a diferente nivel al objeto de que el terminal móvil conozca la secuencia temporal de emisión de información del BCCH y PAGCH. Es utilizado por el terminal móvil en recepción para la sincronización de trama y así conocer el tipo de información transmitida en cada time slot. También se emite el código BSIC (Base Station Identity Code) de identificación de la estación base para su distinción sobre otras estaciones base que estén transmitiendo los canales de control sobre la misma frecuencia guía. Además es el identificador de la secuencia de ecualización que debe utilizar el terminal móvil en recepción.

El BCCH (BroadCast Control Channel) es el canal sobre el que se emite información de difusión para todos los móviles; se trata de información diversa de identificación de la celda, del área de localización, de parámetros de re-selección de celda, de identificación de sus celdas vecinas, etc.

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El PAGCH (Paging and Access Granted Channel) son dos canales de control en uno. El canal de Paging o búsqueda es utilizado para enviar los mensajes de búsqueda hacia móviles que pretenden ser localizados por la red para conocer exactamente en qué celda se encuentran. El canal de Access Granted o acceso reconocido es utilizado para dar respuesta a una petición de acceso previamente realizada por un terminal móvil a través del canal común RACH, indicándole el canal de señalización asignado para que el terminal móvil continúe el diálogo con la red.

El RACH (Random Access Channel) es el canal de acceso común de los terminales móviles hacia la red para realizar una petición de un canal dedicado a uso exclusivo para el terminal móvil.

Los canales lógicos de control siempre se disponen sobre el time slot 0 de una de las frecuencias asignadas a la estación base; esta frecuencia se denomina frecuencia guía de la estación base. La disposición de los canales lógicos de control sobre el slot 0 varía entre diferentes configuraciones posibles. Una posible disposición es la mostrada en la figura 3.12.

Canales lógicos de tráfico

Los canales de tráfico son utilizados para la transmisión de información y señalización de usuario, éstos son: TCH/F, TCH/H, SACCH, FACCH y SDCCH. A diferencia de los canales de control, pueden ocupar cualquier time slot y son

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bidireccionales, ya que se utilizan en ambos sentidos de la comunicación para el mismo propósito.

El TCH/F (Traffic Channel Full Rate) es el canal bidireccional utilizado para la transmisión de información de usuario y ocupa un time slot por cada trama. Las velocidades de transmisión de datos que se pueden alcanzar en este canal dependiendo de la codificación utilizada son:

9,6 Kbps 4,8 Kbps menor o igual a 2,4 Kbps

El TCH/H (Traffic Channel Half Rate) es el canal bidireccional utilizado para la transmisión de información de usuario a la mitad de velocidad que el TCH/F, ya que ocupa un time slot por cada dos tramas. Las velocidades de transmisión de datos que se pueden obtener con este canal son:

4,8 kbps menor o igual a 2,4 kbps

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El SACCH (Slow Associated Control Channel) es el canal de señalización lento asociado al canal de tráfico (tanto al TCH/F como al TCH/H). En este canal se transmite información de señalización asociada a la comunicación. Las tramas de este canal se intercalan con las tramas del canal de tráfico al que están asociadas.

El FACCH (Fast Associated Control Channel) es el canal de señalización rápido asociado al canal de tráfico (tanto al TCH/F como al TCH/H). En este canal se transmite información de señalización que debe ser transmitida inmediatamente y no puede esperar a que llegue el SACCH correspondiente; por ejemplo, la información para la gestión de un traspaso. Para transmitir dicha información se elimina la información de tráfico y se utiliza la trama para transmitir la información de señalización.

El SDCCH (Stand alone Dedicated Control Channel) es el canal de señalización para la transmisión de información para:

Encendido/apagado del móvil Establecimiento de llamada Envío/recepción de mensajes cortos Actualización de posición, etc.

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4 Formatos de ráfaga en GSM

La ráfaga es la unidad de transmisión en las comunicaciones GSM. La emisión de una ráfaga se hace dentro del espacio temporal correspondiente a un slot temporal. Se definen varios tipos de ráfagas dependiendo de su duración; por ejemplo, la ráfaga normal y la ráfaga de acceso.

El conjunto de bits que conforman una ráfaga se compone de varios campos: los bits de información útil, una secuencia de entrenamiento y los bits de cola (tail), todos ceros, que se añaden al principio y final de la ráfaga para evitar la pérdida de eficiencia en la demodulación de los bits útiles de los extremos.

La secuencia de entrenamiento es una secuencia de bits conocida por emisor y receptor. GSM define ocho secuencias de entrenamiento. La señal que resulta de la transmisión de esta secuencia de entrenamiento permite al receptor hacer una estimación del canal de transmisión y realizar la ecualización de canal.

Los formatos de ráfaga definidos son:

Ráfaga de acceso: Se utiliza en el enlace ascendente en las primeras fases de una comunicación, cuando no es conocido el retardo de propagación entre emisor y receptor y por ello es una ráfaga corta. Esta ráfaga es la que se utiliza en el canal RACH.

Ráfagas S y F: Se utilizan, respectivamente, en los canales SCH y FCCH. Se utilizan para que el móvil se sincronice con la estación base que está escuchando.

Ráfaga normal: Es una ráfaga larga y se utiliza en el resto de casos.

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Ráfaga normal

La ráfaga normal contiene dos paquetes de 58 bits de información, uno a cada lado de la secuencia de entrenamiento de 26 bits. Además, se añaden 3 bits de cola en cada uno de los extremos de la ráfaga.

La secuencia de entrenamiento se introduce en el centro de la ráfaga para minimizar la distancia entre ella y los bits de información más alejados. La única contrapartida que tiene esta ubicación es la necesidad de memorizar la primera porción de información de la ráfaga en el receptor para su posterior ecualización.

GSM ha definido ocho secuencias de entrenamiento diferentes para distinguir la señal procedente de la comunicación en curso de las señales interferentes que se puedan recibir. Con este propósito, las secuencias de entrenamiento se han diseñado bajo criterios que minimizan la correlación entre ellas.

Ráfaga de acceso

Como se ha comentado previamente, la ráfaga de acceso es la única ráfaga corta que se ha definido en GSM. Contiene una secuencia de entrenamiento de 41 bits, 36 bits de información y 7 y 3 bits de cola que se sitúan al principio y final de la ráfaga, respectivamente. La secuencia de entrenamiento es mayor que en el caso anterior para incrementar la probabilidad de demodulación correcta. En este caso sólo se ha definido una secuencia de entrenamiento debido a la baja probabilidad de interferencia.

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Ráfaga S

Esta ráfaga se utiliza en el enlace descendente para el canal SCH y contiene una secuencia de entrenamiento de 64 bits, dos bloques de 39 bits de información y dos bloques de cola de 3 bits cada uno al principio y final de la ráfaga.

Ráfaga F

Es la más sencilla de todas ellas, ya que consta de 148 bits, todos ellos ceros. Los 148 bits junto con la modulación utilizada en GSM convierten la ráfaga F en la emisión de una señal senoidal pura. Esto permite a los terminales móviles sintonizar de forma sencilla la frecuencia guía utilizada por cada estación base que tiene a su alrededor.

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5 Codificación de canal y entrelazado en GSM

La aplicación de la codificación de canal representa una gran mejora para las comunicaciones digitales en comparación con las comunicaciones analógicas. La introducción de redundancia en emisión permite al decodificador de canal recuperar en recepción la información transmitida mediante la corrección de algunos errores que se hayan producido durante la transmisión.

La capacidad correctora del decodificador depende de la cantidad de redundancia introducida por el codificador en origen, así como de la complejidad de codificación utilizada. Todo ello repercute directamente en la dificultad de implementación del correspondiente decodificador.

Para que el funcionamiento de la codificación/decodificación de canal sea óptimo es necesario que los posibles errores que haya introducido el canal sean aleatorios. Para que esto sea así, el canal no debe tener memoria. Esto no es así en comunicaciones móviles debido a los desvanecimientos que afectan a la señal. Los errores se producen a ráfagas, por tanto se trata de un canal con memoria. El elemento de entrelazado/desentrelazado, a través de sus diferentes modalidades, en bloque, convolucional, etc., pretende eliminar la memoria del canal, con objeto de que símbolos de fuente consecutivos estén sujetos a diferente atenuación. El entrelazado pretende destruir las ráfagas de error con el fin de que el decodificador de canal funcione correctamente. El mecanismo de entrelazado realiza una reordenación de la información a transmitir, si el canal introduce una ráfaga de errores; cuando el receptor realiza la ordenación inversa, separa los errores y así consigue transformar una ráfaga de errores en el mismo número de errores distribuidos aleatoriamente. El entrelazado añade un retardo que debe estar acotado con el fin de asegurar la calidad de las comunicaciones en tiempo real.

Los esquemas de entrelazado y codificación de canal en GSM son diferentes para cada uno de los modos de transmisión. Véase la tabla 3.1.

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En la tabla 3.1 aparecen los modos de transmisión para los canales de control comunes y los servicios de transmisión de datos a diferentes velocidades. Para los servicios de transmisión de datos figura la velocidad de transmisión de información: 9.6, 4.8 y 2.4 Kbps junto con la velocidad de transferencia añadiendo el overhead del protocolo RLP (Radio Link Protocol): 11.2, 6 y 3.6 Kbps. Los bloques de datos a la entrada del codificador convolucional, añadiendo previamente los bits correspondientes de paridad o relleno, si es el caso, y aplicando posteriormente la codificación marcada dan lugar a los bloques de datos de salida. Finalmente estos bloques de datos de salida son entrelazados según dicta la tabla 3.1.

La transmisión de la señal de voz codificada no se incluye en la tabla 3.1 porque su codificación de canal y entrelazado es un tanto especial. El codificador de voz en GSM opera con una tasa de 13 kbps.

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Cada 20 ms se obtiene un segmento de voz codificada de 260 bits. Estos 260 bits se reparten en tres grupos: la de 50 bits, lb de 132 bits y II de 78 bits; la protección de cada uno de estos tres grupos es diferente, según:

Grupo la: 50 bits + 3 bits paridad + 4 bits relleno + convolución ½ = 114 bits Grupo lb: 132 bits + convolución ½ = 264 bits Grupo II: 78 bits sin protección

En total son 456 bits a transmitir en 4 slots, esto es, 114 bits por slot, que corresponde con los dos campos de información de 57 bits de una ráfaga normal para su transmisión sobre un canal TCH/F. En la práctica, debido al entrelazado, la emisión no se hace en 4 slots. El entrelazado de la señal de voz codificada se hace sobre 8 grupos de 57 bits hasta completar los 456 bits del siguiente modo:

0 8 ……………... 448 emisión en los bits pares del slot N

1 9 ……………... 449 emisión en los bits pares del slot N+1

2 10 ……………. 450 emisión en los bits pares del slot N+2

3 11 ……………. 451 emisión en los bits pares del slot N+3

4 12 ……………. 452 emisión en los bits impares del slot N+4




De forma que cada slot transmite bits correspondientes a 2 bloques de voz y la transmisión de un bloque de voz se realiza en 8 slots consecutivos. Se trata de una combinación de entrelazado en bloque y diagonal.

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6 Funcionamiento del sistema GSM

Los diferentes sistemas de telefonía móvil de segunda generación guardan grandes similitudes entre sí como sistemas móviles celulares. El carácter celular conlleva la incorporación de una serie de funcionalidades que son comunes: el traspaso de llamada entre celdas, la localización de un terminal móvil para el establecimiento de una llamada dirigida hacia éste, el acceso a la red por parte del terminal móvil para solicitar un canal de señalización, etc. En este apartado se explican con cierto detalle diferentes procedimientos del sistema GSM; sin embargo, la mayor parte de ellos son aplicables al resto de sistemas móviles sin considerar las particularidades propias de cada uno de ellos.

El conjunto de funcionalidades o procedimientos asociados al sistema GSM se clasifica en tres grupos o planos de gestión del sistema [MOUL92]. Estos planos de gestión son los planos de gestión de los recursos radio, de gestión de la movilidad y de gestión de las comunicaciones.

El plano de gestión de los recursos radio administra el conjunto limitado de canales radio asignado al operador GSM correspondiente. La asignación de un canal radio se hace durante el establecimiento de una comunicación. El canal radio es utilizado durante el tiempo de la comunicación, y cuando ésta concluye se libera para poder ser asignado a otros usuarios que lo soliciten.

El plano de gestión de la movilidad comprende los procedimientos de localización y seguimiento de los terminales móviles para hacer posible el establecimiento de una comunicación dirigida hacia uno de ellos en cualquier momento.

El plano de gestión de la comunicación se ocupa de los aspectos de señalización de red fija relativos al establecimiento de una comunicación, tarificación y posterior finalización.

En general, el plano de gestión de la comunicación se sustenta en el plano de gestión de la movilidad para la localización del terminal móvil en las llamadas dirigidas hacia éste; no ocurre así para las llamadas iniciadas desde un terminal móvil. A su vez, el plano de gestión de la comunicación se ayuda del plano de gestión de los recursos radio para la asignación de un canal de transmisión donde ubicar la comunicación que pretende establecerse. Del mismo modo, el plano de gestión de la comunicación y el plano de gestión de la movilidad se sustentan en el plano de gestión de los recursos radio para la asignación de los canales de señalización en el interfaz radio y así hacer posible el diálogo de señalización entre el terminal móvil y los diferentes elementos de la red fija.

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7 Monitorización del sistema

El estándar GSM recomienda una relación señal a interferente entre 9 y 11 dB para una calidad de la comunicación aceptable. Esta relación señal a interferencia umbral se obtiene teniendo en cuenta los mecanismos de protección diseñados en el sistema. Para cumplir este objetivo se ha comprobado que un sistema GSM necesita un número mínimo de 9 celdas por agrupación utilizando estaciones base con antenas omnidireccionales y un número mínimo de 7 celdas por agrupación con antenas sectoriales de 120º.

Los recursos radio a gestionar son el conjunto de canales radio asignados a cada operador. El sistema GSM-900 cuenta con un total de 122 frecuencias a repartir entre los dos o tres operadores establecidos por país. En consecuencia, el número de portadoras disponibles por celda se sitúa en 13 canales radio para estaciones base con antenas omnidireccionales y 17 canales radio para estaciones base con antenas sectoriales de 120º, suponiendo un reparto del espectro GSM equitativo entre tres operadores.

En la práctica no se disponen de 17 portadoras por celda con antenas sectoriales de 120º, ya que la Administración no suele asignar el total de las 122 frecuencias del sistema GSM entre los operadores. En su lugar, se considera habitual una configuración de 4 portadoras por sector con antenas sectoriales de 120º, que coincide con el número máximo de TRX (placas de operación por portadora o radio canal) que se pueden montar sobre un bastidor de equipos BTS para la mayoría de fabricantes.

Cuatro portadoras por sector en antenas sectoriales de 120º es una configuración típica en estaciones base ubicadas en entornos urbanos donde la demanda de servicio es elevada. De estas cuatro portadoras por sector, una de ellas será la frecuencia guía. La frecuencia guía es aquella que utiliza el slot 0 de emisión desde la estación base para la transmisión de los canales comunes de señalización FCCH, SCH, BCCH y PAGCH. A su vez, el slot 0 de la frecuencia simétrica a la frecuencia guía para el enlace ascendente es utilizado por el canal común de acceso RACH.

Los 7 time slots restantes de la frecuencia guía, así como los 8 time slots de las otras 3 frecuencias asignadas por sector, pueden ser utilizados para el transporte de comunicaciones de voz o datos. De esta forma, en todo sector de cualquier celda siempre existe una frecuencia guía donde el slot 0 es utilizado para la emisión de los canales comunes de señalización. El cometido del terminal móvil es buscar en todo momento la frecuencia guía del sector que está visitando para sintonizar los canales de señalización y poder monitorizar el sistema.

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8. Encendido del terminal móvil

La estación móvil tiene dos modos de operación básicos. En modo desocupado la estación móvil no dialoga con la red, su estado es pasivo o receptivo, limitándose a monitorizar la información que le llega de las estaciones base que tiene a su alrededor. En modo dedicado existe un diálogo con la red, la estación móvil ha adquirido un canal de comunicación e intercambia información con el sistema. El modo desocupado se inicia cuando el terminal móvil es encendido. En este modo se siguen varios pasos con la finalidad última de poner al móvil en situación de poder recibir o generar llamadas. Cuando el terminal móvil es encendido realiza un rastreo por toda la banda frecuencial GSM con intención de sintonizar los canales de control comunes de las estaciones base que recibe mayor nivel de señal. La selección no se hace únicamente en función del nivel absoluto de potencia recibida, sino que intervienen otros factores de selección de celda como se verá más adelante. En particular, el terminal móvil realiza una clasificación inicial en función del nivel de señal recibido de las diferentes estaciones base que tiene a su alrededor. De este modo se realiza el primer paso de sintonización en frecuencia y tiempo del canal lógico FCCH.

Para los sistemas GSM, una estación base debe transmitir señal en cada tiempo de slot de la frecuencia guía. Los canales de señalización común ocupan únicamente el tiempo de slot 0, los 7 time slots restantes son utilizados para comunicaciones de usuario. En estos 7 slots restantes, incluso si no están siendo utilizados, la estación base debe transmitir potencia de señal para así incrementar la potencia de emisión de la frecuencia guía por encima de cualquier otra frecuencia utilizada en el mismo sector de la celda. Las secuencias predefinidas que son enviadas en los tiempos de slot libres, son las denominadas dummy bursts.

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Observando el espectro de emisión en la banda GSM, se aprecian los canales radio GSM con un ancho de banda de 270 KHz. Entre estos canales hay algunos con un pico de potencia situado a 67 KHz desde el centro del canal. Se trata de una frecuencia guía donde el pico de potencia corresponde a la emisión del canal lógico FCCH. El canal lógico FCCH es una secuencia fija que se repite periódicamente según su disposición dentro de la multitrama de señalización de 51 tramas; esta periodicidad es lo que provoca el pico de potencia en el dominio frecuencial. Una vez sintonizada la frecuencia guía, el terminal móvil se sincroniza en el tiempo con la emisión del canal lógico FCCH. La ubicación del canal FCCH dentro de la multitrama de señalización de 51 tramas permite sintonizar a continuación el canal lógico SCH emitido en el slot 0 de cada trama posterior a la emisión del canal FCCH. Del canal SCH, el móvil obtiene información sobre los contadores de las multitramas (número de trama) emitidas por la estación base, así como el identificador de celda BSIC (Base Station Identity Code).

El número de trama (FN) se indica por el sello temporal (T1:T2:T3). Se trata de 3 contadores de tramas que especifican la estructura de multitramas del sistema GSM. El contador T1 enumera las supertramas con valores entre 0 y 2047 que se ubican dentro de una hipertrama. T2 enumera las tramas de voz de 0 a 25 dentro de una multitrama de información. T3 enumera las tramas de señalización de 0 a 50 dentro de una multitrama de señalización. Conociendo los valores de T1, T2 y T3 se sabe exactamente qué información se emite en cada slot. A partir del conocimiento de T1 y T3 es fácil para el terminal móvil sintonizar el canal BCCH y obtener en cada tiempo de slot del BCCH la información que se está transmitiendo.

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Con la ayuda de los tres contadores de trama emitidos en el canal SCH ya se puede pasar a ver toda la información contenida en el canal BCCH: identificación de la celda, configuración del canal de PAGCH, configuración del canal de RACH, listado de las celdas vecinas, parámetros de acceso a la red, parámetros de selección de celda, etc.

El identificador BSIC emitido en el canal SCH tiene una utilidad doble. Por un lado es un identificador de la secuencia de entrenamiento utilizada en todas las ráfagas normales para esa estación base, ver apartado 3.2.2. La secuencia de entrenamiento es utilizada por el ecualizador de canal del terminal móvil para hacer una estimación de la respuesta impulsional del canal de transmisión entre estación base y terminal móvil. Así mismo, resulta de utilidad para mejorar la calidad de la comunicación frente a la interferencia cocanal producida por otras estaciones base que utilizan las mismas frecuencias. El identificador BSIC se relaciona biunívocamente con la secuencia de entrenamiento de esa estación base, ver tabla 3.2.

El código BSIC se compone de 6 bits, de los cuales 3 bits sirven para discriminar entre 8 PLMN diferentes que operen sobre una misma región geográfica, como podría ser el caso de dos o tres operadores distintos por país en una zona fronteriza de tres países máximo, por ejemplo: Francia, Suiza e Italia. Los otros 3 bits permiten distinguir entre 8 celdas que utilicen la misma frecuencia guía. Esto puede ocurrir cuando la planificación frecuencial debe hacerse con muy pocas frecuencias, o en los límites entre países. La proximidad entre celdas puede conducir a la situación donde el terminal móvil es capaz de sintonizar la misma

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frecuencia guía de diferentes celdas, de modo que el identificador BSIC sirve para distinguir unas celdas de otras. Para ello se hace que un conjunto de celdas que utilizan distintas frecuencias guía compartan el mismo identificador BSIC, con lo cual celdas con idéntica frecuencia guía tendrán distinto BSIC. De este modo, cuando el terminal móvil accede a la red, comunica el identificador BSIC de la estación base que está escuchando y a través de la cual pretende dialogar con el sistema. De esta forma el sistema reconoce inequívocamente a través de qué estación base el móvil pretende acceder al sistema, ya que las diferentes estaciones base que operan en la misma frecuencia guía podrían, del mismo modo, demodular la señal emitida desde el terminal móvil y reconocer el intento de acceso como suyo.

Los tres pasos de sintonización: de los canales FCCH, SCH y BCCH requieren entre 5 y 10 segundos, y puede llegar hasta los 20 segundos en algunas ocasiones. El tiempo de adquisición depende del diseño del equipo móvil y de si la estación móvil fue desconectada por última vez dentro de la misma celda en la que es encendida posteriormente. El móvil almacena información sobre la celda actual en su tarjeta SIM cuando es desconectado. Esta información incluye la frecuencia guía y el área de localización al que pertenece la celda. Si posteriormente se conecta dentro de la misma celda, el terminal móvil ya conoce la frecuencia guía de emisión, de modo que la sincronización se hace mucho más rápida en el tiempo.

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9. Selección de celda

En el punto anterior se ha comentado los pasos a seguir en la sintonización de los canales de control comunes de una estación base. Ahora bien, la selección de celda obliga a repetir estos pasos para cada una de las estaciones base que forman el conjunto de estaciones base candidatas. Las estaciones base candidatas se escogen entre aquellas de las que se recibe mayor nivel de señal sobre su frecuencia guía. Finalmente, para maximizar la calidad de transmisión de una futura comunicación, el criterio de selección de celda se define teniendo en cuenta el nivel de señal recibido por la estación móvil en la frecuencia guía, la máxima potencia de emisión de la estación móvil y algunos parámetros específicos de celda emitidos en el canal BCCH. Este criterio, denominado el criterio C1 se define del siguiente modo:

C1:= (A – Max (B, 0))

A: = RXLEV_NCELL (n) – p1.

B:= p2 – Potencia máxima de emisión de la estación móvil.

p1:= RXLEV_MIN(n)

p2:= MS_TXPWR_MAX(n)

RXLEV_NCELL(n) es la potencia de señal recibida por el terminal móvil sobre la frecuencia guía para esa estación base (n).

RXLEV_MIN(n) es la potencia mínima de recepción downlink estipulada para esa celda y MS_TXPWR_MAX(n) es la potencia máxima de emisión desde un terminal móvil permitida para esa celda. Los parámetros RXLEV_MIN(n) y MS_TXPWR_MAX(n) son transmitidos regularmente en el canal BCCH para cada celda. La potencia mínima de recepción oscila entre -110

dBm y -48 dBm, mientras que la potencia máxima de emisión va entre 29 dBm y 43 dBm. Entre las celdas candidatas se escogen aquéllas con un valor positivo de C1. Cuando finalmente se debe seleccionar una, se toma la celda con mayor valor C1, siempre y cuando esté dentro del conjunto de celdas seleccionables. Una celda es seleccionable si pertenece al operador nativo o a un operador con acuerdo de roaming con el operador nativo. Estos detalles se verán en el punto dedicado al plano de movilidad. El parámetro C1 puede tener dos interpretaciones:

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Determina el área de cobertura de una celda, área donde C1 es positivo. Determina el límite entre dos celdas, área donde C1=C1´.

En la práctica, el valor de C1 varía rápidamente dependiendo de la posición del móvil, como consecuencia de las características de propagación de las comunicaciones móviles. Esto significa que una estación móvil cambiaría frecuentemente de celda en una región bastante extensa correspondiendo con los límites entre dos celdas. Para evitar este fenómeno, se trabaja con un margen de histéresis sobre el valor de C1 antes de proceder al cambio de celda. El valor de la histéresis, CELL_RESELECT_HYSTERESIS, es emitido por cada estación base en el canal BCCH. Como resultado, los límites entre celdas adyacentes dependen de la procedencia del móvil.

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Situaciones de selección de celda

El primer operador a buscar cuando el terminal móvil se enciende es el operador nativo. La estación móvil debe buscar entre todas las celdas del operador aquellas que tengan un C1 positivo. Sin ninguna información, la búsqueda se extiende por todo el espectro. Por el contrario, la tarjeta SIM almacena una lista con la frecuencia guía de la última estación base que monitorizó el terminal móvil antes de ser apagado, así como las frecuencias guía de todas sus celdas vecinas. La búsqueda de frecuencias guía se inicia sintonizando la lista almacenada en la tarjeta SIM. Si ninguna frecuencia de la lista ofrece un C1 positivo, el móvil actuará como en el procedimiento de cambio de operador que se verá a continuación. En funcionamiento normal, con un operador ya escogido, el móvil recibe la lista de celdas vecinas del mismo operador, las cuales serán motivo de

Pre-sincronización. En el momento en que el terminal móvil se enciende y la búsqueda de celdas del operador nativo es infructuosa se procede a la búsqueda de operadores disponibles. Esta búsqueda también se produce cuando el móvil abandona el área de cobertura del operador con el que estaba trabajando. La estación móvil procede en dos pasos:

Primero busca en todo el espectro las 30 frecuencias guía que recibe con mayor señal.

Después obtiene la información de divulgación de las 30 frecuencias guía, concretamente el identificador de operador, PLMN, y los parámetros p1 y p2 asociados a la celda.

Se obtiene así una lista de las PLMN encontradas. A partir de ésta se escoge, ya sea en modo manual o automático, una PLMN. Posteriormente se escoge de todas las celdas pertenecientes a la misma PLMN aquella con mejor C1.

Ocurre en ocasiones que de todas las PLMN encontradas según el procedimiento anterior, en ninguna de ellas el usuario tiene contratado un servicio normal. En ese caso, sólo se puede acceder a un servicio limitado. En este estado, el móvil continúa explorando la totalidad del espectro de manera regular con objeto de encontrar cuanto antes una PLMN que ofrezca un servicio normal.

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10. Acceso a la red

Una vez que el terminal móvil ha escogido una celda después de ser encendido, éste procede a acceder al sistema para notificar su presencia como terminal móvil que está operativo y dispuesto para realizar o recibir llamadas. Esta acción es la denominada IMSI attach; una vez realizada, el sistema reconoce al terminal móvil como activo, pudiendo dirigir llamadas hacia éste cuando sea el caso. A partir de ese momento el terminal móvil permanece en estado desocupado, sin interacción con el sistema; se limita a sintonizar la frecuencia guía de la estación base que le está dando servicio por si en algún momento se genera una llamada hacia él. Al mismo tiempo, el terminal móvil realiza una pre-sintonización de las frecuencias guía de la lista de celdas vecinas que le proporciona la propia estación base que le está dando servicio. Con ello el terminal móvil puede proceder a cambiar la frecuencia guía de escucha por la de otra estación base si los parámetros de selección de celda así lo indican. Esto será lo habitual para un usuario portador de un terminal móvil que se desplaza, de forma que abandona el área de cobertura de una estación base para entrar en el área de cobertura de una estación base vecina. El sistema no tiene por qué ser notificado del cambio en la frecuencia guía de escucha por parte del terminal móvil.

El acceso al sistema comprende varias etapas. En primer lugar se arbitra un mecanismo por el cual los terminales móviles inician el contacto con el sistema con la intención de que éste les asigne un canal de señalización de uso exclusivo. El primer acceso se hace a través de un canal común a todos los móviles para comunicar al sistema su solicitud de un canal de señalización. Este canal común es el RACH (Random Access Channel), el cual coincide lógicamente, misma

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frecuencia y time slot, con los canales FCCH, SCH, BCCH y PAGCH pero para el enlace ascendente. El acceso al sistema se realiza a través del canal RACH mediante una técnica de acceso aleatorio denominada aloha ranurado, ya que el canal RACH ocupa un solo slot temporal dentro de la trama de 8 slots del enlace ascendente. Por tanto, el primer mensaje enviado por el móvil puede colisionar con otro mensaje enviado por otro móvil si ambos coinciden en el canal RACH, en el mismo slot temporal.

Si los dos mensajes recibidos por la estación base tienen un nivel de potencia similar se perderán ambos intentos. Si uno de los mensajes se recibe con un nivel de señal muy superior, será posible recuperarlo frente al otro. Al tratarse de comunicaciones radio, los terminales móviles son desconocedores de si ha habido colisión. Por ello, deben esperar la confirmación de acceso por parte de la estación base para conocer si el intento ha tenido éxito; en caso contrario, transcurrido un tiempo sin respuesta se repite el intento de acceso.

Para que no se produzca una nueva colisión en el siguiente tiempo de slot, la repetición se hará tras esperar un intervalo de tiempo aleatorio después de expirar el tiempo de espera para la confirmación por parte de la estación base de la petición de acceso. El número máximo de intentos de acceso, así como el intervalo máximo de tiempo entre accesos, es difundido por el canal BCCH. De este modo, si la estación base percibiese un incremento súbito en el número de colisiones para el acceso sobre el canal RACH, podría variar el intervalo de tiempo aleatorio entre peticiones, así como el número máximo de intentos con objeto de reducir el número de colisiones. Cuando la estación base detecte que el número

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de colisiones se reduce, puede volver a difundir a través del canal BCCH los valores por defecto.

La ráfaga de acceso (Channel Request message) se compone de 8 bits. De ellos, 5 bits son tomados por el móvil aleatoriamente; con ello la probabilidad de que dos móviles envíen el mismo mensaje de inicio es remota. Estos 5 bits sirven como identificador del terminal móvil para posteriormente asignar el canal de señalización correspondiente al móvil que lo ha solicitado. Se trata de un identificador temporal que evita transmitir el IMSI (International Mobile Subscriber Identity) en el mensaje de acceso para identificarse. Posteriormente, el móvil ya transmitirá su IMSI o TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) para su verdadera identificación, pero esta vez sobre el canal de señalización dedicado, de modo que se asegure la confidencialidad de la información transmitida.

Los tres bits restantes indican la razón por la cual se accede a la red. Con ello se pretende tener información adicional para priorizar la asignación de canales de señalización. Las razones de acceso son:

Respuesta a un paging Llamada de emergencia Re-establecimiento de llamada Petición de usuario

Una vez que el mensaje de acceso es enviado con éxito por el canal RACH, el sistema a través de la unidad BSC busca un canal libre de señalización para asignarlo al terminal móvil solicitante. Para responder al móvil se envía un

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mensaje de “indicación de asignación inicial” en el canal de PAGCH que contiene la descripción del canal de señalización asignado. El mensaje enviado en el PAGCH incluye:

El mensaje de acceso enviado por el terminal móvil. El número de canal asignado. El avance de tiempo inicial a aplicar. La potencia inicial de emisión. El móvil puede tener una potencia máxima

inferior.

El mensaje de acceso enviado previamente por el terminal móvil sirve de referencia para permitir a los móviles que esperan respuesta saber si ésta va dirigida a ellos. Se trata de una repetición del mensaje que el móvil envió por el canal común, más una referencia temporal del momento en que la estación base lo recibió, es decir, del número de slot en que fue enviada la petición. De este modo, si dos terminales móviles coincidieron en el número aleatorio de 5 bits, pueden conocer si la respuesta va dirigida a ellos porque además son conocedores del número de slot en el que realizaron la petición. Solamente existirá ambigüedad si dos terminales móviles escogieron el mismo número aleatorio e hicieron la solicitud en el mismo slot temporal. Aunque en este caso lo más probable es que ambas peticiones se pierdan por colisión. Sin embargo, ya se ha comentado que en el caso de que una de las peticiones se realice con un nivel de señal muy superior al otro; por ejemplo, por estar uno de los terminales móviles mucho más próximo a la estación base, sí se puede cursar una de las peticiones, de forma que la ambigüedad sigue presente. La respuesta a una petición de acceso puede venir en cualquier bloque del PAGCH, de modo que el móvil debe monitorizar todo el canal PAGCH durante la fase de acceso. Una vez recibido este mensaje, el móvil pasa a sintonizar el canal asignado que puede ser un TCH/8 (Traffic Channel/8), un TCH/F (Traffic Channel/Full) o un TCH/H (Traffic Channel/Half), siempre en modo solo señalización.

La indicación del canal de señalización asignado se realiza a través de un número de canal; en GSM todos los canales están numerados, de modo que el número de canal indica inequívocamente la frecuencia y el slot temporal asignado para la señalización. El avance de tiempo inicial a aplicar es una corrección temporal sobre el instante en que el terminal móvil debe emitir sus slots para que éstos encajen dentro de la trama que se forma con las emisiones del resto de terminales móviles para el enlace ascendente. Las desviaciones temporales son debidas a

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los retardos por propagación y son diferentes para cada terminal móvil dependiendo de la distancia que los separa de la estación base. Posteriormente, dentro de este mismo capítulo se comenta con más detalle este fenómeno.

Finalmente, el mensaje de respuesta sobre el canal PAGCH añade una indicación de la potencia inicial a transmitir por parte del terminal móvil. Cuando los terminales móviles realizan una petición sobre el canal de acceso común RACH, lo hacen con máxima potencia para asegurar el éxito en la transmisión, ya que es la primera vez que acceden y desconocen el nivel de señal con que se recibirá la petición en la estación base.

Una vez realizado el primer acceso, la estación base estima el nivel de señal recibido y en función de éste genera la indicación de potencia inicial. Posteriormente, existe un algoritmo de monitorización y control de la potencia de emisión para asegurar la transmisión fiable de la información.

La transmisión a nivel de enlace (link layer), ya sobre el canal de señalización asignado, se inicia con la emisión por parte del móvil de una trama SABM (Set Asynchronous Balanced Mode) que incorpora como información el mensaje inicial, cuyo contenido se verá a continuación y que, de manera no ambigua, identifica al móvil. Esto es necesario en el caso de que dos móviles hubiesen considerado que el mensaje que se les envió por el PAGCH iba dirigido a ellos y ambos hayan pasado a sintonizar el mismo canal de señalización. En la respuesta de la estación base se repite el mensaje inicial enviado por la estación móvil a la que se ha asignado el canal. Véase figura 3.25. El otro móvil abandona el canal de señalización e inicia de nuevo el proceso de acceso al sistema. El móvil al que se responde es aquel situado más cerca de la estación base, ya que a pesar de la interferencia provocada por el móvil más lejano la estación base puede recuperar la información del primero.

También puede darse el caso en que la estación base hubiese sido capaz de recuperar el mensaje de petición de acceso sobre el canal RACH, asignar un canal de señalización y, cuando se realiza la transmisión inicial sobre el canal de señalización, dos móviles acceden simultáneamente tal y como se está planteando en este ejemplo, de tal forma que la estación base no es capaz de

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recuperar la información sobre el canal de señalización asignado. En tal caso, la estación base no responderá, de forma que ambos terminales móviles entenderán que el acceso sobre el canal de señalización ha sido infructuoso e iniciarán nuevamente el proceso de acceso a la red a través del canal RACH.

El contenido del mensaje inicial incluido dentro del campo de información de la trama SABM enviada por el móvil en el nuevo canal de señalización se compone de varias partes:

Identificador de estación móvil: número aleatorio + referencia temporal Identificador de la clase de terminal: classmark Razón de acceso, véase tabla 3.3

La identificación de la clase de terminal, classmark, indica algunas características esenciales del equipo móvil. Un abonado puede conectar su tarjeta SIM a

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cualquier terminal móvil, con lo cual se desconocen a priori las características del terminal móvil que se está utilizando. La identificación de la clase de terminal incluye:

Nivel de revisión: identifica la versión de las especificaciones GSM bajo la cual se ha diseñado el terminal móvil. Será útil cuando vayan apareciendo futuras versiones (phase1, phase2, etc.) del sistema GSM.

Capacidad de potencia: se refiere a la potencia máxima que la estación móvil puede transmitir. Esta información es necesaria durante los procesos de control de potencia y preparación del traspaso de llamada.

Algoritmo de encriptado: indica el algoritmo de cifrado implementado en la estación móvil. Se hace necesario en previsión de futuros algoritmos de encriptado teniendo en cuenta que habrá usuarios de algunos operadores que sólo trabajarán con determinados algoritmos de cifrado y tiene que seguir existiendo la posibilidad de que dicho usuario tenga servicio de otros operadores cuando se traslade.

Capacidad de sintonización de frecuencias: en relación con estaciones móviles equipados con receptores que dispongan de capacidad para operar en distintas bandas frecuenciales. También en previsión de futuras ampliaciones de la banda actual dedicada al sistema GSM.

Capacidad para mensajes cortos: en relación con la capacidad de la estación móvil para soportar este servicio; aunque no es del todo necesario indicarlo, ya que bastaría con rechazarlo cuando se iniciase una petición de este servicio.

11. Elementos de información en GSM

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Los elementos de información en el sistema GSM son la tarjeta SIM del terminal móvil, las bases de datos central y visitante: HLR y VLR, y el centro de autenticación de los terminales móviles. La información que se almacena de cualquier abonado se puede clasificar como temporal o permanente y consiste básicamente en diferentes identificadores del terminal móvil, identificadores de localización, identificadores de enrutamiento de las comunicaciones, informes de tarificación e información del perfil de usuario con las características del servicio contratado. A continuación se detallan los identificadores más relevantes que se almacenan en la SIM, HLR, VLR y AuC. Posteriormente se concreta qué información almacena cada elemento.

El IMSI (International Mobile Subscriber Identity) es un identificador permanente asociado a cada subscripción. Sólo se utiliza para propósitos internos de la red. El número se divide en tres partes:

• Los tres primeros dígitos identifican el código del país del móvil (MCC – Mobile Country Code). Estos tres dígitos los administra el ITU-T.

• Los dos dígitos siguientes identifican el operador dentro del país (o código de la red del móvil), en caso de que haya más de uno dentro del país.

• Unos cuantos dígitos más, que pueden llegar a ser 10, que identifican al abonado, el móvil concretamente.

Las dos primeras cifras identifican el HLR. El TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) se utiliza como sustituto del IMSI para evitar que un intruso pueda identificar a los usuarios de la red GSM por su IMSI. Es una identidad temporal que los abonados utilizan mientras interactúan con la red. La identidad temporal se asigna en el primer acceso del terminal móvil a la red cuando es encendido, y dicho TMSI es renovado cada vez que se produce una nueva interacción con la red, ya sea para una actualización de posición, para el establecimiento de una llamada, etc.

El TMSI está relacionado con la identificación del área de localización en el que está ubicado (LAI – Location Area Identity) y por tanto el TMSI hace referencia a éste código de área junto con la identificación del móvil en esa área concreta.

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El número de teléfono del abonado es el MSISDN (Mobile Station ISDN number); es un número permanente pero diferente al IMSI. Contiene un código de área (como los números de teléfono de la red fija) y un código de operador para distinguirlos en aquellos países en los que haya más de uno. Consiste en 9 dígitos, de los cuales los primeros identifican el HLR; el número de dígitos usados para identificar al HLR depende del tamaño de la red y del número de HLR que se hayan dimensionado.

El número MSRN (Mobile Station Roaming Number) es utilizado para el encaminamiento interno de la red GSM en el establecimiento de una comunicación desde el GMSC, punto de entrada de las llamadas externas dirigidas a los terminales móviles, hasta el MSC que controla al terminal móvil en ese momento.

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12. HLR

El HLR almacena dos tipos de datos: permanentes y temporales. Entre los datos permanentes se encuentran:

• El IMSI

• El MSISDN o número de teléfono del usuario

• Perfil del abonado al servicio, incluidos los servicios suplementarios

Entre los datos temporales se puede encontrar:

• La dirección del VLR visitado: es un puntero al VLR en el que están situados los datos del móvil para asistir en el encaminamiento de las llamadas entrantes que recibe el móvil.

• El número hacia donde redirigir las llamadas en el caso de que ese móvil cuente con ese servicio suplementario.

• Las tripletas de autenticación que deben ser enviadas al VLR para proceder a la autenticación del móvil.

Centro de autenticación

El centro de autenticación (AuC – Authentication Center) es el encargado, junto con la SIM, de la gestión de la seguridad en el interfaz radio. En este elemento se almacena:

• la clave Ki del usuario

En el centro de autenticación se ejecutan los algoritmos A3 y A8 para la generación de las tripletas de autenticación cuando son solicitadas por el HLR.

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13. VLR

El VLR contiene los datos de los móviles localizados en el área geográfica que tiene asignada. Un VLR puede gestionar los datos de uno o varios MSC. El VLR dispone, al igual que el HLR, de datos permanentes y datos temporales. Los datos permanentes son los mismos que los del HLR:

• El IMSI

• El MSISDN o número de teléfono del usuario


Entre los datos temporales se puede encontrar:

• El TMSI

• El LAI (Location Area Identification) o identificador del área de localización

• El MSRN

• Las tripletas de autenticación

• Indicación de que el móvil está apagado o no disponible

La tarjeta SIM

La tarjeta SIM insertada en el teléfono móvil almacena la información de datos permanentes:

• El IMSI


• La llave de autenticación Ki

Y como datos temporales:

• El TMSI

• El LAI (Location Area Identification) o identificador del área de localización

• La llave de cifrado Kc

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La tarjeta SIM no es simplemente un elemento de almacenamiento de información, se trata en realidad de una tarjeta inteligente con capacidad computacional y de gestión de información. Por la importancia de dicho elemento, se detalla a continuación algunas de sus características principales.

La arquitectura funcional de la tarjeta SIM consta de los siguientes elementos, véase la figura:

• Un microprocesador programable, unidad de procesado de datos del chip.

• Una memoria de programa o Read Only Memory (ROM), memoria grabada en la etapa de fabricación. Contiene el sistema operativo de la tarjeta, para controlar las operaciones del microprocesador enviadas mediante comandos desde el terminal móvil.

• La memoria dinámica o Random Access Memory (RAM), memoria volátil del microprocesador.

• La memoria EPROM (Erasable-Programmable Read Only Memory), para almacenar datos permanentes y datos que pueden ser configurados eléctricamente.

• El bus de datos, elemento de interconexión del microprocesador con las diferentes áreas de memoria.

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El protocolo de señalización entre la tarjeta SIM y el terminal móvil es un protocolo asíncrono orientado a carácter, designado por la notación ‘T=0’. Se trata de un protocolo diseñado enteramente por el Subscriber Identity Module Expert Group (SIMEG) de la ETSI y recogido en la recomendación

GSM 11.11, cuyas características son similares al estándar ISO IS 7816-3. La recomendación GSM 11.11 describe la estructura lógica de la memoria de la tarjeta SIM. Los programas de operación tienen disponibles 5 Kbytes de memoria ROM y 2 Kbytes de memoria EPROM. La memoria EPROM almacena todos los datos adquiridos durante la vida de la tarjeta, ésta se divide en varias zonas:

• La zona del fabricante: El chip está programado con el número del fabricante y de componente en el momento de fabricación. Esta zona se programa cuando la tarjeta se personaliza e incluye el código que define la aplicación, y el puntero a otras zonas, así como las condiciones de acceso a esas zonas.

• La zona secreta: Esta zona contiene los datos que no pueden ser leídos o sobrescritos e incluye claves secretas del operador

• La zona de status: Esta zona almacena las claves necesarias para acceder a los datos protegidos.

• La zona confidencial: Esta zona contiene datos protegidos permanentes, que sólo son accesibles a través del sender key or the code-carrying key.

• La zona de transacción: Después de la personalización de la tarjeta, ésta almacena datos a los que se puede acceder con o sin una clave, en función de las condiciones escritas en la zona del fabricante.

• La zona abierta: Esta zona contiene los datos no confidenciales que pueden ser leídos libremente.

Cada zona de memoria tiene un nivel de seguridad para poder leer o escribir. La recomendación GSM 11.11 define las nociones de directorios y ficheros de datos para organizar los datos escritos en la zona de transacción, y los ficheros de datos tienen asociados unos grados de seguridad. Los diferentes tipos de operaciones seguras que se pueden realizar son:

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• Lectura

• Escritura

• Invalidación

• Restoring

• Escritura de inicialización

• Extensión

Los diferentes tipos de condición que existen sobre una operación para permitir que se lleve a cabo son:

• Nunca - la operación está prohibida

• Siempre - la operación está autorizada para todos los usuarios

• PIN - el usuario debe proporcionar previamente su número personal

• ADM - el usuario debe proporcionar previamente el número ADM correcto (ADM: Administration Management)

En el nivel de directorio más alto hay tres directorios definidos:

• root

• GSM (que contiene los ficheros específicos de la aplicación)

• telecoms (que contiene los ficheros relacionados con otras funciones)

Un fichero está compuesto de dos partes, una cabecera y los datos. La cabecera contiene un descriptor de tipo de fichero: nombre, longitud, nivel de seguridad y el tipo (binario o con formato). Hay dos tipos de ficheros:

• Binario: el contenido del fichero es un conjunto de bytes, que son leídos directamente.

• Con formato: el contenido del fichero está estructurado en sectores grabados de longitud fija.

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Durante la creación del fichero, el número de sectores grabados se fija y las transacciones con el fichero se producen escribiendo en los sectores. Los sectores están situados secuencialmente, y se accede a cada uno de ellos a través de un índice.

Las operaciones que se pueden realizar con los ficheros son:

• Creación - reserva de un espacio de memoria

• Selección - introduciendo el nombre se puede acceder a la cabecera

• Extensión - incrementar el tamaño del fichero

• Invalidación - para prevenir cualquier acción sobre el fichero, excepto restaurarlo

• Escritura de inicialización - es la primera operación de escritura sobre un fichero creado

• Sobre-escritura - borrado seguido de una escritura

• Sorting - búsqueda de un fichero.

• Lectura - acceso a los datos almacenados en un fichero

Los datos almacenados en la SIM son diversos:

• El número de serie de la tarjeta

• El estado de la tarjeta (activo o disabled)

• El código de servicio (p. ej. GSM)

• Los datos de pre-personalización, personalización y re-personalización

• Los parámetros del algoritmo de autenticación

• La llave de autenticación

• El IMSI

• Las claves de pre-personalización y personalización

• La llave de cifrado

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• La TMS

• La LAI

• Información de localización temporal

• Información del abonado

• El estado de validación

• La lista de redes prohibidas (un máximo de 4)

• El estado de la función de activación/desactivación del PIN (autorizado/prohibido)

• El estado del PIN (de servicio o fuera de servicio)

• El PIN

• El contador de errores del PIN

• La clave de re-enabling (PUK)

• El estado de la función de roaming interPLMN (autorizado o prohibido)

• Mensajes cortos recibidos

• Una lista de números de directorio autorizados (si hay una restricción de llamadas establecida)

• El estado de las llamadas salientes (autorizadas o prohibidas)

• La lista de PLMN

• Y otros datos si son necesarios

SIM de Fase 2+

La fase 2+ define cuatro comandos nuevos del teléfono móvil que se traducen en nuevas aplicaciones de llamada de alto nivel: Terminal Profile, Envelope, Fetch, Terminal Response. Las nuevas tarjetas proporcionan la base para que los operadores puedan ofrecer nuevos servicios de valor añadido, como por ejemplo las transacciones bancarias remotas y la telecompra a través de las redes celulares.

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En la fase 2 los móviles podían realizar funciones sofisticadas, pero dado que la adquisición del terminal y los servicios eran acciones separadas, cada vez que se quería añadir una nueva operación había que reprogramar el móvil, lo que suponía enviarlo al centro de servicio para que lo reprogramaran.

OTAC (Over-The-Air-Customisation) contribuye a solucionar este problema, ya que permite vender teléfonos con los servicios ya activados para un operador particular. Cuando se compra el teléfono sólo hay que llamar al operador para que autorice los servicios y el cobro de los mismos. Los datos necesarios para activar los servicios en el teléfono son enviados por el interfaz aire, por lo que para dar de alta o baja un determinado servicio sólo es necesario realizar una llamada telefónica. Otras de las ventajas que tiene OTAC es que permite añadir nuevos miembros a grupos de usuarios cerrados en el momento en que se unen a una determinada empresa o departamento en cualquier momento y rápidamente.

Los operadores de red también pueden ofrecer otras ventajas como recargas las tarjetas SIM pre-pagadas de una forma remota. También pueden añadir suscripciones a teléfonos; por ejemplo, una SIM puede tener una suscripción para finalidades de empresa o personales con PIN diferentes. Además, la modificación de los códigos o passwords no hacen necesaria una visita al centro que suministra el servicio. Estas SIM utilizan mucho más el microprocesador que hay en ellas, añadiendo una nueva capacidad de inteligencia al teléfono en sí. Además de recibir y presentar comandos e información, puede ejecutar sus propias aplicaciones. Para realizar esto se ha aprovechado la aparición de memorias de mayor capacidad, (hasta 64 k) que, por ejemplo, permiten almacenar numerosos mensajes cortos, o mensajes en lenguas orientales que son mucho más pictóricas, lo que los hace más atractivos en todo el mundo.

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14. Planificación y dimensionamiento de una red GSM

En el presente apartado se explican con cierto detalle las pautas a seguir en la planificación y dimensionamiento de redes celulares basadas en tecnología GSM. El diseño de una red GSM comprende por un lado aspectos de campo como la búsqueda de los emplazamientos de estación base, la estimación del área de cobertura de cada estación base, el reparto de frecuencias entre celdas, el ajuste de las potencias de emisión, etc., y por otro, aspectos de dimensionamiento de red fija como el cálculo del número de controladores de estación base, su ubicación, la interconexión de los elementos de red fija, el dimensionamiento de las bases de datos, etc.

La planificación de una red GSM es un proceso complejo que abarca diferentes disciplinas y que generalmente involucra a varios departamentos dentro de una organización. El diseño debe contemplar aspectos de planificación frecuencial, cartografía, estadísticas de movilidad de los potenciales usuarios, teoría de teletráfico, etc. Todo ello hace que la forma de abordar su resolución pase por un proceso de diseño secuencial, siguiendo unos pasos bien definidos, pero a su vez iterativo, donde la solución de configuraciones parciales provoque la vuelta hacia atrás para el rediseño de etapas anteriores. El objetivo es realizar una planificación de red lo más eficiente posible; ahora bien, el diseño debe ser tal que permita un crecimiento gradual de la capacidad del sistema en previsión de un incremento paulatino de la demanda de servicio, ya sea por la incorporación de nuevos abonados a telefonía móvil o por la introducción de nuevos servicios que incrementarán el tráfico cursado por abonado.

El proceso de diseño se puede esquematizar con la secuencia de ejecución que se detalla a continuación, sin olvidar que se trata de un procedimiento secuencial e iterativo dependiendo de las soluciones parciales de configuración obtenidas en cada etapa:

Previsión de demanda y estimación de la ubicación de los emplazamientos de estación base. Cálculo de las áreas de cobertura por estación base. Estimación del tráfico ofrecido por celda y cálculo del número de portadoras necesarias por sector y estación base para satisfacer un cierto grado de servicio.

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Estimación de la movilidad de los usuarios y cálculo aproximado del tránsito entre celdas de los potenciales usuarios. Uso de patrones de movilidad para la estimación del número de cruces entre celdas, evaluación del número de traspasos de llamada y del número de actualizaciones de posición.

Dimensionamiento de las áreas de localización. Disposición inicial, grosso-modo, de áreas de localización con minimización de la carga de señalización por actualizaciones de posición. Refinamiento de la solución mediante subdivisiones sucesivas de las áreas de localización de la configuración inicial hasta encontrar un punto óptimo que minimice el conjunto de señalización por búsquedas y actualizaciones de posición.

Dimensionamiento de los canales de señalización. Conocido el tráfico ofrecido por celda y el patrón de movilidad de los usuarios estimar el número de canales de señalización por estación base en función de la solución óptima de áreas de localización encontrada en el punto 3, considerando los procedimientos de señalización más característicos: establecimiento de llamada, actualización de posición periódica y por cambio de área de localización.

Dimensionamiento en número y ubicación de los elementos: BSC, MSC, VLR y HLR. Para ello se cuenta con las especificaciones técnicas de capacidad de dichos elementos para diferentes proveedores y las necesidades de tráfico de la red de estaciones base estimada en el punto 1.

Diseño de la topología de red. En este punto se estudian diferentes soluciones de interconexión de estaciones base con las BSC correspondientes, evaluación de los costos de compra/alquiler de las líneas de interconexión entre elementos. Alternativas de reubicación geográfica de BSC y MSC para optimización de costos.

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Diseño de la red de interconexión entre MSC, alternativas para la interconexión con otras redes telefónicas. Se evalúan diferentes soluciones de interconexión entre los elementos de conmutación de la red móvil siguiendo criterios de minimización de costos y de fiabilidad de la red. Por último se dimensiona el número de enlaces necesarios de interconexión con otras redes telefónicas para las llamadas hacia el exterior, ya sea de móvil a fijo o de móvil a móvil de otro operador.

En la figura se presenta un diagrama de flujo con los diferentes pasos a seguir en el procedimiento iterativo. En sucesivas secciones de este apartado se presentan los detalles de los métodos usados en cada uno de los pasos descritos, así como las relaciones establecidas entre los diferentes bloques que se muestran en la figura.

Datos de partida:

1. I n f o r m a c i ó n e s t a d í s t i c a s d e l á r e a g e o g r á f i c a a cubrir (población, densidad, movilidad etc.)

2. M o d e l o s d e u t i l i z a c i ó n

d e l s e r v i c i o3. C o n f i g u r a c i o n e s

p o s i b l e s ( f a b r i c a n t e s )

4. P a r á m e t r o s o b j e t i v o s

d e G r a d o d e S e r v i c i o (probabilidades de bloqueo, de

terminación forzada, etc...)

5. A r q u i t e c t u r a d e l

UBICACIÓN DE LOSEMPLAZAMIENTOS (celdas)

DIMENSIONAMIENTO DE LOSCANALESDE SEÑALIZACIÓN

DIMENSIONAMIENTO DE LOSCANALESDE TRÁFICO

DISEÑO DE LAS ÁREASDE LOCALIZACIÓN

DISEÑO DE LA REDDE INTERCONEXIÓN

UBICACIÓN DE LOSCENTROS DECONMUTACIÓN

MSC.INTERCONEXIÓN CONOTRAS REDES

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15Ubicación de las BTS. 16 Dimensionamiento de los canales de tráfico

La ubicación de estaciones base sobre el terreno se realiza en previsión de la demanda de servicio acorto y medio plazo. La demanda de servicio viene caracterizada por la distribución de la población sobre las diferentes áreas geográficas, distinguiendo zonas urbanas, suburbanas y rurales según una densidad de población decreciente. Por otro lado, la ubicación de estaciones base debe incluir las vías de comunicación entre núcleos de población, ya sea comunicación ferroviaria o por carretera.

En primera aproximación se cuenta con información estadística de la población residente en los diferentes núcleos urbanos, censos de población, superficie habitada de los municipios, movilidad geográfica de la población entre municipios, movilidad entre distritos dentro de los núcleos de población grande, etc. Se trata de una recopilación de información laboriosa que en muchas ocasiones resulta incompleta por falta de datos, pero necesaria para la caracterización del área geográfica sobre la que se pretende dar servicio.

A partir de esta información se procede a fijar la cantidad de emplazamientos necesarios y una primera idea de su ubicación. La primera iteración es orientativa, como información de soporte se cuenta con la clasificación de las estaciones base en omnidireccionales, bisectoriales y trisectoriales. Las estaciones base trisectoriales se utilizan en entornos urbanos con elevado tráfico, las estaciones bisectoriales para dar servicio en autopistas, autovías y carreteras, las estaciones omnidireccionales para dar servicio en zonas con baja densidad de tráfico y entornos rurales. Los radios de cobertura de cada uno de los tres tipos de estación base son típicos según la zona a cubrir: urbana, suburbana, rural y vía de comunicación. Todo ello facilita el trabajo para aportar una primera solución de ubicación delas estaciones base. A continuación comienza un laborioso proceso de determinación de las áreas de cobertura de las distintas estaciones base y de su reubicación mediante el uso de herramientas informáticas de soporte para el tratamiento cartográfico y de propagación de la señal radioeléctrica.

Después de encontrar una solución subóptima de ubicación de las estaciones base se procede a evaluar la carga de tráfico que debe cursar cada una de ellas. Según la configuración del tipo de estación base escogida con anterioridad se conoce la carga máxima de tráfico que puede soportar. Si este límite es excedido, se procede a la reubicación de la estación base afectada y colindante, así como al estudio de la introducción de nuevas estaciones base si es necesario.

Por otro lado, la elección definitiva de los emplazamientos depende en muchas ocasiones de otros factores que no son estrictamente técnicos, como por ejemplo

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la predisposición de las comunidades de vecinos para la instalación de las correspondientes antenas en las azoteas de los inmuebles. Por tanto, las diferentes soluciones de ubicación que se van proponiendo son orientativas hasta encontrar las localizaciones definitivas, lo que conduce en la mayoría de los casos a las correspondientes medidas de campo in situ para el ajuste final de los niveles de potencia a emitir desde cada estación base.

Cuando ya se dispone de una solución orientativa del número y ubicación de las estaciones base, se procede a estimar el número de canales de tráfico necesarios por sector y estación base. El cálculo del número de canales de tráfico se realiza en función del tráfico ofrecido por sector y el grado de servicio que pretende dar el operador. El grado de servicio es equivalente a la probabilidad de bloqueo del sistema, es decir, la probabilidad de realizar un intento de llamada y que ésta se bloquee porque todos los canales de tráfico están ocupados en ese momento. Valores típicos de grado de servicio manejados por los operadores están entre el 1% y el 3%. Si se desea mejorar el servicio en alguna área en concreto se procede a rebajar el valor del grado de servicio o probabilidad de bloqueo. En la práctica, el número de canales de tráfico disponibles por sector es un múltiplo del número de portadoras ubicadas por sector, de forma que el grado de servicio es variante en función del ajuste final en el reparto de portadoras entre estaciones base.

El tráfico ofrecido por sector depende, como se ha comentado anteriormente, del número de usuarios potenciales que se pueden encontrar en cada sector de cada estación base. La estimación del número de usuarios se hace en función de la ubicación de la estación base, densidad de población (residente y desplazada) durante la hora cargada y área de cobertura del sector objeto de estudio. Por otro lado, se precisa estimar el índice de penetración del servicio, es decir, el porcentaje de la población total que estará abonada al servicio ofrecido. Este valor da cuenta de la previsión en el porcentaje de población que utilizará el teléfono móvil. Esto puede depender de factores socioeconómicos de la zona donde se ubique la estación base como puedan ser la renta per cápita, tipo de negocios establecidos, etc. Pero también hay que considerar que el servicio a ofrecer se hace entre dos o tres operadores distintos y en este caso se trata de la planificación de red de un solo operador, por tanto se debe incluir la cuota de mercado del operador concreto en relación con sus competidores. Finalmente, estimar el tráfico ofrecido por sector precisa conocer el tráfico generado por cada uno de los abonados durante la hora cargada. Este tráfico por abonado expresado habitualmente en milésimas de Erlang, puede variar, como sucede con el índice de penetración del servicio, de una zona a otra. Valores típicos en telefonía fija se

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sitúan entre los 20 y 25 mEr por usuario durante la hora cargada. Sin embargo, se ha constatado que el uso del teléfono móvil es superior al del teléfono fijo, aunque sólo sea porque la probabilidad de que el abonado llamado conteste es mucho más alta. Además, estos valores se asumen para comunicaciones de voz como servicio mayoritario; en un futuro próximo, cuando los servicios de datos sobre GPRS estén más difundidos, también deberán tenerse en cuenta al dimensionar los canales de tráfico necesarios por sector.

Para realizar el cálculo de los canales de tráfico necesarios por sector se utiliza el modelo con pérdidas de Erlang-B de ocupación de los canales, es decir, un modelo de ocupación de un conjunto de recursos sin cola de espera; cuando un abonado hace un intento de llamada y el sistema no dispone decanales libres, cuelga para intentarlo un tiempo después.

Después de conocer el número de canales de tráfico por sector y estación base se procede a la planificación frecuencial para la determinación de la distancia de rehusó entre estaciones base y el reparto entre sectores de las portadoras asignadas al operador.

La estructura de trama GSM establece 8 canales por portadora. El número de canales por sector será un múltiplo del número de portadoras asignadas. Por otro lado, no todos los canales se pueden asignar para cursar tráfico, uno de los canales por sector se reserva para la frecuencia guía de emisión de los canales comunes de señalización. Otros canales se destinan a canales de señalización para dar soporte a los procedimientos de IMSI attach/detach, actualización de posición, etc. Para resolver la relación entre el número de portadoras necesarias y el número teórico obtenido de canales de tráfico por sector es muy común el uso de la tabla. En ella se observa como a medida que se incrementa el número de canales de tráfico, también se incrementa la capacidad destinada a señalización.

Relación entre el número de canales de tráfico y el de portadoras por sector:

Canales de trafico Numero de portadoras

1 ≤ N ≤ 6 1

7 ≤ N ≤ 13 2

14 ≤ N ≤ 21 3

22 ≤ N ≤ 29 4

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Una vez realizadas las estimaciones oportunas para la carga de tráfico de señalización, según se comentará en el apartado anterior, se deberá comprobar que el número de canales dedicados a señalización es acorde con la previsión hecha en la tabla. Los sectores de estación base más conflictivos son los que corresponden con los límites entre áreas de localización, al estar expuestos a una carga de señalización extra debida a las actualizaciones de posición.

Existe un límite en el número máximo de portadoras por sector para planificaciones uniformes, es decir, planificaciones con varias estaciones base colindantes con cargas de tráfico semejantes. Se puede comprobar que el límite es de cuatro portadoras por sector al considerar un patrón de rehusó frecuencial típico para el sistema GSM y disponer de un espectro frecuencial a repartir entre varios operadores. Para obtener el valor límite, se consideran estaciones base trisectoriales y siete estaciones base por agrupación. El número total de canales necesarios por operador considerando cuatro y cinco portadoras por sector sería:

Si se utilizan cuatro portadoras por sector: 4 portadoras x 3 sectores x 7 emplazamientos/agrupación = 84 portadoras por operador.

Si se utilizan 5 portadoras por sector: 5 portadoras x 3 sectores x 7 emplazamientos/agrupación = 105 portadoras por operador.

Para cinco portadoras por sector son necesarias más de 100 portadoras por operador. Para el sistemaDCS-1800, el reparto de portadoras por operador no alcanza las 100 en la práctica mayoría de países. El sistema DCS-1800 cuenta con 75 MHz de ancho de banda, con canales de 200 KHz se tienen un total de 375 portadoras, el reparto entre tres operadores resulta en 125 portadoras, de éstas hay que quitar los canales extremos por problemas de solapamiento. Sin embargo, las administraciones usualmente no reparten la totalidad del espectro GSM entre los operadores, esto se traduce en una disposición de portadoras por operador inferior a 100, como se ha comentado.

Al final de todo el proceso de ubicación y dimensionamiento de los emplazamientos para estaciones base, se dispondrá de la siguiente información:

El identificador del emplazamiento

Coordenadas sobre el plano cartográfico

El número de sectores que tiene cada uno de los emplazamientos

El tráfico ofrecido por cada sector

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El número de canales de tráfico y señalización por cada sector

El número de TRX (portadoras) que se asignan a cada sector

Los valores de los tres últimos puntos pueden ser diferentes para cada sector de una misma estación base.

Por último, se debe tener en cuenta que en determinadas áreas geográficas pueden aparecer puntos en los que la concentración de terminales móviles sea muy superior a la media. Son los puntos conocidos como Hot-Spots. Se pueden distinguir dos tipos de Hot-Spots en función del tiempo durante el cual la concentración de móviles es elevada:

Hot-Spots temporales: aquellos en los que la concentración es puntual como por ejemplo los campos de fútbol, acontecimientos musicales, etc.

Hot-Spots permanentes: aquellos en los que la concentración es permanente, como por ejemplo aeropuertos, ferias de muestras, etc.

En el primero de los casos es muy difícil conseguir el grado de servicio (GoS) deseado con las estaciones base ubicadas, por lo que será necesario utilizar estaciones base portátiles (estaciones base móviles) si se pretende mejorar el servicio. Sin embargo, en la mayoría de los casos el despliegue necesario para conseguir un grado de servicio, por ejemplo del 5%, sería tal que no compensa los beneficios de tráfico o imagen del operador que ello supone. En el segundo de los casos no se puede solucionar con estaciones base temporales y es preciso añadir alguna estación base de forma permanente dedicada mayoritariamente a tal efecto, aunque el grado de servicio no alcance los valores usuales del 1% al 3%.

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17 Estimación del número de cruces entre celdas

Una vez ubicadas las estaciones base y determinado el número de portadoras a utilizar en cada sector, la segunda fase del diseño de la red consiste en realizar una estimación del tránsito entre celdas de los potenciales usuarios. A partir de esta información se cuantifica el número de traspasos de llamada gestionados por cada estación base y el número de actualizaciones de posición si la celda en cuestión forma parte del límite entre dos áreas de localización. Esta información será utilizada para el dimensionamiento de los canales de señalización por estación base. La contabilización de las actualizaciones de posición, junto con los mensajes de búsqueda del terminal móvil por unidad de tiempo, será de utilidad para el dimensionamiento óptimo del tamaño de las áreas de localización.

La estimación de la movilidad de los usuarios y el cálculo aproximado del tránsito entre celdas se realiza utilizando unos patrones de movilidad sencillos y unos modelos de cobertura por estación base también manejables.

El modelo de área de cobertura de las estaciones base omnidireccionales y trisectoriales se simplifica hasta considerarlo circular. Dependiendo del grado de refinamiento, se puede trabajar con celdas de radio tipo según se trabaje con estaciones base ubicadas en zonas urbanas, suburbanas y rurales o, por el contrario, obtener un radio medio de cada celda según su ubicación en el plano.

Las estaciones base bisectoriales normalmente se ubican en puntos donde se da cobertura a alguna vía de comunicación importante. En estos casos es necesario determinar sobre el plano el área que cubre ese emplazamiento y ver las vías de comunicación que lo atraviesan. Los cruces producidos por peatones o vehículos a baja velocidad suelen ser despreciables comparados con los de la vía rápida.

La cobertura de una estación base trisectorial se aproxima por un círculo de radio r. El perímetro a través del cual se producen los cruces es 2πr+3r, es decir, el perímetro de la circunferencia más el perímetro de separación entre sectores. El cruce entre sectores sólo sirve para contabilizar los traspasos de llamada. Véase la figura siguiente.

Emplazamiento trisectorial

r

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Para calcular la tasa de cruces se utiliza un modelo de movilidad teórico que simplifica enormemente su evaluación. Posteriormente, con el sistema ya instalado, se verifican las estimaciones realizadas con los datos reportados por el sistema de gestión. Esta información se utiliza, por ejemplo, para realizar ajustes en el diseño de las áreas de localización. El modelo de teletráfico más habitual para estimar la tasa de cruces se basa en un modelo de fluidos que asume un tránsito uniforme a lo largo de todo el perímetro, de manera similar al comportamiento de un fluido. Se trata de un modelo a nivel macroscópico que cuantifica la cantidad de tráfico saliente de una región de forma proporcional a la densidad de población de la zona, a la velocidad media de desplazamiento de los usuarios y al perímetro de la zona límite. Así, la expresión resultante es:

λ=ρ1 . ν . L

πcruces / s(1)

Donde ρ es la densidad de terminales móviles, ves la velocidad media de desplazamiento del terminal móvil y L es la longitud del perímetro a través del cual se producen los cruces.

En celdas donde predomina un movimiento definido, como sucede para las estaciones base bisectoriales que no dan servicio a núcleos de población, se toma un modelo de movilidad de los usuarios unidireccional:

λ=ρ2 . ν cruces /s (2)

A partir de estas dos expresiones se lleva a cabo la estimación de la tasa de cruces entre celdas y entre sectores de una misma celda. En general se considera que el número de cruces por segundo se evalúa según la expresión más general:

λ=ρ1 . ν . L

π+ρ2. ν cruces/ s(3)

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Donde, en aquellas celdas cuyos límites no sean atravesados por ninguna vía de comunicación importante, se puede considerar un valor de ρ2 nulo. Por otra parte si los límites de la celda no dividen ningún núcleo de población, se toma el valor de ρ1 nulo. En general, el cómputo de la tasa de cruces para la mayoría de estaciones base ubicadas en zonas urbanas corresponde con la expresión (1), donde el perímetro a considerar coincide con el perímetro total de la celda. Sin embargo, para estaciones base ubicadas en zonas suburbanas y zonas rurales, la utilización de la expresión (3) implica contabilizar únicamente aquella fracción del perímetro de una celda que corresponde con el núcleo urbano; por ejemplo, es habitual tener estaciones base omnidireccionales que dan servicio a poblaciones enteras, por tanto los cruces del límite de esa celda sólo se deben a las vías de comunicación, ya que la movilidad de los usuarios dentro de la población no afecta al sistema.

La velocidad media de desplazamiento de los usuarios depende del entorno de operación. En general se trata de un promedio entre los desplazamientos a pie y los desplazamientos con vehículo. En zonas suburbanas predominan los desplazamientos con vehículo, esto incrementa la velocidad media de desplazamiento. En zonas urbanas y de alta densidad de población predominan los desplazamientos a pie y los de los vehículos se hacen a una velocidad muy lenta. La velocidad media de desplazamiento de un transeúnte se considera de 3,5 Km/h y para los vehículos en ciudad valores entre 10 y 30 Km/h. Para las vías de comunicación rápidas se utilizan los datos de movilidad de que se disponga. Para los desplazamientos en vehículo se debe computar además el número medio de ocupantes por vehículo.

Modelo de tráfico para un vehículo:

Personas /Vehículo 1.5

T.O./ Persona en Vehículo 2.5 mEr

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18 Dimensionamiento de las áreas de localización

Un dimensionamiento correcto de las áreas de localización es básico para un mejor aprovechamiento de los recursos del sistema. Diseños incorrectos o ineficientes producen una sobrecarga de señalización en los procedimientos de búsqueda de terminales móviles o en los procedimientos de actualización de posición.

La agrupación de celdas en áreas de localización sirve para acotar la ubicación de los terminales móviles. La llamada dirigida a un móvil desencadena el proceso de búsqueda del terminal mediante interrogación de todas las celdas que componen el área de localización. El diseño de áreas de localización excesivamente grandes provoca un exceso de mensajes de búsqueda sobre el conjunto delas estaciones base que componen el área de localización. En contrapartida, operar con áreas de localización excesivamente pequeñas provoca un exceso de actualizaciones de posición al incrementarse notablemente el perímetro total de las áreas de localización. En este último caso se puede provocar una saturación de la base de datos VLR por concurrencia de accesos a la misma. Por tanto, al diseñar las áreas de localización se establece un compromiso entre la carga de señalización debida a los procedimientos de búsqueda y los procedimientos de actualización de posición.

Encontrar la distribución óptima en número y tamaño de las áreas de localización es un problema laborioso que puede ser sustituido por la búsqueda de una solución subóptima de complejidad inferior. Una forma sencilla de encontrar una solución subóptima consiste en proponer una distribución inicial con el menor número de áreas de localización posible, es decir, definiendo áreas de localización del mayor tamaño posible. La disposición inicial, grosso modo, de las áreas de localización debe ser talque minimice la carga de señalización por actualizaciones de posición, es decir, escoger los límites delas áreas de localización evitando las intersecciones con las vías de comunicación principales o que seccionen núcleos de población. El refinamiento de la solución consiste en llevar a cabo subdivisiones sucesivas de las áreas de localización de la configuración inicial hasta encontrar un subóptimo que minimice el conjunto de señalización por búsquedas y actualizaciones de posición. Las subdivisiones provocan una reducción en la señalización de búsquedas y un incremento de las actualizaciones de posición, por tanto se realizan las sucesivas subdivisiones hasta que la reducción de un tipo de señalización no compense el incremento de la otra

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Tamaño máximo de un área de localización

La propuesta de disposición inicial de las áreas de localización requiere conocer el tamaño máximo teórico que puede tener un área de localización sin producir el desbordamiento en el funcionamiento de alguno de los elementos de red. El límite en el tamaño máximo puede ser debido a la saturación del canal de envío de los mensajes de búsqueda o por congestión de la base de datos VLR.

Procedimiento de búsqueda

En el sistema GSM la búsqueda de un terminal móvil se realiza a través de todas las celdas de una misma área de localización, para ello pueden utilizarse diferentes identificadores de abonado. El estándar GSM [GSM04.08] define los siguientes tipos de mensajes de búsqueda:

Mensajes de búsqueda de tipo 1: Con este tipo de mensaje se pueden interrogar hasta dos abonados por mensaje a través del campo definido como Identidad del Móvil. Este campo deberá contener el TMSI del abonado siempre que esté disponible, en caso contrario se podrá utilizar el IMSI.

Mensajes de búsqueda de tipo 2: Utilizando este tipo de mensaje de búsqueda se pueden interrogar a dos o tres abonados en un solo mensaje. Para los dos primeros se utiliza necesariamente el identificador TMSI mientras que para el tercero se utiliza preferentemente el TMSI, en caso de no estar disponible se enviaría el IMSI.

Mensajes de búsqueda de tipo 3: Finalmente se especifica este tipo de mensaje para situaciones con elevado tráfico. Los mensajes de tipo 3 se utilizan para interrogar a cuatro abonados simultáneamente utilizando únicamente el identificador TMSI.

La longitud de los tres tipos de mensajes es la misma: 23 octetos (184 bits). En los dos primeros se usa un campo de relleno para completar los octetos no utilizados. A estos bits se les añade una protección (codificación de canal) que da lugar a bloques de 456 bits por mensaje, éstos son enviados a través del canal PAGCH utilizando 4 ráfagas (bursts) de 114 bits cada una.

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19 Dimensionamiento de los canales de señalización

Los canales de señalización se dividen en canales comunes y canales dedicados. Los canales de señalización dedicados, SDCCH, se utilizan en procedimientos como el inicio de llamada, actualizaciones de posición o IMSI attach/dettach. En este apartado se presenta la metodología necesaria para realizar un dimensionamiento de los canales de señalización dedicados del sistema GSM. En este apartado se consideran los procedimientos GSM responsables de la mayor carga de tráfico de señalización:

Inicio de llamada (MTO, MTC)

IMSI Attach/Dettach

Procedimiento de actualización de posición

Por otra parte se aborda el dimensionamiento del canal de acceso RACH teniendo en cuenta los procedimientos citados anteriormente, que precisan de un acceso a la red a través del canal RACH para solicitar un canal de señalización SDCCH.

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20 Dimensionamiento del número de BSC, MSC, VLR y HLR

Dentro de un proyecto de planificación de un sistema de telefonía móvil, una vez se ha estimado el número de estaciones base a ubicar, así como el número de TRXs que se precisan por sector, el siguiente paso dentro de la planificación de la red fija consiste en deducir el número de BSC necesarias para controlar el conjunto de estaciones base. Con posterioridad se obtiene el número de MSC, VLR y HLR.

El dimensionamiento del número de elementos de las entidades citadas depende de la capacidad individual de cada una de éstas. La capacidad de un elemento puede venir impuesta por una o varias limitaciones; todo ello, a su vez, dependiente del fabricante de los equipos.

De modo genérico se presenta a continuación un detallado de las limitaciones más características delos diferentes elementos:

BSC: 2500 Erlangs o 150 BTS o 512 TRX

MSC: 250.000 llamadas/hora cargada o 10 BSC

VLR: 300.000 abonados

HLR: 800.000 abonados

MSC/VLR: 150.000 abonados o 200.000 llamadas/hc

MSC/VLR/HLR: 120.000 abonados o 160.000 llamadas/hc

Para el MSC, al tener asociada las funciones propias de una central de conmutación, es habitual cuantificar su capacidad como el número máximo de llamadas en la hora cargada.

Respecto al VLR y HLR, como se trata de bases de datos, es habitual encontrar su capacidad cuantificada en número de abonados en directa relación con su capacidad de almacenaje de información, aunque en ocasiones también se cifra la capacidad en transacciones por unidad de tiempo sobre la base de datos.

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Por último, ciertos fabricantes permiten que un mismo hardware desempeñe las funciones de conmutación (MSC) y de gestión de la base de datos (VLR, HLR), con lo cual en un mismo equipo se realizan las funciones de MSC y VLR o MSC, VLR y HLR. El inconveniente está en que la capacidad asociada a dicho equipo que engloba varios elementos se ve reducida.

Los valores numéricos dados representan la capacidad máxima de cada elemento, es decir, suponiendo una carga de operación del 100%. Ahora bien, para asegurar un correcto funcionamiento de los equipos, lo cual pasa por unos tiempos de respuesta de cualquier operación razonable, es habitual que dichos elementos se hagan trabajar a una carga máxima no superior al 80%.El caso del VLR es especial, al corresponderse con la base de datos temporal de todos aquellos terminales que visitan las áreas de localización controladas por dicho VLR. Es por ello que el dimensionamiento de los VLR debe tener en cuenta no sólo la población residente en una determinada zona, sino también la población visitante o población flotante proveniente de otras áreas. Para que el dimensionamiento tenga en cuenta una población visitante indeterminada se diseñará el número de VLR necesario para una carga por VLR no superior al 60% de su capacidad máxima teórica.

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