tecnologia movil digital gsm(paper)

Perspectiva histrica

L os factores que promovie-ron la aparicin del GSMson:

Limitacin de capacidad delos sistemas analgicos.

Saturacin de los sistemasanalgicos.

Conveniencia de un siste-ma de cobertura europea.

Intento de establecer un es-tndar europeo para la industria.

En 1989 la responsabilidaddel GSM se traslad al ETSI(Europen TelecommunicationsStandards Institute) y las prime-ras especificaciones se publica-ron en 1990. El GSM comenzsu servicio de forma comercial amediados de 1991, y en 1993 ha-ba 36 redes GSM en 22 pases.GSM no es slo un estndar eu-ropeo. Las redes GSM ( inclu-yendo DCS1800 y PCS1800)son actualmente operativas ( oen fase de planificacin) en msde 80 pases. A principios de1994 haba 1,3 millones de usua-rios y a principios de 1995 alre-dedor de 10 millones de usuariosen todo el mundo. Se estimaque en ao 2.000 tenga un n-mero de usuarios entre 15 y 20millones; para el DCS-1800 seesperan entre 4 a 13 millonespara el citado ao 2.000.

El GSM ofrece movilidad in-ternacional, y una gran variedadde servicios como telefona, trans-ferencia de datos, fax, mensajescortos, y se acerca a los requeri-mientos de un sistema de comu-nicaciones personales. De hechoest siendo usado como base parala siguiente generacin de tecno-

a14 analesde mecnica y electricidad

A principios de los 80 los sistemas celularesanalgicos experimentaron un gran crecimiento en Europa. Cada pas desarroll su propio sistema,incompatible con el de otro pas. Esta situacin no era deseable debido a que la movilidad se limitaba a cada pas y lo que estn importante,los mercados eran muy limitados. En 1982, la CEPT(Conference of European Post and Telegraphs)form un grupo de estudio denominado GSM(Groupe Spcial Mobile) para desarrollar un sistema pan-europeo de telefona mvil. En este artculo se pretende dar una visin generalde un sistema GSM, cuyas especificaciones tienenms de 6.000 pginas, y que junto con su sistemagemelo operando en 1800 MHz, denominado DCS-1800 son una primera aproximacin a un sistema personal de telecomunicaciones.

Telefona mvil

digital GSM

Telefona mvil

digital GSM

Juan Jos Domnguez Snchez

Ingeniero del I.C.A.I.Ingeniera de Electrnica Industrial.

Divisin de Componentes. CCT. Alcatel Espaa.Profesor de la E.U. de Ingenieros Tcnicos del I.C.A.I.

loga de comunicaciones en Euro-pa, el UMTS (Universal MobileTelecommunication System).

El GSM es un estndar muycomplejo, pero esto es el precioque hay que pagar para alcanzarel nivel de servicios y la calidadofrecida usando un medio conunas restricciones tan importan-tes como es la radio.

Arquitectura de la red

L a red GSM est compuestapor numerosas entidadesfuncionales. En la figura 1 semuestra una red GSM tpica. Lared GSM puede dividirse encuatro partes:

1. Equipo mvil (ME) . Es elterminal de usuario.

2. Subsistema de EstacionesBase (BSS). Controla el enlacede radio con el ME.

3. Subsistema de red. Su parteprincipal es el Centro de Conmu-tacin para Mviles (MSC). Ofre-ce el servicio de conmutacin dellamadas entre los mviles y la redfija y el manejo de la movilidad.

4. Centro de Mantenimientoy Operaciones (OMC). Contro-la la operacin del sistema y lainicializacin de la red.

Estacin mvil

La estacin mvil consta delequipo mvil (terminal) y unasmart card llamada SIM (Subs-criber Identity Module). El SIMes el que permite la movilidad, asel usuario con dicha tarjeta puedeacceder a la red desde cualquier

terminal. La tarjeta SIM puedeser protegida contra uso no auto-rizado mediante el uso de pass-word o nmero de identificacinpersonal. El terminal se identificade forma inequvoca mediante elIMEI ( International MobileEquipment Identity). El IMEI y elIMSI son independientes.

El ME y el BSS se comunicaa travs del denominado interfa-ce Um, al que tambin se cono-ce como Interface aire.

El equipo mvil usa tecnolo-ga de microprocesadores VSLI(Very Large Scale Integration)con lo que muchas de sus fun-ciones pueden ser integradas enun solo circuito integrado, lo queresultan terminales ms ligeros,compactos, y con una mayoreficiencia en el uso de la energa.

Subsistema de estacin base (BSS)

El BTS (Base Station Subsys-tem) est compuesto por dos

partes: el BTS (Base StationTransceiver) y el BSC (Base Sta-tion Controller). Estas se comu-nican mediante el llamado Inter-face Abis. Este interface est ba-sado en vas PCM de 2 Mb/s ode 64 Kb/s.

El BTS lleva el transmisor/re-ceptor de radio que define la c-lula y maneja el protocolo de ra-dio con la Estacin Mvil .

El BSC maneja los recursosde radio de una o ms BTS. Ma-neja la inicializacin de los cana-les de radio, el salto en frecuen-cia y los handover. Es la cone-xin entre la Estacin Mvil y elMSC.

En GSM el tamao de la cel-da es variable, siendo valores t-picos entre 350 m y 35 km.

Subsistema de red

El componente principal deeste sistema es el MSC (Mobi-le services Switching Center).

a 15analesde mecnica y electricidad

TELEFONA MVIL DIGITAL GSM

FIGURA 1. ARQUITECTURA DE UNA RED GSM

Mvil Subsistema de estacin base Subsistema de red

PSTN ISDNPSPDN

Um Abis A

SIM: Mdulo Identificador de Cliente.MSC: Centro de Conmutacin de Mviles. HLR: Registro de Localizacin de Clientes. BTS: Transmisor de Estacin Base.AuC: Centro de Autentificacin.

BSC: Controlador de Estacin Base.ME: Equipo mvil.EIR: Registro de Identifacin de Mviles.VLR: Registro de Localizacin de Visitantes.

SIM

ME

BTS

BTS

BTC

BTCHLR VLR

MSC

EIR AuC

Acta como un nodo de con-mutacin normal de una redPSTN o ISDN aadiendo to-das las funciones necesariaspara manejar un usuario mvil,como su registro, autentica-cin, localizacin handovers...El MSC facilita la conexincon las redes fijas utilizando elSS7 (Signalling System Num-ber 7). El interface entre elBSC y las BTS se realiza me-diante el Interfaz A, basado envas PCM de 2 Mb/s.

En general, el BTS y el BSCse integran en un mismo equipo,el BSS (Base Station Subsys-tem). Tambin cada MSC tienesu propio VLR, que puede cubrirvarias reas.

Cada rea se identifica poruna identidad de rea (LAI)compuesta por tres dgitos depas, dos de red GSM (puedehaber varios proveedores en unmismo pas) y dos octetos deidentidad de rea. Cada celda seidentifica por una identidad derea, ms un campo variable deidentidad de celda que siemprees menor de 16 bits.

Por otro lado, cada estacinbase tiene un cdigo de 6 bitsdenominado BSIC con el que sedistingue de los adyacentes parael envo de las medidas hacia elMSC. Este BSIC puede repetir-se en el mismo pas para dosBTS que no estn prximas.

En el MSC hay 4 registros obases de datos: HLR, VLR, EIR,AuC.

Identidades en GSM

El HLR (Home LocationRegister) y el VLR (Visitor Lo-cation Register) junto con elMSC proporcionan la ruta o ca-mino de la llamada (routing) y lacapacidad de roaming (segui-miento de la llamada) del GSM(Figura 2).

El HLR (en castellano se de-nomina RPB, registro de posicio-nes base) contiene toda la infor-macin administrativa de cadacliente registrado en la red GSMcon la actual localizacin delmvil. Hay un HLR por cadared GSM, aunque puede estar

implementado en una base dedatos distribuida.

El VLR contiene la informa-cin del HLR necesaria para elcontrol y ejecucin de los servi-cios contratados para cada mvilsituado en el rea geogrficacontrolada por el VLR. Aunqueel VLR puede ser configuradocomo una entidad independientetodos los fabricantes lo sitanjunto en el MSC, de forma que elrea geogrfica controlada por elMSC corresponde a la controla-da por el VLR. De esta forma sesimplifica la sealizacin.

Los otros dos registros seutilizan para autenticacin y se-guridad. El EIR (EquipmenentIdentity Register) es una base dedatos que contiene una lista delos equipos mviles vlidos en lared en donde cada estacin m-vil se identifica con su IMEI.

El AuC (AuthenticationCenter) es una base de datosprotegida que almacena una co-pia de la clave secreta almace-nada en cada tarjeta SIM y quese utiliza para la autenticacin yencriptado de la seal en el ca-nal de radio.

Cada usuario posee un nme-ro personal denominado IMSI, dembito internacional. Est me-morizado en la tarjeta SIM (Subs-criber Identity Module) en la cualtambin se graba un cdigo per-sonal PIN de cuatro dgitos queprotege del uso indebido del ter-minal. De esta clave secreta unacopia se almacena en la tarjetaSIM y otra en el AuC. El usuariotambin se identifica, para el res-to de los que le llaman, por su n-mero de directorio ISDN.



FIGURA 2. IDENTIDADES EN GSM

IMEIMSC

VLR HLR AuCIMSIPIN

TMSIKcKi

ISDN

KcKi

Tripletas



El IMEI es un nmero de iden-tificacin grabado internamentepor el fabricante. Este nmeropuede ser solicitado por la red pa-ra comprobar si no se encuentraen una lista de equipos robados ocon mal funcionamiento.

Cuando un mvil se muevepor un rea controlada por unVLR, en ste se le asigna un n-mero temporal (TMSI). En elHLR y en el VLR se memorizanpara usuario unas claves Ki y Kcque sirven para autenticar y ci-frar. En la tarjeta tambin segraba la identidad del ltimarea de localizacin visitada.

En el centro de autentica-cin (AuC) que puede estar enel mismo lugar que el HLR segeneran y almacenan por cadaIMSI cinco tripletas de autenti-cacin compuestas por cincoconjuntos de serie pregunta, se-rie respuesta y llave de cifrado.

Autentacin

Cuando un mvil entra enuna celda perteneciente a un

rea diferente de la ltima visita-da debe actualizar su localiza-cin. Para ello, figura 3, se envaal nuevo VLR una peticin deactualizacin, en donde incluyesu ltimo TMSI y la identidad dela ltima rea visitada. Este VLRle pide al antiguo una serie dedatos de mvil, y ste le contes-ta envan el IMSI, la clave KC yuna tripleta.

El nuevo VLR le enva al m-vil una peticin de autenticacinjunto con una serie aleatoria.Este proceso implica a dos enti-dades funcionales: la tarjetaSIM del mvil y el Centro deAutenticacin (AuC). Durantela autenticacin, el AuC generaun nmero aleatorio que enva almvil. El mvil y el AuC juntocon la clave secreta Ki y un al-goritmo de cifrado denominadoA3 genera una seal de respues-ta SRES que se enva de vueltaal AuC. Si el nmero enviadopor el mvil es el mismo que elcalculado por el AuC el mvil seconsidera autentificado.

En el caso que el mvil entreen la red por primera vez (no

hay VLR antiguo), enva al ac-tual VLR su IMSI en la peticinde actualizacin.

Enlace de radio

La UIT (International Tele-communication Union), quemaneja la localizacin de los ca-nales de radio le ha dado las si-guientes frecuencias al GSM enEuropa:

- UPLINK (de mvil a Esta-cin Base): 890-915 MHz.

-DOWNLINK (de EstacinBase a Mvil): 935-960 MHz.

Las principales caractersti-cas del GSM son:

- Tipo de servicio: telefonacelular pblica.

- El acceso al medio se realizamediante TDMA/FDM , esto esacceso por divisin el tiempo.

- Tiene 124 canales, y cadacanal puede dar servicio a 8 o 16usuarios a la vez.

- Ancho de banda del canal200 kHz.

- La modulacin empleada esGMSK.

- La velocidad mxima del ca-nal de radio es 270.833 kbps

- Duracin de un bit de 3,692msec.

- La longitud de una tramaes de 4,615 msec, y la longitudde un slot de tiempo 0,577msec.

- Codificacin de la voz:RELP-LTP 13 kbps

- Potencia de salida de 20mW a 20W.

- La especificacin es laGSM Standard.

FIGURA 3. AUTENTIFICACIN Y CIFRADO

Peticin de actualizacin de localizacin

TSMIltimo LA

Peticin de autentificacinSerie aleatoria

Serie respuesta

Comienzo de cifrado

Datos cifrados

Mltiple acceso y estructura del canal

Dado que el canal de radio esun recurso limitado debe sercompartido por tantos usuarioscomo sea posible. El mtodo ele-gido por GSM es una combina-cin TDMA / FDMA (Time andFrequency Division Multiple Ac-cess). FDMA implica la divisinen frecuencia. Se divide la bandaasignada en 124 frecuencias deportadora con un ancho de ban-da de 25 MHz y separadas 200kHz. Cada una de estas fre-cuencias es entonces dividida entiempo utilizando el TDMA (fi-gura 4). La unidad de tiempo eneste esquema TDMA se denomi-na canal y es de 15/26 ms(0.5578ms). Se agrupan ocho canales enuna trama TDMA (120/26 ms,4,615 ms) que forma la unidadbsica para la definicin de los ca-nales lgicos.

De todas las frecuenciasasignadas a una BTS (fo...fn) , lafo se denomina frecuencia pilotode la celda (beacon frequency) yse dedica obligatoriamente du-rante el slot de tiempo cero (yopcionalmente en los 2, 4 6) a laemisin y recepcin de canalesde control. En cada frecuencia

asignada a un celda hay 8 cana-les, numerados del 0 al 7. El ca-nal 0 de fo se denomina canal pi-loto o canal de control. El restode las frecuencias y los canales 1al 7 de fo se denominan canalesde trfico.

La BSC asigna par un deter-minado mvil en una conexinuna frecuencia y un slot detiempo. Los sucesivos envos debits que cada mvil hace o escu-cha en su tiempo de trama TD-MA constituyen su canal, defi-nido por tanto por la frecuenciay el slot de tiempo.

Para separar un canal de otrola portadora sube su nivel de

energa de forma progresiva(ramp up), emite, y baja su nivelde tensin progresivamente(ramp down). Estos tiempos desubida y bajada en rampa queseparan un canal de otro se de-nominan tiempos de guarda yequivalen a los tiempos detransmisin de 8,25 bits.

Canales de trfico

Un canal de trfico se utilizapara voz y datos. Los canales detrfico se definen usando unamultitrama de 26 tramas (grupode 26 tramas TDMA). La longi-tud de una multitrama es 120ms. De las 26 tramas, 24 se usanpara trfico, 1 para el SACCH(Slow Associated ControlChannel) y 1 actualmente no seusa. El TCH (Traffic Channel)para uplink y downlink estn se-parados en el tiempo por 3 ve-ces la duracin de un canal(3x0.5578 ms) , con lo que elmvil no transmite y recibe si-multneamente, con lo que sesimplifica la electrnica.

Cada canal de trfico trans-porta 156,25 bits cada 0,577 ms



FIGURA 4. EJEMPLO DE UTILIZACIN DE TDMA

Time Slot 0

Time Slot 1

Time Slot 2

1 2 3 4 5 6 7

BP0

BP1

BP2

BP3

BP4

BP5

BP6

BP7

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

13 57 1 26 571 3 8.25

Trama 0-11: TCH Trama 12: SACCH Trama 13-24: TCH Trama 25 sin uso

Multitrama de 26 tramas. Duracin 120ms.

FIGURA 5. TRAMAS Y MULTITRAMAS EN UNA RED GSM

Trama TDMA Duracin 60/13 ms.

TCH: Traffic ChannelSCCH: Slow Associated Control Channel

Cabecera Stealing bitBits de datos

Secuencia de entrenamiento Bits de datosBits de Guarda

Stealing bit Final de trama

Canal Duracin 15/26 ms

de una comunicacin. Estos bitsson usados para una comunica-cin de voz o de datos previosprocesos de codificacin de voz,de canal y entrelazado en un ca-so o de bloque, de canal y entre-lazado en otro.

En caso de envo de datos elterminal puede pedir envo trans-parente o no. En el primer caso seadapta el flujo de datos de 2400 a9600 b/s al canal de trfico; des-pus se pasan los datos por un al-goritmo de bloque, antes de lacodificacin de canal. En el se-gundo caso los datos se envan in-sertados en campos de informa-cin de tramas de un protocoloHDLC de formato particular.

Opcionalmente la Red puedeusar el procedimiento de saltoen frecuencias (frequency hop-ping) que consiste en enviar ca-da canal no por una portadorafija sino que se cambian cadatrama. El orden de cambio sigueuna secuencia fija, existiendohasta 64 secuencias.

Los canales de control seorganizan en multitramas de

26 tramas (cada trama tiene 8canales) que a su vez formanconjuntos de 51 supertramas.A partir de aqu se forman hi-pertramas con 2047 supertra-mas.

Canales de control

Estos canales de control nose utilizan para transmitir voz,nicamente para radiar o recibirinformacin general hacia o des-de todos los mviles situados enla celda. Esta informacin se uti-liza para el control y el manejode las comunicaciones, comopeticiones de servicio o respues-tas a llamadas.

Los canales de control se or-ganizan en multitramas de 51tramas (cada trama tiene 8 ca-nales) que a su vez forman con-juntos de 26 supertramas. Apartir de aqu se forman hiper-tramas con 2047 supertramas.

Se pueden distinguir entre:

Canales de difusin. Son es-cuchamos por todos los mviles.

BCCH: Canal de control dedifusin (de BSS a todas lasMS). Se enva en el slot 0 de fo ycontiene 6 mensajes de 23 bytescada uno con informacin de di-fusin diversa. A cada paquetede 23 bytes se le aade un cdi-go cclico, pasando a 244 bits yluego se pasa por un cdigo con-volucional de 1/2, obtenindose456 bits. Entre la informacinque se enva por este canal se in-cluyen las identidades de la red,la celda y el rea, las frecuenciasutilizadas en la celda, incluyendofo, el mnimo nivel de recepciny la mxima potencia a utilizar.

FCCH: Canal de correccinde frecuencia (de BSS a todas lasMS). Es un patrn de bits fijosque al pasar al modulador produ-cen 1,625 kHz sobre fo. esta fre-



0

0 26

0 50

2046

Canales de control Canales de trfico

FIGURA 6. HIPERTRAMAS EN UNA RED

0 7

Hipertrama

Supertrama

Multitrama

Trama

0

0 26

0 50

2046

0 7

Hipertrama

Supertrama

Multitrama

Trama

Vista superior Vista lateral

FIGURA 7. ANTENA GSM

3 m

120o

120o

120o

cuencia en recepcin sirve parala sintonizacin de los mviles.

SCCH: Canal de sincroniza-cin (de BSS a todas las MS). Eneste canal se incluyen datos comoel nmero de trama. El subsiste-ma de Estacin Base enva los ca-nales de control ordenados entramas, de 0 a 2715647, de modoque se puedan poner de acuerdoambos extremos en procesos ta-les como el cifrado. Tambin seenva la secuencia de entrena-miento del ecualizador y la iden-tidad (BSIC) de la Estacin Baseformada por 6 bits que diferen-cian una estacin de las vecinas.

Canales de control comn.Son comunes a todos los usua-rios. Van dirigidos a un mvilconcreto. Constan de 23 bytesque se convierten en 456 bitsdespus de codificarse y pasarpor un cdigo convolucional.

RACH: Canal de acceso ale-atorio (de BSS a 1 MS)

PCH: Canal de bsqueda(de 1 MS al BSS)

AGCH: Canal de accesoaleatorio (de BSS a 1 MS)

Canales de control dedica-dos. Canal asignado a un mvilen un momento.

SDCCH: Canal dedicado decontrol independiente (de BBS a1MS y de 1MS al BBS). Es uncanal de sealizacin que constade 23 bytes que se envan sobreuna trama HDLC. Estos 23 by-tes se convierten en 4 bloquesde 114 bits que se envan conse-cutivamente en 4 slots de tiem-po consecutivos.

SACCH: Canal dedicado decontrol lentamente asociado (deBBS a 1MS y de 1MS al BBS).en este canal se envan medidasdel mvil a la estacin y constade mensajes de 23 bytes conmedidas de recepcin de lamisma fo a la que est sintoniza-do y de las fo de las celdas veci-nas que observa. Estos 23 bytesse convierten en 4 bloques de114 bits que se envan consecuti-vamente en 4 slots de tiempoconsecutivos.

FACCH: Canal dedicado decontrol rpidamente asociado(de BBS a 1MS y de 1MS alBBS).

Codificacin de voz

GSM es un sistema digital,con lo que hemos de digitalizar lavoz para enviarla por el interfazaire. La voz se convierte de ana-lgica en digital mediante unconversor que proporciona8.000 muestras por segundo de13 bits cada una. El mtodo em-pleado por las redes ISDN y losactuales sistema telefnicos es lamodulacin PCM (Pulse Code

Modulation). La trama de salidadel PCM son 64 kbps, que esuna velocidad demasiado altapara un canal de radio. El grupoGSM estudi muchos algoritmosde digitalizacin y eligi un siste-ma de codificacin denominadoRPE-LPC con LTPL (RegularPuse Excited - Linear PredictiveCoder with Long Term PredictorLoop). Bsicamente, la informa-cin obtenida de las muestrasanteriores , que no cambia muyrpidamente, se usa para prede-cir la muestra actual. La voz sedivide en muestras de 20 ms, ycada una de ellas se codifica co-mo 260 bits, dando una veloci-dad de 13 kbps.

Codificacin de canal y modulacin

A causa de las interferenciaselectromagnticas tanto natu-rales como producidas por elhombre, la voz y los datos codi-ficados en el interfaz radio de-ben ser protegidos de errores.El GSM utiliza codificain con-volucional y entrelazado paraproteger los datos. El algoritmousado es diferentes para la voz y



FIGURA 8. ESTRUCTURA DEL PROTOCOLO DE SEALIZACIN EN GSM

Estacin mvil BTS BSC MCS

CM

RR

LAPDm

TDMA

MMGSM

Capa 3

Capa 2

Capa 1

RR

LAPDm

TDMA

BSSMAP

SCCP

MTP

CM

MM

BSSMAP

SCCP

MTP

Um

Abis

A

las diferentes velocidades de da-tos. En el caso de la vozel mto-do se describe a continuacin.

Se ha encontrado que algu-nos bits del bloque de 260 bitsson ms susceptibles a erroresque otors. Se han dividido en-tonces en tres clases:

Clase Ia: 50 bits. Los mssensibles a errores.

Clase Ib: 132 bits. Modera-damente sensibles a errores.

Clase II: 78 bits. Los me-nos sensibles a errores

Los bits de clase I tienen 3bits de CRC (Cyclic Redun-dancy Code) para deteccin deerrores. A estos 53 bits juntocon los 132 bits de clase Ib y 4bits de fin de trama (total 189bits) se les aplica un cdigo con-volucional de velocidad 1/2 ylongitud 4. cada entrada se codi-fica como 2 bits de salida basadaen la combinacin de los 4 bitsanteriores. La salida de este co-dificador convolucional son 378bits, a los que se aaden los 78bits de clase II, que no se prote-gen. De esta forma, cada 20 msde coversacin se convieretenen 456 bits , dando una veloci-dad de 22.8 kbps.

Para proteger contra erroresde rfaga, estas muestras se en-trelazan. Estos 456 bits se divi-den en 8 bloques de 56 bits y setransmiten en 8 tramas conse-cutivas.

La seal digital se modula enuna portadora analgica utili-zando una modulacin GMSK.Se ha seleccionado esta modula-cin como un compromiso entreeficacia espectral, complejidad

del emisor, y limitacin de esp-reos. esta limitacin de espreosdebe ser controlada fuera delancho de banda permitidoparalimitar la interferencia con loscanales adyacentes y permitir lacoexistencia del GSM con lossistemas analgicos.

Ecualizacin multipath

A la frecuencia de 900 Mhzlas ondas de radio rebotan contodo: edificios, colinas, vehcu-los, aviones... Muchas de estasondas reflejadas, cada una condiferente fase, llegan a la antenareceptora. La ecualizacin seutiliza para extarer la seal de-seada de las reflexiones. El sis-tema trabaja analizando comose ven afectadas las seales de-bido al efecto multipath y cons-truyendo un filtro inverso pararecuperar la seal. Par ello utili-za una secuencia de bits de en-trenamento situados en mitadde cada trama. En GSM se con-

sideran cuatro modelos de pro-pagacin multipath: urbano,montaa, rural y suburbano. Seasumen para ellos diferentesformas y y duraciones: entre 18ms a 20ms o hasta 5 bits.

En general, las antenas delGSM, que estn polarizadasverticalmente, estn situadas enzonas urbanas en lo alto de edi-ficios y en zonas rurales en lo al-to de torres construidas a alefecto.

Se suelen poner 9 antenas si-tuadas en tres planos a 120 (fi-gura 2) de forma que hay 3 an-tenas por plano. De las 3 ante-nas situadas en cada plano las delos extremos son de recepcin yla central de transmisin.

Salto de frecuencia

En el caso de no existir saltoen frecuencia (hopping) la BSemite en una frecuencia dentro



FIGURA 9. LOCALIZACIN DEL MVIL

Escucha 124 frecuencias Elige las 30 mejores Selecciona FoLee identidad de rea

Si la entidad de rea es diferente se procede a la actualizacin de localizacin

Peticin de autentificacin de localizacin

Peticin de autentificacin

Repuesta de autentificacin

Comienzo de cifrado

Cifrado aceptado

Actualizacin aceptada

Completada actualizacin

Actualiza localizacin

IMSITMSI

ANTIGUOMSC

MSC

VLR

de las subportadoras de que dis-pone dentro del conjunto de 124.

El GSM puede implemetar unsalto en frecuencia lento, dondeel mvil y la BTS transmiten ca-da trama TDMA en una diferen-te frecuencia de portadora. El al-goritmo de salto en frecuencia sedifunde por el canal de control.Debido a que el multipath depen-de de la frecuencia de portadora, este salto en frecuencia ayuda aaliviar el problema.

La unidad de hopping admitecomo entradas a una matriz deconmutacin a las diferentestramas y como salida las lneasde input sobre el moduladorque ataca a las diferentes mpor-tadoras previstas. El nmero deportadoras deber ser mayor oigual. A la unidad de control dehoppoing se le puede indicar queun determinado slot de tiempoutilice siempre la misma porta-dora, es decir que ese canal nose utilice en el hopping.

Transmisin discontnua

Minimizar la interferencia en-tre canales es un reto en cual-quier sistema celular, dado queello permite mejor servicio paraun tamao definido de celda o eluso de celdas ms pequeas, conlo que se incrementa la capaci-dad del sistema. La transmisindiscontnua (DTX) es un mto-do que se aprovecha del hechode que una persona habla menos

de un 40% en el tiempo normalde una conversacin, de estaforma el transmisor se apaga du-rante los perodos de silencio. Unbeneficio aadido es que se aho-rra batera en el mvil.

El componente ms impor-tante del DTX es el sistema dedeteccin de actividad vocal(VAD). Debe distinguir entrevoz y ruido de fondo, una asun-to que no es trivial dado que si lavoz se interpreta como ruido, eltransmisor se apaga. Por otro la-do, si el transmisor se apaga nole llega nada de sonido al recep-tor. Esto se manifiesta como sino hubiera nadie al otro lado dela lnea, que es una sensacinsumamante incmoda. Por ellose crea un ruido de fondo conlas caractersticas del ruido defondo del emisor.

Recepcin discontnua

Otro mtodo usado paraahorrar bateras es la recepcindiscontnua. Cada estacin mvilslo necesita escuchar el sub-ca-nal por el que le llegan los datos.Entre dos subcanales sucesivosse puede poner en modo sleep,en donde el consumo de poten-cia es mucho menor. .

Control de potencia

Gay definidas 5 clases de es-taciones mviles de acuerdo a lapotencai del transmisor:

Clase 1: 20 W/ 43 dBm. Clase 2: 8 W/ 39 dBm. Clase 3: 5 W/ 37 dBm. Clase 4: 2 W/ 33 dBm. Clase 5: 0,8 W/ 29 dBm.

Para hacer mnima la inter-ferencia entre canales y aho-rrar energa, ambos el mvil yla estacin base funcionancon el menor livel de potencianecesario para mantener unaseal de calidad aceptable. Elnivel de potencia se puede su-bir o bajar en pasos de 2dBhasta un mnimo de 13 dBm(20 mW).

La Estacin Mvil mide lapotencia de la seal o la calidadde la misma (basada en el BER)y para esta informacin al BSC,que es quien decide si hay quemodificar la potencia de trans-misin.

Aspectos de la red

A segurar la transmisin dedatos y voz con una deter-minada calidad sobre el enlacede radio es slo una parte de lasfunciones de una red mvil celu-lar. El hecho de que el rea geo-grfica cubierta por la red estdividida el clulas necesita la im-plementacin del mecanismo delhandover. Tambin el hecho deque el mvil puede desplazarsepor distintas naciones y provee-dores de servicios (roaming) re-quiere que el registro, autentifi-cacin, direccionamiento de lla-madas y puesta al dia de los da-tos de localizacin del mvil seanfunciones que deben estar imple-mentadas en la red GSM.



El GSM ofrece movilidad internacional yuna gran variedad de servicios como

telefona, fax, transferencia de datos

El protocolo de sealizacinen GSM est estructurado entres capas (figura 7). La capa 1es la capa fsica, que utiliza la es-tructura de canales que se havisto anteriormente. La capa 2es la capa de enlace de datos. Atravs del interface Um el enla-ce de datos es una versin modi-ficada del protocolo LAPD usa-do en ISDN, que se denominaLAPDm. La capa 3 del protoco-lo de sealizacin de GSM se di-vide en tres subcapas:

- RR (Manejo de recursos deradio). Controla la inicializacin,mantenimiento, y terminacin

de los canales de radio, inclu-yendo los handovers.

- MM (Manejo de la movili-dad). Maneja los procedimientosde registro y puesta al dia de lalocalizacin as como la seguri-dad y autenticacin.

- CM (Manejo de la conexin).Maneja el control de las llamadas,los servicios complemetarios y elservicio de mensajes cortos.

La sealizacin entre las di-ferentes entidades en la parte fi-ja de lared , as como entre elHLR y el VLR se realiza a travsdel MAP (Mobile AplicationPart). la especificacain del

MAP es sumamente compleja yes uno de los documentos mslargos en las recomendacionesGSM (ms de 500 pginas).

Manejo de los recursos de radio

La capa del manejo de los re-cursos de radio (RR) vigila el es-tablecimeinto del enlace, tantode radio como fijo, entre la esta-cin mvil y el MSC. Una sesinRR se inicia siempre por un m-vil a travs de un procedimientode acceso, tanto para una llama-da al exterior o como respuestaa un mensaje de paging.

Maneja los recursos tales co-mo la configuracin de los cana-les de radio, la localizacin decanales dedicados, caractersti-cas del canal de radio como con-trol de potencia, transmisindiscontnua....

Handover

En una red celular , la radio yel enlace fijo no permanecen si-tuados en el mismo sitio duranteel tiempo de llamada. El hando-ver es la conmutacin de una lla-



FIGURA 10. PROCEDIMIENTO DE LLAMADA

Nodo de conmutacin

Abonado de la red fija

CentralPSTN/ISDN

GATEWAYMSC HLR

CentralPSTN/ISDN MSC/VLR Mvil

MSISDN MSISDN MSISDNMSRN

MSRN

MSRN MSRN TMSI

IMSI

FIGURA 11. SERVICIOS PORTADORES

Voz

Modem

Modem

Fax Fax

13Kb/s BS 64Kb/s MSC 64Kb/s PSTN 13Kb/s REDES DE PAQUETES

mada en curso a un diferente ca-nal o celda. La ejecucin y lasmedidas requeridas para el han-dover es una de las funciones b-sicas de la capa RR. En GSM hay4 tipos diferentesde handover:

De canal en la misma celda De celda bajo el control de

la misma BSC. De celda bajo el control de

diferente BSC pero pertene-ciendo a la misma MSC.

De calda bajo el control dediferente MSC.

Los dos primeros tipos de de-nominan handover internos im-plican una sola BSC. Son mane-jados por la BSC sin implicar alMSC, excepto para notificar laterminacin del mismo. Los dosltimos tipos se denominan han-dover externos y se encargan deellos las MSC implicadas. LaMSC original se denomina an-chor MSC y la nueva relay MSC.

El handver se puede iniciartanto por el mvil como por laMSC. El mvil explora el BCCde hasta 16 celdas vecinas y

conforma una lista con las 6 me-jores candidatas para posibleshandover basndose en la po-tencia de las seales recibidas.

El algoritmo para decidircuando hay que dar un hando-ver no est especificado en lasrecomendaciones GSM. Seusan dos tipos de algoritmo ba-sados en el control de potencia.

Manejo de la movilidad

La capa de manejo de la movi-lidad (MM) est situada encimade la capa RR y maneja las funcio-nes que derivan de la movilidaddel abonado, as como los aspec-tos de autenticacin y seguridad.El manejo de la localizacin tieneque ver con los procedimientosque permiten al sistema conocerla actual localizacin de un mvilpara que se pueda completar el di-reccionamiento de una llamada.

Localizacin del mvil

El abonado enciende su ter-minal e introduce su tarjeta per-

sonal de identificacin. En ellaest su IMSI y el ltimo TMSIasignado. El mvil escucha las124 frecuencias y selecciona las30 mejores. Busca las frecuen-cias fo (canal de sincronizacin),y elige la mejor. estas medidas sehacen sobre al menos 5 mues-tras durante 3 a 5 segundos.

Una vez encontrada fo lee laidentidad de rea de los datosdifundidos por la BTS. Si es dife-rente de la ltima memorizadaen su tarjeta se procede a unaactualizacin de localizacin.

Este mensaje de peticin deactualizacin de localizacin laBSS lo retransmite hacia elMSC/VLR. Este MSC/VLRenva un mensaje al antiguoMSC/VLR que le devuelve co-mo respuesta una serie de da-tos. El nuevo MSC/VLR le en-va al mvil un mensaje de peti-cin de autenticacin a travsdel BSS.

En el caso de que el mvil en-tre por primera vez en la red elMSC/VLR le enva los datos al



FIGURA 12. SISTEMA INTEGRA DE COMUNICACIONES MVILES

HLR en vez de al antiguoMSC/VLR.

El mvil enva al MCS/VLRuna respuesta de autentica-cin. Si todo es correcto elMSC/VLR enva el mensajeactualiza localizacin al HLRy enva al mvil un mensaje decomienzo de cifrado. El mville enva al MSC/VLR un men-saje de comienzo de cifradoaceptado.

El BSS enva al mvil el men-saje actualizacin aceptadacon un nuevo TMSI y la nuevaidentidad de rea en un mnesajecifrado. El mvil responde con elmensaje completada la actuali-zacin del TMSI.

Actualizacin de la localizacin

Un mvil encendido es infor-mado de una llamada medianteun mensaje enviado por el canalPAGCH de una celda. El GSMenva estos mensajes al rea delocalizacin donde se encuentrael mvil. nicamente es necesa-rio actualizar la localizacincuando el mvil sale fuera delrea de localizacin.

En los procedimientos de lo-calizacin y subsiguiente direc-cionamiento de llamadas, seusan los registros HLR y VLR.Cuando un mvil cambia derea de localizacin se enva unmesaje de actualizacin de lo-calizacin al nuevo MSC/VLRque guarda esta informacin yla enva al HLR. Por razonesde fiabilidad tiene un procedi-minento periodico de actualiza-cin de localizacin. El tiempoentre actualizaciones peridi-

cas est controlado por el ope-rador del sistema.

Cifrado y seguridad

Mediante la clave del usuariousando un algoritmo denominadoA8 se puede obtener una clavepara cifrar el mensaje. . Esta clavede cifrado usa el algoritmo A5 pa-ra crear una secuencia de 114 bitsa la que se hace la funcin XoR latrama TDMA. Encriptar es unaopcin queno se usa demasiadoya que en GSM la seal ya estcodificada, entrelazada, y envia-da en una trama TDMA lo que leda una gran proteccin.

Otro nivel de seguridad esten el equipo mvil en si mismo.El trminal mvil GSM se iden-tifica por por el nmero IMEI.La lista de IMEI de la red se al-macena en el EIR. Como res-puesta a un apeticin de IMEIal EIR se devuelve uno de los si-guientes estados:

Lista blanca. Se permite alterminal conectarse a la red.

Lista gris. El terminal estbajo la observacin de la red de-bido a posibles problemas.

Lista negra. El terminal seha denunciado como robado oes de un tipo que no est apro-bado. No se permite conectar elterminal a la red.

Manejo de las comunicaciones

La capa de manejo de comu-nicaciones (CM) es responsablede el control de llamadas (CC),del manejo de los servicios suple-mentarios, y del manejo de losservicios de mensajes cortos. Ca-

da uno de estos puede conside-rarse como una subcapa separa-da dentro de la capa CM.

Direccionamiento de llamadas

En el caso de la red GSM, alser una red para servicios a m-viles, un usuario de esta redpuede moverse dentro de supais e incluso a otros paises. Elnmero a marcar para localizara un movil se llama MSISDN(Mobile Subscriber ISDN) y es-t definido en el plan de nume-racin E.164. Este nmero in-cluye un cdigo de pais, y un c-digo de destino nacional, queidentifica al operador.

Una llamada para un mvilse direcciona a la funcin gate-way MSC (GMSC). El GMSCinterroga al HLR para obtener lainformacin del direccionamien-to y adems contiene una tablaque vincula los MSISDN a suscorrespondientes HLR. La in-formacin de direccionamientoque se le devuelve al GMSC esel MSRN (Mobile Station Roa-ming Number)., que est tam-bin definido en el plan de nu-meracin E.164 (figura 10).

Servicios ofrecidos

Existen en GSM tres tiposde servicios:



Para el acceso alcanal radio se

emplea unacombinacinTDMA/FDMA

Servicios portadores (Fi-gura 10): comunicacin va mo-dem, paquetes, datos transpa-rentes-no transparentes ...

1. Voz digitalizada usando 13Kb/s en el interfaz aire y 64Kb/sen la red fija.

2. Digital sin restricciones,usando 12 Kb/s del canal detrf ico para envo de datostransparentes. Tambin sepueden enviar de forma notransparente utilizando tramasHDLC entre el mvil y elMSC.

3. Audio 3,1 kHz para elenvo de datos va mdem. Es-te envo se puede hacer de mo-do transparente o no transpa-rente.

4. Voz seguida de envo dedatos digitales producindose elcambio mediante envo de unmensaje.

5. Voz seguida de envo dedatos digitales producindose laalternamcia por mensaje.

7. Acceso a PAD (red con-mutada de paquetes). Se pue-den enviar datos hasta 9600bps hacia PSTDN (PacketSwitched Public Data Net-works) , ISDN... usando unagran variedad de protocolos co-mo X.25 o X.32

Teleservicios: telefona devoz, fax...

El servicio bsico del GSMes la telefona. La voz se codifi-ca de forma digital y se transmi-te por la red GSM como un con-junto de bits.

1. Telefona de voz.2. Llamadas de emergencia

destinadas a determina-dos nmeros.

3. Distribucin y radiodifu-sin de mensajes cortos(239 bytes mximo).

4. Distribucin de correoelectrnico.

5. Acceso a videotex.6. Teletex.7. Facsmil grupo 3.8. Conversacin alternada

con facsnil.

Servicios suplementa-rios: desvios de llamadas, llama-da en espera...

1. Identificacin de nme-ros: presentacin del nmerodel llamante, llamada malicio-sa...

2. Facilidades para estable-cer llamada: desvo de llamadas,grupo de captura...

3. Facilidades para comple-tar la llamada: llamada en es-pera...

4. Llamadas mltiples: con-ferencia mltiple...

5. Tarificacin: aviso de trifi-cacin, cobro revertido...

6. Prohibicin de llamadas:salientes, internacionales, en-trantes...

Este sistema incorpora elroaming o sea la posibilidad deser localizado a nivel europeo,esto es fuera de la cobertura

del proveedor de servicios te-lefnicos del que seamoscliente.

En la figura 11 se representaun sistema integrado de comu-nicaciones mviles para dar co-bertura tanto a servicios de vozcomo de datos.a



Bibliografa

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10. GSM system engineering. As-ha mehrota. Artech house.

El servicios bsico del GSM es la telefona.

La voz se codificade forma digital y se transmite

como un conjunto de bits

tecnologia movil digital gsm(paper)

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