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GSM

Katty Rohoden2013-07-02

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Historia

Aos 70: los laboratorios Bell prueban la telefona celular analgica (telefona de 1generacin, 1G). No estandarizada.

Aos 80: se comercializa la 1G, sobre todo en Norte de Europa. Aparecenincompatibilidades entre pases. En Espaa, aparece MoviLine.

1982: El CEPT (Conference of Europe Posts and Telecom) crea el Groupe Special Mobile(GSM) para estandarizar telefona 2G.

1989: La estandarizacin de GSM se traslada de CEPT a ETSI (EuropeanTelecommunications Standards Institute).

1991: Se comercializa GSM en Europa (inicialmente 900 MHz).

1993: Existen 36 redes GSM en 22 pases diferentes.

2000: Aparece GPRS (General Packet Radio Service, 2.5G) .

2005: comienza a implantarse (con retraso) UMTS (3G).

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Objetivos de GSM

Uso mas eficiente del espectro que la telefonaanalgica, utilizando tcnicas de multiplexacin entiempo y frecuencia.

Incluir roaming internacional.Terminales y sistema de bajo coste.Buena calidad de voz (comparable a la telefona fija).Ampliacin de servicios.

Baja potencia de transmisin: reutilizacin de canales, alno saturar canales de clulas vecinas.Privacidad en las comunicaciones.

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Especificaciones GSM

El sistema GSM especifica las funciones e interfacesen detalle.

Las especificaciones de GSM, elaboradas y editadaspor ETSI (http://www.etsi.org), se dividen en series.

http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/http://www.etsi.org/

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Servicios del Sistema GSM (I)

Clasificacin Servicios Bsicos

Servicios portadores. Teleservicios

Servicios Suplementarios

Teleservicios Telefona. Llamada de emergencia. Mensajes cortos (SMS). Fax. Voz para grupos.

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Servicios del Sistema GSM (II)

Servicios Suplementarios Identificacin de nmeros.

Desvo de llamadas, llamada en espera.

Restriccin de llamadas. Asignacin de recursos, etc.

Otros servicios

De valor aadido. WAP: Wireless Application Protocols.

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Estructura jerrquica

Niveles jerrquicos = zonas o reas de control:

rea de Sistema GSM: en donde unsubscriptor puede tener acceso.

rea de Operador GSM: en donde un

operador ofrece cobertura y acceso a sured (centros de conmutacin, estacionesbase y accesos a la red fija).

rea de MSC (Mobile Switching Center):parte geogrfica controlada por una MSC.

rea de localizacin (LA): grupo de clulasen que el sistema tiene localizado a las MS.

rea de cobertura de una clula: zonageogrfica cubierta por una clula.

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Arquitectura

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Estacin Mvil (MS) (I) Establece la unin entre el usuario y el sistema

fijo de la red GSM a travs de la interfaz Um. Posee un nmero de serie o IMEI (International

Mobile Equipment Identity) de 15 dgitos.

Identifica el equipo a nivel mundial. Posee un mdulo SIM (Subscriber Identity

Module) protegido con PIN (PersonalIdentification Number).

El mdulo SIM contiene el International MobileSubscriber Identity (IMSI), que es utilizado paraidentificacin del usuario.

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Estacin Mvil (MS) (II)

Clasificacin de las MS:

Bandas de frecuencia: monobanda, bandadual y tribanda (con 1900).

Segn su modo de utilizacin: equipo mvil,transportable, porttil.

Segn la potencia de salida:

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Estacin Mvil (MS) (III)

SIM

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Subsistema de estacin base (BSS) (I)

Se compone de dos partes:

BTS (Base Transceiver Station): transceptor y

antenas. Cada BTS define una celda.

BSC (Base Station Controller): handovers,

saltos de frecuencia. Acta comoconcentrador de trfico.

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Subsistema de estacin base (BSS) (II)

Existen dos tipos de BSS:

BSS integrado, BSC y una BTS integrados en unmismo equipo.

BSS separado, BSC entidad distinta de lasestaciones base, a las que se conectamediante una interfaz normalizada (A-bis).

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Transceptor de Estacin Base (BTS)

Equipos transmisores-receptores de radio(transceptores), elementos de conexin alsistema radiante, antenas, torre, tomas detierra, etc.

Gestin de canales terrestres BSC-BTS. Gestin de canales de radio:

Supervisin de canales libres.

Deteccin de acceso por traspaso de un mvil. Encriptacin de la informacin de sealizacin y

trfico, etc.

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Controlador de Estacin Base (BSC) Funciones de control de radio de la red GSM.

Gestin de los recursos de radio de varias BTS:asignacin, utilizacin y liberalizacin de lasfrecuencias, traspasos, saltos de frecuencia.

Funciones: Gestin de canales en el enlace BSC-MSC

(indicacin de bloqueo).

Gestin de canales en el enlace BSC-BTS

(asignacin de canal). Gestin de canales de radio: control de potencia

(mvil, BTS).

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Subsistema de Conmutacin y Red (NSS)

Encargado de manejar el servicio decomunicaciones entre mviles y conexin conotras redes.

Entidades funcionales: Central de Conmutacin Mvil (MSC).

Registro de posicin base (HLR).

Registro de posicin de visitantes (VLR). Centro de Autenticacin (AuC).

Registro de identidad del equipo (EIR).

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Central de Conmutacin Mvil (MSC)

Interfaz inteligente entre el sistema deestaciones base y las redes de conmutacin(ISDN, RTC, RTPCP) y sealizacin.

En una red GSM, normalmente existen variosMSC, que suelen estar interconectados deforma mallada.

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Registro de posicin base (HLR)

Base de datos para la gestin y administracin delos usuarios.

Capacidad tpica de 500000 abonados.

En GSM todas las llamadas entrantes convergen en el

HLR.

Informacin de suscripcin de los abonados:

IMSI (Identificador Internacional de Abonado Mvil).

MSISDN (Nmero ISDN Internacional de la EstacinMvil).

Encaminar llamadas entrantes al MSC donde estregistrada la MS.

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Registro de posicin de visitante (VLR) Base de datos asociada a un MSC, se almacena

informacin dinmica sobre los usuariostransentes en la zona del MSC. Capacidad tpicade 150000 abonados.

Cuando el abonado mvil (MS) entra en rea deun MSC: MSC notifica al VLR, MS se registra y recibe una

direccin de visitante, nmero de ruta, MSRN (Mobile

Subscriber Roaming Number) para encaminarllamadas destinadas a esa MS.

VLR interrogar a HLR: IMSI, TMSI, MSISDN, MSRN,LAI, etc.

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Centro de Autentificacin (AuC) Est asociado al HLR, proporciona informacin

necesaria para validar y autentificar a los usuarios a lared. Es una base de datos que almacena:

Identidades IMSI, junto con la clave de identificacin decada usuario (ki).

Dos algoritmos, A3 (para autentificacin) y A8 (parageneracin de clave de cifrado de informacin).

Con la clave y algoritmos se generan y envan a HLR latripleta que consta de:

Nmero aleatorio (RAND). SRES (Seal de Respuesta): respuesta del mvil cuando se le enva

el RAND. Clave de cifrado para la comunicacin.

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Registro de Identidad de Equipos (EIR)

Base de datos que contiene las identidades de losequipos mviles:

IMEI: identifica a los equipos por sus cdigos defabricacin y homologacin.

Tres listas de aparatos: Lista blanca: Identidades de aparatos autorizados para el

acceso.

Lista negra: Identidades de equipos que tienen prohibido elacceso.

Lista gris: Equipos en observacin.

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Sistema de numeracin en GSM (I)Identificacin de abonados mviles.

IMSI (International Mobile Subscriber Identity) nico para cada usuario.

Estructura: 15 caracteres numricos:

MCC (Mobile Country Code). MNC (Mobile Network Code).

MSIN (Mobile Subscriber Identification Number).

TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) Asignado por VLR para privacidad del IMSI.

Longitud de 4 octetos.

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Sistema de numeracin en GSM (II)Identificacin de reas de localizacin y estaciones base.

LAI (Identificacin del rea de localizacin). MCC + MNC + LAC (Location Area Code, dos octetos).

CI (Cell Identity): Identifica la celda dentro del rea de

localizacin. LAI + CI = CGI (Cell Global Idenfitication). BSIC (Base Station Identity Code): Cdigo que permite

al mvil distinguir entre celdas: NCC (Network Colour Code): Identifica a la red.

BCC (Base Station Colour Code): Identifica a la estacinbase.

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Interfaces (I)

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Interfaces (II)

Interfaz A (MSC-BSC) Intercambiar informacin del subsistema BSS,

sobre la gestin de llamadas, movilidad yrecursos de radio.

Interfaz A-bis (BSC-BTS)

Permite conectar de forma normalizada lasBTS y BSC.

Puede utilizar enlaces de 2 Mbps o 64 Kbps,adaptando la velocidad de GSM.

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Interfaces (III)Interfaz Um (BSS-MS)

La radio interfaz es utilizada por las estaciones mviles paraacceder a todos los servicios y utilidades del sistema GSM,empleando los Sistemas de Estacin Base como punto deconexin con la red.

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Canal GSM

MS se comunica con una BTS mediante un radiocanal FDD.

Radiocanal: dos frecuencias distintas, una para enlaceascendente (UL: MS-BTS) y otra para el descendente (DL:BTS-MS).

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Canalizacin de frecuencias

Canalizacin: 200 KHz (100 KHz de guarda en cada extremo). Cada radiocanal se designa mediante un nmero absoluto

de canal RF, ARFCN (Absolute Radio Frequency ChannelNumber).

Los canales lgicos se pueden separar en dos categoras

principalmente:- Los canales de trfico (TCH)- Los canales de control.

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Canales de trfico (TCH)

Se usan para llevar voz codificada o datos deusuario.

En GSM se definen dos formas generales de

canales de trfico: Canal de Trfico a Velocidad Completa (TCH/F):

Transporta informacin a una velocidad de 22.8Kbps.

Canal de Trfico a Velocidad Mitad (TCH/H):Transporta informacin a una velocidad de 11.4Kbps.

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Canales de Control (CCH)

Soportan sealizacin y datos de sincronizacinentre estaciones base y mviles.

Existen tres categoras:

Difusin (BCCH): canales unidireccionales usados paradifundir informacin a las estaciones mviles.

Comn (CCCH): usados durante el establecimiento dela conexin entre estacin base y estacin mvil antes

de haberse asignado al mvil un CCH dedicado. Dedicado (DCCH): usados para sealizacin y

supervisin de transmisin de datos.

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Radiofrecuencia (I)

Por cada canal de 200 KHz se modula una nica portadora a270,833 Kbps (modulacin GMSK).

La secuencia de bits constituye una trama, que se divide porTDM en ocho ranuras o rfagas que dan servicio a otros

tantos usuarios.

La rfaga o slot asignada a una comunicacin se cambia arazn de 217 cambios/seg; esto se denomina frequencyhopping y se hace para evitar interferencias.

Cada ranura transporta 22,8 Kb/s de informacin digital; porella se puede enviar voz (13 Kb/s) o datos (9,6 Kb/s).

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Radiofrecuencia (II)

La combinacin de una ranura de subida y una de bajadaforma un canal fsico dplex. El nmero de canalesdisponibles es tericamente de 124*8=992. Sin embargomuchos no se pueden usar para evitar conflicto con las celdasvecinas.

Cada rfaga: se transmite en 0,577 mseg., y contiene 114 bitsde datos, ms 42,25 bits de entramado y separacin entrerfagas (156,25bits/0,577 mseg = 270,833 Kbps).

Cada trama se transmite en 4,615 mseg., y contiene 1250 bits.

Una multitrama contiene 26 tramas, de las cuales 24 se usanpara voz. Se transmite en 120 mseg.

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Terminales GSM

Los terminales pueden ser de tres tipos segn su potencia:Fijos: 20 WPortables: 5 y 8 WDe mano: 2 y 0,8 W

El alcance mximo (independientemente de la potencia) es de 35 Km,

debido al retardo mximo en la propagacin de la seal que requiere TDMA.

Los terminales siempre operan a la mnima potencia posible para que hayacomunicacin con la estacin base. De esta forma se minimiza la interferenciaen las celdas vecinas.

La BER (tasa de bits errneos) se ha de mantener entre 106 108. Si BERes mayor se aumenta la potencia (hasta llegar al mximo). Si BER es menor sereduce hasta llegar al mnimo, que es de 20 mW.

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Codificacin de voz

El estndar GSM contempla varias posibilidades:

Tasa total, FR (Full-Rate), voz codificada a 13Kbps.

Tasa media, HR (Half-Rate), voz codificada a6,5 Kbps.

Tasa total mejorada, EFR (Enhanced Full-Rate),15,1 Kbps.

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Enrutamiento de una llamada

1. Se hace una llamada a la unidad mvil.2. La red telefnica reconoce el nmero y se lo da a la puerta de acceso MSC.3. El MSC no puede enrutar mas lejos; interroga al HLR del usuario.4. Interroga al VRL que sirve al actualmente al usuario.5. Nmero de enrutamiento devuelto al HLR y luego a la puerta de acceso MSC.6. Llamada enrutada al MSC terminal.7. El MSC pide al VLR correlacionar la llamada con el suscriptor.8. El VLR hace lo que se le pide.9. Se enva seal a la unidad mvil.10.La unidad mvil responde; los MSC transportan la informacin de vuelta al telfono.

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Deber (I)

1. Tabla comparativa entre GSM y CDMA.2. Cmo autentica la red GSM a un usuario mvil?3. Cmo se genera la llave de encriptacin?4. Cul es la funcin de la tripleta?

5. Cuntas frecuencias de enlace ascendente ydescendente existen en GSM?

6. Cules son los canales usados para transportar vozcodificada?

7. Cules son los canales usados para transportar datosde usuario?

8. Cdigos MCC y MNC para Ecuador.

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Deber (II)9. Considere un sistema celular con 400 pares de canales (ascendente

y descendente). Cada celda tiene un radio de 5 km, las estaciones baseestn equipadas con antenas omnidireccionales que estn ubicadas enel centro de cada celda. Asumir que cada usuario genera un trfico de0.02 Erlangs y que el tamao del cluster usado es N = 7. Asumirtambin que la distribucin de los usuarios es uniforme sobre el reade servicio. Se acepta una probabilidad de bloqueo de 0.02.

Calcular:

a. El nmero total de canales por celda.b. El trfico mximo soportado por cada celda.c. El nmero de usuarios soportado por cada celda.d. Reducir el tamao del cluster a N = 3, calcular los tema a, b y c.e. La distancia de reuso para cada caso.