2DO. PROGRAMA DE CAPACITACION

Sesión 03

Funcionamiento de una Red GSM

GSM

La red GSM (Sistema global de comunicaciones móviles) es, a comienzos del siglo XXI, el estándar más usado de Europa. Se denomina estándar "de segunda generación" (2G) porque, a diferencia de la primera generación de teléfonos portátiles, las comunicaciones se producen de un modo completamente digital.

En 1982, cuando fue estandarizado por primera vez, fue denominado "Groupe Spécial Mobile" y en 1991 se convirtió en un estándar internacional llamado "Sistema Global de Comunicaciones Móviles".

En Europa, el estándar GSM usa las bandas de frecuencia de 900MHz y 1800 MHz. Sin embargo, en los Estados Unidos se usa la banda de frecuencia de 1900 MHz. Por esa razón, los teléfonos portátiles que funcionan tanto en Europa como en los Estados Unidos se llaman tribanda y aquellos que funcionan sólo en Europa se denominan bibanda.

El estándar GSM permite un rendimiento máximo de 9,6 Kbps, que permite transmisiones de voz y de datos digitales de volumen bajo, por ejemplo, mensajes de texto (SMS, Servicio de mensajes cortos) o mensajes multimedia (MMS, Servicio de mensajes multimedia).

Introducción a la Red Celular

Una red de radiotelefonía celular está conformada por una extensión de territorio cubierto por un conjunto de espacios llamados células (o celdas) y una serie de canales de radio repartidos entre dichas células.

Una célula o estación base es la unidad geográfica de una red. A cada célula se le asigna un conjunto de frecuencias de radio que son las que definen los canales de comunicación. Dos células adyacentes no tienen canales de comunicación comunes para evitar interferencias, y para proteger los canales comunes que usan distintas estaciones base se deja una distancia mínima de dos células de separación entre las mismas. Para llevar a cabo esta tarea, se crean grupos de células llamados clusters. A cada célula se le asigna un identificador BSIC (Base Station Identity Code) (diferente de Cell ID que se explicará mas adelante) y de esta forma, al agrupar clusters sobre un territorio, todas aquellas células que tengan el mismo identificador podrán utilizar los mismos canales de radio evitando interferencias por el uso de canales comunes.

Podemos apreciar en la figura los clusters de células con sus identificadores asociados (colores). Es un claro ejemplo ilustrativo de cómo dos células con el mismo identificador que usan los mismos recursos de radio están físicamente separadas por dos células (al menos).

Para sincronizar el funcionamiento de los grupos de estaciones base es necesario dotar a la red de un nuevo elemento, el BSC (Base Station Controller). Al dividir la red en células, se introduce el problema de localizar a un usuario antes de poder establecer comunicación con el mismo.

Los abonados a la red celular son móviles y por tanto itinerantes. Para comunicar estaciones móviles entre sí es necesario preestablecer ciertas bases que ayuden a identificar y localizar a cada usuario, puesto que no siempre se van a encontrar en una misma célula. Para ello es necesario dotar a cada abonado de una tarjeta de identidad (SIM: Suscriber Identify Module) que permita identificar de forma unívoca a cada cliente de la red. Asimismo es necesario dotar a la red de un centro de autenticación de clientes (AUC, AUthentication Centre) para controlar la identidad de cada abonado una vez que enciende su terminal móvil, y de una base de datos llamada HLR (Home Location Register) que contenga el registro de los abonados locales, actualizando dicha información dinámicamente. De esta forma, cuando un cliente enciende su móvil, el propio terminal notifica su presencia a la red, lo que implica una actualización del HLR. Asimismo, un abonado puede conectarse mediante esta filosofía a una red de la que no es cliente cuando está fuera de la zona de cobertura de su red. Para ello la red está dotada de otra base de datos (VLR, Visitor Location Register), que almacena temporalmente información acerca de los usuarios foráneos de la red de acuerdo a la misma política que el HLR. Para estimar la dirección del desplazamiento de un abonado en la red, las estaciones base más próximas al terminal móvil comparan la potencia de las señales que éste emite. Una tendencia a que la potencia disminuya está normalmente asociada a un alejamiento del terminal respecto de la estación base y por el contrario, un incremento de la potencia recibida se asocia a un acercamiento del terminal.

Es necesario mantener la comunicación de un abonado que atraviesa la frontera entre dos células adyacentes de forma transparente al usuario. Esto se consigue sincronizando el terminal móvil con las dos estaciones base implicadas en el proceso. Tras un cálculo que determina si la transferencia es conveniente (el usuario se desplaza hacia la dirección estimada bajo la cobertura de la siguiente célula) entonces se confirma la migración.

Arquitectura de una red GSM

La red GSM se compone de diversos equipos:

1. MS (Mobile Station): Terminal de abonado. Hace referencia al dispositivo (teléfono móvil), pero no a la identidad del suscriptor, que es facilitada por la tarjeta SIM. 2. BTS (Base Transceiver Station): En castellano EB (Estación Base), también se suele abreviar como BS. Es un emisor/receptor de radio capaz de enlazar las MSs con la infraestructura fija de la red. Una estación base garantiza la cobertura radioeléctrica en una célula de la red, proporcionando el punto de entrada a la red a las MSs. Las estaciones base pueden ser controladas localmente o bien remotamente a través de su controlador de estación base.

3. MSC (Mobile Switching Centre): Conmutador de red encargado de interconectar la red de telefonía convencional con la red radiotelefónica. Se encarga además de

acceder al centro de autenticación para verificar derechos de los clientes, así como de participar en la gestión de movilidad de los abonados y su localización en la red. 4. BSC (Base Station Controller): Controlador encargado de gestionar una o varias estaciones base. Actúa como un concentrador para el tráfico de los abonados y como un enrutador hacia la estación base destinataria en caso de tráfico proveniente de un conmutador.

Por tanto, actúa como un repetidor para datos de control de las BS hacia el centro de control y mantenimiento, y además actúa como un controlador de estaciones base, permitiendo su gestión, mantenimiento e incluso almacén de información de las BS, que puede ser proporcionada al operador por demanda explícita.

Una de las funciones de gestión y control de las BS es el control de los recursos de radio de las células, asignando a cada BS las frecuencias de radio que pueden utilizar. Interviene también en la comunicación entre BS para controlar la migración de un abonado de una célula a otra.

5. HLR (Home Location Register): Base de datos que contiene información relativa a los abonados de una red. Describe a su vez las opciones y servicios contratados por el abonado y aquellas opciones a las que tiene acceso. Se almacena además la última localización conocida del abonado y el estado de su terminal (fuera de servicio, encendido, en comunicación...). Para identificar a un abonado asociado a un terminal móvil se utiliza cierta información almacenada en la tarjeta SIM.

6. VLR (Visitor Location Register): Base de datos asociada a un conmutador MSC que almacena la identidad de los abonados itinerantes de la red. Su funcionalidad es importante, ya que se utiliza para controlar la ubicación de un abonado. 7. AUC (AUthentication Centre): Base de datos que almacena información confidencial (como los derechos de uso) de cada abonado de la red. Para autenticarse en dicha base de datos es necesario que el abonado acceda a su tarjeta SIM (mediante su código PIN) para que ésta, mediante un protocolo de petición-respuesta, sea capaz de dar por válida la identidad del usuario en la red, momento en el cual no se deniega el acceso a la red y se consulta al HLR para conocer las opciones y servicios con los que el usuario puede contar. Se ha de dejar constancia de las agrupaciones de los diferentes elementos de la arquitectura de la red GSM:

BSS (Base Station Subsystem): Conjunto constituido por un conjunto de BSs y su controlador BSC.

NSS (Network Station Subsystem): Conjunto formado por el MSC, el AUC y los V/HLR.

Todos estos elementos se comunican mediante interfaces de red, que soportan el diálogo entre los diferentes equipos y permiten el correcto interfuncionamiento de la red.

Entendiendo el Esquema de Operación de una Red GSM

En una red GSM, la terminal del usuario se llama estación móvil. Una estación móvil está constituida por una tarjeta SIM (Módulo de identificación de abonado), que permite identificar de manera única al usuario y a la terminal móvil, o sea, al dispositivo del usuario (normalmente un teléfono portátil).

Las terminales (dispositivos) se identifican por medio de un número único de identificación de 15 dígitos denominado IMEI (Identificador internacional de equipos móviles). Cada tarjeta SIM posee un número de identificación único (y secreto) denominado IMSI (Identificador internacional de abonados móviles). Este código se puede proteger con una clave de 4 dígitos llamada código PIN.

Por lo tanto, la tarjeta SIM permite identificar a cada usuario independientemente de la terminal utilizada durante la comunicación con la estación base. Las comunicaciones entre una estación móvil y una estación base se producen a través de un vínculo de radio, por lo general denominado interfaz de aire (o en raras ocasiones, interfaz Um).

Todas las estaciones base de una red celular están conectadas a un controlador de estaciones base (o BSC), que administra la distribución de los recursos. El sistema compuesto por el controlador de estaciones base y sus estaciones base conectadas es el Subsistema de estaciones base (o BSS).

Por último, los controladores de estaciones base están físicamente conectados al Centro de conmutación móvil (MSC) que los conecta con la red de telefonía pública y con Internet; lo administra el operador de la red telefónica. El MSC pertenece a un Subsistema de conmutación de red (NSS) que gestiona las identidades de los usuarios, su ubicación y el establecimiento de comunicaciones con otros usuarios.

Generalmente, el MSC se conecta a bases de datos que proporcionan funciones adicionales:

El Registro de ubicación de origen (HLR): es una base de datos que contiene información (posición geográfica, información administrativa, etc.) de los abonados registrados dentro de la zona del conmutador (MSC).

El Registro de ubicación de visitante (VLR): es una base de datos que contiene información de usuarios que no son abonados locales. El VLR recupera los datos de un usuario nuevo del HLR de la zona de abonado del usuario. Los datos se conservan mientras el usuario está dentro de la zona y se eliminan en cuanto abandona la zona o después de un período de inactividad prolongado (terminal apagada).

El Registro de identificación del equipo (EIR): es una base de datos que contiene la lista de terminales móviles.

El Centro de autenticación (AUC): verifica las identidades de los usuarios.

La red celular compuesta de esta manera está diseñada para admitir movilidad a través de la gestión de traspasos (movimientos que se realizan de una celda a otra).

Radio Trunking

Definición de “Trunking”:

Son sistemas de radiocomunicaciones móviles para aplicaciones privadas, formando grupos y subgrupos de usuarios, con las siguientes características principales:

Estructura de red celular (independientes de las redes públicas de telefonía móvil)

Los usuarios comparten los recursos del sistema de forma automática y organizada.

Cuando se requiere, por el tipo de servicio, es posible el establecimiento de canales prioritarios de emergencia que predominarían sobre el resto de comunicaciones del grupo.

Son sistemas que han ido estandarizando las diferentes interfaces desde su introducción en el año 1997. En la actualidad se está produciendo un proceso de estandarización con los sistemas digitales.

A su vez, el trunking es un sistema de radio en el que todas las comunicaciones van precedidas de un código de llamada similar a una telefónica; si nuestro equipo la recibe y no es el destinatario la emite de nuevo, actuando como repetidor, y si es el destinatario se establece un circuito para asegurar la comunicación. Por lo tanto sólo oímos las comunicaciones destinadas a nosotros. Dependiendo del servicio instalado se puede implementar conexión a la red de telefonía pública.

Funcionamiento

Control de Canales

En esencia, un sistema de radio trunking es una red computarizada de conmutación de paquetes de datos. Los usuarios de radio envían paquetes de datos a una

computadora que opera en una determinada frecuencia (llamada canal de control) para solicitar comunicación a un determinado grupo de usuarios. El controlador envía una señal digital a todos los receptores del grupo con la instrucción de conmutar automáticamente a la frecuencia indicada por el sistema que le permitirá monitorear la transmisión. Luego de que el usuario termina de emitir, el equipo de radio retorna a la función de monitoreo de canal de control.

Este arreglo permite a múltiples grupos de usuarios compartir un pequeño rango de frecuencias de radio evitando que estos escuchen las conversaciones de otros.

Diferencias con Telephone Trunking

El concepto de “trunking” (compartición de recursos) es actualmente un tanto obsoleto y proviene de prácticas de tecnologías usadas en compañías telefónicas. Para nuestro ejemplo, consideremos dos centrales de telecomunicaciones, una en la ciudad “A” y la otra en la ciudad “B”. Cada una de estas centrales tiene en teoría la capacidad de manejar 10 mil números telefónicos de abonados (La central “A” con el prefijo “123” tiene disponible 10,000 números, del 123-0000 hasta el 123-9999, i de forma similar para la central “B” con prefijo “124”) ¿Cuantas líneas telefónicas son requeridas para interconectar las ciudades “A” y “B”? si los 10,000 suscriptores en “A” fueran llamados simultáneamente por los 10,000 suscriptores de “B”, entonces serían requeridas 10,000 líneas. Sin embargo, las probabilidades de que ello ocurra son lejanas. Las compañías telefónicas han probado fórmulas que permiten predecir la cantidad óptima de líneas troncalizadas necesarias, bajo condiciones normales, para establecer adecuadamente las interconexiones.

Este concepto ha sido aplicado a los usuarios de sistemas de radio para determinar el número óptimo de canales necesarios bajo condiciones normales para acomodar el número de usuarios dado. En el eventual caso de una emergencia (como una terremoto), muchos más usuarios de lo normal intentarán acceder tanto a los sistemas de radio como de telefonía. En ambos casos una vez que la capacidad del sistema de troncales ha sido completamente utilizada, todos los posteriores usuarios recibirán una señal de ocupado.

Diferencias con los sistemas convencionales de Radio de 2 vías

Los sistemas de radio troncalizado se diferencian de los sistemas convencionales de radio porque estos últimos usan un canal (frecuencia) dedicado para cada grupo de usuarios, mientras que un sistema de radio troncalizado usa un conjunto de canales que están disponibles para un gran número de diferentes grupos de usuarios.

Por ejemplo, si las comunicaciones policiales están configuradas de tal forma que 12 canales convencionales son requeridos para permitir el despacho a las patrullas de una ciudad, durante períodos de baja actividad de despacho muchos de esos canales permanecen en modo ocioso. En un sistema troncalizado las unidades policiales no tienen asignado un canal dedicado, en vez de ello, son miembros de un grupo que utiliza recursos comunes de un conjunto de canales.

Ventajas de la Troncalización

Las radios troncalizadas toman ventaja sobre la probabilidad de que en una cantidad determinada de usuarios, no todos necesitarán acceso al canal al mismo tiempo, por tanto sólo unos pocos canales de radio serán requeridos. Desde otra perspectiva, con un número dado de canales de radio, un número mayor de grupos de usuarios puede ser acomodado. En el ejemplo del departamento de policía, una capacidad adicional podría ser usada para asignar canales a grupos determinados (investigaciones especiales, control de tráfico, etc) a quienes se les puede permitir comunicaciones privadas.

Para el usuario, una radio troncalizada se ve como una radio ordinaria: Hay un conmutador de canales para seleccionar el canal a ser usado. En realidad el conmutador de canales no conmuta frecuencias como en una radio convencional, cuando cambia refiere a un programa de software interno que ejecuta un llamado a un grupo suscrito al que se accederá a través del control de canales.

Los sistemas de radio troncalizado también proveen un pequeño nivel de privacidad extra considerando que los usuarios del grupo están transmitiendo constantemente en diferentes frecuencias.

Sistemas de Radio Trunking

Sistema Trunking LTR

Esta tecnología de Trunking procesa las comunicaciones en forma analógica y utiliza el protocolo LTR (Logic Trunked Radio) que tiene la característica de no ser un protocolo propietario de una Marca de radios. Este hecho permite que existan en el mercado muchos fabricantes de radios que ofrezcan productos compatibles con esta Tecnología de Trunking.

Esta Tecnología es el primer escalón en la Troncalización de un Sistema Convencional proporcionando grandes ventajas sobre esta última en cuanto a mayor capacidad de tráfico, control de base de usuarios e implementación de llamadas de grupo, individual y telefónica.

Sistema Trunking EDACS

Este Sistema Troncalizado ocupa un lugar privilegiado dentro del mercado de las comunicaciones por su excelencia en prestación y confiabilidad. Es un producto originalmente desarrollado por Ericsson cuyo protocolo es el denominado EDACS que significa Ehanced Digital Access Communications System.

Es un sistema de radio troncalizada de acceso digital que posee canal de control, el cual administra todas las comunicaciones que se cursan en el sistema.

Esta tecnología permite implementar sistemas con los requisitos más exigentes tales como comunicaciones analógicas, digitales, digitales encriptadas, claves de encriptación en las comunicaciones digitales y comunicación de datos.

También incorpora funciones avanzadas como reprogramación de terminales por aire, reagrupamiento dinámico por aire, transmisión de datos multisitio, llamadas de emergencia, prioridades en las comunicaciones, deshabilitar/habilitar por aire radios robadas, etc.

Sistema Trunking MPT1327

Es un Sistema Troncalizado basado en un protocolo abierto que dedica uno de sus canales a desempeñar funciones de canal de control. Esta configuración permite incorporar prestaciones extras a las ofrecidas por LTR como hacer llamadas de Emergencia y Prioridades en las comunicaciones.

Si bien las comunicaciones de voz son analógicas, las radios soportan la instalación de opciones de encriptación de voz con la finalidad de lograr mayor privacidad en las comunicaciones.

Las radios soportan interfaces de datos que permiten integrar en el mismo sistema comunicaciones de voz y datos.

Sistema Trunking TETRA

Este sistema troncalizado es totalmente digital y utiliza tecnología TDMA. Se trata de un sistema de última generación, orientado a sistemas de voz y datos móviles. Tiene un aprovechamiento espectral óptimo permitiendo transmitir cuatro canales de voz o datos por cada canal físico de RF.

Este sistema se basa en un protocolo abierto ampliamente difundido en Europa existiendo varios fabricantes de equipos aptos para trabajar bajo este protocolo.

Sistema Trunking Open Sky

Este sistema troncalizado es totalmente digital. Por cada canal se transmiten dos canales virtuales digitales utilizando tecnología TDMA. Se trata de un sistema de última tecnología, orientado a sistemas de voz y datos móviles. Tiene un muy buen aprovechamiento espectral no solo por el hecho de enviar dos canales de voz por cada canal físico, sino que aprovecha las virtudes de un sistema digital nativo, para entrelazar la información de control con los datos.

Este sistema se basa en un protocolo propietario ofreciendo las máximas prestaciones que un sistema de comunicaciones puede contar.

GSM = Global System for Mobile CommunicationGPRS = General Packet Radio ServiceEDGE = Enhanced Data Rates for GSM EvolutionWCDMA = Wideband Code Division Multiple AccessHSPA = High Speed Packet AccessLTE = Long Term Evolution