El sistema GSM - personal.us.espersonal.us.es/ccrespo/commov/transparencias/GSM_borrador.pdf · El...
26
Comunicaciones Móviles 19/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 1 Tema 6 El sistema GSM Carlos Crespo Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones [email protected] El sistema GSM 19/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 2 1. Estructura de la red GSM 2. Interfaz radio de GSM 3. Procedimientos en la interfaz radio
Transcript of El sistema GSM - personal.us.espersonal.us.es/ccrespo/commov/transparencias/GSM_borrador.pdf · El...
Comunicaciones Móviles
19/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 1
Tema 6
El sistema GSM
Carlos CrespoDepartamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
El sistema GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 219/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 2
1. Estructura de la red GSM
2. Interfaz radio de GSM
3. Procedimientos en la interfaz radio
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 319/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 3
PSTN
¿ ?Cómo acceder a la redCómo iniciar la comunicaciónCómo encaminar la llamadaCómo se transmite el mensaje
…
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 419/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 4
PSTN
SeñalizaciónSIG:Centro de ConmutaciónCC:
Medio de TransmisiónMT:Bucle de AbonadoBA:
BA MT
BA
CC CC
SIG
SIGSIG
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 519/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 5
PLMN
¿ ?Cómo localizar al móvilCómo se le avisa que tiene una llamadaCómo se hace posible la comunicación mientras el móvil se desplazaCómo accede el móvil a la reddesde cualquier puntoCómo se evitan fraudes
…
¡Movilidad …!
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 619/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 6
PLMN
BTS
BTS
BTS
Funciones:Registro (Register)Localización (Location)Itinerancia (Roaming)Aviso (Paging)Traspaso (Handover)Seguridad
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 719/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 7
Cuáles son los elementos que componen una red GSM Cómo están interconectados
Qué funciones realizan
Cómo se conecta la red GSMcon una red exterior
BTS
BSC
HLRHLR
VLR
VLR
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 819/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 8
Suscriber Identity Module : SIM
Terminal Móvil : MS
BTS
BSC
Abis
Um
A
PSTNISDN
GMSC
Centro de Conmutación del Servicio Móvil : GMSC
HLRVLRAUCEIR
Sistema de la Estación Base : BSS
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 919/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 9
AREA DE SERVICIO de la PLMN
AREA DE SERVICIO de la MSC
AREA DE LOCALIZACIÓN1 MSC atiende varias LAs
CELDAÁrea atendida por una BTS
Estructura de la red GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1019/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 10
VLRMSC
LA1 LA3LA2
Identificación de área y celda: MCC, MNC, LAC y CI
LA4
Módulo de Identidad de Abonado: SIM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1119/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 11
• Tarjeta que se conecta en el terminal móvil
• Contiene información exclusiva del abonado
IMSI, Clave de autenticación (Ki), PIN
Listas de redes permitidas
• Almacena información de la última localización
• Almacena información del usuario
Agenda de números
• Parámetros actualizables
TMSI, clave de cifrado Kc, Identidad LAI
Terminal de Abonado Móvil: MS
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1219/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 12
• Es la parte mejor conocida de la red celular
• Contiene al SIM
• Potencias de 0.25 W hasta 2 W
• En su inicio se usaron equipos fijados en automóviles con potencias de hasta 8 W
Estación Base del Transceptor: BTS
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1319/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 13
• Está localizada en el centro de la célula
• Sirve de interfaz entre la MS y la red
• Su potencia determina la dimensión de la célula
• Hasta 20 W (0.16 W en micro-BTS)
• Puede tener de 1 a 16 Transceptores
• de 1 a 16 radiocanales
BTS
Controlador de la Estación Base: BSC
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1419/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 14
• Monitora y controla varias BS (10-100)• Administra las frecuencias y controla la
conmutación• Situado en la misma BTS, en su propio sitio o en
el sitio del MSC
• Junto con la BTS forma el BSS
BSC
Centro de Conmutación del Servicio Móvil: MSC
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1519/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 15
• Interfaz entre la red de telefonía celular y otras redes fijas
• Es una central de conmutación con registros propios
• Una o más son de cabecera (GMSC) que tienen asociado un HLR
• Encamina las llamadas hacia/desde las MS
MSC
Registro de Abonados Locales: HLR
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1619/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 16
• Almacena la identidad y los datos de los abonados del área de la GMSC
IMSI, No. de Teléfono (tabla MSISDN = IMSI), clave de autenticación, servicios permitidos
• Almacena datos temporalesDirección de la VLR temporalmente visitada, número de redirección de llamada (si procede), parámetros actualizables para autenticación y cifrado.
• IMSI: MCC (3 díg.), MNC (2 díg.), MSIC (hasta 10 díg.)
HLR
Registro de Abonados Visitantes: VLR
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1719/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 17
• Registra los datos permanentes de los móviles que están de visita en el área de la GMSC
• Almacena también datos temporalesTMSI No. de encaminamiento de una llamada MSRN Zona de localización donde está registrado el móvil
• Apoya al GMSC durante el establecimiento de una llamada
• Proporciona la información cuando la llamada se origina en un móvil
VLR
Centro de Autenticación: AUC
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1819/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 18
• Asociado al HLR
• Le proporciona los parámetros necesarios para la autenticación de la MS
• Conoce el algoritmo que debe usar cada abonado y que almacena en su SIM
AUC
Registro de Identidad del Equipo: EIR
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 1919/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 19
• Contiene los números de serie de los equipos robados o con defecto inaceptable por la red
• El IMEI contiene el no. de serie del equipo, el fabricante, el país de producción y el tipo de permiso
• El operador puede prohibir el acceso a un móvil que genera emisiones no deseadas y perturba al sistema o a otros servicios
EIR
Características del Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2019/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 20
Cómo atiende una sola BS a varias MS
Es necesario sincronizarPor qué canal van las
señales de controlPor qué canal va el tráfico de datos entre abonados
01
23
45
67
10 8 10 10 8 10
14112/26 µs 147 bits
+4 +1
-1
-6
-30
-70
Nivel (dB)
t (µs)
Características del Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2119/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 21
La no coincidencia de Transmisión y Recepción permite prescindir del filtro duplexor
RECEPCION
TRANSMISION
8x0.577 ms
3xBP
1 2 5 6 7 1 2 30 4 5 6 73 4 0
1 2 5 6 7 1 2 30 4 5 6 73 4 0
Características del Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2219/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 22
BTS
1
3 Trama TDMA8 intervalos de tiempoen un radiocanal de 0.2 MHz
2 4 5 60 1 2 3 4 5 6 7 70
Características del Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2319/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 23
BTS
2 4 5 60 1 2 3 4 5 6 7 7
1
3
0
¡ El móvil más alejado debe adelantar su transmisión para
compensar el retardo !R=35 km ∆t=233 µs
Características del Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2419/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 24
Ventana de la ráfaga GSM:
10 8 10 10 8 10
14112/26 µs 147 bits
+4 +1
-1
-6
-30
-70
Nivel (dB)
t (µs)
57 DATOS 57 DATOS26 SEC. ENTREN.1 1 3 T3 T 8’25 GP
114 bitsde datos
Canales Lógicos
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2519/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 25
CANALES DE TRÁFICOTCH
CANALES DE CONTROLCANALES DE DIFUSIÓN: BCH
FCCHSCHBCCH
CANALES COMUNES: CCCHRACHPCHAGCH
CANALES DEDICADOS: SADCCHCANALES ASOCIADOS
SACCHFACCH [email protected]
Canales de Control: Canales de Difusión
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2619/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 26
FCCH: Canal de Corrección de Frecuencia (Frequency correction Channel):Indica a la MS la frecuencia de referencia del sistema
SCH: Canal de Sincronización (Synchronization Channel):Suministra a las MS las claves para demodularcorrectamente la información
BCCH: Canal de Difusión (Broadcast Control Channel):Transmite a todas las MS los parámetros necesarios para identificar la red y conseguir el acceso a la misma
Canales de Control: Canales Comunes
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2719/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 27
PCH: Canal de Búsqueda (Paging Channel):Se destina para que la BTS avise a sus MS cuando tienen una llamada.
RACH: Canal de Acceso Aleatorio (Random Access Channel):Lo utiliza la MS para solicitar que se le asigne un canal dedicado.
AGCH: Canal de Concesión de Acceso (Access Grant Channel):Lo utiliza la BTS para responder a un mensaje RACH.
Canales de Control: Canales Dedicados
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2819/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 28
SDCCH: Canal de Control Dedicado Autónomo (Stand-alone Dedicated Control Channel):
Canal provisional entre BCH y TCH
Se utiliza para:
Autenticación
Transferencia de otros datos previos al establecimiento de una llamada.
Canales de Control: Canales Asociados
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 2919/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 29
SACCH: Canal de Control Asociado Lento (SlowAssociated Control Channel):
Va asociado a un canal de tráfico o a un canal dedicado yse utiliza para el intercambio de información recurrente, no urgente, durante la llamada.
FACCH: Canal de Control Asociado Rápido (FastAssociated Control Channel):
Va asociado a un canal de tráfico y se emplea para el intercambio de información urgente de llamada.
Canales de Tráfico
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3019/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 30
TCH/FS: Canal de Tráfico de voz a tasa máxima (Traffic Channel/Full-rate Speech):
Es el canal utilizado para transmitir la señal de voz.La tasa neta de transmisión de este canal es de 13 kbps.
TCH/HS: Canal de Tráfico de voz a mitad de tasa (Traffic Channel/Half-rate Speech):
Ocupa la mitad de un canal TCH/FS.
TCH/F9.6/4.8/2.4: Canal de Tráfico de Datos(Traffic Channel/Full-rate Data):
Se usa para transmisión de datos a tasas de 9.4/4.8/2.4 kbps.
TCH/H4.8/2.4: Canal de Tráfico de Datos a mitad de tasa(Traffic Channel/Half-rate Data)
Se usa para transmisión de datos a mitad de tasa del TCH.
BTS
Multitramas
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3119/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 31
Las tramas se agrupan en estructuras jerárquicas de nivel superior llamadas multitramas.
Hay dos clases de multitramas:• Multitrama de 26 tramas: MF26Se utiliza exclusivamente para canales de tráfico y canales de control asociados.
• Multitrama de 51 tramas: MF51Se utiliza para canales comunes, de difusión, de control dedicados y los canales asociados a los SDCCH.
Multitrama GSM: MF26 (combinaciones I-III)
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3219/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 32
0 10 20 25
120 ms
120 ms/26 = 8x15/26 ms
TCH/FS
SACCH
Medida de nivel recibido
Multitrama GSM: MF51 (combinaciones IV-VII)
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3319/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 33
FCCH
SCH
BCCH
CCCH (PCH+AGCH)
0 2 3 4 5 10 20 30 40 50
RACH (CCCH)
IV
Multitrama GSM: MF51
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3419/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 34
BCCH + CCCH(downlink)
BCCH + CCCH(uplink)
8 SDCCH / 8(downlink)
8 SDCCH / 8(uplink)
BCCH + CCCH+ 4 SDCCH / 4
(downlink)
BCCH + CCCH+ 4 SDCCH / 4
(uplink)
IV
V
Multitrama GSM: MF51
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3519/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 35
57 DATOS 57 DATOS26 SEC. ENTRE.1 1 3 T3 T 8’25 GP
0,577 ms
0 1 2 7
0 131 2 11 SA 12 23 ID
4,615 ms
Multitrama de 26 tramas = 120 ms0 501 2 48 49
Multitrama de 51 tramas
0 251 24
0 501 2 48 49
0 20461 2 2047
Supertrama: 6,12 s
Hipertrama: 3 h 28 min 53,76 s
Realizando una llamada telefónica
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3619/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 36
Encendido del Teléfono Móvil
• Busca los canales de difusión, BCH
• Se sintoniza en frecuencia y se sincroniza en tiempo
• Decodifica los canales BCCH
• Se comprueba si el SIM es válido en la red
• Se actualiza la localización
• Se autentica
Realizando una llamada telefónica
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3719/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 37
Llamada originada en el Móvil
• El móvil envía un RACH
• Se envía la asignación
de canal en el AGCH (BCH)
• El móvil y la BTS se comunican en el SDCCH
• La MS se autentica
• Se asigna un TCH al móvil
• Se abre el canal de comunicación entre abonados:
Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3819/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 38
Cómo se procesa la voz en la MSCómo se protege contra el canalCómo se acomodan los datos
en la ráfaga
Tasa de transmisión en RF = 270.833 kbps
BPFA
DCODIF.
DE VOZCODIF
DE CANAL
50 bits
132 bits
78 bits
Clase I ProtecciónClase II Sin protección
Período de bit = 3.692 µs
Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 3919/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 39
Intervalo de tiempo: 120 ms /(26 x 8) = 15/26 ms = 0.577 msCapacidad de la MF26: 114 b /(8x(15/26) ms) = 24.7 kbpsCapacidad del TCH/FS = 24.7 kbps x 24/26 = 22.8 kbps Capacidad del SACCH = 24.7 kbps x 1/26 = 0.95 kbpsNo. de bits en cada ráfaga = 148 b + 8.25 b de guarda =156.25 bitsTasa de transmisión en RF = 156.25 bits / (15/26 ms) = 270.833 kbpsPeríodo de bit = 15/(26 x 156.25) ms = 3.692 µs
0 10 20 25
120 ms
120 ms/26 = 8x15/26 ms
TCH/FS
SACCH
Medida de nivel recibido
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4019/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 40
Cómo se sincronizan las MSCómo descifran los mensajes de la BS
Cómo se actualiza la localizaciónCómo se establece una llamada
1.8792 1.8794 1.8796 1.8798 1.88 1.8802 1.8804-120
-115
-110
-105
-100
-95
-90
-85
-80
-75
Frecuencia , GHZ
Niv
el d
e se
ñal r
ecib
ida,
dB
m
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4119/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 41
1.8792 1.8794 1.8796 1.8798 1.88 1.8802 1.8804-120
-115
-110
-105
-100
-95
-90
-85
-80
-75
Frecuencia, GHZ
Niv
el d
e se
ñal r
ecib
ida,
dB
m
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4219/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 42
Procedimiento forzado por la red:Para evitar tráfico innecesario a MS apagadas
Motivado por un cambio de área de localización:Si la MS se enciende en un área de localización diferente a la grabada en su SIM o entra en una nueva área, informa a la red desu nueva ubicación
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4319/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 43
Solicitud de actualización de la localizaciónSDCCH
Concesión de un canal dedicadoAGCH
Solicitud de un canalRACH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4419/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 44
Asignación de la nueva área de localización y del nuevo TMSI en VLR y HLRSDCCH
Solicitud de transmisión en modo cifrado
Aceptación del modo cifrado
(utilizando el cifrado)SDCCH
La red solicita autenticación
Respuesta de autenticación
La red comprueba la “firma”SDCCH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4519/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 45
La red libera el canal dedicadoSDCCH
Aceptación de la nueva localización y de la nueva TMSISDCCH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4619/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 46
PCH10) TMSI/IMSI
HLR
PSTNPSTN
GMSC
1) MSISDN
2) MSISDN
3) MSISDN
4) MSRN
LA
MSC
5) MSRN
6) MSRN
7) LA?
8) LA
VLR
9) TMSI/IMSI
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4719/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 47
Concesión de un canal dedicadoAGCH
Solicitud de un canalRACH
Aviso a la MSPCH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4819/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 48
Solicitud de transmisión en modo cifrado
Aceptación del modo cifrado
(utilizando el cifrado)SDCCH
La red solicita autenticación
Respuesta de autenticación
La red comprueba la “firma”SDCCH
Solicitud de actualización de la localizaciónSDCCH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 4919/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 49
Aceptación del canal FACCH
La MS acepta la llamada (los abonados escuchan el timbre)FACCH
Asignación de un canal rápido asociado al canal de Tráfico
SDCCH
Mensaje de establecimiento de la llamada entrante
ConfirmaciónSDCCH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 5019/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 50
Transmisión de los mensajes de voz (o datos) entre abonadosTCH+SACCH
Mensaje de conexión cuando el abonado móvil acepta la llamada
Aceptación del mensaje de conexiónFACCH
Procedimientos en el Interfaz Radio
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 5119/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 51
BTS1BTS1BTS2BTS2
TCH+SACCH TCH+SACCHFACCH
HandoverHandover
El Sistema GSM
17/03/2006 Carlos Crespo RRC-4IT 5219/12/2006 Carlos Crespo CM-5IT 52
HLR VLR
HandoverHandover
PCH
HLRGMSC
LA
MSC
VLR
1.8792 1.8794 1.8796 1.8798 1.88 1.8802 1.8804-120
-115
-110
-105
-100
-95
-90
-85
-80
-75
Frecuencia , GHZ
Niv
el d
e se
ñal r
ecib
ida,
dB
m
2456 012345677 0
1
3
