Captulo 5-Sistema GSM.ppt

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1、Captulo 5: Sistema GSM,Comunicaciones Mviles 2012/13. Prof: Daniel Ramos. Material generado por Dr. Luis Mendo.,1. Organismos de estandarizacin. Evolucin de los sistemas de comunicaciones mviles: generaciones. Origen del GSM,Organismos de estandarizacin,ETSI (European Telecommunications Standards In

2、stitute) Estandarizacin inicial de GSM, GPRS y UMTS. www.etsi.org 3GPP (Third Generation Partnership Project) Creado en 1998. Acuerdo de colaboracin entre ETSI y otros organismos de estandarizacin oficiales (Japn, China, Corea, USA) Actualmente se ocupa de la definicin de GSM, GPRS y UMTS Formado po

3、r fabricantes, operadores y otros (afiliados a un organismo de estandarizacin: ETSI u otros) www.3gpp.org 3GPP2 Creado en 2000. Similar a 3GPP para sistemas americanos (cdma2000). www.3gpp2.org,3GPP,GSM, radio,UMTS, radio,Arquitectura y servicios,Terminales y red fija,Comunicaciones Mviles: Generaci

4、ones,Origen y evolucin de GSM,1982 Creacin del Groupe Spciale Mobile (GSM) en la CEPT. Reserva de frecuencias en Europa para el futuro sistema. 1987 Seleccin de caractersticas generales: tecnologa digital, acceso mltiple TDMA. 1989 La estandarizacin del GSM pasa a depender del ETSI. 1990 Termina la

5、especificacin de la fase 1: voz, SMS, datos en modo circuito, roaming internacional, servicios suplementarios (desvo, restriccin de llamadas). 1992 Comienzo de operacin en algunos pases. 1996 Fase 2. Mejoras; DCS-1800 (luego GSM-1800). 1998 Fase 2+ (varias releases). Mejoras: mayor velocidad de dato

6、s; HSCSD; GPRS. 1998 La estandarizacin pasa realizarse en el 3GPP, en el cual se integra el ETSI. 2004 1000 millones de usuarios de GSM. 2006 2000 millones de usuarios de GSM.,“Global System for Mobile communications”,2. Arquitectura de red. Entidades funcionales. Zonas e identidades,Arquitectura de

7、 red GSM: entidades funcionales e interfaces,BSS: Base Station Subsystem BSC: Base Station Controller BTS: Base Transceiver StationNSS: Network and Switching Subsystem AuC: Authentication Center EIR: Equipment Identity Register GMSC: Gateway MSC HLR: Home Location Register MS: Mobile Station MSC: Mo

8、bile Switching Center SIM: Subscriber Identity Module VLR: Visitors Location RegisterOSS: Operation and Supervision Subsystem NMC: Network Management Center OMC: Operation and Maintenance CenterPLMN: Public Land Mobile Network (GSM) SM-SC Short Message Service Center PSTN: Public Switched Telephone

9、Network,BTS,B,C,D,Um,SMSC,PLMN,Jerarqua de zonas en la red GSM,rea de PLMN GSM: se identifica mediante: MCC (Mobile Country Code) (3 cifras): pas (Espaa: 214) MNC (Mobile Network Code) (2 cifras): cada operador de ese pas (Vodafone: 01, Orange: 03, Movistar: 07) rea de conmutacin: asociada a una MSC

10、 de la PLMN rea de localizacin, LA (Location Area): subconjunto de clulas pertenecientes a una misma MSC. Se identifica Dentro de la red: LAC (LA code) (16 bits) Globalmente: LAI (LA Identification) = (MCC, MNC, LAC) rea de estacin base (clula o sector). Se identifica Dentro de la LA: CI (Cell Ident

11、ity) (16 bits) Globalmente: CGI (Cell Global Identification) = (MCC, MNC, LAC, CI),LAI,CGI,Identidades de usuario y de mvil en GSM,MSISDN (Mobile Station ISDN Number): nmero de telfono del usuario, dentro del plan de numeracin de la red telefnica pblica. IMSI (International Mobile Subscriber Identit

12、y) ( 15 cifras decimales): identidad del usuario, nica en el mundo. IMSI = (MCC, MNC, MSIN). MSIN: Mobile Subscriber Identification Number. TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) (32 bits): identidad temporal del usuario, vlida dentro de una LA. IMEI (International Mobile Equipment Identity) (1

13、5 cifras decimales): identidad del mvil, nica en el mundo.,MS, ME y SIM,MS: es el terminal mvil GSM. Se divide en ME (Mobile Equipment) y SIM. ME: servicio de voz; otros: SMS, WAP, . SIM: tarjeta que identifica al usuario. Contiene, entre otros: IMSI TMSI PIN y PUK (cdigos de acceso y de desbloqueo)

14、 Informacin de abonado (agenda, SMS recibidos) Identidad del ltimo rea de localizacin (LAI) PLMN no autorizadas Algoritmos de cifrado y autentificacin Clave de cifrado, Kc Clave secreta de autentificacin, Ki,BTS,Equipos radio de la estacin base: Transceptores (uno por portadora): “TRX” Antena Elemen

15、tos de conexin con la antena: cable, combinadores, multiacopladores Conexin con BSC; tpicamente mediante radioenlace. La BTS debe ser lo ms simple posible, y fiable (suele estar en lugares de difcil acceso).,BSC,Equipo de control de la estacin base. Puede controlar varias BTS. Se encarga de: Configu

16、racin de la base Gestin de canales radio: asignacin, liberacin, control de potencia, traspasos intra-BSC. Se conecta con el OMC para operacin y mantenimiento. Recoge estadsticas y alarmas.,MSC,Central telefnica, con funciones adicionales derivadas de la movilidad de los usuarios. Se encarga de: Enca

17、minamiento de llamadas. Traspasos inter-BSC e inter-MSC. Se conecta con el OMC para operacin y mantenimiento. Recoge estadsticas y alarmas. Las G-MSC (Gateway MSC) dan acceso a redes externas a la PLMN GSM.,HLR,Base de datos (registro) general de usuarios. Es nica (funcionalmente) en cada red (fsica

18、mente puede estar distribuida, o duplicada por motivos de redundancia). Para cada usuario contiene informacin: Esttica: IMSI, MSISDN, servicios contratados Dinmica: zona de VLR (MSC) actual.,VLR,Base de datos (registro) de usuarios itinerantes. Existe uno por cada MSC (de hecho, MSC y VLR suelen est

19、ar integrados en un mismo equipo fsico) Contiene informacin para cada usuario que est en la zona que gestiona: Dinmica: TMSI y LAI actuales. Copia de informacin del HLR para el usuario.,AuC,Base de datos de autentificacin. Asociado al HLR. Contiene para cada usuario: IMSI Clave secreta de autentific

20、acin, Ki (contenida tambin en la SIM),EIR,Base de datos de equipos (terminales mviles). Contiene para cada terminal mvil: IMEI de cada terminal (tambin contenido en el terminal) Lista blanca: terminales permitidos Lista negra: no permitidos (por ejemplo, por robo) Lista gris: en observacin (por ejem

21、plo, por fallos o por falta de pago).,SMSC,Centro de servicio para SMS (mensajes cortos). Recibe y enva SMS de o hacia los mviles.,OSS,Configuracin remota de la red. Obtencin de informacin (estadsticas) sobre el funcionamiento de la red. Mantenimiento (alarmas). Los OMC gestionan partes de la red, y

22、 el NMC controla el funcionamiento de todo el OSS.,3. Interfaz radio: caractersticas generales. Canales fsicos y lgicos. Estructura TDMA. Estructura de las rfagas,Interfaz radio GSM: caractersticas generales,Sistema FDMA/TDMA con FDD Separacin de radiocanales 200 kHz Bandas de frecuencias: 900 / 180

23、0 / 1900 MHz Separacin dplex: 45 / 95 / 80 MHz Modulacin: GMSK a 270,833 kb/s Potencia mxima de terminal mvil: 900 MHz: 8 W0,8 W (tpico 2 W) 1800 MHz: 1 W0,25W (tpico 0,25 W). Potencia mxima de base: 900 MHz: 320 W2,5 W 1800 MHz: 20 W2,5 W Relacin de proteccin: cocanal 9 dB, canal adyacente -9 dB Po

24、sibilidad de salto en frecuencias (Frequency Hopping, FH) Codificacin de canal: cdigo corrector, cdigo detector, entrelazado Distancia de cobertura mxima: 35 km; puede ampliarse Dispersin Doppler mxima: hasta 200 km/h Dispersin temporal mxima: hasta 16 ms.,Bandas de frecuencias,GSM 900 (124 radiocan

25、ales) (Europa) UL: 890-915 MHz DL: 935-960 MHz E-GSM 900 (49 radiocanales) (Europa) UL: 880-890 MHz DL: 925-935 MHz GSM 1800 (374 radiocanales) (Europa) UL: 1710-1785 MHz DL: 1805-1880 MHz GSM 1900 (300 radiocanales) UL: 1850-1910 MHz DL: 1930-1990 MHz,Canales,Radiocanal: frecuencia (portadora) util

26、izada, o pareja de frecuencias (UL y DL). FDMACanal fsico: intervalo temporal de un radiocanal. TDMACanal lgico: cada tipo de informacin enviada por el canal fsico. Multiplexacin temporal,Numeracin de radiocanales,ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number): GSM 900: 1124fUL= 890 + 0,2n (MHz); f

27、DL= fUL+ 45 (MHz) E-GSM 900: 9751023fUL= 890 + 0,2(n-1024) (MHz); fDL= fUL+ 45 (MHz) GSM 1800: 512885fUL= 1710,20 + 0,2(n-512) (MHz); fDL= fUL+ 95 (MHz),Estructura TDMA,RX,TX,Trama: 120ms (estndar multitrama MF26)/26 = 4,615 ms,MS,fDL,fUL,Intervalos de UL y DL separados (se evita duplexor en el mvil

28、) Resto del tiempo: medidas y cambio de frecuencia RX-TX La frecuencia puede ir variando en cada trama (FH),Jerarqua TDMA,Canales lgicos,De sealizacin comunes: BCCH (DL): informacin general de configuracin FCCH (DL): referencia de frecuencia; sincronizacin de trama SCH (DL): sincronizacin de nivel s

29、uperior e informacin (BSIC) PCH (DL): aviso (paging) a mviles RACH (UL): acceso de los mviles (peticin de canal) AGCH (DL): respuesta a mviles (asignacin de canal) De sealizacin dedicados: SDCCH (UL y DL): independiente, para sealizacin y SMS SACCH (UL y DL): asociado al TCH para sealizacin “lenta”

30、FACCH (UL y DL): asociado al TCH para sealizacin “rpida” De trfico (dedicados): TCH (UL y DL): informacin de usuario. Varios tipos: TCH/F (Full rate speech): voz a 13 kb/s TCH/H (Half rate speech): voz a 6,5 kb/s Otros, para datos en modo circuito.,Difusin,“Comunes” (CCCH),Dedicados,Canales lgicos,B

31、CCH: Broadcast Control Channel FCCH: Frequency Correction Channel SCH: Synchronization Channel PCH: Paging Channel RACH: Random Access Channel AGCH: Access Grant Channel SDCCH: Stand-Alone Dedicated Channel SACCH: Slow Associated Control Channel FACCH: Fast Associated Control Channel TCH: Traffic Ch

32、annel.,Correspondencia entre canales lgicos y fsicos,En cada canal fsico, los canales lgicos se multiplexan en el tiempo mediante multitramas (MF): MF26, para trfico y canales de sealizacin asociados MF51, para el resto de sealizacin Se definen cinco tipos de correspondencia: 1 TCH/F con sus SACCH y

33、 FACCH: MF26 (Trfico a velocidad completa) 2 TCH/H con sus SACCH y FACCH: MF26 (Trfico a velocidad mitad) Difusin y CCCH: MF51 (Sealizacin descombinada: canales comunes) 8 SDCCH: MF51 (Sealizacin descombinada: canales dedicados) 4 SDCCH; difusin y CCCH: MF51 (Sealizacin combinada),MF26,T: TCH; A: SA

34、CCH; I: libre (idle).La multitrama es igual en UL y en DL. El FACCH se transmite en cualquier momento, sustituyendo al TCH. La velocidad del SACCH es igual en TCH/F y en TCH/H. El TCH puede no transmitirse siempre (DTX). El SACCH se transmite siempre en las tramas reservadas (incluso con DTX).,(1),(

35、2),26 tramas: 120 ms,MF51,(3),(4),(5),MF51,F: FCCH; S: SCH; B: BCCH; C: CCCH; R: RACH Di: i-simo SDCCH, parte de datos Ai: i-simo SDCCH, parte de sealizacin asociada (similar a SACCH),Se usar sealizacin combinada o descombinada en funcin de la capacidad necesaria en los CCCH y SDCCH. Si se requiere

36、ms capacidad para CCCH que la dada por (3), pueden utilizarse ms canales fsicos (nmeros 2, 4 y 6), que usarn (3) pero sin FCCH ni SCH. La posicin de FCCH, SCH y BCCH es igual en (3) y (5). El reparto de capacidad entre PCH y AGCH es configurable. Un mvil debe escuchar el PCH slo en ciertas tramas (D

37、RX), segn la configuracin de la clula.,UL,DL,Rfagas,Rfaga normal (N),Rfaga de correccin de frecuencia (F),Rfaga de sincronizacin (S),Rfaga de acceso (A),Rfaga muda (dummy) (D),TB: Tail Bits, iguales a 0; SF: Stealing Flag: 1 si FACCH; GP: Guard periodUso: F: FCCH; S: SCH; A: RACH; N: resto; D: como

38、NB pero de relleno. Para la rfaga “N” hay 8 posibles secuencias de entrenamiento. Las secuencias de las rfagas “S” y “A” son nicas, y ms largas (recepcin inicial).,Portadora baliza,Cada estacin base (clula o sector) tiene asignadas 1 o ms portadoras (radiocanales) Una de las portadoras es la portado

39、ra baliza, o portadora BCCH: Contiene la sealizacin comn, en el intervalo 0 (con o sin combinar con SDCCH). Si es necesario, pueden utilizarse intervalos adicionales para sealizacin comn (poco habitual). En ese caso, el intervalo 0 es el nico que contiene el canal FCCH. Los restantes intervalos (uti

40、lizados normalmente para SDCCH o TCH) se rellenan con rfagas “mudas” (dummy) si no tienen informacin que transmitir. Se transmite con potencia constante. Los mviles la utilizan para hacer medidas de nivel recibido.,4. Modulacin, codificacin, entrelazado,Modulacin,GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

41、 binaria diferencial. Velocidad de la modulacin: R = 270,833 b/s. Df = R/4: MSK (diferencial); desplazamiento positivo para bits consecutivos iguales, negativo para bits diferentes. Fase de la seal modulada, j(t):,bi: bit i-simo TB: periodo de bit F(t): rampa MSK (0-p/2) filtrada,Efectos de la confo

42、rmacin espectral,Interferencia entre smbolos producida por la conformacin (se muestra el efecto de un bit),Ocupacin espectral (se muestran dos radiocanales contiguos),Codificacin de canal,Distintas variantes, en funcin del canal lgico. Se utilizan: Cdigos correctores: Convolucionales, de longitud (c

43、onstraint lenght) 5 y tasa 1/2 (voz y sealizacin) o menor (trfico de datos). Cdigos detectores: Cdigo Fire: cdigo bloque lineal, con buenas propiedades de deteccin de errores a rfagas Otros cdigos bloque lineales. Entrelazado: profundidad entre 1 y 8 rfagas.,Codificacin de canal para TCH/F,El codifi

44、cador de fuente para voz FR (full rate) entrega bits a 13 kb/s, en bloques (“tramas”) de 260 bits cada 20 ms. Los bits de cada bloque se dividen en tres clases: 1A, 1B y 2.,Cdigo bloque (50,3),Bits de cola (terminacin de trellis),Velocidad resultante tras la codificacin: 456/20 = 22,8 kb/s.,Codifica

45、cin de canal para canales de sealizacin,Los bits van ms protegidos que en el TCH/F Todos los bits de protegen por igual RACH y SCH tienen una codificacin diferente al resto de canales de sealizacin.,Entrelazado para TCH/F,Cada bloque de 456 bits:0 8 448 Bits pares de la rfaga n 1 9 449 Bits pares de

46、 la rfaga n+1 2 10 450 Bits pares de la rfaga n+2 3 11 451 Bits pares de la rfaga n+3 4 12 452 Bits impares de la rfaga n+4 5 13 453 Bits impares de la rfaga n+5 6 14 454 Bits impares de la rfaga n+6 7 15 455 Bits impares de la rfaga n+7,57 bits,Cada bloque de 20 ms se distribuye en 8 “medias rfagas

47、”. En promedio hay una rfaga cada 120/24 = 5 ms: 4 rfagas por cada bloque de 20 ms.,Entrelazado para TCH/F,Bloque (456 bits),20 ms,Rfaga,5 ms en promedio,5. Procesos asociados a la transmisin: avance temporal, control de potencia, transmisin discontinua, salto de frecuencia,Avance temporal (TA),Nece

48、sario en UL para compensar diferencias de retardo de propagacin entre mviles. Realimentacin negativa: medida en UL y correccin en DL: Medida en UL: se utiliza la secuencia de entrenamiento, aprovechando sus buenas propiedades de autocorrelacin. Correccin en DL: se envan rdenes de TA por el SACCH. Av

49、ance mltiplo de TB, entre 0 y 63. Tolerancia: tiempo de guarda: 8,25 TB en la rfaga normal. En el acceso inicial (RACH) an no hay TA. Por ello: Tiempo de guarda de 68,25 TB. Secuencia de entrenamiento ms larga. Lmite: 2dmx / c = tmx: aproximadamente 35 km, para tmx = 63TB. Clulas de “alcance extendido”: se utilizan slo los intervalos 0, 2, 4 y 6.,