Sistemas GSM / GPRS Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones

Presentación del tema: "Sistemas GSM / GPRS Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones"— Transcripción de la presentación:

1 Sistemas GSM / GPRS Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones
Escuela Ingeniería Electrónica UNPRG 08 de Marzo del 2008

2 Sistemas GSM Groupe Special Mobile – Global System for Global Communication (GSM) Obtuvo un crecimiento sin precedentes a nivel mundial. Sin soporte de Redes Analógicas Servicios: - Roaming Internacional - Distinción entre la identificación de móvil y usuario - Calidad de voz mejorada - Seguridad Mejorada - Servicios Adicionales (SMS, Caller ID, etc ) 08 de Marzo del 2008

3 Sistemas GSM: Celdas CDMA vs celdas GSM
08 de Marzo del 2008

4 Sistemas GSM Bandas de Frecuencia
América: Banda PCS 1900 MHz; Europa: Banda 900 MHz, 1800 MHz (DCS 1800 MHz) Bandas GSM GSM 450 Band GSM 480 Band GSM 850 Band Standard or Primary GSM 900 Band, P GSM E GSM (includes GSM 900 band) Railways GSM 900 Band, R GSM DCS Band PCS Band Banda Celular 08 de Marzo del 2008

5 Sistemas GSM Bandas de Frecuencia GSM-R
Dual Band, Triple Band, Quad Band Phones Dual Band: 900 MHz – 1800 MHz (Europa, Asia,Australia, Brazil) 850 MHz – 1900 MHz (North America, South América) Tri Band: 900, 1800, 1900 MHz (Europa, Asia,Australia, Brazil + América) 850, 1900, 1800 MHz (North America, South América + Europe) 850,1900, 2100 UMTS Quad Band: MHz (America) MHz (Europa) 850/1700/1900/2100 Para servicios UMTS HSDPA, HSUPA 08 de Marzo del 2008

6 Sistemas GSM Bandas de Frecuencia Perú: Códigos de Operadores
MCC: Mobile Country Code (Código de País de la Red Móvil) MNC: Mobile Network Code (Código de Red Móvil) LAC: Local Area Code (Código de Area Local) CID: Cell Identifier (Identificador de Celda) Movistar GSM 850, CHs: (128 – 251) PCS 1900, CHs (512 – 810) MCC+MNC= 716 – 06 LAC = 4401 (Trujillo) CID = (Larco) CELLGLID="716"-"06" América Móviles PCS 1900, CHs (512 – 810) MCC+MNC= 716 – 10 LAC = 4001 (Trujillo) CID = (Larco) CELLGLID="716"-"10" 08 de Marzo del 2008

7 Sistemas GSM: Banda Celular
Claro pagó US$22,2 por la Banda B en el espectro de MHz, MHz, 846,5-849MHz y 891,5-894MHz. Sin embargo deberá devolver 25 MHz, ya que al haberse adjudicado la banda B, ha superado el tope del MTC fijado en 60 MHz. 08 de Marzo del 2008

8 Sistemas GSM Bandas de Frecuencia: Bandas Celulares A y B (GSM 850 MHz) (GSM 800 MHz) 08 de Marzo del 2008

9 Sistemas GSM Bandas de Frecuencia 08 de Marzo del 2008

10 Sistemas GSM 08 de Marzo del 2008

11 Sistemas GSM Bandas de Frecuencia: Bandas Celular A,B y PCS A, B, C, D, E, F (GSM 1900 MHz) Frecuencia Banda Rango de Frecuencias Total Empresa Area de Asignacion Ida (MHz) Retorno (MHz) (MHz) 850 MHz A,A”,A’ 824 835 869 880 25 Telefónica Móviles A nivel nacional 845 846.5 890 891.5 B América Móviles 849 894 B1 847.75 892.75 2.5 Valtron Rural Huarochiri B2 Disponible 1900 MHz A 1850 1865 1930 1945 30 D 1870 1950 10 Nextel 1882.5 1962.5 E 1895 1975 C 1910 1990 08 de Marzo del 2008

12 Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM 08 de Marzo del 2008 BTS
radio links microondas BTS GRANADOS Antenas celulares BTS PRIMAVERA BTS EL GOLF Enlace Ramal Norte Ramal Sur backbone microondas BSC + BTS AV. LARCO 08 de Marzo del 2008

13 Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM 08 de Marzo del 2008
MT: Mobile Terminal SIM: Suscriber Identity Module TA: Terminal Adaptator TE: Terminal Equipment GMSC: Gateway Mobile Switching Center IWF: Inter Working Function ADC: Administration Center NMC: Network Maintenance Center OMC: Operation and Maintenance Center 08 de Marzo del 2008

14 Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM 08 de Marzo del 2008

15 CID (Cell Site Identity)
Sistemas GSM Códigos Identificadores Sistema GSM CID (Cell Site Identity) LAI = CC+ MNC+LAC 08 de Marzo del 2008

16 Sistemas GSM Estación Móvil GSM 08 de Marzo del 2008

17 Sistemas GSM Modulo de Identidad de Usuario Goldwafer Card
08 de Marzo del 2008

18 Sistemas GSM Modulo de Identidad de Usuario 08 de Marzo del 2008

19 Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)
Una BTS consta de dispositivos de: Transmisión Recepción Procesado de señal Cifrado Medición de Señal Capacidad de 1 a 16 transceivers Cada Transceiver corresponde a un canal de RF 08 de Marzo del 2008

20 Arquitectura Local: Estaciones Base
Monopolo con plataforma Rx Estación Base + MSC autosoportada Tx Rx β γ α Estación Base 2 γ 120º 3 β α 1 08 de Marzo del 2008

21 Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)
Unidades de control Radio Canales TRX banco baterías 08 de Marzo del 2008

22 Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station) CU: Carrier Unit
COBA: Core Basis Module DIAMCO: Diversity Amplifier Multi Coupler ACOM: Antenna Combining 08 de Marzo del 2008

23 Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)
UPAO Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station) 08 de Marzo del 2008

24 Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)
UPAO Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station) 08 de Marzo del 2008

25 Sistemas GSM Centro de Autenticación GSM
Gestion de los datos de seguridad Proporciona parámetros a la HLR para completar la autenticación del móvil 08 de Marzo del 2008

26 Sistemas GSM Autenticación GSM
Se parte de una clave Ki (128 bits) almacenada tanto en la SIM como en el Centro de Autenticación (AuC) Los algoritmos utilizados son A3 (clave autenticación) y A8 (cifrado de datos tx). Incluídos en la SIM La implementación de los algoritmos A3-A8, también es conocida como COMP128 Tabla de Relación IMSI - Ki La Red GSM solicita IMSI Se genera Respuesta Firmada (32 bits) Se envía Nº aleatorio El móvil opera el mismo Algoritmo (128 bits) Se genera Kc para Tx información El móvil envía Respuesta Firmada AuC compara las respuestas Al coincidir se valida autenticación 08 de Marzo del 2008

27 Sistemas GSM Cifrado de tráfico GSM
La clave de cifrado (Kc) se utiliza para cifrar y descifrar los datos transmitidos entre la estación móvil y la estación base La clave de cifrado puede cambiarse a intervalos regulares según lo requieran las consideraciones de seguridad y diseño de red En un principio el algoritmo A5 tuvo una longitud de clave "efectiva" de 40 bits, posteriormente 64 bits y en un futuro 128 bits. Versiones del algoritmo : A5/1, A5/2 Operación XOR Operación XOR 08 de Marzo del 2008

28 Sistemas GSM Registro de Identidad de Equipos Posee tres apartados
Lista Blanca: Equipos autorizados para el acceso Lista Negra: Equipos que tienen prohibido el acceso ( Ej. Terminales robados) Lista Gris: Lista de equipos que deben ser puestos en observación. Poseen un comportamiento anómalo 08 de Marzo del 2008

29 Sistemas GSM Interfases de transporte y señalización
Elementos indispensable de comunicación para el enlace entre sus componentes Uso de señalización Nº 7 ( SS7 ) SS7 es una variante de packet switching , similarmente a IP realiza cálculo de costes, rutas, etc Nodos de Enrutamiento (STP), Puntos de Servicio de Conmutación (SSP), Service Control Points (SCP) Interconexión GSM 08 de Marzo del 2008

30 Sistemas GSM Modulación GSM: Introducción Formas de Onda:
Pulso rectangulares contienen muchos armónicos. Su ancho de banda debe de limitarse para aprovechar el ancho de banda del sistema. A mayor limitación en frecuencia más pronunciado es el “spreading”en el tiempo. Filtros Los pulsos digitales son filtrados antes de entrar al modulador para reducir el ancho de banda de la señal modulada Con esto es inevitable que dejen de ser rectángulos. Se busca un compromiso entre Ancho de banda ↔ ISI El filtro mas usado es el Coseno cuadrado (“Raised-cosine”) junto con el filtro Gaussiano. 08 de Marzo del 2008

31 Modulación FSK (Frecuency Shift Keying)
Sistemas GSM Modulación GSM: Introducción Modulación MSK (Minimun Shift Keying) La modulación de tipo MSK es una variante de FSK, con la diferencia de no variar la fase durante la transmisión de dos bits consecutivos Modulación FSK (Frecuency Shift Keying) 08 de Marzo del 2008

32 Sistemas GSM Modulación GMSK
Se reduce el espectro de la señal MSK pasando la señal NRZ por un filtro Gaussiano antes de atacar el modulador MSK. Método sencillo: Se puede generar GMSK aplicando la salida de un filtro Gaussiano-pasa.baja a un VCO (varactor) en un transmisor FM. Se usa GMSK en GSM-DCS por: - Buena eficiencia espectral 1,4 bps/Hz, pero menor que TDMA: 1.6 bps/Hz - Resistencia a la interferencia de canales y co-canal 08 de Marzo del 2008

33 Sistemas GPRS EDGE Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones
Escuela Ingeniería Electrónica 08 de Marzo del 2008

34 Sistemas GPRS-EDGE GSM fue originalmente diseñado para transmisión de voz, con capacidades de roaming. Su migración hacia transmisión de datos no era un camino fácil Primera Opción: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Limitaciones de la conmutación de circuítos Surgen alternativas para integrar alta velocidad en canales de 200 KHz GPRS: Global Packet Radio Service, el primer estándar para alta velocidad EDGE: Enhanced Data for GSM Evolution, Aplicaciones de mas alta velocidad. Orden de modulación mayor 08 de Marzo del 2008

35 Sistemas GPRS-EDGE Aspectos Básicos de GPRS
El camino de evolución de la tecnología para GSM y los Operadores TDMA está marcado por el paso a través de GPRS, y EDGE, aunque algunos operadores pueden optar para migrar directamente hacia UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Las aplicaciones de datos están basados en Internet. Así el núcleo de red necesita ser Internet Protocol (IP) Los formatos 3G utilizan un núcleo de red basado en IP sin la necesidad de inversiones adicionales. Aún WCDMA hace uso de la arquitectura GPRS para sus servicios de datos. Todas las tecnologías de alta velocidad soportan VoIP, de las cuales EDGE posee mayores ventajas 08 de Marzo del 2008

36 Sistemas GPRS-EDGE Aspectos Básicos de GPRS
El móvil GPRS trabaja de igual manera que un terminal GSM. La diferencia comienza en el enlace backhaul. El BSC enruta la llamada de datos a través de un Nodo de Soporte GPRS (SGSN) En la Red Pública Móvil Terrestre GPRS (PLMN) se encuentran dos nodos formando el backbone de la Red GPRS: Serving GPRS Support Node (SGSN): Pasarela para los datos de la red móvil. Monitorea el servicio del móvil Gateway GPRS Support Node (GGSN): Pasarela desde la PLMN, hacia la red IP exterior. 08 de Marzo del 2008

37 Sistemas GPRS-EDGE Arquitectura GPRS
PCU (Packet Control Unit): Gestiona transferencia de paquetes entre terminales móviles y el SGSN. SGSN (Serving GPRS Support Node): Gestión de Sesión, Movilidad, Seguridad (cifrado interfaz aire), Tarificación GPRS, Compresión de datos GGSN (Gateway GPRS Support Node): Funciones de Encaminamiento, Gestión de Sesión ( IP al terminal movil) , Movilidad, Pasarela de Seguridad, Tarificacion hacia redes externas. BG (Border Gateway): Conecta redes IP autónomas realizando funciones de seguridad 08 de Marzo del 2008

38 Sistemas GPRS-EDGE Clases de Estaciones GPRS
Class A: Estaciones Móviles pueden hacer y recibir llamadas en GSM y GPRS al mismo tiempo. Class B: Estaciones Móviles pueden hacer y recibir llamadas en GSM and GPRS, pero no al mismo tiempo. Class C: Se debe seleccionar manualmente en las estaciones móviles para que ellas operen en modo GPRS o GSM. Esta selección se realiza por el usuario al momento de la suscripción. SGNS: CPX-5000 GGNS: CPG-3300 08 de Marzo del 2008

39 Identificación de Canales Red GSM
down link up link Traffic Channel TCH Canal 3 Canal 1 Canal 2 Canal n BTS Móvil TS8 TS8 ... TS2 TS1 TS0 Móvil TS1 Móvil TS0 Acceso TDMA: (Traffic Channels) GSM divide cada radio canal en 8 time slots. La velocidad de los datos esta determinada por la velocidad individual de cada time slot, y por el número de time slots usados 08 de Marzo del 2008

40 Sistemas GPRS-EDGE Clases de Estaciones GPRS
Adicionalmente se clasifican a las estaciones de acuerdo a su acceso a time slots Clase 1: 1 TS para Tx, 1 TS para Rx Clase 29: 8 TS para Tx, 8 TS para Rx; (Las clases intermedias se dan de manera asimétrica) 08 de Marzo del 2008

41 Sistemas GPRS-EDGE Asignaciones de Slots
Las asignaciones de slots GPRS and GSM son mostradas en un ejemplo en la figura. Cualquier slot puede ser asignado hacia GSM o GPRS a menos que haya sido asignado permanentemente, sin embargo una asignación dinámica es mucho mas eficiente. Existen asignaciones híbridas permitiendo que algunos slots sean asignados a GSM y algunos a GPRs basados en su necesidad. La voz siempre tiene preferencia, así GSM siempre tendrá la primera opción. 08 de Marzo del 2008

42 Sistemas GPRS-EDGE Codificación GPRS
Aplicaciones como voz, video o juegos son sensibles a retardos y/o retransmisones. Otros como Web Browser son poco perceptibles al usuario Data Rate: Velocidad de Datos enviados Throughput: Transferencia de Datos Efectiva (recibida) La meta del operador es ofrecer una transferencia óptima, a pesar de los problemas de propagación o distancia. Luego se desarrolla el uso de formatos de codificación para protección variable de errores 08 de Marzo del 2008

43 Sistemas GPRS-EDGE Codificación GPRS (Coding Schemes)
CS-1: Nivel C/I muy bajo. 1/2 code rate, 9.05 Kbps payload data rate, 181 bits en 20 ms. 1/2 encoder, 12 bits in, 24 bits out. CS-2: Usa 2/3 code rate, 13.4 Kbps payload data rate of, 268 bits en 20 ms. 2/3 encoder, 12 bits in, 18 bits out. CS-3: Usa 3/4 coder rate, 15.6 Kbps payload data rate, 312 bits en 20 ms. 3/4 encoder, 12 bits in, 16 out. CS-4: Nivel ideal C/I. Sin codificación de correcciones, 1 code rate (12 in, 12 out) maximum payload data rate of 21.4 Kbps, or 428 bits per 20 ms. La máxima tasa de datos para una trama GPRS se dará utilizando los 8 TS. Luego es: 8 × 21.4K = Kbps. Interleaving: Es usado para esparcir los bits en la ráfaga de datos. Si una ráfaga de datos tiene errores significativos, estos no afectan los bits adyacentes, lo cual haría imposible su corrección, facilitando el trabajo de las técnicas de correcciçón de errores Ejemplo: ELECTRONICA ELEOIACTRNC ELXCTRXNXCX 08 de Marzo del 2008

44 Sistemas GPRS-EDGE Codificación GPRS - EDGE (Coding Schemes)
08 de Marzo del 2008

45 Sistemas GPRS-EDGE Formato EDGE
EDGE es un upgrade para GPRS, e integración en redes GSM. GPRS: gross payload por time slot es 116 bits EDGE: gross payload llega hasta 464 bits. Este incremento se logra por el uso de un formato de modulación mayor y diferentes tasas de codificación. GPRS: modulación GMSK (igual a GSM). Esto quiere decir que el upgrade de una BTS GSM para soportar GPRS era en teoría un cambio de software. EDGE usa un nuevo formato de modulación: eight-phase shift keying (8PSK). Esto quiere decir que el upgrade hacia EDGE involucra nuevos TRX’s y su instalación es mas compleja. El técnica de manejo de paquetes es idéntica en EDGE y GPRS. GMSK 8-PSK 08 de Marzo del 2008

46 Sistemas GPRS-EDGE Modulación y Codificación EDGE
En 8-PSK, cada cambio de símbolo representa 3 bits de información. En GSM y GPRS, cada cambio de símbolo representa 2 bits. Así se permite una mayor tasa de datos. La Modulación EDGE puede ser intercambiable. Ejemplo: Un TS con GMSK, y el siguiente TS con 8PSK. El móvil necesitará mayor potencia recepción RF para recibir la señal 8PSK. La diferencia entre los niveles necesarios para una calidad de BER para EDGE y GMSK son muy considerables, así deben planificarse colocar mas estaciones para obtener la misma cobertura y perfomance. Se piensa en amplificadores basados en superconductores con figuras de ruido muy altas. 08 de Marzo del 2008

47 Situación Actual: Tecnologías Comunicaciones Móviles Mundo
EDGE / EGPRS: Enhanced Data Rate for GSM Evolution DTM: Dual Transfer Mode CS: Circuit Switched PS: Packet Switched MBMS: Multimedia Broadcast Multicast Service EDGE Ph2: Adaptative MultiRate Codec (AMR) HSPA: High Speed Packet Access 3GPP: Third Generation Partnership Project Evolución GSM 3GPP2: Evolución CDMA Rev A: 3.1 Mbps Rev B: hasta 73 Mbps Rev C: hasta 200 Mbps 08 de Marzo del 2008

48 Situación Actual: Convergencia con Redes de Próxima Generación
UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network GERAN: GSM Edge Radio Access Network HSCSD High Speed Circuit Switched Data FDD Frequency Division Duplexing TDD Time Division Duplexing TD-SCDMA Time Division-Synchronous CDMA EDCH CAMEL IMS IP Multimedia Subsystem 08 de Marzo del 2008

49 Muchas Gracias 08 de Marzo del 2008