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Sistemas GSM / GPRS

Sistemas GSM / GPRS. Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones Escuela Ingeniería Electrónica UNPRG. Sistemas GSM. Groupe Special Mobile – Global System for Global Communication (GSM) Obtuvo un crecimiento sin precedentes a nivel mundial. Sin soporte de Redes Analógicas

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  1. Sistemas GSM / GPRS Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones Escuela Ingeniería Electrónica UNPRG

  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 )

  3. Sistemas GSM: Celdas CDMA vs celdas GSM

  4. Banda Celular Sistemas GSM • 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 1 800 Band • PCS 1 900 Band Bandas de Frecuencia • América: Banda PCS 1900 MHz; Europa: Banda 900 MHz, 1800 MHz (DCS 1800 MHz)

  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) • Quad Band: • 850-1900 MHz (America) • 900-1800 MHz (Europa) • 850/1700/1900/2100 • Para servicios UMTS HSDPA, HSUPA • Tri Band: • 900, 1800, 1900 MHz • (Europa, Asia,Australia, • Brazil + América) • 850, 1900, 1800 MHz • (North America, South • América + Europe) • 850,1900, 2100 UMTS

  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 = 30011 (Larco) CELLGLID="716"-"06"-4401-30011 América Móviles PCS 1900, CHs (512 – 810) MCC+MNC= 716 – 10 LAC = 4001 (Trujillo) CID = 51132 (Larco) CELLGLID="716"-"10"-4001-51132

  7. Sistemas GSM: Banda Celular Claro pagó US$22,2 por la Banda B en el espectro de 835-845MHz, 880-890MHz, 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.

  8. Sistemas GSM Bandas de Frecuencia: Bandas Celulares A y B (GSM 850 MHz) (GSM 800 MHz)

  9. Sistemas GSM Bandas de Frecuencia

  10. Sistemas GSM

  11. Sistemas GSM Bandas de Frecuencia: Bandas Celular A,B y PCS A, B, C, D, E, F (GSM 1900 MHz)

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

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

  14. Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM

  15. Sistemas GSM Códigos Identificadores Sistema GSM CID (Cell Site Identity) LAI = CC+ MNC+LAC

  16. Sistemas GSM Estación Móvil GSM

  17. Sistemas GSM Modulo de Identidad de Usuario Goldwafer Card

  18. Sistemas GSM Modulo de Identidad de Usuario

  19. Sistemas GSM • 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 Estación Base (Base Transceiver Station)

  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

  21. Unidades de control banco baterías Radio Canales TRX Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)

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

  23. UPAO Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)

  24. UPAO Sistemas GSM Estación Base (Base Transceiver Station)

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

  26. Sistemas 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 Autenticación GSM 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

  27. Sistemas 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 Cifrado de tráfico GSM Operación XOR Operación XOR

  28. Sistemas GSM • 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 Registro de Identidad de Equipos

  29. Sistemas GSM • 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) Interfases de transporte y señalización Interconexión GSM

  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.

  31. 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)

  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

  33. Sistemas GPRS EDGE Ing. Eduardo Cerna Sánchez Area Telecomunicaciones Escuela Ingeniería Electrónica

  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

  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

  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.

  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

  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

  39. Traffic Channel TCH up link down link Canal n Canal 3 Canal 2 Canal 1 Identificación de Canales Red GSM • 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 BTS TS8 ... Móvil TS8 TS2 TS1 TS0 Móvil TS1 Móvil TS0

  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)

  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.

  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

  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 = 171.2 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: ELECTRONICAELEOIACTRNC ELXCTRXNXCX

  44. Sistemas GPRS-EDGE • Codificación GPRS - EDGE (Coding Schemes)

  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

  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.

  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

  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

  49. Muchas Gracias

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