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Introducción GPRS GENERAL PACKET RADIO SERVICE 1 Introducción OBJETIVO El objetivo de este trabajo de investigación es presentar una tecnología que mejora la transmisión de datos en movilidad al gestionarse la comunicación a través de pequeños paquetes de información. 2 Introducción INDICE INTRODUCCION ................................................................................................................................................................ 1 CAPITULO 1 INTRODUCCION A GSM 1.1 Introducción........................................................................................................................................................... 5 1.2 El Sistema GSM .................................................................................................................................................... 6 1.3 Servicios ................................................................................................................................................................ 7 1.4 Arquitectura de la Red GSM ................................................................................................................................. 8 1.4.1 Estación Móvil (MS, Mobile Station) .................................................................................................. 8 1.4.2 Subsistema de Estación Base (BSS, Base Station Subsystem) ............................................................. 9 1.4.3 Subsistema de Conmutación y Red (NSS, Network and Switching Subsystem) ................................ 10 1.4.4 Subsistema de Soporte y Operación (OSS, Operation and Support Subsystem) ................................. 12 1.5 Interfaces y Protocolos ........................................................................................................................................ 12 1.6 La Interfaz de Radio ............................................................................................................................................ 14 1.7 Canales Físicos y Lógicos.................................................................................................................................... 16 1.7.1 Canales de Tráfico (TCH, Traffic Channels) ...................................................................................... 17 1.7.2 Canales de Control (CCH, Control Channels) ................................................................................... 18 1.8 Ejemplo de Una Llamada GSM ........................................................................................................................... 23 1.9 Estructura de las Tramas ..................................................................................................................................... 25 1.10 Timing Advance ................................................................................................................................................. 27 1.11 Gestión de la Movilidad....................................................................................................................................... 28 1.12 Procesamiento Digital de la Señal de Voz ........................................................................................................... 32 1.12.1 Codificación de la Voz ....................................................................................................................... 33 1.12.2 Codificación del Canal ....................................................................................................................... 35 1.12.3 Entrelazado (Interleaving) .................................................................................................................. 36 1.12.4 Modulación Digital en GSM .............................................................................................................. 37 1.13 Limitaciones de GSM Para la Transmisión de Datos ........................................................................................... 37 1.14 Conclusiones ....................................................................................................................................................... 38 CAPÍTULO 2 INTRODUCCION A GPRS 2.1 Situación Actual De Las Redes Móviles ............................................................................................................. 39 2.2 ¿Que es GPRS? ................................................................................................................................................... 42 3 Introducción 2.3 Mecanismos de Movilidad en GPRS .................................................................................................................. 43 2.4 Ventajas del GPRS Para el Usuario. ................................................................................................................... 45 2.5 Servicios del GPRS Para el Usuario. .................................................................................................................. 45 2.6 Conclusiones ....................................................................................................................................................... 46 CAPITULO 3 GPRS 3.1 Introducción......................................................................................................................................................... 47 3.2 Problemas de la Conmutación de Paquetes en Comunicaciones Móviles ............................................................ 50 3.3 Arquitectura GPRS .............................................................................................................................................. 52 3.3.1 GGSN (Gateway GPRS Support Node) ............................................................................................ 53 3.3.2 SGSN (Serving GPRS Support Node) ............................................................................................... 54 3.3.3 CG (Charging Gateway) ..................................................................................................................... 54 3.3.4 LIG (Lawful Interception Gateway) ................................................................................................... 54 3.3.5 DNS (Domine Name System) ............................................................................................................ 54 3.4 Interfaces de Red GPRS ...................................................................................................................................... 54 3.5 Interfaz Aéreo de GPRS ..................................................................................................................................... 57 3.6 Esquemas de Codificación .................................................................................................................................. 58 3.7 Tipos de Terminales ............................................................................................................................................ 59 3.8 Protocolos GPRS ................................................................................................................................................. 61 3.8 3.8.1 Canales Físicos y Lógicos ................................................................................................................. 63 3.8.2 SNDCP 66.......................................................................................................................................... 65 3.8.3 LLC .................................................................................................................................................... 69 3.8.4 RLC/MAC 72..................................................................................................................................... 71 Conclusiones ....................................................................................................................................................... 76 CAPITULO 4 PROTOCOLOS DE RADIO GPRS 4.1 4.2 4.3 Introducción......................................................................................................................................................... 77 Protocolos de Radio GPRS ................................................................................................................................. 78 4.2.1 Nivel 1 ............................................................................................................................................... 78 4.2.2 Protocolo del Interfaz Gb ................................................................................................................... 78 4.2.3 GTP .................................................................................................................................................... 81 Gestión de la Conexión ....................................................................................................................................... 83 4.3.1 Gestión de la Movilidad ..................................................................................................................... 83 4.3.2 Gestión de la Sesión .......................................................................................................................... 89 4.4 QoS sobre Una Red GPRS .................................................................................................................................. 93 4.5 Ventajas de GPRS .............................................................................................................................................. 97 4 Introducción 4.6 Desventajas de GPRS .......................................................................................................................................... 97 4.8 Conclusiones ....................................................................................................................................................... 98 CAPÍTULO 5 MOVILIDAD Y CALIDAD DE SERVICIO 5.1 Introducción ........................................................................................................................................................ 99 5.2 Tipos de Calidad de Servicio ............................................................................................................................. 100 5.2.1 Principales Parámetros de Medida de la Calidad .............................................................................. 101 5.2.2 Factores Principales que Afectan a la Calidad de la Señal Radio ..................................................... 103 5.3 Gestión de la Calidad ......................................................................................................................................... 105 5.4 Principales Campos de Aplicación .................................................................................................................... 108 5.5 Movilidad .......................................................................................................................................................... 108 5.6 Movilidad Personal y del Terminal .................................................................................................................... 108 5.7 5.6.1 Movilidad en las Redes Celulares: GPRS y UMTS .......................................................................... 111 5.6.2 Escenario de Itinerancia GPRS ........................................................................................................ 114 Conclusiones ..................................................................................................................................................... 115 CAPITULO 6 SERVICIOS Y APLICACIONES GPRS 6.1 Introducción....................................................................................................................................................... 116 6.2 Tipos de Terminales Móviles Para Aplicaciones GPRS .................................................................................... 118 6.2.1 Teléfonos Móviles Tradicionales ..................................................................................................... 118 6.2.2 Teléfonos Combinados ..................................................................................................................... 119 6.2.3 Terminales Tipo Ordenador Personal de Mano (PDA, Personal Digital Assistant) .......................... 120 6.2.4 Ordenadores Portátiles ..................................................................................................................... 121 6.3 Aplicaciones y Servicios Con GPRS ................................................................................................................. 121 6.4 Servicios y Aplicaciones Iniciales Sobre GPRS ................................................................................................ 122 6.4.1 Seguridad ......................................................................................................................................... 122 6.4.2 Transporte ........................................................................................................................................ 125 6.4.3 Servicios de Localización ................................................................................................................ 127 6.4.4 Sistema e-peritaje de Telefónica I+D ............................................................................................... 128 6.4.5 Administración Pública .................................................................................................................... 129 6.4.6 Comercio Electrónico Móvil (“m-commerce”) ................................................................................ 130 6.5 Aplicaciones a Medio y Largo Plazo ................................................................................................................. 132 6.6 Tarificación En GPRS ....................................................................................................................................... 134 6.7 Conclusiones ..................................................................................................................................................... 137 5 Introducción CAPITULO 7 EVOLUCION HACIA UMTS 7.1 Introducción....................................................................................................................................................... 138 7.2 Evolución Hacia UMTS .................................................................................................................................... 139 7.3 Servicios ........................................................................................................................................................... 139 7.4 Arquitectura del Sistema UMTS ........................................................................................................................ 141 7.4.1 UE (User Equipment) ....................................................................................................................... 141 7.4.2 CN (Core Network) .......................................................................................................................... 142 7.4.3 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) ...................................................................... 142 7.5 Interfaces ........................................................................................................................................................... 144 7.6 Protocolos .......................................................................................................................................................... 145 7.7 Canales Físicos, Lógicos y de Transporte .......................................................................................................... 146 7.8 la Interfaz de Radio........................................................................................................................................... 148 7.9 Movilidad .......................................................................................................................................................... 150 7.10 Hacia una Arquitectura UMTS Basada en «Todo IP»........................................................................................ 150 7.11 7.10.1 Versión 99 ........................................................................................................................................ 150 7.10.2 Versión 4 .......................................................................................................................................... 151 7.10.3 Versión 5 .......................................................................................................................................... 152 7.10.4 Versión 6 .......................................................................................................................................... 153 Conclusiones ..................................................................................................................................................... 156 CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES ................................................................................................................. 158 GLOSARIO ....................................................................................................................................................................... 159 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................................................... 164 6 Introducción INTRODUCCION Las comunicaciones mediante dispositivos electrónicos han evolucionado de una forma considerable en los últimos años. Aunque las redes comerciales de telefonía móvil aparecieron a principio de los años 40, se consideran a las redes analógicas de finales de los 70 en Estados Unidos y en Europa a principio de los 80, como la primera generación (1G) de redes sin cables. Desde estas terminales analógicas hasta las propuestas para tercera y cuarta generación de telefonía móvil, que ya están siendo utilizados ha habido muchos cambios en las necesidades y requerimientos, las nuevas tecnologías ya no se enfocan tanto a la comunicación entre personas, el enfoque cada día está más dedicado a la comunicación entre objetos electrónicos, y a comunicaciones de datos. Los nuevos servicios requieren una conexión mucho más rápida en lo que a datos se refiere, por eso se implementaron protocolos como GPRS, que se puede implementar en sistemas de 2G y 2.5G. La telefonía móvil comenzó con los sistemas analógicos, el más importante de estos sistemas fue AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Este sistema se conoce como de 1G. Aparece en 1983, utilizaba modulación FM. Después del sistema AMPS, apareció el sistema IS 41 o TDMA. Este sistema divide el canal en ranuras de tiempo, cada ranura equivale a un móvil transmitiendo información por lo que cada canal es compartido por 7 Introducción tres usuarios. La modulación para este sistema es mucho más compleja que para AMPS, aquí se utilizaba π/4 DQPSK. Otro sistema que tuvo gran éxito fue el sistema IS 95, que en lugar de utilizar TDMA utiliza CDMA o acceso múltiple por división de código. Este sistema consiste en asignar códigos de pseudos ruido en la transmisión. En el receptor, el dispositivo que cuente con el código, recibe la información; para el resto de los usuarios, la información aparece simplemente como ruido. A principios de la década de 1980, los sistemas analógicos tuvieron un período de rápido crecimiento en Europa. Algunos países se dedicaron a desarrollar su propio sistema, incompatible con los de los demás. A finales de los 80, las comunicaciones digitales comenzaron a desplazar a las analógicas, debido a que los sistemas móviles no pueden soportar una gran capacidad de tráfico ya que el espectro es limitado; por esta razón se tuvo en los sistemas móviles una salida al problema de tráfico denso como el que se presenta en zonas urbanas. Esto supuso que CEPT (Confederación de Correos y Telégrafos Europeos) formara un grupo, llamado Groupe Speciale Mobile para estudiar y desarrollar un sistema telefónico móvil terrestre, y público para toda Europa. En 1989 fue transferida la responsabilidad de GSM al Instituto Europeo de Normas y Telecomunicación (ETSI) y en 1990 se publicó la fase I de las especificaciones GSM. Este sistema tuvo la ventaja de haberse diseñado desde cero, sin importar si era compatible con los sistemas existentes. GSM fue el estandarte de la segunda generación, pero pronto comenzarían a aparecer nuevas tecnologías como GPRS (General Packet Radio Service), que puede ser considerado de 2.5G. Este sistema utiliza TDMA y se incluyó la conmutación de paquetes, lo que proporcionaba tasas de transmisión de datos mayores. GPRS es muy importante porque es el sistema de conmutación de datos de mayor aceptación a nivel mundial. En un principio fue desarrollado para Europa, pero fue adoptado por muchos más países. El estándar de 3G propuesto por el ETSI (European Telecommunications Standards Institute) es UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). UMTS es un 8 Introducción estándar ratificado por el ITU-T (Internacional Telecommunications Union – Telecommunication Standardization Sector) bajo el amparo de IMT2000 (Internacional Mobile Telephony). Este es el estándar dominante, con el estadounidense CDMA2000 que va ganando terreno, especialmente con los operadores que desarrollaron CDMAONE, que es su predecesor. UMTS es especificado como una migración de GSM de 2G a UMTS, a través de GPRS y EDGE como se muestra en la Figura 1.1. GSM GPRS UMTS EDGE Figura 1.1 Evolución de GSM a UMTS Los sistemas de tercera generación, se consideran como los sistemas que obtendrán el mayor número de usuarios en la primera década de este siglo. Las estimaciones indican que para el 2010 habrá al menos 600 millones de abonados. Lo más importante y por lo que se estima este éxito es por los servicios que se podrán ofrecer. TDMA TDMA GPRS GSM WCDMA (UMTS) PDS cdmaONE cdma 2000 1x cdmaONE 2G 2.5G 3G Figura 1.2 Posibilidades de evolución de 2G a 3G 9 Introducción Criterio Primera Generación Segunda Generación Tercera Generación Servicios Voz Voz y Mensajeria corta Voz y Datos Calidad de Servicio (Qos) Baja Baja Alta Nivel de Estandarización Bajo Bajo Fuerte Velocidad de Transmision Baja Baja Alta Tipo de Conmutación Circuitos Circuitos Paquetes (IP) Tabla 1.1 Comparación de servicios entre diferentes generaciones. Para el caso de 4G, los servicios se mantienen e incrementan levemente, pero la velocidad de transmisión será mucho mayor, el punto más importante es que las diferentes arquitecturas de los diferentes sistemas se encontrarán completamente interconectadas, y el usuario podrá disponer de todos los servicios que ofrecen. 10 Introducción INTRODUCCION Las comunicaciones mediante dispositivos electrónicos han evolucionado de una forma considerable en los últimos años. Aunque las redes comerciales de telefonía móvil aparecieron a principio de los años 40, se consideran a las redes analógicas de finales de los 70 en Estados Unidos y en Europa a principio de los 80, como la primera generación (1G) de redes sin cables. Desde estas terminales analógicas hasta las propuestas para tercera y cuarta generación de telefonía móvil, que ya están siendo utilizados ha habido muchos cambios en las necesidades y requerimientos, las nuevas tecnologías ya no se enfocan tanto a la comunicación entre personas, el enfoque cada día está más dedicado a la comunicación entre objetos electrónicos, y a comunicaciones de datos. Los nuevos servicios requieren una conexión mucho más rápida en lo que a datos se refiere, por eso se implementaron protocolos como GPRS, que se puede implementar en sistemas de 2G y 2.5G. La telefonía móvil comenzó con los sistemas analógicos, el más importante de estos sistemas fue AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Este sistema se conoce como de 1G. Aparece en 1983, utilizaba modulación FM. Después del sistema AMPS, apareció el sistema IS 41 o TDMA. Este sistema divide el canal en ranuras de tiempo, cada ranura equivale a un móvil transmitiendo información por lo que cada canal es compartido por 11 Introducción tres usuarios. La modulación para este sistema es mucho más compleja que para AMPS, aquí se utilizaba π/4 DQPSK. Otro sistema que tuvo gran éxito fue el sistema IS 95, que en lugar de utilizar TDMA utiliza CDMA o acceso múltiple por división de código. Este sistema consiste en asignar códigos de pseudos ruido en la transmisión. En el receptor, el dispositivo que cuente con el código, recibe la información; para el resto de los usuarios, la información aparece simplemente como ruido. A principios de la década de 1980, los sistemas analógicos tuvieron un período de rápido crecimiento en Europa. Algunos países se dedicaron a desarrollar su propio sistema, incompatible con los de los demás. A finales de los 80, las comunicaciones digitales comenzaron a desplazar a las analógicas, debido a que los sistemas móviles no pueden soportar una gran capacidad de tráfico ya que el espectro es limitado; por esta razón se tuvo en los sistemas móviles una salida al problema de tráfico denso como el que se presenta en zonas urbanas. Esto supuso que CEPT (Confederación de Correos y Telégrafos Europeos) formara un grupo, llamado Groupe Speciale Mobile para estudiar y desarrollar un sistema telefónico móvil terrestre, y público para toda Europa. En 1989 fue transferida la responsabilidad de GSM al Instituto Europeo de Normas y Telecomunicación (ETSI) y en 1990 se publicó la fase I de las especificaciones GSM. Este sistema tuvo la ventaja de haberse diseñado desde cero, sin importar si era compatible con los sistemas existentes. GSM fue el estandarte de la segunda generación, pero pronto comenzarían a aparecer nuevas tecnologías como GPRS (General Packet Radio Service), que puede ser considerado de 2.5G. Este sistema utiliza TDMA y se incluyó la conmutación de paquetes, lo que proporcionaba tasas de transmisión de datos mayores. GPRS es muy importante porque es el sistema de conmutación de datos de mayor aceptación a nivel mundial. En un principio fue desarrollado para Europa, pero fue adoptado por muchos más países. El estándar de 3G propuesto por el ETSI (European Telecommunications Standards Institute) es UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). UMTS es un 12 Introducción estándar ratificado por el ITU-T (Internacional Telecommunications Union – Telecommunication Standardization Sector) bajo el amparo de IMT2000 (Internacional Mobile Telephony). Este es el estándar dominante, con el estadounidense CDMA2000 que va ganando terreno, especialmente con los operadores que desarrollaron CDMAONE, que es su predecesor. UMTS es especificado como una migración de GSM de 2G a UMTS, a través de GPRS y EDGE como se muestra en la Figura 1.1. GSM GPRS UMTS EDGE Figura 1.1 Evolución de GSM a UMTS Los sistemas de tercera generación, se consideran como los sistemas que obtendrán el mayor número de usuarios en la primera década de este siglo. Las estimaciones indican que para el 2010 habrá al menos 600 millones de abonados. Lo más importante y por lo que se estima este éxito es por los servicios que se podrán ofrecer. TDMA TDMA GPRS GSM WCDMA (UMTS) PDS cdmaONE cdma 2000 1x cdmaONE 2G 2.5G 3G Figura 1.2 Posibilidades de evolución de 2G a 3G 13 Introducción Criterio Primera Generación Segunda Generación Tercera Generación Servicios Voz Voz y Mensajeria corta Voz y Datos Calidad de Servicio (Qos) Baja Baja Alta Nivel de Estandarización Bajo Bajo Fuerte Velocidad de Transmision Baja Baja Alta Tipo de Conmutación Circuitos Circuitos Paquetes (IP) Tabla 1.1 Comparación de servicios entre diferentes generaciones. Para el caso de 4G, los servicios se mantienen e incrementan levemente, pero la velocidad de transmisión será mucho mayor, el punto más importante es que las diferentes arquitecturas de los diferentes sistemas se encontrarán completamente interconectadas, y el usuario podrá disponer de todos los servicios que ofrecen. 14 Capitulo 1 Introducción a GSM CAPITULO 1 INTRODUCCION A GSM GLOBAL SYSTEM FOR MOBILE COMMUNICATIONS 1.1 Introducción El sistema GPRS se propone como una extensión del sistema GSM para la transmisión de datos mediante la técnica de conmutación de paquetes. De tal forma que ambos sistemas comparten la misma infraestructura con un reparto de los recursos en función de la demanda de los diferentes servicios ofrecidos por el conjunto. La disposición de los canales GPRS se hace sobre la estructura de canales GSM y coinciden ambos con la forma de acceso múltiple FDMA/TDMA. En este capitulo se estudia el sistema GSM ya que resulta de utilidad para la posterior introducción del sistema GPRS. 5 Capitulo 1 1.2 Introducción a GSM El Sistema GSM En 1982, para tratar de solucionar los problema que había creado el desarrollo descoordinado e incompatible de sistemas analógicos (primera generación) de telefonía móvil en Europa, la CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) creo un grupo llamado GSM (Groupe Special Mobile) para desarrollar un sistema paneuropeo de comunicaciones móviles. Se adopto la dedición de que el sistema sería digital en lugar de analógico, y con las siguientes premisas: roaming internacional, eficiencia espectral, implementación de mecanismos fiables de seguridad, soporte para la introducción de nuevos servicios y compatibilidad con la red digital de servicios integrados (ISDN, Integrated Services Digital Network). También permitiría la utilización de tecnología VLSI de fabricación de chips electrónicos, pudiéndose fabricar equipos móviles más pequeños y baratos. En 1989, la responsabilidad por el desarrollo de GSM fue transferida al ETSI (European Telecommunication Standards Institute). El servicio comercial del sistema GSM llego en 1991, si bien el tamaño de las áreas de cobertura y el número de usuarios era bastante dispar. Actualmente el mercado de redes y equipamientos GSM se ha expandido más allá de las fronteras de Europa. Esta amplitud del mercado es la razón por la que las siglas GSM que pertenecían a grupo especial móvil (Group Special Mobile), pertenecen actualmente a sistema global para comunicaciones móviles (Global System for Mobile Communications). La evolución de GSM ha estado marcada por tres fases: la fase 1, en la que se produjeron sus especificaciones; la fase 2, en la que se incluyeron servicios de datos y de fax; y finalmente, la fase 2+, en la que se realizan mejoras sobre la codificación de voz y se implementan servicios de transmisión de datos avanzados, entre ellos HSCSD, GPRS y EDGE. Como se muestra en la Tabla 1.1, el sistema GSM fue adoptado para operar en tres diversos rangos de frecuencias: GSM900 GSM1800 GSM1900 890-915 MHz (Tx) 1710-1785 MHz (Tx) 1850-1910 MHz (Tx) 935-960 MHz (Rx) 1805-1880 MHz (Rx) 1930-1990 MHz (Rx) Tabla 1.1 Bandas de frecuencias en GSM 6 Capitulo 1 Introducción a GSM GSM900 o simplemente GSM, la utilizan actualmente más de cien países en el mundo, principalmente en Europa y en Asia (Pacífico). GSM900 tiene más alcance pero tiene menos capacidad de penetración, por eso es ideal para ser utilizada en espacios abiertos, y menos indicada en las ciudades o en zonas verticalmente urbanizadas. GSM1800 también conocida por DSC1800, es utilizada en Europa y Asia (Pacífico). Las operadoras utilizan GSM1800 en conjunto con GSM900 para poder aumentar la capacidad, por lo que es necesario tener un equipo móvil Dual Band que conmute automáticamente para GSM900 o para GSM1800 según la disponibilidad del sitio. GSM1900 también conocida por PCS1900, es utilizada en algunas partes de Estados Unidos, Canadá, América Latina y África. 1.3 Servicios GSM es un sistema digital basado en la técnica de conmutación de circuitos, diseñado originalmente para la transmisión de servicios de voz y posteriormente se le adicionaron servicios de transmisión de datos a una tasa de transferencia de 9.6 kbps. Los servicios que se van incorporando a GSM se llevan a cabo por el MoU (Memorandum of Understanding). El MoU ha definido tres tipos de categorías de servicios que pueden ofrecerse sobre una red GSM: los teleservicios que engloban a los servicios básicos de telefonía; los servicios portadores que son los utilizados para la transmisión y recepción de datos; y los servicios suplementarios que generalmente son extensiones de los teleservicios y proporcionan nuevas características a la red GSM. En la Tabla 1.2 se muestran algunos ejemplos característicos de cada categoría. Teleservicios Servicios Portadores Servicios Suplementarios Telefonía, llamadas de emergencia, servicio de mensajes cortos, servicios de fax y voz. Transmisión sincrona y asíncrona de datos. Desvío de llamadas, reenvío de llamadas, restricción de llamadas, llamadas en espera, identificación de llamadas, llamadas múltiple, buzón de voz. Tabla 1.2 Categorías de servicios en GSM 7 Capitulo 1 1.4 Introducción a GSM Arquitectura de la Red GSM En la Figura 1.1 se muestra la arquitectura de la red GSM. Sus componentes peden ser agrupados en cuatro subsistemas: la estación móvil (MS, Mobile Station), el subsistema de estación base (BSS, Base Station Subsystem), el subsistema de conmutación y red (NSS, Network and Switching Subsystem) y el subsistema de soporte y operación (OSS, Operation and Support Subsystem). Figura 1.1 Arquitectura de la red GSM 1.4.1 Estación Móvil (MS, Mobile Station) La estación móvil se compone de dos elementos: el equipo móvil (ME, Mobile Equipment) y el modulo de identidad del suscriptor (SIM, Subscriber Identity Module). Equipo Móvil (ME, Mobile Equipment) El equipo móvil es el equipo físico utilizado por el usuario para acceder a los servicios de la red GSM, proporciona una interfaz (micrófono, altavoz, teclado, pantalla, etc.) y realiza funciones de procesamiento de señales y de radio frecuencia. El equipo móvil es identificado de forma única por un número de 15 dígitos llamado identidad del equipo móvil internacional (IMEI, International Mobile Equipment Identity), que se utiliza para proporcionar seguridad en la red GSM a nivel de equipos validos. 8 Capitulo 1 Introducción a GSM Modulo de Identidad del Suscriptor (SIM, Subscriber Identity Module) El SIM es una tarjeta inteligente que se inserta en el interior del equipo móvil, contiene información sobre el perfil de servicio del suscriptor, el número ISDN de estación móvil (MSISDN, Mobile Station ISDN Number) y un identificador único llamado identidad del suscriptor móvil internacional (IMSI, International Mobile Subscriber Identity), que se utiliza para identificar al usuario dentro de la red. Además, el SIM esta protegido contra uso indebido por un número de cuatro dígitos llamado numero de identificación personal (PIN, Personal Identification Number). La mayor ventaja del SIM es que proporciona movilidad al usuario, permitiéndole acceder a los servicios de la red GSM independientemente del equipo móvil que utilice. 1.4.2 Subsistema de Estación Base (BSS, Base Station Subsystem) El subsistema de estación base se encarga de la conexión radio entre las estaciones móviles y la red GSM, se compone de dos elementos: la estación tranceptora base (BTS, Base Transceiver Station) y el controlador de estación base (BSC, Base Station Controller). Estación Transceptora Base (BTS, Base Transceiver Station) La BTS contiene el equipo de radio (TRXs y antenas) que definen una celda de la red GSM, utiliza técnicas de acceso múltiple para permitir que varios usuarios establezcan comunicaciones simultáneamente, gestiona los protocolos de radio, mide la potencia que recibe de las estaciones móviles y monitorea la calidad de la conexión. Las estaciones móviles se conectan a la BTS a través de la interfaz de radio denominada Um. Controlador de Estación Base (BSC, Base Station Controller) El BSC gestiona los recursos de radio de una o varias BTS, entre sus funciones se incluye el control del handover (que ocurre cuando un usuario se mueve de una celda a otra, permitiendo que el enlace se mantenga), el control de la potencia emitida por la BTS y el equipo móvil, el control de los saltos de frecuencia (frequency hopping) y la asignación de los canales de radio. Un grupo de BTS se encuentran conectados a un BSC a través de la interfaz Abis. 9 Capitulo 1 Introducción a GSM TRAU (Transcoding Rate and Adaptation Unit) La TRAU adapta las tasas de datos de 8, 16 y 32 kbps que se transmiten entre la BTS y el BSC, a una tasa de 64 kbps para que puedan ser enviadas hacia la interfaz RDSI del MSC. Aunque la TRAU ha formado parte del BSS, normalmente reside cerca del MSC para reducir costos. En la Figura 1.2 se muestran las diferentes tasas de datos a través de la red GSM. Figura 1.2 Tasas de datos 1.4.3 Subsistema de Conmutación y Red (NSS, Network and Switching Subsystem) El subsistema de conmutación y red se encarga de las labores de conmutación, contiene las bases de datos necesarias para la gestión de la movilidad y de la seguridad en la red GSM, actualiza la posición del usuario, registra y verifica las comunicaciones, gestiona los problemas de saturación e interconecta a los usuarios con otras redes GSM y con otras redes públicas de telefonía o de datos. La NSS esta formado por los elementos que se describen en los siguientes apartados. Centro de Conmutación Móvil (MSC, Mobile Switching Center) El MSC se encarga de enrutar, establecer, mantener y liberar las llamadas entre los usuarios de la red GSM y con los usuarios de otras redes, como puede ser la red telefónica conmutada pública (PSTN, Public Switching Telephone Network) o la red digital de servicios integrados (ISDN, Integrated Services Digital Network). Además, el MSC posee una serie de equipos destinados a controlar varias funciones, como el servicio de mensajes cortos, el servicio del buzón de voz y la información sobre la tarificación. Una o varios BSC se conectan a un MSC a través de la interfaz A. 10 Capitulo 1 Introducción a GSM Registro de Localización de Suscriptores (HLR, Home Location Registrer) El HLR es una base de datos que contiene información permanente de la localización actual de las estaciones móviles y del perfil de servicio de cada suscriptor registrado en la red GSM. El HLR se actualiza cada vez que una estación móvil se mueve de un MSC a otro. Mediante el HLR se verifica si una estación móvil dispone de un contrato de servicio válido. Registro de Localización de Visitantes (VLR, Visitor Location Registrer) El VLR es una base de datos asociada a un MSC que contiene información temporal sobre los usuarios que se encuentran en el área de influencia de su correspondiente MSC. El VLR controla el tipo de conexiones que una estación móvil puede hacer. Por ejemplo, si un usuario posee restricciones en las llamadas internacionales, impide que estas sean realizadas. El VLR comparte funcionalidad con el HLR, cuando una estación móvil se mueve a una nueva ubicación, el VLR almacena la nueva posición e informa al HLR. Centro de Autentificación (AuC, Authentication Center) El AuC es una base de datos que contiene una copia de la clave secreta del SIM, utilizada para la autentificación de las estaciones móviles y para la encriptación de las comunicaciones. Durante la autentificación, el AuC genera un número aleatorio que se envía a la estación móvil. A partir de ese número, junto a la clave secreta del SIM y un algoritmo de encriptación denominado A3, la estación móvil genera otro número que es enviado de regreso al AuC. Si el número enviado por la estación móvil es igual al calculado por el AuC, el usuario esta autorizado para usar la red GSM. El AuC se suele integrar en el HLR. Registro de Identidad de Equipos (EIR, Equipment Identity Register) El EIR es una base de datos que contiene una lista (blanca) de los IMEI (Internacional Mobile Equipment identity) de todos los equipos móviles validos para acceder a la red GSM, una lista (gris) de los IMEI de equipos móviles bajo observación por posibles problemas, y contiene otra lista (negra) de los IMEI de equipos móviles que han sido declarados como robados o que no son compatible con GSM. 11 Capitulo 1 Introducción a GSM MSC Pasarela (GMSC, Gateway MSC) El GMSC es el punto hacia el cual es encaminada una llamada cuando no se tiene conocimiento de la localización de la estación móvil, tiene la responsabilidad del encaminamiento de la llamada al MSC correcto consultando al HLR para encontrar la ubicación actual de una estación móvil. 1.4.4 Subsistema de Soporte y Operación (OSS, Operation and Support Subsystem) El subsistema de soporte y operación se conecta a diferentes NSS y BSC para controlar y monitorizar toda la red GSM. 1.5 Interfaces y Protocolos Entre cada par de elementos de la arquitectura de la red GSM existe una interfaz independiente. Cada interfaz requiere de su propio conjunto de protocolos que hacen posible el intercambio de información. En la Figura 1.3 se muestran las principales interfaces de la red GSM. Figura 1.3 Interfaces de la red GSM Los protocolos de señalización en GSM son estructurados en un modelo de 3 capas o niveles. En la Figura 1.4 se muestran los protocolos usados en la interfaz Um, en la interfaz Abis y en la interfaz A. 12 Capitulo 1 Introducción a GSM Figura 1.4 Protocolos en GSM La capa 1 que corresponde con la capa física, especifica como se transmite la información a través de un medio físico. El medio físico entre la MS y la BTS es el aire, se usa un protocolo basado en un esquema de acceso múltiple FDMA/TDMA. El medio físico entre el BSC y el MSC es un troncal E1 o basado en microondas, y se usa el protocolo MTP nivel 1 del conjunto de protocolos SS7. La capa 2 que corresponde con la capa de enlace de datos, provee detección y corrección de errores en los datos recibidos de la capa física. Un protocolo LAPD modificado llamado LAPDm se usa en la interfaz Um. El protocolo MTP nivel 2 del conjunto de protocolos SS7 se usa en la interfaz A. La capa RRM (Radio Resources Management) se encarga del establecimiento, mantenimiento y liberación de los canales de radio, del control de potencia, así como de las medidas necesarias para las funciones de handover. La capa MM (Mobility Management) se encarga del mantenimiento y actualización de la información sobre la localización de las estaciones móviles, así como de las funciones de autentificación y de seguridad. 13 Capitulo 1 Introducción a GSM La capa CM (Communication Management) es dividida en diferentes entidades: control de llamadas (CC), soporte para el servicio de mensajes cortos (SMS), soporte para servicios suplementarios (SS) y soporte para servicio de localización (LCS). La capa SSCP (Signaling Connection Control Part) proporciona servicios orientados a conexión y no orientados a conexión, y puede verse como TCP para el protocolo de Internet. La capa BSSAP (Base Station System Application Part) está dividido en dos subcapas: la subcapa DTAP (Direct Transfer Application Part) utilizada para transferir los mensajes entre el MSC y la estación móvil; y la subcapa BSSMAP (BSS Management Application Part), cuyos mensajes son trasferidos entre el BSC y el MSC para soportar procedimientos como gestión de los recursos, control del handover y la búsqueda (paginación) de la estación móvil. En las interfaces B, C, D, E, F y G se usa el protocolo MAP del conjunto de protocolos SS7. Las especificaciones del protocolo MAP es uno de los documentos más largos y complejos de las recomendaciones GSM. 1.6 La Interfaz de Radio GSM utiliza FDD (Frecuency Division Duplex) y una combinación de FDMA (Frecuency Division Multiple Access) y TDMA (Time Division Multiple Access) para permitir a múltiples usuarios compartir sin interferencia un recurso limitado como es el espectro de radio. GSM900 utiliza dos bandas de 25 MHz en modo FDD para transmitir y para recibir. La banda de 890-915 MHz se usa para en enlace ascendente (uplink) desde la MS hasta la BTS y la banda de 935-960 MHz se usa para el enlace descendente (downlink) desde la BTS hacia la MS. Mediante FDMA, las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen en canales de 200 KHz llamados ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). El ARFCN denota un par de canales separados por 45 MHz, un canal se usa para el uplink y otro canal se usa para el downlink. El número total de canales disponibles dentro de los 25 14 Capitulo 1 Introducción a GSM MHz de cada banda es de 125 (asumiendo que no hay ninguna banda de guarda). En implementaciones prácticas, se proporciona una banda de guarda en la parte más alta y más baja del espectro de GSM, y se dispone tan solo de 124 canales. Mediante TDMA, cada canal se divide en ocho ranuras de tiempo o TS (Time Slots) que se asignan a cada usuario durante una llamada o se utilizan para proporcionar el control de la red GSM. Cada uno de los 8 usuarios que comparten el mismo ARFCN, ocupan un único TS por trama, cada TS tiene un tamaño equivalente en un canal de radio de 156.25 bits y una duración de 576.92 µs como se muestra en la Figura 1.5, y una trama simple contiene 1250 bits y dura 4.615 ms. Figura 1.5 Acceso múltiple FDMA y TDMA Las transmisiones de radio se hacen a una velocidad de 270.8333 kbps usando modulación digital binaria GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) con BT=0.3. El BT es el producto del ancho de banda del filtro por el periodo de bit de transmisión. Por lo tanto, la velocidad efectiva de transmisión de cada usuario es de 33.854 kbps (270.833 kbps/8 usuarios). Con el estándar GSM, los datos se envían actualmente a una velocidad máxima de 24.7 kbps. En el siguiente ejemplo, un canal se asigna a la portadora de 935.2MHz y otro canal se asigna a la portadora de 890.2 MHz. Como se muestra en la Figura 1.6, la estación base 15 Capitulo 1 Introducción a GSM siempre transmite tres TS (Time Slots) antes que la estación móvil. En otras palabras, la transmisión de un TS en el downlink siempre ocurrirá tres TS antes que la transmisión del mismo TS en el uplink. Una estación móvil sincronizado con una estación base que recibe información en un TSX, tendrá por tanto que esperar otros 3 TS (3 x 156.25 bits = 468.75 bits) antes de enviar sus datos. Figura 1.6 Secuencia de la transmisión 1.7 Canales Físicos y Lógicos En GSM, la combinación de un TS y un ARFCN constituye un canal físico, y la información transportada por un canal físico constituye un canal lógico. Las especificaciones GSM definen una gran variedad de canales lógicos que pueden ser usados para enlazar la capa física con la capa de enlace de datos dentro de las capas de la red GSM. Los canales lógicos se pueden separar en dos categorías principalmente: los canales de tráfico (TCH, Traffic Channels) y los canales de control (CCH, Control Channel). Los TCH llevan voz codificada digitalmente o datos de usuario y tienen funciones idénticas tanto para el uplink como para el downlink. Los canales de control llevan comandos de señalización y sincronización entre la estación base y la estación móvil. Se definen ciertos tipos de canales de control exclusivos para el uplink o para el downlink. Hay seis clases 16 Capitulo 1 Introducción a GSM diferentes de canales de tráfico y un número aún mayor de canales de control, que a continuación se describen brevemente. 1.7.1 Canales de Tráfico (TCH, Traffic Channels) Los canales de tráfico pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Se definen en GSM dos formas generales de canales de tráfico: el canal de tráfico a velocidad completa (TCH/F, Traffic Channel/Full Rate) y el canal de tráfico a velocidad media (TCH/H, Traffic Channel/Half Rate). El TCH/F transporta información a una velocidad de 22.8 kbps y los datos están contenidos en el mismo TS de tramas consecutivas. El TCH/H transporta información a una velocidad de 11.4 kbps y los datos de usuario se transportan en el mismo TS, pero se envían en tramas alternativas. Para transportar voz codificada digitalmente se utilizan dos tipos de canales de tráfico: TCH/FS. Lleva voz digitalizada a una tasa de 13 kbps. Después de la codificación del canal la velocidad es de 22.8 kbps. TCH/HS. Lleva voz digitalizada a una tasa de 6.5 kbps. En este aspecto GSM se ha anticipado a la disponibilidad de codificadores normalizados de voz que ha sido muestreada a la mitad que la de un canal a velocidad completa. Después de la codificación del canal, la velocidad es de 11.4 kbps. Para llevar datos de usuario se utilizan los siguientes tipos de canales de tráfico: TCH/F9.6. Lleva datos de usuario a una tasa de 9.6 kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada, los datos se envían a 22.8 kbps. TCH/F4.8. Lleva datos de usuario a una tasa de 4.8 kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada, los datos se envían a 22.8 kbps. TCH/F2.4. Lleva datos de usuario a una tasa de 2.4 kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada, los datos se envían a 22.8 kbps. 17 Capitulo 1 Introducción a GSM TCH/H4.8. Lleva datos de usuario a una tasa de 4.8 kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada, los datos se envían a 11.4 kbps. TCH/H2.4. Lleva datos de usuario a una tasa de 2.4 kbps. Con la codificación de corrección de errores aplicada, los datos se envían a 11.4 kbps. A cada grupo de 26 tramas consecutivas se le llama multitrama de voz (Speech Multiframe). De cada 26 tramas, la decimotercera trama contiene datos de un canal de control asociado lento (SACCH), y la vigesimosexta trama contiene datos de una trama idle para el caso cuando se usan canales de tráfico a velocidad completa, o contiene datos SACCH cuando se usan canales de tráfico a velocidad media. Además, los datos TCH no se pueden enviar en el TS0 sobre ciertos ARFCNs ya que este TS está reservado para los canales de control en la mayoría de las tramas. La Figura 1.7 muestra la multitrama de voz cuando los datos TCH se envían en tramas consecutivas. Figura 1.7 Multitrama de voz 1.7.2 Canales de Control (CCH, Control Channels) Se definen tres tipos de canales de control: el canal de difusión (BCH), el canal de control común (CCCH) y el canal de control dedicado (DCCH). Cada canal de control consiste en varios canales lógicos distribuidos en el tiempo para proporcionar las funciones de control necesarias en GSM. Los canales de control downlink BCH y CCCH se implementan sólo en ciertos ARFCNs que se diseñan como canales broadcast, y se localizan solo en el TS0 durante ciertas tramas dentro de una secuencia repetitiva de 51 tramas llamada multitrama de control (Control Multiframe). Desde el TS1 hasta el TS7 se lleva canales de tráfico regulares. 18 Capitulo 1 Introducción a GSM En GSM se definen 34 ARFCNs como canales broadcast estándar. Para cada canal broadcast, la trama 51 no contiene ningún canal downlink BCH o CCCH y se considera como una trama idle. Sin embargo, el canal uplink CCH puede recibir transmisiones durante el TS0 de cualquier trama (incluso la trama idle). Por otra parte, los datos de un DCCH se pueden enviar durante cualquier TS y en cualquier trama, hay tramas completas dedicadas específicamente para algunas transmisiones DCCH. A continuación se describen los diferentes tipos de canales de control. Canal de Difusión (BCH, Broadcast Channel) El BCH sirve como un canal guía para cualquier estación móvil cercana que lo identifique y se enganche a él. El BCH proporciona sincronización para todas las estaciones móviles dentro de la celda y se monitoriza ocasionalmente por las estaciones móviles de celdas vecinas para recibir datos de potencia y poder realizar las decisiones de handover. Dentro del canal BCH se definen tres tipos de canales separados que tienen acceso al TS0 durante varias tramas de la multitrama de control formada por 51 tramas. La Figura 1.8 muestra cómo se colocan los BCHs en la multitrama de control tanto para el uplink como para el downlink. Al contrario que los canales de tráfico que son dúplex, los BCHs solo operan en el downlink de un ARFCN específico dentro de cada celda. Aunque los datos BCH se transmiten en el TS0, los otros siete slots de una trama del mismo ARFCN están disponibles para datos TCH, DCCH o están fijados por ráfagas vacías (dummy). A continuación se describen los tres tipos de canales BCH. Canal de Control de Difusión (BCCH, Broadcast Control Channel). El BCCH es un canal downlink que se usa para enviar información de identificación de celda y de red, así como características operativas de la celda (estructura actual de canales de control, disponibilidad de canales y congestión). El BCCH también envía una lista de canales que están en uso en una celda. Desde la trama 2 a la 5 de una multitrama de control están contenidos los datos BCCH. Debe notarse en la Figura 1.8 que el TS0 contiene datos BCCH durante tramas específicas y contiene otro tipo de canales BCHs, CCCHs o tramas idle, en otras tramas hasta completar las 51 tramas que forman la multitrama de control. Canal de Corrección de Frecuencia (FCCH, Frequency Correction Channel). El FCCH es un canal downlink que permite a cada estación móvil sincronizar su 19 Capitulo 1 Introducción a GSM frecuencia interna de oscilación a la frecuencia exacta de la estación base. El FCCH es una ráfaga de datos que ocupa el TS0 en la primera trama dentro de la multitrama de control y se repite cada diez tramas. Canal de Sincronización (SCH, Sinchronization Channel). El SCH es un canal downlink que se envía en el TS0 de la trama inmediatamente después del FCCH y se usa para identificar a la estación base servidora mientras que permite a cada estación móvil la sincronización de las tramas con la estación base. El número de trama (FN) que oscila entre 0 hasta 2715647, se envía con el código de identificación de la estación base (BSIC) durante la ráfaga SCH. El BSIC es asignado individualmente a cada estación base en un sistema GSM. Dado que la estación móvil puede estar hasta 30 km de la estación base, es necesario frecuentemente ajustar la temporización de un usuario móvil particular de forma que la señal recibida en la estación base se sincroniza con el reloj de la estación base. Figura 1.8 Mulitrama de control para el downlink (a) y para el uplink (b) Canal de Control Común (CCCH, Common Control Channel) Un CCCH puede estar formado por tres tipos diferentes de canales: el canal de búsqueda (PCH), el canal de acceso aleatorio (RACH) y el canal de acceso concedido (AGCH). En aquellos ARFCNs reservados para BCHs, los CCCHs ocupan el TS0 de cada trama que no esté ocupada por los BCHs o por tramas idle. Como se muestra en la Figura 1.8, los 20 Capitulo 1 Introducción a GSM CCCHs son los más comunes dentro de los canales de control y se usan para buscar a los abonados, asignar canales de señalización a los usuarios y recibir contestaciones de las estaciones móviles para el servicio. A continuación se describen los tres tipos de canales CCCH. Canal de Búsqueda (PCH, Paging Channel). El PCH es un canal downlink que proporciona señales de búsqueda a todas las estaciones móviles de una celda, y avisa a las estaciones móviles si se ha producido alguna llamada procedente de la PTSN. El PCH transmite el IMSI (Identidad del Suscriptor Móvil Internacional) del abonado destino, junto con la petición de reconocimiento de la estación móvil a través de un RACH. Alternativamente, el PCH se puede usar para proporcionar envíos de mensajes tipo ASCII en las celdas, como parte del servicio SMS de GSM. Canal de Acceso Aleatorio (RACH, Random Access Channel). El RACH es un canal uplink usado por la estación móvil para originar una llamada, y también se usa para confirmar una búsqueda procedente de un PCH. El RACH usa un esquema de acceso slotted ALOHA. Todas las estaciones móviles deben de pedir acceso o responder ante una petición por parte de un PCH dentro del TS0 de una trama. En la estación base, cada trama (incluso la trama idle) aceptará transmisiones RACH de las estaciones móviles durante el TS0. Para establecer el servicio, la estación base debe responder a la transmisión RACH dándole un canal de tráfico y asignando un SDCCH para la señalización durante la llamada. Esta conexión se confirma por la estación base a través de un AGCH. Canal de Acceso Concedido (AGCH, Access Grant Channel). El AGCH es un canal downlink usado por la estación base para proporcionar un enlace de comunicaciones con la estación móvil, y lleva datos que ordenan a la estación móvil operar en un canal físico en particular (en un determinado TS y en un ARFCN) con un SDCCH. El AGCH es el último mensaje de control enviado por la estación base antes de que el abonado es eliminado del control del canal de control. El AGCH se usa por la estación base para responder a un RACH enviado por una estación móvil en la trama CCCH previa. 21 Capitulo 1 Introducción a GSM Canales de Control Dedicados (DCCH, Dedicated Control Channel) Hay tres tipos de canales de control dedicados en GSM, y como los canales de tráfico, son dúplex y tienen el mismo formato y función en el uplink y en el downlink. Como los canales de tráfico, los DCCHs pueden existir en cualquier TS de cualquier ARFCN excepto en el TS0 de los ARFCNs reservados para los BCHs. Los Canales de Control Dedicados (SDCCH) se usan para proporcionar servicios de señalización requeridos por los usuarios. Los canales de control asociados lentos y rápidos (SACCH y FACCH) se usan para supervisar las transmisiones de datos entre la estación móvil y la estación base durante una llamada. Canal de Control Dedicado (SDCCH, Stand Alone Dedicated Control Channel). El SDCCH lleva datos de señalización siguiendo la conexión de la estación móvil con la estación base, y justo antes de la conexión lo crea la estación base. El SDCCH se asegura que la estación móvil y la estación base permanezcan conectados mientras que el MSC verifica la unidad de abonado y localiza los recursos para la estación móvil. El SDCCH se puede pensar como un canal intermedio y temporal que acepta una nueva llamada procedente de un BCH y mantiene el tráfico mientras que está esperando que la estación base asigne un TCH. El SDCCH se usa para enviar mensajes de autentificación y de alerta (pero no de voz). Al SDCCH se les puede asignar su propio canal físico o puede ocupar el TS0 del BCH si la demanda de BCHs o CCCHs es baja. Canal de Control Asociado Lento (SACCH, Slow Associated Control Channel). El SACCH está siempre asociado a un canal de tráfico o a un SDCCH y se asigna dentro del mismo canal físico. Por tanto, cada ARFCN sistemáticamente lleva datos SACCH para todos sus usuarios actuales. El SACCH lleva información general entre la estación móvil y la estación base. En el downlink, el SACCH se usa para enviar a la estación móvil información lenta pero regular sobre los cambios de control, tales como instrucciones sobre la potencia a transmitir e instrucciones específicas de temporización para cada usuario del ARFCN. En el uplink, lleva información acerca de la potencia de la señal recibida y de la calidad del TCH, así como las medidas BCH de las celdas vecinas. El SACCH se transmite durante la decimotercera trama (y la vigesimosexta si se usa velocidad media) de cada multitrama de voz (ver Figura 22 Capitulo 1 Introducción a GSM 1.7), y dentro de esta trama, los 8 slots se usan para proporcionar datos SACCH a cada uno de los 8 usuarios (o 16) del ARFCN. Canal de Control Asociado Rápido (FACCH, Fast Associated Control Channel). El FACCH lleva mensajes urgentes, y contienen esencialmente el mismo tipo de información que el SDCCH. Un FACCH se asigna cuando un SDCCH no se ha dedicado para un usuario particular y hay un mensaje urgente (como una respuesta de handover). El FACCH gana tiempo de acceso a un slot “robando” tramas del canal de tráfico al que está asignado. Esto se hace activando dos bits especiales llamados bits de robo (stealing bits) de una ráfaga TCH. Si se activan los stealing bits, el slot sabe que contiene datos FACCH y no un canal de tráfico para esa trama. 1.8 Ejemplo de Una Llamada GSM Para comprender cómo se usan los diferentes canales de tráfico y de control, consideremos el caso de que se origine una llamada en GSM. Primero, la estación móvil debe estar sincronizada a una estación base cercana como se hace en un BCH. Recibiendo los mensajes FCCH, SCH y BCCH, la estación móvil se enganchará al sistema y al BCH apropiado. Para originar una llamada, el usuario primero marca la combinación de dígitos correspondiente y presiona el botón de “enviar” del teléfono GSM. La estación móvil transmite una ráfaga de datos RACH usando el mismo ARFCN que la estación base a la que está enganchado. La estación base entonces responde con un mensaje AGCH sobre el CCCH que asigna a la estación móvil un nuevo canal para una conexión SDCCH. La estación móvil, que está recibiendo en el TS0 del BCH, recibe su asignación de ARFCN y su TS por parte del AGCH e inmediatamente cambia su sintonización a su nuevo ARFCN y TS. Esta nueva asignación del ARFCN y del TS es físicamente el SDCCH (no el TCH). Una vez sintonizado al SDCCH, la estación móvil primero espera a la trama SDCCH que se transmite (la espera será como mucho de 26 tramas cada 120 ms, como se muestra en la Figura 1.7), y que informa a la estación móvil del adelanto de temporización adecuado y de los comandos de potencia a transmitir. La estación base es capaz de determinar el adelanto de temporización adecuado y el nivel de señal de la estación móvil gracias al último RACH enviado por la estación móvil, y envía los valores adecuados a través del SACCH. Hasta que estas señales no le son enviadas y procesadas, 23 Capitulo 1 Introducción a GSM la estación móvil no puede transmitir ráfagas normales como se requieren para un tráfico de voz. El SDCCH envía mensajes entre la estación móvil y la estación base teniendo cuidado de la autentificación y la validación del usuario, mientras que la PSTN conecta la dirección marcada con el MSC y el MSC conmuta un camino de voz hasta la estación base servidora. Después de pocos segundos, la estación móvil está dirigida por la estación base a través del SDCCH que devuelve un nuevo ARFCN y un nuevo TS para la asignación de un TCH. Una vez devuelto el TCH, los datos de voz se transfieren a través del uplink y del downlink, la llamada se lleva a cabo con éxito y el SDCCH es liberado. Toda esta secuencia de intercambio de mensajes, se muestra en la Figura 1.9. Figura 1.9 Petición de acceso a la red para una llamada Cuando se originan llamadas desde la PSTN, el proceso es bastante similar. La estación base envía un mensaje PCH durante el TS0 en una trama apropiada de un BCH. La estación móvil, enganchada al mismo ARFCN detecta su búsqueda y contesta con un mensaje RACH reconociendo haber recibido la página. La estación base entonces usa el AGCH sobre el CCCH para asignar un nuevo canal físico a la estación móvil para su conexión al SDCCH y al SACCH mientras la red y la estación base están conectadas. Una vez que la estación móvil establece sus nuevas condiciones de temporización y de potencia sobre el SDCCH, la estación base gestiona un nuevo canal físico a través del SDCCH y se hace la asignación del TCH. 24 Capitulo 1 1.9 Introducción a GSM Estructura de las Tramas Cada usuario transmite una ráfaga de datos durante cada TS asignado. Estas ráfagas de datos pueden tener uno de cinco posibles formatos definidos en el Estándar GSM. La Figura 1.10 muestra los cinco tipos posibles de ráfagas de datos usadas en GSM. Las ráfagas normales se usan para transmisiones TCH y DCCH tanto para el uplink como para el downlink. Las ráfagas FCCH y SCH se usan en el TS0 de las tramas específicas (como se ha visto con anterioridad) para enviar los mensajes de control de frecuencia y sincronización temporal en el downlink. La ráfaga RACH se usa por todas las estaciones móviles para acceder al servicio desde cualquier estación base, y la ráfaga vacía se usa para rellenar información en slots inutilizados en el downlink. Figura 1.10 Tipos de ráfagas de datos 25 Capitulo 1 Introducción a GSM La Figura 1.11 muestra las estructura de datos dentro de una ráfaga normal. Está formada por 156.25 bits que se transmiten a una velocidad de 270.8333 kbps, de los cuales 8.25 bits proporcionan un tiempo de guarda al final de cada ráfaga. Del total de 148 bits por TS, 114 son bits de información que se transmiten en dos secuencias de 57 bits al comienzo y al final de la ráfaga. En el centro de la ráfaga hay una secuencia de 26 bits de entrenamiento que permiten al ecualizador adaptativo de la estación móvil o de la estación base analizar las características del canal de radio antes de descodificar los datos. A cada lado de la secuencia de entrenamiento se encuentran los dos stealing flags. Estos dos flags se usan para distinguir si el TS contiene datos de voz (TCH) o de control (FACCH), ambos con el mismo canal físico. Finalmente, dos secuencias de tres bits que son siempre cero delimitan la ráfaga normal Durante una trama, el móvil usa un solo TS para transmitir, uno para recibir y puede usar seis slots para medir la potencia de la señal de cinco estaciones base adyacentes así como la de su propia estación base. Figura 1.11 Estructura de tramas Como se muestra en la Figura 1.11 hay ocho slots por trama y el periodo de trama es de 4.615 ms. Una trama contiene 1250 bits (8 x 156.25 bits), aunque algunos periodos no se usan. La velocidad de las tramas es de 216.66 tramas por segundo (270.8333 kbps/1250 bits/trama). Las tramas decimotercera y vigesimosexta no se usan para tráfico, sino para tareas de control. Cada una de las tramas normales se agrupan en estructuras más grandes 26 Capitulo 1 Introducción a GSM llamadas multitramas que a su vez se agrupan en supertramas y éstas en hipertramas. Una multitrama contiene 26 tramas, y una supertrama contiene 51 multitramas o 1326 tramas. Una hipertrama contiene 2048 supertramas o 2715648 tramas. Una hipertrama completa se envía cada 3 horas, 28 minutos y 54 segundos, y es importante en GSM dado que los algoritmos de encriptación relacionan este particular número de tramas y sólo se puede obtener una suficiente seguridad si se usa un número suficientemente grande como el que proporciona la hipertrama. Las multitramas de control ocupan 51 tramas (235.365 ms), a diferencia de las 26 tramas (120 ms) de la multitrama de voz usadas por los canales de tráfico o dedicados. Esto se hace intencionadamente para asegurar que cualquier estación móvil (si está en la celda servidora o en la adyacente) recibirá con seguridad las transmisiones del SCH y el FCCH del BCH. 1.10 Timing Advance Uno de los principales problemas de los sistemas TDMA, es el retardo que aparece al transmitir una ráfaga de datos. En el downlink no hay problema, ya que todas las estaciones móviles pueden recibir su señal (su ráfaga) independientemente de otras estaciones móviles. En el uplink, existe la posibilidad de colisiones con las ráfagas enviadas por otras estaciones móviles. Esto se produce porque se desconoce el retardo, o mejor dicho, se desconoce la distancia entre la estación móvil y la estación base. Como los usuarios pueden moverse libremente dentro de la red, el retardo varia durante la conexión. De esta forma, las estaciones móviles deben constantemente ajustar el comienzo de su transmisión para que sus datos entren dentro de la ventana de recepción de la estación base. En GSM, el control de este retardo se denomina control del avance del tiempo (Timing Advance Control). Control del Timing Advance en el Acceso a la Red. El control del Timing Advance resulta particularmente difícil cuando se produce el acceso a la red. En esta situación, la estación móvil puede estar a cualquier distancia de la estación base (dentro de su zona de cobertura). Para el acceso a la red, la estación móvil utiliza una ráfaga RACH (ver la Figura 1.10) que es mucho más corta que las ráfagas 27 Capitulo 1 Introducción a GSM normales, de forma que por muy lejos que la estación móvil esté de la estación base, siempre entrará en su ventana de recepción. La estación móvil siempre supone que el timing advance (la distancia) será cero cuando se transmite una ráfaga RACH. La longitud de la ráfaga RACH y el ancho de la ventana de recepción en la BTS son sumados para dar el radio máximo de cobertura de una estación base (35 Km.). De acuerdo con el tiempo de llegada de la ráfaga RACH a la ventana de recepción correspondiente, la estación base estima la distancia de la estación móvil y le devuelve este valor durante la asignación del canal. La estación móvil entonces regula su timing advance y puede entonces utilizar ráfagas normales. Por ejemplo, si la estación móvil recibe un valor de timing advance de 26, ya no transmite 486.75 bits en la ráfaga, sino 486.75 – 26 = 460.75 bits. Así, existirá la correspondencia adecuada entre el timing advance y el retardo entre la recepción y la transmisión en la parte del equipo móvil. Control del Timing Advance Durante la Conexión Durante la conexión, la estación base recibe una ráfaga normal de la estación móvil cada 4.615 ms. Con la ayuda del campo TSC (Training Sequence Code) que aparece en una en ráfaga normal (ver la Figura 1.12), la estación base es capaz de medir el timing advance, según el cambio de los bits en este campo. Figura 1.12 Campo TSC de la ráfaga normal 1.11 Gestión de la Movilidad Es necesario que la red controle la ubicación de cada estación móvil registrada para que la estación móvil se pueda conectar a la red. El HLR guarda una lista de todas las estaciones móviles y los BSC con los que están actualmente registrados. Cuando una estación móvil llega a una celda controlada por algún BSC, envía un mensaje identificándose ante el BSC. El BSC envía este mensaje al MSC, el cual ingresa la identidad de la estación móvil 28 Capitulo 1 Introducción a GSM en el VLR. El MSC entonces notifica al HLR que debe actualizar la nueva información acerca de la ubicación de la estación móvil. La mayoría de las redes GSM son diseñadas e implementadas de forma jerárquica siguiendo una estructura similar a la mostrada en la Figura 1.13. El LA (Location Area), es un grupo de celdas vecinas controladas por un MSC. Un MSC puede controlar varias LAs. Figura 1.13 Estructura jerárquica de una red GSM En la Figura 1.14 se muestra que información se almacena en la red GSM cuando una estación móvil se encuentra en alguno de los dos posibles modos de operación: parado y dedicado. El HLR conoce que VLR tiene información de un cliente en particular, ésta depende del modo en el que se encuentre la estación móvil. En el modo parado, tan sólo es conocido el grupo de celdas (LA, Location Area) en el que se encuentra, mientras que en el modo dedicado, también se conoce la celda en la que se localiza. 29 Capitulo 1 Introducción a GSM Figura 1.14 Datos conocidos por la red según el estado Una estación móvil se encuentra en modo parado cuando se ha registrado en la red (normalmente al encenderse), pero no está realizando ninguna llamada, y enviará información a la red de forma periódica de su localización y cuando traspasa la frontera entre dos LAs. Cuando el usuario quiera realizar una llamada, la estación móvil actualizará su posición en la red, y pasará al modo dedicado. Handover El handover es el traspaso de una llamada en progreso hacia una estación base (BTS) de otra celda. Por lo tanto, el handover es el responsable de mantener el servicio de manera constante y de que las transiciones entre una celda y otra sean lo suficientemente suaves como para pasar desapercibidas por los usuarios (ver la Figura 1.15). Figura 1.15 Handover en GSM 30 Capitulo 1 Introducción a GSM En GSM, hay cuatro tipos diferentes de handover en función de las celdas que intervengan durante el proceso. Handover de canales en la misma BTS Handover de BTSs controladas por el mismo BSC Handover de BTSs controladas por diferentes BSCs, pero que pertenecen al mismo MSC Handover de BTSs controladas por diferentes MSCs En los primeros dos tipos de handover, solo involucra al controlador de estación base (BSC). La BTS está midiendo constantemente con qué potencia recibe de las estaciones móviles de su celda y a su vez la estación móvil mide con qué potencia recibe de su BTS, la que le está dando servicio en ese momento y de las BTS vecinas, y envía de forma periódica esta información a la red. Todos estos datos son recogidos por el BSC que los cotejará y cuando lo estime oportuno ordenará un cambio de canal, es decir de BTS, sin que intervenga en ningún momento el MSC. Es por tanto el BSC el que toma la decisión de cambio y hace la nueva asignación de canal. Los dos últimos tipos de handover, suceden cuando no hay ninguna BTS controlada por un BSC que pueda dar un buen servicio, entonces es necesaria la intervención del MSC ya que se necesita información de celdas de otro BSC. En algunos sistemas es incluso el MSC el que decide a qué BSC cambiar, después tendrá que informar a los BSCs y BTSs implicados. En otras ocasiones siguen siendo los BSC los que toman las decisiones de cambio, pero consultando ahora información de otros BSC y no sólo la propia. Puede que el cambio implique no sólo un cambio de BSS sino también un cambio de MSC, en ese caso sería necesario también una actualización de los registros HLR y varios VLRs Roaming El roaming permite a un cliente de un operador en particular hacer llamadas utilizando una red GSM que se encuentre disponible y con la que el operador tiene un acuerdo de colaboración. Esto sucede fundamentalmente cuando los usuarios salen de viaje al extranjero, donde existe una red GSM, pero no es la de su operador (ver la Figura 1.16). 31 Capitulo 1 Introducción a GSM Figura 1.16 Roaming en GSM El operador dentro del área de iniciación de la llamada contacta a un MSC pasarela (GMSC, Gateway MSC), el cual vincula al usuario con su propio operador. El GMSC identifica al operador de un usuario buscando en una tabla el número ISDN de estación móvil (MSISDN, Mobile Station ISDN Number), que identifica de forma única a una estación móvil. El usuario que pide establecer una llamada pasa su MSISDN al GMSC. El número MSISDN consiste de un código de país (CC, Country Code), un código de destino nacional (NDC, National Destination Code) y un número de suscriptor (SN, Subscriber Number). Después de haber identificado al operador del usuario, se consulta al HLR del operador para establecer la ubicación de la estación móvil a la que se llama. Luego la llamada se establece de manera normal. 1.12 Procesamiento Digital de la Señal de Voz El servicio más importante ofrecido al usuario de GSM es la transmisión de voz. El requerimiento técnico general es simple: transmitir señales de voz con un nivel aceptable de calidad. Debido a la reducida capacidad del canal de radio disponible, es deseable minimizar el número de bits que se necesitan transmitir. La Figura 17 muestra las operaciones que se realizan sobre la señal de voz desde el transmisor hasta el receptor. 32 Capitulo 1 Introducción a GSM Figura 1.17 Operaciones desde la entrada de voz hasta su recepción 1.12.1 Codificación de la Voz El codec de voz es el dispositivo que transforma la voz humana en una representación digital de datos que se puedan transmitir a través de la interfaz de radio, y genera una representación analógica audible de los datos recibidos. El codec de voz forma parte de cada estación móvil diseñado para la transmisión de voz y entrega bloques de 260 bits cada 20 ms, lo que equivale a una tasa de transmisión de 13 kbps. La codificación de la voz en GSM tiene las siguientes características: Hay una gran cantidad de redundancia en los sonidos del lenguaje humano, al eliminar la mayoría de esta redundancia, queda una gran cantidad de tiempo útil para otros usuarios en el canal. El proceso de la codificación de voz se basa en quedarse con la mínima cantidad de información necesaria para reconstruir la señal de voz en el receptor. Las pausas en el flujo normal de las conversaciones telefónicas se detectan para suspender (opcionalmente) la transmisión durante estos periodos. Esta característica reduce el tráfico, la interferencia entre celdas y aumenta la duración de las baterías de los equipos móviles. Esta función se llama transmisión discontinua (DTX). 33 Capitulo 1 Introducción a GSM La Figura 1.18 muestra los componentes necesarios en el proceso de codificación y descodificación de la voz en GSM. Figura 1.18 Procesamiento de la señal de voz El sonido se convierte en una señal eléctrica mediante el micrófono. Un filtro pasa bajas filtra la señal de forma que sólo contiene componentes en frecuencia por debajo de 4 KHz. La señal en banda base de telefonía se reduce al mínimo ancho de banda entre 300 Hz y 3.4 KHz, suficientes para el reconocimiento correcto de la voz. Después de filtrar, el convertidor analógico digital (ADC) muestrea la señal analógica a una frecuencia de 8 KHz y cuantiza las muestras en datos de 13 bits, por lo que la tasa de transmisión en este primer nivel es de 104 kbps. El codificador de voz reduce significativamente esta velocidad extrayendo las componentes irrelevantes mediante un esquema RPE-LPC (Regular Pulse Exciting - Linear Predictive Coder/) con LTP (Long Term Prediction), que a continuación se describe. Análisis por Excitación de Pulsos Regulares (RPE) y Codificación por Predicción Lineal (LPC) Cada 20 ms, 160 valores de muestras del ADC se toman y almacenan en una memoria intermedia. Un análisis del conjunto de muestras de datos produce ocho coeficientes de filtro y una señal de excitación para un filtro digital invariante en el tiempo. Este filtro se puede tomar como una imitación digital del tracto bucal, donde los coeficientes del filtro representan modificadores del tracto (como los dientes, lengua, faringe, etc.), y la señal de excitación representa el sonido (pitch, sonoridad, etc.) o la ausencia de sonido que pasa 34 Capitulo 1 Introducción a GSM a través del tracto bucal (filtro). Un conjunto correcto de coeficientes y una señal apropiada de excitación resultan en el sonido típico de la voz humana. Las 160 muestras, transformadas en los coeficientes del filtro, se dividen en 4 bloques de 40 muestras cada uno. Estos bloques se clasifican en 4 secuencias. La secuencia número 1 contiene las muestras 1, 5, 9, 13, ..., la secuencia número 2 contiene las muestras 2, 6, 10, 14, ..., y así sucesivamente con las secuencias 3 y 4. La primera reducción de datos se obtiene cuando el codificador de voz, que toma las ventajas de ciertas características del oído humano y del tracto bucal, selecciona la secuencia con la mayor energía. Análisis por Predicción de Periodo Largo (LTP) Hay numerosas correlaciones en la voz humana, especialmente en las vocales largas donde un mismo sonido se repite durante varias secuencias consecutivas. Una segunda reducción de datos se lleva a cabo mediante la función LTP, que toma la secuencia seleccionada por el análisis LPC/RPE, mira a las secuencias que previamente pasaron (durante una memoria de 15 ms), y busca la última secuencia más similar con la secuencia actual. Ahora sólo necesita transmitir el valor representado por la diferencia entre estas dos secuencias. El codificador de voz manda un bloque de 260 bits cada 20 ms. Por lo tanto, se corresponde con una tasa de 13 kbps, es decir una reducción en un factor de 8 de los 104 kbps. 1.12.2 Codificación del Canal La codificación del canal añade redundancia a los datos generados por el codificador de voz de forma que se detecten e incluso se corrijan algunos errores introducidos por el canal, que se supone que contiene un ruido blanco gausiano aditivo. La codificación del canal incrementa la tasa de transmisión a 22.8 kbps. Antes de la codificación del canal los 260 bits procedentes del codificador de voz, se ordenan en 3 clases de importancia: la clase Ia, formada por los 50 primeros bits; la clase Ib formada por los siguientes 132 bits; y finalmente, los 78 últimos bits que forman la clase II. 35 Capitulo 1 Introducción a GSM Como se muestra en la Figura 1.19, el proceso de codificación del canal se compone de dos codificaciones sucesivas. A los 50 primeros bits (grupo Ia) que son los más importantes, se les aplica un chequeo de paridad mediante un código de redundancia cíclico (CRC) de 3 bits. Estos 53 bits, junto con los 132 bits siguientes (grupo Ib), más 4 bits de cola, hacen un total de 189 bits a los que se les aplica un código convolucional de razón 1/2 y de profundidad 5, con lo que se obtienen 378 bits de salida que sumados con los 78 bits que forman el grupo II, y que no llevan ninguna protección, hacen un total de 456 bits cada 20 ms, lo cual da una tasa de transmisión de 22.8 kbps. convolucional 1 r , K 5 2 ((Ia50 CRC3 Ib132 4"0" ) Ic78 456bits Figura 1.19 Codificación del canal 1.12.3 Entrelazado (Interleaving) Para minimizar el efecto de los desvanecimientos súbitos de los datos recibidos, el total de 456 bits que se codifican cada 20 ms en una trama de voz o de control, se dividen en 8 sub-bloques de 57 bits. Estos 8 sub-bloques, se esparcen a través de 8 slots TCH consecutivos (es decir, 8 tramas consecutivas para un TS específico). Si se pierde una ráfaga debido a las interferencias o a los desvanecimientos, la codificación del canal asegura que se dispone de suficientes bits para descodificar la secuencia correcta siempre y cuando se tenga una descodificación como por ejemplo el algoritmo de Viterbi. Como se ha visto con anterioridad, cada slot TCH lleva dos bloque de datos de 57 bits de dos 36 Capitulo 1 Introducción a GSM segmentos de voz o de control diferentes (cada uno de los segmentos son los bloques de 456 bits.) La Figura 1.20 muestra exactamente como se produce el interleaving en las tramas dentro de los slots. Hemos de significar que el TS0 contiene 57 bits de datos del sub-bloque 0 de la n-ésima trama del codificador de voz (denominada como “a” en la figura) y 57 bits de datos de el sub-bloque 4 de la (n-1)-ésima trama del codificador de voz (denominada como “b” en la figura). Figura 1.20 Interleaving 1.12.4 Modulación Digital en GSM El esquema de modulación usado en GSM es 0.3 GMSK, donde 0.3 describe el ancho de banda del filtro Gausiano con relación al bit rate de la señal (BT=0.3). GMSK es un tipo especial de modulación MSK. Los unos y ceros binarios se representan en GSM por desplazamientos en frecuencia de ±67.708 KHz. La velocidad de datos en GSM es de 270.8333 kbps, que es exactamente cuatro veces el desplazamiento en frecuencia. Esto minimiza el ancho de banda ocupado por el espectro de modulación y por tanto mejora la capacidad del canal. La señal MSK modulada se pasa a través de un filtro Gausiano para atenuar las variaciones rápidas de frecuencia que de otra forma esparcirían energía en los canales adyacentes. 1.13 Limitaciones de GSM Para la Transmisión de Datos El sistema GSM fue diseñado originalmente como un sistema digital en sustitución de los sistemas analógicos de primera generación. Al tratarse de un sistema digital se convierte en un sistema más eficiente que sus antecesores, aunque desde el punto de vista funcional se ofrecen los mismos servicios básicos para mantener una continuidad respecto a los sistemas analógicos. De este modo, el sistema GSM mantiene la filosofía de funcionamiento mediante conmutación de circuitos parar soportar el servicio mayoritario 37 Capitulo 1 Introducción a GSM de voz, aunque su diseño añade un conjunto de servicios de transmisión de datos a baja velocidad aprovechando su carácter digital. En cualquier caso, el sistema GSM no fue concebido con intención de ofrecer de forma óptima servicios de transmisión de datos. Las principales limitaciones en GSM para la transmisión de datos son: velocidad de transferencia de 9.6 kbps, tiempo de establecimiento de conexión de 15 a 30 segundos, tarificación por tiempo de conexión, simetría del enlace (mismo ancho de banda para ambos sentidos de la comunicación), y no soporta el protocolo IP lo que impide el acceso directo a Internet. La baja velocidad de transmisión limita la cantidad de servicios que Internet ofrece. Por ejemplo, a 9.6 kbps no se puede navegar por Internet de una manera satisfactoria. Si además, se toma en cuenta que la tarificación es por tiempo de conexión, los costos son excesivos. 1.14 Conclusiones Las tradicionales redes GSM no se adaptan adecuadamente a las necesidades de transmisión de datos con terminales móviles, por ello surge una nueva tecnología portadora denominada GPRS que unifica el mundo IP con el mundo de telefonía móvil, creándose toda una red paralela a la red GSM orientada exclusivamente a la transmisión de datos y basada en la conmutación de paquetes. En los siguientes capítulos se presenta como GPRS soluciona las limitaciones que hacen ineficiente la transmisión de datos con GSM. 38 Capitulo 2 Introducción a GPRS CAPITULO 2 INTRODUCCION A GPRS 2.1 Introducción El contenido del siguiente capítulo es sobre las diferentes generaciones de celulares que han existido de acuerdo a la tecnología que utilizan; además de presentar una introducción hacia la tecnología GPRS la cual representa una evolución en la transmisión de datos a través de la comunicación móvil. 2.2 Situación Actual de las Redes Móviles La situación actual de las redes móviles se caracteriza por la utilización de dos criterios de clasificación: el tipo de generación al que pertenecen (analógica, digital y multimedia), y el tipo de tecnologías y estándares que se emplean en los diferentes países. Dependiendo del país, es posible que coexistan sistemas pertenecientes a dos o tres generaciones distintas todavía en servicio. La primera generación de las redes móviles corresponde a las comunicaciones basadas en tecnología analógica, centrado en el soporte a los servicios de voz y a los servicios de 39 Capitulo 2 Introducción a GPRS datos de muy baja tasa binaria (por ejemplo, la mensajería). Desde el punto de vista tecnológico, esta generación se caracteriza por estar basado en soluciones propietarias desarrolladas por suministradores como Ericsson, NTT, Motorola o AT&T. Este tipo de redes llegó a contar con 20 millones de usuarios a principios de la década de los noventa. La inexistencia de un estándar fue una de las razones que impulsaron el desarrollo de los sistemas de 2ª generación, especialmente en Europa, caracterizados por la utilización de tecnología de transmisión digital y por el soporte a los servicios de datos con velocidades binarias relativamente bajas (desde 9.6 kbit/s a 14.4 kbit/s). Su estudio y definición se inició a principios de los años 80, y las primeras redes comerciales aparecieron a principios de los 90. En esta fase se propusieron diferentes estándares para distintos tipos de aplicaciones. De este modo, sólo en Europa, se desarrollaron los siguientes estándares: El estándar GSM para telefonía celular. El estándar DECT para telefonía inalámbrica. El estándar CT2 para telefonía inalámbrica. El estándar TETRA para telefonía móvil de uso privado o trunking. El estándar ERMES para mensajería. El estándar MOBITEX para servicios de datos. La necesidad de unificar los distintos sistemas móviles descritos anteriormente (la mensajería, la telefonía inalámbrica, la telefonía celular y la telefonía móvil vía satélite), para resolver los problemas de compatibilidad entre los estándares de las distintas regiones geográficas y para definir unos sistemas con una eficiencia espectral más alta (ante la que se preveía escasez de espectro a corto plazo), impulsaron la investigación y el desarrollo de los sistemas de tercera generación. En un principio, el enfoque que se promovió desde instituciones como la UIT o la Comisión Europea era que los nuevos sistemas 3G constituyeran el acceso inalámbrico a las redes de servicios integrados de banda ancha y que el soporte de la movilidad se basara en la utilización de las capacidades de la red inteligente. Es decir, se tendía hacia una convergencia entre las comunicaciones fijas y móviles. Para aumentar la eficiencia espectral se optó por considerar diversas variantes de CDMA y TDMA. 40 Capitulo 2 Introducción a GPRS Sin embargo, se entro en la discusión de que a medio plazo no dispondría de espectro suficiente para la red 2G para atender la creciente demanda, aceleraron el desarrollo de WCDMA. Por otro lado, la explosión de Internet hizo que en la evolución de la red troncal se contemplara como objetivo último el disponer de una red “todo IP”. La Tabla 2.1 muestra una clasificación de los distintos sistemas en función de la generación a la que pertenecen. 1G 2G 2.5G 3G Europa NMT, TACS GSM 900 & 1800 DECT GPRS UMTS, (WCDMA) EDGE Estados Unidos y LA AMPS TDMA, cdmaOne, GSM 850&1900 1xRTT GPRS CDMA2000, EDGE, CDMA2000, 1xEV-DO Japón IMTS PHS, cdma, OnePDC CDMA 2000, 1xRTT FOMA, WCDMA,CDMA 2000,1xEV-DO GSM, cdmaOne CDMA 2000, 1xRTT TD-SCDMA China Tabla 2.1 Tecnologías que utilizan los sistemas móviles de las distintas generaciones La evolución técnica de los sistemas móviles se dirige a conseguir que soporten simultáneamente mayores tasas binarias y mayor movilidad. Para ello, el enfoque técnico se orienta, más que hacia el desarrollo de nuevas interfaces radio, hacia la convergencia entre los distintos tipos de redes radio que atienden a los servicios y requisitos existentes actualmente. Bluetooth WLAN TDMA GSM MBS at 60 GHz EDGE Ad Hoc Networks Always Best Connected (ABC) GPRS WCDMA PDC cdmaONE Virtual Reality (3D) cdma 2000 1X cdma 2000 1XEV New Air i/f? 2G Evolved 2G 3G Evolved 3G 4G Research 9.6 – 14.4 kbit/s 64 kbit/s – 144 kbit/s 384 kbit/s – 2 Mbit/s 384 kbit/s – 20 Mbit/s 20 Mbit/s – 100Mbit/s Figura 2.1 Evolución de las tecnologías para transferencia de voz y datos 41 Capitulo 2 2.2 Introducción a GPRS ¿Que es GPRS? La evolución de los servicios desde la voz hacia los datos se ha producido de forma gradual, pasando del soporte de servicios limitados como los mensajes cortes (SMS) y las llamadas de datos (con utilización permanente de los recursos radio), a otros más eficientes y flexibles basados en técnicas de paquetes; en el caso de GSM se trata de la extensión del estándar denominada GPRS. Como hemos visto anteriormente el sistema GSM no se adaptaba del todo bien a la transmisión de datos. Para posibilitar el soporte de la movilidad en las comunicaciones de datos por paquetes se hace necesario utilizar mecanismos análogos a los de las comunicaciones de voz, aunque adaptados a la naturaleza discontinua de los servicios de datos y teniendo en cuenta el diferente manejo de los recursos radio. Dentro de las ventajas que obtenemos al emplear el sistema GPRS se encuentran las características siguientes que hacen que sobresalga sobre el sistema GSM: Velocidad de transferencia de hasta 144 Kbps. Conexión permanente. Establecimiento de conexión inferior al segundo. Pago por cantidad de información transmitida, no por tiempo de conexión. Veamos unos ejemplos de los tamaños de información que descargaríamos: Envío de un e-mail de 5 líneas de texto con un anexo (documento tipo de Word de 4 páginas), consumiría alrededor de 95 kbytes. Acceder a un buscador, buscar un término (ej. viajes) y recibir una pantalla de respuesta podría ocupar 100 kbytes aproximadamente. Recibir una hoja de cálculo (documento tipo Excel de 5 hojas), consumiría aproximadamente 250 kbytes. Bajarse una presentación (documento tipo PowerPoint de 20 diapositivas y con fotos) equivale a unos 1.000 kbytes. 42 Capitulo 2 2.3 Introducción a GPRS Mecanismos de Movilidad en GPRS Para hacer posible este tipo de movilidad, en general, hay que utilizar dos mecanismos: 1. Los mecanismos de soporte a la movilidad diseñados para las redes de circuitos, adaptados a las características de los servicios de datos, que son menos sensibles al retardo pero más sensibles a los errores. Este es el enfoque seguido, por ejemplo, en las redes GPRS (en la Figura 2.2 se muestra la arquitectura de red de GPRS). BSS E C Gd BSS BSS D A Gs Gc Gr TE MT R BSS SGSN Um GGSN Gb Gn Gp PDN TE Gi Gf Gn GGSN SGSN GGSN Otros PLMN Interfaz de Señalización Interfaz de Señalización y Datos Figura 2.2 Arquitectura de red GPRS En GPRS aparecen nodos adicionales de red, que realizan las funciones necesarias para proporcionar acceso móvil de alta velocidad a Internet y a otras redes de conmutación de paquetes. Los nodos más importantes son el SGSN (Serving GPRS Support Node) y el GGSN (Gateway GPRS Support Node). El primero constituye para el Terminal móvil el punto de acceso al servicio de la red GPRS. El GGSN tiene como misión principal la conexión del terminal móvil a redes de datos externas para el acceso a sus servicios y aplicaciones basadas en IP. Desde el punto de vista de las redes externas, el GGSN es, además, un router conectado a una subred, ya que oculta la infraestructura de la red GPRS al resto de las redes. Ambos nodos interactúan con el registro de localización local (HLR, Home Location Register) para poder ofrecer movilidad también en las aplicaciones de datos. La 43 Capitulo 2 Introducción a GPRS movilidad para este tipo de aplicaciones se aprecia ligeramente más sencilla de tratar y garantizar, debido a la naturaleza de los servicios de datos, en lo que a retardo de transmisión o latencia se refiere (en general estas aplicaciones pueden soportar mayores retardos que los servicios de voz). 2. Los mecanismos propios de los protocolos de enrutamiento, como es el caso de Mobile IP (Mobile Internet Protocol). Esta opción se está utilizando en algunas redes móviles propietarias para datos o en las redes con el sistema cdma2000 (que se analizan con más detalle en una sección posterior de este capítulo). Mobile IP es una extensión del protocolo IP, propuesto por el IETF (Internet Engineering Task Force). Este protocolo permite a los equipos móviles permanecer conectados a Internet independientemente de su ubicación, sin necesidad de tener que cambiar su dirección IP (que es el problema principal que presenta el protocolo IP en temas de movilidad). Mobile IP hace que la movilidad sea algo transparente para las aplicaciones y los protocolos por encima de IP, como TCP. La solución que aporta Mobile IP consiste en utilizar dos direcciones IP: una fija (lo que se denomina “Fixed Home Address”), y otra temporal (“Care-Of Address”), que varía en función del punto de conexión a la red. El funcionamiento de Mobile IP se basa en tres mecanismos cooperativos, cuyas funciones son: a. Descubrir la dirección temporal (Care-of). b. Registrar la dirección temporal. c. Encapsular la información hacia la dirección temporal. En general, existe una diferencia conceptual entre los dos casos enumerados que se refiere al ámbito que se considera en cada uno de ellos, de manera que: Cuando se trata la movilidad dentro de una red celular típica se habla de micromovilidad y se trata como en el primer caso. Cuando se trata de gestionar la movilidad entre redes distintas o en una red con un enfoque no celular (por ejemplo, las redes inalámbricas tipo WLAN) entonces se adopta el segundo caso, y se habla de macromovilidad. 44 Capitulo 2 2.4 Introducción a GPRS Ventajas del GPRS para el Usuario. Dentro del aspecto de funcionamiento de GPRS, del cual hablaremos mas adelante podemos enunciar unas de las ventajas que obtiene el usuario con el sistema GPRS, estas ventajas son consecuencia directa de las características vistas en el punto anterior. Característica de "Always Connected": un usuario GPRS puede estar conectado todo el tiempo que desee, puesto que no hace uso de recursos de red (y por tanto no paga) mientras no esté recibiendo ni transmitiendo datos. Tarifación por volumen de datos transferidos, en lugar de por tiempo. Coste nulo de establecimiento de conexión a la red GPRS, frente a los costos de conexión existentes actualmente en GSM. Mayor velocidad de transmisión. En GSM sólo se puede tener un canal asignado (un "timeslot"), sin embargo, en GPRS, se pueden tener varios canales asignados, tanto en el sentido de transmisión del móvil a la estación base como de la estación base al móvil. La velocidad de transmisión aumentará con el número de canales asignados. Además, GPRS permite el uso de esquemas de codificación de datos que permiten una velocidad de transferencia de datos mayor que en GSM. Posibilidad de realizar/recibir llamadas de voz mientras se está conectado o utilizando cualquiera de los servicios disponibles con esta tecnología. Modo de Transmisión Asimétrico, más adaptado al tipo de tráfico de navegación HTML o WML (un terminal GPRS 4+1 (4 slots downlink y 1 uplink) tendrá cuatro veces mayor capacidad de transmisión de bajada que de subida). 2.5 Servicios del GPRS Para el Usuario. Los servicios que obtendrá un usuario de este sistema serían los equivalentes a tener un PC conectado a Internet, siendo este de tamaño bolsillo. Acceder en movilidad a Internet y correo electrónico. GPRS permite acceder en movilidad a todas las facilidades de 45 Capitulo 2 Introducción a GPRS Internet usando el terminal GPRS como módem, Pagando sólo por el volumen de datos transmitidos y recibidos y no por el tiempo de conexión. Acceso a cuentas de correo Internet (lectura y envío de e-mails). Aviso de recepción de correo en el móvil. Navegación por Internet. Descarga de ficheros desde cualquier PC, asistente personal digital (PDA) directamente desde el terminal GPRS (si sus características lo permiten). Acceder en movilidad a la Intranet corporativa. Acceso a cuentas de correo corporativas (intranet): GPRS permite utilizar desde un dispositivo móvil (Ordenador portátil, PDA o el propio móvil) los sistemas de correo electrónico de la empresa (Microsoft Mail, Outlook Express, Microsoft Exchange, Lotus Notes etc.). El usuario puede acceder en movilidad a su correo corporativo, leerlo y contestarlo como si estuviera en la oficina. Acceso a bases de datos y aplicaciones corporativas desde un dispositivo móvil: Gestión de Fuerza de Ventas: consulta de estados de pedidos, consulta de catálogos, consulta de stocks, información relativa a los clientes… desde cualquier lugar. 2.6 Conclusiones Como hemos visto, en este capitulo introducimos una idea general y global de la tecnología GRPS, se describe inicialmente cual es la situación actual de las redes móviles a nivel mundial y el porque del desarrollo de la tecnología GPRS, la cual es descrita a fondo en el capitulo 3 para un mayor entendimiento de la misma y como es que supera en la transmisión de datos a la tecnología actual que es GSM. 46 Capitulo 3 GPRS CAPITULO 3 GPRS GENERAL PACKET RADIO SERVICE 3.1 Introducción El rápido crecimiento en servicios de voz ha conducido a la alta aceptación por parte del usuario de la tecnología GSM. Sin embargo, ahora los clientes demandan servicios que ya no son de voz. La infraestructura existente de GSM no satisface estas necesidades debido a que GSM funciona mediante conmutación de circuitos. GPRS es un servicio de datos que permite el envío y recepción de tráfico de paquetes (normalmente paquetes IPv4 o IPv6) a través de una red móvil. El Protocolo Punto a Punto (PPT, Point to Point Protocol) permite el cambio de protocolos de forma transparente como pueden ser Appletalk e IPX. Está diseñado para complementar tráfico mediante conmutación de circuitos y el servicio de mensajes cortos (SMS), además de otros nuevos servicios. 47 Capitulo 3 GPRS En muchos casos GPRS se ve como un paso en la evolución hacia 3G, considerándolo como una tecnología de 2.5G. Siempre se le ha conocido como “always connected”, ya que tras la conexión inicial, las siguientes que se producen son casi instantáneas y con un retardo mínimo. Esto contrasta con la forma tradicional de llamada en GSM o de las líneas de telefonía fija, donde cada vez que una conexión se produce, el retardo es bastante mayor. Las especificaciones de GPRS fueron dadas, originalmente, por la organización ETSI, pero finalmente en el 2000, su estandarización correspondió al 3GPP (Third Generation Partnership Project) GPRS trabaja aportando los servicios de una red de conmutación de paquetes sobre la red existente de GSM. Esto permite al usuario continuar utilizando la red GSM para la voz pero si se necesita una transferencia de datos, se puede realizar vía GPRS. De esta manera infraestructura existente se puede reutilizar. El tráfico de voz seguirá el camino utilizado en GSM, es decir, pasará del BSS a la red de circuitos conmutados de GSM. El tráfico GPRS será redireccionado, normalmente dentro del BSC, a una nueva unidad llamada PCU (Packet Control Unit) y pasará por la red de conmutación de paquetes de GPRS. RED DE OPERADOR MOVIL Red Publica de Conmutación de Circuitos / RDSI Conmutacion de Circuitos GSM BSS INTERNET Conmutacion de Paquetes GPRS Figura 3.1 Estructura de la red GPRS introduce un núcleo de red basado en la conmutación de paquetes, pero utiliza gran parte de la funcionalidad de GSM, como el HLR (Home Location Register), EIR (Equipment Identity Register) y el AuC (Authentication Centre). También aporta nuevas 48 Capitulo 3 GPRS características, como la capacidad para transportar diferente tipo de tráfico de forma más eficiente para los recursos de la red, y permite introducir una amplia gama de servicios. Generalmente, la funcionalidad de las capas más altas no necesita ser cambiada y puede ser reutilizada. La red estará diseñada para soportar diferentes clases de calidad de servicio (QoS), que son implementadas gradualmente a medida que van apareciendo cada una de las versiones (Releases) del estándar. Una red GPRS puede ser utilizada tanto para GSM como para UMTS, sin embargo, algunas redes no soportan ambos interfaces (GSM Gb y UMTS Iu) inicialmente, siendo necesario un cambio en el hardware para la migración a UMTS. Para GPRS/GSM, el interfaz de radio (el aire) es utilizado de una forma flexible, teniendo de uno a ocho canales multiplexados en el tiempo (TDM) para tráfico GPRS. Los usuarios activos comparten los slots de tiempo y son colocados de forma independiente en el uplink o en el downlink, de forma que los recursos son compartidos entre las conversaciones y los datos. Enhanced GPRS (EGPRS) es una mejora al sistema, que permite un de transmisión mayor, debido al uso de diferentes técnicas de modulación y codificación. El concepto de handover sobre GPRS no es tan crítico como en GSM, ya que el tráfico no es en tiempo real, y puede ser almacenado temporalmente, hasta que el cambio de célula se produzca de forma correcta. En este proceso, ahora el MS se involucra más ya que puede iniciar el cambio de célula, aunque será responsabilidad del SGSN (Serving GPRS Support Node) el permitir que esto ocurra. Los métodos de seguridad son similares a los de GSM. El nodo SGSN tendrá la responsabilidad de la autenticación del cliente y de la encriptación/desencriptación de los datos. Un dispositivo móvil con una tarjeta SIM estándar puede conectar a una red GPRS y usar sus servicios si el operador de red tiene diseñadas e implementadas estas características. 49 Capitulo 3 3.2 GPRS Problemas de la Conmutación de Paquetes en Comunicaciones Móviles Multitud de Accesos de Poca Duración La conmutación de paquete se distingue de la conmutación de circuitos en que los recursos son ocupados cuando se necesitan. Esto también supone que los recursos serán liberados tan pronto como no sean necesitados. Derivadas de estas situaciones, aparecen las siguientes cuestiones: ¿Puede un usuario recibir recursos en la subida o bajada de datos por la inactividad de otro y sin retardo? ¿Pueden existir colisiones de diferentes dispositivos móviles que realizan una petición de asignación de recursos? Acceso Mediante Aloha Ranurado En 1969, un grupo de investigación de la universidad de Hawai instaló una red inalámbrica para conectar Honolulu con varias islas. El sistema tenía una extensión aproximada de 322 Km. A esta red se le dio el nombre de Aloha. La forma de acceder al medio por esta red, dio nombre al método ALOHA, que tiene un funcionamiento muy simple. Cuando un emisor quiere transmitir una trama, simplemente la emite, sin preocuparse en ningún momento de si el canal está libre. Una vez ha terminado se pone a la escucha esperando recibir confirmación de que la información ha sido recibida correctamente por el destinatario. Si la confirmación no llega en un tiempo razonable, el emisor supone que ha ocurrido una colisión, en cuyo caso espera un tiempo aleatorio y reenvía la trama. La eficiencia de este método es muy baja ya que se basa en el caos. Cuando el grado de ocupación del canal crece, los envíos de las estaciones empiezan a colisionar unos con otros hasta el punto de que la red puede llegar a colapsarse, es decir, saturarse sin enviar información útil. Una colisión se produce tanto si dos emisores coinciden totalmente en el tiempo como si solo coinciden en un bit, lo cual provoca colisiones “encadenadas” en las que cada estación se solapa sólo brevemente con la siguiente. 50 Capitulo 3 GPRS En 1972 se propuso una mejora al protocolo ALOHA que consistía en establecer de antemano unos intervalos de tiempo de duración constante para la emisión de las tramas. De alguna manera, las estaciones estarían sincronizadas y todas sabrían cuando empieza cada intervalo. Esto reduce la probabilidad de colisiones, ya que al menos limita su efecto a un intervalo (no se pueden encadenar colisiones). A esta versión mejorada de ALOHA se la denomina ALOHA ranurado, porque utiliza tiempo ranurado o a intervalos. Por contraposición, al ALOHA original con tiempo aleatorio se le suele llamar ALOHA puro. Abramson realizó algunas estimaciones de la eficiencia de un sistema Aloha. Suponiendo que las estaciones de la red transmiten de acuerdo con una distribución de Poisson dedujo que el rendimiento máximo de un ALOHA puro es del 18,4%, y que esta eficiencia se consigue con un nivel de utilización del canal del 50%. Para un ALOHA ranurado Abramson dedujo que la eficiencia máxima es justamente el doble, del 36.8 % y se consigue con un nivel de utilización del 100%. Los protocolos ALOHA (y en particular ALOHA ranurado) se utilizan hoy en día en situaciones donde no es posible o práctico detectar las colisiones, por ejemplo, además del canal de acceso aleatorio de las redes GSM (o GPRS), otras redes de satélite o, sobre todo, Ethernet, utilizan esta tecnología como forma de acceso al medio. Consecuencias de Aloha Ranurado en GPRS El método Aloha descrito anteriormente es utilizado por la mayoría de sistemas de comunicaciones móviles como método de acceso. Como se ha explicado, permite una eficiencia máxima del 36% en el canal uplink, lo que es importante para GSM e incluso más para GPRS. Hay que tener en cuenta, que la limitación de eficiencia para GSM y GPRS es válida para el canal RACH, en el que el móvil envía su ráfaga de acceso a la estación base para conseguir la correspondiente asignación de recursos. Para los sistemas de circuitos conmutados como GSM, esta limitación no es un problema principal. Todos los recursos son asignados para un largo periodo de tiempo (normalmente varios minutos). 51 Capitulo 3 GPRS Sin embargo, para GPRS, en la que la ocupación se produce en fracciones de segundo, es posible que haya que enviar una nueva ráfaga de acceso para cada una de esas ocupaciones. La carga del canal RACH sube muy rápidamente y se llega al 36% con relativa facilidad. La probabilidad de colisiones, y por tanto de retardo en el acceso se incrementa de la misma forma. Este problema puede resolverse únicamente, incrementando el número de RACHs. Por esto, se define para GPRS un canal PRACH (Packet Random Access Channel), que puede ser configurado en cada célula dependiendo de la carga. Ocupación Inmediata y Liberación de Recursos Ya se indicó anteriormente que el dispositivo móvil y la red deben ser capaces de solicitar y asignar recursos de forma inmediata. De otra forma, las aplicaciones que son sensibles a los retardos pueden tener problemas en el acceso. Esta necesidad se aplica de la misma forma a la liberación de recursos, ya que si no, el siguiente usuario no sería capaz de adquirir el acceso suficientemente rápido. Por tanto, las redes de conmutación de paquetes deben tener cuidado con algunos mecanismos complejos para la autenticación de un cliente o para la activación de la conexión. Los mecanismos de encriptación o se eliminan, o bien no se ejecutan en cada nueva ocupación de los recursos. 3.3 Arquitectura GPRS La siguiente imagen 3.3 se muestra la arquitectura general de una red GPRS y su relación con otras redes IP como Internet. Como se puede ver, la red hace uso de la infraestructura de GSM. El HLR, AuC y EIR necesitarán pequeñas modificaciones para soportar GPRS, y normalmente ese cambio consistirá en una actualización de software. En la estructura de red de la figura 3.2 se observa como dentro del backbone GPRS se utiliza un switch Ethernet para conectar sus componentes. 52 Capitulo 3 GPRS Figura 3.2 Arquitectura de la red GPRS El estándar GPRS no especifica la tecnología a utilizar en el Nivel 2 para interconectar el backbone IP, por lo que la mayoría de las redes actuales utilizan Ethernet para implementar este backbone local, ya que es una tecnología suficientemente probada y de un coste muy eficiente. El fallo del switch Ethernet provocaría el fallo de toda la red, por lo que es normal encontrar en este punto redundancia en los enlaces para proporcionar fiabilidad. Los componentes de una red GPRS que son nuevos con respecto a la red GSM se describen en los apartados siguientes. 3.3.1 GGSN (Gateway GPRS Support Node) El GGSN proporciona la pasarela para las redes externas, gestionando la seguridad y las funciones de contabilidad, así como la asignación dinámica de direcciones IP. Desde el punto de vista de las redes externas IP, el GGSN es un servidor que posee las direcciones IP de todos los abonados a los que presta servicio la red GPRS. Los nodos estarán interconectados por una red troncal IP. 53 Capitulo 3 3.3.2 GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node) El SGSN ofrece encaminamiento de paquetes, incluyendo gestión de la movilidad, autenticación y cifrado entre todos los abonados GPRS que se encuentren en el rea de servicio SGSN. Cualquier SGSN de la red puede prestar servicio a un abonado GPRS, dependiendo de donde éste se halle. El tráfico se dirige desde el SGSN al BSC (Base Station Controller) y al terminal móvil mediante BTS (Base Transceiver Station) 3.3.3 CG (Charging Gateway) En las especificaciones no se indica que se requiera, pero generalmente se implementa. Aporta un enlace lógico al sistema de facturación del operador y reduce el número de enlaces físicos y conexiones necesarias, ya que de otra forma, sería necesaria una conexión separada a cada uno de los GSNs. 3.3.4 LIG (Lawful Interception Gateway) Es un requisito en muchos países, para poder monitorizar el tráfico. Este es el objetivo del LIG. Cuando el tráfico de un usuario pasa por el backbone GPRS, es posible capturarlo y almacenarlo. Para realizar esta interceptación de los datos del usuario, normalmente será necesaria una orden judicial. 3.3.5 DNS (Domain Name System) En la mayoría de los casos, cuando un abonado necesite realizar una conexión vía GPRS a una red externa, será necesario seleccionar el APN (Access Point Name) de una lista en el dispositivo móvil. Se requiere un DNS (Domain Name System) de modo que el SGSN pueda hacer una consulta para convertir el APN a la dirección IP del GGSN correcto. 3.4 Interfaces de Red GPRS GPRS introduce nuevas definiciones de interfaces. Estos son estándares abiertos descritos por 3GPP. Permiten que redes de distintas compañías sean construidas sin apenas 54 Capitulo 3 GPRS modificaciones. Como GPRS utiliza gran parte de la red GSM, es necesario que existan interfaces entre los componentes de ambas tecnologías. Figura 3.3 Interfaces entre los elementos de GSM y GPRS Los distintos interfaces que puede haber en una red GPRS se muestran en la figura 3.3 y son: Gb: Este interfaz se encuentra entre el SGSN y el BSS. Su función es la de transportar tanto tráfico de datos como de control. Está basado normalmente en Frame Relay. Gc: Este interfaz aparece entre el GGSN y el HLR, y proporciona al GGSN el acceso a la información del cliente. El protocolo utilizado es MAP y el interfaz se usa únicamente para control. Este es un interfaz opcional. Gd: Este interfaz conecta el SGSN a una pasarela de SMS, lo que permite que SGSN soporte el servicio de mensajes SMS. Gf: El interfaz Gf conecta el SGSN al EIR y permite que el SGSN compruebe el estado de un dispositivo móvil concreto. 55 Capitulo 3 GPRS Gi: Este es un punto de referencia más que un interfaz entre el GGSN y otra red externa. Actualmente GPRS soporta IPv4, IPv6 y PPP, y Gi tiene que ser capaz de entender estos protocolos para un acceso concreto. Por ejemplo, el punto de acceso puede pedir transportar paquetes IPv4. Las capas inferiores de la red no son especificadas, por lo que puede ser Ethernet, ATM, MPLS, Frame Relay o cualquier otro protocolo de transporte. Gn: Este interfaz se encuentra entre los GSNs. Consiste de una pila de protocolos que incluyen IP y GTP (GPRS Tunnelling Protocol). GTP también es utilizado entre dos SGSN, y entre un SGSN y un GGSN de otro operador. Gp: Tiene una funcionalidad similar a la del interfaz Gn, y también se basa en el protocolo GTP. Es necesario cuando el SGSN y el GGSN están en redes de distintos operadores. Aporta funciones de seguridad y enrutado al interfaz Gn. Gr: Está entre el SGSN y el HLR, proporcionando al SGSN el acceso a la información del cliente. El SGSN y el HLR pueden estar en distintas redes si el usuario está usando el servicio de roaming. El protocolo utilizado es MAP y el interfaz se utiliza para mensajes de control. Gs: Este es otro interfaz opcional. Es utilizado para control entre el SGSN y el VLR, que es normalmente situado con el MSC y un SGSN. Utiliza el protocolo BSSAP+ (BSS Application Part Plus), un subconjunto del protocolo BSSAP para permitir el control entre el SGSN y el MSC/VLR. Además de los interfaces descritos, hay otros dos relevantes que van a través del aire, tanto para GPRS como para UMTS, y son los siguientes: Um: Este es interfaz aéreo de GSM modificado entre el dispositivo móvil y la red fija que proporciona el servicio GPRS. Uu: Este es el interfaz aéreo de UMTS entre el terminal móvil la red fija que proporciona el servicio GPRS. 56 Capitulo 3 3.5 GPRS Interfaz Aéreo de GPRS Cuando un operador ofrece GPRS, éste tendrá que convivir con GSM, por lo que el ancho de banda que se tiene debe ser compartido entre los servicios de una y otra tecnología. El tráfico GSM y GPRS pueden compartir la misma trama TDM, aunque no pueden compartir la misma ráfaga (timeslot). GPRS utiliza la misma técnica de modulación que GSM, GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Al igual que en GSM, hay 114 bits disponibles en una ráfaga para los datos del usuario. Sin embargo, la estructura de multitrama GSM, que consiste en 26 canales de tráfico (TCH) o 51 de control, ha sido reemplazada por un formato de 52 tramas. La figura 3.4 muestra gráficamente esta nueva estructura. Multi-Trama TDMA de 52 Tramas BLOQUE 0 BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 T BLOQUE 4 BLOQUE 5 1 BLOQUE 6 BLOQUE 7 BLOQUE 8 BLOQUE 9 T BLOQUE 10 BLOQUE 11 1 TRAMA TDM 0 1 3 2 1 3 57 4 26 5 1 6 57 7 8 8`25 0 1 3 2 1 3 57 4 26 5 1 6 57 7 8 0 1 3 8`25 2 1 3 57 4 26 5 1 6 57 7 8 8`25 0 1 3 2 1 3 57 4 26 5 1 6 57 7 8 8`25 Figura 3.4 Formato de las 52 tramas La nueva multitrama consiste en 12 bloques de 4 tramas consecutivas, además de dos tramas I (idle) y otras dos T que son usadas para el canal de control del timing advance del paquete (PTCCH). El tiempo dedicado a las tramas I y al PTCCH pueden ser usados por el dispositivo móvil para medidas de la señal. En GSM, un timeslot es dedicado a un solo usuario al mismo tiempo, sin embargo, el sistema utilizado en GPRS es diferente ya que cada bloque de 114x4=456 bits puede ser usado por distintos usuarios, que en principio, compartirán los recursos de un mismo timeslot. Estos bloques son un tipo de TDM dentro de su propia trama TDM. A un dispositivo se le asigna este bloque cuando tenga la necesidad de transmitir datos. Al compartir los recursos del interfaz aéreo entre GSM y GPRS, GPRS utiliza el ancho de banda sobrante de GSM. A menos que un timeslot esté reservado exclusivamente para GPRS, GSM tendrá prioridad para asignar los recursos. Sin embargo, para GPRS, los 57 Capitulo 3 GPRS restantes timeslots serán vistos como recursos disponibles que los usuarios de datos podrán compartir. Desde el punto de vista del operador de red, esto le permitirá introducir nuevos servicios que, en principio, utilizarán espacio que de otra forma no sería utilizado. Dedicar timeslots específicamente a GPRS, incrementaría la posibilidad de bloquear llamadas de los usuarios GSM. Conforme los servicios que no sean de voz vayan aumentando, los operadores tendrán que volver a evaluar esta situación y puede que tengan que cambiar la asignación de recursos. Por ejemplo, en la figura 3.5, se muestra una trama TDM estándar, con el time slot 0 dedicado al canal de broadcast o a otros canales de control. Los otros siete timeslots están disponibles para los usuarios GSM y GPRS. Supongamos que hay cinco usuarios GSM y dos GPRS que completan la trama TDM. TRAMA TDM BCCH GSM 1 GSM 2 GSM 3 GSM 4 GSM 5 GPRS 1 GPRS 2 BCCH GSM 1 GSM 2 GSM 3 GSM 4 GSM 5 GSM 6 GPRS 1 GPRS 2 BCCH GSM 1 GSM 2 GSM 3 GPRS 1 GPRS 1 GPRS 2 GPRS 2 Figura 3.5 Tramas TDM en GPRS Si otro usuario de GSM deseara hacer una llamada, los dos usuarios de GPRS pasarían a ocupar un único timeslot. Si ahora tres de los usuarios de GSM finalizan su llamada, las dos conexiones de GPRS podrían utilizar esos slots libres incrementando así su velocidad. 3.6 Esquemas de Codificación Al contrario que la voz, los datos son muy intolerantes a los errores, lo que supone un problema ya que el interfaz aéreo introduce un número significante de errores. Para proteger a los datos, es necesario transmitir algún código que permita comprobar y en 58 Capitulo 3 GPRS algún caso corregir los errores. Para GPRS se han especificado cuatro nuevos esquemas de codificación (CS-1, CS-2, CS-3 y CS-4). Esquema de Codificación Bit Rate (Kbps) Bit Rate Datos de Usuario (Kbps) CS-1 9.05 8 CS-2 13.4 12 CS-3 15.6 14.4 CS-4 21.4 20 Tabla 1 Esquemas de codificación En la tabla 1 se muestra cada uno de los cuatro esquemas con dos valores asociados a cada uno de ellos, el primero es el bit rate, que incluye las cabeceras RLC/MAC, mientras que el segundo valor es la velocidad para los datos de usuario. CS-1 da la velocidad más baja, pero la protección más alta tanto de protección como de corrección de los errores. CS-4 por el contrario da la velocidad más alta a costa de una menor protección de los datos y no corrige errores. Durante una llamada, la red puede cambiar dinámicamente la codificación utilizada dependiendo de las propiedades de la conexión, como número de errores, retransmisiones, etc.…, y será transparente para el usuario. 3.7 Tipos de Terminales Los dispositivos móviles GPRS pueden ser clasificados en las tres siguientes categorías: Tipo A: Permite el uso simultáneo de GSM y GPRS. En esta clase GSM tendrá 1 timeslot y GPRS tendrá 1 ó más. Por ejemplo, esto podría permitir a un cliente estar hablando por el teléfono mientras descarga un e-mail. Tipo B: Puede estar conectado a GSM y GPRS, pero uno de los dos está en suspenso mientras el otro está activo. Habrá degradación del servicio para GPRS. Por ejemplo, un cliente que esté descargando datos puede ser notificado de una llamada entrante y podría decidir si aceptarla o no, lo que pondría la transferencia de datos en espera. 59 Capitulo 3 GPRS Tipo C: No se permitirá un uso simultaneo de ambas tecnologías, por lo que habrá que decidir si activar GSM o GPRS. Actualmente, y dada la complejidad de implementación, para sistemas de segunda generación, tan solo están disponibles los tipos B y C, y parece que esto no cambiará en un futuro próximo. Clase Uplink Downlink Num. Máx. de Slots 1 1 1 2 2 2 1 3 3 2 2 3 4 3 1 4 5 2 2 4 6 3 2 4 7 3 3 5 8 4 1 5 9 3 2 5 10 4 2 5 11 4 3 5 12 4 4 5 13 3 3 Sin limite 14 4 4 Sin limite 15 5 5 Sin limite 16 6 6 Sin limite 17 7 7 Sin limite 18 8 8 Sin limite 19 6 2 Sin limite 20 6 3 Sin limite 21 6 4 Sin limite 22 6 4 Sin limite 23 6 6 Sin limite 24 8 2 Sin limite 25 8 3 Sin limite 26 8 4 Sin limite 27 8 4 Sin limite 28 8 6 Sin limite 29 8 8 Sin limite Tabla 2 Clases de dispositivos GPRS 60 Capitulo 3 GPRS Las clases de los dispositivos definen la velocidad máxima a la que puede enviar o recibir datos un terminal GPRS. Como se ve en la tabla 2, hay 29 clases de dispositivos GPRS, cada uno de ellos, tendrá una combinación de timeslots que podrá utilizar. Así, un dispositivo tendrá un límite en los slots que puede utilizar tanto en el envío como en la recepción de datos. También existe un límite al máximo de slots utilizados. Por ejemplo, un dispositivo de clase 6 permite el uso de tres timeslots en downlink y dos uplink. Además, como máximo, permitirá el uso de cuatro timeslots, por lo que un usuario que tenga asignado tres slots para downlink, tan sólo podrá utilizar uno para uplink. 3.8 Protocolos GPRS Al igual que otros muchos protocolos de comunicaciones, GPRS está basado en una pila de niveles que proporcionan las funciones necesarias para la comunicación con otras capas a través de primitivas. En GPRS se distinguen dos tipos de protocolos, llamados Plano de Control y Plano de Usuario. El Protocolo del Plano de Control es utilizado dentro de una red GSM entre el BSS y el SGSN. Existe una pequeña diferencia entre este Protocolo y el de Plano de Usuario, ya que este último tiene una capa adicional sobre el nivel LLC (Logical Link Control) entre el MS y el SGSN. Esta capa es SNDCP (SubNetwork Dependent Convergente Protocol). Las figuras 3.6 y 3.7 muestran los Protocolos de Plano de Control y de Plano de Usuario. Tanto el Plano de Control como el de Usuario, utilizan GTP (GPRS Tunneling protocol) entre el SGSN y el GGSN, con la diferencia de que el primer plano usa GTP-C, mientras que el segundo utiliza GTP-U. 61 Capitulo 3 GPRS Plano de control GMM/SM GMM/SM LLC LLC TRANSMISION RLC RLC RLC BSSGP MAC MAC Servicio de Red Frame Relay Servicio de red (Frame Relay) NIVEL FISICO GPRS NIVEL FISICO GPRS Nivel 1 NIVEL 1 um MS gm BSS SGSN Figura 3.6 Plano de control GSM/GPRS Plano de usuario Aplicacion Aplicacion TCP TCP IP IP SNDCP SNDCP GTP GDP LLC LLC UDP UDP RLC RLC BSSGP BSSGP IP RLC MAC MAC Frame Relay Frame Relay Nivel 2 Nivel 2 Inferfaz de Radio GSM Interfaz de Radio Nivel 1 Nivel 1 Nivel 1 Nivel 1 Um MS Gb BSS Gn SGSN IP Niveles de Enlace y Físico Gi GGSN Aplicación Servidora Figura 3.7 Plano de usuario GSM/GPRS A continuación aparece la figura 3.8 en la que se muestran 1500 bytes de carga útil, y como al pasar por la pila de protocolos se le va añadiendo otra información. Los datos serán enviados finalmente en los 456 bits disponibles dentro de un bloque a través del interfaz aéreo. 62 Capitulo 3 GPRS 1500 bytes como máximo LLC Datos de Usuario TCP/IP Datos de Usuario SNDCP TCP/IP Datos de Usuario SNDCP TCP/IP Datos de Usuario LLC TRAMA LLC (1600 bytes como maximo) RL/M;AC INFO FCS RL/M;AC 456 bits 114 3 114 1 57 FCS RL/M;AC 456 bits 114 26 INFO 1 INFO FCS 456 bits 114 57 8`25 Figura 3.8 Fragmentación de los paquetes para la transmisión Cada bloque está formado por cuatro tramas TDMA, cada una de las cuales tiene 14 bits para información. Los bits utilizados para la transferencia de los datos de los usuarios y para la detección y corrección de errores, depende del esquema de codificación utilizado. 3.8.1 Canales Físicos y Lógicos La información de la capacidad de la red para llegar a un acuerdo con los clientes GPRS es emitida en el canal de broadcast GSM (BCCH). GPRS aporta varios canales de control al interfaz aéreo, alguno de ellos, son obligatorios, y otros opcionales. Cuando se introduce un nuevo canal, la forma de nombrarlo es poner una P delante del nombre del antiguo canal (si existía). Por ejemplo, el canal BCCH ahora es PBCCH. Cada uno de estos canales es transferido a través de un canal PDCH. Este se equipara a un canal físico que se toma del total de recursos GSM y GPRS. BCCH (Broadcast and Control Channel) El canal de broadcast y control transmite información general desde la estación base a todos los dispositivos móviles de la célula. Una parte de esa información indica si GPRS 63 Capitulo 3 GPRS está soportado o no en esa célula concreta. Si GPRS está soportado y el canal PBCCH está configurado, la posición de este canal está indicada también en el BCCH. El PBCCH es entonces utilizado para transmitir información a los dispositivos en las operaciones de transmisión. Si GPRS está soportado pero el canal PBCCH no existe, la información será transmitida en el BCCH. CCCH (Common Control Channel) Este es un canal GSM, pero puede ser utilizado en GSM si PCCCH no existe. El CCCH está formado por los siguientes canales: Canal de paginación (PCH): Un canal de bajada utilizado para buscar (paginar) a los dispositivos. Canal de acceso aleatorio (RACH): Canal de subida utilizado para solicitar un canal SDCCH. Canal de acceso concedido (AGCH): Canal de bajada utilizado para situar el SDCCH solicitado. También puede albergar a un canal de tráfico (TCH) directamente. Canal de notificación (NCH): Este canal se utiliza para realizar determinados avisos a los móviles. PCCCH (Packet Common Control Channel) Este es un canal opcional que es transportado en un canal PDCH. Si este no aparece, entonces la información necesaria para el funcionamiento de la conmutación de paquetes es transmitida en el CCCH. PCCH puede ser implementado si la demanda de transferencia de los paquetes de datos lo requiere o si hay suficiente capacidad de sobra dentro de la red ya que incrementa la QoS para el acceso de los paquetes. Está formado por: 64 Capitulo 3 GPRS Canal de paginación de paquetes (PPCH): Canal de bajada utilizado para buscar a los dispositivos antes de la transferencia de paquetes. Esta búsqueda puede ser utilizada tanto por la conmutación de paquetes como la de circuitos. Canal de acceso aleatorio de paquetes (PRACH): Canal de subida utilizado para solicitar uno o más canales de tráfico (PDTCH). Canal de acceso concedido de paquetes (PAGCH): Canal de bajada utilizado para asignar el canal solicitado PDTCH. Canal de notificación de paquetes (PNCH): Canal de bajada utilizado para realizar avisos concretos. El tráfico actual GPRS es enviado sobre el canal de tráfico de datos (PDTCH). Este equivale al recurso disponible que ha sido ofrecido para la transferencia. Puede ser un único timeslot, parte de un timeslot o varios timeslots hasta un máximo de ocho, todos ellos deben estar en una sola frecuencia. El canal de control PACCH está dedicado a un dispositivo particular. Es necesario tanto en la subida como en la bajada. La información en este canal puede ser: información de los recursos asignados, información de control de potencia o uplink. 3.8.2 SNDCP SNDCP (SubNetwork Dependent Convergence Protocol) es un protocolo utilizado sólo en el plano de usuario, para indicar un contexto PDP concreto. Un cliente puede tener varios contextos PDP abiertos y cada uno de ellos esta asociado a esta capa a través de un identificador NSAPI (network services access point identifier). Las funciones principales del nivel SNDCP son: Proporcionar la multiplexación de PDPs. Compresión de los datos de usuario (incluyendo la compresión de la cabecera IP) Segmentación de los paquetes de datos que serán pasados a la capa LLC. 65 Capitulo 3 GPRS LLC establece el tamaño máximo de la unidad de datos de protocolo (PDU) que puede transportar en un único segmento. Si el paquete de nivel 3 (normalmente IP), llamado NPDU, no cabe en este tamaño, entonces será necesario que SNDCP rompa ese paquete en segmentos más pequeños (SN-PDU) que puedan ser transportados en una trama LLC y que luego el receptor reensamblará, obteniendo de nuevo la N-PDU. La capa SNDCP también puede comprimir la cabecera IP según indican los estándares: RFC 1144: Es usado para comprimir cabeceras de la trama TCP/IP. Se basa en el hecho de que muchos parámetros de la cabecera TCP/IP son redundantes una vez que se ha establecido una conexión virtual TCP entre el dispositivo móvil y la aplicación. El uso de esta compresión supone que los 40 bytes de la cabecera TCP/IP puedan reducirse a tan sólo 2 o 3 bytes. V.42bis: El estándar de la ITU-T V.42bis, puede ser utilizado en GPRS. Las cadenas de cualquier longitud pueden ser comprimidas con la ayuda de este estándar. Se utilizan los árboles de decisión que son construidos a partir de unos códigos que deben ser conocidos por el compresor y por el descompresor. Aunque la compresión de los datos reduce el número de los datos transmitidos, su uso tiene un efecto negativo al incrementar la potencia de procesamiento del MS y el SGSN. Hay dos formatos de tramas distintos para SNDCP, uno para el modo de transferencia uplink y otro para el modo de transferencia downlink. Ambos formatos se muestran en la figura 3.9: Byte 1 Byte 2 X F T DCOMP M X F T M NSAPI NSAPI Byte 1 PCOMP Byte 2 DCOMP PCOMP Número de segmento Número N-PDU Byte 3 Numero N-PDU Byte 3 Byte n Segmento de Datos Byte 4 Numero N-PDU Byte n Segmento de Datos Downlink Uplink Figura 3.9 Formato de la trama SNDCP 66 Capitulo 3 GPRS Cuando se utiliza el modo uplink, SNDCP almacenará los paquetes N-PDU y los mantiene hasta que los segmentos producidos por dicho N-PDU son sentidos por la entidad receptora. En el modo downlink, los paquetes son descartados tan pronto como los paquetes N-PDU han sido enviados a la capa LLC para su transmisión. SNDCP pedirá a la capa LLC que envíe los datos en modo uplink utilizando el formato de trama uplink, y será responsabilidad de LLC asegurar que los datos lleguen en el orden correcto. Durante esta petición, SNDCP puede hacer la petición de la QoS, como la clase de precedencia, el throughput de pico y la clase de retardo en el SGSN así como indicar el throughput de pico del dispositivo móvil. Se puede establecer también la prioridad que la capa RLC/MAC del dispositivo móvil utilizará para la transferencia. Cuando se realice la transferencia utilizando el modo downlink, los parámetros de la calidad de servicio tanto en el SGSN como en el dispositivo móvil, incluirán una clasificación de fiabilidad que indica si la capa LLC debería utilizar el modo protegido o el modo desprotegido y si la capa RLC/MAC debe utilizar el modo uplink o downlink. La capa LLC puede detectar errores en las tramas y dependiendo de si se está utilizando el modo protegido o no, se entregará o se descartará la trama errónea. Los campos de las tramas SNDCP tienen el siguiente significado: X (bit de reserva): Se pone a 0 por la entidad emisora y es ignorada por el receptor. F (indicador del primer segmento): Este bit tiene el valor 1 si es el primer segmento formado de una N-PDU. Indica que los campos DCOMP, PCOMP y Num. N-PDU están incluidos en el paquete. También indica que hay mas segmentos que le siguen, pero esos segmentos tendrán el valor 0 ya que no son el primero. Si el campo es 0 también indica que DCOMP, PCOMP y Num. NPDU no aparecen. T (tipo de SN-PDU): Un 0 indica que es una trama SN-DATA (con asignación) mientras que un 1 indica que es una trama SN-UNITDATA (sin asignación). 67 Capitulo 3 GPRS M: Como una N-PDU puede haber sido dividido en varios SN-PDU, el ultimo de éstos tiene que indicar que el N-PDU puede ser reensamblado. Un 0 indica que es el último de la N-PDU, mientras que un 1 indica que no lo es. NSAPI: Indica con que contexto PDP está asociado el SN-PDU, ya que varios contextos PDP pueden compartir el mismo enlace lógico. Los valores pueden ser: 0: Es un mecanismo de escape para futuras extensiones 1: Información Point-to-Multipoint Multicast 2-4: Reservados para uso futuro 5-15: Valores de NSAPI asignados dinámicamente, que permiten un máximo de 11 contextos. DCOMP (Data Compression Coding): Este campo aparece tan solo en el primer segmento, y sus valores son: 0: No hay compresión 1-14: Este identificador ha sido negociado dinámicamente 15: Reservado para extensiones futuras PCOMP (Protocol Control Information Compression Coding): Este campo aparece en el primer segmento. Puede tener los siguientes valores: 0: No hay compresión 1-14: Este identificador ha sido negociado dinámicamente 15: Reservado para extensiones futuras Num Segmento: Solo es necesario en el modo sin asentimiento, ya que LLC asegura la entrega ordenada en el modo ACK. Num N-PDU – modo ack: Tendrá un valor entre 0 y 255 que indica el número de la N-PDU. Num N-PDU – modo no ack: Tendrá un valor entre 0 y 255 que indica el número de la N-PDU. 68 Capitulo 3 3.8.3 GPRS LLC LLC (Logical Link Protocol) proporciona un enlace fiable entre el dispositivo móvil y el nodo SGSN tanto para control como para datos. Acepta campos de información variable desde 140 bytes hasta un máximo de 1520 bytes de payload y puede transferir mensajes de control y de datos que pueden estar o no encriptados. Al igual que SNDCP soporta los modos con acuse de recibo y sin acuse de recibo, además tiene la capacidad de reordenar tramas que lleguen fuera de orden (cuando se retransmitan tramas que tuvieran errores). Está diseñado para ser independiente de las capas inferiores, para permitir distintas opciones. En el plano de control, LLC transporta mensajes GMM (GPRS Mobility Management), como la autenticación o el Attach, así como información de la sesión (activación del contexto PDP), además de transportar mensajes SMS a las capas superiores. En el plano de usuario, las tramas LLC transportan los paquetes SNDCP que contendrán los datos de usuario (paquetes IP). 1 8 PD C/R X X Trama S 8 SAPI 1 0 A X 1 X N(H) N(R) Información de Control S1 S2 Trama I Campo de Información de Longitud Variable hasta 1520 bytes 0 A X N(S) N(S) CRC de 3 bytes X N(S) N(R) S1 S2 Trama UI 1 1 0 X X N(U) N(U) E PM Trama U 1 1 1 P/F M4 M3 M2 M1 Figura 3.10 Formato de la trama LLC Una conexión LLC es identificada por un identificador DLCI (DataLink Connection Identifier), que estará formado por el identificador del punto de acceso al servicio (SAPI) y el identificador temporal del enlace lógico (TLLI) del dispositivo móvil. El SAPI va dentro de la cabecera de la trama LLC y define el SAP del dispositivo móvil y el SGSN al que está asociado. Sin embargo, el TLLI es utilizado como identificador único del 69 Capitulo 3 GPRS dispositivo móvil (ya que por razones de seguridad el IMSI no será transmitido), pero no aparece en la cabecera LLC. La capa inferior BSSGP (entre el BSC y el SGSN) y la capa RLC/MAC (entre el móvil y el BSC), se envían, en distintos momentos, la información TLLI que identifica al dispositivo móvil de forma única. Modo Downlink En este modo, una entidad puede iniciar transmisiones sin tener establecido una conexión lógica. LLC no garantiza la entrega ordenada de las tramas y no tendrá ningún procedimiento de recuperación de errores. Sin embargo, LLC puede detectar errores en las tramas recibidas, y dependiendo del modo de protección que se esté utilizando para la transmisión, entregará o descartará las tramas con errores. En el modo protegido, hay una comprobación CRC de la cabecera y del campo de información. En el modo no protegido, el CRC comprueba la cabecera y tan sólo los primeros 4 bytes del campo de información, que corresponde a la máxima longitud de la cabecera PDU de un segmento SNDCP. Tampoco hay un control de flujo con este tipo de transmisión desprotegida. Modo Uplink En este caso, cada entidad emisora es responsable del flujo de datos y de la recuperación de errores. Para permitir esto, el enlace tiene primero que establecerse, y las tramas serán asentidas en este nivel LLC. Este modo proporciona un servicio fiable de entrega ordenada. Formato de la Trama LLC Ahora se describen los campos de la trama LLC mostrada anteriormente. PD (Protocol Discriminator): Este bit se pone a 0 para indicar que es una trama LLC. Si se pone a 1, la trama será tratada como inválida. 70 Capitulo 3 GPRS C/R (Command/Response): Indica si es un comando o una respuesta al comando. SAPI: La dirección del servicio de la capa superior, al que esta trama tiene que ser enviado. Campo de control: Hay cuatro tipos. o Trama de supervisión (S): Estas tramas son utilizadas para realiza las funciones propias de LLC. Pueden subir tramas I utilizando el número de secuencia de la trama recibida y N(R). El bit de petición de uplink (A) es puesto a 1 por el emisor si se quiere un uplink, y se pode a 0 en caso contrario. La trama S es enviada aunque no haya información a transferir. o Trama de información confirmada (I): Hay un número de secuencia para las tramas enviadas, N(S), y para las recibidas, N(R). Cada trama I también contiene una trama S y algunas veces se le denomina trama I+S. o Trama de información no confirmada (UI): Se utiliza para enviar información a las capas superiores que no necesitan confirmación. Una trama podría perderse sin que las capas superiores se enterasen. La información puede ir o no encriptada, según indique el campo E. El bit PM indica que se utiliza el modo protegido y si el CRC controla la cabecera y el payload o tan sólo la cabecera. Si se pone a 1 este campo, significa que el payload también está protegido. o Trama no numerada (U): Proporciona funcionalidad adicional a LLC. No contiene ningún número de secuencia. El bit P/F (Poll/Final) será P si es una trama de comando y será F si es una trama de respuesta. El bit P se pone a 1 para pedir una trama de respuesta del receptor. El bit F se pone a 1 para indicar que es una respuesta a un comando poll. 3.8.4 RLC/MAC RLC/MAC (Radio Link Control/Media Access Control) tiene como función principal segmentar paquetes LLC para transferirlos sobre el enlace de radio desde el dispositivo 71 Capitulo 3 GPRS móvil hasta el BSC, donde estos paquetes serán reensamblados y retransmitidos por el BSSGP al SGSN. Esto ocurrirá en el uplink, mientras que en el downlink el mecanismo será similar, donde el BSC recibirá los paquetes LLC de BSSGP y los segmentará en bloques RLC/MAC para transferirlos al dispositivo móvil. Los bloques que mandará esta capa podrán ser, al igual que anteriormente, de dos modos, con acuse de recibo o sin acuse de recibo. La unidad de control de los paquetes (PCU), que normalmente está situado dentro del BSC es el responsable de las tareas de la capa RLC/MAC, como la segmentación y el reensamblado de las tramas LLC. Este nivel también podrá utilizar el modo con asentimiento o el modo sin asentimiento. Flujo de Bloques Temporal (TBF) El mecanismo de flujo de los bloques es una conexión física unidireccional para soportar la transferencia de tramas LLC. Permite que varios dispositivos móviles compartan un timeslot o que se ocupen varios time slots en las dos direcciones. Los canales de subida y bajada son asignados de forma independiente, permitiendo así la transferencia asimétrica, lo que es mejor para el tráfico de datos, donde en general, hay mayor volumen de tráfico en la bajada. A cada dispositivo móvil se le asigna uno o varios bloques de radio a la vez, y puede haber incluso varios móviles compartiendo el mismo canal de 9’05 Kbps. Esto puede dar una velocidad muy baja, pero siempre será suficiente para mantener una conexión TCP/IP fuera del time out. Al dispositivo se le asigna el canal, el time slot y el bloque de radio en el que puede transmitir. Hay tres técnicas para realizar esta asignación: la dinámica, la dinámica extendida y la fija. Tanto la dinámica como la fija, son obligatorias en las redes GPRS, mientras que la dinámica extendida es opcional. Formato de la trama RLC/MAC Distinguimos entre las tramas de control y las tramas de datos. La trama de datos campos aparecen en la Figura 3.10 72 sus Capitulo 3 MAC TIPO DE PAYLOAD Byte 1 PR Byte 2 GPRS RRBP SP USF TFI BSN MAC X CV PI SI TFI R FBI FBI Byte 1 E Byte 2 Byte 3 (opcional) LI (Indicador de Longitud) M E Byte M (opcional) LI (Indicador de Longitud) M E Byte 3 (opcional) LI (Indicador de Longitud) M E Byte M (opcional) LI (Indicador de Longitud) M E BSN Byte M+1 (opcional) Byte M+1 Byte N TIPO DE PAYLOAD Datos RLC Byte M+3 (opcional) Byte M+6 Byte N Downlink E TLLI (32 bits) PFI E Datos RLC Uplink Figura 3.10 Bloque de datos RLC/MAC Tipo de payload: Campo de dos bits que indican si es un bloque de datos (00) o de control (01). Un valor de 10 en el downlink indica un bloque de control con la cabecera opcional. El resto de valores están reservados. RRBP (Relative Reserved Block Period): Estos dos bits indican un bloque reservado que el dispositivo móvil puede utilizar para un paquete de asentimiento de control, o un bloque PACCH S/P (Supplementary/Polling): Un 0 en este campo indica que el campo RRBP no es válido, mientras que un 1 indica que sí lo es. USF (Uplink Status Flag): Este campo de 3 bits es enviado en todos los bloques de bajada RLC para indicar la propiedad del siguiente bloque de radio de subida en el mismo time slot. PR (Power Reduction): Campo de 2 bits que indica la reducción del nivel de potencia del bloque RLC actual, comparado con la potencia del BCCH. Un valor de 0 indica 0-2 dB, un 1 indica 4-6 dB y un 2 indica 8-10 dB menos que el BCCH. El valor 3 no se utiliza. TFI (Temporary Flor Identity): Es un campo de 5 bits que identifica el TBF al que pertenece el bloque. 73 Capitulo 3 GPRS FBI (Final block indicador): Un bit que indica el último bloque de datos RLC. Un 0 significa que hay mas bloques, mientras que un 1 significa que este es el último bloque en este TBF. BSN (Block sequence number): Campo de 7 bits que lleva el número de secuencia del bloque RLC (módulo 128) dentro del TBF. E (Extensión): Bit que indica la presencia del byte opcional en la cabecera del bloque de datos. Un 0 indica que le sigue el byte de extensión. LI (Indicador de Longitud): 6 bits que se usan para delimitar las PDUs LLC dentro de un único bloque de datos RLC. M (More): Único bit que, junto con el bit e y el LI, es utilizado para delimitar las PDUs LLC dentro de un TBF. Identifica si otra PDU LLC sigue a la actual dentro del mismo bloque de datos RLC. CV (Countdown Value): Campo de 4 bits enviado por el dispositivo móvil para permitir a la red calcular el número de bloques RLC que quedan en el flujo actual de subida. SI (Stall indicator): Bit que indica si la ventana de emisión RLC del dispositivo móvil puede avanzar o no. Un 0 indica que la ventana no está parada. PI (PFI Indicator): Bit que indica la presencia del campo opcional PFI. Un 0 significa que no el campo no aparece. TI (TLLI indicator): Este campo indica si el campo TLLI aparece o no. Un 0 significa que el TLLI no aparece. TLLI (Temporary logical link identifier): Campo de 32 bits opcional. PFI (Packet flor identifier): Este campo de 7 bits es asignado por el SGSN y utilizado por un flujo y un valor de QoS determinado. 74 Capitulo 3 GPRS Datos RLC: Aquí aparece el PDU LLC o parte de ellos si ha sido segmentado. La cantidad de datos transferidos depende de si hay alguna cabecera opcional RLC y del esquema de codificación utilizado. La trama de control y los campos que se introducen no aparecen en la trama de datos: MAC TIPO DE PAYLOAD Byte 1 RB SN Byte 2 RRBP SP USF MAC TIPO DE PAYLOAD SOBRANTE R Byte 1 RTI FS AC MENSAJE DE CONTROL Byte 22 PR TFI AC Byte M Byte 22 MENSAJE DE CONTROL Uplink Dowlink Figura 3.11 Bloque de control RLC/MAC RBSN (Reduced block sequence number): Utilizado para indicar el número de secuencia del bloque de control de bajada RLC. RTI (Radio transaction identifier): Campo de 5 bits utilizado para agrupar los bloques de control de bajada que componen un único mensaje. FS (Final segment): Este campo es utilizado en bloques de control de bajada para indicar el último segmento de un mensaje de control. Un valor de 0 indica que este no es el último segmento. AC (Address control): Único bit que indica la presencia del byte opcional PR/TFI/D en el bloque de control de bajada. Un 0 significa que este byte no aparece. D (Direction): Bit que dirá si el TBF identificado en el campo TFI del bloque de control de bajada es de bajada (1) o de subida (0). R (Retry): Único bit que dirá si el dispositivo móvil ha enviado el mensaje channel packet request más de una vez. Un 0 dice que ha sido enviado una vez y un 1 que ha sido enviado más veces. 75 Capitulo 3 GPRS Acceso a servicios de información (a través del servicio WAP): Canales temáticos: Noticias, Finanzas, Viajes…. Guía Conecta: Guía de carreteras, Reserva de restaurantes, Guía de teléfono, Guía de teléfono callejero… Centro comercial: Banca móvil, Entradas….Internet/ Servicios: Buscador, Traductor…. 3.9 Conclusiones En este capitulo se ha visto como GPRS es una red de datos que utiliza la infraestructura de la red GSM. Para permitir la transmisión de paquetes es necesario introducir dos nodos que constituyen las partes de la red del sistema GPRS y que se encargan de conmutar los paquetes de datos. Los dos nodos principales son el nodo servidor de soporte de GPRS (SGSN) y el nodo pasarela de soporte de GPRS (GGSN). El SGSN encamina los paquetes IP entrantes y salientes de cualquier equipo móvil físicamente situado dentro de la zona geográfica a la que da servicio ese SGSN, proporcionando autentificación, gestión de sesión, gestión de la movilidad y gestión del enlace lógico del equipo móvil con otros nodos de la red. En tanto el GGSN sirve de interfaz con las redes externas de paquetes IP y se encarga de encaminar las direcciones IP de los abonados servidos por la red GPRS. GPRS retiene el esquema de modulación, la anchura de los canales de radio y la estructura de las tramas usadas en GSM, sin embargo, múltiples usuarios pueden compartir simultáneamente los canales de radio, permitiendo un mejor aprovechamiento de los recursos. 76 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS CAPITULO 4 GPRS PROTOCOLOS DE RADIO GPRS 4.1 Introducción GPRS define una nueva interfaz basada en TDMA para proveer transmisión de paquetes sobre la interfaz de aire, estableciendo, de esta forma, nuevas maneras de usar los canales de radio GSM ya existentes. En GPRS se establecen procedimientos a través de los cuales múltiples usuarios pueden compartir simultáneamente los recursos de radio y time slots. GPRS define una administración de recursos de radio completamente diferente a la de conmutación de circuitos que establecía GSM en donde se asignaban ranuras por tiempo indefinido. Por el contrario, GPRS asigna ranuras de tiempo al usuario sobre la base paquete a paquete. 77 Capitulo 4 4.2 Protocolos de Radio GPRS Protocolos de Radio GPRS Ya se ha indicado anteriormente que el interfaz aéreo es muy poco fiable, y que por tanto, es necesario añadir bits extra de comprobación y corrección de errores. Estos bits extra más los datos de usuario deben entrar en el tamaño de transferencia que es de 456 bits. Según se utilice un esquema de codificación u otro, los datos de usuario irán desde 181 bits en el caso de CS-1 hasta 428 en el caso de CS-4, aunque la fiabilidad que proporciona CS-1 es mucho mayor que el resto de esquemas. 4.2.1 Nivel 1 El nivel 1 se divide en dos subcapas distintas, la capa física de radiofrecuencia (RF) y la capa de enlace física. La capa RF realiza la modulación de los datos que recibe de la capa de enlace física, y en el receptor demodula la señal. El enlace físico proporciona el entramado, la codificación de los datos y la detección y corrección de los errores del medio de transmisión. 4.2.2 Protocolo del interfaz Gb La interfaz “Gb” conecta el BSS con el SGSN y se utiliza para datos y para control. Está diseñada para permitir la multiplexación de muchos usuarios sobre los mismos recursos físicos. Estos recursos son asignados a un usuario cuando se envían o reciben datos, en contraste con lo que ocurría con el interfaz “A” utilizado en las conexiones de circuitos conmutados, donde un usuario tiene recursos dedicados mientras que dura una llamada, independientemente de que haya actividad o no. Nivel 1 bis Hay varias configuraciones posibles en el nivel físico, por lo que la conexión se negocia entre los operadores y las empresas de dispositivos móviles. Las especificaciones permiten conexiones punto a punto entre el SGSN y el BSS, y Frame Relay de intermediaria. 78 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS Frame Relay El nivel de red según se indica en el estándar GSM08.16, se basa en Frame Relay. Se establecen circuitos virtuales entre el BSS y el SGSN y las transmisiones de varios usuarios pueden multiplexarse sobre esos circuitos virtuales. En muchos casos, se espera que haya un enlace directo entre el BSS y el SGSN, sin embargo, Frame Relay permitirá una red que haga de intermediaria entre el SGSN y el BSS. Las conexiones Frame Relay permitirán distintos tamaños de trama con un máximo de 1600 bytes. La cabecera de frame relay tiene una longitud de 2 bytes. Varios circuitos virtuales permanentes (PVC) se utilizan entre el SGSN y varios BSS para transportar los paquetes de datos BSSGP. BSSGP El protocolo BSSGP (Base Station System GPRS Protocol) se sitúa sobre la red Frame Relay (normalmente) y es utilizada para transportar tanto mensajes de control como datos del usuario sobre el interfaz Gb. La función principal de esta capa es proporcionar la QoS (Quality of Service) requerida por el usuario. En el uplink, el BSC tomará tramas RLC/MAC del dispositivo móvil y reensamblará un paquete LLC, que será enviado dentro de un paquete BSSGP al SGSN. En el downlink, el BSC irá tomando las tramas LLC de un paquete BSSGP, y los segmentará en tantas tramas RLC/MAC como sea necesario para enviarlo al dispositivo móvil. Para completar esta tarea, el BSC utiliza el TLLI que es proporcionado por el SGSN y se transporta dentro de la cabecera del paquete BSSGP. Cada asociación RLC/MAC – BSSGP está enlazada por el TLLI. Además del TLLI, el SGSN proporciona más información al protocolo BSSGP. Esa información es: El número simultáneo de time slots que el dispositivo móvil es capaz de mantener. El perfil de la QoS que define entre otros parámetros, el throughput de pico, la clase de precedencia y el modo de transferencia que tiene que utilizarse al transmitir la trama LLC entre el BSC y el dispositivo móvil. El formato de las tramas BSSGP aparece en la figura 4.1. Los campos que aparecen en la figura se explican a continuación. 79 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS UpLink Downlink 1 32 TIPO DE PDU TLLI 1 32 TLLI TIPO DE PDU Perfil de la QoS TLLI Tiempo de Vida de la PDU Capacidad de Acceso de Radio Identificador de la Célula Capacidad de Acceso de Radio Opciones Opciones Perfil de la QoS Tiempo de Vida de la PDU Identificador de la Célula ID Célula TLLI Opciones Opciones Alineación Alineación LLC - PDU LLC - PDU Figura 4.1 Formato de las tramas BSSGP Tipo de PDU: Indica el tipo de la PDU y el formato de la trama que le sigue. Perfil de QoS: Define el bit rate de pico, si la SDU es de control o de datos, el tipo de la trama LLC, la clase de precedencia y el modo de transmisión a utilizar. Capacidad de acceso del MS: Define la capacidad de radio del dispositivo móvil. Este campo es opcional y solo aparece si el SGSN quiere comprobar este aspecto. Tiempo de vida de la PDU: Periodo de tiempo en el que la PDU será válida dentro del BSS. Este periodo se establece en las capas superiores en el SGSN. Identificador de la célula: Este campo es necesario para los servicios de localización. La PDU de uplink incluye el identificador de la célula en la que el LLC fue recibido. LSA (Localizad Service Area): Este es un campo opcional e identifica a un grupo de células a las que aplicar unas condiciones de acceso concretas. BSSGP no proporciona corrección de errores al contrario que RLC/MAC, y si se necesita una retransmisión, esta se realiza entre el móvil y el SGSN a nivel LLC. Esto es porque, como Frame Relay, supone que el enlace es fiable. 4.2.3 GTP 80 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS GTP (GPRS Tunneling Protocol) es un protocolo que actúa en el interfaz Gn entre los elementos SGSN y GGSN. GTP GTP UDP UDP IP IP L2 L2 L1 L1 Interfaz Gn Figura 4.2 Interfaz entre el SGSN y el GGSN En el modelo de capas que aparece en la figura 4.2, el nivel inferior hace eferencia al nivel físico y la capa que está por encima al nivel de enlace. El estándar no define cuales tienen que ser estas dos capas, así que, según el caso, podremos encontrarnos Ethernet 100baseTX, ATM, Frame Relay, u otro mecanismo de transporte. El caso normal será que el SGSN y el GGSN estén en el mismo edificio, o incluso en la misma habitación, por lo tanto, Ethernet será la tecnología más utilizada, dada su alta velocidad y su sencilla administración. En otros casos en los que el GGSN esté más alejado del SGSN, la tecnología que se utilice será ATM o incluso MPLS. Sobre las dos capas inferiores, estarán el nivel de red IP y el nivel de transporte UDP. El uso de UDP está justificado ya que al ser un protocolo no orientado a la conexión, en el que no se producirán subidas (UpLink), la velocidad que se alcance será mayor, mientras que la fiabilidad no será un problema ya que el núcleo de la red GPRS está sobredimensionado para que no se produzcan situaciones que afecten al rendimiento de la propia red. El protocolo GTP está formado por dos subprotocolos: GTP-C y GTP-U. GTP-C transporta datos de control para la creación, modificación y borrado de los túneles GTP, mientras que GTP-U transporta los datos del usuario e información y control. La cabecera para ambos subprotocolos es de longitud variable, siendo la mínima 8 bytes. 81 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS Version PT O E S PN Tipo de Mensaje Longitud del Primer Octeto Longitud del Segundo Octeto Primer Octeto del Extremo del Tunel (TEID) Segundo Octeto del Extremo del Tunel (TEID) Tercer Octeto del Extremo del Tunel (TEID) Cuarto Octeto del Extremo del Tunel (TEID) Primer Octeto del Numero de Secuencia Segundo Octeto del Numero de Secuencia Numero de la N-PDU Tipo de la Siguiente Extensión de la Cabecera Figura 4.3 Cabecera GTP Los tres bits E, S y PN indican si aparecen o no los campos adicionales en la cabecera. El campo Versión, como su nombre indica, dice la versión de la cabecera. La versión actual es la 1 (Release 99), pero hay una versión anterior 0 (Release 97). PT (Protocol Type) es un bit que indica si el protocolo que se está utilizando es el estándar GTP o GTP’. El protocolo GTP’ se utiliza en el interfaz Ga para aspectos de facturación. E (Extensión) es un bit usado para indicar si aparece o no una extensión de la cabecera. El bit de secuencia S indica si hay un campo de número de secuencia GTP. El bit PN (número N-PDU) se utiliza para indicar si hay un número N-PDU. El campo Tipo del Mensaje indica que tipo de mensaje se está transportando en el paquete (Echo Request, Node Alive Request, Create PDP Context Request, Delete PDP Context Request, …) El campo de longitud indica la extensión del payload en bytes TEID identifica sin ambigüedades, los extremos del túnel. 82 Capitulo 4 4.3 Protocolos de Radio GPRS Gestión de la Conexión La conexión inicial para GPRS es similar a la de GSM. La principal diferencia entre las dos es que para registrarse en la red GPRS, el móvil tendrá que llegar a un acuerdo con el SGSN en lugar de hacerlo con el MSC. Un dispositivo que puede conectar tanto a la red GSM como a la red GPRS, normalmente realizará una conexión a la red GSM a través del MSC, seguido de una conexión a la red GPRS a través del SGSN. Esto hace que el dispositivo sea autenticado dos veces y que las respuestas al HLR también se hagan por duplicado. Por lo tanto, por el interfaz aéreo se duplicarán las peticiones de conexión, lo que puede suponer un problema si consideremos que es un recurso escaso que normalmente será el principal cuello de botella. El estándar GPRS permite un interfaz opcional entre el MSC y el SGSN, que llamaremos Gs. Si una red permite esta posibilidad, entonces sólo será necesaria una única petición de acceso. Con esta opción, el dispositivo móvil se registra contra el SGSN, que autentifica la SIM y comprueba el estado del dispositivo móvil. El HLR es actualizado con los datos del SGSN que está sirviendo al móvil para las conexiones GPRS. Utilizando el interfaz Gs, el SGSN puede actualizar el MSC/VLR con la situación del terminal e indicar que la autenticación se ha completado. El VLR puede actualizar el HLR que está sirviendo al dispositivo para las llamadas GSM. Este método reduce la cantidad de señalización que se envía a través del interfaz aéreo. Un móvil sabe que una célula tiene el servicio GPRS y que puede contactar con el SGSN en lugar de con el MSC ya que lo indica el canal de broadcast de la célula (PBCCH). 4.3.1 Gestión de la Movilidad GPRS En los sistemas de segunda generación, la gestión de la movilidad ha sido realizada por el núcleo de red. La situación del dispositivo móvil es conocida dentro del MSC/VLR para los que están conectados por conmutación de circuitos, y en el SGSN para los que están conectados por conmutación de paquetes. Para la red de conmutación de paquetes, GPRS introduce una nueva entidad de localización, conocida como RA (Routing Area). Cualquier actualización desde el dispositivo móvil del LA (circuitos conmutados) o RA (conmutación de paquetes), pasa 83 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS desde el BSS al núcleo de red, para ser almacenado en el dispositivo correcto (MSC o SGSN). De esta forma, la paginación (o búsqueda) para un dispositivo móvil se logra, en primer lugar, encontrando el MSC/VLR o SGSN correcto, según corresponda. Éstos conocerán la situación de un dispositivo móvil en una célula concreta o en un número de células (LA o RA) dependiendo del estado en el que se encuentra el dispositivo. Esto puede ocasionar gran cantidad de tráfico de señalización. Figura 4.4 Distintas localizaciones de la red GPRS Un RA es un subconjunto de un LA y es definido dentro del SGSN y no del MSC. Un RA puede tener el mismo tamaño que un LA pero no puede ser mayor. Hay tres estados básicos en los que puede encontrarse un dispositivo GPRS: parado, en espera y preparado. 84 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS Estado Parado Attach GPRS Fin del Temporizador 2 Dettach GPRS Estado Preparado Fin del Temporizador 1 Transmision y Recepcion de Trafico Estado en Espera Figura 4.5 Estados en la gestión de la movilidad ESTADO PARADO En este estado, el dispositivo no está conectado a la red y por lo tanto, la red mantiene información de localización inválida para él. El desconocimiento de la situación del móvil hace que no pueda ser encontrado para la paginación (o búsqueda). El dispositivo debe realizar un Attach para ser registrado dentro de la red. Esto haría que el dispositivo pasara del estado parado al estado preparado. Normalmente este paso se realiza automáticamente al encender el móvil. 85 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS ESTADO PREPARADO En este estado, la situación del dispositivo es conocida con exactitud. Cada vez que el dispositivo cambie de célula, actualiza la red con su nueva situación. Si hay un contexto PDP adecuado, se podrá transferir información a través de la red GPRS. El móvil permanecerá en este estado mientras que haya transferencia de paquetes. Si no hay transmisión durante un periodo de tiempo determinado, se pasa al estado en espera. Este tiempo es establecido por el operador, aunque las especificaciones dan un valor por defecto de 44 segundos. Cuando el dispositivo se enciende, pasará del estado parado al estado preparado. Si no se activa un contexto PDP dentro del tiempo permitido, se pasa al estado en espera. También será posible pasar del estado en espera al estado parado cuando otro temporizador expire. Este tiempo es establecido también por el operador, pero de nuevo las especificaciones indican un valor por defecto de 54 minutos. ESTADO EN ESPERA En este estado, el gestor de movilidad de la red almacena la situación del dispositivo. Esta situación es conocida al nivel RA, que normalmente incluye varias células. Tan sólo con actualizar la red cuando cambia de una RA (Routing Area) a otra, en lugar de hacerlo al cambiar de célula, el dispositivo envía menos mensajes de señalización, consiguiendo así un ahorro en la batería. En este estado, el móvil puede activar o desactivar el contexto PDP. El contexto PDP será necesario para enviar datos por la red GPRS, sin embargo, la transmisión y recepción no son posibles hasta que el dispositivo cambie al estado preparado, que ocurrirá automáticamente cuando se active el contexto PDP. Attach Los pasos a seguir en el proceso de Attach a la red GPRS son los que aparecen en la figura 4.6 y se explican a continuación: 1. El dispositivo móvil inicial el proceso con el envío del mensaje Attach Request al HLR. Este mensaje incluye, el P-TMSI (o el IMSI si no tiene un P-TMSI válido), el RAI, el tipo de Attach y la clase del dispositivo según sus posibilidades multislot. RAI (Routing Area Identifier) es un identificador que tiene definido por la siguiente fórmula: 86 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS RAI = Código del país + Código de la red + Código del área de localización + Código del área de enrutamiento. El tipo de Attach indica si es un Attach sencillo GPRS o si lo es combinado (GPRS/IMSI) 2. Las funciones de seguridad pueden ser ejecutadas como se indica para GSM. El SGSN utilizará el IMSI para preguntar al HLR, obteniendo una tripleta que estará formada por la clave de cifrado (Kc), un número aleatorio (RAND) y una respuesta firmada (SRES). RAND se envía al móvil que responderá con un SRES’. El SGSN compara el SRES que tiene el AuC con el del dispositivo, y si coinciden, el IMSI será autenticado. 3. El SGSN envía un mensaje Update Location al HLR, que incluye el identificador del SGSN y el IMSI del móvil. 4. El HLR envía Update Subscriber Data de vuelta al SGSN en el que aparecen los datos de suscripción asociados con esa IMSI. 5. El SGSN valida el la presencia del dispositivo en el RA y acepta el mensaje Update Subscriber Data. 6. El HLR acepta el Update Location enviado anteriormente por el SGSN. 7. Si el tipo de Attach indica Combined GPRS IMSI Attach, entonces el VLR se actualiza por el interfaz Gs. 8. El VLR envía un Update Location al HLR en el que incluye el identificador VLR y el IMSI del dispositivo móvil. 9. El HLR enviará un mensaje Update Subscriber Data de vuelta al VLR en el que aparece los datos de suscripción asociados con el IMSI. 10. El VLR acepta el mensaje Update Subscriber Data. 87 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS 11. El HLR acepta el mensaje Update Location enviado por el VLR en el paso anterior. 12. El VLR responderá al SGSN con el mensaje Location Update Accept que incluye la identificación VLR y el TMSI del móvil. 13. El SGSN devuelve un Attach Accept al móvil que contiene el P-TMSI y el TMSI 14. El dispositivo confirma la recepción de este mensaje. Dispositivo Móvil BSS SGSN GGSN HLR/AuC EIR MSC/VLR Attach Request 1 Funciones de Seguridad Funciones de Seguridad 2 Update Location 3 Update Suscriber Data 4 Update Suscriber Data Ack 5 Update Location Ack 6 Location Update Request 7 Update Location 8 Update Suscriber Data 9 Update Suscriber Data Ack 10 Update Location Ack 11 Location Update Accept 12 Attach Accept 13 Attach Complete 14 Figura 4.6 Proceso de Attach 88 Capitulo 4 4.3.2 Protocolos de Radio GPRS Gestión de la Sesión Una vez que el dispositivo móvil se ha registrado en la red, no puede comenzar la transferencia de paquetes hasta que no se establezca una sesión, o un contexto PDP. Como ya se dijo anteriormente, el dispositivo tiene que estar en el estado preparado para activar un contexto PDP, el cual, una vez activado, permanecerá así incluso si el dispositivo pasa a estar en estado de espera. Esto permitirá que el abonado mantenga la misma dirección IP incluso si no genera o recibe tráfico durante un tiempo. El citado proceso de activación del contexto PDP hace que el móvil obtenga una dirección IP, que puede ser ofrecida tanto por la red del operador móvil como por una red externa. Al realizar una petición de conexión, dicha petición se pasa al SGSN, quien tiene que encontrar el GGSN adecuado que enrute los datos a la red externa correspondiente. Hay que tener en cuenta que puede haber varios GGSN conectados a la red externa para repartir la carga y para dar fiabilidad. Para encontrar el GGSN, el SGSN utilizará un DNS propio del operador de red, el cual le dará la dirección IP del GGSN donde se sitúa la conexión correspondiente, a esto también se le llama Access Point (punto de acceso). Un GGSN puede tener varios Access Point (conexiones con diferentes redes externas). Una vez obtenida la dirección IP, el SGSN puede contactar con el GGSN y preguntar por el contexto PDP concedido para ese usuario. El contexto PDP asegura que se establece un túnel GPRS entre el SGSN y el GGSN para el uso exclusivo de ese usuario. Una vez que se ha activado un contexto PDP, el usuario puede utilizar los servicios proporcionados por un Access Point en particular. El túnel GPRS ahora envía el paquete IP al SGSN, y cuando llegue será borrado del túnel GPRS. El SGSN tendrá que resolver la dirección IP con la dirección P-TMSI del dispositivo móvil. La conexión única que existe entre el SGSN y el terminal es el TLLI (Temporary Logical Link Identifier), compuesto por el P-TMSI del móvil. El TLLI identifica de forma única el dispositivo dentro de un RA, y es enviado en todas las transferencias de paquetes. El SGSN tiene una base de datos de correspondencias PTMSI a IMSI que identificará al móvil al que entregar la respuesta. 89 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS BSS Estación Móvil Abis SIM Backbone GPRS BSC SGSN Internet GGSN BTS ME Cab LLC IP Info Cab LLC Info Cab GTP IP Info IP Info Figura 4.7 Transporte de paquetes IP a través de la red GPRS En la figura 4.7 puede verse todo el recorrido del paquete hasta llegar al móvil. Puede verse que la cabecera GTP (que contiene el IMSI) es enrutada al SGSN correcto a través de los protocolos de niveles inferiores. Una vez que el paquete alcanza el SGSN dicha cabecera GTP es descartada y se añade una cabecera TLL. Es posible que entre el SGSN y el dispositivo móvil, los paquetes IP puedan ser segmentados en otros más pequeños y transportados en tramas LLC separadas. El protocolo SNDCP es el que se encarga de esta segmentación y del reensamblado. El paquete IP es transportado a la estación móvil utilizando varios paquetes de nivel LLC. Entre el SGSN y el BSC, LLC puede ser transportado sobre una red Frame Relay. En el BSC, los paquetes LLC son extraídos de los paquetes Frame Relay y son transportados al BTS correspondiente, normalmente sobre slots TDM. El BSC segmenta las tramas LLC en otras tramas RLC/MAC de menor tamaño. Estas serán transportadas a través del BTS al dispositivo móvil, donde son reagrupadas para reconstruir la trama LLC original. Cuando el BTS ha recibido las tramas RLC/MAC, las transmite por el interfaz aéreo al móvil. Cuando los paquetes LLC llegan a éste, el paquete IP es reensamblado y procesado por la aplicación. Ahora vamos a explicar como es el procedimiento de activación de un contexto PDP por iniciativa del dispositivo móvil: 1. El terminal envía la petición PDP que contiene el NSAPI, el tipo de PDP, la dirección PDP, el APN, la petición de QoS y otras opciones de configuración PDP. El NSAPI identifica el Access Point al servicio en el móvil, que es atendido por el contexto PDP específico. El tipo de PDP indica si es una conexión IP o PPP, y la dirección PDP representa la dirección actual. En el caso de estar 90 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS utilizando IP, la dirección PDP será la dirección IP del dispositivo. Si éste no tiene una dirección estática, este campo será 0.0.0.0, y el GGSN será quien asigne la dirección IP. El APN es el Access Point exterior del operador, y es un campo de texto. Cada contexto PDP puede tener distintos requerimientos de QoS (calidad de servicio). 2. Una vez que el SGSN ha recibido la solicitud, se realizan las funciones de seguridad para autenticar al cliente y al dispositivo. El SGSN validará la petición del cliente contra la información del HLR. 3. El SGSN genera el identificador TEID que está formado por el IMSI y el NSAPI o un enlace a el, y comprueba si se tienen los recursos disponibles para permitir la QoS solicitada. El SGSN localiza un GGSN que tenga acceso al Access Point y envía el mensaje Create PDP Context Request. Este mensaje está formado del TEID, MSISDN, modo de selección, tipo de PDP, dirección PDP, APN, QoS negociada, información de la tarifa y otras opciones de configuración PDP. A través del HLR se comprueban las características de la tarifa, para establecer la facturación del cliente en esta conexión. El GGSN creará una nueva entrada en su tabla de contextos PDP y genera un identificador de tarifa. El GGSN puede limitar la QoS para esta conexión si no tiene disponible los recursos suficientes. 4. El GGSN devuelve un Create PDP Context Response al SGSN en el que irán el identificador de la tarifa y las modificaciones correspondientes a la QoS. 5. Se ejecuta el proceso de flujo de paquetes BSS para asegurar que los requisitos de la QoS son conocidos. Todo el flujo de paquetes relacionado con un único dispositivo móvil, son almacenados en un contexto BSS concreto. Como un mismo terminal puede tener varios contextos PDP activos, los contextos individuales son identificados por un flujo de paquetes único asignado por el SGSN. Hay tres flujos predefinidos: SMS, Señalización y Best Effort. En estos casos, no es necesario hacer la negociación del contexto de flujo BSS. Tanto los flujos Best Effort como el SMS, pueden ser asignados a un contexto PDP y los paquetes serán transportado en el BSS con la QoS del flujo predefinido. Para asegurar que se garantiza la QoS, el SGSN divide el retardo de la transferencia entre el BSS y el núcleo de la red, ya que puede estimar el retardo en el núcleo de 91 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS la red hasta el GGSN. El SGSN puede, por tanto, convertir el tamaño máximo de la SDU, el bit rate de error SDU, el bit rate de errores residuales, el bit rate máximo y el bit rate garantizado en el retardo correspondiente para esa transferencia. El SGSN introduce el NSAPI y la dirección SGSN en su contexto PDP y elije, en función de la QoS negociada, la prioridad de radio y el identificador del flujo. 6. Finalmente, se envía el mensaje Activate PDP Context Accept al dispositivo móvil desde el SGSN, indicando que la petición ha sido aceptada. El diagrama de activación explicado sigue la estructura que aparece en la figura 4.8 Dispositivo Móvil BSS SGSN GGSN Solicitud de Activación de Contexto PDP 1 Funciones de Seguridad 2 3 Create PDP Context Request 4 Create PDP Context Reponse Proceso de Flujo de Paquetes BSS 5 Activate PDP Context Accept 6 Figura 4.8 Diagrama de activación PDP También es posible que la petición de activación del contexto PDP le llegue al móvil desde la red. La desactivación del contexto PDP también sigue unos pasos que se explican a continuación: 1. El móvil envía un mensaje Deactivate PDP Context Request al SGSN. 2. El SGSN puede solicitar que se ejecuten funciones de seguridad. 92 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS 3. El SGSN envía el mensaje Delete PDP Context Request al GGSN indicando el TEID. El GGSN elimina el contexto definitivamente, dejando la dirección IP libre para que sea asignada a otro cliente. 4. El GGSN responde con el mensaje Delete PDP Context response indicando el TEID que ha sido liberado. 5. El SGSN podrá entonces enviar una respuesta al dispositivo indicando que la desactivación se ha completado. Dispositivo Móvil BSS SGSN GGSN Solicitud de Desactivación de Contexto PDP 1 Funciones de Seguridad 2 3 Delete PDP Context Request 4 Delete PDP Context Reponse Deactivate PDP Context Accept 5 Figura 4.9 Diagrama de desactivación PDP 4.4 QoS Sobre Una Red GPRS Para garantizar la QoS puede parecer necesario que exista conformidad entre SGSN y GGSN, siendo necesario el uso de TCP en lugar de UDP. Sin embargo esto puede producir un efecto contrario en la red, bajando el tiempo de respuesta si todos los paquetes son comprobados en el enlace Point to Point (punto a punto) y luego chequeándolos de nuevo en el enlace extremo a extremo. Dejar la comprobación de errores a éstas estaciones (extremos), significa que los paquetes pueden viajar a través de Internet a la otra punta del mundo antes de que los errores sean encontrados. Cualquier petición de retransmisión disminuirá la transferencia de datos y no será útil para muchas aplicaciones en tiempo real. 93 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS Esta será la forma de funcionamiento normal en la red GPRS, el uso de UDP, ya que la red se diseña para ser robusta y sobredimensionada. En muchas ocasiones, el equipo estará situado en la misma área, incluso en la misma habitación. Construyendo una infraestructura robusta, se espera que la red sea suficientemente fiable. Cada flujo de datos tiene una QoS asociada, que define los siguientes parámetros: • Precedencia (o Prioridad) • Retardo • Fiabilidad • Throughput máximo • Throughput medio La QoS solicitada durante la activación puede ser modificada por varias situaciones dentro de la red de acuerdo con los recursos disponibles. La capa RLC/MAC ofrece cuatro niveles de prioridad para señalizar los mensajes. El dispositivo móvil puede indicar uno de estos niveles y si la petición de acceso es, o para los datos, o para la señalización. Esta información es utilizada por el BSS para determinar la prioridad de la información. El nivel de prioridad para los datos es determinado por el SGSN. La clase de la precedencia da la prioridad a la señalización y los flujos de datos. Bajo condiciones de funcionamiento normales la red intentará ofrecer los requisitos pedidos, sin embargo, bajo situaciones anormales, como la congestión, puede ser necesario desechar los paquetes. Los parámetros siguientes pueden ser negociados como parte de la QoS ofrecida: Prioridad (o clases de precedencia): Este parámetro es utilizado para dar mayor flexibilidad a la red. Los paquetes pueden ser marcados con una clase de precedencia, para indicar si necesitan ser enviados con una prioridad mayor o si podrían ser descartados cuando fuera necesario (por ejemplo, en situaciones de congestión). Hay tres posibles valores de la prioridad, alta, normal y baja. 94 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS Los paquetes de una red GPRS son almacenados por un pequeño periodo de tiempo en cada nodo (SGSN, GGSN, …), los cuales tomarán decisiones continuamente, basándose en la prioridad, de si el paquete será enviado hacia delante, si será almacenado hasta que los recursos estén disponibles o si será descartado. Retardo (Delay): En una red siempre habrá retardo al transportar datos, y como los paquetes de una misma aplicación pueden ser encaminados por diferentes caminos, el retardo no será constante, por lo que aparece el concepto de jitter o variabilidad del retardo. GPRS permite elegir una de las cuatro clases de retardo que están implementadas. Los valores especificados son el retardo y el tiempo medio cuando el 95% de los datos es probable que lleguen. Por lo tanto, el 5% de los datos no son explícitamente detallados. Las especificaciones de GPRS se basan en dos tamaños de paquete, 128 y 1024 bytes. El retardo es medido sólo dentro de la red GPRS, ya que no se puede predecir el retardo en algunas redes externas, como Internet. Las tres primeras clases de retardo ofrecen garantías de retardo, sin embargo, la clase 4 no especifica ningún valor, tan sólo ofrece transmisión Best Effort, y por lo tanto, depende de la carga de la red. Se puede ver en la tabla 4.1. VALORES MÁXIMOS DE RATARDO Tamaño SDU: 128 bytes Clase de Retardo Tamaño SDU: 1024 bytes Retardo Medio en la Transferencia (seg.) Retardo 95 % (seg.) Retardo Medio en la Transferencia (seg.) Retardo 95 % (seg.) Clase 1 < 0.5 < 1.5 <2 <7 Clase 2 <5 < 25 < 15 < 75 Clase 3 < 50 < 250 < 75 < 375 Clase 4 (best effort) No especificado Tabla 4.1 Valores máximos de retardo 95 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS Fiabilidad (Reliability): Este parámetro se define en términos de bits de error. Posibles problemas relacionados con este parámetro son los siguientes: o La posibilidad de que una SDU se pierda, por ejemplo, que sea descartada debido a un error de transmisión. o La posibilidad de que una SDU sea entregada más de una vez, es decir, que esté duplicada o La posibilidad que un conjunto de SDU lleguen en orden erróneo. o La posibilidad de que un usuario reciba una SDU corrupta sin que el error sea detectado. GPRS ofrece soluciones para las distintas necesidades de los clientes, introduciendo tres clases de fiabilidad, que surgen de las combinaciones de probabilidades de error basadas en los cuatro puntos comentados anteriormente. Clase de Fiabilidad Probabilidad de la Perdida de la SDU Probabilidad de SDU Duplicada Probabilidad Probabilidad de SDU Fuera SDU Errónea de secuencia Clase 1 10-9 10-9 10-9 10-9 Sensible a errores sin capacidad de corrección de errores y tolerancia a errores limitada Clase 2 10-4 10-5 10-5 10-6 Sensible a errores, capacidad de corrección errores limitada y buena tolerancia a errores Clase 3 10-2 10-5 10-5 10-2 No sensible a errores, sin capacidad de corrección de errores buena y tolerante a errores Características de la Aplicaciones Tabla 4.2 Combinaciones de Probabilidades Throughput: Este parámetro se refiere al ancho de banda, y está dividido en dos, Throughput máximo y medio. Con respecto al Throughput máximo, no se proporciona garantía de que se alcance ese valor, ya que dependerá tanto de los recursos disponibles de la red y de la capacidad del dispositivo móvil. El Throughput medio define las siguientes clases (al igual que pasaba con el retardo, la clase Best Effort no ofrece datos, ya que serán función de la carga de la red) 96 Capitulo 4 4.5 Protocolos de Radio GPRS Ventajas de GPRS La máxima velocidad teórica es de 171.2kbps, ésta velocidad se puede alcanzar utilizando las 8 ranuras de tiempo simultáneamente. Esto es aproximadamente tres veces más rápido que la transmisión de datos que se utiliza usando la Red Telefónica de Circuitos Conmutados, y es 10 veces más rápido que los servicios de conmutación de circuitos utilizada anteriormente por GSM. La conmutación de paquetes significa que los recursos de radio de GPRS son utilizados únicamente cuando usuarios están enviado o recibiendo datos. Esto en lugar de dedicarle un canal a un usuario de datos por un determinado período de tiempo, los usuarios pueden compartirse este canal cuando necesiten enviar o recibir información. Este uso eficiente de los recursos significa que muchos usuarios de GPRS pueden potencialmente compartir el mismo ancho de banda y pueden ser servidos por una sola célula. El número de usuarios que soporta el sistema depende de la aplicación que se esté utilizando y de la cantidad de datos que estén siendo transferidos. Gracias a la eficiencia espectral de GPRS, existe una menor necesidad de aumentar la capacidad del sistema que solo se utilizaría en horas pico. GPRS le da la libertad al operador de maximizar el uso de sus recursos en una forma dinámica y flexible. GPRS debe mejorar su capacidad en horas pico ya que simultáneamente distribuye los recursos de radio, migra datos que iban por conmutación de circuitos a GPRS, al igual que con los SMS que migra parte del tráfico a GPRS, por medio de la interconexión de GPRS/SMS que está especificada en el estándar. 4.6 Desventajas de GPRS Capacidad limitada de la célula para todos los usuarios: GPRS sí tiene un impacto en la capacidad actual de la célula. Existen recursos de radio limitados que tienen que utilizarse para diferentes aplicaciones. Las llamadas de voz y las de GPRS utilizan los mismos recursos de radio. El impacto depende del número de ranuras de tiempo que se le reservan a GPRS. Aunque 97 Capitulo 4 Protocolos de Radio GPRS también se tiene considerar que en horas de mucho tráfico GPRS ayuda a distribuir mejor. Velocidad mucho mas baja en realidad: Alcanzar la máxima velocidad de transmisión de GPRS implicaría que un solo usuario utilizará las 8 ranuras de tiempo disponible, y sin protección contra errores. Claramente, un operador de red no destinaría toda su capacidad a un solo usuario, por lo que la velocidad de GPRS es mucho mas baja. 4.7 Conclusiones Con el sistema GPRS, el acceso a la red de paquetes se lleva cabo a través de protocolos como TCP/IP (Transmission Control Protocol), X.25, y CLNP (Connectionless Network Protocol), sin ninguna otra necesidad de utilizar conexiones intermedias por conmutación de circuitos. GPRS permite la transmisión de paquetes en modalidad link by link, es decir, los paquetes de información se encaminan en fases separadas a través de los diversos nodos de soporte del servicio, denominados GSN (Gateway Support Node). Por ejemplo, una vez que un paquete ha sido transmitido por la interfaz de radio, se vuelven a liberar los recursos, para que puedan ser utilizados por algún otro usuario y el paquete se vuelve a enviar sucesivamente de nodo a nodo hacia su destino. 98 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio CAPITULO 5 MOVILIDAD Y CALIDAD DE SERVICIO 5.1 Introducción La calidad ha sido desde siempre uno de los aspectos más importantes a la hora de diseñar las redes de telefonía móvil, así como de los servicios que se prestan en ellas. Con todo, su importancia cada vez es mayor, no sólo porque los clientes han madurado y no se conforman simplemente con acceder a los servicios, sino que demandan cada vez más una mayor calidad, tanto en el uso privado de los servicios móviles, como en el uso profesional que muchos han hecho de ellos, al hacer depender una buena parte de sus negocios de la utilización de la red móvil. Por otro lado, los organismos gubernamentales también han empezado a exigir a los operadores de redes móviles ciertos criterios de calidad a la hora de ofrecer los servicios a los clientes. 99 Capitulo 5 5.2 Movilidad y Calidad de Servicio Tipos de Calidad de Servicio Existen diferentes conceptos de calidad dependiendo de los elementos implicados, de manera que: 1. Desde el punto de vista del cliente, la calidad se entiende como la satisfacción de éste; es decir, como el grado de cumplimiento de sus expectativas del servicio global (conformadas mediante la publicidad, las tarifas, etc.) frente a su percepción subjetiva del funcionamiento de la red y del terminal, así como del servicio preventa y posventa. 2. Desde el punto de vista de la red, la calidad ofrecida es el resultado de las prestaciones ofrecidas por cada una de las partes implicadas; esto es, los terminales, la red de acceso, la red de transporte y los servicios. Al tratarse de elementos tan heterogéneos, aunque íntimamente relacionados, es necesario abordar este tema por separado para cada uno de ellos. Al hablar de calidad, el concepto más ampliamente aceptado es el de “calidad de servicio”, también conocido por sus siglas en ingles, QoS (Quality of Service) y que la ITU-T define como “el efecto colectivo de funcionamiento del servicio que determina el grado de satisfacción del usuario”. Se pueden identificar tres aspectos que conforman la calidad de servicio (ver la Figura 5.1): Calidad de Servicio (QoS) Aspectos no tecnicos Aspectos Técnicos Rendimiento de Red Accesibilidad de Red. Accesibilidad de Servicio. Rendimiento de Terminal Punto de Venta Integridad de Servicio. Figura 5.1 Aspectos técnicos de calidad de servicio 100 Servicio de Postventa Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio 1. La accesibilidad de la red. Se refiere a la disponibilidad de recursos de red suficientes para conectarse a un servicio: cobertura, disponibilidad de la red, etc. 2. La accesibilidad del servicio. Incluye los aspectos relacionados con la disponibilidad del servicio: tiempo de acceso, fuera de servicio, etc. 3. La integridad del servicio. Se refiere a la calidad ofrecida durante el uso del servicio: caídas, calidad de voz, throughput, etc. En adelante, este capítulo se centrará en los aspectos técnicos de la calidad, en lo que se refiere a las redes móviles y a los servicios ofrecidos en ellas, tomando en cuenta que estamos trabajando con el concepto GPRS, dejando aparte temas como la operación de los terminales, los servicios de atención al cliente, etc. Aunque el enfoque pretende ser lo más amplio posible con GPRS, dado que es la interfaz radio la diferencia fundamental entre los sistemas móviles y otros sistemas más tradicionales como los fijos, se hará especial hincapié en los aspectos y parámetros relativos al acceso radio. 5.2.1 Principales Parámetros de Medida de la Calidad Es importante destacar que los aspectos de calidad que se pueden evaluar han de ser mensurables de alguna manera, por tanto se han de fijar para ellos metas alcanzables por los operadores móviles con las tecnologías disponibles en cada momento, y han de cumplir unos criterios de satisfacción óptimos para los clientes. Los parámetros de medida de la calidad de las redes y servicios móviles son de muchos tipos, y tener en cuenta uno u otro depende del tipo de servicio que se esté prestando en la red. Tal como se ha comentado anteriormente se pueden agrupar según tres aspectos, denominados: 1. Accesibilidad de la red. En este aspecto se incluyen parámetros como: El nivel de potencia recibido. Depende de la posición del móvil dentro de la célula e indica la zona de cobertura que tiene cada célula de la red móvil. La falta de cobertura temporal o permanente de la red en una determinada ubicación es una de las causas más frecuentes de pérdidas de calidad por parte de la red móvil. 101 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio El parámetro que indica la cobertura de un terminal móvil es el RxLev en la tecnología GSM y el RSSI en la tecnología GPRS y UMTS. La disponibilidad de la red. Cuando un usuario intenta acceder a un servicio, puede que la red atienda esta petición y por tanto provea el servicio solicitado sin mayor problema (en este caso será una petición que ha evolucionado correctamente), o puede que por el contrario la petición no llegue a desembocar en la provisión del servicio solicitado. Las causas por las cuales no es posible realizar la provisión del servicio pueden ser varias, pero en todos los casos el efecto que sufre el usuario es el de un defecto o pérdida de calidad. Entre las posibles causas se encuentran, por ejemplo, la congestión de la red o la falta de recursos para atender al usuario, las interferencias creadas por otros equipos circundantes que hacen que no se puedan atender las peticiones de un usuario, etc. 2. Accesibilidad del servicio. En este segundo caso se incluyen parámetros como: o El tiempo de acceso a un servicio. Es el tiempo que transcurre desde el momento en que el usuario realiza la petición de acceso a un determinado servicio hasta el instante en que se recibe la respuesta de éste. La contestación a la petición de acceso puede ser la provisión del servicio o la indicación de que el servicio no está disponible, que puede deberse bien a la falta de recursos por congestión del servicio o bien a la indisponibilidad de éste por avería. o Las indisponibilidades del servicio. Las indisponibilidades del servicio se pueden deber a muchas causas, entre las que destacan las siguientes: servicio caído por avería, por congestión de recursos, por desactivación temporal, etc. o El resultado del acceso al servicio. El resultado de un acceso a un servicio puede ser correcto si el servidor responde correctamente a la petición, o fallido si el servidor no responde o no proporciona alguna de las respuestas esperadas. 102 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio 3. Integridad del servicio. En este último aspecto se incluyen parámetros como: o Las caídas del servicio. Una caída de un servicio significa la imposibilidad de continuar accediendo a él tras establecerse la comunicación en un primer momento, siempre y cuando la imposibilidad sea motivada por cualquier causa ajena a la voluntad de sus usuarios y siempre que éstos se encuentren en todo momento en la zona de cobertura de la red. o La calidad de la señal vocal. Permite valorar la calidad de la señal de voz recibida por el terminal en cada instante, y constituye por tanto una indicación del estado de la calidad de la red. En el caso de GSM/GPRS se indica con el parámetro RXQual y en UMTS con el parámetro C/I. o La calidad de la transmisión de datos. Permite valorar la calidad en la transmisión de ficheros. Se mide mediante BER (Bit error Rate), que mide la calidad del canal establecido por la cantidad de errores que se producen en la transmisión de datos. o El tiempo de navegación. Es el tiempo que tarda el usuario en recorrer el árbol de navegación que existe desde la entrada en el servicio hasta la llegada a la página deseada. o La velocidad de acceso a un servicio o velocidad de transmisión (throughput). Es la cantidad de bits por segundo que se miden en una determinada transmisión durante el tiempo que dura la conexión. o La efectividad del servicio. Es el porcentaje de accesos al servicio realizados y completados satisfactoriamente, frente a la totalidad de los accesos realizados. 5.2.2 Factores Principales Que Afectan a la Calidad de la Señal de Radio La calidad del servicio proporcionado al cliente se encuentra afectada por una serie de factores, normalmente relacionados con la naturaleza de la señal radio. 103 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio La propagación de la señal radio depende de las condiciones de propagación de la atmósfera, así como de los obstáculos que la señal encuentra en el camino desde la estación base hasta el terminal móvil. Por tanto, las condiciones de propagación varían de forma notable tanto en el tiempo como en el espacio, dada la variación temporal y espacial del entorno móvil, y debido a esto, el canal radio presenta una serie de efectos que empeoran la calidad de la señal, como son: Los desvanecimientos de la señal. Los desvanecimientos pueden ser prolongados en el tiempo pero cortos en intensidad, lo que implica una disminución de la potencia disponible en un lugar durante un tiempo, o cortos en el tiempo pero profundos en intensidad de la señal, de forma que durante unos instantes de tiempo la potencia de la señal cae a valores por debajo, incluso, del umbral de sensibilidad de los receptores de los equipos móviles. Las interferencias. Las interferencias son algo consustancial a la propagación radio, debido a la gran cantidad de equipos que hacen uso a la vez de este canal, por lo cual dichas interferencias pueden provenir de equipos que nada tienen que ver con la telefonía móvil, pero que interfieren en su banda de frecuencias. Este es un tipo de interferencias que en principio no se deberían producir, y por tanto han de ser evitadas respetando las bandas de frecuencia asignadas. Además de estas interferencias, también se encuentran las interferencias implícitas al propio servicio móvil, ya que este es un canal en el que se hace reutilización de frecuencias para poder aumentar la cantidad de canales disponibles y, dependiendo de las condiciones de propagación, se pueden producir sobrealcances, y por tanto interferencias entre células que en teoría no se deberían producir. El multitrayecto. Se produce debido a los rebotes de la señal móvil en los múltiples obstáculos que ésta puede encontrar en el camino entre las estaciones base y los terminales móviles. De esta forma, una señal que sale de un transmisor llega al receptor por múltiples caminos y esto produce en el receptor una interferencia debida a los retrasos con que llega la misma señal dependiendo de la longitud del camino recorrido. Esta interferencia puede ser tolerada por el receptor o no, dependiendo del retraso acumulado en la señal por los distintos caminos de propagación. 104 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio Las pérdidas de penetración en obstáculos. Dependiendo de la distancia a la que se encuentren el transmisor y el receptor, se producen una serie de pérdidas en la señal que limitan su alcance, además estas pérdidas se pueden ver incrementadas por la presencia de obstáculos entre el transmisor y el receptor, como pueden ser los edificios existentes en las ciudades, o las montañas, colinas y árboles en los entornos rurales. Este efecto es necesario tenerlo especialmente en cuenta en la cobertura de interiores de edificios, en donde pueden aparecen elementos tales como paredes, puertas y mobiliario. La influencia del equipo de medida. El propio equipo con el que se está midiendo la calidad puede afectar al resultado de la medida, en dos aspectos principalmente: o En primer lugar, el hecho de que los terminales del equipo de medida sean de un tipo determinado, da lugar a unos valores de potencia y sensibilidad ligeramente distintos a los que se podrían obtener con otros. Este efecto se puede minimizar con la calibración periódica de los equipos. o En segundo lugar, el hecho de introducir unos determinados terminales en la red para realizar las medidas da lugar a una serie de perturbaciones sobre la propia red, que pueden afectar a las medidas realizadas. Esto puede producir dos efectos: la disminución de los recursos disponibles y el aumento de interferencias 5.3 Gestión de la Calidad Como se ha descrito anteriormente, existen diferentes atributos que definen la calidad de cada uno de los servicios. Las diversas combinaciones posibles de estos atributos conforman diferentes perfiles de QoS (Quality o Service). En la Release 97 y 98 de GPRS se definen cuatro atributos con los conjuntos de clases, denominados precedencia (prioridad), retardo, fiabilidad y tasa de transferencia (throughput). La Release 99 introdujo ciertas novedades con el objeto de armonizar los 105 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio atributos de QoS para GPRS y UMTS, pudiendo establecerse un mapeo con los antiguos atributos, tal y como muestra la Tabla 5.1. Atributo Release 98 Atributo Release 99 Precedencia Prioridad de Asignación / Retención Retardo Prioridades de manejo (clases “background” e interactiva) Fiabilidad Varias combinaciones de BER residual, porcentaje de SDUs erroneos y transmisión de SDUs erróneos Velocidad de Transmisión Velocidad Máxima de Bit BER: Tasa binaria de error (Bit Error Rate) SDU: Sing Data Unit Tabla 5.1 Relación entre los atributos de la Release 98 y la Release 99 Por todo esto, las redes móviles han ido incorporando progresivamente mecanismos y procedimientos de gestión de la calidad que permitiesen ofrecer las calidades requeridas, desde los protocolos o esquemas de transmisión más idóneos hasta la asignación de los recursos de red necesarios. Sin embargo, mientras determinadas redes como GSM o HSCSD tratan a todos los usuarios por igual, independientemente de su perfil o del servicio al que acceden, otras como GPRS o UMTS, más orientadas a paquetes de datos, que si incorporan en su implementación diversas posibilidades de gestión de la QoS. Los mecanismos de gestión de la calidad en las redes móviles se encargan básicamente de negociar y gestionar los perfiles y clases de QoS. El mecanismo básico de gestión es la definición del servicio portador (BS, Bearer Service), que se apoya fundamentalmente en el concepto de contexto PDP, introducidos ambos por primera vez en la Release 97. El contexto PDP se puede definir como la conexión lógica establecida entre el terminal móvil y la red para el transporte del tráfico IP. De este modo, todas las aplicaciones a las que un usuario acceda por medio del mismo contexto PDP tendrán los mismos atributos de QoS. Mientras que en la Release 97 un mismo terminal podía establecer varios contextos PDP, cada uno con una dirección PDP diferente, el 3GPP introdujo ya en la Release 99 la posibilidad de usar varios contextos PDP por dirección PDP, de modo que cada uno de 106 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio ellos pudiese ofrecer un perfil de QoS diferente. En otras palabras, diferentes usuarios podrían acceder al mismo servicio con diferentes perfiles de QoS, sin necesidad de proveer servidores específicos para cada uno de ellos. La Release 99, además, define cuatro clases diferentes de QoS (también denominadas clases de tráfico), cuya diferencia fundamental estriba en la sensibilidad de cada una de ellas frente al retardo, agrupando así las posibles aplicaciones a ofrecer. Estas clases reciben el nombre de: 1. Clase “Conversacional”: voz, voz sobre IP, vídeo sobre IP, juegos online, etc. 2. Clase “Streaming”: Streaming de audio y vídeo. 3. Clase “Interactiva”: navegación por Internet, aplicaciones interactivas, etc. 4. Clase “Tráfico en Background”: MMS, e-mail, servicios de Broadcasting, etc. Para mantener los requisitos de cada una de las clases descritas, se definen diversos mecanismos que trabajan en dos planos diferentes, (como se menciono en el capitulo 3 “Protocolos de GPRS”): 1. El plano de control, que se encarga de mantener la QoS antes de establecer la conexión, mediante funciones como la asignación de recursos o el control de admisión. 2. El plano de usuario, que se encarga de proporcionar y mantener la QoS una vez que se ha establecido la portadora, e incorpora funciones tales como el control de potencia, la adaptación del enlace o la priorización de paquetes (packet scheduling). Por último, la convergencia entre las redes móviles y las redes IP es cada vez mayor, de modo que parte de los requerimientos de calidad de servicio de las redes IP se han ido trasvasando a las redes móviles. En concreto, la IETF especifica dos entornos: IntServ (Integrated Services, servicios integrados) y DiffServ (Differentiated Services, servicios diferenciados), y tanto GPRS como UMTS ya incorporan en sus estándares los mecanismos necesarios para soportarlos. 107 Capitulo 5 5.4 Movilidad y Calidad de Servicio Principales Campos De Aplicación La realización de medidas de calidad en las redes móviles tiene lugar en distintas fases (con diferentes requisitos) del proceso de construcción y operación de la red móvil, como pueden ser la validación del despliegue de nuevas redes y la optimización de éstas. 5.5 Movilidad Aunque la movilidad en las telecomunicaciones ha estado generalmente asociada a la utilización del medio de transmisión radio, desde las redes fijas (cableadas) se ha podido soportar un cierto grado de movilidad, especialmente desde la introducción de las centrales digitales, con funciones como el desvío de llamada. Sin embargo, lo normal es considerar que un usuario accede a los servicios de telecomunicaciones fijas desde un único punto de acceso (el número de teléfono, por ejemplo, identifica un punto de terminación de la red, no a un usuario). 5.6 Movilidad Personal y del Terminal La introducción de la inteligencia de red (Intelligent Network, IN) como plataforma para la provisión de servicios avanzados dio lugar a que se empezara a distinguir entre dos tipos de movilidad: 1. La movilidad personal. Este tipo de movilidad tiene como objetivo soportar el acceso de los usuarios a los servicios de telecomunicaciones ofrecidos por distintos tipos de redes y de terminales, y por los dispositivos de acceso a las mismas. Se basa en la utilización de un identificador personal, no ligado a un terminal o punto de acceso concreto, y en la existencia de un perfil del usuario en el que se recogen sus preferencias y el tipo de servicios a los que está suscrito. En teoría, la movilidad personal puede darse tanto en las redes fijas como en las móviles. Un posible ejemplo de utilización es el empleo de terminales móviles cuando no está accesible ningún terminal fijo, y el uso de éstos últimos allí donde estén disponibles, bajo la premisa de que los servicios fijos son más baratos que los móviles o que estos últimos no pueden soportar algunas aplicaciones, como la transmisión de datos a alta velocidad, como lo hace GPRS y UMTS. 108 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio 2. La movilidad del terminal. Este otro tipo de movilidad está asociada a la utilización de la radio como medio de transmisión en la red de acceso. Sin embargo, no todas las redes de acceso basadas en radio soportan el mismo nivel de movilidad (de hecho, existen redes radio que no soportan ningún nivel de movilidad, como pudieran ser los bucles de abonado sin hilos, en los que el usuario recibe el mismo tipo de servicios que a través de la red fija). Entre los niveles de movilidad que se pueden distinguir están: o La movilidad local. Es la que soporta, por ejemplo, un teléfono inalámbrico o un punto de acceso WLAN. Permite al usuario acceder a los servicios desde distintas posiciones siempre que éstas estén dentro del área de cobertura de la estación base o punto de acceso. o La movilidad “nómada”. Es la que permite acceder a los servicios desde distintos puntos de acceso de una red, que no tienen porque estar necesariamente próximos o existir solape entre sus áreas de cobertura. Este sería el caso de algunos operadores que ofrecen acceso público a Internet desde distintos puntos (por ejemplo, en México TELMEX ofrece servicio de Internet Infinitum en lugares públicos como aeropuertos, restaurantes, bibliotecas, cafeterías, entre otros). o La movilidad celular. Es la que permite la transferencia de la conexión entre diferentes puntos de acceso de una misma red. Esta puede abarcar desde una planta de un edificio hasta un país entero. o La movilidad global. Es la que permite la movilidad entre distintas redes de distintos operadores, bien utilizando la misma tecnología, o bien empleando otra diferente. Se identifican tres funcionalidades básicas para el soporte de la movilidad (tal y como se proporciona en las redes móviles actuales): 1. La itinerancia (roaming), que permite a un usuario acceder a los servicios desde redes de distintos operadores o proveedores de servicios (siempre y cuando existan acuerdos entre ellos). Es frecuente distinguir entre itinerancia nacional e 109 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio internacional (en función de que las redes que ofrecen el servicio pertenezcan a operadores del mismo o de distintos países) e itinerancia entre redes que utilizan distintas tecnologías (lo que implica la utilización de terminales duales). 2. El traspaso (o handover), que es el proceso que permite el mantenimiento de la conexión cuando cambia el punto de acceso a la red debido al movimiento del terminal. Existen distintos tipos de traspasos en función de los criterios utilizados; por ejemplo, quién se encarga de controlar el proceso (¿el móvil o la red?), el proceso implica o no una ruptura de la conexión en algún instante de su ejecución (¿el traspaso es duro o suave?) o cuáles son los elementos de la jerarquía de red implicados en el proceso. 3. El soporte a la localización. Esta funcionalidad se divide, a su vez, en otras dos: o La funcionalidad de localización, que es el procedimiento que emplea la red para localizar el punto de acceso más adecuado para el establecimiento de la conexión cuando hay una llamada dirigida al terminal. o La funcionalidad de actualización de la localización, que es el procedimiento mediante el que la red se mantiene informada de cual es la localización aproximada de los usuarios. Asociados con estos dos procesos se definen unas agrupaciones de células denominadas áreas de localización, caracterizadas por un identificador único. La red transmite la identidad del área de localización a través de unos canales de señalización común, de manera que todos los terminales móviles que están encendidos escuchan periódicamente estos canales en la célula que les proporciona mejor cobertura y verifican si ésta corresponde a un área de localización distinta a la de la última verificación. Si es así, informan a la red de este cambio. La red almacena este dato en una base de datos asociada al usuario, empleándolo para redirigir hacia el área de localización correspondiente las llamadas dirigidas a dicho usuario. Por su parte la red radio informa de la llamada entrante al móvil a través de un canal de 110 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio mensajería (paging), que se transmite en todas las células del área de localización. Una de las razones del éxito de GSM como sistema móvil se debe a que fue la primera red que facilitó la itinerancia internacional. Actualmente, es lo más próximo a lo que se podría denominar un móvil universal. Aún así, debido a la diferente asignación de frecuencias en los servicios móviles para cada área geográfica (850 MHz y 1.900 MHz en América y 900 MHz y 1.800 MHz en Europa), solamente los terminales tetrabanda podrían ser utilizados en todos los países que soportan este estándar (siempre que existan acuerdos de itinerancia entre operadores, claro está). Además, hay zonas geográficas no sólo en áreas remotas, sino también en países industrializados como Japón y parte de Estados Unidos, en las que no existe cobertura. 5.6.1 Movilidad en las Redes Celulares: GPRS y UMTS Si existe un aspecto inherente a las redes celulares es la movilidad, de tal manera que un usuario con su terminal móvil no sólo debe poder trasladarse de una celda a otra dentro de su red sin que la conectividad se vea afectada, sino que también deberá disponer de conectividad desde las redes de otros operadores. Los sistemas móviles GSM/GPRS y UMTS comparten una estructura de red para la conmutación de paquetes sustancialmente equivalente, ya que UMTS hereda la arquitectura creada para GSM/GPRS. Por ello, el sistema de gestión de movilidad de GPRS y UMTS es similar, y está basado en el protocolo GTP (GPRS Tunnelling Protocol) definido por ETSI para gestionar la movilidad en las redes GPRS. La movilidad en estos sistemas se consigue por debajo de la capa de red, a nivel de enlace. De esta manera, la dirección de cualquier protocolo utilizado de la capa 3 se mantiene fija durante toda la sesión de datos, independientemente de la localización del terminal móvil y su trayectoria a través de toda la cobertura de la red móvil. La Figura 5.2 muestra cómo se encamina una sesión dentro de la arquitectura GPRS descrita en el capítulo 3. Un terminal móvil se conectará al SGSN más cercano, que entunelará dentro de un túnel GTP los datos de usuario hacia el GGSN encargado de conectarse con la red de datos designada por el usuario. 111 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio Figura 5.2 Funcionamiento de GPRS En GPRS, se denomina área de enrutamiento (RA, Routing Area) a un conjunto de celdas, y viene identificada por un identificador de área de enrutamiento (RAI). Un dispositivo, denominado SGSN, controlará el área de servicio que contiene una o más áreas de enrutamiento. Este SGSN se encargará de realizar el seguimiento del terminal por su área de servicio, manteniendo la información de localización y actualizándola a medida que el terminal se mueve. La estación móvil que establece la sesión estará siempre conectada al mismo GGSN, manteniendo su dirección de capa 3 (dirección IP) durante toda la sesión de datos. Una vez establecida la sesión, si el terminal se mueve puede cambiar de SGSN. En última instancia, el HLR y el GGSN específico que da servicio a un abonado han de conocer qué SGSN gestiona la movilidad del usuario en cada momento. Teniendo en cuenta todo lo anterior, la movilidad del termina móvil a través de la red se realizará de la siguiente manera: 1. El terminal podrá pasar de una celda a otra dentro de un mismo área de enrutamiento. 2. El terminal podrá pasar de una celda a otra que esté en un área de enrutamiento diferente, pero dentro del mismo área de servicio del SGSN. 3. El terminal podrá pasar de una celda a otra que esté en un área de servicio diferente. 112 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio En la Figura 5.3 se presentan los tres escenarios descritos. Figura 5.3 Movilidad en GPRS La red deberá actualizar la información mantenida sobre el estado de localización del terminal para conocer hacia dónde enrutar los paquetes de datos que le llegan. Esta actualización se produce básicamente cuando el terminal detecta que ha entrado en un nuevo RA (comparando el identificador de celda, y el RAI que tiene almacenado, con el identificador de celda y el RAI recibidos vía radio) o cuando vence un temporizador del terminal para la actualización de la información de localización. Para ello, existirán tres tipos diferentes de procedimientos para la gestión de la movilidad en GPRS que se corresponden con cada uno de los tres escenarios anteriores. Éstos son: 1. El procedimiento para actualización de celda. El SGSN actualiza la información cuando recibe tramas de protocolo con un identificador de celda diferente del que tiene almacenado, si este identificador de celda pertenece al mismo RA. 2. El procedimiento para actualización del RA intra-SGSN. Cuando el terminal descubre que el RA ha cambiado solicita al SGSN que se actualice la información de localización. El SGSN determina que el nuevo RA pertenece a su área de servicio y actualiza la información sin notificarlo al GGSN ni al HLR. 3. El procedimiento para actualización del RA inter-SGSN. Cuando el terminal descubre que el RA ha cambiado solicita al nuevo SGSN que le sirve que actualice la información de localización. El nuevo SGSN contacta con el SGSN 113 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio que servía antes al terminal y este último retiene el envío de paquetes de información hasta que el nuevo SGSN esté disponible para reenviar los datos al terminal. Estos tres procedimientos están definidos para GSM/GPRS. UMTS, además, ha especificado nuevos procedimientos para realizar la reselección a nivel de RNC, reduciendo la señalización de gestión de movilidad, puesto que no hace falta llegar hasta el SGSN. 5.6.2 Escenario de Itinerancia GPRS Cuando GSM especificó GPRS existía la necesidad de que un usuario pudiera cursar sesiones de datos, no sólo desde la red de su operador, sino también cuando estuviera visitando la red de otro operador. Por ello, GSM definió para GPRS la familia de protocolos GTP, con objeto de poder gestionar la movilidad entre celdas de la red y también para permitir las sesiones de datos en itinerancia. En la Figura 5.4 se muestra un terminal que está accediendo a servicios de datos IP en itinerancia. Figura 5.4 Escenario de itinerancia GPRS Cuando se inicia el proceso, el usuario que utiliza la red del otro operador contactaría con un SGSN de este último operador. En este caso, el nodo SGSN detecta que el usuario pertenece a la red de otro operador con el que tiene un contrato de itinerancia y encaminaría el tráfico del usuario por un túnel GTP hacia el GGSN, en su red propia (home). Finalmente, el GGSN envía o recibe datos del usuario hacia la red de datos, que en este caso es Internet. Entre las redes de ambos operadores existe una red backbone de 114 Capitulo 5 Movilidad y Calidad de Servicio datos en la que está asegurada la calidad de servicio y la seguridad de los datos transmitidos entre ambos operadores. También hay definida una segunda posibilidad para conseguir la itinerancia para GPRS, en la que el usuario de la red del otro operador accede a la red IP a través del SGSN y GGSN de la red visitada, sin necesidad de encaminar la información hacia la red local (home). Como hemos visto en este capitulo mostramos la importancia que tiene el concepto de calidad de servicio “QoS” tanto para el operador como para el usuario final, así también hacemos una relación conjunta considerando la movilidad para telefonía celular, específicamente en el entorno GPRS, ya que como se ha mencionado desde un principio siempre que se involucra una evolución tecnológica se tiene como objetivo primordial la mejora de los servicios y la utilización de las tecnologías de punta al máximo. “El efecto colectivo de funcionamiento del servicio, determina el grado de satisfacción del usuario”. Para el caso estudiado hemos enunciado varias consideraciones que son de suma importancia para entender mejor el ámbito de calidad de servicio y movilidad para el sistema GPRS y así poder comprender mas a detalle el verdadero funcionamiento de GRPS tanto sus ventajas como limitantes. 5.7 Conclusiones Después de haber entendido el termino de calidad desde varios puntos de vista, y por que esta es la principal característica que hace que un servicio se vuelva indispensable y como es que influye en los consumidores esta característica, se continuara con la descripción de los diferentes servicios a los que se puede tener acceso por medio de la tecnología GPRS, y los beneficios para los diferentes tipos de usuarios de la misma. 115 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones CAPITULO 6 SERVICIOS y APLICACIONES GPRS 6.1 Introducción A partir de los primeros equipos de comunicación móvil que se instalaban en vehículos, el primer móvil verdaderamente portátil fue comercializado en 1983. Hoy en día este terminal, tras sufrir numerosas transformaciones en peso, volumen y apariencia, se ha vinculado aún más al individuo. De hecho, los usuarios de teléfonos móviles establecen una relación más emocional con éstos que con cualquier otro dispositivo o tecnología relacionada con las comunicaciones y la informática. Esta actitud es debida a la relación de dependencia que se establece con el terminal. El uso de la comunicación móvil se ha convertido en un elemento de moda y estatus social. Hasta hace no más de 3 años, los fabricantes de dispositivos móviles tenían la idea de lanzar al mercado aparatos pequeños y de escaso peso donde primaba el diseño, pero 116 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones con la llegada de GPRS esta tendencia se vino a invertir. Los servicios a los que se accede desde dispositivos GPRS crean la necesidad de terminales con unas características especiales. Ésta es una evolución natural y bien estudiada en psicología (ver la Figura 6.1). En la secuencia de adopción de cada tipo de comunicación, en primer lugar se encuentra la mera etapa funcional, en la que el móvil se utiliza sólo para la comunicación laboral. En una segunda fase aparece ya un uso social, de una relación más estrecha ente las personas. Por último, aparece el uso expresivo, con el que además la persona transmite su identidad. El móvil ya ha llegado a esta última etapa y de ahí la importancia de la personalización de terminales, tonos de llamada y logos que dicen algo de nosotros, que nos definen frente a otros. Secuencia de adopción Adoptada mas tarde Expresiva Social Funcional Adoptada antes Que bonito tono de llamada Creo que J.Lo se va a casar otra vez La reunion es a las 4:00 P.M. Nos vemos en la entrada Figura 6.1 Evolución del uso de la comunicación Esto conlleva un profundo replanteamiento de los tipos de terminales que utilizaremos para las comunicaciones móviles, produciéndose una segmentación del mercado, con la aparición de dispositivos específicamente creados para aplicaciones concretas. Irán apareciendo terminales en el mercado con las siguientes características generales: 1. Pantallas de mayor tamaño. 2. Aparición de las pantallas en color para aplicaciones graficas de alta resolución, lo que conllevará la generalización de la navegación por iconos. 3. Capacidad dual para manejar voz y datos. 4. Mayor capacidad de procesamiento. 5. Incorporación de sistemas operativos más potentes y compatibles. 117 Capitulo 6 6.2 Servicios y Aplicaciones Tipos de terminales móviles para aplicaciones GPRS Cobra especial importancia la utilidad que el usuario va a dar al terminal: ya sea para aplicaciones residenciales o empresariales. En este sentido encontraríamos teléfonos móviles similares a los actuales que dadas sus características no serían los más apropiados para un uso profesional de los mismos. PDAs, teléfonos combinados y computadoras portátiles serían utilizados para aplicaciones empresariales. Por lo tanto, encontramos cuatro tipos principales de terminales GPRS: 6.2.1 Teléfonos móviles tradicionales Terminales similares a los actuales que dispondrán de una capacidad dual al estar preparados para utilizar GSM para voz y mensajes cortos y GPRS para transmisión de datos. Estos teléfonos móviles tendrán una pantalla cada vez mayor para poder aprovechar mejor los nuevos servicios que irán apareciendo. Estos teléfonos son adecuados para aplicaciones residenciales sencillas en las que predominan los datos y textos de pequeño como por ejemplo consultas de información en páginas WAP o a través de mensajes SMS, aunque es previsible la progresiva incorporación de un mayor número de elementos gráficos. Pueden ser utilizados como módem para que tanto PDAs como computadoras portátiles se conecten a la red. Los teléfonos móviles son las terminales que poseen en esta etapa inicial GPRS incorporado. Las características de esta tecnología hacen que encontremos distintitos tipos de teléfonos en función del uso simultáneo de voz y datos y en función de la velocidad que pueden soportar. Dependiendo del uso simultáneo de voz y datos, podemos encontrar tres tipos de terminales (también véase Capitulo 3.7): Teléfonos de clase A: pueden enviar y recibir información y hablar simultáneamente. Teléfonos de clase B: pueden trabajar con voz y datos, pero no simultáneamente. Las llamadas de voz tendrán prioridad sobre las de datos quedando estas en espera cuando se produzca una llamada de voz. Cuando esta finalice se reanudará la transferencia de datos en el punto en el que quedó cortada. 118 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Teléfonos de clase C: estos teléfonos sólo podrán soportar servicios de datos, debiendo ser ajustados manualmente para que funcionen en modo voz o en modo datos. Serán los terminales más sencillos (GPRS de gama baja). Figura 6.2 Clases de Celulares En cuanto a la velocidad de transmisión, esta dependerá del número de slots disponibles, existiendo terminales 2+1, 3+1, 4+1. Terminales 2+1: dos slots de bajada de datos (downlink) y uno de subida (uplink), con velocidades aproximadas de 28,6 Kbps de bajada y 13,4 Kbps de subida. Terminales 3+1: tres slots de bajada de datos y uno de subida, con velocidades aproximadas de 40,2 Kbps de bajada y 13,4 Kbps de subida. Terminales 4+1: cuatro slots de bajada de datos y uno de subida, con velocidades aproximadas de 53,6 Kbps de bajada y 13,4 Kbps de subida. Es posible configurar los slots de bajada y subida disponibles. Si un usuario prevé un mayor volumen de datos de subida puede configurar un teléfono 3+1 y convertirlo en 3+2. En un futuro próximo estarán disponibles teléfonos 4+2. 6.2.2 Teléfonos combinados Enfocados principalmente a aplicaciones profesionales o comerciales, cuentan con visores más grandes y teclados alfanuméricos o pantallas táctiles. Además de soportar el formato WAP, en estos dispositivos pueden funcionar aplicaciones ofimáticas como procesadores de textos u hojas de cálculo ya que incluyen sistemas operativos que en muchos casos son versiones simplificadas de los existentes para computadoras de escritorio. Esto los hace adecuados para gestión de equipos de trabajo, recepción de faxes o correo electrónico empresarial. 119 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Figura 6.3 Teléfonos combinados 6.2.3 Terminales tipo computadora personal de mano (PDA, Personal Digital Assistant) Las computadoras de mano nacieron como simples agendas electrónicas donde se podían organizar citas, tareas y almacenar los contactos personales y profesionales. El desarrollo experimentado por estos dispositivos permitió incluir nuevas prestaciones como acceso a Internet (utilizando navegadores off-line) y la inclusión progresiva de sistemas operativos más potentes. El mercado al que se dirigen los PDAs es básicamente profesional o empresarial, ya que es un tipo de terminal muy adecuado para aplicaciones de correo electrónico, gestión personal y comercial. Otra característica es que tienen la capacidad de presentar la información en diversos formatos (WAP, HTML y Windows). Uno de los principales problemas a los que se enfrentan los PDA´s es a la amplia gama de modelos existentes en el mercado que lleva a dificultades a la hora de desarrollar aplicaciones y soluciones compatibles. Cada fabricante saca al mercado terminales con sistemas operativos propios, con el consiguiente desaprovechamiento de las posibilidades de intercambio de información entre estos dispositivos. Figura 6.4 PDA`s 120 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones 6.2.4 Computadoras portátiles Este es otro de los mercados que se encuentra en plena expansión en detrimento de los clásicos PC’s o computadoras de escritorio. Las posibilidades inherentes de las computadoras portátiles se ven aumentadas al compararlos con la disponibilidad de comunicaciones inalámbricas a velocidades comparables con las líneas fijas. En un primer momento pueden utilizar para su conexión inalámbrica un teléfono GPRS como módem, instalando en la computadora un software suministrado junto con el teléfono. Más adelante podrán instalar tarjetas PCMCIA con capacidades de comunicación wireless. Es un dispositivo adecuado para acceder a las aplicaciones informáticas de la empresa y para la transferencia de ficheros. Encontramos, por tanto cuatro tipos de dispositivos que se beneficiarán de la implantación de la tecnología GPRS, cada uno de ellos adaptado a una serie de servicios y aplicaciones específicos aunque en principio pueden acceder a toda la gama de servicios disponibles con GPRS. Debido a esta segmentación de terminales, cobran especial importancia el conocimiento, personalización y asesoramiento del cliente. La tendencia del mercado es hacia la integración de los distintos tipos de terminales, como por ejemplo teléfonos móviles + PDAs, lo que permitiría la utilización simultánea tanto de aplicaciones profesionales como de servicios de entretenimiento. Esta tendencia ya es una realidad en varios modelos recientemente salidos al mercado. Figura 6.5 Celular como módem 6.3 Aplicaciones y servicios con GPRS Las características básicas de GPRS abren las posibilidades al desarrollo de aplicaciones mejores, más robustas y estandarizadas, a las que será posible acceder de forma inmediata y desde cualquier lugar con una mejora en las velocidades de acceso. Ver figura 6.6 121 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Figura 6.6 Disponibilidad de servicios de datos en función de las velocidades de transmisión Con GPRS aumenta el número de aplicaciones que pueden ser ofrecidas a los usuarios. Encontramos, por tanto, una serie de aplicaciones que pueden ser ofrecidas en la actualidad a usuarios que posean dispositivos GPRS y que en gran medida serán una evolución y mejora de los servicios ofrecidos con GSM. Estas aplicaciones pueden ser divididas en dos grandes categorías: 1. Destinadas a usuarios empresariales: la mayoría de los operadores apuestan por los usuarios empresariales como los primeros destinatarios de servicios y aplicaciones GPRS, demandando el acceso a Intranet, e-mail y aplicaciones de agenda para la organización personal, entre otras. 2. Destinadas a usuarios residenciales: con una mejora de los servicios actualmente ofrecidos con GSM destacando la evolución de los servicios de mensajería y de localización. 6.4. Servicios y aplicaciones iniciales sobre GPRS 6.4.1 Seguridad Tradicionalmente, los sistemas de seguridad y televigilancia se han desplegado sobre redes fijas en entornos relativamente bien controlados, como edificios o redes estáticas de transporte, debido a una serie factores como son: 122 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Que el ancho de banda requerido para la transmisión de vídeo es superior al que proporcionan las redes de datos móviles. Que las instalaciones fijas proporcionan altos grados de fiabilidad y seguridad. Que el costo de despliegue de una red fija de televigilancia en un entorno controlado no es alto. Con el advenimiento de las redes 2,5/3G (GPRS), las dificultades tecnológicas para el despliegue de sistemas de televigilancia móvil han disminuido, y proliferan en la actualidad las empresas que prestan servicios de televigilancia móvil o proveen equipamiento para este sector emergente. La tendencia al despliegue móvil amplía el campo de explotación del sector de la televigilancia en los siguientes sentidos: Los costos de instalación de una cámara de televigilancia con acceso móvil son muy bajos: no es preciso efectuar ningún cableado. La televigilancia móvil es la única opción en entornos protegidos o con restricciones a la instalación de infraestructura de comunicaciones: por ejemplo, parques naturales o zonas de obras. Es posible disponer de sistemas de televigilancia relocalizables, instalados en el sitio que más interese en cada momento (por ejemplo, la televigilancia en la ciudad). Las limitaciones de ancho de banda que supusieron un obstáculo infranqueable en el pasado no son en la actualidad tan restrictivas, con redes de datos que pueden proporcionar unas decenas de kbits por segundo. Aunque en muchos casos es difícil igualar los niveles de fiabilidad de las instalaciones convencionales, la popularidad de la televigilancia móvil va en aumento. En otras ocasiones, la tecnología móvil se aprovecha del hecho de que permite el acceso del cliente al sistema independientemente de donde se encuentre éste. Así, algunos sistemas permiten la visualización de una cámara de televigilancia (fija o móvil) desde una PDA o un teléfono móvil de altas prestaciones. El estándar del 3GPP de transmisión de vídeo para redes 3G proporcionará en el futuro inmediato una plataforma razonablemente estándar sobre la cual desarrollar sistemas de visualización remota de imágenes. 123 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Los servicios de televigilancia móvil más frecuentes son: Las redes de televigilancia en exteriores: parques naturales, vigilancia de calles, infraestructuras viarias. La monitorización de tráfico. En este caso, es importante la movilidad del sistema por cuanto permite desplegarlo en el punto que interese en cada momento (retenciones, accidentes). La monitorización de obras y trabajos públicos. Los autobuses y el transporte público. Los sistemas de backup de las redes de televigilancia fija. Dado el bajo costo de despliegue, en ocasiones se requiere un sistema de televigilancia sobre tecnología móvil como complemento a otro preexistente con tecnología convencional. Los sistemas personales de televigilancia casera. Los subsistemas de acceso móvil a cámaras de televigilancia (ver la Figura 6.7). Estos subsistemas permiten monitorizar las imágenes de una cámara de televigilancia desde un dispositivo móvil (una PDA o un teléfono de altas prestaciones). Figura 6.7 Funcionamiento del modelo Nokia Observation Camera 124 Capitulo 6 6.4.2 Servicios y Aplicaciones Transporte El sector de la logística, por su propia naturaleza, se beneficia enormemente de las posibilidades brindadas por las tecnologías móviles para la comunicación entre agentes en ruta y dispersos geográficamente. En la actualidad, es completamente usual que los inventarios de almacén de una empresa se actualicen en tiempo real usando PDAs con acceso móvil, por ejemplo. Además, las empresas de transporte y logística trabajan en un entorno operacional complejo, con múltiples posibilidades para la optimización de procesos: en última instancia, las tecnologías móviles no redefinen este marco operacional, pero sí ayudan a hacerlo más competitivo. En este sentido, los servicios de transporte y logística han adoptado con prontitud las nuevas tecnologías de movilidad surgidas en los últimos años. Las comunicaciones de datos 2,5/3G. En los últimos años de la década de los 90, gran parte de los operadores móviles de Europa, Norteamérica y Japón han desplegado redes móviles de comunicaciones de datos con anchos de cobertura nacional. Aunque el ancho de banda ofrecido es bajo comparado con las redes fijas convencionales (hasta 50 kbit/s), la posibilidad de conectarse a los sistemas de gestión de la empresa ubicuamente desde dispositivos móviles tipo PDA o terminales telefónicos ha tenido un impacto inmediato en las operaciones de control de inventario, reparto, etc. Las redes 3G amplían aun más estas posibilidades, pues permiten la transferencia de contenidos más ricos, como por ejemplo fotografías u otros objetos multimedia. Las redes inalámbricas no celulares como WiFi, que, a menudo en conjunción con las redes celulares, sirven para dotar de cierta autonomía a los trabajadores y supervisores en un entorno relativamente reducido como un almacén. Las tecnologías basadas en voz sobre IP o análogas, que también permiten reducir los costos de comunicación en empresas de logística donde los distintos empleados típicamente están dispersos a lo ancho de un país o de un continente. Recientemente está tomando fuerza la tecnología celular push-to-talk, que simula básicamente las capacidades de una estación de radiotransmisión de carretera, sin las limitaciones de entorno cercano de ésta. Como se ha descrito, el sector logístico depende crucialmente de las tecnologías móviles para hacer más efectivos procesos operacionales previamente existentes (ver la Figura 125 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones 6.8). En el ámbito de este sector concurren otro tipo de servicios que no están directamente relacionados, pero que presentan numerosas concomitancias, como, por ejemplo, los servicios de comercio electrónico, machine to machine, televigilancia, etc. Figura 6.8 Algunos ejemplos de seguimiento y localización Utilizar la gestión de trámites de manera online, disponer de toda la potencia y funcionalidad de su infraestructura de sistemas con independencia de la ubicación, limitar la necesidad de introducir información de manera manual, o poder tramitar solicitudes en sitio, son sólo algunas de las ventajas que potencian su uso, todas estas características en conjunción con la disponibilidad de terminales móviles avanzados, con potentes capacidades gráficas, con la incorporación e cámaras fotográficas de mayor resolución, de periféricos con costos reducidos como impresoras y escáneres, y con la disponibilidad de altas velocidades de acceso a través de GPRS y UMTS, habilitan un desarrollo del negocio sin restricciones Algunos ejemplos de servicios en los que la movilidad puede aportar ventajas en las compañías aseguradoras son: El servicio de seguimiento de siniestros y gestión de calidad, donde los procesos de comunicación se automaticen y permitan el alta de partes, la asignación de peritación y el envío de notificaciones que avisen de cambios en el estado de un parte a los diferentes agentes involucrados (asegurados, peritos, etc.). Disponer de terminales con cámaras incorporadas permitiría poder disponer de evidencias visuales asociadas a los partes. 126 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones El servicio de notificaciones que informen de modo masivo a los asegurados (o a grupos selectivos) de cambios en la legislación vigente, o de cuando va a expirar su póliza y el costo de la renovación, o del término de un determinado trámite. El servicio asociado a la movilidad del cliente, que permita la evolución a un modelo de “pago por uso” basado en ofertar seguros con una parte del costo variable, en función del uso del coche (horario, kilometraje, zonas de riesgo, kilómetros seguidos en un periodo de tiempo). El coche dispondría de un sistema GPS o bien de un sistema de triangulación basado en localización. Adicionalmente permitiría poder localizar vehículos en situaciones de siniestro o robo. El servicio de oficina móvil para los agentes de seguros, de modo que a la hora de visitar a potenciales clientes, puedan consultar de modo online toda la información asociada al contrato, e incluso puedan obtener copias impresas mediante el uso de impresoras portátiles. 6.4.3 Servicios de localización: Junto con los servicios de mensajería, el desarrollo de los servicios de localización supone una de las grandes esperanzas del sector en lo que al desarrollo de servicios móviles de datos se refiere. Proporcionan la capacidad de enlazar servicios de información independientemente de la localización del usuario. Obtener información útil (localización de calles mediante un mapa, restaurantes más cercanos). La red móvil, que cuenta con la facilidad de localizar la posición geográfica de un terminal telefónico basándose en la información provista por las estaciones base del entorno. Esta facilidad se explota en sistemas de gestión de flotas, pues permite monitorizar en tiempo real la distribución de las unidades de transporte de una empresa. El servicio de proximidad, mediante el cual se localiza al usuario y se le da información georreferenciada de los talleres concertados más cercanos (con teléfono de contacto, dirección, horario de apertura, y si dispone de grúa) y que le pueden prestar un servicio más rápidamente. 127 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Figura 6.9 Conocimiento por parte de los usuarios del servicio de localización 6.4.4 Sistema e-peritaje de Telefónica I+D El “Sistema e-peritaje”, desarrollado por Telefónica I+D, cubre los procesos de gestión de partes e incidencias, automatizando y dotando de movilidad las relaciones entre los diferentes agentes involucrados (clientes, gestores y peritos). Sus principales características son: Su adaptación al dispositivo. Una misma lógica de negocio es adaptada a diferentes dispositivos de acceso (PC, PDA, teléfono móvil, etc.) sin costo adicional. La integración entre canales de comunicación. El servicio hace un uso integrado y transparente de diferentes canales de acceso (navegador, SMS, e-mail). Explota las últimas capacidades tecnológicas. Al hacer uso de GPRS, dispone de una alta velocidad a la hora de acceder y transferir información, lo que permite realizar una completa gestión online, con un sustancial ahorro de tiempo. La mejora en la calidad de servicio. El servicio automatiza todo el proceso de gestión, manteniendo constantemente informado al asegurado del estado de su incidencia, mediante notificaciones SMS o e-mail. Explota las características avanzadas del terminal. El servicio hace uso de formularios intuitivos, dispone de cámara integrada, capacidades de mensajería, etc. 128 Capitulo 6 6.4.5 Servicios y Aplicaciones Administración Pública Las Administraciones Públicas no son ajenas a este movimiento tecnológico de la movilidad. Cada vez se impulsa más el concepto de “ventanilla virtual” en todos los departamentos públicos. Mientras el portal de acceso a Internet de la Administración permite ofrecer servicios y contenidos a la sociedad, y se convierte en un escaparate al público, los servicios basados en el concepto de movilidad facilitan el trabajo tanto al personal funcionario como a los ciudadanos. La posibilidad de ofrecer diversos servicios en cualquier lugar (sin tener que desplazarse a las oficinas de la administración) facilita las labores para los ciudadanos. Asimismo, los servicios basados en la movilidad permiten la agilización de algunos procedimientos que pueden ser más costosos si se realizan de forma tradicional. Algunos ejemplos de servicios en los que la movilidad ofrece una ventaja sustancial en las Administraciones Públicas son: El envío y pago de multas de tráfico. La presentación de la declaración impuestos. La recepción de información local y nacional de interés público. El intercambio de documentos oficiales. El pago de servicios públicos. Para las Administraciones Públicas, la movilidad de sus servicios puede ser un canal que les permita ahorrar costos, mejorando la prestación del servicio y aportando una mayor comodidad y un ahorro de tiempo y dinero para el ciudadano. A finales del año 2003 había más de 300.000 personas que disponían de un certificado electrónico, el cuál permite la identificación, la firma de las transacciones y la garantía de integridad de los documentos. La “Administración Electrónica” será uno de los motores más importantes para el desarrollo de la Sociedad de la Información en los próximos años. Recientemente, varios gobiernos han apostado por la accesibilidad a los sistemas de información de las administraciones desde cualquier lugar. Los objetivos principales de esta iniciativa son: 129 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Acercar la Administración Pública al ciudadano mediante iniciativas como la movilidad. Compartir medios y tecnología con la ciudadanía. Acometer los cambios entre los funcionarios para optimizar el uso de la tecnología y facilitar con ello la comunicación con el ciudadano. Impulsar el software libre como elemento de estandarización de la sociedad de la información, para conseguir que las tecnologías y la comunicación estén al alcance de todos con independencia de su lugar de residencia y su poder adquisitivo. Para conseguir estos objetivos, se está fomentando la accesibilidad fija e inalámbrica en todo el territorio nacional, de forma que todos los ciudadanos puedan trabajar con las administraciones de una forma remota. Determinadas iniciativas como la firma electrónica implantada por el Gobierno acercan día a día esta tecnología a los ciudadanos. 6.4.6 Comercio electrónico móvil (“m-commerce”) La inmersión de la sociedad en las tecnologías de la información a través de Internet ha propiciado un cambio en la concepción del negocio, ya que las empresas han encontrado un importante marco para desenvolver el negocio sin limitaciones horarias y con un sustancial ahorro de costo basado en la autogestión de los clientes. Dentro de este marco, el sector bancario ha sido probablemente el sector que mejor ha sabido enfocar y potenciar este canal de comunicación y negocio con sus clientes, mediante la banca digital. La práctica totalidad de los bancos y cajas de ahorros españoles han dado el salto a la Red en busca de nuevos canales de distribución para llegar hasta sus clientes con nuevos servicios bancarios mejorados y personalizados. En una sociedad en la que el número de usuarios de telefonía móvil supera con creces al de usuarios de Internet e incluso al de abonados de líneas fijas, este canal está cobrando cada vez mayor importancia, y los bancos ya se encuentran inmersos en la cadena de valor. 130 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Dentro de las posibilidades de uso de la tecnología móvil, aparte de potenciar el terminal como elemento de autogestión, abre otras alternativas como la seguida por Wincor Nixdorf, empresa que suministra tecnologías para banca y distribución, que recientemente ha presentado el primer cajero automático con UMTS. Al no necesitar cables, estos nuevos cajeros se podrán instalar en cualquier parte y también se podrán trasladar, por lo que se podrán ubicar de forma temporal en ferias, barcos, estaciones de esquí o en lugares de vacaciones. Diversos ejemplos de servicios en los que la movilidad puede aportar ventajas en el comercio electrónico son: El servicio de proximidad. Permite la localización del usuario y la presentación de información georreferenciada de los cajeros o sucursales. El servicio de notificaciones. Proporciona información sobre las transacciones que superen un límite, las subidas de acciones, las notificaciones de ventas, el estado de la cartera de valores, etc. El servicio de gestión de valores de mercado. El servicio de verificación de transacciones. Permite ampliar el modelo a dos tipos de transacciones bancarias: las confiables, que son aquellas en las que el usuario ha dado su consentimiento y no necesita verificación, y las no confiables, que son aquellas en las que el usuario debe dar su validación online para aceptar el pago o el cobro. El servicio de herramientas de trabajo colaborativo para “brokers”. Consta de varios sistemas de intercambio de información (desktop compartido) integrados entre varios canales (Web, DPA, móvil) que permiten intercambiar información (por ejemplo: notas, información de última hora, gráficas, etc.). El servicio de pago de taxi vía móvil. Mediante este servicio el taxista dispone de un terminal Taxitronic, en el que introduce el número de teléfono del cliente; instantes después, éste recibe la notificación del cargo que se le va a efectuar y lo autoriza con su número secreto personal, recibiendo luego confirmación con un 131 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones mensaje de texto en su móvil. Este servicio está disponible actualmente en países europeos. El servicio de cajas de seguridad digitales. Permite ampliar el concepto de cámara de seguridad a los bienes digitales. En el entorno móvil actual existe una gran variedad de métodos de pago (tarjeta de crédito o débito, pago desde el móvil, tarjeta prepago, etc.), pudiendo el usuario seleccionar el que más se adecue a sus necesidades. 6.5 Aplicaciones a medio y largo plazo Las siguientes aplicaciones necesitarán de un aumento del ancho de banda para poder ser ofrecidas a los usuarios. Mientras llega la tercera generación de servicios de datos, se hace necesaria la implantación de tecnologías como EDGE para ofrecer dichos servicios hasta la llegada de UMTS: Juegos online: gran parte de los teléfonos existentes actualmente en el mercado llevan incorporados por defecto sencillos juegos como una parte más de sus funcionalidades. Gracias a la generalización de pantallas en color, la tarificación de datos que permiten estar siempre online, y el aumento de las velocidades, se incrementará la complejidad de dichos juegos, pudiendo ser descargados en el móvil y permitiendo partidas multijugador. Transferencia de documentos: las velocidades iniciales de GPRS hacen que en la actualidad no sea posible ofrecer estos servicios con una calidad adecuada, por ejemplo, como ocurre con accesos a FTPs. Aplicaciones de transferencia de ficheros abarcan cualquier modo de bajar datos considerables sobre la red móvil. No importa la fuente o tipo de fichero que se está transfiriendo. Exige un servicio de datos móvil de velocidad alto como EDGE o UMTS para poder ejecutarse de modo satisfactorio. Se pueden utilizar métodos como FTP (File Tranfer Protocol /Protocolo de Transferencia de Ficheros), TELNET o HTTP. El problema principal de la transferencia de ficheros es que los terminales GPRS no poseen capacidad de almacenamiento por 132 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones lo que estos ficheros deberían ser reenviados a otros dispositivos como por ejemplo computadoras portátiles para permitir su almacenamiento. Imágenes móviles: posibilidad de descargar y visualizar clips de vídeo, mensajes de vídeo y preestreno de películas. Este modo es útil para reuniones aunque los participantes no estén en el mismo sitio. Audio: envío de ficheros de voz y sonido. Posibilidad de transmitir shortvoice clips que ocupan archivos de gran tamaño. Por ejemplo, si los periodistas quieren mandar información a sus estaciones de radio, un móvil GSM no tiene la capacidad suficiente para transmitir una calidad suficiente de voz. Aprendizaje online: requiere de la convergencia de otras aplicaciones como puede ser la transferencia de ficheros, descarga de ficheros de audio, vídeo e imagen e incluso servicios de videoconferencia. Navegación geográfica: soluciones para sugerencia de itinerarios, guías de carretera, búsqueda de direcciones. Estas soluciones requieren pantallas en color y la posibilidad de ofrecer imágenes de gran calidad. Un ejemplo de estos servicios sería la posibilidad de visualizar en tiempo real el estado del tráfico en una carretera concreta. Aplicaciones empresariales complejas: la aparición de terminales con mayor capacidad de procesamiento, equipados con el software adecuado y con mayores velocidades de acceso permitirá ofrecer soluciones destinadas a mejorar la productividad en áreas como la gestión de flotas, la gestión de equipos comerciales, acceso íntegro a intranet corporativa y el compartir documentos. Esto supondrá una combinación de aplicaciones que incluyan voz, texto e imágenes. Desarrollo de aplicaciones sectoriales: destinadas a distintos sectores profesionales que tradicionalmente han realizado su trabajo fuera de la oficina, como pueden ser visitadores médicos, veterinarios, profesores. 133 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Posicionamiento de vehículo: gracias a GPRS, cualquier persona con un móvil GPRS puede recibir su posición vía satélite y de este modo descubrir donde está. Las aplicaciones de posicionamiento de vehículo se pueden utilizar para comunicar varios servicios, incluyendo diagnóstico lejano de vehículo, ad-hoc, encuentros de coches robados y nuevas tarifas “flotadas” de coches alquilados. El servicio SMS es ideal para mandar información de posicionamiento GPS. Es evidente que con GPRS no se podrán ofrecer muchos de los servicios inicialmente diseñados, pero esto no tiene por qué suponer un freno para su éxito, al contrario, sólo creando una base sólida de servicio y aplicaciones de calidad (sin necesidad de que éstos sean multimedia) se podrá dar el paso a la siguiente generación de servicios. Finalmente, la valoración que los usuarios hacen de los servicios de datos móviles actuales y futuros queda reflejada en el siguiente gráfico Figura 6.10 Valoración de los servicios de datos avanzados Como se puede observar en la grafica anterior, E-mail y localización de espacios son los servicios más valorados por los usuarios 6.6 Tarificación en GPRS Con GPRS se pasa de cobrar por tiempo de conexión a hacerlo por volumen de datos descargados en el terminal. Los problemas para las operadoras surgen a la hora de enfocar el cobro de esta información. 134 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones La principal característica de la tarificación en GPRS es que se cobran exclusivamente los paquetes a nivel IP, es decir cuando se establece conexión con redes externas a la red GPRS, cobrándose por el tráfico en las dos direcciones, datos enviados por el móvil a la red y datos recibidos por el móvil desde la red. La tecnología de conmutación de paquetes en la que se basa esta forma de tarificación presenta un inconveniente, al ser los datos subdivididos en paquetes, estos pueden ser dañados durante la transferencia o transmitidos por error y el usuario tendría que volver a pagar más veces por la misma cantidad de información al ser necesaria una nueva transferencia. Puede ocurrir que el móvil no envíe un acuse de recibo al servidor correspondiente y éste reenvie dos veces el paquete IP solicitado. En este caso se cobrarían los dos envíos. Por el contrario, si los problemas de transmisión ocurren a nivel de enlace de radio, es decir si el usuario pasa por un túnel o se encuentra en el metro y se corta la transmisión, no se cobra y hay que volver a enviar los paquetes. Ejemplos comunes de conexión serían: realizar un FTP y descargar una página WAP en el dispositivo: a. Si se abre un ftp hacia un servidor y se descarga un fichero, se cobrará por los paquetes de establecimiento de sesión y por los ficheros descargados. b. Si se establece una conexión con una página WAP, se cobrará el proceso de descarga de ficheros que componen el sitio WAP. Una vez descargado en el dispositivo, no se cobra por el tiempo que el usuario esté navegando por el mismo. Hasta el momento las operadoras, no han terminado de definir sus estrategias de tarificación con GPRS. A pesar de esto ya están ofreciendo varias fórmulas de cobro a sus usuarios decantándose en estos primeros momentos por dos vías de tarificación: 1. Por un lado ofrecen bonos mensuales con un número determinado de MB. Superado ese volumen se cobraría por cada Kbyte descargado. 2. Otra opción es ofrecer tarifas diferenciando entre mercado doméstico y empresarial. 135 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones Los sistemas de pago en el entono móvil podrían enmarcarse dentro de los siguientes grupos de facturación: La facturación basada en un sistema de cartera electrónica prepago. El usuario, para poder utilizar los servicios móviles, deberá comprar a priori “créditos”, que se almacenarán en su cartera electrónica. Dichos créditos representan una moneda virtual que podrá gastarse en el uso de servicios; cada vez que el usuario utilice un servicio se le descontará de su cartera electrónica el número de créditos correspondientes al servicio. Una vez que haya gastado todos sus créditos, deberá realizar una nueva compra para recargar su cartera electrónica y poder seguir utilizando los servicios. La facturación directa. Mediante un sistema de facturación directa, se les ofrece a los usuarios una interfaz con pasarelas bancarias externas, pudiendo por tanto cobrarles directamente por los servicios que se les ofrece. Este tipo de facturación suele utilizarse para la compra de bienes físicos. La facturación mixta. Es un sistema de facturación que soporta los dos tipos de facturación anteriores. La facturación de servicios premium. Los servicios que utilizan este medio de pago son facturados por la operadora de telefonía móvil. La operadora cobra al usuario directamente en su factura telefónica en el caso de los teléfonos con contrato, o descontando de la tarjeta en los teléfonos prepago. Un porcentaje del costo del servicio es abonado por la operadora al proveedor del mismo. Dentro de este mecanismo de pago existen dos alternativas denominadas: o WAP Premium. En este tipo de servicios, cuando el usuario llega a un contenido premium navegando mediante WAP, la operadora presenta entonces al usuario una página para solicitar la autorización del pago por ese contenido de valor añadido. Cuando el usuario acepta el cobro se tarifica el servicio. o SMS Premium. Mediante este segundo tipo de servicios, el usuario envía un mensaje corto a un número definido como premium y recibe 136 Capitulo 6 Servicios y Aplicaciones un mensaje de respuesta por parte del proveedor del servicio. En este caso, el primer mensaje es facturado por la operadora con un costo mayor que el mensaje normal, y el proveedor del servicio recibe un porcentaje del mismo. La falta de conocimiento de los usuarios sobre esta nueva forma de tarificación es otro de los problemas a los que se enfrentan las operadoras. Más de la mitad de los usuarios de móviles encuestados por una empresa telefónica mostró que los usuarios siguen prefiriendo una forma de tarificación por tiempo de conexión. La falta de políticas claras de información acerca de GPRS puede ser el motivo de esta falta de confianza hacia la tarificación por volumen de datos. Hay que tener en cuenta que para los usuarios, el uso de GPRS supone un cambio en los hábitos de utilización de su dispositivo móvil e implica un aumento del gasto medio mensual. Ver Figura 6.11 Figura 6.11 Formas de tarificación preferidas por los usuarios 6.7 Conclusiones Como hemos visto en este capitulo la gama de teóricas aplicaciones (algunas actualmente hechas realidad) a las que se podría acceder desde los dispositivos con tecnología GPRS es muy amplia, desde aplicaciones de ocio, hasta servicios orientados al ámbito empresarial y profesional. Este es realmente el eje fundamental de la tecnología GPRS y lo que los usuarios disfrutarán, servicios de calidad (QoS). Sin embargo, GPRS presenta una serie de limitaciones que hacen que en la actualidad y ante la inminente salida al mercado de estos dispositivos, no sea posible ofrecer toda la gama de servicios inicialmente definidos. No hay que olvidar que pese al aumento de velocidad que se produce con GPRS, ésta nunca será mayor de 50 – 56 Kbps lo que supone un freno para la aparición inmediata de aplicaciones multimedia que si son soportadas por móviles de tercera generación. 137 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS CAPÍTULO 7 EVOLUCION HACIA UMTS UNIVERSAL MOBILE TELECOMMUNICATIONS SYSTEM 7.1 Introducción Existe dentro del ITU (International Telecommunication Union), un grupo estratégico denominado IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) que tiene como objetivo definir los estándares para las tecnologías de comunicaciones móviles de tercera generación. Los servicios que ofrecen las tecnologías 3G son básicamente: acceso a Internet, servicios de banda ancha, roaming internacional e interoperatividad. Fundamentalmente, estos sistemas permiten el desarrollo de entornos multimedia para la transmisión de imágenes, audio y vídeo en tiempo real, fomentando la aparición de nuevas aplicaciones y servicios tales como videoconferencia o comercio electrónico. En 1992, la WRC-92 (World Radio Conference-92) identificó las bandas de frecuencias de 1855-2025 MHz y 2110-2200 MHz para los futuros sistemas IMT-2000, destinando las bandas de 1980-2010 MHz y 2170-2200 MHz para la comunicación vía satélite de estos sistemas. 138 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS Por el lado de GSM, el ETSI (European Telecommunications Standards Institute) y un grupo de organismos asociados decidieron en el año de 1998, emprender un proyecto denominado 3GPP (Third Generation Partnership Project) que busca establecer los estándares para un sistema de comunicaciones móviles de tercera generación basado en la evolución del sistema GSM. El 3GPP denominó a los sistemas móviles de tercera generación como UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). UMTS ha sido presentado como la culminación de la convergencia de Internet y las redes de comunicaciones móviles, en ella los usuarios tendrán la posibilidad de acceder a contenidos y servicios multimedia de banda ancha independientemente del lugar donde se encuentren. 7.2 Evolución Hacia UMTS En el marco del 3GPP, el trabajo de especificación de UMTS fue dividido en varias fases hasta alcanzar el objetivo final: una red integrada de servicios multimedia independientes de la posición del usuario. En la primera fase denominada Versión 1999 (Release 1999 o R99), se propone una evolución más o menos lógica desde las arquitecturas de segunda generación, en ese sentido podría decirse que la palabra que mejor define esta fase es evolución. Sin embargo, en la segunda fase denominada Versión 2000 (Release 2000 o R00) lo que se propone es una completa revolución: reemplazar los componentes de conmutación de circuitos que seguían vigentes en la versión 99, por una red basada completamente en la conmutación de paquetes denominada arquitectura de red UMTS Todo-IP (All-IP UMTS Network Architecture). En esta propuesta, el protocolo IP adquiere cada vez mayor importancia hasta convertirse en el protocolo para el transporte, tanto de la información del usuario (contenido multimedia) como de la información de control y de señalización, de ahí la denominación de una red «todo IP». La versión 2000 fue modificada posteriormente como Release 4. Más adelante, en otro apartado de este capitulo, se hará una presentación más detallada de este proceso evolutivo. 7.3 Servicios UMTS proveerá servicios de voz y datos, en eso coincide con la red GSM/GPRS, estos servicios serán provistos a diferentes tasas de transferencia según el ámbito en el que se ofrezcan. En conexiones satelitales y servicios rurales en exteriores la tasa será de 144 139 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS Kbps; en servicios urbanos en exteriores la tasa será de 384 Kbps; mientras que en servicios de interiores o de exteriores de bajo rango de distancias se podrán alcanzar tasas de hasta 2 Mbps, en esto difiere con la red GSM/ GPRS. En UMTS se han definido cinco clases de servicios portadores con conmutación de circuitos: voz, datos transparentes para soporte de información multimedia, fax no transparente y datos no transparentes. Los servicios de datos serán provistos con diferente calidad de servicio (QoS, Quality of Service). Se han definido clases de calidad de servicio para acomodar cuatro tipos de tráfico. Estos tipos de tráfico, su naturaleza y características básicas se muestran en la Tabla 7.1 Clase de Servicio Naturaleza Conversacional Servicios de tiempo real Afluente (Streaming) Servicios de tiempo real Interactiva Servicios de tiempo NO real Diferida (Background) Servicios de tiempo NO real Características Básicas Ejemplos Preserva el límite del retardo y la variación de tiempo entre paquetes. El retardo es pequeño y constante. Preserva la variación de tiempo entre paquetes. Retardo constante pero no necesariamente reducido. Modelo de petición y respuesta. Preserva el contenido de los datos. Retardo moderado y bajas tasas de errores. No es necesaria la interacción. Preserva el contenido de los datos. Voz, videoteléfono Flujo de video o audio Navegación en Internet Correo electrónico, descarga de datos Tabla 7.1 Clases de servicio para los tipos de tráfico en UMTS La universalidad que da el nombre a la tecnología UMTS es un concepto clave en el desarrollo de los servicios de tercera generación, para cumplir con este postulado es necesario observar dos premisas básicas: la primera, la posibilidad de que cualquier entidad u organización pueda desarrollar aplicaciones y servicios gracias a la separación arquitectónica de los planos de transporte y de servicios. La segunda, que el usuario tenga la misma percepción de los servicios recibidos con independencia del terminal que utilice y del lugar en donde se encuentre. Para cumplir con esta segunda premisa básica se desarrolló el concepto de entorno personal virtual (VHE, Virtual Home Environment) que puede ser entendido como una característica que permite a un usuario conservar su perfil de servicios, la edición de éstos y la interfaz de acceso con independencia de la red visitada. 140 Capitulo 7 7.4 Evolución Hacia UMTS Arquitectura del Sistema UMTS En la descripción que se realiza en la especificación UMTS Versión 99 se consideran elementos de red de tres categorías. Elementos de la red GSM: entre ellos, el centro de conmutación de servicios móviles (MSC), los registros EIR, VLR y HLR y el centro de autentificación (AuC). Elementos de la red GPRS: entre ellos, el SGSN y el GGSN. Finalmente, elementos específicos de UMTS: entre ellos, el equipo de usuario (UE) y la red de radio acceso terrestre UMTS (UTRAN). En la Figura 7.1a se muestra el esquema general de la arquitectura del sistema UMTS. Al igual como ocurre con el sistema GSM/GPRS, sus componentes se agrupan en tres substistemas: el equipo de usuario (UE, User Equipment), la red de radio acceso terrestre UMTS (UTRAN, UMTS Terrestrial Radio Access Network) y la red núcleo (CN, Core Network). Figura 7.1 Arquitectura del sistema UMTS 7.4.1 UE (User Equipment) El equipo de usuario UMTS integra el equipo móvil del suscriptor y el USIM (UMTS Subscriber Identity Module) que tiene una funcionalidad similar a la del SIM en las redes GPRS/GSM. Debe tenerse en cuenta que los terminales de tercera generación ya no serán 141 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS meros teléfonos móviles, sino dispositivos avanzados que permitirán el intercambio de diferentes tipos de información, por lo tanto, deben soportar múltiples perfiles de usuario, proveer funciones de seguridad y autentificación del usuario, soportar la incorporación de métodos de pago, deben tener pantalla táctil y cámara integrada, deben ser equipos multifuncionales para permitir el acceso GSM/GPRS/UMTS, deben tener pantallas más grandes, en color y de alta resolución, deben permitir la reproducción de video en MPEG4 y de audio en MP-3. Finalmente, deben proveer un entorno para la ejecución de aplicaciones. 7.4.2 CN (Core Network) La red núcleo de UMTS se encuentra basada en la topología de la red GSM/GPRS, provee funciones de conmutación, enrutamiento, transporte y bases de datos para el tráfico de la red y gestión de la movilidad. Contiene elementos de conmutación de circuitos, tales como el MSC, el VLR y el GMSC, elementos de conmutación de paquetes, tales como el SGSN y el GGSN, y elementos que soportan ambos tipos de conmutación, tales como el EIR, el HLR y el AuC. La separación de los dominios de conmutación de circuitos y de paquetes se concibe como necesaria debido a la evolución de las redes actuales, aunque la tendencia es hacia una única red troncal «Todo IP» que incluiría también a la red de radio acceso terrestre. Esta separación en dominios y la arquitectura completa de la red núcleo se muestran más claramente en la Figura 7.1c. 7.4.3 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) La red de radio acceso terrestre UMTS considera la incorporación de dos nuevos elementos: el controlador de la red de radio (RNC, Radio Network Controller) y el Nodo B. La UTRAN contiene múltiples sistemas de red de radio (RNS, Radio Network Systems) y cada RNS, controla a un RNC el cual conecta a uno o más nodos B, cada uno de los cuales puede proveer servicio a múltiples celdas. Detalles de la red de radio acceso terrestre y sus componentes se muestran en la Figura 7.1b. El RNC y el Nodo B en la red UMTS tienen funciones equivalentes a la función del BSC y la BTS en las redes GSM/GPRS. Resulta entonces posible compartir la infraestructura civil (torres y demás) entre ambas arquitecturas, solo que en el caso de UMTS, para lograr la cobertura planeada se deben adicionar nuevos emplazamientos. Igualmente, la 142 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS red núcleo se puede compartir según la versión de GSM que tenga el operador. De este modo, UMTS extiende las redes GSM/GPRS existentes protegiendo la inversión de los operadores. RNC (Radio Network Controller) El controlador de la red de radio realiza funciones que son equivalentes a las efectuadas por el controlador de estaciones base (BSC) en redes GSM/GPRS. El RNC provee control centralizado de los nodos B en su área de cobertura, maneja el intercambios de los protocolos en las diferentes interfaces de la UTRAN (lu, lur y lub) y se encarga de la multiplexación de la información proveniente de los dominios de conmutación de paquetes y de circuitos desde las interfaces lu-PS y lu-CS para que pueda ser transmitida sobre las interfaces lu, lub y Uu hacia/desde el equipo de usuario. El RNC se encarga entonces del manejo de los recursos de radio, utiliza la interfaz lur para permitir la comunicación con otros RNCs, esta interfaz no tiene equivalencia en redes GMS/GPRS en donde el manejo de los recursos de radio se realiza en el subsistema de conmutación y red (NSS). Entre las funciones de la RNC se incluyen: el control de los recursos de radio, el control de la admisión, la asignación del canal, el control de handover, la segmentación y el reensamble, la señalización de broadcast y el control de potencia. Nodo B El nodo B es equivalente a la estación tranceptora base (BTS) de la red GSM/GPRS. Es la unidad de transmisión/recepción que permite la comunicación entre los equipos de usuario y las radio celdas, se encuentra físicamente localizado en el sitio donde existe una BTS de la red GSM/GPRS para reducir los costos de implementación. Se conecta con el equipo de usuario a través de la interfaz de radio Uu utilizando WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) y soportando los modos FDD (Frequency Division Duplexing) y TDD (Time Division Duplexing) simultáneamente. La interfaz lub provee la conexión entre el nodo B y el RNC usando ATM, en ese sentido, el nodo B es un punto de terminación ATM. La principal función del Nodo B es la conversión de unidades de datos en la interfaz de radio Uu. Esta función incluye la corrección de errores y la adaptación a la tasa de datos en la interfaz de radio, el monitoreo de la calidad, la potencia de la conexión y el cálculo de la tasa de errores. 143 Capitulo 7 7.5 Evolución Hacia UMTS Interfaces UMTS define nuevas interfaces. El equipo de usuario se conecta mediante la interfaz de radio Uu al nodo B, varios nodos B son controlados por un RNC a través de la interfaz lub. Los diferentes RNC se conectan al CN por medio de la interfaz lu: para el dominio de conmutación de circuitos por medio de la interfaz lu-CS y para el dominio de conmutación de paquetes por medio de la interfaz lu-PS. Además, se utiliza otra interfaz llamada lur para interconectar dos RNC y así disminuir el trabajo del CN. Estas interfaces se muestran en la Tabla 7.2 y en la Figura 7.2. Interfaz Situada entre Uu Equipo de Usuario a Nodo B lu-Cs lu Lu-PS Interface para Conmutación de Circuitos RNC a MSC/VLR Interface para Conmutación de Paquetes RNC a SGSN lub RNC a Nodo B lur RNC a RNC (No tiene equivalencia enGSM) Tabla 7.2 Interfaces UMTS Figura 7.2 Interfaces UMTS 144 Capitulo 7 7.6 Evolución Hacia UMTS Protocolos Los protocolos en UMTS se encuentran organizados en tres niveles o capas como se muestra en la Figura 7.3. El nivel 1, que corresponde con el nivel físico. El nivel 2, que corresponde con el nivel de enlace se encuentra a su vez compuesto por dos subniveles: el subnivel de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) y el subnivel de control del enlace de radio (RLC, Radio Link Control). El nivel 3, que corresponde con el control de recursos de radio (RRC, Radio Resource Control) se encuentra compuesto por tres subniveles: el subnivel de gestión de recursos de radio (RRM, Radio Resource Managment), el subnivel de control de llamadas (CC, Call Control) y el subnivel de gestión de movilidad (MM, Mobility Managment). Además, la arquitectura de protocolos se complementa con una división vertical en dos planos denominados respectivamente de control (C) y de usuario (U). El plano de control contiene los aspectos ligados a la señalización de sistema, mientras que el plano de usuario abarca los aspectos del traspaso de tráfico de información entre usuarios. Figura 7.3 Modelo de capas UMTS Son funciones del nivel físico: la codificación y decodificación con control de errores, la supervisión de los canales físicos, la multiplexación y demultiplexación de canales de transporte, la proyección (mapping) de los canales de transporte sobre los canales físicos, la modulación y demodulación de espectro ensanchado en banda ancha, el control de potencias y de las antenas, la adaptación de velocidades y todo el procesamiento de radiofrecuencia. 145 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS Son funciones del subnivel de acceso al medio (MAC): La asignación de la correspondencia entre los canales lógicos y los de transporte, la selección de formatos de transporte según la tasa de transmisión, la gestión de prioridades de servicios, la gestión de prioridades entre terminales según el perfil de tráfico y la supervisión del volumen de tráfico a disposición del nivel RRC. Son funciones del subnivel de control de enlace de datos (RLC): La transferencia de información entre las subcapas RRC y MAC en tres modos diferentes: transporte, sin acuse de recibo y con acuse de recibo, el tratamiento de la información de capas superiores para cursarla en las unidades de información manejadas por la RLC, la corrección de errores, el ordenamiento de los de paquetes, la eliminación de duplicidades y el control del flujo de información. Por encima del subnivel RLC, la porción del nivel 2 que pertenece al plano C no contiene más subniveles. Sin embargo, en el plano de usuario se sitúan dos subniveles más: el BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol) y el PDCP (Packet Data Convergence Protocol). El subnivel BMC contiene el protocolo que regula la transmisión de la información relativa a los servicios de difusión general o multidifusión sobre la interfaz de radio, siempre bajo el modo transparente o sin acuse de recibo de la subcapa RLC. El subnivel PDCP es aplicable solo al dominio de conmutación de paquetes. Este protocolo tiene un doble cometido: comprimir los paquetes procedentes de la capa superior para mejorar la eficiencia espectral, y aislar al resto de los protocolos UTRAN de la necesidad de cambios por causa de la introducción de nuevos protocolos de red en modo paquete. Son funciones del subnivel de gestión de recursos de radio (RRM): el establecimiento, mantenimiento y liberación de conexiones RRC entre terminales móviles y la red de acceso de radio terrestre, la gestión de frecuencias portadoras: su asignación, reconfiguración y liberación de recursos, el control del grado de calidad del servicio requerido, el control de admisión, la programación de envío de los paquetes (packet scheduling) y el control de congestión. 7.7 Canales Físicos, Lógicos y de Transporte En UMTS se definen tres clases de canales: los canales lógicos, los canales de transporte y los canales físicos. Los canales lógicos expresan el tipo de información que se transfiere 146 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS por la interfaz de radio y pertenecen al nivel de enlace. Los canales de transporte expresan la forma como se transmite esa información y los canales físicos denotan los recursos utilizados: códigos de expansión, frecuencias portadoras e intervalos de tiempo. En la Tabla 7.3 se presentan los canales lógicos, físicos y de transporte de UMTS. Canal BCCH PCCH CCCH Canales Lógicos DCCH DTCH CTCH BCH FACH Canales de Transporte PCH DSCH RACH CPCH DCH Canales Físicos PCCPCH SCCPCH PDSCH PRACH PCPCH DPDCH PDCCH Enlace Descendente Tipo Control Descripción Difusión de información de la red Aviso a equipos móviles no Descendente Control localizados Señalización con equipos móviles Descendente Control sin conexión RRC Señalización con un equipo móvil Descendente Control especifico Transferencia de información con Descendente Tráfico un equipo móvil especifico Transferencia de información punto Descendente Tráfico a multipunto Difusión de información de la red y Descendente Común de la celda Envió de información a equipos Descendente Común móviles cuya ubicación es conocida Envió de información a equipos Descendente Común móviles cuya ubicación NO es conocida Descendente Común Asignación de canales Acceso aleatorio de los equipos Ascendente Común móviles Transmisión de paquetes sin Ascendente Común asignación exclusiva Transmisión de información y Bidireccional Dedicado señalización en un equipo móvil especifico Descendente Común Soporta el canal BCH Descendente Común Soporta los canales FACH y PCH Descendente Común Soporta el cana DSCH Ascendente Común Soporta el cana RACH Ascendente Común Soporta el cana CPCH Bidireccional Dedicado Trafico de datos del DCH Bidireccional Dedicado Trafico de señalización del DCH Tabla 7.3 Canales lógicos, físicos y de transporte en UMTS. 7.8 la Interfaz de Radio 147 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS La técnica de acceso múltiple que ha sido elegida para UMTS es CDMA con expansión por secuencia directa (DS-CDMA, Direct Secuence-Code Division Multiple Access). En este esquema, el ancho de banda es de 5 MHz por lo que se habla de WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Mediante la técnica de acceso múltiple por división de código (CDMA, Code Division Multiple Access) los usuarios se distinguen entre sí por unas secuencias de código únicas para cada uno de ellos, lo que significa que todos los usuarios pueden transmitir al mismo tiempo utilizando la misma frecuencia portadora. DS-CDMA va un paso más allá que la técnica CDMA. Se trata de una solución perteneciente a un grupo más extenso de técnicas conocidas como de espectro ensanchado. Todas ellas generan a partir de la señal en banda base, una señal moduladora de un ancho de banda mucho mayor que el de la señal en banda base empleando un código de expansión espectral, que permite la separación entre diferentes comunicaciones que comparten una misma portadora. Esta operación ofrece una importante ventaja como es la mejora de la inmunidad frente a desvanecimientos selectivos en frecuencia. En el caso de la técnica DS-CDMA, el ensanchamiento se consigue multiplicando la señal digital en banda base por una secuencia conocida por los dos extremos en la comunicación. Dicha secuencia posee una velocidad mucho mayor que la de banda base. El producto modula a una portadora, con lo que se consigue una señal modulada cuyo ancho de banda es sustancialmente mayor que el ancho de banda original. En el extremo receptor se multiplica la señal demodulada por la misma secuencia, lo que permite la recuperación de la señal de banda base. Esta operación restaura el ancho de banda de la señal útil en la recepción, pero en cambio ensancha la de cualquier señal interferente de banda estrecha que pudiera recibirse, reduciendo la cantidad de energía de ésta que interfiere con la señal útil (ver la Figura 7.4). 148 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS Figura 7.4 DS-CDMA Por lo tanto, para el acceso múltiple se separan cada uno de los canales con códigos ortogonales entre sí, de forma que conocidos esos códigos es posible recuperar la señal original. Para adaptar la señal original al canal se utilizan dos tipos de códigos: los códigos de canalización y los de scrambling. Los códigos de canalización facilitan la gestión de los recursos radio y su administración entre las diferentes células y usuarios, mientras que los códigos de scrambling sirven para producir el ensanchamiento adicional de la señal hasta el nivel requerido. Se han definido dos modos de funcionamiento en UMTS/WCDMA. En el modo FDD (Frequency Division Duplexing) existen dos portadoras por canal de radio, estas portadoras son utilizadas para las transmisiones del enlace ascendente y descendente, es decir, el enlace ascendente utiliza una banda de frecuencias diferente a la que utiliza el enlace descendente. Es necesario entonces asignar un par de bandas de frecuencia para su operación, estas frecuencias se denominan frecuencias emparejadas. El modo FDD resulta adecuado para servicios simétricos, con una amplia gama de velocidades. En el modo TDD (Time Division Duplexing) la transmisión de los enlaces ascendente y descendente se realiza sobre una única portadora utilizando intervalos de tiempo sincronizados, dado que se utiliza un único canal de radio se dice que este modo opera en bandas de frecuencias no emparejadas. El modo TDD resulta adecuado para servicios asimétricos en entonos de interiores y microcelulares. En este modo, los requisitos de sincronización son más estrictos y exigen más márgenes (overhead) para los tiempos de guarda y rampas de variación de potencia. En la figura 7.5 se muestra los modos FDD y TDD soportados en UMTS. 149 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS Figura 7.5 FDD y TDD en UMTS El acceso múltiple en UMTS reconoce entonces bandas emparejadas (Paired Bands) y bandas no emparejadas (Unpaired Bands). Para las bandas emparejadas, el enlace ascendente se encuentra entre los 1920 y los 1980 MHz, el enlace descendente se encuentra entre los 2110 y los 2170 MHz. Los 60 MHz del espectro alojan a 12 Portadoras de 5 MHz. Para las bandas no emparejadas, los rangos de frecuencias disponibles se encuentran entre los 2010 y los 2025 MHz y entre los 1900 y los 1920 MHz, esto suma un total de 35 MHz en donde tienen cabida 7 Portadoras de 5 MHz. El tipo de modulación que se ha adoptado para UMTS es QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). 7.10 Hacia una Arquitectura UMTS Basada en «Todo IP» La red GSM/GPRS representó el paso previo en la evolución hacia UMTS, en el proceso evolutivo hacia su consolidación se pueden considerar tres fases: la primera, denominada Versión 99 es considerada como una «fase de evolución». La segunda, denominada Versión 4 es considerada como una «fase de revolución» por todos los cambios que implica. En la tercera fase, que ha sido denominada como Versión 5, todos los servicios serán consolidados sobre una arquitectura de transporte «todo IP». Adicionalmente, en el panorama existe una cuarta fase denominada Versión 6. En este apartado se presenta este camino evolutivo. 7.10.1 Versión 99 La versión 99 de UMTS corresponde con el estándar establecido y será el utilizado por todas las operadoras europeas en el despliegue inicial de UMTS. Esta versión conserva la 150 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS estructura de la red GSM/GPRS con la separación de los dominios de conmutación de circuitos y de paquetes, por lo que no introducirá cambios significativos en la red introducida en GPRS. A diferencia de GPRS, aparece la UTRAN (UMTS Terrrestrial Radio Access Network), en ella las BTS serán sustituidas por nodos B y los BSC por los RNC (Radio Network Controller). Aparece una interfaz de radio Uu basada en WCDMA, y una interfaz lu en lugar de la interfaz A. Podemos encontrar dos variantes, la interfaz luCS para el dominio de conmutación de circuitos y la interfaz lu-PS para el dominio de conmutación de paquetes. Tanto en la red de acceso de radio terrestre como en la interfaz de la misma con la red núcleo se utilizará ATM o MPLS como protocolo de transporte. Esta es la arquitectura que se ha analizo en los apartados previos de este capitulo. La arquitectura de UMTS en la versión 99 se muestra en la Figura 7.6. Figura 7.6 Arquitectura del sistema UMTS versión 99 7.10.2 Versión 4 En la versión 4 de UMTS, la voz se transporta sobre IP y aparecen separadas las funciones de control y de conectividad para la voz: Las MSC dividen funcionalmente sus tareas en los MG (Media Gateways), responsables por proveer la conectividad y en los 151 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS servidores de control, responsables por proveer la señalización de control. El MG proporciona la conexión con las redes de conmutación de circuitos utilizando los servicios de un MGC (Media Gateway Controller). Para la comunicación entre el MG y el MGC se utilizará el protocolo MEGACO. La arquitectura del sistema UMTS en la versión 4 se muestra en la Figura 7.7. Figura 7.7 Arquitectura del sistema UMTS versión 4 7.10.3 Versión 5 La versión 5 de UMTS será una versión «Todo IP». IP será la tecnología de transporte en la red núcleo (CN) para todo tipo de datos, incluso también en la UTRAN en lugar de ATM. En esta versión existe además una separación entre los planos de transporte y de control con la aparición del subsistema multimedia basado en IP (IMS, IP Multimedia Subsystem) encargado de efectuar toda la administración de los servicios multimedia utilizando señalización SIP sobre portadora de paquetes, y permite soportar múltiples flujos multimedia con diferente calidad de servicio (QoS). Las entidades funcionales que se identifican en el IMS son: El HSS (Home Subscriber Server). Que se encarga de almacenar los perfiles de suscripción de los usuarios, puede ser considerado como la evolución del HLR con la incorporación de funciones de control IP multimedia. 152 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS El CSCF (Call State Control Function). Responsable por el control de la sesión. Se encuentra a su vez dividido en varias entidades que se comunican entre sí y con el usuario utilizando SIP. Estas son: o El I-CSCF, que se constituye en el punto de entrada y a través del cual, con la ayuda del HSS, se selecciona el S-CSCF. o El S-CSCF, se encarga de recibir las peticiones SIP del usuario y realiza también todo el control de la sesión. o El P-CSCF, que en el caso del roaming selecciona en la red visitada el ICSCF de origen. El MRF (Multimedia Resource Function). Responsable por la gestión de las funciones de llamada o sesión con varios participantes y conexiones. En UMTS Versión 5 se mantendrá la interoperabilidad con otras redes de segunda generación y con las entidades que permiten que ésta sea posible: Media Gateway (MG), Media Gateway Controller (MGC) y el Signalling Gateway (SWG). La arquitectura de UMTS versión 5 se muestra en la Figura 7.8. Figura 7.8 Arquitectura del sistema UMTS versión 5 7.10.4 Versión 6 En la versión 6 de UMTS se propone una ampliación/extensión del IMS IP Multimedia Services Phase 2. Se contempla entonces la posibilidad de efectuar mensajería a través 153 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS del IMS. Esta versión también ofrecerá la posibilidad de conectividad con redes locales inalámbricas (Wíreles LAN). Entre las múltiples mejoras y extensiones de la versión 6 sobresalen las siguientes: El servicio MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service) MBMS es un servicio de transporte independiente de la aplicación, con un uso de recursos óptimo: en la interfaz de radio los datos se transmiten una sola vez por canal común para todos los suscriptores de la celda, y en la red se utiliza una sola portadora. MBMS permitirá servicios de streaming y de descarga de archivos localizados geográficamente, con control sobre la calidad de servicio (QoS) y sobre la facturación. El modo broadcast es una transmisión unidireccional punto a multipunto a todos los usuarios del área de servicio. En lo que respecta al modo multicast, la transmisión se realiza sólo para los usuarios suscritos a un grupo multicast y permite tarificación y facturación. La implementación de MBMS requiere una nueva funcionalidad en el GGSN, SGSN, UTRAN, GERAN y UE, así como una nueva entidad funcional, el BM-SC (Broadcast Multicast Service Centre), que proporciona las funciones MBMS. En el plano de transporte, MBMS envía datagramas IP multicast desde la interfaz Gi (punto de entrada a la red) al terminal con una calidad de servicio especificada. En el plano de control, MBMS gestiona la activación del servicio, la autorización, el control de sesión y la gestión de recursos. La interfaz Gmb es el punto de entrada a la red para el plano de control. En la Figura 7.9 se recogen los nodos involucrados en el servicio MBMS. Figura 7.9 Nodos involucrados en la arquitectura del servicio MBMS 154 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS Las modificaciones en la interfaz de radio de UTRAN (Um) se han reducido en lo posible. No se introduce un nuevo canal físico o de transporte, aunque a nivel lógico son necesarios dos nuevos canales descendentes: el canal MBMS point tomultipoint Control Channel (MCCH) y el canal MBMS point to multipoint Traffic Channel (MTCH). Ambos utilizan el canal de transporte FACH, que a su vez se envía sobre el canal físico S-CCPCH. No se especifican canales ascendentes de control. Si es necesario un canal de retorno, las capas superiores deberán establecerlo a través del RACH o DCH. El IMS (IP Multimedia Subsystem) Fase 2 Parte de la funcionalidad original de IMS no fue completada a tiempo para ser incluida en la versión 5; se pueden destacar, por ejemplo, la gestión de grupos y los servicios de conferencia y mensajería. Por otra parte, se va a dedicar el esfuerzo necesario para la migración de los desarrollos de IMS basados en IPv4 a IPv6. La interoperabilidad WLAN-3GPP Seis escenarios han sido considerados en el estudio previo, desde el caso más complejo, que consiste en la movilidad total con traspasos WLAN-celular, hasta el caso más simple, en el cual el usuario recibe una factura conjunta de los dos sistemas. En el segundo de los escenarios, cuando se accede mediante WLAN, se realiza la autentificación, autorización y facturación a través de la red 3GPP, pero el acceso a Internet es proporcionado por el operador de WLAN. El tercer escenario permite, además, acceder a través de WLAN a los servicios 3GPP de la red de paquetes proporcionados por el operador 3GPP, por ejemplo, MMS e IMS, que normalmente no están disponibles por Internet. La aplicación PoC (Push to talk over Cellular) Es una aplicación equivalente a las comunicaciones semiduplex de tipo “walkie-talkie”. Está siendo estandarizada en OMA (Open Mobile Alliance), pero utilizará el subsistema IMS de las redes 3GPP. El nuevo canal FDD Enhanced Uplink (EDCH) Se introduce un nuevo canal basado en el canal ascendente dedicado DCH, con técnicas ya probadas en HSDPA: scheduling en el Nodo B, corrección de errores con HybridARQ y tamaño de TTI (Transmisión Time Interval) reducidos. Estas mejoras redundan en un menor retardo en la transmisión de paquetes y un incremento en la capacidad de la red. 155 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS En la Tabla 7.4 se resume todo el proceso evolutivo y las características más relevantes de cada versión. Versión 99 Se incluye la UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Utiliza la infraestructura GSM/GPRS en la red núcleo. Versión 4 Arquitectura estratificada. Transporte IP para los protocolos de la red núcleo. Calidad de servicio en el nivel de transporte. Red núcleo basada en ATM. Versión 5 Transporte IP sobre la UTRAN. Versión 6 Ampliaciones sobre el IMS. Arquitectura «Todo-IP». Calidad de servicio extremo a extremo. Adición del IP Multimedia Domain System (IMS). Traspaso (handover) entre sistemas UMTS/GSM. Se incluyen el VHE (Virtual Home Environment) y la arquitectura abierta de servicios (OSA, Open Service Architecture). Tabla 7.4 Proceso evolutivo hacia una redo todo IP 7.11 Conclusiones La introducción del sistema GPRS en las redes celulares actuales, es un paso clave en la evolución hacia las redes móviles de tercera generación como es el sistema UMTS. Los servicios que ofrece UMTS son básicamente el acceso a Internet, servicios de banda ancha, roaming internacional e interoperatividad. Pero fundamentalmente, estos sistemas permiten el desarrollo de entornos multimedia para la transmisión de vídeo e imágenes en tiempo real, fomentando la aparición de nuevas aplicaciones y servicios tales como videoconferencia o comercio electrónico. Entre los atributos de UMTS se pueden destacar la conectividad virtual a la red todo el tiempo, diferentes formas de tarificación, ancho de banda asimétrico en el enlace ascendente y descendente, configuración de la calidad de servicio (QoS), integración de la tecnología y estándares de redes fijas y 156 Capitulo 7 Evolución Hacia UMTS móviles, entorno de servicios personalizado, y muchos otros. En cuanto a las capacidades de transmisión de datos de las tecnologías 3G, se pueden establecer distintos entornos de trabajo, llegando incluso hasta los 2 Mbps en condiciones ideales de funcionamiento, como por ejemplo en el entorno interior de una oficina. Esta capacidad es muy superior a la de las tecnologías precedentes, posibilitando el desarrollo de servicios multimedia reales. 157 Conclusiones y Consideraciones CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES Las transformaciones que suceden actualmente en la sociedad con rumbo a la nueva era de la “Sociedad De La Información”, aumentan la demanda por tráfico en las redes para la atención de un número cada vez más grande de usuarios con diversos servicios, reflejado en el sector de telecomunicaciones a través de la evolución permanente de sus sistemas. De esta forma podemos observar una evolución de los sistemas celulares a través del tránsito GSM/GPRS/UMTS. De nada sirve lanzar una tecnología más avanzada si no existen servicios que se puedan ofrecer con ella a precios accesibles o si la sociedad no alcanzó un grado de madurez tecnológica que la haga necesaria y utilizarla al máximo. México debe realizar actualizaciones en su red de manera gradual y económica, no tomando en consideración los argumentos usados por los fabricantes en países con alto desarrollo económico y buena distribución de renta. 158 GLOSARIO A AGCH (Access Grant Channel). Canal de control en el sistema GSM/GPRS, utilizado para la asignación de recursos al equipo móvil que previamente solicitó el establecimiento de la comunicación y tras el proceso de autentificación. ALHOA Protocolo para radiotransmisiones en donde los usuarios pueden transmitir en cualquier momento con riesgo de sufrir colisiones con otros usuarios. El riesgo de colisión se reduce mediante la división del canal en segmentos de tiempo, obligando a transmitir al inicio de cada periodo. Aloha fue la base del protocolo Ethernet. ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number). En el sistema GSM/GPRS denota un par de canales de radio separados por 45 MHz utilizados para la transmisión y para le recepción. ATM (Asynchronous Transfer Mode). Estándar internacional en el que varios tipos de servicios (como voz, vídeo y datos) se transfieren en celdas de longitud fija (53 bytes). Las celdas de longitud fija permiten que el proceso de celdas se produzca en el hardware y por consiguiente, que haya una disminución de los retrasos del tránsito. AuC (Authentification Center). Elemento que contiene las claves y algoritmos de verificación para el acceso de un usuario a una red GSM/GPRS. B BCCH (Broadcasting Control Channel). Canal de control en el sistema GSM/GPRS que está permanentemente en el aire para permitir la transferencia de parámetros del sistema e información general de la red, la célula actual y las adyacentes, así como para el envío de ráfagas de sincronización. Permite a la estación móvil "orientarse" en el entorno del sistema. BSC (Base Station Controller). Elemento de la red GSM/GPRS que gestiona los recursos de radio. BSS (Base Station Subsystem). Subsistema de la red GSM/GPRS que permite la conexión inalámbrica de la estación móvil con la red. BTS (Base Trasceiver Station). Elemento de la red GSM/GPRS que alberga los tranceptores y antenas que definen una celda. C CDMA (Code Division Multiple Acces) Acceso múltiple por división de código. Técnica de modulación digital de amplio espectro utilizada principalmente con dispositivos comunicaciones personales, como teléfonos móviles. Digitaliza la conversación y la codifica con un código de frecuencia especial. Los datos son dispersados por la banda de frecuencia de manera pseudoaleatoria. El dispositivo receptor recibe instrucciones para descifrar sólo los datos correspondientes a un código particular para reconstruirla señal. 1 CRC (Cyclic Redundancy Check). Código redundante cíclico. Código protector de errores utilizado en sistemas celulares. D DCS (Digital Cellular System). Sistema de telefonía celular digital de Y generación similar al sistema GSM, pero que opera en la banda de 1800MHz DTX En la transmisión disconínua (DTX) la estación móvil desconecta el transmisor o disminuye el nivel de portadora transmitido en las pausas de la conversación. E EIR (Equipment Indentity Register). Base de datos en el sistema GSM/GPRS que guarda información relativa al equipo móvil (fabricante, número de serie,...). ETSI (European Telecommunication Standard Institute). Organismo de normalización europeo en materia de telecomunicaciones. F FACCH (Fast Associated Control Channel). Canal lógico de control utilizado en el sistema digital TDNIA IS-54 y en el sistema GSM/GPRS. Se usa para transmitir órdenes urgentes como una orden de handover. Está asociado de forma transitoria a un canal de tráfico y se materializa mediante "robo" de intervalos de tráfico FCCH (Frequency Correction Channel). Canal asociado al canal de tráfico en el sistema GSM/GPRS transmitido desde la red hasta el móvil. Por él se envía la información de corrección de frecuencia para sincronización de la portadora en el móvil. FDD (Frequency Duplexion Divisíon). Técnica de separación en frecuencia entre la transmisión en sentido base-móvil y móvil-base. FDMA (Frequency Division Multiplex Access). Técnica de multiplexación de canales radioeléctricos por división en frecuencia, utilizada en los sistemas analógicos de primera generación. FH (Frequency Hopping). Salto de frecuencia. Se utiliza en GSM. Posibilidad de que los móviles puedan realizar la transmisión en la modalidad de saltos de frecuencia, bajo mandato de la red, para lograr una mayor protección gracias a la diversidad de frecuencia. G GGSN (Gateway GPRS Support Node). Elemento de la red GSM/GPRS que actúa como una interfaz lógica entre la red troncal GPRS y las redes de paquetes IP externas. GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Modulación digital de frecuencia con filtro gaussiano de premodulación, utilizada en el sistema celular de segunda generación GSM. GPRS (servicio general de radiocomunicaciones por paquetes) y es una ampliación del estándar GSM que permite transmitir datos a mayor velocidad. Los datos se convierten en "paquetes" individuales, que se envían de uno en uno y se vuelven a recomponer cuando el destinatario los recibe. Esto reduce considerablemente los tiempos de ocupación de la línea de datos, es decir, sólo en el momento de transmitir un "paquete". Con GPRS también se pueden aprovechar más eficientemente las capacidades disponibles. 2 GSM (Groupe Spéciale Mobile o Global System for Mobile Communications). Sistema de telefonía celular digital de segunda generación estandarizado en Europa pero cuyo uso se ha extendido a otras zonas del planeta. H HLR (Home Location Register). Base de datos local que contiene información de todos los abonados móviles, relativa a su subscripción y servicios suplementarios. I IMEI (International Mobile Equipment Identity). Identidad del equipo móvil internacional. Número de 15 dígitos que identifica de forma única a cada equipo móvil y se utiliza para proporcionar seguridad en las redes GSM/GPRS. IMS1 (International Mobile Subscriber Identity). Identidad de abonado móvil internacional. Se incorpora en el módulo de identidad de abonado (SIM) cuando un abonado utiliza un terminal. ISDN (Integrated Services Digital Network). Red digital de servicios integrados. IS-54 Norma que recoge las características del sistema celular digital de segunda generación TDMA surgido en EEUU. IS-95 Norma que recoge las características del sistema celular digital de segunda generación CDMA, propuesto por la compañía Qualcomm. ITU (International Telecommunications Union). Unión Internacional de Telecomunicaciones. L LPC (Linear Prediction Codes). Codificadores de predicción lineal de coeficientes, utilizados en la compresión digital de voz en los sistemas digitales celulares. M MAP (Mobile Application Part). Formato que define los métodos y mecanismos de comunicación en las redes sin hilos ME (Mobile Equipment). Equipo móvil MS (Mobile Station). Estación móvil. MSC (Mobile Switching Center). Centro de Conmutación de Móviles. Su función principal es la de conmutación y encaminamiento de llamadas. N NMT (Nordic Mobile Telephony). Sistema celular analógico de primera generación surgido en los países nórdicos. NSS (Network and Switching Subsystem). Subsistema de la red GSM/GPRS que se encarga de gestionar las comunicaciones y conectar a las estaciones móviles con otro tipo de redes públicas de telefonía o de datos. 3 O OSS (Operation and Support Subsystem). Subsistema de soporte y operación de la red GSM que se encarga de controlar y monitorizar toda la red. P PCH (Paging Channel). Canal de búsqueda. Canal de control común en el sistema GSM/GPRS. Se transmite desde la estación base hasta la estación móvil y le informa de una llamada destinada a la misma. PIN (Personal Identification Number). Número de identificación personal de cuatro dígitos utilizado para proteger la tarjeta SIM contra uso indebido. PSTN (Public Switched Telephonic Network). Red telefónica pública conmutada. Q QoS (Quality Of Service). Método que permite garantizar el ancho de banda para tipos de tráfico especificados. R RACH (Random Access Channel). Canal de acceso aleatorio. Canal de control común en el sistema GSM/GPRS. Transmite en el sentido móvil-base las peticiones de la estación móvil no programadas de antemano en el sistema, por ejemplo para el registro o establecimiento de la llamada. Se utiliza el protocolo "ALOHA" ranurado. S SACCH (Slow Associated Control Channel). Canal de control asociado lento. Se utiliza en los sistemas TDMA IS-54 y GSM/GPRS fundamentalmente para transmitir información recurrente, como ajuste de potencia o de trama, medidas de calidad del canal, información de taríficación. SCH (Synchronization Channel). Canal de sincronización asociado al canal de tráfico en el sistema GSM/GPRS. Su sentido es desde la red al terminal móvil. Cursa la información de sincronización de trama e identificación de la estación base. SDCCH (StandAlone Dedicated Control Channel). Canal de control dedicado del sistema GSM/GPRS utilizado para transmitir los datos de usuario. SIM (Subscriber Identity Module). Módulo de identidad del suscriptor. Tarjeta que se inserta en el terminal móvil y se asocia a una abono celular, almacena los datos y perfil de servicio del usuario, lo que permite comunicarse independientemente del equipo móvil que emplee. SMS Servicio de mensajes cortos. Servicio de entrega de mensajes de texto de hasta 160 caracteres. SMSC (Short Message Service Center). El SMSC, es el responsable de la transmisión y almacenamiento del un mensaje corto, entre el SME y una estación móvil. SMS-GMSC (SMS-Gateway/Interworking MSC). Es un MSC capaz de recibir un mensaje corto de un SMSC, interrogando al HLR (Home Location Register) sobre la información de encaminamiento y enviando el mensaje corto al MSC visitado de la estación móvil receptora. El 4 "SMS-Gateway/Interworking MSC" es un MSC capaz de recibir un mensaje corto de la red móvil y enviarlo hacia el SMSC apropiado. SS7 (Signaling System 7). Formato que da base a la infraestructura de la red inalámbrica. SGSN (Serving GPRS Support Node). Elemento de la red GSM/GPRS que se encarga de encaminar los paquetes de datos IP entrantes y salientes de cualquier abonado GPRS físicamente situado dentro de la zona de geográfica a la que da servicio ese SGSN. T TACS (Total Access Communication System). Sistema celular analógico de primera generación estandarizado en el Reino Unido, versión modificada del estándar americano AMPS adaptado a la canalización europea. TCH (Traffic Channel). Canal lógico de tráfico en el sistema GSM. TDD (Time Division Duplexion). Técnicas de duplexación en la que cada Terminal efectúa la transmisión y recepción en slots o intervalos de tiempo diferente, pero utilizando la misma portadora TDMA (Time Division Multiplex Access). Acceso múltiple por división de tiempo: Método de acceso múltiple, que permite soportar a varios usuarios al mismo tiempo que comparten una mancomunidad de canales de radio, de forma que cualquiera de ellos puede acceder a cualquier canal. Cada portadora o trozo de espectro se divide en pequeños períodos de tiempo o microsegmentos llamados time slots, de forma que a cada usuario se le asigna en cada momento un time slot, lo que permite multiplicar el número de usuarios. La técnica TDMA esta asociada a las normas IS-54 (North American Digital Cellular), GSM (Global System for Mobile Communications) y PDC (Personal Digital Cellular), desarrollada en Japón. TIA (Telecommunication Industry Association). Asociación de Industrias de Telecomunicación norteamericana. TS (Time Slot). Ranura de tiempo. U UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Sistema que representa a la telefonía móvil de tercera generación enfocado, principalmente, a la realización de transacciones y al acceso a Internet. V VLR (Visitor Location Register). Base de datos en el sistema GSM/GPRS que utiliza una MSC para todos los abonados que en un momento dado están en su área de servicio. W WAP (Wireless Application Protocol). Protocolo basado en los estándares de Internet que ha sido desarrollado para permitir a teléfonos celulares navegar a través de Internet. 5 BIBILOGRAFIA Wireless Personal Communications Services. Digital Cellular and Beyond Simo McGraw-Hill Mobile and Wireless Networks Black, Uyless Prentice Hall Wireless Comunications Wornell, Poor Prentice Hall Wireless, Digital Communications. Modulation and Spread Spectrum Applications Feher, Kamilo Prentice Hall Wireless Personal Communications: A Systems Approach Goodman, David J. Addison Wesley Wireless and Personal Communications Systems. Fundamentals and Applications Garg, V. Wilkes, J. Prentice Hall, 1996 Code División Múltiple Access and Wireless Personal Communications Garg, V. Smolik K. Prentice Hall 6