tecnología gsm.

Tecnología GSM.
TECNOLOGÍA GSM.
Autores:
Enric Forner Clavijo.
Carlos Torrent Cuevas.
Rubén Martí Mateu.
Francisco Cordobés Gil.
Pablo Martínez Dimingo.
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Tecnología GSM.
Índice.
1. Introducción.
1.1. Introducción a los sistemas de comunicaciones móviles.
1.2. Topología de un sistema celular.
1.3. Interferencias y Capacidad del Sistema
1.3.1. Interferencia co-canal y Capacidad del Sistema.
1.3.2. Interferencia entre canales adyacentes.
1.3.3. Control de Potencia para reducir las Interferencias
1.4. Tipos de sistemas celulares e impacto en el mercado.
2.
GSM.
2.1. Inicios.
2.2. Componentes de GSM.
2.3. Enrutamiento de llamadas.
2.4. Actualización de ubicación.
2.5. GSM 900/DCS 1800: Cimientos de PCS 1900 (TDMA).
2.6. Interfaces GSM.
3. La interfaz de Radio
3.1. Introducción
3.2. Acceso a Sistemas Truncados.
3.2.1. Acceso Múltiple por División en Frecuencia (FDMA).
3.2.2. Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA).
3.2.3. Acceso Múltiple por división del Espacio (SDMA).
3.2.4. Acceso Múltiple por División de Código (CDMA).
3.2.5. Acceso Múltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA).
3.2.6. Operaciones Dúplex.
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3.2.6.1.Dúplex por división en Frecuencia (FDD).
3.2.6.2. Dúplex por División en el Tiempo (TDD).
3.3. El Canal de Radio.
3.3.1. Características del Canal de Radio.
3.3.2. Condiciones Estáticas.
3.3.3. Condiciones Dinámicas.
3.4. Frecuencias y Canales Lógicos.
3.4.1. Canales de Tráfico.
3.4.2. Canales de Control.
3.4.2.1. Canales "Broadcast" (BCH).
3.4.2.2. Canales de Control Comunes (CCCH).
3.4.2.3. Canales de Control Dedicados (DCCH).
3.5. Estructura de las tramas en GSM.
3.6. Ejemplo de una llamada GSM.
4. Procesado de Señal en GSM.
4.1. Introducción.
4.2. Codificación de la fuente.
4.2.1. Requisitos para la codificación de la voz en GSM.
4.2.2. Funcionamiento de la codificación - descodificación de la voz.
4.2.3. Codificación por Predicción Lineal (LPC) y Análisis por Excitación de
Pulsos Regulares (RPE).
4.2.4.Análisis por Predicción de Periodo Largo (LTP).
4.2.5. Transmisión Discontinua.
4.3.Codificación del Canal. Detección de Errores.
4.3.1. Introducción a la codificación del canal.
4.3.1.1. Chequeo de Redundancia Cíclica (CRC).
4.3.1.2.Códigos Convolucionales.
4.3.1.3 Entrelazado ("Interleaving").
4.4. Modulación Digital en GSM.
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4.4.1. Modulación MSK ("Minimum Shift Keying").
4.4.2. Modulación GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying").
5. SMS.
5.1. Definición.
5.2. Características.
5.3. Evolución.
5.4. Elementos de red y Arquitectura.
5.5. Operaciones para el envío de SMSs.
5.6. Elementos de Servicio.
5.7. Pasos para el envío.
5.8. Pasos para la recepción.
5.9. Principales aplicaciones.
5.9.1. Aplicaciones Corporativas.
5.10. Clases de mensajes cortos.
5.11. Aplicacion SIM Toolkit.
5.12. Cell broadcast o mensajes de difusión.
5.13. USSD (Unstructured Supplementary Services Data).
6.
Glosario de acrónimos.
7.
Bibliografía.
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1. Introducción.
1.1. Introducción a los sistemas de comunicaciones móviles.
El propósito de un sistema de comunicaciones móvil es, como su nombre indica, prestar
servicios de telecomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrenas fijas, o entre dos
estaciones móviles.
Existen dos formas de comunicaciones móviles: inalámbrica y celular.
-
-
Comunicación inalámbrica: El radio de acción de esta tecnología es muy limitado.
De hecho los equipos móviles y los de transmisión-recepción deben estar situados
en zonas geográficas muy cercanas, como por ejemplo, dentro de un mismo
edificio.
Comunicación celular: Tiene una red totalmente definida que incluye protocolos
para establecer y despejar llamadas así como rastrear las unidades móviles dentro de
áreas geográficas definidas llamadas células, que dan nombre a la tecnología. Dado
que los sistemas celulares operan con una potencia más alta que los inalámbricos, el
radio de acción de los primeros es mucho más extenso, siendo el tamaño de las
células del orden de kilómetros.
1.2.Topología de un sistema celular.
Los componentes principales de un sistema celular son:
- El centro de conmutación móvil ( MSC, Mobile Switching Center), que es el
centro de control de los sistemas celulares; se encarga de conmutar las llamadas a
las células, proporcionar respaldo, conectarse con las redes telefónicas, monitorizar
el tráfico para fines de cobro, realizar pruebas y diagnósticos, y realizar labores de
administración de la red en general.
-
Las células, que son las distintas áreas geográficas en las que se divide el área total
que pretende cubrir el sistema.
-
La unidad móvil, que es el transmisor-receptor móvil, casi siempre situado en un
automóvil, camión, embarcación, etc., y que contiene un módem capaz de cambiar
de frecuencia que le permite sincronizarse con una frecuencia dada, designada por
el MSC:
-
La estación de transmisión-recepción base (BTS, Base Transceiver Station).
Existe una por cada célula y junto a ésta es la interfaz entre la unidad móvil y el
MSC.
Figura 1. Topología representativa de un sistema celular.
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En áreas urbanas muy pobladas, el volumen tan alto de tráfico local puede agotar los
canales de radio disponibles. No obstante, es posible aumentar hasta cierto punto la capacidad
del sistema reduciendo continuamente el tamaño de las células y la potencia transmitida de las
estaciones base. La reducción en el radio de las células permite reutilizar las bandas disponibles
en células no contiguas. La estrategia permite al proveedor de portadora celular reducir y
aumentar el tamaño de las células para dar cabida al crecimiento o a la reducción de las
poblaciones de esta base de suscriptores móviles.
Figura 2. División de células.
Debe hacerse hincapié en que la partición de células requiere un diseño cuidadoso durante
el establecimiento inicial del sistema, a fin de minimizar la cantidad de ajustes que es preciso
hacer al sistema. Además, si las células son pequeñas se requieren transferencias de control más
frecuentes (cuando la unidad móvil pasa de una célula a otra), lo que aumenta el gasto extra de
la red.
Figura 3. Ejemplo de reutilización de frecuencias.
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1.3. Interferencias y Capacidad del Sistema
La interferencia es el principal factor que limita el desarrollo de los sistemas celulares. Las
fuentes de interferencias incluyen a otras estaciones móviles dentro de la misma celda, o
cualquier sistema no celular que de forma inadvertida introduce energía dentro de la banda de
frecuencia del sistema celular. Las interferencias en los canales de voz causan el "cross-talk",
consistente en que el abonado escucha interferencias de fondo debidas a una transmisión no
deseada. Sobre los canales de control, las interferencias conducen a llamadas perdidas o
bloqueadas debido a errores en la señalización digital. Las interferencias son más fuertes en las
áreas urbanas, debido al mayor ruido de radio frecuencia y al gran número de estaciones base y
móviles. Las interferencias son las responsables de formar un cuello de botella en la capacidad y
de la mayoría de las llamadas entrecortadas. Los dos tipos principales de interferencias
generadas por sistemas son las interferencias co-canal y las interferencias entre canales
adyacentes. Aunque las señales de interferencia se generan frecuentemente dentro del sistema
celular, son difíciles de controlar en la práctica (debido a los efectos de propagación aleatoria).
Pero las interferencias más difíciles de controlar son las debidas a otros usuarios de fuera de la
banda (de otros sistemas celulares, por ejemplo), que llegan sin avisar debido a los productos de
intermodulación intermitentes o a sobrecarcas del terminal de otro abonado. En la práctica, los
transmisores de portadoras de sistemas celulares de la competencia, son frecuentemente una
fuente significativa de interferencias de fuera de banda, dado que la competencia
frecuentemente coloca sus estaciones base cerca, para proporcionar una cobertura comparable a
sus abonados.
1.3.1. Interferencia co-canal y Capacidad del Sistema.
La reutilización de frecuencias implica que en un área de cobertura dada haya varias celdas
que usen el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales, y la
interferencia entre las señales de estas celdas se le llama interferencia co-canal. Al contrario que
el ruido térmico, que se puede superar incrementando la relación señal ruido ("Signal to Noise
Ratio" ó SNR), la interferencia co-canal no se puede combatir simplemente incrementando la
potencia de portadora de un transmisor. Esto es debido a que un incremento en la potencia de
portadora de transmisión de una celda, incrementa la interferencia hacia las celdas co-canales
vecinas. Para reducir la interferencia co-canal las celdas co-canales deben estar físicamente
separadas por una distancia mínima que proporcione el suficiente aislamiento debido a las
pérdidas en la propagación.
En un sistema celular, cuando el tamaño de cada celda es aproximadamente el mismo, la
interferencia co-canal es aproximadamente independiente de la potencia de transmisión y se
convierte en una función del radio de la celda (R), y de la distancia al centro de la celda co-canal
más próxima (D). Incrementando la relación D/R, se incrementa la separación entre celdas cocanales relativa a la distancia de cobertura. El parámetro Q, llamado factor de reutilización cocanal, está relacionado con el tamaño del cluster N. Para una geometría hexagonal sería
Un valor pequeño de Q proporciona una mayor capacidad dado que el tamaño del cluster N
es pequeño, mientras que un valor de Q grande mejora la calidad de la transmisión, debido a que
es menor la interferencia co-canal. Se debe llegar a un compromiso entre estos dos objetivos a la
hora del diseño.
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1.3.2. Interferencia entre canales adyacentes.
Entran en este apartado las interferencias procedentes de señales que son adyacentes en
frecuencia a la señal deseada. Estas interferencias están producidas por la imperfección de los
filtros en los receptores que permiten a las frecuencias cercanas colarse dentro de la banda
pasante. El problema puede ser particularmente serio si un usuario de un canal adyacente está
transmitiendo en un rango muy próximo al receptor de un abonado, mientras que el receptor está
intentando recibir una estación base sobre el canal deseado. A esto se le suele llamar efecto
"nearfar", donde un transmisor cercano (que puede ser o no del mismo tipo que el usado en el
sistema celular) captura al receptor del abonado. Otra forma de reducir el mismo efecto es
cuando un móvil cercano a una estación base transmite sobre un canal cercano a otro que está
usando un móvil débil. La estación base puede tener dificultad para discriminar al usuario móvil
deseado del otro debido a la proximidad entre los canales.
Este tipo de interferencias se pueden minimizar filtrando cuidadosamente, y con una
correcta asignación de frecuencias. Dado que cada celda maneja sólo un conjunto del total de
canales, los canales a asignar en cada celda no deben estar próximos en frecuencias.
1.3.3. Control de Potencia para reducir las Interferencias
En los sistemas celulares de radio, los niveles de potencia transmitida por cada unidad de
los abonados, están bajo un control constante por las estaciones base servidoras. Esto se hace
para asegurar que cada móvil transmite la potencia más baja necesaria y así reducir las
interferencias entre canales.
1.4.Tipos de sistemas celulares e impacto en el mercado.
Tabla 1.1. Resumen de sistemas celulares.
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Estos sistemas son incompatibles entre sí, lo cual dio lugar a plantearse la implantación de
un sistema celular a nivel mundial. He aquí la razón de ser del modelo GSM.
2. GSM.
2.1. Inicios.
Los primeros trabajos con GSM los inició en 1982 un grupo dentro del Instituto Europeo
de Normas de Comunicaciones (ETSI, European Telecommunications Standards Institute).
Originalmente, este organismo se llamaba Groupe Sociale Mobile, lo que dio pie al acrónimo
GSM.
El objetivo de este proyecto era poner fin a la incompatibilidad de sistemas en el área de
las comunicaciones móviles y crear una estructura de sistemas de comunicaciones a nivel
europeo.
GSM se diseño para incluir una amplia variedad de servicios que incluyen transmisiones de
voz y servicios de manejo de mensajes entre unidades móviles o cualquier otra unidad portátil.
2.2. Componentes de GSM.
Los componentes principales GSM son:
-
El centro de conmutación móvil ( MSC, Mobile Switching Center), es el
corazón de todo sistema GSM y se encarga de establecer, gestionar y despejar
conexiones, así como de enrutar las llamadas a la célula correcta. El MSC
proporciona la interfaz con el sistema telefónico y presta servicios de determinación
de cargos y contabilidad.
-
La célula, cuyo tamaño es de aproximadamente 35 km.
-
La unidad móvil (MS, Mobile Station).
-
El controlador de estaciones base (BSC, Base Station Controller). Es
elemento nuevo introducido por GSM. Se encarga de las operaciones
transferencia de control de las llamadas y también de controlar las señales
potencia entre las BTS y las MS, con lo cual releva al centro de conmutación
varias tareas.
-
La estación de transmisión-recepción base (BTS, Base Transceiver Station).
Establece la interfaz a la unidad móvil. Está bajo el control del BSC.
-
La HLR (Home Location Register) es una base de datos que proporciona
información sobre el usuario, su base de suscripción de origen y los servicios
suplementarios que se le proveen.
-
El VLR (Visitor Location Register) es también una base de datos que contiene
información sobre la situación de encendido/apagado de las estaciones móviles y si
se han activado o desactivado cualesquiera de los servicios suplementarios.
-
El centro de validación (AC o AUC, Authentication Center) que sirve para
proteger a cada suscriptor contra un acceso no autorizado o contra el uso de un
número de suscripción por personas no autorizadas; opera en relación estrecha con
el HLR.
un
de
de
de
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-
El registro de identidad del equipo (EIR, Equipment Identity Register) que
sirve para registrar el tipo de equipo que existe en la estación móvil y también
puede desempeñar funciones de seguridad como bloqueo de llamadas que se ha
determinado que emanan de estaciones móviles robadas, así como evitar que ciertas
estaciones que no han sido aprobadas por el proveedor de la res usen ésta.
Figura 4. Esquema de componentes GSM.
2.3. Enrutamiento de llamadas.
En la figura 5 se muestra un ejemplo de enrutamiento de llamadas GSM. En el paso 1, un
usuario de teléfono llama a la unidad móvil a través de la red telefónica pública. La llamada se
enruta a un MSC de puerta (paso 2), el cual examina los dígitos marcados y determina que no
puede enrutar la llamada más lejos; por tanto, en el paso 3, interroga el registro de ubicación de
origen (HLR) del usuario llamado a través del SS7 TCAP (transation capabilities application
part). El HLR interroga el registro de ubicación de visitante (VLR) que actualmente está dando
servicio al usuario (paso 4). En el paso 5, el VLR devuelve un número de enrutamiento al HLR,
que lo devuelve al MSC de puerta. Con base en este número de enrutamiento, el MSC de puerta
enruta la llamada al MSC terminal (paso 6). El MSC terminal consulta entonces el VLR para
comparar la llamada entrante con la identidad del suscriptor receptor (pasos 7 y 8). En el paso 9,
la BSS recibe una solicitud de notificación del MSC terminal y envía una señal de notificación.
Cuando la señal de usuario regresa, la llamada se completa (paso 10).
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Figura 5. Ejemplo de gestión de llamadas GSM.
2.4. Actualización de ubicación.
La figura 6 muestra un ejemplo de cómo un suscriptor puede vagar de una célula a otra y
de cómo el sistema sigue la posta de dicho suscriptor. Cuando una estación móvil cruza una
frontera de una célula, la unidad móvil envía automáticamente su solicitud de actualización de
ubicación (que también contiene su identificación) a la BSS. El mensaje se enruta al MSC de la
nueva célula, que examina su VLR (VLR nueva en la figura 6). Si la VLR nueva no tiene
información acerca de la identidad del mensaje para este usuario (porque el usuario llegó hace
poco a esta área), envía un mensaje de solicitud de actualización de ubicación al registro de
ubicación de origen del usuario (suceso 2). Este mensaje incluya la identidad del usuario así
como la identidad del VLR que está enviando el mensaje. En el suceso 3, el HLR almacena la
nueva ubicación que está enviando el mensaje. En el suceso 3, el HLR almacena la nueva
ubicación del suscriptor como VLR nuevo y luego carga línea abajo la base de datos de
suscripción del usuario en el nuevo VLR. Al recibir esta información, el nuevo VLR envía el
acuse de recibo de la actualización de ubicación a través del nuevo MSC a la BSS y de vuelta al
usuario móvil originador (suceso 4). Por último, en el suceso 5, el HLR envía un mensaje de
cancelación de ubicación al VLR viejo para borrar los datos del suscriptor de su base de datos.
Importante, sólo un VLR a la vez debe conocer al suscriptor móvil. En este ejemplo,
cuando el suscriptor se ha movido a otra área (otra célula), ha sido necesario actualizar el VLR.
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Figura 6. Actualización de ubicación.
Es evidente que el HLR es el maestro de las bases de datos de suscriptores y por tanto
coordina los cambios a los VLR y MSC conforme el suscriptor se mueve de una célula a otra.
2.5. GSM 900/DCS 1800: Cimientos de PCS 1900 (TDMA).
En Norteamérica, varios proveedores de servicios han escogido al PCS 1900 de acceso
múltiple por división en el tiempo (TDMA, Time Division Multiple Acces) como tecnología de
segunda generación para las redes móviles-inalámbricas. PCS 1900 (TDMA) es muy similar a
GSM 900/DCS 1800, y utiliza el mismo protocolo Um; opera en el espectro de 1900 MHz.
Estos sistemas móviles-inalámbricos de segunda generación emplean técnicas similares
para establecer los canales físicos y lógicos en la interfaz de radio. Las diferencias principales
son las frecuencias que se usa para los canales físicos, que se muestran en la tabla de la parte
inferior de la figura 7. Los canales lógicos (las slots de tiempo) son muy similares y se
clasifican como canales de tráfico (TCH) o canales de control (CCH). Los canales físicos se
designan con n, donde n es el ARFCN (Absolute Radio Frequency Channel Number, número
absoluto de canal radiofrecuencia).
El sistema GSM 900 emplea dos bandas de 25 MHz para el enlace ascendente y el enlace
descendente. Dentro de ese espectro se asignan canales de 200 KHz. El enlace ascendente y el
descendente están separados por un espaciado de 45 MHz. El ARFCN varía entre q y 124. La
asignación de los canales de 100 KHz varía y depende de los patrones de tráfico y del tamaño de
célula del sistema.
El sistema DCS 1800 usa dos bandas de 75 MHz para el enlace ascendente y el
descendente. Al igual que en GSM 900, se asignan canales de 200 KHz dentro de esas bandas.
El enlace ascendente y el descendente están separados por un espaciado de 95 MHz. El ARFCN
varía entre 512 y 885.
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En PCS 1900 (TDMA), el sistema usa dos bandas de 60 MHz para el enlace ascendente y
el enlace descendente. Al igual que los otros sistemas, PCS 1900 usa canales de 200 KHz con el
enlace ascendente y el descendente separados por un espaciado de 80 MHz.
Figura 7. Comparación de los canales de GSM 900, DCS 1800 y PCS 1900.
Como se muestra en la parte inferior de la figura 7, los canales lógicos están numerados del
1-124, 512-885 y 512-810 para GSM 900, DCS 1800 y PCS 1900 respectivamente. Los valores
de AFRCN se basan en las bandas de frecuencia derivadas de la sencilla fórmula que se muestra
en la figura.
2.6. Interfaces GSM.
Figura 8. Las interfaces GSM.
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GSM se diseñó de modo que permitiera la división en particiones funcionales. Dichas
particiones tienen sus fronteras en las diferentes interfaces que la componen. Estas son las
siguientes:
-
-
La interfaz A. Un lado de la interfaz se ocupa de las operaciones de MSC, HLR y
VLR, y el otro lado de ella se encarga de las operaciones de BSC y de radio.
Una segunda interfaz llamada Abis, defines las operaciones entre el BSC y la BTS;
se basa en un enlace de transmisión PCM-30 de 2 Mbit/s y LAPD.
La interfaz de aplicación móvil, MAP (Mobile Application Part) define las
operaciones entre el MSC y la red telefónica, así como el MSC, el HLR, el VLR y
el EIR. MAP se implementa encima de SS7.
La interfaz de radio Um, a la cual dedicamos un completo apartado debido a su
transcendental importancia.
3. La interfaz de Radio
3.1. Introducción
Un canal de radio es un medio extraordinariamente hostil para establecer y mantener
comunicaciones fiables. Todos los esquemas y mecanismos que usamos para hacer posible la
comunicación en el canal de radio, se agrupan en los procedimientos de la interfaz de radio. En
este apartado vamos a interesarnos en todos los procesos que se llevan a cabo en la interfaz de
radio, y que son la base de este trabajo.
3.2. Acceso a Sistemas Truncados.
Si el número de canales disponibles para todos los usuarios de un sistema de radio es
menor que el número de posibles usuarios, entonces a ese sistema se le llama sistema de radio
truncado. El truncamiento es el proceso por el cual los usuarios participan de un determinado
número de canales de forma ordenada. Los canales compartidos funcionan debido a que
podemos estar seguros que la probabilidad de que todo el mundo quiera un canal al mismo
tiempo es muy baja. Un sistema de telefonía celular como GSM es un sistema de radio
truncado, porque hay menos canales que abonados que posiblemente quieran usar el sistema al
mismo tiempo. El acceso se garantiza dividiendo el sistema en uno o más de sus dominios:
frecuencia, tiempo, espacio o codificación.
3.2.1. Acceso Múltiple por División en Frecuencia (FDMA).
FDMA ("Frecuency Division Multiple Access") es la manera más común de acceso
truncado. Con FDMA, se asigna a los usuarios un canal de un conjunto limitado de canales
ordenados en el dominio de la frecuencia. Cuando hay más usuarios que el suministro de
canales de frecuencia puede soportar, se bloquea el acceso de los usuarios al sistema. Cuantas
más frecuencias se disponen, hay más usuarios, y esto significa que tiene que pasar más
señalización a través del canal de control. Los sistemas muy grandes FDMA frecuentemente
tienen más de un canal de control para manejar todas las tareas de control de acceso. Una
característica importante de los sistemas FDMA es que una vez que se asigna una frecuencia a
un usuario, ésta es usada exclusivamente por ese usuario hasta que éste no necesite el recurso.
3.2.2. Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA).
TDMA ("Time Division Multiple Access") es común en los sistemas de telefonía fija. Las
últimas tecnologías en los sistemas de radio son la codificación de la voz y la compresión de
datos, que eliminan redundancia y periodos de silencio y decrementan el tiempo necesario en
representar un periodo de voz. Los usuarios acceden a un canal de acuerdo con un esquema
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temporal. Aunque no hay ningún requerimiento técnico para ello, los sistemas celulares, que
emplean técnicas TDMA, siempre usan TDMA sobre una estructura FDMA. Un sistema puro
TDMA tendría sólo una frecuencia de operación, y no sería un sistema útil.
En los sistemas modernos celulares y digitales, TDMA implica el uso de técnicas de
compresión de voz digitales, que permite a múltiples usuarios compartir un canal común
utilizando un orden temporal. La codificación de voz moderna, reduce mucho el tiempo que se
lleva en transmitir mensajes de voz, eliminando la mayoría de la redundancia y periodos de
silencio en las comunicaciones de voz. Otros usuarios pueden compartir el mismo canal durante
los periodos en que éste no se utiliza. Los usuarios comparten un canal físico en un sistema
TDMA, donde están asignados unos slots de tiempo. A todos los usuarios que comparten la
misma frecuencia se les asigna un slot de tiempo, que se repite dentro de un grupo de slots que
se llama trama. Un slot GSM es de 577 µs y cada usuario tiene uso del canal (mediante su slot)
cada 4.615 ms (577 µs * 8 = 4.615 ms), ya que en GSM tenemos 8 slots de tiempo.
En GSM existen ciento veinticuatro pares de canales que operan en forma full dúplex
asignando al enlace ascendente y al descendente diferentes frecuencias portadoras. En el
ejemplo siguiente, un canal se asigna a la portadora de 935.2MHz y otro canal se asigna a la
portadora de 890.2 MHz. De ahí en adelante, estos canales multiplexados por división en la
frecuencia se multiplexan por división en el tiempo. Como ya hemos dicho, los slots TDMA se
asignan con ocho slots por trama. En estos slots operan bits de información y de control. Cada
slot individual comprende 156.25 bits. Sin embargo, el usuario sólo recibe 114 bits de este slot;
el resto se usa para sincronización y otras funciones de control.
Figura 9. La interfaz Um.
Obsérvese que los canales de enlace ascendente y de enlace descendente tienen la misma
estructura. Además, las portadoras se dividen en 124 pares de canales con un espaciado de 200
KHz para evitar interferencias entre canales. De todos modos, estos conceptos se estudiarán con
más detalle más adelante.
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3.2.3. Acceso Múltiple por división del Espacio (SDMA).
SDMA ("Space Division Multiple Access") se usa en todos los sistemas celulares,
analógicos o digitales. Por tanto, los sistemas celulares se diferencian de otros sistemas de radio
truncados solamente porque emplean SDMA. Los sistemas de radio celulares, como ya vimos
en la introducción a los sistemas celulares, permiten el acceso a un canal de radio, siendo éste
reutilizado en otras celdas dentro del sistema.
3.2.4. Acceso Múltiple por División de Código (CDMA).
El acceso Múltiple por División de Código (CDMA, Code División Multiple Access) un
participante relativamente nuevo en el mundo móvil-inalámbrico comercial. CDMA es muy
diferente de TDMA. En primer lugar, CDMA usa un solo espectro de ancho de banda (no
rebanadas de ancho de banda) para todos los usuarios de la célula. CDMA transmite las señales
de todos los usuarios por el canal al mismo tiempo, lo que permite a las señales de los usuarios
“interferir” unas con otras.
Al igual que en TDMA, la conversación analógica se codifica en señales digitales, pero, a
diferencia de TDMA, a cada conversación se le asigna un código único (una “llave” para cada
transmisión individual). La señal codificada puede extraerse en el receptor empleando un código
complementario. Los códigos de los diferentes usuarios del canal se diseñan de modo que sean
tan distintos unos de otros como sea posible.
Cada señal de conversación se modula (“dispersa”) a lo ancho de toda una banda (p.ej., una
banda de 1.25 MHz). El respectivo receptor desmodula e interpreta la señal empleando el
código pertinente incorporado en la señal. La señal final sólo contiene la conversación
pertinente. Cualquier otra señal (las señales codificadas de otros usuarios) se capta como ruido.
Muchas personas describen CDMA haciendo una analogía con el lenguaje. Por ejemplo,
imaginemos que estamos sentados en una habitación donde varias personas están hablando unas
con otras en diferentes idiomas. Nosotros, actuando como receptores, podemos distinguir el
lenguaje o lenguajes que sabemos de los demás. Aunque todos los sonidos (señales) están
llegando a nuestros oídos, la capacidad que tenemos para eliminar por filtrado las
conversaciones superfluas es análoga a la de un receptor CDMA que examina los códigos
pertinentes de las señales y elimina por filtrado aquellos que no le atañen.
A continuación presentamos un ejemplo de CDMA. Empezamos con dos conjuntos de
información binaria que son el dato A y el dato B.
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Figura 10. Ejemplo de CDMA.
Queremos transmitir ambas cadenas de datos juntas sobre un canal y separarlas en el
receptor, por lo que le hemos de dar a cada una un canal virtual. Para hacer esto, le damos a
cada cadena de datos, A y B, sumándole módulo 2 su propia llave: la llave A y la llave B. En
sus respectivos casos, obtenemos las señales A y B. Ahora miramos en el receptor (correlador) y
vemos qué ocurre con las dos señales.
La composición de las dos señales aparece en el receptor llamada "Composición de la
Señal A+B". La forma de onda es simplemente la suma algebraica, bit a bit, de las señales A y
B. Recuperamos el Dato A de las señal compuesta, en dos pasos. Primero, multiplicamos las
señal compuesta por una copia de la llave correspondiente, en este caso por la llave A.
Obtenemos la señal llamada (A+B)*Llave A. Segundo, integramos esta señal bit a bit,
obteniendo la Salida del Integrador. Se comprueba el signo de la señal de salida del integrador
después de 6 bits (ya que por cada bit de datos, le introdujimos 6 bits de llave). El signo de la
señal nos da directamente el dato descodificado. Si el signo es negativo, el dato es un 0, y si es
positivo, un 1. Con la señal B se operaría lo mismo excepto que deberíamos utilizar su llave
correspondiente (Figura en página siguiente ).
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Figura 11. Recuperación de la señal B.
Tal y como hemos dicho, si intentáramos recuperar el dato con una llave incorrecta, se
obtendría el resultado expuesto en la figura 12. En ella se aprecia que a la salida del integrador
se obtiene una señal que tiene una media de cero voltios.
Figura 12. Recuperación de una señal utilizando una llave incorrecta.
3.2.5. Acceso Múltiple por Saltos de Frecuencia (FHMA).
FHMA es un sistema de acceso múltiple digital, en el cual, las frecuencias de las
portadoras de los usuarios individuales se varían de forma pseudoaleatoria dentro de un canal de
banda ancha. Los datos digitales se dividen en ráfagas de tamaño uniforme que se transmiten
sobre diferentes portadoras.
3.2.6. Operaciones Dúplex.
Excepto en situaciones especiales, la información vía radio se mueve en modo dúplex, que
significa que para cada transmisión en una dirección, se espera una respuesta, y entonces se
responde en la otra dirección. Hay dos formas principales de establecer canales de
comunicaciones dúplex.
3.2.6.1.Dúplex por división en Frecuencia (FDD).
Debido a que es difícil y muy caro construir un sistema de radio que pueda transmitir y
recibir señales al mismo tiempo y por la misma frecuencia, es común definir un canal de
frecuencia con dos frecuencias de operación separadas, una para el transmisor y otra para el
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Tecnología GSM.
receptor. Todo lo que se necesita es añadir filtros en los caminos del transmisor y del receptor
que mantengan la energía del transmisor fuera de la entrada del receptor. Se podría usar una
antena común como un sistema de filtrado simple. Los sistemas de filtrado se llaman duplexores
y nos permiten usar el canal (par de frecuencias) en el modo full-duplex; es decir, el usuario
puede hablar y escuchar al mismo tiempo.
3.2.6.2. Dúplex por División en el Tiempo (TDD).
Muchos sistemas de radio móviles, como los sistemas de seguridad públicos, no requieren
la operación full-dúplex. En estos sistemas se puede transmitir y recibir en la misma frecuencia
pero no en el mismo tiempo. Esta clase de dúplex se llama half-dúplex, y es necesario que un
usuario de una indicación de que ha terminado de hablar, y está preparado para recibir respuesta
de otro usuario.
3.3. El Canal de Radio.
3.3.1. Características del Canal de Radio.
El espectro de radio es un recurso muy valioso pero fijo. Por ello, los diseñadores de
sistemas deben basar su estudio en mandar la información en el segmento más estrecho que se
pueda del espectro asignado. Hay dos fuentes de problemas dentro del canal: el ruido y las
interferencias entre los distintos canales.
3.3.2. Condiciones Estáticas.
Primero, vamos a considerar el caso en que ni el móvil se está moviendo, ni hay nada más
moviéndose cerca. El canal es, en este caso inusual, un canal con ruido blanco gausiano y
aditivo (AGWN). Todos los datos además, están sujetos al efecto multitrayecto, zonas con
sombras y retardos que pueden ser de incluso varios microsegundos. La ecualización del canal
mediante filtros adaptativos se usa para eliminar la interferencia intersimbólica a velocidades
altas. Finalmente, el receptor local genera su propio ruido.
3.3.3. Condiciones Dinámicas.
Si suponemos que el móvil se mueve (como es evidente), añadimos los efectos de la
propagación terrestre, que está dominada por la influencia más destructiva de todas: los
desvanecimientos Rayleigh. Dado que las ondas de radio pueden seguir una variedad de
caminos hasta el receptor móvil, pueden ocurrir cambios de fase, que son dependientes de la
frecuencia. Este tipo de desvanecimientos ocurren con una distribución estadística llamada
distribución Rayleigh.
3.4. Frecuencias y Canales Lógicos.
GSM utiliza dos bandas de 25 MHz para transmitir y para recibir (FDD). La banda de 890915 MHz se usa para las transmisiones desde la MS hasta el BTS ("uplink") y la banda de 935960 MHz se usa para las transmisiones entre el BTS y la MS ("downlink"). GSM usa FDD y
una combinación de TDMA y FHMA para proporcionar a las estaciones base y a los usuarios
un acceso múltiple. Las bandas de frecuencias superiores e inferiores se dividen en canales de
200 KHz llamados ARFCN ("Absolute Radio Frequency Channel Number" ó Números de
Canales de Radio Frecuencia Absolutos). El ARFCN denota un par de canales "uplink" y
"downlink" separados por 45 MHz y cada canal es compartido en el tiempo por hasta 8 usuarios
usando TDMA.
Cada uno de los 8 usuarios usan el mismo ARFCN y ocupan un único slot de tiempo (TS)
por trama. Las transmisiones de radio se hacen a una velocidad de 270.83 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
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Tecnología GSM.
duración de un bit es de 3.692 ms, y la velocidad efectiva de transmisión de cada usuario es de
33.85 kbps (270.83 kbps/8 usuarios). Con el estándar GSM, los datos se envían actualmente a
una velocidad máxima de 24.7 kbps. 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 13 y una trama
TDMA simple en GSM dura 4.615 ms. El número de total de canales disponibles dentro de los
25 MHz de banda es de 125 (asumiendo que no hay ninguna banda de guarda). Dado que cada
canal de radio está formado por 8 slots de tiempo, hacen un total de 1000 canales de tráfico en
GSM. En implementaciones prácticas, se proporciona una banda de guarda de la parte más alta
y más baja de espectro de GSM, y disponemos tan solo de 124 canales. La combinación de un
número de TS y un ARFCN constituyen un canal físico tanto para el "uplink" como para el
"downlink". Cada canal físico en un sistema GSM se puede proyectar en diferentes canales
lógicos en diferentes tiempos. Es decir, cada slot de tiempo específico o trama debe estar
dedicado a manipular el tráfico de datos (voz, facsímil o teletexto), o a señalizar datos (desde el
MSC, la estación base o la MS). Las especificaciones GSM definen una gran variedad de
canales lógicos que pueden ser usados para enlazar la capa física con la capa de datos dentro de
las capas de la red GSM. Estos canales lógicos transmiten eficientemente los datos de usuario, a
parte de proporcionar el control de la red en cada ARFCN. GSM proporciona asignaciones
explícitas de los slots de tiempo de las tramas para los diferentes canales lógicos.
Figura 13. Una trama de voz y la estructura multitrama.
Los canales lógicos se pueden separar en dos categorías principalmente:
-
Los Canales de Tráfico (TCH).
-
Los Canales de Control.
Los TCHs llevan voz codificada digitalmente o datos y tienen funciones idénticas y
formatos tanto para el "downlink" como para el "uplink". Los canales de control llevan
comandos de señalización y control 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
diferentes de TCHs y un número aún mayor de Canales de Control, que vamos a describir
brevemente a continuación.
20
Tecnología GSM.
3.4.1. Canales de Tráfico.
Los canales de tráfico en GSM pueden ser de velocidad completa ("full-rate") o de
velocidad mitad ("half-rate"), y pueden llevar voz digitalizada o datos de usuario. Cuando
transmitimos a velocidad completa, los datos están contenidos en un TS por trama. Cuando
transmitimos a velocidad mitad, los datos de usuario se transportan en el mismo slot de tiempo,
pero se envían en tramas alternativas.
En GSM, los datos TCH no se pueden enviar en el TS 0 ("time slot 0") sobre ciertos
ARFCNs ya que este TS está reservado para los canales de control en la mayoría de las tramas.
Además, cada trece tramas TCH se envía un canal de control asociado lento (SACCH) o tramas
"idle". A cada grupo de 26 tramas consecutivas TDMA se le llama multitrama. De cada 26
tramas, la decimotercera y la vigesimosexta se corresponden con datos SACCH, o tramas "idle".
La 26ª trama contiene bits idle para el caso cuando se usan TCHs a velocidad completa, y
contiene datos SACCH cuando se usa TCHs a velocidad mitad.
Los TCHs se usan para llevar voz codificada o datos de usuario. Se definen en GSM dos
formas generales de canales de tráfico:
-
Canal de Tráfico a Velocidad Completa (TCH/F). Este canal transporta
información a una velocidad de 22.8 kbps.
-
Canal de Tráfico a Velocidad Mitad (TCH/H). Este canal transporta información
a una velocidad de 11.4 kbps.
Para transportar voz codificada se van a utilizar dos tipos de canales:
-
Canal de Tráfico a Velocidad Completa para Voz (TCH/FS). Lleva voz
digitalizada a 13 kbps. Después de la codificación del canal la velocidad es de 22.8
kbps.
-
Canal de Tráfico a Velocidad Mitad para Voz (TCH/HS). Ha sido diseñado para
llevar voz digitalizada que ha sido muestreada a la mitad que la de un canal a
velocidad completa. En este aspecto GSM se ha anticipado a la disponibilidad de
codificadores normalizados de voz a velocidades de unos 6.5 kbps. Después de la
codificación del canal, la velocidad es de 11.4 kbps.
Para llevar datos de usuario se definen los siguientes tipos de canales de tráfico:
-
Canal de Tráfico a Velocidad Completa para Datos a 9.6 kbps (TCH/F9.6).
Lleva datos de usuario enviados a 9600 bps. Con la codificación de corrección de
errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8 bps.
-
Canal de Tráfico a Velocidad Completa para Datos a 4.8 kbps (TCH/F4.8).
Lleva datos de usuario enviados a 4800 bps. Con la codificación de corrección de
errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8 bps.
-
Canal de Tráfico a Velocidad Completa para Datos a 2.4 kbps (TCH/F2.4).
Lleva datos de usuario enviados a 2400 bps. Con la codificación de corrección de
errores aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 22.8 bps.
-
Canal de Tráfico a Velocidad Mitad para Datos a 4.8 kbps (TCH/H4.8). Lleva
datos de usuario enviados a 4800 bps. Con la codificación de corrección de errores
aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 11.4 bps.
-
Canal de Tráfico a velocidad mitad para datos a 2.4 kbps (TCH/H2.4). Lleva
datos de usuario enviados a 2400 bps. Con la codificación de corrección de errores
aplicada según el estándar GSM, los datos se envían a 11.4 bps.
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Tecnología GSM.
3.4.2. Canales de Control.
Se definen tres categorías de canales de control: difusión ("broadcast" ó BCH), comunes
(CCCH) y dedicados (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 canales ARFCN y se
localizan en slots de tiempo de una forma específica. Concretamente, éstos canales se localizan
solo en el TS 0 y se emiten sólo durante ciertas tramas dentro de una secuencia repetitiva de 51
tramas (llamada multitrama de control del canal) sobre aquellos ARFCNs que se diseñan como
canales "broadcast". Desde TS1 hasta TS7 se lleva canales de tráfico regulares.
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 TS 0 de cualquier trama (incluso la trama "idle"). Por otra parte, los datos DCCH se pueden
enviar durante cualquier slot de tiempo y en cualquier trama, y hay tramas completas dedicadas
específicamente para algunas transmisiones DCCH. Vamos a pasar a describir los diferentes
tipos de canales de control.
3.4.2.1. Canales "Broadcast" (BCH).
El BCH opera en el "downlink" de un ARFCN específico dentro de cada celda, y transmite
datos sólo en el primer slot (TS 0) de algunas tramas GSM. Al contrario que los TCHs que son
dúplex, los BCHs solo usan el "downlink". El BCH sirve como un canal guía para cualquier
móvil cercano que lo identifique y se enganche a él. El BCH proporciona sincronización para
todos los móviles dentro de la celda y se monitoriza ocasionalmente por los móviles de celdas
vecinas para recibir datos de potencia y poder realizar las decisiones de handover. Aunque los
datos BCH se transmiten en TS0, los otros siete slots de una trama GSM del mismo ARFCN
están disponibles para datos TCH, DCCH ó están fijados por ráfagas vacías ("dummy").
Dentro de los canales 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 14
muestra cómo se colocan las tramas en un BCH. Vamos a describir los tres tipos de canales
BCH.
(a) Canal de Control de "Broadcast" (BCCH)- 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 que en la Figura 19 el TS0
contiene datos BCCH durante tramas específicas, y contiene otro tipo de canales
BCH, canales de control comunes (CCCHs), o tramas idle, en otras tramas hasta
completar las 51 tramas que forman la multitrama de control.
(b) Canal Corrector de Frecuencia (FCCH) - El FCCH es una ráfaga de datos que ocupa
el TS0 para la primera trama dentro de la multitrama de control, y que se repite cada
diez tramas. El FCCH permite a cada estación móvil sincronizar su frecuencia
interna de oscilación a la frecuencia exacta de la estación base.
22
Tecnología GSM.
(c) Canal de Sincronización (SCH) - El SCH 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 móvil la sincronización de las tramas con la
estación base. El número de trama (FN), que oscila entre 0 hasta 2,715,647, se envía
con el código de identificación de la estación base (BSIC) durante la ráfaga SCH. El
BSIC es asignado individualmente a cada BTS en un sistema GSM. Dado que un
móvil puede estar hasta a 30 km de la BTS, 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 14. Mulitramas de control para el downlink (a) y para el uplink (b).
3.4.2.2. Canales de Control Comunes (CCCH).
En aquellos ARFCN reservados para BCHs, los canales de control comunes ocupan el TS0
de cada trama que no esté ocupada por los BCHs o por tramas idle. Un CCCH puede estar
formado por tres tipos diferentes de canales: el canal de búsqueda (PCH) "downlink", el canal
de acceso aleatorio (RACH) "uplink", y el canal de acceso concedido (AGCH) "downlink".
Como vemos en la Figura 14, los 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 los móviles para el servicio. Vamos a describir estos tipos de canales.
(a) Canal de Búsqueda (PCH) - El PCH proporciona señales de búsqueda a todos los
móviles de una celda, y avisa a los móviles si se ha producido alguna llamada
procedente de la PTSN. El PCH transmite el IMSI (Identificación de Abonado
Móvil Internacional) del abonado destino, junto con la petición de reconocimiento
de la unidad 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.
(b) Canal de Acceso Aleatorio (RACH) - El RACH es un canal "uplink" usado por el
móvil para confirmar una búsqueda procedente de un PCH, y también se usa para
originar una llamada. El RACH usa un esquema de acceso slotted ALOHA. Todos
los móviles deben de pedir acceso o responder ante una petición por parte de un
PCH dentro del TS0 de una trama GSM. En el BTS, cada trama (incluso la trama
idle) aceptará transmisiones RACH de los móviles durante TS0. Para establecer el
servicio, la estación base debe responder a la transmisión RACH dándole un canal
23
Tecnología GSM.
de tráfico y asignando un canal de control dedicado (SDCCH) para la señalización
durante la llamada. Esta conexión se confirma por la estación base a través de un
AGCH.
(c) Canal de Acceso Concedido (AGCH) - El AGCH se usa por la estación base para
proporcionar un enlace de comunicaciones con el móvil, y lleva datos que ordenan
al móvil operar en un canal físico en particular (en un determinado TS y en un
ARFCN) con un canal de control dedicado. El ACCH 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 ACCH se usa por la estación base para responder a
un RACH enviado por una MS en la trama CCCH previa.
3.4.2.3. Canales de Control Dedicados (DCCH).
Hay tres tipos de canales de control dedicados en GSM, y, como los canales de tráfico, son
bidireccionales y tienen el mismo formato y función en el uplink y en el downlink. Como los
TCHs, los DCCHs pueden existir en cualquier slot de cualquier ARFCN excepto en el TS0 de
los ARFCN de 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.
(a) Canales de Control Dedicados (SDCCH) - El SDCCH lleva datos de señalización
siguiendo la conexión del móvil con la estación base, y justo antes de la conexión lo
crea la estación base. El SDCCH se asegura que la MS y la estación base
permanecen conectados mientras que la estación base y el MSC verifica la unidad
de abonado y localiza los recursos para el 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 autenticación y de alerta (pero
no de voz). A los SDCCH se les puede asignar su propio canal físico o pueden
ocupar el TS0 del BCH si la demanda de BCHs o CCCHs es baja.
(b) Canal de Control Asociado Lento (SACCH) - 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 MS y el BTS. En el
downlink, el SACCH se usa para enviar información lenta pero regular sobre los
cambios de control al móvil, 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 mitad) de
cada multitrama de control (ver Figura 13), y dentro de esta trama, los 8 slots se
usan para proporcionar datos SACCH a cada uno de los 8 usuarios (ó 16) del
ARFCN.
(c) Canales de Control Asociados Rápidos (FACCH) - El FACCH lleva mensajes
urgentes, y contienen esencialmente el mismo tipo de información que los 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.
24
Tecnología GSM.
3.5. Estructura de las tramas en GSM.
Cada usuario transmite una ráfaga de datos durante cada slot de tiempo asignado. Las
ráfagas normales se usan para transmisiones TCH y DCCH tanto para el ascendente como para
el descendente. La Figura 15 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 descendente. La ráfaga RACH se usa por todos los móviles para
acceder al servicio desde cualquier estación base, y la ráfaga vacía se usa para rellenar
información en slots inutilizados en el descendente.
Figura 15. Tipos de ráfagas de datos (slots de tiempo) en GSM.
La figura 16 muestra las estructura de datos dentro de una ráfaga normal. Está formada por
156.25 bits que se transmiten a una velocidad de 270.833333 kbps, de los cuales, 8.25 bits
proporcionan un tiempo de guarda al final de cada ráfaga. Otros 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 del 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 ST contiene datos de voz (TCH) o
control (FACCH), ambos con el mismo canal físico. Durante una trama, el móvil usa un solo ST
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.
Como se muestra en la figura 16, hay ocho slots por trama TDMA, y el periodo de trama es
de 4.615 ms. Una trama contiene 8 x 156.25 = 1250 bits, aunque algunos periodos no se usan.
La velocidad de las tramas es de 270.833 kbps/1250 bits/trama es decir 216.66 tramas por
segundo. 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 llamadas
multitramas que a su vez se agrupan en supertramas y éstas en hipertramas. Una multitrama
contiene 26 tramas TDMA, y una supertrama contiene 51 multitramas, ó 1326 tramas TDMA.
Una hipertrama contiene 2048 supertramas, o 2,715,648 tramas TDMA. 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.
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Tecnología GSM.
Figura 16. Estructura de trama.
Las multitramas de control ocupan 51 tramas (235.365 ms), a diferencia de las 26 tramas
(120 ms) usadas por los canales de tráfico o dedicados. Esto se hace intencionadamente para
asegurar que cualquier móvil (si está en la celda servidora o en la adyacente) recibirá con
seguridad las transmisiones del SCH y el FCCH del BCH.
3.6. 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 [1]. 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, el 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. El 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 al móvil un nuevo canal para una
conexión SDCCH. El móvil, que está recibiendo en la 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, el 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
13), que informa al 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 del móvil gracias al último RACH enviado por el móvil, y envía los
valores adecuados a través del SACCH. Hasta que estas señales no le son enviadas y
procesadas, el móvil no puede transmitir ráfagas normales como se requieren para un tráfico de
voz. El SDCCH envía mensajes entre la unidad móvil y la estación base, teniendo cuidado de la
autenticación 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 unidad 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.
26
Tecnología GSM.
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 unidad móvil su conexión al SDCCH y al SACCH
mientras la red y la estación base están conectadas. Una vez que el 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.
4. Procesado de Señal en GSM.
4.1. Introducción.
La figura 17 nos muestra todas las operaciones que se realizan sobre la información a
transmitir desde que sale del aparato transmisor hasta que llega al receptor.
Figura 17. Operaciones realizadas a la voz desde su entrada hasta la recepción.
4.2. Codificación de la fuente.
El servicio más importante ofrecido al usuario de GSM es la transmisión de voz. La
telefonía es el principal generador de beneficios para las compañías de móviles, y justifica los
enormes esfuerzos e investigaciones que se necesitan para instalar estas redes.
El requerimiento técnico general es simple: transmitir señales de voz con un nivel
aceptable de calidad. En los sistemas analógicos de radio, la señal continua de baja frecuencia,
también llamada como señal en banda base, modula la portadora de radio frecuencia. En el
receptor, se realiza la demodulación de la señal de forma que se obtiene de nuevo la señal en
banda base más el ruido introducido por el canal.
Debido a la reducida capacidad del canal de radio disponible, es deseable minimizar el
número de bits que necesitamos transmitir. El dispositivo que transforma la voz humana en una
cadena digital de datos que se puedan transmitir a través de la interfaz de radio y genera una
representación analógica audible de los datos recibidos es el codec de voz. El codec de voz
forma parte de cada estación móvil diseñado para la transmisión de voz.
El codec de voz en GSM es el denominado RPE-LTP ("Regular Pulse Exciting - Long
Term Prediction"), que quiere decir excitación de pulsos regulares y predicción de periodo
27
Tecnología GSM.
largo. Habrá, se supone, un codec a velocidad mitad en un futuro. Este codec de velocidad
mitad, necesitará la mitad de datos de los necesarios actualmente para representar los sonidos de
la voz humana, y por tanto permitirá el doble de usuarios de los actuales compartiendo la misma
trama TDMA.
4.2.1. Requisitos para la codificación de la voz en GSM.
La forma más sencilla para pasar una señal analógica a digital se implementa mediante
convertidores analógicos-digitales, y viceversa. Pero estas técnicas de digitalización no son las
únicas empleadas en transformar las señales en banda base analógicas, en digitales y viceversa.
La codificación de la voz en GSM debe tener los siguientes requisitos:
-
La redundancia inherente a la señal de voz humana se reducirá significativamente.
Hay una gran cantidad de redundancia en los sonidos del lenguaje humano, y si
eliminamos la mayoría de esta redundancia, quedará una gran cantidad de tiempo
útil para otros usuarios en el canal. El proceso de la codificación de voz se basa en
quedarnos con la mínima cantidad de información necesaria para reconstruir la
señal de voz en el receptor.
-
La calidad de la transmisión de voz bajo la condiciones del canal de radio debe ser
al menos como la calidad ofrecida en los sistemas convencionales de telefonía
celular bajo las mismas condiciones. - Las pausas en el flujo normal de las
conversaciones telefónicas se deben detectar para suspender (opcionalmente) la
transmisión durante estos periodos. Esta característica reducirá el tráfico, la
interferencia entre celdas y la duración de las baterías de los móviles de mano. Esta
función se llama transmisión discontinua (DTX).
4.2.2. Funcionamiento de la codificación - descodificación de la voz.
La Figura 18 nos muestra todos los componentes necesarios en el proceso de codificación y
descodificación de la voz en GSM.
Figura 18. Procesado de la señal de audio.
El sonido se convierte en una señal eléctrica mediante el micrófono. Para digitalizar esta
señal analógica, se tiene que muestrear. Si convertimos esta señal en datos directamente,
forzamos al convertidor analógico digital (ADC) a hacer más trabajo del realmente necesario.
Para reducir el trabajo, las señal se filtra paso baja, de forma que sólo contenga componentes en
frecuencia por debajo de unos 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, hemos de muestrear la señal. Muestreamos a una frecuencia de 8 KHz, y
cuantizamos la señal en datos de 13 bits, por lo que la velocidad de transmisión en este primer
nivel es de 104 kbps. Esta interfaz en el proceso de codificación de la voz se llama también
interfaz de audio digital ("Digital Audio Interface" ó DAI). En el caso de una aplicación de
28
Tecnología GSM.
transcoder de voz en la parte de red (en el BTS o en el BSC) esto es posible, y además práctico
(ISDN). Pero, 104 kbps es una velocidad demasiado alta para ser transmitida a través de la
interfaz de radio. El codificador de voz debe hacer algo para reducir significativamente esta
velocidad extrayendo las componentes irrelevantes de la DAI.
4.2.3. Codificación por Predicción Lineal (LPC) y Análisis por Excitación de
Pulsos Regulares (RPE).
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 este que pasamos a través del
tracto bucal (filtro). Un conjunto correcto de coeficientes y una señal apropiada de excitación
nos dan el sonido típico de la voz humana.
Este procedimiento, hasta ahora, no nos ha dado ninguna reducción de datos. La reducción
se realiza en pasos posteriores, que toma las ventajas de ciertas características del oído humano
y del tracto bucal. Las 160 muestras, transformadas en los coeficientes del filtro, se dividen en 4
bloques de 40 muestras cada uno. Cada bloque representa 5 ms de señal de voz. Estos bloques
se clasifican en 4 secuencias, donde cada secuencia contiene un cuarto de las muestras de las
160 originales. 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 viene cuando el codificador selecciona la secuencia con la mayor energía.
Esta codificación por predicción lineal y excitación por pulsos regulares tiene una memoria
muy corta de aproximadamente 1 ms. Las consideraciones sobre una predicción de periodo
largo sobre los bloques vecinos o adyacentes, no se consideran aquí. Hay numerosas
correlaciones en la voz humana, especialmente en las vocales largas donde un mismo sonido se
repite durante varias secuencias consecutivas. Esta segunda reducción se lleva a cabo mediante
la función LTP.
4.2.4. Análisis por Predicción de Periodo Largo (LTP).
La función LTP toma la secuencia seleccionada por el análisis LPC/RPE. Una vez aceptada
la secuencia, se mira a las secuencias que previamente pasaron (durante una memoria de 15 ms)
y se busca la última secuencia que tuviera la correlación más alta con la secuencia actual.
Podemos decir que la función LTP busca la secuencia más similar de las recibidas a la actual.
Ahora sólo se necesita transmitir el valor representado por la diferencia entre estas dos
secuencias.
El codificador de voz manda un bloque de 260 bits (una trama de voz) cada 20 ms
(posición B de la Figura 17). Por tanto se corresponde con una velocidad de 13 kbps, es decir
una reducción en un factor 8 de los 104 kbps.
A los datos procedentes de la codificación de la fuente (Ver figura 17), se les aplica la
codificación del canal que estudiaremos más adelante. La codificación del canal, curiosamente
añade redundancia de nuevo a la señal, pero lo hace de forma que en el receptor se puedan
eliminar ciertos errores causados por el canal. La codificación del canal incrementa el bit rate a
22.8 kbps.
Antes de la codificación del canal los datos procedentes del codificador de voz, se ordenan
de acuerdo a su función e importancia, para aplicar una codificación del canal selectiva.
Tenemos 3 clases de importancia: la clase Ia, formada por los 50 primeros bits, la clase Ib
29
Tecnología GSM.
formada por los bits siguientes hasta el 181, y finalmente, los 78 últimos bits que forman la
clase II.
4.2.5. Transmisión Discontinua.
Como mencionamos antes, otra característica requerida en el transcoder de voz es la
detección de las pausas en las voz. Cuando se detecta una pausa, suspendemos la transmisión de
radio durante la duración de la pausa. El uso de esta característica es una opción de la red. La
opción DTX tiende a reducir las interferencias entre celdas adyacentes y con las estaciones
móviles cercanas a la base. Dado que el tiempo de transmisión se reduce, el consumo de
potencia de la estación móvil de mano se reduce, lo cual da a los usuarios la posibilidad de tener
baterías de menor tamaño. Las pausas el una conversación normal ocurren de forma que
aparecen durante un 50% del tiempo aproximadamente. Esto significa que un canal de voz sólo
se está usando la mitad del tiempo que el locutor lo usa.
La posibilidad de usar DTX han incluido dos características adicionales:
-
Detección de la Actividad de Voz ("Voice Activity Detection" ó VAD) que
determina la presencia o ausencia de voz en el teléfono. Esto no es fácil de
implementar, dado que debe de funcionar bien incluso cuando haya un alto nivel de
ruido de fondo, como en un coche.
-
La ausencia total de sonido puede molestar al usuario en el receptor del canal de
radio; el terminal parece como estar muerto, y los usuarios tienden a hablar
demasiado alto cuando no escuchan nada. Es necesario que haya un mínimo de
ruido convencional de fondo durante las pausas, y este ruido de fondo se le suele
llamar presencia. Esto se suele hacer enviando un tipo especial de tramas cada 480
ms llamadas tramas descriptoras de silencio (SID). Una vez que el receptor detecta
la llegada de una trama SID genera su propio ruido de fondo llamado ruido de
confort, que da al sistema la presencia.
Figura 19. Funciones de procesado de voz en GSM.
En la Figura 19 podemos ver los bloques implicados en la codificación, transmisión y
descodificación de la voz en GSM.
30
Tecnología GSM.
4.3.Codificación del Canal. Detección de Errores.
4.3.1. Introducción a la codificación del canal.
La codificación del canal se basa en añadir redundancia a los datos generados por la
codificación de la fuente de forma que se detecten e incluso se corrijan algunos errores
introducidos por el canal que suponemos que contiene un ruido blanco gausiano aditivo.
Figura 20. Proceso de codificación y descodificación del canal.
En la Figura 20 podemos observar el de codificación y descodificación del canal. El
proceso de codificación del canal normalmente se compone de dos codificaciones sucesivas.
Primero se aplica un código bloque y luego se aplica un código convolucional. Para explicar a
grandes rasgos en qué consiste un código bloque, vamos a suponer que tenemos k bits de
entrada en el codificador a R bps. A la salida de éste, vamos a tener n bits con n > k a una
velocidad de R/Rc bps, en donde el factor Rc es un valor adimensional llamado redundancia, y
que es k/n (siempre va a ser menor que la unidad). Un código convolucional implica el concepto
de memoria, ya que se forma a partir de un registro de desplazamiento (máquina de estados
finitos).
En GSM se aplican estas dos técnicas de codificación, pero sólo a unos determinados bits.
Como vimos en el apartado anterior, la codificación de la fuente a velocidad completa, da 260
bits cada 20 ms (13 kbps). Estos bits nos dan los diferentes parámetros del método de
codificación de la fuente RPE/LPC-LTP, que vimos anteriormente. Pero no todos los bits de
estos parámetros tenían la misma importancia. Como vimos en la tabla 5.1, estos se ordenaban
en 3 clases de importancia. Pues bien, dependiendo de la clase de importancia, vamos a dar una
protección mayor o no.
Figura 21. Distintas codificaciones para los diferentes bits.
31
Tecnología GSM.
A los 50 primeros bits (grupo Ia), que son los más importantes, se les aplica un chequeo de
paridad, mediante un código cíclico de 3 bits. Estos 53 bits así obtenidos, 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 obtenemos 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 nos da una velocidad de salida de 22.8 kbps.
A continuación vamos a pasar a describir en más detalle cada una de las dos codificaciones
de los que se componen la codificación del canal.
4.3.1.1. Chequeo de Redundancia Cíclica (CRC).
El código bloque utilizado es un CRC que añade 3 bits al final de la secuencia de 50 bits
del grupo Ia.
El CRC es una de las herramientas más comunes y potentes para la detección de errores.
Dado un bloque de datos de k bits, el transmisor va a generar una secuencia de m bits, de forma
que la trama resultante está formada por los k bits más los m bits generados. Para generar este
tipo de secuencias existen numerosos métodos, como son la aritmética módulo 2 y los métodos
polinómicos. En el caso de GSM se usa una función polinómica cuya fórmula es
g(D)=D3+D+1.
4.3.1.2.Códigos Convolucionales.
En los códigos bloques, el codificador aceptaba un mensaje de k bits y generaba una
palabra código de n bits [6]. Es decir, las palabras código se producen bloque a bloque por lo
que debíamos de introducir un bloque completo para generar la secuencia código. Hay
aplicaciones sin embargo, donde los bits mensaje entran en serie en lugar de en bloques, por lo
que se deben de usar "buffers" de tamaño considerable para almacenar momentáneamente los
bloques a codificar. En estas situaciones, el uso de la codificación convolucional se convierte en
el método preferido. Un codificador convolucional opera sobre el mensaje de entrada de forma
serie.
4.3.1.3 Entrelazado ("Interleaving").
En la vida real no se suele producir un error en un bit puntual sino que es mucho más
probable que afecten a un conjunto consecutivo de ellos. La codificación del canal que hemos
visto hasta ahora es efectiva en la detección y corrección de pocos errores, pero no cuando la
cantidad de información perdida consecutiva es grande. Para ello necesitamos un modo de
dispersar los bits consecutivos que forman un mensaje. Esta es la misión del entrelazado.
En GSM, para minimizar el efecto de los desvanecimientos súbitos de los datos recibidos,
el total de 456 bits bits codificados 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 que forman una trama
simple de voz, se esparcen a través de 8 slots TCH consecutivos ( es decir, 8 tramas
consecutivas para un TS específico) [1]. Si se pierde una ráfaga debido a las interferencias o a
los desvanecimientos, la codificación del canal asegura que disponemos de suficientes bits para
descodificar la secuencia correcta siempre y cuando tengamos una descodificación como por
ejemplo el algoritmo de Viterbi. Cada slot TCH, como vimos, lleva dos bloque de datos de 57
bits de dos segmentos de voz (o de control) diferentes (cada uno de los segmentos son los
bloques de 456 bits).
32
Tecnología GSM.
Figura 22. Interleaving en GSM.
La Figura 22 muestra exactamente como se produce el "interleaving" en las tramas dentro
de los slots. Hemos de significar que el TS 0 contiene 57 bits de datos del subbloque 0 de la nésima 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).
4.4. 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 FM. 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
270.833333 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.
4.4.1. Modulación MSK ("Minimum Shift Keying").
MSK es un tipo especial de FSK ("Frecuency Shift Keying"), con fase continua y un índice
de modulación de 0.5. El índice de modulación de una señal FSK es similar al de FM, y se
define por kFSK = (2∆F)/Rb, donde 2∆F es el desplazamiento en frecuencia de pico a pico y Rb es
el bit rate. Un índice de modulación de 0.5 se corresponde con el mínimo espacio en frecuencia
que permite dos señales FSK para ser ortogonales coherentes, y el nombre MSK implica la
mínima separación en frecuencia que permite una detección ortogonal. Dos señales FSK vH (t) y
vL (t) se dice que son ortogonales si
MSK es una modulación espectralmente eficiente. Posee propiedades como envolvente
constante, eficiencia espectral, buena respuesta ante los errores de bits, y capacidad de
autosincronización. Una señal MSK genérica se puede expresar como
donde mI(t) y mQ(t) son los bits pares e impares de la cadena de datos bipolares que tienen
valores de +1 o de -1 y que alimentan los bloques en fase y en cuadratura del modulador.
La forma de onda MSK se puede ver como un tipo especial de FSK de fase continua y
por tanto la ecuación anterior se puede reescribir usando las propiedades trigonométricas como
33
Tecnología GSM.
donde φk es 0 ó π dependiendo de si mI(t) es 1 ó -1. De la ecuación anterior se puede deducir
que MSK tiene amplitud constante. La continuidad de fase en los periodos de transición de bits
se asegura escogiendo la frecuencia de la portadora como un múltiplo entero de un cuarto del bit
rate. Con un estudio más profundo, se puede ver de la ecuación anterior que la fase de la señal
MSK varía linealmente durante el transcurso de cada periodo de bit.
La Figura 23 muestra un modulador y demodulador típico MSK. Multiplicando una señal
portadora por cos[πt/2T] se producen dos señales coherentes en fase a las frecuencias fc+1/4T y
a fc-1/4T. Estas dos señales FSK se separan usando dos filtros paso banda estrechos y se
combinan apropiadamente para formar las dos señales en fase y en cuadratura x(t) e y(t)
respectivamente. Estas portadoras se multiplican por las cadenas de bits impares y pares, mI(t) y
mQ(t) para producir la señal modulada MSK sMSK (t).
Figura 23. Diagrama de bloques de un modulador y demodulador MSK.
En el receptor (demodulador), la señal recibida sMSK (t) (en ausencia de ruido e
interferencias) se multiplica por las portadoras respectivas en fase y en cuadratura. La salida de
los multiplicadores se integra durante dos periodos de bit y se introduce en un circuito de
decisión al final de estos dos periodos. Basado en el nivel de la señal a la salida del integrador,
el dispositivo de decisión decide si la señal es 1 ó 0. Las cadenas de datos de salida se
corresponden con las señales mI(t) y mQ(t), que se combinan para obtener la señal demodulada.
4.4.2. Modulación GMSK ("Gaussian Minimum Shift Keying").
GMSK es un esquema de modulación binaria simple que se puede ver como derivado de
MSK. En GMSK, los lóbulos laterales del espectro de una señal MSK se reducen pasando los
datos NRZ modulantes a través de un filtro Gausiano de premodulación. El filtro gausiano
aplana la trayectoria de fase de la señal MSK y por lo tanto, estabiliza las variaciones de la
34
Tecnología GSM.
frecuencia instantánea a través del tiempo. Esto tiene el efecto de reducir considerablemente los
niveles de los lóbulos laterales en el espectro transmitido.
El filtrado convierte la señal (donde cada símbolo en banda base ocupa un periodo de
tiempo (T) en una respuesta donde cada símbolo ocupa varios periodos. Sin embargo, dado que
esta conformación de pulsos no cambia el modelo de la trayectoria de la fase, GMSK se puede
detectar coherentemente como una señal MSK, o no coherentemente como una señal simple
FSK. En la práctica, GMSK es muy atractiva por su excelente eficiencia de potencia y espectral.
El filtro de premodulación, por tanto, introduce interferencia intersimbólica (ISI) en la señal
transmitida, y se puede mostrar que la degradación no es grave si el parámetro BT del filtro es
mayor de 0.5. Debido que en GSM tenemos que el BT es 0.3, vamos a tener algunos problemas
de ISI y es por ello por lo que en GSM la señal no es totalmente de envolvente constante.
La manera más simple de generar una señal GMSK es pasar una cadena de mensajes NRZ
a través de un filtro gausiano paso baja, seguido de un modulador de FM. Esta técnica de
modulación se muestra en la Figura 24 y se usa actualmente en una gran cantidad de
implementaciones analógicas y digitales, así como para GSM.
Figura 24. Diagrama de bloques de un transmisor GMSK usando generación directa
de FM.
Vamos a utilizar los pasos mostrados en la Figura 25 para ver cómo se puede conseguir una
señal MSK.
Figura 25. Generación de una señal MSK.
Las formas de onda de la Figura 25 están todas alineadas en fase. Las pequeñas escalas
están para ayudar a comprender mejor las relaciones de fase entre las formas de onda.
Empezamos con una cadena de datos, que modulará la portadora según el esquema MSK.
Supongamos una cadena de 10 bits de datos, que van a ser 1101011000. Ahora vamos a dividir
esta cadena de datos en dos señales: una formada por los bits impares y otra formada por los bits
pares. Vamos a mantener el valor de cada una de estas dos señales durante dos instantes de
tiempo. En el caso de GSM, como el bit rate es de 270.833 kbps, entonces el bit rate de las
señales impar y par será de la mitad, es decir de 135.4165 kbps.
Las dos siguientes formas que onda que podemos ver en la Figura 25 son las señales
portadoras de frecuencia alta y baja, respectivamente. Dado que MSK es una forma de FSK,
necesitamos dos versiones de nuestra portadora con dos frecuencias diferentes. Para crear la
35
Tecnología GSM.
señal MSK, debemos empezar con el bit número 2, y debemos fijarnos en la tabla 4.1. Para ese
instante de tiempo, en el bit número 2, debemos fijarnos en el valor tanto de los bits impares
como de los pares, y después hemos de mirar a la tabla 4.2. y hacer lo que nos digan las reglas
de decisión. La señal de salida MSK será la que se nos indique teniendo en cuenta si la señal
portadora tanto de frecuencia alta como de baja debe estar en fase o en contrafase.
Tabla 4.1.
Tabla 4.2. Tabla de decisión.
Para conseguir una señal GMSK de una señal MSK, necesitamos tan solo filtrar la señal
MSK con un filtro gausiano de un ancho de banda definido por su BT=0.3, lo cual nos indica
que el ancho de banda B debe ser de 81.3 KHz aproximadamente dado que T=1/270833.
Las señales GMSK se pueden detectar usando detectores ortogonales coherentes como se
muestran en la Figura 25 (parte superior), o con detectores no coherentes como los
discriminadores normales de FM. Un método no óptimo pero efectivo de detectar señales
GMSK es simplemente muestrear la salida de un demodulador de FM.
36
Tecnología GSM.
Figura 26. Diagrama de bloques de un receptor GMSK (página anterior) y de un
circuito digital para la demodulación de señales GMSK (página actual).
5. SMS.
5.1. Definición.
SMS - Servicio de mensajes cortos. Es un sistema para enviar y recibir mensajes de texto
para y desde teléfonos móviles. El texto puede estar compuesto de palabras o números o una
combinación alfanumérica. SMS fue creado como una parte del estandar GSM fase 1. El primer
mensaje corto, se cree que fue enviado en Diciembre de 1992 desde un ordenador personal (PC)
a un teléfono móvil a través de la red GSM Vodafone del Reino Unido. Cada mensaje puede
tener hasta 160 caracteres cuando se usa el alfabeto latino, y 70 caracteres sise usa otro alfabeto
como el árabe o el chino.
5.2. Características.
Hay varias características únicas del servicio de mensajes cortos (SMS), según lo definido
dentro del estándar digital de telefonía móvil GSM, un mensaje corto puede tener una longitud
de hasta 160 caracteres. Esos 160 caracteres pueden ser palabras, números o una combinación
alfanumérica. Los mensajes cortos basados en No-texto (por ejemplo, en formato binario)
también se utilizan. Los mensajes cortos no se envían directamente del remitente al receptor,
sino que se envían a través de un centro de SMS. Cada red de telefonía móvil que utiliza SMS
tiene uno o más centros de mensajería para manejar los mensajes cortos. El servicio de
mensajes cortos se caracteriza por la confirmación de mensaje de salida. Esto significa que el
usuario que envía el mensaje, recibe posteriormente otro mensaje notificándole si su mensaje ha
sido enviado o no. Los mensajes cortos se pueden enviar y recibir simultáneamente a la voz,
datos y llamadas del fax. Esto es posible porque mientras que la voz, los datos y las llamadas
del fax asumen el control de un canal de radio dedicado durante la llamada, los mensajes cortos
viajan sobre un canal dedicado a señalización independiente de los de tráfico. Hay formas de
enviar múltiples mensajes cortos:
-
La concatenación SMS (que encadena varios mensajes cortos juntos).
-
La compresión de SMS (que consigue más de 160 caracteres de información dentro
de un solo mensaje corto).
37
Tecnología GSM.
Para utilizar el servicio de mensajes cortos, los usuarios necesitan la suscripción y el
hardware específico:
-
Una suscripción a una red de telefonía móvil que soporte SMS.
Un teléfono móvil que soporte SMS.
Un destino para enviar o recibir el mensaje, ya sea una máquina de fax, un PC, un
terminal móvil o un buzón de e-mail.
5.3. Evolución.
No hay duda del éxito conseguido por el Servicio de Mensajes cortos, ya que los últimos
datos conocidos, hablan de 9 billones de mensajes por mes, y creciendo a un ritmo de
aproximadamente 500.000 millones por mes. Repasemos un poco la evolución de este servicio.
En un principio, el operador de red incorpora Centros SMS de 1ª generación, como parte del
plan de comisión de red. Estos primeros centros, pueden ser simples módulos de la plataforma
de buzón de voz o alternativamente, un centro de SMS independiente. No es posible disponer de
mensajes cortos sin un SMSC (Centro de Mensajes Cortos), ya que todos los mensajes pasan a
través del mismo.
El operador de red, ve el SMS como algo para decir que lo tiene incorporado en su red.
Ofrece el servicio SMS junto con las notificaciones del buzón de voz, las cuales abarcan las ¾
partes del tráfico de SMS en la red. El operador de red lanza el servicio SMS, para dar al cliente
la capacidad de comunicación en ambos sentidos. Los clientes experimentan con ello, y
encuentran nuevas aplicaciones, lo que hace que incremente aproximadamente un 25% el
volumen total del SMSs.
Otro servicio añadido, son las direcciones de correo, los e-mails recibidos en el terminal
móvil son tratados como mensajes cortos; este servicio, intenta hacerse popular en aquellos
mercados donde la penetración de Internet es baja y por tanto aún no tienen dirección de correo.
Este servicio incrementa aproximadamente un 20% el volumen total de SMSs. A lo anterior, se
suman los servicios de información noticias, viajes, el tiempo, deportes, horóscopo, bromas ....
Estos servicios crecen más despacio, ya que es mucho el trabajo que implica la preparación de
los contenidos, incrementando aproximadamente un 10% el volumen total de SMSs.
El operador de red, comienza a ver compañías independientes experimentando con
aplicaciones SMS y ofreciendo sus servicios a compañías o en regiones específicas. Para alentar
estos desarrollos y fomentar su amplio despliegue, el operador de red designa a una persona
cuya única responsabilidad es contactar con esas empresas y ayudarlas a conseguir el soporte
técnico y comercial que necesitan. La finalidad, es que estas empresas desarrollen sus
aplicaciones usando obviamente sus servicios SMS en vez de usar los de la competencia. La
introducción de estos programas o aplicaciones conduce pronto al aumento de aproximadamente
un 20% del volumen total de SMSs.
El operador de red ha visto como gradualmente ha incrementado el tráfico de SMSs, con lo
que en muchas ocasiones se encuentra con que la capacidad de su centro de SMS se queda
pequeña y precisa ser sustituido por otro de mayor capacidad. Esta sustitución evita la
saturación que en muchas ocasiones se producía, evitando el descontento de los clientes y por
consiguiente creciendo en aproximadamente un 10% sobre el volumen total de SMSs.
La interoperatividad (interworking) entre operadoras que son competidoras en la misma área
geográfica, da al cliente la posibilidad de usar SMS de la misma forma que usa el servicio de
voz. De igual manera que puede hacer una llamada de voz de un teléfono a otro teléfono,
también puede enviar un mensaje corto de uno a otro teléfono. Permitir esta capacidad hace que
el volumen de destinos de mensajes cortos disponibles incremente, incrementando también el
valor y uso de SMS. Como consecuencia, el volumen total de SMS se eleva aproximadamente
un 50%.
38
Tecnología GSM.
A estas Alturas el uso total de SMS en la red, ha alcanzado cifras críticas. El servicio SMS
es ya una parte muy importante en el día a día de muchos clientes. Posibilitar el envío de
mensajes cortos desde el extranjero, es también muy importante, sobre todo en zonas
fronterizas.
El siguiente incremento cuantitativo del volumen en el tráfico de SMSs, es debido a la
introducción de el SMS para clientes de prepago, constituyendo estos los principales usuarios de
este servicio. Elevando el volumen de SMSs en aproximadamente un 100%.
Este uso masivo, origina la aparición de algoritmos de texto predictivo como el T9 de Tegic,
que facilitan la escritura de mensajes en los terminales móviles. Estos algoritmos están
incorporados en los propios terminales, y anticipan la palabra que el usuario pretende introducir,
reduciendo de forma notable el número de teclas a pulsar, soportando además múltiples
lenguajes. La aparición de estos logaritmos, incrementa en aproximadamente un 25% el
volumen de SMSs.
La introducción de protocolos estandarizados como la aplicación SIM ToolKit y el WAP
(Wireless Application Protocol), contribuye a su vez al incremento en el uso de SMS,
proporcionando el ambiente de desarrollo y despliegue de un servicio standar para los
desarrolladores de aplicaciones. Estos protocolos, también facilitan la respuesta por parte de los
usuarios de SMS, y por otra parte el acceso al servicio de mensajes a través del menú de su
terminal. De esta forma, aunque estos protocolos son sólo un medio, no un nuevo servicio, son
los responsables de un incremento de entre el 10-15% sobre el volumen total de SMS. .
Contribuyendo también a este incremento el desarrollo de nuevos terminales más fáciles de usar
como el smart y los ordenadores portátiles. Como resultado de la combinación de todos estos
pasos dados por los operadores y desarrolladores de telefonía móvil para la estimulación del uso
de SMS, hemos llegado a un crecimiento de los mismos casi exponencial.
5.4. Elementos de red y Arquitectura.
La figura 27 muestra la estructura básica de la red SMS.
Figura 27. Arquitectura de la red SMS.
-
-
-
SME (Short Messaging Entity) : Entidad que puede enviar o recibir mensajes
cortos, pudiendo estar localizada en la red fija, una estación móvil, u otro centro de
servicio.
SMSC (Shor 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-Gateway/Interworking MSC (SMS-GMSC): 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
39
Tecnología GSM.
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-
la estación móvil receptora. El "SMS-Gateway/Interworking MSC" es un MSC
capaz de recibir un mensaje corto de la red móvil y enviarlo hacia el SMSC
apropiado. El SMS-GMSC/SMS-IWMSC está normalmente integrado en el SMSC.
HLR (Home Location Register): Es una base de datos usada para el
almacenamiento permanente y gestión de los usuarios y el perfil del servicio. Sobre
la interrogación del SMSC, el HLR le proporciona la información de
encaminamiento para el usuario indicado. El HLR, también informa al SMSC, el
cual previamente inició un intento de envío de SMS fallido a una estación móvil
específica, que ahora la estación móvil es reconocida por la red y es accesible.
MSC (Mobile Switching Center): Lleva a cabo funciones de conmutación del
sistema y el control de llamadas a y desde otro teléfono y sistema de datos.
VLR (Visitor Location Register): Es una base de datos que contiene información
temporal de los usuarios. Esta información, la necesita el MSC para dar servicio a
los usuarios de paso (que están de visita).
BSS (Base Statio System): Formada por el BSCs(base-station controllers) y por
BTSs (base-transceiver strations), su principal responsabilidad es transmitir el
tráfico de voz y datos entre las estaciones móviles.
MS (mobile station): terminal sin hilos(wireless) capaz de recibir y originar tanto
mensajes cortos como llamadas de voz. La infraestructura de la red sin hilos está
basada en SS7 (signaling system 7). El SMS hace uso del MAP (mobile application
part), el cual define los métodos y mecanismos de comunicación en las redes sin
hilos, y usa el servicio del SS7 TCAP (transation capabilities application part). Una
capa del servicio SMS hace uso del MAP y permite la transferencia de mensajes
cortos entre el par de entidades.
5.5. Operaciones para el envío de SMSs.
El MAP, define las operaciones necesarias para dar soporte al SMS. Ambos estándares, el
americano y el europeo han definido el MAP usando los servicios del SS7 TCAP (transation
capabilities application part). El estándar americano es publicado por la Telecommunication
Industry Association y se le conoce IS-41. El estándar internacional está definido por el
European Telcommunication Standards Institute y se le conoce como GSM MAP.
Operaciones básicas del MAP necesarias para proporcionar servicio de mensajes cortos
punto a punto:
- Solicitud de Información de Encaminamiento: El SMSC extrae esta información
del HLR para determinar el servicio MSC para la estación móvil tratada. Este
proceso se realiza antes de entregar el mensaje, y se lleva a cabo usando
mecanismos de SMSrequest y sendRoutingInfoForShorMsg en IS-41 y GSM
respectivamente.
- Envío del Mensaje Punto a Punto:Mecanismo que da significado al SMSC para
transmitir un mensaje corto hacia el MSC que sirve a la estación móvil e intenta
enviar un mensaje a una MS siempre que la MS está registrada. La operación del
envío del mensaje corto proporciona un servicio de envío confirmado. La operación
trabaja conjuntamente con el subsistema de la MS mientras el mensaje está siendo
remitido del MSC hacia la MS. Por lo tanto el éxito o fracaso de la operación puede
ser causado por múltiples razones. El envío del mensaje punto a punto se lleva a
cabo usando mecanismos de short-message-delivey-point-to-point (SMD-PP) y
forwardShorMessage en IS-41 y GSM respectivamente.
- Indicación de Espera del Mensaje Corto: Esta operación se activa cuando el
intento de envío por parte del SMSC falla debido a algún incidente temporal. Esto
da pie a que el SMSC solicite al HLR que añada una dirección SMSC a la lista de
SMSC's para ser informado cuando la estación móvil indicada esté accesible.
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Tecnología GSM.
-
Alerta del Centro de Servicio: Esta operación hace que el HLR informe al SMSC,
el cual previamente ha intentado enviar un mensaje corto sin éxito a la estación
móvil especificada, que la estación móvil es accesible en ese momento.
5.6. Elementos de Servicio.
SMS comprende múltiples elementos de servicio para el envío y recepción de mensajes
cortos.
- Periodo de Validación: Indica el tiempo que el SMSC puede garantizar el
almacenamiento del mensaje corto antes del envío al destinatario deseado.
- Prioridad: Información proporcionada por un SME indicando la prioridad del
mensaje.
Además, SMS proporciona un tiempo de más, señalando el que tarda el mensaje en ser
enviado y una indicación al hanset de si hay o no más mensajes que enviar (GSM), o el número
de mensajes a enviar (IS-41).
5.7. Pasos para el envío.
1. El mensaje corto es enviado del SME al SMSC.
2. Después de completar su proceso interno, el SMSC pregunta al HLR y recibe del
mismo información de encaminamiento del usuario móvil.
3. El SMSC envía el mensaje corto hacia el MSC.
4. El MSC extrae la información del usuario del VLR. Esta operación puede incluir un
procedimiento de autentificación.
5. El MSC transfiere el mensaje corto al MS.
6. El MSC devuelve al SMSC el resultado de la operación que se está llevando a cabo.
7. Si lo solicita el SME, el SMSC retorna un informe indicando la salida del mensaje
corto.
5.8. Pasos para la recepción.
1. La MS tranfiere el mensaje corto al MSC.
2. El MSC interroga al VLR para verificar que el mensaje transferido no viola los
servicios suplementarios o las restricciones impuestas.
3. El MSC envía el mensaje corto al SMSC usando el mecanismo ForwardShortMessage.
4. El SMSC entrega el mensaje corto al SME.
5. El SMSC reconoce al MSC el éxito del envío.
6. El MSC devuelve a la MS el resultado de la operación de envío.
5.9. Principales aplicaciones.
Las principales aplicaciones basadas en SMS son:
- Simples mensajes de persona a persona. - Los usuarios de telefonía móvil, para
comunicarse con otro, utilizan rutinariamente el Servicio de Mensajes Cortos.
- Notificaciones del vuzón de voz y fax - El uso más común de SMS, es para notificar
al usuario de telefonía móvil que tiene un nuevo mensaje de voz o fax. Cuando un
nuevo mensaje nos llega a nuestro buzón, una alerta en forma de SMS, nos informa
de este hecho.
- Mensajes Unificados - Se trata de un emergente servicio de red de valor añadido
particularmente convincente, ya que proporciona una interface a la gente, para
acceder a las diferentes clases de SMSs que recibe (voz, fax, e-mail..). El usuario
recibe un mensaje corto, notificándole que tiene un nuevo mensaje en su buzón de
41
Tecnología GSM.
-
mensajes, incluyendo éste a menudo una indicación del tipo del nuevo mensaje que
ha sido depositado.
Alertas de e-mail - Uniendo el correo electrónico con SMS, los usuarios pueden ser
notificados cada vez que reciben un email.
Descarga de Melodías.
Chat basado en SMS, se trata de una aplicación que está emergiendo.
Servicios de Información - Solicitas a una fuente pública o privada que te envíe
periódicamente información sobre algún tema en concreto a tu terminal móvil. El
rango de información que puedes recibir es amplísimo.
5.9.1. Aplicaciones Corporativas.
Las aplicaciones corporativas que hacen uso del SMS son actualmente pocas y dispares.
Una de las razones principales, se debe particularmente a que las facturas telefónicas las paga la
propia empresa, con lo que los trabajadores prefieren hacer uso del servicio de voz.
Las principales aplicaciones corporativas basadas en SMS son:
- E-mail Corporativo. El Servicio del Mensaje Corto puede usarse para extender el
uso de sistemas de email corporativos, más allá del propio puesto de trabajo. Con un
40% de empleados normalmente fuera de sus puestos de trabajo, es importante para
ellos guardar el contacto en todo momento con la oficina. Los sistemas del email
corporativos corren bajo una LAN e incluyen Microsoft Mail, Outlook, Outlook
Express, Microsoft Exchange, Lotus Notes and Lotus cc:Mail.
- Programas de Afinidad. También conocidos como paquetes de estilo de vida. Son
el resultado de la colaboración entre los operadores móviles y otras compañías de
diferentes campos, con largas listas de clientes, como compañías de televisión,
clubs deportivos, supermercados y otros minoristas, aerolíneas y bancos. SMS
puede usarse para proporcionar toda clase de información y recordatorios. Dentro
de este servicio, se encuentra también el servicio de banca móvil.
- Comercio electrónico. Transacciones financieras que se llevan a cabo a través del
terminal móvil.
- Servicio de cliente. El Servicio de Mensajes Cortos evita la necesidad de hacer
caras llamadas de voz a los centros de servicio del cliente, enviándote éstos a través
del SMS, información sobre el estado de la cuenta, la configuración de nuevos
servicios.., en particular, cuando el estándar SMS se combina con protocolos como
SIM Application Toolkit o WAP.
- Posicionamiento de vehículos. Esta aplicación integra un sistema de
posicionamiento mediante satélite, que por medio de un SMS, le dice a la gente
dónde está. Cualquiera con un terminal que soporte GPS (Global Positioning
System) puede recibir información sobre su posición.
- Punto remoto de venta. SMS puede usarse también en la venta al por menor, para
la autorización de tarjetas de crédito. Es particularmente conveniente usar la
tecnología móvil cuando se hacen ventas desde sitios de difícil acceso, donde no es
posible una línea fija. El teléfono móvil se conecta al terminal específico del punto
de venta, el número de la tarjeta de crédito es enviado al banco, y el código de
autorización es devuelto al terminal del punto de venta como un mensaje corto.
- Supervisión remota. El Servicio de Mensajes Cortos, puede usarse para gestionar
máquinas en ambientes de supervisión remota. Esta aplicación proporciona valiosa
información sobre el estado o el suceso de algún evento ocurrido sobre la máquina,
que el usuario precisa saber. Un ejemplo puede ser el de las máquinas
expendedoras, el sistema envía un mensaje corto a la compañía cuando detecta un
nivel bajo en algún producto.
42
Tecnología GSM.
5.10. Clases de mensajes cortos.
Esta clasificación de SMSs, se hace en base al comportamiento del mensaje al ser recibido
en el teléfono destino. De acuerdo con la recomendación GSM 03.38, puede tomar cuatro
valores:
-
-
Clase 0 ó FlashSMS : El texto del mensaje se presenta automáticamente en la
pantalla del teléfono que lo recibe y no se almacena en memoria.
Clase 1 : El mensaje se almacena en la memoria del teléfono que lo recibe y el
usuario debe buscar alguna opción del tipo "Leer Mensaje" para leerlo.
Clase 2 : El mensaje se almacena en la memoria de la tarjeta SIM del teléfono que
lo recibe y el usuario debe buscar alguna opción del tipo "Leer Mensaje" para
leerlo.
Clase 3: El mensaje se almacena en la memoria de la tarjeta SIM del teléfono que
lo recibe y en una aplicación externa que se ejecute sobre un ordenador conectado a
este teléfono.
5.11. Aplicacion SIM Toolkit.
La aplicación SIM Toolkit, ha sido incorporada dentro del estandar GSM. "SIM", denota la
tarjeta inteligente que se inserta dentro del móvil, y que contiene información sobre el usuario.
La aplicación SIM Toolkit permite la flexibilidad de poner al día la SIM, para cambiar los
servicios y descargar nuevos servicios. Dentro de la especificación de la aplicación SIM
Toolkit, el Servicio de Mensajes Cortos es un mecanismo clave para la personalización de la
SIM en el teléfono de cada usuario.
Las ventajas más grandes de la aplicación SIM Toolkit son:
- Que ha sido completamente ratificado como parte del estándar GSM.
- Que ha sido incorporado en un gran número de terminales por los fabricantes.
- Que ha sido incorporado en múltiples servicios de red, desde operaciones bancarias
hasta información de servicios.
- Que a demostrado ser una herramienta útil para el acceso a la SIM, que contiene
toda la información sobre el usuario final. Esta información personal permite
funciones que requieren un alto grado de seguridad e identificación de usuario para
llevarse a cabo, lo cual es esencial para el comercio electrónico.
5.12. Cell broadcast o mensajes de difusión.
Cell Broadcast, está diseñado para el envío simultaneo de mensajes a múltiples usuarios en
un área específica. Considerando que el Servicio de Mensajes Cortos es un servicio uno a uno ó
uno a unos pocos, Cell Broadcast es un servicio de uno a muchos, enfocado geográficamente.
Permite que los mensajes sean comunicados a múltiples clientes de telefonía móvil que estén
localizados en una determinada área de cobertura de la red. Cell Broadcast es semejante a otros
medios de distribución masiva como el teletexto o RDS (Radio Data System).
Cell Broadcast está definido dentro de la fase 2 del estándar GSM en GSM 03.49. Tiene
algunas similitudes con el SMS (ambos utilizan el "signaling path" de la red GSM). Cada
mensaje de Cell Broadcast, puede tener de 1 a 15 páginas de longitud. Cada página puede tener
más de 93 caracteres alfanuméricos, adicionalmente más de 15 mensajes Cell Broadcast pueden
concatenarse. Los mensajes Cell Broadcast son transmitidos al BSCs (Base Station Controllers)
para la posterior transmisión. El destino del mensaje está descrito en términos de identificadores
de célula los cuales son usados por el BSC para enrutar el contenido del mensaje a la BTSC
(Base Transceiver Station Cells). Los mensajes Cell Broadcast pueden ser actualizados o
borrados del BSC y posteriormente del BTS/Cells en cualquier momento durante el periodo de
43
Tecnología GSM.
transmisión del mismo.(Los BTSs son seleccionados para determinar el área sobre la cual el
mensaje es transmitido).
Esta tecnología permite crear canales de comunicación con los móviles que se encuentren
en un área geográfica específica, lo que la convierte en un potente instrumento para servicios de
información locales o asociados a la posición, haciendo posible la selección del tema o canal de
interés para el usuario (Noticias, Deportes, Información Meteorológica, Tráfico, Farmacias de
guardia, Taxis, etc.).
5.13. USSD (Unstructured Supplementary Services Data).
USSD (Unstructured Supplementary Services Data) es un medio de transmitir información
o instrucciones por una red GSM. USSD tiene algunas similitudes con el SMS (ambos utilizan
el "signaling path" de la red GSM). Como diferencia, el USSD no es un servicio de
almacenamiento y envío, es una sesión-orientada tal que cuando un usuario accede a algún
servicio USSD, se establece una sesión y la conexión de radio permanece abierta hasta que el
usuario, la aplicación o el paso del tiempo la libera. Los mensajes de texto USSD pueden
superar los 182 caracteres de longitud. USSD se define dentro del estándar GSM en los
documentos GSM 02.90 y 03.90.
USSD tiene algunas ventajas y desventajas como herramienta de despliegue de servicios en
redes móviles:
- Los tiempos de respuesta para aplicaciones interactivas son más cortos para USSD
que para SMS debido a las características de una sesión de USSD, y porque no es
un servicio de almacenamiento y envio. Según Nokia, USSD puede ser hasta 7
veces más rápido que un SMS para llevar a cabo la misma transacción en ambos
sentidos.
- Los usuarios no necesitan ir a ningún menú particular del teléfono para acceder a
servicios USSD, ya que pueden desde la pantalla inicial del móvil acceder a los
mismos.
- Debido a que los comandos USSD son dirigidos de vuelta hacia el HLR (Home
Location Register), los servicios basados en USSD trabajan igual de bien y de la
misma forma cuando los usuarios están en "roaming".
- USSD funciona en todos los teléfonos móviles GSM.
- Tanto la aplicación SIM Toolkit como WAP soportan USSD.
- Por otro lado, los códigos USSD son normalmente complicados de recordar,
incluyendo el uso de los caracteres "*" y "#" para indicar el principio y el final del
código USSD. Sin embargo la posibilidad de almacenar los códigos USSD de
servicios que se usan regularmente, en la agenda del teléfono, reduce la necesidad
de recordarlos, así como de tener que introducirlos de nuevo.
- Ningún otro mecanismo ha sido tan especificado en el proyecto de tercera
generación "estandar UMTS" para llevar a cabo funciones tales como la iteración
HLR (Home Location Register) que el USSD facilita. Por lo tanto, es probable que
el USSD todavía encuentre aplicaciones en la tercera generación de telefonía móvil.
44
Tecnología GSM.
6. Glosario de acrónimos.
A:
ACCH
(Associated Control Channel). Canal de control asociado en el sistema GSM.
Canal de control utilizado siempre en conjunción con un canal dedicado (TCH o
SDCCH). Transporta información necesaria para la comunicación Se divide en
dos clases de canales: FACCH y SACCH.
ADC
(American Digital Cellular). Sistema celular digital utilizado en EEUU (IS-54).
AGCH
(Access Grant Channel). Canal de acceso. Canal de control común en el sistema
GSM, transmitido en el sentido base-móvil y utilizado para la asignación de
recursos al móvil que previamente solicitó el establecimiento de la comunicación
y tras el proceso de autentificación.
AUC
Authentification Centre Centre). Elemento que contiene las claves y algoritmos
de verificación para el acceso de un usuario a una red de telefonía celular.
ATM
(Asynchronous Transfer Mode). Sistema de conmutación de redes de banda
ancha.
B:
BCH
(Broadcast Channel).
BCCH
(Broadcasting Control Channel). Canal de control de difusión. Canal de control
común en el sistema GSM. Se transmite en el sentido base-móvil. 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.
BS
(Base Station). Estación base.
BSC
(Base Station Controller). Controlador de estaciones base.
BSS
(Base Station Subsystem). Subsistema de estaciones base.
BTS
(Base Trasceiver Station). Trasceptor de estación base.
C:
CCCH
(Common Control Channels). Canales de control común en el sistema GSM.
Sirven para regular el acceso de los terminales al sistema y utilizan un par de
portadoras.
CDMA
(Code Division Multiplex Acces) Acceso múltiple por división de código.
CRC
(Cyclic Redundancy Check). Código redundante cíclico. Código protector de
errores utilizado en sistemas celulares.
45
Tecnología GSM.
D:
DCCH
(Dedicated Control Channels). Canales de control dedicados en el sistema GSM.
Permiten funciones específicas y se asocian a cada comunicación. Utilizan un par
de portadoras.
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). Registro de identidad de equipo. Base de datos
que guarda información relativa al equipo móvil (fabricante, nº 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. Se usa para transmitir órdenes
urgentes como una orden de hand-off. 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 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.
FEC
(Forward Error Correction). Corrección de errores a partir de los propios datos
enviados.
FER
(Frame Erasure Rate). Tasa de tramas defectuosas.
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.
FM
(Frequency Modulation). Modulación analógica de frecuencia, utilizada en los
sistemas celulares analógicos.
46
Tecnología GSM.
FPLMTS
(Future Public Land Mobile Telecommunications Systems) Anterior
denominación del futuro sistema de telefonía móvil de 3 a generación, propuesto
por la ITU-R.
FOCC
(Forward Control Channel). Canal de control dedicado utilizado en el sistema
TACS en el sentido base-móvil.
FSK
(Frequency Shift Keying). Modulación de frecuencia digital utilizada en la
transmisión de información de control en el estándar TACS.
G:
GEO
Satélite con órbita geoestacionaria.
GMSK
(Gaussian Minimum Shift Keying). Modulación digital de frecuencia con filtro
gaussiano de premodulación, utilizada en el sistema celular de 2ª generación
GSM.
GOS
(Grade of Service). Grado de servicio. En sistemas con espera es la probabilidad
de que una llamada arbitraria tenga una espera superior a un tiempo especificado
en segundos.
GPS
(Global Positioning System). Sistema de posicionamiento a nivel mundial.
GSM
(Groupe Spéciale Mobile o Global System for Mobile Communications). Sistema
de telefonía celular digital de 2' generación estandarizado en Europa pero cuyo
uso se ha extendido a otras zonas del planeta. 1-1150
Satélite con órbita alta.
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
internacional.
del
equipo
móvil
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.
IN
(Intelligent Network). Red inteligente.
ISDN
(Integrated Services Digital Network). Red digital de servicios integrados.
ISI
(Intersymbol Interference). Interferencia entre símbolos.
IS-54
Norma que recoge las características del sistema celular digital de 2ª generación
TDMA surgido en EEUU.
47
Tecnología GSM.
IS-95
Norma que recoge las características del sistema celular digital de 2ª generación
CDMA, propuesto por la compañía Qualcomm.
ITU
(International
Telecommunications
Telecomunicaciones.
Union).
Unión
Internacional
de
J:
JDC
(Japanese Digital Cellular). Sistema de telefonía celular digital de 2ª generación
TDMA usado en Japón.
L:
LAN
(Local Area Net). Red de área local.
LEO
Satélite con órbita baja.
LPC
(Linear Prediction Codes). Codificadores de predicción lineal de coeficientes,
utilizados en la compresión digital de voz en los sistemas digitales celulares.
M:
MAHO
(Mobile Assisted Hand Over). Hand-over asistido por el móvil. El terminal móvil
es capaz por sí mismo de medir la calidad de las señales procedentes de
estaciones base adyacentes, enviarla a la red y ayudar así en la ejecución del
hand-over.
MAP
(Mobile Application Part). Formato que define los métodos y mecanismos de
comunicación en las redes sin hilos
MIN
(Mobile Identification Number). Registro que contiene el número telefónico
codificado en binario.
MIPS
Millones de instrucciones ejecutadas por segundo.
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:
NAMPS
(Narrowband Advanced Mobile Phone System). Variación del estándar celular
analógico AMPS con canalización estrecha a 10KHz.
NMT
(Nordic Mobile Telephony). Sistema celular analógico de primera generación
surgido en los países nórdicos.
48
Tecnología GSM.
NRZ
(Non Return to Zero). Código utilizado en la señal transmitida en el canal de
control en banda base en los sistemas de primera generación, en el que no se
produce ninguna transición en la mitad del periodo de bit.
O:
OHD
(Overhead Data). Información de cabecera. En el sistema TACS, es un mensaje
punto-multipunto que necesitan las estaciones móviles para acceder al sistema.
Cuando una estación móvil desee realizar una llamada o se conecte al sistema
debe leer este mensaje transmitido continuamente por el canal de control.
OMS
(Operation & Maintenance System). Sistema de operaciones y mantenimiento.
P:
PCH
(Paging Channel). Canal de búsqueda. Canal de control común en el sistema
GSM. Se transmite desde la base hasta el móvil e informa a la estación móvil de
una llamada destinada a la misma.
PCN
(Personal Communications Network). Red de comunicaciones personales.
PIN
(Personal Identification Number). Número de identificación personal.
PSTN
(Public Switched Telephonic Network). Red telefónica pública conmutada.
PMR
(Private Mobile Radio). Red de comunicaciones móviles privadas
Q:
QPSK
(Quadrature Phase Shift Keying). Modulación digital de fase en cuadratura,
utilizada en los sistemas americanos IS-54, IS-95 y japoneses PDC.
R:
RACE
(Research on Advanced Telecommunicationsfor Europe). Programa de
investigación de la Unión Europea cuyo objetivo es el estudio del sistema UMTS.
RACH
(Random Access Channel). Canal de acceso aleatorio. Canal de control común en
el sistema GSM. 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.
RDS
(Radio Data System). Sistema para el envío de datos a traves de la interfaz radio.
RECC
(Reward Control Channel). Canal de control en el sentido móvil-base en el
estándar británico TACS.
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Tecnología GSM.
RELP
(Residual Term Excited Long Term Prediction). Técnica de compresión LPC
utilizada en el sistema celular digital GSM, en la que se codifica la señal error de
predicción mediante técnicas vectoriales.
RSS
(Received Signal Strength). Nivel de potencia recibida en un canal.
S:
SACCH
(Slow Associated Control Channel). Canal de control asociado lento. Se utiliza en
los sistemas TDMA IS-54 y GSM fundamentalmente para transmitir información
recurrente, como ajuste de potencia o de trama, medidas de calidad del canal,
información de taríficación.
SAT
(Signal A udio Tone). Se trata de un tono modulado en frecuencia transmitido en
el canal vocal de los sistemas analógicos TACS que sirve para controlar la
continuidad del enlace base-móvil y móvil-base.
SCH
(Synchronization Channeo. Canal de sincronización asociado al canal de tráfico
en el sistema GSM. Su sentido es desde la red al terminal móvil. Cursa la
información de sincronización de trama e identificación de la estación base.
SCM
(Station Class Mark). Clase de estación móvil en función de la potencia que
puede radiar.
SDCCH
(StandAlone Dedicated Control Channeo. Canal de control dedicado del sistema
GSM utilizado para transmitir los datos de usuario.
SID
(System Identification). Identificación digital del operador celular.
SIM
(Subscriber Identity Module). Módulo de identificación de usuario. Tarjeta que se
inserta en el terminal móvil y se asocia a una abono celular.
SIM Toolkit Aplicación incorporada dentro del estandar GSM que permite la flexibilidad de
poner al día la SIM, para cambiar los servicios y descargar nuevos servicios.
SMD-PP
(Short-Message-Delivey-Point-to-Point). Mecanismo que define el envío de
mensaje punto a punto.
SME
(Short Messaging Entity). Entidad que puede enviar o recibir mensajes cortos,
pudiendo estar localizada en la red fija, una estación móvil, u otro centro de
servicio.
SMS
Servicio de mensajes cortos.
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-Gateway/Interworking MSC (SMS-GMSC). 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 "SMS-Gateway/Interworking MSC" es un MSC
capaz de recibir un mensaje corto de la red móvil y enviarlo hacia el SMSC
apropiado.
50
Tecnología GSM.
SS
(Swithcing System). Sistema de Conmutación.
SS7
(Signaling System 7). Formato que da base a la infraestructura de la red
inalámbrica.
SS7 TCAP
(SS7 Transation Capabilities Application Part). Servicio usado por MAP.
ST
(Signaling Tone). Tono de Señalización un tono de señalización insertado en el
canal vocal del sistema TACS, que se utiliza para indicar desconexión, petición
para enviar número de la llamada, reconocimiento de orden de hand-off
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). Técnica de multiplexación de canales
radioeléctricos por división en tiempo, utilizada en algunos sistemas digitales de
2ª generación.
TIA
(Telecommunication Industry Association).
Telecomunicación norteamericana.
TSC
(Transit Switching Center). Central de tránsito que comunica a los MSC entre sí y
con la red telefónica pública conmutada.
Asociación
de
Industrias
de
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.
USSD
(Unstructured Supplementary Services Data). Es un medio de transmitir
información o instrucciones por una red GSM.
UTACS
Banda del sistema TACS que incluye 1000 canales incluyendo los de control.
V:
VLR
(Visitor Location Register). Base de datos que utiliza una NISC para todos los
abonados que en un momento dado están en su área de servicio.
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Tecnología GSM.
VMAC
(Voice Mobile Attenuation Code). Código correspondiente al máximo nivel de
potencia que puede transmitir una estación móvil en el canal vocal en una célula
determinada.
VSELP
(Vector Sum Excited Long Prediction). Técnica de compresión LPC.
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.
WARC
(WorldAdministrative Radio Conference) Conferencia mundial donde se definen
las normas de uso del espectro radioeléctrico.
52
Tecnología GSM.
7. Bibliografía.
[1] Theodore S. Rappaport
WIRELESS communications. Principles & Practice.
Prentice Hall PTR, 1996
[2] Siegmund M. Redl, Matthias K. Weber, Malcolm W. Oliphant
An Introduccion to GSM.
Artech House Publisers,1995
[3] William Stallings
Data and Computer Communications.
MacMillan, 1994
[4] Simon Haykin
Digital Communications.
John Willey and Sons, 1988
[5] Uyless Black
Tecnologías emergentes para redes de computadoras.
Prentice Hall, 1997
53