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08 de Marzo del 2008

Sistemas GSM / GPRS

Ing. Eduardo Cerna Sánchez

Area Telecomunicaciones

Escuela Ingeniería Electrónica

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Sistemas GSM

Groupe Special Mobile – Global System for Global Communication (GSM)• Obtuvo un crecimiento sin precedentes a nivel mundial. Sin soporte de Redes Analógicas• Servicios:

- Roaming Internacional - Distinción entre la identificación de móvil y usuario- Calidad de voz mejorada - Seguridad Mejorada- Servicios Adicionales (SMS, Caller ID, etc )

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Sistemas GSM: Celdas CDMA vs celdas GSM

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Sistemas GSM

Bandas de Frecuencia• América: Banda PCS 1900 MHz; Europa: Banda 900 MHz, 1800 MHz (DCS 1800 MHz)

Bandas GSM

•GSM 450 Band•GSM 480 Band•GSM 850 Band

•Standard or Primary GSM 900Band, P GSM

•E GSM (includes GSM 900 band)•Railways GSM 900 Band, R GSM

•DCS 1 800 Band•PCS 1 900 Band

Banda Celular

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Sistemas GSM

Bandas de Frecuencia• GSM-R• Dual Band, Triple Band, Quad Band Phones

Dual Band:

• 900 MHz – 1800 MHz

(Europa, Asia,Australia,

Brazil)

• 850 MHz – 1900 MHz

(North America, South

América)

Tri Band:

• 900, 1800, 1900 MHz

(Europa, Asia,Australia,

Brazil + América)

• 850, 1900, 1800 MHz

(North America, South

América + Europe)

• 850,1900, 2100 UMTS

Quad Band:

• 850-1900 MHz (America)

900-1800 MHz (Europa)

• 850/1700/1900/2100

Para servicios UMTS

HSDPA, HSUPA

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Sistemas GSM

Bandas de Frecuencia

Perú: Códigos de Operadores• MCC: Mobile Country Code (Código de País de la Red Móvil)• MNC: Mobile Network Code (Código de Red Móvil)• LAC: Local Area Code (Código de Area Local)• CID: Cell Identifier (Identificador de Celda)

MovistarGSM 850, CHs: (128 – 251)PCS 1900, CHs (512 – 810)MCC+MNC= 716 – 06LAC = 4401 (Trujillo)CID = 30011 (Larco)

CELLGLID="716"-"06"-4401-30011

América MóvilesPCS 1900, CHs (512 – 810)MCC+MNC= 716 – 10LAC = 4001 (Trujillo)CID = 51132 (Larco)

CELLGLID="716"-"10"-4001-51132

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Sistemas GSM: Banda Celular

Claro pagó US$22,2 por la Banda B en el espectro de 835-845MHz, 880-890MHz, 846,5-849MHz y 891,5-894MHz. Sin embargo deberádevolver 25 MHz, ya que al haberse adjudicado la banda B, ha superado el tope del MTC fijado en 60 MHz.

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Sistemas GSM

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

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Sistemas GSM

Bandas de Frecuencia

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Sistemas GSM

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Frecuencia Banda Rango de Frecuencias Total Empresa Area de Asignacion

Ida (MHz) Retorno (MHz) (MHz)

850 MHz A,A”,A’ 824 835 869 880 25 Telefónica Móviles A nivel nacional

845 846.5 890 891.5

B 835 845 880 890 25 América Móviles A nivel nacional

846.5 849 891.5 894

B1 846.5 847.75 891.5 892.75 2.5 Valtron Rural Huarochiri

B2 847.75 849 892.75 894 2.5 Disponible

1900 MHz A 1850 1865 1930 1945 30 América Móviles A nivel nacional

D 1865 1870 1945 1950 10 Nextel A nivel nacional

B 1870 1882.5 1950 1962.5 25 Telefónica Móviles A nivel nacional

E 1882.5 1895 1962.5 1975 25 Nextel A nivel nacional

C 1895 1910 1975 1990 30 América Móviles A nivel nacional

Sistemas GSM

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

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Sistemas GSM Arquitectura Sistema GSM

Antenas celulares

Enlace Ramal Norte

Ramal Sur

backbone microondas

BSC + BTSAV. LARCO

BTSEL GOLF

BTSPRIMAVERA

BTSGRANADOS

radio links microondas

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Sistemas GSM

Arquitectura Sistema GSM

MT: Mobile Terminal SIM: Suscriber Identity ModuleTA: Terminal AdaptatorTE: Terminal Equipment

GMSC: Gateway Mobile Switching CenterIWF: Inter Working FunctionADC: Administration CenterNMC: Network Maintenance CenterOMC: Operation and Maintenance Center

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Sistemas GSM

Arquitectura Sistema GSM

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Sistemas GSM

Códigos Identificadores Sistema GSM

CID (Cell Site Identity)

LAI = CC+ MNC+LAC

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Sistemas GSM

Estación Móvil GSM

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Sistemas GSM

Modulo de Identidad de Usuario

Goldwafer Card

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Sistemas GSM

Modulo de Identidad de Usuario

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Sistemas GSM

Estación Base (Base Transceiver Station)

Una BTS consta de dispositivos de:

•Transmisión•Recepción•Procesado de señal•Cifrado•Medición de Señal•Capacidad de 1 a 16 transceivers•Cada Transceiver corresponde a un canal de RF

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Arquitectura Local: Estaciones Base

Rx

Rx

Tx

αβ

γ

1

2

3

α

β

γ

Estación Base

Estación Base + MSCautosoportada

Monopolo con plataforma

120º

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Sistemas GSM

Estación Base (Base Transceiver Station)

Radio Canales TRX

Unidades de control

banco baterías

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Sistemas GSM

Estación Base (Base Transceiver Station)

CU: Carrier UnitCOBA: Core Basis ModuleDIAMCO: Diversity Amplifier Multi CouplerACOM: Antenna Combining

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UPAOSistemas GSM

Estación Base (Base Transceiver Station)

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UPAOSistemas GSM

Estación Base (Base Transceiver Station)

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Sistemas GSM

Centro de Autenticación GSM

• Gestion de los datos de seguridad• Proporciona parámetros a la HLR para completar la autenticación del móvil

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Sistemas GSMAutenticación GSM• Se parte de una clave Ki (128 bits) almacenada tanto en la SIM como en el Centro de Autenticación (AuC)• Los algoritmos utilizados son A3 (clave autenticación) y A8 (cifrado de datos tx). Incluídos en la SIM•La implementación de los algoritmos A3-A8, también es conocida como COMP128

La Red GSM solicita IMSI

Tabla de Relación IMSI - Ki

Se genera Respuesta Firmada (32 bits)

Se genera Kcpara Tx información

El móvil envía Respuesta Firmada

Se envía Nº aleatorioEl móvil opera el mismo

Algoritmo (128 bits)

AuC compara las respuestasAl coincidir se valida autenticación

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Sistemas GSM

Cifrado de tráfico GSM

• La clave de cifrado (Kc) se utiliza para cifrar y descifrar los datos transmitidos entre la estaciónmóvil y la estación base

• La clave de cifrado puede cambiarse a intervalos regulares según lo requieran las consideracionesde seguridad y diseño de red

• En un principio el algoritmo A5 tuvo una longitud de clave "efectiva" de 40 bits, posteriormente 64bits y en un futuro 128 bits.

• Versiones del algoritmo : A5/1, A5/2

Operación XOROperación XOR

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Sistemas GSM

Registro de Identidad de Equipos

• Posee tres apartados• Lista Blanca: Equipos autorizados para el acceso• Lista Negra: Equipos que tienen prohibido el acceso ( Ej. Terminales robados)• Lista Gris: Lista de equipos que deben ser puestos en observación. Poseen un

comportamiento anómalo

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Sistemas GSM

Interfases de transporte y señalización

• Elementos indispensable de comunicación para el enlace entre sus componentes• Uso de señalización Nº 7 ( SS7 )• SS7 es una variante de packet switching , similarmente a IP realiza cálculo de costes, rutas, etc• Nodos de Enrutamiento (STP), Puntos de Servicio de Conmutación (SSP), Service Control Points (SCP)

Interconexión GSM

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Sistemas GSM

Formas de Onda:• Pulso rectangulares contienen

muchos armónicos.• Su ancho de banda debe de

limitarse para aprovechar elancho de banda del sistema.

• A mayor limitación en frecuenciamás pronunciado es el“spreading”en el tiempo.

Filtros• Los pulsos digitales son filtrados

antes de entrar al moduladorpara reducir el ancho de bandade la señal modulada

• Con esto es inevitable que dejende ser rectángulos.

• Se busca un compromiso entreAncho de banda ↔ ISI

• El filtro mas usado es el Cosenocuadrado (“Raised-cosine”)junto con el filtro Gaussiano.

Modulación GSM: Introducción

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Sistemas GSMModulación GSM: Introducción

Modulación FSK (Frecuency Shift Keying) Modulación MSK (Minimun Shift Keying)

• La modulación de tipo MSK es una variante de FSK,con la diferencia de no variar la fase durante latransmisión de dos bits consecutivos

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• Se reduce el espectro de la señal MSK pasando la señal NRZ por un filtro Gaussiano antes de atacar elmodulador MSK.

• Método sencillo: Se puede generar GMSK aplicando la salida de un filtro Gaussiano-pasa.baja a unVCO (varactor) en un transmisor FM.

• Se usa GMSK en GSM-DCS por:- Buena eficiencia espectral 1,4 bps/Hz, pero menor que TDMA: 1.6 bps/Hz- Resistencia a la interferencia de canales y co-canal

Sistemas GSMModulación GMSK

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Sistemas GPRS EDGE

Ing. Eduardo Cerna Sánchez

Area Telecomunicaciones

Escuela Ingeniería Electrónica

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Sistemas GPRS-EDGE

• GSM fue originalmente diseñado para transmisión de voz, con capacidades de roaming. Su migración haciatransmisión de datos no era un camino fácil

• Primera Opción: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Limitaciones de la conmutación de circuítos

• Surgen alternativas para integrar alta velocidad en canales de 200 KHz

• GPRS: Global Packet Radio Service, el primer estándar para alta velocidad

• EDGE: Enhanced Data for GSM Evolution, Aplicaciones de mas alta velocidad. Orden de modulación mayor

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Sistemas GPRS-EDGE

Aspectos Básicos de GPRS

• El camino de evolución de la tecnología para GSM y los Operadores TDMA está marcado por el paso a travésde GPRS, y EDGE, aunque algunos operadores pueden optar para migrar directamente hacia UMTS(Universal Mobile Telecommunications System).

• Las aplicaciones de datos están basados en Internet. Así el núcleo de red necesita ser Internet Protocol (IP)

• Los formatos 3G utilizan un núcleo de red basado en IP sin la necesidad de inversiones adicionales.

• Aún WCDMA hace uso de la arquitectura GPRS para sus servicios de datos.

• Todas las tecnologías de alta velocidad soportan VoIP, de las cuales EDGE posee mayores ventajas

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Sistemas GPRS-EDGE

Aspectos Básicos de GPRS

• El móvil GPRS trabaja de igual manera que un terminal GSM.

• La diferencia comienza en el enlace backhaul. El BSC enruta la llamada de datos a través de un Nodo de Soporte GPRS (SGSN)

• En la Red Pública Móvil Terrestre GPRS (PLMN) se encuentran dos nodos formando el backbone de la Red GPRS:

Serving GPRS Support Node (SGSN): Pasarela para los datos de la red móvil. Monitorea el servicio del móvil

Gateway GPRS Support Node (GGSN): Pasarela desde la PLMN, hacia la red IP exterior.

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Sistemas GPRS-EDGE

Arquitectura GPRS

• PCU (Packet Control Unit): Gestiona transferencia de paquetes entre terminales móviles y el SGSN.

• SGSN (Serving GPRS Support Node): Gestión de Sesión, Movilidad, Seguridad (cifrado interfaz aire),Tarificación GPRS, Compresión de datos

• GGSN (Gateway GPRS Support Node): Funciones de Encaminamiento, Gestión de Sesión ( IP alterminal movil) , Movilidad, Pasarela de Seguridad, Tarificacion hacia redes externas.

• BG (Border Gateway): Conecta redes IP autónomas realizando funciones de seguridad

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Sistemas GPRS-EDGE

Clases de Estaciones GPRS

• Class A: Estaciones Móviles pueden hacer y recibir llamadas en GSM y GPRS al mismo tiempo.

• Class B: Estaciones Móviles pueden hacer y recibir llamadas en GSM and GPRS, pero no al mismo tiempo.

• Class C: Se debe seleccionar manualmente en las estaciones móviles para que ellas operen en modo GPRS o GSM. Esta selección se realiza por el usuario al momento de la suscripción.

SGNS: CPX-5000 GGNS: CPG-3300

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– Acceso TDMA: (Traffic Channels)

– GSM divide cada radio canal en 8 time slots. La velocidad de los datos estadeterminada por la velocidad individual de cada time slot, y por el número de time slots

usados

Identificación de Canales Red GSM

BTS

MóvilTS8

down link

up link

MóvilTS1

MóvilTS0

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Sistemas GPRS-EDGE

Clases de Estaciones GPRS

• Adicionalmente se clasifican a las estaciones de acuerdo a su acceso a time slots

Clase 1: 1 TS para Tx, 1 TS para Rx

Clase 29: 8 TS para Tx, 8 TS para Rx; (Las clases intermedias se dan de manera asimétrica)

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Sistemas GPRS-EDGE

Asignaciones de Slots

• Las asignaciones de slots GPRS and GSM son mostradas en un ejemplo en la figura.

• Cualquier slot puede ser asignado hacia GSM o GPRS a menos que haya sido asignado permanentemente, sin embargo una asignación dinámica es mucho mas eficiente.

• Existen asignaciones híbridas permitiendo que algunos slots sean asignados a GSM y algunos a GPRs basados en su necesidad. La voz siempre tiene preferencia, así GSM siempre tendrá la primera opción.

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Sistemas GPRS-EDGECodificación GPRS

• Aplicaciones como voz, video o juegos son sensibles a retardos y/o retransmisones. Otros como Web Browserson poco perceptibles al usuario

Data Rate: Velocidad de Datos enviados Throughput: Transferencia de Datos Efectiva (recibida)

• La meta del operador es ofrecer una transferencia óptima, a pesar de los problemas de propagación odistancia. Luego se desarrolla el uso de formatos de codificación para protección variable de errores

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Sistemas GPRS-EDGE

Codificación GPRS (Coding Schemes)

• CS-1: Nivel C/I muy bajo. 1/2 code rate, 9.05 Kbps payload data rate, 181 bits en 20 ms.

1/2 encoder, 12 bits in, 24 bits out.

• CS-2: Usa 2/3 code rate, 13.4 Kbps payload data rate of, 268 bits en 20 ms.

2/3 encoder, 12 bits in, 18 bits out.

• CS-3: Usa 3/4 coder rate, 15.6 Kbps payload data rate, 312 bits en 20 ms.

3/4 encoder, 12 bits in, 16 out.

• CS-4: Nivel ideal C/I. Sin codificación de correcciones, 1 code rate (12 in, 12 out)

maximum payload data rate of 21.4 Kbps, or 428 bits per 20 ms.

La máxima tasa de datos para una trama GPRS se dará utilizando los 8 TS. Luego es: 8 × 21.4K = 171.2 Kbps.

Interleaving: Es usado para esparcir los bits en la ráfaga de datos. Si una ráfaga de datos tieneerrores significativos, estos no afectan los bits adyacentes, lo cual haría imposible su corrección,facilitando el trabajo de las técnicas de correcciçón de errores

Ejemplo:

ELECTRONICA ELEOIACTRNC ELXCTRXNXCX

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Sistemas GPRS-EDGECodificación GPRS - EDGE (Coding Schemes)

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Sistemas GPRS-EDGEFormato EDGE

• EDGE es un upgrade para GPRS, e integración en redes GSM.

• GPRS: gross payload por time slot es 116 bits

• EDGE: gross payload llega hasta 464 bits. Este incremento se logra por el uso de un formato de modulaciónmayor y diferentes tasas de codificación.

• GPRS: modulación GMSK (igual a GSM). Esto quiere decir que el upgrade de una BTS GSM para soportarGPRS era en teoría un cambio de software.

• EDGE usa un nuevo formato de modulación: eight-phase shift keying (8PSK). Esto quiere decir que elupgrade hacia EDGE involucra nuevos TRX’s y su instalación es mas compleja. El técnica de manejo depaquetes es idéntica en EDGE y GPRS.

GMSK 8-PSK

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Sistemas GPRS-EDGEModulación y Codificación EDGE

• En 8-PSK, cada cambio de símbolo representa 3 bits de información. En GSM y GPRS, cada cambio desímbolo representa 2 bits. Así se permite una mayor tasa de datos.

• La Modulación EDGE puede ser intercambiable. Ejemplo: Un TS con GMSK, y el siguiente TS con 8PSK.

• El móvil necesitará mayor potencia recepción RF para recibir la señal 8PSK.

• La diferencia entre los niveles necesarios para una calidad de BER para EDGE y GMSK son muy considerables, así deben planificarse colocar mas estaciones para obtener la misma cobertura y perfomance. Se piensa en amplificadores basados en superconductores con figuras de ruido muy altas.

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Situación Actual: Tecnologías Comunicaciones Móviles MundoEDGE / EGPRS: Enhanced Data Rate for GSM Evolution

DTM:Dual Transfer Mode

CS: Circuit SwitchedPS: Packet Switched

MBMS: Multimedia Broadcast Multicast Service

EDGE Ph2:Adaptative MultiRate Codec (AMR)

HSPA:High Speed Packet Access

3GPP:Third GenerationPartnership Project Evolución GSM3GPP2:Evolución CDMA

Rev A: 3.1 MbpsRev B: hasta 73 MbpsRev C: hasta 200 Mbps

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Situación Actual: Convergencia con Redes de Próxima Generación

UTRAN:UMTS Terrestrial Radio Access Network

GERAN:GSM Edge Radio Access Network

HSCSDHigh Speed Circuit Switched Data

FDDFrequency Division Duplexing

TDDTime Division Duplexing

TD-SCDMATime Division-Synchronous CDMA

EDCH

CAMEL

IMSIP Multimedia Subsystem

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Muchas Gracias