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Prototipo de una estacin celular porttil para atencin de emergencias 20 Ago 2012

Escuela de Ingenieras UPB, Ingeniera Electrnica. Universidad Pontificia Bolivariana

Prototipo de una Estacin Celular Porttil para

Atencin de Emergencias

Julin D. VSQUEZ, Ivn F. SANTA, Jos V. RESTREPO

Universidad Pontificia Bolivariana; Cir. 1 #70-01, B11, Medelln, Colombia.

[email protected]

Resumen: Este artculo presenta el prototipo de una Estacin Celular Porttil con gestin de usuarios, control de

llamadas, y cobertura limitada que hace uso de la tecnologa de telefona mvil para coadyuvar en la atencin de

desastres o emergencias donde las redes tienen una alta probabilidad de colapsar o carecen de cobertura necesaria en

el lugar del suceso. El proyecto OpenBTS se utiliz como referencia con el fin de disear el prototipo. OpenBTS

genera una interfaz de aire Um, esta es la interfaz entre la MS y la BTS que se usa para establecer la comunicacin

entre la MS y la BTS en una arquitectura de red GSM convencional. OpenBTS hace uso del hardware USRP y el

software GNU Radio corriendo sobre un computador. Adems utiliza el software Asterisk para realizar el control

y conmutacin de las llamadas. Copyright 2012 UPB.

Abstract: This paper presents a Portable Cellular Station prototype with user management, call control and limited

coverage which uses the mobile phone technology to help in the process of disaster and emergency attention where

telecommunication networks present high chances of collapsing or lack an optimal coverage in the location of the

event. The project OpenBTS was used as reference in order to design the prototype. OpenBTS generates a GSM air

interface Um, it is the interface between the MS and the BTS which is the one used to establish communication

between the MS and BTS in a conventional GSM network architecture. OpenBTS uses USRP hardware and the

GNU Radio software running on a computer. It also uses the Asterisk software to control calls and perform call

switching.

Keywords: OpenBTS, USRP hardware, GNU Radio, Asterisk, Prototype, Portable Cellular Station, disasters.



1. INTRODUCCIN

Las redes de telecomunicaciones son un elemento de gran

importancia para las sociedades. Desafortunadamente en

situaciones de emergencia las redes tienen una alta probabilidad

de colapsar o carecen de la cobertura necesaria para ser utilizadas

en el lugar del suceso. En casos de desastres como terremotos,

tsunamis, inundaciones, incendios, o emergencias como

apagones, fallas de la red o atentados terroristas, no se cuenta con

celdas celulares mviles de respaldo para su uso inmediato.

Por ejemplo, luego del terremoto de Hait, se evidenci la

necesidad de disponer rpidamente de los servicios

telecomunicaciones para facilitar las labores de rescate. Adems,

se observ que la alta disponibilidad y uso de telfonos celulares

entre la poblacin, incluso en pases subdesarrollados, los hace un

instrumento fcil y prctico para la ubicacin de personas

atrapadas bajo estructuras colapsadas.

Por otra parte, hay que tener en cuenta que los operadores de

telefona celular funcionan bajo un modelo de oferta-demanda que

los imposibilita financieramente para dar cobertura en lugares con

poca poblacin o prestar servicios gratuitos en casos de

emergencia, razn por la cual se considera necesario que los

entes gubernamentales y de atencin a desastres dispongan de una

red de telefona celular autnoma, porttil, de corto alcance y sin

tarificacin, que brinde servicios en lugares donde sea necesario

por razones de emergencia o por inaccesibilidad a la red pblica

celular.

En tal caso, se requiere un recurso que incorpore los telfonos

celulares, haga uso de la tecnologa de telefona celular,

requiera baja inversin y tenga la posibilidad de operar sin costo

para que permita la comunicacin entre los afectados por una

calamidad y los organismos de rescate. La solucin que se

formula en el presente trabajo es el desarrollo e implementacin

de un prototipo de estacin celular porttil con gestin de

usuarios, control de llamadas y cobertura limitada. No se

implementa un sistema de facturacin pues su nico fin es el uso

en algn evento donde sea requerida una comunicacin gratuita

por entes de prevencin y atencin a desastres o emergencias.

Tampoco se desarrolla una interfaz que permita conectar

llamadas de los usuarios de la microcelda con otros situados en

redes pblicas de comunicacin. El nmero de llamadas

simultneas es limitado.

Para el desarrollo e implementacin de la estacin celular

porttil se acude al proyecto OpenBTS que genera una interfaz de

aire Um del Sistema Global para las Comunicaciones Mviles

(GSM por sus siglas en ingls), que es la interfaz que se usa para

establecer la comunicacin entre la Estacin Mvil (MS pos su

siglas en ingls) y la Estacin Base Transceptora (BTS por sus



siglas en ingls) en una arquitectura de red GSM convencional.

OpenBTS hace uso del hardware Perifrico Universal de Radio

por Software (USRP por sus siglas en ingls) y el software GNU

Radio corriendo sobre un computador para construir una

completa aplicacin de software radio. Adems utiliza el

software Asterisk para realizar el control y conmutacin de las

llamadas.

2. CONCEPTOS GENERALES

2.1. Telecomunicaciones en desastres

El manejo de cada desastre, sin importar su tamao, requiere de la

coordinacin de un gran nmero de agencias nacionales e

internacionales con muchos perfiles diferentes (culturales,

polticos y religiosos) que demandan medios mejorados de

informacin para atender un amplio rango de demandas

conflictivas. Las comunicaciones deben facilitar la coordinacin

entre las agencias nacionales e internacionales que estn en

colaboracin con los esfuerzos de rescate y la oportuna y

relevante gua a la poblacin afectada.

La convergencia de los servicios de telefona est basada en la

separacin funcional de tres componentes principales: La

transmisin de informacin, servicio lgico y definicin de

contenido que puede ser provisionado por un actor nico o por

actores diferentes (Patricelli y Carnevale, 2009).

2.2. Telefona mvil como solucin

Los telfonos mviles pueden desempear un papel importante en

las alertas tempranas y el perodo inmediatamente posterior, al

igual que otros medios de comunicacin. Sin embargo, los

mviles hacen su contribucin especfica y ms valiosa en el

socorro y recuperacin. Una de las razones es la velocidad con

que las redes mviles se pueden recuperar en relacin con

otras formas de comunicacin. La otra es la capacidad nica de

los mviles para descentralizar la informacin y mejorar el

proceso de obtener los recursos adecuados para las personas y los

lugares donde son ms necesarios despus de un desastre. Los

desastres naturales y otras emergencias tales como atentados

terroristas traen a su paso situaciones caticas y complicadas

en las que la gente est asustada e insegura. La informacin

precisa es importante en cada etapa para hacer frente a las

consecuencias inmediatas a travs de socorro y recuperacin.

2.3 Marco regulatorio de comunicaciones mviles en Colombia

Las regulaciones sobre comunicaciones mviles tienen su

mxima directriz internacional en la Conferencia Mundial de

Radiocomunicaciones que se rene cada cinco aos con la

participacin de todos los pases de mundo. All se aprueba el

Cuadro de Atribuciones de Bandas de Frecuencia Global

(CABFG) que establece las bandas obligatorias para un servicio

en particular y las bandas sobre las que el pas tiene autonoma. A

nivel nacional es el Cuadro Nacional de Atribucin de Bandas



de Frecuencias (CNABF) quien detallada la divisin del espectro

radioelctrico y sus diversos usos asignando a cada servicio una

o ms bandas de frecuencia.

El espectro radioelctrico es un bien pblico inenajenable e imprescriptible, sujeto a la gestin y control del Estado de conformidad con el artculo 75 de la Constitucin Poltica de

Colombia y los artculos 101 y 102 que establecen que se trata de

un bien pblico que pertenece a la Nacin.

El Ministerio de Tecnologas de la Informacin y las

Comunicaciones es la mxima autoridad de las

telecomunicaciones en Colombia, encargado entre otras

responsabilidades, de planear, asignar, gestionar el espectro

radioelctrico y otorgar los permisos para su uso. Mantiene

actualizado el CNABF y coordina el sector de las

comunicaciones ante el Sistema Nacional para la Prevencin y

Atencin de Desastres (SNPAD).

3. DESARROLLO E IMPLEMENTACIN DE UNA BTS GSM

3.1. Asterisk

Es una plataforma de telefona de cdigo abierto que se

compone de un servidor de comunicaciones permitiendo realizar

un procesamiento personalizado de llamadas telefnicas y que

incluye una variedad de aplicaciones y servicios que pueden

usarse libremente de acuerdo a la necesidad. Asterisk est

construido sobre mdulos haciendo que la principal

caracterstica de la arquitectura de Asterisk sea la flexibilidad,

contando con la posibilidad de aplicaciones preconstruidas como

el correo de voz y la respuesta de voz interactiva; u otras que

pueden ser combinadas para crear aplicaciones personalizas de

voz tales como la reproduccin de un archivo de sonido, la

lectura de dgitos y el reconocimiento de voz (Bryant, 2011).

Asterisk est compuesto de recursos que usan directorios sobre

Linux para almacenar y administrar funcionalidades como

grabaciones de voz, msica en espera, almacenamiento temporal

y archivos de configuracin.

3.2. GNU Radio

Es un software de cdigo abierto distribuido bajo la Licencia

Pblica General en su tercera versin (GPLv3 por sus siglas en

ingls), que proporciona un conjunto de libreras de desarrollo

para crear sistemas de Radio Definido por Software (SDR por sus

siglas en ingls). Muchas aplicaciones realizadas con GNU Radio

son simplificadas a travs de framework con bloques que incluyen

filtros, demoduladores, vocoders y otros elementos de

manipulacin de seales, permitiendo la implementacin de un

procesamiento digital de seales por medio de grafos (teora de



grafos) (Watermeyer, 2007). El framework de GNU Radio est

diseado con una arquitectura de dos capas: La de diseo y la de

procesamiento de seal. En la primera se usa el lenguaje de

programacin Python para construir y correr un grafo. En la

segunda los bloques de Procesamiento Digital de Seales (DSP

por sus siglas en ingls) son implementados en el lenguaje de

programacin C++. (Mekovi, 2008)

Al ser componente de software libre se tiene acceso al cdigo

fuente. Adems cuenta con soporte disponible a travs de foros y

listas de correos que lo convierte en una eleccin ideal para

trabajos de investigacin dentro de aplicaciones de radio.

3.3. USRP

Es un dispositivo de Hardware libre que en conjunto con un

computador permite implementar y disear sistemas de

radiocomunicaciones potentes, flexibles a muy bajo costo y

mnimo esfuerzo. La combinacin de Hardware y Software libre

se convierte en la plataforma ideal para que un computador

convencional funcione como un software radio de alto ancho de

banda. El USRP tiene como objetivo realizar el procesamiento de

seales especficas como modulacin, demodulacin,

interpolacin. Todo lo anterior en un computador sin tener que

comprar ningn software o pagar una licencia (Hamza, 2008). Su

flexibilidad permite satisfacer las opciones de los usuarios al

punto que algunos de ellos han creado su propio ambiente SDR

para correr sobre USRP, mientras otros han usado USRP

integrado con software como LabVIEW o

MATLAB/Simulink (ET, 2010).

El USRP1 es el hardware original de la familia de productos

USRP; el montaje completo del USRP1 cuenta con 2 niveles de

tarjetas: el primero es la tarjeta madre (motherboard) en donde se

puede identificar una Matriz de Compuertas Programables en

Campo (FPGA por sus siglas en ingls), la alimentacin, la

conexin va el Bus Serial Universal (USB por sus siglas en

ingls) y los 4 slots para conectar el segundo nivel conformado

por las tarjetas hijas (daughterboards), que proporcionan

flexibilidad, integrando completamente un front end de Radio

Frecuencia (RF por sus siglas en ingls) que es implementado por

medio de estas tarjetas hijas aadidas a el USRP1. Aunque el

USRP se utiliza con frecuencia para investigaciones, ha sido

usado en gran variedad de aplicaciones como las comerciales, de

defensa y seguridad nacional, redes inalmbricas y aplicaciones

pedaggicas.

3.4. GSM

GSM fue el sistema de telefona mvil de segunda generacin

ms exitoso, extendindose en gran parte del mundo. Basados en

GSM han surgido otros sistemas y sus mejoras aportaron a la

tercera generacin de la telefona mvil celular, cuya extensin se



denomina Sistema Universal de Telecomunicaciones Mviles

(UMTS por sus siglas en ingls).

La arquitectura de la red GSM se divide en varios niveles

jerrquicos denominados subsistemas. Empezando por la MS, que

consiste en dos elementos: el Equipo Mvil (ME por sus siglas en

ingls) y un Mdulo de Identidad de Usuario (SIM por sus siglas

en ingls) que personaliza una terminal mvil, permite que un

usuario pueda acceder a la red y obtener los servicios a los que

est inscrito desde cualquier equipo de usuario. El equipo mvil

adems cuenta con un nmero de Identidad Internacional de

Equipo Mvil (IMEI por sus siglas en ingls).

Los componentes de los diferentes subsistemas de la red GSM se

interconectan por medio de interfaces como se aprecia en la Fig. 1

Las interfaces ms relevantes son la interfaz Um, la interfaz A-bis

y la interfaz A (Gorricho y Gorricho 2002). Entre la MS y la BTS

est la interfaz Um. La interfaz A-bis se encuentra entre la BTS y

el Controlador de Estacin Base (BSC por sus siglas en ingls).

La interfaz A est entre el BSC y el Centro de Conmutacin

Mvil (MSC por sus siglas en ingls). Ests interfaces establecen

la comunicacin entre los elementos de la red GSM.

GSM, para coordinar las funcionalidades distribuidas, requiere de

protocolos de sealizacin que son especificados usando el

concepto del modelo de Sistema Abierto de interconexin (OSI

por sus siglas en ingls), por capas. GSM est estructurado en tres

capas generales que conforman la pila de protocolos GSM

dependiendo de la interfaz (Hamdi, 2006).

GSM utiliza la tcnica de acceso FDD/FDMA/TDMA lo que

significa que se hace en Dplex por Divisin en Frecuencia (FDD

por sus siglas en ingls), el multiplexado de las comunicaciones

Figura 1. Arquitectura bsica de la red GSM.

MUOZ, David. Sistemas inalmbricos de

comunicacin personal. Mxico: Alfaomega, 2002



es una combinacin de Acceso Mltiple por Divisin en

Frecuencia (FDMA por sus siglas en ingls) y Acceso Mltiple

por Divisin en el Tiempo (TDMA por sus siglas en ingls),

combinado con Saltos de Frecuencia (Frecuency Hopping) (ET 2010). El uso de FDD divide la banda de operacin de GSM en

dos, definiendo una banda de frecuencia usada para la trasmisin

de la MS a la BTS, conocida como uplink (enlace de subida) y

otra banda de frecuencia usada para la trasmisin de la BTS a la

MS, conocida como downlink (enlace de bajada). Al usar la

tcnica FDMA las bandas de uplink y downlink son separadas en

canales de radio con un ancho de banda de 200 KHz cada uno.

Los canales de uplink y downlink son identificados por el Nmero

de Canal de Radio Frecuencia Absoluto (ARFCN por sus siglas

en ingls) que determina los canales de trasmisin y recepcin

que se van a usar.

En la red GSM se define tambin un sistema especfico de

numeracin que identifica a una estacin mvil. La Identidad

Internacional del Suscriptor Mvil (IMSI por sus siglas en ingls)

es un nmero nico que permite la identificacin nica de una MS

dentro de la red GSM. El IMSI est compuesto de tres partes, el

Cdigo Mvil del Pas (MCC por sus siglas en ingls), el Cdigo

de la Red Mvil (MNC por sus siglas en ingls) y el Nmero de

Identificacin del Suscriptor (MSIN por sus siglas en ingls). El

MCC identifica en qu pas est la MS, el MNC identifica en qu

operador de telefona mvil est registrada la MS y el MSIN es un

nmero nico que identifica a la MS dentro de la red GSM.

3.5. OpenBTS

OpenBTS es una aplicacin Unix que usa un software radio para

generar una interfaz de aire GSM Um que permite operar con

cualquier telfono celular GSM estndar. Para conectar las

llamadas usa un software de Ramal privado de conmutacin de

Voz sobre Protocolo de Internet (VoIP-PBX por sus siglas en

ingls) llamado Asterisk (Burgess y Samra, 2008).

El proyecto OpenBTS permite que los celulares vean una

completa red GSM a travs de su interfaz de aire Um y donde

ellos a su vez son vistos como terminales VoIP utilizando el

Protocolo de Inicio de Sesin (SIP por sus siglas en ingls). Es

decir, como un cliente SIP dentro de Asterisk, permitiendo de esta

forma hacer llamadas telefnicas sin usar las redes de los

operadores convencionales. El proyecto OpenBTS forma la base

de un nuevo tipo de red celular que puede ser desarrollada y

operada a un costo ms bajo que las tecnologas existentes en

muchas aplicaciones, incluyendo zonas rurales y redes privadas de

celular en reas remotas (GRP, 2011a).

OpenBTS est basado en hardware y software libre y est

distribuido en dos formas: release pblico ("P"); distribuido bajo

Licencia Pblica General de Affero en su tercera versin

(AGPLv3 por sus siglas en ingls) con los copyrights asignados a

la Fundacin para el software libre (FSF por sus siglas en ingls).

Este release es para propsitos de experimentacin, educacin,

evaluacin y prueba de conceptos para proyectos de investigacin.



Y release comercial ("C") instalado en los productos de Range

Networks bajo una mezcla de licencias de GPL y otras que no son

GPL. El cdigo fuente de los componentes de instalacin de

OpenBTS tiene licencia GPL disponible para los clientes

comerciales. El release comercial "C" proporciona caractersticas

adicionales de seguridad, escalabilidad y la operacin de redes

multi-BTS (RN, 2011a).

La arquitectura de OpenBTS es diferente de la arquitectura

jerrquica GSM convencional, donde la BTS GSM es manejada

externamente por la BSC y la conexin de las llamadas se realiza

en un remoto MSC. Debido a la diferencia en la arquitectura se

hace referencia al producto final del proyecto OpenBTS con el

nombre de Punto de Acceso GSM (Burgess y Samra, 2008; Steil,

2010 ).

OpenBTS hace uso del hardware USRP y el software GNU Radio

corriendo sobre un computador para construir una completa

aplicacin de software radio, adems utiliza el software Asterisk

para realizar el control y conmutacin de las llamadas. La Fig. 2

muestra la arquitectura de OpenBTS en la que se observa un

servidor Asterisk conectado a travs de una red IP privada, sin

embargo, Asterisk puede ser instalado en el mismo computador

corriendo localmente junto a GNU Radio y OpenBTS.

Los datos enviados por la MS a la BTS (uplink) son capturados

por la antena receptora conectada a la tarjeta hija de recepcin, la

cual traslada la seal a una frecuencia intermedia para poder

digitalizar los datos por medio de los Conversores Anlogo-

Digitales (ADC por sus siglas en ingls) y que los Conversores

Digitales de Bajada (DDC por sus siglas en ingls) realicen el

diezmado para enviarlos por medio de la interfaz USB 2.0 al

computador.

Al llegar los datos al computador se entra al mundo del software,

donde la implementacin de OpenBTS est estructurada al igual

Figura 2. Arquitectura de OpenBTS. Autores



que la pila de protocolos GSM, por capas, siguiendo el modelo de

referencia OSI. La estructura general est compuesta por tres

capas que son:

L1, Capa fsica. El radiomodem, TDM, codificacin y correccin de errores. GSM 04.04 y GSM 05.xx series.

L2, Capa de enlace. Direccionamiento, segmentacin y retransmisin (LAPDm), GSM 04.05 y 04.06, ITU-T

Q.921.

L3, "Layer 3". Administracin de la conexin y sealizacin, GSM 04.07, 04.08, 04.10, 04.11, 04.12 y

ITU-T Q.931 (Burgess y Samra, 2008).

4. ANLISIS Y DISEO DE LA SOLUCIN

Para la solucin se trabaj en la implementacin de un prototipo

de microcelda celular GSM con la cual la comunicacin al

momento de un desastre pueda ser brindada a cada persona

utilizando su celular registrado en la microcelda. El punto de

partida fue utilizar la integracin del software y hardware libre

para facilitar las comunicaciones de las personas, incluyendo los

organismos de socorro, en un escenario donde las redes de

telecomunicaciones colapsen e incluso se presente una deficiencia

en la red de energa elctrica.

Siguiendo la recomendacin de Flores (Flores, 2011), se utiliz

Ubuntu 10.04 LTS Desktop. Se realiz la instalacin del software

GNU Radio en su versin 3.4.2, que cuenta con el soporte para el

USRP1. Posteriormente se procedi a instalar el software

OpenBTS, versin P2.6 Mamou, que brinda la implementacin de

la pila de protocoles GSM. Por ltimo, se instal el software

Asterisk, en la versin 1.6.2.22. Se inici el estudio de la

configuracin para el funcionamiento de Asterisk. Bsicamente

los archivos de configuracin extensions.conf y sip.conf, como

tambin, las funciones y aplicaciones del plan de marcado

(dialplan).

4.1. Requerimientos de software

Se utiliz el sistema operativo Ubuntu 10.04 LTS (Lucid Lynx)

debido a que estas distribuciones poseen el mejor soporte de

dependencias para poder posteriormente configurar, compilar e

instalar GNU radio, OpenBTS y Asterisk (Flores, 2011).

Para construir e instalar OpenBTS se necesita tener instaladas las

siguientes dependencias: el controlador para el USRP1 libusrp, la

librera SIP oSIP2 y la librera oRTP (GRP, 2001b). Libusrp est

disponible una vez se instale GNU Radio, oSIP2 y oRTP estn

disponibles a travs del sistema de gestin de paquetes (apt-get)

en Ubuntu 10.04 LTS.



Se recomienda utilizar GNU Radio, versin estable 3.4.2, porque

las actuales versiones no tienen soporte para el controlador

libusrp (GRP, 2011c).

Se trabaj con la versin de Asterisk 1.6.2.22. Las versiones

basadas en Asterisk 1.8 presentan un problema a nivel de SIP

trabajando con OpenBTS, el cual provoca que las llamadas se

terminen a los 32 segundos (Flores, 2011). Finalmente, se us la

versin OpenBTS P2.6 Mamou.

4.2. Requerimientos de hardware

Computador porttil con procesador Intel Atom de 1.5 GHz, 2GB

de memoria RAM y puerto USB-2.0.Es probable que en mquinas

virtuales no funcione.

El paquete USRP-PKG que incluye la tarjeta madre

(motherboard), la carcasa, 2 cables RF con conectores SMA, cable

USB, fuente de poder y componentes para el ensamble.

Dos tarjetas hijas (daughterboards) RFX900 con figura de ruido

de 8dB, que pueden cubrir las bandas GSM 850/900. Es

recomendable usar dos tarjetas hijas para minimizar la diafona

entre la trasmisin y la recepcin.

Dos antenas VERT900 (una por cada tarjeta hija) con las

siguientes caractersticas: Antena vertical omnidireccional, 3dBi

de ganancia. 824 a 960 MHz, 1710 a 1990 MHz, cuatribanda

Cellular/PCS y banda ISM. Trabaja con las tarjetas hijas WBX,

RFX900, RFX1800.

Equipos celulares GSM con SIM cards. Estos deben funcionar en

modo de bsqueda manual de red.

Se trabaj con un reloj Fairwaves lockTamer especialmente diseado para usarse con el USRP1, de referencia de 52 MHz con

precisin mayor a 0,05 ppm. El USRP1 tiene por defecto un reloj

de 64 MHz que no es el adecuado para el buen funcionamiento de

GSM.

5. PRUEBAS, AJUSTES Y RESULTADOS FINALES

La operacin de la microcelda inicia conectando el USRP1 a la

energa y luego al puerto USB2.0 del computador. Por una

terminal se inicia corriendo OpenBTS y por otra terminal se

conecta remotamente al prompt de la interfaz de Lnea de

Comandos (CLI por sus siglas en ingls) de Asterisk.

Es importante conocer cules son los comandos tiles desde el

prompt CLI de OpenBTS y Asterisk. La Tabla 1 describe estos

comandos para OpenBTS y la Tabla 2 para Asterisk.



Tabla 1. Comandos relevantes desde el prompt CLI de OpenBTS

COMANDO DESCRIPCIN

help Lista todos los comandos disponibles.

help Informacin de un comando particular.

exit Cierra OpenBTS.

cellid Muestra el ID de la celda.

rolllac Incrementa el LAC en uno.

sendsms

Enva un mensaje de texto al IMSI desde

el nmero SRC

tmsis Lista el IMSI asociado y el respectivo

TMSI

tmsis clear Borra la tabla de TMSIs

power Inspecciona o cambia la potencia de

downlink

Tabla 2. Comandos relevantes desde el prompt CLI de Asterisk

COMANDO DESCRIPCIN

dialplan reload Recarga el plan de marcado.

sip reload Recarga el archivo sip.conf.

sip show peers Muestra los dispositivos SIP y su

estado.

exit Cierra el CLI pero no para Asterisk.

Luego se conectan los celulares a la microcelda teniendo en

cuenta que, por defecto, el modo de bsqueda es automtico y hay

que cambiarlo a modo de bsqueda manual para que los celulares

inicien la bsqueda de redes disponibles. Una vez hecho esto, la

pantalla del celular muestra la lista de redes disponibles, se elige

la red OpenBTS; en algunos casos podra mostrar el nombre como

por ejemplo 732003 que corresponde al MCC 732 y MNC 003 configurado anteriormente en el archivo OpenBTS.config. De esta forma el celular, al conectarse con la microcelda, recibe

un mensaje indicando cul es el IMSI del celular. Igualmente se

puede observar en la terminal donde estaba corriendo OpenBTS

un mensaje que dice: LocationUpdatingController registration FAIL: IMSI=732103022299561.



Posteriormente se cambi el plan de marcado para manejar de

forma automtica la asignacin del nmero de extensin de los usuarios de la red estableciendo el parmetro autocreatepeer=yes

el cual realiza una especie de autoregistro porque permite la

aceptacin de cualquier intento de registro de usuario SIP con

Asterisk PBX.

La siguiente prueba consisti en definir el usuario SIP con el

IMSI proporcionado en las pruebas anteriores para cada celular.

Se realizaron los ajustes registrando en el archivo sip.conf el IMSI

como nombre de usuario SIP, y en el extensions.conf un pequeo

plan de marcado (dialplan) que aade un nmero de extensin por

telfono y ejecuta la aplicacin de marcado cuando se digite el

nmero de las extensiones.

Se ajust el archivo OpenBTS para agregar el mensaje de

bienvenida: Bienvenido a EmergencyBTS para registrarse marque 1234. Si se observa la terminal donde est conectado a Asterisk, se puede ver que un nuevo IMSI ha sido registrado. Al

marcar 1234 se asigna el nmero 1001 al celular. El paso anterior

se repite con los otros celulares, asignando los nmeros 1002,

1003 y as sucesivamente hasta el nmero 1012. En la terminal

donde est conectado Asterisk se pueden evidenciar los pasos de

registro y asignacin de nmeros en el prompt CLI de Asterisk.

Hay que tener en cuenta que una tpica configuracin para un solo

ARFCN soporta 7 llamadas concurrentes (RN, 2001b).

Para aadir otro cliente SIP al sistema se utiliz el softphone

Zoiper. Se logr conectar el telfono Samsung GT-E1086L, el

Alcatel OT-203 y se agreg un Huawei G6620.

La prueba se realiz en un stano con la seal de los operadores

nula. Es preciso aclarar que la prueba se debe realizar en una zona

donde la seal de los operadores celulares sea nula, con el fin de

que la seal que genera OpenBTS no sea enmascarada por la seal

de los operadores.

Por ltimo, se midi como cobertura unos 10 metros. La conexin

se realiz sin necesidad de quitar la batera y la SIM card, se

probaron los mensajes enviados desde la terminal donde corre

OpenBTS con el comando sendsms.

6. POSIBLES MEJORAS AL PROTOTIPO

El rango de cobertura mximo definido en la especificacin GSM

de una BTS a una MS es de 35 Km. Segn Pahlavan (Pahlavan y

Krishnamurthy, 2002), las microceldas abarcan desde cientos de

metros hasta 1 km ms o menos. Con un USRP1 ms dos tarjetas

hijas WBX, aproximadamente se logran 25 metros, empero, la

versin OpenBTS P2.6 Mamou no posee soporte para trabajar con

una sola tarjeta hija RFX ni para tarjetas hijas WBX; es necesario

utilizar la versin OpenBTS-UHD (GNP, 2011d).

El alcance de sistemas simples basados en la familia USRP no

est limitado por la potencia de trasmisin o ganancia del



receptor. El principal factor que limita el rendimiento de una BTS

es el aislamiento entre el uplink y el downlink., No tiene ningn

sentido incrementar la potencia de salida e intentar mejorar la

ganancia del receptor a menos que se tenga ms de 130 dB de

aislamiento entre el receptor y el trasmisor. Inclusive se podra

mejorar el alcance disminuyendo la potencia de salida que est

determinada por la tarjeta hija, en el presente trabajo con el uso de

la RFX900 ser de 200 mW (23 dBm), por lo que en algunos

casos se incrementar el rango de cobertura disminuyendo la

potencia a 10 mW (10 dBm).

OpenBTS puede ajustar automticamente su potencia de downlink

(la trasmisin de la BTS a la MS) para limitar carga y prevenir

congestin. Esta caracterstica es especialmente til en reas

donde hay gran cantidad de suscriptores (RN, 2011b). Tambin

existen aplicaciones donde se requiere limitar la potencia a

trasmitir. Para esto, el archivo de configuracin OpenBTS.config

cuenta con los siguientes dos parmetros:

GSM.PowerManager.MinAttenDB; que determina la mnima

atenuacin permitida dada en dB, estableciendo el mximo de

potencia de salida y GSM.PowerManger.MaxAttenDB; que

determina la mxima atenuacin permitida dada en dB,

estableciendo el mnimo nivel de potencia de salida.

Para lograr una mayor cobertura se pueden mejorar la potencia y

el alcance usando los siguientes componentes entre el USRP1 y la

antena: Un duplexer, un amplificador de potencia, un

Amplificador de Bajo Ruido (LNA por sus siglas en ingls), un

Filtro Pasa Banda (BPF por sus siglas en ingls). La Fig. 3

muestra el diagrama de bloques de la distribucin de los

componentes tanto en la trayectoria de trasmisin como de

recepcin.

7. CONCLUSIONES

Mediante una Estacin Celular Porttil se puede contribuir en la

atencin de desastres o emergencias donde las redes tienen una

alta probabilidad de colapsar o carecen de cobertura necesaria en

Figura 3. Diagrama de bloques de la distribucin de

los componentes. Autores



el lugar del suceso, adems se ha comprobado que por medio de

las comunicaciones se han mitigado los efectos de los desastres.

El prototipo de una Estacin Celular Porttil se puede desarrollar

apelando al proyecto OpenBTS que genera una interfaz de aire

GSM Um, que es la interfaz que se usa para establecer la

comunicacin entre la MS y la BTS en una arquitectura de red

GSM convencional.

OpenBTS hace uso del hardware USRP y el software GNU Radio

corriendo sobre un computador. Adems utiliza el software

Asterisk para realizar el control y conmutacin de las llamadas.

Usando dos tarjetas hijas RFX900 con un duplexer, un

amplificador de potencia, un LNA, y un BPF se podra obtener un

rango de 2.3 Km.

Dentro de las ventajas que tiene la telefona mvil celular es la

rpida restauracin de su red comparada con otro tipo de

comunicacin de difusin como la televisin o el radio, otra

ventaja es la descentralizacin de la comunicacin lo que permite

que la informacin se transmita persona a persona.

Para la implementacin y desarrollo de la estacin se usaron

hardware y software libre que traen ventajas porque se tiene

acceso al cdigo fuente, adems cuenta con soporte disponible a

travs de foros y listas de correos, igual que todos los

esquemticos y lista de materiales para el hardware.

Para implementacin y desarrollo de la estacin celular se us el

sistema operativo Ubuntu 10.04 LTS, en el cual se instalaron

eficientemente los programas para el despliegue de la solucin.

En el software se utiliz la versin de Asterisk 1.6.2.22 porque las

versiones basadas en Asterisk 1.8 presentan problemas integradas

con la versin de OpenBTS P2.6 Mamou que fue usada. Adems

se utiliz GNU Radio 3.4.2.

OpenBTS implementa la pila de protocoles GSM y permite que un

celular GSM estndar sea visto como un cliente SIP dentro de

Asterisk, permitiendo de esta forma hacer llamadas telefnicas sin

usar las redes de los operadores convencionales.

El USRP1 tiene por defecto un reloj de 64 MHz que no es el

adecuado para el buen funcionamiento de GSM, por lo que es

necesario utilizar uno de 52 MHz con una alta precisin mayor a

0.05 ppm. El reloj Fairwaves lockTamer viene especialmente diseado para usarse con el USRP1.

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esis.pdf

AUTORES

Julin David VSQUEZ GUTIERREZ, naci en

Barrancabermeja, Santander el 13 de septiembre de

1988. Obtuvo su ttulo de bachiller acadmico con

profundizacin en humanismo cristiano del Seminario

San Pedro Claver. Actualmente es egresado prximo a

graduarse del programa de Ingeniera Electrnica de la

Universidad Pontificia Bolivariana, adems trabaja como

Ingeniero Analista de Soporte de Telefona IP en la empresa

Sapian S.A.S.

Ivn Fernando SANTA RAMREZ, naci en Andes,

Antioquia el 9 de agosto de 1988. Obtuvo su ttulo de

bachiller en la modalidad de Ciencias y Matemticas

del INEM Jos Flix de Restrepo. Actualmente es

egresado prximo a graduarse del programa de

Ingeniera Electrnica de la Universidad Pontificia Bolivariana,

adems trabaja como Director de Proyectos de telefona IP en la

empresa DoctorPC Systems S.A.

(a) prototipo de una estacion celular portatil para atencion de emergencias 1fxqns

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