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GSMGlobal System for Mobile CommunicationsIng. Bruno Benedetti – bbenedetti@fing.edu.uy

Instituto de Ingeniería Eléctrica

Facultad de Ingeniería – Universidad de la República

Agosto 2018 – Montevideo, Uruguay

Contenido

Introducción

Arquitectura de la red GSM

Interfaz de Radio

Canales Lógicos y Canales de Transporte

Interfaces y Protocolos

Introducción

Estandarización: abierto y adoptado por ETSI en 1991

Mejora en calidad de voz

RoamingSeparación entre

equipo (ME) y usuario (SIM)

Seguridad con encriptación

Servicio de datos (GPRS/EDGE)

Interconexión con PSTN

En la actualidad su uso está en

decrecimiento

¿Por qué GSM?GSM: Global System for Mobile Communications

Mejoras en eficiencia espectral respecto a su precursor analógico AMPS.

IS-95 también fue una tecnología 2G, digital y hasta mejor espectralmente.

GSM de todas formas ganó ampliamente en el mercado.

Estándar ETSI abierto y con servicios de roaming, lo que facilitó su globalización.

Separación entre equipo y usuario con introducción de SIM.

El curso estará entonces enfocado hacia GSM.

Arquitectura de la red GSM

BTS

BSC

BTS

Abis

Abis

Um

MS

A

A

PLMN/PSTNBTS

BSC

BTS

Abis

Abis

Um

MS

EIR HLR AUC

GMSC

C

H

F

MSC

VLR

BSS NSS

Network Switching SubsystemCore Network (CN) de la red GSM

Ruteo de llamadas entre MS y la misma PLMN, otras PLMN, PSTNs.

Tarificación

Movilidad interBSC

Roaming

Autenticación

Servicios de Valor Agregado

Network Switching SubsystemMSC – Mobile Switching Controller

• Enrutamiento de llamadas.

• Tarificación y autenticación.

• Control de BSCs a su cargo y movilidad interBSC.

• Ubicación del móvil: LAC → Paging.

GMSC – Gateway Mobile Switching Center

• Comunicación hacia otras PSTN o PLMN.

• Encargado de determinar red PLMN o PSTN de destino.

El MSC es encargado de la señalización, el plano de control (CP) de la llamada.

El plano de usuario en tráfico de voz (UP) es manejado por un Media Gateway (MGW).

Interfaz Mc para comunicación entre MSC y MGW a través de H.248

Network Switching Subsystem

HLR – Home Location Register

• Base de datos permanente de usuarios.

• Posee información de IMSI, MSISDN, VLR actual. Importante en routeo de llamadas.

• Puede ser compartido por más de un MSC.

VLR – Visitor Location Register

• Base de datos local y temporal del MSC; generalmente integrada en HW.

• Toma información del HLR de aquellos usuarios ubicados en su área.

• Ubicación actual del MS.

Network Switching Subsystem

AuC – Authentication Center

• Se utiliza para autenticación de los usuarios de acuerdo al IMSI.

• Cifrado de la comunicación con el móvil.

EIR – Equipment Identity Register

• Base de datos de terminales inhabilitados en la PLMN a través del IMEI.

• Generalmente integrada al HLR.

Base Station Subsystem

BSC – Base Station Controller

• Tiene varias radiobases a su cargo.

• Es la entidad encargada del manejo de las llamadas en la red de acceso.

• Asignación de recursos.

• Control de movilidad.

• Asociado a un MSC que puede tener más de un BSC.

BTS – Base Transceiver Station

• Transmisor y receptor.

• Punto de anclaje del MS a la red.

Mobile Station

ME – Mobile Equipment

• Se identifica con el IMEI.

SIM – Subscriber Identity Module

• Se identifica con el IMSI.

Otras definiciones

Celda

• Area de cobertura dada por un transceptor de la BTS.

LA – Location Area

• Conjunto de celdas.

• Información guardada en VLR para localización del MS.

• Varias LA dentro de un MSC.

Otras definiciones

LAI y CGIMCC: Mobile Country Code

MNC: Mobile Network Code

LAC: Location Area Code

CI: Cell Identifier

MCC MNC LAC CI

LAI: Location Area Identification

CGI: Cell Global Identification

Otras definiciones

MSISDN – Mobile Station ISDN Number

• Número discado para dirigirse al usuario.

MSRN – Mobile Station Roaming Number

• Número temporal asignado a un usuario que se encuentrahaciendo roaming en la red.

Otras definiciones

IMEI – International Mobile Equipment Identity

• Identificador del equipo móvil.

IMSI – International Mobile Subscriber Identity

• Número que identifica al abonado en la PLMN.

TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity

• IMSI temporal utilizado en la señalización dentro de la PLMN. Tiene alcanza dentro del área de servicio del MSC.

• Permite reducir el uso del IMSI.

Interfaz de Radio

Separación entre DL y UL a través de FDD

Acceso al medio FDMA/TDMA

Modulación GMSK: 1 bit/symbol

Interfaz de Radio

FDMA

• Ancho de banda de hasta 25 MHz en GSM850/GSM900 y 75 MHz en GSM1800.

• El ancho de banda disponible se divide en portadoras de 200 kHz.

TDMA

• Se utilizan tramas de 8 time slots en cada portadora.

• Cada TS tiene una duración de 0,577 ms para un total de 4,615 ms.

• Los TS son también denominados canales físicos.

Interfaz de Radio

Canales Lógicos y Canales de Transporte

Canales Lógicos

Tráfico

TCH

TCH/F TCH/H

Control

BCH

FCCH SCH BCCH

CCCH

PCH AGCH RACH

DCCH

SACCH FACCH SDCCH

Canales Lógicos y Canales de Transporte

BCH – Broadcast Channels

• FCCH: Frequency Correction Channel. Señal de sincronismo que identifica portadora con información de BCCH.

• SCH: Synchronization Channel. Encargada de sincronismo lógico. Proporciona información sobre la estructura TDMA.

• BCCH: Información sobre la red; potencia máximo, BCCH de vecinas, etc.

Canales Lógicos y Canales de Transporte

CCCH – Common Control Channels

• PCH: Paging Channel. Canal donde se realiza la búsqueda del móvil de acuerdoal LA. El MS debe estar al tanto de este canal para identificar si le llega unallamada.

• RACH: Random Access Channel. Utilizado por el móvil para solicitar una nuevallamada y/o responder un paging.

• AGCH: Access Grant Channel. Canal utilizado para informar al MS del canal dedicado que se le fue asignado.

Canales Lógicos y Canales de Transporte

DCCH – Dedicated Control Channels

• SDCCH: Stand alone Dedicated Control Channel. Se utiliza para señalización del establecimiento de la llamada y para envío de SMS al MS.

• CBCH: Cell Broadcast Channel. Utilizado para envío de SMS en broadcast.

• SACCH: Slow Associated Control Channel. Control de potencia, time advance y envío de SMS a otro móvil.

• FACCH: Fast Associated Control Channel. Participa en señalización de llamadaactive y en handover.

Canales Lógicos y Canales de Transporte

TCH – Traffic Channels

• Hay dos tipos de TCH, full rate y half rate.

• TCH Full Rate: Tráfico de voz con bitrate de 13 kbps. Utiliza un TS.

• TCH Half Rate: Tráfico de voz con bitrate de 6,5 kbps. Utilizamedio TS.

Mappeo de Canales

Bursts

Bursts

• Formato predefinido que se utiliza para establecer los canales lógicos sobre los canales físicos.

• Cada TS cuenta con 156,25 tiempos de bits: 148 bits + 8,5 bits de período de guarda. Cada tramaentera (8 TS) dura 4,615 ms.

• 5 tipos de burst, cada uno con un formato distinto.

• Normal – TCH y varios CCCH.

• Frequency Correction Burst – FCCH.

• Synchronization burst – SCH.

• Access burst – RACH y FACCH.

• Dummy burst – TS libres.

Normal Burst

Normal burst

• Total de 114 bits útiles.

• 3 bits en tail fijados en 0.

• 26 bits para secuencia de entrenamiento de ecualizador.

• Flags que indican si corresponde a un burst de FACCH.

• Período de guarda correspondiente a 8,5 tiempos de bits, para evitar overlap entre usuarios del mismo frame que transmiten a distintas distancias.

Interfaces y Protocolos

Interfaz Abis

• Interconecta la BTS con el BSC.

• Maneja canales de tráfico y señalización, con el protocolo LAPD.

Interfaz A

• Interconecta el BSC con el MSC.

• Utiliza un TRAU (Transcoder Rate Adapter Unit) para adaptar codecs entre BSC y MSC, de 16 kbps a 64 kbps. En general cerca del MSC para reducir ancho de banda.

• Protocolo de señalización de MAP sobre SS7.

Interfaces del NSS

A

BSC – MSC

B

MSC – VLR

C

MSC – HLR

D

MSC – VLR

E

MSC – MSC

F

MSC – EIR

Las interfaces del CN son implementadas con el protocolo MAP sobre SS7.

MAP: Mobile Application Part

Estandarizado en la TS 09.02 (v2, GSM) y TS 29.002 (v3, UMTS)

Actúa en capa de aplicación para comunicación entre los equipos del CN.

Opera como usuario de TCAP → utiliza redes SS7 como medio de transporte.

Sobre MAP actúa el control de la llamada, en el establecimiento, liberación y movilidad.

Stack de protocolos

CM – Call Management. Establecimiento y liberación de la llamada.

MM – Mobility Management. Servicios de movilidad y localización.

GPRS y EDGEGeneral Packet Radio Service yEnhanced Data rates for GSM Evolution

ContenidoIntroducción

Nuevos Elementos de Red

GTP – Gateway Tunneling Protocol

PDP Context

Access Point

Nuevos Canales

EDGE

Introducción

Surge en un contextode creciente interés en

servicios de Internet

Introducción de servicios de paquetes

basado en la yaexistente red GSM.

“2.5G”.

EDGE (“2.75G”): Mejoras en velocidades

alcanzadas

Arquitectura de la red GPRS

BTS

BSC

BTS

Abis

Abis

Um

MS

A

A

Gb

Gb

PLMN/PSTN

Packet Network

BTS

BSC

BTS

Abis

Abis

Um

MS

SGSN

EIR HLR AUCGs

Gf Gr

Gn

GMSC

GGSN

Gc

C

H

F

MSC

VLR

GERAN CN

PCU

PCU

Nuevos Elementos de Red

PCU – Packet Control unit

• Trabajo análogo al del BSC pero para servicios de paquetes.

• Asinación de recursos.

SGSN – Serving GPRS Support Node

GGSN – Gateway GPRS Support Node

SGSN – Serving GPRS Support NodeEncaminamiento y transferencia de datos.

Gestión de movilidad.

Registro y autenticación de usuario

Tarificación.

Localización de usuario: Routing Area Code (RAC; análogo al LAC en Cs).

Interactua con HLR para información de usuario (tipo de tarificación, servicio contratado, etc.)

Al igual que el MSC, también tiene un VLR asociado, generalmente junto al SGSN.

GGSN – Gateway GPRS Support Node

Interconexión entre el core GPRS y redes IP externas.

Servicio de NAT para intercomunicación entre el móvil y la PDN.

Gestión de pools de direcciones IP y QoS para la conexión.

Anclaje del usuario en movilidad inter-RAT (entre tecnologías).

Interfaces del GPRS CN

Interfaz Gn

• Entre dos GPRS support nodes (SGSN, GGSN) de la misma PLMN.

• Utiliza GTP sobre UDP.

Interfaz Gr

• SGSN – HLR/AuC.

• MAP/TCAP.

Interfaz Gi

• Entre GGSN y la red IP exterior.

Interfaces del GPRS CN

Interfaz Gp

• Utilizada en roaming, entre Visited SGSN y GGSN.

• El GGSN es típicamente el de la Home PLMN.

• También GTP.

Interfaz Gb

• Entre el CN y BSC.

Interfaz Ga

• Entre un GPRS Support Node y un Charging Gateway.

• Almacenamiento de registros para tarificación.

GTP – GPRS Tunnelling Protocol

Protocolo de comunicación entre GSNs.

Separa streams de información en túneles.

Información encriptada.

Encapsulamiento de user plane.

GTP – GPRS Tunnelling Protocol

Utiliza UDP para transporte.

IPs de origen y destino corresponde a los GSNs involucrados.

A nivel de UDP el puerto utilizado identifica la versión y uso de GTP (GTP-U GTP-C GTP’).

En el encabezado GTP se define el TEID.

TEID: Tunnel Endpoint ID. Permite diferenciar una comunicación en particular del resto.

GTP – GPRS Tunnelling ProtocolGTP-C

•UDP 2123.

•Control Plane. Señalización entre GSNs.

• Inicio de sesión desde el SGSN al GGSN en nombre de un usuario.

•Establecimiento y modificación de parámetros de la sesión.

GTP-U

•UDP 2152.

•User Plane. Utilizado para túnel entre la red de acceso y el CN, y entre el SGSN y GGSN.

•A diferencia de Cs (que usa MGW para user plane), el tráfico de user plane está a cargo de los GSNs.

GTP’

•UDP 3386.

•Tiene como objetivo entregar información a los Charging Gateways que se encargan de consolidar los Charging Data Records (CDRs).

Stack de Protocolos GTP en GPRS

Access Point

Identifica a una Packet Data Network (PDN) accesible desde el CN y por tanto accesible para el MS.

Representa red IP externa accesible al móvil y su pool de IPs asociado al GGSN.

Conjunto de parámetros para conectividad (IP, máscara, QoS, DNSs).

El Access Point queda identificado con el APN.

Dentro del GPRS CN el APN apunta al GGSN que tiene asociada la PDN correspondiente.

PDP ContextPDP: Packet Data Protocol

PDP Context: Información de la sesión del subscriptor.

• Dirección IP

• IMSI

• TEID entre los GSNs.

• QoS

• APN

• GMM State

El GGSN es el encargado de interpretar los paquetes IP con destino al usuario en base a la información del PDP Context.

El GGSN a su vez debe ocultar la topología de la red móvil hacia el exterior.

Desde el exterior no se tiene visibilidad sobre los túneles GTP establecidos en la red móvil.

Cuando un móvil quiere traficar datos:

• 1. Transición a GMM Ready

• 2. Activate PDP Context Request.

• Se asocia IP al usuario que sea alcanzable desde la PDN.

• Se establecen los TEID a utilizar en el túnel entre los GSNs.

Routing Area

Dentro de cada LAC se define un Routing Area Code (RAC).

Se utiliza para paging, en forma análoga

al Location Area.

MCC MNC LAC RAC

LAI: Location Area Identification

RAI: Routing Area Identification

Nuevos CanalesPDTCH – Packet Data Traffic Channel

• Tráfico de datos de usuario.

PACCH – Packet Associated Control Channel

• Acknowledge de paquetes enviados en PDTCH.

PTCCH – Packet Timing advance Control Channel

• Utilizado para estimaciones y control de Timing Advance.

PCCCH – Packet Common Control Channel

• PRACH: Análogo a RACH.

• PAGCH: Análogo a AGCH.

• PPCH: Análogo a PCH.

PDTCH – Packet Data Traffic ChannelNuevo canal de tráfico.

Asignación minima: un bloque de 4 bursts en un time slot.

Multiframes compuestos por 52 tramas, 2 para TA y otras 2 para medidas.

Dependiendo de las capacidades del ME, se pueden asignar varios TS en DL y UL.

Recursos de TS repartidos con TCH de GSM. Cuantos más usuarios de GSM, menos recursos para GPRS.

Modulación GMSK: 1 bit/symbol.

Cuatro codificaciones diferentes, variando redundancia.

Multislot Classes y Coding SchemesMultislot

ClassMaxDL TS

MaxUL TS

MaxTotal TS

1 1 1 2

2 2 1 3

3 2 2 3

4 3 1 4

5 2 2 4

6 3 2 4

7 3 3 4

8 4 1 5

9 3 2 5

10 4 2 5

11 4 3 5

12 4 4 5

30 5 1 6

31 5 2 6

32 5 3 6

33 5 4 6

34 5 5 6

CodingScheme

Data Rate(kbps)

CS-1 8

CS-2 12

CS-3 14,4

CS-4 20

EDGE

Enhanced Data rates for GSM Evolution

También denominado EGPRS – Enhanced GPRS.

No hay cambios a nivel de Core. Requiere update en las BTS.

Modulación GMSK y 8PSK.

MCS – Modulation and Coding Schemes

MCS ModulaciónData Rate

por TS(kbps)

1 GMSK 8,8

2 GMSK 11,2

3 GMSK 14,8

4 GMSK 17,6

5 8PSK 22,4

6 8PSK 29,6

7 8PSK 44,8

8 8PSK 54,4

9 8PSK 59,2

Bibliografíao Diapositivas sobre GPRS-EDGE – Curso Red de Acceso

Ing. Javier Pereira – Octubre 2010

o GSM Pocket Guide Vol. 2

Wandel & Goltermann

o From GSM to LTE

Martin Sauter