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GSMGlobal System for Mobile CommunicationsIng. Bruno Benedetti – [email protected]
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