Caracteristicas de las redes celulares

Resumen

En este artículo se mostraran las características de los diferentes tipos de redes de telefonía móvil (GSM, GSM EDGE, GPRS, 3G, UTMS/WCDMA, 4G LTE Y 5G). Su funcionalidad, la arquitectura que tienen y los servicios que ofrecen.

Introducción

En este artículo efectuaremos un análisis de las diferentes redes de telefonía móvil. Para hacerlo se utilizara un marco de referencia común para poder explicar cada una de las redes. (Fig. 1).

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Fig. 1

Se considerara que la arquitectura de estos sistemas contiene cuatro bloques básicos los cuales son:

• El equipo del usuario a través del cual recibe los servicios
• La red de acceso, constituida por el subsistema de estaciones base, permite la movilidad del usuario dentro del área de cobertura
• El núcleo de la red, constituido por el subsistema de conmutación, establece la trayectoria dentro de la cual se realizara el intercambio de información.
• El bloque de las otras redes, redes de cobertura amplia (WAN), con las que la red celular se interconecta.

Los sevicios ofrecidos por las diferentes redes han evolucionado en generaciones claramente identificables. La primera generación fue de servicios analógicos, la segunda generación son servicios completamente digitales y la tercera generación ofrece servicios multimedia, como se puede observar en la siguiente tabla.

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Tabla 1. Servicios móviles por generaciones

GSM

En los años ochenta varios países de Europa desarrollaron su propio sistema de telefonía celular análoga que impedía la interoperabilidad fuera del as fronteras de cada país. En 1982 el CEPT (conference of european post and telecomunications) establecio un grupo de trabajo para desarrollar un solo sistema que se denomino GSM (groupe speciale mobile). Este propuso desarrollar un sistema inalámbrico móvil con roaming (itinerancia) internacional y con soporte para introducir nuevos servicios. La evolución de la red GSM esta marcada por 3 fases, en la primera fase se produjeron las especificaciones, en la segunda fase se propuso introducir los servicios de datos y finalmente en la tercera fase se realizaron mejoras sobre la codificación de voz y se implementaron servicios de transmisión de datos, entre ellos GPRS Y EDGE.

Es un sistema de conmutación de circuitos diseñado para transmisión de voz y posteriormente se le añadieron servicios de datos: mensajes cortos de texto, entrega de mensajes de texto hasta 160 caracteres y un servicio de datos GSM con una tasa de transferencia de 9.61 kbps. Se muestran las características principales en la siguiente tabla. (Tabla 2).

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Tabla 2. Características GSM

Funcionamiento

Una célula o celda está constituida por una serie de antenas que dan cobertura a una zona específica. Cada antena se conecta a una estación base (BTS) que conecta la celda a un MSC (Mobile Switching Center o centro de conmutación) que se encarga de administrar el encaminamiento de las llamadas de un suscriptor y conectarlo con redes de otro tipo. También se conecta a un servidor llamado HLR (Home Location Register) que obtiene los datos del usuario y si lo tiene permitido dará cobertura.

La terminal hace mediciones de cobertura continuamente y se conecta siempre a la BTS que de mejor señal, existe una notificación previa, una de las características principales del funcionamiento de la red GSM es la facilidad para cambiar de BTS por medio de la tarjeta SIM que lleva los datos del usuario. Cada equipo móvil tiene un número exclusivo llamado IMEI sin importar marca o modelo y cada SIM contiene un número llamado ICC (identificación internacional de tarjeta del circuito). También contiene el IMSI (identificación internacional de suscriptor móvil) el cual se compone del código del país, operadora móvil e identificación de la estación móvil.

Este número se transmite al HLR  junto con el IMEI cuando se enciende el teléfono y también sirve para dar servicio a suscriptores de otras redes en el extranjero.

Arquitectura de la red

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Fig 2. Arquitectura GSM

1. Estacion movil (MS):

• ME (mobile equipment) esta identificado por el IMEI, numero de 15 digitos utilizado por el EIR (registro de identidad del equipo). DUAL BAND capaz de transmitir en dos bandas de frecuencia( GSM 900 y DCSI1800/PCS1900) y DUAL MODE que es capaz de conectarse a redes de tecnología diferentes.
• SIM (Suscriber identity module) contiene: el IMSI, claves de criptografía, la agenda del usuario, mensajes de texto recibidos y guardados, contraseña para restringir el uso de SIM.

1. Estación base la cual controla la interfaz de radio:

• BTS (Base Transceiver Station) puede haber mas de una por cada BSS y contiene los transmisores y receptores para una celda. Gestiona la diversidad de antenas, control dinamico de potencias, y monitorización de la conexión.
• BSC (Bse Station Controller):controla los recursos para las BTS conectadas. Gestiona y configura el canal de radio, handover y transcodifica de canales de radio (16 o 8 kbps) a canales de 64 kbps.

1. Subsistema de red (NSS):

• Permite la interconexión entre BSS y otras redes publicas
• Funciones de bases de datos necesarias para: identificar usuarios, localizar terminales y conducción de llamadas, facturación.
• Esta formado por:

MSC(mobile switching center) es el elemento central del NSS gestiona el trafico de las BSS, además interconecta todos los elementos del NSS, gestiona las llamadas, localiza y gestinoa el MS, conmuta entre BSS del mismo subsistema o con otras MSC. Funciones Gateway con otras redes:

• Handover Intra-BTS el movil se conecta al mismo transmisor pero cambia de canar o ranura
• Handover Inter-BTS el movil cambia de BTS pero no de BSC, se le asigna un nuevo canal antes de soltar la vieja BTS.
• Handover Inter-BSC el movil se mueve fuera del rango de celdas controladas por un BSC.
• Handover Inter-MSC se produce al cambiar entre redes.

HLR (Home location register) es la base de datos que contiene información sobre el usuario como: IMSI, tipo de servicios contratados, posición actual del Ms, dirección del VLR, costo de llamdas y datos estadísticos.

VLR (visitor location register) base de datos temporal en el área geográfica bajo su control, se implementa en el MSC para simplificar la señalización.

AuC (autentification center) verifica si el servicio es solicitado por un abonado legítimo, genera claves para encriptar y autentificar información del abonado. Esto ocurre cuando el MS se conecta a la red, se efectua una llamada o se actualiza la posición del MS.

EIR (equipment identity register) verifica si un IMEI esta autorizado para acceder al sistema.

OMC (operation and maintenance center) utilizado para la monitorización y mantenimiento de la red por parte del operador. Gestión alarmas y estado del sistema, facturación, supervisa el flujo de trafico, reconfigura la red mediante acceso remoto y administra abonados.

Esquemas de modulación y acceso al medio.

GSM es un sistema de telefonía netamente digital, originalmente se definió como un estándar europeo abierto para redes de teléfonos móviles digitales que soportan voz, mensajes de texto, datos y roaming. GSM corresponde a la segunda generación (2G) más importante del globo terrestre. El sistema GSM utiliza una variación de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), esto quiere decir que a cada usuario se le asigna un intervalo temporal denominado “slot”, en el que su información, normalmente es de voz. Posteriormente en la estación se procesa para formar una única corriente de información, GSM y es el que más se llegó a utilizar entre las tres tecnologías de telefonía móvil (TDMA, GSM y CDMA), este sistema opera a cualquiera de los 900MHz o 1800Mhz de banda de frecuencia.

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Fig 3. Acceso al medio GSM

Trama

El TDMA se usa para transmitir en cada portadora un periodo de ráfaga (TS) (15/26 ms) cada periodo determina un canal analógico

• Trama TDMA compuesta por 8 periodos de ráfaga
• Multitrama: de 26 o 51 tramas
• Supertrama: agrupación de 51 o 26 multitramas
• Hypertrama: agrupación de 2048 supertramas

Un TS tiene un número propio en la jerarquía que se repite cada 3 horas 28 minutos y 53 segundos como se puede ver en la FIg. 4

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Fig. 4. Tramas

Canales

• Canales de trafico: usados para transportar voz y datos. Usan multitramas de 26 tramas, del as cuales 24 son para trafico,1 para control y la otra queda libre.
• Canales de control: usados para intercambio de información de control. Usan multitramas de 51 tramas o la trama de control de las de 26. Existen diferentes tipos de canales de contrlo como:

BCCH (broadcast control channel) identifica la BS, la frecuencia de conexión y el patrón de salto de frecuencias.

FCCH (frequency correction channel) y SCH (synchronisation channel) sincronizan el MS a la estructura de TS de la celda

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