Arq rqui uite tect ctu ura GSM Global System for Mobile Communications
Ing. Edgar Velarde
Sub-Sistemas GSM y sus Interfases Air
A
Mobile Station
MS
BSS
NSS O&M
Network Switching Subsystem Base Station Subsystem Network Management Subsystem
NMS
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Sub-Sistemas e Interfases
BSS: Base Station Subsystem – Control de canales y conexiones de radio.
NSS: Network Switching Subsystem – Control de llamadas.
NMS: Network Management Subsystem – Operación, administración y mantenimiento de la red. – Mantener calidad y servicio de la red.
Interfases abiertas – Interfase de aire. – Interfase “A”: entre el BSC y el MSC. – El resto de interfases no son totalmente abiertas.
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Elementos de un Sistema GSM NSS
D EIR
F
VLR
HLR B
Um
BTS
AuC
C
BSC PSTN
Abis
A
MS
MSC/GMSC
BSS Data Communications Network
NMS
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Mobile Station (MS)
Mobile Station (MS) está conformado por: – Mobile Equipment (ME) – Subscriber Identity Module (SIM)
El ME se identifica por el IMEI (International Mobile Equipment Identity):
La SIM (Subscriber Identity Module) card contiene: – La identificación del usuario (IMSI) y las redes donde opera. – Los algoritmos y claves para la autenticación y el cifrado. – Dependiendo del tamaño, almacena aplicaciones y números telefónicos.
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Diagrama de bloques de un MS
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CODECs GSM
Full rate (1987) – GSM 06.10 – 13 Kbps
Half rate (1994) – GSM 06.20 – 5.6 Kbps
Enhanced full rate (1995) – GSM 06.60 – 12.2 Kbps Performance de codecs GSM Fuente: TR 06.85 V2.0.0 (1998)
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IMSI y MSISDN
IMSI: International Mobile Subscriber Identity – Identificación del usuario en la red móvil. – Se asigna en el momento de la subscripción. – Tiene hasta 15 dígitos.
MSISDN: Mobile Subscriber ISDN – Número discado en la red PSTN. – Sigue la recomendación ITU-T E.164. – Tiene hasta 16 dígitos.
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Lista parcial de CC y MCC
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Network Switching Subsystem (NSS)
Conformado por el MSC (GMSC), HLR, VLR, AuC y EIR. Realiza las funciones de: – Control de llamadas – Tarificación (Charging) – Gestión de la movilidad – Señalización – Almacenamiento de datos de abonado
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Mobile Switching Center (MSC)
Control de llamadas – Identificación y tipo de abonado llamante. – Análisis de dígitos y enrutamiento (troncal de destino, tono, anuncio, mensaje de texto). – Establece, supervisa y libera las conexiones.
Señalización – En las interfases con el BSS, y GMSC o PSTN.
Tarificación (Charging) – Genera los CDR (Call Detailed Record) que contiene: números del abonado llamante y llamado, tiempo de inicio y fin de la llamada, tipo de llamada, etc; y lo almacena y/o transfiere a un Centro de Facturación (Billing Center).
Iniciación del paging (búsqueda) – El paging es el proceso de ubicación de una estación móvil para el caso de una llamada terminante. 11
GMSC (Gateway MSC)
En llamadas terminantes interactuando con el HLR. En muchas redes, el MSC actúa como GMSC VLR1 ISUP
MSC1
… VLRn
MSCn
PSTN
STP GMSC MAP
HLR
STP: Signaling Transfer Point ISUP: ISDN User Part MAP: Mobile Application Part
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Home Location Register (HLR)
El HLR mantiene un registro permanente de los usuarios y contiene información de sus números de identificación (IMSI y MSISDN) y servicios. El HLR contiene la dirección de la VLR donde se encuentra registrado el terminal móvil. El MSC solicita a la HLR la ubicación del usuario para una llamada terminante, este proceso se conoce como “HLR interrogation”.
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Visitor Location Register (VLR)
Generalmente, la VLR está integrada en el MSC La VLR es una base de datos temporal que mantiene una copia del registro del usuario en la HLR, mientras el usuario está dentro de su área de servicio La VLR mantiene información de seguridad para
autenticación y cifrado
Un abonado móvil siempre debe estar registrado en una VLR para tener servicio La VLR realiza las registraciones y location updates (gestión de la movilidad) La VLR tiene registrada el área de ubicación (location area) donde se encuentra el abonado móvil Cuando un abonado cambia de location area se realiza un proceso llamado “location update” para registrar la nueva ubicación del abonado
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TMSI y MSRN
TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity – Identificación temporal del usuario en la VLR que da servicio a un móvil. – Tiene hasta cuatro octetos.
MSRN: Mobile Station Roaming Number – Es un número temporal dentro de la VLR que da servicio a un móvil que permite enrutar las llamadas entrantes. – Tiene la misma estructura que el MSISDN.
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Authentication Center (AuC)
El AuC provee de información de seguridad a la red con el fin de: – Verificar la identificación del usuario mediante el proceso de autenticación entre el MS (SIM card) y la VLR, usando el IMSI y Ki (authentication key) – Realizar el cifrado de la información (voz y datos) transmitida en la interfase aérea (entre el MS y la BTS) usando el Kc (ciphering key)
El AuC generalmente se encuentra en el mismo equipo de la HLR
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Equipment Identity Register (EIR)
El EIR es usado por razones de seguridad El EIR es responsable del chequeo del IMEI (International Mobile Equipment Identity) El EIR contiene tres listas: – Lista blanca: Indica que el ME está permitido para operar normalmente – Lista gris: Para monitorear equipos sospechosos – Lista negra: Para equipos reportados como robados, o que no estén permitidos de operar en la red
El chequeo del IMEI es un procedimiento opcional que depende del operador
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Base Station Subsystem (BSS)
El BSS conforma la red de acceso del sistema GSM Un MSC puede soportar varios BSS Una BSS soporta muchas celdas El BSS está compuesto por: – BSC: Base Station Controller – BTS: Base Transceiver Station – TRAU: Transcoder Rate Adapter Unit o TC (Transcoder)
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Funciones de la BSS
Control del enlace de radio – Gestión de los recursos de radio y calidad de las conexiones de radio
Sincronización jerárquica – El MSC sincroniza el BSC, y el BSC a las BTS – Si hay fallas de sincronización, las llamadas podrían no establecerse, cortarse o ser de baja calidad
Señalización en las interfaces de aire, Abis y A Establecimiento de la conexión entre el MS y el NSS – Señalización y tráfico (voz, data)
Gestión de la movilidad y transcodificación de la voz – La gestión de la movilidad cubre los diferentes casos de handovers
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Base Station Controller (BSC)
Establecimiento de la conexión entre el MS y NSS Gestión de la movilidad: handover Recolección de datos estadísticos – Información estadística de las BTS, TRAU y BSC son recolectadas en el BSC y enviadas al NMS, donde será procesada para conocer la calidad y el estado de la red
Soporte a la señalización de interfases de Abis y A – Abis: LAP-D (Link Access Protocol on the D channel) – A: BSSAP (Base Station Subsystem Application Part)
Control y gestión de mantenimiento de BTS y TRAU
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Diagrama de bloques de una BSC
TCE: Terminal Control Element
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Base Transceiver Station (BTS)
Procesamiento de voz – Garantizar una conexión libre de errores con el MS – Incluye: • • • • •
Channel coding (protección de errores) Interleaving (protección contra faidings) Cifrado (protección contra interceptaciones) Formateo de burst (para una transmisión organizada) Modulación y de-modulación (GMSK)
Señalización de interfase de aire – Registraciones – Establecimiento de llamadas originantes y terminantes – Ejecución de handovers
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Base Transceiver Station (BTS)
Contiene los TRX (transceiver) – Cada TRX soporta un par de frecuencias (2x200 KHz) – Se dimensiona la cantidad de TRX de acuerdo a la demanda de tráfico por sector
Soporta las antenas de transmisión y recepción Funciones de O&M Sincronización Conexión de alarmas externas
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Diagrama de bloques de BTS con TRX
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Soluciones de BTS
Compact Solution
Distributed Solution RRH
RF Module BB Module
CPRI CPRI BB Module
BB Module
BB: Baseband RRH: Remote Radio Head CPRI: Common Public Radio Interface
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Power Classes para MS y BTS
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Transcoder Rate Adapter Unit (TRAU)
Generalmente, es ubicado cerca al MSC y puede multiplexar hasta cuatro canales de tráfico en un canal PCM incrementando la eficiencia de los E1 – En el PSTN, codec PCM de 64 Kbps – En la interfase de aire se pueden usar vocoders: • Full Rate (13 Kbps) • Half Rate (5.6 Kbps) • AMR (Adaptive Multirate Coding) hasta 12.2 Kbps
Permite habilitar el DTX (Discontinuous Transmission) que es usado durante una llamada cuando no hay conversación para reducir el ruido y ahorro de batería
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Ubicación del TRAU MSC
BSC
BTS
A
A-bis
Standard 64 kbps links
MSC
BSC A
BTS A-bis
Standard 64 kbps links
MSC
Multiplexed 64 kbps
BSC A
M
BTS A-bis
Multiplexed 64 kbps links Channel Codec Units (CCU)
Transcoder/Rate Adapter Units (TRAU) 28
Network Management Subsystem (NMS)
Consiste de servidores y terminales para monitorear los diferentes elementos y funciones de la red Sus funciones pueden ser divididas en tres categorías: – Gestión de fallas – Gestión de configuración – Gestión de performance
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