6.1.
Antecedentes
6.2.
Arquitectura
6.3.
Subsistema de radio
6.3.1.
Canales de Control Comunes
6.3.2.
Canales de Control Dedicados
6.3.3.
Organización de los canales
6.4.
Subsistema de conmutación
6.5.
La estación móvil
6.6.
Procesos básicos
6.6.1.
Registro
6.6.2.
Roaming
6.6.3.
Establecimiento de llamada
6.6.4.
Hand-over
6.6.5.
Recepción de llamada
6.6.6.
Gestión de la Seguridad
6.6.6.1.
Autenticación
6.6.6.2.
Encriptado
6.6.6.3.
Protección de la Identidad del Usuario
6.7.
Servicios básicos que soporta el sistema
6.8.
Operación y Mantenimiento
6.9.
Explotación
6.
Telefonía Móvil Digital: la red GSM
Desde principios de los ‘80, después de que el NMT comenzase su operación comercial, se hizo evidente para algunos países europeos que los sistemas analógicos existentes tenían limitaciones. En primer lugar, la demanda potencial para los servicios móviles, aunque estaba siendo sistemáticamente subestimada, era mayor que la capacidad de las redes analógicas existentes. En segundo lugar, los diferentes sistemas existentes no ofrecían compatibilidad para sus usuarios: un terminal TACS no puede acceder a una red NMT ni viceversa. Lo que es más, el diseño de un sistema celular nuevo requiere tal inversión que ningún país europeo puede acometer tal inversión de forma independiente si el único retorno esperado está sólo en su propio mercado nacional. Todas estas circunstancias apuntaban hacia el diseño de un sistema nuevo, desarrollado en común entre varios países.
El mayor requisito para un sistema de radio común es un ancho de banda común. Esta condición se cumplía unos años antes, en 1978, cuando se decidió reservar una banda de frecuencia de dos veces 25 MHz en torno a los 900 MHz para comunicaciones móviles en Europa.
La necesidad estaba clara y el mayor obstáculo había sido eliminado. Sólo quedaba organizar el trabajo. El mundo de las telecomunicaciones en Europa siempre estuvo dominado por la estandarización. La CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) es un foro de estandarización que, en los primeros ‘80, incluía a las Administraciones europeas de Correos y Telecomunicaciones de más de 20 países. Todas estas circunstancias llevaron a la creación en 1982 de un nuevo organismo de estandarización en la CEPT, cuya labor consistía en especificar un sistema único de telecomunicaciones para Europa, en 900 MHz. El recién creado “Groupe Spécial Mobile” (GSM) tuvo su primera reunión en diciembre de 1982, en Estocolmo.
En 1990, bajo petición del Reino Unido, se añadió a los objetivos del grupo de estandarización la especificación de una versión de GSM adaptada a la banda de frecuencias de 1800 MHz, con una asignación de 2 veces 75 MHz. Esta variante que se conoció con el nombre de DCS1800 Digital Cellular System 1800) tiene como objetivo proporcionar mayor capacidad en áreas urbanas.
La elaboración del
estándar GSM llevó casi una década. En la siguiente tabla se muestran los
principales hitos del proceso.
| Fecha | Logro |
| 1982 | Se crea el "Groupe Spécial Mobile" en la CEPT |
| 1986 | Se establece un núcleo permanente |
| 1987 | Se eligen las técnicas básicas de transmisión por radio, basadas en la evaluación de prototipos (1986) |
| 1989 | El GSM se convierte en un comité técnico de ETSI |
| 1990 | Se congelan las especificaciones técnicas fase 1 del GSM900 (escritas entre 1987 y 1990) |
| 1991 | Funcionan los primeros sistemas (exposición Telecom ‘91)Se congelan las especificaciones DCS1800 |
| 1992 | Los principales operadores GSM900 europeos inician la operación comercial del servicio |
La arquitectura del sistema GSM descrita en las especificaciones técnicas no describe los nodos y elementos que se pueden encontrar en el sistema, primero porque se ha dejado cierto grado de libertad a los fabricantes para el desarrollo de estos y, segundo, porque dichas especificaciones sólo cubren una pequeña parte de la especificación de una máquina real. La arquitectura puede verse como la descripción de un modelo de red que sirve como plantilla para su implementación. Lo que sí de describe con total detalle en las especificaciones son las interfaces entre dos "modelos" de máquina.
La arquitectura GSM distingue claramente dos partes: el BSS (Base Station Subsystem o Subsistema de Estación de Base) y el NSS (Network and Switching Subsystem o Subsistema de Red y Conmutación). El BSS está encargado de proporcionar y gestionar el interfaz radio entre las estaciones móviles y el resto del GSM. El NSS debe gestionar las comunicaciones y conectar las estaciones móviles a las redes adecuadas o a otras estaciones móviles. El NSS no está en contacto directo con las estaciones móviles y el BSS tampoco está en contacto directo con otras redes externas.
El interfaz entre el BSS y la estación móvil es el denominado interfaz radio (Um) mientras que el interfaz entre el BSS y el NSS se ha denominado interfaz A en las especificaciones
En términos generales, el Subsistema de radio, Subsistema de Estaciones de Base o BSS agrupa las máquinas específicas a los aspectos de radio y celulares del GSM. El BSS está en contacto directo con las estaciones móviles a través del interfaz radio. Como tal, incluye los elementos a cargo de la transmisión y recepción del trayecto radio y la gestión del mismo. Por otro lado, el BSS está en contacto con las centrales de conmutación del NSS. La función del BSS se puede resumir como la conexión entre estaciones móviles y el NSS y, por tanto, la conexión entre un usuario móvil con otro usuario de telecomunicaciones.
El BSS incluye dos tipos de elementos: la Estación de Base (BTS, Base Transceiver Station), en contacto con las estaciones móviles a través del interfaz radio, y el Controlador de Estaciones de Base (BSC, Base Station Controller), este último en contacto con las centrales de conmutación del NSS. La división funcional es básicamente entre un equipo de transmisión, la BTS, y un equipo de gestión, el BSC.
Una BTS contiene dispositivos de transmisión y recepción, incluyendo las antenas, y también el procesado de señal necesario para el interfaz de radio. La BTS pueden considerarse como módems de radio complejos, teniendo pocas funciones adicionales.
El interfaz radio del GSM utiliza una combinación de Acceso Múltiple por División en Frecuencia (FDMA) y Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA), con una pizca de Salto en Frecuencia (FH, Frequency Hopping).
El concepto básico es que la unidad de transmisión es una serie de bits modulados y se denomina ráfaga. Las ráfagas se envían en ventanas de frecuencia y tiempo que denominamos ranuras o slots. Las frecuencias centrales de los slots se sitúan cada 200 kHz en la banda de frecuencias del sistema (aspecto FDMA), y ocurren durante 0.577ms, o más exactamente 15/26 ms (aspecto TDMA).
Con esta unidad básica, asumiendo una sola ventana de frecuencias, el aspecto TDMA del sistema de transmisión se agrupa en tramas, multitramas e hipertramas, organizándose así el envío de información por el aire. La distribución de estos slots es como muestra la figura siguiente.
Dentro de esta organización, se agrupan los distintos canales lógicos soportados en el sistema GSM para el transporte de información entre usuarios, o sencillamente información de control del propio sistema.
De acuerdo con la
información transportada, se definen dos tipos de canales lógicos: canales
de control y canales de tráfico. Los canales de tráfico se utilizan
exclusivamente para transportar la información del usuario. El uso
principal de los canales de control es transferir la información de
señalización. Los canales de control pueden dividirse en canales de
control comunes y canales de control dedicados.
6.3.1.
Canales de Control Comunes
Según sus funciones, existen cuatro tipos de canales de control.
- El Canal de Control
de Difusión (BCCH, Broadcast Control Channel), es un canal
unidireccional en sentido red a móvil. Se utiliza para difundir
información del sistema. Incluye información específica de la célula e
información relativa a células vecinas, que se utiliza para orientar al
móvil en la red de radio.
- El Canal de
Búsqueda (PCH, Paging Channel) es un canal unidireccional en sentido
red a móvil que se utiliza para "buscar" al móvil (llamadas
terminadas).
- El Canal de Acceso
Aleatorio (RACH, Random Access Channel) es un canal unidireccional
con sentido móvil a red que se utiliza por las estaciones móviles para
acceder a dicha red.
- El Canal de Acceso Garantizado (AGCH, Access Grant Channel) es un canal unidireccional en sentido red a móvil, utilizado por la red para asignar un canal dedicado de control tras un acceso aleatorio exitoso.
6.3.2.
Canales de Control Dedicados
Los canales de control dedicados se asignan a una única estación móvil para comunicación punto a punto con la red. Pueden ser canales de control autónomos (stand-alone control channels) o asociados a otro canal dedicado. Los canales definidos son:
- El Canal de Control
Dedicado Autónomo (SDCCH, Stand-alone Dedicated Control Channel),
que es un canal de control independiente.
- El Canal de Control
Asociado Lento (SACCH, Slow Associated Control Channel), siempre
asociado a un canal de tráfico (TCH, Traffic Channel) o un SDCCH. Se
utiliza en particular para transmitir información variable de las
condiciones de la interfaz radio, por ejemplo, control de potencia,
medida de calidad, etc.
- El Canal de Control Asociado Rápido (FACCH, Fast Associated Control Channel) se asocia a un canal de tráfico y se consigue "robando" tramas, que se identifican por un "flag".
6.3.3.
Organización de los canales
La organizacion de los canales de tráfico en las tramas es como sigue
Por otra parte, los canales de control se organizan de la siguiente manera:
6.4.
Subsistema de conmutación
El subsistema de red y conmutación (NSS) incluye las funciones básicas de conmutación del GSM, así como las bases de datos necesarias para los datos de usuario y la gestión de la movilidad. La función principal del NSS es gestionar las comunicaciones entre los usuarios GSM y los usuarios de otras redes de telecomunicación.
Dentro del NSS, la función básica de conmutación se realiza en la MSC (Mobile services Switching Centre), cuya misión principal es coordinar el establecimiento de llamadas desde y hacia usuarios GSM. La MSC tiene interfaces con la BSS de un lado (a través de la cuál está en contacto con los usuarios GSM), y con las redes exteriores por otro. La interfaz con redes externas para comunicarse con usuarios fuera del GSM puede requerir un elemento de adaptación (IWF, Interworking Functions), cuya labor puede ser más o menos importante en función del tipo de información de usuario y de la red con la que se interconecte. Generalmente se utiliza para conectar la red GSM a las redes de datos.
El NSS también necesita conectarse con redes externas para hacer uso de su capacidad de transportar datos de usuario o señalización entre entidades GSM. En particular, el NSS hace uso de una red soporte de señalización, al menos en parte externa al GSM, siguiendo los protocolos del Sistema de Señalización por Canal Común UIT-T nº 7 (generalmente referida como la red SS7); esta red de señalización permite interoperatividad entre entidades del NSS dentro de una o varias redes GSM. Las interfaces externas del NSS quedan representadas en la figura siguiente.
La estación móvil suele representar el único elemento del sistema que el usuario llega a ver. Además de las funciones básicas de radio y de proceso necesarias para acceder a la red a través de la interfaz radio, una estación móvil debe ofrecer un interfaz al usuario (tal como micrófono, altavoz, pantalla y teclado), o un interfaz hacia otros equipos terminales (tal como un interfaz hacia un PC o una máquina de fax).
Un aspecto fundamental de la estación móvil GSM, que la diferencia de las estaciones móviles del resto de sistemas, es el concepto de "módulo de usuario" o SIM (Subscriber Identity Module). La SIM es básicamente una tarjeta inteligente, que sigue los estándares ISO, que contiene toda la información referente al usuario almacenada en la parte de usuario de la interfaz radio. Sus funcionalidades, además de esta capacidad de almacenar información, se refieren también al tema de confidencialidad. El resto de la estación móvil contiene todas las capacidades básicas de transmisión y señalización para acceder a la red. El interfaz entre la SIM y el resto del equipo está totalmente especificado y se denomina sencillamente interfaz SIM-ME, donde ME significa terminal móvil (Mobile Equipment).
El concepto de un dispositivo extraible con los datos del usuario tiene en sí mismo grandes consecuencias. En otros sistemas celulares, la personalización de cada estación móvil requería una intervención nada trivial, que sólo se realizaba a través de especialistas técnicos. Esto implicaba que una estación móvil sólo podía venderse a través de distribuidores especializados. Además, si alguna estación móvil fallaba, era difícil dotar al usuario de otra que la remplazase durante el periodo de reparación, y casi imposible permitir que el usuario mantuviese su mismo número de teléfono durante este periodo.
La tarjeta SIM simplifica estos asuntos y también ofrece otras ventajas. Un usuario potencial puede comprar un equipo móvil, pero también lo puede alquilar o pedir prestado por un periodo de tiempo determinado, y cambiarlo cuando desee sin necesidad de procesos administrativos. Todo lo que necesita es su propia SIM, obtenida a través de un distribuidor o de un proveedor de servicio, independientemente del equipo que desee adquirir. Los últimos pasos de la personalización de la SIM pueden realizarse fácilmente a través de un pequeño ordenador y un sencillo adaptador.