A principios de los 80 se notó que los países europeos estaban utilizando muchos sistemas móviles diferentes. Al mismo tiempo, los servicios de telecomunicación estaban creciendo a gran escala. A raíz de ello, nació el sistema GSM (Sistema Global para comunicaciones Móviles). A principios de los 90, la falta de un sistema común se veía como un problema general en el mundo entero. Por esto el sistema GSM se ha extendido ahora también a muchos otros países. Desde el comienzo, los diseñadores de GSM querían compatibilidad con ISDN en los servicios ofrecidos y en el control usado para señalización. El principal teleservicio soportado por GSM es telefonía. Para el funcionamiento de la red, ésta está compuesta de varias entidades funcionales, cuyas funciones e interfaces están claramente definidas.
Palabras claves: GSM, comunicaciones móviles, espectro, NSS, subsistema de red, BSS, subsistema de estación base, NMS, subsistema de gestión de red, ruta de radio.
In the early 1980s, each country in Europe was using many incompatible mobile systems. At the same time, telecommunication services were experiencing a rapid growth. GSM (Global System for Mobile communications) was born to overcome these problems. By the beginning of 1990s the lack a common system was regarded as a worldwide undesirable situation, so many others countries have also chosen GSM. From the beginning, the planners of GSM wanted ISDN compatibility in the services offered and control signaling used. The most basic teleservice supported by GSM is the telephony. A GSM network is composed of several functional entities, whose functions and interfaces are clearly defined.
Keywords: GSM, mobile communications, spectrum, NSS, network subsystem, BSS, base station subsystem, NMS, network management subsystem, radio link.
El objetivo de los sistemas de comunicaciones móviles es el establecimiento de comunicaciones, mediante satélites en órbita, entre estaciones terrenas fijas y estaciones terrenas móviles. La necesidad de este nuevo servicio se basa en el hecho de que al final del presente siglo los sistemas de comunicaciones móviles celulares terrestres tales como GSM o PCS, darán servicio al cincuenta por ciento de la población, pero sólo al quince por ciento de la superficie terrestre. Incluso el hecho de desplazarse a otra ciudad puede dar lugar a problemas debido a la incompatibilidad entre los distintos sistemas de comunicaciones móviles (a pesar del esfuerzo de estandarización, existen trece o catorce sistemas distintos de los que GSM es sólo uno más). La solución a todos estos problemas puede ser un sistema global de comunicaciones móviles por satélite que permita el acceso a lugares remotos sin necesidad de grandes infraestructuras terrestres adicionales.
El estándar del sistema de comunicaciones móviles por satélite, será similar al proporcionado por las redes de comunicaciones móviles digitales según el estándar GSM. Además de los servicios de voz, los usuarios de este sistema tendrán acceso a otros servicios como fax o transmisión de ficheros en cualquier momento y en cualquier lugar de la Tierra.
El espectro es usado en diferentes formas. Tal vez las más comunes son la radiodifusión y los servicios de comunicación móviles. Esto incluye, para radiodifusión, estaciones AM y FM, estaciones de televisión UHF y VHF, y nuevas aplicaciones potenciales usando satélites para radiodifusión directa. Los servicios de comunicaciones móviles en el sector privado incluyen comunicaciones policiales y bomberiles en el estado y a nivel local, servicios de despachos locales y a otros estados, todas las formas de sistemas de comunicación móvil usados por la industria y el público en general, radioaficionado, radios marítimos a bordo de barcos comerciales y de placer, radios celulares, sistemas de buscapersonas (pagers), sistemas de radio troncalizado ofrecidos por el Servicio de Radio Móvil Especializado de FCC's, radios en aviones comerciales usados por comunicaciones y radionavegación aeronáutica, y las comunicaciones móviles por satélite y sistemas de seguimiento. Además, una gran cantidad del espectro es usado para transportar señales de voz, vídeo y datos sobre largas distancias vía microondas y sistemas satelitales.
Puede argumentarse que algunas formas de coordinación de frecuencias de operación y poder de transmisión son necesarias; después de todo, la estructura presente fue desarrollada grandemente debido a los problemas de interferencia resultantes de la radiodifusión no coordinada y la transmisión a larga distancia (altas frecuencias) común durante las primeras dos décadas de este siglo. Como quiera que sea, a menos que el uso del espectro sea muy pesado, no pareciera necesario estar demasiado interesados en cómo es usado el espectro eficientemente. De este modo, tan grande como sea el espectro, con asegurar que dos usuarios no operasen en la misma zona del espectro en la misma área es suficiente. Como el espectro está cada vez más poblado, el esfuerzo para que el espectro sea usado tan eficientemente como sea posible para maximizar su disponibilidad y uso por todos se torna cada vez más urgente.
Hasta ahora, los avances tecnológicos se habían mantenido ligeramente por delante de las demandas de espectro. Cuando la demanda se ha incrementado, la tecnología ha desarrollado radios que pueden mejorar las mismas funciones en frecuencias más altas no usadas o reduciendo el ancho de banda a la misma frecuencia. Ahora, la demanda está creciendo rápidamente, debido a la expansión de servicios actuales como la telefonía celular, y los desarrollos de nuevos usos, tales como los servicios de comunicación personal (PCS), radiodifusión de audio digital, televisión avanzada (ATV) y sistemas de comunicaciones móviles. Como sea, los avances técnicos necesitan encontrar que la demanda puede estar "impulsando la cubierta" de la práctica. ¿Cuánto más se pueden comprimir las señales para usar las cada vez más las abarrotadas bajas frecuencias?, y ¿qué tan útiles serán las más altas frecuencias - tales como alrededor de 20 Ghz - para las comunicaciones inalámbricas?
Durante la década de los 80's, los sistemas de telefonía celular analógicos estaban experimentando un rápido crecimiento en Europa, particularmente en Escandinavia y el Reino Unido, pero además en Francia y Alemania. Cada ciudad desarrolló su propio sistema el cual era incompatible con los demás en equipos y operación.
Los europeos comprendieron esto temprano, y en 1982 la CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) formó un grupo de estudio llamado Groupe Spécial Mobile (GSM) para estudiar y desarrollar un sistema móvil terrestre público paneuropeo.
En 1989, la responsabilidad de GSM fue transferida a la ETSI (European Telecommunications Standards Institute), y la fase I de las especificaciones GSM fueron publicadas en 1990. Los servicios comerciales comenzaron a mediados de 1991 y para 1993 existían 36 redes GSM en 22 países, con 25 países adicionales teniendo ya seleccionado o considerando GSM. Este no es solo un estándar europeo - Sur Africa, Australia y muchos países del Este han escogido GSM. Para comienzos de 1994, existían 1,3 millones de abonados a nivel mundial. La abreviatura GSM ha sido interpretada de diversas maneras, la forma más común hoy en día es Sistema Global para Telecomunicaciones Móviles (Global System for Mobile telecommunications).
La idea principal, tras las especificaciones GSM, es definir varios interfaces abiertos que están limitando ciertas partes del sistema GSM. Debido a esta apertura de interfaces, el operador que mantiene la red puede obtener partes diferentes de la red de distintos suministradores de red GSM. Además, cuando un interfaz es abierto, define estrictamente qué va a pasar por él y en suma define estrictamente qué tipo de acciones/procedimientos/funciones deben ser implementados entre los interfaces.
Hoy en día, las especificaciones GSM definen dos interfaces verdaderamente abiertas: Interfaces A y Aire. El sistema incluye más que esas dos interfaces, pero no son totalmente abiertos puesto que la especificación del sistema no se había completado cuando los sistemas comerciales se lanzaron.
Como se comprobó al operar con redes móviles analógicas, la inteligencia centralizada generaba mucha carga en el sistema, disminuyendo así la capacidad. Esto es por lo que la especificación GSM, desde un principio, da las maneras de distribuir la inteligencia por la red. Refiriéndonos a las interfaces arriba mencionadas, cuanto más complicados sean los interfaces en uso, más inteligencia se requiere entre los interfaces para implementar todas las funciones requeridas. Desde el punto de vista de la red GSM, esta inteligencia centralizada se implementa dividiendo la red en tres entidades diferenciadas:
- Subsistema de Red (NSS)
- Subsistema de Estación Base (BSS)
- Subsistema de Gestión de Red (NMS)
De hecho la red necesaria para el establecimiento de la llamada está compuesta por el NSS y el BSS. El BSS es una parte de la red responsable del control de la ruta de radio. Cada llamada se conecta a través del BSS. El NSS es una parte de la red que se ocupa de las funciones de control de llamada. Toda llamada se conecta por y a través del NSS. El NMS es la parte de la red relacionada con la operación y mantenimiento. También se necesita para el control de toda la red. El operador de red observa y mantiene la calidad de red y servicio ofrecido a través del NMS. Estos tres subsistemas están rodeados por las interfaces antes mencionadas.
La MS (Estación Móvil) es una combinación de terminal y abonado. El terminal en sí mismo se llama ME (Equipo Móvil) y los datos del abonado se guardan en un módulo separado llamado SIM (Módulo de Identidad del Abonado). Por tanto, ME + SIM = MS.
SUBSISTEMA DE RED (NSS)
El Subsistema de Red es una parte de la red GSM que se ocupa de las siguiente funciones:
- Control de la Llamada
- Interfuncionamiento de redes
- Datos del abonado y Gestión de los Servicios
- Tarificación
- Recogida de Material Estadístico
- Gestión de la Movilidad
- Gestión de la Seguridad
- Señalización del Interfaz A y PSTN
- Control del BSS
Los elementos que la componen son:
El MSC (Centro de Conmutación de Servicios Móviles) es el elemento principal del NSS desde el punto de vista del control de llamadas. El MSC es responsable del control de llamadas, funciones de control del BSS, funciones de interfuncionamiento, tarificación, estadística y señalización de los interfaces A y PSTN.
El HLR (Registro de Posición Base) es el lugar donde se almacenan permanentemente todos los datos del abonado. El HLR también nos da una posición conocida, fija, para la información del encaminamiento de variables. Las funciones principales del HLR son los datos del abonado y gestión de servicios, estadísticas y gestión de la movilidad.
El VLR (Registro de Posición Visitante) nos da memoria local para las variables y funciones necesarias para gestionar llamadas hacia y desde un abonado móvil en el área correspondiente al VLR.
El AC (Centro de Autenticación) y el EIR (Registro de Identificación del Equipo) son elementos de la red del NSS que se ocupan de los aspectos relacionados con la seguridad. El AC se ocupa de la información de seguridad de identidad del abonado junto con el VLR. El EIR se ocupa de la información de seguridad del equipo móvil (hardware) junto con el VLR.
SUBSISTEMA DE ESTACIÓN BASE
El Subsistema de Estación Base es una parte de la red que se ocupa de las siguientes funciones principales:
- Control de la Red de Radio
- Señalización de los Interfaces Aire y A
- Establecimiento de la conexión entre la MS y el NSS
- Gestión de la Movilidad
- Tratamiento y Transcodificación de la Voz
- Recogida de Material Estadístico
Los elementos que la componen son :
El BSC (Controlador de Estación Base) es el elemento de red central del BSS y controla la red de radio.
La BTS (Estación Base) es un elemento de red que mantiene el interfaz Aire. Se ocupa de la señalización y cifrado del interfaz Aire y del procesamiento de la voz.
El TC (Transcodificador) es un elemento del BSS que se ocupa de la transcodificación de la voz, es capaz de convertir voz de un formato de codificación digital a otro y viceversa.
La transmisión se considera una parte del BSS debido al hecho de que el BSS es típicamente una entidad geográfica razonablemente grande. La especificación de GSM define sólo los interfaces del equipo; por lo tanto hay una gran cantidad de alternativas para desarrollar una red de transmisión entre elementos del BSS.
SUBSISTEMA DE GESTIÓN DE RED
El Subsistema de Gestión de Red se ocupa principalmente de las siguientes funciones:
- Operación & Mantenimiento Centralizada
- Cambios en Configuración de Red
- Observación de Calidad y Nivel de Uso de Red
El NMS consta de cuatro partes: la Parte de Comunicación (CP), la Parte de Base de Datos (DP), la Parte de Aplicación (AP) y el Interfaz de Usuario (UI). La Parte de Comunicación mantiene conexiones de O&M con los elementos de Red (NE) situados en el BSS y el NSS. La Parte de Base de Datos almacena el modelo de la red, todos los datos de parametrización y configuración de los elementos de red se almacenan en la base de datos centralizada. La Parte de Aplicación mantiene conexiones con las estaciones de trabajo. El Interfaz de Usuario está en la práctica en las estaciones de trabajo y usando éstas, el operador puede controlar toda la red.
Ya que el espectro de radio es un recurso limitado compartido por todos los usuarios, se necesita un método para dividir el ancho de banda entre tantos usuarios como sea posible. El método escogido por GSM (utilizado por el Interfaz Aire) es una combinación de acceso múltiple por división de tiempo y frecuencia. El TDMA (Time Division Multiple Access) permite la situación en la que varios móviles puedan utilizar la misma frecuencia física para tráfico y señalización. En sistemas analógicos, una frecuencia física es de hecho lo mismo que un canal de tráfico/señalización.
La Unión de Telecomunicaciones Internacional (ITU), la cual maneja la asignación internacional del espectro (entre otras funciones) asignó las bandas de 890-915 MHz para el enlace ascendente (estación móvil a estación base) y 935-960 MHz para el enlace descendente (estación base a estación móvil). Ya que este rango fue usado en la década de los 80's por los sistemas analógicos del día, el CEPT tuvo la previsión de reservar los últimos 10 MHz de cada banda para las redes GSM que estaban siendo desarrolladas. Eventualmente, GSM estará alojada en el ancho de banda de 2*25 MHz.
El sistema TDMA divide la frecuencia física en canales de señalización y tráfico. La información de tráfico y señalización se incluye como ráfagas en los intervalos de tiempo. Estas ráfagas son razonablemente más cortas que el intervalo de tiempo. Debido a los requisitos de señalización de GSM, el intervalo físico de tiempo que lleva la señalización tiene distinta información como contenido en distintos momentos de tiempo. Dado que un canal físico de señalización tiene que hacer muchas tareas, se le ha dividido en canales lógicos. En la práctica, canal lógico es el nombre del intervalo de tiempo en un determinado momento cuando se realiza un determinado tipo de función de señalización/control.
La parte FDMA envuelve la división de frecuencia del ancho total de 25 MHz en 124 frecuencias portadoras de ancho de banda de 200 KHz. Una o más frecuencias portadoras están entonces asignadas a cada estación base. Cada una de estas frecuencias portadoras es entonces dividida en el tiempo, usando un esquema TDMA, en ocho canales de tiempo. Un canal (slot) de tiempo es usado para transmitir por el móvil y uno para recibir. Ellas están separados en el tiempo ya que el móvil no recibe y transmite al mismo tiempo, un hecho que simplifica la electrónica.
La red GSM tiene una ruta digital de radio, se transfieren bits a través del interfaz Aire. Debido a este formato de bits, la información transferida emplea un espectro de frecuencias considerablemente ancho: cuanto mayor sea la velocidad de bits usada, se necesitará un espectro más ancho. Si el espectro es ancho se reduce la capacidad del interfaz Aire.
Esta es la razón por la que el sistema de codificación de la voz que se utiliza en las redes PSTN/ISDN no es adecuada como tal al interfaz Aire de GSM. Las redes PSTN/ISDN utilizan el formato de codificación Ley-A generando 64 kbits/s de flujo de información digital por cada canal de tráfico. Si este flujo de bits se transfiriese través del Interfaz Aire, el espectro de frecuencias sería tan ancho que no sería razonable.
Para mantener la capacidad del interfaz Aire, el sistema GSM introduce otra forma de codificar (y descodificar) la voz. El sistema de codificación utilizado se llama RPE-LTP (Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction) que es una forma más efectiva de convertir voz en bits. Utilizando este sistema de codificación, la codificación de voz ocupa 13 kbit/s en lugar de 64 kbit/s. Sin embargo, la parte NSS de la red GSM (y de otras redes detrás del NSS) utilizan codificación a 64 kbits/s y por lo tanto se necesita un conversor capaz de manejar ambos métodos de codificación. Este conversor se llama TC (TransCoder).
El procesamiento de la voz en este contexto significa las funciones que la BTS y la MS realizan para garantizar una transferencia de información libre de errores a través del interfaz Aire. Estas funciones son la codificación de bloques, la codificación convolucional y el entrelazado. La codificación de bloques es para la detección de errores, la codificación convolucional para la corrección de errores y el entrelazado es tanto para detección como para corrección.
Gracias a los requisitos establecidos para el sistema, se lograrán muchas ventajas notables. Estas ventajas son, a grosso modo:
- GSM utiliza las frecuencias de radio eficientemente, y debido al Interfaz de radio tolera más perturbaciones.
- La calidad de voz media lograda es mejor que la de los sistemas analógicos existentes.
- El sistema soporta la transmisión de datos.
- La voz está codificada y la seguridad de la información del abonado está garantizada.
- Debido a la compatibilidad con la ISDN se ofrecen nuevos servicios, comparando con los sistemas analógicos.
- La itinerancia internacional es posible técnicamente dentro de los países correspondientes.
- El gran mercado endurece la competencia y baja los precios tanto para inversiones como para uso.
Nuevos sistemas han estado haciendo su aparición en los últimos años, en los sistemas de comunicación por satélite con órbitas especiales, la principal aplicación está en sistemas globales de comunicaciones personales. Los organismos regulatorios internacionales están buscando un estándar que permita el uso de los terminales de comunicaciones móviles por satélite en cualquier lugar del mundo. Aquellos que viajen a cualquier lugar del planeta, podrán usar el mismo terminal móvil con el mismo conjunto de servicios a los que estén suscritos en cualquier lugar del mundo, sin necesidad de familiarizarse con equipos diferentes cuando visiten distintos países. Mientras que todavía cualquier sistema de telefonía móvil presenta problemas debidos a barreras regulatorias al cambiar de país, esto no sucederá con el sistema de comunicaciones móviles por satélite, facilitando la definición y el lanzamiento de los sistemas de comunicaciones móviles mundiales.
http://www.ntia.doc.gov/osmhome
http://www.gr.ssr.upm.es/~miguel/rcii/moviles
http://www.red.com.mx
http://www.ntia.doc.gov/openness
http://kbs.cs.tu-berlin.de/~jutta/gsm/js-intro.html
HEIKKI KAARANEN, 1995, GSMSYS NOKIA CELLULAR SYSTEMS MSG, NOKIA TELECOMMUNICATIONS
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