Geoposicionamiento GSM independiente de la red móvil (I): Introducción

Poranónimo- Publicado el18 Diciembre 2007

Algunos de los últimos artículos publicados en Kriptópolis [p.ej. 1, 2, 3 y 4] han servido para poner de manifiesto el interés de muchos de nuestros lectores en conocer determinados aspectos técnicos del funcionamiento de la telefonía móvil.
Carezco de los conocimientos necesarios para abordar el tema de una forma coherente y precisa, pero afortunadamente siempre hay algún lector del sitio que posee (1) el conocimiento y (2) el deseo de compartirlo.
Como consecuencia, gracias al trabajo de un miembro del CriptoLab de la UPM (Universidad Politécnica de Madrid) que desea permanecer anónimo, y por gentileza de los responsables del propio laboratorio, Kriptópolis comienza hoy la publicación de un informe dirigido a realizar una breve introducción acerca de cómo emplear la red GSM convencional para posicionar a un usuario de la misma en un plano bidimensional a través de un terminal móvil.
Se enfocará dicho proyecto de forma teórica, estudiando posibilidades y viabilidad, y haciendo una pequeña síntesis de los métodos y tecnologías actuales, así como los recursos y datos susceptibles de ser usados que nos proporciona la red.
Se incluye además un resumen para entender la tecnología GSM, su infraestructura y los fundamentos de la red celular, para no partir de cero en la materia a tratar.
Sin más dilación, os dejo con la primera entrega de este interesante trabajo. Que lo disfrutéis...

Geoposicionamiento GSM independiente de la red móvil (I): Introducción

Por Anónimo.
Criptolab. Facultad de Informática de la Universidad Politécnica de Madrid

Introducción a la red celular

Una red de radiotelefonía celular está conformada por una extensión de territorio cubierto por un conjunto de espacios llamados células y una serie de canales de radio repartidos entre dichas células.
Una célula o estación base es la unidad geográfica de una red.
A cada célula se le asigna un conjunto de frecuencias de radio que son las que definen los canales de comunicación. Dos células adyacentes no tienen canales de comunicación comunes para evitar interferencias, y para proteger los canales comunes que usan distintas estaciones base se deja una distancia mínima de dos células de separación entre las mismas. Para llevar a cabo esta tarea, se crean grupos de siete células llamados clusters, los cuales disponen un anillo de 6 células con una séptima en el centro. A cada célula se le asigna un identificador BSIC (Base Station identity Code) (no confundir con el Cell ID que se explicará mas adelante) y de esta forma, al agrupar clusters sobre un territorio, todas aquellas células que tengan el mismo identificador podrán utilizar los mismos canales de radio evitando interferencias por el uso de canales comunes.

Podemos apreciar en la figura el cluster de 7 células (y una octava aparte) con sus identificadores asociados (F1, F2, ... , F4). Es un claro ejemplo ilustrativo de cómo dos células con el mismo identificador que usan los mismos recursos de radio están físicamente separadas por dos células.
Para sincronizar el funcionamiento de los grupos de estaciones base es necesario dotar a la red de un nuevo elemento, el BSC (Base Station Controller). Al dividir la red en células, se introduce el problema de localizar a un usuario antes de poder establecer comunicación con el mismo.
En GSM se distinguen cuatro tipos diferentes de células, son las siguientes:

1. Macrocélulas (Macrocells): Son células de gran tamaño (amplia cobertura) utilizadas en áreas de terreno muy grandes donde la distancia entre áreas pobladas es grande.
2. Microcélulas (Microcells): Son células de escasa extensión de cobertura que se utilizan en áreas donde hay una gran densidad de población. A mayor número de células mayor número de canales disponibles, que pueden ser utilizados por más usuarios simultáneamente.
3. Células selectivas (Selectived Cells): En muchas ocasiones no interesa que una célula tenga una cobertura de 360 grados, sino que interesa que tenga un alcance y un radio de acción determinado. En estos casos es cuando se usan las células selectivas. El caso más típico de uso de células de este tipo son aquellas que se disponen en las entradas de los túneles, en los cuales no tiene sentido que la célula tenga un radio de acción total (360 grados) sino un radio de acción que vaya a lo largo del túnel.
4. Células Sombrilla (Umbrella Cells): Este tipo de células se utilizan en aquellos casos en los que tenemos un elevado número de células de tamaño pequeño y continuamente se están produciendo cambios (handovers) del terminal de una célula a otra. Para evitar que suceda esto lo que hacemos es agrupar conjuntos de microcélulas, de modo que aumentamos la potencia de la nueva célula formada y podemos reducir el número de handovers que se producen.

Los abonados a la red celular son móviles y por tanto itinerantes. Para comunicar estaciones móviles entre sí es necesario preestablecer ciertas bases que ayuden a identificar y localizar a cada usuario, puesto que no siempre se van a encontrar en una misma célula. Para ello es necesario dotar a cada abonado de una tarjeta de identidad (SIM, Suscriber Identify Module) que permita identificar de forma unívoca a cada cliente de la red. Asimismo es necesario dotar a la red de un centro de autenticación de clientes (AUC, AUthentication Centre) para controlar la identidad de cada abonado una vez que enciende su terminal móvil, y de una base de datos llamada (HLR, Home Location Register) que contenga el registro de los abonados locales, actualizando dicha información dinámicamente.
De esta forma, cuando un cliente enciende su móvil, el propio terminal notifica su presencia a la red, lo que implica una actualización del HLR.
Asimismo, un abonado puede conectarse mediante esta filosofía a una red de la que no es cliente cuando está fuera de la zona de cobertura de su red. Para ello la red está dotada de otra base de datos (VLR, Visitor Location Register), que almacena temporalmente información acerca de los usuarios foráneos de la red de acuerdo a la misma política que el HLR.
Para estimar la dirección del desplazamiento de un abonado en la red, las estaciones base más próximas al terminal móvil comparan la potencia de las señales que éste emite. Una tendencia a que la potencia disminuya está normalmente asociada a un alejamiento del terminal respecto de la estación base y por el contrario, un incremento de la potencia recibida se asocia a un acercamiento del terminal.
Es necesario mantener la comunicación de un abonado que atraviesa la frontera entre dos células adyacentes de forma transparente al usuario. Esto se consigue sincronizando el terminal móvil con las dos estaciones base implicadas en el proceso. Tras un cálculo que determina si la transferencia es conveniente (el usuario se desplaza hacia la dirección estimada bajo la cobertura de la siguiente célula) entonces se confirma la migración.

Introducción a la infraestructura de la red GSM

La red GSM (Global System for Mobile communications) se compone de diversos equipos:

1. MS (Mobile Station): Terminal de abonado. Hace referencia al dispositivo (teléfono móvil), pero no a la identidad del suscriptor, que es facilitada por la tarjeta SIM.
2. BTS (Base Transceiver Station): En castellano EB (Estación Base), también se suele abreviar como BS. Es un emisor/receptor de radio capaz de enlazar las MSs con la infraestructura fija de la red. Una estación base garantiza la cobertura radioeléctrica en una célula de la red, proporcionando el punto de entrada a la red a las MSs. Las estaciones base pueden ser controladas localmente o bien remotamente a través de su controlador de estación base.
   
   
   
3. MSC (Mobile Switching Centre): Conmutador de red encargado de interconectar la red de telefonía convencional con la red radiotelefónica. Se encarga además de acceder al centro de autenticación para verificar derechos de los clientes, así como de participar en la gestión de movilidad de los abonados y su localización en la red.
4. BSC (Base Station Controller): Controlador encargado de gestionar una o varias estaciones base. Actúa como un concentrador para el tráfico de los abonados y como un enrutador hacia la estación base destinataria en caso de tráfico proveniente de un conmutador.
   Por tanto, actúa como un repetidor para datos de control de las BS hacia el centro de control y mantenimiento, y además actúa como un controlador de estaciones base, permitiendo su gestión, mantenimiento e incluso almacén de información de las BS, que puede ser proporcionada al operador por demanda explícita.
   
   
   Una de las funciones de gestión y control de las BS es el control de los recursos de radio de las células, asignando a cada BS las frecuencias de radio que pueden utilizar. Interviene también en la comunicación entre BS para controlar la migración de un abonado de una célula a otra.
   
5. HLR (Home Location Register): Base de datos que contiene información relativa a los abonados de una red. Describe a su vez las opciones y servicios contratados por el abonado y aquellas opciones a las que tiene acceso. Se almacena además la última localización conocida del abonado y el estado de su terminal (fuera de servicio, encendido, en comunicación...). Para identificar a un abonado asociado a un terminal móvil se utiliza cierta información almacenada en la tarjeta SIM.
6. VLR (Visitor Location Register): Base de datos asociada a un conmutador MSC que almacena la identidad de los abonados itinerantes de la red. Su funcionalidad es importante, ya que se utiliza para controlar la ubicación de un abonado.
7. AUC (AUthentication Centre): Base de datos que almacena información confidencial (como los derechos de uso) de cada abonado de la red. Para autenticarse en dicha base de datos es necesario que el abonado acceda a su tarjeta SIM (mediante su código PIN) para que ésta, mediante un protocolo de petición-respuesta, sea capaz de dar por válida la identidad del usuario en la red, momento en el cual no se deniega el acceso a la red y se consulta al HLR para conocer las opciones y servicios con los que el usario puede contar.

Se ha de dejar constancia de las agrupaciones de los diferentes elementos de la arquitectura de la red GSM:

1. BSS (Base Station Subsystem): Conjunto constituido por un conjunto de BSs y su controlador BSC.
2. NSS (Network Station Subsystem): Conjunto formado por el MSC, el AUC y los V/HLR.

Todos estos elementos se comuncian mediante interfaces de red, que soportan el diálogo entre los diferentes equipos y permiten el correcto interfuncionamiento de la red.
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