4 BASELINE ASSESSMENT
4.7 THE CHALLENGES FACING BASELINE ASSESSMENT
A continuación ofrecemos una breve descripción de las unidades funcionales del sistema GSM.
La Estación Móvil (MS)
La estación móvil está compuesta físicamente por dos partes:
•
El terminal telefónico, que es el elemento de hardware.•
La tarjeta SIM ("Subscriber Identity Module"), que identifica al abonado de manera única.La tarjeta SIM cumple muchas funciones, entre las que se encuentran la autenticación, la seguridad de las transmisiones por radio y el almacenamiento de los datos del usuario.
Los datos del abonado se dividen en datos de identificación permanente, datos de identificación temporal y datos adicionales.
Los datos de identificación permanente incluyen:
• El número de Identidad Internacional de Abonado Móvil IMSI ("International Mobile Subscriber Identity")
• La clave de autenticación Ki
• Los algoritmos de cifrado y autenticación (A3, A5 y A8) Los datos de identificación temporal incluyen:
• La localización del terminal
• La Identidad Temporal del Abonado Móvil TMSI ("Temporal Mobile Subscriber Identity")
El número TMSI se emplea para proteger la identidad del abonado. La TMSI es una identidad temporal que sustituye a la IMSI, de modo que se asegure la confidencialidad de esta última. La IMSI se transmite por primera vez cuando el usuario accede a la red. Para contactos sucesivos, se sustituye por la TMSI, que es asignada por el VLR de la zona donde se encuentra el abonado, y que lo identifica unívocamente dentro de dicha zona.
Los datos adicionales que se almacenan en la tarjeta SIM son:
• Directorio telefónico del usuario
• Mensajes cortos
• Información de tarificación enviada por la red
• Lista de números restringidos, en caso de utilizar algún tipo de restricción de llamadas
39 Por su parte, el terminal móvil (elemento hardware) desempeña dos funciones:
•
Es un teléfono para el abonado.•
Es un medio de conectarse a la red.Como teléfono del usuario, deberá tener las mismas cualidades que un teléfono doméstico, en cuanto a la calidad del sonido, a la estética del microteléfono y a la facilidad de uso. Además, debe ser ligero y compacto, y consumir poca energía, de modo que pueda tener la mayor autonomía posible. Para esto último, los fabricantes hacen uso de circuitos integrados de bajo consumo, y el terminal toma también en consideración los periodos de actividad y de reposo, ya que en estos últimos puede reducirse significativamente el consumo de energía. Además, existe control de la potencia de transmisión de la MS por parte de la estación base.
Como medio de acceso a la red, el terminal debe estar conforme con los estándares de compatibilidad electromagnética, gestionar los protocolos de señalización, gestionar los algoritmos de encriptado y llevar a cabo la digitalización de la voz.
El estándar define tres tipos de terminal:
•
Terminales fijos montados en vehículos, que usan la batería del vehículo y tienen la antena situada en el exterior .•
Terminales "transportables" o desmontables, que pueden ser transportados fuera del vehículo.•
Terminales portátiles "de mano", muy compactos y ligeros, y totalmente autónomos.Las estaciones móviles pueden clasificarse también atendiendo a la potencia máxima de emisión. En las tablas I.5.1.a y I.5.1.b se muestran las 5 clases de estaciones móviles definidas según este criterio.
Clase de estación Potencia máxima nominal de emisión (W) Tipo de terminal 1 20 Montado en vehículo o portátil 2 8 Montado en vehículo o portátil 3 5 Portátil de mano 4 2 Portátil de mano 5 0.8 Portátil de mano
Tabla I.5.1.a: Estaciones móviles para GSM 900
Clase de estación Potencia máxima nominal de emisión (W) Tipo de terminal 1 1 Portátil de mano 2 0.25 Portátil de mano 3 4 Montado en vehículo o portátil
40 En todos los casos existe una tolerancia de ±2 dB en condiciones normales y ±2.5 dB en condiciones extremas.
La potencia de salida del terminal puede ser reducida en escalones de 2 dB mediante control remoto desde la estación base. Esta funcionalidad permite reducir la interferencia cocanal manteniendo la calidad del enlace radio, a la vez que reduce el consumo de baterías, lo cual es importante para portátiles de mano.
Se han establecido distintas configuraciones para las estaciones móviles, según el servicio que vayan a prestar, como se indica en la figura I.5.1.
Para el servicio de telefonía (voz) se empleará la configuración MT0, en la cual la MS no tiene conectado ningún tipo de terminal.
Para servicios de datos puede utilizarse la configuración MT0, si el equipo es plenamente integrado, o bien conectar el Equipo Terminal TE ("Terminal Equipment") adecuado. Si el TE es de naturaleza ISDN (lo que se denomina TE1), la configuración se denomina MT1. El TE se conecta directamente a través de la interfaz S. La configuración MT2 incluye funciones de adaptación de terminales de las series V y X del CCITT (terminales conocidos como TE2), conectados en la interfaz R. Se puede conectar un TE con interfaz no-ISDN a un MT1 empleando un Adaptador de Terminal
TA ("Terminal Adaptor").
Figura I.5.1: Configuraciones de estación móvil
La Estación Transceptora de Base (BTS)
El elemento básico para la cobertura de servicio en una determinada zona es la célula. La estación transceptora de base (BTS) se encarga de proporcionar la cobertura radioeléctrica al área definida por una cierta célula.
La BTS representa un punto de entrada a la red para los abonados que están presentes en la célula a la que da cobertura, permitiéndoles realizar y recibir llamadas.
SISTEMA DE ESTACIÓN BASE (BSS) MT0 TE2 MT1 MT1 MT2 TA TE1 TE2 R R S Um CONFIGURACIONES DE ESTACIÓN MÓVIL
41 El área de la célula varía significativamente entre zonas rurales y zonas urbanas. En estas últimas, donde hay una elevada densidad de tráfico, las células son de reducido tamaño, con el objetivo de incrementar la capacidad por unidad de área. En estas situaciones el radio de la célula puede llegar a los límites inferiores (unos 200 m). Estos límites inferiores vienen determinados por los costes de infraestructura y las condiciones de propagación.
Por otro lado, en áreas rurales la densidad de tráfico es mucho menor, y el radio de las células es, por consiguiente, mucho mayor (puede llegar a ser de 30 km). Los límites en este caso vienen determinados por la potencia transmitida.
La estación base es básicamente un transmisor/receptor que puede ser controlado, localmente o remotamente, mediante un controlador de estación base (BSC). Los terminales móviles acceden a la estación base a través de la interfaz "Um", y las comunicaciones entre la BTS y el BSC se llevan a cabo a través de la interfaz "A
bis".
Una BTS controla entre una y ocho portadoras, cada una de las cuales transporta ocho canales de radio de velocidad completa.
La antena puede ser omnidireccional o direccional (normalmente con un ancho de haz de 120º). Las antenas direccionales dan lugar a un modelo de estructura sectorizada. En ese caso, en un mismo emplazamiento pueden coexistir varias estaciones base, que estarán sincronizadas con objeto de aumentar la eficiencia de los traspasos entre células ("inter-cell handovers").
Las funciones de la BTS son:
• Transmisión vía radio en el formato GSM, empleando técnicas de saltos de frecuencia (“Frequency Hopping”) y diversidad espacial.
• Implantación de algoritmos de ecualización para contrarrestar los efectos de la propagación multitrayecto.
• Codificación y decodificación de canal.
• Encriptado del flujo de datos.
• Control de los protocolos que gobiernan la capa de enlace de radio (protocolo LAPDm).
• Transmisión de mensajes de señalización.
• Operación y mantenimiento del equipamiento de la BTS.
Al igual que se hizo con las estaciones móviles, podemos clasificar las estaciones base según la máxima potencia transmitida, medida a la entrada del combinador de transmisión, como se muestra en las tablas I.5.2.a y I.5.2.b.
42 Clase de estación Potencia máxima de salida (W)
1 320-(<640) 2 160-(<320) 3 80-(<160) 4 40-(<80) 5 20-(<40) 6 10-(<20) 7 5-(<10) 8 2.5-(<5)
Tabla I.5.2.a: Estaciones base para GSM 900
Clase de estación Potencia máxima de salida (W)
1 20-(<40)
2 10-(<20)
3 5-(<10)
4 2.5-(<5)
Tabla I.5.2.b: Estaciones base para DCS 1800 y PCS 1900
En todos los casos existe una tolerancia de ±2 dB en condiciones normales y ±2.5 dB en condiciones extremas.
Como hemos dicho antes, para proporcionar cobertura a áreas de gran densidad de tráfico se emplean celdas de menor tamaño, aumentando significativamente la reutilización de frecuencias. Así, se definen las micro-BTS y pico-BTS.
Una micro-BTS se diferencia de una BTS en dos puntos:
- Los requerimientos relativos a las proximidades de la BTS son mucho más estrictos, mientras que los relativos a zonas más alejadas se relajan.
- La micro-BTS debe ser pequeña y barata, para permitir la integración de gran cantidad de ellas en la red.
Debido a estas dos diferencias, para la micro-BTS se define un conjunto distinto de parámetros de RF.
La pico-BTS es una extensión del concepto de micro-BTS para entornos en el interior de edificios.
En las tablas I.5.3.a y I.5.3.b se definen los niveles máximos de potencia transmitida por portadora, medidos en el conector de la antena tras el combinador, para los diferentes tipos de micro y pico BTS.
Clase de estación Potencia máxima de salida
Micro M1 (>19) – 24 dBm
Micro M2 (>14) – 19 dBm
Micro M3 (>9) – 14 dBm
Pico P1 (>13) – 20 dBm
43 Clase de estación Potencia máxima de salida
Micro M1 (>27) – 32 dBm
Micro M2 (>22) – 27 dBm
Micro M3 (>17) – 22 dBm
Pico P1 (>16) – 23 dBm
Tabla I.5.3.b: Micro y pico BTS para DCS 1800 y PCS 1900
En todos los casos existe una tolerancia de ±2 dB en condiciones normales y ±2.5 dB en condiciones extremas.
Se han previsto 6 pasos de ajuste de 2 dB para reducir la potencia máxima de la BTS, permitiendo al operador un ajuste fino de la zona de cobertura. Se trata de un ajuste de potencia estático. De esta manera, para el paso de ajuste N el nivel de potencia de salida de la BTS será 2*N dB inferior a la máxima potencia definida en las tablas anteriores para las BTS de su clase.
Para el control de la potencia de RF de las estaciones base se han previsto 15 niveles con un salto de 2 dB por nivel. Esta es una funcionalidad opcional. La reducción de potencia en este caso es dinámica y afecta a cada intervalo de tiempo por separado. Se calcula mediante un algoritmo que tiene en cuenta las mediciones reportadas por la estación móvil que está empleando un determinado intervalo de tiempo.
El Controlador de Estación Base (BSC)
Un controlador gobierna una o varias estaciones base y desarrolla una serie de funciones operacionales de telecomunicaciones.
El controlador puede compartir emplazamiento con la BTS o con el MSC, o bien ser situado en un lugar independiente.
Para el tráfico proveniente de las estaciones base, el controlador actúa como un concentrador, mientras que para el tráfico que llega desde el centro de conmutación (MSC) actúa como un "router" encargado de encaminar el tráfico hacia la BTS de destino.
El BSC opera mediante una matriz de conmutación, permitiendo encaminar tráfico desde un punto de entrada hacia varios puntos de salida. El BSC está conectado con las BTS que gobierna, con el OMC y con el MSC.
Las funciones llevadas a cabo por el BSC son:
• Gestión de los recursos de radio para la zona definida por las células de las que el BSC es responsable. Como consecuencia, se encarga de asignar las frecuencias que pueden ser usadas por cada una de las estaciones base.
• Control de llamadas (establecimiento, supervisión, liberación).
• Inspección del traspaso cuando una estación móvil cruza la frontera entre dos células ("inter-cell handover"). Para ello, informa a la célula de que debe tomar la llamada del abonado, y envía a éste la información necesaria. Informa además al HLR de la nueva localización del abonado.
44
• Gestión de operaciones y mantenimiento, y señalización hacia el OMC.
• Retransmisión de las estadísticas de alarma y funcionamiento enviadas por las estaciones base.
• Protección para el software que el centro de operaciones (OMC) envía a las estaciones base a través del BSC.
• Protección de los datos de configuración de las estaciones base. El BSC es la única parte del subsistema de radio sobre la que puede actuar remotamente el centro de operaciones y mantenimiento (OMC). El control técnico de las estaciones base se lleva a cabo a través de los controladores (BSCs).
Para conseguir una alta fiabilidad y disponibilidad de equipos, los elementos clave del hardware son duplicados.
El Centro de Conmutación de servicios Móviles (MSC)
El MSC realiza todas las funciones de conmutación necesarias para el funcionamiento de las estaciones móviles del grupo de células al que sirve. Permite la interconexión entre abonados móviles, así como la conexión de éstos con la red fija. Un MSC encargado de la conexión con redes fijas externas (tales como la PSTN, la ISDN, las redes públicas de datos con conmutación de paquetes y las redes públicas de datos con conmutación de circuitos) recibe a veces la denominación de GMSC ("Gateway MSC").
Las funciones del MSC incluyen:
• Encaminamiento de llamadas
• Control de llamadas
• Procedimientos para el interfuncionamiento con otras redes (como la PSTN o la ISDN)
• Procedimientos relacionados con la gestión de la movilidad de las MSs, tales como:
◊ búsqueda para recibir una llamada,
◊ actualización de la posición cuando la MS está en itinerancia ("roaming"),
◊ autenticación para prevenir accesos no autorizados
◊ procedimientos para la realización de traspasos ("handovers") El traspaso o "handover" (HO) es el proceso de reasignar las comunicaciones de una estación móvil a una estación base distinta de la que actualmente las lleva a cabo, cuando la MS se mueve fuera de la célula de esta última. En este caso, se habla de "inter-cell handover".
El sistema GSM soporta también otro tipo de traspaso, el llamado "intra-cell handover", que es una transferencia de una llamada desde un canal a otro dentro de la misma célula cuando el canal original no puede seguir siendo utilizado debido a interferencias o problemas de mantenimiento.
Debido a la gran demanda de tráfico, los canales de radio deben ser reutilizados con mucha frecuencia, lo que lleva a células de reducido tamaño y, por tanto, a una mayor probabilidad de traspaso de un abonado entre una célula y otra. Los algoritmos
45 para realizar el traspaso deben ser rápidos y eficientes, de modo que no se produzcan cortes en la comunicación cada vez que se realiza un traspaso.
El MSC ofrece tres tipos de servicios a los abonados: n Servicios portadores
•
Audio a 3.1 kHz•
Transmisión de datos síncronos•
Ensamblado/desensamblado de paquetes•
Conmutación entre el modo de telefonía y el de datos n Teleservicios•
Telefonía•
Llamadas de emergencia•
Fax n Servicios suplementarios•
Desvío de llamadas•
Restricción de llamadas•
Aviso de cobroEl MSC está íntimamente relacionado con tres tipos de bases de datos: el HLR, el VLR y el AUC, que describimos seguidamente.
El Registro de Abonados Locales (HLR)
El HLR es una base de datos donde se almacenan datos de los abonados. Una red celular puede tener una o varias de estas bases de datos, dependiendo de la capacidad del equipo, la fiabilidad y la política del operador de red.
Los datos incluidos en el HLR incluyen detalles de la suscripción, tales como las opciones y los servicios suplementarios a los que tiene acceso cada abonado.
Junto con estos datos fijos, existe una información variable que describe la última posición conocida del abonado y el estado del terminal ("en servicio", "fuera de servicio", "haciendo una llamada", "listo para recibir una llamada", etc.). La información relativa a la posición del abonado servirá al MSC para encaminar las llamadas dirigidas al mismo hacia el área donde se encuentre la MS.
El HLR distingue entre datos relativos al abonado y datos relativos al terminal. De este modo, un abonado puede utilizar el terminal de otro usuario sin ningún problema, dado que los abonados se identifican mediante la información contenida en su tarjeta personal, conocida como Módulo de Identificación del Abonado o SIM ("Subscriber Identity Module"). Cuando un abonado hace uso del servicio, es reconocido por el HLR mediante la información contenida en el SIM que le es transmitida.
El HLR contiene el número de Identidad Internacional de Abonado Móvil IMSI ("International Mobile Subscriber Identity"), además de la clave secreta de encriptado asociada con el abonado, que permite a la red identificarlo. Esta clave está almacenada
46 en un formato codificado que sólo el centro de autenticación (AUC) es capaz de descifrar. Esta información es utilizada para la autenticación por el AUC. Esto permite al sistema saber si el acceso de ese abonado está autorizado.
La información temporal acerca de la localización del abonado es actualizada continuamente. La MS tiene que informar periódicamente a la PLMN de su posición actualizando los contenidos del HLR. Para llevar a cabo este proceso, las redes móviles están divididas en áreas geográficas separadas caracterizadas por identificadores únicos, que son enviados regularmente a todas las MSs a través de los canales BCCH ("Broadcast Control Channel"), que emplean para su transmisión portadoras de RF reservadas. Si la MS detecta un cambio en el identificador que le llega por el BCCH, envía una petición de actualización de localización.
La información dinámica es particularmente útil cuando se está realizando una llamada a un abonado móvil. Al principio del establecimiento de llamada, la red interroga al HLR para establecer la última posición conocida del abonado y el estado de su terminal en aquel momento, antes de realizar cualquier otra acción.
El Centro de Autenticación (AUC)
El AUC es una base de datos que almacena información confidencial, por lo que sólo el personal autorizado puede tener acceso a él.
El centro de autenticación controla los permisos de los abonados para la utilización de los servicios que ofrece la red.
Cada vez que el abonado usa la red, se lleva a cabo un proceso de verificación, cuyo objetivo es la protección tanto del usuario como del operador de red. Para el operador de red es importante saber quién está utilizando los servicios que la red ofrece, para saber a quién cobrarle por ello. Por su parte, la autenticación protege a los usuarios de posibles usos fraudulentos a su costa, evitando que el operador les cobre llamadas que ellos no han efectuado.
La autenticación se realiza en dos pasos. El primero de ellos es local. Cuando el abonado enciende su terminal, debe introducir su identidad tecleando un código confidencial conocido como PIN ("Personal Identification Number" o Número de Identificación Personal). Este número es verificado por la tarjeta SIM (que debe haber sido insertada previamente en el terminal). Una vez que se ha aceptado el código, el abonado podrá usar el terminal.
El segundo paso de la identificación involucra ya a la red, y ocurre cuando el abonado usa un servicio de la misma4. En este caso, la red pide al terminal que le proporcione la identidad del usuario, que es su IMSI o TMSI, según se trate del primer acceso o de otro posterior. El AUC obtiene la clave individual del abonado (Ki) a partir de su identidad. Se genera además un número aleatorio RAND. Se aplican Ki y RAND a
los algoritmos A3 y A8 obteniéndose como salidas la respuesta personal SRES ("Signed Response") de la red y la clave de cifrado Kc, respectivamente.
Posteriormente, el AUC envía al VLR la terna SRES, RAND, Kc, y el VLR pide
al abonado que pruebe su identidad. El mensaje que el VLR envía a la MS incluye el número RAND. La MS extrae de su tarjeta SIM la clave individual Ki y la aplica, junto
4
47 con el número RAND recibido, al algoritmo A3 almacenado en la memoria de sólo lectura de la tarjeta. Se obtiene así la respuesta personal SRES5, que se devuelve al VLR (a través del MSC). Se realiza entonces la comparación de la SRES calculada por el