1 Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Capitulo 5a: GSM VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas Introducción • Europa 80´s diferentes sistemas de telefonía móvil celular. – NMT (Paises nórdicos). – Radiocom (Francia). – TACS (UK). – C-450 (Alemania). • Diferentes estándares incompatibles entre sí. • Ámbito de servicio para cada país. • Limitaciones en los tipos de servicios. • Regímenes de monopolio. UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas Introducción (2) • Importancia: – Definición de una norma universal. – Generación de economía de escala. – Liberalización de las comunicaciones móviles. • Competitividad – dinamizadora del desarrollo. – Desarrollo basado en las tendencias y exigencias de los usuarios. – Tecnologías con calidad. • Evolución. UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas Introducción (3) • CE (1982) CEPT: – GSM (Groupe Speciale Mobile). – Definición norma paneuropea. – Proyecciones de 10M de usuarios año 2000. – Definición clara y especifica de interfaces. • Múltiples fabricantes. – Flexibilidad para ofrecer prestaciones adicionales y evolución. UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas • Requisitos básicos definidos por el grupo GSM: – Itinerancia (Roaming) internacional en países CE. – Tecnología digital. – Gran capacidad de tráfico. – Uso eficiente espectro electromagnético. – Uso de sistema de señalización digital. – Servicios básicos de voz y datos. – Posibilidad de conexión a la ISDN – Seguridad y privacidad (encriptación). – Uso de teléfonos portables. – Calidad de cobertura y señal recibida. UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Introducción (4) Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas Introducción (5) • Primeros estudios y recomendaciones grupo GSM: – Banda de frecuencias común en los países. – Técnica de acceso múltiple: FDMA/TDMA banda estrecha. – Basado en el modelo OSI. Definición de los tres primeros niveles. – Codec vocal (vocoder) de predicción (13Kbps (FR), 6.5Kbps (HR)). UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Capitulo 5a: GSM
VICTOR MANUEL QUINTERO FLOREZ
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Introducción
• Europa 80´s diferentes sistemas de telefonía móvil celular.
– NMT (Paises nórdicos).
– Radiocom (Francia).
– TACS (UK).
– C-450 (Alemania).
• Diferentes estándares incompatibles entre sí.
• Ámbito de servicio para cada país.
• Limitaciones en los tipos de servicios.
• Regímenes de monopolio.
UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Introducción (2)
• Importancia:
– Definición de una norma universal.
– Generación de economía de escala.
– Liberalización de las comunicaciones móviles. • Competitividad – dinamizadora del desarrollo.
– Desarrollo basado en las tendencias y
exigencias de los usuarios.
– Tecnologías con calidad. • Evolución.
UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Introducción (3)
• CE (1982) CEPT:
– GSM (Groupe Speciale Mobile).
– Definición norma paneuropea.
– Proyecciones de 10M de usuarios año 2000.
– Definición clara y especifica de interfaces.
• Múltiples fabricantes.
– Flexibilidad para ofrecer prestaciones
adicionales y evolución.
UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Requisitos básicos definidos por el grupo GSM:
– Itinerancia (Roaming) internacional en países CE.
– Tecnología digital.
– Gran capacidad de tráfico.
– Uso eficiente espectro electromagnético.
– Uso de sistema de señalización digital.
– Servicios básicos de voz y datos.
– Posibilidad de conexión a la ISDN
– Seguridad y privacidad (encriptación).
– Uso de teléfonos portables.
– Calidad de cobertura y señal recibida.
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Introducción (4)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Introducción (5)
• Primeros estudios y recomendaciones grupo
GSM:
– Banda de frecuencias común en los países.
– Técnica de acceso múltiple: FDMA/TDMA banda
estrecha.
– Basado en el modelo OSI. Definición de los tres
primeros niveles.
– Codec vocal (vocoder) de predicción (13Kbps
(FR), 6.5Kbps (HR)).
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Introducción (6)
• Fase I. Concluyo en 1990.
• Fase II. Concluyo en 1994.
• Fase II+. Concluyo en 1995.
• Importante
– MoU: Memorandos de entendimiento: acuerdos entre operadores
→itinerancia (roaming) internacional.
• Creación ETSI.
– Grupo RES (Radio Equipments and Systems).
• Sistema 2G.
• 1992. Implementación primeras redes. Liberación del
servicio de telefonía móvil.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Especificaciones sistema GSM
• Bandas de Frecuencia
– Transmisión MS. 890-915 MHz
– Transmisión BS. 935-960 MHz
• Separación Duplex
– 45 MHz
• Separación de canales.
– 200 KHz.
• Modulación
– GMSK.
– BbT=0.3.
– Velocidad de modulación=270.83 Kbps.
– η=1.35 bps/Hz.
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Especificaciones sistema GSM (2)
• Relación de protección cocanal.
– Rp=C/I=9 dB.
• Retardo compensable máximo
– 223 μs.
• Dispersión Doppler.
– Compensable hasta velocidades del móvil de 200Km.
• PIREmax BS
– 500W por portadora.
• Dispersión temporal (Delay Spread) ecualizable
– Hasta 16 μs.
• Potencia nominal MS.
– 2, 5, 8 y 20W.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Especificaciones sistema GSM (3)
• Codificación de canal.
– Código bloque detector.
– Código convolucional corrector.
– Entrelazado de bits.
• Estructura celular y reutilización.
– 3/9 medio urbano.
– 4/12 medio urbano.
– Medio rural omnidireccional.
– Zona urbana ~ 1Km
– Zona rural ~ 35Km.
• Acceso múltiple
– TDMA. 8IT/trama.
– IT=0.577 ms.
– 8 canales físicos que transportan canales lógicos de tráfico y señalización asociada.
– Para señalización por canal común se han definido estructuras multitrama.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Especificaciones sistema GSM (4) • Canales de tráfico.
– Voz. 13 y 6.5 Kbps.
– Datos. 2.4, 4.8 y 9.6 Kbps. (transparente). • Diferentes procedimientos de adaptación de velocidad, codificación y entrelazado.
– Datos 12 Kbps. (no transparente).
• Canales de control.
– Difusión.
– Comunes.
– Dedicados.
• Protecciones radioeléctricas.
– FH (Frequency Hopping). • Efecto similar a diversidad en frecuencia.
– Transmisión discontinua (DTX).
• Selección de celda.
• Localización automática
– MSC.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Especificaciones sistema GSM (5)
• Conmutación en curso.
– Traspaso (handover).
– Aliviar congestión de tráfico.
– Entre canales de diferentes celdas.
– Entre canales de una misma celda.
– Mediciones realizadas por MS y BS. • También para control de potencia.
• Señalización
– BS-MSC. Procedimiento estructurado similar a ISDN.
– Entre MSCs Sistema de señalización número 7 del UIT-T.
• Numeración.
– Conforme recomendaciones serie E UIT-T.
• Seguridad.
– Técnica de cifrado para comunicaciones de voz.
– Autenticación para el acceso al sistema.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Estructura Jerárquica Red GSM
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Arquitectura Sistema GSM
• Arquitectura funcional: Unidades funcionales
e interfaces.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Arquitectura Sistema GSM (2)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Servicios en GSM
• Portadores
– Extremo a extremo.
– Capacidad de transporte independiente del contenido de
información.
• Teleservicios
– Capacidad completa de comunicación incluido terminal.
– Telefonía con voz digitalizada.
– SMS.
– Facsimil, teletext.
• Suplementarios
– Identificación de números.
– Tratamiento de llamadas entrantes.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Servicios en GSM (2)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Basado en las definiciones RDSI (ISDN)
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Servicios en GSM (3)
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Calidad de Servicio (QoS)
• Tiempo entre el encendido de MS y la disponibilidad de servicio.
– 4s red local.
– 10s red visitada.
• Tiempo de conexión/liberación con la red destinataria: 4/2s.
• Tiempo de aviso a la MS de una llamada entrante:
– 4s primer intento.
– 15s último intento.
• Retardo unidireccional máximo: 90ms
• Inteligibilidad de la voz: 90%
• Interrupción máxima en el traspaso.
– 100ms en la misma BTS.
– 150ms entre BTS distintas.
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Canales Lógicos
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• RACH (Random Access Channel): UL. Cursan solicitudes
de comunicaciones de las MS. (ALOHA ranurado, S-
ALOHA).
• BCH (Broadcasting Control Channel): DL. Permanente
activo. Información general de la red para las MS.
– BCCH (Broadcast Common Control Channel): información general
de la BS y otros canales de control.
– FCCH (Frequency Correction Channel): frecuencia piloto para
sincronización de frecuencia de recepción de MS.
– SCH (Synchronization Channel) transmite información de
sincronización e identificación de BS.
• PCH (Paging Channel): DL. Utilizado para aviso a las MS
(radiobusqueda) UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Canales Lógicos (2)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel): bidireccional.
Intercambio de datos entre una MS concreta y la BS, en el
establecimiento de la llamada y antes de que se asigne un TCH.
• AGCH (Access Grant Channel): DL. Asignación de los TCH o los
SDCCH a las MS que previamente solicitaron recursos.
• Los canales de tráfico, se encuentran asociados a dos canales de
control para la señalización asociada a la llamada:
– SACCH (Slow Associated Control Channel): Bidireccional, señalización
asociada a la llamada.
– FACCH (Fast Associated Control Channel): Bidireccional. Ordenes de
ejecución inmediata (ajuste de potencia, traspaso).
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Canales Lógicos (3)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Canales Lógicos (4)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Nivel Físico red GSM
• Sistema multiacceso FDMA/TDMA.
• Una portadora de RF una trama 8IT (0,…,7) (TN, Timeslot
Number).
• Trama (FN, Frame Number) (0 a 2715647).
• Recurrencia de intervalos en las tramas=canal físico. (par
de frecuencias – TN).
• Radiocanal (ARFCN, Absolute Radio frequency Channel
Number).
• Banda GSM primaria (P-GSM 900).
– Inferior (l) 890-915 MHz UL
– Superior (u) 935-960 MHz DL.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Nivel Físico red GSM (2)
• Bandas de guarda en los extremos de cada subbanda.
– En subbanda inferior , la primera y ultima portadora asignable son:
890.2 MHz y 914.8 MHz. (100KHz banda de guarda).
• 124 radiocanales. Cada radiocanal comprende dos
frecuencias separadas 45 MHz.
• En donde se ha saturado la banda primaria, se ha
habilitado una banda adicional, banda de amplicación
(Extended band) (E-GSM 900).
– Inferior (l) 880-890 MHz UL
– Superior (u) 925-935 MHz DL.
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890 0.21 124
45
Fl n nn
Fu n Fl n
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Nivel Físico red GSM (3)
• E-GSM 900.
• Todo canal físico viene definido por (n,TN).
– (92,5) → 908.4-953.4 e intervalo 5.
• BTS → N radiocanales → 8N canales.
– Dentro de los N Radiocanales hay uno especial, radiocanal 0 o
baliza (B, Beacon), TN0.
• Conexión y vinculación a la red de las MS.
• Las MS se registran y mantienen su vinculación.
• Para que las MS realicen medidas de potencia.
• Permanente y con potencia constante.
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890 0.2 1024975 1023
45
Fl n nn
Fu n Fl n
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Nivel Físico red GSM (4)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Nivel Físico red GSM (5)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Nivel Físico red GSM (6)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Nivel Físico red GSM (7)
• Duración de una trama es 4.615 ms.
• Duración de un intervalo 0.577 ms.
• Ráfaga (burst) la señal digital transmitida en un intervalo.
• Periodo de actividad de ráfaga es 0.546 ms. Diferencia
para ramping y pequeños desplazamientos de tiempo.
• Tb=48/13=3.69 μs.
• Velocidad en la interfaz física=1/3.69=270.833 Kbps.
• La estructura de canal físico es similar en UL y DL, pero
con la diferencia respecto a la MS:
– La portadora de recepción es 45 MHz superior a la de transmisión.
– En emisión y recepción el intervalo tiene el mismo número , pero
hay un desplazamiento temporal entre ellos igual a 3 IT.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
Nivel Físico red GSM (8) – Toda MS transmite y recibe ráfagas en momentos diferentes.
– Se evita el uso del duplexor en la MS.
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Se han definido 5 tipos de ráfagas:
– Ráfaga normal NB (Normal Burst).
– Ráfaga de corrección de frecuencia FB
(Frequency Correction Burst).
– Ráfaga de sincronización SB (Synchronization
Burst).
– Ráfaga de relleno DB (Dummy Burst).
– Ráfaga de acceso.
• Todas excepto la ultima constan de 148 bits.
• 114 de información el resto de tara (overhead bits)
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Nivel Físico red GSM (9)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Nivel Físico red GSM (10)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• La velocidad de una ráfaga normal.
• Tb=3.692 μs.
• Vb=270.833 Kbps.
• B=200 KHz.
• Eficiencia espectral η=1.35 bits/Hz.
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Nivel Físico red GSM (11)
11424.7
4.615 /
bitsv Kbps
ms trama
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Estructura de tramas y multitramas.
– Número de trama: 0 a
Fnmáx=26*51*2048=2715648
– Dos tipos de multitrama.
• MF26 (120 ms)
• MF51 (235.4 ms)
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Nivel Físico red GSM (12)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Nivel Físico red GSM (13)
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Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Mediciones de señal en la MS.
– Aspecto importante e innovador del nivel físico.
– Medida de potencia de la señal, en la frecuencia
propia como en las frecuencias de celdas
vecinas.
– Mediciones útiles para traspasos (HO).
– Se utiliza la propiedad de separación temporal
TX/RX, para que la MS pueda medir otras
portadoras cuando no tiene que escuchar la
propia. UNIVERSIDAD DEL CAUCA – DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES
Nivel Físico red GSM (14)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
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Nivel Físico red GSM (15)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Sistema GSM
– A/D. PCM.
• 8000 muestras/s.
• Cuantización de las muestras (13 bits): 8192 niveles.
• Codificación de bits: 104 Kbps.
– Vocoder. Elimina la información redundante de la voz.
• Velocidad total (FR): 13 Kbps.
• Velocidad mitad (HR): 6.5 Kbps.
• Velocidad total mejorada (EFR): 15.1 Kbps.
– RPE-LTP
• Segmentación bloques de 20 ms.
• Factor de Compresión 8: 13 Kbps. En 20ms 260 bits.
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Nivel Físico red GSM (16)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Codificación de canal.
– Concatenación de dos códigos.
• Código externo de tipo bloque (detector).
• Código interno de tipo convolucional (corrector), con
una redundancia que depende del tipo de canal.
– Perforación (puncturing)
– Diferente la codificación de voz, datos y
señalización.
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Nivel Físico red GSM (17)
Énfasis II: Radiocomunicaciones Móviles e Inalámbricas
• Codificación señal vocal
– RPE-LTP (regular Pulse Excited – Long Term Prediction).