GSMPer:

Damià Castellà

Gilbert Gomà

Daniel Llobera

Rosa Ana Tomàs

HISTORIA DEL GSM

L’origen del estandar GSM

• Cada país el seu pròpi sistema.

• Desenvolupament descoordinat i incompatibilitat entre els sistemes mòbils dels diferents països. Sorgiren uns quants problemes:

- Límits territorials

- Imposibilitat de competir a nivell mundial

• Per solucionar aquests problemes, el 1982 , la Conferencia d’ Administradors de Correus i Telecomunicacions (CEPT) va pendre dues decisions:

– “Groupe Special Mobile”

– Reserva de dos subbandes de freqüències pròximes a 900 MHz .

La primera generació de sistemes mòbils

• Anys 80, els sistemes de primera generació van tenir una gran penetració en el mercat.

• Les xifres indicaven la saturació de la capacitat d’aquests sistemes al principi dels 90. Va sorgir la tentació d’utilitzar part de les subbandes de freqüències destinades al GSM com ampliació.

• La Unió Europea va emetre una Directiva en la que reservava dos subbandes de freqüències en la banda de 900Mhz i que tots els mòbils de primera generació haurien d’abandonar-les en els pròxims 10 anys.

Consolidació del estándar GSM

• Mentrestant els membres de GSM realitzaven excel·lents progressos en el desenvolupament i l’acord d’estandars.

• Van pendre desicions com:– Sistema digital

– Utilització de tecnologia VLSI

– Interficie amb la RDSI

GSM Sistema Digital

• GSM es un sistema digital, on la informació a tractar (la veu) és enviada digitalment del terminal al servidor.

• La forma de convertir en informació digital és medint cada cert tems l’altura de les ones sonores.

Integració del sistema GSM

• La integració del sistema GSM en la societat europea va arribar el 1992, un any despres de l’acordat, degut a una serie de problemes:– El retràs en l’efectuació de proves de certificació

– Necessesitat de modificar algunes especificacions GSM

– Complexitat tècnica en la fabricació de terminals portàtils

• La seva implantació en térmes geogràfics va realitzar-se en fases, començant per ciutats importants i aeroports seguint en autopistes.

• No va ser fins el 1995, que el sistema va començar a funcionar a Espanya, i en la majoria de paisos europeus.

SISTEMES CEL·LULARS

Sistema de cel·les

• GSM és un sistema cel·lular, composat per cel·les que són les unitats més petites de cobertura de la xarxa.

Cel·la• Cada cel·la disposa:

– Antena pròpia:Estació Base

– Conjunt de freqüències

• Tipus de Cel·les:

-Cel·les Macro

-Cel·les Micro

-Cel·les Selectives

-Cel·les “Umbrella”

• Objectiu d’un sistema cel·lular:– Reutilització de canals o taules de freqüència, on aquests estan

associats a estacions base.

ESTRUCTURA I

ARQUITECTURADE LA XARXA

GSM

Arquitectura de la xarxa GSM

Subsistema d’estació base (BSS)

• El sistema s’organitza com una xarxa de cel·lules radioelèctri-ques continues que proporcionen cobertura completa al àrea de servei.

• Cada cel·lula pertany a una estació base (BTS) que opera un conjunt de canals de radio diferents als utilitzats en cel·lules adjacents i que es troben distribuïdes segons un pla cel·lular

• Un grup de BTS’s es troben connectades a un controlador d'estacions base (BSC) encargat d’aspectes com:– El handover (traspàs del mòbil d’una celul·la a l’altra) – Control de potencia de les BTS’s i dels mòbils.– Maneig de tota la xarxa de radio.

Subsistema de xarxa i comunicació (NSS)

• Està composat diferents registres:

– MSC Central de comunicació de mòbils

– AuC Centre d’Autentificació

– VLR Registre de posicions visitades

– HLR Registre de posicions base

– EIR Registre d’identitat d’equips

Central de comunicació de mòbils (MSC)

• Un o varios BSC es connecten a una central de commutació de mòbils (MSC), estructura principal del GSM.

– Inicialització, enrutament, control i finalització de les trucades.

– Informació sobre la tarificació.

– Interfície entre:– 1 xarxa GSM 1 xarxa GSM

– 1 xarxa GSM Xarxes públiques de telefonia o dades

Informació sobre els abonats

• La informació referent als abonats es troba emmagatzemada en dos bases de dades:

– Registre de Posicions Base (HLR):

• Analitza els nivells de subscripció, serveis suplementaris i localització actual.

– Registre de Posicions Visitants (VLR)

• Conte informació sobre nivells de subscripció suplementaris i àrea de localització per un abonat i si esta actiu o no.

Centre d’Autentificació (AuC)

• Es una base de dades:

– Objectius:

• Controlar als mòbils que es troben en la seva àrea d’influència.

• Per propòsits de seguretat (autentificació i encriptació)– Motiu:

• Evitar possibles estafes.

• Utilització de targetes d’abonats que estiguin robades

• Que no hi hagi gent que utilitzi el servei sense pagar.

Registre d’Identitat d’Equips (EIR)

• Guarda informació sobre:– El tipus d’estació mòbil en us.

– Llista de tots els terminals vàlids identificats amb el IMEI.

• Pot eludir que es realitzi una trucada quan: – Es detecta que ha sigut una trucada robada.

– Pertany algun model mòbil no homologat

– El terminal te algun fallo elèctric susceptible d’afectar negativament a la xarxa.

Estació Mòbil (SM)

• Composat per:

– L’equip terminal (TE)

– La terminació mòbil (MT)

– La targeta SIM

Equip Terminal (TE)

• El equip terminal realitza les següents funcions:

– Transmissió radio

– Gestió canals de transmissió de radio

– Capacitat del terminal, interfície home-maquina

– Codificació de veu

– Protecció d’errors

– Control de flux de dades

– Adaptació de velocitat de dades d’usuari i velocitat del canal

– Suport de terminals múltiples

– Gestió de mobilitat

Terminació Mòbil (MT)

• Tres tipus:

– MT0: Realitza funcions anteriorment mencionades

– MT1: Inclou interfície RDSI

– MT2: Inclou interfície CCITT series X y V

Targeta SIM (I)

• Mòdul de identificació d’usuari (SIM):

– Es necessari per que una estació mòbil GSM pugui funcionar dins la xarxa GSM.

– Existeixen dos tipus:

• Una targeta intel·ligent que pugui ser retirada de l’estació mòbil quan l’usuari deixa d’utilitzar-la.

• Un mòdul que es incorporat al mòbil amb el fi d’estar instal·lat permanentment.

Targeta SIM (II)

• El SIM ha de contenir la següent informació:

– Numero de sèrie

– Estat del SIM (bloquejat o desbloquejat)

– Clau del algorisme d’autentificació (Ki)

– Algorisme d’Autenticació (A3)

– Identificació internacional del usuari mòbil (MSI)

– Identificació temporal del usuari mòbil (TMSI)

– Algorisme de generació de claus de xifratge (A8)

– Clau del algorisme de xifratge de senyalització i de dades (A5)

– Numero de seqüència de la clau del algorisme de xifrat.

– Classe de control d'accés del usuari.

Gestió de la seguretat

Autenticació Encriptació

Handover

• El handover pot ser de quatre tipus:– Intracel·lular (canvi de freqüència)

– Inter BCS

– Intra BCS i Inter MSC

– Inter MSC

• Existeixen tres motius per els que es pot produir un handover

– Per moviment de l’aparell GSM

– Per millorar el comportament de la xarxa.

– Per millorar les condicions de tràfic d’una cel·lula.

INTERFICIE RADIOELÈCTRICA

La interfície entre les estacions mòbils i les estacions base

Situació de les freqüències

• La banda d’espectre radioelèctrica en el sistema GSM es:– 890-915 MHz per comunicacions de E.M a E.B

– 935-960 MHz per les comunicacions de E.B a E.M

• La separació entre les portadores de canals GSM es de 200 Khz.

• Això suposa 124 canals possibles.

Esquema de múltiple accés

• Per aconseguir una major quantitat d’usuaris, a part del sistema cel.lular, el GSM utilitza altres tècniques com:

– FDMA (Frecuency Division Múltiple Access): s’assigna una freqüència determinada dins del rang disponible. (1 per parlar, 1 per escoltar).

– TDMA (Time División Múltiple Access) : Cada telèfon te assignat un període de temps per poder comunicar-se amb el sistema. Cada canal de radiofreqüència esta dividit en intervals de 577 usg (burst). Els intervals de temps estan agrupats en conjunt de 8 intervals consecutius que formen la trama TDMA.

– Una mica de freqüència de salt (Frequency Hopping).Alleugera les diferències en la qualitat dels canals.

Estructura dels canals

• Hi han dos tipus canals en el sistema GSM:

– Tràfic (TCHs):

• Suporten veu i dades codificades.

• Tipus:– TCH/F: velocitat completa (22.8 kbit/s). Estan formats per un

grup de 26 trames TDMA anomenat 26-multitrama.

– TCH/H: velocitat mitja (11.4 kbit/s). També estan agrupats en 26-multitrama.

–Control (CCHs)

•Suporten senyalització i dades de sincronització entre estacions base i mòbils.

•4 Tipus:

–Canals de Broadcast (BCH). S’usen per sincronitzar la xarxa. N’hi ha de tres tipus:

»Canal de Control Broadcast (BCCH), identificació i accés.

»Canal de Sincronització (SCH), porta la seqüència per demodular la informació.

»Canal de Correcció de Freqüència (FCCH), porta la freqüència de referència per sincronitzar.

– Canals de Control Comuns (CCCH). Ajuden a establir les trucades. N’hi ha de tres tipus: Paging Channel (PCH), Random Access Channel (RACH), Access Grant Channel (AGCH).

– Canals de Control Dedicats (DCCH). Són utilitzats en l’intercanvi de missatges en la xarxa. N’hi ha de dos tipus: SDCCH (intercanvi de senyals d’informació) i SACCH (manteniment i control).

– Canals de Control Associats Ràpids (FACH). Canvien tot o una part d’un canal de tràfic quan una senyal d’informació urgent es transmesa.

Burst

• És la unitat en temps (0.577 ms) d’un sistema TDMA que modula una portadora GSM. Porta una seqüència de dades de 156.25 bits.

• 5 Tipus:

– Burst de correcció de freqüència. S’utilitza en el FCCH.– Burst de sincronització. S’utilitza en el SCH. – Burst d’accés aleatori. S’utilitza en el RACH.– Burst postís. S’utilitza per rellenar la transmissió quan no hi

ha canals de tràfic per transmetre.– Burst normal. S’utilitza per portar la veu o les dades

d’informació.

Esquema de les trames

L’ENLLAÇ DE VEU

Codificació de la veu

• La senyal de veu (analògica) es convertida a senyal digital per transmetre-la al canal GSM.– S’utilitza un codificador de veu:

• Velocitat 13 kbit/s

• Blocs de duració 20ms o 260 bits

Codificació del canal (I)

• El fet que la EM estigui en moviment i les irregularitats del terreny provoca alteracions en la senyal rebuda pel mòbil.

• Aquestes variacions produeixen errors en les transmissions digitals.

• Per detectar aquests errors es realitza una codificació dels blocs de veu.

• Proces:– La codificació de veu subdivideix els bits d’enllaç en 3 classes:

Codificació del canal (II)

• Cada classe se li aplica una codificació de canal diferent.– S’afegeix:

• Classe 1: 3 bits de paritat (FEC).• Classe 2: 4 bits a zero.• Classe 3: 193 bits de redundancia per a protecció

d’informació. (Codificació convolucional)

Resultat:– Bloc (260 bits) Bloc (456 bits)

• El bloc de 456 bits es passa per l’interleaver.

Interleaving (I)

• Els errors produïts en sistemes mòbils:

– Succeeixen a una velocitat molt menor que els 270 kbit/s (vel. de trans. del GSM).

– Tendeixen a succeïr en rafegues.

Els errors en el canal es distribueixen formant:

• Periodes amb una alta tasa d’error.

• Intervals molt llargs amb tases d’error baix.

• Per que el codi corrector treballi adecuadament els errors han d’estar distribuïts mes o menys uniformement en el temps.

Interleaving (II)

• Els blocs de 456 bits codificats:

– Reordenats i interliniats sobre 8 grups multiplexats en el temps.

– Cada bloc es dividit en 8 parts (57 bits) que son entremesclats amb el bloc precedent o amb el posterior.

– Aquests grups formats per 114 bits (57 + 57) s’els hi afegeix 2 bits per indicar si l’enllaç de veu ha estat substituit per dades de tipus FACCH.

– Els 116 bits de cada bloc formen l’anomenat burst que es transmet.

Encriptació (I)

• Tots els abonats mòbils tenen un codi d’identificació:– IMSI: Identitat Internacional d’Abonat Mòbil.

• Aquest codi no es transmet clarament en ningun missatge de senyalització en l’enllaç de radio.

• En l’area de localització (LAI) s’envia una indentitat temporal d’abonat mòbil (TMSI)

– Si el TMSI i LAI no corresponen:

• E.B pregunta ISMI a E.M

• E.M envia ISMI (encriptat) a E.B

• E.B envia un nou TSMI (encriptat) a la E.M.

Encriptació (II)

• En el procés d’encriptació intervenen:

– La clau d’encriptació:

• La clau secreta d’autentificació d’abonat.

• 1 numero aleatori enviat per la xarxa.

• L’algorisme A8 (guardat a la tarjeta SIM).

– L’algoriseme A5 encripta les dades a partir de la clau d’encriptació generada.