Arquitectura GSMGlobal System for Mobile Communications

Ing. Edgar Velarde

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Sub-Sistemas GSM y sus Interfases

� Network Switching Subsystem

� Base Station Subsystem

� Network Management Subsystem

MSMS BSS NSS

NMS

Air A

O&M

Mobile Station

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Sub-Sistemas e Interfases

� BSS: Base Station Subsystem– Control de canales y conexiones de radio.

� NSS: Network Switching Subsystem– Control de llamadas.

� NMS: Network Management Subsystem– Operación, administración y mantenimiento de la red.

– Mantener calidad y servicio de la red.

� Interfases abiertas– Interfase de aire.

– Interfase “A”: entre el BSC y el MSC.

– El resto de interfases no son totalmente abiertas.

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Elementos de un Sistema GSM

Data Communications

Network

NMSNMS

EIR VLR HLR AuC

PSTN

MSC/GMSC

BSCBTS

MS

BSSBSS

NSSNSS

Abis A

F

D

CB

Um

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Mobile Station (MS)

� Mobile Station (MS) está conformado por:– Mobile Equipment (ME)

– Subscriber Identity Module (SIM)

� El ME se identifica por el IMEI (International Mobile Equipment Identity):

� La SIM (Subscriber Identity Module) card contiene:– La identificación del usuario (IMSI) y las redes donde opera.

– Los algoritmos y claves para la autenticación y el cifrado.

– Dependiendo del tamaño, almacena aplicaciones y números telefónicos.

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Diagrama de bloques de un MS

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CODECs GSM

� Full rate (1987) – GSM 06.10– 13 Kbps

� Half rate (1994) – GSM 06.20– 5.6 Kbps

� Enhanced full rate (1995) – GSM 06.60– 12.2 Kbps

Performance de codecs GSMFuente: TR 06.85 V2.0.0 (1998)

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IMSI y MSISDN

� IMSI: International Mobile Subscriber Identity– Identificación del usuario en la red móvil.

– Se asigna en el momento de la subscripción.

– Tiene hasta 15 dígitos.

� MSISDN: Mobile Subscriber ISDN– Número discado en la red PSTN.– Sigue la recomendación ITU-T E.164.– Tiene hasta 16 dígitos.

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Lista parcial de CC y MCC

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Network Switching Subsystem (NSS)

� Conformado por el MSC (GMSC), HLR, VLR, AuC y EIR.

� Realiza las funciones de:– Control de llamadas

– Tarificación (Charging)

– Gestión de la movilidad

– Señalización

– Almacenamiento de datos de abonado

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Mobile Switching Center (MSC)

� Control de llamadas– Identificación y tipo de abonado llamante.

– Análisis de dígitos y enrutamiento (troncal de destino, tono, anuncio, mensaje de texto).

– Establece, supervisa y libera las conexiones.

� Señalización– En las interfases con el BSS, y GMSC o PSTN.

� Tarificación (Charging)– Genera los CDR (Call Detailed Record) que contiene:

números del abonado llamante y llamado, tiempo de inicio y fin de la llamada, tipo de llamada, etc; y lo almacena y/otransfiere a un Centro de Facturación (Billing Center).

� Iniciación del paging (búsqueda)– El paging es el proceso de ubicación de una estación

móvil para el caso de una llamada terminante.

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GMSC (Gateway MSC)

� En llamadas terminantes interactuando con el HLR.

� En muchas redes, el MSC actúa como GMSC

MSC1

MSCn

GMSC

HLR

PSTN

…

VLR1

VLRn

STP

ISUP

MAP

STP: Signaling Transfer Point

ISUP: ISDN User Part

MAP: Mobile Application Part

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Home Location Register (HLR)

� El HLR mantiene un registro permanente de los usuarios y contiene información de sus números de identificación (IMSI y MSISDN) y servicios.

� El HLR contiene la dirección de la VLR donde se encuentra registrado el terminal móvil.

� El MSC solicita a la HLR la ubicación del usuario para una llamada terminante, este proceso se conoce como “HLR interrogation”.

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Visitor Location Register (VLR)

� Generalmente, la VLR está integrada en el MSC

� La VLR es una base de datos temporal que mantiene una copia del registro del usuario en la HLR, mientras el usuarioestá dentro de su área de servicio

� La VLR mantiene información de seguridad para autenticación y cifrado

� Un abonado móvil siempre debe estar registrado en una VLR para tener servicio

� La VLR realiza las registraciones y location updates (gestión de la movilidad)

� La VLR tiene registrada el área de ubicación (location area) donde se encuentra el abonado móvil

� Cuando un abonado cambia de location area se realiza un proceso llamado “location update” para registrar la nueva ubicación del abonado

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TMSI y MSRN

� TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity– Identificación temporal del usuario en la VLR que da

servicio a un móvil.

– Tiene hasta cuatro octetos.

� MSRN: Mobile Station Roaming Number– Es un número temporal dentro de la VLR que da

servicio a un móvil que permite enrutar las llamadas entrantes.

– Tiene la misma estructura que el MSISDN.

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Authentication Center (AuC)

� El AuC provee de información de seguridad a la red con el fin de:

– Verificar la identificación del usuario mediante el proceso de autenticación entre el MS (SIM card) y la VLR, usando el IMSI y Ki (authentication key)

– Realizar el cifrado de la información (voz y datos) transmitida en la interfase aérea (entre el MS y la BTS) usando el Kc (ciphering key)

� El AuC generalmente se encuentra en el mismo equipo de la HLR

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Equipment Identity Register (EIR)

� El EIR es usado por razones de seguridad

� El EIR es responsable del chequeo del IMEI (International Mobile Equipment Identity)

� El EIR contiene tres listas:– Lista blanca: Indica que el ME está permitido para

operar normalmente

– Lista gris: Para monitorear equipos sospechosos

– Lista negra: Para equipos reportados como robados, o que no estén permitidos de operar en la red

� El chequeo del IMEI es un procedimiento opcionalque depende del operador

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Base Station Subsystem (BSS)

� El BSS conforma la red de acceso del sistema GSM

� Un MSC puede soportar varios BSS

� Una BSS soporta muchas celdas

� El BSS está compuesto por:– BSC: Base Station Controller

– BTS: Base Transceiver Station

– TRAU: Transcoder Rate Adapter Unit o TC (Transcoder)

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Funciones de la BSS

� Control del enlace de radio– Gestión de los recursos de radio y calidad de las conexiones

de radio

� Sincronización jerárquica– El MSC sincroniza el BSC, y el BSC a las BTS

– Si hay fallas de sincronización, las llamadas podrían no establecerse, cortarse o ser de baja calidad

� Señalización en las interfaces de aire, Abis y A

� Establecimiento de la conexión entre el MS y el NSS– Señalización y tráfico (voz, data)

� Gestión de la movilidad y transcodificación de la voz– La gestión de la movilidad cubre los diferentes casos de

handovers

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Base Station Controller (BSC)

� Establecimiento de la conexión entre el MS y NSS

� Gestión de la movilidad: handover

� Recolección de datos estadísticos– Información estadística de las BTS, TRAU y BSC son

recolectadas en el BSC y enviadas al NMS, donde seráprocesada para conocer la calidad y el estado de la red

� Soporte a la señalización de interfases de Abis y A– Abis: LAP-D (Link Access Protocol on the D channel)

– A: BSSAP (Base Station Subsystem Application Part)

� Control y gestión de mantenimiento de BTS y TRAU

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Diagrama de bloques de una BSC

� TCE: Terminal Control Element

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Base Transceiver Station (BTS)

� Procesamiento de voz– Garantizar una conexión libre de errores con el MS

– Incluye:

• Channel coding (protección de errores)

• Interleaving (protección contra faidings)

• Cifrado (protección contra interceptaciones)

• Formateo de burst (para una transmisión organizada)

• Modulación y de-modulación (GMSK)

� Señalización de interfase de aire– Registraciones

– Establecimiento de llamadas originantes y terminantes

– Ejecución de handovers

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Base Transceiver Station (BTS)

� Contiene los TRX (transceiver)– Cada TRX soporta un par de frecuencias (2x200 KHz)

– Se dimensiona la cantidad de TRX de acuerdo a la demanda de tráfico por sector

� Soporta las antenas de transmisión y recepción

� Funciones de O&M

� Sincronización

� Conexión de alarmas externas

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Diagrama de bloques de BTS con TRX

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Soluciones de BTS

BB: Baseband

RRH: Remote Radio Head

CPRI: Common Public Radio Interface

BB Module

RRH

BB Module

RF Module

BB Module

Compact Solution

CPRI

CPRI

Distributed Solution

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Power Classes para MS y BTS

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Transcoder Rate Adapter Unit (TRAU)

� Generalmente, es ubicado cerca al MSC y puede multiplexar hasta cuatro canales de tráfico en un canal PCM incrementando la eficiencia de los E1

– En el PSTN, codec PCM de 64 Kbps

– En la interfase de aire se pueden usar vocoders:

• Full Rate (13 Kbps)

• Half Rate (5.6 Kbps)

• AMR (Adaptive Multirate Coding) hasta 12.2 Kbps

� Permite habilitar el DTX (Discontinuous Transmission) que es usado durante una llamada cuando no hay conversación para reducir el ruido y ahorro de batería

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Ubicación del TRAU

BTSBSCMSC

Standard 64 kbps links

A-bisA

BTSBSCMSC

Standard 64

kbps links

A-bisA

Multiplexed

64 kbps

BTSBSCMSCA-bisA

Multiplexed 64 kbps links

M

Channel Codec

Units (CCU)

Transcoder/Rate Adapter

Units (TRAU)

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Network Management Subsystem (NMS)

� Consiste de servidores y terminales para monitorear los diferentes elementos y funciones de la red

� Sus funciones pueden ser divididas en tres categorías:

– Gestión de fallas

– Gestión de configuración

– Gestión de performance

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Funciones del NMS

� Gestión de fallas

– Asegura la correcta operación de la red

– Rápida corrección de fallas

– Provee estado de alarmas y eventos

– Almacenamiento histórico de alarmas

� Gestión de configuración

– Mantiene información actualizada de la operación y configuración de los elementos de red

– Incluye gestión del hardware y software de los elementos de red, sincronización de tiempo

� Gestión de performance

– Almacena mediciones de los elementos de la red

– Estadísticas de performance de la red: reportes de tráfico, ocupación de procesadores y de enlaces de señalización, etc.