ARQUITECTURA GSM (2G)

Posted on 11 marzo, 2011

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Bajo estas líneas encontramos la arquitectura, lógica, de una red GSM (Global System Mobile). Esta estructura es aplicable para abonados de post-pago (de contrato) y sólo para voz. Posteriormente iremos añadiendo más elementos para que la red pueda prestar otros servicios como SMS o  servicio a abonados prepago (de tarjeta) también.

A cada red se le conoce como PLMN

Todos los elementos de la red (tanto radio como núcleo central)  van a estar conectados con un sistema de mantenimiento, que será supervisado desde la oficina de Operación y mantenimiento, para poder monitorizar en tiempo real a todos los elementos y solucionar posibles errores que ocurran, revelados por alarmas, traps…

También va a haber un sistema de aprovisionamiento para almacenar los datos en las bases de datos existentes (HLR, AUC y EIR donde lo haya). Este sistema se es necesario ya que se van a definir miles incluso millones de datos en los nodos.

El funcionamiento habitual de este sistema definirá las relaciones entre el IMSI, numero almacenado en la tarjeta SIM y MSISDN, número del abonado, unido a todos los servicios definidos para el abonado (voz, SMS…) en el HLR. En el AUC asociaremos el IMSI con las tripletas (conjunto de tres ‘contraseñas’) que se van a utilizar para autentificar el abonado. En el EIR (cuando lo haya) definiremos el IMEI (la identidad) que identifica al terminal.

Normalmente tras aprovisionar estas bases de datos se van a poner a la venta las tarjetas, terminales y tarjeta + terminal, que hay en las tiendas donde se pueden adquirir.

Este blog va a versar sobre el núcleo central de GSM (NSS) ya que  en el residen la mayoría de las funcionalidades que tienen los teléfonos móviles.

Para hacer un símil con la telefonía fija diremos que el terminal móvil es equivalente a lo que es el terminal en la red fija y que la tarjeta SIM es equivalente a la conexión que hay en la pared en la telefonía fija.

Vamos a hacer una pequeña descripción de los elementos dentro del núcleo central (NSS):

  • HLR: Es el corazón de la red. Es una base de datos que incluye las relaciones IMSI-MSISDN (tarjeta-número de abonado). En una visión lógica lo trataremos como un único elemento en la red. En una versión física el HLR estará dividido en varias entidades (nodos, ya definiremos lo que son) por razones de seguridad incluida la redundancia geográfica. De esta manera pretendemos que si un HLR  deja de funcionar correctamente, se minimice, incluso desaparezcan, las posibles consecuencias para el abonado.
  • AUC: Se encarga de la autentificación y cifrado de los abonados y las llamadas. Suele estar co-localizado (en el mismo nodo) que el HLR.
  • MSC: Es el conmutador por excelencia. Permitirá establecer llamadas y realizar otros servicios implementados por la red. También generará la informacion necesaria para poder facturar al abonado. Cuando se interconecte con otras redes recibirá el nombre de GMSC (por sus siglas en inglés.)
  • EIR: Como hemos comentado con anterioridad es la base de datos de los terminales empleados en la red, Por razones de seguridad aunque lógicamente lo veremos como una entidad, físicamente está dividido en varios nodos.
  • NODO: son las entidades físicas sobre las que funcionan todos los elementos de la telefonía móvil. Son ordenadores especiales ya que tienen que trabajar durante 24 horas al día y 7 días a la semana. Además no pueden quedarse `colgados` de manera que si algún proceso se queda detenido hay que resetearlo y que siga funcionando. Todo esto sin alterar, o alterar lo más mínimo, a los abonados de la red.

Sobre estos ordenadores se ejecutarán diferentes aplicaciones (HLR, MSC…). Tanto el ordenador (Hardware) como la aplicación (software) son monitorizados por el centro de operación y mantenimiento del operador.

Todos los elementos, del NSS, están conectados a una red de señalización (SS7) para interactuar. La red SS7 suele tener enlaces de conexión E1 (32 canales x 64 Kbits por canal =2048 Kbits, es decir 2 Megas) o STM1 (de mayor capacidad que el E1)

La conexión al sistema de monitorización o aprovisionamiento suele hacerse a través de una red X25, IP…

La conexión al sistema de facturación (BGW por sus siglas en inglés) suele hacerse, también,  a través de una red X25, IP…

El abonado sólo puede hacer o recibir llamadas sólo cuando se encuentra bajo la cobertura de su operador o cuando se encuentra haciendo roaming, es decir está localizado en otro operador que tiene acuerdo con el operador al que pertenece el abonado. Para establecer técnicamente la intererelación entre dos operadores hay un par de documentos:

  • IREG: Establece las características técnicas para realizar la interconexión.
  • TADIG: Establece las características de cómo se va a realizar la facturación de las llamadas.

Hay un tipo de llamada que siempre es posible cuando se está bajo cobertura de cualquier operador GSM y es la llamada de emergencia (112 en Europa, 911 en Estados Unidos…). Esta llamada se puede hacer siempre incluso si el terminal está apagado y lo encendemos. Si al pedir el PIN ponemos el número de llamada a emergencias (en Europa 112) nos conecta automáticamente con emergencias.

El VLR suele estar co-localizado con el MSC. Es una base de datos más pequeña que guarda los datos de los abonados que se encuentran en su área de influencia. A diferencia de un teléfono fijo, la posición de un teléfono móvil puede variar y un abonado debe estar siempre localizado (siempre que haya cobertura por ese operador, ya lo veremos más tarde). De hay la importancia de este elemento.

El MSC, como se ha comentado con anterioridad, es el conmutador por excelencia, y es también el que se utiliza en las interconexiones con otras redes incluida también la red de telefonía fija (PSTN). A través de él se conmuta la llamada y se asigna y controla el canal de voz por el que los abonados pueden hablar a través de su terminal.

El sistema para realizar la facturación de las llamadas es el BGW y está conectado a MSC.

El MSC es el punto de conexión con el  subsistema de radio (BSS). Vamos a dar una breve descripción de los elementos sin entrar en detalle como hemos dicho con anterioridad:

  • BSC: el BSC o controlador de estación base es al que se conectan las estaciones base (BTS)
  • BTS : es el sistema base de radio. Cada BTS puede tener de una hasta tres antenas, en la ilustración anterior sólo tiene una, que da cobertura a lo que se conoce como una célula. La forma de la cobertura es de panal de abeja o celular. De ahí que en muchos países se le llame teléfono celular a lo que llamamos teléfono móvil.
  • Terminal: Una de las cosas  más importantes del terminal es que incluye la tarjeta SIM que permite utilizar la red móvil. EL terminal puede estar conectado a un PC (ofreciendo una velocidad de 9,6 Kb). Es lo que comúnmente se conocen como ‘pinchos’ USB que se conectan al ordenador (en su mayoría portátiles) y que permite el acceso a Internet.

Como 9,6Kb es una velocidad bastante limitada, en capítulos posteriores explicaremos otras formas de conexión mucho más rápidas que se encuentran disponibles.


Glosario

Dado que los elementos se definen por se acrónimo en inglés, vamos a utilizar este idioma para alterar lo menos posible el significado de los términos empleados:

  • AuC               Authentication Centre
  • BGW              Billing Gateway
  • BSC                Base Station Controller
  • BTS                Base Transceiver Stations
  • Cell                Célula
  • EIR                Equipment Identity Register
  • GMSC           Gateway  Mobile-services Switching Centre
  • HLR              Home Location Register
  • IMSI             International Mobile Subscriber Identity
  • MS                 The Mobile Station
  • MSC               Mobile-services Switching Centre
  • MSISDN       Station International ISDN number(s)
  • O&M              Operaton and Management
  • PLMN           Public Land Mobile Network
  • SMS               Short MeSsage
  • VLR               Visitor Location Register
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Posted in: GSM