GSM Layered Arquitecture

“GSM Layered Architecture hacia 3G”

INTRODUCCIÓN. Debido al incremento de nuevos servicios, a la demanda y cobertura de comunicaciones móviles, surgió la idea de implementar un sistema global de comunicaciones móviles. A principios de la década de los ochentas los organismos internacionales de regulación de telecomunicaciones comenzaron a definir cómo sería el sistema de comunicaciones móviles de segunda generación, 2G. Las características debían de ser la compatibilidad y la transparencia internacional, el sistema debe ser regional o semiglobal y los usuarios del sistema tendrían acceso a él desde prácticamente cualquier punto de la región definida. Desde el punto de vista del usuario, las redes de 2G de comunicaciones móviles ofrecen un paquete más atractivo porque, además del servicio de voz tradicional, incluían algunos servicios de datos y otros servicios adicionales más sofisticados. (1) El sistema GSM (Global System for Mobile Communications) es el estándar de comunicaciones móviles de 2G, más popular en el mundo con una cantidad alrededor de los 2 billones de usuarios en más de 212 países. (2) El proyecto de asociación tercera generación, 3GPP, (Third-generation Partnership) está preparando la evolución de GSM hacia WCDMA o UMTS. El 3GPP es una organización formada por varios socios, a saber: la Association of Radio Industries and Businesses (ARIB) y el Telecommunication Technology Committee (TTC) del Japón; el European Telecommunications Standards Institute (ETSI: Instituto Europeo de Normas de Telecomunicación); la Alliance for Telecommunications Industry Solutions (ATIS) de EE.UU., y la Telecommunications Technology Association (TTA) de Corea. La tecnología UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles) se está implantando en Europa a medida que se abandona el sistema GSM/GPRS. La tecnología WCDMA (CDMA de banda ancha) se está implantando a través de operadores de EE.UU. y Japón a medida que se abandonan los sistemas TDMA/GSM/GPRS. Se espera que la tercera generación, 3G, complete el proceso de globalización de las comunicaciones móviles. Todo apunta a que la 3G se base en las soluciones técnicas del sistema GSM por dos razones: primero, por que la tecnología GSM domina el mercado y la segunda se debe a que es necesario sacarle el máximo rendimiento a las inversiones ya realizadas. (1) El cambio de GSM hacia 3G, implica el agregado de más funcionalidades, más posibilidades, más valor a la red y el negocio GSM existente. No se trata de una revolución, sino una evolución, en la cual cada parte agrega valor al conjunto.

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

1

GSM Layered Arquitecture

La arquitectura colocada por capas horizontales introducida actualmente al mercado de las comunicaciones móviles, está jugando un papel clave en la migración de arquitecturas anteriores a redes de servicio múltiple de tercera generación. Esta arquitectura da la pauta en el comienzo de las redes de 3ª generación en las comunicaciones móviles y no reemplaza al actual sistema GSM, sino da una convivencia e interoperabilidad entre estas dos redes de telecomunicaciones.(3) PROCESO DE EVOLUCIÓN HACIA 3G El sistema GSM originalmente llamado (Groupe Spécial Mobile) es el estándar 2G más popular de telefonía móvil en el mundo. La gran presencia que ha tenido GSM ha hecho que este estándar ofrezca el servicio de Roamming Internacional y movilidad entre diferentes operadores, posibilitando a los suscriptores hacer uso de su equipo en diferentes partes del mundo. (4) La naturaleza regional de la estandarización impidió que el concepto de globalización prosperara completamente y hay algunos sistemas de 2G en el mercado. De ellos, el de mayor éxito comercial ha sido GSM y sus diferentes adaptaciones. Este sistema ha superado por mucho todas las expectativas fijadas, tanto técnicas, como comerciales.(1) La principal ventaja para los usuarios ha sido la alta calidad de voz digital, el incremento de algunos servicios y en algunos países los bajos costos para hacer llamadas. Por el lado de los operadores de la red, estos han tenido la ventaja de integrar a sus redes equipos de diferentes proveedores debido a estándares abiertos que permiten la interoperabilidad. Las nuevas tecnologías para 3G presentan altas velocidades con diversos servicios. El mundo de las telecomunicaciones tradicionales y las comunicaciones de datos, hasta entonces dos tecnologías bien diferenciadas, comenzaron a converger rápidamente y se ha desencadenado un proceso de desarrollo en el que estas dos tecnologías se combinaran en el mismo paquete. Esta tendencia común se designa de diversas maneras en función del punto de vista; algunas personas se refieren a la meta de esta evolución como la Sociedad de la información móvil o IP móvil, otros la definen como la 3G todo IP. (1) La ruta principal en la migración de 2G a 3G es la evolución en la transmisión de circuitos a transmisión de paquetes. EVOLUCIÓN HACIA 3G La evolución comienza con una actualización de la red GSM, con la capacidad para paquetes de datos mediante el agregado de GPRS. Esto permite que los usuarios finales ingresen en la experiencia “always connected” (siempre conectado).(9) WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) es una tecnología nueva y de alta eficiencia para el tráfico de conmutación de paquetes y de circuitos. Provee más capacidad y velocidades de datos más altas, para enriquecer la experiencia de los

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

2

GSM Layered Arquitecture

usuarios de los servicios existentes de voz y datos, así como con los nuevos servicios avanzados de Internet Móvil. EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) es un conjunto normalizado de mejoras a la interface de radio GSM, que brinda mayores velocidades de datos y un aumento de la eficiencia espectral de los servicios de datos. Con EDGE, el operador puede tener tres veces más abonados que con GPRS o triplicar la velocidad de datos.(2) EDGE provee el mismo tipo de servicios 3G que provee WCDMA, pero con menores velocidades de transferencia de datos. La implementación de EDGE es rápida y económica, EDGE utiliza la estructura de canales, la planificación de frecuencia, los protocolos y la cobertura actuales de GSM. Los operadores podrán obtener más con los mismos recursos físicos. Dado que las bandas de frecuencia GSM son una parte substancial del total de los activos de espectro de un operador, será cada vez más importante poder utilizar el espectro GSM para los servicios 3G. La elección no será entre WCDMA y EDGE, sino cómo utilizar mejor WCDMA y EDGE. En los mercados norteamericanos y latinoamericanos, así como en algunos mercados asiáticos y africanos, EDGE será utilizado en el despliegue inicial de los servicios 3G, dependiendo de la situación de mercado y de la disponibilidad de espectro. En Europa, EDGE es visto como un complemento para WCDMA, al agregar cobertura y capacidad 3G a la banda de GSM. LAYERED ARQUITECTURE O ARQUITECTURA EN CAPAS Las redes de Telecomunicaciones han migrado hacia una arquitectura de red basada en capas horizontales para simplificar y mejorar su desempeño. Layered Arquitecture actualmente está desarrollada en las redes móviles de tercera generación tales como WCDMA.(6) Anteriormente las redes de telecomunicaciones se encontraban de manera independiente una de la otra. Por ejemplo las redes PLMN (Public Land Mobile Network) difieren de las redes PSTN/ISDN y estas a su vez difieren de las redes de datos IP en la parte de control y de conectividad. Con relación a estas diferencias el termino “vertically integrated” (verticalmente integrada), es usado para describir la integración de diferentes funciones de control y conectividad dentro de la misma red. En contraste a esto las nuevas redes por capas incorporan una arquitectura “horizontally integrated” (horizontalmente integrada) y separan las funciones de conectividad, control y aplicación en capas especificas.

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

3

GSM Layered Arquitecture

Dat

a/IP

Net

wor

ks

PLM

N

PSTN

/ISD

N

CA

TV

Services

Access Transport & Switching Networks

Dat

a/IP

Net

wor

ks

PLM

N

PSTN

/ISD

N

CA

TV

Services/Applications

Connectivity

Vertical IntegrationVertical Integration Horizontal IntegrationHorizontal Integration

Figura (1). Vertically and horizontally integrated networks. Con la arquitectura por capas se da una convergencia de diferentes tipos de redes, particularmente es la capa de conectividad la que habilita una serie de sinergias a través de las redes de diferentes operadores y esto se refleja en la reducción de costos y en la portabilidad del servicio. Estas sinergias incluyen plataformas de hardware común, tecnologías de transporte compartidas en diferentes redes de acceso, sistemas de señalización estandarizados y otros. (7) The Connectivity Layer. La capa de conectividad puede ser descrita como una capa de recursos distribuidos necesarios para manejar datos de usuario y flujos de señalización. Esta manipulación incluye la codificación y decodificación de la información del usuario y la conversión de protocolos en el plano de transporte. Un operador con una red backbone de multiservicios puede reducir costos de operación y de servicios teniendo una red de transporte común para todos los servicios. Esta capa contiene un elemento muy importante llamado Media Gateway (MGW) y elementos de red asociados al Backbone de Transporte, tales como switches o routers ATM/IP. Las redes de acceso de Radio son conectadas al backbone a través del MGW y de la misma manera se conectan otras redes externas tales como PSTN/ISDN. El MGW actúa como la interface entre el Core Network y el acceso a las redes externas, desempeñando la conversión de protocolos y de datos. Maneja Transcoders como los AMR(Adaptive Multi Rate) para proveer la compresión de la voz. También el MGW es auxiliar en las funciones tales como generadores de tono y canceladores de eco permitiendo la integración de redes ya existentes en el mercado.(8). Ver figura (2)

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

4

GSM Layered Arquitecture

Figura ( 2) . In layered architecture networks call control and connectivity, are separated into different layers. The Access and Core Networks form part of the connectivity layer The Control Layer. Es en esta capa donde se alojan los servicios de inteligencia que especifican cada dominio de servicio. Los dominios de servicios soportados son Circuit Switched (CS) y Packet Switched (PS) . En esta capa se alojan una cantidad de servidores de control y nodos del tipo base de datos. Los servidores de control proporcionan la funcionalidad del control de llamadas así como handover y pagin. Los nodos de base de datos proporcionan la información necesaria de los abonados. Los principales equipos que aquí se encuentran son los siguientes:

• MSC Server • GMSC Server • SGSN • Home Location Register (HLR) • Equipment Identity Register (EIR) • SSP (Service Switching Point) server. Este es usado para implementar las

funciones de la Red Inteligente de una operadora. • TSC (Transit Switching Center) Server.

Para la interface hacia las redes externas. Se utiliza el TSC. Este servidor es colocado dentro de un GMSC y su principal función es proporcionar arquitectura en capas hacia las redes externas. El TSC convierte la señalización hacia las redes actuales que se encuentran integradas con arquitectura vertical y maneja el transito conmutado de llamadas.

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

5

GSM Layered Arquitecture

WCDMAWCDMA

GSM

GSM

GSM

GSMMSC/VLR

MSC/VLR

MSC/VLR

MSC/VLR

TSC

TSC

TSC SERVERMSC SERVER MSC SERVER

M-MGWM-MGW

M-MGWOverlay Network

Existing Network

WCDMA, Packet transport,

Layered Network Architecture

GSM, TDM transport,

Non-layered Network Architecture

WCDMAWCDMA

GSM

GSM

GSM

GSMMSC/VLR

MSC/VLR

MSC/VLR

MSC/VLR

TSC

TSC

TSC SERVERMSC SERVER MSC SERVER

M-MGWM-MGW

M-MGWOverlay Network

Existing Network

WCDMA, Packet transport,

Layered Network Architecture

GSM, TDM transport,

Non-layered Network Architecture En esta capa el MSC Server controla a los MGWs. The Application Layer La capa de aplicación proporciona las plataformas de servicios genéricos para una amplia gamma de servicios, estas aplicaciones pueden ser normalmente aplicaciones de Internet, redes inteligentes (IN), etc. Existen dos tipos de nodos para esta capa: Los servidores de aplicación y los servidores de capacidad de servicio (SCSs). Los servidores de aplicación proporcionan servicios lógicos y de contenido. Un ejemplo podría ser un sitio bancario móvil. Los servidores de capacidad de servicio son la interface con recursos específicos de la Red Central y proveen interfaces abiertas hacia los servidores de aplicación. Beneficios de la arquitectura en capas.

• Ofrece una arquitectura abierta y versátil con la capacidad de atender las actuales y futuras demandas de crecimiento.

• Provee una flexibilidad inherente para cambiar de patrones de tráfico. Maneja conmutación de circuitos y conmutación de paquetes.

• La flexibilidad anterior hace que se considere una plataforma altamente efectiva para la evolución hacia redes “all IP”.

• Diferentes redes de transporte son soportadas, ambas la existente y la que esta en desarrollo, por ejemplo STM y ATM pueden ser desarrolladas sin mayor impacto en las capas de control y de Aplicación.

• Varios servicios de otras redes comparten la misma red de transporte. • Facilita la migración de gsm a wcdma

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

6

GSM Layered Arquitecture

Interoperabilidad con el sistema 2G GSM. La red GSM que actualmente se tiene instalada por parte de los diferentes operadores de comunicaciones móviles, no necesita ser sustituida para que pueda convivir con las redes 3G. Lo que se requiere es que estos elementos sean actualizados tanto en Software como en hardware. Existen alternativas de interoperabilidad que pueden ser implementadas:

Figura (3) Interoperabilidad de 3G WCDMA con 2G GSM. El tráfico de la red GSM y de la red WCDMA puede ser manipulado por un MSC Server y un MGW. Dado que siempre la introducción de un nuevo sistema es gradual, siempre es esencial la convivencia entre dos tecnologías, la que se encuentra actualmente operando y la que está por comenzar a operar. En este sentido un operador de comunicaciones móviles tendrá una red que soporte el modo dual de terminales móviles, las cuales pueden conectarse a radio células de ambos sistemas. Es necesario realizar una buena planeación para el desarrollo de WCDMA y poder aprovechar la infraestructura existente. La coexistencia de elementos tanto de GSM como WCDMA es indispensable cuando un operador, por estrategia comercial, decide conservar al mayor número de usuarios. El equipo de transmisión puede ser compartido junto con el sistema de potencia. El sistema de antenas puede compartirse entre sistemas por medio de antenas de banda duales o triple. Siguiendo con la parte de transmisión, las nuevas radiobases de WCDMA conocidas como Nodos B, pueden ser instaladas sobre la misma infraestructura de las Radiobases de GSM o BTSs. Los operadores de telefonía celular pueden hacer reuso y beneficiarse de los mismos gabinetes, de las mismas líneas de transmisión, de las fuentes de alimentación externa, del mismo sistema de aire acondicionado, etc. (3)

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

7

GSM Layered Arquitecture

CONCLUSIONES La evolución hacia nuevos sistemas de telecomunicaciones ha sido siempre una necesidad por parte de cualquier operador, que decide estar siempre a la vanguardia en el Mercado Nacional e Internacional de Telecomunicaciones. En materia de comunicaciones móviles los servicios se han ido incrementando y mejorando, y gracias al ingreso de nuevas tecnologías, el costo de los servicios ha disminuido provocando que cada vez nuevos usuarios decidan ser parte del mundo “always conected”. La Tecnología GSM continuará dentro del mercado de las comunicaciones móviles y tendrá un papel importante para la evolución hacia la 3ª Generación de Telefonía Celular, que en este caso será la tecnología WCDMA. Los nuevos estándares son diseñados de tal manera que se pueda tener una coexistencia e interoperabilidad entre elementos de las diferentes redes. Esta solución ayudará a los operadores para asegurar la satisfacción de sus usuarios, tendrá un mejor desempeño y tendrá los elementos necesarios para la etapa de transición de 2G a 3G. La introducción de la arquitectura por capas horizontales, posibilita aún más el desempeño de una red celular y puede presentar diversos escenarios para que el sistema GSM no sea sustituido por completo. Se puede tener una red WCDMA de manera independiente con arquitectura por capas interconectada por medio de su capa de conectividad con una red GSM que no tiene arquitectura por capas. Por otro lado se puede tener una Red GSM/WCDMA en arquitectura por capas, en la cual la capa de control puede llevar la gestión de recursos de radio para GSM y WCDMA al mismo tiempo, apoyándose de la capa de conectividad. 3G sin duda será una generación de telefonía celular en la cual los usuarios podrán disfrutar nuevos servicios en la misma área de cobertura. El usuario podrá beneficiarse de las dos redes, siempre y cuando el equipo Terminal que disponga tenga la funcionalidad para soportar a ambas tecnologías. WCDMA será la tecnología 3G dominante a largo plazo, considerando el dominio de las redes 3G existentes y las decisiones ya tomadas sobre la evolución de GSM a WCDMA.

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

8

GSM Layered Arquitecture

GLOSARIO AMR Adaptative Multi-Rate. Es un formato de compresión de audio optimizado para la codificación de voz. AMR ha sido adoptado como el estándar de codificación de audio por 3gpp en Octubre de 1998 y actualmente se utiliza ampliamente en GSM. Gestiona dinámicamente el ancho de banda seleccionando entre ocho diferentes bit rates. Los anchos de banda 12.2, 10.2, 7.95, 7.40, 6.70, 5.90, 5.15 and 4.75 kb/s se basan en muestreos de 160 con duración de 20 milisegundos. Existen programas para transformar este formato a formatos de audio como son el MP3 o el WAV, como por ejemplo, el Mobile Amr Converter. El uso de estos es relativamente necesario es a causa de que no todos los reproductores de sonido tienen por defecto los archivos necesarios como para reproducir un archivo codificado como AMR.(5) BTS Base Tranceiver station. Es el elemento que proporciona los recursos de radio a los equipos terminales. Mantiene la comunicación con ellos. Transmite y recibe todas las señales de radio provenientes de los equipos móviles. EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution. EDGE es el acrónimo para Enhanced Data rates for GSM Evolution (Tasas de Datos Realzadas para la evolución de GSM). También conocida como EGPRS (Enhanced GPRS). Es una tecnología de la telefonía móvil celular, que actúa como puente entre las redes 2G y 3G. EDGE se considera una evolución del GPRS (General Packet Radio Service). Esta tecnología funciona con redes TDMA y su mejora, GSM. Aunque EDGE funciona con cualquier GSM que tenga implementado GPRS, el operador debe implementar las actualizaciones necesarias, además no todos los teléfonos móviles soportan esta tecnología. (5) EIR Equipment Identity Register La EIR es una base de datos en la que existe información sobre el estado de los teléfonos móviles. (5) GMSC Server. Gateway MSC Server. Es el responsable de interrogar al HLR acerca de la señalización para finalizar llamadas. GPRS General Packet Radio Services. Es considerada la generación 2.5, entre la segunda generación (GSM) y la tercera (UMTS). Proporciona altas velocidades de transferencia de datos (especialmente útil para conectar a Internet) y se utiliza en las redes GSM. GPRS es sólo una modificación de la forma de transmitir datos en una red GSM, pasando de la conmutación de circuitos en GSM (donde el circuito está permanentemente reservado mientras dure la comunicación aunque no se envíe información en un momento dado) a la conmutación de paquetes. (5) HLR Home Location Register . Este elemento es utilizado para almacenamiento de datos de los suscriptores tanto para GSM como WCDMA. En este elemento también se registra la dirección de la actual MSC que esta dando cobertura a los usuarios.

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

9

GSM Layered Arquitecture

ISDN Integrated Services Digital Network. Según la UIT-T podemos definir la Red Digital de Servicios Integrados (RDSI o ISDN en inglés) como: una red que procede por evolución de la Red Digital Integrada (RDI) y que facilita conexiones digitales extremo a extremo para proporcionar una amplia gama de servicios, tanto de voz como de otros tipos, y a la que los usuarios acceden a través de un conjunto de interfaces normalizados. Se puede decir entonces que es una red que procede por evolución de la red telefónica existente, que al ofrecer conexiones digitales de extremo a extremo permite la integración de multitud de servicios en un único acceso, independientemente de la naturaleza de la información a transmitir y del equipo terminal que la genere. (5) MGW Media Gateway. El Media Gateway basado en la Plataforma de Conectividad de Paquetes (CPP), desempeña la función de un servidor de Cross Conexión de ATM entre los nodos que intervienen en el Core Network. El MGW provee conmutación de circuitos y conmutación de paquetes. Funciona como un punto de interconexión hacia otras redes , tales como PSTN, PLMN, ISDN, intranet e Internet. También da aplicaciones de Signaling Gateway para la comunicación entre redes IP, TDM, y ATM. MSC Server. Mobile Switching Center (MSC) Server. Este elemento realiza las funciones del control, establecimiento y cobro de las llamadas y le da las instrucciones necesarias al MGW para la conexión de circuitos conmutados. PLMN Public Land Mobile Network PSTN Public Switched Telephone Network. La Red Telefónica Conmutada (RTC; también llamada Red Telefónica Básica o RTB) es una red de comunicación diseñada primordialmente para la transmisión de voz, aunque pueda también transportar datos, por ejemplo en el caso del fax o de la conexión a Internet a través de un módem acústico. Se trata de la red telefónica clásica, en la que los terminales telefónicos (teléfonos) se comunican con una central de conmutación a través de un solo canal compartido por la señal del micrófono y del auricular. En el caso de transmisión de datos hay una sola señal en el cable en un momento dado compuesta por la de subida más la de bajada, por lo que se hacen necesarios supresores de eco. (5) Public Switched Telephone Network RNC Radio Network Controller. Este elemento desempeña las funciones de radio, tales como la activación de una conexión de radio y el establecimiento de handovers. También es utilizado como un concentrador de ATM hacia el Core Network. SCS. Service Capability Server. SGSN Serving GPRS Support Node. Recibe y envía paquetes de IP hacia los equipos móviles de los usuarios localizados dentro de determinada área de servicio SGSN.

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

10

GSM Layered Arquitecture

_____________________________________________________________________ Alejandro Guijosa Ortiz

11

Además de proporcionar funciones de ruteo IP, el SGSN maneja el cifrado y autenticación, manejo de sesión, manejo de movilidad y el cobro de tráfico IP cursado. SSP Service Switching Point. Este es usado para implementar las funciones de la Red Inteligente de una operadora. TSC Transit Switching Center Server. Este elemento forma parte de la capa de control y su función es enrutar todas las llamadas provenientes de la PLMN hacia otras redes interconectadas como son la PSTN e ISDN. También actúa como un Gateway proporcionando la conversión de señalización hacia ISUP. Por lo general este elemento, físicamente esta integrado en la misma plataforma del MSC Server. WCDMA Constituye una tecnología móvil inalámbrica de tercera generación que aumenta las tasas de transmisión de datos de los sistemas GSM utilizando la interfaz aérea CDMA en lugar de TDMA (Acceso Múltiple por División de Tiempo) y por ello ofrece velocidades de datos mucho más altas en dispositivos inalámbricos móviles y portátiles que las ofrecidas hasta el momento. (5) FUENTES DE CONSULTA.

(1) Kaaranen Heikki, Ahtiainen Ari, Laitinen Lauri, Naghian Siamak y Niemi Valtteri. “ Redes UMTS, Arquitectura, movilidad y servicios” ALFA OMEGA RA-Ma.

(2) http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/gsm_technical/gsm_introduction.php.

(3) Curso “CPP Node Features and Function”, LZU 108 6116 R3A. Ericsson. Pp 21-26.

(4) http://en.wikipedia.org/wiki/Global_System_for_Mobile_Communications (5) http://es.wikipedia.org/ (6) Curso “GSM Layered Arquitecture Network Introduction”. Ericsson. Pp 9-20. (7) Curso “GSM/WCDMA M-MGw Operation & Configuration”. LZU 108

6117R2A. Ericsson Pp.17-23. (8) Curso “GSM Signaling in the Core Network”. Ericsson. Pp 7-10. (9) http://www.3gpp.org/About/about.htm