Sistema Global para Comunicaciones Móviles

Sistema Global para Comunicaciones MóvilesGSMAbstractoLa tecnología GSM revolucionó el área de lacomunicación celular a principios de los años 90. Lanecesidad de lograr una red uniforme y estándar llevóa diferentes países a crear de forma conjunta una redglobal que permitiese a los usuarios realizar diversasfunciones con sus móviles y no limitándolos asimples llamadas.Se explicará el significado de las siglas deGSM, su historia y características de la misma. Comotambién se explicara la evolución de la tecnología, encuanto a las mejoras y emigración a la próximageneración. Además explicaremos la arquitectura dela red, así como las ventajas y/o desventajas encomparación con otra tecnología predominante. Porotro lado se presentarán los tipos de GSM existentesy como esta tecnología se proyecta al futuro.análoga. El grupo tenía que elegir entre la solución debanda ancha (broadband) o banda estrecha(narrowband) y los modelos de transmisión o divisiónde las frecuencias. Por esta razón, se efectuaronvarias pruebas de campo para decidir ente ellas. Seeligió la solución narrowband TDMA (Time DivisiónMúltiple Access).La primera fase de la red GSM fue lanzadaen 1991 cubriendo las principales ciudades europeasy fue seguida por varias más el año siguiente. En1995 la segunda fase de la red añadió el envío dedatos, fax y vídeo a través del GSM. El sistema tuvouna gran acogida y se fue expandiendo por variospaíses del mundo. Se hizo evidente que GSM seríauna tecnología global y no europea. Así fue como lassiglas GSM comenzaron a significar "Sistema Globalpara Comunicaciones Móviles”.1. HistoriaEn el inicio de los años80 los primeros sistemas decomunicaciones celularesmóviles aparecieron en elmundo. Cada nacióndesarrollaba su propiosistema y un teléfono móvil funcionaba únicamenteen el país en que era comprado. Todo esto debido aque la tecnología de un país no era compatible con ladel otro. Es por eso que se denominaban tecnologíasnacionales.En 1982, un consorcio de países europeoscreó el (Group Spéciale Mobile) GSM paradesarrollar una tecnología celular que proveyera unservicio común de telefonía móvil europea. Desde elinicio el grupo tenía la idea de que el nuevo estándardebía utilizar la tecnología digital envés de la2. EvoluciónFigura 1. Evolución de GSMa) Segunda GeneraciónLa primera generación de celulares (1G)surge en Europa y al solo poder transmitir voz enforma análoga, abrieron las puertas a la segundageneración (2G) GSM, que se caracterizaba portransmitir de forma digital. Su principal característicaes la capacidad de transmitir datos además de voz a1

una velocidad de 9.6 kbit/s. Esto le ha permitidosacar a la luz el famoso y exitoso sistema de mensajescortos (SMS). La frecuencia que utiliza en EstadosUnidos es de 1900 MHz y en Europa y otros paísesextranjeros es de 1800 MHz. GSM utiliza lamodulación GMSK (Gaussian Minimum ShiftKeying).b) Generación 2.5.El GSM fue evolucionando en el 2001 alGPRS (General Packet Radio System), a lo que secomenzó a llamar la generación (2.5G). El GPRS estádiseñado para hacer uso de internet en el celular y susservicios derivados como, escribir y recibir coreoselectronicos, transferencias de datos por FTP (FileTransfer Protocol- protocolo de transferencia dearchivos entre sistemas conectados a una red) yllamadas VoIP (Voz sobre IP - envía la señal de vozen forma digital en paquetes en lugar de enviarla através de circuitos para telefonía) de una maneraveloz y eficiente, a través de la red GSM. Lavelocidad máxima que puede alcanzar GPRS es171.2 kbit/s. O sea que la principal ventaja que aportaGPRS respecto a GSM es una mayor velocidad detransmisión, convirtiéndolo en el portador ideal paralos servicios WAP (Wireless Aplication Protocolaccesoa servicios de Internet desde un teléfonomóvil.).La tecnología GPRS utiliza la modulaciónGMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).c) Generación 2.75Luego el GPRS fue evolucionando a latecnología EDGE (Enhanced Data Rates for GlobalEvolution). Se le considera como la tecnología (2.75G). El EDGE es otra tecnología desarrollada de lasredes GSM, permitiendo velocidades de datos dehasta 384 kbit/s. Lo que permite soportar una másamplia gama de servicios, principalmente acceso aInternet, transmisión de grandes volúmenes deinformación, audio y video. Se trata de unatecnología que mejora el ancho de banda de latransmisión de GSM y GPRS. La modulación queutiliza esta tecnología es 8PSK (8 Phase ShiftKeying).d) Tercera GeneraciónLa tercera generación (3G) tuvo su aparicióncon el UMTS (Universal MobileTelecommunications System) también llamadoW-CDMA. El UMTS además de ser una mejora delEDGE, evoluciono para poder integrar todos losservicios ofrecidos por las distintas tecnologías yredes de la segunda generación como: el PDC(Personal Digital Cellular) que se utiliza en Japón,iDEN (Integrated Digital Enhanced Network)desarrollada por Motorola, IS-136 (Interim Standard136) basado en TDMA y la IS-95 (Interim Standard95) basado en CDMA. Sus grandes característicasson las capacidades multimedia, acceso a Internet,transmitir audio y video a tiempo real o las llamadasvideo conferencias. La velocidad que nos ofrece elUMTS es una máxima de 2 Mbit/s. Utiliza lamodulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).La principal ventaja de UMTS sobre la segundageneración móvil (2G), es la capacidad de soportarlas altas velocidades de transmisión de datos. El pasode la segunda a la tercera generación significaráademás del cambio de terminal el cambio delcomercio electrónico. Ya que esta generación es muybeneficiosa para los comerciantes.e) Generación 3.5La tecnología HSDPA (High SpeedDownlink Packet Access) es la mejora de latecnología UMTS. Es la evolución de la tercerageneración (3G) de tecnología móvil, llamada (3.5G),y se considera el paso que hay que dar para llegar a lacuarta generación (4G). Consiste en un nuevo canalque mejora significativamente la capacidad máximade transferencia de información hasta alcanzarvelocidades de 14.4 Mbit/s. Es totalmente compatiblecon todas las aplicaciones en multimediadesarrolladas para UMTS. Además permite que la redsea utilizada simultáneamente por un número mayorde usuarios. HSDPA provee tres veces más capacidadque UMTS. En cuanto a las aplicaciones en tiemporeal como videoconferencia y juegos entre múltiplesjugadores, actualiza tecnología al mejorar su anchode banda y al acortar la demora en la propagación ytransmisión de paquetes dentro de la red, brindandoasí mejores tiempos en respuesta.2

Además del gran usoque se le da al HSDPA en latecnología celular, variascompañías de computadoraslo están auspiciando, ya quese está utilizando comoacceso a internet inalámbrico ya que existen tarjetasHSDPA portátiles. En varios estudios donde se hanprobado estas tarjetas HSDPA se ha demostrado elrápido acceso a la internet que este puede brindar alcomparase con otros servicios de internetinalámbrico. Pero como, todo tiene sus debilidades ylo es el alto costo que suele tener.Figura 2 Cambio en las velocidades de lastecnologías.3. Características de GSMFigura 3 Bandas GSM.La familia de GSM está compuesta porcuatro sistemas principales. Primero tenemos elGSM-900, este es la red celular original y opera a900 MHz. Esta diseñada para áreas extensas y porende requiere más potencia para operar. Luegotenemos el GSM-1800 y GSM-1900 los cualesincorporan servicios de comunicación personal yoperan a frecuencias de 1800 y 1900 MHzrespectivamente. GSM-1800 se diseñó para operar enEuropa mientras que GSM-1900 opera en América yambas requieren poca potencia para operar ya quecubren áreas más pequeñas. Por último tenemos el E-GSM, el cual es una versión mejorada del GSM-900donde se extendió la banda de operación y se redujoel área de cobertura, así requiriendo menos potencia.La característica principal de GSM es quetodos los teléfonos móviles son creados bajo losmismos estándares. Primero, tenemos que todos soncompatibles con el módulo de identidad delsubscriptor (SIM). Contrario a lo usual que cadamóvil contenía una identidad única, en este casoquien contiene toda la información del cliente es elSIM. Esta tarjeta contiene un número único y puedeser utilizado en cualquier móvil GSM sin lanecesidad de contactar a su compañía para poderactivar el móvil. A cada tarjeta el usuario le asigna uncódigo de cuatro caracteres por motivos de seguridadpor si en algún momento se le pierde la tarjeta nadiepueda acceder a la información.Con esta tecnología el cliente puedecomunicarse desde cualquier país con tecnologíaGSM ya que pueden tener “roaming”. Todo esto esdesde el punto de vista del cliente, además de unagama de nuevos servicios explicados más adelante.Para las compañías GSM representó muchomás, ya que tenían en sus manos una tecnologíamucho más competente a un menor costo deoperación. El costo de infraestructura era muchomenor y la instalación era mucho más fácil. GSM esuna tecnología con un alto grado de flexibilidad yeficiencia espectral. Con una gran calidad de señal eintegridad entre las redes. Además opera confacilidad con ISDN, CSPDN y PSTN.La introducción de GSM fue totalmenterevolucionaria ya que se mejoraron todos losservicios anteriormente ofrecidos y se añadió unaenorme gama de servicios donde se cambió laperspectiva de los teléfonos ya que también se podíatransmitir data. La transmisión cambió a formatodigital, por ende la calidad del audio mejorógrandemente y además pudieron ofrecer nuevos3

servicios en el mismo canal ya que la señal ocupamenos ancho de banda.A. Servicios de GSMServicios de voz• Manejo de llamadas entrantes – ofrece alusuario varias opciones para manejar lasllamadas entrantes.• Buzón de mensaje – luego de ciertas vecesque suene el móvil el sistema envía lallamada al sistema de mensaje de voz.• Transferencia de llamadas – permite alusuario transferir llamadas entrantes a otromóvil.• Restricción de llamadas – permite establecerque números se pueden realizar llamadas.• Mostrar u Ocultar Números – es la opciónde que se muestre el número de teléfono enel móvil del que recibe la llamada.• “Push-to-talk” – permite al usuario utilizarsu móvil como “walkie-talkies”comunicándose únicamente con un gruposelecto de su lista de amigos.Servicio de Video• Compartir video – permite compartir videosen vivo mientras mantiene unaconversación.4. Arquitectura de la Red GSMLa arquitectura de GSM tiene 4 sistemasprincipales de transmisión: “Movil Station”, “BaseStation Sub-System”, “Network Sub-System” y el“Network Management Center”. Cada sistema constade varias funciones las cuales están conectadas porinterfaces estándares.Servicios de Mensaje• SMS – servicio para enviar y recibir cortosmensajes de texto de hasta un máximo de160 caracteres.• MMS – servicio para enviar mensaje detexto, fotos, videos, audio o la combinaciónde las cuatro.• IM – servicio de mensaje instantáneoenviado en tiempo real.• E-mail – permite al usuario tener acceso a sucuenta de correo electrónico.Servicio de Entretenimiento• Tv/Video – permite al usuario verprogramación de Tv en su teléfono móvil.• Música – servicio de reproducción demúsica.• Juegos – el usuario puede acceder a juegosya sea en le teléfono o en la red.• Acceso a Internet – permite al usuarionavegar en la red.• Servicio de Ubicación – el usuario puedeconocer la posición exacta y lugares deinterés alrededor de este.Figura 4 Arquitectura GSMMobile Station: Esta Comprendida por los elementosMobile Equipment y por el Subscriber IdentityModule (SIM). Este permite hacer llamadas ytambién recibirlas por medio del SIM en cualquierterminal.a) Mobile Equipment: Es la unidad móvil lacual está identificada por el InternationalMobile Equipment Identity (IMEI), ésta4

consiste de 15 cifras en el siguiente orden:IMEI=TAC,FAC, SNR,SP.• Type Approval Code (TAC)- 6 cifras, esdeterminado por GSM.• Final Assembly Code (FAC)- 2 cifras,identifica al fabricante.• Serial Number (SNR)- 6 cifras, número deserie.• Suplementary Number (SP)- 1 cifra, cifra dereserva.b) Subscriber Identification Module (SIM):Identifica al usuario de GSM, tiene númerostelefónicos del usuario, memorias paramensajes de texto y toda esta información esprotegida por el International SubscriberIdentity (ISMI). Las cifras de ISMI sonvariables y llevan el siguiente orden:ISMI=MCC, MNC, MSIN.• Mobile Country Code (MCC)- 2 ó 3 cifrasidentifica el código del país.• Mobile Network Code (MNC)- 2 cifras,número de la red.• Mobile Station Identification Number(MSIN)- 13 cifras máximo, identifica laestación móvil.Base Station Sub-System: Controla la interface deradio y se compone de una ó más Base TransceiverStation y por un Base Station Controller, los cuales secomunican entre sí con el fin de permitir la operaciónde componentes aunque sean de distintos fabricantes.a) Base Transceiver Station (BTS)- Instalaciónfija de radio para la comunicaciónbidireccional (Full Duplex). Estas trabajan afrecuencias de 900 a 1900 MHz y sonquienes realizan el enlace con el usuario queefectúa ó recibe la llamada con una unidadmóvil. Las estaciones en general estánubicadas en lugares altos para dar una mejorárea de cobertura y son tipo dipolo.Figura 5 Base Transceiver Stationb) Base Station Controller (BSC)- Controla laconexión entre las Base Transceiver Stationy las Mobile Switching Center. Permite lagestión y configuración del canal de radiopara cada llamada tiene que elegir la celdacorrecta y luego seleccionar el canal radiomás apto para efectuar la conexión. Lagestión de los handover: sobre la base de lasmedidas recibidas por el BTS, decidecuando efectuar el handover, es decir elcambio de celda cuando el usuario sedesplaza de la celda en que se encuentra aotra durante una conversación.Network Sub-System: Enruta la conexión entre losusuarios de la red móvil mediante el MobileSwitching Center y funciones de database, que sedistribuyen en los siguientes: HLR, VLR, AUC, EIRlos cuales ayudan a la identificación de los terminalesy usuarios, actualizan su posición, la posición yconducción de las llamadas a los usuarios enroaming.a) Mobile Switching Center: Se ocupa deenrutar la llamadas que son conectadas porel base station hacia otro Movil SwitchingCenter ó Public Switched TelephoneNetwork entre otros servicios para poderefectuar la comunicación entre dos usuariosindependientemente si es un móvil oteléfono residencial.b) Home Location Register: contiene toda lainformación administrativa sobre el usuariodel servicio y la localización actual delterminal. Es a través del HLR que la redverifica si un móvil que se intenta hacer unallamada posee un contrato válido, de estar5

subscrito el MSC conecta la llamada. Dentrodel HLR se identifica en el siguiente ordenMSISDN=CC, NDC, SN.• Country Code (CC)- Código Internalcional.• National Destination Code (NDC)- CódigoNacional.• Subscriber Number (SN)- Numero queidentifica al usuario.c) Visitor Location Register (VLR)- Contieneuna base de datos del servicio de un usuariodentro de una zona geográfica. Si un usuariointenta de utilizar un servicio al cual tienerestricciones el VLR bloquea el servicio alusuario.d) Authentication Center (AUC)- Verifica si unusuario que intenta accesar el servicio deGSM tiene dicho acceso por medio del SIMya que esta le envía el IMSI. Ana vez aidentificado al usuario este se conecta alHLR para así poder disfrutar del servicio.Además el AC evita que se clonen lastarjetas de SIM.e) Equipment Identity Register: Verifica si elequipo que está intentado accesar a la redGSM está autorizado, ya que este es unabase de datos que se divide en tressecciones:• White List: Contiene los IMEI designados atodos los usuarios de las naciones con lasque se tienen acuerdos roaminginternacional.• Black List: Permite que un móvil sea usadosi este está autorizado en el EIR.• Grey List: Permite que el móvil sea usadopero el grey list lo estará monitoreandomediante el SIM.Network Management Center ó Operation andMaintenance Center: accesa remotamente loscomponentes de la red: (BSS, MSC, VLR, HLR, EIRy AUC). Verifica que toda la red está funcionandocorrectamente además de recoger los datos de losusuarios para hacer la facturación. Se le pueden hacercambios a la red desde NMC y también conocer laposición de los usuarios.5. GSM vs. CDMAEl propósito primordial de laimplementación de la tercera generación es desuperar las limitaciones y defectos de las tecnologíasanteriores. La tercera generación se caracterizabásicamente en la convergencia de voz y datos conconexión de Internet inalámbrico y aplicaciones querequieren transmisiones de data superiores.El CDMA es proveniente de una tecnologíamilitar utilizada en la segunda guerra mundial la cualdespués fue adoptada como para uso civil. Estatecnología es oriunda de un estándar de la compañíaestadounidense Qualcomm. El GSM es unatecnología mas reciente y proveniente de Europa; yaque los europeos no querían pagar una licencia aQualcomm por la utilización del estándar de ellos,crearon un estándar propio, el cual fue el TDMA. ElGSM funciona con 4 bandas en las cualescomúnmente son:• 900MHz y 1,800MHz en Europa.• Asia de 850MHz.• 1,900MHz en Estados Unidos y SurAmérica.El GSM nos permite hacer ocho llamadas a lavez bajo la misma frecuencia. De esta manera, lafrecuencia se divide en múltiples canales que sonunidos a un solo canal. Dado esta técnica, podemostener varios usuarios haciendo uso del mismo dentrode un solo canal.CDMA funciona de una forma distinta ya queeste envía la información a través del canal despuésque el canal ya está digitalizado. La mayoría de lasllamadas se envían una por encima de la otra a travésdel mismo canal. A cada llamada se le asigna supropio código de frecuencia para distinguir la señalde otras. Este método ofrece más seguridad que elGSM, hay menos probabilidad de intervención.6

El GSM funciona con una tarjeta pequeñaque es una identificación única para cada usuario.Esta tarjeta le da la ventaja al usuario de almacenar suinformación dentro del mismo. Las compañíasCDMA para responder a esta ventaja de GSM, estápermitiendo almacenar información de cada usuarioen una base de datos de la compañía respectiva.En conclusión a esta comparación el CDMAprovee muchos usuarios utilizando la frecuencia a lamisma vez sin interferencias. Pero la desventaja deuna llamada sin interferencias, es que también traeproblemas en calidad de señal. GSM tienelimitaciones en la cantidad de usuarios bajo lautilización de la misma frecuencia simultáneamente,pero la calidad de la llamada no se limita; estoproporciona entonces que un usuario encuentre lafrecuencia a la cual este tratando acceder.6. Ventajas y/o DesventajasGSM tiene muchas ventajas y/o diferencias sobreel CDMA, pero también tiene muchas desventajas.La UMTS, la cual es la nueva tecnología 3G enGSM, tiene varias ventajas sobre el CDMA 2000, elcual también es la tecnología 3G de CDMA. Paraempezar:• La UMTS asegura compatibilidad con lasversiones anteriores de GSM tales como GPRS,EDGE, y 2.5G TDMA.• El UMTS también provee paquetes de data dehasta 2.048 Mbps por cada usuario con propósitopara data de alta calidad, multimedia, streamingaudio/video, y servicios de broadcasting.• Esta tecnología también va adquirir el Protocolode Internet (IP) lo cual presta para servicios demultimedia interactivos y nuevas aplicaciones deancha banda como lo son el servicio de videotelefonía y video en conferencia (audio/videostreaming)• El espectro nuevo del UMTS es de 5 MHz parala utilización de todas las aplicaciones y lademanda por una conexión de red más veloz.• Este ancho de banda, provee un data rate de 8kbps hasta 2 Mbps el cual soporta entre 100 y350 llamadas de voz simultáneamente. Estavelocidad depende mucho de otros factores talescomo sectoring, condiciones de propagación, lavelocidad del usuario y la polarización de laantena.• El UMTS también integra la transmisión dedatos en paquetes y por circuitos de conmutaciónde alta velocidad para dar ventaja a unaconectividad virtual a la red en cualquiermomento.• El GSM es la tecnología mas utilizada delmundo. Cerca del 75% de todos los usuariosregistrados con servicios inalámbricos, utilizan latecnología GSM. Esto es una clara ventajaporque dentro de alrededor de los 210 países queutilizan esta tecnología, el usuario estaráconectado a la red mediante roaming.• Cada usuario tendrá una cobertura enorme.• Otra ventaja clara del GSM es el uso de unatarjeta pequeña la cual es la identificación únicade cada unidad móvil. Estas tarjetas poseen lacapacidad de almacenar data personal.Las desventajas del UMTS son unas cuantaspocas, pero a pesar de sus malas cualidades, elUMTS aun se destaca como mejor opción detecnología inalámbrica. Algunas de las desventajasson:• El ancho de banda más grande también trae unadesventaja grande. Los costos son elevados parala operación de esta tecnología que requieren uncambio de equipos de radio frecuencia y tambiénequipos diferentes en cada base station.• Los usuarios nuevos de la tecnología 3G,también deben de tener equipos que soportenesta tecnología. Una unidad móvil que puedaacceder diferentes tecnologías tales como tribando quad-band seria lo ideal.• Se podría deducir que la implementación deUMTS será un proceso lento dado a los costoselevados el cual requiere para llegar a lavelocidad prevista. Países con economías máslentas quizás podrían ver esta tecnología de aquíunos 10 anos.El CDMA 2000, también provee un data rate altopara usuarios que aun estén en 2G o 2.5G. El datarate de esta tecnología es de 307 kbps por cada7

usuario, pero la velocidad típica es de 144 kbps,dependiendo de la velocidad del usuario y la cantidadde usuarios.Una gran ventaja que tiene el CDMA 2000al UMTS, es que no requiere un cambio de equiposde radio frecuencia como lo requiere el UMTS. ElCDMA 2000 solo requiere de unos cambios desoftware; esto se debe a que el ancho de banda de1.25 MHz se mantuvo igual. Como habíamencionado anteriormente, el CDMA no utiliza unsmart-card el cual se puede almacenar información,pero si proveen el servicio de guardar estainformación en la base de datos de la respectivacompañía.Bibliografía1. Introduction to Wireless Systems,P. Mohana Shankar, Wiley, 2002.2. Rappaport, T. S., Wireless Comunications:Principles and Practice, 2 nd Ed., PrenticeHall, 2002.3. Lee, W. C.Y., Wireless & CellularTelecommunications, 3 rd Ed., McGraw Hill,20064. www.3gsmworldcongress.com5. www.gsmworld.com6. www.3gsm.co.uk7. www.youtube.com/watch?v=8kLFPfaxQ6U8