Cómo funciona la red GSM

Queridos lectores,

Díganme quién no se ha preguntado alguna vez cómo funciona la red de telefonía móvil GSM?

Algo que para nosotros se ha convertido en cotidianeidad es el uso del teléfono celular, sea para realizar una llamada telefónica a nuestros padres o coordinar una salida con amigos; o enviar un mensaje de texto a un conocido por su cumpleaños. Pero esta simple llamada telefónica o envío de SMS, requiere una infraestructura de red que ha llevado años desarrollar, y que debe ser periódicamente mantenida y actualizada.

A continuación, intentaré recorrer junto a ustedes todos los puntos claves de una red GSM, de forma fácil y clara (o al menos espero así quede)

Comencemos por la sigla. GSM es el acrónimo de Global System for Mobile communications, o Sistema Global para las comunicaciones Móviles. Los componentes de una red GSM son múltiples. En este artículo describiré los más relevantes, entre los que encontraremos: la estación base, el controlador de estación base, la señalización, el subsitema de red y conmutación, la central de conmutación móvil, los registros de ubicación base y visitante, y la tarjeta SIM.

Ahora si, los invito a develar las características de una red GSM.

Frecuencias
La tecnología GSM opera bajo las frecuencias 850, 900, 1800 y 1900 Mhz. El siguiente cuadro, proporcionado por la GSMA (GSM Association), nos muestra la distribución y detalles técnicos de estas bandas:

La Estación Base
El sistema debe ser capaz de soportar una gran carga de usuarios, con muchos de ellos utilizando la red al mismo tiempo. Si sólo hubiera una antena para todos los usuarios, el espacio radioeléctrico disponible se saturaría rápidamente por falta de ancho de banda. Una solución es reutilizar las frecuencias disponibles. En lugar de poner una sola antena para toda una ciudad, se colocan varias, y se programa el sistema de manera que cada antena emplee frecuencias distintas a las de sus vecinas, pero las mismas que otras antenas fuera de su rango. A cada antena se le reserva cierto rango de frecuencias, que se corresponde con un cierto número de canales radioeléctricos (cada uno de los rangos de frecuencia en que envía datos una antena). Así, los canales asignados a cada antena de la red del operador son diferentes a los de las antenas contiguas, pero pueden repetirse entre antenas no contiguas. 

El Controlador de Estación Base

Al mismo tiempo, la comunicación no debe interrumpirse porque un usuario se desplace y salga de la zona de cobertura de una BS, deliberadamente limitada para que funcione bien el sistema de celdas. Tanto el terminal del usuario como la BS calibran los niveles de potencia con que envían y reciben las señales e informan de ello al controlador de estaciones base o BSC (Base Station Controller). Además, normalmente varias estaciones base al mismo tiempo pueden recibir la señal de un terminal y medir su potencia. De este modo, el controlador de estaciones base o BSC puede detectar si el usuario va a salir de una celda y entrar en otra, y avisa a ambas BSs y al terminal para el proceso de salto de una BS a otra: es el proceso conocido como handover o traspaso entre celdas, una de las tres labores del BSC, que permite hablar aunque el usuario se desplace.

Este proceso también puede darse si la estación más cercana al usuario se encuentra saturada –es decir, si todos los canales asignados a la BS están en uso–. En ese caso el BSC remite al terminal a otra estación contigua, menos saturada, incluso aunque el terminal tenga que emitir con más potencia. Por eso es habitual percibir cortes de la comunicación en zonas donde hay muchos usuarios al mismo tiempo. Esto nos indica la segunda y tercera labor del BSC, que son controlar la potencia y la frecuencia a la que emiten tanto los terminales como las BSs para evitar cortes con el menor gasto de batería posible. 

La Señalización

Todos los equipos celulares están capacitados y tienen las instrucciones necesarias para enviar cada cierta cantidad de minutos una ráfaga de señalización, que permitirá al BSC conocer el estado de la línea celular; si se encuentra on line, es decir si el equipo ha sido encendido, si se lo ha apagado, si se encuentra aún disponible (en ocasiones, cuando las BS se encuentran ocupadas, no obtienen registros de señalización, por lo que aguardan a estar disponibles para consultar si los equipos que se habían registrado en ellas están aun on line), etc. Podemos notar la ráfaga de señalización, si nuestro equipo se encuentra cerca de un televisor o una radio, momento en el que oiremos un sonido similar al de una interferencia. 

En GSM se definen una serie de canales para establecer la comunicación, que agrupan la información a transmitir entre la estación base y el teléfono. Se definen los siguientes tipos de canal: 

  • Canales de trafico (Traffic Channels, TCH): albergan las llamadas en proceso que soporta la estación base.

 

  • Canales de control.
    • Canales de difusión (Broadcast Channels, BCH).
      • Canal de control broadcast (Broadcast Control Channel, BCCH): comunica desde la estación base al móvil la información básica y los parámetros del sistema.
      • Canal de control de frecuencia (Frequency Control Channel, FCCH): comunica al móvil (desde la BS) la frecuencia portadora de la BS.
      • Canal de control de sincronismo (Synchronization Control Channel, SCCH). Informa al móvil sobre la secuencia de entrenamiento (training) vigente en la BS, para que el móvil la incorpore a sus ráfagas.
    • Canales de control dedicado (Dedicated Control Channels, DCCH).
      • Canal de control asociado lento (Slow Associated Control Channel, SACCH).
      • Canal de control asociado rápido (Fast Associated Control Channel, FACCH).
      • Canal de control dedicado entre BS y móvil (Stand-Alone Dedicated Control Channel, SDCCH).
    • Canales de control común (Common Control Channels, CCCH).
      • Canal de aviso de llamadas (Paging Channel, PCH): permite a la BS avisar al móvil de que hay una llamada entrante hacia el terminal.
      • Canal de acceso aleatorio (Random Access Channel, RACH): alberga las peticiones de acceso a la red del móvil a la BS.
      • Canal de reconocimiento de acceso (Access-Grant Channel, AGCH):procesa la aceptación, o no, de la BS de la petición de acceso del móvil.
  • Canales de Difusión Celular (Cell Broadcast Channels, CBC).

El Subsistema de Red y Conmutación

El Subsistema de Red y Conmutación tiene tres funciones principales, que realiza gracias a su comunicación con el BSC. A saber:

  • Enrutar las transmisiones al BSC en que se encuentra el usuario llamado (central de conmutación móvil o MSC);
  • Dar interconexión con las redes de otros operadores;
  • Dar conexión con el subsistema de identificación de abonado y las bases de datos del operador, que dan permisos al usuario para poder usar los servicios de la red según su tipo de abono y estado de pagos (registros de ubicación base y visitante, HLR y VLR). 
  • Central de conmutación

    Conocida con el acrónimo MSC (Mobile Switching Central), es la encargada de iniciar, terminar y canalizar las llamadas a través del BSC y la BS. Cada MSC está conectado a los BSCs de su área de influencia, pero también a su VLR, y debe tener acceso a los HLRs de los distintos operadores e interconexión con las redes de telefonía de otros operadores.

    Registros de ubicación base (HLR) y visitante (VLR)

    El HLR (Home Location Register, o registro de ubicación base) es una base de datos que almacena la posición del usuario dentro de la red, si está conectado o no y las características de su abono (servicios que puede y no puede usar, tipo de terminal, etcétera). Es de carácter más bien permanente; cada número de teléfono móvil está adscrito a un HLR determinado y único, que administra su operador móvil.

    Al recibir una llamada, el MSC pregunta al HLR correspondiente al número llamado si está disponible y dónde está (es decir, a qué BSC hay que pedir que le avise) y enruta la llamada o da un mensaje de error.

    El VLR (Visitor Location Register o registro de ubicación de visitante), por su parte, es una base de datos más volátil que almacena, para el área cubierta por un MSC, los identificativos, permisos, tipos de abono y localizaciones en la red de todos los usuarios activos en ese momento y en ese tramo de la red. Cuando un usuario se registra en la red, el VLR del tramo al que está conectado el usuario se pone en contacto con el HLR de origen del usuario y verifica si puede o no hacer llamadas según su tipo de abono. Esta información permanece almacenada en el VLR mientras el terminal de usuario está encendido y se refresca periódicamente para evitar fraudes (por ejemplo, si un usuario de prepago se queda sin saldo y su VLR no lo sabe, podría permitirle realizar llamadas).

    La tarjeta SIM

    La Tarjeta SIM, está ampliamente relacionada con el estándar GSM aunque existen estándares anteriores, como el CDMA, donde también se utilizan.

    Las cifras en latinoamérica

    De acuerdo con las cifras suministradas por la organización 3G Americas, en Colombia el 89 por ciento de los celulares operan bajo el estándar GSM, mientras que en Argentina esta cifra llega al 87 %, en México al 80%, en Brasil al 65%, y en Venezuela al 100%. Países como Cuba, que comenzó por TDMA, en la actualidad continúa el servicio por TDMA pero prevalece la tecnología GSM.

    Parte de esta información, también ha sido tratada en mi artículo El camino de un SMS. En una próxima nota, les prometo dar detalles sobre la tecnología en auge en nuestro país, 3G.

    Espero la información les haya sido útil e interesante! Hasta la proxima!

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    3 comentarios sobre “Cómo funciona la red GSM

    1. Muy buenas:
      He leído tu artículo y me parece muy interesante. Aún así tengo una duda-problema sobre el funcionamiento en una red GSM. A ver si me puedes ayudar.
      Hemos desarrollado un interruptor GSM controlado por una SIM. Cuando este interruptor está en una zona con suficiente cobertura el interruptor funciona perfectamente. Pero cuando lo trasladamos a un pequeño pueblo, cuya cobertura es obtenida desde una sola antena el sistema, al tiempo, deja de funcionar.Evidentemente el interruptor al no moverse fisicamente no cambia de celda.
      ¿El problema de mal funcionamiento puede ser debido a que no enviamos la ráfaga de señalización cada cierto tiempo? Que la solución sea resetear el sistema, para que envíe la ráfaga inicial, nos parece muy poco técnico.

      Muchas gracias por adelantado

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      1. Hola Eduardo! Imagino que el problema que estás teniendo es a causa de la falta de señalización de tu dispositivo. Se me ocurre que tal vez podrías configurar, de ser posible, para que realice un ping por tiempo indefinido hacia algún destino. De esta manera, lograrías que el dispositivo señalice constantemente hacia la red del operador.

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