1. INTRODUCCIÓN

En un mercado donde los servicios de telecomunicaciones han presentado en las últimas décadas gran demanda por parte de sus usuarios, es vital realizar constantes innovaciones en temáticas de infraestructura, e igualmente desarrollar nuevas plataformas que soporten el auge tecnológico. Según el boletín trimestral del MINTIC (Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones), correspondiente al tercer periodo del año 2018, vemos un constante crecimiento. En este se aprecia que la penetración del servicio de telefonía móvil celular (TMC) se encuentra en el 126,2%¹, dato que comparado con cifras de años anteriores permite ver que desde el 2013 se ha pasado de 49 millones de abonados a casi 63 millones de abonados aproximadamente, hecho que personas en el país²⁾⁽³.

Así mismo, la telefonía móvil ha tenido que estar en constante cambio, tratando de ajustarse a las necesidades tecnológicas de la población, ejemplo de esto es el avance que ha tenido desde la creación de GSM (Global System for Movile Communications), llamada 2G (segunda generación), pasando por UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), también llamada 3G o tercera generación, hasta llegar a LTE (Long Term Evolution), que es conocida como 4G o la cuarta generación, e inclusive poder hablar del lanzamiento del 5G o quinta generación, lo que ha permitido que el usuario disfrute de la convergencia de servicios en su dispositivo móvil⁴.

Por lo anterior, y para poder aprovechar los avances significativos en materia de tecnologías móviles celulares, se ha hecho necesario poder asignar el espectro electromagnético de una mejor forma, por esta razón, el Gobierno colombiano en el 2013 hizo una subasta para asignar un total de ocho (8) bloques de frecuencias entre las bandas AWS y 2.5 GHz, en la cual participaron compañías del sector de Telecomunicaciones como Claro, Directv, Avantel, ETB en conjunto con Tigo y Movistar⁵.

Sin embargo, los constantes avances tanto a nivel tecnológico como regulatorio, han traído consigo numerosos retos por solucionar, es así como los usuarios de los servicios de telecomunicaciones móviles han experimentado falencias en la prestación del servicio, debido a la insuficiencia de infraestructura en zonas rurales, además de tener problemas de cobertura en sitios como parqueaderos subterráneos, ascensores y, en general, edificaciones robustas (indoor) donde las pérdidas de la potencia de la señal son bastante altas y la conectividad con la red móvil se pierde⁶.

Es por la anterior razón, que los sistemas SDR (radio definido porsoftware) se muestran como una solución para evaluar ciertos problemas de cobertura móvil, ya que permiten la implementación y el desarrollo de la infraestructura de servicios móviles, que orientados hacia la academia generan fortalezas en las competencias trabajadas sobre el contexto tecnológico y educativo⁷.

Este trabajo pretende realizar la implementación de una estación base GSM, y el desarrollo del sistema de recepción de señales LTE, utilizando herramientas desoftwarelibre basadas en sistemas operativos de distribución LINUX, lo que permite evidenciar los factores tecnológicos necesarios para el adecuado servicio de la estación base y los bloques necesarios para replicar el procesamiento de la señal en este entorno.

2. SISTEMAS DE RADIO DEFINIDO PORSOFTWARE

Radio, definido porsoftware, permite a un sistema de radiocomunicaciones convencional tener un funcionamiento basado ensoftware, debido a la utilización de diferentes circuitos electrónicos que permiten ser reconfigurables. En particular, consiste en un sistema periférico universal de radio que permite que un computador estándar funcione como un alto rendimiento y con operación de banda ancha de amplia capacidad⁸.

Específicamente el dispositivo USRP N210, disponible en las instalaciones de la Universidad Santo Tomás, tiene características sobresalientes respecto a otros dispositivos que trabajan sobre los sistemas SDR. Las características principales enfocadas hacia la recepción y transmisión de señales en sistemas de telefonía móvil, se observan en la Tabla I ⁹.

Tabla I. CARACTERÍSTICAS EQUIPO USRP N210 

Fuente: Los autores.

Con respecto a la recepción de radio frecuencia, el USRP 210 (UniversalSoftwareRadio Peripheral) tiene la facilidad de adaptarse a tarjetas transmisoras y receptoras con diferentes características tanto de velocidades como de ancho de banda. Lo que permite gran utilidad para diferentes aplicaciones relacionadas con radio definido porsoftware⁵. La tarjeta de recepción es una placa que ofrece acceso directo a las entradas ADC (Conversor Análogo a Digital). Puede aceptar señales en modo real de 1 a 250 MHz y las frecuencias de muestreo ADC USRP se encuentran actualmente por debajo de 100 MS/s, sin embargo, es posible utilizar métodos de interpolación y decimación para recibir frecuencias más altas.

Adicionalmente, se trabajó con antenas de referencia VERT 900, en la recepción y transmisión de señales en servicios de TMC con bandas de frecuencia de 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz y 1900 MHz aceptadas mundialmente. Por su parte, la detección espectral de cuarta generación se realizó en banda de frecuencia AWS (Advanced Wireless Services), comprendida entre 1710 MHz - 1755 MHz para uplink y 2110 MHz - 2155 MHz para downlink⁹.

3. IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN BASE GSM (2G)

GSM es un sistema de telefonía móvil diseñado en su totalidad para brindar el servicio de llamadas de voz, lo que implica ser una red orientada hacia la conmutación de circuitos. También permite una transmisión de datos, aunque el uso de este servicio es secundario, por la baja velocidad que ofrece GSM (9.6 Kbps). De esta manera, únicamente se comercializó el servicio de mensajería corta, SMS (Short Message Service), ya que es eficiente por el bajo consumo de ancho de banda para su funcionamiento¹⁰⁾⁽¹¹.

3.1 Arquitectura de red GSM

En la Figura 1 se observa la arquitectura básica de un sistema de telefonía móvil GSM - GPRS¹².

La arquitectura está conformada en orden jerárquico, vista desde el usuario hacia la conexión con otras redes por Entorno red de acceso.

Base Station Subsystem (BSS)¹³.

• Mobile Station (MS): es el nombre estandarizado que recibe el dispositivo móvil para la comunicación vía RF (Radio Frequency).

• Base Transceiver Station (BTS): son las estaciones base o celdas que brindan la conectividad con un MS mediante la interfaz de aire Um del estándar GSM.

• Base Station Controller (BSC): en este nodo se encuentra el equipamiento que controla un grupo de estaciones base (BTS), además de otras funciones como el control de potencia emitido por los usuarios.

Entorno núcleo de la red, Network Switching Subsystem (NSS)¹³.

• Mobile Services Switching Center (MSC): es el primer nodo del núcleo de toda la red, se encarga de la asignación de los canales de tráfico (TCH) a los abonados, sincronizando el time slot adecuado para cada comunicación. Además, realiza los procedimientos de enrutamiento.

• Equipment identity Register (EIR): es una base de datos que posee interconexión con la MSC, allí se almacena toda la información perteneciente de cada uno de los abonados sobre el estado de sus dispositivos móviles.

Fuente: Imagen adaptada de¹².

Fig. 1. ARQUITECTURA RED GSM - GPRS 

• Home Location Register (HLR): es una base de datos que al igual que el EIR tiene conexión con la MSC, su funcionalidad se basa en alojar información acerca de la ubicación de los dispositivos en la red y los servicios a los cuales pueden acceder, es decir, contiene los datos sobre la capacidad de consumo de cada usuario en la red.

• Visited Location Register (VLR): base de datos encargada de registrar el LAC (Location Area Call) de un grupo de usuarios, es decir, la ubicación para brindar cobertura a los terminales. Además, adquiere una copia de la información del HLR mientras que el dispositivo este activo, entre otras funciones secundarias.

• Authentication Center (AuC): es una base de datos que funciona como un centro de autenticación, la MSC y el HLR lo consultan permanentemente para conocer los permisos de un usuario cuando este quiere acceder a la red, este procedimiento se realiza mediante la SIM (Subscriber Identification Module), que posee cada dispositivo móvil.

• (SGSN): es una puerta de enlace que permite la comunicación entre la BSC y el GGSN, las funciones principales son: la conexión de los dispositivos móviles con la red de datos y realizar el enrutamiento del tráfico de datos.

• (GGSN): es el último nodo perteneciente a la red, aquí encontramos una puerta de enlace para la conexión con otro tipo de redes, en especial Internet. También tiene características de firewall para no permitir el acceso desde otros puntos externos a la red y culmina con algunos procesos de facturación.

3.1.1 Tecnología de acceso al medio (FDMA - TDMA)

Es un tipo de multiplexación, donde una portadora para GSM posee un ancho de banda de 200 KHz. FDMA consiste en dividir el espectro asignado a la red GSM en estas portadoras todas equivalentes a 200 KHz, luego TDMA realiza un proceso similar de división de recursos, esta vez no en el domino de la frecuencia sino en el dominio del tiempo, así TDMA es una tecnología que permite fraccionar las portadoras en 8 partes iguales en el dominio del tiempo con duración de 577 μs y de esta manera cada fracción de tiempo es asignado para el uso exclusivo de cada usuario, estas fracciones de tiempo se conocen con el nombre de time slots¹⁴.

El primer time slot (Ts0), generalmente es utilizado para mensajes de difusión constantes para todos los usuarios BCCH (Broadcast Control Channel), donde viaja información acerca de la red, entre otras. Los demás time slots son utilizados para diversos canales lógicos de comunicación, entre ellos se puede hablar de los más importantes: FCCH (Frequency Correction Channel) y en handoff, RACH (Random Access Channel) es un canal bidireccional para la autenticación del móvil, PCH (Paging Channel) canal utilizado como alerta de llamada o notificación, SDCCH (Standalone Dedicated Control Channel) es un canal de cuantiosa importancia, ya que es utilizado para la señalización entre el MS y la BTS y por último, el canal de tráfico TCH (Traffic Channel)¹⁵.

3.2 Implementación OpenBTSSoftware

Para la implementación delsoftwareOpenBTS es necesario la instalación de una serie de herramientas gestionadas desde su propia interfaz de línea CLI (Command Line Interface), estas herramientas se observan en la Tabla II. Además, todas las herramientas son instaladas en conjunto con OpenBTS en sistema operativo de distribución Linux¹³.

Una vez culmine el proceso de instalación delsoftwareOpenBTS se hacen las configuraciones necesarias para generar una portadora en banda de frecuencia de 900 MHz y corrimiento de señal de 59.5 MHz, con el fin de disminuir los niveles de interferencia. Se observa en la Figura 2 la portadora emitida por la estación base, graficada en analizador de espectro ROHDE & SCHWARZ.

Posterior a la configuración de la banda de frecuencia y la canalización de la portadora, es posible buscar la red en los terminales. El método utilizado para acceder a la red difiere según el sistema operativo del terminal. A continuación se hace la demostración del proceso de búsqueda para terminales iOS y Android.

Posterior a la configuración de la banda de frecuencia y la canalización de la portadora, es posible buscar la red en los terminales. El método utilizado para acceder a la red difiere según el sistema operativo del terminal. A continuación se hace la demostración del proceso de búsqueda para terminales iOS y Android.

Finalizado el proceso de suscripción de los terminales en la red, con el comando (tmsis) en el CLI de OpenBTS, pueden ser vistos por el administrador de la estación base. Se observa a continuación en la Tabla III, IMEI e IMSI que caracterizan a cada dispositivo.

Tabla II. HERRAMIENTAS UTILIZADAS PARA LA PUESTA EN MARCHA DE LA ESTACIÓN BASE GSM (2G) 

Fuente: Los autores.

Fuente: Los autores.

Fig. 2. PORTADORA ESTACIÓN BASE 

Tabla III. INFORMACIÓN DISPOSITIVOS CONECTADOS A LA RED 

Fuente: Los autores.

4. RECEPCIÓN DE SEÑALES LTE (4G)

Aproximadamente en el 2008 se generó el release ocho (R8) por parte del 3GPP, con el cual se estandarizó el mercado de la tecnología LTE. En relación con el espectro radioeléctrico, el nuevo estándar revolucionó la industria de telefonía móvil, ya que la tecnología de acceso al medio de LTE permite un uso más adecuado de este recurso limitado, utiliza portadoras con mucho más ancho de banda que además tienen la ventaja de ser variables y de hasta 20 MHz, incorpora también términos relevantes para el avance de las redes de la siguiente generación (NGN), como all-IP y la convergencia de servicio¹⁶.

4.1 Arquitectura de red LTE

En la arquitectura general del estándar LTE se realizó una reducción en los nodos de la red en comparación de 2G/3G. En la Figura 3 se observa la arquitectura de cuarta generación (4G).

La red se encuentra fragmentada en dos subsistemas de trabajo, el primero llamado Eutran (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), que es la subdivisión de la red encargada del acceso y la segunda que hace énfasis en el núcleo de esta, llamada EPC (Evolved Packet Core)¹⁷.

Entorno red de acceso, Eutran

• User Equipment (UE): nombre adoptado para el dispositivo móvil en una red LTE.

• Evolution Node B (eNB): son las estaciones base que se encargan del manejo de los protocolos para la interfaz de aire (Uu), además unen las funciones de las estaciones base y controladoras diseñadas en la tercera generación (3G), Node B y RNC (Radio Network Controller), respectivamente. Las funciones principales son la asignación de recursos, control de potencia, handoff, señalización, entre otras.

Entorno núcleo de la red, EPC

• Mobility Management Entity (MME): es el nodo evolucionado para un SGSN de segunda generación, aunque se agregaron funciones de listado para el seguimiento de la gestión en los abonados y la selección de la puerta de enlace en la conexión con otras redes.

• Serving Gateway (Serving GW): es un nodo de gran importancia, ya que se encarga de enrutar todos los paquetes entre el Eutran y el EPC. Además, al poseer conectividad directa por medio de la interfaz S1-U con los nodos de ENodeB una de sus funciones adicionales es el anclaje del handoff, también cuando este procedimiento ocurre con otra infraestructura distinta a un ENodeB.

Los nodos anteriores poseen la flexibilidad de instalarse de manera conjunta o por separado según la demanda por soportar. En caso de escoger la segunda opción el MME se comunica con la Eutran por medio de la interfaz S1-MME.

Fuente: Los autores.

Fig. 3. ARQUITECTURA RED LTE 

• Packet Data Network Gateway (PDN GW): es un nodo de mucha importancia para la protección de información interna de la red del operador, ya que aunque su función principal es la interconexión con redes externas PDN (Packet Data Network), también posee sistemas como firewall de alta seguridad para la protección de la red.

• Home Subscriber Server (HSS): básicamente es la única base de datos en la nueva arquitectura de red, allí se unieron todas las funciones de las bases de datos (HLR, VLR, EiR, AuC), tales como identificación del usuario, estado del dispositivo móvil, información del usuario, entre otras.

4.2 Sistema de recepción LTE en GNURadio

GNURadio es una herramienta de código abierto que ha generado un nuevo concepto en el área de sistemas de radio definido porsoftware, con la capacidad de variaciónhardware-software, es decir, elhardwarede GNURadio puede variar sus funciones acordes al paso de tiempo y a la aplicación que se esté utilizando¹⁸.

Para desarrollar aplicaciones en GNURadio se utilizan dos lenguajes de programación, C++ y Phyton, la diferencia radica en el procesamiento que sea necesario para el funcionamiento de la aplicación, mientras que Phyton es utilizado generalmente para aplicaciones de bajo procesamiento que necesiten igualmente de bajos recursos, C++ se utiliza cuando el procesamiento de señal es bastante alto, como en tecnologías de tiempo real¹⁸.

El diseño del sistema de recepción de señales LTE realizado en GNURadio, contiene una serie de bloques de procesamiento que a la vez trabajan con un código de programación en lenguaje C y un código de cabecera para configurar el número de entradas y salidas del bloque, y los parámetros de funcionamiento¹⁹.

El sistema de recepción de señales LTE cuenta en total con 28 bloques de procesamiento para las etapas de sincronización, recepción OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), demultiplexación y decodificación PBCH (Physical Broadcast Channel) y decodificación BCH (Broadcast Channel).

En la Figura 4 se observan los bloques utilizados para la sincronización de la señal recepcionada, determinando los símbolos primarios y secundarios de la señal. También se extrae el cifrado que proporciona identificación de la celda transmisora.

De acuerdo con la capacidad de procesamiento del ordenador se realiza la configuración de la cantidad de resource blocks por trabajar, y de acuerdo con este parámetro se determina la cantidad de bloques para la estimación del canal. En la Figura 5 se observan los bloques utilizados para la recepción de la señal OFDM y la configuración de 50 resource blocks, conformados cada uno por 12 subportadoras y 7 símbolos, es decir, 84 resource elements.

Fuente: Los autores

Fig. 4. DIAGRAMA DE BLOQUES DE SINCRONIZACIÓN EN GNU RADIO 

Referente a la etapa de demultiplexación y decodificación del canal de difusión PBCH se utiliza un bloque en modulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), trabajada en el estándar LTE. Esta etapa entrega a su homónima posterior el canal BCH y la trama MIB (Master Information Control). En la Figura 6 se observan los bloques utilizados en la etapa descrita anteriormente.

En la Figura 7 se observan los bloques utilizados para el desarrollo de la etapa de decodificación del canal BCH y la entrega de la trama MIB.

Fuente: Los autores.

Fig. 5. DIAGRAMA DE BLOQUES DE RECEPCIÓN OFDM EN GNURADIO 

Fuente: Los autores.

Fig. 6. DIAGRAMA DE BLOQUES DE MULTIPLEXACIÓN Y DECODIFICACIÓN PBCH 

Fuente: Los autores.

Fig. 7. DIAGRAMA DE BLOQUES DECODIFICACIÓN BCH y TRAMA MIB EN GNU RADIO 

5. APLICACIÓN Y RESULTADOS

Para verificar el funcionamiento de los sistemas desarrollados se han realizado diversas pruebas con base en los servicios suministrados por una estación base GSM (2G) y la correcta detección de señales LTE (4G). ElsoftwareWireshark permite capturar el tráfico generado en la interfaz Gigabit Ethernet del ordenador conectado al USRP N210, para ser analizado posteriormente.

5.2 Servicio de llamadas de voz

Para realizar una llamada de voz de un terminal hacía la estación base es necesario ingresar al panel numérico y digitar el número 2602. Es generado un canal de tráfico por el terminal y la estación base retorna los mismos sonidos enviados. También se puede llamar al número 2600 y la estación base esta vez retorna un sonido continuo como prueba del servicio de llamadas de voz activo.

Fuente: Los autores.

Fig. 8. VERIFICACIÓN SERVICIO DE MENSAJERÍA DE TEXTO 

En la Figura 9 se observa que existe un canal de tráfico TCH (Traffic Channel) en uso, que es canalizado al momento de realizar un llamado de voz al número 2602, igualmente se observan parámetros de transmisión y, finalmente el IMSI del terminal que efectuó la llamada.

Cuando mínimo dos terminales se encuentren registradas en la base de datos de OpenBTS y estén conectadas a la red, pueden realizar llamadas de voz entre sí. Digitando el número con el cual fue registrado en la base de datos en el panel numérico, es posible efectuar la comunicación entre ellos.

En la Figura 10 se observan dos canales de tráfico ocupados en la estación base, de esta manera se comprueba que la llamada ha sido satisfactoria.

5.3 Capturas de tráfico en elsoftwareWireshark para la estación base

A continuación, se observan los protocolos capturados en cada uno de los procesos de señalización y tráfico. En la Figura 11 es posible visualizar el proceso de señalización que se establece con el uso del protocolo SIP. Además, del terminal fuente que corresponde al IMSI 732101077701186, utilizando el canal de tráfico.

A continuación, se observa la verificación del canal seleccionado para la transmisión de datos en la estación base, el cual fue el canal 121 con frecuencia central de 959.2 MHz en enlace descendente y 914.2 MHz para enlace ascendente. La Figura 12 permite observar igualmente la utilización del protocolo gsmtap en la estación base. El protocolo gsmtap encapsula tramas GSM procedentes de la interfaz de aire (um).

Fuente: Los autores.

Fig. 9. VERIFICACIÓN SERVICIO DE LLAMADAS DE VOZ 

Fuente: Los autores.

Fig. 10. LLAMADAS DE VOZ ENTRE DOS TERMINALES 

Fuente: Los autores.

Fig. 11. CAPTURA DEL PROTOCOLO SIP 

Fuente: Los autores.

Fig. 12. CAPTURA DEL PROTOCOLO GSMTAP 

6. CONCLUSIONES

La práctica de laboratorio comprendida en la implementación de una estación base de segunda generación fue determinante para evidenciar los factores tecnológicos necesarios para el adecuado servicio de la estación base. Por lo tanto, se determinó que las herramientas elementales para la puesta en marcha de esta son: un servidor funcional en el manejo y control de las bases de datos, otro para el servicio de mensajería de texto corta, otro para la canalización del tráfico de voz, y una última herramienta para generar y realizar configuraciones de la portadora en el canal descendente.

Una vez los terminales buscan la portadora en las configuraciones de red, para realizar el proceso de enganche con la estación base, se observó que, la red no entrega los permisos suficientes a los usuarios para activar servicios de telecomunicaciones. Solo se activa el servicio cuando el terminal es registrado en el servidor de bases de datos sipauthserve.

Tabla IV. CAPTURA DE TRAMA UDP 

Fuente: Los autores.

El servicio de llamadas de voz demostró gran calidad al momento de realizar el cambio de la banda de frecuencia de 850MHz a 900MHz. La comunicación entre dos terminales fue clara y no se observaron interferencias notorias.

En la recepción de señales LTE de cuarta generación, la práctica de laboratorio se trabajó mediante la jerarquización de bloques, y se observó que fue funcional para completar cada una de las etapas de sustracción de cabeceras y demás códigos que hacen parte de la señal pura transmitida por un eNodeB. Además de visualizar los componentes que son incorporados en una señal 4G de forma práctica.

La implementación de la estación base, permite exitosamente la funcionalidad de los servicios de mensajería de texto corta y llamadas de voz, sobre banda de frecuencia de 900 mhz. En relación con el sistema de recepción de señales LTE, se desarrolla sobre una serie de bloques para el procesamiento de la señal, con el fin de entregar el canal de difusión BCH (broadcast channel) en conjunto con el MIB (master information control).

Los futuros procesos de investigación desarrollados por los integrantes del semillero Telesoft, tendrán como apoyo el trabajo realizado anteriormente en proyectos que conciernen las temáticas de los sistemas de comunicaciones móviles y de radio definido porsoftware. Como auxiliar de investigación fue fundamental para mi formación la participación dentro del semillero, ya que me permite fortalecer mis conocimientos en el área investigativa.