Interfaz Um

La capa física Um se define en la serie de especificaciones GSM 05.xx, con la introducción y descripción general en GSM 05.01. Para la mayoría de los canales, Um L1 transmite y recibe tramas de control de 184 bits o tramas de vocoder de 260 bits a través de la interfaz de radio en ráfagas de 148 bits, con una ráfaga por intervalo de tiempo. Hay tres subcapas:

1. Radiomódem. Se trata del transceptor de radio propiamente dicho, definido en gran medida en las normas GSM 05.04 y 05.05.
2. Multiplexación y sincronización. GSM utiliza TDMA para subdividir cada canal de radio en hasta 16 canales de tráfico o hasta 64 canales de control. Los patrones de multiplexación se definen en GSM 05.02.
3. Codificación. Esta subcapa está definida en GSM 05.03.

En el canal físico hay 26 tramas TDMA, cada una compuesta por 114 bits de información. La longitud de las 26 tramas TDMA, también llamadas multitramas, es de 120 ms.

La capa de enlace de datos Um , LAPDm , está definida en GSM 04.05 y 04.06. LAPDm es el equivalente móvil de LAPD de ISDN.

La capa de red Um se define en las normas GSM 04.07 y 04.08 y consta de tres subcapas. Un terminal de abonado debe establecer una conexión en cada subcapa antes de acceder a la siguiente subcapa superior.

1. Recurso de radio (RR). Esta subcapa gestiona la asignación y liberación de canales lógicos en el enlace de radio. Normalmente, termina en el controlador de estación base (BSC).
2. Gestión de Movilidad (MM). Esta subcapa autentica a los usuarios y rastrea sus movimientos de celda a celda. Normalmente, finaliza en el Registro de Ubicación de Visitantes (VLR) o en el Registro de Ubicación de Origen (HLR).
3. Control de llamadas (CC). Esta subcapa conecta las llamadas telefónicas y se toma directamente de la norma ITU-T Q.931 . El Anexo E de GSM 04.08 proporciona una tabla de los párrafos correspondientes en GSM 04.08 y ITU-T Q.931 junto con un resumen de las diferencias entre ambos. La subcapa CC termina en el MSC .

El orden de acceso es RR, MM, CC. El orden de liberación es el inverso. Cabe destacar que ninguna de estas subcapas termina en la propia estación base (BTS). La estación base GSM estándar opera únicamente en las capas 1 y 2.

Estos canales punto a punto corresponden al canal ISDN B y se denominan canales Bm . Los canales de tráfico utilizan entrelazado diagonal de 8 ráfagas (ruptura), con un nuevo bloque que comienza en cada cuarta ráfaga y cada ráfaga contiene bits de dos tramas de tráfico diferentes. Este patrón de entrelazado hace que el TCH sea robusto frente a desvanecimientos de una sola ráfaga, ya que la pérdida de una sola ráfaga destruye solo 1/8 de los bits del canal de la trama. La codificación de un canal de tráfico depende del tipo de tráfico o vocoder empleado, y la mayoría de los codificadores son capaces de superar las pérdidas de una sola ráfaga. Todos los canales de tráfico utilizan una estructura TDMA de 26 multiframes.

Estos canales punto a punto corresponden al canal D de la ISDN y se denominan canales Dm .

Se trata de canales unicast y broadcast que no tienen equivalentes en ISDN. Estos canales se utilizan casi exclusivamente para la gestión de recursos de radio. El AGCH y el RACH, en conjunto, forman el mecanismo de acceso al medio para Um.

Las reglas de multiplexación de GSM 05.02 permiten que solo ciertas combinaciones de canales lógicos compartan un canal físico. Las combinaciones permitidas para sistemas de una sola ranura se enumeran en la Sección 6.4.1 de GSM 05.02. Además, solo algunas de estas combinaciones están permitidas en ciertas ranuras de tiempo o portadoras, y solo ciertos conjuntos de combinaciones pueden coexistir en una estación base determinada. Estas restricciones tienen como objetivo evitar configuraciones de estaciones base sin sentido y se describen en la Sección 6.5 de GSM 05.02.

Las combinaciones más comunes son:

• Combinación I : TCH/F + FACCH/F + SACCH. Esta combinación se utiliza para tráfico de velocidad completa. Puede utilizarse en cualquier lugar excepto en C0T0.
• Combinación II : TCH/H + FACCH/H + SACCH. Esta combinación se utiliza para tráfico a media velocidad cuando solo se necesita un canal. Puede utilizarse en cualquier lugar excepto en C0T0.
• Combinación III : 2 TCH/H + 2 FACCH/H + 2 SACCH. Esta combinación se utiliza para tráfico a media velocidad. Puede utilizarse en cualquier lugar excepto en C0T0.
• Combinación IV : FCCH + SCH + BCCH + CCCH. Esta es la combinación estándar C0T0 para celdas medianas y grandes. Solo se puede usar en C0T0.
• Combinación V : FCCH + SCH + BCCH + CCCH + 4 SDCCH + 2 SACCH. [(5x1)+(5x1)+(1x4)+(3x4)+(4x4)+(2x4)+1idle=51frame multiframe] Esta es la combinación típica C0T0 para celdas pequeñas, que permite a la BTS intercambiar capacidad CCCH innecesaria por un pool de 4 SDCCH. Solo se puede usar en C0T0.
• Combinación VI : BCCH + CCCH. Esta combinación se utiliza para proporcionar capacidad CCCH adicional en celdas grandes. Se puede utilizar en C0T2, C0T4 o C0T6.
• Combinación VII : 8 SDCCH + 4 SACCH.[(8x4)+(4x4)+3idle=51frame multiframe] Esta combinación se utiliza para proporcionar capacidad SDCCH adicional en celdas medianas y grandes. Se puede utilizar en cualquier lugar excepto C0T0.

A diferencia del canal U de ISDN, los canales Um no están cableados, por lo que la interfaz Um requiere un mecanismo para establecer y asignar un canal dedicado antes de cualquier otra transacción. El procedimiento de establecimiento de recursos de radio Um se define en la sección 3.3 de GSM 04.08 y constituye el procedimiento básico de acceso al medio para Um. Este procedimiento utiliza el CCCH (PCH y AGCH) como enlace descendente unicast y el RACH como enlace ascendente compartido. En su forma más simple, los pasos de la transacción son:

1. Paginación. La red envía un mensaje de solicitud de paginación RR (GSM 04.08, secciones 9.1.22-9.1.23) a través del PCH, utilizando el IMSI o TMSI del suscriptor como dirección. GSM no permite la paginación por IMEI (GSM 04.08, sección 9.1.22.3, como excepción a la definición de 10.5.1.4). Este paso de paginación solo se produce para una transacción iniciada por la red.
2. Acceso aleatorio. La estación móvil envía una ráfaga en el RACH. Esta ráfaga codifica una etiqueta de transacción de 8 bits y el BSIC de la BTS de servicio. Un número variable de bits más significativos en la etiqueta codifican el motivo de la solicitud de acceso, y los bits restantes se eligen aleatoriamente. En L3, esta etiqueta se presenta como el mensaje de solicitud de canal RR (GSM 04.08 9.1.8). El móvil también registra el estado del reloj TDMA en el momento en que se transmite la ráfaga RACH. En los casos en que la transacción es iniciada por el MS, este es el primer paso.
3. Asignación. En el AGCH, la red envía el mensaje RR Immediate Assignment (GSM 04.08 Sección 9.1.18) para un canal dedicado, generalmente un SDCCH. Este mensaje se dirige al MS mediante la inclusión de la etiqueta de 8 bits de la ráfaga RACH correspondiente y una marca de tiempo que indica el estado del reloj TDMA cuando se recibió la ráfaga RACH. Si no hay un canal dedicado disponible para la asignación, la BTS puede responder con el mensaje RR Immediate Assignment Reject, que se dirige de forma similar y contiene un tiempo de espera para el siguiente intento de acceso. Las personas que realizan llamadas de emergencia y reciben el mensaje de rechazo no están sujetas a la espera y pueden volver a intentarlo inmediatamente.
4. Reintentar. Si la ráfaga RACH del paso 2 no recibe respuesta con una asignación o un rechazo de asignación en el paso 3 dentro del tiempo de espera establecido (generalmente de 0,5 segundos), el terminal repetirá el paso 2 tras un breve retardo aleatorio. Este ciclo puede repetirse entre 6 y 8 veces antes de que el terminal aborte el intento de acceso.

Tenga en cuenta que existe una pequeña pero distinta de cero probabilidad de que dos MS envíen ráfagas RACH idénticas al mismo tiempo en el paso 2. Si estas ráfagas RACH llegan a la BTS con potencia comparable, la suma resultante de las señales de radio no será demodulable y ambos MS pasarán al paso 4. Sin embargo, si hay una diferencia de potencia suficiente, la BTS detectará y responderá a la ráfaga RACH más potente. Ambos MS recibirán y responderán a la asignación de canal resultante en el paso 3. Para garantizar la recuperación de esta condición, Um utiliza un "procedimiento de resolución de contención" en L2, descrito en GSM 04.06 5.4.1.4, en el que el primer paquete de mensaje L3 del MS, que siempre contiene algún tipo de ID móvil, se reenvía al MS para su verificación.

El procedimiento de actualización de ubicación se define en las secciones 4.4.1 y 7.3.1 de GSM 04.08. Este procedimiento normalmente se realiza cuando el terminal móvil se enciende o entra en una nueva área de ubicación , pero también puede realizarse en otros momentos, como se describe en las especificaciones. En su forma mínima, los pasos de la transacción son:

1. La estación móvil (MS) y la estación base (BTS) realizan el procedimiento de establecimiento del canal de radio.
2. En el canal dedicado recién establecido, el MS envía el mensaje de solicitud de actualización de ubicación MM, que contiene un IMSI o un TMSI. El mensaje también implica el establecimiento de la conexión en la subcapa MM.
3. La red verifica la identidad móvil en el HLR o VLR y responde con el mensaje MM Location Updating Accept.
4. La red cierra el canal Dm enviando el mensaje RR Channel Release.

Existen muchas posibles variantes de esta transacción, entre ellas:

• autenticación
• cifrado
• Tarea de TMSI
• consultas para otros tipos de identidad
• Rechazo de actualización de ubicación

Esta es la transacción para una llamada saliente desde el MS, definida en las secciones 5.2.1 y 7.3.2 de GSM 04.08, pero tomada en gran medida de ISDN Q.931. En su forma más simple, los pasos de la transacción son:

1. El terminal móvil inicia el procedimiento de establecimiento del canal de radio y se le asigna un canal Dm, normalmente un SDCCH. Esto establece la conexión en la subcapa L3 RR.
2. El primer mensaje que se envía al nuevo Dm es la solicitud de servicio de modo de conexión MM, enviada por el MS. Este mensaje contiene un ID de suscriptor (IMSI o TMSI) y una descripción del servicio solicitado, en este caso MOC.
3. La red verifica el aprovisionamiento del suscriptor en el HLR y responde con el mensaje MM Connection Mode Service Accept. Esto establece la conexión en la subcapa MM L3. (Esta es una simplificación. En la mayoría de las redes, el establecimiento de la conexión MM se realiza mediante transacciones de autenticación y cifrado en este punto).
4. El servidor MS envía el mensaje CC Setup, que contiene el número de la persona llamada.
5. Suponiendo que el número de la persona llamada sea válido, la red responderá con el mensaje CC Call Proceeding.
6. La red envía un mensaje de asignación RR para mover la transacción del SDCCH a un TCH+FACCH.
7. Una vez que el MS ha adquirido la sincronización en el TCH+FACCH, responde en el nuevo FACCH con el mensaje RR Assignment Complete. A partir de este momento, todas las transacciones de control se realizan en el FACCH.
8. Cuando se verifica la alerta en el destino indicado, la red envía el mensaje CC Alerting.
9. Cuando la persona llamada responde, la red envía el mensaje CC Connect.
10. La respuesta de MS con el mensaje CC Connect Acknowledge. En este punto, la llamada está activa.

La asignación TCH+FACCH puede ocurrir en cualquier momento durante la transacción, dependiendo de la configuración de la red. Existen tres enfoques comunes:

• Asignación temprana . La red asigna el TCH+FACCH tras enviar el CC Call Proceeding y completa el establecimiento de la llamada en el FACCH. Esto permite el uso de patrones dentro de banda (como los patrones de timbre o ocupado) generados por la red. Este es el ejemplo que se muestra.
• Asignación tardía . La red no asigna el TCH+FACCH hasta que se inician las alertas. Esto obliga al propio MS a generar los patrones localmente, ya que el TCH aún no existe para transmitir el sonido.
• Asignación muy temprana . La red realiza una asignación inmediata al TCH+FACCH en el establecimiento inicial del RR y ejecuta toda la transacción en el FACCH. El SDCCH no se utiliza. Debido a que la asignación inmediata inicia el FACCH en modo de solo señalización, la red debe enviar el mensaje RR Channel Mode Modify en algún momento para habilitar la parte TCH del canal.

Esta es la transacción para una llamada entrante al MS, definida en las secciones 5.2.2 y 7.3.3 de GSM 04.08, pero tomada en gran medida de ISDN Q.931.

1. La red inicia el procedimiento de establecimiento del canal de radio y asigna al terminal móvil un canal Dm, generalmente un SDCCH. Esto establece la conexión en la subcapa L3 RR.
2. El MS envía el primer mensaje en el nuevo Dm, que es el mensaje de respuesta de paginación RR. Este mensaje contiene una identidad móvil (IMSI o TMSI) e implica un intento de conexión en la subcapa MM.
3. La red verifica al abonado en el HLR y comprueba que el terminal móvil haya sido llamado para recibir servicio. En este punto, la red puede iniciar la autenticación y el cifrado, pero en el caso más sencillo, puede simplemente enviar el mensaje CC Setup para iniciar el control de llamadas al estilo Q.931.
4. El MS responde con CC Call Confirmed.
5. La red envía un mensaje de asignación RR para mover la transacción del SDCCH a un TCH+FACCH.
6. Una vez que el MS ha adquirido la sincronización en el TCH+FACCH, responde en el nuevo FACCH con el mensaje RR Assignment Complete. A partir de este momento, todas las transacciones de control se realizan en el FACCH.
7. El MS comienza a emitir alertas (sonido, etc.) y envía el mensaje de alerta CC a la red.
8. Cuando el abonado responde, el terminal móvil envía el mensaje CC Connect a la red.
9. La red responde con el mensaje CC Connect Acknowledge. En este punto, la llamada está activa.

Al igual que en el MOC, la asignación TCH+FACCH puede ocurrir en cualquier momento, siendo las tres técnicas comunes la asignación temprana, tardía y muy temprana.

La transacción para finalizar una llamada se define en las secciones 5.4 y 7.3.4 de GSM 04.08. Esta transacción es la misma tanto si la inicia el terminal móvil como la red; la única diferencia radica en la inversión de roles. Esta transacción se extrae de Q.931.

1. La Parte A envía el mensaje de desconexión CC.
2. La Parte B responde con el mensaje CC Release.
3. La Parte A responde con el mensaje CC Release Complete.
4. La red libera la conexión RR con el mensaje RR Channel Release. Este mensaje siempre proviene de la red, independientemente de quién haya iniciado el procedimiento de liberación.

Los pasos de la transacción para MO-SMS se definen en las secciones 5, 6 y el Anexo B de GSM 04.11. En el caso más simple, entrega sin errores fuera de una llamada establecida, la secuencia de la transacción es:

1. El Estado miembro establece un SDCCH utilizando el procedimiento estándar de establecimiento de RR.
2. MS envía una solicitud de servicio CM,
3. El MS inicia el modo multiframe en SAP3 con el procedimiento SABM normal de LAPDm.
4. El MS envía un mensaje CP-DATA (L3, GSM 04.11 Sección 7.2.1), que transporta un mensaje RP-DATA (L4, GSM 04.11 Sección 7.3.1) en su RPDU.
5. La red responde con un mensaje CP-ACK (L3, GSM 04.11 Sección 7.2.2).
6. La red entrega la RPDU al MSC.
7. El MSC responde con un mensaje RP-ACK (L4, GSM 04.11 Sección 7.3.3).
8. La red envía un mensaje CP-DATA al MS, que contiene la carga útil RP-ACK en su RPDU.
9. El MS responde con un mensaje CP-ACK.
10. La red libera el SDCCH con el mensaje RR Channel Release. Esto implica el cierre de la subcapa MM y activa la liberación de L2 y L1.

Los pasos de la transacción para MT-SMS se definen en las secciones 5, 6 y el Anexo B de GSM 04.11. En el caso más simple, entrega sin errores fuera de una llamada establecida, la secuencia de la transacción es:

1. La red envía una señal al terminal móvil mediante el procedimiento de paginación estándar.
2. El MS establece un SDCCH utilizando el procedimiento de respuesta de paginación RR estándar, lo que implica una conexión de subcapa CC.
3. La red inicia el modo multiframe en SAP3.
4. La red envía el mensaje RP-DATA como RPDU en un mensaje CP-DATA.
5. El MS responde con el mensaje CP-ACK.
6. El MS procesa la RPDU.
7. El terminal móvil envía un mensaje CP-DATA a la red que contiene un mensaje RP-ACK en la RPDU.
8. La red responde con un mensaje CP-ACK.
9. La red libera el SDCCH con el mensaje RR Channel Release. Esto implica el cierre de la subcapa MM y activa la liberación de L2 y L1.

El procedimiento de autenticación Um se detalla en la sección 4.3.2 de GSM 04.08 y en la sección 3.3.1 de GSM 03.20, y se resume aquí:

1. La red genera un valor aleatorio de 128 bits, RAND.
2. La red envía RAND al MS en el mensaje de solicitud de autenticación MM.
3. El MS genera un valor hash de 32 bits llamado SRES al cifrar RAND con un algoritmo llamado A3, utilizando Ki como clave. SRES = A3(RAND,Ki) . La red realiza un cálculo SRES idéntico.
4. El MS devuelve su valor SRES en el mensaje de respuesta de autenticación RR.
5. La red compara el valor SRES calculado con el valor devuelto por el MS. Si coinciden, el MS se autentica.
6. Tanto el terminal móvil como la red calculan una clave de cifrado de 64 bits, Kc, a partir de RAND y Ki mediante el algoritmo A8. Kc = A8(RAND,Ki) . Ambas partes guardan este valor para su uso posterior cuando se active el cifrado.

Tenga en cuenta que esta transacción siempre se realiza en texto plano, ya que la clave de cifrado no se establece hasta después de que se inicia la transacción.

El cifrado GSM, denominado "cifrado" en las especificaciones, se implementa en los bits de canal de las ráfagas de radio, a un nivel muy bajo en L1, después de aplicar la codificación de corrección de errores hacia adelante. Esta es otra deficiencia de seguridad importante en GSM porque:

• La redundancia intencional del codificador convolucional reduce la distancia de unicidad de los datos codificados y
• La palabra de paridad se puede utilizar para verificar el descifrado correcto.

Una transacción GSM típica también incluye tramas inactivas LAPDm y mensajes de información del sistema SACCH en momentos predecibles, lo que permite un ataque de texto plano conocido .

El algoritmo de cifrado GSM se llama A5. Existen cuatro variantes de A5 en GSM, de las cuales solo las tres primeras están ampliamente implementadas:

• A5/0: sin cifrado alguno.
• A5/1 : cifrado más robusto, destinado a su uso en Norteamérica y Europa.
• A5/2 : cifrado débil, diseñado para su uso en otras partes del mundo, pero ahora desaconsejado por la GSMA.
• A5/3 : cifrado aún más robusto con diseño abierto.

El cifrado es una función de los recursos de radio y se gestiona mediante mensajes en la subcapa de recursos de radio de L3, pero está vinculado a la autenticación, ya que la clave de cifrado Kc se genera durante este proceso. El cifrado se inicia con el mensaje RR Ciphering Mode Command, que indica la variante A5 que se utilizará. El MS inicia el cifrado y responde con el mensaje RR Ciphering Mode Complete en texto cifrado.

Se espera que la red deniegue el servicio a cualquier terminal móvil que no sea compatible con A5/1 o A5/2 (GSM 02.09, Sección 3.3.3). La compatibilidad con A5/1 y A5/2 en el terminal móvil era obligatoria en la Fase 2 de GSM ( GSM 02.07, Sección 2) hasta que la GSMA dejó de utilizar A5/2 en 2006.

El TMSI es una identidad temporal de abonado móvil de 32 bits que se puede usar para evitar enviar el IMSI en texto plano en Um. El BSC asigna el TMSI y solo tiene sentido dentro de una red específica. La red asigna el TMSI mediante el comando de reasignación de TMSI de MM, un mensaje que normalmente no se envía hasta que se inicia el cifrado, para ocultar la relación TMSI/IMSI. Una vez establecido el TMSI, se puede usar para anonimizar transacciones futuras. Tenga en cuenta que la identidad del abonado debe establecerse antes de la autenticación o el cifrado, por lo que la primera transacción en una nueva red debe iniciarse transmitiendo el IMSI en texto plano.