Apuntes sobre «OpenBTS»

En la entrada de hoy me propongo describir de forma general, gracias a la información disponible en internet, mi visión personal de la “Red Celular Abierta GSM” que fundamentada en la utilización del protocolo de red desarrollado dentro del proyecto “OpenBTS” queda al alcance de muchos poder implementar. Dicha red se caracteriza por tener como núcleo un punto de acceso GSM basado en software de código abierto (que no libre en su totalidad por ahora ni gratis) que permite a terminales de teléfono GSM estandar hacer llamadas telefónicas sin necesidad de utilizar la red de telecomunicación GSM “tradicional”.

El sistema OpenBTS reemplaza la infraestructura tradicional del Subsistema de Conmutación de Red del operador de GSM, desde la estación base del transmisor-receptor (BTS) hacia arriba. En vez de reenviar el tráfico de la llamada a través del Centro de Conmutación Móvil (MSC) del operador, las llamadas son terminadas en la misma caja reenviando los datos sobre la central de conmutación (PBX) “Asterisk” valiéndose del Protocolo de Iniciación de Sesión (SIP) y mediante Voz sobre IP (VoIP). El sistema soporta servicios 2G sin necesidad de infraestructura BSC, MSC o VLR de forma que cada terminal convencional GSM se comporta como un punto de terminación SIP.

La infraestructura necesaria para desplegar el sistema puede realizarse con unas inversiones hasta diez veces inferiores a las requeridas por una instalación convencional al igual que los costes asociados a su operación y mantenimiento, lo que hace del sistema especialmente atractivo en países y áreas de muy baja densidad de población y en los que los operadores tradicionales de telecomunicación no contemplan con un volumen de clientes potenciales suficiente que justifique la inversión en un sistema convencional de estación base de GSM. Alguno de los usos en los que este tipo de red encuentra su aplicación óptima son los siguientes:

• Telefonía y mensajería en áreas rurales o de baja densidad de población.
• Cobertura inalámbrica en áreas remotas como por ejemplo barcos, plataformas marinas y pequeñas islas.
• Fuerzas de seguridad.
• Despliegue rápido de redes de comunicación en situaciones de emergencia.
• Simuladores de redes y validación de terminales.
• Acceso inalámbrico al abonado (WLL).
• Femtocélulas.

Es pertinente recordar que el sistema soporta servicios GSM 2G (telefonía y mensajería) con terminales convencionales.

Es su configuración más sencilla, que denominaremos “Célula RCA-GSM Básica”, es posible establecer comunicación entre terminales que se encuentren dentro del radio de cobertura de una estación base.

En este caso los principales elementos que integran el sistema son:

1. Terminal: Se trata de un terminal celular GSM convencional.
2. Sistema radiante: Formado por la antena, su estructura soporte y el cable coaxial que la conecta con la siguiente sección.
3. Radio Transceptor USRP: Se trata de un emisor y un receptor basado en un desarrollo de radio definida por software (Universal Software Radio Peripheral) que por su naturaleza abierta permite la adaptación a las frecuencias y modos de trabajo que mejor se adapten a la zona en la que se va a desplegar la red. Dependiendo de la potencia con la que se vaya a trabajar y la configuración de antenas, se utilizarán o no elementos auxiliares como amplificadores de potencia, combinadores, diplexores, filtros y demás aparallaje de radiofrecuencia. Una descripción más detallada del hardware que involucra esta sección la podemos encontrar en los enlaces: http://fon.gs/inergia/ y http://www.ettus.com/order
4. VoIP PBX: Se trata de un PC estándar en el que se ejecuta la aplicación “OpenBTS” y la centralita digital de voz sobre IP Asterisk. OpenBTS utiliza Asterisk no solamente para manejar las llamadas de voz sobre IP sino también para autentificar los usuarios. Cada usuario se ha de registrar en el fichero sip.conf con su correspondiente IMSI.

Es evidente que una célula básica permite la comunicación entre solamente los terminales que se encuentran dentro del área de cobertura de la estación base, por tal motivo es fundamental realizar un buen estudio de propagación y adecuar los elementos de radiofrecuencia de la instalación al entorno y cobertura que se pretende conseguir.

En el caso de desear establecer comunicaciones con terminales de otras redes de telecomunicación se produce un salto cualitativo en el que es necesario conectar la PBX con la red exterior y mantener los protocolos de señalización y enrutamiento que dicha red nos requiera.

• 5 Convertidor: Es un módulo que actúa de interfase entre la central Asterix y el elemento de red al que se conecta, adaptando simultáneamente formatos lógicos y físicos. Existe una gran variedad de soluciones al respecto en las que el grado de “apertura” es función del tipo de red que conectan.
• 6 Enlace: La conexión entre la célula y otras células de la misma red o entre otras redes, como la red telefónica pública conmutada (RTC) o con Internet se puede realizar de múltiples formas, por ejemplo con radioenlaces, fibra óptica, pares de cobre, etcétera.
  Como complemento a la descripción anterior del sistema a continuación trataremos de dar respuesta anticipada a algunas de las preguntas que el lector pudiera hacerse.

¿Cuál es el área de cobertura de una célula?
A este particular una célula OpenBTS no se diferencia de una célula GSM estándar, el área de cobertura depende principalmente del emplazamiento de la célula y geografía del entorno físico, de los sistemas radiantes y del transceptor utilizado. En entornos rurales y despejados, utilizando antenas sectorizadas colocadas en mástiles de gran altura, como las mostradas en la ilustración, y equipos de radio con amplificadores de potencia en el transmisor y de bajo ruido en el receptor (LNA), es posible alcanzar el máximo teórico para una celda, los 35 Km. En el caso de un entorno urbano el alcance es mucho menor, la absorción provocada por las construcciones suele ser muy grande, en especial en las altas frecuencias (DCS- 1800 MHz), en este caso las coberturas suelen ser del orden de unos pocos centenares de metros. Tampoco debemos olvidar que tanto el enlace ascendente (del móvil a la base) como el descendente (de la base al móvil) han de estar balanceados y no se puede aumentar indiscriminadamente la potencia de uno de los enlaces para aumentar cobertura porque en este caso el alcance estaría desequilibrado.

En conclusión, la planificación radioeléctrica en sistemas “GSM open” será análoga a la que hay que realizar en sistemas “GSM tradicionales”.

¿Cuál es el máximo número de usuarios que una célula básica puede atender?
Respecto a la capacidad de la célula, tenemos dos limitaciones, la proveniente del ancho de banda disponible y la capacidad de la central PBX-Asterisk. Respecto al ancho de banda, la situación es análoga a lo que sucede en los sistemas GSM tradicionales. Para cada frecuencia (radiocanal) podremos atender hasta ocho usuarios simultáneamente. Es posible la utilización de varios radiocanales en un mismo emplazamiento pero en este caso la electrónica de radio asociada gana en complejidad y consecuentemente en coste, en especial si la potencia es elevada. El número de usuarios que es posible atender con una calidad de servicio determinada sigue el bien conocido patrón de distribución definido por las funciones Erlang. De la misma forma, es posible determinar el ancho de banda en Kbps requerido para un enlace de datos que transporta señal VoIP proveniente de un servicio de voz con una calidad determinada.

¿Existen limitaciones de tipo legal a la utilización comercial de OpenBTS?
La utilización del espectro radioeléctrico suele estar estrictamente regulado y mucho más en aplicaciones de carácter comercial, en particular para el caso de telefonía las administraciones otorgan licencias en exclusiva para la explotación de dicho servicio. Puesto que los terminales de teléfono que forman parte de la red “open” son estándar y sus frecuencias de trabajo son las internacionalmente asignadas al servicio de telefonía celular por lo que lo más habitual es la sujeción a un estricto régimen regulatorio. No obstante, la regulación varía de un país a otro e incluso en zonas de un mismo país el régimen regulatorio es diferente. Se trata de una cuestión fundamental a tener en cuenta, la obtención de los permisos administrativos pertinentes.
Otro factor a tener en cuenta y este de carácter más técnico es que algunas de las rutinas que utiliza el núcleo “OpenBTS” requieren de la firma de un acuerdo con Kestrel Signal Processing, Inc. para garantizar la compatibilidad con la licencia GPLv3 y para poder acceder a todas las licencias y patentes que el sistema pudiera requerir. A este particular es imperativo leer la discusión de Jonathan Corbet sobre las incertidumbres al respecto.

¿Cuál es la inversión necesaria para instalar una célula básica?
De las consideraciones anteriores se desprende que la inversión necesaria para construir una célula está estrechamente ligada con su emplazamiento, área de cobertura deseada y capacidad de tráfico que tenga que soportar. La utilización de elementos estándar en toda la cadena de equipos, junto con la utilización de aplicaciones software de código abierto, sin elementos “propietarios”, reduce notablemente el costo respecto una estación convencional. Las pruebas piloto realizadas hasta ahora permiten estimar reducciones de coste de instalación y explotación del servicio de hasta 1:10 respecto a un sistema GSM convencional, de forma que parece posible operar el servicio de telefonía con suscripciones mensuales de 1$ por usuario frente a los 6$ mensuales que cuesta el servicio básico con los sistemas tradicionales, lo que le hace enormemente atractivo en países con rentas bajas.

¿Qué aspecto tiene la electrónica asociada a una célula?
En la fotografías siguientes se muestras dos implementaciones diferentes de una célula GSM abierta básica. Se ha indicado con un número en la fotografía la correspondencia de algunos elementos con el diagrama de bloques anteriormente presentado.
Célula RCA-GSM básica – Baja Potencia

Célula RCA-GSM básica – Media Potencia

Actualización 3 julio 2013: Podemos ver detalles adicionales sobre como cargar el SW para una implementación en Colombia consultando el enlace de MrDesc