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

Fibra óptica en casa – No todo es tecnología

Por hacer un pequeño honor al leitmotiv de este blog, “una visión industrial de las telecomunicaciones”, me gustaría referirme a una cuestión, estos días de actualidad ( Expansión, viernes 9 de mayo de 2008 ) y omnipresente en los últimos años en las consideraciones sobre inversión en infraestructuras de telecomunicación; me refiero a la obligatoriedad o no de compartir la red.

Por simplificar podemos decir que en telecomunicaciones (excluyo TV y redes privadas) hemos tenido tres grandes oleadas inversoras. La primera, dilatada en el tiempo, fue la creación de la red telefónica básica, red de cobre, fija, al amparo de un monopolio. La segunda, la red de telefonía celular, en régimen de “competencia regulada” y la tercera, ahora en sus inicios, la red de fibra óptica. El impacto de las dos primeras en la industria y en la sociedad ha sido tremendo y el estudio de sus estructuras jurídicas de propiedad y régimen de explotación han creado cuerpo de doctrina al respecto y excede sobradamente el propósito de un post entrar en ella, aun así, quiero destacar que la experiencia y conocimiento adquiridos habrían de ser suficientes para configurar un tercer despliegue sin los errores del pasado, despliegue cuyo impacto no ha de ser menor que los anteriores. ¿Vamos por el buen camino?

Para mí, la cuestión nuclear es como compaginar el derecho al acceso a los servicios de comunicación con los derechos de propiedad privada.

La noticia a la que me he referido es: “La CMT obligará a Telefónica a alquilar su nueva red de fibra óptica a los competidores”. Para mí los interrogantes y paradojas que ante esta noticia aparecen son muchos. Por citar alguno de ellos; entiendo paradójico el hecho que al obligar a una empresa a compartir sus inversiones en aras de garantizar el acceso universal a los servicios básicos (la consideración de servicio básico es otro de los elementos clave) de comunicaciones, puede hacer que nadie invierta en esos servicios, viéndose privados todos los ciudadanos del acceso a ellos. Pero no todo hay que verlo desde el punto de vista de la intromisión de otros en las instalaciones de uno. El operador que despliega la red lo hace utilizando elementos comunes de infraestructura civil (caminos, accesos, servicios, etc.) que si bien satisface una tarifa por ello podría desembocar en un caos “urbanístico” y en la ineficiencia económica si todos los operadores desplegasen elementos redundantes de red. Todos en cierto modo tenemos derecho a beneficiarnos de esos elementos comunes, no solo quien decide invertir, con ello no pretendo legitimar al can. ¿Es de aplicación en este entorno el modelo seguido en televisión? Esto es, una red común, explotada por una empresa, RETEVISION, que da soporte a diferentes operadores, TVE, A3, T5, C+. Ciertamente tiene sus ventajas pero, con la excusa de las restricciones técnicas, se mantiene un monopolio en infraestructuras. Huyendo del “dicotomismo”, las cosas no tienen porqué ser blancas o negras, se pueden considerar propuestas “mixtas” como a la que desea acogerse Telefónica, basada en la “segmentación geográfica” en función de la competencia que exista en cada zona.

Por terminar con la reflexión en el ámbito de la regulación, quiero enfatizar la trascendencia que tiene la declaración que haga el organismo competente sobre los servicios de fibra óptica respecto a su universalidad e inexistencia de una red alternativa que pudiera proporcionar unos servicios comparables.

¿Porqué es la fibra óptica la tecnología en el punto de mira? Porque al permitir a día de hoy anchos de banda dos o tres órdenes de magnitud por encima de otras tecnologías, se adivina como el candidato preferido para que los servicios emergentes como la realidad virtual (second life, telemedicina, televisión bajo demanda, televisión de alta definición, computación en red, inteligencia artificial distribuida) y un largo etcétera se conviertan en una realidad cotidiana.

¿Y la industria que tiene que decir? El conjunto de inversiones que se comprometen, la mano de obra de todo tipo de cualificación que se involucra, nos permiten referirnos al hecho en los términos utilizados al principio del post, “oleada inversora” de gran impacto directo en la industria de infraestructuras de telecomunicación.

Neomedia

Ojeando el blog de Salvador Biedma, me encuentro con la mención de una empresa que quiero traer a colación en mi blog por diversos motivos, el primero, transmitirles mi felicitación por haber llegado a la final en el premio ENISA a la innovación, estoy hablando de Neomedia, empresa según ellos dedicada a las Infraestructuras Avanzadas de Telecomunicaciones. ¡ Lo que a mí me gusta !

Otro elemento por el que hablar de Neomedia es porque nos proporciona un ejemplo de fertilización cruzada entre tecnologías que a primera vista despunta prometedora, citando a Salva: «La unión de Linux y de la tecnología inalámbrica agilizarán la administración y coordinación del transporte público madrileño, esperando a aumentar la calidad de los mismos«. Los que saben de localización remota nos cuentan que tanto los métodos basados en GPS como los basados en estaciones base de telefonía celular, presentan en determinadas utilizaciones deficiencias inherentes a su filosofía y que una red «ágil» y «capilar» como las WiFi quizás pudieran resolver. La implementación de Neomedia es noticia por ello.

Neomedia también reúne – por lo que se desprende de una observación de los datos disponibles en la red – varios de los atributos que el emprendimiento de éxito ha de aglutinar en opinión de muchos de los ponentes que hemos disfrutado en los «iniciadores» y también en opinión de algunos de sus habituales, como son la detección de la oportunidad, la perseverancia, el disfrutar con lo que se hace y la relevancia del emprendedor y el equipo frente a la idea. Como contribución personal al refuerzo de la tesis «desarrollista» frente a la «idealista», diré que la idea de utilizar WiFi en entornos por aquel entonces poco convencionales (publicidad, mobiliario urbano, redes capilares … utilización de Ekahau – pág 48 de BP) la hemos tenido unos cuantos, con ella me presenté al proyecto Neti, pero de la idea a la realidad que es Neomedia dista mucho. Aún considerando las lógicas diferencias entre ambos proyectos mantengo la «levedad» del peso de la idea en un proyecto, yo tuve una idea, la plasmé en un documento y en eso quedó todo. Miguel Caballero tuvo la idea, perseveró, formó el equipo, luchó por ella y convirtió los sueños en realidad. Este sentir no es solamente en agradecimiento de un piropo, es sincero y lo es de un «competidor» en el sentido 1.0 del término. Hoy el enfoque ha de ser diferente, en este caso, juntos tenemos que descubrir los océanos azules de las infraetructuras para los servicios inalámbricos de nueva generación en vez de aniquilarnos en el conocido mar rojo de la reducción de costes y el «mee too», es hora de coopetir.

WiFi en la T4

Esa visión industrial de las telecomunicaciones que impregna mis apreciaciones, hace que me fije con especial atención en los elementos de infraestructura. Me sorprende que un aeropuerto tan bien diseñado y conseguido, a mi así me lo parece aunque hay gustos y criterios para todo, no haya contemplado desde el principio la cobertura inalámbrica global. Las comunicaciones internas (redes de datos, pantallas, megafonía, etc.) están integradas en el edificio, las videocámaras algo menos, pero lo están. Las estaciones base celulares, también, no son para nada el «pegote» de la T1 y T2. En general, se aprecia un cuidado por las infraestructuras de comunicaciones “clásicas”.

Pero digo, me sorprende que no se hayan acordado del WiFi, y si no el WiFi, al menos prever un área para futuros servicios, como predica la normativa ICT (Infraestructuras Comunes de Telecomunicación) para edificios (viviendas) de nueva construcción.

En lo que respecta a la presentación pública del servicio WiFi, es muy resultona, claro, que como en todos los casos, hay un amplio espectro de opiniones.

Pero, ¿qué hay detrás del cartel?, ¿qué hay dentro de la bola? Me parece que dentro de la bola WiFi no hay nada, solo la mención de los tres “operadores WiFi” autorizados Kubi, Comunitel y Vodafone, que son a su vez otro elemento de controversia, como Martin Varsavsky apunta en su blog.

¿Cómo se consigue la cobertura en las terminales? Colocando las antenas “pinchadas de un palo” y atadas con un “cintillo» de alambre.

T4 – Madrid – Siglo XXI

Con lo elegante que hubiese resultado incrustar, empotrar, integrar, camuflar, las antenas y los puntos de acceso en las marquesinas de información, puntos de iluminación, tomas de aire acondicionado, elementos ornamentales, y un largo etcétera que dejo a la imaginación del lector, porque en la T4 hay muchos elementos que se pueden compartir y en su gran mayoría con las canalizaciones de los cables de alimentación y retorno de la señal ya instaladas para otros servicios.