PDF de programación - Sistema de conmutación y control de llamadas basado en OpenBTS y Asterisk

MASKANA, I+D+ingeniería 2014

Sistema de conmutación y control de llamadas basado en OpenBTS y

Asterisk



Manuel Quiñones1, Juan Pablo Tene1, Katty Rohoden1, Carlos Carrión2
1 Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica, Universidad Técnica Particular de Loja,

San Cayetano Alto, Loja, Ecuador, 1101608.

2 Communications Laboratory (ComLab), Universidade Estadual de Campinas, Cidade Universitária

Zeferino Vaz – Barao Geraldo, Campinas, Brasil, 13083-970.

Autores para correspondencia: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]

Fecha de recepción: 21 de septiembre de 2014 - Fecha de aceptación: 17 de octubre de 2014



RESUMEN

El presente trabajo empleó herramientas de hardware y software de licencia libre para el
establecimiento de una estación base celular (BTS) de bajo costo y fácil implementación. Partiendo de
conceptos técnicos que facilitan la instalación del sistema OpenBTS y empleando el hardware USRP
N210 (Universal Software Radio Peripheral) permitieron desplegar una red análoga al estándar de
telefonía móvil (GSM). Usando los teléfonos móviles como extensiones SIP (Session Initiation
Protocol) desde Asterisk, logrando ejecutar llamadas entre los terminales, mensajes de texto (SMS),
llamadas desde un terminal OpenBTS hacia otra operadora móvil, entre otros servicios.

Palabras clave: OpenBTS, USRP, GSM, Asterisk, software libre, BTS.



ABSTRACT

In the present research, some open source tools of hardware and software are used in order to build a
free cellular base station BTS, of low cost and easy implementation, starting with an investigation of
the technical concepts about the mobile systems, and the voice over IP VoIP technology. Then the
installation of a system called OpenBTS is performed. This system uses the USRP hardware; a radio
SDR defined software deploying a free GSM network, providing the communication with any phone
that supports this standard. The system enables to switch it as a user agent of the session Initiation
protocol SIP from Asterisk computer program. The latter software is installed as a VoIP PBX system
with several modules to integrate a switching system where telephone calls are executed between
registered users.

Keywords: OpenBTS, USRP, GSM, Asterisk, open source, BTS.



1.



INTRODUCCIÓN

El Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM) es sin duda una de las mayores obras de
ingeniería en telecomunicaciones por su aporte técnico a la arquitectura celular. Este estándar se
encuentra extendido en más de un 90\% alrededor de todo el mundo, contando con más de 3000
millones de usuarios en 219 países distintos (GSMA, 2014).

En Ecuador existen más de 16 millones de dispositivos de comunicaciones móviles activados en el
país, de los cuales 14,5 millones son teléfonos celulares (SUPERTEL, 2012), una cifra que sigue en
aumento y supera incluso a la población del país que se acerca a 14,3 millones de habitantes (Villacís
& Carrillo, 2011).

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Estas cifras pueden suponer hoy en día que cualquier ciudadano tiene acceso a una red de
comunicación telefónica, pero la gran verdad es que todavía existen personas y comunidades a las que
no llega ningún tipo de tecnología de comunicación móvil, por tratarse de lugares poco rentables para
las grandes empresas de telecomunicaciones que requieren de un cierto número de clientes para iniciar
su operación. Es por esto que en (Vázquez et al., 2012; Zorn et al., 2010) se presenta un prototipo de
una Estación Celular Portátil basada en el proyecto OpenBTS, GSM y Asterisk. Los autores proponen
este sistema para dar ayuda a lugares con cobertura celular limitada y así brindar comunicación
durante desastres o emergencias que se puedan suscitar en dichos lugares. En (Mpala & van Stam,
2013), los autores investigaron el desarrollo de un sistema de telecomunicación de bajo costo, basado
en OpenBTS y GSM, y concluyeron que los principales limitantes para la implementación de un
sistema celular en una zona rural es la disponibilidad de equipos, el ancho de banda limitado, y la
regulación de las frecuencias. Por otra parte, en (Pulgarín et al., 2013) se propone usar OpenBTS con
fines académicos, en donde se puede demostrar el funcionamiento de una red GSM usando la
plataforma de hardware USRP.

Tomando en consideración los trabajos antes mencionados, en este proyecto se propone usar
equipos de bajo costo junto con la integración de software de licencia libre, con el fin de emular una
plataforma de red celular GSM que permita una comunicación útil y libre de tarifas en comunidades
que son aisladas por las empresas móviles al no completar con el suficiente número de usuarios que
generan rentabilidad económica. Por otro lado también desarrollar un sistema que sirva como una red
suplementaria en escenarios de emergencia donde se necesiten soluciones portables y de pronta
instalación.



2. MATERIALES Y MÉTODOS



2.1. Arquitectura GSM

Según (Cabral et al., 2009) una red GSM es un sistema complejo compuesto por varios componentes,
en donde el último tramo de este sistema es la antena BTS (Base Station Transceiver). La BTS es la
responsable de transmitir y recibir las señales de radio frecuencia (RF) al terminal del usuario
(teléfono celular, PDA, módem, etc.). Es controlada por una BSC (Base Station Controller) que está
conectada a un MSC (Mobile Switching Center) y VLR (Mobile Visitor Location Register).
Básicamente MSC y VLR son los responsables de autenticar al usuario en la base de datos HLR
(Home Location Register) y el AUC (Centro de Autenticación de usuarios) de la red del operador. En
la Fig. 1 se presenta un esquema de la arquitectura GSM comparado con el proyecto OpenBTS
(Apvrille, 2011).

Figura 1. Arquitectura GSM comparado con OpenBTS.



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La interfaz de aire GSM es conocida como Um, se encarga de describir los métodos usados por la
estación móvil (MS) y la BTS para establecer una comunicación bidireccional. Um se encuentra
definida en las especificaciones GSM 04.xx y 05.xx del Instituto de Estandarización ETSI (European
Telecommunications Standards Institute).

GSM usa una combinación de FDMA y TDMA en un espectro total de 25 MHz. Los canales
uplink y downlink son especificados por un número llamado ARFCN (Absolute Radio Frequency
Channel Number) que cumple con la función de asignar los canales de transmisión y recepción que
usarán los teléfonos en la red. Cada ARFCN tiene un ancho de banda de 270,833 KHz y utiliza una
separación entre canales de 200 KHz en cualquier banda de GSM.



2.2. OpenBTS

El sistema OpenBTS es una aplicación de software libre desarrollado bajo el sistema operativo Unix,
utiliza el hardware USRP (Universal Software Radio Peripheral) para construir una interfaz
inalámbrica de radio (Um) emulando el estándar de comunicaciones móviles GSM. Esto posibilita que
los teléfonos celulares circundantes detecten una red GSM, y a su vez, estos sean vistos como
extensiones del protocolo SIP (Session Initiation Protocol), permitiendo montar in-situ un sistema de
conmutación o central telefónica, empleando el software de licencia libre Asterisk (Burgess & Samra,
2008).

Para la instalación completa del sistema OpenBTS versión P2.8 se requiere de varios componentes
de software que interactúan entre sí con la finalidad de emular la arquitectura GSM, los cuales se
indican en la figura 2 el diagrama del sistema (OpenBTS Public Release, 2011).



Figura 2. Diagrama del sistema OpenBTS.



2.3. Hardware

El dispositivo utilizado es una placa de propósito general denominada USRP N210 fabricada por la
empresa Ettus Research. Se puede conectar a un ordenador personal a través de una interfaz Gigabit
Ethernet y es capaz de utilizar un ancho de banda de frecuencia de radio de 100 MHz, tanto en
transmisión como en recepción. La figura 3 muestra la arquitectura de la placa base, equipada con un
FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan 3A-DSP 3400 de Xilinx, 2 ADC y 2 DAC. Para la
etapa de RF se necesita de la tarjeta WBX, que permite recibir/transmitir en la banda de 50 a 2200
MHz, con una potencia de transmisión de 100 mW a través de una antena omnidireccional vertical
VERT900 para las bandas de 824 a 960 MHz, de la banda 1710 a 1990 MHz Quad-celular/PCS y
Banda ISM, de 9 pulgadas de largo y una ganancia de 3 dBi (Ettus Research, 2012).



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Por otro lado como interfaces de usuario es imprescindible el uso de teléfonos celulares
compatibles con el estándar GSM que cuenten con tarjetas SIM (Subscriber Identity Module). Además
los teléfonos que sirven como Gateways FXO (Foreign eXchange Office) o FXS (Foreign eXchange
Subscriber) deben poseer capacidad de conexión Bluetooth 2.0.



Figura 3. Arquitectura del USRP N210.



2.4. Software

Es necesario contar con la instalación del sistema operativo Linux en un computador personal. En este
trabajo se utilizó la versión de Linux Ubuntu 12.04.2 LTS (Precise Pangolin). Se recomienda las
versiones Ubuntu 10.04 LTS o Ubuntu 10.10, por la facilidad que presentan en el manejo de las
dependencias de software, las librerías y paquetes que compilan e instalan los sistemas OpenBTS,
UHD (USRP Hardware Driver), y