Sistema celular alternativo y de emergencia basado
en OpenBTS Y SDR
Alternative and emergency cellular system based on OpenBTS and SDR
Alian Ernesto Matos Rodríguez, Marcelino Sánchez Posada
Centro de Investigación y Desarrollo Naval (CIDNAV)
La Habana, Cuba
aematos@nauta.cu
msanchez82@nauta.cu
Abstract— The Global System for Mobile Communications
(GSM) has been widely accepted around the world. The
implementation of this system for a comunity are expensive
because to use high-cost equipment, but thanks to the
development of software-defined radio systems, it is possible to
develop this type of network at a reduced cost. Access to
telecommunications services in rural communities in Cuba is
today a great challenge, mainly caused by the geographical
location and the small number of habitants that make the
deployment of infrastructure not economically feasible. The
main contributions of the present work focus in an alternative
cellular system and GSM network management software. It
was shown that it is possible to build a mobile telephone
network using free software components and low-cost
hardware, which can be used in sparsely populated rural
communities, as well as in emergency situations.
Keywords: GSM, OpenBTS, SDR, Asterisk.
Resumen—El Sistema Global de Comunicaciones Móviles
(GSM) ha tenido una gran aceptación alrededor del mundo. Para
implementar estos sistemas era necesario utilizar equipos de
costo elevado, sin embargo, gracias al desarrollo de sistemas de
radios definidos por software, es posible desarrollar este tipo de
redes con un costo reducido. El acceso a servicios de
telecomunicaciones en comunidades rurales de Cuba es hoy en
día un gran reto, propiciado principalmente, por la ubicación
geográfica y el reducido número de habitantes que hacen que el
despliegue de infraestructura no sea económicamente factible.
Las contribuciones principales del presente trabajo son un
sistema celular alternativo y software de administración de red
GSM. Quedó demostrado que es posible la construcción de una
red telefónica móvil usando componentes de software libre y
hardware de bajo costo, que pueden ser empleados en
comunidades rurales de poca población, así como en situaciones
de emergencia.
Palabras claves: GSM, OpenBTS, SDR, Asterisk.
I. INTRODUCCIÓN
El Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM,
siglas en inglés) es sin duda una de las mayores obras de la
ingeniería en telecomunicaciones por su aporte técnico a la
arquitectura celular [1]. Anteriormente para implementar los
sistemas GSM, ha sido necesario utilizar equipos de costo
elevado, sin embargo gracias al desarrollo de sistemas de
radios definidos por software (SDR, siglas en inglés) y
OpenBTS (Open Base Transceiver Station, en lengua
inglesa), es posible desarrollar este tipo de redes con un
costo reducido [1, 2]. Los SDR permiten realizar las
funciones vía software típicamente implementadas mediante
hardware, mientras que OpenBTS es un punto de acceso de
GSM basado en software que posibilita el acceso de los
teléfonos móviles compatibles con el estándar GSM.
El desarrollo de la tecnología SDR y los proyectos de
código abierto para telefonía móvil ofrecen un nuevo
paradigma, modelo de negocio y ecosistema abierto, en
contraste con el tradicional propietario e infraestructuras de
telecomunicaciones orientadas a aplicaciones. En este
contexto, las soluciones, productos y proyectos emergentes
basados en software, en su mayoría relacionados con
iniciativas de código abierto, se han diseñado y desarrollado
para hacer frente a los diferentes requisitos de los usuarios y
servicios [3, 4].
Existe un gran número de áreas donde las comunicaciones
móviles basadas en SDR pueden ser aplicadas, algunos
ejemplos son: servicios de localización, modelado de
cobertura, sistemas de optimización de energía, sistemas de
búsqueda y rescate, sistemas de alerta de emergencia, entre
otros. Un campo de aplicación relevante de la tecnología
SDR se centra en el despliegue rápido de redes móviles de
contingencia para brindar o recuperar servicios de
comunicaciones interrumpidos por causas de emergencia o
desastres naturales [5, 6].
El acceso a servicios de telecomunicaciones en las
comunidades rurales de Cuba es hoy en día un gran reto.
Esto es propiciado principalmente, por la ubicación
geográfica y el bajo número de habitantes que hacen que el
despliegue de infraestructura no sea económicamente
factible para el operador de telecomunicaciones tradicional.
Además, no se cuenta con un sistema alternativo que pueda
ser utilizado en situaciones de emergencia, ante daños en la
Revista elektron, Vol. 6, No. 2, pp. 135-139 (2022)
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Recibido: 22/10/22; Aceptado: 28/11/22
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.6.2.166.2022
Original Article
infraestructura de comunicaciones y saturación de los
servicios de las estaciones base en determinadas áreas.
La implementación de estaciones base GSM mediante
SDR y OpenBTS ha sido abordada por diferentes autores en
el transcurso de los años. En las propuestas analizadas [1, 2,
7-9] se obtuvieron como resultados sistemas GSM de bajo
costo y fácil implementación con el empleo herramientas de
hardware USRP (Universal Software Radio Peripheral, en
lengua inglesa) y software de licencia libre. En la Tabla I se
muestra un resumen de las principales características de los
componentes de hardware y software de las propuestas
descritas donde se evidencia que en todos los trabajos
identificados emplean como sistema operativo Ubuntu y
como dispositivos hardware USRP de diferentes modelos,
dígase N200, N210 y B210. Todas las propuestas analizadas
carecen de un software para la gestión de la red GSM,
realizándose de forma manual el registro de terminales
móviles, de extensiones, la inicialización de servicios, entre
otros, mediante comandos en la terminal del sistema
operativo.
TABLA I. COMPONENTES DE HARDWARE Y SOFTWARE DE LAS
PROPUESTAS ANALIZADAS
Propuestas
Sistema
Operativo
SDR
Software de
gestión
[1]
Ubuntu 12.04
LTS
USRP
N210
No
[8]
Ubuntu 14.04
LTS
USRP
B210
No
[9]
Ubuntu 12.04
LTS
USRP
N200
No
[2]
Ubuntu 16.04
LTS
USRP
N200
No
[7]
Ubuntu 12.04
LTS
USRP
N210
No
Las contribuciones principales del presente trabajo son un
sistema celular alternativo y software de administración de
red GSM, que pueden ser empleados en comunidades
rurales de poca población, así como en situaciones de
emergencia, donde se necesiten soluciones de bajo costo,
portables y de pronta instalación.
II. DESARROLLO
El proyecto OpenBTS [10] es una colección de
componentes de software de código abierto. Es definido
como una aplicación de software libre desarrollado bajo el
sistema operativo multitarea Unix y que utiliza mayormente
el hardware USRP para construir la interfaz inalámbrica de
radio, para emular al estándar de comunicaciones móviles
GSM. Lo que posibilita que los teléfonos celulares
circundantes detecten una completa red GSM, y a su vez,
estos sean vistos como extensiones del Protocolo de Inicio
de Sesión (SIP, siglas en inglés), permitiendo montar un
sistema de conmutación o central telefónica gracias al
software de licencia libre Asterisk. Ver Fig. 1.
Fig. 1. Sistema OpenBTS.
Los elementos más importantes de la arquitectura de
OpenBTS son los bloques Transceiver, Sipautserve,
Smqueue y las bases de datos OpenBTS.db, Sqlite3.db,
Sipauthserve.db y Smqueue.db, que interactúan entre sí,
junto a una PBX (Private Branch Exchange, en lengua
inglesa) para conformar un punto de acceso GSM. Mantiene
conexiones SIP representadas con líneas de color negro,
conexiones sqlite3 representadas con las líneas de color rojo
y la línea azul que identifica la conexión ODBC (Microsoft
Open Database Connectivity, en lengua inglesa). Ver Fig. 2.
Fig. 2. Arquitectura de OpenBTS.
El transceiver es un radiomodem basado en software que
realiza las funciones de la especificación 05.05 de GSM,
responsable del envío y recepción de la señal de radio en la
interfaz Um (Interfaz de radio que utiliza la estación móvil
para comunicarse con la red GSM), este cumple con dos
funciones importantes que son la implementación de la capa
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física L1 con la plataforma TDMA (Time-Division Multiple
Access, en lengua inglesa) a través de L3 de la capa de
aplicación; a la vez que maneja la interfaz USB del
hardware USRP. Su interfaz SIP está normalmente en el
puerto 5062. Sipauthserve es una aplicación que administra
la base de datos de información del subscriptor, cumpliendo
de forma análoga con las funciones ejecutadas por el HLR
(Home Location Register, en lengua inglesa) de GSM, sus
funciones involucran el registro y autorización de usuarios,
esta aplicación actualiza la base de datos (sqlite3.db) de
estos usuarios en respuesta a los cambios efectuados. Su
interfaz SIP normalmente se ejecuta en el puerto 5064.
Smqueue es un servidor usado para prestar el servicio de
mensajes cortos de texto (SMS) en sistemas OpenBTS, es
necesario iniciar de forma independiente del transceiver de
OpenBTS. Su interfaz SIP normalmente se ejecuta en el
puerto 5063. Smqueue no es necesario en instalaciones que
no sean compatibles con la mensajería de texto.
OpenBTS consta de cuatro bases de datos:
OpenBTS.db: Alberga los parámetros de configuración de
OpenBTS. Entre los parámetros tenemos: potencia, Banda
de frecuencia para GSM, número de canal de
radiofrecuencia absoluto (ARFCN), puertos, entre otros.
Sqlite3.db: Subscriber Registry (SR): Es la red de registro
SIP, como una red de registro SIP convencional, pero
aumentada para dar soporte de movilidad y funciones de
autenticación asociadas con GSM. Esta base de datos puede
ser manipulada directamente usando sintaxis SQL
(Structured Query Language, en lengua inglesa) en tiempo
real. En ella se encuentra la información del Subscriptor
como el IMSI (Mobile Subscriber Identity, en lengua
inglesa), el número de extensión dado, puerto, códec,
dirección IP entre otros.
Sipauthserve.db: En ella se encuentran almacenados los
parámetros de configuración del Subscriber Registry.
Smqueue.db: Base de datos para servicio de mensajes.
La implementación de la red celular propuesta se realizó
en el Sistema Operativo Ubuntu 14.04 y se utilizó como
hardware SDR un USRP B200.
A. Asterisk
Asterisk es un proyecto de código abierto que agrupa la
funcionalidad de una central telefónica privada (PBX, siglas
en inglés) dentro de un paquete de software, permite realizar
el registro, conexión y comunicación de terminales
telefónicos conectados al servidor Asterisk. Ofrece las
mismas características y servicios que un moderno equipo
de hardware PBX. Incluye muchas características que
anteriormente sólo estaban disponibles en costosos sistemas
propietarios PBX, como buzón de voz, conferencias,
distribución automática de llamadas, y otras funciones [11].
B. USRP B200
Se trata de un SDR diseñado por la empresa “ETTUS
Research” como propuesta de hardware libre, donde los
microprocesadores convencionales pueden actuar como
dispositivos de radio bajo un gran ancho de banda,
convirtiéndose en una plataforma flexible de bajo costo que
permite implementar y diseñar potentes sistemas de
radiocomunicaciones con aplicaciones en tiempo real. En
esencia, sirve como procesador digital de banda base y
conversor de frecuencia intermedia FI en los sistemas de
radiocomunicaciones.
El hardware USRP B200 que consiste en un FPGA Spartan
proporciona frecuencias de RF de 70 MHz a 6 GHz y tiene
un canal de recepción y transmisión en un modo alimentado
por bus. Este hardware presenta una amplia gama de
aplicaciones como comunicación celular, transmisión de TV
y FM, GPS, Wi-Fi, radar, entre otras. El USRP B200 se
compone de un RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit,
en lengua inglesa) de dispositivos analógicos para permitir
una plataforma de experimentación de RF rentable y es
capaz de hasta 56 MHz de ancho de banda instantáneo a
través de un bus USB 3.0 de gran ancho de banda (con
compatibilidad retroactiva con USB 2.0). El USRP Hardware
Driver (UHD) es multiplataforma, un controlador de código
abierto necesario para ejecutar USRP B200 en Linux,
Windows y MacOS. Ofrece una API común, que es utilizada
además por numerosos marcos de software, como GNU
Radio y Matlab [12]. El soporte completo de UHD permite la
reutilización perfecta del código de los diseños
predominantes y la compatibilidad con aplicaciones de
código abierto como OpenBTS. En la Fig. 3. se muestra la
apariencia del USRP B200.
Fig. 3. USRP B200.
C. Antenas
En las pruebas de laboratorio del sistema OpenBTS se
utilizó la antena VERT900 mostrada en la Fig. 4(a), y en las
pruebas en el terreno una antena de polarización vertical
como se observa en la Fig. 4(b).
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Fig. 4. (a) Antena VERT900 (b) Antena de polarización vertical.
Las características de las antenas antes mencionadas se
muestran en la Tabla II.
TABLA II. CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS UTILIZADAS
Antena
Frecuencia
Ganancia
VERT 900
824-960 MHz, 1710-1990 MHz
3 dBi
Polarización vertical
906-960 MHz, 1710-2500 MHz
12.5/15
dBi
D. Banda de operación
OpenBTS puede usar un amplio rango de frecuencias de
GSM como por ejemplo GSM850, GSM900, GSM1800 y
GSM1900. Para la implementación del sistema se
seleccionó la frecuencia de 900 MHz. De la misma forma se
establece una banda de operación para OpenBTS, esta es
definida por el Número de Canal de Radio-Frecuencia
Absoluta (ARFCN, siglas en inglés), el cual define el
método de acceso múltiple en GSM y provee los canales
dowlink y uplink de la estación móvil para establecer la
radiocomunicación con la Estación Base Celular (BTS,
siglas en inglés). Ver Tabla III.
TABLA III. BANDAS DE FRECUENCIA GSM Y NÚMEROS DE CANAL ARFCN
GSM-850
GSM-900
GSM-1800
GSM-1900
Rango de
frecuencia
uplink
824-849
(MHz)
890-915
(MHz)
1710-1785
(MHz)
1850-1910
(MHz)
Rango de
frecuencia
downlink
869-894
(MHz)
935-960
(MHz)
1805-1880
(MHz)
1930-1990
(MHz)
ARFCN
128-251
1-124
512-885
512-810
Offset
45 MHz
45 MHz
95 MHz
80 MHz
E. Características del sistema OpenBTS
Algunas de las características principales del sistema
implementado:
Soporta funciones propias GSM 2G y 2.5G.
Opera en las bandas de 850, 900, 1800 y 1900
MHz.
Multiplexación en tiempo TDMA y en frecuencia
FDMA (Frequency-Division Multiple Access, en
lengua inglesa).
Soporta servicios de voz, envío de mensajes SMS y
de datos GPRS.
Traslada el tráfico GSM a VoIP.
Ofrece servicios de gestión del sistema,
encriptación y anonimato.
Puede emplearse como terminal GSM cualquier
móvil comercial.
Bajo costo y rápido despliegue.
Permite estructura multi-Estación Base y
configuración simple o múltiples canales ARFCN.
El área de cobertura según la densidad del área y
características del terreno puede alcanzar los 20Km.
F. Software para la gestión de la red GSM
Con el objetivo de facilitar el empleo del sistema celular
basado en OpenBTS se desarrolló un software en el lenguaje
de programación C++ mediante el Entorno de Desarrollo
Integrado (IDE, siglas en inglés) Qt Creator.
Qt es un framework multiplataforma orientado a objetos
ampliamente usado para desarrollar programas que utilicen
interfaz gráfica de usuario, , así como también diferentes
tipos de herramientas para la línea de comandos y consolas
para servidores que no necesitan una interfaz gráfica de
usuario. Es desarrollada como un software libre y de código
abierto.
En la Fig. 5. se muestra la Interfaz Gráfica de Usuario
(GUI, siglas en inglés) de la aplicación.
Fig. 5. Software para la gestión de la red GSM.
G. Principio de funcionamiento del software
El software realizado ejecuta pruebas de funcionamiento y
conectividad del equipo de hardware USRP B200. Verifica
el estado de todos los servidores que componen la estación
celular, Asterisk, el servidor de registro, el servidor de
mensajes de texto y el transceiver. Realiza el escaneo de las
bandas de frecuencia GSM activas junto con los
identificadores ARFCN usados por las redes móviles que
operen dentro del área, muestra el número de canal ARFCN,
junto con la potencia y la frecuencia de cada canal, con esta
información se evita usar un mismo número de ARFCN en
la red y causar una interferencia a la operadora nacional de
telefonía móvil. En la Fig. 6. se muestra la aplicación en el
proceso de comprobación de los componentes de hardware y
software.
Fig. 6. Comprobación de los componentes de hardware y software.
Una vez concluido el proceso de verificación de hardware
y software satisfactoriamente, los usuarios registrados
pueden acceder a todos los servicios de la red de telefonía
móvil.
III. PRUEBAS Y RESULTADOS
Para la realización de las pruebas se empleó el esquema de
conexión básico que se muestra en la Fig. 7. Dicho
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esquema está compuesto por el sistema OpenBTS en una
sola computadora de escritorio conectada al transceptor
USRP B200. Primeramente, se verificó el correcto
funcionamiento en un entorno controlado en el laboratorio
con la antena VERT 900. Para ello, se registraron 30
usuarios en el sistema, dando la posibilidad de realizar
llamadas y envío de mensajes de forma simultánea.
Fig. 7. Esquema de conexión básico del sistema OpenBTS.
Con la certeza de los resultados de las pruebas de
laboratorio, se realizaron experimentos en el terreno con la
antena de polarización vertical con el fin de determinar: el
máximo alcance de la señal en espacio libre, cantidad de
registro de autenticación por minuto, cantidad de llamadas
simultáneas, envío de mensajes de texto por minuto y el
correcto funcionamiento del software de gestión de la red
GSM. Los resultados de las pruebas arrojaron un alcance del
sistema de 200 metros en espacio libre, superior a lo logrado
por los sistemas expuestos en [1, 2], siendo de 10 metros y
120 metros respectivamente. Se logaron 30 registros de
autenticación por minuto, 5 conversaciones simultáneas y 40
mensajes de texto por minuto. Además, se validó el correcto
funcionamiento del software de gestión de la red GSM
implementado.
IV. CONCLUSIONES
Quedó demostrado mediante la práctica y
experimentación que es posible la construcción de una red
telefónica móvil usando componentes de software libre y
hardware de bajo costo. El uso de Asterisk y las
características del protocolo SIP, facilitó el manejo de los
terminales de usuario y la conmutación de las llamadas de
móvil a móvil, lo que propició un servicio telefónico de
buena calidad tanto en voz como en tiempo de respuesta. Se
logró satisfactoriamente la integración de la tecnología
GSM, Asterisk y SDR, con la finalidad de despertar el
interés en la utilización de las redes abiertas de telefonía
celular como solución a la necesidad de comunicación en
sectores rurales y escenarios de emergencia.
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ISSN 2525-0159
139
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