T8 Telefonía móvil. José Gorjón

Transcripción

1 T8 Telefonía móvil José Gorjón

2 Radiocomunicaciones La radiocomunicación es la tecnología que posibilita la transmisión de señales mediante las ondas electromagnéticas. Estas ondas no necesitan que haya un medio físico para su propagación, pueden propagarse tanto a través del aire como del espacio vacío.

3 Ondas electromagnéticas. FFC (EEUU) ITU-R (Mundial) Tipo Frecuencias Uso Ondas de radio 30 MHz hasta 1 GHz Aplicaciones omnidireccionales Microondas 1 GHz hasta 40 GHz Haces altamente direccionales Enlaces punto a punto Comunicaciones satelitales Infrarrojos 3x10 11 y 2x10 14 Hz Conexiones locales punto a punto. Aplicaciones multipunto en áreas confinadas

4 Atenuación (db) Atenuación en microondas L = 10 log 4πd λ 2 db 130 Atenuación ( frecuencia y distancia ) Donde: d es la distancia λ la longitud de onda Distancia (m)

5 Ventajas Completan los recursos de acceso fijo o de cable. Comunicar zonas y localidades difíciles de alcanzar Alta flexibilidad, conectividad inmediata a la red (x ej: conciertos, reuniones, etc)

6 Tecnologías

7 Tipos de Propagación de la señal Tipo Frecuencias Comentarios De superficie Bajas Se acopla ruido, y BW reducido Ionosférica 3 30 MHz Gran alcance, (barcos) Espacial > 30 MHz Ondas directas o reflejadas. La atmosfera produce fenómenos de refracción, dispersión y absorción

8 Clasificación según: Banda de frecuencia Dirección de transmisión Configuración de lo sistemas Movilidad del suscriptor Recursos de transmisión Banda licenciadas o no Cartera de servicios Modulación empleada y esquema de codificación Método para utilizar el ancho de banda Acceso a los recursos compartidos Pública y privada

9 Redes Moviles

10 Componentes básicos de un sistema celular BS MS Acceso Radio BS BSC BSC BSC Control Conmutación MSC Pasarela PSTN Componente de radio Infraestructura fija MS BS BSC MSC PSTN Mobile Station Base Station Base Station Control Mobile Switching Center Public Switched Telephone Network

11 Generación de sistemas móviles

12 Evolución de la telefonía celular

13 Movil = wireless? Movilidad implica la capacidad de desplazarse, y poder seguir comunicándose - > Handover (uk), handoff (USA), Transferencias de celdas Abarcar el máximo espacio posible. Ser compatible con otros países. Servicios nuevos Movilidad vs. Tasa de bits WLAN Wireless Local Area Network UMTS Universal Mobile Telecommunications System GSM Global System for Mobile Communications DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications MBS Multimedia Broadcast Service

14 Introducción de la arquitectura celular CONCEPCIÓN INICIAL Maximizar la zona de cobertura -Potencia de las estaciones base (BS) muy elevada. -Potencia de los móviles (MS) elevada. R handicap Eficiencia en términos de número de canales por unidad de superficie es pequeña. Un número de usuarios alto requiere un ancho de banda muy grande. Eficiencia = N canales Superficie N canales = BW Total BW Canal Solución: Arquitectura celular Eficiencia = n. N canales Superficie PRINCIPIOS BÁSICOS: Fragmentación en células de la zona a cubrir. Potencia de las BS y los MS reducida. Reuso de frecuencias. Estructura pensada para reducir la interferencia cocanal. REQUIERE: Asignación de frecuencias. Gestión eficiente de los traspasos de llamadas (HANDOVERS)

15 Tamaños de celdas Celda rural Macrocelula 1 a 20 km 1 a 10 W Celda Satelital Microceldas 100m a 1km 0,1W a 1W Picoceldas < 100m 0,1W a 1W metros Femtoceldas

16 Estructura Jerárquica de Celdas

17 Infraestructuras grandes. Granja de Antenas Ubicación múltiple (co-location) Antena unidireccional (LMDS) De BSS a NS

18 Introducción de la arquitectura celular Reuso de frecuencias limitación: Interferencias f 3 f 2 f 1 f 2 f 3 f 1 f 4 f7 f 5 f 7 f 6 f 4 f 6 f 3 f 1 f 2 f 4 f 5 f 7 f 6 f 5 CLUSTER : conjunto de células que emplean frecuencias diferentes En este caso el cluster es de 7 células. Hand-off Limitación:Complica el control de la red

19 Tipos de celda en función del área de cobertura. El área de un clúster que usa las tres o siete celdas es aproximadamente igual a la zona de interferencia media

20 Celdas sectorizadas.

21 Sectorización La reducción del número de BTS se consigue sectorizando esto que las estaciones base individuales no están colocados en los centros de las celdas (antenas omni), sino en los puntos de intersección de tres celdas adyacentes formando un sector (antenas sectoriales con directividad)

22 División de celdas.

23 Comparación de Técnicas de Acceso A cada usuario se le asigna una frecuencia Varios usuarios utilizan el mismo canal de frecuencia secuencialmente Las ranuras de tiempo se repiten Cada canal se esparce sobre la banda de frecuencia disponible Varios usuarios usan la misma banda al mismo tiempo. A cada usuario se le asigna un código único.

24 Access techniques for mobile communications FDMA (TACS) P T F TDMA (GSM, DECT) ATDMA (UMTS) P F T CDMA (UMTS) P - Power T - Time F - Frequency P T F

25 FDMA

26 TDMA

27 FDMA / TDMA

28 CDMA

29 CDMA

30 Acceso a las bandas de frecuencia Dúplex por división en el tiempo. Dúplex por división en frecuencia. Enlace descendente Enlace Ascendente Separadas en el tiempo pero se les asigna la misma frecuencia. Una antena Requisitos de sincronización Frecuencias separadas pero la transmisión y la recepción son simultaneas. Dos antenas Implementación menos compleja.

31 CONTROL DE TRANSFERENCIA CELULAR

32 El teléfono inalámbrico.

33 DECT: Caracteristicas TDMA/MC/TDD Access Method Original band 1880 to 1900 MHz, 10 carriers Mbit/s gross modulated bit rate per carrier with standard modulation Mbit/s gross modulated bit rate per carrier with enhanced p/8 D8PSK modulation 10 ms frames providing 24 time-slots 250 mw peak TX power Dynamic Channel Selection/Allocation Terminal-directed seamless handover (soft handover) High level of security GAP (Generic Access Profile),

34 DECT Timing Frame FP tra nsmitting 10 ms or bit PP tra nsmitting Slot µs or 480 bit S D Z Pa cket µs or 424 bit CO RD (E)

35 Acceso al medio

36 MS: Estación móvil (Mobile Station)= TERMINAL+SIM - Como equipo, la MS proporciona la plataforma física para el acceso, pero es "anónima y no puede funcionar con la red hasta que se la "personaliza" mediante la inserción de una "tarjeta inteligente" (smart card) denominada módulo de identidad de abonado, SIM (Subscriber Identity Module) donde figura, entre muchas informaciones, la identidad del abonado IMSI (International Mobile Subscriber Identity) dentro de la red. - En GSM se considera por separado al usuario (SIM) y a los terminales, lo que aumenta la movilidad personal, pues la SIM puede insertarse en cualquier terminal homologado y acceder con ello a los servicios abonados. -La SIM además contiene los algoritmos de cifrado, datos de configuración de la red (celda de localización, frecuencias de la estación base, etc) y almacena mensajes cortos provenientes de la red. SIM EEPROM CPU RST I/O CLK Vcc GND RAM ROM

37 ENCRIPTACIÓN El propósito de la encriptación es mantener la privacidad y la confidencialidad de los datos de usuario, se suministra a comunicaciones de voz y datos

38 Seguridad - Autenticación

39 PROCESO AUTENTICACIÓN 3 Cosas son requeridas en el proceso de autenticación: 1. Ki key es una clave que tan sólo está en la SIM y en el perfil de usuario en el AuC 2. RAND: Es un número generado aleatoriamente dentro del AuC 3. SRES: Es el signal result,código generado en el AuC despúes de pasar el KI +el RAND a través de un algortitmo llamado algoritmo 3 A3. El AuC sobre requirimiento de la MSC genera un número de seguridad de información conocido como triplets cada uno lleva un RAND,SRES y una clave Kc (esta es usada para encripación ).Esta tripleta es enviada y almacenada en elvlr Asociado a la MSC.Cada vez que se solicita una autorización una nueva tripleta es generada y usada

40 PROCESO AUTENTICACIÓN 1. El abonado solicita acceso a la red enviando su IMSI/TMSI a la MSC. 2. La MSC chequea si su VLR mantiene un triplete valido inusado.si no se solicitan nuevos al AuC.La msc entonces envía el componente RAND al MS 3. Usando el propio Ki (de la SIM)+el RAND crea el SRES y lo manda a la MSC 4. La MSC compara su SRRES con el recibido del MS si son iguales auroriza el acceso.

41 GSM: Seguridad. Autentificación. Anonimato TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity RAND Algoritmo A3 32 bits SRES SIM RAND (128 bits) 128 bits K i RAND Algoritmo A8 64 bits K c Algoritmo A3 32 bits SRES Generador Aleatorio RAND (128 bits) 128 bits K i TRIPLETA Algoritmo A8 64 bits K c AuC RAND MSC BSC VLR RAND SRES HLR MS SRES (3) BTS =?

42 Asignación de frecuencias para servicios de telefonía móvil GSM GSM asc. desc. DCS 1800 asc. DCS 1800 desc. DECT UMTS (FDD-TDD-MSS) UMTS (FDD-MSS) MHz DCS-1800 pensado para entornos microcelulares: celdas típicas entre 300 m. (urbanas); y 5 km. (rurales)

43 Tipos de servicio Telefonía Servicios de mensajes Correo de voz Servicios bancarios Servicios financieros Tarjetas prepago. Etc.

44 Características de GSM Metodo de acceso múltiple TDMA/FDMA Rango de frecuencias uplink (MS BS) 933 a 960 MHz Rango de frecuencias downlink (BS MS) 890 a 915 MHz Espaciado de canales 200 khz Modulación GMSK (Gaussian múltiple PSK) Regulación de la potencia de emisión SI Codificación de voz /rango (voz) RPE-LTP /13 kbps Canales de voz por cada canal de frecuencia 8 Velocidad de canal 270,833 kbps Duración de un frame 4,6 ms

45 GSMK Y 8PSK MODULATION GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) De una codificación a la siguiente hay un cambio de fase de 90 grados, pero nunca mayor. Siempre hay un cambio, con lo que es fácil mantener el sincronismo La demodulación utiliza un filtro Gaussiano que pasa las frecuencias bajas y suprime las altas. 8PSK

46 Estructura de tramas.

47 Arquitectura GSM

48 Elementos de GSM. MS (mobile station) Es el teléfono móvil o similar. Lo forman: SIM Subscriber Identify module (la tarjeta) IMSI Intl. Mobile subscriber identify (n. teléfono) HLR Home Location Register ME Mobile equipment (el móvil) IMEI Intl.Mobile Equipment Identfity BTS Base transceiver station BSC Base station center MSC Mobile services switching centre Contiene los transistores y receptores, filtros, mezcladores, etc., que definen una celda, y se encarga de los enlaces radio con el móvil. Su misión es coordinar los recursos de enlace radio entre celdas, como asignación de canales, saltos de frecuencia y transferencias de celda Desde el lado de la red telefónica se comporta como una conmutación más. Lleva el control de los abonados: registros, autentificación, acutalización, localización, transferencia, itinerancia. HLR: Localización de usuarios normales VLR: Localización de usuarios en roaming AuC: Clave privada para encriptación de codificación audio EIR: Bloqueo de móviles robados, etc.

49 Esquema de bloques de un terminal movil

50 Calculo del DownTilt

51 Datasheet Antena Tribanda

52 Datasheet Antena Tribanda

53 Ejemplo Calcular el DownTilt Calculo para UMTS Sector 1 Sector 2 Sector 3 H ant 40 m 40 m 40 m H terreno_antena 228 m 228 m 228 m H terreno_borde_celda 249 m 218 m 234 m D borde celda 2000 m 2300 m 2400 m Factor haz 0,5 0,5 0,5 Ancho de haz vertical 6,2 6,2 6,2 Tilt calculado 3,6 4,3 3,87 Calculo para GSM Sector 1 Sector 2 Sector 3 H ant 40 m 40 m 40 m H terreno_antena 228 m 228 m 228 m H terreno_borde_celda 249 m 218 m 234 m D borde celda 2000 m 2300 m 2400 m Factor haz 0,5 0,5 0,5 Ancho de haz vertical Tilt calculado 7,5 8,2 7,7

54 BSS TOPOLOGIAS CHAIN. Barata y fácil de implementar. Si una BTS cae arrastra más RING. Es la más fiable ya que si se cae una BTS la comunicación fluye por la otra parte del ring. STAR. Si falla un enlace se cae una BTS Los enlaces entre BTS y BSC son mediante MW, Fibra,Cable

55 Terminal móvil y su conexión a la estación base.

56 Evolución a partir de GSM PSTN MSC BSC GSM BTS GSM BTS

57 GPRS sobre una red GSM PDN PSTN GGSN MSC SGSN BSC GSM BTS PCU GSM BTS GGSN Gateway GPRS Support Node SGSN Serving GPRS Support Node PCU Packet controller units

58 GPRS

59 Transmisión de datos CSD No siempre se requieren mecanismos de protección muy robustos Protocolo RLP, realimentación entre remitente y destinatario, cuando los datos han llegado con errores. La

60 Transmisión de datos HSCSD Conmutación de circuitos Utilizar simultáneamente diversos intervalos de tiempo para servir a un usuario. 32 canales de 64kbit/s, y subcanales de 16 kbits/s Los datos se fusionan secuencialmente en la Transcoder and Rate Adaptation Unit

61 Transmisión de datos GPRS Modo de transmisión orientada en paquetes. Equipos nuevos El acceso de los usuarios se permite a través de APN (Access Point Name) Enlaces de transmisión no están permanentemente bloqueados Aumento del retraso

62 Transmisión de datos EDGE

63 Universal Mobile Telecommunication System (3G) Abarca muchas especificaciones técnicas para mejorar gradualmente el UMTS

64 Asignación de frecuencias UMTS E-UTRA Band Duplex Mode F (MHZ) Nombre Común Enlace Ascendente Enlace Descendente 1 FDD 2100 IMT MHz MHz 33 TDD 2100 IMT MHz 34 TDD 2100 IMT MHz

65 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) Los datos se multiplican por datos pseudoaleatorios, llamados chips, obtenidos con los códigos de extensión CDMA. El factor de reuso de frecuencia es 1. La frecuencia utilizada en todas las celdas es la misma. El receptor rastrillo (rake). Combate el efecto negativo causado por los obstáculos en la propagación de las señales de radio. Control de potencia. La potencia recibida por todos los usuarios debe ser la misma en la estación base. Soft handover. Los usuarios pueden estar conectados simultáneamente a dos estaciones utilizando dos códigos

66 Evolución UMTS Nuevo tipo de red de acceso de radio. UTRAN (Universal Transmision Recepcion Radio Access Networks) Separación de portadoras en el CS Introducción de nuevos interfaces en la red CS IMS (IP Multimedia Subsystem) Especificación HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) Especificación HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) Modulaciones más eficaces Técnica MIMO (Multiple Input Multiple Output)

67 Arquitectura UMTS Gestión de la movilidad en la UTRAN Nuevos algoritmos criptográficos Cifrado en el RNC Tratamiento de voz en CN IMS Nuevos servicios Conexión IP entre los equipos de usuario

68 UMTS sobre una red GPRS PDN PSTN GGSN MSCu SGSNu BSC PCU RNC Radio Network Controller (RNC) Control de recursos de radio Control de admisión Ubicación de canales Ajuste de control de potencia Control de la transferencia de celdas Diversidad de Macro Cifrado Segmentación / Reensamblado Señal de Broadcast Control de potencia en lazo abierto Node-B Interfase radio Tx/Rx Modulación / Desmodulación Codificación física de canales CDMA Diversidad Micro Gestión de errores Control de potencia en lazo cerrado. GSM BTS GSM BTS Node B Node B

69 HSPDA (High Speed Downlink Packet Access) Evolución de HSDPA Configuración MIMO Introducción modulación 64 QAM Método de DC. El principio es agregar más portadoras

70 HSPDA Programación rápida de datos Round Robin (RR); programados con la misma probabilidad independientemente de las condiciones del canal de radio Maximum Carrier-to- Interference ratio, Max-C/I, asigna todos los recursos radio a los usuarios con mejor calidad del canal y por lo tanto maximiza el flujo HSDPA por celda. Proporción justa (Proportional Fair PF) la probabilidad de que el UE pueda recibir datos depende tanto de la calidad del canal como de la cantidad de datos recibidos en el pasado

71 HSDPA Retransmisiones de datos rápidas. Hybrid ARQ (Automatic Repeat request), almacena datos corruptos, y paquetes de datos recibidos recientemente.

72 HSDPA Adaptación rápida del enlace.

73 HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) 1. UE + Datos, solicita recursos al Node B, que gestiona la potencia de los UE. 1. Potencia UE Probabilidad de programación 2. Potencia de otras UE para compensar. 2. Si UE Datos, Potencia

74 Calidad de servicios (QoS) Clase de servicio Clase conversación Clase flujo continuo o streaming Clase interactiva Clase de background Descripción Elevados requisitos respecto al retardo con tráfico simétrico o casi simétrico, y respecto a la cantidad dedicada de recursos radio Menores requisitos de retardo en comparación con la clase de conversación, pero también se requiere una cantidad dedicada de recursos radio Altos requerimientos en cuanto al retardo, pero no se requiere ninguna cantidad específica de recursos radio Pocos requisitos tanto sobre el retardo como en la cantidad de recursos de radio

75 Long Term Evolution (Advanced) LTE(-A)

76 Long Term Evolution (Advanced) Acceso OFDMA y SC-FDMA OFDMA para acceso multiple Técnicas DC (Dual Carrier), y 64 QAM IMT- Advanced Agregación de portadora Coordinación de las interferencia entre celdas Mejoras en la transmisión de multiples antenas (MIMO) Comunicación multipunto cooperativa Arquitectura femtoceldas (Home enode B)

77 Arquitectura LTE