2. Xarxes 4G - Cibernàrium

Cibernàrium
4G: Introducció a la Tecnologia
Capacitació Tecnològica per a
Professionals i Empreses
Barcelona Novembre 2014
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Ajuntament
de Barcelona
Cibernàrium
Barcelona Activa: Qui som?
Barcelona Activa, integrada en l’àrea d’Economia, Empresa i Ocupació, és l’organització executora de les
polítiques de promoció econòmica de l’Ajuntament de Barcelona.
Des de fa 25 anys impulsa el creixement econòmic de Barcelona i el seu àmbit d’influència donant suport a
les empreses, la iniciativa emprenedora i l'ocupació, alhora que promociona la ciutat internacionalment i els
seus sectors estratègics; en clau de proximitat al territori.
Barcelona Activa va ser guanyadora del Gran Premi del Jurat 2011, atorgat per la DG d’Empresa i Indústria de
la Comissió Europea en el marc dels European Enterprise Awards, per la iniciativa empresarial més creativa i
inspiradora d’Europa.
Pàg 2
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Ajuntament
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Àrees d’activitat de Barcelona Activa
Barcelona Activa s’estructura en tres grans blocs de serveis a les Empreses, a l’Emprenedoria i
a la Ocupació. La Formació és un instrument transversal present en els tres blocs, així com
també tot el relacionat amb l’economia social.
Empresa
Emprenedoria
Capacitació
Professional
i Ocupació
Formació
Economia Social
Pàg 3
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Ajuntament
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Una xarxa d’Equipaments Especialitzats
Seu Central
Parc Tecnològic
BCN Nord
Centre
Iniciativa Emprenedora
Incubadora
Glòries
Almogàvers
Business Factory
Centre
Desenvolupament
Professional Porta22
Cibernàrium
MediaTIC
Convent
de Sant Agustí
Xarxa de Proximitat
Can Jaumandreu
Ca n’Andalet
13 antenes Cibernàrium a biblioteques
10 punts d’atenció en Ocupació
Pàg 4
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Contenido del curso
Cibernàrium
1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 5
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Contenido del curso
Cibernàrium
1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 6
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Redes Telefonía móvil
Cibernàrium
• Redes celulares/telefonía móvil es una tecnología basada en
comunicaciones radio, las ondas de radio son ondas
electromagnéticas que se propagan por el aire y son generadas
por las antenas.
• La mayoría de bandas celulares están en las bandas de
frecuencias siguientes: 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, and
1900 MHz
Los teléfonos móviles operan en este rango
de frecuencias (es una escala logarítmica)
Pàg 7
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El Espectro Electromagnético
Cibernàrium
(Frenzel, 2003)
Es el conjunto
de ondas
electromagnéti
cas ordenadas
de acuerdo a
su frecuencia y
longitud de
onda.
¿Qué regiones del espectro se utilizan en telecomunicaciones?
No todas las regiones, y los medios para conducir las utilizables son unos pocos.
1
Telefonía. Las frecuencias en la banda de voz se
2
Ondas de radio. Viajan a través del aire, pero
3
Rayos infrarrojos. Las ondas de luz, el 3er tipo
transmiten en forma de corrientes eléctricas a través
pares trenzados o cables coaxiales.
necesitan mecanismos de transmisión y recepción.
de energía electromagnética que se usa en
telecomunicaciones, se conducen usando fibras ópticas.
a mayor frecuencia
menor longitud de
onda, y viceversa.
Pàg 8
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Bandas de las ondas de radio
Cibernàrium
Las ondas de radio son ondas electromagnéticas de radiofrecuencia RF
Cuando entró en uso un sistema para etiquetar
las frecuencias, sólo se consideraron las bandas
de bajas, medias y altas frecuencias (LF, MF y
HF); nadie esperaba rebasar los 10 MHz.
Cuando se rebasaron 10 MHz, se asignaron
nombres, tanto hacia arriba como hacia abajo.
Así que las más altas se denominaron después
bandas de muy, ultra, súper y extremadamente
alta frecuencia (VHF, UHF, SHF y EHF).
Torre con
antenas de
radiocomu
nicaciones
Más allá de eso ya no hay nombres; sin embargo,
se han sugerido las siguientes designaciones:
tremendamente, increíblemente,
asombrosamente y prodigiosamente alta
frecuencia (THF, IHF, ASH y PHF).
La palabra radio viene de radius, que significa rayo en Latín.
Pàg 9
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El espectro, los medios y las aplicaciones
Todo el conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas por frecuencia
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A mayor frecuencia menor longitud de onda, y viceversa.
Pàg 10
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Radio cobertura y frecuencias
Cibernàrium
Evolución de los tamaños de celda según época y velocidades
Pág 11
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Cibernàrium
Red Celular
•
La estaciones base transmiten hacia… y reciben de… los terminales
móviles en las frecuencias asignadas.
– Múltiples estaciones base utilizan el MISMO espectro (spectral reuse)
•
•
El área de servicio de una estación base se denomina celda “cell”
Cada terminal móvil es típicamente servido por la estación base más
cercana (la que tiene mejor nivel de señal). Esta rodeada de otras
celdas denominadas: vecinas
– Handoff o Handover es el termino cuando el terminal se mueve entre
celdas (inter, intra HO)
Pàg 12
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Tipos de celdas
Cibernàrium
Pàg 13
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Cibernàrium
Simulaciones reales
MAPA DE ESTACIONES BASE
SIMULACION DE COBERTURA
DRIVE-TEST DE COBERTURA
Pág 14
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Arquitectura de una Red Móvil
Celular
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Pág 15
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Contenido del curso
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1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 16
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Generaciones Telefonía Móvil
Cibernàrium
• Es útil pensar en redes móviles en términos generations:
• 0G: Mobile radio telephones tamaño maleta
• 1G: Analog cellular telephony
• 2G: Digital cellular telephony
• 3G: High-speed digital cellular telephony (incluye
video telephony)
• 4G: IP-based “anytime, anywhere” voz, datos y
multimedia a velocidades de transmisión de datos
más rápidas que 3G.
Pàg 17
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Arquitectura GSM
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Pàg 18
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GSM Services
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• Voice a 3.1 kHz
• Short Message Service (SMS)
– 1985 GSM estandard. Permite enviar mensajes de hasta 160
caracteres (incl. espacios) entre terminales
• General Packet Radio Service (GPRS)
– Proporciona transmisión de paquetes de datos basados en IP
hasta velocidades de 114 kbps
– Usuarios pueden “simultaneamente” hacer llamadas y enviar
datos a la vez.
– GPRS proporciona “always on” Internet access y el Multimedia
Messaging Service (MMS) que permite enviar mensajes de rich
text, audio, video entre usuarios
– Performance se degrada cuando crece numero de usuarios
– GPRS se conoce como generación 2.5G
Pàg 19
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Cibernàrium
3G-UMTS Architecture
Mobile Station
ME
SIM
Base Station
Subsystem
BSC
BTS
Network Subsystem
MSC/
VLR
EIR
Other Networks
GMSC
PSTN
HLR
AUC
Dominio
Circuitos
PLMN
RNS
ME
USIM
SD
+
Node
B
RNC
SGSN
GGSN
Internet
Dominio
Datos
UTRAN
Note: Interfaces have been omitted for clarity purposes.
Pàg 22
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Cibernàrium
3.5G (HSPA)
• High Speed Packet Access (HSPA) es un conjunto de 2
protocolos de telefonía móvil
que mejoran las
velocidades de transmisón de datos:
High Speed Downlink Packet Access (HSDPA)
High Speed Uplink Packet Access (HSUPA)
• 3.5G introduce muchas nuevas funcionalidades:
Adaptive Modulation and Coding
Fast Scheduling
Backward compatibility with 3G
Enhanced Air Interface
Pàg 23
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Evolución de Redes Celulares
1G
2G
2.5G
3G
Cibernàrium
4G
Pàg 24
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Especificaciones 4G
Cibernàrium
Release 10 of LTE es la primera versión aprobada por el ITU-R como tecnología
IMT-Advanced y por tanto el primer Release llamado LTE-Advanced.
Pàg 25
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Evolución Terminales
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TMA-900
Pàg 26
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Contenido del curso
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1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
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Pàg 27
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Mercado Mundial Móvil
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Pág 28
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Negocios en Telefonía Móvil
Cibernàrium
La industria móvil
hizo una contribución
total de alrededor de
3,6% del PIB mundial
en el año 2013.
Los operadores
móviles hacen
la mayor contribución
a esta cifra,
equivalente al 1% del
PIB mundial.
Pág 29
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Smartphones y tipos conexiones
Cibernàrium
Pág 30
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Evolución por mercados
Cibernàrium
Penetración por mercados geográficos
CAGR: 7,7-3,5%
Compound
annual growth
rate:
Tasa de
crecimiento
anual
compuesto es la
ganancia
anualizada
sobre un
periodo dado de
tiempo
Evolución
por
mercados
geográficos
Pág 31
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Total Subscribers y Redes LTE
Cibernàrium
Pág 32
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Evolución de conexiones datos
Cibernàrium
Demanda clientes
Reemplazo tecnológico
Amortización de redes
Regulación (concesiones)
Pág 33
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Smartphones Evolution
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Smartphones  Crecimiento datos
Mercado apps
Agenda persona
Correo electrónico
Acceso Intenet
Juegos
Whatsup
Video streaming
Downloads
Pág 34
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Smartphone Market Share
Cibernàrium
Pág 35
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Telefonía Móvil España
Cibernàrium
Evolución del número de líneas de telefonía móvil en España
en el periodo de 2000 a 2013 (millones de líneas)
Pàg 36
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Contenido del curso
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1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 37
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Mercado 4G
Pàg 38
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Negocio 4G Mundo
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• 4G es la tecnología móvil
desarrollada más rápidamente
(163 redes en 67 países)
• La banda de 1.800 MHz es la
más utilizada a nivel mundial
(74 operadores LTE 1800 en 43
países)
• En la actualidad hay alrededor de 80
millones de usuarios de 4G en el
mundo. En 2017 habrá 1.600
millones de usuarios de 4G en
el mundo*.
Pàg 39
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4G proporciona una excelente
experiencia de usuario
Cibernàrium
Velocidades entre 3-5 veces mayores a 3G (entre 7-25Mb/s vs. 4-6Mb/s
de HSPA+), y tiempos de latencia cinco veces más bajos.
Proporcionando una mejor experiencia a los usuarios, sobre todo en contenidos
audiovisuales (los de mayor consumo).
HSPA
LTE
HSPA +
Velocidad de bajada (Mb/s) LTE en 2013
6 segundos
2.5 segundos
1 segundos
25,0
20,0
22,1
19,6 19,1
15,0
10,0
FOTO (2Mb)
18,1 17,3
2 minutos
y 13
segundos
16,4
14,0
16 segundos
5 segundos
9,6
7,1
ALBUM mp3 (50Mb)
31 minutos
y 10
segundos
5,0
3 minutos y
50 segundos
0,0
56 segundos
PELÍCULA (700Mb)
Pàg 40
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Fuente: OpenSignal y Bouygues Telecom
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Evolución del tráfico de datos
Contenidos, principalmente video, y Smartphones continuarán impulsando el
crecimiento
Previsión de tráfico de datos móviles
en el mundo por categoría (TB/mes)
Previsión de tráfico de datos móviles
en el mundo por terminal (TB/mes)
12.000
12.000
11.155
11.155
10.000
10.000
7.438
8.000
7.439
8.000
6.000
6.000
67%
4.000
2.000
4.700
4.699
4.000
2.796
2.797
1.577
2.000
0
68%
1.577
0
2013
Vídeo
2014
2015
Datos (incl. apps.)
2016
M2M
2017
Ficheros
2013
2014
2015
2016
Smartphones
Laptops
M2M y otros
Nonsmartphones
2017
Tablets
Fuente: Cisco VNI Global Mobile Data Traffic
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Pàg 41
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Internet Móvil es la tecnología con
mayor impacto a nivel mundial
Cibernàrium
Un reciente estudio mayo de 2013 de la prestigiosa consultora McKinsey & Co sobre
tecnologías disruptivas, sitúa Internet móvil a la cabeza de todas ellas.
Potencial impacto económico en el mundo de las “tecnologías disruptivas”
en el año 2025 (trillones US$ )
Internet móvil
3,7
Automatización del conocimiento (Int. Art.)
7,1
5,2
Internet de las cosas (Sensores)
1,5
2,7
Cloud Technology
1,7
Robóts avanzados
1,7
10,8
6,7
6,2
3,5
6,2
4,5
4,5
2,8
Bajo
Alto
Pàg 42
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Contenido del curso
Cibernàrium
1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 43
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Cibernàrium
4G (LTE)
• LTE significa Long Term Evolution
• Es la nueva generación de
telefonía móvil de Banda Ancha
(alta velocidad)
• Permite velocidades de
transferencia de datos en
downlink de hasta 100 Mbps
• Compatible con redes UMTS-3G y
GSM-2G
• Optimizada para el tráfico All-IP
Pàg 44
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Advantages of LTE
Cibernàrium
Pàg 45
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Cibernàrium
Despliegue LTE
Femtoceldas y multicapa 
mayor capacidad
Redes Heterogeneas  2G
3G y 4G
Self Organization Network 
Crecimiento de la Red
,escalabilidad y OPEX.
persigue la confi guración y
optimización automática de
la red.
SDR y Cloud Computing. Se
entiende por SDR un dispositivo radio
en el cual algunas de sus funciones de
nivel físico (o todas)
pueden modifi carse por software,
Pág 46
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Despliegue Radioeléctrico LTE
Cibernàrium
Bandas  2G 3G y 4G
Refarming  Optimización de uso de
frecuencias 2G 3G y 4G
Dividendo Digital  Nuevas
frecuencias Banda 800Mhz
Canalización Flexible 
relacionada con la velocidad
de transmisión alcanzable
Cognitive Radio  permite un uso del
espectro de manera flexible, eficiente
y fiable a partir de la capacidad de
adaptar en tiempo real las
características de operación a las
condiciones del entorno
Pág 47
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Interfaz Radio LTE
Cibernàrium
OFDMA  Nueva
modulación
Codificación Adaptativa
Optimización de uso de
frecuencias 2G 3G y 4G
Aquitectura Plana Nuevas
frecuencias Banda 800Mhz
TX Paquetes  Full IP
MIMO Multi-antenna
technologies incluyen
diversidad espacial y beamforming.
Pág 48
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Comunicación entre redes
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Pág 49
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Cibernàrium
Red 4G
La Red 4G podemos
dividirla en 4 subsistemas o
subredes
TERMINALES
RED ACCESO:
ESTACIONES
BASE
RED DE SERVICIOS:
IMS
RED TRONCAL:
NODOS DE RED
Pág 50
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Equipo de usuario 4G
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No cambia
Respecto a
UE 2G y 3G
SIM
+
Terminal
Pág 51
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Contenido del curso
Cibernàrium
1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 52
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Interfaz Radio: Multiple Acceso
Cibernàrium
• Las estaciones base dan servicio a muchos
terminales móviles al mismo tiempo (downlink y
uplink)
• Todos los móviles en la celda necesitan
transmitir a la estación base
• Se producen interferencias entre senders y
receivers
• Por tanto se necesita un plan de múltiple acceso
Pàg 53
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Planos de Acceso Múltiple
Cibernàrium
3 Planes ortogonales:
• Frequency Division Multiple Access (FDMA)
• Time Division Multiple Access (TDMA)
• Code Division Multiple Access (CDMA)
Pàg 54
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Canales Radio GSM
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Downlink
Channels
Uplink
• Physical Channel: Cada timeslot en una portadora se
denomina physical channel
• Logical Channel: Diferente información se transmite entre MS
y BTS. Tipos de logical channels:
– Traffic channel
– Control Channel
Pàg 55
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Cibernàrium
Frequency Division Multiple
Access
• A cada móvil se le asigna un canal diferente de frecuencia
durante la duración de la llamada.
• Se requiere una banda de guardia de separación para prevenir
interferencias por el canal adyacente
• Los terminales móviles tienen una banda de frecuencias para
el “downlink” otra banda para el “uplink”
• Cada protocolo de red celular usa conjuntos de frecuencias
diferentes.
• Las frecuencias son un recurso escaso
Frequencia
Canal 1
Canal 2
Canal N
Pàg 56
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Cibernàrium
Time Division Multiple Access
Guard time – La señal transmitida por los terminales móviles en
ubicaciones diferentes no llegan todas al mismo tiempo
• El tiempo se divide en intervalos de tiempo “slots” y solo un
terminal móvil transmite durante cada slot .
• A cada usuario se le asigna un slot específico. No se compite por el
recurso en telefonía.
Pàg 57
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Code Division Multiple Access
Cibernàrium
• Uso de códigos ortogonales para separar transmisiones diferentes
• Cada símbolo de bits se transmite como un gran numero de bits
usando el código especifico del usuario
• Spreading
– El Ancho de Banda ocupado por la señal generada es mucho mayor que el
ratio de información de la transmisión
– Todos los usuarios usan la misma frecuencia (portadora)
Orthogonal among users
Pàg 58
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Red de Acceso LTE
Cibernàrium
Red de acceso
Formada por la
Red de eNB.
Interfaces:
- eNB  EPC
- eNB  UE
Pág 59
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Interfaces eNodoB
•
•
•
Cibernàrium
eNodoB y los telefonos móviles (UE)
eNodoB y Red Troncal EPC: MME y S-GW
Entre eNodoBs
Pág 60
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Protocolos e Interfaces
• Interfaz
Interfaz
Radio Radio:
• -Nivel enlace
- Nivel
enlace
• - Capa física
- NivelOFDM
Fisico
Plano de
usuario
Cibernàrium
Interfaz Red acceso – Red Troncal:
- Nivel enlace y transaporte IP
- GTP-U/UDP y SCTP
Plano
De control
Capa de
enlace
Interfaz EUTRAN
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OFDMA (DOWNLINK)
•
•
Cibernàrium
OFDMA, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access,
versión multiusuario de
OFDM, Multiplexación
Frequency-Division Orthogonal.. El acceso múltiple se
consigue dividiendo el canal en un conjunto de
subportadoras (subcarriers) que se reparten en grupos
en función de la necesidad de cada uno de los usuarios.
Para conseguir una mayor eficiencia, el sistema se
realimenta con las condiciones del canal, adaptando
continuamente el número de subportadoras asignadas
al usuario en función de la velocidad que éste necesita y
de las condiciones del canal. Si la asignación se hace
rápidamente, se consigue cancelar de forma eficiente las
interferencias co-canal y los desvanecimientos rápidos,
proporcionando una mejor eficiencia espectral del
sistema que OFDM.
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SC-FDMA (UPLINK)
Cibernàrium
•
Acceso múltiple por división de frecuencia de
portadora única, SC-FDMA (Single Carrier Frequency
Divison Multiple Access) es un esquema de acceso
múltiple que utiliza modulación de portadora única,
multiplexación frecuencial ortogonal y ecualización en
el dominio frecuencial.
•
Se ocupa, al igual que otros esquemas de acceso
múltiple, como TDMA, FDMA, CDMA u OFDMA, de la
asignación de varios usuarios a un recurso de
comunicación compartido.
Pág 63
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OFDMA y SC-FDMA
Cibernàrium
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Antenas MIMO
Cibernàrium
•
MIMO: Corresponde a las siglas de “Multiple Input Multiple Output” es el
uso de múltiples antenas tanto en el transmisor y el receptor para mejorar
el rendimiento de la comunicación, permite una cobertura mayor en zonas
de difícil acceso eliminando en lo posible la pérdida de paquetes de datos y
proporciona mayor velocidad por usar varias antenas de forma simultánea.
•
La tecnología MIMO se consigue gracias al desfase de señal, de tal forma
que los rebotes de la señal (reflexiones) en lugar de ser destructivas, sean
constructivas y nos proporcionen mayor velocidad ya que al haber menor
pérdida de datos, hacen falta menos retransmisiones. Gracias a este desfase,
la señal inalámbrica nos podrá llegar por varias rutas (directa o rebotando
contra paredes por ejemplo) y la podremos utilizar para aumentar el
rendimiento
Pág 65
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Técnicas MIMO:
Cibernàrium
•
-Conformación de haz (beamforming). Teniendo información previa sobre el canal un transmisor
con múltiples antenas realiza una precodificación de los datos a transmitir ajustando las ganancias y
desfases de las señales transmitidas por cada antena. Se puede conseguir así que llegue la máxima
potencia posible al receptor con la mínima interferencia sobre otros receptores. Se puede optimizar
para varias antenas receptoras utilizando múltiples streams.
•
-Diversidad de código (Diversity coding). Se transmite un stream empleando técnicas de
codificación de espaciado en el tiempo que permiten aprovechar el multitrayecto del canal para
aumentar la robustez de la transmisión. No requieren un conocimiento previo del canal.
•
-Multiplexación espacial (spatial multiplexing). Divide un stream de alta tasa en varios streams de
menor tasa transmitidos por distintas antenas. Si el multitrayecto es suficiente las señales llegarán a
cada antena con cierta firma espacial que el receptor podrá separar y con ello recuperar la señal de
interés. El número de streams está limitado por la entidad que tiene menor número de antenas. Si
se orienta a varios usuarios se convierte en un control de acceso al medio llamado Spatial Division
Multiple Access (SDMA).
•
-Multi User-MIMO y Cooperative MIMO. Permite que varios usuarios puedan utilizar
colaborativamente alguno de los métodos anteriores para mejorar la eficiencia espectral. LTE
contempla el uso de una antena por usuario, utilizando MU-MIMO para aumentar la capacidad de la
celda, pero no se descarta el uso de múltiples antenas por usuario en un futuro. Existen además
propuestas para la colaboración entre estaciones base. La coordinación de todos estos casos es
compleja y está abierta a mejoras.
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Interfaz Radio (P CONTROL)
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Plano Control: Estructurado en 4 capas: 3 de Enlace (nivel 2) + 1 Fisica (nivel 1)
– Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Encargada de proporcionar
el punto de acceso al servicio portador radio (Radio Bearer, RB).
Funciones: compresión de cabeceras de los paquetes IP y el cifrado
de la información.
– Radio Link Control (RLC). Permite enviar de forma fiable los paquetes
PDCPentre el eNB y equipo de usuario. Funciones: corrección de
errores mediante mecanismos Automatic Repeat ReQuest (ARQ),
– Medium Access Control (MAC). Controla el acceso al canal radio.
Funciones de scheduling dinámico entre equipos de usuario,
multiplexa los paquetes RLC de diferentes servicios portadores radio
en los canales de la capa física y realiza un control de errores
mediante Hybrid ARQ (HARQ). Los servicios de transferencia que la
capa MAC ofrece a la capa RLC se denominan canales lógicos
– Capa física. Transmisión a través del canal radio. UPLINK: singlecarrier FDMA. DOWNLINK: OFDMA.
Pág 67
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Interfaz Radio (P USUARIO)
Cibernàrium
Adicionalmente se añaden 2 nuevas capas:
– Radio Resource Control (RRC). Permite establecer una conexión de
control entre el eNB y un equipo de usuario. Funciones señalización
para el establecimiento/liberación/modificación de portadores radio,
soporte de funciones de movilidad (señalización de handover), la
difusión (broadcast) de parámetros de sistema y funciones de aviso de
los terminales que no disponen de una conexión RRC establecida
(avisos via paging)
– Señalización de los protocolos NAS. (entre la entidad de red MME en
la red troncal y el equipo de usuario). Los mensajes de estos
protocolos se transportan de forma transparente en la interfaz radio
encapsulados dentro de la parte de datos de los mensajes RRC. Las
principales funciones de los protocolos NAS son:
• Autenticación,
• Autorización
• Gestión de movilidad de los terminales que no tienen una conexión RRC establecida
• Gestión de los servicios portadores de la red EPS.
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Cibernàrium
Interfaz S1
•
Permite que un eNB pueda estar conectado simultáneamente a
múltiples equipos de la red troncal (múltiples MMEs y/o múltiples SGWs). Se denomina S1-flex y presenta varias ventajas:
– La red es más robusta a fallos de los nodos de la red troncal. Ante
un fallo de un nodo de la red troncal o parada los eNBs afectados
pueden seguir ofreciendo servicio a través de otros nodos de la
red troncal.
– Un eNB puede proporcionar acceso a nodos de redes troncales de
diferentes operadores de red que comparten la red de acceso. 
RAN SHARING
– Cada terminal registrado en la red LTE tiene asociado un nodo
MME que realiza el “seguimiento” del estado de dicho terminal. La
frecuencia a la que debe cambiarse el nodo MME que controla el
servicio de un determinado equipo de usuario puede verse
reducida gracias a la posibilidad de seguir accediendo al mismo
MME desde un conjunto mayor de eNBs. Reducción señalización
entre MME y HSS.
Pág 69
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Interfaz eNB eNB (X2)
•
Cibernàrium
Plano de usuario X2: proporciona un servicio de transferencia de
datos de usuario entre eNBs sin garantías de entrega y sin soporte de
mecanismos de control de errores y de control de flujo. UDP. Solo
durante la realización de handovers.
•
•
Plano de control X2: Funciones y procedimientos :
Soporte del mecanismo de handover entre eNBs. Se realiza la
transferencia del contexto de un usuario del eNB antiguo al nuevo y se
controla el mecanismo de transferencia de paquetes IP en el plano de
usuario de X2. El contexto de usuario contiene información relativa a
los servicios portadores radio que tiene establecidos el usuario, claves
de seguridad así como los datos sobre las capacida desdel terminal.
• Indicación del estado de carga del eNB. A través de dicha interfaz, eNBs
que tengan celdas vecinas pueden transferirse información para llevar a
cabo funciones de gestión de recursos radio como la coordinación de
interferencias entre celdas que operen en el mismo canal.
Pág 70
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Protocolos Transporte
Cibernàrium
•
GTP-U (GPRS Tunneling Protocol – User Plane): en los planos
de usuario de S1 y X2 se utiliza este protocolo de encapsulado
para el envío de paquetes IP de usuario. GTP-U se transporta
sobre UDP/IP y fundamentalmente se utiliza para multiplexar
los paquetes IP de múltiples usuarios.
•
Stream Control Transmission Protocol (SCTP). En ambos
planos de control S1-AP X2-AP, la transferencia de los
mensajes de señalización entre eNBs y MMEs se realiza
mediante este protocolo de transporte que ofrece servicio de
transferencia fiable. SCTP hereda muchas de las funciones
contempladas en TCP a la vez que introduce importantes
mejoras encaminadas a proporcionar mayor robustez y
versatilidad en la transferencia de diferentes tipos de
información.
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Bandas de frecuencias España
Banda de Frecuencia
(MHz)
Sistema Afecta
Enlace
880 – 915
Red GSM 900
Ascendente
925 – 960
Red GSM 900
Descendente
1.710 – 1.785
Red GSM 1800
Ascendente
1.805 – 1.880
Red GSM 1800
Cibernàrium
Descendente
1.900 – 2.025
UMTS
Ascendente
2.110 – 2.200
UMTS
Descendente
2.500 – 2.690
Redes Móviles 4G
Ambos
3.400 – 3.600
Redes Fijas
Inalámbricas
Ambos
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Contenido del curso
Cibernàrium
1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 73
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Cibernàrium
Arquitectura LTE
RED CORE
RED IMS
RED ACCESO
OTRAS
REDES
TERMINALES
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Arquitectura Red Core: EPC
Cibernàrium
S-GW Serving Gateway
P-GW Gateway PDN
MME Mobility Management
HSS Home Subscriber Server
PCRF Policy and Charging Rules
Function
OCS Online Charging System
OFCS Offline Charging System
Pág 75
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MME (Mobility Management
Entity).
Cibernàrium
• La entidad MME constituye el
elemento principal del plano de control de la red LTE para
gestionar el acceso de los terminales
• Autenticación y autorización del acceso de los usuarios
• Gestión de los servicios portadores EPS.
• Gestión de movilidad de los usuarios en modo idle
• Señalización para el soporte de movilidad entre EPS y
redes 3GPP.
• Terminación de los protocolos de señalización NAS (Non
Access Stratum).
Pág 76
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Serving Gateway (S-GW).
Cibernàrium
• Esta entidad actúa de pasarela del
plano de usuario entre E-UTRAN y la red troncal EPC.
• La entidad S-GW proporciona un punto de anclaje en la
red troncal EPC con respecto ala movilidad del terminal
entre eNBs.
• Gestión de movilidad con las otras redes de acceso
3GPP (UTRAN y GERAN).
• Almacenamiento temporal de los paquetes IP de los
usuarios en caso de que los terminales se encuentren en
modo mode idle.
• Encaminamiento del tráfico de usuario.
Pág 77
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PDN Gateway (P-GW).
Cibernàrium
• La encargada de proporcionar conectividad
entre la red LTE y las redes externas (denominadas como Packet Data
Network, PDN)
• Aplicación de las reglas de uso de la red (i.e., policy control) y
control de tarificación a los servicios portadores que tenga
establecidos el terminal.
• La asignación de la dirección IP de un terminal utilizada en una
determinada red externa se realiza desde la pasarela P-GW
correspondiente
• La pasarela P-GW actúa de punto de anclaje para la gestión de
movilidad entre LTE y redes no 3GPP.
• El tráfico IP que transcurre por la pasarela P-GW es procesado a
través de un conjunto de filtros que asocian cada paquete IP con el
usuario y servicio portador EPS correspondiente
Pág 78
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HSS (Home Subscriber Server).
•
•
•
•
•
Cibernàrium
HSS es la base de datos principal del sistema 4G que almacena la
información de los usuarios de la red. Integración de dos entidades
definidas inicialmente en redes GSM y que se denominan HLR
(Home Location Register) y AuC (Authentication Center)
El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias
para el funcionamiento del dominio de paquetes EPC, así como
GPRS.
El acceso a HSS desde la red EPC se realiza desde la entidad de red
MME mediante la interfaz S6a.
El subconjunto de funciones de las entidades HLR/AuC necesarias
para el funcionamiento del dominio circuitos CS.
Funciones de soporte asociadas a las funciones de control del
subsistema IMS como la gestión de información relativa a la
subscripción de servicios IMS y el almacenamiento de perfiles de
usuario asociados a servicios IMS.
Pág 79
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Arquitectura IMS
Cibernàrium
El subsistema IMS proporciona los mecanismos de control necesarios para la
provisión de servicios de comunicación multimedia basados en la utilización del
protocolo IP a los usuarios de la red LTE.
IMS consiste en servidores,
bases de datos, pasarelas
que se comunican entre sí
mediante diversos
protocolos estándares del
IETF: SIP, RTP, etc
Ofrece: servicios de voz y
video sobre IP, presencia y
mensajería instantánea,
servicios de llamadas en
grupo, etc
Sustituir servicios en
MODO CIRCUITO (legacy)
Pág 80
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Contenido del curso
Cibernàrium
1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 81
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Conceptos de Seguridad en
Telefonía Móvil
•
•
•
•
•
Cibernàrium
Autenticidad: Las entidades participantes en una comunicación deben ser identificadas de
manera inequívoca antes del comienzo de una comunicación. Se trata, por un lado, de evitar
la suplantación de identidad de alguno de los participantes y por otro el envío de datos
confidenciales a un destinatario erróneo. En este caso los terminales y la Red.
Confidencialidad: los datos que forman parte de una conversación no deben ser leídos
por ninguna persona ajena a la misma. En el caso de que los datos sean interceptados
deberían permanecer ilegibles para cualquier persona ajena y que no sea autenticada como
perteneciente a dicha conversación. En el caso de la telefonía móvil también se debe evitar
la posibilidad de que un intruso pueda averiguar que suscriptor está utilizando un servicio de
radio y pueda localizar al usuario.
Integridad: es básico asegurar que la información que se envía llega inalterada a destino,
de modo que el destinatario pueda estar seguro de que los datos recibidos no han sufrido
ningún cambio por el camino: borrado, copia, reordenación, modificación, etc
Control de acceso: consiste en la prevención de cualquier acceso no autorizado a los
recursos. Ofrecer solo los servicios de comunicación en función del tipo de subscripción al
sistema.
No repudio: tiene que ser posible certificar, en el caso de comunicaciones importantes,
tanto el envío como la recepción de los datos, de modo que ni el emisor pueda negar haber
enviado los datos, ni el receptor haberlos recibido.
Pàg 82
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Conceptos de identidad en la Red Móvil Cibernàrium
• MSISDN (Mobile Station ISDN Number)
Número de teléfono del usuario, dentro del plan de numeración de la red telefónica
pública. Se asocia al par USIM-IMSI
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity) ( 15 cifras decimales)
Identidad del usuario, única en el mundo
IMSI = (MCC, MNC, MSIN)
–
–
–
MCC: Mobile Country Code – España: 214
MNC: Mobile Network Code – Movistar – 07; Orange – 03; Vodafone – 01
MSIN: Mobile Subscriber Identification Number
• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) (32 bits)
- Identidad temporal del usuario, válida dentro de una LA
• IMEI (International Mobile Equipment Identity) (15 cifras decimales)
Identidad del dispositivo móvil, única en el mundo ( equivale a “Número de serie”)
- “Type Approval Code”
- Fabricante
- País de producción
Pàg 83
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Aspectos de Seguridad
Cibernàrium
Seguridad a nivel de
aplicación y servicios (TLS, SSL)
Ofrecer Visibilidad y
configuración de la
seguridad al usuario
Seguridad en el
equipo de usuario
(PIN)
Seguridad de Acceso a la RED:
Autenticación (AKA),
Confidencialidad (A5) e Integridad
Seguridad en el dominio de
Red (Entre los Elementos de
Red: ENB, HSS, etc) IPSec ESP
Pàg 84
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LTE: Dominios seguridad
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En LTE se garantizan todos los dominios de seguridad:
• Autenticación (valido quien puede conectarse y si la red es fiable)
• Control de acceso (acceso solo a los servicios contratados)
• Confidencialidad (protejo la identidad del IMSI  Clonar)
• Integridad. (Cifrado permite que no se modifique el mensaje)
• No incorpora mecanismos de no-repudio entre usuarios y red,
tampoco el de información/selección (V) sobre las características de
seguridad de las comunicaciones.
Pàg 85
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LTE: Resumen de seguridad
AUTENTICACION
MUTUA
Cibernàrium
Confidencialidad CIFRADO
Integridad
ACCESO
INTERFAZ RADIO
SEÑALIZACION:
Confidencialidad CIFRADO
Integridad
MEDIA:
Confidencialidad CIFRADO
Integridad
Pàg 86
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LTE: Autenticación y Cifrado
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VECTOR AUTENTICACION
• RAND: Número aleatorio que se utiliza en la generación del resto de parámetros del vector.
• XRES: Resultado esperado utilizado en la autenticación del usuario por parte de la reden el mecanismo EPS AKA.
• AUTN: Parámetro utilizado para que la USIM del usuario pueda autenticar a la red en el mecanismo EPS AKA.
• KASME17: Clave de seguridad intermedia utilizada para obtención del conjunto de claves utilizadas en los
diferentes servicios de confidencialidad e integridad. Se deriva de unas claves denominadas CK (Ciphering Key) e
IK (Integrity Key) que son las utilizadas en UMTS. Por este motivo, a partir de un vector de autenticación válido en
LTE puede derivarse un vector para UMTS (cinco parámetros en lugar de cuatro) y viceversa.
• IMSI: Identificador del usuario. Se utiliza en la
generación de la clave KASME
• SQN: Número de secuencia asociado a un IMSI.
Se utiliza para disponer de un meca-nismo que
permita ordenar los vectores de autenticación
secuencialmente y evitar,por ejemplo, ataques de
repetición (e.g., utilización malintencionada de un
vector deautenticación “viejo”).
• SN-ID: Identicador de la red que proporciona el
servicio de conectividad al usuario.Mediante la
inclusión de este parámetro, las claves KASME
generadas en el HSS se parti-cularizan para la red
utilizada que puede ser diferente gracias al
servicio de itinerancia(roaming ) y a la posibilidad
de acceder a los servicios a través de redes no
3GPP.
Pàg 87
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LTE: Seguridad de claves
Cibernàrium
• Compatibilidad hacia atrás con 3G
• Autenticacion similar 3G, uso de KASME, clave de seguridad
intermedia derivada CK e IK que existían en UMTS
(garantiza compatibilidad)
• Todas las claves derivan de K
Pàg 88
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LTE: Seguridad en infraestructura
de red
•
•
•
•
Cibernàrium
La solución planteada para proporcionar seguridad en las
interfaces internas de la infraestructura de red basadas en torres
de protocolos IP se denomina Network Domain Security for IP
(NDS/IP)
NDS/IP se ha diseñado para proteger los protocolos del plano de
control, (información más sensible e.g., transferencia de datos de
subscripción, vectores de autenticación, etc.). No obstante, la
solución NDS/IP también es válida para proteger los protocolos
de plano de usuario en las interfaces internas de la red (e.g.,
interfaces basadas en GTP-U)
La solución NDS/IP se basa en la utilización de Ipsec
El protocolo de seguridad Ipsec es ESP (Encapsulating Security
Payload)
Pàg 89
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LTE: Ipsec ESP
•
•
Cibernàrium
Confidencialidad se realiza con el encapsulado añadiendo la IP
externa que impide al router procesar la IP original. Cubre el
paquete IP original junto con una serie de bits de padding
(relleno) que pueden ser necesarios en función del algoritmo de
cifrado que se utilice
Integridad y autenticación del paquete IP original cifrado y la
cabecera ESP se realiza mediante un checksum criptográfico que
se añade al final del paquete ESP
Pàg 90
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Contenido del curso
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1. Xarxes mòbils
•
•
•
•
Xarxes mòbils: conceptes i funcionament
Evolució del 2G al 4G
Mercat Telefonia Mòbil
Mercat 4G
2. Xarxes 4G




Xarxes 4G: Noves prestacions
La xarxa d'accés a 4G
La xarxa core a 4G
Seguretat en xarxes 4G
3. Futur
 Evolució futura Introducciò
Pàg 91
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Futuro Negocio
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5G El nuevo futuro móvil
Cibernàrium
5G se centrará en la experiencia del usuario para la convergencia multinivel y la
innovación. Además, proporcionará super-gran ancho de banda, permitirá conexiones
masivas, servicios ubicuos y experiencia de usuario perfecta para los individuos y las
empresas. Además de mejorar la capacidad de la red, 5G también permitirá que tanto la
red como los terminales consuman mucha menos energía.
5G se combinará en profundidad con internet móvil y evolucionará a una red basada en
la nube inteligente. La profunda convergencia de servicios y la red comportará una
experiencia y servicios superiores para los usuarios.
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
• Ubiquitous Services
• Massive Data Connections
• Energy Efficiency
• Technologies for Super-Heavy Data Traffic
• Intelligent Cloud Networking
• Deep Convergence of Services and Network
• Open Network Capabilities
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Comparativa velocidades TX datos
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Del 2G al 5G de transmisión de datos
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5G
Pág 94
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Evolución 4G  5G
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Características 5G I
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Ubiquitous Services
•
Se requiere: oficinas móviles más eficientes, intercambio de información, la interacción social, de comercio
electrónico, finanzas internet, y otros servicios de Internet móvil. Mejora de la experiencia del usuario basada en
la satisfacción de las necesidades de servicio. Mejora de los indicadores técnicos clave, como la capacidad de la
red, garantía de ancho de banda, la velocidad de pico, retraso de la red, y de alta precisión de posicionamiento en
interiores.
Massive Data Connections
•
Una red 5G establece alta velocidad de persona a persona, de persona a máquina, y las conexiones de máquina a
máquina. 5G ofrece conexiones eficientes para de la vida social y aplicaciones de empresa. Estas conexiones son
enormes y será un gran reto en términos de capacidad de la red y robustez.
Energy Efficiency
•
La eficiencia energética es esencial en 5G. La s Redes 5G densas con servicios ubicuos y conexiones de datos
masivas consumen una enorme cantidad de energía si se construyera con las tecnologías disponibles. Por tanto,
es necesario cambiar la arquitectura de red y elementos de red y reestructurar las funciones relacionadas con el
fin de ahorrar energía tanto en la red y como en el lado de los terminales.
Technologies for Super-Heavy Data Traffic
•
•
Los smart-phones cada vez más inteligentes y las aplicaciones en la nube impulsarán el crecimiento explosivo del
tráfico de datos. Para soportar dicho tráfico de datos súper pesado, hay que mejorar el enlace inalámbrico de
radio, la utilización del espectro, y la interconexión de redes.
En 5G serán importantes los puntos de acceso con tráfico súper pesados. La capacidad de ancho de banda por
unidad de espacio se puede mejorar a través de la creación de redes más densas. Las combinaciones de varios
puntos de acceso, con nuevo acceso LAN inalámbrica de alta velocidad y de células pequeñas que pueden ser
desplegados densamente para formar una red de super-alta capacidad de ancho de banda.
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Características 5G II
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Intelligent Cloud Networking
•
•
La arquitectura de la red tiene que ser adaptable a las fluctuaciones en el tráfico de datos, y esto
significa que la red tiene que ser inteligente y basada en la nube. Las conexiones de persona a
persona, de persona a máquina y máquina-a-máquina serán todos transparentes. Cualquier
persona, empresa, o incluso una máquina podría ser el consumidor o el proveedor de servicios
de información. Forman un nuevo ecosistema digital relacional y nos llevan a el rápido
crecimiento del tráfico de datos. Una red de nube inteligente debe ser capaz de hacer frente a
todos estos desafíos inter-relacionados.
5G será una red heterogénea sobre la base de procesamiento de nube. La gestión y
programación de recursos inalámbrica basada en la nube, reduce los plazos de construcción de la
red y los costes de gestión, así como facilita una operación unificada de la red 5G y las redes
inalámbricas existentes.
Deep Convergence of Services and Network
•
Los servicios multimedia móviles crecerán rápidamente. Con la estructura de la red y el servicio
actual, algunos servicios de gran tráfico, tales como HD y videos móviles súper HD, inundarán
toda la red. En una red 5G, los servicios que afectan directamente a la experiencia del usuario
serán proporcionados por la red y al final en la nube. La convergencia de servicios y la red
mejorará significativamente la experiencia del usuario y reducirán tanto el CAPEX como el OPEX.
Open Network Capabilities
•
Una plataforma unificada y abierta será la base de la provisión de servicios. Mientras se
proporcionan los servicios fundamentales para los usuarios, la red 5G tiene que abrir sus
interfaces para que los desarrolladores de terceras partes los puedan utilizar para ensamblar y
crear nuevas aplicaciones
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S2: PREGUNTES
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¡Moltes gràcies!
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