Cibernàrium 4G: Introducció a la Tecnologia Capacitació Tecnològica per a Professionals i Empreses Barcelona Novembre 2014 www.bcn.cat/cibernarium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Ajuntament de Barcelona Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Ajuntament de Barcelona Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.coimbraweb.com www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.coimbraweb.com www.segall.es El espectro, los medios y las aplicaciones Todo el conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas por frecuencia Cibernàrium A mayor frecuencia menor longitud de onda, y viceversa. Pàg 10 www.bcn.cat/cibernarium www.coimbraweb.com www.segall.es Radio cobertura y frecuencias Cibernàrium Evolución de los tamaños de celda según época y velocidades Pág 11 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Tipos de celdas Cibernàrium Pàg 13 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Cibernàrium Simulaciones reales MAPA DE ESTACIONES BASE SIMULACION DE COBERTURA DRIVE-TEST DE COBERTURA Pág 14 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Arquitectura de una Red Móvil Celular Cibernàrium Pág 15 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 16 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Arquitectura GSM Cibernàrium Pàg 18 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es GSM Services Cibernàrium • 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Evolución de Redes Celulares 1G 2G 2.5G 3G Cibernàrium 4G Pàg 24 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Evolución Terminales Cibernàrium TMA-900 Pàg 26 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium Pàg 27 www.segall.es Mercado Mundial Móvil Cibernàrium Pág 28 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Smartphones y tipos conexiones Cibernàrium Pág 30 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Total Subscribers y Redes LTE Cibernàrium Pág 32 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Evolución de conexiones datos Cibernàrium Demanda clientes Reemplazo tecnológico Amortización de redes Regulación (concesiones) Pág 33 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Smartphones Evolution Cibernàrium Smartphones Crecimiento datos Mercado apps Agenda persona Correo electrónico Acceso Intenet Juegos Whatsup Video streaming Downloads Pág 34 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Smartphone Market Share Cibernàrium Pág 35 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 37 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Cibernàrium Mercado 4G Pàg 38 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Negocio 4G Mundo Cibernàrium • 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium Fuente: OpenSignal y Bouygues Telecom www.segall.es Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium Pàg 41 www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Advantages of LTE Cibernàrium Pàg 45 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Comunicación entre redes Cibernàrium Pág 49 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Equipo de usuario 4G Cibernàrium No cambia Respecto a UE 2G y 3G SIM + Terminal Pág 51 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Canales Radio GSM Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Red de Acceso LTE Cibernàrium Red de acceso Formada por la Red de eNB. Interfaces: - eNB EPC - eNB UE Pág 59 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Interfaces eNodoB • • • Cibernàrium eNodoB y los telefonos móviles (UE) eNodoB y Red Troncal EPC: MME y S-GW Entre eNodoBs Pág 60 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 Pág 61 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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. Pág 62 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es OFDMA y SC-FDMA Cibernàrium Pág 64 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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. Pág 66 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Interfaz Radio (P CONTROL) Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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. Pág 68 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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. Pág 71 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 Pàg 72 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Cibernàrium Arquitectura LTE RED CORE RED IMS RED ACCESO OTRAS REDES TERMINALES Pág 74 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es LTE: Dominios seguridad Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es LTE: Resumen de seguridad AUTENTICACION MUTUA Cibernàrium Confidencialidad CIFRADO Integridad ACCESO INTERFAZ RADIO SEÑALIZACION: Confidencialidad CIFRADO Integridad MEDIA: Confidencialidad CIFRADO Integridad Pàg 86 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es LTE: Autenticación y Cifrado Cibernàrium 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 91 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Futuro Negocio Cibernàrium Pág 92 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es 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 Pág 93 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Comparativa velocidades TX datos Cibernàrium Del 2G al 5G de transmisión de datos Downlink (descargas) 5G Pág 94 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Evolución 4G 5G Cibernàrium Pág 95 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Características 5G I Cibernàrium 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. Pág 96 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Características 5G II Cibernàrium 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 Pág 97 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es S2: PREGUNTES Cibernàrium Pàg 98 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Cibernàrium ¡Moltes gràcies! Pàg 99 www.bcn.cat/cibernarium www.segall.es Cibernàrium bcn.cat/barcelonactiva bcn.cat/cibernarium www.bcn.cat/cibernarium