Tecnologías del Siglo XXI

Tema 4.- Telefonía Móvil

Pedro M. Ruiz Martínez<pedrom@um.es>

Curso 2009/10

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Índice de contenidos

• Historia de las redes móviles• Funcionamiento de las redes móviles• Servicios móviles: localización, videollamada,..• Impacto de los móviles en la salud• El futuro de las redes móviles

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Evolución de las redes móviles

• 1946 St. Louis, Missouri Mobile Telephone Service (MTS)– Instalado en un coche, sólo half-duplex en la banda de los 150

MHz y número muy limitado de usuarios• 1960 sistema mejorado Improved Mobile Telephone

Service (IMTS)– Las mismas limitaciones básicas

• 1958 – 1977 A-Network Alemana– 10000 usuarios, 154-177 MHz, llamadas gestionadas a mano

• Posteriormente en EEUU, aparece el primer sistema celular AMPS (Advanced Mobile Phone Service).– Primera reutilización de frecuencias (845 MHz – 890 MHz)– Marcado por tonos

4Motorola DynaTAC 8000X

Martin Cooper utilizando un Motorola DynaTAC

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Evolución de las redes móviles (2)

• 1972 comienza a operar la red alemana B-Network– Carencia de localización de los usuarios, aunque por fin podían

hacer llamadas sin operadora manual– Dejo de funcionar en 1994 y contó con más de 25.000 usuarios

• En general estas redes:– Usaban un mismo transmisor para dar cobertura a grandes

áreas (e.g. 150 Kms en áreas rurales)– Transmisión analógica susceptible a interferencias– Esto reducía la necesidad de infraestructura, a la vez que

disminuía el número de suscriptores dado el número limitado de frecuencias disponibles

– Además, se requería transmitir con mucha potencia para alcanzar tan largas distancias

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1ª Gen. de sistemas móviles

• Grandes celdas con gran cobertura (AM y FM)

• Bajo coste de infraestructura

• Limitada capacidad respecto al número de suscriptores

• Alta necesidad de potencia tanto en la BS como en la MS

• Escaso ahorro de frecuencias

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El concepto de las redes celulares• 16 de Mayo de 1972 Bell Labs (hoy

Lucent Technologies) patenta las bases de las 2ª y 3ª generación de redes móviles

• Idea: En lugar de emplear una única BS con una gran cobertura, emplear muchas BS cubriendo cada una un área menor

– Las mismas frecuencias pueden volver a emplearse a distancias pequeñas

– El espectro se puede reutilizar varias veces en una misma área Mayor número de suscriptores y llamadas simultáneas

– Menor necesidad de potencia (especialmente interesante para las MS)

– Incrementa el coste de la infraestructura

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Reutilización de frecuencias• Otras celdas no adyacentes pueden

emplear la misma frecuencia sin producir interferencia

• Evita dividir las frecuencias disponibles entre BSs

• Un grupo de celdas en el que el espectro completo del sistema es usado se llama “cluster”.

• Desafortunadamente no siempre las celdas tienen el mismo tamaño debido a irregularidades del enlace radio

• Requiere mecanismos más eficientes para controlar los traspasos entre celdas

Distancia de reutilización

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COWs (Cells on Wheels)

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Arquitectura general de las redes móviles actuales

Air InterfacePSTN

HLR Home LocationRegister

MSCVLR

VLR

MSC

MSBS

BS

BS

BSBS

BSBS

BS

MS .- Mobile StationBS .- Base stationMSC .- Mobile Swicthing CenterHLR .- Home Location RegisterVLR .- Visitor Location Register

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Generaciones de redes móviles

1G

2G

3G

Movilidad básicaServicios básicosIncompatibilidad

Movilidad avanzada (Roaming)Más servicios (presencia de datos)Hacia una solución global

Seamless roamingModelos de servicioAcceso radio globalSolución Global

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La introducción de GSM• 1990:

– Especificaciones de GSM para la banda de 900 MHz se aplicaron también a la de 1800_MHz, DCS 1800, una red de móviles inicialmente desplegada en el Reino Unido.

• 1991: – Julio : El lanzamiento planificado del servicio GSM en Europe se retrasa a 1992

por la no existencia de terminales (GSM entonces es acrónimo de God Send Mobiles ).

• 1992: – Lanzamiento oficial del servicio GSM en Europa (God Has Sent Mobiles ).

• 1993: – Ya hay 36 redes GSM en 22 países y otros 25 ya la han seleccionado o la

están considerando.• 1994 : 1.3 millones de suscriptores en todo el mundo.• 1995 : 5 millones de suscriptores

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Arquitectura de red GSM

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Estación Base GSM

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El primer teléfono GSM Nokia 1010

• 10 de Noviembe de 1992• 500 gr., batería de Ni-Ca con

90 mins de uso en modoconversación y 12 horas en reposo.

• Introdujo los mensajes SMS• Realmente el primero un año

antes para red Radiolinja en Finlandia

Redes Móviles. Tema 1

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Identidad en GSM

Tarjeta SIM• Además de contactos

almacena:– Identidad– Claves de acceso– Location Area actual– IMSI (International Mobile

Suscriber Identity)

• Se usa mediante código:– PIN (4 dígitos)– PUK (8 dígitos)

Redes Móviles. Tema 1

17Redes Móviles. Tema 1

Gestión de la movilidad

• Roaming– Un usuario móvil pasa de un sistema móvil (e.g.

Telelefónica móviles) a otro (e.g. Orange).– Requiere que el sistema origen sea informado de la

nueva localización del usuario para poder ofrecerle los servicios

• Handoff o handover– Un usuario móvil durante una sesión activa se

mueve del área de cobertura de una BS a otra BS.

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¿Cómo funciona una red móvil?

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El éxito de GSM

1996 1997 1998 1999 2000 20010

50

100

150

200

250

300

1996 1997 1998 1999 2000 2001

Millones de usuarios en el mundoFuente : EMC & GSM MoU Association

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21Redes Móviles. Tema 1

22Redes Móviles. Tema 1

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Envío de datos con GPRS• ¿Por qué surge GPRS?

– Los servicios de datos en GSM son difíciles de acceder, ofrecen poco ancho de banda y muy caros

• Se ofrecen servicios de datos extremo a extremo sobre la infraestructura GSM

• 1994 Comienza su estandarización en ETSI• 1997 Se aprueba el conjunto principal de normas• 1999 Se completa la estandarización • 2000 Se desarrollan productos y comienza su puesta en marcha

• GPRS se convertirá en la base de partida de la telefonía móvil de 3ª Generación

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Arquitectura General GPRS

TE

TAF

MS

MSC+VLR

Radio interface

BSS

HLR

SGSNGGSN

IWFPSTNPSDNISDN

Signalling link

HLR: Home Location Register SGSN: Serving GPRS Support NodeVLR: Visiting Location Register GGSN: Gateway GPRS Support NodeMSC: Mobile Swithcing Center TE: Terminal EquipmentMS: Mobile Station IWF: Interworking FunctionBSS: Base-Station Subsystem PSTN: Public Switched Telephone NetworkTAF: Terminal Adaptation Function PSDN: Public Switched Data Network

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Orígenes de UMTS• Desde 1992 – 1998 no existió la idea de un estándar común para 3G. En general,

investigaciones y mejoras a 2G sin integración.• En Dic. 1998 se establece el 3GPP (www.3gpp.org) como organización para

coordinar la producción de estándares conjuntos entre diferentes foros de estándarización (ETSI, ARIB,CWTS, T1, TTA, TTC)

• Inicialmente 3GPP se creó para generar especificaciones técnicas para un estándar común para redes de 3G extendiendo el núcleo de red de las redes GSM

• Actualmente también se encarga de la estandarización de mejoras a tecnologías de GSM como GPRS o EDGE

• Para asegurar que la visión americana se tenía en cuenta se creó 3GPP-2 que usa como base de trabajo IS-95

• Releases de UMTS:– UMTS R99 – UMTS R4– UMTS R5– UMTS R6 – UMTS R7,…

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Arquitectura general UMTS

PDN

PSTN

Other UMTS

UMTS Subscriber Identity Module • Identificación del suscriptor

• Acceso autenticado a la red

USIMMS RAN

CN

Mobile Station • Interfaz radio, servicios e interfaz con el usuario

Radio AccessNetwork

• Funciones dependientes de la tecnología radio, RRM, etc.

CoreNetwork

• Transporte, movilidad, control de servicios, etc.

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BSS - Base Station System HLR - Home Location RegisterMSC - Mobile Switching CentreVLR - Visitor Location RegisterPDN - Packet Data Network SGSN -Serving GPRS Support NodeGGSN - Gateway GPRS Support Node

IP-based PDN (public / private)

GGSN

Internal IP ‘backbone’ network

HLR

VLR

PSTN / ISDN

RNC

SGSN

Node B

RNC

SS7 network

GMSCMSC

UMTS Core networkUTRAN

Air Interface

e.g. The Internet

UMTS R99

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User Equipment (UE)

Interacción con nodo BCorrección de errores (FEC), Modulación, control de potencia, medidas radio (S/N, quality, etc)

Interacción RNCSeñalización para establecimiento desesión, ejecución de handovers, cifrado y descifrado, etc.

Interacción con la CNEnvío de información sobre location area, negociación de la QoS, solicitudde servicios, etc

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Nodo B• Es el equivalente a la BTS en GSM• Se encarga básicamente del nivel físico• Un nodo B puede gestionar una o varias

celdas. Se conecta al RNC por el interfaz fijo.• Tres tipos de Nodo B:

• UTRA FDD• UTRA TDD• Dual-mode

• La conexión con el RNC se hace empleando ATM como tecnología subyacente

• El enlace Nodo B – RNC es muy crítico a retardos ya que tanto el UE como el Nodo B enviarán sus medidas de calidad del enlaceque usará el RNC para tomar las decisiones de handover

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MSC, HLR y VLR

Mobile Services Switching Centre (MSC)Encaminamiento de llamadas de vozProcedimientos de localización (paging)Procedimientos de handover

Home Location Register (HLR)Información de los suscriptoresVLR y SGSN actuales para cada terminalAutorizaciones e información asociada a servicios

Visitor Location Register (VLR)Localización de terminales zona de influenciaCopias de registros del HLR para esos terminales

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SGSN, GGSN, GR

Serving GPRS Support Node (SGSN)Información de los suscriptoresMicro-movilidadEstablecimiento túneles GTP

Gateway GPRS Support Node (GGSN)Destino de los túneles IP desde el terminalGestión de túneles GTP y contextos PDPMacro-movilidad

GPRS Register (GR)Parte del HLRAlmacenamiento de los contextos PDP permitidos

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Elementos que intervienen en un handover en UMTS

MS

Node B

Node B

BTSBSC

RNC

RNC

3G-MSC

3G-MSC

2G-MSC

Iu

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Encaminamiento de llamada entrante

MS

Node B

Node B RNC

RNC

3G-MSC

3G-MSC

IuUu

VLR

VLR

GMSC

HLR

PSTN

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Encaminamiento de paquetes

MS

Node B

Node B RNC

RNC

SGSN

SGSN

IuUu

GGSN

HLR

Internet

IP Tunnel

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Uso actual de las tecnologías

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Telefonía móvil vía satelite

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¿Móviles como localizadores?

• La localización GSM es un servicio ofrecido poroperadores de telefonía móvil para determinarla posición de un terminal móvil.– Celda de origen: 200 m en áreas ubanos, 2 km en

áreas suburbanas y varía entre 3 - 4 km en entornos rurales.

– ID de célula mejorada: similar en urbanas, y en entornos rurales ofrece sectores circulares de 550 m.

– E-OTD (Enhanced-Observed Timed Difference): entre 50 m y 200 m

– GPS asistido (Assisted GPS)

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Videollamada

• Intercambio de audio y vídeo en tiempo real• Basado en VoIP sobre UMTS• Potencial mucho más allá de lo evidente

– Ej. Servicio 112

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Posibles Efectos BiológicosDEM = Demostrado, ND=No Demostrado

• Incremento del estrés. (ND)• Alteración de ondas cerebrales. (ND)• Dolor de cabeza. (ND)• Pérdidas de memoria. (ND)• Insomnio y trastornos del sueño. (ND)• Mareos y vértigo. (ND)• Alteraciones del ritmo cardíaco. (ND)• Calentamiento de los tejidos cercanos al oído y a

la córnea del ojo. (DEM)• Alteración de las reacciones químicas. (DEM)

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Bandas de frecuencias utilizadas

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Efectos Térmicos• Radiofrecuencias tienen la capacidad de inducir

corrientes eléctricas en los tejidos• Elevan la temperatura interna del sistema.• Si este incremento de temperatura es menor de 1ºC la

sangre que circula es capaz de disipar el exceso de temperatura.

• En ciertas estructuras poco vascularizadas como el interior del ojo este incremento puede no ser equilibrado por el sistema con facilidad y ocasionar daños".

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Respuestas institucionales • Recomendación del Consejo de la Unión Europea

de 12 de julio de 1999: "Es absolutamente necesaria la protección de los ciudadanos de la comunidad contra los efectos nocivos para la salud que se sabe pueden resultar de la exposición a campos electromagnéticos" .

• En España, el Ministerio de Ciencia y Tecnología aprobó a finales de septiembre de 2001 un Real Decreto que establece unos límites de exposición a las emisiones radioeléctricas .

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El futuro de las redes móviles

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Redes multisalto

• Redes ad hoc• Redes malladas• Redes de sensores

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Redes vehiculares

• Asistencia a la conducción (peatones, adelantam,…)• E-call y emergencias• Aplicaciones a usuarios (parking, precio gasolineras,..)• Infotainment (juegos en red, acceso a Internet, …)

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Tecnologías del Siglo XXI

Tema 4.- Telefonía Móvil

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