Tecnologías de Redes de Telecomunicaciones: Desde Telefonía IP hasta 5G

Tecnologías de Redes de Telecomunicaciones: Desde Telefonía IP hasta 5G

1. Red Conmutada

Objetivo: Interconexión de usuarios para servicios de voz.

Elementos del sistema:

• Bucle de abonado: Conecta a los usuarios con las centrales.
• Centrales locales: Unen a los usuarios.
• Centrales de tránsito: Interconectan centrales.

Red jerárquica: Centrales terciarias → secundarias → primarias → locales.

• Función: La llamada inicia en la central local de origen, viaja a través de las centrales primarias, secundarias y terciarias hasta la central local de destino.
• Red complementaria: Sirve para tener más capacidad.

Bucle abonado: Hilo de cobre de 2 pares que llega hasta la instalación del abonado.

Centrales:

• Equipos más baratos.
• Menos enlaces.
• Dependencia de elementos centrales.
• Necesita una red mallada.
• Línea de entrada y salida.
• Pérdida: No se realiza la llamada.
• Bloqueo o congestión: No se establece conexión entre la entrada y la salida por falta de caminos.
• Enlaces entre centralitas: Troncales.
• Sistema de señalización N.º 7: Protocolo.

Telefonía IP

Permite llamadas telefónicas a través de redes de datos en vez de la red telefónica tradicional. La señal analógica se codifica y digitaliza en paquetes IP.

• Codificadores: Convierten la señal de audio analógica en datos digitales.
• Paquete IP:
• RTP: Los datos digitales se encapsulan, se convierten a protocolo y se añade información al paquete.
• UDP: Protocolo de datagramas del usuario, transporta y proporciona un servicio de entrega de datos.
• PPP: Protocolo que establece conexión a Internet.

Modo de funcionamiento del Gatekeeper: Direct Signalling Mode, Gatekeeper Routed Signalling Mode, Full Signalling Mode, Full Proxy Mode.

Protocolos:

• H.3.2.3: ITU-T7.
• SIP: Iniciar, modificar y finalizar sesiones interactivas del usuario.

2. Red Digital de Servicios Integrados (RDSI)

Evolución hacia una red digital integrada que facilita conexiones digitales extremo a extremo para más variedad de servicios.

Aspectos generales:

• Estructura de transmisión:
  • Canal B: Vía conmutación de circuito/paquete semipermanente.
  • Canal D: Señalización asociada a B y comunicación a baja tasa.
  • Canal H:
• Servicios de banda estrecha: Servicio ofrecido en modo circuito y modo paquete.
• Teleservicios: Telefonía, videotexto.
• Servicios suplementarios: Llamada en espera, identificación del usuario.

Estructura de la numeración recomendación E-164: UIT-T:

• Número RDSI: Número que identifica un dispositivo.
• Dirección RDSI: Número más información.

Relación entre RDSI y OSI: Describe la conmutación de datos en una red (divide en 7 capas).

Los diferentes elementos de RDSI en las capas del modelo OSI:

• Capa física: Corresponde a la interfaz física de la RDSI, es decir, cables y conectores utilizados para conectar dispositivos a la red.
• Capa de enlace de datos:
  • Protocolo LAPD: Canal D (señalización y control de errores).
  • Frame Relay: Canal B y H (transmisión de datos).
• Capa de red: Protocolo Q.931, control de llamadas RDSI.
• Capa de transporte, sesión, presentación y aplicación: Gestión de sesiones, presentaciones de datos y aplicaciones específicas que utilizan RDSI y señalización de usuario extremo a extremo.

Protocolos:

• LAP-D: Fiable en enlace de datos que transporta información libre de errores entre el usuario y la central de conmutación. Control de llamadas y comunicaciones de conmutación de paquetes.
• Canal B: Tres tipos de comunicaciones:
  • Circuito: Estableciendo canal D.
  • Circuitos permanentes.
  • Conmutación de paquetes: Servicio ofrecido por una red no RDSI, y servicio ofrecido por la propia red RDSI.

Capa física: Cómo se transmiten los datos:

• Interfaz básica: I430: funciones, topologías, multiplexación, contienda.
• Interfaz primaria: I431, G704, MICE1.

Capa física, accesos básicos: Funciones:

• Alimentación de terminales: Suministra energía.
• Codifica la señal digital: Convierte datos digitales en una señal eléctrica.
• Multiplexación de canales: Combina canales de datos en un único enlace físico.
• Identifica canales.
• Arbitra el acceso al canal cero en caso de contienda.
• Interfaz S/T acceso básico: IB+D, 4 hilos (transmisión de datos), distancias cortas.

Capa física, multiplexación: Permite combinar múltiples señales en un solo medio de transmisión. En RDSI, combina B y D.

• Funcionamiento:
  • Tramas: La información se transmite en tramas de 48 bits.
  • Estructura de la trama: 16 bits para el canal B, 4 bits para el canal D, 12 bits para control.
  • MDT: Patrón de delimitación de multitrama.

LAPD: Protocolo de enlace de datos utilizado en las redes RDSI (gestiona la comunicación a nivel de enlace entre equipos).

• Características básicas: Transferencia de información con y sin reconocimiento de errores. Se transmiten todos los paquetes enviados desde el último error. CRC: polinomio, ventana hasta 127.

HDLC: Protocolo de enlace de datos más general.

Varios modos de funcionamiento:

• Respuesta normal (NRM): Configuración no balanceada y un dispositivo dominante.
• Balanceada asíncrona (PBM): Configuración balanceada, ambos.
• Respuestas asíncronas (ARM): Utilizada en la configuración no balanceada, similar a NRM, difieren en datos y retransmisiones.

No balanceadas:

• ARM:
  • Enlace: Punto a punto.
  • Transmisión: Dúplex o semidúplex.
  • Estaciones combinadas, transmisión sin permiso de la otra y ambos tienen las mismas responsabilidades y controles de enlace.

Balanceadas:

• NRM:
  • Configuración: No balanceada.
  • Enlace: Punto a punto o multipunto (máximo una estación primaria en enlace multipunto).
  • Estaciones secundarias, necesitan permiso de la primaria para transmitir. Técnicas de sondeo y selección por estación primaria.
• ARM:
  • Enlace: Igual que NRM.
  • Transmisión: Dúplex o semidúplex.
  • Estación secundaria transmite sin permiso de la primaria. Menos sobrecarga primaria, recuperar errores, iniciar y desconectar el enlace exclusivamente.

Nivel 3: Q931:

• Protocolo de control de llamada: Permite gestionar el establecimiento y control de conexiones.
• Tiene mensajes de establecimiento de llamadas, fase de información de la llamada, mensajes de liberación de llamadas, mensajes varios.

3. Familia XDSL

• Formada por pares de cables, desde la casa del abonado a la central local: bucle abonado.
• Ancho de banda asimétrico.
• Útil: Usuarios pequeños y medianas empresas.
• Ofrece la estructura necesaria para el transporte de celdas para ATM.
• Se buscan soluciones basadas en su bucle de abonado, sin perder compatibilidad con los equipos virtuales existentes.

DMT:

• 256 canales, emplea QAM.
• 1 al 6 reservados para voz analógica.
• 64 reservado para señal piloto.
• Algunos canales reservados para gestión.
• 32 canales en sentido ascendente.

HDSL: Se usa para unir equipos de su red en configuración punto a punto.

SMDSL: Utiliza TC-PAM.

VDSL: Tecnología de acceso a Internet de alta velocidad.

Infraestructura:

• Funcionamiento:
  • 1: El ordenador genera una señal digital que contiene los datos para enviar a Internet.
  • 2: El módem convierte la señal digital en una señal analógica (puede transmitir en líneas telefónicas).
  • 3: La señal se transmite por el par de hilos hasta la central telefónica.
  • 4: DSLAM: recibe la señal, la separa y la envía al conmutador ATM.
  • 5: El conmutador enruta la señal hacia Internet.

Desagregación del bucle abonado:

• Mantenimiento del bucle y las operaciones: Lo realiza el operador con la concesión del bucle.
• Acceso desagregado: Necesita equipos en la central local del operador. También puede dar nuevos servicios.
• Acceso indirecto: Se usa cuando no se tiene la infraestructura interior.

Rentabilidad:

• Bucle parcial: Si el operador se enfoca en un nicho de mercado o en áreas geográficas específicas, la desagregación parcial puede ser una opción más adecuada.
• Bucle completo: Inversión inicial: La desagregación completa suele requerir una mayor inversión inicial, ya que implica alquilar una mayor cantidad de infraestructura.

4. HFCC

• Fibra óptica: Aumenta el enlace de los operadores.
• Coaxial: Mínima inversión al coste de acceso del usuario.

Las combina para proporcionarnos servicios de Internet, televisión, etc.

Arquitectura (explicación):

• Red de transporte: Se extiende desde la cabecera principal a los nodos remotos. Puede usar fibra óptica, enlaces de microondas, etc.
• Red troncal: Se realiza en fibra óptica.
• Red de dispersión: 3 componentes:
  • Amplificadores de línea.
  • Derivadores (derivan la señal a los usuarios).
  • Acometida final de cable.
• Cabecera: Proporciona diferentes señales.
• Cable módem: Convierte la señal de datos a un entorno basado en tecnología Ethernet.

Distribuciones de frecuencia: HFC son sistemas que emplean modulación por división de frecuencia en sentido descendente y ascendente.

• Mecanismo: Solicita/reserva temporal, donde la cabecera da un intervalo a los usuarios.

5. Fibra Óptica

Configuraciones punto a punto, suelen ser propietarios que unen redes y configuraciones punto a multipunto.

Estándares:

• Tipo de especificaciones REDES PON (punto a multipunto para minimizar el número de transductores ópticos):
• ATM: Transfiere datos.
• BPON: Más ancho de banda y arquitectura simple.
• GPON: Mayor flexibilidad y capacidad.
• EPON: Alta estabilidad, transporte por medio de tramas Ethernet y no permite transporte de señales.

Estructura:

• OCT: Equipo central, multiplexa las señales de los usuarios en una fibra óptica mediante TDM o WDM.
• Desagregación parcial del bucle de abonado.
• ODN: Red de distribución óptica que conecta los OCT con los ONT de los usuarios.
• ONT: Dispositivos que conectan al usuario a la fibra, convierten la señal óptica en señal eléctrica.

NEBA: Acceso regulado a la fibra óptica, de forma indirecta.

• Tipos:
  • Local: Operadores, conecta la interfaz al PAI-L.
  • NEBA fibra: Varios puntos de conexión.

6. Línea Eléctrica (PLC)

Formada por elementos que adaptan la señal a la red eléctrica de baja y media tensión.

• Estándar CENELEC: Proporciona mecanismos para transmitir datos de baja velocidad para control de elementos, incluidos en la línea eléctrica.

Sistema eléctrico:

• Centro de generación y transformación.
• Líneas de alta y media tensión y distribución.
• Estaciones transformadoras.

Elementos de la red PLC:

• HE/TPE/Módem de cabecera: Inyecta la señal en la red y se encarga de controlar todos los equipos.
• CPE o módem de usuario: Cada toma eléctrica se puede considerar como una toma de datos.
• IR: Supera los 200 metros.
• Propio cable: No preparado para pasar datos.

La infraestructura eléctrica sirve para transmitir datos a nuestras casas.

8. Redes de Acceso Ethernet/IP

Estructura: Modelo jerárquico de tres capas:

• Acceso: Unión de los usuarios finales.
• Distribución: Capa intermedia que realiza funciones de filtrado de datos.
• Núcleo: Se encarga de conmutar todo el tráfico entre redes y de la conexión a Internet.

Elementos:

• Equipos de capas de núcleo y distribución: Gran cantidad de puertos y mayor capacidad.
• Equipos de acceso: Gran capacidad de conmutación.

Además de toda la infraestructura.

Redes Inalámbricas y Móviles: De GSM a 5G

1. Introducción

• Necesita mucha potencia.
• Mucha frecuencia para tener usuarios.
• Depende de un único elemento de la red.

Modelo celular: Se divide la zona a cubrir en varias más pequeñas llamadas celdas (tienen una estación base).

Distancia cocanal: La mínima distancia de reutilización de frecuencia.

• Clúster: Conjunto de celdas que engloban el total de la frecuencia (celdas grandes: zona rural y pequeñas: ciudades).

2. Global System Mobile (GSM)

Arquitectura:

• AC: Contiene las claves individuales de identidad de abonado (clave secreta: AC y SIM).
• EIR: Base de datos que almacena los IMEI, reduce las posibilidades de robo de terminales y fraude.
• HLR: Base de datos única (información: localización, MSISDN, IMSI, suscripción, etc.).
• VLR: Base de datos con información de suscripción (copia de HLR) asociada a un MSC (información: TMSI, MSRN, autentificador, LAI donde el MS está registrado).
• BTS: Equipo de transmisión vía radio y conexión con BSC.
• BSC: Agrupa un conjunto de BTS, elimina complejidad y concentración.
• MSC: Agrupa a un conjunto de BSC. Similar a una central de conmutación. Puede enrutar tráfico hacia otras redes, pero no todas las MSC tienen la función GMSC.

Nivel físico:

• Canal físico: Repetición periódica de un intervalo de tiempo.
• Canales lógicos:
  1. Canales de tráfico y control asociado:
     • TCH (Traffic Channel): Canal dedicado a la voz y datos.
     • SACCH, FACCH: Mientras TCH se encarga de transportar los datos, los otros gestionan la comunicación y controlan los recursos de la red.

Estructura de tramas:

El tiempo en GSM está organizado en jerarquías de tramas:

• Multitrama: Contiene 26 o 51 tramas.
• Supertrama: Agrupa varias multitramas.
• Hipertrama: La unidad más grande, que incluye 2048 supertramas.

2. Canales de señalización y control:
   • BCCH (Broadcast Control Channel): Información de la estación base, se monitorea para traspasos.
   • FCCH (Frequency Control Channel): Sincronización de la portadora.
   • SCH (Synchronization Channel): Sincronización de trama.
   • CCCH (Common Control Channel): Se subdivide en:
     • PCH (Paging Channel): Búsqueda de móviles.
     • RACH (Random Access Channel): Petición de canal SDCCH.
     • AGCH (Access Grant Channel): Asignación de recursos.
   • SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel): Establecimiento de llamadas.
   • SACCH (Slow Associated Control Channel): Información lenta asociada.
   • FACCH (Fast Associated Control Channel): Información rápida asociada.

Tipos de ráfagas (bursts):

• Ráfaga normal: Bits de información + entrenamiento.
• Ráfaga de sincronización: Bits de sincronización.
• Ráfaga de corrección de frecuencia: Ajuste de frecuencia.
• Ráfaga de acceso: Inicio de transmisión.
• Ráfaga muda: Sin datos.

Codificación y Modulación:

• Codificación: Protege los bits de información frente a errores.
• Modulación: GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), usada para optimizar la eficiencia espectral.
• Multiplexación: GSM usa TDMA (Time Division Multiple Access), una técnica que divide cada portadora en 8 franjas de tiempo llamadas slots temporales. Esto permite que hasta 8 usuarios compartan el mismo canal físico.

Protocolo nivel 2:

• Interfaz estación base-BSC. Utiliza LAP-D.
• Interfaz de 2048: canales de señalización, comparten el medio mediante multiplexación por división de tiempo.
• Canales de señalización son el soporte para la transferencia de mensajes: detección de errores, control de flujo y secuenciamiento correcto de paquetes.

Utilizando LAP-D y multiplexación por división de tiempo, se establece una conexión de alta tensión entre la estación base y BSC. Los canales de señalización soportados por MPT permiten una comunicación eficiente y proporcionan servicios capaces de enlace de datos del modelo OSI.

Protocolo nivel 3:

• Control de llamada: Procedimiento de control del establecimiento de llamada, procedimiento durante el modo activo, procedimiento de conexión de llamada.
• Gestión de movilidad: Procedimiento de localización del móvil, procedimiento de autentificación: IMEI o IMSI.
• Gestión de recursos radio: Asigna, cambia y libera canales, traspasos, control de nivel de potencia, control de desviación de tiempo.

6.3 GPRS (General Packet Radio Service)

Introducción:

• GPRS es una evolución de GSM que mejora la transferencia de datos añadiendo conmutación de paquetes, lo que significa que el canal solo se usa cuando hay datos para transmitir.
• Permite conexiones permanentes con facturación basada en volumen de datos en lugar de tiempo.

Arquitectura:

• Elementos principales:
  • SGSN (Serving GPRS Support Node): Gestiona la autenticación, el enrutamiento y la localización dentro de su área de servicio.
  • GGSN (Gateway GPRS Support Node): Conecta la red GPRS con redes externas (ej., Internet).
• Red troncal IP: Utiliza el protocolo GTP (GPRS Tunneling Protocol) para encapsular paquetes de datos y enviarlos a su destino.

Servicios y calidad de servicio:

• Servicios:
  • Soporte para IP y X25 (orientado a conexión).
  • Envío de SMS, MMS y navegación web (WAP).
• QoS (Calidad de Servicio): Define clases con diferentes niveles de pérdida de paquetes, duplicados y retardo, dependiendo de la aplicación.

Interconexión con otras redes:

• BG (Border Gateway): Nodo frontera entre operadores.
• Función principal: Seguridad y firewall para evitar ataques externos a la red privada.

6.4 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

Introducción:

• UMTS es la tecnología 3G, diseñada para superar las limitaciones de GSM/GPRS en cuanto a velocidad y servicios.
• Estándar europeo desarrollado por 3GPP, introduciendo una nueva interfaz de radio basada en CDMA.

Elementos de la red:

1. Red de acceso radio (UTRAN):
   • Nodo B: Equivalente a la estación base en GSM, maneja múltiples portadoras.
   • RNC (Radio Network Controller): Gestiona varios nodos B y se comunica mediante enlaces ATM o IP.
2. Núcleo de red: Reutiliza componentes de GSM/GPRS con nuevas funcionalidades para soportar mayores velocidades y servicios multimedia.

Evolución:

• HSPA (High-Speed Packet Access): Incrementa las velocidades de descarga y subida.
  • Ejemplo: HSDPA (14 Mbps descendentes) y HSUPA (7.2 Mbps ascendentes).
• HSPA+: Más velocidad mediante técnicas como MIMO (Multiple Input Multiple Output).

6.5 LTE (Long Term Evolution)

Introducción:

• LTE es la red 4G, diseñada para ofrecer alta capacidad y baja latencia.
• Soporta velocidades de hasta 100 Mbps descendentes y 50 Mbps ascendentes, con mayor eficiencia espectral.

Arquitectura:

• Elementos principales:
  • eNode B: Estación base mejorada que gestiona recursos y movilidad.
  • MME (Mobility Management Entity): Gestiona la movilidad y las sesiones del usuario.
  • Serving GW y PDN GW: Pasarelas que conectan con redes externas y controlan la calidad del servicio.
  • PCRF: Define políticas de uso y prioridades de QoS.
• Canales:
  • Canales de control: BCCH, PCCH, CCCH.
  • Canales de tráfico: DTCH (unicast), MTCH (multicast).

6.6 5G

Introducción:

• 5G tiene como objetivo transformar las comunicaciones móviles mediante:
  • Baja latencia (1 ms).
  • Altas velocidades (hasta 10 Gbps).
  • Conexión masiva de dispositivos para IoT (Internet de las Cosas).
• Necesita: virtualización, cloud, contenedores y microservicios.

Ventajas sobre LTE:

• Uso de bandas altas: mayor ancho de banda y velocidades.
• Mejor eficiencia energética y menos interferencias.
• Baja latencia.
• Uso intensivo de haces de antenas.

Usos y aplicaciones:

• eMBB (enhanced Mobile Broadband): Datos rápidos (streaming, multimedia).
• mMTC (massive Machine-Type Communication): IoT con dispositivos de bajo consumo.
• URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communication): Aplicaciones críticas (vehículos autónomos).

Estructura de la Red (Core Network) 5G:

• Plano de usuario:
  • UPF (User Plane Function): Pasarela con Internet que encamina, filtra y reenvía paquetes, aplica QoS y mide tráfico.
• Plano de control:
  • NEF: Intercambio seguro de información con otras redes.
  • NRF: Avisos sobre funciones de red.
  • PCF: Gestión de reglas de políticas.
  • UDM: Manejo de credenciales de autenticación y acceso.
  • AF: Encaminamiento, acceso y control de políticas.
  • AUSF: Función de autenticación.
  • AMF: Señalización de control, movilidad, seguridad y autenticación.
  • SMF: Administración de sesiones, direcciones IP y políticas.
  • NSSF: Selección de network slices según necesidades del usuario.

6.7 WIMAX

Introducción: Tecnología IEEE 802.16, diseñada para acceso de banda ancha con cobertura de hasta 50 km. y Usada principalmente en entornos empresariales y rurales.

Modos de operación: Punto a multipunto: conexión fija a múltiples usuarios. y Malla (mesh): dispositivos interconectados para expandir cobertura.

Clases de servicio: –UGS: paquetes de tamaño fijo (voz). –rtPS: video y voz comprimida. –nrtPS: transferencia de datos grandes (sin tiempo real). —BE (Best Effort): navegación web, email.

6.8 Otras redes inalámbricas Redes WIFI /inalambricas: Basado en IEEE 802.11: 802.11b: 11 Mbps., 802.11n: hasta 100 Mbps con MIMO. y 802.11ax (WIFI 6): hasta 9.6 Gbps.

Redes satelitales: Cobertura amplia, ideales para servicios multicast. -estructura de red:  segmento: espacial (constituido por satelite o conjunto de satelite), control (conjunto de elemt y control de los satelites ) y terrenal(terminal de user)

Clasificación: Unidireccional (TV), Híbridos (retorno por otras redes), Bidireccional.

IoT :Se da acceso a objetos a Internet para procesarlos, normalmente gestionando datos. ej: LORAWAM

Redes de Sensores WSN: -Características principales: Gran cantidad de sensores distribuidos en un espacio y tiempo limitados., sensores con restricciones de energía, procesamiento y almacenamiento.-Soluciones para estas redes: Gestión de estados: sleep, stand-by y active mode, Agregación de datos y Algoritmos de encaminamiento.-Identificación de nodos:No se realiza manualmente -Para evitar sobrecarga, se prefiere incluir inf mín como localización o tipo de sensor.