Arquitectura y Componentes de Redes Móviles: 2G, 3G, 4G y 5G

Tecnología Celular de Telefonía Móvil

Permite la comunicación inalámbrica mediante la división de una zona geográfica en células, cada una con una estación base (BTS) que gestiona las comunicaciones en su área.

• Reutilización de frecuencia: Las frecuencias asignadas se reutilizan en células no adyacentes para evitar interferencias y optimizar el espectro.
• Clúster de celdas: Es un grupo de células (normalmente 7) que utilizan un conjunto de frecuencias únicas. El patrón se repite en otras áreas.
• Distancia de reutilización: Es la separación mínima entre dos células que utilizan la misma frecuencia para minimizar las interferencias.
• Sectorización de antenas: Divide la cobertura de una celda en sectores (generalmente 3 de 120°), usando antenas direccionales. Esto mejora la capacidad y reduce interferencias dentro de la celda.

Estas técnicas permiten un uso eficiente del espectro, mayor capacidad de usuarios y mejor calidad de servicio.

Packet Core en Redes de Datos Móviles

El Packet Core es la parte central de la red de datos móviles que gestiona la transmisión de paquetes IP entre dispositivos móviles y redes externas, como Internet o redes privadas. Es esencial para servicios de datos en tecnologías como GPRS y LTE.

SGSN (Serving GPRS Support Node)

El SGSN gestiona el tráfico de datos del usuario dentro de su área de servicio. Realiza la autenticación del usuario, cifrado de datos, seguimiento de la movilidad (actualización de localización y routing area) y entrega los paquetes de datos entre el móvil y la red. Además, recopila información para facturación.

GGSN (Gateway GPRS Support Node)

El GGSN actúa como pasarela hacia redes externas (Internet, redes privadas). Sus funciones incluyen asignar direcciones IP a los dispositivos, enrutar paquetes hacia y desde redes externas, gestionar la seguridad de las conexiones y proporcionar servicios de facturación para el tráfico de datos.

Subsistemas de Red en Telefonía Móvil

Subsistemas de Red

• HLR (Home Location Register): Base de datos central que almacena información permanente del suscriptor.
• VLR (Visitor Location Register): Base temporal que almacena información del móvil cuando está en una zona específica del MSC.
• MSC (Mobile Switching Center): Centro de conmutación que gestiona llamadas, localización, handovers y conexiones con otras redes (PSTN).
• EIR (Equipment Identity Register): Base de datos que registra los IMEI de equipos para bloquear móviles robados o no autorizados.
• AuC (Authentication Center): Almacena claves secretas (Ki) y realiza autenticación y cifrado con algoritmos.

Subsistemas de Estación Base

• BSC (Base Station Controller): Controla varias BTS, asigna canales, realiza handovers y gestiona la potencia de transmisión.
• BTS (Base Transceiver Station): Gestiona la interfaz de radio entre la red y el móvil, realizando transmisión y recepción de señales.

Estación Móvil

• SIM (Subscriber Identity Module): Tarjeta que almacena el IMSI.
• K_c (Clave de cifrado): Cifra la comunicación entre la red y el móvil.
• K_i (Clave de Autenticación): Verifica la identidad del usuario.
• ME (Mobile Equipment): Un teléfono móvil identificado por su IMEI.

Diferencias entre 5G SA y NSA

• 5G NSA (Non-Standalone): Se apoya en la infraestructura de 4G LTE existente para el control de señalización y utiliza 5G únicamente para la transmisión de datos, facilitando una transición gradual hacia 5G.
• 5G SA (Standalone): Es una arquitectura completamente independiente, donde tanto el control como los datos se gestionan en una red 5G pura, permitiendo mejores prestaciones como menor latencia y mayor eficiencia.

Conceptos Clave de 5G

1. MEC (Multi-access Edge Computing): Es una tecnología que lleva la computación y almacenamiento de datos más cerca del usuario, reduciendo significativamente la latencia y mejorando el rendimiento en aplicaciones críticas como IoT, realidad aumentada y vehículos autónomos.
2. Network Slicing: Consiste en la creación de segmentos virtuales dentro de una misma red física, adaptados a necesidades específicas de servicio. Por ejemplo, un segmento puede optimizarse para baja latencia (vehículos autónomos), mientras otro para gran ancho de banda (streaming).
3. mMIMO (Massive MIMO): Se basa en el uso de múltiples antenas en estaciones base para enviar y recibir datos simultáneamente. Permite mejorar la capacidad, cobertura y eficiencia espectral al enviar señales dirigidas hacia cada usuario con técnicas de beamforming.

Implementación de IMS, MPLS y DWDM en el Core de Redes NGN

1. IMS (IP Multimedia Subsystem): IMS es una arquitectura basada en IP que permite integrar servicios de voz, vídeo y datos en redes NGN. Actúa como un marco para proporcionar servicios multimedia en tiempo real mediante SIP (Protocolo de Inicio de Sesión). Facilita la convergencia entre redes fijas y móviles.
2. MPLS (Multiprotocol Label Switching): MPLS enruta los paquetes en el core NGN utilizando etiquetas en lugar de direcciones IP, lo que mejora la velocidad y eficiencia del tráfico. Los PE (Provider Edge) de entrada y salida son los nodos que agregan y eliminan las etiquetas MPLS para gestionar el tráfico entre dominios.
3. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing): DWDM permite la transmisión de múltiples señales ópticas de diferentes longitudes de onda sobre una única fibra, multiplicando la capacidad de la red core. Es ideal para transportar grandes volúmenes de datos generados por IMS y MPLS.

Relación entre IMS, MPLS y DWDM

• IMS proporciona servicios multimedia sobre una red IP.
• MPLS optimiza el transporte eficiente de estos servicios, garantizando calidad (QoS).
• Finalmente, DWDM soporta el transporte masivo de tráfico MPLS a través de fibras ópticas, garantizando la capacidad necesaria en el core NGN.