LA TELEFÓNIA MÓVIL Y CELULAR

LA TELEFONÍA MÓVIL Y CELULAR

1. INTRODUCCIÓN.

2. SISTEMAS UNIDIRECCIONALES.

2.1. SERVICIOS DE RADIOMENSAJERIA (PAGING).

2.2. SERVICIOS DE TELEFONÍA PÚBLICA SIN HILOS (TELEPUNTO).

3. SISTEMAS BIDIRECCIONALES

3.1. SERVICIOS DE TELEFONÍA SIN HILOS (WIRELESS TELEPHONY).

3.2. SERVICIOS DE RADIO CELULAR.

4. SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL AUTOMÁTICA (TMA).

4.1 EVOLUCIÓN.

4.2 CARACTERÍSTICAS, LIMITACIONES Y SERVICIOS DE LA TMA ANALÓGICA.

4.2.1 ESTRUCTURA DE UNA RED TMA ANALÓGICA.

4.3 SISTEMAS DE TMA DIGITALES.

4.3.1 CARACTERÍSTICAS Y SERVICIOS GSM.

5. BANDAS OCUPADAS POR LA TELEFONÍA MÓVIL.

6. TEMA ADICIONAL: MECANISMOS DE SEGURIDAD.

6.1. SISTEMAS DE CLONAJE DE TARJETAS SIM's.

SOBRE ÉSTE TRABAJO:

A continuación expongo un trabajo sobre la telefonía móvil, para ponerlo a disposición de todo lector que este leyendo estas lineas. Pues me he decidido a publicar ésto porque me ha sido de gran dificultad encontrar documentación en castellano sobre la telefonía móvil. Si que he encontrado libros, y buenos, que hablan de ello, pero por la red poco. Si me equivoco (quizás no le he dedicado el suficiente tiempo...) comunicarmelo lo antes posible a mi dirección.

He de avisar, que gran parte de la información ha sido extraida de los libros: TELECOMUNICACIONES MÓVILES de MARCOMBO (esta compuesto por varios autores) y también del libro que me llevo a clase: SISTEMAS DE TELEFONÍA de J. M. HUIDOBRO y RAFAEL CONESA. Pero no es una plagio total, he intentado en la mayor parte posible explicar las cosas con mís palabras, entendiendolas y exponiendolas al lector. Así que si los autores de estos libros leen esto, que no se enfaden.

Intentaré ampliar éste trabajo más adelante, en los próximos días, pues ya sé que no está acabado completamente porque no abarca la biblia de la telefonía móvil, pero si que he intentado, por el momento, destacar lo más importante.

Para cualquier pregunta, duda o consulta: roberto.bar@mx3.redestb.es

1.- INTRODUCCION:

Definimos telefonía móvil como aquél sistema de transmisión el en cuál el usuario dispone de un terminal que no es fijo y que no tiene cables, y que le permite pues gran movilidad y localización en la zona geográfica donde se encuentre la red. Durante los últimos años se ha alcanzado un gran éxito mundial, gracias en gran parte a la propia evolución de la tecnología, el abaratamiento de los terminales, la bajada de tarifas y la competencia de mercado. Además la transmisión vía radio dispone de unas ventajas que el bucle de abonado en la telefonía fija no tiene. Por ejemplo la tarificación es independiente de la distancia a cubrir.

En la transmisión podemos encontrar numerosos entornos y sistemas que resuelvan las diferentes necesidades de los usuarios, para las transmisiones ya sean en recintos cerrados (edificios) o abiertos (en la calle).

A continuación expondré la diversidad de sistemas que ofrecen los mercados al usuario, y los clasificaré en sistemas unidireccionales o bidireccionales.

2.- SISTEMAS UNIDIRECCIONALES:

Sólo permiten la transmisión en un solo sentido, emisor y receptor no pueden tener una comunicación simultánea.

2.1.- SERVICIOS DE RADIOMENSAJERÍA (PAGING):

Es un servicio que se puede dar en diferentes ámbitos: en entornos cerrados o locales, en entornos de área limitada (ciudades, regiones), o en entornos nacionales. Éste servicio es utilizado en los “buscas” basándose en el envío de mensajes alfanuméricos hacia la dirección del radiobusca que disponga el usuario.

El funcionamiento del sistema es simple: Se accede a través de la Red Telefónica Básica (RTB) a la unidad de control, quien codifica los mensajes, y luego los pone en cola para su radiodifusión.

2.2.- SERVICIOS DE TELEFONÍA PUBLICA SIN HILOS (TELEPUNTO):

Se basa en la utilización de teléfonos sin cables y de reducido tamaño en la vía pública, para uso público y con la restricción de que sólo se puede generar llamadas. Su uso comenzó a mediados de los 80, pero pocos años después con la entrada del GSM fue quedando obsoleto.

3.- SISTEMAS BIDIRECCIONALES:

Son aquellos en los que se puede establecer una comunicación dúplex, es decir simultáneamente emisor y receptor pueden hablar.

3.1.- SERVICIOS DE TELEFONÍA SIN HILOS (WIRELESS TELEPHONY):

Es un servicio de ámbito doméstico que te permite una movilidad limitada, siempre en torno a un punto fijo terminal de red. Su frecuencia permite una alta penetrabilidad en interiores. Te permite tener una instalación inalámbrica en tu residencia, o también se puede usar en un ámbito de negocios como centralita inalámbrica. Así se podrá tener localizados a todos los empleados.

3.2.- SERVICIOS DE RADIO CELULAR:

Es un servicio que se basa en dar cobertura a un territorio a través de diversas estaciones base, que cada una da un área de cobertura llamada célula (normalmente son hexagonales). Así con este sistema de dividir el territorio se evita el problema de la restricción del pequeño ancho de banda. Pues se podrá transmitir en diferentes frecuencias que no están ocupadas en otras nuevas células. Las principales características de este sistema son:

• Gran capacidad de usuario.

• Una utilización eficiente del espectro.

• Una amplia cobertura.

El enlace entre el móvil y la estación base debe mantenerse permanentemente, incluso en zona de handover, que es cuando un terminal pasa de una célula a otra. También debe cubrirse el seguimiento y posición del móvil en todo momento (lo que se conoce como roaning).

4. LOS SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL AUTOMÁTICA (TMA):

Son aquellos que hacen uso del sistema de transmisión de radio celular, y según su evolución empezaron siendo analógicos sobre los '80, y actualmente son digitales para satisfacer y cubrir las limitaciones de la telefonía analógica. Este nuevo sistema se conoce popularmente como el sistema GSM).

4.1.- EVOLUCIÓN:

Pasemos a describir pues esta evolución: el primer sistema que apareció fue el NMT- 450, basado en unas especificaciones nórdicas y que posteriormente tuvieron gran penetración en los países escandinavos. Luego surgió en Estados Unidos y Reino Unido las normas TACS y AMPS, muy similares entre ellas, que funcionaban en la banda de 900 MHz, y que son los sistemas que más abonados tuvo en el mundo antes de la aparición de los sistemas digitales. También surgió la versión del sistema NMT en la banda de 900.

Todos estos sistemas tienen en común que utilizan una interfaz radio analógica, y que a pesar de seguir unas especificaciones más o menos públicas, las implementaciones son propietarias, es decir, no es posible mantener comunicación entre operadoras de diferentes sistemas, o que tengan el mismo sistema pero a diferente ancho de banda, como por ejemplo incompatibilidad entre el NMT-450 y el NMT-900. Este problema no permitía un roaning internacional.

Para solventar estos problemas y viendo que pronto se empezaba a agotar las capacidades de los sistemas analógicos: congestión de la red, imposibilidad de mejorar más la calidad de transmisión, inseguridad de confidencialidad, imposibilidad de reducir aún más los terminales... hicieron que se iniciara en Europa un estudio para la implementación de un sistema digital. Que comenzó ha estudiarse en 1982 y no se comercializó hasta 10 años después, que fue un tiempo suficiente para que se llegara a conseguir una gran estabilidad y capacidad. Y entonces se estableció la norma GSM (Groupe Special Mobile). Además hubo un convenio internacional (un MoU), donde diversos países firmaron para que hubiera compatibilidad del sistema entre sus países.

En paralelo con el GSM, se han definido otros sistemas de telefonía móvil digital: ADC, en Estados Unidos, y IDC, en Japón. NO obstante, GSM es más avanzado y se está implementando en grandes áreas como Australia, sureste asiático, países árabes, etc.., con lo que ha cambiado su denominación por Global System for Mobile Communication, respetando las siglas GSM.

Por último, destacaremos la continuidad tecnológica que ETSI (Instituto Europeo de Estándares de Telecomunicación) ha dado al GSM, especificando el DCS 1800 como primer sistema PCN, y que no es otra cosa que el GSM en la banda de 1800 MHz.

En modo resumen muestro a continuación un pequeño esquema de la evolución de los sistemas, según clasificándolos en analógicos y digitales:

4.2.- CARACTERÍSTICAS, LIMITACIONES Y SERVICIOS DE LA TMA ANALÓGICA:

Las principales características son:

• La modalidad TMA-900 tiene 1320 canales dúplex (incluyendo la banda ETACS). Tiene 25 KHz de BW de cada canal. Y hay 45 Mhz de separación entre las frecuencias de emisión y recepción.

• La modulación para el transporte de la señal radioeléctrica es por multiplexación por división en frecuencia (FDM) de ancho de banda (BW). Esto significa que la BW disponible se divide en porciones, cada una de las cuales constituye un semicanal, y cada canal completo consta de un semicanal estación base/móvil y de otro móvil/estación base. La eliminación de interferencias entre canales se consigue haciendo que cada estación base utilice un juego de frecuencias diferentes al de su colateral.

• Estructura de red de un solo nivel jerárquico.

• Centralitas electrónicas automáticas, de control por programa almacenado.

• Interface con la RTB: con centrales de tránsito, a 4 hilos.

• Seguimiento automático.

Las limitaciones son:

• Transmisión de datos a velocidades de 1200 bit/s -> 25 KHz de BW (ancho de banda).

• Peor calidad frente a sistemas digitales.

• No se puede proteger la información.

• Terminales demasiado grandes para ser portátiles.

Los servicios son:

• Conversación dúplex, en ambos sentidos simultáneamente entre emisor y receptor.

• Transmisión de datos con un módem adecuado. Pero a muy bajas transferencias binarias.

• Correo electrónico, recibiendo los mensajes por pantalla o impresora.

• Llamada en espera. Los teléfonos TACS permiten hacernos saber si se ha recibido una llamada en ausencia nuestra, y s si no estabamos disponibles, el llamante podía dejar un mensaje de voz en el contestador de la central.

4.2.1.- ESTRUCTURA DE UNA RED DE TMA ANALÓGICA:

En general una red de comunicaciones móviles analógica presenta la siguiente estructura:

Estaciones móviles (MS): suministran un servicio concreto a los usuarios en el lugar, instante y formato (voz, datos e imágenes) adecuados. Cada estación móvil puede actuar en modo emisor, receptor o en ambos modos.

Estaciones base (BTS): se encargan de mantener el enlace radioeléctrico entre la estación móvil y la estación de control de servicio durante la comunicación. Una estación de base atiende a una o varias estaciones móviles, y según el número de estas y el tipo de servicio, se calcula el número adecua­do de ellas para proporcionar una cobertura total de ser­vicio en el área geográfica que se desea cubrir.

La reducción de la potencia en las estaciones móviles permite disminuir la interferencia entre las MS asigna­das a canales idénticos, así como el tamaño y peso de los circuitos suministradores de energía (baterías), lo que hace del servicio una mejor calidad y comodidad de uso.

Estaciones de control (RSC): realiza las funciones de gestión y mantenimiento de servicio. Una tarea de esta consiste en asignar estaciones base de un sector, dentro de un área de cobertura, a las estaciones móviles que se desplazan por el sector.

Otra función es controlar el handover que se produce al cambiar de célula, cambiando el canal ocupado por la estación móvil en la BTS anterior por otro libre en la BTS próxima.

Y por último también controla la localización de una estación móvil fuera de su sector habitual. Y esto implica que en cada estación base deben conocerse las estaciones móviles residentes y las visitantes. para que las estaciones de control puedan determinar su posición en cualquier instante.

Centro de conmutación (MSC): permiten la conexión entre las redes públicas y privadas con la redes de comunicaciones móviles, así como la interconexión entre estaciones móviles localizadas en distintas áreas geográficas de la red móvil.

La tendencia futura es establecer un único Servicio Móvil Universal, que englobe los sistemas y servicios actuales (celulares, radiobúsqueda, teléfono sin cordón, centralitas sin hilos, etc..) en todos los sectores del mercado.

4.3.- LOS SISTEMAS TMA DIGITALES:

Como he comentado anteriormente, la capacidad de los sistemas analógicos no es la suficiente para dar servicio al número creciente de abonados y se establece pues un nuevo sistema llamado GSM (Global System for Mobile Communication), que pretende unificar los distintos sistemas digitales y más de 10 analógicos existentes en el mundo. Hoy, de un mercado celular que supera los 50 millones de usuarios, el GSM supone aproximadamente un 10%, y se prevé que esta cifra aumente considerablemente.

Todos los operadores GSM (más de 200 en 120 países) forman parte del grupo MoU de GSM, y esto facilita al usuario una gran movilidad, porque ya hay un acuerdo entre países y el abonado podrá hacer roaning internacional.

En España existen actualmente tres operadoras GSM: Movistar que comenzó el 25 julio de 1995, Airtel (3 meses más tarde) y Amena que lo hizo en enero de 1999. Pero la cobertura de estos sistema es inferior al TACS, aunque poco a poco se está igualando.

4.3.1.- CARACTERÍSTICAS Y SERVICIOS EN GSM:

Las características técnicas del GSM son las siguientes:

A diferencia de los sistemas analógicos, es un sistema multiplexado en el tiempo (TDM) de banda estrecha, (dentro de la banda de 900 MHz y una separación de 200 kHz entre portadoras). Esto quiere decir que dentro de cada una de las frecuencias resul­tantes de la partición del ancho de banda disponible, hay una segmentación en intervalos de tiempo establecién­dose una trama de semicanales temporales. Cada conversa­ción se asigna a una de estas tramas, y digitalizada se transmite como un tren de impulsos de datos, cada uno de 577 microsegundos. Estos impulsos se entrelazan en las tramas, por lo que cada canal puede admitir varias conversaciones, en lugar de una sola, como ocurre en los sistemas analógicos. Gracias a este “salto” continuo de frecuencia se evita las interferencias a que puede estar sometida una única frecuencia en un determinado momento, lo que mejora la calidad de la red.

Cada MHz en el BW se divide en 5 portadoras de ancho de banda individual de 20 KHz, siendo cada una de ellas capaz de soportar 8 semicanales individuales (full rate), destinando un octavo de tiempo a cada semicanal. Es de destacar el hecho de que el ancho de banda por portadora requerido por los sistemas GSM es mayor que en el caso de telefonía analógica. Lo que a fin de cuentas se debe a que ese ancho de banda depende directamente de la cantidad de información a transportar en el tiempo.

Otras características son:

• La baja potencia de las estaciones móviles: 10, 8, 5, 2, 0'8 W.

• El PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente): es un parámetro que define el producto entre la ganancia de la antena y la del transmisor.

• Hay dos canales individuales para voz y datos.

• Control de autentificación para el acceso al sistema. A través de las tarjetas SIM.

Próximamente se espera soportar 16 semicanales por portadora (velocidad half rate) mediante la codificación de la señal. Se esperará tener una cobertura mixta de microcélulas y la operación dual GSM900/DCS 1800 (de hecho la operadora Amena ya lo consigue), además de otras mejoras significativas. En cuanto a capacidad, y según resultados basados en modelos celulares, para zonas urbanas es del orden de diez veces mayor que la conseguida con los actuales sistemas analógi­cos.

La lista de servicios en GSM son los siguientes:

• Comunicaciones telefónicas de voz.

• Buzón de voz o contestador automático.

• Desvío de llamadas.

• Restricción de llamadas.

• Indicación de llamada en espera.

• Retención de llamadas.

• Recepción de mensajes cortos (radiomensajería).

• Agenda electrónica integrada en el SIM.

• Identificación de llamada entrante, antes de descolgar.

• Ocultación de identidad, para no mostrar el número de telé­fono cuando se llame a otro usuario.

• Multiconferencia.

• Indicación del coste de la llamada.

• Limitación de consumo.

• Transmisión de datos a 9.800 bits, existiendo dos posibilidades:

• Por canal de datos: Se necesita un DSA (Data Service Adapter) que se encarga de enviar el CODEC vocal. Tam­bién, es necesario utilizar una serie de módems en la GSMC para adaptar los datos a la red.

• Por canal de voz: Al no poder enviar el CODEC vocal se necesita utilizar un módem en cada extremo para adaptar las señales digitales (conversión D/A en el módem y con­versión A/D en el CODEC).

5.- BANDAS OCUPADAS POR TELEFONIA MÓVIL:

Las bandas ocupadas por la telefonía móvil son las siguientes:

GSM

890-915/935-960 MHz

875-888/920-933 MHz

PCN

1710-1880 MHz

DECT

1880-1990 MHz

1850-1880 MHz

ERMES

169.4-169.8 MHz

DSRR

888-890/933-935 MHz

CT2

864-868 MHz

TRUNKED DIGITAL

230-400 MHz

790-862 MHz

870-888/915-933 MHz

1710-1880 MHz

UMTS-FPLMS

1900-2100 MHz

IRIDIUM

1610-4626.5 MHz

27.5-30 MHz

18.8-20.2 MHz

22.5-23.5MHz

6. TEMA ADICIONAL: LA SEGURIDAD EN TELONÍA MÓVIL:

El enlace radio facilita la intrusión, de modo que usuarios no autorizados pueden hacer un uso fraudulento del mismo. Para evitarlo se adoptan varias medidas de seguridad, entre las que destaca el encriptado digital del enlace radio para ase­gurar la privacidad de las conversaciones y la autentificación de las llamada. La comprobación de validación y uso no auto­rizado de un terminal, mediante el empleo de una tarjeta inteligente de identificación de usuario llamada SIM (Subscribe Identify Module). Esta está dotada de un microprocesador y memoria ROM de hasta 8 kBytes que permite el almacenamiento de hasta 12 mensajes - de la que existen dos versiones, una estándar denominada ISO con las dimensiones de una tarjeta de crédito, y otra denominada microtarjeta o plug-in que es un módu­lo físico de reducidas dimensiones: 25x 15 mm. Esta última contempla información relativa a la suscripción del abonado, y un código de identificación personal PIN secreto de cuatro cifras que es requerido por el terminal cada vez que éste es activado, lo que hace imposible que alguien pueda utilizar una tarjeta que haya sido sustraída o duplicada.

Cuando un usuario introduce esta tarjeta SIM, se conecta al sistema y ese terminal pasa a ser su propio teléfono móvil, con las facilidades que le permita su tarjeta. De esta manera se puede utilizar cualquier terminal como propio y las facturas de las llamadas cursadas se emi­tirán a la cuenta asignada a la tarjeta.

El mecanismo de funcionamiento es como sigue: el usuario se identifica ante el SIM tecleando su PIN. A la vez, que la red comprueba el SIM mediante un protocolo de autentifica­ción; en cada nueva operación el sistema consulta el registro de posiciones local o visitante en la central de conmuta­ción y se cerciora de que el usuario tiene derecho al acceso a la red mediante un breve diálogo con la tarjeta SIM. La pro­tección de la identidad del terminal (usuario), para evitar el seguimiento de su localización por terceros, se establece al asignarle la red un “alias” temporal (TMSI). Al menos en cada actualización de posición.

Una novedad en 1999 es la aparición de las tarjetas SIM Toolkit, una herramienta que usará el móvil para disfrutar de las ventajas que ofrece la segunda fase de GSM. Las aplica­ciones SIM Toolkit consisten en una serie de procedimientos y comandos que extienden las funciones de la interface entre el teléfono GSM y la tarjeta SIM permitiendo una comunicación más completa. Se podrán programar nuevos servicios, con independencia de los fabricantes de terminales y tarjetas. De esta manera el operador puede personalizar los servicios de cada abonado móvil a través su teléfono móvil.

6.1.- CLONAJE DE TARJETAS SIM DE GSM:

Es posible gracias a un fallo de uno de los protocolos de estas tarjetas, clonar SIM's y poder hacer llamadas con la autentificación de otro usuario. Para esto, se necesita tener acceso físico a la tarjeta y saberse el PIN. Como la autentificación se basa en el IMSI (la identidad de abonado móvil internacional que le asocia la estación de servicio) y en la Ki (la clave secreta de autentificación), solo son necesarios estos dos elementos para simular una SIM. Por lo tanto, clonar una SIM puede resumirse en dos pasos:

Obtener el IMSI y la Ki.

Simular una tarjeta con ese IMSI y esa Ki y conectarla al móvil.

Para lo primero, emplearemos un analizador de SIM's diseñado por Dejan Kaljevic. Este analizador permite obtener el IMSI inmediatamente, pero para extraer la Ki necesita 8 horas aproximadamente. El circuito es el siguiente:

y el programa viene en la dirección http://akelarre.timofonica.com

Una vez que hemos extraído estos dos elementos, debemos simular una tarjeta con ese IMSI y esa Ki. Para ello, emplearemos un simulador que también se puede conseguir en la dirección de antes. A continuación se dan los esquemas para montar la placa en PCB:

10