CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES:
Los proyectos en redes inalámbricas han
tenido gran aceptación a nivel Universitarios como científico ejecutorio
promoviendo los aspectos de investigación esenciales. Es por ello que
actualmente se conocen innumerables propuestas e incluso ejecuciones de las
redes inalámbricas. actualmente la de
mayor novedad y ejecución son las redes
WiMax ya que estas amplían el rango de distribución y o propagación de estas
así como factibilidad de la movilidad.
En Octubre 2007 en Buenos Aires,
Argentina la empresa Ertach en la persona de Fabiola Bonelli promovieron la ejecución de “ WiMAX móvil y el
Futuro de las telecomunicaciones” para la empresa en el que ofrecen a sus
usuarios cumplir u ofrecer el estar
siempre conectados con grandes Anchos de Banda y excelente QoS. En el que WiMAX
refleja esa necesidad y lidera la próxima revolución de las telecomunicaciones:
“La Convergencia Fijo –Móvil”. Donde sus servicios móviles de WiMAX estarán
concentrados principalmente en áreas urbanas debido a la alta densidad, y no
reemplazará xDSL o 3G, si bien van a competir, y las tecnologías tendrán que
coexistir. En el que plantearon que el
impacto de WiMAX será más fuerte en países emergentes debido a la falta
de estructura cableada.
Igualmente, En
Julio del 2006 Pablo González García Elaboro
la investigación titulada “Diseño de una herramienta
de planificación de sistemas WiMAX” en la que el investigador plantea: Este proyecto se basa en el diseño de una herramienta de
planificación de sistemas WiMAX (Estándar IEEE 802.16-2004) para realizar una
primera estimación de capacidad y cobertura de un despliegue de red con
múltiples estaciones. Su desarrollo es la continuación de otro proyecto en el
cual se realizó una herramienta en Excel para determinar las prestaciones del
estándar 802.16. La continuación y realización del nuevo proyecto supone dos
objetivos principales que son los que seguirá este documento.
En el primer objetivo la
caracterización de cobertura y capacidad de una estación base del sistema
WiMAX, para esto se validará la herramienta ya diseñada y se le introducirán
mejoras.
El segundo objetivo y el más
importante permitirá que la herramienta en Excel realice un estudio de
planificación de una red WiMAX con múltiples estaciones en la zona de servicio.
Para llevar a cabo estos dos objetivos, en primer lugar se presentó una
breve descripción de las redes de acceso radio de banda ancha, presentando
también todas las características que rigen el despliegue de una red de este
tipo. Seguido se presentan todas las especificaciones del estándar IEEE
802.16-2004, que es el estándar en el cual está basado la herramienta. Una vez
explicada la tecnología WiMAX se realizará la validación de la herramienta, se
le introducirán las mejoras y se especificará el estudio de la planificación de
redes WiMAX. Finalmente se presentan sus resultados, que si bien no son óptimos
son aceptablemente buenos, teniendo en cuenta que el sistema utiliza modelos de
propagación teóricos y el despliegue no tiene en cuenta los datos topográficos
de la zona de servicio.
Así mismo en el 2006 Leonardo Betancur Agudelo y cols.
Plantearon la investigación titulada “Planeación de redes inalámbricas basadas
en la Tecnología WiMAX con la herramienta de simulación Ics telecom” en el cual
se muestran los
resultados que se obtienen al simular redes inalámbricas que emplean el
estándar IEEE 802.16, mejor conocido en el medio como WiMAX.
En que
diseñaron un estándar con capa MAC que soporta diferentes interfaces de aire,
pero con capa física dependiendo del uso del espectro y de las regulaciones
existentes. El estándar aprobado en el 2001, se concentró en las bandas de
frecuencias de 10 a 66 GHz. Un nuevo proyecto de reforma (amendment) denominado IEEE 802.16a
aprobado antes de finalizar el 2002 extendió el rango de trabajo a las bandas
de frecuencia de 2 a 11 GHz, incluyendo de esta forma bandas licenciadas y no
licenciadas en las diferentes regulaciones.
Se muestra también el desempeño y cobertura de las
redes en ambientes Indoor y Outdoor, realizando análisis que permitieron a los
diseñadores de redes mejorar la eficiencia de esta nueva tecnología.
Sin embargo
en el año 2005 el Ingeniero Luis
Kaen para optar al postgrado ingeniería
en telecomunicaciones realizo una investigación llamada “Wimax 802.16” en el
que plantea que la tecnología antes nombrada está a punto de
revolucionar el acceso de banda ancha de la industria. con un desempeño
comparable al que actualmente ofrecen los servicios tradicionales de cable, DSL
o T1. La principal ventaja de los sistemas basados en 802.16 es que poseen la
habilidad de proveer servicio rápidamente, aún en áreas difíciles de alcanzar
por infraestructuras cableadas; y la habilidad de superar las limitaciones
físicas de las tradicionales redes de infraestructura. Proveer una conexión
alambica de banda ancha a un área actualmente sin servicio mediante una
conexión DSL o de cable puede ser un proceso altamente costoso y largo de
implementar en términos de tiempo, con el resultado de que grandes áreas a
través de la tierra no poseen acceso a conectividad de
banda ancha. La tecnología inalámbrica 802.16
provee una manera flexible en cuanto a costo y efectividad de llenar los
espacios vacíos en cobertura de banda ancha creando nuevas formas de brindar
servicios de banda ancha sin los ‘vicios’ conocidos del mundo alámbrico.
Un buen ejemplo es la proliferación de redes
inalámbricas para hogares, oficinas y hot-spots comerciales, basados en el
estándar 802.11. Esta proliferación de redes inalámbricas está conduciendo la
demanda de conectividad de banda ancha a Internet, la cual puede ser provista
por el 802.16 mediante un servicio de aire de largo alcance en términos
relativos a la ubicación del proveedor del mismo. Para operadores y proveedores
de servicio, los sistemas construidos sobre el estándar 802.16 representan un
‘tercer caño’ fácilmente desplegable capaz de ofrecer acceso de banda ancha de
ultima milla flexible y accesible para millones de abonados de hogares y negocios.
De igual manera en el
año 2005 Ruben Dario
Montoya Jaramillo en la universidad del Valle Santiago de Cali realizo el trabajo de grado titulado “simulación de la
interfaz de aire para sistemas fijos de acceso inalámbrico de banda ancha
WiMAX. (IEEE 802.16-2004)” en la cual planteo
realizar un software que permitiera simular los parámetros del estándar IEEE
802.16-2004, para lo cual se debe realiza un estudio exhaustivo del estándar
antes mencionado.
Trabajo de grado se
enfoco en el desarrollo de un software de simulación que permitiera la
simulación de la interfaz aérea de WiMax, enfocándose en la banda de 28 GHz
(27.5 a 28.5 GHz) la cual es la banda reglamentada en Colombia para LMDS, y en la cual inicialmente operaria
la tecnología, ya que las bandas comprendidas entre 2 y 10 GHz se encuentran
habilitadas para uso en distancias cortas, típicas de WLAN, y para trabajar con
niveles bajos de potencia.
Con el cual se
desarrollo un software en el que se puedo evaluar: Evaluar el desempeño de la capa física del
enlace, el desempeño de la capa física
del enlace dependiendo del número subscritores conectados a la misma estación
base, evaluar los efectos en la capa
física del enlace debidos a la interferencia multitrayectoria, así como,
evaluar los efectos en la capa física del enlace debidos a la presencia de
lluvia y niebla y evaluar el desempeño de la capa física del enlace en
situaciones donde la distancia y debilitación del canal requieran la adaptación
de la capa física .
Con el fin de desarrollar una
herramienta, con la anteriores características, que permita a los ingenieros
comprender el funcionamiento de la capa física de IEEE 802.16, no solamente
para planear y gestionar una red WiMax, sino también para entender su
funcionamiento permitiéndoles el desarrollo de aplicaciones bien orientadas a
la tecnología de la que disponen. Asi como, contar con un documento que sirva
de base a cualquier futuro estudio en sistemas IEEE 802.16, ya sea a nivel de
capas inmediatamente superiores a la capa física como también a nivel de
aplicación.
2.2 CONSIDERACIONES
GENERALES:
El Instituto
de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, (IEEE) corresponde a
las siglas de The Institute of
Electrical and Electronics Engineers, una asociación
técnico-profesional mundial dedicada a la estandarización, entre otras cosas.
Es la mayor asociación internacional sin fines de lucro formada por
profesionales de las nuevas tecnologías, como ingenieros eléctricos, ingenieros
en electrónica, científicos de la computación e ingenieros en telecomunicación.
En Enero de 2003, aprobaron el estándar 802.16a, el cual cubre bandas de
frecuencias entre 2 GHz y 11 GHz. Este estándar es una extensión del estándar
IEEE 802.16 para 10-66 GHz publicado en Abril de 2002. Este subrango de frecuencias
en 11 GHz permite el desempeño de enlaces sin ‘línea de vista’, haciendo al
IEEE802.16a la tecnología apropiada para aplicaciones de última donde los
obstáculos como árboles y edificios están siempre presentes y en donde las
estaciones bases pueden necesitar ser montadas sin discreciones en los techos
de viviendas o edificios en vez de en torres o montañas.
La configuración más común 802.16a consiste
en una estación base montada en un edificio o torre que comunica en
configuración punto-multipunto a acreditados ubicada en oficinas u hogares. El
802.16a posee un rango de hasta 48 Km con celdas típicas de 6.5 a 9.5 Km.
Es necesario para un modelo de negocio
rentable, los operadores y/o proveedores de servicio necesitan sostener
abonados de alto nivel de ingresos y un alto volumen de abonados residenciales.
El 802.16ª satisfaciendo este requerimiento mediante el soporte de niveles de
servicio diferenciados, los cuales pueden incluir servicios de nivel T1
garantizados para negocios, o servicios
para usuarios residenciales.
La especificación 802.16 también incluye
funciones de seguridad robustas y la Calidad de Servicio (QoS) necesaria para
soportar servicios que requieren baja latencia como video y voz.
Mientras varias tecnologías disponibles
actualmente para enlaces inalámbricos fijos de banda ancha pueden solamente
proveer cobertura para línea de vista (LOS), la tecnología WiMAX ha sido
optimizada para proveer una excelente cobertura sin línea de vista (NLOS). Esta
tecnología permite la mejor cobertura de larga distancia hasta los 50 KM en
condiciones LOS y celdas de radio típicas hasta los 8 Km dentro de condiciones
NLOS.
ESTÁNDAR IEEE 802.16a (WiMAX).
Empecemos por el nombre: WiMax viene de "Interoperabilidad mundial de
acceso de microondas" (en inglés "Worldwide Interoperability for
Microwave Access"). Este nombre es la máscara de la definición técnica de
la norma 802.16a, un nuevo estándar inalámbrico que fue aprobado recientemente
(en enero del año 2005) en el WiMax Forum, donde se congregan más de 60
compañías del sector.
En un escenario
totalmente en movimiento, los usuarios podrán desplazarse mientras tienen
acceso de datos de banda ancha o a una sesión de transmisión en tiempo real de
multimedia. Todas estas mejoras ayudarán a hacer que WiMAX sea una solución aún
mejor para el acceso de Internet para economías en crecimiento.
Mundialmente sólo 5 % de las estructuras
comerciales usan redes de fibra, siendo este el método más usado por las
grandes empresas para tener acceso a banda ancha. Estas redes son extendidas en
el mundo cableado vía DSL o cable. Ambas tecnologías muestran altos costos por
los cambios de infraestructura. Siendo la velocidad de estos sistemas entre 128
Kbps y 1.5 Mbps.
WiMAX no es sólo un estándar más. El acceso
inalámbrico de banda ancha proporciona más capacidad a más bajo costo que DSL o
cable pero ha sido retenido por la falta de un estándar. La estandarización por
medio de la especificación IEEE
-
Acabar con banda ancha
cableada y hace a la tecnología inalámbrica la plataforma clave del futuro.
-
Extiende el rango de Wi-Fi
de forma que el mito de alcance inalámbrico en todas partes del mundo pueda ser
realidad.
-
Proporcionar una alternativa
o complemento a 3G.
-
Proporcionar una
infraestructura de comunicaciones viable y económica para países en vías de
desarrollo y regiones con hoyos de comunicación móviles en países
desarrollados.
WiMAX es el estándar emergente de IEEE más
importante. Pero el efecto de esta tecnología en el mundo de negocios, Internet
de consumidor y acceso inalámbrico será
más profundo. En un período de 5 años se espera que WiMAX sea la
tecnología dominante para redes inalámbricas. Para ese entonces será
completamente móvil al igual de proporcionar acceso de banda ancha de bajo
costo en nuevas regiones donde el acceso a Internet no ha podido ser práctico
hasta ahora.
El desempeño de 802.11 regresará a su lugar correcto como una
útil aunque limitada tecnología de área local completamente integrada con
WiMAX.
Que gracias a su más alta eficiencia en la
transmisión de datos y su mucho menor costo de infraestructura comparado con
las tecnologías actuales se convertirá en un estándar muy demandado. Esto
asegurara la interacción entre los productos de diferentes marcas.
Es probablemente el primer estándar de
telecomunicaciones universal en el cual han sido eliminadas las diferencias
entre regiones e industrias. La firma Intel considera a este estándar como “la
cosa más importante desde el mismo Internet”. WiMAX es el único estándar que
permitirá realmente por primera vez banda ancha inalámbrica universal y será la
tecnología más significativa hasta la fecha en dar acceso inalámbrico en todas
partes, mientras que se abre un espectro más libre en crear mayor movimiento en
el sector de las comunicaciones inalámbricas.
2.4 ESTANDARES DE WiMAX
El estándar WIMAX iniciaron en 1998,
sin embargo. la primera versión del estándar fue completado en Octubre del 2000
(IEEE 802.16-2001) y publicado el 8 de abril del 2002. Este define la interface
aire y la capa de enlace MAC para redes inalámbrica de Área Metropolitana
(WMAN), con la intención de proveer banda ancha inalámbrica para servicios de
voz y datos; con usos residenciales y empresariales. Esta primera versión está
considerada solo para usuarios fijos.
El estándar fue diseñado con una capa MAC que soportará diferentes interfaces
de aire, pero con capa física dependiente del uso del espectro y de las regulaciones
existentes. El estándar aprobado en el 2001, se concentro en las bandas de
frecuencias de 10 a 66 GHz: mientras que un nuevo proyecto de reforma
denominado IEEE 802.16a-2003 aprobado antes de finalizar el 2002 y ratificado
en marzo del 2003: extensión el rango de trabajo a las bandas de frecuencia de
2 a 11 GHz, incluyendo de esta forma bandas licenciadas y no licenciadas en las
diferentes regulaciones.
Del IEEE 802.16a-2003, coexisten tres
estándares ampliamente desarrollados. El primero es la reforma número uno del
estándar 802.16-2001 relacionado con los protocolos y las pruebas de
interoperabilidad para frecuencias de 10 a 66 GHz (80216c); el segundo o
transformación tres del estándar 802.16-2001, habla de los perfiles de sistemas
para conseguir la interoperabilidad en bandas de 2 a 11 GHz (802.16d) y el
tercero encargado de aplicaciones móviles (802.16e).
IEEE 80216-2004 es la última versión del estándar 80216, aprobado en junio del
2004 publicado el 1 de octubre del mismo año. Este estándar revisa y consolida
a los estándares IEEE 802.16-2001, 802.16a-2003. 80216d y 802.16c. Se lo
denomina “Estándar IEEE para Redes de Área Local y Metropolitana Parte 16:
Interfaz Aire para Sistemas de Acceso Fijo Inalámbrico de Banda Ancha”, ya que
este especifica el interfaz aire para sistemas de acceso inalámbrico de banda
ancha fijo (BWA), soportando múltiples servicios multimedia.
La
capa de control de acceso al medio MAC que soporta una arquitectura punto
multipunto con topología opcional en malla y está estructurada de tal manera
que permita soportar varias especificaciones de capa física (PHY). Para
frecuencias de operación de 10 a 66 GHz, se especifica la capa física SC para
WMAN (WirelessMAN-SC PHY), basada en modulación de portadora única Para
frecuencias menores a 11 GHz donde es posible la propagación sin línea de
vista, se ofrecen tres alternativas: la capa física OFDM para WMAN
(WirelessMANOFDM) usando OFDM, la capa física OFDMA para WMAN (WirelessMANOFDMA)
usando OFDMA y la capa física SCa para WMAN (WirelessMAN-SCa) usando modulación
de portadora única.
2.5 POTENCIALES
Es de gran importancia conocer los pontenciales y
beneficios proporcionados por una Redes WiMAX para así ARCAMA C.A. contar
contar con un servcio al maximo y sin limitaciones ellos son:
2.6 CARACTERÍSTICAS
DE LA RED WIMAX
El estándar 802.16 puede alcanzar una
velocidad de comunicación de más de 100 Mbit/s en un canal con un ancho de
banda de 28 MHz (en la banda de
Comparativa de WiMAX frente
a otras tecnologías.
|
WiMAX 802.16 |
Wi-Fi 802.11 |
Mobile-Fi 802.20 |
UMTS y
cdma2000 |
Velocidad |
124
Mbit/s |
11-54
Mbit/s |
16
Mbit/s |
2 Mbit/s |
Cobertura |
40- |
|
|
|
Licencia |
Si/No |
No |
Si |
Si |
Ventajas |
Velocidad
y Alcance |
Velocidad
y Precio |
Velocidad
y Movilidad |
Rango y
Movilidad |
Desventajas |
Interferencias? |
Bajo
alcance |
Precio
alto |
Lento y
caro |
Estas velocidades tan elevadas se
consiguen gracias a utilizar la modulación OFDM (Orthogonal Frequency División
Multiplexing) con 256 subportadoras, la cual puede ser implementada de
diferentes formas, según cada operador, siendo la variante de OFDM empleada un
factor diferenciador del servicio ofrecido. Esta técnica de modulación es la
que también se emplea para la TV digital, sobre cable o satélite, así como para
Wi-Fi (802.11a) por lo que está suficientemente probada. Soporta los modos FDD
y TDD para facilitar su interoperabilidad con otros sistemas celulares o
inalámbricos.
Soporta varios cientos de usuarios por
canal, con un gran ancho de banda y es adecuada tanto para tráfico continuo
como a ráfagas, siendo independiente de protocolo; así, transporta IP,
Ethernet, ATM etc. y soporta múltiples servicios simultáneamente ofreciendo
Calidad de Servicio (QoS) en 802.16e, por lo cual resulta adecuado para voz
sobre IP (VoIP), datos y vídeo. Por ejemplo, la voz y el vídeo requieren baja
latencia pero soportan bien la pérdida de algún bit, mientras que las
aplicaciones de datos deben estar libres de errores, pero toleran bien el
retardo.
Otra característica de WiMAX es que
soporta las llamadas antenas inteligentes (smart antenas), propias de las redes
celulares de 3G, lo cual mejora la eficiencia espectral, llegando a conseguir 5
bps/Hz, el doble que 802.11a. Estas antenas inteligentes emiten un haz muy
estrecho que se puede ir moviendo, electrónicamente, para enfocar siempre al
receptor, con lo que se evitan las interferencias entre canales adyacentes y se
consume menos potencia al ser un haz más concentrado.
También, se contempla la posibilidad
de formar redes malladas (mesh networks) para que los distintos usuarios
se puedan comunicar entres sí, sin necesidad de tener visión directa entre
ellos. Ello permite, por ejemplo, la comunicación entre una comunidad de
usuarios dispersos a un coste muy bajo y con una gran seguridad al disponerse
de rutas alternativas entre ellos.
En cuanto a seguridad, incluye medidas
para la autenticación de usuarios y la encriptación de los datos mediante los
algoritmos Triple DES.(128 bits) y RSA (1.024 bits).
Una de las principales limitaciones en
los enlaces a larga distancia vía radio es la limitación de potencia, para
prever interferencias con otros sistemas, y el alto consumo de batería que se
requiere. Sin embargo, los más recientes avances en los procesadores digitales
de señal hacen que señales muy débiles (llegan con poca potencia al receptor)
puedan ser interpretadas sin errores, un hecho del que se aprovecha WiMAX. Con
los avances que se logren en el diseño de baterías podrá haber terminales
móviles WiMAX, compitiendo con los tradicionales de GMS, GPRS y de UMTS.
Tasa de Transferencia
A traves de un firme esquema de
modulación, el IEEE 802,16-2004 entrega una tasa de transferencia de más de 70
Mbps: con un alto nivel de eficiencia espectral y es también tolerante a
reflexiones de señal Estas velocidades tan elevadas se consiguen gracias a la
modulación OFDM con 256 subportadoras.
Escalabilidad
Un planeamiento de celda en el espectro de bandas
licenciada y no licenciada, WiMAX soporta anchos de banda de canal de flexibles
de 1,5 MHz a 20 MHz. Sin embargo si un
operador tiene asignado 20 MHz de espectro, este operador puede dividirlo en 2
sectores de 10 MHz cada uno, o 4 sectores de 5 MHz cada uno. Para escalar aun
más la cobertura, el operador puede rehusar el mismo espectro en dos o más
sectores creando aislaciones propias entre las antenas de las estaciones base.
Calidad
de Servicio
Calidad de
servicio, que permiten servicios de voz tradicional TDM o V0IP y video. Las
características de garantía requeridas por el controlador de acceso al medio
(MAC), permiten brindar simultáneamente niveles de servicio garantizados para
negocios y servicio de alto volumen a hogares, equivalentes a los niveles de
cable.
Cobertura
WiMAX tecnología
basada en estándares de red de área metropolitana, ya que con una sola estación
se pueden cubrir distancias mayores a 50 kilómetros, con línea de vista (LOS) y
de hasta 8Km sin línea de vista (NLOS). brindando servicios de voz, datos y
video, según sea la necesidad; también soporta tecnologías que incrementan
sensiblemente la cobertura en escenarios extremos como por ejemplo, la
tecnología de malla y las técnicas de antena inteligente.
Bandas De Frecuencia
Banda licenciada
10—66 GHz: Para esta banda la línea de vista es requerida y el fenómeno
multitrayectoria es insignificante. El Ancho de banda de los canales es de 25 o
28 MHz con 120 Mbps. Esta banda es principalmente para aplicaciones S0H0.
Banda licenciada debajo de 11 GHz: El estándar puede trabajar con línea de
vista (LOS) o sin ella (NLOS), para esta última se requieren funcionalidades en
la capa PHY como el manejo de potencia y múltiples antenas. El fenómeno
multitrayectoria es muy significante.
La banda de 2,5 GHz se ha asignado en muchos lugares del mundo como América del
Norte, América Latina, parte de Asia, Europa Occidental y Oriental como una
banda licenciada. Cada uno de los países asigna una banda diferentemente, así
el espectro asignado en las diferentes regiones puede ir de 2,5 a 2,7 GHz.
La banda de 3,5 GHz en algunos países necesita licencia. la banda asignada
puede ir de 3,4 a 3,7 GHz.
Bandas No licenciadas debajo de 11 GHz: Por ejemplo de 5 a 6 GHz, tienen las
mismas especificaciones que las licenciadas debajo de 11 GHz, pero tienen en
cuenta las interferencias y coexistencias con otros operadores.
En la banda de 5,725 a
5,85 GHz, muchos países permiten una potencia de salida de 1 Watt, con 10 cual
se puede mejorar la cobertura.
2.7 APLICACIONES
Las primeras versiones de WiMAX fue
realizada para comunicaciones punto a punto o punto a multipunto, típicas de
los radioenlaces por microondas. Las próximas ofrecerán total movilidad, por lo
que competirán con las redes celulares.
Los primeros productos que están
empezando a aparecer en el mercado se enfocan a proporcionar un enlace de alta
velocidad para conexión a las redes fijas públicas o para establecer enlaces
punto a punto.
Otra de sus aplicaciones encaja en
ofrecer servicios a zonas rurales de difícil acceso, a las que no llegan las
redes cableadas. Es una tecnología adecuada para establecer radio enlaces, dado
su gran alcance y alta capacidad, a u coste muy competitivo frente a otras
alternativas.
En los países en desarrollo resulta
una buena alternativa par el despliegue rápido de servicios, compitiendo
directamente con las infraestructuras basadas en redes de satélites, que son muy
costosas y presentan una alta latencia.
La instalación de estaciones base
WiMAX es sencilla y económica, utilizando un hardware que llegará a ser
estándar, por lo que por los operadores móviles puede ser visto como una
amenaza, pero también, es una manera fácil de extender sus redes y entrar en un
nuevo negocio en el que ahora no están, lo que se presenta como una
oportunidad.
Algunos operadores de LMDS (Local
Multipoint Distribution System) están empezando a considerar esta
tecnología muy en serio y ya han comenzado a hacer despliegues de red,
utilizando los elementos que hoy por hoy están disponibles. Si se confirma su
aceptación a través de ARCAMA C.A y sus
usuarios.
2.8 PROPAGACIÓN
El canal de radio inalámbrico es
descrito como: con línea de vista (LOS) o sin línea de vista (NLOS). En un
enlace LOS, la señal viaja a través de un camino directo y sin obstrucciones
desde el transmisor hasta el receptor. Un enlace LOS requiere que la mayor
parte de la primera zona de Fresnel esté libre de obstrucciones corno se
observa en la figura 2.1, si no se cumple este
requerimiento existirá una reducción significativa de la intensidad de la
señal. La zona de despeje de Fresnel requerida depende de la frecuencia de
operación y de la distancia entre transmisor y localidades receptoras.
Figura 2.1: Propagación con línea de vista
En un
enlace NLOS, la señal alcanza al receptor por medio de reflexiones,
difracciones y dispersiones.
Figura
2.2 Propagación sin línea de vista
El fenómeno de caminos múltiples puede
también causar el cambio de la polarización de la señal De esta manera usar
polarización para rehúso de frecuencias, como es realizado normalmente en los
sistemas LOS, puede ser problemático para los sistemas NLOS.
Existen varias ventajas que hacen las aplicaciones NLOS muy deseables. Por
ejemplo, proyectos muy estrictos y restricciones de altura de antenas que a
menudo no permiten a la misma estar posicionada para LOS. Para despliegues
celulares contiguos de gran escala, donde el rehúso de frecuencia es crítico.
La cobertura y problemas resultantes de las condiciones NLOS puede ser mejorada
mediante la influencia de algunas de las capacidades opcionales de WiMAX. Como
se presentan a continuación
Tecnología OFDM
La forma de onda WiMAX OFDM ofrece la
ventaja de posibilitar la operación en los ambientes NLOS. Puesto que la señal
OFDM está compuesta de múltiples portadoras ortogonales, el desvanecimiento
selectivo es localizado en subportadoras que tienen la habilidad de superar la
dispersión por retardos, los multicaminos y la ISI (interferencia
intersimbolos) de una manera eficiente. Corno ejemplo. es mucho más sencillo
ecualizar las potadoras individuales de OFDM que ecualizar una señal de
portadora simple más extensa.
En la figura 2.3 se
muestra un ejemplo de comparación entre una señal OFDM y una señal de portadora
simple; con la información siendo enviada en paralelo por OFDM y en serie por
la portadora simple.
Portadora
Única
Figura
2.3: OFDM
Vs. Portadora Simple o Única
Subcanalización
La subcanalización
permite que el presupuesto del enlace sea balanceado tal que las ganancias del
sistema de enlace ascendente y descendente sean similares.
La subcanalización
concentra la potencia transmitida en alguna cuenta amplia y OFDM, incrementando
la ganancia del sistema, pudiendo esto se usado tanto para extender el alcance
del mismo, superar las pérdidas de penetración de construcciones y reducir el
consumo de potencia del equipo de abonado. El uso de la subcanalización está
más expandido en el acceso OFDM (OFDMA), para permitir un uso más flexible de
los recursos que puedan soportar la operación móvil los efectos de la
subcanalización.
Antenas para Aplicaciones
Inalámbricas Fijas
Las antenas direccionales incrementan
el margen de desvanecimiento mediante la adición de mayor ganancia. Esto
incrementa la disponibilidad del enlace. En comparación con antenas
omnidireccionales Los retardos son reducidos con antenas direccionales en las
estaciones base y equipos de abonados.
Los sistemas de antenas adaptiva (AAS) son una
parte opcional del estándar WiMAX. Estas tienen la propiedad de dirigir su haz
o foco a una direcciones en particular o a varias direcciones. Esto significa
que durante la transmisión, la señal puede ser limitada a la dirección
requerida del receptor, también poseen la propiedad de supresión de
interferencia cocanal de otras localidades. Los sistemas de antena adaptivas
son consideradas para un desarrollo futuro, que podrá eventualmente mejorar el
rehúso del espectro y la capacidad de la red WiMAX.
Diversidad de Transmisión y Recepción
Los esquemas de diversidad son usadas
para tomar ventaja de las señales multitrayectorias y reflexiones que ocurren
en condiciones NLOS. La diversidad es opcional en WiMAX. El algoritmo de
diversidad ofrecido por WiMAX.
Modulación
Adaptiva
La modulación adaptiva. Permite al
sistema WiMAX ajustar el sistema de modulación dependiendo de la condición de
relación señal/ruido (SNR) del enlace. Cuando el enlace tiene alta calidad, se
utiliza el esquema de modulación más alto, dando al sistema mayor capacidad.
Durante el desvanecimiento de la señal, el sistema WiMAX puede cambiarse a un
esquema de modulación menor para mantener la calidad de conexión y estabilidad
del enlace. La característica clave de la modulación adaptiva es que esta
incrementa el rango sobre el cual puede ser usado un esquema de modulación
superior.
Figura 2.4: Radio de
celda relativo para la modulación adaptiva
Técnicas
de Corrección de Errores
Fueron introducidas dentro de WiMAX
para reducir los requerimientos de relación señal a ruido del sistema. Una
codificación fuerte FEC Reed Solomon, codificación convolucional, son usadas
para detectar y corregir errores con el objetivo de mejorar la tasa de
transferencia efectiva Estas técnicas robustas de corrección de errores, ayudan
a recuperar tramas erradas que pueden haber sido perdidas debido al
desvanecimiento selectivo. El requerimiento de repetición automática (ARQ) es
usado para corregir errores que no pueden ser corregidos mediante FEC.
Control de Potencia
Son usados para mejorar el rendimiento
global del sistema, es implementado por la estación base enviando información
de control de potencia a cada estación de abonado para regular el nivel de
potencia transmitido, de esta manera el nivel recibido en la estación base está
a un nivel predeterminado. En un ambiente de desvanecimiento cambiante, este
nivel predeterminado significa que el equipo de abonado solo transmite
suficiente potencia para cumplir este requerimiento. El control de potencia
reduce el consumo de potencia global y la interferencia con las otras
estaciones base adyacentes. Para sistemas LOS la potencia de transmisión del
equipo de abonado es aproximadamente proporcional a la distancia desde la
estación base, para NLOS es dependiente del despeje y las obstrucciones.
2.9 ARQUITECTURA
DEL PROTOCOLO 802.16-2004
Son similares a otras redes 802, con
la característica de poseer un número mayor de subcapas. La capa física especifica el espectro de
frecuencia, el esquema de modulación las técnicas de corrección de errores, la
sincronización entre el transmisor y receptor, la tasa de transferencia de datos
y el tipo de multiplexación. La capa física además define varios esquemas de
modulación, dependiendo de las distancia de cobertura y la relación
señal/ruido.
En la capa física se encuentra las funciones asociadas a los servicios
ofrecidos a los usuarios Estas funcione implican la transmisión de datos sobre
tramas y el control del acceso al medio inalámbrico; siendo éstas
funciones agrupadas dentro de la capa de
control de acceso al medio. La capa MAC define como y cuando la estación base
(BS) o las estaciones de subscriptor (SS) pueden empezar la transmisión en el canal y es capaz
de proporcionar calidad de servicio a protocolos de capas superiores, como ATM;
asignando una cantidad suficientemente grande del canal para satisfacer las
necesidades del servicio.
La vigilancia de la transmisión desde la estación base hacia la estación de
subscriptor (downlink), es relativamente simple debido a que solo existe una
estación transmisora, mientras tanto en el camino inverso, desde la estación de
subscriptor a la estación base (uplink), existen múltiples subscriptores
compitiendo por el acceso, necesitando un control mas complejo En este modelo,
la estación base es la que controla el sistema.
CAPA MAC
La capa MAC posee tres subcapas:
subcapa de seguridad, subcapa de parte común y la subcapa de convergencia de
servicios específicos. La subcapa de seguridad proporciona autenticación,
intercambio de llaves de seguridad y encriptación. En la subcapa de parte común
están localizadas las funciones principales como la administración del canal.
La subcapa de convergencia de servicios específicos provee funciones
específicas para el servicio ofrecido, su función es definir el interfaz para
las diferentes tipos de redes.
La capa de control de acceso al medio
MAC se encuentra sobre la capa física se subdivide en tres subcapas:
• Convergence Sublayer (CS)
• Common Part
Sublayer (CPS)
• Security Sublayer
Son las responsables de ejercer funciones relacionadas al control del acceso y
la transmisión de los datos.
El protocolo MAC IEEE 802.16-2004 fue creado para soportar arquitecturas de red
punto-multipunto (PMP), punto a punto y para bandas de frecuencia bajas soporta
topologías en malla (Mesh). Trabaja con altas tasas de bits, tanto para el
enlace downlink y uplink. Los algoritmos de acceso y de asignación de ancho
banda deben ser capaces de acomodar a centenares de terminales por canal y cada
terminal puede ser compartido por múltiples usuarios finales. Los servicios que
los usuarios finales exigen, son de diferente naturaleza como por ejemplo:
datos, conectividad con IP, voz sobre IP (VoIP) y video. Para poder dar soporte
a esta amplia gama de servicios 802.16-2004 se acomoda tanto a tráfico continuo
como a tráfico a ráfagas.
Subcapa de convergencia
La interoperabilidad requiere tener
una subcapa de convergencia para un servicio especifico (CS), que se encargue
de recibir los datos de capas superiores a través de un SAP CS (Punto de Acceso
al Servicio CS) y clasificarlos; a estos datos después de clasificarlos los
transforma en SDU MAC que son enviados a la subcapa CPS a través de los SAP
MAC. Debido a que el formato de las tramas CS es único. la subcapa CPS no
necesita analizar el formato de las tramas CS.
Una de las características principales de esta subcapa es que puede clasificar
los datos como trama de paquete o ATM.
CS
ATM
La CS ATM, es un interfaz lógico que
acepta celdas ATM generadas por el protocolo de capa ATM de una red ATM, y los
asocia con el SAP MAC CPS. Realiza la clasificación de las celdas, Si es
necesario suprime una porción repetitiva de las cabeceras de datos de los SDUs
CS y entrega las PDUs CS al SAP MAC adecuado.
El PDU CS ATM esta formado de una
cabecera y un payload igual al de una celda ATM, como se muestra en la figura
2.5.
Figura
2.5: Formato del PDU CS ATM
Para
ahorrar ancho de banda, varias celdas ATM con o sin PHS (Supresión de la
cabecera de datos) pueden ser empaquetadas y transportadas por un solo PDU CPS.
La supresión de cabecera de datos PHS en el modo de conexión ATM de VP
conmutado. enruta el VPI (indicador de ruta virtual) a un CID (identificador de
conexión), esto permite eliminar el restante de la cabecera de la celda ATM a
excepción de los campos PTI (identificador de tipo de payload), VCI (indicador
de canal virtual) y CLP (prioridad para eliminación de celdas).
Figura
2.6: PDU Cs para conexiones ATM VP Conmutada.
En el modo VC conmutado, las
combinaciones de VPI y de VCI son asociadas con un CID, esto permite la
eliminación de la cabecera de la celda ATM a excepción de los campos PTI y CLP.
Figura
2.7: PDU CS para conexiones ATM VC Cnmutada
CS PACKET
Como su nombre lo dice, la
especificación CS PACKET (Subcapa de convergencia para paquetes) es utilizada
para soportar protocolos basados en transmisión de paquetes corno por ejemplo:
IP y PPP. En la figura 2.8, se muestra el formato de un SDU MAC, con
un indicador(PHSI) de que ha sido suprimida una porción repetitiva de las
cabeceras de datos de los SDUs Cs.
Figura 2.8:
Fomaato del SDU MAC
El
estándar IEEE 802.16-2004 especifica los formatos de las PDU CS para IEEE8O2.3,
IEEE8O2.11q e IP, como se muestra en la figura 29.
Figura 2.9: PDU CS para 802.3/Ethernet, 802.1q/VLAN,
IP.PHSI=
0 sin supresión de cabecera,
PHSI
≠ 0 con supresión de cabecera.
Subcapa de Parte Común
Las principales funciones de esta
subcapa son la asignación de ancho de banda. establecimiento y mantenimiento de
la conexión, recibir los datos de varias subcapas de convergencia y clasificarlos
a una conexión MAC en particular. Las conexiones son identificadas a través de
un identificador de conexión CID de 16 bits y puede realizar peticiones de
ancho de banda asegurando la conexión. Las topologías PMP (Punto Multipunto) y
Mesh Malla) de las redes inalámbricas son ejemplos de medios inalámbricos
compartidos, que deben utilizar un mecanismo eficiente para su utilización
Topología Punto Multipunto
Figura 2.10: Tipología Punto Multipunto
El enlace
inalámbrico IEEE 802.16 opera con BS central y una antena sectorizada, la cual
es capaz de manejar múltiples sectores independientes simultáneamente. Dentro
de un canal de frecuencia dada y un sector de antena, todas las estaciones
reciben la misma transmisión o parte de la misma. La BS es el único transmisor
funcionando en esta direccián, de manera que transmite sin necesidad de
coordinar con otras estaciones, excepto Si utiliza TDD que puede dividir
en periodos de transmisión de uplink y downlink. El downlink es generalmente
broadcast a menos que se indique que las tramas están dirigidas para un SS en
específico. Los SSs revisan los ClDs en los PDUs que reciben y retienen
únicamente los que están dirigidas a ellos.
Las estaciones de subscriptor SS comparten el uplink hacia la BS bajo demanda.
Dependiendo de la clase de servicio utilizado, la SS puede mantener los
derechos de transmisión o el mismo puede ser garantizado por la BS luego de
recibir el pedido por parte del usuario.
Dentro de cada sector, los usuarios se adhieren a un protocolo de transmisión
que controla la contención entre usuarios y faculta al servicio a ser acomodado
a los requerimientos de ancho de banda y retardo de cada aplicación de usuario.
Esto es implementado usando garantías de ancho de banda no solicitado, poleo
(polling) y procedimientos de contención. Los procedimientos son definidos en
los protocolos para posibilitar a los proveedores optimizar el desempeño del
sistema, usando diferentes combinaciones de técnicas de asignación de ancho de
banda, mientras se mantengan definiciones de interoperabilidad consistentes.
Por ejemplo, la contención puede ser usada para evitar el poleo individual de
estaciones de suscriptor que han estado inactivas por un largo periodo de
tiempo.
El uso del polling simplifica la operación de acceso y garantiza que las
aplicaciones reciban servicio de manera determinística, si es requerido. En
general las aplicaciones de datos son tolerantes al retardo, pero las de tiempo
real como video y voz requieren servicio de manera uniforme y a veces de un
esquema muy rígido.
La MAC es orientada a conexión para el propósito de enrutar los servicios en
las SS’s y asociar los niveles de QoS. El flujo de servicio puede ser provisto
cuando una SS es instalada en el sistema. Inmediatamente de la registración de
la SS, las conexiones son asociadas con este flujo de servicio (una conexión
por flujo de servicio), para proveer una referencia a favor de quien requiere
el ancho de banda. Adicionalmente, pueden ser establecidas conexiones nuevas
cuando un servicio de cliente necesite cambios.
El concepto de flujo de servicio en una conexión es importante en la operación
del protocolo MAC. El flujo de servicio provee un mecanismo para el manejo de
Q0S del uplink y downlink. Una SS requiere ancho de banda en la conexión de
uplink, este ancho de banda es garantizado POT la BS a la SS como un agregado
de garantías en respuesta a requerimientos de conexión de la SS.
Finalmente, las conexiones pueden ser terminadas, esto ocurre generalmente
cuando un contrato de servicio a un usuario cambia. La terminación de la
conexión es estimulada por la BS o la SS.
Topología en Malla (Mesh)
Figura 2.11: Topología en
Malla
La diferencia principal entre los
modos Malla y PMP, radica en que en el modo PMP el tráfico solo ocurre entre la
BS y SS: mientras que en el modo Malla el tráfico puede ser enrutado a través
de otras SSs y puede ocurrir directamente entre SSs. Dentro de una red en
Malla, un sistema que posee conexión directa a los servicios de backhaul afuera
de la red en Malla es denominado como Malla BS. Todos los otros sistemas de la
red en Malla son denominados Malla SS. En general, los sistemas de la red en
Malla son denominados nodos.
Dentro de un contexto Malla, el uplink y downlink son definidos como: tráfico
en la dirección de la Malla BS y tráfico desde la Malla BS respectivamente. Los
otros tres términos importantes en un sistema en Malla son: vecino, vecindario
y vecindario extendido. Las estaciones con las que el nodo tiene vinculo
directo son llamadas vecinos Los vecinos de un nodo forman un vecindario, Un
vecino de nodo es considerado estar a un salto del nodo Un vecindario extendido
contiene, adicionalmente todos los vecinos de un vecindario.
En un sistema en Malla no solo la Malla BS puede transmitir sin tener que
coordinar con los otros nodos. Usando programación distribuida, todos los nodos
incluido la Malla BS debería coordinar sus transmisiones en su vecindario a dos
saltos, y podría difundir sus programaciones (recursos disponibles,
requerimientos y garantías) a todos sus vecinos.
La Malla BS debe colectar los requerimientos de recursos desde todas las Mallas
SS dentro de cierto rango de salto. Debe determinar la cantidad de recursos
garantizados para cada enlace en la red, tanto para el downlink y uplink. Los
sistemas en Malla son típicamente omnidireccionales o direccionables de 3600
Formato del PDU MAC
La MAC PDU es la unidad de datos
básica de comunicación que es intercambiada entre la capa MAC de la BS y las SSs.
Está compuesta por 3 campos
Figura 2.12: Formato
PDU MAC
El campo Cabecera Genérica MAC es de
longitud fija, el Segundo campo corresponde a la carga (Payload) que puede
contener subcabeceras y es de longitud variable. y el tercer campo CRC protege tanto
a la cabecera MAC Genérica corno al Payload.
Dos formatos de cabecera que se distinguen por el campo HT (Tipo de Cabecera),
son definidas: la Cabecera MAC Genérica figura 2.16 (a) y la
Cabecera de Petición de Ancho de Banda figura 2.16 (b).
La cabecera de petición de ancho de banda no contiene payload. Cada PDU MAC
contiene mensajes de dirección MAC o datos de la subcapa de convergencia.
Transmisión de MAC PDUs
Corno ya se indico anteriormente, la
MAC del IEEE8O2.16-2004 soporta varios protocolos de capas superiores tal corno
ATM e IP. Los SDU MAC entrantes correspondientes de las subcapas de
convergencia son formateados y/o empaquetados de acuerdo al formato PDU MAC,
antes de ser transportados sobre una o más conexiones de acuerdo al protocolo MAC.
Luego de atravesar el enlace de aire, los PDUs MAC son reconstruidos en los
SDUs MAC originales, de este modo las modificaciones al formato realizadas por
el protocolo de capa MAC son transparentes para la entidad receptora.
WiMAX toma ventaja de incorporar a los
procesos de empaquetamiento y fragmentación, procesos de asignación de anchos
de banda para maximizar la flexibilidad, eficiencia y efectividad de estos dos.
La fragmentación es el proceso en el cual un SDU MAC es dividido en uno o más
fragmentos. El empaquetamiento es el proceso en el cual múltiples SDUs MAC son
agrupados en un solo payload del PDU MAC. Los dos procesos pueden ser iniciados
por la BS en los enlaces de bajada o por la SS en los enlaces de subida.
Subcapa de Seguridad
La subcapa de segundad, provee a los
subscriptores de privacidad a través de la red inalámbrica fija de banda ancha.
Esto ocurre mediante la encriptación de las conexiones entre las SS y BS.
La seguridad también provee a los operadores una buena protección contra el
hurto del servicio. La BS protege, en contra de acceso no autorizado, a estos
servicios de transporte de datos mediante encriptación. La privacidad emplea un
protocolo PKM de autenticación cliente/servidor donde la SS “cliente PKM”
peticiona claves, y la BS “servidor PKM”, responde a estos requerimientos
asegurando que un cliente SS individual recibe solamente el material para el
cual está autorizado.
El protocolo de administración de claves usa certificados digitales X.509, el
algoritmo de encriptación de clave pública (RSA), y algoritmos de encriptación
fuertes para realizar intercambio de claves entre la SS y BS. Todas las SSs
deben tener instalado de fábrica un par de claves RSA o proveer un algoritmo
interno para generar aquel par de claves dinámicamente.
Si durante la negociación de capacidades. la SS especifica que no soporta
seguridad, los pasos de autorización e intercambio de claves deben ser pasados
por alto, y en este caso la BS es la que torna la decisión de autenticar o no a
la SS.
2.10
LA GERENCIA Y WiMAX
Con la
ruptura del cordón umbilical que mantenía apresado a un dispositivo de acceso a
Internet a una pared, las posibilidades de interconexión se expanden vertiginosamente
para ofrecer nuevos niveles de productividad y entretenimiento en todo momento.
Wi-Fi abrió el camino para llegar a donde el cable no podía y ahora Wi-Max
ofrece llegar más lejos con mayor velocidad.
El estándar 802.16e será el camino que
tomarán las aplicaciones fijas y nómades. Según el analista Nicholas Wingfield,
“será como pasar de teléfonos fijos a celulares. En realidad, el acceso a
largas distancias no es idea nueva; sólo que no se había encontrado forma de
brindarlo, por falta de pautas comunes al servicio. Ocurre que se fabrican
equipos incompatibles entre sí, lo cual segmenta el mercado en exceso y
mantiene costos muy altos pero hoy día es posible encontrar
Los apóstoles de WiMax sostienen que
la nueva tecnología puede definir normas comunes para todo el servicio y, por
tanto, reducir velozmente costos. Exactamente lo que sucedió con WiFi. Ya hay
firmas dedicadas a la variante.
Conceptos como el Hogar Digital,
Ciudad Digital, Empresa Digital y Salud Digital empiezan a ser trabajados por
medio de soluciones precisas y definitivas. En cada uno de estos aspectos los
avances empiezan a ser significativos.