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.

 

 

2.3 MARCO TEÓRICO

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 802.16 ha alzado su potencial a:

-       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 10 a 66 GHz), mientras que el 802.16a puede llegar a los 70 Mbit/s, operando en un rango de frecuencias más bajo (<11 GHz). Es un claro competidor de LMDS.

 

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

40-70 km

300 m

20 km

10 km

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.