ESTUDIO DE LA COBERTURA PARA UNA RED WIMAX EN LA CIUDAD DE MORELIA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENERÍA MECÁNICA

Y ELÉCTRICA

ESTUDIO DE COBERTURA PARA UNA RED WIMAX

EN LA CIUDAD DE MORELIA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN

COMUNICACIONES Y ELECTRONICA

PRESENTAN:

DUARTE CALDERÓN ALIZARI GONZÁLEZ AMBRIZ SERGIO JESÚS

ASESORES:

M. en C. MIGUEL SÁNCHEZ MERAZ

M. en C. MARCO ANTONIO ACEVEDO MOSQUEDA

ÍNDICE

Pág.

OBJETIVOS……….……….4

JUSTIFICACION_………..5

CAPITULO 1 ASPECTOS GENERALES DE UNA RED WIMAX INTRODUCCION……….……….7

1.1 DEFINICION DE WIMAX ……...….……….…...…………..9

1.2 WIMAX FIJO.……….……….………. 9

1.3 WIMAX MÓVIL……….……….……… 10

1.4 WIMAX FORUM……….………10

1.5 FAMILIA DE LOS ESTANDARES……….…………..11

1.5.1 CARACTERISTICAS DE LOS ESTANDARES 802.16……….………….11

1.5.2 EVOLUCIÓN DE LOS ESTÁNDARES IEEE 802.16 (A-F) WIMAX……….…...……13

1.5.3 FAMILIA DE LOS ESTÁNDARES WIMAX EN LA ACTUALIDAD………..15

1.5.4 ESTANDAR 802.16 -2004 PARA WIMA FIJO……….…...…16

1.5.5 ESTANDAR 802.e PARA WIMAX MOVIL……….…..…17

1.6 CRACTERISTICAS DE LA RED WIMAX………..……….…....17

1.7 ESTRUCTURA WIMAX………..………...…17

1.7.1 CAPA FISICA (PHY)………...…17

1.7.1.1 OFDM………....18

1.7.1.2 MODULACION ADAPTATIVA………...19

1.7.1.3 TECNICAS DE CONTROL DE ERRORES………..20

1.7.2 DESCRIPCION DE LA CAPA DE ACCESO AL MEDIO(MAC)………...21

1.7.2.1 SOPORTE MAC………...22

1.7.2.2 FDD……….23

1.7.2.3 TDD……….23

1.7.2.4 CALIDAD DE SERVICIO(QOS)……….24

1.8 TOPOLOGIAS PARA REDES 802.16……….………25

1.9 ARQUITECTURA DE LAS REDES WIMAX 802.16-2004……….………..26

1.10 WIMAX COMO BANDA ANCHA INALAMBRICA……….………28

1.11 SOLUCIONES WIMAX FIJO….….……….30

1.12 SOLUCIONES PARA WIMAX MOVIL…..……….31

CAPITULO 2 AMBIENTE DE SIMULACION PARA EL ANALISIS DE PROPAGACION EN LA CIUDAD DE MORELIA 2.1 IMPORTANCIA DE LOS SIMULADORES………...35

2.2 GOOGLE EARTH……….36

2.2.1 CARACTERISTICAS……….37

2.3 MENTUN PLANET………...…44

2.3.1 APARIENCIA GENERAL………...49

CAPITULO 3 ESTUDIO DE COBERTURA EN LA CIUDAD DE MORELIA 3.1 ESTUDIO DE COBERTURA……….….54

3.1.1 DESCRIPCION BREVE DEL ESTUDIO DE COBERTURA……….…..…55

3.2 MODELOS DE ESTUDIOS DE COBERTURA….……….……56

3.2.1 MODELO DE PROPAGACION A UTILIZAR………...57

3.2.2 MODELO DE ENTORNO………..58

3.2.3 MAPAS Y CARTOGRAFIA………..59

3.2.4 RADIO DE COBERTURA………59

3.3 METODOLOGIA UTILIZADA………59

3.3.1 FASES DEL PROYECTO………59

3.3.2 PRIMERA FASE………59

3.3.3 SEGUNDA FASE DEL PROYECTO………..63

CAPITULO 4 ANALISIS DE RESULTADOS 4.1 COBERTURA OTORGADA POR LOS SECTORES DE RED………..….76

4.1.1 NUMERO DE SUSCRIPTORES CUBIERTOS POR CADA SECTOR……….….79

4.2 INTENSIDAD DE LA SEÑAL……….……..81

4.3 PREAMBULO……….……84

4.4 DISTRIBUCION DE LOS CANALES……….….90

4.5 COBERTURA COMPUESTA……….…..90

4.6 MODULACION PRRESESNTE EN EL ESTUDIO DE COBERTURA……….….91

OBJETIVOS.

OBJETIVO GENERAL_.

Realizar un estudio de cobertura para la Red Estatal de Educación Salud y Gobierno (REESG) utilizando el estándar WiMAX en la ciudad de Morelia.

OBJETIVOS PARTICULARES_.

Localizar los centros educativos en el software Google Earth.

Realizar un estudio de cobertura utilizando el software Mentum Planet que abarque:  Caracterización de los sitios de comunicación (radio bases).

 Diferentes configuraciones de radio base (3 y 4 sectores).  Diferentes alturas de suscriptores.

 Equipos de diferentes fabricantes.  Mapas de cobertura.

JUSTIFICACIÓN

Este proyecto se formuló para cubrir comunidades y regiones de la Ciudad de Morelia. Teniendo como objetivo construir una red de telecomunicaciones con fines educativos, basado en tecnología de banda ancha con cobertura geográfica.

La metodología utilizada fue del tipo descriptiva y no experimental. Se diseñó un modelo de cobertura, que tiene como finalidad dar el alcance y disposición de la tecnología de banda ancha a la mayor cantidad de municipios posibles en las distintas fases. WiMAX es una tecnología dentro de las conocidas como de última milla, que permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio. Por medio de esta red de WiMAX, se garantiza la cobertura tanto de zonas urbanas como de las zonas rurales, disminuyendo la brecha digital existente, y propiciando el desarrollo de la educación a distancia aun en lugares alejados. Por lo tanto, se puede afirmar que WIMAX es una tecnología de futuro y que puede ser considerada como solución viable para solucionar las necesidades comunicacionales de la educación a distancia.

En nuestro caso, el análisis que se hará a las redes WiMAX se basará sustancialmente en el estándar IEEE 802.16-2004 ya que nos enfocaremos en el servicio inalámbrico de banda ancha de acceso fijo que ofrece WiMAX.

Con este proyecto se pretende llevar Internet a sectores rurales o alejados, debido a su alta capacidad y amplia cobertura es una solución económica para dar acceso a los servicios y a los sectores más retirados del país, transformando a WiMAX en una sólida herramienta para disminuir la brecha digital.

Es por esto por lo que podemos estimar mapas de cobertura en la ciudad de Morelia, pero deberán basarse en simulaciones elaboradas por el software Mentum Planet.

Teorizar la capacidad de usuarios de una estación base requiere de un gran número de suposiciones y simplificaciones: todos los usuarios emiten la misma señal, todos tienen cobertura, todos demandan en el mismo tráfico, pero la realidad no deja de ser compleja, y la red puede encontrar factores sobre el terreno que reduzcan la eficiencia prevista para cada estación: la visibilidad global sobre el área de usuarios no es uniforme. Con ellos nos encontraremos con zonas más cubiertas o más eficientes de lo previsto y por lo tanto con sobredimensionamiento.

Este proyecto pretende abordar todos los aspectos involucrados en la planificación de estudios de radiopropagación y especialmente en el escenario de la actual red WiMAX.

Ante tal perspectiva proponemos establecer una infraestructura de telecomunicaciones a lo largo de la ciudad de Morelia, con el propósito de lograr un mayor desarrollo social para los habitantes.

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

De manera histórica, la comunicación ha demostrado ser el mecanismo más efectivo para la resolución de problemas y la evolución humana, al grado de que, en la actualidad, los sistemas de telecomunicaciones son elementos indispensables en cualquier sociedad debido a que proveen el medio más eficaz para el desarrollo de los procesos de comunicación a nivel mundial.

Por ello, las redes inalámbricas de banda ancha representan una pieza clave para el desarrollo económico y el futuro de las comunicaciones, dadas las condiciones geográficas de la mayor parte del país y el grave atraso en infraestructura en gran parte de las entidades; por lo que, hasta ahora, las opción más viable en este sentido, y en el económico, es la comunicación vía microondas.

Las redes inalámbricas de telecomunicaciones han evolucionado con el pasar de los años. En la última década se han desarrollado tecnologías muy poderosas, a precios cada vez menores, gracias a los estándares.

El estándar mundial para la interoperabilidad del acceso por microondas (WiMAX), basado bajo el estándar IEEE 802.16, es sin duda la mejor tecnología para conexiones inalámbricas de mediano y largo alcance. Sus siglas significan en español “Estándar mundial para la interoperabilidad del acceso por microondas”. Interoperabilidad significa que cualquier marca de equipos que cumpla con el estándar, será compatible para conectarse con los de cualquier otra marca que igualmente cumplan con dicho estándar.

Esta es la mejor manera de lograr un mercado competitivo; evita la obsolescencia y reduce los precios. WiMAX es una tecnología dentro de las conocidas como de última milla. Permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio.

El protocolo que caracteriza esta tecnología es el IEEE 802.16. Una de sus ventajas es dar servicios de banda ancha en zonas donde el despliegue de cable o fibra presenta unos costos por usuario muy elevados debido a la baja densidad de población.

Teniendo como objetivo construir una red de telecomunicaciones con fines educativos, basado en tecnología de banda ancha con un estudio de cobertura geográfica, La metodología utilizada fue del tipo descriptiva y no experimental. Se diseñó un modelo de cobertura, que tiene como finalidad dar el alcance y disposición de la tecnología de banda ancha a la mayor cantidad de municipios posibles en las distintas fases.

WiMAX es una tecnología dentro de las conocidas como de última milla, que permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio. Por medio de esta red de WiMAX, se garantiza la cobertura tanto de zonas urbanas como de las zonas rurales, disminuyendo la brecha digital existente, y propiciando el desarrollo de la educación a distancia aun en lugares alejados. Por lo tanto, se puede afirmar que WIMAX es una tecnología de futuro y que puede ser considerada como solución viable para solucionar las necesidades comunicacionales de la educación a distancia.

En el primer capítulo se ofrece una breve reseña de la banda ancha inalámbrica. El objetivo es presentar los antecedentes y el contexto necesario para la comprensión de WiMAX. Se revisa sus principales características, y sus aplicaciones.

En el segundo capítulo se aborda una breve descripción de las herramientas de diseño que nos proporcionan un amplio ambiente de simulación para el diseño de la red así como la descripción de una imagen igualmente rasterizada y georreferenciada correspondiente al área de estudio lo cual nos permitirá analizar referencias visuales.

Para el tercer capítulo se presenta la realización del estudio de cobertura, el cual es realizado en dos fases, utilizando como herramienta principal el software Google Earth, el cual nos da una imagen georreferenciada del área cubierta por las torres.

Para la segunda fase se lleva acabo el ambiente de simulación para el análisis de propagación en la ciudad de Morelia basado en un modelo de propagación (Modelo General Planet) este predice la pérdida en el trayecto de cada elemento dentro de la predicción del área.

Debido a la naturaleza compleja del modelado de propagación y la gran cantidad de información necesaria para realizar una correcta estimación de la pérdida en la trayectoria, siempre habrá diferencias entre la estimación de la pérdida en la trayectoria de un modelo y las medidas del mundo real. Sin embargo, algunos modelos son inherentemente más precisos que otros en situaciones específicas, y siempre es posible ajustar un modelo (o su comprensión del medio ambiente) para que tenga la mejor relación con el mundo real.

1.1 DEFINICIÓN DE WiMAX

WiMAX son las siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas). Es una norma de transmisión de datos usando ondas de radio.

Es una tecnología dentro de las conocidas como tecnologías de última milla, también conocidas como bucle local que permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio. El protocolo que caracteriza esta tecnología es el IEEE 802.16. Una de sus ventajas es dar servicios de banda ancha en zonas donde el despliegue de cable o fibra por la baja densidad de población presenta unos costos por usuario muy elevados (zonas rurales).

El único organismo habilitado para certificar el cumplimiento del estándar y la interoperabilidad entre equipamiento de distintos fabricantes es el WiMAX Fórum: todo equipamiento que no cuente con esta certificación, no puede garantizar su interoperabilidad con otros productos.

Es una tecnología establecida bajo la norma 802.16 MAN, un protocolo para redes de área metropolitana de acceso inalámbrico de banda ancha, que surge como alternativa al servicio que ofrecen las tecnologías de acceso inalámbrico y alambrico como WiFi y DSL respectivamente, entre otros.

1.2 WiMAX FIJO

Al modelo Fijo también se le conoce como, Fijo Inalámbrico porque se coloca una antena en un lugar estratégico del suscriptor y de igual forma se ocupa de instalaciones al interior del lugar. Hace uso del estándar IEEE 802.16-2004 y se ha considerado como la solución inalámbrica para el acceso a Internet de banda ancha de última milla. WiMAX Acceso Fijo funciona desde 2.3GHz y 3.5GHz autorizado, así como las frecuencias 5.8 GHz y 10GHz las cuales están exentas de licencia. Así mismo emplea OFDM (Multiplexaje por División de Frecuencias Ortogonales) para la optimización de servicios inalámbricos de datos y se basa en la multiplexación de 256 subportadoras, ya que a mayor número de soportadoras sobre la misma banda da como resultado subportadoras más estrechas.

En él se establece un radioenlace entre la estación base y un equipo de usuario situado en el domicilio del usuario, Para el entorno fijo, las velocidades teóricas máximas que se pueden obtener son de 70 Mbps con un ancho de banda de 20 MHz. Sin embargo, en entornos reales se han conseguido velocidades de 20 Mbps con radios de célula de hasta 6 Km, ancho de banda que es compartido por todos los usuarios de la célula.

1.3 WiMAX MÓVIL

El 7 de diciembre de 2005, el IEEE aprobó en el WiMAX Fórum el estándar WiMAX Móvil el cual hace uso de la versión IEEE 802.16e y que permite utilizar este sistema de comunicaciones inalámbricas con dispositivos en movimiento siendo utilizado para la comunicación de datos de alta velocidad.

La tecnología WiMAX permite velocidades de transferencia de 3 Mbps por usuario, mientras se está en movimiento a una velocidad máxima de 120km/h. WiMAX Móvil puede ser usado como tecnología de acceso Fijo o Móvil.

permite el desplazamiento del usuario de un modo similar al que se puede dar en GSM(sistema global para las comunicaciones móviles), y actualmente compite con las tecnologías LTE, (basadas en femtocélulas, conectadas mediante cable), por ser la alternativa para las operadoras de telecomunicaciones que apuestan por los servicios en movilidad, este estándar, en su variante "no licenciado", compite con el WiFi IEEE 802.11n, ya que la mayoría de los portátiles y dispositivos móviles, empiezan a estar dotados de este tipo de conectividad (principalmente de la firma Intel).

1.4 WIMAX FORUM

El WiMAX Fórum es una asociación sin ánimo de lucro formada por la industria para certificar y promocionar la compatibilidad e interoperabilidad de los productos inalámbricos de banda ancha basados en el estándar común IEEE 802.16e/ETSI(Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones) Hiper MAN, es como la Wi-Fi Alliance, la que se encarga de los estándares 802.11. La meta del WiMAX Fórum es acelerar la introducción de estos sistemas en el mercado. Los productos WiMAX Fórum certificados son interoperables y soportan los servicios de banda ancha fijos, nómadas, portátiles y móviles. El Fórum se encarga de controlar con la ayuda de los prestadores de servicio y reguladores que los productos y sistemas certificados satisfagan las necesidades de los clientes y gobiernos adaptando y ampliando los estándares, para realizar esta tarea el foro WIMAX realiza congresos y exhibiciones para mostrar la tecnología de WIMAX.

1.5 FAMILIA DE LOS ESTÁNDARES WIMAX

Muchas veces se piensa que WiMAX es una tecnología homogénea cuando, de hecho, es el nombre comercial de un grupo de estándares inalámbricos IEEE. En ese aspecto, WiMAX y Wi-Fi son análogos.

Wi-Fi no es un estándar, sino un nombre comercial que puede aplicarse a una serie de estándares 802.11 IEEE, incluyendo el 802.11b, 802.11a y el 802.11g. Se supone que el término Wi-Fi será aplicado al 802.11n una vez que ese estándar sea ratificado.

El proyecto general de WiMAX actualmente incluye al 802.16-2004 y al 802.16e. El 802.16-2004 utiliza Multiplexado por División de Frecuencia de Vector Ortogonal (OFDM), para servir a múltiples usuarios en una forma de división temporal en una especie de técnica circular, pero llevada a cabo extremadamente rápido de modo que los usuarios tienen la sensación de que siempre están transmitiendo o recibiendo. El 802.16e utiliza Acceso Múltiple por División de Frecuencia de Vector Ortogonal (OFDMA) y puede servir a múltiples usuarios en forma simultánea asignando grupos de “tonos” a cada usuario.

1.5.1 CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.16

La transmisión inalámbrica usa la interfaz aire, ello conlleva problemas de atenuación y distorsión por múltiples factores, como la vegetación, los edificios, la lluvia y vehículos que se mueven y cambian imprevisiblemente. El estándar 802.16 reconoce esto e incluye mecanismos para hacer más robustos los enlaces con línea vista (LOS, Line-Of-Sight), línea vista obstruida y sin línea vista (NLOS, Non Line-Of-Sight).

El control de acceso al medio (MAC) provee diferentes tipos de QoS (calidad de servicio) dependiendo de las diferentes necesidades. La voz y el video requieren baja latencia, pero tolera una cierta tasa de error. Al contrario con los datos, los cuales no toleran errores, pero la latencia no resulta crítica. El estándar acomoda voz, video y otras transmisiones de datos usando características apropiadas de la capa MAC, ya que es más eficiente que hacerlo en capas superiores.

El estándar soporta la modulación adaptativa, balancea efectivamente diferentes tasas de datos y la calidad del enlace. El método de la modulación se puede ajustar casi instantáneamente según la transferencia de datos óptima. La modulación adaptativa permite el uso eficiente del ancho de banda. 802.16 soporta ambos sistemas de duplexación, en la frecuencia y en el tiempo (FDD y TDD, respectivamente).

1.5.2 EVOLUCIÓN DE LOS ESTÁNDARES IEEE 802.16 (a-f) WIMAX

Para permitir la interoperabilidad entre sistemas específicos que trabajan en el ancho de banda de 10 a 66 GHz existe el protocolo 802.16c. Este protocolo fue aprobado en diciembre de 2002. El estándar 802.16d busca cubrir las necesidades que no han sido cubiertas por el estándar 802.16a, donde se permiten amplificadores más baratos, bajando el coste de implementación, y diferentes esquemas de antenas inteligentes. La extensión 'd' soporta tanto FDD como TDD, utiliza un rango de frecuencias entre 2 y 6 GHz, y permite una velocidad de transmisión hasta 15 Mbps. Este protocolo trata de mejorar la movilidad de WIMAX ya que permitirá a los usuarios seguir conectados en la red a una velocidad de hasta 150Km/h. Una de las prioridades de la extensión es la perfecta interoperabilidad con el estándar 802.16a, y conseguir un hand-over (traspaso) que funcione a altas velocidades. Respecto al estándar 802.16e o WIMAX móvil, se produjo su ratificación en diciembre de 2005.Finalmente está el estándar 802.16f que representa el equivalente a las redes de mallas (Mesh Networks) de Wi-Fi, éste añade entre otras cosas el desplazamiento entre varios puntos de acceso (Roaming), permitiendo ampliar la cobertura de la red.

802.16 Abril 2002 El IEEE publicó la versión definitiva del estándar, utiliza el espectro licenciado en el rango de 10 a 66 GHz con capacidad de hasta 134 Mbps de entre 3 y 10 Km (2 a 5 millas).

802.16a Abril 2003 Fue el primer prototipo de esta tecnología, es una ampliación del estándar hacia _{bandas de 2 a 11 GHz con sistemas NLOS y LOS y los protocolos PTP y PTMP.}

802.16b Es una extensión diseñada para dar una mejor calidad de servicio al protocolo, el _{cual se centra en la banda de 5 a 6 GHz.}

802.16c Julio 2003 Permite la interoperabilidad entre sistemas específicos que trabajan en el ancho _{de banda de 10 a 66 GHz.}

802.16d Octubre ₂₀₀₄

Es una revisión del estándar 802.16 para añadir los perfiles aprobados por el WIMAX Fórum. Es la última versión del estándar. Permite amplificadores más baratos y diferentes esquemas de antenas inteligentes. Soporta tanto FDD como TDD, utiliza un rango de frecuencias entre 2 y 6 GHz, y permite una velocidad de transmisión hasta 15 Mbps. Este protocolo trata de mejorar la movilidad de WIMAX ya que permitirá a los usuarios seguir conectados en la red a una velocidad de hasta 150 Km/h.

802.16e Diciembre ₂₀₀₅ También conocido como WIMAX Móvil, permite que los clientes de tecnología móvil utilicen redes de área metropolitana inalámbricas. Banda ancha nómada para dispositivos portátiles (notebooks).

802.16f Permite que se usen las redes en malla.

Tabla 1.1 evolución de los estándares IEEE 802.16 (a-f) WiMAX

1.5.3 FAMILIA DE LOS ESTÁNDARES WIMAX EN LA ACTUALIDAD

Muchas veces se piensa que WiMAX es una tecnología homogénea cuando, de hecho, es el nombre comercial de un grupo de estándares inalámbricos IEEE. En ese aspecto, WiMAX y Wi-Fi son análogos. Wi-Fi no es un estándar, sino un nombre comercial que puede aplicarse a una serie de estándares 802.11 IEEE, incluyendo el 802.11b, 802.11a y el 802.11g. Se supone que el término Wi-Fi será aplicado al 802.11n una vez que ese estándar sea ratificado.

El proyecto general de WiMAX actualmente incluye al 802.16-2004 y al 802.16e. El 802.16-2004 utiliza Multiplexado por División de Frecuencia de Vector Ortogonal (OFDM), para servir a múltiples usuarios en una forma de división temporal en una especie de técnica circular, pero llevada a cabo extremadamente rápido de modo que los usuarios tienen la sensación de que siempre están transmitiendo o recibiendo. El 802.16e utiliza Acceso Múltiple por División de Frecuencia de Vector Ortogonal (OFDMA) y puede servir a múltiples usuarios en forma

1.5.4ESTANDAR 802.16 – 2004 PARA WiMAX FIJO

IEEE 802.16-2004 es una tecnología reciente de acceso inalámbrico fijo, lo que significa que está diseñada para servir como una tecnología de reemplazo del DSL inalámbrico, para competir con los proveedores de cable de banda ancha o DSL, o para proveer un acceso básico de voz y banda ancha en áreas subabastecidas donde no existe ninguna otra tecnología de acceso; los ejemplos incluyen a países en desarrollo y áreas rurales en países desarrollados donde el cable de cobre no tiene un sentido económico. El 802.16-2004 también es una solución viable para el backhaul (red de retorno) inalámbrico para puntos de acceso Wi-Fi o potencialmente para redes celulares, en particular si se usa el espectro que requiere licencia. Finalmente, en ciertas configuraciones, WiMAX Fijo puede usarse para proveer mayores velocidades de datos y, por lo tanto, puede usarse como una opción de reemplazo de T-1 para abonados corporativos de alto valor.

En general, el CPE (consumer premise equipment) Equipo de Usuario consiste de una unidad exterior (antena, etc.) y un módem interior, lo que significa que se requiere que un técnico logre que un abonado residencial o comercial esté conectado a la red. En ciertos casos, puede usarse una unidad interior autoinstalable, en particular cuando el abonado está relativamente cerca de la estación base transmisora. Es probable que la tendencia a tener unidades interiores autoinstalables se desarrolle más notoriamente en los próximos años. Mientras lo hace, la tecnología inalámbrica fija introduciría un grado de capacidad nómade ya que el abonado podría viajar con el CPE y usarlo en otras ubicaciones fijas: oficina, hotel y cafetería, etc. Además, los CPE autoinstalables debería hacer que el 802.16-2004 fuera económicamente más viable ya que una gran parte del costo de adquisición del cliente (instalación CPE) se reduce en forma drástica. Aunque es técnicamente posible designar una tarjeta de datos del 802.16-2004, los dispositivos portátiles con una solución 802.16-2004 incorporada no parecen ser una prioridad principal dentro de la industria en este momento.

Esta tecnología soporta acceso fijo y nomádico en ambientes con LOS y NLOS. Fue principalmente desarrollado para solucionar el problema de última milla y dar servicio de banda ancha rápida y económicamente (evitando el cableado). Actualmente los fabricantes están desarrollando CPEs indoor (en interiores) y outdoor (al aire libre).

La tecnología fue diseñada principalmente para aplicaciones en las frecuencias entre los 2 y 11 GHz, específicamente en las bandas 3.5 GHz y 5.8 GHz. Soporta la técnica de modulación multiportadora OFDM con 256 portadoras. Puede ocupar 2 métodos de duplexación, TDD y FDD, usando diferentes ancho de banda de los canales: 3.5 MHz, 7 MHz para FDD y 3.5 MHz y 10 MHz para TDD.

Fig. 1.4 Topología de una red WiMAX con acceso fijo.

1.5.5IEEE 802.16e PARA WiMAX MOVIL

IEEE 802.16e aún es un estándar no publicado que está diseñado para ofrecer una característica clave de la que carece el 802.16-2004: portabilidad y, con el tiempo, movilidad a toda escala. Este estándar requiere una nueva solución de hardware/software ya que no es compatible con el anterior 802.16-2004, lo cual no es necesariamente algo bueno para los operadores que están planeando desplegar el 2004 y luego ascender al .16e.Otra importante diferencia entre los estándares .16-2004 y .16e es que el estándar .16-.16-2004está basado, en parte, en una serie de soluciones inalámbricas fijas comprobadas, aunque patentadas; por lo tanto, existen grandes probabilidades de que la tecnología alcance sus metas de rendimiento establecidas. El estándar .16e, por otro lado, trata de incorporar una amplia variedad de tecnologías propuestas, algunas más comprobadas que las otras. En virtud de que sólo ha habido una sola justificación modesta de características propuestas, sobre la base de datos de rendimiento, y la composición final de estas tecnologías no ha sido determinada por completo, es difícil saber si una característica en particular mejorará el rendimiento.

Desde una perspectiva de los tiempos, el estándar 802.16e fue programado para ser aprobado a mediados del 2005. Sin embargo, esa fecha ahora ya ha pasado y, al parecer, será aprobado más adelante este año. Varios vendedores están prometiendo pruebas de campo y de mercados principios de 2006, aunque, tal como se analizará más adelante en este informe, todavía queda mucho trabajo por hacer fuera del cuerpo de los estándares y, por lo tanto, es demasiado temprano para decir cuándo estará lista la tecnología para despliegues comerciales.

802.16 802.16-2004

Estado del Estándar 10 GHz – 66 GHz 2 GHz – 11 GHz Banda de Frecuencia 10 GHz – 66 GHz 2 GHz – 11 GHz Aplicaciones Sistemas fijos con línea de vista

(LOS). Sistemas fijos sin línea de vista (NLOS). Arquitectura MAC Sistemas punto a multipunto con

arquitectura de malla Sistemas punto a multipunto con arquitectura de malla Esquema de Transmisión Portadora Simple Portadora Simple; 256 OFDM

o 2048 OFDM

Modulación QPSK, 16-QAM y 64-QAM QPSK, 16-QAM y 64-QAM

Tasa de Transferencia 32Mbps – 134Mbps 1Mbps – 75Mbps

Multiplexaje TDM / TDMA TDM / TDMA / OFDMA

Ancho de banda de canal 20 MHz, 25 MHz, 28 MHz 1.75 MHz, 3.5 MHz, 7 MHz, 14 MHz, 1.25 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 8.75 MHz Tabla 1.2 Diferencias entre protocolos

1.6 CARACTERISTICAS DE LA RED WIMAX

 Se encuentra basada en OFDM (Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales), puede cubrir un área de 50km permitiendo la conexión con obstáculos interpuestos y tiene una capacidad para transmitir datos de hasta 75 Mbps con una eficiencia espectral de 5.0bps/Hz.  Modulación y codificación adaptativos (AMC)

 Retransmisión en la capa de enlace  Soporte para TDD y FDD

 Opera en las bandas licitadas entre 2.30GHz y 3.5GHz para transmisiones externas en largas distancias, mientras que en las bandas libres lo hace entre 5.8GHz, 8GHz y 10.5GHz dependiendo del espectro de frecuencias de cada país.

 Soporta multiplexación TDM (Multiplexación por División de Tiempo) y FDM (Multiplexación por División de Frecuencia).

 Es un sistema escalable ya que utiliza diversos canales y múltiples enlaces físicos, así como el uso de espectros licenciados y no licitados.

 Permite el uso de video y voz por un mismo canal con servicios E1 y T1. Admitiendo tecnologías como VoIP (Protocolo para voz sobre Internet), videoconferencias y otras tendencias de comunicación entre oficinas, personas y dispositivos.

 Se puede unificar con otras redes inalámbricas como WiFi.

 Soporta niveles de servicio (SLAs) y calidad de servicio (QoS) ante la existencia de obstáculos o interferencias. SLA (Acuerdo de Nivel de Servicio) es un acuerdo de nivel de servicio por el que una compañía se compromete a prestar un servicio a otra bajo determinadas condiciones, con un nivel de calidad y prestaciones mínimas.

 QoS (calidad de servicio) es la capacidad de dar servicio garantizando la transmisión de cierta  cantidad de datos en un tiempo dado.

 Utiliza antenas inteligentes que mejoran la eficiencia espectral.

 Es una red segura, puesto que incluye medidas para la autentificación de usuarios y la encriptación de los datos mediante los algoritmos Triple DES (128 bits) y RSA (1.024bits).  Es de bajo costo, pues no necesita de cableados específicos o costosos como en el uso de la

fibra óptica. Por lo que las empresas, ciudades y países que hacen uso de WiMAX lo ven como un buen uso de implementación.

 Hoy en día los dos tipos principales de tecnología WiMAX (WiMAX fijo y WiMAX móvil) utilizan antenas sectoriales o antenas adaptivas con modulaciones que permiten intercambiar ancho de banda por alcance, conocidas como antenas inteligentes.

1.7 ESTRUCTURA WiMAX

En su mayoría estos estándares lo que buscan definir es la estructuración que tienen las tecnologías dentro del modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI) describiendo básicamente lo que sería la capa física y la capa MAC(capa de acceso al medio) de las tecnologías, la estructura es similar a la de otras redes 802.11, pero con más subcapas.

1.7.1 CAPA FISICA

El modelo OSI (Modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos) define la capa física como la encargada de las conexiones físicas (medios guiados: cable coaxial, cable de par trenzado, fibra óptica, etc. y medios no guiados: radio, infrarrojos, microondas, laser, etc.), características del medio (tipos de cable y su calidad, tipo de conectores y tipos de antena; etc.), mecánicas (características de los materiales como componentes y conectores, interpretación de las características eléctricas y electromagnéticas), funciones (tipo de modulación, codificación y tasa de transmisión binaria) que se requieren para transportar los bits de datos entre cada extremo físico del enlace de comunicación.

Es por ello que se encarga de transformar una trama de datos proveniente del nivel de enlace en una señal adecuada al medio físico utilizado en la transmisión, dichos impulsos pueden ser eléctricos en una transmisión por cable o electromagnéticos en la transmisión sin cables. Estos

Últimos (dependiendo de la frecuencia / longitud de onda de la señal) pueden ser ópticos, de micro-ondas o de radio. Por otro lado, cuando se está en el modo de recepción de bits el trabajo es inverso ya que se encarga de transformar la señal transmitida en tramas de datos binarios que serán entregados al nivel de enlace.

La capa física de los sistemas WiMAX está basada en los estándares IEEE 802.16-2004 y el IEEE 802.16e-2005 y fue diseñado con mucha influencia de los sistemas Wi-Fi, especialmente las especificaciones del estándar IEEE 802.11a. Al igual que en los sistemas Wi-Fi, la capa física de las tecnología WiMAX está basada fundamentalmente en la técnica OFDM, la cual permite al sistema trabajar en ambientes NLOS(sin línea de vista) permitiendo transmisiones a altas velocidades. Pese a esto, estos dos sistemas poseen grandes diferencias en estos ámbitos, ya que ambos están enfocados a diferentes ambientes.

WirelessMAN – SC: Es un modelo de capa física con portadora simple (SC: Single Carrier) diseñado para trabajar por arriba de los 11 GHz, con condiciones de línea de vista. Este modelo de capa física es parte del estándar IEEE 802.16.

WirelessMAN – SCa: Es un modelo de capa física con portadora simple que trabaja en el rango de frecuencias de los 2 GHz a los 11 GHz para sistemas punto a multipunto.

WirelessMAN – OFDM: Es un modelo de capa física con 256 portadoras basado en la técnica OFDM para un sistema punto a multipunto bajo condiciones NLOS en el rango de frecuencias de los 2 GHz a los 11 GHz. este ocupa la técnica de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA). Este modelo fue adoptado por el estándar IEEE 802.16-2004 para sistemas WiMAX con transmisiones fijas y es comúnmente llamado como WiMAX fijo.

WirelessMAN – OFDMA: Es un modelo de capa física con 2048 portadoras basado en el esquema OFDM, el cual se ocupa en sistemas punto a multipunto en condiciones NLOS para el rango de frecuencias entre los 2 GHz a los 11 GHz. Este esquema ocupa una técnica innovadora de acceso al medio llamada OFDMA. Este esquema fue modificado en el estándar IEEE 802.16e-2005 adaptándoles a la técnica de OFDM escalable (SOFDM). Este modelo de capa física es relacionado a los sistemas WiMAX móviles refiriéndose a este comúnmente como WiMAX móvil.

Los modelos más usados son los que se basan en la técnica OFDM ya que esta les permite operar bajo condiciones NLOS por su simplicidad en el proceso de igualación para señales multiportadora. Con lo anterior podemos apreciar los aspectos principales que se contemplan dentro de la capa física del estándar IEEE 802.16, de los cuales tomaremos en cuenta aquellos que se encuentran especificados en el estándar IEEE 802.16-2004, que será motivo de nuestro análisis la técnica OFDM, así como las generalidades de las técnicas de modulación adaptable y de codificación que se ocupan.

De esta forma podríamos entender de una manera global las características más importantes que definen la capa física de los sistemas WiMAX pudiendo comprender mejor su operación así como la innovación que este provee a los sistemas actuales de telecomunicaciones.

1.7.1.1OFDM

El estándar WiMAX fija hace uso de la tecnología OFDM (Multiplexaje Por División De Frecuencias Ortogonales) porque ofrece ventajas como la eficiencia en el uso del espectro de frecuencia de radio y soporte avanzado de antenas, lo que se traduce en un desempeño superior al de las actuales tecnologías de redes inalámbricas de área amplia.

La tecnología OFDM permite que en una sola estación se usen todos los subcanales dentro de un periodo de transmisión o en su caso admite a múltiples clientes transmitido simultáneamente cada uno en una porción del número total de subcanales. Al emplear la técnica OFDM como una tecnología de acceso, esta permite la combinación de múltiples portadoras solapadas espectralmente, pero manteniendo las señales moduladas

OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión, denominadas técnicas de “modulación

de portadoras múltiples”, las cuales se sustentan en la división de un flujo de datos de alta velocidad,

en varios de baja velocidad, siendo estos modulados por portadoras separadas (comúnmente llamadas subportadoras o tonos). OFDM es un esquema que en la actualidad se utiliza mucho en tecnologías de comunicaciones de altas tasas de transferencia por su eficiencia y flexibilidad en el manejo y control de la interferencia entre símbolos (ISI: Interferencia entre símbolos) de los canales que son altamente dispersivos en tiempo, por la forma en la que aprovecha eficientemente el espectro, permitiendo que los canales generados se encuentren mucho más cerca entre ellos. Esta proximidad entre los canales se debe al hecho de propiciar que las portadoras asignadas a los canales posean la característica de ser ortogonales entre si

Para generar la señal OFDM, es necesario definir el espectro de frecuencias que utilizaremos basándonos en la información que vamos a manipular y en las técnicas de modulación que pensemos usar. Cada portadora que se use se le asignará un dato a transmitir, calculando una amplitud y una fase a cada portadora dependiendo del esquema de modulación que se utilice (QPSK, BPSK, QAM, etc.). Un sistema OFDM es muy noble en el aspecto de las técnicas de modulación que se utilizan, ya que las portadoras pueden ser manipuladas bajo el mismo o diferente esquema de modulación, lo cual nos provee de grandes beneficios como la modulación adaptable. La distribución de datos sobre muchas portadoras hace que alguno de los bits transmitidos puedan ser recibidos de manera errónea. Es por ello que se hace imprescindible utilizar mecanismos de corrección de errores, que añaden bits adicionales en la transmisión, pero que hacen posible la corrección de dichos errores.

1.7.1.2MODULACIÓN ADAPTATIVA

La modulación adaptiva es una técnica que permite incrementar la tasa de datos que pueden ser transmitidos a través de canales que atenúan la señal. Su funcionamiento básico es un enlace con una atenuación uniforme mediante la adaptación variable del nivel de potencia de transmisión, la tasa de transmisión de símbolos, tamaño de la constelación, BER (tasa de bits erróneos), el modelo de la tasa de codificación o cualquier combinación de estos parámetros.

La modulación adaptiva nos da una gran cantidad de parámetros que pueden ser ajustados y relacionados con la atenuación del canal, pero deben considerarse solo aquellos parámetros que nos den el mejor desempeño en la transmisión de la señal. La modulación adaptiva ha demostrado grandes beneficios para la transmisión inalámbrica de datos de alta velocidad al utilizar OFDM, ya que permite optimizar el ancho de banda utilizado.

El uso de modulación adaptativa permite que un sistema inalámbrico pueda escoger el orden de modulación en función de las condiciones del canal. Para el caso de WiMAX, a mayor distancia de la estación base menor es el orden de modulación, pasando por las siguientes técnicas: 64QAM, 16QAM, QPSK y BPSK.

El sistema WiMAX basado en el estándar IEEE 802.16-2004, soporta una variedad de esquemas de modulación y codificación que puede cambiarse en cada enlace que se realice con la estación base, dependiendo del canal y de las condiciones de interferencia haciendo de la tecnología WiMAX un sistema muy robusto.

modulación y codificación que permita aprovechar mejor el canal y maximizar la tasa de transferencia. La modulación adaptable y la codificación, son técnicas que incrementan considerablemente la capacidad del sistema así como aprovechar las condiciones del canal para poder minimizar los efectos de la interferencia existente pudiendo cambiar adaptivamente el esquema de modulación que se esté utilizando tal y como se ve en la figura 1.5.

Figura 1.5. Distribución de las modulaciones de acuerdo a las condiciones de canal.

Cada sector tiene sus propios usuarios y es completamente independiente de los sectores adyacentes. Debido a que la fuerza de señal en la banda milimétrica desciende drásticamente con la distancia a partir de la estación base, la relación señal a ruido también desciende con la distancia a partir de la estación base. Por ésta razón el estándar 802.16 emplea tres esquemas de modulación diferentes, dependiendo de la distancia entre la estación suscriptora y la estación base. Para suscriptores cercanos se utiliza 64QAM, con 6 bits/baudio. Para suscriptores a distancias medias se utiliza 16QAM, con 4 bits/baudio. Para suscriptores distantes se utiliza QPSK, con 2 bits/baudio. Otra característica interesante de la capa física es su capacidad de empaquetar múltiples tramas MAC consecutivas en una sola transmisión física. Esta característica mejora la eficiencia espectral al reducir el número de preámbulos y encabezados de capa física necesarios.

1.7.1.3 TÉCNICAS DE CONTROL DE ERRORES

Las técnicas de corrección de errores (FEC) han sido incorporadas a WiMAX para reducir los requisitos del sistema en cuanto a la relación señal a ruido. El Strong Reed Solomon FEC, la codificación convolucional y los algoritmos de interleaving (algoritmos de intercalamiento) se utilizan para detectar y corregir errores y mejorar el throughput (rendimiento). Estás técnicas de corrección robustas ayudan a recuperar las errores que puedan ocurrir por pérdidas de señal a frecuencias determinadas o errores de burst.

de corregir hasta 16 errores en símbolos, la mitad del número de símbolos de paridad de los que dispone.

Así, la capacidad de corrección de errores viene dada por n-k, la medida de redundancia del bloque. Si las posiciones de los símbolos se conocen de antemano, es posible corregir el doble de símbolos. En caso contrario, siempre se podrá corregir hasta (n-k)/2.

Estas características hacen que se adapten muy bien a errores en portadoras. Esto se debe a que no le afecta el número de bits erróneos que hay en cada símbolo, ya que los toma como un único error. Para casos donde los errores no se caracterizan por esto es preferible recurrir a codificaciones convolucionales.

Los códigos convolucionales son un tipo de códigos de corrección de errores, en los cuales un símbolo original de longitud m bits, se transforma en uno de n, siendo n>m, siendo la transformación función de los últimos k símbolos de información, con k la longitud del código.

Existen varios algoritmos para la decodificación de los códigos convolucionales. Para valores de k relativamente pequeños, la mejor opción es el algoritmo Viterbi, que provee una solución de máxima verosimilitud. Para valores de k elevados, este algoritmo se vuelve impracticable por lo que se suele recurrir a otros, como el algoritmo Fano. Este tipo de códigos se suele concatenar, como en el caso de WiMAX (en el 802.16-2004), con códigos Reed Solomon.

En WiMAX también se contempla la utilización de otra serie de códigos, pero de manera opcional, como son los códigos turbo o, en el caso 802.16e, códigos de control de paridad de baja densidad.

1.7.2 DESCRIPCION DE LA CAPA DE ACCESO AL MEDIO (MAC)

La principal tarea que efectúa la capa MAC es proporcionar una interfaz entre las capas superiores de los modelos de regencia de datos que se ocupen (TCP/IP por ejemplo) con la capa PHY.

La capa MAC toma los paquetes de datos de las capas adyacentes superiores, los paquetes de la capa MAC se llaman unidades de datos de servicio MAC (MSDU), los cuales son agrupados en unidades de datos de protocolo MAC (MPDU: MAC unidad de dato de protocolo), para transmisiones inalámbricas.

Los protocolos IEEE 802.16-2004 e IEEE 802.16e-2005 tienen diseñada su capa MAC para poder interactuar con una gran cantidad de protocolos de capas superiores como lo es ATM, Ethernet, IP entre otros. Básicamente, la idea de generar una capa adyacente a la capa física era poder brindar la posibilidad de manejar el aspecto de la calidad de servicio a los enlaces entre transmisor y receptor que permitieran así poder integrar otros servicios, tecnologías o aplicaciones que lo requieren tales como VoIP, HTTP o FTP. Para el caso de WiMAX se usan MPDUs de longitud variable o fija ofreciendo varias posibilidades para mejorar la transmisión.

 La segmentación o concatenación de las unidades de servicio de datos (SDU) procedentes de las capas superiores para conformar las MPDUs, siendo estos los bloques principales en la capa MAC.

 Seleccionar el nivel de potencia y el perfil de ráfaga apropiado para la transmisión de las MPDUs.

 La retransmisión de MPDUs cuando estas son recibidas erróneamente utilizando la técnica de petición automática de retransmisión (ARQ).

 Provee de Calidad en el servicio así como esquemas de prioridad de MPDUs pertenecientes a diferentes tipos de datos y señales.

 Gestiona los sistemas de seguridad y encriptamiento.

Como vemos, la capa MAC es fundamental dentro de la tecnología WiMAX dándole la posibilidad de poder integrar una gran cantidad de aplicaciones y servicios que la capa física no puede proveer, que permiten a este sistema poseer convergencia entre servicios de voz, datos y video. Es importante mencionar que entre los aspectos más importantes que describen a la capa MAC es el poder brindar calidad de servicio, junto a las técnicas de acceso al medio que se utilicen y la seguridad que el sistema provea.

Figura 1.6 Organización de capas en IEEE 802.16, mostrando los SAPs En la figura 1.6 se puede observar que la capa MAC se compone de tres Subcapas:

incluye clasificación de SDUs (las unidades de servicio de datos) externos a la red y asociándolos al apropiado identificador de flujo de servicio (SFID) MAC e identificador de conexión (CID). Esto incluiría también funciones tales como supresión de cabecera del payload(carga útil) (PHS). Múltiples especificaciones de la CS son provistas para interactuar con varios protocolos. El formato interno del payload de la CS es único para ella, y no se requiere de la CPS MAC para entender el formato o analizar cualquier información del payload de la CS.

La CPS MAC proporciona la funcionalidad de núcleo MAC de acceso al sistema, asignación de ancho de banda, conexión, establecimiento y mantenimiento de la conexión. Esta recibe datos desde las varias CSs, a través del SAP MAC, clasificado para conexiones particulares MAC. La calidad de servicio (QoS) se aplica en la transmisión y organización de datos sobre la PHY.

La MAC contiene también una subcapa de seguridad separada que provee autenticación, intercambio de clave de seguridad y encriptación. Los datos, el control PHY y las estadísticas son transferidos entre la CPS MAC y la PHY a través del SAP PHY (el cual es una implementación específica).

1.7.2.1 SOPORTE MAC

Algunas técnicas de duplexación son soportadas por el protocolo MAC. La elección de la técnica de duplexación puede afectar ciertos parámetros PHY así como impactar las características que pueden ser soportadas.

1.7.2.2 FDD (Duplexación por División de Frecuencia)

Técnica Duplexación por División de Frecuencia, o transmisión bidireccional por división en frecuencia. Se basa en la utilización de dos bandas diferentes de frecuencia para la transmisión, una para el envío y otra para la recepción.

En un sistema FDD, los canales de enlace ascendente y descendente están situados en frecuencias separadas y los datos de enlace descendente se pueden transmitir en ráfagas. Se usa una trama de duración fija tanto para transmisiones de enlace descendente como ascendente. Esto facilita el uso de diferentes tipos de modulación, permitiendo simultáneamente usar tanto SS sfull-duplex (las cuales pueden transmitir y recibir simultáneamente) y opcionalmente SSs half-duplex. Si se usan SSs halfduplex, el controlador de ancho de banda no asignará ancho de banda de enlace ascendente para una SS half-duplex al mismo tiempo que espera recibir datos en el canal de enlace descendente.

Como desventaja tiene el hecho de tener que recurrir a buenos filtros separadores de frecuencia (ya que se tratan normalmente de bandas conexas). Este tipo de filtros reciben el nombre de duplexores. Está técnica es la que mejor se adapta al tráfico de voz, ya que permite tener un retardo mínimo, pero, por contra es la que requiere una implementación más costosa, principalmente por la adquisición de la licencia para operar en el espectro.

Además, presenta la ventaja de no tener que recurrir a bandas de guardia temporales como en el caso TDD.

1.7.2.3TDD (Duplexación por División de Tiempo)

Técnica duplexación por División de Tiempo, o transmisión bidireccional por división en tiempo. A diferencia de la técnica FDD, se utiliza una única banda de frecuencia para envío y recibo de la información, compartiendo los periodos de transmisión. Esto provoca que los retardos de transmisión limiten el tamaño de las celdas.

En el caso de TDD, las transmisiones de enlace ascendente y descendente ocurren en diferentes momentos y usualmente comparten la misma frecuencia.

Una trama tiene una duración fija y contiene una subtrama de enlace descendente y una de enlace ascendente. La trama se divide en un número entero de PSs, lo cual ayuda a dividir el ancho de banda fácilmente. El entramado TDD es adaptable. Por ejemplo, el ancho de banda asignado al enlace descendente respecto al del enlace ascendente puede variar. La división entre el enlace ascendente y descendente es un parámetro del sistema y es controlado por las capas superiores Es una técnica muy eficiente para tráfico asimétrico, ya que se adapta al perfil del tráfico, por lo que se considera más adecuado para perfiles con descargas masivas de internet.

Ésta es la técnica utilizada en redes inalámbricas. En general se usa en entornos donde nos están disponibles pares de frecuencia.

Proporciona un esquema flexible, donde la transmisión de subida y de bajada es por el mismo canal, ya que, no son simultáneas sino secuenciales. Un sistema TDD puede asignar dinámicamente ancho de banda, de subida y bajada, dependiendo los requisitos del tráfico.

1.7.2.4 CALIDAD DE SERVICIO (QoS)

El soporte de QoS es una característica sustancial dentro de la capa MAC del sistema WiMAX. Es posible alcanzar un control de QoS fuerte si usamos una arquitectura MAC orientada a la conexión, donde todos los enlaces de bajada y de subida sean controlados por la estación base. Para garantizar esta calidad en el servicio, antes de cualquier transmisión de datos entre la estación base (BS) y la estación móvil (MS) se realiza un enlace unidireccional entre ambas capas MAC, que permita verificar el estado de la conexión. WiMAX adicionalmente define un concepto denominado flujo de servicio, el cual es un flujo unidireccional de paquetes, que poseen una serie de parámetros de calidad de servicio particulares. Estos paquetes son llamados identificadores de servicio de flujo (SFID). Algunos parámetros que son incluidos dentro de QoS es la prioridad de tráfico, la tasa mínima de transferencia tolerable, tipo de peticiones automáticas de retransmisión (ARQ), retardos máximos, tipo y tamaño de unidades de servicio de datos, etc.

Para soportar diversas aplicaciones, WiMAX define cinco esquemas de calidad de servicio que deben ser soportadas por la estación base para transmisión de datos:

Servicios de elección de tiempo real (rtPS): Este servicio está diseñado para el soporte de sistemas de tiempo real como por ejemplo, los videos MPEG que transmiten paquetes de datos de longitud variable.

Servicios de elección sin tiempo real (nrtPS): Este servicio está diseñado para soportar aplicaciones de datos tolerantes a los retardos, como por ejemplo el caso de FTP, el cual transmite paquetes de datos de longitud variable.

Servicio del mejor esfuerzo (BE): Este servicio está diseñado para el soporte de aplicaciones que requieren una garantía mínima de nivel de servicio como lo son los navegadores Web.

Tasa variable extendida de tiempo real (ERT-VR): Este servicio está diseñado para soportar aplicaciones de tiempo real como VoIP que requieren garantía de retardo y de tasa de transferencia de datos variable.

Es notable que los servicios antes mencionados, definidos como esquemas de calidad de servicio permiten la interacción de WiMAX con una infinidad de aplicaciones, de tal manera que podemos decir que la inclusión, de lo que es denominado calidad de servicio, dentro de la capa MAC de un sistema como WiMAX permite mejorar su capacidad así como su desempeño

1.8 TOPOLOGÍAS DE REDES 802.16

a.-Topología punto a punto

Una red punto a punto es el modelo más simple de red inalámbrica, compuesta por dos radios y dos antenas de alta ganancia en comunicación directa entre ambas. Este tipo de enlaces se utilizan habitualmente conexiones dedicadas de alto rendimiento o enlaces de interconexión de alta capacidad. Este tipo de enlaces son fáciles de instalar, pero difíciles de crear con ellos una red grande. Es habitual su uso para enlaces punto a punto en cliente finales o para realizar el backhaul de redes.

Figura 1.7 Configuración punto a punto b.- Conexiones punto a multipunto:

sólo requiere incorporar equipamiento del lado del cliente, no teniendo que variar nada en la estación base. Aunque, cada sitio remoto debe encontrarse dentro del radio de cobertura de la señal, que en el caso de WiMAX (a diferencia de la tecnología LMDS) no requerirá que se situé en puntos con visión directa.

Además, será posible utilizar esta topología para backhaul de la red de operadores, o para clientes que no deseen disponer de capacidad dedicada, al compartir los recursos con todos los terminales. El problema de este tipo de topología es que el diseño direccional de las antenas de los usuarios hace que no pueda conectar con otras redes.

Figura 1.8 Configuración punto a multipunto

En el caso de configuraciones multipunto se tiene una estación base que emite la señal de radio en un sector determinado de acuerdo con el tipo de antena y el diseño de la red. Dentro de un mismo sector se pueden encontrar a varios tipos de usuarios que se pueden agrupar en dos categorías: los que utilizan el retorno por radio y los que hacen uso del retorno telefónico, para evitar el costo de un equipo transmisor.

1.9 ARQUITECTURA DE LAS REDES WiMAX 802.16 – 2005

La arquitectura WiMAX está basada en una plataforma ALL-IP (todo IP), o sea, la conmutación de paquetes está presente en toda la arquitectura de extremo a extremo de la red (end-to-end), con esto se deja de lado la conmutación de circuitos como era tradicional en las redes de telefonía.

La red WiMAX proporciona la flexibilidad para acomodarse a un amplio rango de opciones de implementación, como lo son:

 Cobertura y capacidad de radio para sectores densos o levemente poblados.  Para ambientes urbanos, suburbanos y rurales.



 Coexistencia de servicios fijos, nomádicos y móviles en la misma red.

 Bandas licenciadas y no licenciadas, aunque es muy poco probable que se pueda hacer un despliegue móvil en bandas no licenciadas, debido al escaso control que se puede tener sobre la banda y las interferencias que le afectarían.

Las redes de telecomunicaciones se pueden dividir en cuatro grandes bloques: CPE, red de acceso, edge y núcleo o core. Se presenta la descripción de estos bloques para la red WiMAX.

Fig.1.9.- Arquitectura de red WiMAX

CORE O NÚCLEO DE RED

El núcleo es donde se localizan los equipos de alta capacidad de transmisión. En este bloque se encuentran los elementos centrales de red, los cuales son capaces de administrar y gestionar. Aquí se encuentran los servidores AAA, la plataforma de servicio, la red IMS y sistemas de cobros. La tecnología WiMAX es principalmente de acceso, no se necesita un núcleo de red exclusivo. El núcleo se puede interconectar con núcleos de otras redes, inclusive con otras redes de acceso (redes celulares o PSTN).

Dentro de las funcionalidades y protocolos del núcleo se encuentran:

Home Agent, (Agente en casa, HA): Almacena la información de los móviles permanentes en la red, entrega el soporte para la movilidad administrando el protocolo IP móvil. MIP (Mobile IP) es un protocolo diseñado para los dispositivos móviles, el cual les permite moverse de una red a otra manteniendo permanente su dirección IP.

Servidor AAA (Authentication Authorization Accounting): Es el encargado de realizar la autentificación, autorización y contabilidad en la red.

Servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Responsable de la administración y asignación dinámica de direcciones IP para los dispositivos.

EDGE

Edge, es la interfaz del núcleo con la red de acceso. Este segmento está compuesto por los Gateway del sistema. Los Gateway son conocidos, en WiMAX, como ASN – GW (Acceso de servicio a la red Gateway). Estos pueden estar conectados a varias estaciones base, su función es hacer el papel de traductor hacia la red exterior de la información que viene del core.

RED DE ACCESO

Esta es la red donde están todos los sistemas que permiten llegar al usuario final, aquí donde se reflejan las ventajas de WiMAX en sus técnicas de propagación y modulación.

En este bloque se encuentran las estaciones base WiMAX móvil. Las Estaciones de base móvil (BTS) son las que establecen la conectividad con los CPE.

Como esta es una tecnología de microondas, el interfaz que separa la red de acceso con los terminales del usuario es el aire.

CPE (TERMINAL DE USUARIO)

Los CPE son los equipos que se ubican en el destino final del suscriptor, proporcionan conectividad vía radio con la estación base. En este bloque WiMAX también marca diferencia al ofrecer variados CPEs según la necesidad del servicio a ofrecer. Dentro de los terminales que se podrán disponer están:

Terminales fijos: WiMAX Móvil dispondrá de CPEs internos autoinstalables para computadores de escritorio, así como también CPEs con antenas externas para servicio de Internet y telefonía.

Terminales portables: Los principales dispositivos disponibles para WiMAX Móvil serán las tarjetas PCMCIA para notebooks y más adelante se espera la conectividad WiMAX integrada en los notebooks (similar a la solución Wi-Fi).

Obviamente los terminales portables podrán funcionar de manera fija.

Terminales móviles: Con la llegada de la movilidad aparecerán dispositivos tipo smartphone o PDA con WiMAX integrado. Estos dispositivos podrán funcionar de manera portable y fija.

1.10 WIMAX COMO BANDA ANCHA INALAMBRICA

Una red inalámbrica de banda ancha es el conjunto de dispositivos informáticos interconectados sin el uso de cables, los cuales emplean tecnología de acceso de alta velocidad.

Las redes inalámbricas están diseñadas para brindar a los usuarios de manera rentable la capacidad de transferir información con alta velocidad de transmisión, estructuras óptimas de conexión y servicios competitivos de comunicación

datos y video. Estas tecnologías fueron desarrolladas debido al rápido crecimiento que han tenido los sistemas de comunicaciones empezando por Internet, que rápidamente paso de ser una herramienta académica o científica a una súper vía de intercambio de información, representando un reto para los proveedores de servicios que en búsqueda de la innovación encontraron alternativas que proporcionaron rapidez en la navegación por la red, así como en las descargas de archivos de la misma.

Haciendo una retrospectiva de los sistemas de banda ancha tenemos que mencionar la línea de abonado digital (DSL: Digital Subscriber Line1), que es una tecnología de banda ancha que ocupa como medio físico el cable telefónico (par trenzado) o en algunos casos los sistemas de modem por medio de cable coaxial. Desde sus inicios, esta tecnología ha tenido una gran difusión consiguiendo un incremento de suscriptores por la ventaja de ofrecer tasas de transferencia a varios megabits por segundo, debido a que las aplicaciones de esta tecnología han modificado drásticamente la forma en la cual se llevan a cabo los negocios y las relaciones comerciales, así como la manera en la cual se realiza el intercambio de información y la percepción que se tiene del entretenimiento.

Con el desarrollo de las tecnologías de banda ancha se han ampliado sus capacidades para lograr cierta inclusión de servicios en estos sistemas, proporcionando aplicaciones multimedia como lo son las de voz, video en tiempo real y conferencias multimedia. Algunas de las aplicaciones que se han hecho en este ámbito son en las tecnologías de voz sobre el protocolo de Internet (VoIP) o la televisión de alta definición (HDTV). En últimas fechas se han hecho mejorías a estas aplicaciones ocupando diversas tecnologías novedosas como lo es la fibra óptica en los sistemas de “fibra hacia el hogar” (FTTH: Fiber To The Home), que proporciona conexiones de banda ancha mediante dispositivos ópticos para la interconexión de equipos, o bien, la tecnología DSL de altas tasas de transferencia (VDSL: Very High Digital Subscriber Line), que representa solo una mejoría e innovación dentro de la tecnología DSL incrementando su desempeño y aumentando su tasa de transferencia.

Con esta pequeña recopilación de las tecnologías de banda ancha es posible entender la inquietud que se derivó por implementar estas tecnologías en los sistemas inalámbricos, surgiendo así las tecnologías inalámbricas de banda ancha, las cuales sólo reflejan la aplicación de las conexiones de banda ancha en un contexto inalámbrico, revolucionando las comunicaciones así como la vida de los usuarios, permitiendo conectarse directamente con las personas y la información relevantes mediante una conexión a alta velocidad desde cualquier lugar.

La historia de los sistemas inalámbricos de banda ancha parte primordialmente de la necesidad de las empresas proveedoras de servicios de telecomunicaciones de encontrar una alternativa viable y competitiva a los sistemas de cableado estructurado tradicionales. En la década pasada se desarrollaron una gran cantidad de sistemas de acceso inalámbrico, sin embargo, estos sistemas eran incompatibles ya que diferían en frecuencias de operación, protocolos, aplicaciones y algunos otros parámetros. Por esta incompatibilidad entre los sistemas inalámbricos se empezó a limitar su diseño, al estandarizar los parámetros de los cuales están conformados, de tal manera que muchos de los sistemas propuestos fueron sacados del mercado siendo utilizados solo aquellos que cubrían con los estándares establecidos. Es necesario hacer énfasis en la evolución que se dio en los

sistemas inalámbricos de banda ancha que actualmente existen, ya que esto nos permitirá entender por qué estos tienen ese crecimiento y esas capacidades que los caracterizan. El sistema de

inalámbricos con línea de vista (LOS: Line Of Sight), los sistemas inalámbricos sin línea de vista (NLOS: Non Line Of Sight) y los sistemas inalámbricos estandarizados de banda ancha.

Los primeros ejemplos de sistemas inalámbricos de banda angosta fueron naturalmente aplicaciones de los sistemas telefónicos, como son los sistemas llamados de enlace local inalámbrico (WLL: Wíreles Local Loop), el cual brindó la posibilidad de proporcionar el servicio telefónico a una gran cantidad de usuarios que la red telefónica existente no podía satisfacer; esto fue principalmente por su capacidad de ser usada como conexión de última milla. De hecho, los sistemas WLL fueron basados principalmente en los sistemas de telecomunicaciones inalámbricas mejoradas digitalmente (DECT: Digital Enhanced Cordless Telecommunications), el cual es un estándar aplicado en los teléfonos inalámbricos que poseen comúnmente un uso doméstico o corporativo.

Con el paso del tiempo surgieron sistemas cuyas tasas de transferencia eran mucho más superiores a las proporcionadas por los sistemas inalámbricos, por lo que los proveedores de servicios inalámbricos de Internet tuvieron que buscar innovaciones para poder brindarles a los usuarios mayor velocidad en sus transferencias de archivos. Uno de estos sistemas propuestos para altas tasas de transferencia fue el llamado sistema de distribución local multipunto (LMDS: Local Multipoint Distribution Service), el cual puede proveer cientos de megabits por segundo trabajando en la banda de frecuencias de ondas milimétricas de los 24 GHz y los 39 GHz.

La solución que propone WiMAX abarca diferentes tipos de servicios, como lo son la banda ancha inalámbrica fija, banda ancha inalámbrica nomádica y banda ancha inalámbrica móvil.

1.11 SOLUCIONES WIMAX FIJO

El estándar 802.16 – 2004 (WiMAX Fijo), puede entregar soluciones fijas y nomádicas dentro de las que destacan:

Soluciones fijas: Interconexión de redes “islas” (backhaul) redes de retornocelulares o Wi-Fi.

Actualmente se ocupan en redes celulares líneas dedicadas o enlaces de microondas para su interconexión.

Proporcionar Internet y telefonía a empresas y hogares a través de CPEs exterior o CPEs interiores auto instalables por el usuario. Parecido a lo que ofrece WLL (Wireless Local Loop, Internet inalámbrico fijo de microondas) o DSL inalámbrico.

Para CPEs interiores (o sin línea vista, NLOS) la solución WiMAX fija es un poco limitada, debido al tipo de multiplexión OFDM; principalmente enfocado para pymes. Es comparable en cuanto a capacidad a cable o ADSL.

Internet y telefonía a sectores rurales o alejados, debido a su alta capacidad y amplia cobertura es una solución económica para dar acceso a los servicios a los sectores más retirados del país, transformando a WiMAX en una sólida herramienta para disminuir la brecha digital.

Fig. 3.2. Esquema de servicios WiMAX Fijo

1.12 SOLUCIONES WIMAX MOVIL

El estándar 802.16e (WiMAX Móvil), en cambio, puede entregar soluciones fijas, nomádicas y móviles.

Solución fija: Puede proporcionar Internet y telefonía a empresas y hogares a través de CPEs exteriores e interiores auto instalables.

Solución nomádica: Al igual que 802.16 – 2004, la versión móvil puede usarse como solución nomádica, ya que se puede acceder en cualquier lugar de cobertura, usando tarjetas en los notebooks (PCMCIA), PDA u otro dispositivo.

Solución Móvil: Esta tecnología tiene soporte para la movilidad total, soportando handoff y roaming nacional e internacional. Los dispositivos usados pueden ser notebooks, PDAs o smartphones.

Se aprecia en el análisis anterior una convergencia en las soluciones de ambas tecnologías.

Actualmente varios operadores está considerando WiMAX, pero la mayoría indican que si bien no descartan el potencial portátil/móvil de WiMAX, su principal interés en este momento es el potencial que WiMAX Fijo ofrece como backhaul (Wi-Fi y celular) y el servicio inalámbrico fijo.

SERVICIOS Y APLICACIONES

Producto de la alta capacidad ofrecida por WiMAX Móvil se pueden tener distintas aplicaciones en el dispositivo móvil.

Para tener una idea de lo que se puede hacer con la velocidad de datos, a continuación se nombrarán las aplicaciones más comunes y capacidad necesaria para ofrecer los servicios:

Aplicación Capacidad _promedio

Microbrowsing (WAP) 14 - 32 Kbps VoIP 32 - 64 Kbps Mensajes multimedia (MMS) 14 - 64 Kbps Video conferencia 128 - 384 Kbps Navegación en la Web 32 - 384 Kbps Aplicaciones Empresariales

(sincronización de e-mail, acceso a

bases de datos, VPN) 64 - 384 Kbps Streaming de audio y video 64 - 2048 Kbps Descargar contenido multimedia > 256 Kbps

Tabla 3.3. Velocidad recomendada de datos para distintas aplicaciones

Estos datos son referenciales, ya que, a mayor capacidad de transmisión, más rápida y mejor funcionarán las aplicaciones. La banda ancha móvil puede ser el compañero ideal para el profesional que tiene que trabajar en terreno o revisar estructuras de manera remota, puesto que puede revisar e-mail o tener una video conferencia donde sea que esté; ya existen teléfonos móviles capaces de sincronizarse con el Microsoft Outlook. Los terminales cada vez incluirán más funciones, hasta convertir el dispositivo en un computador móvil.