ESQUEMAS DE MODULACION Y CODIFICACION ADAPTABLES EN REDES WiMAX

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TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN

COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN:

Hernández Valadez Josué Iván

Ramírez Chavarría Daniel

Asesores:

M. en C. José Ernesto Rojas Lima

M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna

AGRADECIMIENTOS

A nuestros padres y hermanos que han estado siempre con nosotros y que nos apoyan incondicionalmente hasta en los momentos más adversos.

A nuestros compañeros y amigos por su ayuda y buenos consejos para seguir adelante.

A los profesores José Ernesto Rojas Lima y Jaime Pedro Abarca Reyna, ya que sin su apoyo y enseñanzas este proyecto no se hubiera llevado a cabo.

OBJETIVOS

• Conocer la estructura y las características de las capas Física y de Control de Acceso

al Medio definidas en el estándar 802.1662004 para identificar la forma en que se

transmite la información y los medios que utiliza la señal para propagarse.

• Describir los esquemas de modulación y codificación contemplados por el estándar

802.1662004 con el objeto de observar las diferencias entre cada uno de estos y

realizar un análisis comparativo.

• Definir las distintas técnicas de adaptación al enlace que nos ayudarán a ubicar y

tener el criterio para elegir (según los parámetros del sistema y las condiciones del

enlace) un esquema de modulación y codificación para un escenario dado.

• En base a las técnicas definidas, establecer un modelo de simulación para describir y

CONTENIDO

Agradecimientos ii

Objetivos iii

Contenido iv

Acrónimos y siglas vii

Introducción x

CAPÍTULO 1 – WiMAX FIJO – IEEE 802.1662004.

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1.3 Capa de Control de Acceso al Medio (MAC). 20

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2.2 Técnicas de Codificación de Canal. 35

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CAPÍTULO 3 – TÉCNICAS DE ADAPTACIÓN AL ENLACE EN

SISTEMAS INALÁMBRICOS.

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3.2 Modulación y codificación adaptables en WiMAX. 49

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CAPÍTULO 4 – AMBIENTE DE SIMULACIÓN PARA LA EVALUACIÓN

DE AMC EN REDES WiMAX

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4.2 Modelo de simulación. 58

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75

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4.3 Algoritmos propuestos para AMC en WiMAX. 79

4.4 Resultados de la evaluación de los algoritmos propuestos para AMC. 80

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ACRÓNIMOS Y SIGLAS

1xEVBDO 1x Evolution–Data Optimized B Evolución 1x de datos optimizados 3G 3rd Generation B Tercera Generación

AM Amplitude Modulation B Modulación en amplitud

AMC Adaptive Modulation and Coding B Modulación y codificación adaptables ARQ Automatic Repeat reBQuest B Solicitud de repetición automática

ATM Asynchronous Transfer Mode B Modo de transferencia asíncrono AWGN Additive White Gaussian Noise B Ruido blanco aditivo Gaussiano BCH BoseBChaudhuriBHocquenghem

BER Bit Error Rate B Tasa de bit erróneo

BLER Block Error Rate B Tasa de error de bloque

BPSK Binary Phase Shift Keying B Modulación por desplazamiento de fase binaria BS Base Station B Estación base

BTC Block Turbo Coding B Codificación turbo a bloques

CDF Cumulative Distribution Function – Función de distribución acumulativa CDMA Code Division Multiple Access B Acceso múltiple por división de código CID Connection IDentifier B Identificador de conexión

CINR CarrierBtoBInterference and Noise Ratio B Relación de portadora a interferencia y ruido

CP Cyclic Prefix B Prefijo cíclico

CPS Common Part Sublayer B Subcapa de parte común CS Convergence Sublayer B Subcapa de convergencia

CSMA Carrier Sense Multiple Access B Acceso múltiple por detección de portadora CTC Convolutional Turbo Codes B Códigos turbo convolucionales

DFT Discrete Fourier Transform B Transformada discreta de Fourier DL Down Link B Enlace de bajada

DLFP Down Link Frame Prefix B Trama del enlace de bajada

EGPRS Enhanced General Packet Radio Service B Servicio General de Paquetes de Radio Mejorado

ETSI European Telecommunications Standards Institute B Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones

FCC Federal Communications Commission B Comisión Federal de Comunicaciones FCH Frame Control Header B Encabezado de control de trama

FDD Frequency Division Duplex B Duplexaje por división de frecuencia

FDM Frequency Division Multiplexing B Multiplexaje por división de frecuencia FEC Forward Error Correction B Corrección de errores directa

GMSK Gaussian MinimumBShift Keying B Modulación por desplazamiento mínimo Gaussiano

GPS Global Positioning System B Sistema de Posicionamiento Global GPRS General Packet Radio Service B Servicio General de Paquetes de Radio GT Guard Time B Tiempo de guarda

HDTV HighBDefinition TV B Televisión de alta definición

HSPA HighBSpeed Packet Access B Acceso por Paquetes de Alta Velocidad ICI InterBCarrier Interferente B Interferencia interportadora o entre portadora IFFT Inverse Fast Fourier Transform B Transformada rápida inversa de Fourier IFT Inverse Fourier Transform B Transformada inversa de Fourier

IP Internet Protocol B Protocolo de Internet

ISI InterBSymbol Interferente B Interferencia intersímbolo LOS Line of sight B Línea de vista

LSB Less Significant Bit B Bit menos significativo

MAC Medium Access Control B Control de Acceso al Medio MBS Most Significant Bit B Bit más significativo

MIMO Multiple Input – Multiple Output B Múltiples entradas – Múltiples salidas

MMDS Multichannel Multipoint Distribution Services B Servicios de Distribución Multipunto Multicanal

MODEM Modulador / Desmodulador

MPDU’s MAC Protocol Data Units B Unidades de Datos de Protocolo MRC Maximum Ratio Combining B Combinador de Máxima Razón MSDU’s MAC Service Data Units B Unidades de Datos de Servicio MAC MSK Minimum Shift Keying B Desplazamiento mínimo

NLOS Non Line of Sight B Sin línea de vista

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing B Multiplexaje por División Ortogonal de Frecuencia

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access B Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia

PAPR PeakBtoBAverage Power Ratio B Relación de Potencia Pico a Promedio PAR PeakBtoBAverage Ratio B Relación Pico a Promedio

PDF Probability Density Function – Funcion de densidad de probabilidad PHY Physical layer B Capa Física

PMP PointBtoBMultipoint B Punto a multipunto PN PseudoBNoise B Seudo ruido

PRBS PseudoBRandom Binary Sequence B Secuencia binaria seudo aleatoria PSK Phase Shift Keying B Modulación por desplazamiento de fase

QAM Quadrature Amplitude Modulation B Modulación de Amplitud en Cuadratura QoS Quality of Service B Calidad de Servicio

RSBCC ReedBSolomon Convolutional Code B Código Reed3Solomon concatenado con código convolucional

SC Single Carrier B Portadora única

SDMA Space Division Multiple Access B Acceso Múltiple por División Espacial

SINR SignalBtoBInterferenceBplusBNoise Ratio B Relación señal a interferencia más ruido SIR Signal to Interference Ratio B Relación señal a interferencia

SNR SignalBtoBNoise Ratio B Relación señal a ruido

SS Subscriber Station B Estación suscriptora o de usuario

TCP Transport Control Protocol B Protocolo de control de transporte TDD Time Division Duplex B Duplexaje por división de tiempo

TDMA Time Division Multiple Access B Acceso Múltiple por División de Tiempo UGS Unsolicited Grant Service B Servicio de Concesión No solicitado

UL Up Link B Enlace de subida

VLSI VeryBLargeBScale Integration B Integración a escala muy grande VoD Video on Demand B Video sobre demanda

VoIP VoiceBoverBInternet Protocol B Voz sobre IP WiBFi Wireless Fidelity B Fidelidad Inalámbrica WiBro Wireless Broadband B Banda ancha inalámbrica

WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access B Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas

INTRODUCCIÓN

La Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas fijo (WiMAX: Worldwide interoperability for Microwave Access) es un sistema de banda ancha que nos permite una conexión a altas tasas de datos en forma inalámbrica.

Existen varias tecnologías que ofrecen servicios inalámbricos banda ancha, tanto soluciones propietarias como alternativas basadas principalmente en estándares para sistemas celulares de Tercera Generación (3G: 3rd Generation). WiMAX surge como una alternativa eficiente y confiable que utiliza diversas técnicas y esquemas que se adaptan a los requerimientos actuales demandados por los usuarios de servicios como: Transmisión de datos, voz y video.

WiMAX utiliza modulación y codificación adaptables con los que se alcanza una eficiencia espectral alta en la transmisión sobre canales variantes en el tiempo. Básicamente se estiman las condiciones del canal en el receptor y esta información es retroalimentada al transmisor, de este modo el esquema de transmisión puede adaptarse de acuerdo a las características del canal. La transmisión adaptable fue investigada por primera vez a finales de los años 60 y principios de los 70’s. El interés en estas técnicas fue de breve duración, quizás debido a las restricciones del equipo.

La modulación adaptable requiere una trayectoria de retroalimentación entre el transmisor y el receptor, que puede no ser factible para algunos sistemas. Por otra parte, si el canal está cambiando más rápidamente de lo que puede ser estimado y retroalimentado de manera confiable al transmisor, las técnicas adaptables se realizarán de manera errónea.

Dentro de este trabajo desarrollamos cuatro capítulos en los cuales damos una descripción más concreta acerca de los principales elementos que hacen posible el funcionamiento y buen desempeño de un sistema de comunicaciones inalámbricas de banda ancha, como lo es WiMAX.

Posteriormente realizamos una descripción de los aspectos más importantes de la capa física (PHY) y de Control de Acceso al Medio (MAC) especificadas en el estándar IEEE 802.16B 2004 definido para WiMAX fijo. La versión del estándar IEEE 802.16B2004 contempla tres configuraciones de capa física para la interfaz de radio. La primera utiliza una interfaz de radio de una sola portadora modulada para la transmisión de la información. La segunda configuración utiliza un esquema de Multiplexaje por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM) de 256 portadoras. La tercera configuración utiliza un esquema de Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA) de 2048 portadoras, en la cual el acceso múltiple se realiza mediante la asignación de un subconjunto de portadoras a un solo usuario.

También dentro de la capa física, se describen las bases de estos esquemas de multiplexaje y acceso múltiple (OFDM y OFDMA), además de una breve introducción a Modulación y Codificación Adaptables (AMC) y se contempla el uso de antenas inteligentes o adaptables para el desempeño eficiente de esta tecnología.

En la capa MAC, la cual provee una interfaz entre la capa física y las capas superiores, se mencionan las aplicaciones y segmentos en que esta se divide, además de aspectos como la Calidad de Servicio (QoS) que es un parámetro muy importante a considerar debido a que define las características necesarias para que se tenga un enlace eficiente, tales como: prioridad de tráfico, tasa de tráfico máxima soportada, entre otras.

En el capítulo 2, revisamos las técnicas de modulación y codificación definidas en el estándar IEEE 802.16B2004. Hablamos acerca de la codificación de canal, la cual protege los datos agregando bits redundantes en los datos transmitidos.

La codificación de canal se divide en: codificación de formas de onda (o diseño de señales) y codificación de secuencias estructuradas (o redundancia estructurada). La codificación de forma de onda transforma estas en “formas de onda mejoradas” para hacer que el proceso de detección sea menos propenso a los errores. WiMAX trabaja con secuencias estructuradas que transforman las secuencias de datos en “secuencias mejoradas” agregando redundancia estructurada (bits redundantes) que sirven para detectar y/o corregir errores. Además en este capítulo se mencionan los parámetros de codificación y tipos de códigos utilizados en el estándar.

En el capítulo 3 describimos las técnicas de adaptación al enlace consideradas en un sistema WiMAX fijo para una transmisión eficiente de la información, dando primeramente una introducción a las técnicas adaptables. Posteriormente se revisa cada una de las técnicas como son: técnica de tasa variable, técnicas de potencia variable, técnica de probabilidad de error variable, técnicas de codificación variable y las técnicas híbridas.

También se definen los perfiles de ráfaga arriba mencionados ofrecidos por los sistemas WiMAX, así como las consideraciones para desarrollar distintos algoritmos de adaptación al enlace, para los cuales se deben de considerar y controlar eficientemente tres parámetros a la vez: Potencia de transmisión, tasa de transmisión (constelación) y la tasa de codificación. Es importante señalar que los algoritmos de adaptación al enlace para WiMAX no se especifican en el estándar IEEE 802.16; estos algoritmos se dejan libres para que el vendedor u operador decida cómo implementarlos.

Finalmente, en este capítulo, realizamos una revisión de los algoritmos de adaptación que se han propuesto para WiMAX, tales como: el algoritmo de adaptación basado en la relación señal a interferencia (SIR), algoritmo de adaptación basado en la mejor tasa útil (throughput), algoritmo de adaptación basado en la distancia (entre el usuario y la estación base) y algoritmo de adaptación basado en el retardo de paquetes TCP.

Los algoritmos antes mencionados consideran diferentes criterios para elegir el esquema de modulación y codificación que cumpla con las condiciones establecidas en cada uno de ellos y que dan la pauta para proponer otros algoritmos, que describimos en el capítulo 4.

basado en la metodología de simulaciones estáticas (método de Monte Carlo) para poder evaluar el desempeño del sistema bajo ciertas condiciones, tomando en cuenta los siete perfiles de ráfaga contemplados en el capítulo 3 y a partir de los cuales podemos evaluar un sistema de una sola celda dividida en las regiones correspondientes a cada perfil.

Posteriormente desarrollamos algoritmos para tres escenarios específicos, cada uno con diferentes condiciones de acceso, las cuales el usuario debe cumplir para que se le pueda otorgar el servicio. Si el usuario no cumple estas condiciones será rechazado.

CAPÍTULO 1

WiMAX FIJO – IEEE 802.1662004.

1.1 Introducción de los sistemas inalámbricos de banda ancha.

Alrededor del mundo, los usuarios de banda ancha pueden encontrar dinamismo en el intercambio de información, la conducción de negocios y el entretenimiento. Un acceso de banda ancha no solo nos proporciona una navegación más rápida en la red o la descarga veloz de archivos, también nos permite diferentes aplicaciones multimedia como: descargas de audio y video en tiempo real, conferencias multimedia y juegos interactivos. Las conexiones de banda ancha se están utilizando para telefonía empleando tecnología de Voz sobre IP (VoIP: VoiceB overBInternet Protocol). Además existen sistemas de banda ancha como el de Fibra al Hogar (FTTH: FiberBToBTheBHome) que permiten aplicaciones como Televisión de Alta Definición (HDTV: HighBDefinition TV) y video sobre demanda (VoD: Video on Demand). Así que conforme vaya creciendo el mercado de banda ancha, es probable que surjan nuevas aplicaciones

Como su nombre lo indica, los sistemas inalámbricos de banda ancha nos permiten una conexión de altas tasas de datos en forma inalámbrica. Fundamentalmente existen dos tipos de conexiones de banda ancha inalámbrica: las fijas y las móviles. Las conexiones móviles nos ofrecen la funcionalidad de la portabilidad, conexión nómada (nomadicity) y movilidad. Las conexiones fijas en cambio nos ofrecen un servicio parecido al de las conexiones por cable pero usando transmisión inalámbrica. El resto del trabajo se enfocará en la tecnología de Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas fijo (WiMAX: Worldwide interoperability for Microwave Access). La conexión nómada implica la posibilidad de conectarse a la red desde diferentes lugares por medio de diferentes estaciones base y movilidad implica la posibilidad de mantener una conexión activa mientras se está en movimiento a velocidades vehiculares [1].

los sistemas inalámbricos de banda ancha cuentan con un historial accidentado, en parte debido a la fragmentación de la industria por la falta de un estándar común. Se espera que el surgimiento de WiMAX (como estándar para la industria) cambie esta situación. La tabla 1.1 muestra cronológicamente algunos eventos relevantes relacionados con el desarrollo de los sistemas inalámbricos de banda ancha [1, 2, 3].

Tabla 1.1. Desarrollo de los sistemas inalámbricos de banda ancha.

Fecha Evento

Febrero, 1997 AT&T anuncia el desarrollo de tecnología inalámbrica fija llamada “Proyecto Ángel”.

Febrero, 1997

La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC Federal Communications Commission) subasta el espectro de 30MHz en la banda de 2.3GHz para servicios de comunicaciones inalámbricas.

Septiembre, 1997

Televisoras Americanas (adquirida más tarde por Sprint) anuncia servicios de acceso a Internet en la banda de Servicios de Distribución Multipunto Multicanal (MMDS: Multichannel Multipiont Distribution Services) ofreciendo una tasa de transferencia de 750kbps con un MODEM de marcado telefónico.

Septiembre, 1998

La FCC disminuye las normas para la banda MMDS para permitir comunicaciones de dos vías.

Abril, 1999 MCI y Sprint adquieren varios operadores inalámbricos para tener acceso al espectro MMDS.

Julio, 1999 Se conforma el primer grupo del IEEE 802.16.

Marzo, 2000 AT&T lanza el primer servicio inalámbrico fijo comercial de alta velocidad después de años de prueba.

Mayo, 2000 Sprint lanza la primera aplicación de MMDS en Phoenix, Arizona, usando tecnología con linea de vista (LOS line of sight) de primera generación.

Junio, 2001 Se establece el foro WiMAX (WiMAX Forum). Octubre, 2001 Sprint detiene el uso de MMDS.

Diciembre,

2001 AT&T descontinúa los servicios fijos inalámbricos. Diciembre,

2001 Se completa el estándar IEEE 802.16 para frecuencias mayores a 11GHz.

Febrero, 2002 Corea asigna el espectro en la banda de 2.3GHz para banda ancha inalámbrica (WiBro: Wireless Broadband).

Enero, 2003 Se completa el estándar IEEE 802.16a.

Junio, 2004 El estándar IEEE 802.16B2004 se completa y es aprobado. Septiembre,

2004 Intel comienza a distribuir el primer chip para WiMAX, llamado Rosedale. Diciembre,

2005 Se completa y es aprobado el estándar IEEE 802.16e.

Enero 2006 El foro certificado WiMAX anuncia el primer producto para aplicaciones fijas. Junio, 2006 Se lanzan en Corea servicios comerciales de WiBro

Agosto, 2006 Sprint Nextel anuncia sus planes para usar WiMAX móvil en Estados Unidos

tecnologías inalámbricas de banda ancha. Tal vez la principal ventaja de WiBFi sobre WiMAX y 3G es su penetración en el mercado aunque no fue diseñado para soportar alta movilidad, además de tener una capacidad reducida en sistemas para exteriores (outdoor) por trabajar en bandas sin licencia [1, 2].

Tabla 1.2. Comparación de WiMAX con otras tecnologías inalámbricas de banda ancha. Parámetro WiMAX fijo WiMAX móvil HSPA 1xEV6DO

Revisión A Wi6Fi Estándares IEEE 802.16B

2004 IEEE 802.16B2005

3GPP

Revisión 6 3GPP2

IEEE 802.11a/g/n

Tasa máxima de datos en el enlace de

bajada

9.4 Mbps en 3.5 MHz con una relación enlace de bajada (DL: Down Link) a enlace de subida (UL: Up Link) de 3:1 y un esquema de Duplexaje por División de Tiempo (TDD: Time Division Duplex)

46 Mbps(a) con relación de ancho de banda DL a UL de 3:1 y un esquema TDD; 32 Mbps con 1:1

14.4 Mbps usando todos los códigos (15); 7.2 Mbps con 10 códigos

3.1 Mbps; la revisión B soportará 4.9 Mbps

Tasa máxima de datos en el enlace de

subida

3.3 Mbps en 3.5 GHz usando una relación DL a UL de 3:1; 6.5 MHz con 1:1

7 Mbps en 10 MHz usando una relación 3:1 de DL a UL; 4 Mbps usando 1:1

1.4 Mbps inicialmente; 5.8 Mbps más tarde

1.8 Mbps

54 Mbpsb divididos usando 802.11a/g; tasa útil de capa 2 mayor a 100 Mbps usando 802.11n

Ancho de banda

3.5 MHz y 7 MHz en la banda de 3.5 GHz; 10 MHz en la banda de 5.8 GHz

3.5 MHz, 5 MHz, 7 MHz, 10 MHz y

8.75 MHz

inicialmente

5 MHz 1.25 MHz

20 MHz para 802.11a/g; 20/40 MHz

para el

802.11n

Modulación

BPSK, QPSK, 16BQAM, 64B QAM QPSK, 16BQAM, 64BQAM QPSK, 16BQAM QPSK, 8 PSK, 16BQAM

BPSK, PSK, 16BQAM, 64B QAM

Multiplexaje TDM/OFDM TDM/OFDMA TDM/CDMA TDM/ CDMA CSMA

Duplexaje TDD, FDD TDD inicialmente FDD FDD TDD

Frecuencia

3.5 GHz y 5.8 GHz

inicialmente

2.3 GHz, 2.5 GHz y

3.5 GHz

inicialmente 800/900/ 1800/1900/ 2100 MHz 800/900 /1800 /1900 MHz

2.4 GHz, 5 GHz

Cobertura (típica)

3 – 5 millas (4.83 – 8.05 km)

< 2 millas (< 3.22 km)

1 – 3 millas (1.61 – 4.83 km)

1 – 3 millas (1.61 –

4.83 km)

< 30.48m en interiores; < 304.8m en exteriores

Movilidad No se aplica Media Alta Alta Baja

a. Suponiendo un sistema de Entradas Múltiples – Salidas Múltiples (MIMO: Multiple Input Multiple Output) de 2 2 y un canal de 10 MHz.

1.2 Capa Física (PHY: Physical) de WiMAX.

La capa física de WiMAX fijo está basada en el estándar 802.16B2004. La gama de frecuencias en la que el Grupo de Trabajo 802.16 [4] (encargado del desarrollo del estándar) se interesó inicialmente fue de 10 – 66 GHz, aunque posteriormente el proyecto se inclinó por la gama de 2 – 11 GHz, lo que condujo al estándar IEEE 802.16a [5], el cual fue completado en enero de 2001. La revisión 802.16d [6] del estándar, que fue aprobada en junio de 2004, es la actualización del 802.16a [5].

El diseño de la capa física de 2 – 11 GHz se realizó por la necesidad de la operación sin línea de vista (NLOS: Non Line of Sight). En el estándar se definen tres capas físicas diferentes que pueden utilizarse junto con la capa de Control de Acceso al Medio (MAC: Medium Access Control) para proveer un enlace [7 – 9]. Estas tres especificaciones de interfaz de radio son:

B Red de Área Metropolitana Inalámbrica (Wireless Metropolitan Area Network) – de una sola portadora (SC: Single Carrier): Una interfaz de radio de una sola portadora modulada.

B Red de Área Metropolitana Inalámbrica (WirelessMAN) – con Multiplixaje por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Un esquema de 256 portadoras OFDM. De estas 256 portadoras, 192 se usan para datos de usuario, 56 como banda de guarda y 8 como símbolos piloto permanentes.

B Red de Área Metropolitana Inalámbrica (WirelessMAN) – con Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access): Un esquema de 2048 portadoras. El acceso múltiple se realiza mediante la asignación de un subconjunto de portadoras a un solo usuario, por lo que en ocasiones esta versión se denomina OFDMA.

Ratio) más baja1, así como menos requerimientos que restringen la sincronización en frecuencia comparado con el de 2048 portadoras [8].

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El esquema OFDM es un caso especial de transmisión con portadoras múltiples, donde un flujo de datos individual se transmite sobre un número de portadoras de menor tasa. Una de las principales razones para usar OFDM es incrementar la resistencia a los desvanecimientos selectivos en frecuencia. En un sistema de una sola portadora, un solo desvanecimiento o interferencia puede causar que el enlace entero falle, pero en un sistema de portadoras múltiples sólo un pequeño porcentaje de las subportadoras se verá afectado. La codificación para la corrección de errores puede entonces utilizarse para corregir las pocas subportadoras erróneas. El concepto del uso de transmisión de datos en paralelo y el Multiplexaje por División de Frecuencia (FDM: Frequency Division Multiplexing) fue publicado a mediados de la década de los sesentas, aunque puede ubicarse en la década de los cincuentas.

En un sistema clásico de datos en paralelo, toda la señal de la banda de frecuencia se divide en N subcanales de frecuencia sin traslape. Cada subcanal se modula con un símbolo de separación y entonces los N subcanales son multiplexados en frecuencia. Esto es una buena medida para evitar el traslape espectral de canales y reducir la interferencia entre los mismos, pero esto conduce al uso ineficiente del espectro disponible. Para disminuir dicha ineficiencia, las ideas propuestas desde mediados de los sesentas consistieron en usar la transmisión de datos en paralelo y FDM con subcanales traslapados para evitar el uso de igualadores de alta velocidad y combatir el ruido impulsivo y la distorsión por trayectorias múltiples, así como usar de un modo más eficiente el ancho de banda disponible.

Los igualadores compensan la interferencia intersímbolo (ISI: InterBSymbol Interference) ocasionada por trayectorias múltiples en canales dispersivos en tiempo. Un igualador en el

1

receptor compensa el rango promedio de las amplitudes del canal esperadas y las características de retardo; en los sistemas móviles el igualador debe ser adaptable.

Usando la técnica de modulación de portadoras múltiples con traslape, ahorramos casi el 50 % del ancho de banda, como se muestra en la figura 1.1. Para llevar a cabo la técnica de portadoras múltiples con traslape, necesitamos reducir la interferencia entre subportadoras, lo cual significa que queremos ortogonalidad entre las diferentes portadoras moduladas.

Figura 1.1. Concepto de una señal de OFDM: (a) Técnica convencional de portadoras múltiples, y (b) técnica de modulación de portadoras múltiples ortogonales.

La palabra ortogonal indica que hay una relación matemática precisa entre las frecuencias de las portadoras en el sistema. Un conjunto de funciones complejas Φk(t) es ortogonal en un

intervalo a<t<b si para dos funciones cualesquiera Φm(t) y Φn(t) pertenecientes al conjunto Φk(t),

su producto interno cumple con la ecuación 1.1.

< fn(t),fm(t) > =

∫

     

= ≠ =

b a

n m

n

n m para r

n m para dt

t f t f

0 )

( )

( * (1.1)

Donde f_m*(t)es el complejo conjugado de f(t).

se introducen bandas de guarda entre las diferentes portadoras lo cual resulta en una disminución de la eficiencia del espectro en el dominio de la frecuencia.

Es posible organizar las portadoras en una señal OFDM de modo que las bandas laterales de las portadoras individuales se traslapen y las señales se reciban aún sin interferencia de portadora adyacente. Para hacer esto, las portadoras deben ser matemáticamente ortogonales. Por otro lado, decimos que las portadoras son linealmente independientes (es decir, ortogonales) si el espaciamiento entre portadoras es un múltiplo de 1/T [10].

En 1966, los laboratorios Bell obtuvieron la patente para OFDM. Más tarde, en 1985, Leonard J. Cimini Jr. propuso su uso en comunicaciones móviles. En 1997, el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI: European Telecommunications Standards Institute) incluyó OFDM en el sistema de Radiodifusión de Video Digital Terrestre (DVBBT: Terrestrial Digital Video Broadcasting). En 1999, la variante de WiBFi IEEE 802.11g consideró a OFDM en su capa física [11].

El esquema de transmisión OFDM tiene las siguientes ventajas clave:

B OFDM es una forma eficiente de tratar con trayectorias múltiples; para una dispersión debida al retardo, la complejidad de implementación es significativamente menor que la de un sistema de una sola portadora con un igualador.

B En canales variantes en el tiempo relativamente lentos, es posible realzar significativamente la capacidad adaptando la tasa de datos por subportadora de acuerdo a la relación señal a ruido (SNR: SignalBtoBNoise Ratio) de esa subportadora en particular. B OFDM es resistente a la interferencia de banda angosta, porque tal interferencia afecta

solamente a un pequeño porcentaje de las subportadoras.

B OFDM hace posibles las redes de frecuencia individual, lo cual es especialmente atractivo para aplicaciones de radiodifusión.

Por otro lado, OFDM también tiene algunas desventajas comparado con la modulación de una sola portadora:

B OFDM es más sensible a las variaciones de frecuencia y al ruido de fase.

( #$"

El principio básico de OFDM es dividir un flujo de datos de tasa alta en partes de una tasa menor que son transmitidos simultáneamente sobre un número de subportadoras. Si la duración del símbolo se incrementa para las subportadoras paralelas de menor tasa, la cantidad relativa de dispersión en el tiempo que causa la dispersión de retardo por trayectorias múltiples se decrementa. La interferencia intersímbolo se elimina casi por completo introduciendo un tiempo de guarda en cada símbolo OFDM y con el hecho de que las portadoras sean ortogonales se logra una eficiencia espectral. En el tiempo de guarda, el símbolo OFDM se extiende cíclicamente para evitar la interferencia entre portadoras. Esto se verá más a detalle en 1.2.1.3.

En el diseño de un sistema OFDM, se consideran varios parámetros, tales como el número de subportadoras, el tiempo de guarda, la duración del símbolo, el espacio entre subportadoras, el tipo de modulación por subportadora y el tipo de codificación para la corrección de errores. La selección de parámetros se determina por los requerimientos del sistema tales como el ancho de banda disponible, la tasa de bit requerida o la dispersión de retardo tolerable.

) * + , - $

%-$$*&

Una señal OFDM consta de la suma de subportadoras que son moduladas usando Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK: Phase Shift Keying) o Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM: Quadrature Amplitude Modulation), los esquemas de modulación y codificación usados en WiMAX se presentarán con mayor detalle en el capítulo 2. Si di son los

símbolos QAM complejos, Ns es el número de subportadoras, T la duración del símbolo y fc la

frecuencia de portadora, entonces un símbolo OFDM comenzando en t = ts puede representarse

mediante la ecuación 1.2 [10].

La notación equivalente compleja en banda base está dada por la ecuación 1.3 [10] y es la transformada inversa de Fourier de Ns símbolos QAM de entrada. En esta representación, las

partes real e imaginaria corresponden a las componentes de fase y cuadratura de la señal de OFDM, las cuales tienen que multiplicarse por un coseno y un seno de la frecuencia portadora deseada para producir la señal de OFDM final.

( )

(

)

∑

π

La figura 1.2 muestra la operación de un modulador de OFDM mediante un diagrama a bloques.

Figura 1.2. Modulador de OFDM

Si la kBésima subportadora de la ecuación 1.3 es desmodulada para recuperar la señal con una frecuencia de k/T y se integra la señal sobre T segundos, el resultado es como el de la ecuación 1.4. Observando el resultado intermedio, se puede ver que una portadora compleja se integra sobre T segundos. Para la kBésima subportadora desmodulada, esta integral proporciona la salida deseada dk+N/2 (multiplicada por un factor constante T), la cual es el valor del símbolo

(

)

(

)

(

)

T k i j d dt t t T i j d t t T k j S S S s s S s s S S S N k N N i T t t s N i T t t N N i s N i s 2 / 1 2 2 2 / 1 2 2 2 / 2 exp 2 exp 2 exp + − − = + + + − − = + =       − ₋ =       ₋      _{− −}

∑

∫

∫

∑

π

π

π

Ya que un receptor de OFDM esencialmente calcula los valores del espectro en aquellos puntos que corresponden al máximo de las subportadoras individuales, este puede desmodular cada subportadora libre de cualquier interferencia de las otras subportadoras. Básicamente, la figura 1.3 muestra que el espectro de OFDM cumple con el criterio de Nyquist para una forma de onda libre de interferencia intersímbolo. Nótese que la forma del pulso está presente en el dominio de la frecuencia y no del tiempo, para el cual el criterio de Nyquist es usualmente aplicado. Por lo tanto, en vez de interferencia intersímbolo, esta es interferencia interportadora o entre portadoras (ICI: InterBCarrier Interference).

Figura 1.3. Espectro de una señal OFDM.

∑

=













=

1

0

2

exp

)

(

s

N

i i

N

in

j

d

n

s

π

Se puede construir un equipo para ejecutar la FFT, que es una implementación eficiente de la transformada discreta de Fourier (DFT: Discrete Fourier Transform). Los avances en la tecnología de Integración a Escala Muy Grande (VLSI: VeryBLargeBScale Integration) hacen que los circuitos integrados alcancen altas velocidades y para una FFT de gran tamaño, permiten que sean comercialmente adquiribles. Usando este método, tanto el transmisor como el receptor pueden implementarse técnicas eficientes que reducen el número de operaciones de N2 en la DFT a NlogN en la FFT.

. *

Después de la aplicación de la IFFT, se debe agregar un prefijo cíclico (CP: Cyclic Prefix) al principio del símbolo OFDM, dicho prefijo es redundancia en tiempo llamada tiempo de guarda (GT: Guard Time) que denotaremos como TG (ver figura 1.4), donde Ts representa el tiempo total del símbolo OFDM.

Figura 1.4. Tiempo de Guarda.

definidos para G en el estándar 802.16 son: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. El estándar 802.16B2004 indica que para las capas físicas OFDM y OFDMA, la estación suscriptora o de usuario (SS: Subscriber Station) se encarga de encontrar el valor del CP que será utilizado tanto en el enlace de subida como en el enlace de bajada por la estación base (BS: Base Station).

Una desventaja de una transmisión OFDM es que se puede tener una PAR más alta que con una transmisión de una sola portadora. Se pueden utilizar algunas subportadoras para reducir la PAR, también la capa MAC provee los medios para dicha reducción.

No todas las subportadoras de un símbolo OFDM son datos útiles, existen cuatro tipos de subportadoras (ver figura 1.5) que son:

Subportadoras de datos: Donde se envían los datos útiles.

Subportadoras piloto: Principalmente para sincronización y estimación del canal. Para la capa física OFDM hay 8 subportadoras piloto.

Subportadoras nulas: Sin transmisión, se utilizan como bandas de guarda.

Otras subportadoras nulas son las subportadoras de CD. En las capas físicas OFDM y OFDMA, la subportadora de CD es la que tiene una frecuencia igual a la frecuencia central de transmisión, la cual corresponde a la frecuencia cero (corriente directa) si la señal FFT no se modula. La subportadora de CD es nula para simplificar las operaciones de conversión de digital a analógico y viceversa.

Además, si se usan subportadoras para la reducción de la PAPR, entonces no se utilizan para transmitir datos.

/ #$"

En OFDMA las subportadoras se dividen en subconjuntos de subportadoras. Cada subconjunto, representa un subcanal (ver figura 1.6). En el enlace de bajada, se puede destinar un subcanal a diferentes usuarios; en el enlace de subida, a un transmisor se le pueden asignar uno o más subcanales. No es necesario que las subportadoras sean adyacentes. En el enlace de subida o de bajada, un usuario tendrá ranuras de tiempo y un subcanal como se muestra en la figura 1.7.

Figura 1.6. Definición de las subportadoras en OFDMA.

Usuario 1

Usuario 2

Usuario 3

Usuario 4

Usuario 5 Símbolon

OFDM

Símbolon + 1

OFDM

Símbolon + 2

OFDM

Símbolon + 3

OFDM

Tiempo

S

u

b

ca

n

al

es

(

co

n

ju

n

to

d

e

su

b

p

o

rt

ad

o

ra

s)

Figura 1.7. Ejemplo de asignación de subcanales en OFDMA.

subcanal OFDM en diferentes ranuras de tiempo. Una ventaja principal de OFDMA sobre OFDM es que puede reducir la PAPR junto con la potencia de transmisión [2, 10].

0 +

La modulación y la codificación adaptables permiten una eficiencia espectral alta en la transmisión sobre canales variantes en el tiempo. Básicamente se estiman las condiciones del canal en el receptor y esta información es retroalimentada al transmisor, de este modo el esquema de transmisión puede adaptarse de acuerdo a las características del canal. Las técnicas de modulación y codificación que no se adaptan a las condiciones de los desvanecimientos requieren un margen fijo de enlace para mantener un desempeño aceptable cuando la calidad del canal es pobre. Así, estos sistemas son diseñados con eficacia para las condiciones más adversas del canal. Por ejemplo, los desvanecimientos de Rayleigh pueden causar una pérdida de potencia en la señal de hasta 30 dB, el diseñar para las condiciones más adversas del canal puede dar lugar a una utilización muy ineficaz de la potencia [3].

El adaptarse a los desvanecimientos del canal puede aumentar el rendimiento promedio, reducir la potencia de transmisión requerida, o reducir la probabilidad de bit erróneo promedio aprovechándose de las condiciones favorables del canal para enviar a tasas de datos más altas o a una potencia más baja y reduciendo la tasa de datos o aumentando la potencia mientras el canal se degrada.

En el estándar 802.16a/d se definen 7 combinaciones de esquemas de modulación y codificación que se pueden usar para permitir diferentes tasas de transmisión de datos dependiendo de las condiciones de interferencia. La tabla 1.3 nos muestra dichas combinaciones [8]. La modulación y codificación adaptables (AMC: Adaptive Modulation and Coding) es el tema central de este trabajo, por lo que será discutido con mayor detalle en el capítulo 3.

Tabla 1.3. Combinaciones para AMC en WiMAX. Modulación Codificación Información

bits/símbolo BPSK 1/2 0.5

QPSK 1/2 1

QPSK 3/4 1.5

166QAM 1/2 2

166QAM 3/4 3

646QAM 2/3 4

Los esquemas de modulación usados en el enlace de bajada y el enlace de subida son: por Desplazamiento de Fase Binaria (BPSK: Binary Phase Shift Keying), PSK Cuaternaria (QPSK: Quaternary PSK), Modulación de Amplitud en Cuadratura de 16 niveles (16BQAM) y 64BQAM. A cada símbolo OFDM se le insertan ocho subportadoras piloto, además en el 802.16d se usan preámbulos para ayudar al receptor con la sincronización y la estimación del canal. En el enlace de bajada se utiliza un “preámbulo largo” de dos símbolos OFDM mandados al principio de cada trama. En el enlace de subida se envía un símbolo OFDM o “preámbulo corto” al principio de la trama. El preámbulo 802.16 es una secuencia de símbolos conocidos por el receptor. El preámbulo debe ser tomado en cuenta para el cálculo preciso de la tasa de datos útiles.

.

-Los sistemas de múltiples antenas en el transmisor y/o receptor, pueden proporcionar una ganancia por diversidad, así como también mayores tasas de datos a través de técnicas de procesamiento de la señal espacioBtiempo. Alternativamente, las técnicas de sectorización se pueden utilizar para proporcionar una ganancia de la antena direccional o directiva en la transmisión o recepción. Esta direccionalidad puede aumentar el rango de señalización, reducir la ISI, así como los desvanecimientos planos y suprime la interferencia entre los usuarios. Particularmente, la interferencia llega al receptor desde diversas direcciones. Así, las antenas direccionales pueden explotar estas diferencias para anular o para atenuar la interferencia que llega de las direcciones dadas, aumentando de tal modo la capacidad del sistema. Las componentes multidireccionales reflejadas de la señal transmitida también llegan al receptor desde diversas direcciones y se pueden también atenuar, por lo que se reduce la ISI y los desvanecimientos planos [3].

patrones de ganancia para éstas antenas junto con un patrón omnidireccional de ganancia de la antena se muestran en la figura 1.8.

Las antenas sectorizadas se diseñan para proporcionar alta ganancia a través de una gama de ángulos de llegada de la señal. La sectorización se utiliza comúnmente en las estaciones base de un sistema celular para reducir la interferencia; si a diversos sectores se asignan diversas frecuencias o ranuras de tiempo, entonces solamente los usuarios dentro de un sector se interfieren unos a otros, reduciendo la interferencia promedio por un factor igual al número de sectores. Por ejemplo, la figura 1.8 muestra una antena sectorizada con un lóbulo de amplitud de 120°. Una estación base podría dividir su rango angular de 360° en tres sectores que se cubrirán por tres antenas sectorizadas a 120° y en este caso la interferencia en cada sector se reduce por un factor de 3 respecto a una estación base que utiliza antenas omnidireccionales (figura 1.9).

Figura 1.8. Patrones para una antena omnidireccional y una antena directiva.

antenas restantes se pueden utilizar para incrementar la diversidad. En este caso es importante que las antenas direccionales conozcan la localización angular de las señales deseadas e interferentes para proporcionar ganancias altas o bajas en las direcciones apropiadas.

Figura 1.9. Un ejemplo de sectorización utilizando tres sectores por estación base. De esta forma se reducen los niveles de interferencia en comparación con un escenario de estaciones base con antenas omnidireccionales [12].

. 1

El esquema de diversidad en la recepción es muy eficiente si las señales que vienen de las diversas antenas son no correlacionadas. La correlación de la antena depende principalmente de la distancia entre las antenas; esto se conoce como diversidad espacial.

La puesta en práctica y soporte de diversidad en la recepción en una estación base es específica del vendedor y no requiere ningún mecanismo estándar. Actualmente, existen también más técnicas de antenas avanzadas como: tecnología de antenas inteligentes con formación de rayos (Beamforming) y antenas de tecnología MIMO. También, ambas tecnologías requieren del soporte del estándar para conseguir las ventajas completas de su operación. El estándar IEEE 802.16, especialmente el IEEE 802.16e, proporciona todos los medios para el soporte de ambas tecnologías de antenas [11].

. $ , %( + &

El objetivo principal de esta tecnología es tomar ventaja de la naturaleza de espacioB tiempo del canal de propagación. De hecho, debido a las reflexiones múltiples, a la difracción y a la dispersión en la trayectoria del transmisor al receptor en un ambiente celular, la energía que alcanza la estación base viene de direcciones múltiples, de tal manera que cada dirección es afectada por una atenuación y fase diferentes. En el enlace de subida, el principio de la tecnología de formación de rayos es combinar coherentemente las señales recibidas para N elementos de un arreglo de antenas.

En el enlace de bajada, el procesamiento es muy similar al del enlace de subida. De acuerdo con la información medida en la señal recibida en el enlace de subida, es posible estimar la dirección de llegada de la señal del enlace de subida y aplicar diversos pesos, zi (amplitud y fase), a las diferentes trayectorias transmitidas de la misma señal, de modo que el patrón de la antena resultante se enfoque hacia la dirección del usuario.

cada elemento de la antena pueden fijarse independientemente. Esto tiene la ventaja de tener la posibilidad para alcanzar infinidad de rayos o lóbulos.

Con la formación de rayos adaptable, varias estrategias óptimas pueden utilizarse. La unidad de procesamiento de señales debe maximizar la relación de portadora a interferencia y ruido (CINR: CarrierBtoBInterference and Noise Ratio) recibida. Esto se puede alcanzar teniendo un patrón de antena resultante tal que el arreglo de antenas crea un nulo en la dirección de llegada de un interferente. Sin embargo, el número de los interferentes que pueden ser cancelados está limitado por el número de elementos que constituyen el arreglo; con N elementos de antena es posible tener, a lo mucho, N B 1 interferentes nulos. Además, esta técnica requiere un buen conocimiento del ambiente de radio. Esto explica porqué en muchos sistemas método se utiliza principalmente en el enlace de subida, donde la estación base puede tener mayor conocimiento del ambiente de radio.

Finalmente, una implementación avanzada de formación de rayos puede permitir Acceso Múltiple por División Espacial (SDMA: Space Division Multiple Access). Esto bajo la condición de que dos o más usuarios estén lo suficientemente separados en el espacio para que sea posible enviarles, al mismo tiempo y con los mismos recursos físicos, diversa información sobre diferentes rayos o lóbulos (figura 1.10). Sin embargo, el uso de SDMA es absolutamente complicado en un ambiente móvil donde las estaciones móviles pueden estar muy separadas en un momento dado y estar en la misma dirección al siguiente momento [11 – 13].

1.3 Capa de Control de Acceso al Medio (MAC)

Una de las principales funciones de la capa MAC de WiMAX es proveer una interfaz entre la capa física y las capas superiores. La capa MAC toma los paquetes provenientes de la capa superior, estos paquetes se llaman Unidades de Datos de Servicio MAC (MSDU’s: MAC Service Data Units) y los organiza en Unidades de Datos de Protocolo (MPDU’s: MAC Protocol Data Units) para su transmisión. En el receptor, la capa MAC realiza el proceso inverso.

La capa MAC del 802.16 se diseñó para aplicaciones de acceso inalámbrico de banda ancha de punto a multipunto (PMP: PointBtoBMultipoint); los servicios requeridos por los usuarios finales pueden variar en cuanto al ancho de banda o su “latencia” (retardo), además contiene una subcapa de convergencia que puede relacionarse con protocolos de capas superiores como Modo de Transferencia Asíncrono (ATM: Asynchronous Transfer Mode), Ethernet, Protocolo de Internet (IP: Internet Protocol), entre otros, aunque el foro WiMAX ha decidido soportar IP y Ethernet.

Algunas de las aplicaciones de la capa MAC en WiMAX son:

• Retransmisión de las MPDU’s que se recibieron erróneamente en el receptor cuando se utiliza una solicitud de repetición automática (ARQ: Automatic Repeat reBQuest).

• Provee el control de Calidad de Servicio (QoS: Quality of Service) y manejo de prioridad de las MPDU’s pertenecientes a diferentes datos y portadoras de señalización.

• Planificar las MPDU’s sobre los recursos de la capa física. • Provee seguridad y manejo de claves.

• Provee operación en modo de ahorro de potencia y modo inactivo (idle).

Figura 1.11. Estructura de capas en WiMAX.

La CPS realiza todas las operaciones de paquete que son independientes de las capas superiores, tales como fragmentación y concatenación de las SDU’s en MPDU’s (ver figura 1.12), transmisión de MPDU’s, control de QoS y ARQ [2, 11].

. * 2 " 3 %3"24 &

El estándar 802.16 de la IEEE ha sido diseñado para soportar TDD y FDD. En el modo FDD existe soporte adicional para operación con FDD sin trama, donde la transmisión no contiene una estructura de trama y es asíncrona. En la estación base la capa MAC crea una trama de enlace de bajada (subtrama para TDD), comenzando con un preámbulo que se usa para sincronización y estimación del canal. Un encabezado de control de trama (FCH: Frame Control Header) el cual se transmite después del preámbulo, especifica el perfil de ráfaga para el resto de la trama. Esto es requerido ya que las ráfagas son transmitidas con diferentes esquemas de modulación y codificación. El FCH es seguido por una o múltiples ráfagas del enlace de bajada, cada una transmitida de acuerdo al perfil de ráfaga y consiste en un número entero de símbolos OFDM. La posición y el perfil de la primera ráfaga del enlace de bajada se especifica en el prefijo de trama del enlace de bajada (DLFP: Downlink Frame Prefix), que es parte del FCH. Las estimaciones iniciales del canal obtenidas del preámbulo se pueden usar en el seguimiento adaptable del canal usando el piloto integrado en cada símbolo OFDM.

Dado que la duración de cada trama es corta (1 – 2 ms), es posible omitir el seguimiento adaptable del canal para la mayoría de las aplicaciones inalámbricas fijas, ya que es improbable que el canal cambie significativamente durante la trama.

Las ráfagas de datos son transmitidas para decrementar la robustez y permitir a la estación suscriptora (o de usuario) recibir datos confiables antes de arriesgarse a una ráfaga de errores que podría causar la pérdida de sincronización. En el enlace de bajada, una porción de TDM inmediatamente sigue al FCH y se utiliza por un Servicio de Concesión No solicitado (UGS: Unsolicited Grant Service), el cual es útil para aplicaciones de tasas de bit constantes con restricciones de retardo estrictas tal como Voz sobre IP (VoIP).

. 0 5 %6 5&

asocian con un flujo de servicio identificado por el identificador de conexión (CID: Connection IDentifier). El CID puede verse como una dirección temporal y dinámica de capa 2 asignada por la estación base para identificar una conexión unidireccional entre el par de capas MAC/PHY.

Los parámetros de calidad de servicio están asociados con la calendarización del enlace de subida/enlace de bajada para un flujo de servicio. En la sección 11.13 del estándar 802.16B2004 [6] se definen los parámetros de QoS [14]. A continuación se enlistan algunos de estos parámetros:

Tipo de calendarización de servicio, también llamado clase de QoS. El valor de este parámetro especifica la calendarización del servicio que se permite para el flujo de servicio asociado.

Prioridad de tráfico. El valor de este parámetro especifica la prioridad asignada al flujo de servicio

Tasa de tráfico máxima soportada. Este parámetro define la tasa pico de información del servicio. La tasa se expresa en bits por segundo.

Ráfaga de tráfico máxima. Este parámetro define el tamaño máximo de la ráfaga que se permite para el servicio.

Tasa mínima de tráfico reservado. Este parámetro especifica la tasa mínima reservada para este flujo de servicio. La tasa se expresa en bits por segundo y especifica la cantidad mínima de datos a ser transportados.

Parámetros específicos de QoS del vendedor. Esto permite a los vendedores codificar los parámetros específicos de QoS. La identificación del vendedor debe ser parte de estos parámetros.

REFERENCIAS

[1] Roberts, M. et al, “Evolution of the air interface of cellular communications systems toward 4G realization”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2006.

[2] Andrews, J. et al, Fundamentals of WiMAX, Prentice Hall, 2007.

[3] Goldsmith, A., Wireless Communications, Cambridge University Press, 2005. [4] WiMAX Forum: http://www.wimaxforum.org.

[5] Eklund, C. et al, “IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMAN Air Interface for Broadband Wireless Access”, pp. 98 – 107, IEEE Communications Magazine, Junio 2002.

[6] IEEE, Standard 802.1632004. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems. Junio 2004.

[7] Huang, C. et al, “Radio Resource Management of Heterogeneous Services in Mobile WiMAX Systems”, IEEE Wireless Communications, Febrero 2007.

[8] Ghosh, A. et al, “Broadband Wireless Access with WiMAX/802.16: Current Performance Benchmarks and Future Potential”, pp. 129 – 136, IEEE Communications Magazine, Febrero 2005.

[9] WiMAX Forum, White paper, “IEEE 802.16a standard and WiMAX Igniting Broadband Wireless Access”, 2003, http://www.wimaxforum.org/.

[10] Van Nee, R., Prasad, R., OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House, 2000.

[11] Nuaymi, L., WiMAX: Technology for Broadband Wireless Access, J. Wiley And Sons, 2007. [12] Blogh, J., Hanzo, L., Third3Generation Systems and Intelligent Wireless Networking – Smart Antennas and Adaptive Modulation, J. Wiley and Sons, 2002.

[13] Pabst, R., Ellenbeck, J. et al, “System Level Performance of Cellular WiMAX IEEE 802.16 with SDMABenhanced Medium Access”, RWTH Aachen University, Marzo 2007.

CAPÍTULO 2

TÉCNICAS DE MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN DE

ACUERDO AL ESTÁNDAR IEEE 802.1662004.

2.1 Técnicas de Modulación Digital

Modulación, en general es el proceso mediante el cual algunas de las características de una forma de onda se varían de acuerdo a otra forma de onda. La modulación se puede hacer por medio de la variación de la amplitud, la fase o la frecuencia de una portadora de frecuencia mayor a la de la señal de mensaje [1, 2].

# ! "

La mayoría de los sistemas de comunicaciones están en una de dos categorías: eficientes en ancho de banda o eficientes en potencia. La eficiencia en ancho de banda describe la capacidad de un esquema de modulación para acomodar la información dentro de un ancho de banda limitado. La eficiencia en potencia describe la capacidad del sistema para enviar información de manera confiable a un nivel de potencia práctico menor. En la mayoría de los sistemas, existe una prioridad más alta en la eficiencia en ancho de banda. El parámetro a optimizarse depende de las demandas del sistema en particular.

El cambio de modulación analógica a modulación digital provee de compatibilidad con servicios digitales de datos, seguridad de datos más alta, comunicaciones de mejor calidad y una disponibilidad más rápida del sistema. Las principales consideraciones en la selección de una técnica de modulación digital particular son:

• Alta tasa de datos.

• Alta eficiencia espectral (enviar la mayor cantidad de información en un ancho de banda dado).

• Alta eficiencia en potencia (mínima potencia de transmisión requerida). • Robustez ante los deterioros del canal (mínima probabilidad de bit erróneo). • Implementación de bajo costo.

Existe un compromiso fundamental en los sistemas de comunicaciones. Un equipo sencillo puede utilizarse en los transmisores y receptores para enviar la información. De cualquier modo, esto hace uso de gran parte del espectro, lo cual limita el número de usuarios. Alternativamente, se pueden utilizar transmisores y receptores más complejos para transmitir la misma información sobre un ancho de banda menor (figura 2.1). La transición a técnicas de transmisión espectralmente más eficientes requiere un equipo más complejo. Un equipo complejo es difícil de diseñar, probar y construir. Este compromiso existe para los casos en que la comunicación sea por el espacio libre o por cable, analógica o digital [3, 4, 5].

Figura 2.1. Compromiso fundamental de equipo utilizado.

Durante los últimos años, ha ocurrido una mayor transición desde la Modulación en Amplitud (AM: Amplitude Modulation) y la Modulación Angular (FM / PM: Frequency / Phase Modulation) hacia nuevas técnicas de modulación digital.

Para transmitir una señal en el espacio libre (o en el vacío) se requiere lo siguiente:

1. Generar una portadora pura en el transmisor.

2. Modular la portadora con la información a transmitir. Cualquier cambio confiable detectado en las características de la señal (tales como fase, amplitud o frecuencia) puede transportar información.

3. En el receptor, las modificaciones o cambios en la señal son detectados (desmodulación).

Entonces, según lo anterior las características de una señal que pueden modificarse sobre el tiempo son: la amplitud, la fase o la frecuencia (figura 2.2). De cualquier modo, la fase y la frecuencia son dos formas diferentes de medir el mismo cambio en la señal [1, 3, 5].

divide en otro conjunto de componentes independientes: I (en Fase) y Q (Cuadratura). Estas componentes son ortogonales y no interfieren una con la otra.

En las comunicaciones digitales, la modulación se expresa frecuentemente en términos de la componente I y de la componente Q. Esta es una representación rectangular del diagrama polar. En un diagrama polar, el eje I se sitúa en la referencia de fase de grado cero y el eje Q está rotado un ángulo de 90 grados. La proyección del vector de la señal en el eje I es su componente “I”, y la proyección en el eje Q es su componente “Q” (figura 2.3).

Figura 2.2. Características de la señal a modificar.

La modulación digital es fácil de realizar con moduladores en fase y cuadratura. La mayoría de modulaciones digitales mapean los datos a un número de puntos discretos en el plano I/Q. Estos se conocen como puntos de la constelación. Así, como la señal se mueve de un punto a otro, se realiza simultáneamente la modulación en cuadratura (Q) y fase (I), esto se puede realizar con un modulador I/Q [1, 3, 5].

Para comprender y comparar las eficiencias de los diferentes formatos de modulación, es importante primero entender la diferencia entre tasa de bit y tasa de símbolo. El ancho de banda de la señal requerido para su transmisión a través del canal de comunicaciones depende de la tasa de símbolo, no de la tasa de bit.

La tasa de bit es la razón del flujo de bits en el sistema. Por ejemplo, si consideramos un radio con un muestreador de 8 bits, el cual muestrea a 10 kHz una señal de voz, éste genera una tasa de 8 bits x 10 kilomuestras por segundo (kmps) = 80 kilobits por segundo o kbps (omitiendo por el momento los bits requeridos para la sincronización, corrección de errores, etc.).

La tasa de símbolo es la tasa de bit dividida por el número de bits que pueden transmitirse con cada símbolo (ecuación 2.1).

Tasa de símbolo = Tasa de bit / número de bits transmitidos por cada símbolo (2.1)

Si se transmite un bit por símbolo, entonces la tasa de símbolo debería ser la misma que la tasa de bit de 80 kilosímbolos por segundo (ksps). Si se transmiten dos bits por símbolo, entonces la tasa de símbolo debería ser la mitad de la tasa de bit, o 40 ksps. La tasa de símbolo se denomina también “tasa de bauds” o tasa de señalización. La tasa de bauds define el número de símbolos por segundo. Tasa de bauds no es la misma que tasa de bit. Estos términos se confunden frecuentemente. Si cada símbolo se representa con n bits, entonces el número de símbolos posibles es:

M = 2n símbolos (2.2)

La tasa máxima de transferencia de información a través de un canal en banda base está dada por la capacidad (ecuación 2.3):

Rb = 2W log2 M [bits/segundo] (2.3)

donde W representa el ancho de banda de la señal modulante en banda base.

Como ejemplos de modulación digital podemos mencionar los siguientes esquemas:

• Desplazamiento de Fase Cuaternaria (QPSK: Quaternary Phase Shift Keying) • Desplazamiento en Frecuencia (FSK: Frecuency Shift Keying)

• Desplazamiento Mínimo (MSK: Minimum Shift Keying)

• Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM: Quadrature Amplitude Modulation)

Como todos los sistemas de comunicaciones recientes, WiMAX utiliza modulación digital. Para el caso del estándar IEEE 802.16d, se tienen cuatro esquemas de modulación: BPSK, QPSK, 16BQAM y 64BQAM [3, 5, 6, 7]. A continuación se describirán dichos esquemas.

" 1 $ ( %(357&

La Modulación por Desplazamiento de Fase Binaria (BPSK) es una modulación digital binaria; es decir, un símbolo de modulación es un bit. Esto produce una probabilidad de cometer errores en la detección relativamente baja y esto la convierte en una modulación muy robusta.

La representación matemática de una señal BPSK esta dada por la ecuación 2.4.

{

}

)

(t E ₁ t E ₁ t

s = _b

φ

φ

b c

b

T t t

f T

t)= 2 cos(2 ); 0≤ ≤ (

1 π

φ (2.5)

Donde: Eb es la energía de bit (descrita por la ecuación 2.6), Tb es el periodo de bit, fc es la frecuencia de la portadora y t es el tiempo.

2 2

)

( 2 _b 2 _b

b

T A T amplitud

BPSK, utiliza variación de fase para codificar bits: cada símbolo de modulación es equivalente a una fase. Una forma común de representar una modulación digital es la constelación. En la figura 2.4 (a) y (b) se muestran las constelaciones válidas para el estándar 802.16B2004 [6].

(a) (b)

Figura 2.4. Constelación BPSK según el estándar 802.1632004

La probabilidad de bit erróneo para la mayoría de los esquemas de modulación en canales con ruido blanco aditivo Gaussiano (AWGN: Additive White Gaussian Noise) se encuentra usando la función Q descrita por la ecuación 2.8. La probabilidad de bit erróneo para BPSK esta dada por la ecuación 2.7 [3, 4, 5, 8].

    

   =

0 2

N E Q

P b

e (2.7)

donde

∫

∞

− =

x

du u

x

Q exp( /2)

2 1 )

( 2

π

Donde: N0 es la densidad espectral de potencia del ruido.

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Figura 2.5. Constelación QPSK según el estándar 802.1632004

La tabla 2.1 muestra los valores de fase posibles representados por ϕk como una función del símbolo de modulación. Pueden existir muchas variantes de QPSK pero siempre tiene una constelación de cuatro puntos tal y como se muestra en la figura 2.5. La decisión en el receptor, por ejemplo, entre el símbolo ‘00’ y el símbolo ‘01’, es menos fácil de tomar que una decisión entre ‘0’ y ‘1’. Generalmente una modulación de símbolos de datos mayor es más eficiente espectralmente pero a la vez menos robusta [3, 4, 5, 8].

Tabla 2.1. Posibles valores de fase para la modulación QPSK. Símbolo de Modulación ϕϕϕϕk

00 π/4

01 3π/4

11 5π/4

10 7π/4

La descripción matemática de este esquema esta dada por la ecuación 2.9.

4 , 3 , 2 , 1 ; ) ( 2 ) 1 ( ) ( 2 ) 1 ( cos )

( _{1 2} =

          − −     −

= E i t E sen i t i

t

s _s π φ _s π φ (2.9)

b c s T t t f T

t)= 2 cos(2 ); 0≤ ≤ (

1 π

φ (2.10)

b c s T t t f sen T

t)= 2 (2 ); 0≤ ≤ (

2 π

φ (2.11)

Donde: Es es la energía de símbolo y Ts es el periodo de símbolo.