Descripción del estándar IEEE 802 16m

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Comunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Descripción del estándar IEEE 802.16m Autor: Yamilet Díaz Ferrer. Tutor: Ing. Mario González Cartas. Santa Clara Curso 2012-2013 "Año 55 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Comunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Descripción del Estándar IEEE 802.16m Autor: Yamilet Díaz Ferrer Email: ydferrer@uclv.edu.cu. Tutor: Ing. Mario González Cartas Email: mgcartas@uclv.edu.cu. Santa Clara 2012-2013 “Año 55 de la Revolución ".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Emplearse en lo estéril cuando se puede hacer lo útil, ocuparse de lo fácil cuando se tiene bríos para intentar lo difícil, es despojar de su dignidad al talento. Todo lo que deja de hacer lo que es capaz de hacer, peca.. José Martí.

(5) ii. DEDICATORIA. Dedico este trabajo a todas aquellas personas que siempre me apoyaron y confiaron en mí a lo largo de estos seis años de estudios y en la realización del mismo, a mi familia y amigos, y en especial a mi madre Marisel, mi hermana Yamileisy, y mi novio Yoel que siempre estuvieron en los momentos más difíciles a lo largo de esta carrera.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradezco infinitamente a todas aquellas personas que de una forma u otra me han ayudado a llegar hasta este momento de mi vida. A mi. mamá. por brindarme su gran amor, dedicación, ayuda. incondicional y guiarme siempre por el camino correcto. A mi hermana por estar siempre presente. A mi novio por permanecer siempre a mi lado en los buenos y malos momentos, gracias mi amor. A mi tutor que me ha dado su apoyo incondicional en la realización de esta tesis. A todos mis profesores por su ayuda durante mi carrera a ser profesional. A todos mis amigos que siempre estuvieron al tanto del trabajo..

(7) iv. TAREAS TÉCNICAS.  Efectuar una revisión de la bibliografía técnico-especializada para la construcción de un marco teórico de referencia general sobre la investigación.  Caracterizar la capa física del estándar IEEE 802.16m.  Caracterizar la capa MAC del estándar IEEE 802.16m.  Organizar y estructurar la información disponible sobre IEEE 802.16m.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN Las redes de acceso inalámbricas móviles han despertado un gran interés alrededor del mundo, ganando popularidad y aumentando sus prestaciones. En el presente trabajo se realiza un estudio sobre el estado y desarrollo de las redes de acceso inalámbricas metropolitanas tanto para entornos fijos como móviles; haciendo énfasis en las características y tecnologías de los estándares asociados a. estas. redes,. así. como. las. principales. topologías. utilizadas. en. su. implementación. Además se realiza una descripción de las principales tecnologías asociadas a la capa física y la capa MAC del estándar IEEE 802.16m.Toda esta información se integra en un material didáctico actualizado que puede servir de guía para el estudio de esta temática y ser utilizado en cursos de nivel superior..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ........................................................................................................ i DEDICATORIA......................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. iii TAREAS TÉCNICAS ............................................................................................... iv RESUMEN ............................................................................................................... v INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas” .......... 3 1.1 Clasificación de las redes inalámbricas ......................................................... 4 1.2 Surgimiento del estándar IEEE 802.16 .......................................................... 5 1.3 Características de las Redes WiMAX ............................................................ 7 1.4 Modelos de propagación LOS Y NLOS ......................................................... 8 1.5 Estándares IEEE 802.16 ............................................................................. 10 1.6 Características del Estándar IEEE 802.16m................................................ 13 1.7 Tecnologías empleadas en Wimax .............................................................. 14 1.7.1 OFDM ................................................................................................... 15 1.7.2 OFDMA ................................................................................................. 17 1.7.3 SOFDMA............................................................................................... 18.

(10) vii 1.7.4 MIMO .................................................................................................... 19 1.8 Elementos y configuraciones de las redes WiMAX ..................................... 23 1.8.1 Arquitectura de la red WiMAX ............................................................... 23 1.9 Topologías ................................................................................................... 24 1.9.1 Punto a multipunto ................................................................................ 25 1.9.2 Punto a Punto ....................................................................................... 25 1.9.3 Mallada ................................................................................................. 26 1.10 Aplicaciones de WiMAX............................................................................. 27 Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” .............. 29 2.1 Esquemas de acceso múltiple .................................................................... 30 2.2 Modos de Duplexación ................................................................................ 32 2.3 Estructura de la trama ................................................................................. 33 2.4 Zonas de tiempo y regiones de frecuencias ................................................ 37 2.5 Asignaciones localizadas y distribuidas ....................................................... 38 2.6 Subcanalización y Permutación ................................................................... 40 2.7 Codificación y modulación del canal .......................................................... 41 2.7.1 Turbo código ......................................................................................... 43 2.7.2 Modulación adaptativa .......................................................................... 44 2.8 Esquemas MIMO ......................................................................................... 45 2.8.1 SU-MIMO y MU-MIMO .......................................................................... 46 2.8.2 Co-MIMO .............................................................................................. 49 Capitulo 3 “Descripción de la Capa MAC del Estándar IEEE 802.16m” ................ 53 3.1 QoS ............................................................................................................. 54.

(11) viii 3.1.2 Clases de servicios ............................................................................... 55 3.1.3 Scheduler y Servicios de sheduling ...................................................... 56 3.1.3 Parámetros Globales de las clases de servicio ..................................... 59 3.2 Manejo de Potencia ..................................................................................... 60 3.3 Handoff ........................................................................................................ 61 3.3.1 Hard Handoff ......................................................................................... 62 3.3.2 FBSS..................................................................................................... 63 3.3.3 MDHO ................................................................................................... 64 3.3.4 Seamless Handoff ................................................................................. 64 3.4 Seguridad .................................................................................................... 65 CONCLUSIONES ................................................................................................. 67 RECOMENDACIONES ..................................................................................... 68 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 69.

(12) INTRODUCCION. INTRODUCCIÓN El notable crecimiento alcanzado en la investigación, desarrollo e implementación de redes de acceso inalámbricas, durante los últimos 20 años, es un fenómeno único en la historia del desarrollo tecnológico. Incluso las predicciones más optimistas sobre la penetración de estos sistemas en el mercado y sus prestaciones ya han sido superadas por la realidad. Los sistemas inalámbricos de banda ancha, son considerados actualmente la mejor alternativa para proveer los servicios digitales. En entornos empresariales las conexiones inalámbricas que se establecen entre los empleados remotos y una red, confieren a las empresas flexibilidad y prestaciones muy avanzadas, lo que unido a su implementación en entornos móviles ha permitido que las plataformas inalámbricas han crecido y en la actualidad son una gran industria, llevando miles de transmisiones alrededor del mundo (Rodríguez, 2011). En la actualidad, la implementación de nuevos servicios y aplicaciones impuestas por el desarrollo de la sociedad y el continuo aumento de número de usuarios han propiciado la necesidad de investigar por nuevas tecnologías que permitan alcanzar un mejor desempeño en las redes de acceso inalámbricas. Esta situación ha dado lugar a la aparición del estándar IEEE 802.16m para redes de acceso metropolitanas. (Cartas, 2009) En el presente trabajo se aborda el tema de las redes inalámbricas metropolitanas, refiriéndose al estándar IEEE 802.16m, con el propósito de lograr una mejor comprensión de las características y técnicas usadas en la capa física y la capa MAC del mismo. En la mayoría de la bibliografía que aborda el uso e implementación de estas capas y tecnologías, se aprecia la falta de un enfoque didáctico que permita abordar las tecnologías que emplea de forma clara y concisa, además de permitir que el lector pueda realizar un vínculo entre las tecnologías empleadas y las características que ofrece el estándar.. 1.

(13) INTRODUCCION. Es debido a lo anterior que se plantea el siguiente problema científico: ¿Cómo contribuir a una. mejor comprensión de. las características. y. funcionamiento del estándar IEEE 802.16m mediante la descripción del conjunto de tecnologías empleadas en el mismo? Para dar respuesta al problema científico planteado, se propone como objetivo general:  Elaborar un material de estudio didáctico que mediante la descripción de las tecnologías empleadas en el estándar IEEE 802.16m permita una mejor comprensión del mismo. Y los siguientes objetivos específicos:  Describir la evolución de los estándares de las redes inalámbricas metropolitanas WiMAX.  Describir las principales modificaciones tecnológicas realizadas en la capa física por el estándar IEEE 802.16m.  Describir las principales modificaciones introducidas en la Capa MAC por IEEE 802.16m. El contenido de este trabajo se ha estructurado en tres capítulos: Capítulo 1: Evolución y Estado de las redes Inalámbricas Metropolitanas. En él se aborda la evolución y estado de las redes de acceso inalámbricas metropolitana; haciendo énfasis en las características de los estándares asociados a estas redes, las principales tecnologías utilizadas por los mismos, así como las principales topología utilizadas en su implementación.. 2.

(14) INTRODUCCION. Capítulo 2: Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m. Se tratan las principales características de las tecnologías asociadas a la capa física del estándar IEEE 802.16m, teniendo en cuenta las características que aporta el estándar precedente y las nuevas que el incorpora. Capítulo 3: Descripción de la capa MAC del estándar IEEE 802.16m. Se describe las características principales referidas en la capa MAC del estándar IEEE 802.16m, haciendo énfasis en las nuevas modificaciones asociada a una mejor utilización del espectro radioeléctrico y a la movilidad.. 3.

(15) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas” Las comunidades científicas e industrial están profundamente interesadas en la investigación de las comunicaciones inalámbricas, sobretodo han iniciado una profunda discusión sobre la estandarización para los sistemas 4G (4th Generation), en efecto, alrededor del mundo la comunidad científica ha generado un gran número de significativas soluciones a mejoras en el desempeño de los sistemas. Actualmente existe un sin número de estudios sobre codificación y modulación adaptativa, algoritmos de decodificación iterativos (turbo), arreglos de antenas, procesamiento digital de señales, modelación del canal, canales MIMO (Multiple Input Multiple Output), modulación multiportadora, detección multiusuario y el uso de extensos anchos de banda del recurso radioeléctrico, que son ejemplos de aquellas tecnologías que hacen posible la transición a 4G. El acceso inalámbrico móvil a banda ancha es la evolución natural del acceso a banda ancha. En el pasado las comunicaciones de voz estaban limitadas por el lugar físico al cual llegaba la línea de cobre, con la aparición de las tecnologías celulares, el tráfico de voz ha dejado de estar suscrito a una edificación física, para pasar a ser un servicio de uso personal, en donde el individuo está en continuo movimiento. De igual manera el acceso a banda ancha para los usuarios ha estado principalmente basado en tecnologías que utilizan como medio de transmisión algún tipo de cable, ya sea cobre, coaxial o fibra, como es el caso de DSL y Cable Modem. Con la llegada de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) el acceso a banda ancha se vuelve inalámbrico y deja de depender de una infraestructura cableada hasta el sitio del cliente, y ahora con la últimas versiones WiMAX, IEEE 802.16e y IEEE 802.16m el acceso a banda ancha inalámbrico evoluciona a ser un servicio móvil de uso personal.. 3.

(16) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. 1.1 Clasificación de las redes inalámbricas Las redes inalámbricas son conexiones implementadas mediante ondas de radio o luz infrarroja, que facilitan el trabajo en lugares donde es imposible llegar con cables, permitiendo la interconexión entre nodos sin limitaciones y ofreciendo la posibilidad de ser combinadas con infraestructura cableada y generar una “red híbrida" (Valdivia, 2012). Por su alcance, las redes inalámbricas se clasifican de las siguientes formas:  WPAN (Wireless Personal Area Network): Permiten la conexión inalámbrica de equipos y periféricos, en un ambiente interior y tiene un alcance del orden de los metros.  WLAN (Wireless Local Area Network): Alcance limitado a no mucho más de 150 m.  WMAN. (Wireless. Metropolitan. Area. Network):. Redes. con. alcance. metropolitano (decenas de kilómetros).  WWAN (Wireless Extender Area Network): Su alcance es mucho más extenso que el de las redes metropolitanas(Martín, 2004). Atendiendo a la movilidad del servicio:  Fijos: El terminal de usuario soporta servicios sólo en un lugar.  Portátiles: Dentro del área de servicio pueden ser utilizados en cualquier lugar, siempre que las velocidades de desplazamiento del terminal de usuario no sean mucho mayores que la velocidad peatonal.  Móviles: Dentro del área de servicio pueden ser utilizados en cualquier lugar, incluso si el terminal se desplaza a velocidad vehicular (Martín, 2004). Actualmente hay disponibles una extensa variedad de estas tecnologías, operando en disímiles bandas de frecuencias y comienzan a emerger otras nuevas y prometedoras tecnologías. 4.

(17) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. A continuación se muestra la Figura 1.1 de la Clasificación de las Redes Inalámbricas.. Figura 1.1: Clasificación de las Redes Inalámbricas (Prasad and VanNee, 2000) 1.2 Surgimiento del estándar IEEE 802.16 En ámbito de las redes de acceso de banda ancha para entornos metropolitanos, la tecnología presente en el mercado es WiMAX, siendo este el nombre comercial de la familia de estándares desarrollados por el proyecto IEEE 802.16. Este proyecto se inició en 1998, pero el trabajo principal se desarrolló entre los años 2000 a 2003, en un proceso de consenso abierto. El objetivo fue crear y desarrollar un estándar para conseguir el acceso de Banda Ancha inalámbrico, masivo y a los menores costos posibles, en el ámbito metropolitano (Cueva, 2010); que incorpora nuevas tecnologías de comunicación y procesamiento digital de señales para ofrecer Internet de banda ancha, telefonía por Internet (voz sobre IP), y demás servicios, a usuarios móviles en un área metropolitana (Rodríguez, 2011).. 5.

(18) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. Actualmente WiMAX, es una tecnología de transmisión inalámbrica de datos diseñado para ser utilizado en el área metropolitana proporcionando accesos concurrentes en áreas de hasta 50 kilómetros de radio y a velocidades de hasta 70 Mbps, siendo ambos valores de distancia y capacidad, valores máximos que dependerán en gran medida de si el entorno es móvil o fijo y que en ningún caso se consiguen de forma simultánea (García, 2006). Una de sus aplicaciones más comunes, y su mayor fortaleza, es brindar servicios de banda ancha en zonas donde el despliegue de cable o fibra óptica resulta muy complejo, por ejemplo en las zonas rurales o barrios con baja densidad de población (Valencia, 2012 ). Para promover el uso los estándares WiMAX, es necesario que los fabricantes de dispositivos electrónicos lleguen a acuerdos para desarrollar esta tecnología, dando lugar a certificaciones que aseguren la compatibilidad y la interoperabilidad de antenas, procesadores o receptores. Por ello, existe el WiMAX Fórum, que es una asociación sin ánimo de lucro formada por decenas de empresas comprometidas con el cumplimiento del estándar IEEE 802.16 y ETSI HiperMAN. El WiMAX Fórum es un consorcio de empresas dedicadas a diseñar los parámetros y estándares de esta tecnología, y a estudiar, analizar y probar los desarrollos implementados. En principio se podría deducir que esta tecnología supone una grave amenaza para el negocio de tecnologías inalámbricas de acceso de corto alcance en que se basan muchas empresas, pero hay entidades muy importantes detrás del proyecto, entre ellas Cisco, Fujitsu, Intel, Lucent, Samsung (García, 2006). Los objetivos del WiMAX Fórum se centran en:  Conseguir la interoperabilidad entre los productos de diferentes fabricantes, de forma que se realicen procesos de certificación funcional más allá del cumplimiento del estándar. Esto conducirá a una mayor seguridad por parte de los usuarios a la hora de utilizar dispositivos procedentes de fabricantes diferentes. 6.

(19) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”.  Reducción de costes. Si el estándar se consolida, muchos fabricantes optarán por soluciones homogéneas que garanticen la interoperabilidad y mayores volúmenes de producción, gracias a la utilización de una tecnología base homogénea, lo que provocará una reducción de costes.  Promover una marca que difunda en el mercado un estándar masivo en comunicaciones inalámbricas. Potenciar acciones de marketing que conviertan a WiMAX en el estándar para la banda ancha en ámbito metropolitano, a imagen de lo que hoy es Wi-Fi para entornos de Área Local.. Figura 1.2: Miembros del WiMAX Fórum (González, 2007) 1.3 Características de las Redes WiMAX Las principales características de las redes WiMAX son:  Gran ancho de banda: Una sola estación de base puede admitir de manera simultánea más de 60 enlaces con conectividad tipo T1/E1 o cientos de conexiones tipo DSL.. 7.

(20) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”.  Es independiente de protocolo. Es decir, puede transportar IP, Ethernet, ATM y otros. Eso hace que sea compatible con otros estándares como Wi-Fi, Ethernet, o Token Ring.  Puede transmitir otros servicios agregados como VoIP, datos o vídeos.  Soporta las llamadas antenas inteligentes (smart antenas), propias de las redes de telefonía de tercera generación (3G), lo cual mejora la eficiencia espectral. Estas antenas emiten un haz muy estrecho que se puede ir moviendo, electrónicamente, para enfocar siempre al receptor, con lo que se evitan las interferencias entre canales adyacentes y se consume menos potencia al ser un haz más concentrado.  Velocidad: En circunstancias ideales y sin obstáculos que interfieran en los enlaces establecidos, la conexión puede alcanzar una distancia cercana a los 50 kilómetros y la velocidad de transferencia de los datos puede llegar a los 70 Mbps.  Seguridad: incluye medidas para la autenticación de usuarios y la encriptación de los datos mediante los algoritmos Triple DES (128 bits) y RSA (1.024 bits).  Como principales inconvenientes cabe mencionar la limitación de potencia para prever interferencias con otros sistemas, y el alto consumo de batería que se requiere. Sin embargo, los más recientes avances en los procesadores digitales de señal hacen que señales muy débiles puedan ser interpretadas sin errores, un hecho del que se aprovecha WiMAX. (Herrera, 2007) 1.4 Modelos de propagación LOS Y NLOS El canal de radio de un sistema de comunicaciones inalámbrico es descripto a menudo como “con línea de vista” (LOS) o “sin línea de vista” (NLOS). En un 8.

(21) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. enlace LOS, la señal viaja a través de un camino directo y sin obstrucciones desde el transmisor hasta el receptor. Un link LOS requiere que la mayor parte de la primera zona de Fresnel esté libre de obstrucciones (Figura. 1.3). Si no se cumple este requerimiento existirá una reducción significativa de la intensidad de señal. La zona de despeje de Fresnel requerida depende de la frecuencia de operación y de la distancia entre transmisor y localidades receptoras. (Monterrosa, 2008). Figura 1.3: Zona de Fresnel LOS (Monterrosa, 2008) En un enlace NLOS, la señal alcanza al receptor por medio de reflexiones, difracciones y dispersiones. Las señales que alcanzan al receptor consisten en componentes del camino directo, caminos reflejados múltiples, energía de dispersión y caminos de propagación por difracción. Estas señales poseen distintos retardos, atenuaciones, polarizaciones y estabilidad relativos al camino directo (Viera, 2006), lo que provocaría la aparición de interferencias en el enlace con posibles pérdidas de información. Con el objetivo de disminuir la pérdida de información debido a estas interferencias ya se han creado nuevos mecanismos y 9.

(22) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. tecnologías que permiten el uso de equipamiento que trabaja bajo condiciones NLOS. (SWEENEY, 2006) Existen severas ventajas que hacen las aplicaciones NLOS muy deseables. Por ejemplo, proyectos muy estrictos y restricciones de altura de antenas que a menudo no permiten a la misma estar posicionada para LOS. Para despliegues celulares contiguos de gran escala, donde el re-uso de frecuencia es crítico, bajar la antena es ventajoso para disminuir la interferencia cocanal entre celdas adyacentes. Esto fuerza a menudo la operación de las radio bases en condiciones NLOS. Los sistemas LOS no pueden reducir la altura de antena porque haciéndolo puede impactar en la línea de vista directa del equipo de abonado a la estación base (Martín, 2004). 1.5 Estándares IEEE 802.16 En cualquier tipo de tecnología de comunicaciones los estándares son clave para promover grandes volúmenes de producción y, de este modo, reducir costes y posibilitar un aumento de la cuota de mercado permitiendo el acceso de gran número de usuarios a dicha tecnología. Adicionalmente, la estandarización simplifica los procesos de prueba y evaluación de productos, a la vez que reduce los tiempos de desarrollo y de implantación. El estándar IEEE 802.16 emerge como una de las tecnologías de acceso inalámbrico más prometedoras en el mundo de las redes MAN y dentro de la familia de estándares IEEE 802.16x. El estándar IEEE 802.16 permite la implementación de redes inalámbricas de banda ancha en grandes áreas, las cuales son capaces de proveer cualquier tipo de servicio debido a su gran capacidad de transportar información. Estas redes han ganado gran acogida dentro del mercado en los últimos años haciendo que las grandes empresas proveedoras de equipos como Intel, Nokia, Samsung y Motorola lancen al mercado dispositivos que cumplan con las especificaciones del estándar, y que 10.

(23) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. muchas empresas adquieran esta tecnología como solución a sus necesidades de conexión (Valdivia, 2012). A continuación se listan en la figura 1.4 los estándares IEEE 802.16x más relevantes. Figura 1.4: Estándares de WiMAX.(Valdivia, 2012).  En abril del 2002, IEEE 802.16 fue publicado como un estándar para operar en la banda de frecuencias de 10-66 GHz con línea de visión directa para aplicaciones de acceso fijo, punto a multipunto. Puede decirse que el objetivo inicial de este desarrollo era la definición de un sistema tipo LMDS (Local Multipoint Distribution System), estandarizado, con el propósito de reducir costes por economías de escala y facilitar asimismo la interoperabilidad entre equipos de otros fabricantes (Pascual, 2010).  El estándar IEEE 802.16a, fue publicado en enero del 2003, introduce nuevas prestaciones como soporte para las bandas de 2 a 11 GHz y de esta manera tener la capacidad de penetrar barreras por tratarse de frecuencias bajas y así ser viable su utilización en ambientes NLOS. Esta especificación además de permitir el uso de portadora simple como interfaz de la capa 11.

(24) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. física, fueron incluidas modificaciones en la capa MAC para soportar OFDM y OFDMA; logrando así un mejor manejo de la interferencia producida por el multitrayecto y un nuevo arreglo de antenas para una mejor administración de la potencia empleada por el sistema. Con este estándar se mejoró la seguridad al solicitar autenticación del emisor para algunos mensajes MAC y brinda QoS (Quality of Service) específica para optimizar servicios de datos, voz y video así como también ARQ (Automatic Repeat Request) para mejorar el desempeño punto a punto, y además es considerado un soporte para redes en malla (Valdivia, 2012).  En octubre del 2004 se publicó el estándar, IEEE 802.16-2004, que daba una solución única al WiMAX fijo. Todos los documentos anteriormente citados se consolidan en este estándar IEEE 802.16-2004, conocido como “d”, para aplicaciones fijas (Pascual, 2010).  El estándar IEEE 802.16e, se completó en diciembre de 2005 y se publicó formalmente como IEEE 802.16-2005. Esta versión del estándar, define tres diferentes capas físicas (PHY): portadora sencilla, OFDM, y acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA). De estas tres tecnologías de capa física, el WiMAX Fórum ha seleccionado OFDMA como la tecnología básica necesaria para servicios móviles (Rodríguez, 2011). La deficiencia de este estándar era la incompatibilidad con el IEEE 802.16d, lo que se solucionó con una enmienda al mismo en el año 2009, quedando formalmente como IEEE 802.16-2009.  El último estándar publicado hasta la fecha, el IEEE 802.16m, fue aprobado en el año 2011. Brinda la posibilidad de transferir datos inalámbricos a tasas de alrededor de 1 Gbps. Además soporta un extenso rango de aplicaciones y servicios de gran calidad y capacidad sobre IP. A su vez, mantiene una total compatibilidad con antiguas versiones de WiMAX para asegurar las inversiones económicas realizadas. Las características de este estándar se eligieron para asegurar la competitividad con el resto de las tecnologías 12.

(25) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. emergentes de acceso de radio de cuarta generación, y eliminar los inconvenientes de los anteriores sistemas WiMAX (Valdivia, 2012). 1.6 Características del Estándar IEEE 802.16m Las características de IEEE 802.16m se eligen para asegurar la competitividad con el resto de tecnologías emergentes de acceso radio de 4G y eliminar los inconvenientes de los anteriores sistemas WiMAX (Pascual, 2010). En la tabla 1.1 que se muestra a continuación se presentan las principales características del estándar IEEE 802.16m:. Tabla 1.1: Características del estándar IEEE 802.16m (Pascual, 2010). Los aspectos más destacados del estándar IEEE 802.16m que provocarán una mejora en el rendimiento de los sistemas WiMAX: 13.

(26) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”.  Soporte para mayor movilidad: Las velocidades de hasta 350 km/h son posibles gracias a la adaptación al enlace, retrasos menores en el acceso y sistemas de feedback más rápidos así como a los mejores cambios y traspasos de celda.  Mayor eficiencia espectral y tasas de transferencia pico: La eficiencia espectral en el enlace descendente y en el ascendente son 15 y 6,75 bps/Hz usando las configuraciones de antena MIMO 4 x 4 y 2 x 4, respectivamente.  Esquemas avanzados de configuración de antenas MIMO con capacidades de flujo único y multi-flujo para cada usuario.  Menor sobrecarga y mayor eficiencia que se traducirá en un incremento de la capacidad.  Menores tiempos de latencia.  Mejora del tráfico y del radio de actuación del canal de control, mejora del enlace y del rendimiento en los extremos de la celda: WiMAX proveerá rendimiento óptimo para tamaños de celda hasta 5 km y mantendrá la funcionalidad para celdas de hasta 100 km.  Reducción del consumo de potencia del terminal móvil (Pascual, 2010). 1.7 Tecnologías empleadas en WiMAX En las últimas décadas, han aparecido nuevas tecnologías que buscan ocupar un lugar en el mercado de las comunicaciones de banda ancha. Entre ellas se pueden destacar aquellas que unen al acceso de banda ancha con la movilidad, piedra angular del presente y del futuro de las telecomunicaciones. Para llevar a cabo esto con QoS, WiMAX emplea tecnologías como:  OFDM ( Orthogonal Frequency Division Multiplexing)  OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)  SOFDMA (Escalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). 14.

(27) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”.  MIMO (Multiple Input Multiple Output). 1.7.1 OFDM OFDM es una técnica de modulación que utiliza múltiples portadoras ortogonales, cada una modulada en amplitud y fase para la transmisión de datos. En un sistema OFDM la entrada de flujo de datos es dividido en varios sub flujos paralelos de una menor taza de datos (de esta forma se incrementa la duración del símbolo) y cada sub flujo es modulado y transmitido en una sub portadora ortogonal separada. El incremento en la duración del símbolo mejora la robustez contra la extensión del retraso (Solórzano, 2006). Para eliminar esta ineficiencia OFDM propuso el uso del criterio de ortogonalidad entre las subportadoras. La ortogonalidad, posibilita que el espaciamiento entre portadoras sea óptimo, evitando la interferencia entre sí. Este espaciamiento consiste, en que la separación espectral entre portadoras consecutivas, sea siempre la misma e igual al inverso del período de símbolo. La utilización de las portadoras ortogonales permite por un lado el desvanecimiento selectivo y por otro lado obtener una mayor eficiencia espectral.. Figura 1.5: Técnicas de múltiples portadoras (PRASAD, 2000). (a) Técnica de múltiples portadoras convencional. (b) Técnica de modulación ortogonal con múltiples portadoras. 15.

(28) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. La Figura 1.5 muestra la diferencia entre la técnica de múltiples portadoras sin solapamiento y la técnica de múltiples portadoras utilizando solapamiento. Como se puede apreciar con esta última se puede salvar cerca del 50% del ancho de banda. En cuanto a la modulación de las subportadoras en un múltiplex OFDM, cada una de ellas se modula con una información diferente, aunque por facilidad de implementación, el sistema de modulación suele ser el mismo para todas ellas, como QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) o QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Además se suelen reservar algunas portadoras para transmitir información de sincronismo y ecualización espectral o bien para establecer canales de servicios La tecnología OFDM, permite además, eliminar ISI (Inter Symbol Interference) y reduce la diafonía (efecto de cruce de líneas) durante la transmisión de la señal, maneja muy bien el ruido y los cambios de impedancia. Ventajas de OFDM.  Uso eficiente del ancho de banda disponible puesto que los subcanales se solapan.  Se selecciona con eficacia las ráfagas de errores causados por el desvanecimiento de Rayleigh, el cual viene dado de la interpolación debido a la transmisión sobre varias portadoras. Así en vez de destruir totalmente a varios símbolos adyacentes, se introduce una leve afectación a los símbolos transmitidos, donde la respuesta de frecuencia sobre cada sub-banda individual es relativamente plana.  Se aumenta el período de símbolo y así se reduce la sensibilidad del sistema al retardo por esparcimiento temporal.. 16.

(29) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. Desventajas de OFDM:  La distorsión no lineal afecta la señal OFDM en el amplificador de potencia del transmisor. Se debe controlar cuidadosamente la respuesta de amplitud/frecuencia de los amplificadores en la etapa integradora.  Es muy sensible a los corrimientos de frecuencia de las portadoras, causada por la inestabilidad de la onda portadora y el efecto Doppler causado por el movimiento de los terminales móviles.  En el receptor, es muy difícil decidir el momento de inicio del símbolo FFT (Fast Fourier Transform).. 1.7.2 OFDMA OFDMA fue desarrollado para mover la tecnología OFDM de un sistema inalámbrico fijo, a un verdadero sistema con movilidad. Esta tecnología es una técnica de acceso múltiple, en la cual a cada usuario se le asigna una o más subportadoras, compartiendo así, un mismo ancho de banda en un intervalo de tiempo dado. La forma en que las subportadoras sean asignadas dependerá de la estrategia de despliegue del operador, ya que tiene estrecha relación con la calidad del servicio y la tasa de transferencia que se les ofrece a los usuarios (Cartas, 2009). La técnica de modulación OFDM también pude ser desarrollada como una tecnología de múltiple acceso (Orthogonal Frequency Division Multiple Access); OFDMA”). En este caso cada símbolo OFDM puede transmitir información desde o hacia varios usuarios utilizando diferentes grupos de sub portadoras. La estructura de símbolo de OFDMA consiste en 3 tipos de sub portadoras como se muestra en la figura 1.6 (Solórzano, 2006).  Sub portadoras de datos para la transmisión de datos. 17.

(30) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”.  Sub portadoras piloto para efectos de estimación y sincronización.  Sub portadoras nulas no utilizadas para la transmisión, usadas para la bandas guarda y portadoras DC.. Figura 1.6: Estructura de sub portadoras OFDMA (Solórzano, 2006).. 1.7.3 SOFDMA WiMAX Móvil presenta una arquitectura escalable en su capa física que le otorga la flexibilidad necesaria para todo tipo de despliegues y servicios, permitiendo a los operadores desplegar redes con capacidades de acuerdo a su plan de negocios. Esto se logra gracias a que el número de subportadoras, tamaño de la FFT, depende del ancho de banda que se utilice. En la Tabla 1.2 se muestra la relación entre el ancho de banda y el tamaño de la FFT, además de otros parámetros. Debido a que la separación entre subportadoras y el tiempo de duración del símbolo es el mismo que en especificaciones anteriores, el impacto en las capas superiores cuando se escala el ancho de banda es mínimo (Cartas, 2009).. 18.

(31) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. Tabla 1.2: Parámetros SOFDMA (Cartas, 2009). 1.7.4 MIMO El uso de múltiples antenas tanto en el receptor como en el transmisor, sistema de antenas MIMO (Figura 1.7), es una tecnología que permite la implementación de redes inalámbricas confiables y de altas razones de datos. En un sistema MIMO cada equipo transmisor tiene asociado un número de antenas N, y cada receptor otro, igual o diferente al del transmisor, denotado como M. Desde el punto de vista de la propagación, el canal de radio no es único ya que existe un canal entre cada antena transmisora y cada antena receptora, lo que obliga a representar la propagación mediante una matriz H (N•M). En esta matriz el elemento hij representa la función de transferencia compleja entre la antena transmisora j y la antena receptora i. (Cartas, 2009). 19.

(32) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. Figura 1.7: Esquema MIMO de 2x2 antenas (Cartas, 2009).. Desde el punto de vista matemático un sistema de antenas MIMO se representa según la ecuación (1) donde y representa el vector de las señales recibidas, x el vector de señales transmitidas y n es el vector de ruido Gaussiano introducido por el medio (V., 2006).. Y m   Hx  n   n. (1). Esta es una tecnología que ofrece la posibilidad de resolver la información proveniente de señales multitrayecto, de forma coherente, mediante antenas receptoras separadas espacialmente. Generalmente la señal multitrayecto es considerada como interferencia, reduciendo la capacidad de recuperar la información en el receptor, sin embargo MIMO utiliza en su beneficio este fenómeno para mejorar la calidad y capacidad del enlace (Määttänen., 2005) De forma más específica, esta mejora del enlace viene dada por la ganancia del arreglo de antenas, la ganancia por diversidad, la ganancia por multiplexación y cancelación de interferencia (H. Zhang, 2006). En general hay dos categorías importantes en los sistemas MIMO:. 20.

(33) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”.  De lazo abierto: Donde el transmisor no tiene la información del estado del canal y envía los datos directamente hacia el receptor sin recibir ningún tipo de información por parte de este (H. Zhang, 2006). Esta categoría es capaz de manejar comunicaciones con receptores en movimiento y mantener la simplicidad en los circuitos pero es poco eficiente en el uso de los recursos del enlace (Herrera-Ramírez E., 2007 )  De lazo cerrado: El transmisor conoce de forma completa o parcial la información del estado del canal con vista a adaptar la transmisión para mejora el comportamiento del enlace (H. Zhang, 2006). Conocer esta información se logra mediante el envío por parte del transmisor de señales de “entrenamiento” al receptor quien la recibe. y. analiza.. Luego. la. información sobre la ruta es enviada al transmisor que selecciona la potencia y el esquema adecuado que mejor se acomode a esa ruta. Esta categoría mejora la eficiencia de los recursos del enlace, pero hace. más complejo los circuitos necesarios para su implementación. (Herrera-Ramírez E., 2007 ). El uso de múltiples antenas permite la implementación de tres técnicas fundamentales: 1- Beamforming: Esta técnica aprovecha el control que se puede tener sobre la directividad en un arreglo de antenas, permitiendo la creación de un patrón bien definido y direccional. Sus principales ventajas consisten otorgar una mayor ganancia de señal y una menor atenuación con la distancia (Okamoto, 2002). En los sistemas de múltiples antenas la utilización de beamforming está condicionada por el conocimiento previo de la información del estado del canal (Godora, 2004). 2- Diversidad espacial: técnica utilizada en las comunicaciones para contrarrestar el fenómeno de la interferencia multitrayecto, mejorando la calidad de la señal recibida. Esta técnica se basa en la transmisión de una 21.

(34) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. misma señal sobre canales múltiples que sean independientes del desvanecimiento (Gipson, 2002). 3- Multiplexación espacial: Si están. suficientemente. las. diferentes trayectorias. decorrelacionada,. con. N. multitrayecto. antenas. en. el. transmisor y N en el receptor se pueden establecer N canales de comunicación independientes. La aplicación del mismo solo requiere que. exista. un. adecuado espaciamiento entres las antenas tanto. transmisoras como receptoras (al., 2005). Utilizando este tipo de multiplexación, un sistema MIMO puede trasmitir y recibir flujos de datos paralelos e independientes a través de las múltiples antenas ubicadas en ambos terminales (Figura 2.10), incrementándose la razón de datos y la eficiencia espectral del enlace (Haykin, 2005).. Figura 1.8: Multiplexación espacial en un sistema MIMO.(Cartas, 2009) Los detractores de la tecnología mencionan los costes elevados de instalación y hardware, así como la elevada potencia necesaria como las barreras para llegar a convertirse en una tecnología con una adopción masiva. En realidad, con la densidad de integración microelectrónicas actuales, se están llevando al mercado las primeras soluciones a precio razonable. En cuanto al consumo, el factor más crítico es el consumo de los amplificadores de potencia en la transmisión, pero recientes avances nos dicen que los sistemas MIMO pueden ser diseñados para transmitir la misma potencia que un transmisor tradicional (Pascual, 2010). 22.

(35) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. 1.8 Elementos y configuraciones de las redes WiMAX 1.8.1 Arquitectura de la red WiMAX La arquitectura WiMAX está basada en una plataforma ALL-IP, o sea, la conmutación de paquetes está presente en toda la arquitectura de extremo a extremo de la red, 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:  Cobertura y capacidad de radio para sectores densos o levemente poblados.  Se utiliza en ambientes urbanos, suburbanos y rurales.  Soporta variados tipos de topologías.  Presenta una coexistencia de servicios fijos, nomádicos y móviles en la misma red.  Se desarrolla en 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 core o núcleo de red. A continuación se presenta una descripción de estos bloques para la red WiMAX (Orihuenda, 2008). En la figura 1.9 se identifican estos dos elementos así como las posibles configuraciones de conectividad entre ellas. De forma general, una red WiMAX posee una arquitectura similar a las redes celulares tradicionales ya que se basa en una distribución estratégica de una serie de emplazamientos en donde se ubicarán las estaciones base (BS). Cada estación base utiliza una configuración punto-multipunto (PMP) o punto-punto (PTP) para enlazar los equipos de los 23.

(36) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. clientes. También existe la posibilidad de que las estaciones clientes se enlacen entre ellas en una configuración mallada.. Figura 1.9: Elementos y Configuración del IEEE 802.16 (García, 2006). 1.9 Topologías Para el diseño e implementación de redes WiMAX existen tres topologías básicas:  Punto a multipunto  Punto a punto  Mallada Cada una de estas topologías está prevista para ofrecer soluciones al proveedor a la hora de desarrollar su red de acceso inalámbrica, soluciones donde la creación de redes híbridas en ocasiones puede ser la mejor solución. Estas configuraciones están caracterizadas por el uso de dos tipos de estaciones: las BS (Base Station) y las SS (Subscriber Station). Las primeras se encargan de controlar y dirigir la comunicación mientas que las segundas son aquellas terminales que se comunican con las estaciones bases (Cartas, 2009). 24.

(37) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. 1.9.1 Punto a multipunto En las configuraciones punto-multipunto (PMP) un enlace WiMAX se realiza a partir de una estación base (BS) central con antenas sectoriales, en estas redes pueden haber estaciones con 2 sectores (a 180º), 4 sectores (a 90º) u 8 sectores (a 45º) todo depende del tipo de antena que se utilice y de la zona que se pretende dar cobertura. Dentro de un sector y para una determinada frecuencia (canal) todas las estaciones (BS) reciben la misma potencia o partes de la misma. Las transmisiones en el enlace de bajada (DL) suelen ser broadcast, de forma que todas las estaciones de usuario reciben toda la información y escogen la que valla dirigida a ellos. En el enlace de subida (UL) las estaciones de usuario comparten el canal mediante mecanismos de gestión de demanda (García, 2006) . En la figura 1.10 se ilustra esta configuración PMP.. Figura 1.10: Topología punto a multipunto (SWEENEY, 2006). 1.9.2 Punto a Punto La siguiente topología, 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. Ofrece un área de cobertura de 50 Km y conexiones potentes y estables. Este tipo de enlace se utiliza habitualmente en conexiones dedicadas de alto rendimiento o en enlaces de interconexiones de alta capacidad. Además es 25.

(38) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. fácil de instalar, pero difícil de crear con ella una gran estructura, por lo que es habitual su uso en clientes finales de red.. Figura 1.11 Topología punto a punto (SWEENEY, 2006) 1.9.3 Mallada La última topología de redes WiMAX, la mallada, está diseñada para permitir la conexiones entre estaciones subscriptoras haciendo que el tráfico pueda encaminarse desde la estación base al destino a través de las estaciones subscriptoras (Figura 1.12). Esta topología aparece como la más robusta debido a que cada nodo o SS tienen múltiples rutas para encaminar el tráfico de información pero resulta extremadamente compleja y costosa ya que en la búsqueda de coordinación cada nodo requeriría un router (Viera, 2006).. Figura 1.12: Topología de malla. (Cartas, 2009) 26.

(39) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. 1.10 Aplicaciones de WiMAX En sus inicios la tecnología WiMAX estaba pensada para comunicaciones punto a punto o punto a multipunto, típicas de los radio enlaces por microondas. Así, WiMAX puede resultar muy adecuado para unir “hot spots” Wi-Fi a las redes de los operadores, sin necesidad de establecer un enlace fijo. El equipamiento Wi-Fi es relativamente barato pero un enlace E1 o DSL resulta caro y a veces no se puede desplegar, por lo que la alternativa radio parece muy razonable. WiMAX extiende el alcance de Wi-Fi y provee una seria alternativa o complemento a las redes 3G, según como se mire. Para las empresas, es una alternativa a contemplar, ya que el coste puede ser hasta 10 veces menor que en el caso de emplear un enlace E1 o T1.. Figura 1.13: Aplicaciones WiMAX (Viera, 2006). 27.

(40) Capítulo 1 “Evolución y Estado de las Redes Inalámbricas Metropolitanas”. Actualmente la tecnología WiMAX está dirigida a ofrecer total movilidad, aunque no deja de lado sus aplicaciones anteriores. En el mercado de las telecomunicaciones WiMAX está compitiendo con las redes celulares actuales y existe una marcada disputa por la clasificación de 4G entre el estándar IEEE 802.16m y LTE. En este ámbito la tecnología WiMAX se ha desarrolla para dar cabida a un amplio abanico de aplicaciones para el usuario. A continuación se muestra en la tabla 1.3 con las aplicaciones más destacadas:. Tabla 1.3: Aplicaciones de Wimax (Pascual, 2010). 28.

(41) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m”. Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” La capa física es la capa de protocolo más baja del modelo de referencia OSI, siendo la encargada del procesamiento de la señal transmitida o recibida a través de un medio físico. En los sistemas de comunicaciones inalámbricos la capa física procesa los datos empleando codificación de canal, entrelazado, modulación y una o múltiples antenas, donde la elección apropiada de estas técnicas, es crítica para lograr la fiabilidad deseada y el rendimiento del sistema de comunicaciones inalámbricas. En el caso de los sistemas móviles inalámbricos, los canales de radio tienden a ser dispersivos y variante en el tiempo y muestran graves efectos Doppler, variación de retardo multitrayecto, interferencia intra-celular e inter-celular y desvanecimiento de la señal. Por lo que un diseño bueno y robusto de la capa física asegura que el sistema puede funcionar normalmente y superar los efectos mencionados anteriormente, proporcionando el rendimiento máximo y la latencia más baja en diferentes condiciones de funcionamiento (IEEE, 2011). Este capítulo proporciona una descripción teórica de las técnicas empleadas en la capa física por el estándar IEEE 802.16m. Aunque la capa física de la IEEE 802.16m se basa en el estándar IEEE 802.16-2009, hay componentes funcionales nuevos o modificados que contribuyen a aumentar significativamente el rendimiento de la IEEE 802.16m en relación con el estándar precedente para así para cumplir con los requisitos de IMT-Avanzadas y permitir futuras mejoras de la interfaz aérea de radio. Durante el diseño de IEEE 802.16m, cada tratamiento se hizo un intento de identificar las deficiencias del estándar anterior y sustituir los protocolos ineficientes con procedimientos nuevos o mejorados. En las áreas donde el nivel de referencia se ha ampliado o modificado, se ha previsto la comparación con el sistema anterior para mostrar las mejoras (Ahmadi, 2011).. 29.

(42) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” Los principales criterios que se tomaron en cuenta para el diseño de la nueva capa física son:  Aumentar el rendimiento de las aplicaciones y la capacidad  Reducir la latencia de acceso  Mayor movilidad de los usuarios  Reducir al mínimo la interferencia intra-celular e inter-celular  Mejorar la fiabilidad de la cobertura de control y canal de datos  Reducir la complejidad y la sobrecarga de señalización Teniendo los principales criterios que se tomaron en cuenta para el diseño de la nueva capa física y para lograr una mejor comprensión de las técnicas empleadas en el estándar IEEE 802.16m, este capítulo abordará las áreas, nuevas o de cambio, en el siguiente orden (Ahmadi, 2011).  Esquemas de acceso múltiple  Modos de duplicación  Estructura de la trama  Subcanalización y permutación  Codificación y modulación del canal  Esquemas MIMO 2.1 Esquemas de acceso múltiple Hay varios esquemas de acceso múltiple que se han utilizado en los sistemas de comunicaciones inalámbricos en los últimos años., Estos permiten compartir los recursos de radio disponibles de la red (es decir, tiempo, frecuencia, código, y espacio) entre el número de usuarios en la célula, tanto en el enlace de subida como de bajada de datos (Ahmadi, 2011).. 30.

(43) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” Como se mencionó en el capítulo 1, OFDMA ha sido un esquema de acceso múltiple que ha sido utilizado en la tecnología WiMAX, formando parte de la implementación de la capa física de los estándares actuales sobre la cual se erige dicha tecnología. En IEEE 802.16m, OFDMA se utiliza en sentido descendente y ascendente del enlace y sus parámetros son similares al estándar anterior, para facilitar la compatibilidad y la interoperabilidad entre los sistemas existentes y nuevos.. Tabla 2.1: Parámetros OFDMA de IEEE 802.16m (Ahmadi, 2011).. 31.

(44) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” IEEE 802.16m soporta un gran número de anchos de banda de canal donde las variantes de ancho de banda múltiplos de 5 MHz son las más importantes. En el caso de los anchos de banda de canal 7 y 8,75 MHz, estos se utilizan en algunos sistemas desplegados en Asia y Europa. Actualmente los organismos reguladores están abogando por desplegar los futuros sistemas WiMAX móvil en bloques de espectro que son múltiplos enteros múltiplos de 5 MHz. Los parámetros IEEE 802.16m OFDMA se muestran en la Tabla 2.1(Ahmadi, 2011). 2.2 Modos de Duplexación El término dúplex se refiere a la comunicación bidireccional entre dos dispositivos. Cuando la misma portadora de RF se utiliza para el enlace DL y UL, las funciones de transmisión/recepción son multiplexados en el tiempo. El modo TDD (Time Division Duplex) es un esquema dúplex donde se producen transmisiones de enlace DL y UL en diferentes momentos, pero pueden compartir la misma frecuencia. Cuando dos portadoras de RF se utilizan para el enlace DL y el enlace UL de las comunicaciones, las funciones de transmisión/recepción son multiplexados en frecuencia. El modo FDD (Frequency Division Duplex) es un esquema dúplex en el que el enlace DL y el enlace UL se producen simultáneamente utilizando diferentes frecuencias. En este caso existe una separación de frecuencia suficientemente grande entre la frecuencia del enlace DL y la del enlace UL (IEEE, 2008). IEEE 802.16m soporta esquemas FDD y TDD aunque con el fin de reducir la complejidad de la implementación y coste de los terminales FDD, y para aumentar aún más la reutilización, una operación semidúplex FDD (H-FDD). esta. implementada Como se muestra en la figura 2.1, la operación del modo H-FDD (Half-Duplex FDD) clásico no utiliza los recursos de radio de manera eficiente en el enlace DL y el enlace UL. Solo la agrupación y la programación de los usuarios permitirían un uso eficiente de los recursos del enlace (Ahmadi, 2011).. 32.

(45) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m”. Figura 2.1: Modos FDD y H-FDD (Ahmadi, 2011). 2.3 Estructura de la trama Como se mencionó anteriormente, los sistemas WiMAX móviles se basan en un subconjunto de características estándar IEEE 802.16-2009. Aunque este último estándar específica un número de tamaños de trama de radio, como por ejemplo 2, 2,5, 4, 5, 8, 10, 12, y 20 ms, sólo la trama de radio de 5 ms se admite en los perfiles de sistemas móviles WiMAX. (D., 2009). Para satisfacer los requisitos de corta latencia de transmisión, IEEE 802.16m ha modificado de forma transparente la estructura de trama del estándar precedente. Las modificaciones (como se muestra en la figura 2.3), son transparentes para los dispositivos basados en estándares precedentes y sólo son visibles para los nuevos sistemas. La idea 33.

(46) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” principal detrás de las modificaciones fue acortar los intervalos de tiempo de transmisión y para acelerar las retransmisiones HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request). Por lo tanto, la trama de radio anterior fue dividida en un número de subtramas. Con el fin de mejorar la difusión de la información del sistema en una ubicación predefinida y a intervalos determinísticos, se introdujeron los conceptos de súper trama y cabecera de súper trama. La estructura de la trama modificada incorpora nuevos canales de sincronización y de difusión para superar algunas de las limitaciones del sistema anterior, como problemas con la selección de célula a bajos SINR (Signal-to-Interference Noise Ratios), lo que resulta en un rendimiento inferior en el borde de la celda. El nuevo concepto de súper trama permitiría la transmisión preestablecida de la información de sistema de tiempo crítico que simplifica aún más el funcionamiento del sistema y reduce la sobrecarga del mismo y la latencia de escaneo (IEEE, 2007). La estructura de trama IEEE 802.16m básica se ilustra en la figura 2.2.. Figura 2.2: Estructura de trama IEEE 802.16m (Ahmadi, 2011). 34.

(47) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” Una súper trama se define como un conjunto de cuatro tramas de radio consecutivas y de igual tamaño. Cada súper trama de 20 ms contiene un encabezado primario P-SFH (Primary Superframe Header) y un encabezado secundario S-SFH (Secondary Superframe Header). Como se muestra en la Tabla 2.1, el número de subtramas por trama varía en función del tamaño de prefijo cíclico, el número de símbolos OFDM disponibles por trama, y el ancho de banda de transmisión. Una subtrama se asigna a cualquier transmisión DL o UL teniendo en cuenta el modo dúplex que se emplee (IEEE, 2007). Hay cuatro tipos de subtramas definidas en el estándar IEEE 802.16m: 1. La subtrama consta de seis símbolos OFDM 2. La subtrama consta de siete símbolos OFDM 3. La subtrama consta de cinco OFDM símbolos 4. La subtrama consta de nueve símbolos OFDM.(Ahmadi, 2011) La estructura de trama básica se aplica tanto en esquemas de duplexado FDD como TDD, incluyendo la operación H-FDD. El número de puntos de conmutación en cada trama de radio en el modo TDD se limita a dos, donde se define como punto de conmutación a un cambio de dirección de transmisión de DL a UL o de UL a DL. Tener en cuenta que un número excesivo de puntos de conmutación en una trama de radio daría lugar a un uso ineficiente de los recursos de radio debido al consumo de recursos de radio por los huecos de conmutación (IEEE, 2011). Para anchos de banda nominales de 5, 10 y 20 MHz, una trama IEEE 802.16m para Tg=1/4Tu y Tg=1/8Tu tiene ocho subtramas de tipo1 para FDD, y siete subtramas de tipo 1 y una de tipo-3 para TDD. La Figura 2.3 muestra las estructuras de trama TDD y FDD para un 5, 10 y 20 MHz de ancho de banda de canal (Ahmadi, 2011).. 35.

(48) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m”. Figura 2.3: Estructura TDD y FDD de la trama (IEEE, 2007) Por otra parte la trama del estándar anterior y la trama IEEE 802.16m están desfasadas. un. número. entero. de. subtramas. para. acomodar. nuevas. características del IEEE 802.16m como el preámbulo avanzado, la cabecera de la súper trama y los canales de control, como se muestra en la figura 2.4.. 36.

(49) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m”. Figura 2.4: La trama IEEE 802.16m particionada (IEEE, 2008). 2.4 Zonas de tiempo y regiones de frecuencias Puesto que muchas características físicas y de la capa MAC de IEEE 802.16m son nuevas y no son compatibles con el estándar anterior, los nuevos sistemas y los anteriores están confinados dentro de las zonas de tiempo o regiones de frecuencia. Los MZones se definen como zonas de tiempo/regiones de frecuencias dedicadas a la operación de IEEE 802.16m, y los LZones son zonas de tiempo/regiones de frecuencias asignadas a la operación del sistema anterior. En la ausencia de un sistema anterior, los LZones desaparecerán y toda la trama de radio serán asignados a los nuevos sistemas (Ahmadi, 2011). Como se muestra en la figura 2.5, una zona de tiempo se define como una región de tiempo-frecuencia que incluye todo el ancho de banda de transmisión extendido 37.

(50) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” sobre un número entero de subtramas consecutivas. Diferentes zonas horarias que no se solapan son multiplexadas por división de tiempo. Una región de frecuencia es un bloque de tiempo-frecuencia que ocupa una fracción del ancho de banda de transmisión a través de una o más subtramas consecutivas en el enlace descendente o enlace ascendente. El concepto de zonas de tiempo se aplica por igual a los modos FDD y TDD.. Figura 2.5: Zonas de tiempo y regiones de frecuencia en IEEE 802.16m (Ahmadi, 2011) 2.5 Asignaciones localizadas y distribuidas Para comprender mejor la diferencia entre las asignaciones localizadas y distribuidas, considere el ejemplo mostrado la figura 2.6. La respuesta de frecuencia de un canal afectado por desvanecimiento multitrayecto varía con el tiempo y la frecuencia debido a pérdidas en la trayectoria, ensombrecimiento, y los efectos de la movilidad del usuario. Supongamos que el usuario A y el usuario B son dos usuarios con diferentes condiciones de canal. La BS (Base Station) recibe 38.

(51) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” los informes de calidad de canal (por lo general en forma de CINR o mediciones SINR) de las estaciones móviles en la célula. El planificador BS puede adoptar uno de los siguientes esquemas de asignación de recursos en función de los informes sobre el estado de los canales. Una estrategia de asignación es, la ubicación de los usuarios A y B en los subcanales donde el SINR correspondiente es el mejor para ese usuario.(IEEE, 2007) Es aquí cuando la ganancia de programación puede lograrse a través de la asignación de un grupo de subportadoras adyacentes físicamente en los subcanales con la mejor SINR para este usuario. Otra estrategia consiste en asignar las subportadoras sobre todo el canal y formar un grupo lógico de sub-portadoras distribuida, asignándolas a un usuario. En este caso, la ganancia de diversidad de frecuencia se puede lograr mediante el uso de unidades de recursos distribuidos para este usuario (Forum, 2006).. Figura 2.6: Ejemplo de asignaciones localizadas y distribuidas (Forum, 2006).. 39.

(52) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” 2.6 Subcanalización y Permutación El estándar IEEE 802.16-2009 define una zona de permutación como un número de símbolos OFDM contiguos en DL o UL que utilizan la misma fórmula de permutación. Las porciones de la trama de radio DL o UL puede contener más de una zona de permutación. Uno de los inconvenientes de los esquemas de subcanalización especificados en el estándar IEEE 802.16-2009 es que las asignaciones distribuidas y localizadas no puede ser ubicadas en la misma zona de permutación. Como se muestra en la figura 2.7, una región de datos en el estándar IEEE 802.16-2009 se define como una unidad de recursos de dos dimensiones que consta de un grupo de subcanales contiguos, que contienen un grupo de símbolos OFDM contiguos. Una asignación de dos dimensiones puede ser visualizada como un rectángulo, tales como 4x3, 6x1, etc. Por lo tanto, para hacer frente a una asignación de dos, se requieren dos parámetros, es decir, desplazamiento en tiempo y frecuencia (o, alternativamente, desplazamiento del símbolo y del subcanal) (IEEE, 2011). Con el fin de reducir la sobrecarga de señalización de asignaciones en los esquemas de subcanalización de dos dimensiones, así como para permitir las asignaciones localizadas y distribuidas en la misma zona de permutación, IEEE 802.16m introdujo un nuevo esquema de subcanalización unidimensional y sus métodos de permutación dependen de la movilidad de los usuarios y de las condiciones del canal. La comparación entre el proceso de subcanalización de los sistemas nuevos y anteriores se muestra la figura 2.7. Los bloques de recursos de una sola dimensión en IEEE 802.16m simplifican el direccionamiento de las asignaciones de usuario en los mapas de asignación, y permiten esquemas de direccionamiento y la indexación eficientes. Por otra parte, las unidades de recursos localizados y distribuidos se pueden asignar al mismo tiempo a un usuario en la misma zona horaria/permutación (Ahmadi, 2011).. 40.

(53) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m”. Figura 2.7: Subcanalización de sistemas IEEE 802.16m y de sistemas anteriores (Ahmadi, 2011). 2.7 Codificación y modulación del canal En el estándar IEEE 802.16-2009, la BS seleccionaba el esquema de modulación y codificación más adecuado de un conjunto finito de esquemas de modulación y codificación basados en los reportes de calidad del canal enviados por la MS, los parámetros de QoS (Quality of Service) del tráfico del usuario, etc. Esto significa que un número limitado de combinaciones de razones de código R y ordenes de modulación M pueden ser seleccionados. Si el tamaño de asignación, en términos 41.

(54) Capítulo 2 “Descripción de la Capa Física del estándar IEEE 802.16m” de número de símbolos QAM N, se conoce, el tamaño de ráfaga puede calculado como NRM para una tasa de código dado y el orden de modulación dado. En este acercamiento, el tamaño de ráfaga se deriva de conocer el tamaño de asignación y constituye una de las deficiencias del estándar IEEE 802.16-2009. Por ejemplo, para grandes tamaños de ráfaga, el relleno se evita con la fragmentación o la concatenación de la PDU MAC; sin embargo para pequeños tamaños de ráfaga o aplicaciones sensibles al retardo, tales como VoIP o juegos interactivos, el tamaño de la PDU es fijado por las capas superiores y el relleno es inevitable. Una forma más eficiente seria tener número finito de tamaños de ráfaga independientes del tamaño de asignación.(IEEE, 2007) La figura 2.8 muestra el procedimiento de codificación y modulación de IEEE 802.16m. Un CRC es adicionado a la ráfaga, el cual es calculado tomando en cuenta todos los bits de la ráfaga. Si el tamaño de la ráfaga, incluyendo el CRC (Cyclic Redundancy Check) excede el tamaño del bloque FEC (Forward Error Correction), la ráfaga es particionada bloques FEC, cada uno de los cuales es codificado separadamente. Si la ráfaga es particionada en las de un bloque FEC un CRC es adicionado a cada bloque antes de ser codificados. Cada bloque particionado tiene el mismo tamaño, cuyo máximo es de 4800 bits. Las reglas de concatenación están basadas en el número de bits de información y no dependen de la estructura de la asignación de recursos. El estándar IEEE 802.16m emplea como codificador un CTC con una razón de código minina de 1/3. El esquema del CTC ha sido extendido para soportar tamaños adicionales de. bloques FEC.. Además los tamaños de los bloques FEC pueden ser incrementados regularmente con predeterminadas resoluciones (Ahmadi, 2011).. 42.