ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INFORMÁTICA
DISEÑO LOGICO Y SIMULACION DE UNA ARQUITECTURA DE
RED WiMAX PARA INTERCONECTAR LA UNIVERSIDAD
NACIONAL DE TRUJILLO CON SUS SEDES
Trabajo de Graduación
PROPUESTO POR: Ing. Edwin Raúl Mendoza Torres [email protected]
ELABORADO POR: Jimmy Manuel Pérez Rivera [email protected]
José Luis Pflucker Hilario [email protected]
AREA DEL PROYECTO: REDES DE COMPUTADORAS
RESUMEN
A nadie sorprende estar informado minuto a minuto, comunicarse con personas en diferentes partes del mundo, compartir archivos o trabajar en equipo sin estar en un mismo sitio. Las tecnologías de la información y comunicación han adquirido, una gran velocidad, en un medio imprescindible en nuestras vidas.
La Universidad Nacional de Trujillo, siendo la institución de formación universitaria más antigua del departamento de La Libertad, con sedes en Huamachuco, Santiago de Chuco y Valle Jequetepeque; zonas rurales de gran extensión, donde carece de una infraestructura y arquitectura adecuada, exclusiva para el desarrollo institucional, educacional y social que vincule directamente estas sedes con la sede principal en Trujillo.
En este contexto, en este proyecto se propone un diseño y simulación de una red WiMAX, considerando esta tecnología como una alternativa a las conexiones tradicionales por cable, permitiendo una conexión flexible, segura, económica y tecnológicamente viable.
Contenido CAPITULO I ... 11 PLAN DE INVESTIGACIÓN ... 11 1.1. Realidad Problemática ... 11 1.2. Antecedentes ... 11 a) Locales: ... 12 b) Nacionales: ... 12 c) Internacionales: ... 13
1.3. Formulación del problema ... 14
1.4. Hipótesis ... 14 1.5. Objetivos ... 14 1.5.1. Objetivo general ... 14 1.5.2. Objetivos específicos ... 14 1.6. Justificación ... 15 1.6.1. Justificación Social ... 15 1.6.2. Justificación Económica ... 15 1.6.3. Tecnológica ... 15 CAPITULO II ... 16 MARCO TEÓRICO ... 16 2.1. Red ... 16 2.2. Redes Inalámbricas ... 16 2.2.1. Ventajas ... 16 2.2.2. Desventajas ... 17
2.3. Clasificación de las redes inalámbricas según su cobertura. ... 17
2.4. Funcionamiento de las redes inalámbricas ... 18
2.5. Visión general de WiMAX ... 20
2.6. Características sobresalientes de WiMAX ... 21
2.7. Componentes de una red 802.16 ... 24
2.8.1. Aplicaciones de WiMAX ... 26
2.8.2. Sistemas punto multi-punto (PMP) ... 27
2.8.3. Sistema Mesh ... 28
2.9. Cobertura ... 29
2.10. Duplexación ... 30
2.10.1. FDD (dúplex de división de frecuencia) ... 30
2.10.2. TDD (Dúplex por divisiones de tiempo) ... 30
2.10.3. Comparación entre TDD y FDD ... 31
2.11. Capa Física de WiMAX ... 31
2.11.1. Parametros OFDM en WiMAX: ... 32
2.11.2. Subcanales en OFDMA. ... 34
2.11.3. Modulación y codificación en WiMAX ... 35
2.12. Capa de Control de Acceso al Medio en WiMAX ... 36
2.12.1. Calidad de Servicio (QoS) ... 39
2.13. Antenas WiMAX ... 42
2.13.1. Antenas Inteligentes ... 42
CAPITULO III ... 45
MATERIALES Y MÉTODOS ... 45
3.1 Metodología de Trabajo ... 45
3.2 Variables del Proyecto ... 46
3.2.1 Variable Dependiente ... 46
3.2.2 Variable Independiente ... 46
3.3 Resultados esperados ... 46
CAPITULO IV ... 47
RESULTADOS ... 47
4.1. Análisis de la Situación Actual de la Universidad Nacional de Trujillo y sus sedes. ... 47
4.2.1. Zona en estudio. ... 50
4.2.2. Ubicación geográfica de la Universidad Nacional de Trujillo y sus sedes. ... 51
4.2.3. Estudio de línea de vista para conexiones: ... 52
4.2.4. Zonas de Cobertura. ... 62
4.2.5. Ubicación de la Estación Base. ... 63
4.2.6. Ubicación de la Estaciones Suscriptoras. ... 65
4.2.7. Trafico de red ... 66
4.2.8. Banda de frecuencia ... 66
4.2.9. Estudio de radiofrecuencia de la red WiMAX propuesta para interconectar la UNT con sus sedes. ... 66
4.2.10. Establecimiento de Conexión entre Estaciones: ... 76
CAPITULO V ... 80 DISCUSIÓN ... 80 CAPITULO VI ... 82 CONCLUSIONES ... 82 CAPITULO V ... 83 BIBLIOGRAFIA ... 83
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Clasificación de las Redes Inalámbricas según su cobertura………16
Figura 2: Conversiones bit a serial y luego de señal a bit, para transmisión de datos en redes inalámbricas………..17
Figura 3: Worldwide Interoperability of Microware Access – WiMAX……….20
Figura 4: Arquitectura BWA………24
Figura 5: Aplicaciones WiMAX punto multi-punto………26
Figura 6: Backhaul inalámbrico WiMAX………27
Figura 7: Red mesh WiMAX………...28
Figura 8: Subcanales en OFDMA de WiMAX………33
Figura 9: Modulación adaptativa al SNR……….34
Figura 10: Tecnología de antena inteligente………42
Figura 11: Red WAN de la Universidad Nacional de Trujillo……….47
Figura 12: Red actual de la Sede Valle Jequetepeque………..………48
Figura 13: Red actual de la Sede Sánchez Carrión………..….………48
Figura 14: Red actual de la Sede Santiago de Chuco………...49
Figura 15: Ubicación Geográfica de la UNT y sus sedes……….50
Figura 16: Vista Satelital de las BTS………...52
Figura 17: Ubicación en mapa de relieve Unt - Antena Repetidora 1………..53
Figura 18: Imagen Satelital del enlace Unt - Antena Repetidora……….53
Figura 19: Ubicación en mapa de relieve Antena Repetidora 1 - Antena Repetidora 2………...54
Figura 22: Imagen Satelital del enlace Antena Repetidora 2 – Guadalupe………..55
Figura 23: Ubicación en mapa de relieve Unt - Antena Repetidora 3………..56
Figura 24: Imagen Satelital del enlace Unt - Antena Repetidora 3………..57
Figura 25: Ubicación en mapa de relieve Antena Repetidora 3 - Antena Repetidora 4………...57
Figura 26: Imagen Satelital del enlace Antena Repetidora 3 - Antena Repetidora 4…………...58
Figura 27: Ubicación en mapa de relieve Antena Repetidora 4 - Antena Repetidora 5………...58
Figura 28: Imagen Satelital del enlace Antena Repetidora 4 - Antena Repetidora 5…………...59
Figura 29: Ubicación en mapa de relieve Antena Repetidora 5 – Huamachuco………..59
Figura 30: Imagen Satelital del enlace Antena Repetidora 5 – Huamachuco………..60
Figura 31: Ubicación en mapa de relieve Antena Repetidora 5 – Santiago de Chuco………….60
Figura 32: Imagen Satelital del enlace Antena Repetidora 5 – Santiago de Chuco……….61
Figura 33: Imagen Geográfico de las BTS………...63
Figura 34: Topología de la Red………64
Figura 35: Perfil y performance del enlace Unt – Antena Repetidora 1………..66
Figura 36: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 1 – Unt………..66
Figura 37: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 1 - Antena Repetidora 2...67
Figura 38: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 2 – Antena Repetidora 1……...67
Figura 39: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 2 – Guadalupe………...68
Figura 40: Perfil y performance del enlace Guadalupe - Antena Repetidora 2………68
Figura 41: Perfil y performance del enlace Unt – Antena Repetidora 3………..69
Figura 42: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 3 – Unt………..69
Figura 43: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 3 – Antena Repetidora 4……...70
Figura 44: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 4 – Antena Repetidora 3……...70
Figura 45: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 4 – Antena Repetidora 5……...71
Figura 46: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 5 – Antena Repetidora 4……...71
Figura 47: Perfil y performance del enlace Antena Repetidora 5 – Huamachuco………...72
Figura 48: Perfil y performance del enlace Huamachuco – Antena Repetidora 5………...72
Figura 50: Perfil y performance del enlace Santiago de Chuco – Antena Repetidora 5………..73
Figura 51: Esquema final de conexión de la red WiMAX………...74
Figura 52: Esquema de Establecimiento de Conexión entre Universidad Nacional de Trujillo y Antena Repetidora 1……….76
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Parámetros para capas físicas………..32
Tabla 2 Modulaciones y codificaciones en WiMAX………...35
Tabla 3: Tipos QoS………...40
Tabla 4 Coordenadas de la UNT y sus sedes………...50
Tabla 5: Distancias de enlaces troncales ………..52
INTRODUCCIÓN
Actualmente en el mundo se vive una época de cambios en la cual los avances tecnológicos son una constante. Es posible apreciar estos adelantos en todas las áreas de las ciencias pero especialmente es posible verlos más claramente en las comunicaciones y redes de datos ya que, en estos se han dado en menos tiempo y a pasos más grandes.
Por otra parte los adelantos en las telecomunicaciones ayudaron a incrementar la cobertura, la calidad y la velocidad de los sistemas de comunicación inalámbricos. Utilizando herramientas como la teoría del tráfico. Los ingenieros han sido capaces de brindar un mejor servicio a los usuarios. Y no solo se mejoraron los servicios si no. que se crearon infinidad de ellos a través del tiempo a tal punto que en algunos de los países del mundo ya no es necesario el dinero en efectivo, ya que todas las transacciones se realizan por medio de sistemas inalámbricos. Así es posible pagar la cuenta del supermercado a con solo realizar una pequeña transacción.
Con los frecuentes cambios tecnológicos en las comunicaciones y pensando en el mejoramiento continuo en el acceso a Internet que presta la Universidad Nacional de Trujillo, se realizará un diseño de red inalámbrica WiMAX para interconectar la sede central con las sedes en las provincias de La Libertad, evaluando los recursos técnicos con los que cuenta la institución.
El diseño contribuirá al progreso del plantel educativo y administrativo ya que en la actualidad las comunicaciones representan un gran potencial, logrando con este diseño dar un primer paso para robustecer el acceso a Internet, agilizando los procesos en las áreas administrativas y educativas de la Universidad y sus sedes.
El diseño de la red WiMAX también brindará una alternativa a instituciones de esta zona que quieran incursionar en el uso de esta nueva tecnología, para el acceso a Internet de banda ancha
CAPITULO I
PLAN DE INVESTIGACIÓN
1.1.Realidad Problemática
El desarrollo de las telecomunicaciones en los últimos años se viene orientando a la aplicación de nuevas tecnologías de alta capacidad de transmisión, dirigidas a mejorar la calidad y aumentar la cantidad de servicios. Las cuales destacan la inalámbrica como WiMAX.
La Universidad Nacional de Trujillo en su plan de llevar la educación universitaria a las provincias de la región La Libertad, cuenta con sedes en las provincias de Sánchez Carrión, Pacasmayo y Santiago de Chuco.
Estas instituciones descentralizadas, en la actualidad no cuentan con un servicio de administración remota, que pueda comunicar directamente a los estudiantes de las sedes con la central.
A pesar de los recursos económicos que cuenta la universidad, no se ha establecido una arquitectura para interconectar las sedes y lograr una comunicación directa. En dicha perspectiva, las redes inalámbricas representan una alternativa para potenciar el desarrollo administrativo, educacional y social, destinando a estas provincias servicios adicionales y seguros, mediante el uso de la tecnología WiMAX.
1.2.Antecedentes
En lo que respecta en investigaciones sobre el estándar 802.16, se presenta los siguientes antecedentes:
a) Locales:
Antecedente Nº 01.
Título: Diseño de una Red WiMAX móvil para la Ciudad de Trujillo. [1]
Año: 2008
Universidad: Pontificia Universidad Católica del Perú
Autor: Miguel Andrés Rosas Malpartida
Descripción: Presenta el diseño de una red WiMAX móvil para Trujillo metropolitana.
Aporte: Nos muestra un análisis demográfico de la zona y el estado actual de las Telecomunicaciones en Trujillo además nos muestra toda la ingeniería del proyecto aplicando los conceptos básicos para la planificación de redes de Telecomunicaciones.
b) Nacionales:
Antecedente Nº 02.
Título: Estudio de la migración del estándar 802.11 al estándar 802.16 en
zonas rurales. [2] Año: 2008
Universidad: Pontificia Universidad Católica del Perú
Autor: Eduardo Montes Moscol
Descripción: Se plantea la posibilidad de migrar a IEEE 802.16 (WiMAX) en los lugares donde se usa WIFI.
Aporte: Nos muestra a WiMAX como solución tecnológica ya que es una tecnología diseñada para redes MAN que no solo permite conectividad inalámbrica sino también velocidades de banda ancha; lográndose llenar los vacíos que deja WIFI.
Antecedente Nº 03.
Título: Diseño de una Red WiMAX para Lima Metropolitana. [3]
Año: 2009
Universidad: Universidad Ricardo Palma
Autor: Julio Leandro Gabriel Huatuco León
Aporte: Muestra los puntos primordiales al querer implantar una nueva tecnología, tales como a quienes queremos llegar, la cobertura que se debe ofrecer, la capacidad para ello. Además de la metodología utilizada para el desarrollo de este trabajo.
c) Internacionales:
Antecedente Nº04.
Título: Utilización de la tecnología WiMAX para mejorar la eficiencia de las
redes inalámbricas. [4] Año: 2005
Universidad: San Carlos de Guatemala
Autores: José Alberto Córdova Paz
Descripción: Establece las bases para el uso de la tecnología WIMAX para las telecomunicaciones.
Aporte: Nos muestra cómo es posible la implementación de redes WiMAX e identificar el grado de comercialización que puede tener la esta tecnología.
Antecedente Nº05.
Título: Modelado de Redes WiMAX. [15]
Año: 2009
Universidad: Autónoma de México
Autores: Victor Rangel Licea
Descripción: Presenta la introducción a redes inalámbricas de banda ancha a través de un modelado de redes WIMAX.
Aporte: Muestra las diferencias entre las redres WiFi y WiMAX además muestras las consideraciones que se debe tener a modelar una red WiMAX y los grandes beneficios que esta tecnología tiene.
Antecedente Nº06.
Título: Modelo de Simulación para Redes WiMAX con Topología en Malla,
sin coordinador. Año: 2009
Universidad: Nacional de Colima
Descripción: Presenta el simulado de una Red WiMAX con topología en malla, sin coordinador
Aporte: Este trabajo nos muestra una alternativa para aumentar la capacidad de cobertura de las redes inalámbricas WiMAX, sin incrementar su infraestructura física.
1.3.Formulación del problema
¿Cómo lograr interconectar la red de la Universidad Nacional de Trujillo con sus sedes utilizando tecnología WiMAX?
1.4.Hipótesis
Se logrará interconectar la red de la Universidad Nacional de Trujillo con sus sedes a través del diseño y simulación de una arquitectura de red WiMAX.
1.5.Objetivos
1.5.1. Objetivo general
Elaborar el diseño y simulación de un modelo de arquitectura lógica de red WiMAX para interconectar la Universidad Nacional de Trujillo con sus sedes.
1.5.2. Objetivos específicos
Analizar y documentar el sistema actual de la red de la Universidad Nacional de Trujillo con sus sedes.
Diseñar un modelo de red inalámbrica WiMAX tomando en cuenta el aspecto técnico que define el estándar IEEE. 802.16.
Simular la red inalámbrica WiMAX.
Elaborar el diagrama de procesos, el algoritmo y análisis de complejidad respectivo.
1.6.Justificación
1.6.1. Justificación Social
Este proyecto busca integrar a los estudiantes y personal administrativos de la sedes de cada provincia con la sede principal de Trujillo, brindando servicios de alta disponibilidad para todos sus usuarios tales como el acceso a internet, tv, VoIP, fax, POTS.
1.6.2. Justificación Económica
Este proyecto se justifica económicamente por el hecho de que la Tecnología WiMAX representa una alternativa para el desarrollo económico y futuro de las comunicaciones en las provincias de cada sede, dada las conexiones geográficas accidentadas y el atraso en infraestructura cableada desplegada por grupos privados de telecomunicaciones, por lo que hasta ahora la opción más viable en aspecto económico, es la comunicación inalámbrica mediante señales de radio, que abarca una mayor área geográfica, reemplazando la instalación de una red cableada dedicada para unir las diferentes sedes de la UNT, lo cual conllevaría a un ahorro económico.
1.6.3. Tecnológica
Permitirá a la Universidad Nacional de Trujillo y a sus sedes contar una nueva tecnología de telecomunicación, que le permitirá brindar nuevos servicios, maximizando los beneficios y permitiendo el estudio e implementación de futuros proyectos de desarrollo tecnológico con la red lógica que se proponga en este proyecto.
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1.Red
Una red es un conjunto de dos o más nodos (computadores) conectados entre sí, con el fin de compartir información y/o recursos entre ellos. La conexión entre los nodos, puede ser por medio de cables (redes cableadas) o por medio de ondas de radio (redes inalámbricas) [5].
Las redes de computadores son el resultado de la evolución de dos ramas científicas y tecnológicas: la computación y las telecomunicaciones. Esto, debido a que pueden considerarse como un sistema particular de cómputo distribuido, en el que los nodos que componen la red realizan tareas interrelacionadas por medio de intercambio do datos, y a la voz, estas rodos pueden verse como un medio de transferir datos entre grandes distancias.
2.2.Redes Inalámbricas
Las redes inalámbricas presentan características relevantes, que son útiles evaluarlas para ver su factibilidad a la hora de implementar redes de computadores. A continuación se mencionan las ventajas y las desventajas más resaltantes que presentan estas redes en comparación con las cableadas:
2.2.1. Ventajas
Movilidad
Facilidad en la instalación
Escalabilidad
2.2.2. Desventajas
Menor velocidad
Menor seguridad (si no se configuran bien)
Sensibilidad a interferencias
2.3.
Clasificación de las redes inalámbricas según su cobertura.
Según el área de cobertura en la que un usuario puede estar conectado, las redes inalámbricas se pueden clasificar en cuatro tipos principales (Véase la Figura 1) (6):
Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN): Son redes de corto alcance que cubren
pocas decenas de metros. Generalmente son usadas para conectar dispositivos periféricos en oficinas (como impresoras, teléfonos móviles, etc.). Entre las tecnologías de este tipo están: Bluetooth. HomeRF, Zigbee y conexiones Infrarrojas.
Figura 1: Clasificacion de las Redes Inalambricas según su cobertura.
Redes Inalámbricas de Área Local (WLAN): Estas redes cubren el equivalente a la red
local de una empresa, tienen un alcance aproximado de 100 metros. Las tecnologías de este tipo son: WiFi y HiperLAN2.
Redes Inalámbricas de Área Metropolitana (WMAN): Estas redes cuentan con un
alcance de 4 a 10 km. y son muy útiles para las empresas de telecomunicaciones. Ejemplo de este tipo de redes: WiMAX.
Redes Inalámbricas de Área Extensa (WWAN): Estas redes tienen el alcance más amplio
de todas las redes inalámbricas, razón por la cual los teléfonos celulares utilizan estas redes. Ejemplos: GSM, GPRS, UMTS (3G).
2.4.
Funcionamiento de las redes inalámbricas
En las computadoras la información se maneja usando una forma lógica (es decir, a nivel de software), que para facilitar la representación son las secuencias de bits (combinaciones de 0’s y 1’s). Sin embargo, cuando se desea compartir la información entre al menos dos nodos, es necesario utilizar una representación que se pueda transmitir en un canal, que en el caso de las redes inalámbricas, ese canal es el aire. La forma física que se utiliza transmitir datos por medio del aire, es a través de las señales de ondas electromagnéticas.
El emisor debe convertir la información a algo físico, transformar los bit a señales utilizando algún tipo de equivalencia, y colocarla en el canal para su envío; luego el receptor, debe tomarla del canal, y convertirla nuevamente a la forma lógica, haciendo una transformación (inversa) de señales a bits (Véase la Figura 2).
Figura 2: Conversiones bit a serial y luego de señal a bit, para transmisión de datos en redes
inalámbricas.
En las redes inalámbricas se transmite la información entre sus nodos utilizando ondas electromagnéticas, que dependiendo de la frecuencia que utilicen, pueden ser ópticas, de microondas o de radio (6) (7). Las ondas electromagnéticas se generan mediante la aplicación de corriente alterna a una antena. Estas redes utilizan una parte del espectro
tecnologías inalámbricas se diferencian por la frecuencia de transmisión que utilizan, y por el alcance y la velocidad de sus transmisiones (6).
Más específicamente, la información se transmite sobre ondas portadoras de radio a través del aire. El emisor agrega la información (previamente transformada, codificada) a una onda de radio. El receptor analiza las ondas recibidas y extrae los datos útiles que le permiten reconstruir la información que fue enviada.
Una analogía para entender el concepto de frecuencia portadora se muestra en Reid, donde dice que si uno “estuviera usando una impresora, la frecuencia portadora seria el papel y la información modulada serían las letras en el papel”. En otras palabras, la frecuencia portadora de onda no transporta por sí misma la información, sino que ésta viaja a través de la frecuencia portadora, de ahí el significado de su nombre”
Antes de ser colocada sobre el canal, la información es transformada en algo que se pueda transmitir y recibir a través de una frecuencia portadora de onda para poder ser enviada por el canal de transmisión, a esto se le llama modulación (o esquema de modulación) (34). Esto a su vez permite un mejor aprovechamiento del canal de comunicación, y una minimización de las interferencias y el ruido (8).
La modulación se hace variando la forma de onda de una señal, con cambiar al menos una de las 3 principales características de las ondas, como lo son: la amplitud, la frecuencia y la fase.
Los flujos de datos pueden ser modulados de distintas formas, que dependerá de la robustez, la pérdida de datos y la simplicidad del esquema para poder tener una mayor tasa de transmisión. Los esquemas de modulación más comunes son: BPSK (Binary Phase Shift Keying). QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) y QAM (Quadrature amplitude modulation).
Es necesario también, seleccionar una técnica de propagación de las ondas, para transmitir la información (señales moduladas) entre una variedad de canales. Las técnicas de propagación de las ondas más comunes son: el Espectro Extendido de Secuencia Directa (Direct-Sequence Spread Spectrum o DSSS). El Espectro Extendido de Saltos de Frecuencia (Frequency Hopping Spread Spectrum o FIISS). El Acceso Multiplexado de División de Códigos (Code División Múltiple Access o CDMA), y la Multiplexación por
División de Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frequency División Multiplesing o OFDM).
2.5.Visión general de WiMAX
La tecnología WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es un estándar de redes inalámbricas que trata la interoperabilidad de los productos basados en el estándar IEEE 802.16. La tecnología WiMAX ofrece más alcance y ancho de banda que la familia de estándares de WiFi y ofrece una alternativa inalámbrica a las instalaciones backhaul por cable y a las de última milla, aparte de ofrecer áreas de cobertura extensas.
Backhaul: Usa antenas punto a punto para conectar sitios de abonados entre sí y a las estaciones base en largas distancias.
Última milla: Usa antenas punto a multipunto para conectar abonados domésticos o de empresas a la estación base.
Acceso de cobertura de áreas extensas: Usa estaciones base, estaciones de abonados, y soluciones WiFi, como las redes de malla, para cubrir un área extensa y proveer acceso a clientes 802.16e-2005.
Si con un punto de acceso WiFi podemos proporcionar acceso, a un radio de unos quinientos metros en condiciones ideales con una velocidad típica de entre 11 y 54 Mbps, WiMAX está pensado para proporcionar radios de cincuenta kilómetros con velocidades de 70 Mbps. De metros cuadrados en WiFi, a kilómetros cuadrados en WiMAX. Lo que en WiFi es un equipo de bajo coste propiedad de una persona, en WiMAX es un punto de acceso en un lugar elevado, y propiedad de una compañía. Si WiFi es comparable a una LAN, o red de área local, WiMAX es una MAN, o red de área metropolitana. El desarrollo de WiMAX no es algo que sustituya a WiFi o compita con ello, sino algo complementario: una red WiMAX se puede utilizar para proporcionar acceso inalámbrico a una zona amplia en la que se despliegan redes WiFi, solucionando así la dificultad del acceso al último tramo hasta el domicilio del usuario.
Figura 3: Worldwide Interoperability of Microware Access – WiMAX.
WiMAX emplea la tecnología OFDMA, la cual tiene una baja tasa de consumo de potencia y puede ser usada para varias aplicaciones, incluyendo conexiones de banda ancha de “última milla”, hotspot, backhaul celular y conectividad de alta velocidad para empresas de negocios, ya que soporta servicios de banda ancha tales como video y VoIP. Además, también puede ser una opción de tecnología backhaul para redes WiFi municipales en áreas rurales.
WiMAX resuelve los problemas de conectividad rural, ya que es adecuado para lugares remotos que no tienen una infraestructura establecida de redes cableadas o líneas telefónicas. WiMAX tiene el potencial de proporcionar acceso a Internet generalizado que puede ser empleado para un crecimiento económico, mejor educación, salud, y mejorar los servicios de entretenimiento. En general, WiMAX se puede describir como la base de la evolución de la banda ancha inalámbrica, en vez de una simple implementación de tecnología inalámbrica.
2.6.Características sobresalientes de WiMAX
WiMAX es una solución de banda ancha inalámbrica, que ofrece un amplio conjunto de características con una gran flexibilidad en términos de opciones de despliegue y oferta de servidos. Algunas de las características más importantes que merecen ser resaltadas son las siguientes:
2.6.1. Capa PHY basada en OFDM: La capa PHY dc WiMAX está basada en
multiplexación por división ortogonal de frecuencias, un esquema que ofrece buena resistencia a las multi-trayectorias e interferencia inter-símbolo y permite a WiMAX operar en condiciones NLOS. OFDM es ahora ampliamente reconocido como la mejor opción para mitigar la multi-trayectoria en la banda ancha inalámbrica.
2.6.2. Altas tasas de datos: WiMAX es capaz de soportar altas tasas de datos. De hecho, la
tasa de datos en capa PHY puede ser tan alta como 74 Mbps, cuando se opera usando un ancho de frecuencia de 20 MHz. Mas típicamente, usando un espectro de operación de 10 MHz, un esquema FDD con una proporción 3:1 en los canales DL y UL respectivamente, la tasa de datos en capa PHY es aproximadamente 25 Mbps para el downlink y 6.7 Mbps para el uplink. Bajo muy buenas condiciones de serial, tasas más altas pueden ser conseguidas usando múltiples antenas y multiplexación espacial.
2.6.3. Soporte para ancho de banda escalable y tasas de datos: WiMAX tiene una
arquitectura de capa PHY, que permite escalar fácilmente las tasas de datos con un canal de banda ancha disponible (S-OFDMA). Esta escalabilidad es soportada en modo OFDMA, donde el número de subportadoras puede escalarse basado en la disponibilidad de un canal de banda ancha. Por ejemplo, un sistema WiMAX puede usar 128, 512, 1024 o 2048 subportadoras, ya sea que el ancho de banda del canal sea de 1.25, 5, 10 o 20 MHz respectivamente. Esta escalabilidad puede hacerse dinámicamente para soportar el desplazamiento de los usuarios a través de las diferentes redes, las cuales pueden tener diferentes asignaciones dc ancho de banda.
2.6.4. Modulación y codificación adaptiva: WiMAX soporta varios esquemas de
modulación y corrección de errores (FEC.), y permite que los esquemas sean cambiados por los usuarios en cada frame, basándose en las condiciones del canal. Este es un mecanismo efectivo para maximizar el throughput en un canal variante en el tiempo. El algoritmo de adaptación típicamente es llamado para el uso de un esquema de modulación y codificación más alto, del que puede ser soportado en el receptor (debido a la relación señal a ruido y la proporción de interferencia). De tal manera que cada usuario es provisto con la más alta tasa de datos posible que puede ser soportada en sus enlaces respectivos.
sea reconocido por el receptor, los paquetes desconocidos son asumidos como paquetes perdidos y son automáticamente retransmitidos.
2.6.6. Soporte para TDD y FDD: Los estándares IEEE 802.16-2004 y IEEE 802.16e- 2005
soportan TDD y FDD, así como también half-duplex FDD, el cual permite la implementación de sistemas de bajo costo. TDD es favorecido por una mayoría de implementaciones, debido a que tiene como ventajas:
Flexibilidad para elegir proporciones de tasas de datos para los canales UL y DL.
Habilidad para explotar la reciprocidad del canal.
Habilidad para implementar un espectro disparejo y
Menor complejidad en el diseño del transceptor.
2.6.7. Acceso múltiple por división ortogonal de frecuencias (OFDMA): WiMAX móvil
usa OFDMA como una técnica de múltiple acceso, donde diferentes usuarios pueden ser asignados a diferentes subconjuntos de tonos o portadoras OFDM.
2.6.8. Asignación de recursos flexible y dinámica por usuario: La asignación de recursos
en los canales UL y DL es controlada por un scheduler en la estación base. La capacidad del sistema es compartida entre los múltiples usuarios usando un esquema TDM de ráfaga. Cuando se usa el modo OFDMA en la capa PHY, la multiplexación es hecha adicionalmente en la dimensión de la frecuencia, para asignar diferentes subconjuntos de subportadoras OFDM a diferentes usuarios. Los recursos también pueden ser asignados en el dominio espacial, usando opcionalmente un sistema avanzado de antenas.
2.6.9. Soporte para técnicas avanzadas de antenas: Este esquema puede ser usado para
mejorar la capacidad general del sistema y la eficiencia espectral, por el despliegue de múltiples antenas en el transmisor y/o en el receptor.
2.6.10. Soporte de QoS: La capa MAC de WiMAX tiene una arquitectura orientada a
conexión, que está diseñada para soportar una variedad de aplicaciones, incluyendo voz y servicios multimedia. El sistema ofrece soporte para tasas de datos constantes, variables, en tiempo real, flujos de tráfico que no son en tiempo real y adicionalmente tráfico de datos BE (Best Effort). La capa MAC de WiMAX está diseñada para soportar un gran número dc usuarios con múltiples conexiones por terminal, cada una con sus propios requerimientos de QoS.
2.6.11. Seguridad robusta: WiMAX soporta una fuerte encriptación, usando un estándar de
encriptación avanzada (AES). Este tiene una privacidad robusta y un protocolo de administración de claves. El sistema también ofrece una arquitectura de autentificación muy flexible, basada en el protocolo de autentificación extensible (EAP). El cual permite una variedad de credenciales de usuario, incluyendo nombres de usuario, contraseñas, certificados digitales y tarjetas inteligentes.
2.6.12. Soporte para movilidad: La variante móvil del sistema WiMAX, tiene un mecanismo
para soportar handovers perfectos y seguros, para aplicaciones de completa movilidad y tolerantes a retrasos, como VoIP. El sistema también tiene soporte para mecanismos dc ahorro de energía, que extienden la vida de la batería o de los dispositivos suscriptores portátiles. Mejoras en la capa PHY, como una estimación del canal más frecuente, subcanalización uplink y control de potencia, también son especificadas en el soporte para las aplicaciones móviles.
2.6.13. Arquitectura basada en IP: El foro WiMAX ha definido recientemente una referencia
de arquitectura de red, basada completamente en una plataforma IP. Todos los servicios punto a punto son entregados sobre una arquitectura IP, dependiendo de los protocolos basados en IP para el transporte punto a punto, QoS, administración de la sesión, seguridad y movilidad. Esto facilita la convergencia con otras redes y explota el rico ecosistema para el desarrollo de aplicaciones basadas en IP.
2.7.Componentes de una red 802.16
Un sistema BWA (Broadband Wireless Access) está compuesto por al menos una estación base BS (Base Station) y una o más estaciones suscriptoras SS’s (Suscriba- Stations). La BS y las SS's conforman la interfaz aérea del sistema ODU (Outdoor Unit), en donde se incluye los transmisores, receptores y antenas. Por otro lado, se encuentra la interfaz alámbrica IDU (Indoor Unit) que es la interfaz que permite el acceso hacia y desde las redes backbone de datos y PSTN. Las dos interfaces se interconectan a una frecuencia intermedia (Véase la Figura 4).
Figura 4: Arquitectura BWA
La BS le asigna un canal ele radio a cada una de las SS’s de acuerdo a las políticas de control de acceso al medio (MAC). Todos los sistemas BWA constan de tres subsistemas, los cuales se citan a continuación:
Sistema de Radiofrecuencia: Es la parte inalámbrica de alta capacidad que permite la
transmisión y recepción de las señales con cada SS. En la estación base, los módulos de transmisión y recepción están conectados en un lado con el equipo de acceso de datos de la BS y por otro lado con una antena cuyas características dependen de los requisitos del sistema. Por otro lado, las estaciones remotas un módulo trasmisor-receptor recibe la señal de bajada de la BS y la pasa al módem de cada SS. Asimismo, recibe el tráfico de la SS y lo trasmite hacia la BS.
Sistema de Acceso: Representa la interfaz de comunicación entre la SS y la BS. Es el
responsable de la estructuración y manejo del tráfico de señal de bajada o de subida con dirección al sistema de radiofrecuencia. En una red BWA. Las SS's comparten en el tiempo los canales de subida UL (Up Link) y de bajada DL (Down Link). En el enlace de subida, el canal es usualmente ranurado permitiendo así el acceso al canal mediante la técnica TDMA, mientras que en el canal de bajada se emplea el esquema IDM. Cada SS puede entregar voz y datos utilizando interfaces comunes, por ejemplo, Ethernet, El TI, etc.
Interfaz de red en la BS: Representa la conexión entre el proveedor de servicios y la red
IP, las principales aplicaciones que se usan con el sistema de acceso a Internet, acceso a alta velocidad a servicios multimedia, además del acceso a la PSTN para aplicaciones VoIP. En el lado de la SS, es la red de conexión con el sistema inalámbrico.
2.8.
Topologías de red
2.8.1. Aplicaciones de WiMAX
Las aplicaciones que usan solución inalámbrica WiMAX pueden ser clasificadas como punto multi-punto, mesh y móviles. Las aplicaciones punto multi-punto (Véase la figura 5) incluyen por ejemplo:
Conectividad entre edificios empleando un backhaul.
Banda ancha para zonas residenciales y pequeñas oficinas y oficinas en el hogar (SOHO).
Servicios TI simétricos para empresas de negocios.
Servicios TI fraccionados para pequeñas a medianas empresas (SME) y
Backhaul inalámbrico para hotspots WiFi.
En los sistema inteligentes de transporte (ITS), caracterizados por largas distancias y múltiples “saltos” en la comunicación, las redes mesh son buenas candidatas para soportar varios tipos de aplicaciones ITS, entre las que se incluyen por ejemplo, sistemas inteligentes de transporte marítimo (16). Las aplicaciones móviles que se pueden considerar son por ejemplo:
Conectividad para usuarios en autobuses a través de un hotspot.
Conexión en automóviles, para brindar servicios de localización y mantenimiento a distancia.
Figura 5: Aplicaciones WiMAX punto multi-punto.
2.8.2. Sistemas punto multi-punto (PMP)
Los servicios de banda ancha de WiMAX fijo pueden incluir acceso a Internet de alta velocidad, servicios de telefonía mediante VoIP y un sin número de otras aplicaciones basadas en Internet. La banda ancha inalámbrica fija ofrece varías ventajas sobre las tradicionales soluciones cableadas. Estas ventajas incluyen menores costos, más rápido y fácil despliegue, reutilización, la habilidad para construir la red de acuerdo a las necesidades, menores costos de operación, administración y mantenimiento de la red.
Desde la perspectiva de un CPE (Customer Premise Equipment), dos tipos de modelos de despliegue pueden ser empleados para los servicios de banda ancha inalámbrica fija, en las zonas residenciarlas, SOHO y mercados SME.
Un modelo requiere la instalación de una antena exterior del lado del cliente, el otro utiliza un radio modem con la antena incluida, que el cliente puede instalar en el interior, como una instalación tradicional de DSL o Cable Modem.
Utilizando antenas exteriores se mejora el enlace de radio, y por lo tanto el rendimiento del sistema. Este modelo permite coberturas de área más grandes por parte de la BS. Sin embargo, una antena exterior implica costos más grandes del lado de la SS. Por otra parte, una instalación interior del lado del cliente, permitirá también un modelo dc negocios que puede explotar la venta por mayoreo y distribución del canal, y ofrecer a los clientes una variedad de opciones.
Una oportunidad interesante para WiMAX en el mundo desarrollado, es el potencial que tiene para servir como conexión backhaul inalámbrica, en el floreciente mercado de los hotspots WiFi. En los Estados Unidos y en otros mercados desarrollados, un creciente número de hotspots WiFi están siendo desplegados en áreas públicas, como centros de convenciones, hoteles, aeropuertos y cafeterías. Se espera que los despliegues de hotspots WiFi continúen creciendo en los próximos anos. La mayoría de los operadores de hotspots WiFi, actualmente usan conexiones de banda ancha cableadas para conectar los hotspots a un punto de red. WiMAX puede servir como una alternativa más rápida y más barata que los backhauls cableados. Usando las capacidades de transmisión punto multi-punto de WiMAX, para servir como un enlace backhaul para los hotspots, puede mejorar sustancialmente el negocio de los hotspots WiFi y proporcionar más adelante un impulso para el despliegue de los hotspots.
También, en aquellos países que cuentan con una buena infraestructura cableada, la banda ancha inalámbrica fija es más probable que sea usada en áreas rurales sin servicio, ya que las instalaciones de cable tradicionales son mucho más costosas. La alternativa es utilizar la banda ancha inalámbrica fija, como backhaul inalámbrico para hotspots WiFi y así poder satisfacer las necesidades dc comunicación dc dichas áreas.
Figura 6: Backhaul inalámbrico WiMAX.
2.8.3. Sistema Mesh
Otra gran oportunidad para WiMAX fijo son las redes mesh (Véase la figura 7). Las aplicaciones PMP son una topología centralizada, donde la BS es el centro del sistema.
Por el contrario, en una red mesh esto no es así. Los elementos que componen una red mesh son llamados “nodos”, por ejemplo; una SS en una red mesh es un nodo.
En una red mesh, cada nodo puede crear su propia comunicación con otro nodo vecino de la red. Así, en una red mesh, cada nodo puede actuar como un ruteador simple. Esto no restringe la comunicación de las SSs solamente con la BS. De este modo, la mayor ventaja de las redes mesh, es que el alcance de una BS puede ser mucho mayor, dependiendo del número de “saltos” hasta la SS más distante. Esto trae la habilidad de rodear grandes obstáculos como una montaña, la cual puede bloquear una SS del alcance de una BS.
Cada nodo de una red mesh puede tener varios vecinos, creando múltiples rutas para la comunicación entre dos dispositivos. Es por ello que las redes mesh son tolerantes a fallas, es decir; si falla un nodo de la red o si una interferencia ocurre entre una comunicación, la red continua operando. Simplemente los datos son enviados a lo largo de una ruta alterna. Por otro lado, el empleo de redes mesh trae consigo el estudio de otro tema de investigación, el ruteo en las redes Ad-hoc (sin infraestructura).
Figura 7: Red mesh WiMAX
2.9.Cobertura
Proporciona un radio de cobertura de 30 a 50 kilometres, todo dependerá de los obstáculos existentes entre el emisor y receptor, por lo que se puede optimizar con la
utilización de los diferentes estándares o aplicaciones de software de WIMAX, así como también a nivel de hardware como la buena utilización de antenas inteligentes.
2.10. Duplexación
Se refiere al proceso de crear canales bi-direccionales para transmisión de datos de uplink enlace de carga) y de downlink (enlace de descarga). Dúplex por divisiones de tiempo (TDD) y dúplex de división de frecuencia (FDD) son soportadas por el estándar 802.16-2004. Las soluciones con licencia usan dúplex de división de frecuencia (FDD) mientras que las soluciones exentas de licencia usan dúplex por división de tiempo (TDD).
2.10.1. FDD (dúplex de división de frecuencia)
Requiere dos canales que son separados para minimizar la interferencia, uno para transmisión y otro para recepción. La mayoría de las bandas FDD son asignadas a voz porque la arquitectura bi-direccional de FDD permite manejar la voz con demoras mínimas. Sin embargo, FDD tiene componentes adicionales al sistema y esto eleva los costos.
Se usa FDD en redes inalámbricas de tercera generación (3G), que operan en una frecuencia conocida y son proyectadas para aplicaciones de voz. La mayoría de los esquemas de codificación usados en redes 3G tienen limitaciones para producción de datos. A medida que el tráfico de la red aumenta o disminuye, la región geográfica cubierta por el transmisor puede encogerse o crecer, fenómeno denominado “respiración de la celda”. Además, cuando un usuario que comparte un canal deja de transmitir, la velocidad de transmisión se reduce de forma proporcional al número de usuarios para minimizar la interferencia y resulta en un nivel de potencia de transmisión menor. Las variaciones de alcance y del nivel de poder de transmisión pueden ser aceptables para aplicaciones de voz pero ofrecen desafíos para las redes de datos.
2.10.2. TDD (Dúplex por divisiones de tiempo)
descarga). Un sistema TDD puede asignar dinámicamente ancho de banda upstream y downstream, según su tráfico. La transferencia asimétrica es apropiada para el tráfico de Internet en el que hay grandes volúmenes de datos en downstream. Un sistema TDD funciona transmitiendo primero upstream de una estación base a la estación del abonado. Después de poco tiempo de guarda, generalmente un milisegundo, la estación del abonado transmite en la misma frecuencia en la dirección upstream.
2.10.3. Comparación entre TDD y FDD
Las soluciones TDD y FDD no son interoperables porque usan diferentes bandas y técnicas de duplexación FDD y TDD sirven para diferentes propósitos. FDD opera en dos canales separados, uno para recibir tráfico y otro para transmitirlo. El espectro otorgado para tecnologías FDD es licenciado en bandas de igual tamaño. No se requieren tiempos de guarda entre upstream y downstream, lo que permite una implementación dúplex completa. FDD no soporta una solución de Malla WI-FI.
En una solución TDD, un canal se usa tanto para transmitir como para recibir tráfico. Se requieren tiempos de guarda entre upstream y downstream. TDD puede soportar Malla WI-FI. TDD usa dos juegos distintos de time slots (ranuras de tiempo) en la misma frecuencia para el uplink y para el downlink, mientras que FDD usa dos frecuencias diferentes, una para el uplink y otra para el downlink.
Una solución FDD cuesta más porque requiere más hardware para soportar a los canales del uplink y del downlink. El costo se justifica por el uso más eficiente del ancho de banda y la QoS mejorada. Las soluciones con licencia usan FDD debido a su naturaleza dúplex robusta y al espectro modulado por frecuencia. Esto permite a la portadora QoS de calidad, la que no se puede alcanzar totalmente en soluciones sin licencia.
2.11. Capa Física de WiMAX
La capa física de WiMAX se basa en la multiplexación por división ortogonal en frecuencia (OFDM). OFDM es un esquema de transmisión que nos permite la transmisión de datos de alta velocidad, video, y comunicaciones multimedia. Este esquema de transmisión es utilizado por muchos sistemas comerciales, tales como DSL, WiFI, DVB-H. OFDM es un esquema eficiente para transmisión de elevadas tasas de datos en entornos sin visión directa y con distorsión multitrayecto.
OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión llamada modulación multiportadora, el cual se basa en la idea de dividir un determinado flujo de datos en varios flujos y modular cada flujo con portadoras distintas (llamadas subportadoras). Los esquemas de modulación multiportadora minimizan la interferencia intersímbolo (ISI) haciendo que la duración en el tiempo del símbolo transmitido sea lo suficientemente larga como para que el retraso introducido por el canal sea una insignificante fracción de la duración del símbolo.
2.11.1. Parametros OFDM en WiMAX:
Las versiones fijas y móviles de WiMAX tienen diferentes implementaciones de OFDM en la capa física PHY. Para WiMAX fijo, basado en la norma IEEE 802.16-2004, se usa una capa física basada en OFDM con una FFT de 256 subportadoras de tamaño. Para WiMAX móvil, basado en la norma 802.16-2005, se usa una capa física basada en OFDMA variable. En el caso de WiMAX móvil, el tamaño de la FFT puede variar desde 128 hasta 2048 subportadoras.
Capa física WiMAX fijo (OFDM-PHY): Para esta versión el tamaño de la transformada rápida de Fourier (FFT) está fijada en 256 subportadoras, de las cuales 192 son subportadoras para transportar datos, 8 son usadas como subportadoras piloto para propósitos relacionados con la estimación y la sincronización del canal, y el resto son usadas como subportadoras de la banda de guarda. Puesto que el tamaño de la FFT es fijo, el espaciado entre subportadoras varía con el ancho de banda del canal. Cuando se utilizan grandes anchos de banda, el espaciado entre subportadoras aumenta y el tiempo de símbolo disminuye. Que el tiempo de símbolo disminuya significa que será necesario asignar una mayor fracción de tiempo de guarda con el propósito de superar la difusión de retardos. Como muestra la tabla anterior, WiMAX permite una gran cantidad de tiempos de guarda, por eso permite a los diseñadores del sistema realizar intercambios entre la eficiencia espectral y la robustez frente a la difusión de retardo. Para alcanzar la máxima robustez frente a difusión de retardo, se puede usar un 25 por ciento de la banda de guarda.
Capa física WiMAX móvil (OFDMA-PHY): El tamaño de la FFT puede variar entre
128 y 2048 subportadoras. En este caso cuando el ancho de banda aumenta, el tamaño de la FFT también se ve incrementado para que el espaciado entre las subportadoras
mantiene los costes bajos. El espaciado de 10.94KHz fue elegido como un buen equilibrio para satisfacer el retardo de propagación y el efecto Doppler y así poder operar en entornos fijos y móviles mixtos. Este espaciado entre subportadoras puede soportar un retardo de hasta 20µs y una movilidad de hasta 125km por hora cuando opera a 3.5GHz. El espaciado entre subportadoras de 10.94KHz implica que se usen FFT de 128, 512, 1024 y 2048 bits cuando el ancho de banda del canal es 1.25MHz, 5MHz, 10MHz y 20MHz respectivamente. Debería ser anotado, sin embargo, que WiMAX móvil puede incluir otros perfiles de ancho de banda adicionalmente. Por ejemplo, un perfil compatible con WiBro utilizara un canal de 8.75 MHz de ancho de banda y una FFT de 1024 bits. Este perfil requerirá evidentemente un espacio entre subportadoras diferente y por tanto no tendrá las mismas propiedades de escala.
La siguiente tabla muestra los parámetros relativos a OFDM para ambas capas físicas, la basada en OFDM y la basada en OFDMA. Los parámetros que se muestran en la tabla están limitados a un conjunto de perfiles que son posibles, pero no constituyen un conjunto exhaustivo de todos los posibles valores.
Parámetros WiMAX Fijo
OFDM-PHY
WiMAX Móvil OFDMA-PHY
Tamaño FFT 256 128 512 1024 2048
Numero de Subportadoras de datos 192 72 360 720 1440
Numero de Subportadoras piloto 8 12 60 120 240
Numero de Subportadoras de guarda 56 44 92 184 368
Periodo de guarda 1/32, 1/16, 1/8, 1/4
Tasa Muestreo Depende del Ancho de Banda: 7/6 para 256 OFDM, 8/7 para múltiplos de 1.75MHz, y 28/25 para múltiplos de 1.25MHz, 1.5MHz, 2MHz ó 2.75MHz.
Ancho de banda del canal (MHZ) 3.5 1.25 5 10 20
Espaciado subportadoras (KHZ) 15.625 10.94
Tiempo útil de símbolo(us) 64 91.4
Tiempo de guarda (asumiendo 12.5%)
8 11.4
Duracion del símbolo OFDM (us) 72 102.9
Numero de símbolos OFDM en tramas de 5 ms
69 48
2.11.2. Subcanales en OFDMA.
En OFDMA se pueden dividir las subportadoras disponibles en varios grupos llamados subcanales. WiMAX fijo basado en una capa física OFDM solamente permite una forma limitada de subcanalización en el enlace ascendente. El estándar define 16 subcanales, donde se pueden asignar 1, 2, 4, 8, o todos los conjuntos a una estación de abonado en el enlace ascendente.
La subcanalización del enlace ascendente en WiMAX fijo permite a las estaciones de abonados transmitir utilizando solamente una fracción del ancho de banda que le asigna la estación base, lo que proporciona mejoras económicas en el enlace que se pueden utilizar para aumentar el rendimiento y/o mejorar la duración de las baterías de las estaciones de abonado. Un factor de subcanalización de 1/16 proporciona una mejora de 12 dB en el enlace.
Sin embargo, la versión móvil de WiMAX, cuya capa física está basada en OFDMA, permite subcanalizar tanto en el enlace ascendente como el enlace descendente, y aquí los subcanales forman la unidad mínima de recursos de frecuencia asignados por la estación base.
Por lo tanto, se pueden asignar subcanales diferentes a usuarios diferentes como un mecanismo de acceso múltiple. Este tipo de esquema de multiacceso se llama acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) que da nombre a la capa física WiMAX móvil.
Se pueden constituir subcanales utilizando subportadoras contiguas o subportadoras distribuidas pseudo-aleatoriomente en el espectro de frecuencia. Los subcanales formados utilizando subportadoras distribuidas proporcionan más diversidad de frecuencias, lo cual es especialmente útil para aplicaciones móviles.
WiMAX define varios esquemas de subcanalización basados en portadoras distribuidas tanto en el enlace ascendente como en el enlace descendente. Uno de ellos llamado uso parcial de subportadoras (PUSC) es obligatorio para todas las implementaciones móviles de WiMAX. Los perfiles de WiMAX iniciales definen 15 y 17 subcanales para el enlace descendente y el enlace ascendente, respectivamente, para operaciones con el esquema PUSC y 5MHz de ancho de banda. Para operaciones de 10MHz, se definen 30 y 35 canales respectivamente.
El esquema de subcanalización WiMAX basado en subportadoras contiguas se llama banda adaptativa de modulación y codificación (AMC). Aunque se pierde la diversidad frecuencial, la banda AMC permite diseñar el sistema para explotar la diversidad de usuarios, asignando los subcanales a los usuarios basándose en su respuesta frecuencial. La diversidad de multiusuarios puede proporcionar una ganancia significativa en toda la capacidad del sistema, si el sistema procura proporcionar a cada usuario un subcanal que maximice su relación señal a ruido más interferencias (SINR). En general, la subcanalización basada en subportadoras contiguas es más apropiada para aplicación fijas o con poca movilidad.
2.11.3. Modulación y codificación en WiMAX
WiMAX soporta una variedad de esquemas de modulación y codificación que permite que el esquema cambie en cada ráfaga básica, dependiendo de las condiciones del canal. La estación base puede medir la calidad del enlace ascendente y descendente de cada usuario, y así asignarle una modulación y una codificación que maximice la tasa de transferencia para la proporción señal/ruido disponible.
Figura 9: Modulación adaptativa al SNR.
Por tanto la modulación y codificación adaptativa incrementan significativamente la capacidad de todo el sistema, y permite la compensación en tiempo real entre la tasa de
transferencia y la robustez de cada enlace. La siguiente tabla muestra una lista de varios esquemas de modulación y codificación soportados en WiMAX. En el enlace descendente las modulaciones QPSK, 16 QAM y 64 QAM son obligatorios para WiMAX fijo y móvil; mientras que en el enlace ascendente 64 QAM es opcional. La codificación FEC es obligatoria si usamos códigos convolucionales. Un total de 52 combinaciones de esquemas de modulación y codificación están definidas en WiMAX.
Downlink Uplink
Modulación BPSK, QPSK, 16QAM; BPSK opcional para OFDMA-PHY
BPSK, QPSK, 16QA; 64AQM opcional
Codificación Obligatorio: códigos convolucionales de tasas 1/2, 2/3, 3/4, 5/6.
Opcional: Turbo códigos convolcionales de tasas 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, códigos de repetición de tasa 1/2, 1/3, 1/6. LDPC, códigos para OFDM- PHY
Obligatorio: códigos convolucionales de tasas 1/2, 2/3, 3/4, 5/6.
Opcional: Turbo códigos convolcionales de tasas 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, códigos de repetición de tasa 1/2, 1/3. LDPC.
Tabla 2: Modulaciones y codificaciones en WiMAX
2.12. Capa de Control de Acceso al Medio en WiMAX
La principal tarea de la capa MAC de WiMAX es la de proporcionar una interfaz entre la capa de transporte y la capa física. La capa MAC toma los paquetes de la capa inmediatamente superior, estos paquetes se llaman MAC Service Data Units (MSDUs), y los organiza dentro de los paquetes denominados MAC Protocol Data Units (MPDUs) para transmitirlos por el aire.
Para la recepción la capa MAC hace lo mismo pero en orden inverso.
Esta es la otra capa característica del protocolo IEEE 802.16, fue diseñado para accesos a las aplicaciones PMP (Punto a MultiPunto) de banda ancha de muy alta tasa de datos y con una variedad de requisitos de calidad de servicios (QoS), por lo que está orientado a conexión.
Permite que el mismo terminal sea compartido por múltiples usuarios. Lo que hace flexible a este sistema es que maneja algoritmos que permiten que cientos de usuarios finales puedan tener distintos requisitos de ancho de banda y de retardo.
Esta capa también se encarga de manejar la necesidad de tener una tasa de bits alta, tanto para el enlace ascendente (hacia la BS) como para el enlace descendente (desde la BS).
El sistema ha sido diseñado para incluir multiplexación por división del tiempo de voz y datos, protocolo de Internet (IP), y voz sobre IP (VoIP).
El protocolo IEEE 802.16, debe soportar los variados requisitos de conectividad, como el modo de transferencia asíncrono (ATM) y protocolos basados en paquetes.
La capa MAC que es la encargada de coordinar el acceso al medio está compuesta de 3 subcapas:
1. Subcapa MAC de convergencia (CS): Es la encargada de adaptar las unidades de
datos de protocolos de alto nivel al formato MAC SDU y viceversa. Es decir se encarga de transformar los datos de las redes externas y pasarlos a la subcapa MAC común convertidos en unidades de datos del servicio o SDU (Service Data Units), que son las unidades de datos que se transfieren entre capas adyacentes. Se encuentra sobre la subcapa MAC común y utiliza los servicios proveídos por ésta. También se encarga de clasificar las SDUs de la MAC entrantes a las conexiones a las que pertenecen.
2. Subcapa MAC común (MAC CPS): Es el núcleo de la toda la capa MAC, provee
los servicios de acceso al sistema, asignación de ancho de banda, establecimiento y mantenimiento de la conexión y se establecen las unidades de datos de protocolo o PDU (Protocol Data Units). También se encarga de hacer el intercambio de la unidad de servicios de datos de la capa MAC (SDU) con la capa de convergencia. Esta subcapa se encuentra fuertemente ligada con la capa de seguridad. En esta subcapa se prestan los servicios de planificación que representan los mecanismos de manipulación de datos soportados por el planificador de la MAC para el transporte de datos en una conexión, cada una de las cuales está asociada a un solo servicio de datos el cual a su vez, está asociado a unos parámetros de QoS que son quienes determinan su comportamiento. Existen cuatro tipos de servicios:
Concesión no Solicitada (UGS)
Polling en tiempo real (rtPS)
Mejor Esfuerzo (BE)
3. Subcapa MAC de seguridad: Presta los servicios de autenticación, intercambio
seguro de claves y cifrado. Permite proveer a los usuarios un servicio de banda ancha seguro a través de su conexión fija mediante el cifrado de las conexiones, y al operador protegerse contra las conexiones no autorizadas forzando el cifrado. La subcapa de seguridad es la encargada de la autentificación, establecimiento de claves y encriptación. Es en el a donde se realiza el intercambio de los PDUs de la MAC con la capa física
Mecanismos de Acceso al Medio.
En WiMAX, la capa MAC en la estación base es completamente responsable de asignar un ancho de banda a todos los usuarios tanto en el enlace ascendente como en el enlace descendente. La única vez en que la estación móvil tiene algún control sobre la asignación de ancho de banda es cuando tiene sesiones o conexiones múltiples con la estación base. En ese caso, la estación base asigna un ancho de banda a la estación móvil en conjunto, y depende de ésta última el repartirlo entre las conexiones múltiples que tiene. La estación base hace toda la demás planificación en el enlace ascendente y el descendente. Para el enlace descendente, la estación base puede asignar un ancho de banda a cada estación móvil, basado en las necesidades del tráfico entrante, sin implicar a la estación móvil. Sin embargo, para el enlace ascendente las asignaciones deben estar basadas en peticiones de la estación móvil.
El estándar WiMAX contiene varios mecanismos por los que una estación móvil puede solicitar y obtener ancho de banda en el enlace ascendente. Según los parámetros de QoS y tráfico particulares asociados con un servicio, la estación móvil puede utilizar uno o más de estos mecanismos. La estación base asigna recursos dedicados o compartidos periódicamente a cada estación móvil, que puede utilizar para solicitar un ancho de banda. A este proceso se le llama polling o sondeo. Se puede hacer sondeo tanto individualmente (unicast) como en grupos (multicast). Se hace sondeo multicast cuando hay ancho de banda insuficiente para sondear a cada estación móvil individualmente. Cuando se haga sondeo multicast, la ranura asignada para hacer peticiones de ancho de banda es una ranura compartida, la cual cada estación móvil sondeada intenta usar. Por ello WiMAX define un acceso por contienda y un
no se sondea. En su lugar se permite que solicite más ancho de banda mediante tres métodos: el primero es transmitiendo una petición de ancho de banda autónoma MPDU, el segundo método es enviando una petición de ancho de banda por el canal de extensión, o por último mediante la utilización de forma fraudulenta de un ancho de banda solicitado en paquetes MAC genéricos.
2.12.1. Calidad de Servicio (QoS)
Una de las partes fundamentales en el diseño de la capa MAC es la QoS. Algunas de las ideas para el diseño de las técnicas de QoS en WiMAX se sacan del estándar del cable módem DOCSIS, consiguiendo un fuerte control de la QoS utilizando una arquitectura MAC orientada a conexión en la que la estación base controla todas las conexiones del enlace descendente y el ascendente. Antes de que ocurra cualquier transmisión de datos, la estación base y la estación móvil establecen un enlace lógico unidireccional entre las dos capas MAC llamado conexión.
Cada conexión se identifica mediante un identificador de conexión (CID), que sirve como una dirección temporal para transmisiones de datos sobre el enlace particular. Además de conexiones para transmisión de datos de usuario, la capa MAC de WiMAX define tres conexiones administrativas: las conexiones básicas, las primarias y las secundarias. WiMAX también define un concepto de flujo de servicio que es un flujo unidireccional de paquetes con un conjunto particular de parámetros de QoS e identificado por un identificador de flujo de servicio (SFID.) Los parámetros de QoS podrían incluir prioridad de tráfico, tasa máxima de tráfico sostenido, tasa máxima de ráfaga, tasa mínima tolerable, tipo de planificación, tipo de ARQ, retraso máximo, jitter tolerable, tamaño y tipo de unidad de datos, mecanismo a usar para la petición de ancho de banda, reglas para la formación de PDU, etc. El flujo de servicio debe ser aprovisionado por un sistema de administración de red o creado dinámicamente a través de mecanismos de señalización definidos en el estándar. La estación base es responsable de distribuir el SFID y mapearlo a un único CID. Los flujos de servicio pueden ser mapeados también a puntos de código de DiffServ o etiquetas de flujo de MPLS (Multiprotocol Label Switching) para permitir QoS extremo a extremo basado en IP. Para soportar una amplia variedad de aplicaciones, WiMAX define cinco servicios:
1. Servicio garantizado no solicitado o UGS (Unsolicited Grant Service): Es un
servicio diseñado para soportar un tamaño fijo de paquetes a una tasa constante de datos, está orientado a servicios con requisitos estrictos de temporización como son
la voz sobre IP (VoIP) sin supresión de silencios y la emulación de T1/E1. Los parámetros de flujo de servicio obligatorios que se definen en este servicio son la tasa máxima de tráfico sostenible, la máxima latencia permitida, el jitter tolerado y la política de petición/transmisión. Aquí la estación base programa periódicamente regiones de transmisión de manera regular, de manera anticipada y del tamaño negociado con anterioridad, durante el establecimiento de la conexión, sin que haya una petición explicita de parte del usuario con requisitos estrictos de temporización.
2. Servicio de consulta en tiempo real o RtPS (Real-time Polling Service): Este
servicio está orientado al tráfico en tiempo real con tasa de transmisión variable, como el vídeo MPEG. Los parámetros de flujo de servicio obligatorios que se definen en este servicio son la tasa mínima de tráfico reservada, la máxima tasa de tráfico sostenible, la máxima latencia permitida y la política de petición/transmisión. A las estaciones con tráfico RtPS se les asigna periódicamente una oportunidad de transmisión para solicitar ancho de banda de manera periódica con el fin de satisfacer sus requisitos en tiempo real.
3. Servicio de consulta diferido o NRtPS (Non-Real-time Polling Service):
Servicio diseñado para soportar flujos de datos tolerantes a retardos y de tamaño variable pero con un ancho de banda mínimo requerido, tal como FTP. Los parámetros obligatorios de flujo de servicio que se definen en este servicio son la tasa mínima de tráfico reservado, la tasa máxima de tráfico sostenible, la prioridad de tráfico y la política de petición/transmisión.
4. Servicio de Mejor esfuerzo o BE (Best Effort service): En este servicio no se
garantiza un nivel mínimo de servicio, ni retardo, ni caudal. Es decir este servicio está diseñado para aplicaciones sin requisitos mínimos de ancho de banda. Los parámetros obligatorios de flujo de servicio definidos en este servicio son la tasa máxima de tráfico sostenible, la prioridad de tráfico y la política de petición/transmisión.
5. Servicio extendido en tiempo real y tasa variable o ERT VR (Extended Real-Time Variable Rate Service): Se diseña este servicio para aplicaciones como VoIP
con upresión de silencio, es decir con detección de actividad ya que tienen tasas de datos variables pero necesitan una tasa de datos y un retraso garantizado. Este
