WIMAX FIJO COMO UNA SOLUCION PARA BRINDAR SERVICIOS DE COMUNICACION DE BANDA ANCHA INALAMBRICA EN ENTORNOS RURALES

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AGRADECIMIENTOS

A MI FAMILIA

Gracias por su apoyo incondicional en las decisiones importantes de mi vida. A mi madre por su entrega y energía para hacer de mí una persona exitosa. A mi padre por sus consejos y ánimos para que siempre salga adelante. A mi hermana por todos los momentos que hemos compartido juntos. A todos ustedes, mil gracias.

A MIS COMPAÑEROS Y AMIGOS

Por compartir grandes momentos conmigo, unas veces de tristeza, otras de alegría, pero nunca sin perder la mirada sobre la meta. Les deseo mucho éxito en sus vidas.

A MIS PROFESORES

Por ser mis guías en la adquisición del conocimiento que ahora poseo y hacer de mí una persona profesionalmente exitosa. A los profesores José Ernesto Rojas Lima y Guillermo Santillán Guevara por su orientación, apoyo, dedicación, exigencia y compromiso que hicieron posible la culminación de este trabajo.

A DIOS

Por darme vida, salud y permitirme concluir una de sus encomiendas.

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OBJETIVOS

 Brindar una visión general del acceso inalámbrico de banda ancha, así como su evolución en el transcurso del tiempo y las diferentes tecnologías disponibles hoy en día, específicamente la tecnología WiMAX.

 Comprender aspectos importantes referentes a la propagación electromagnética tales como los mecanismos de propagación, y los principales modelos de propagación que permiten predecir las pérdidas en diferentes entornos.

 Diseñar una red de acceso inalámbrico de Banda Ancha con tecnología WiMAX Fijo para ofrecer cobertura de servicios de comunicación inalámbrica con base en un lugar determinado, donde se justifique el empleo de la tecnología WiMAX.

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CONTENIDO

Agradecimientos ………. i

Objetivos ……….. ii

Contenido ………. iii

Siglas y acrónimos ……….. vi Introducción ……….. ix

Capítulo 1. Fundamentos de las Redes WiMAX ………1

1.1 Introducción a la Banda Ancha Inalámbrica………..1

1.1.1 Evolución de la tecnología de Banda Ancha Inalámbrica……2

1.1.2 Tecnologías Inalámbricas de Banda Ancha………...3

1.2 Panorama de la Tecnología WiMAX ..………5

1.2.1 Estándar IEEE 802.16 ………...……5

1.2.2 Capa Física ………..6

1.2.3 Subcapa de Acceso al Medio………11

1.3 Arquitectura de Red WiMAX……….14

1.3.1 Principios Generales de Arquitectura...………14

1.3.2 Modelo de Referencia de Red ………..15

Capítulo 2. Fundamentos de propagación electromagnética……….17

2.1 Mecanismos de Propagación………17 2.1.1 Atenuación………17

2.1.2 Reflexión especular……….21

2.1.3 Reflexión difusa………...……23

2.1.4 Difracción………..25

2.1.5 Despolarización………25

2.2 Modelos de Propagación………...26

2.2.1 Modelo de Propagación en Espacio Libre………...…26

2.2.2 Modelo de Propagación de Okumura-Hata……….28

2.2.3 Modelo de Propagación COST 231………..30

2.2.4 Modelo de Propagación de la Rec. ITU P.526-10………..33

2.2.5 Modelo de Propagación SUI………..34

2.3 Desvanecimiento……….36

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Capítulo 3. Lugar de estudio y Herramienta de Simulación………39

3.1 Lugar de estudio: Municipio de Perote………..………..39

3.1.1 Parque Nacional Cofre de Perote………..…40

3.1.2 San Antonio Tenextepec………...….40

3.1.3 San Antonio Limón………...42

3.1.4 Los Molinos………...43

3.2 Herramienta de Simulación: Xirio Online………....44

3.2.1 Introducción………..44

3.2.2 Estudio………...44

3.2.3 Abertura de resultados………...….49 3.2.4 Consulta del nivel de señal de un punto………..51

3.2.5 Creación de puntos de interés………...51

Capítulo 4. Diseño de la Red WiMAX de acceso Fijo………..52

4.1 Selección de Equipo………...52

4.1.1 Estación Base………...53

4.1.2 Antenas para estaciones base………...53

4.1.3 Estaciones de abonado………...54

4.2 Evaluación………55

4.2.1 Configuración de parámetros……….56

4.2.2 Resultados de cobertura……….74

4.3 Tasa de transferencia de enlaces: ascendente y descendente………..77

Capítulo 5. Estudio de mercado………..…79

5.1 Contextualización………79

5.1.1 Presentación del proyecto………..79

5.1.2 Definición del objeto de estudio……….79

5.1.3 Delimitación geográfica del mercado y descripción………79

5.2 Análisis de la demanda………..…80

5.2.1 Comportamiento de la demanda………80

5.2.2 Identificación y evaluación de los segmentos de mercado...81

5.2.3 Segmentos de mercado………..81

5.3 Análisis de la oferta……….82

5.3.1 Comportamiento de la oferta………..82

5.3.2 Estructura del sector………82

5.4 Análisis de la comercialización……….82

5.4.1 Análisis del servicio……….….82

5.4.2 Análisis del precio………....83

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Conclusiones………..86

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SIGLAS Y ACRÓNIMOS

3G Third Generation – (Tercera Generación).

16 QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation – (Modulación por amplitud de cuadratura de 16 estados).

64 QAM 64 Quadrature Amplitude Modulation – (Modulación por amplitud de cuadratura de 64 estados).

ASN Access Service Network – (Red de servicio de acceso).

ATM Asynchronous Transfer Mode – (Modo de transferencia asíncrono). BPSK Binary Phase Shift Keying – (Modulación binaria de fase).

BS Base Station – (Estación Base).

CDMA Code Division Multiple Access – (Acceso múltiple por división de código).

CID Connection Identifier – (Identificador de conexión). CPA Co-Polar Attenuation – (Atenuación copular).

CPE Customer Premise Equipment – (Equipo local de cliente).

CSN Connectivity Service Network – (Red de servicio de conectividad). DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification – (Especificación de

interfaz para servicios de datos sobre cable).

DSL Digital Subscriber Line – (Línea de abonado digital).

EIRP Equivalent Isotropically Radiated Power – (Potencia efectiva isotrópica radiada).

ERP Effective Radiated Power – (Potencia efectiva radiada). ETSI European Telecommunications Standards Institute - (Instituto

europeo de normas de telecomunicaciones).

FDD Frequency Division Duplexing – (Duplexaje por división de frecuencia).

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IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers – (Instituto de ingenieros en electricidad y electrónica).

IDTF Inverse Discrete Fourier Transform – (Transformada discreta inversa de Fourier).

IDU Indoor Unit

IFFT Inverse Fast Fourier Transform – (Transformada inversa rápida de Fourier).

IP Internet Protocol – (Protocolo de Internet).

ISI Inter Symbol Interference – (Interferencia intersímbolo).

LOS Line of Sight – (Línea de Vista).

MAC Medium Access Control – (Control de acceso al medio).

MIMO Multiple Input Multiple Output – (Múltiple entrada y múltiple salida). MPDU MAC Protocol Data Unit – (Unidad de datos de protocolo MAC). MS Mobile Station – (Estación móvil).

MSDU MAC Service Data Unit – (Unidad de datos de servicio MAC). NLOS Non Line of Sight – (Sin línea de vista).

NRM Network Reference Model – (Modelo de referencia de red). NWG Network Working Group - (Grupo de trabajo de red).

ODU Outdoor Unit

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing – (Multiplexaje por division de frecuencia ortogonal).

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access – (Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal).

PDU Protocol Data Unit – (Unidad de dato de protocolo). PRA Potencia Radiada Aparente

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QPSK Quadrature Phase Shift Keying – (Modulación de fase en cuadratura).

RP Reference Point – (Punto de referencia).

SFID Service Flow Identifier – (Identificador de flujo de servicio).

SS Subscriber Station – (Estación de abonado).

TDD Time Division Duplexing – (Duplexaje por división de tiempo). TDM Time Division Multiplexing – (Multiplexaje por division de tiempo). VoIP Voice over Internet Protocol – (Voz sobre protocolo de Internet). VDSL Very high bit-rate Digital Subscriber Line – (Línea de abonado digital

de muy alta tasa de transferencia).

Wi-Fi Wireless Fidelity – (Fidelidad inalámbrica).

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access - (Interoperabilidad mundial para acceso por microondas).

WMAN Wireless Metropolitan Access Network – (Red inalámbrica de área metropolitana).

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INTRODUCCIÓN

Hoy en día, la diversidad de tecnologías de telecomunicaciones con la que se dispone para ofrecer servicios de comunicación, hace posible una mejor elección de acuerdo a las necesidades que se deseen satisfacer así como de los inconvenientes presentes.

En el caso específico de las zonas rurales del mundo entero, una de las razones por las que éstas presentan un gran rezago, en cuanto a comunicación se refiere, es por el hecho de que se encuentran marginadas. Muchas de las veces, esta marginación se debe a que la localización de estas comunidades está realmente accidentada, cuyo acceso es difícil o en el peor de los casos imposible.

Por otra parte, otra de las razones importante que acentúa la ausencia de comunicación en las poblaciones rurales es la baja densidad de población que haría uso de la dotación de servicios de telecomunicaciones y, por tanto, resultaría poco rentable el suministro de dichos servicios con el despliegue de infraestructuras por cable o fibra óptica.

En lo que respecta al capítulo 1, se dan a conocer aspectos generales sobre las redes WiMAX. Como primer punto, se brinda una introducción a la banda ancha inalámbrica, evidenciado cuál ha sido su evolución en el transcurrir del tiempo así como las distintas tecnologías inalámbricas de banda ancha de las que se disponen hoy en día. Seguidamente, se proporciona un panorama de la tecnología WiMAX, específicamente acerca del estándar que lo define así como de ambas capas: física y de acceso al medio. En último lugar, se describen algunos de los principios importantes de diseño que guiaron el desarrollo de la arquitectura de sistemas de redes WiMAX.

Por su parte, en el capítulo 2 se brinda una fundamentación acerca de la propagación electromagnética. En principio, se analizan los fenómenos que ocurren entre las fronteras de los medios de propagación, ya sean éstos entre el aire y la tierra, entre las construcciones y el aire, desde la Tierra al espacio, entre otros. Posteriormente, se muestran los principales modelos de propagación existentes hoy en día, los cuales predicen las pérdidas de propagación en un ambiente muy singular y suelen servir de base teórica para la introducción a modelos más complejos.

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herramienta de simulación “Xirio Online”, mostrando a grandes rasgos lo que es posible crear con un dominio adecuado de tal herramienta.

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CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS DE LAS REDES WIMAX

1.1 Introducción a Banda Ancha Inalámbrica

La Banda Ancha Inalámbrica se encuentra en la confluencia de dos de las historias de crecimiento más notables de la industria de telecomunicaciones en los últimos años. Ambas, banda ancha e inalámbrica, presentan una adopción rápida en el mercado. Los servicios inalámbricos móviles crecieron desde 11 millones de usuarios en todo el mundo en el año 1990 a billones de usuarios en la actualidad. Durante el mismo periodo, el Internet pasó de ser una curiosa herramienta académica a tener alrededor de un billón de usuarios. Este asombroso crecimiento del Internet demanda una mayor velocidad de acceso de servicios de Internet, dando lugar a un paralelo crecimiento en la adopción de la banda ancha. En menos de una década, el crecimiento de banda ancha en todo el mundo ha pasado de ser cero a prácticamente más de 200 millones.

La tecnología Línea de Abonado Digital (DSL: Digital Subscriber Line), que ofrece banda ancha a través de cables de teléfono de par trenzado, y la tecnología de cable módem, son las tecnologías de banda ancha de acceso más predominantes en la actualidad. Ambas tecnologías típicamente proporcionan datos de hasta unos pocos megabits por segundo a cada usuario, y los continuos avances están haciendo posibles varias decenas de megabits. Desde su implementación inicial en la década de 1990, estos servicios han experimentado un crecimiento considerable. En México, 10 de cada 100 mexicanos tiene acceso a banda ancha y se espera que para el término del año 2012 suban a 22 de cada 100. La disponibilidad de una solución inalámbrica de banda ancha podría acelerar este crecimiento.

El acceso de banda ancha no sólo proporciona una navegación más rápida por Internet y una descarga de archivos más rápida sino que también permite varias aplicaciones multimedia, como audio en tiempo real y transmisión de video, conferencias multimedia y juegos interactivos. Las conexiones de banda ancha también se están utilizando para la telefonía de voz usando voz sobre protocolo de Internet (VoIP: Voice over Internet Protocol). Los más avanzados sistemas de acceso de banda ancha, tales como la fibra hasta el hogar (FTTH: Fiber To The Home) y la línea de abonado digital de muy alta tasa de transferencia (VDSL: Very high bit-rate Digital Subscriber Line), permiten las aplicaciones tales como video de entretenimiento de calidad, incluyendo televisión de alta definición (HDTV: High Definition Television) y video en demanda (VoD: Video on Demand).

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la de los tradicionales de línea fija de banda ancha pero con un medio de transmisión inalámbrico. Este tipo, llamado de banda ancha inalámbrica fija, puede ser pensado como una alternativa competitiva a DSL o cable módem. El segundo tipo de banda ancha inalámbrica, llamada banda ancha móvil, ofrece la funcionalidad adicional de la portabilidad, nomadismo y movilidad. La banda ancha móvil intenta llevar las aplicaciones de banda ancha a los escenarios nuevos de la experiencia del usuario y por lo tanto puede ofrecer al usuario final una propuesta de valor muy diferente. El sistema de Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas (WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access), está diseñado para aplicaciones de banda ancha tanto fija como móvil (ver figura 1.1).

Figura 1.1 Aplicaciones de banda ancha con la tecnología WiMAX Fijo y Móvil. Recuperado de: http://nomadenet.bligoo.com/content/view/114108/Evolucion-a-WiMax-Movil.html

1.1.1 Evolución de la Banda Ancha Inalámbrica

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comercialmente sólo para ser dados de baja después. Las implementaciones exitosas han sido hasta ahora limitadas a un nicho de aplicaciones y algunos mercados. Es evidente que la banda ancha inalámbrica ha tenido hasta ahora un record lleno de altibajos, en parte debido a la fragmentación de la industria debido a la falta de una norma común. Sin embargo, se espera que con la aparición de la tecnología WiMAX como un estándar de la industria vaya cambiando esta situación.

Así, la tecnología WiMAX se ha desarrollado a través de cuatro etapas, aunque no totalmente distintas o secuenciales:

1) Sistemas de circuito de banda estrecha con conexión inalámbrica local

2) Sistemas de banda ancha de primera generación con línea de vista (LOS: Line of Sight)

3) Sistemas de banca ancha de segunda generación sin línea de vista (NLOS: Non Line of Sight)

4) Sistemas basados en estándares de banda ancha inalámbrica.

1.1.2 Tecnologías inalámbricas de banda ancha

WiMAX no es la única solución para la prestación de servicios de banda ancha inalámbrica. Existen varias aplicaciones propietarias, en particular para aplicaciones fijas que ya están en el mercado. Además de las soluciones propietarias, hay soluciones basadas en estándares alternativos que coinciden al menos parcialmente con WiMAX, en especial para aplicaciones portátiles y móviles. En el corto plazo, las más significativas de estas alternativas son la tercera generación (3G: Third Generation) de sistemas celulares y los sistemas basados en IEEE 802.11 Wi-Fi.

WiMAX en comparación con 3G y Wi-Fi

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Más importante que la velocidad máxima de datos ofrecida a través de un enlace individual es el rendimiento promedio y la capacidad general del sistema cuando se implementa en un entorno de celdas múltiples. Desde un punto de vista de capacidad, la medida más pertinente del rendimiento del sistema es la eficiencia espectral. WiMAX puede lograr una eficiencia espectral superior a lo que logran en general los sistemas 3G. El hecho de que las especificaciones WiMAX acomodan múltiples antenas desde el principio le da un impulso en la eficiencia espectral. En los sistemas 3G, por otro lado, el apoyo de antena múltiple está siendo añadido en forma de versiones. Además, la capa física OFDM usada por WiMAX es más accesible para implementaciones de múltiple entrada - múltiple salida (MIMO: Multiple Input Multiple Output) que los sistemas CDMA desde la perspectiva de la complejidad requerida para obtener beneficios comparables. OFDM también hace fácil explotar la diversidad de frecuencia y la diversidad multiusuario para mejorar la capacidad. Por lo tanto, si se compara con 3G, WiMAX ofrece mayores velocidades de datos máximas, una mayor flexibilidad, y un mayor rendimiento promedio y la capacidad de sistema.

Otra de las ventajas de WiMAX es su capacidad para apoyar de manera más eficiente más enlaces simétricos y apoyo para ajustes flexibles y dinámicos de relaciones de tasas de transferencia de datos de enlaces de bajada a enlaces de subida. Normalmente los sistemas 3G tiene una relación asimétrica fija de tasa de transferencia de datos entre enlace descendente y ascendente.

La subcapa WiMAX de control de acceso al medio (MAC: Medium Access Control) está construida para apoyar una variedad de mezclas de tráfico incluyendo tasas de bits en tiempo real y no real y tráfico con tasas de bits variables, prioridad de datos, y el ofrecimiento de los datos mediante la técnica de mejor esfuerzo. Tales soluciones en 3G también fueron diseñados para una variedad de niveles de calidad de servicio (QoS: Quality of Service).

Quizás, la ventaja más importante de WiMAX puede ser el potencial de bajo costo, debido a su arquitectura IP ligera. Usando una arquitectura IP simplifica el núcleo de la red – 3G tiene un núcleo de red complejo y separado para voz y datos – y reduce el capital y gastos de operación. IP también permite la fácil integración con los desarrolladores de aplicaciones de terceros y hace más fácil la convergencia con otras redes y aplicaciones.

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En resumen, WiMAX ocupa un terreno algo intermedio entre Wi-Fi y 3G, en comparación de las dimensiones clave de velocidad de datos, la cobertura, calidad de servicio, movilidad y de precio.

1.2 Panorama de la tecnología WiMAX

Después de años de desarrollo e incertidumbre, está emergente una solución interoperable basada en estándares para banda ancha inalámbrica. Un gran consorcio de la industria, el Foro WiMAX ha comenzado a certificar los productos inalámbricos de banda ancha para la interoperabilidad y cumplimiento con un estándar. WiMAX está basado en estándares de redes inalámbricas de área metropolitana (WMAN: Wireless Metropolitan Access Network) desarrollados por el grupo IEEE 802.16 y adoptado tanto por el grupo IEEE como el ETSI HIPERMAN (ver figura 1.2).

Figura 1.2 WiMAX como una red de área metropolitana inalámbrica (WMAN). Recuperado de: http://www.tenouk.com/wifisecurityfeatures.html

1.2.1 Estándar IEEE 802.16

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estuvo basado en una capa física con soporte único (PHY) con una capa multiplexada por división en tiempo (MAC).

El grupo IEEE 802.16 produjo posteriormente el 802.16a, una enmienda al estándar, para incluir aplicaciones NLOS en la banda 2GHz-11GHz, usando una capa física basada en OFDM. También se incluyeron adiciones a la capa MAC, como el apoyo para el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Las versiones posteriores dieron lugar a un nuevo estándar en el 2004, llamado IEEE 802.16-2004, que reemplazó a todas las versiones anteriores y sirvió de base para la primera solución WiMAX. Estas nuevas soluciones basadas en IEEE 802.16-2004 apuntaban a aplicaciones fijas y nos referiremos a estos como WiMAX fijo. En diciembre del 2005, el grupo IEEE completó y aprobó el IFEEE 802.16e-2005, una enmienda para el estándar IEEE 802.16-2004 que agregó apoyo a la movilidad. El estándar IEEE 802.16e-2005 constituye la base para la solución WiMAX para aplicaciones nómadas y móviles y es a menudo conocido como WiMAX móvil.

Las características básicas de los diferentes estándares IEEE 802.16 se resumen en la Tabla 1.1 Nótese que estos estándares ofrecen una variedad de opciones de diseño fundamentalmente diferentes.

Parámetro 802.16 802.16d 802.16e

Espectro 10-66 GHz < 11 GHz < 6 GHZ Funcionamiento Sólo con línea de

vista Sin línea de vista (NLOS) Sin línea de vista (NLOS) Tasa de bit 32-134 Mbit/s con Hasta 75 Mbit/s Hasta 15 Mbit/s Modulación QPSK, 16QAM y

64 QAM QPSK, 64QAM 16QAM, QPSK, 64QAM 16QAM, Movilidad Sistema fijo Sistema fijo Movilidad peatonal Anchos de banda

de canal 20 MHz, 25 MHz y 28 MHz Seleccionables entre 1.25 MHz y 20 MHz

Seleccionables entre 1.25 MHz y 20 MHz

Radio de celda

típico 2-5 km aprox. 5-10 km aprox. (alcance máximo de unos 50 km)

2-5 km aprox.

Tabla 1.1 Características básicas de los diferentes estándares IEEE 802.16

1.2.2 Capa Física

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WiMAX. OFDM es un esquema elegante y eficiente para transmisiones de alta velocidad de datos en un entorno de radio sin línea de vista o múltiple.

Fundamentos de OFDM

OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión llamada modulación multiportadora, la cual está basada en la idea de dividir un flujo con alta velocidad de bits en varios flujos paralelos con más bajas velocidades de bits y modular cada flujo de portadores por separado, a menudo llamados subportadoras. Los esquemas de modulación multiportadora eliminan o minimizan la interferencia intersímbolo (ISI: Inter Symbol Interference) haciendo el tiempo de símbolo lo suficientemente largo de tal manera que el canal inducido se retrase.

OFDM es una versión espectralmente eficiente de modulación multiportadora, donde las subportadoras se seleccionan de manera que todos ellas sean ortogonales entre sí sobre la duración de símbolo. Puede verse que la señal OFDM es equivalente a la transformada discreta inversa de Fourier (IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform) del bloque de la secuencia de datos tomando un número de subportadoras a la vez. Esto hace que sea fácil implementar transmisores y receptores OFDM en tiempo discreto usando la transformada inversa rápida de Fourier (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform) y la transformada rápida de Fourier (FFT: Fast Fourier Transform), respectivamente.

Con el fin de eliminar completamente la ISI, los intervalos de guarda son usados entre los símbolos OFDM. Añadiendo un intervalo de guarda, sin embargo, implica el desperdicio de energía y una disminución en la eficiencia de ancho de banda. Por lo tanto, cuanto mayor sea el periodo de símbolo para una determinada velocidad de datos será menor la pérdida de potencia y eficiencia de ancho de banda.

El tamaño de la FFT en un diseño OFDM debe ser escogido cuidadosamente como un balance entre efecto Doppler, y una relación de costo/complejidad de diseño. Para un ancho de banda dado, seleccionando un gran tamaño de la FFT reduciría la distancia entre la subportadora e incrementaría el tiempo de símbolo. Esto hace más fácil la protección contra la dispersión de retardo múltiple. Un espacio reducido de subportadora, sin embargo, también hace al sistema más vulnerable a interferencia interportadora debido al efecto Doopler en aplicaciones móviles.

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- Subportadora de información: Para la transmisión de información - Subportadora piloto: Para estimación en distintos propósitos

- Subportadora nula: No es para transmisión del todo, para bandas de guarda, subportadoras no activas y la subportadora de DC.

Figura 1.1 Descripción de frecuencia OFDM

Cuatro son los parámetros primordiales que caracterizan el símbolo OFDM:

- BW. Éste es el ancho de banda nominal. - Nusado. Número de subportadoras utilizadas.

- n. Factor de Sampling. Este parámetro, en conjunción con el BW y el Nusado determina el espaciado de subportadora, y tiempo de símbolo usual.

- G. Éste es el radio de la copia del último tiempo Tg de un periodo de símbolo usual.

De ahí, los siguientes parámetros se definen en términos de los anteriores parámetros primordiales:

- NFFT: Número de puntos de la FFT

- Frecuencia Sampling: Fs=floor (n.BW/8000)x8000 - Espaciado de subportadora: Δf=Fs/NFFT

- Tiempo de símbolo usual: Tb=1/ Δf - Tiempo CP: Tg=G.Tb

- Tiempo de símbolo OFDM: Ts=Tb+Tg - Tiempo Sampling: Tb/NFFT

Subcanalización: OFDMA

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1/16) del ancho de banda establecido a ella por la estación base, la cual proporciona mejoras de enlace que pueden ser usadas para mejorar el rango de rendimiento y/o mejorar la duración de la batería de las estaciones de suscriptores.

WiMAX móvil basada en OFDMA-PHY, sin embargo, permite subcanalización en ambos, enlace de subida y enlace de bajada, y aquí, los subcanales forman la unidad mínima de frecuencia de recurso asignada por la estación base. Por lo tanto, diferentes canales pueden ser designados a diferentes usuarios como un mecanismo de múltiple acceso. Este tipo de sistema multiacceso es llamado OFDMA el cual le da a WiMAX móvil su nombre.

Ranura de tiempo y estructura de trama

La capa física WiMAX también es responsable de la asignación de ranuras de tiempo y la trama en el aire. El mínimo recurso tiempo-frecuencia que puede ser asignado por un sistema WiMAX para un determinado enlace es llamado ranura de tiempo. Una serie contigua de ranuras asignadas a un determinado usuario se llama región de datos de usuario; se pueden asignar regiones de datos a diferentes usuarios programando algoritmos, en base a la demanda, requerimientos de calidad de servicio, y condiciones de canal.

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Figura 1.2 Duplexaje por División de Tiempo

Figura 1.3 Duplexaje por División de Frecuencia

Modulación y codificación adaptativa en WiMAX

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En el enlace descendente, la modulación de fase en cuadratura (QPSK: Quadrature Phase Shift Keying), la modulación por amplitud de cuadratura de 16 estados (16 QAM: 16 Quadrature Amplitude Modulation), y la modulación por amplitud de cuadratura de 64 estados (64 QAM: Quadrature Amplitude Modulation) son obligatorias tanto para WiMAX fijo y móvil; la 64 QAM es opcional en el enlace ascendente.

Figura 1.4 Modulación y codificación adaptativa. Recuperado de:

http://redeswimax.jimdo.com/wimax/procesado-de-se%C3%B1al/modulaci%C3%B3n-adaptativa

1.2.3 Subcapa MAC

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servicio de capa superior pueden ser concatenados en una sola MPDU para ahorrar en gastos de cabecera MAC. Por el contrario, MSDUs grandes pueden ser fragmentados en unidades de datos de protocolo (PDU: Protocol Data Unit) más pequeños y enviados a través de tramas múltiples.

Figura 1.5 Subcapa MAC en el modelo OSI

Mecanismos de acceso de canal

En WiMAX, la subcapa MAC en la estación base es totalmente responsable de la asignación de ancho de banda para todos los usuarios, tanto en el enlace ascendente y descendente. La única vez que la estación móvil (MS: Mobile Station) tiene cierto control sobre la asignación de ancho de banda es cuando tiene varias sesiones o conexiones con la estación base (BS: Base Station). En este caso, la BS asigna ancho de banda a la MS en su conjunto, y es hasta la MS donde se distribuye entre las múltiples conexiones. Todos los otros establecimientos en el enlace descendente y ascendente son hechos por la BS. Para el enlace descendente, la BS puede asignar ancho de banda a cada MS, basada en las necesidades del tráfico de entrada, sin involucrar la MS. Para el enlace ascendente, las designaciones tienen que estar basadas en solicitudes de la MS.

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compartido, el cual cada MS sondeado intenta utilizar. WiMAX define un acceso de contención y resolución para el caso cuando más de una MS intente utilizar el turno compartido. Si ya tiene una asignación para el envío de tráfico, la MS no es sondeada.

Calidad de servicio

El apoyo a la calidad de servicio es una parte fundamental del diseño de la subcapa MAC de WiMAX. WiMAX toma prestadas algunas de las ideas básicas detrás de su diseño de calidad de servicio del estándar del cable modem DOCSIS. Antes de que cualquier transmisión de datos ocurra, la BS y la MS establecen un enlace lógico unidireccional, llamado conexión, entre las dos subcapas MAC compañeras. Cada conexión se identifica por un identificador de conexión (CID: Connection Identifier), el cual sirve como una dirección temporal para transmisión de datos sobre un enlace particular.

WiMAX define también un concepto de flujo de servicio. Un flujo de servicio es un flujo unidireccional de paquetes con un determinado conjunto de parámetros de calidad de servicio y se identifica mediante un identificador de flujo de servicio (SFID: Service Flow Identifier). Los parámetros de calidad de servicio podrían incluir prioridad de tráfico, máxima tasa de tráfico sostenida, máxima tasa de ráfaga, mínima tasa tolerable, tipo de programación, tipo de ARQ, retardo máximo, jitter tolerado, tipo y tamaño de la unidad de datos de servicio, mecanismo solicitado de ancho de banda a ser usado, transmisión de reglas de la formación de PDU.

Características de ahorro de energía

Para apoyar los dispositivos portátiles operados por baterías, WiMAX móvil tiene características de ahorra de energía que permiten a las estaciones móviles de abonado operar por duraciones más largas sin recargarse. El ahorro de energía se logra desactivando partes de la MS de una manera controlada cuando no se está transmitiendo ni recibiendo datos activamente. WiMAX móvil define métodos de señalización que permiten a la MS retirarse en modo de reposo o de espera cuando está inactivo. El modo de reposo es un estado en el cual la MS se apaga por sí mismo efectivamente y deja de estar disponible para los periodos predeterminados. Para facilitar el traspaso estando en modo de reposo, a la MS se le permite explorar otras estaciones base para colectar información relacionada con el traspaso.

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enlace descendente. Cuando el tráfico descendente llega en el modo de espera de la MS, la MS es buscada por un conjunto de estaciones base que forman un grupo de localización. La MS está asignado a un grupo de localización por la BS antes de entrar en el modo de espera, y la MS periódicamente se activa para actualizar su grupo de localización. El modo de espera ahora más energía que el modo en suspenso, ya que la MS ni siquiera tiene que registrarse o hacer traspasos. El modo de espera también beneficia a la red y BS eliminando el tráfico de traspaso de MSs inactivas.

Movilidad

Además del acceso de banda ancha fija, WiMAX contempla cuatro escenarios relacionadas con el uso de movilidad:

1. Nómada. El usuario puede tomar una estación de abonado fijo y volver a conectarse desde otro punto de unión.

2. Portable. El acceso nómada se proporciona a un dispositivo portátil, tales como una tarjeta de PC, con la expectativa de un traspaso de mejor esfuerzo.

3. Movilidad simple. El abonado puede moverse a velocidades hasta de 60 kmph con interrupciones breves (menos de un segundo) durante el traspaso.

4. Movilidad total. Hasta una movilidad de 120 kmph y traspaso sin problemas (menos de 50 ms de latencia y <1% de paquetes de pérdida) se soporta.

1.3 Arquitectura

1.3.1 Principios generales de arquitectura

El desarrollo de la arquitectura WiMAX siguió varios principios de diseño, muchos de los cuales son similares a los principios generales de diseño de las redes IP. El grupo de trabajo de red (NWG: Network Working Group) estaba buscando una mayor alineación arquitectural de las redes con las redes de acceso fijo de banda ancha, tales como DSL y de cable, y al mismo tiempo soportar movilidad de alta velocidad. Algunos de los principios importantes de diseños que guiaron el desarrollo de la arquitectura de sistemas de redes WiMAX son los siguientes:

 Descomposición funcional

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 Implementación de modularidad y flexibilidad

La arquitectura de la red debe ser modular y flexible, lo suficiente para evitar una amplia gama de opciones de implementación y despliegues.

 Soporte para una variedad de modelos de uso

La arquitectura apoyará la coexistencia de modelos de uso fijo, nómada, portable y móvil.

 Disociación de servicios de acceso y conectividad

Esto permite la separación de la infraestructura de acceso de los servicios de conectividad IP.

 Soporte para una variedad de modelos de negocio

La arquitectura de red se apoyará el compartimiento de red y una variedad de modelos de negocio.

 Extensivo uso de los protocolos del equipo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF: Internet Engineering Task Force)

Los procedimientos de la capa de red y los protocolos utilizados en los puntos de referencia se basarán en las peticiones de comentarios (RFC: Request for Comments) del IETF apropiados.

 Soporte para el acceso a los servicios de operador dominante

La arquitectura debe proveer el acceso a los servicios del operador dominante a través de funciones de interfuncionamiento, según sea necesario.

1.3.2 Modelo de referencia de red

(28)

16

Figura 1.6 Modelo de referencia de red

(29)

17

CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE PROPAGACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

La propagación electromagnética puede definirse como la transmisión de energía a través de un medio con características específicas. Estas características definen el comportamiento de las señales electromagnéticas mientras fluyen. Las señales electromagnéticas, entonces, tendrán una velocidad particular, una dirección particular y una intensidad que cambiará dependiendo de las condiciones del medio. Estos comportamientos también dependen de la dirección inicial de las ondas, de la frecuencia y de la polarización de estas ondas. Pero para que las ondas electromagnéticas puedan ser de utilidad para los seres humanos y sacar algo de provecho con ellas, es menester estudiar cómo se van a comportar las señales electromagnéticas a través de los medios.

2.1 Mecanismos de propagación

En la práctica, deben tomarse en cuenta los medios de propagación haciendo énfasis en los fenómenos que ocurren entre las fronteras de dichos medios (entre el aire y la tierra, entre las construcciones y el aire, desde la Tierra al espacio, etc.). Estos efectos de frontera dan lugar a cambios en la amplitud, fase y dirección de las ondas que se propagan. Casi todos estos efectos pueden entenderse en términos de combinaciones de mecanismos simples operando en ondas planas.

2.1.1 Atenuación

La intensidad de una señal se va atenuando a medida que avanza a través del medio de transmisión. El nivel de atenuación depende de la frecuencia de la señal, del medio de transmisión así como de la distancia transcurrida.

Atenuación por vegetación

(30)

18

Figura 2.1 Atenuación por vegetación según la recomendación UIT-R P.833

Atenuación por gases y vapores atmosféricos

En trayectos troposféricos las moléculas de O2 y H2O absorben energía electromagnética, produciendo una atenuación que puede ser muy elevada en ciertas frecuencias. Esta atenuación adicional sólo tiene importancia en frecuencias superiores a 10 GHz.

En los trayectos poco inclinados, próximos al suelo la atenuación debida a estos efectos se calcula mediante la expresión:

Donde es la atenuación específica (dB/km) y , la distancia. El parámetro se desglosa en dos:

(31)

19

Figura 2.2 Atenuación debida al O2 y el H2O

En la figura 2.2 se observa que tanto el O2 como el H2O presentan crestas de atenuación elevada que corresponden a las frecuencias de resonancia molecular. Entre estas crestas aparecen ventanas espectrales, dentro de las cuales se utilizan las frecuencias en los radioenlaces del servicio fijo. En ocasiones, cuando se desea una radiocomunicación local, de muy corto alcance, puede ésta efectuarse en las frecuencias de las crestas de atenuación, a fin de evitar que la señal se propague lejos y pueda causar interferencias.

Atenuación por lluvia

(32)

20

Para radioenlaces terrenales, la Recomendación UIT-R P.530, establece el siguiente procedimiento para evaluar la atenuación por la lluvia rebasada durante un porcentaje de tiempo igual al p %. Tal atenuación es:

donde es la atenuación específica (dB/km) para la intensidad de lluvia R(mm/h) y el porcentaje de tiempo p(%) y Lef(km) es la longitud efectiva del trayecto.

La atenuación específica se calcula, según la Recomendación UIT-R P.838, en función de la intensidad de lluvia mediante la ley potencial:

Las constantes k y α dependen de la frecuencia y la polarización. En la tabla 2.1 se facilitan valores para diferentes frecuencias y polarizaciones H y V.

Frecuencia

(GHz) kH kv αH αv

1 0.0000387 0.0000352 0.912 0.880

2 0.000154 0.000138 0.963 0.923

4 0.000650 0.000591 1.121 1.075

6 0.00175 0.00155 1.308 1.265

7 0.00301 0.00265 1.332 1.312

8 0.00454 0.00395 1.327 1.310

10 0.0101 0.00887 1.276 1.264

12 0.01880 0.0168 1.217 1.200

15 0.0367 0.0335 1.154 1.128

20 0.0751 0.0691 1.099 1.065

25 0.124 0.113 1.061 1.030

30 0.187 0.167 1.021 1.000

35 0.263 0.233 0.979 0.963

40 0.350 0.310 0.939 0.929

45 0.442 0.393 0.903 0.897

50 0.536 0.479 0.873 0.868

60 0.707 0.642 0.826 0.824

70 0.851 0.784 0.793 0.793

80 0.975 0.906 0.769 0.769

90 1.06 0.999 0.753 0.754

100 1.12 1.06 0.743 0.744

120 1.18 1.13 0.731 0.732

150 1.31 1.27 0.710 0.711

200 1.45 1.42 0.689 0.690

300 1.36 1.35 0.688 0.689

400 1.32 1.31 0.683 0.689

(33)

21

2.1.2 Reflexión especular

La figura 2.3 muestra una onda plana que incide sobre una superficie frontera entre dos medios con distintas permeabilidades y permitividades. Aquí, ambos medios son considerados sin pérdidas. El vector de campo eléctrico puede estar en cualquier dirección perpendicular al vector de propagación. El vector de propagación está a un ángulo θi con la normal de la superficie en el punto de incidencia.

Si las ecuaciones de Maxwell se resuelven para esta situación, el resultado es que se producen dos nuevas ondas, cada una con la misma frecuencia de la onda incidente. Ambas ondas tienen sus vectores de Poynting en el plano que contiene tanto al vector de propagación incidente como a la normal de la superficie (i.e. la normal al plano del papel en la figura 2.3). Éste es llamado como plano “scattering” o de dispersión. La primera onda se propaga en el medio 1 pero se aleja del límite. Este hace un ángulo θr a la normal y es llamada onda reflejada. La segunda onda viaja con el medio 2, haciendo un ángulo θt a la normal de la superficie. Esta es la onda transmitida, la cual resulta del mecanismo de refracción. En el análisis de reflexión y refracción, es conveniente trabajar en término de rayos; en un medio homogéneo los rayos se dibujan paralelamente al vector de Pointing de la onda en el punto de incidencia. Los rayos siempre son perpendiculares a los frentes de onda.

El ángulo del rayo reflejado está relacionado con el ángulo de incidencia de la siguiente manera:

(34)

22

Figura 2.3. Onda plana incidente sobre una superficie límite

(35)

23

2.1.3 Reflexión difusa

Los procesos de reflexión vistos anteriormente son aplicables únicamente para superficies lisas; esto es llamado como reflexión especular. Cuando la superficie se hace cada vez más rugosa, la onda reflejada se esparce en un gran número de posiciones en la superficie, aumentando la energía dispersa (Figura 2.5). Esto reduce le energía en la dirección especular e incrementa la energía radiada en otras direcciones. El grado de esparcimiento depende del ángulo de incidencia y de la rugosidad de la superficie en comparación de la longitud de onda. La aparente rugosidad de la superficie se reduce en cuanto el ángulo de incidencia se acerca a 90° y en cuanto la longitud de onda se haga más larga.

Si una superficie es considerada lisa, entonces las ondas reflejadas de la superficie deben estar únicamente muy ligeramente desplazada en fase con respecto de la otra. Si hay una diferencia de altura Δh entre dos puntos en la superficie, entonces las ondas reflejadas de estos puntos tendrán una relativa diferencia de fase de:

Un criterio razonable para considerar una superficie lisa es si su desplazamiento de fase es menor que 90°, el cual nos dirige al criterio de Rayleigh,

Esto se ilustra en la figura 2.6. Para trabajos de precisión, se sugiere que las superficies deberían ser consideradas lisas si la rugosidad es menor de un cuarto del valor indicado por el criterio de Rayleigh (i.e. diferencia de fase menos de ). Hay que notar que las superficies de cualquier rugosidad pueden ser consideradas lisas para , siempre que todos los rayos reflejados lleguen con el mismo desplazamiento de fase. Cuando la superficie es rugosa, la reducción en la amplitud de la componente especular se expresa multiplicando el valor correspondiente del coeficiente de reflexión (R) por un factor de rugosidad, el cual depende del ángulo de incidencia y de la desviación estándar de la altura de la superficie . Una fórmula para este factor es:

[ ( ) ]

Esto se grafica en la figura 2.7 El coeficiente de reflexión efectivo es entonces:

(36)

24

Figura 2.5 Efecto de la superficie rugosa en la reflexión

Figura 2.6 Criterio de Rayleigh para superficies rugosas: las superficies por encima de la curva no pueden ser modelados con precisión utilizando únicamente los coeficientes de reflexión de Fresnel

(37)

25

2.1.4 Difracción

En la práctica, las sombras nunca son completamente nítidas, y un poco de energía se propaga en la región de sombra. Este efecto es la difracción, y la manera más fácil de entenderlo es usando el principio de Huygens.

1. Cada elemento de un frente de onda en un punto en el tiempo puede ser considerado como el centro de una perturbación secundaria lo que da lugar a ondas esféricas.

2. La posición del frente de onda en cualquier momento posterior es la envolvente de todas las ondas.

Figura 2.8 Principio de Huygens para una fuente esférica.

La figura 2.8 muestra cómo una serie de fuentes secundarias sobre un frente de onda esférico dan lugar a ondas cuya envolvente es otro frente de onda esférico de mayor radio.

2.1.5 Despolarización

La lluvia, además de atenuar la señal, produce un efecto de despolarización sobre la misma, que se traduce en una degradación de la discriminación por polarización cruzada (XPD: Cross Polarization Discrimination). Ello puede provocar un aumento de la interferencia cocanal, sobre todo en radioenlaces que trabajan con las dos polarizaciones en una misma frecuencia.

(38)

26

donde, por término medio Uo= 15 dB y

Las estadísticas de XPD, para un periodo largo, obtenidas para una frecuencia f1, pueden extrapolarse a otra frecuencia f2, utilizando la fórmula semi-empírica siguiente:

( )

en la gama: 4 f1, f2 30 GHz, donde XPD(f1) y XPD (f2) son los valores de XPD no rebasados durante el mismo porcentaje de tiempo a las frecuencias f1 y f2, respectivamente.

2.2 Modelo de propagación

Un modelo de propagación predice las pérdidas en decibeles de la potencia en un ambiente muy singular. Algunos de los modelos de propagación existentes no se usan prácticamente y sólo se representan como una base teórica para la introducción a modelos más complejos. Los modelos a menudo se basan en modelos probabilísticos. Estos modelos probabilísticos pueden entonces calcular con una probabilidad de que la señal llegue o no llegue. Algunos de estos modelos se basan en mediciones realizadas en el lugar de interés. Se toman miles de mediciones que se promedian y se pueden entonces establecer los modelos de propagación en estos medios. De esta forma, cada modelo sirve para cada entorno. Algunos de estos modelos pueden servir de base para otros modelos, es por eso que no se puede separar las teorías matemáticas de la información estadística que se puede adquirir del medio de interés.

2.2.1 Modelo de propagación de espacio libre

(39)

27

antena receptora la cual está separada de una antena transmisora radiante por una distancia d, está dada por la ecuación de espacio libre de Friis.

Figura 2.9 Desvanecimiento a pequeña y gran escala

donde Pt es la potencia transmitida, Pr(d) es la potencia recibida la cual es una función de la separación Transmisor-Receptor, Gt es la ganancia de la antena transmisora, Gr es la ganancia de la antena receptora, d es la distancia de separación Transmisor-Receptor en metros, L es el factor de pérdida del sistema no relacionado a la propagación y λ es la longitud de onda en metros. La ganancia de la antena está relacionada a su apertura efectiva, Ae, por

La apertura efectiva Ae está relacionada con el tamaño físico de la antena, y λ está relacionada a la frecuencia portadora mediante:

(40)

28

La ecuación de libre espacio de Friis muestra que la potencia recibida decae con respecto del cuadrado de la distancia de separación Transmisor-Receptor. Esto implica que la potencia recibida decae con la distancia a una razón de 20 dB/década.

Un radiador isotrópico es una antena ideal la cual radia potencia con unidad de ganancia uniformemente en todas direcciones, y es regularmente usada para referenciar ganancias de antenas en sistemas inalámbricos. La potencia efectiva isotrópica radiada (EIRP: Equivalent Isotropically Radiated Power) está definida como

y representa la potencia máxima radiada disponible de un transmisor en la dirección de ganancia máxima de antena, en comparación con un radiador isotrópico.

En la práctica, la potencia efectiva radiada (ERP: Effective Radiated Power) es usada en vez de EIRP para denotar la máxima potencia radiada en comparación con una antena dipolo de media longitud de onda (en vez de una antena isotrópica). Desde que una antena dipolo tiene una ganancia de 1.64 (2.15 dB por encima de una isotrópica), la ERP será 2.15 dB menor que la EIRP para el mismo sistema de transmisión. En la práctica, las ganancias de antenas están dadas en unidades de dBi (ganancia en dB con respecto a una fuente isotrópica) o dBd (ganancia en dB con respecto a un dipolo de media onda).

2.2.2 Método de Okumura-Hata

Para aplicaciones de radiocomunicaciones móviles, Okumura obtuvo unas curvas estándar de propagación similares a la Rec. 370, sobre la base de una amplia campaña de medidas efectuadas en Japón. Las curvas normalizadas de Okumura proporcionan valores de la intensidad de campo, para medio urbano, diferentes alturas efectivas de antenas, bandas de 150 MHz, 450 MHz y 900 MHz y una potencia radiada aparente (PARA) de 1 kW. La altura de la antena de recepción es 1.5 m, valor típico en estaciones móviles. En las figuras 2.10 y 2.11 se reproducen las curvas de Okumura para las bandas 450 y 900 MHz, respectivamente.

(41)

29

con las mediciones, por lo que viene siendo utilizado por numerosos usuarios de diferentes países.

Figura 2.10 Curva de propagación de Okumura a 450 MHz

(42)

30

La necesidad de informar el método, condujo a Hata al desarrollo de expresiones numéricas para las curvas normalizadas de propagación de Okumura, incluyendo, además, las correcciones más usuales utilizadas en las radiocomunicaciones móviles.

Hata obtuvo, mediante análisis de regresión múltiple, una serie de expresiones que proporcionan la pérdida básica de propagación, Lb, para medios urbanos, suburbanos y rurales sobre terreno poco ondulado. La fórmula fundamental de Hata, que da Lb para un medio urbano, y que sirve de referencia para las demás, es la siguiente:

Una variante de esta formula proporciona el valor de la intensidad de campo eléctrico (E) en dBu para una PRA de 1 kW:

en ambos casos:

f: Frecuencia, MHz, en la gama 150 f 1,500 MHz.

ht: Altura efectiva de la antena transmisora (m), en la gama 30 ht 200 m.

hr: Altura sobre el suelo de la antena receptora (m), en la gama 1 hr 10 m.

d: Distancia (km)

b = 1 para d 20 km

b = 1 + (0,14 + 0,000187 f + 000107 ht) d>20 km

La formula de Hata está especialmente concebida para aplicaciones a las radiocomunicaciones móviles. De ahí el rango de alturas hr. Proporciona valores medios de la pérdida básica de propagación o de la intensidad de campo en cualquier punto y no tiene en cuenta el entorno del receptor. La fórmula está limita a frecuencias inferiores a 1,500 MHz.

2.2.3 Método COST 231

(43)

31

estructuras urbanas (edificios, calles), en cuyo entorno está situado el móvil. Se trata de métodos aplicables a radiocomunicaciones circunscritas totalmente al medio urbano y, en particular, a las comunicaciones móviles celulares, cuando se desea delimitar con una precisión razonable la cobertura de la estación transmisora que configura la celda. De entre los métodos publicados, hemos seleccionado el más actual, que es el propuesto por el grupo responsable del proyecto europeo COST 231. El método, preparado para enlaces en 900 y 1800 MHz, se basa en los de Ikegami-Ioshida y Walfish-Bertoni, con la adaptación de algunas de sus variables a las características urbanas de las ciudades europeas. El método COST 231 ha sido también propuesto para su inclusión en una Recomendación de la UIT-R sobre datos de propagación necesarios para los servicios móviles.

El método es aplicable en situaciones de propagación para las cuales el rayo directo entre el transmisor y el receptor está obstruido por los edificios.

En las figuras 2.12 y 2.13 se representan en alzado y en planta, respectivamente, la geometría básica del método, indicándose los parámetros que intervienen en la predicción que son:

Figura 2.12 Geometría básica del método COST 231 en alzado

hB: Altura sobre el suelo de la antena de la estación base (fija) (m).

hm: Altura sobre el suelo de la antena móvil (m)

hR: Altura media de los edificios (m) (hR>hm).

w: Ancho de la calle donde se encuentra el móvil (m).

b: Distancia entre edificios (m).

d: Distancia entre la estación base y estación móvil (km).

(44)

32

Figura 2.13 Geometría básica del método COST 231 en planta

φ: Ángulo del rayo con el eje de la calle (°).

ΔhB: Altura de la antena de la estación base sobre la altura media de los edificios circundantes (m).

ΔhR: Altura media de los edificios sobre la altura de antena del móvil (m).

De acuerdo con el método, la pérdida básica de propagación es:

Lbf es la pérdida en condiciones de espacio libre.

Lrts es la pérdida debida a la difracción del techado a la calle, entre el techo de los edificios y el móvil.

Lmsd es una estimación de la difracción debida a obstáculos múltiples que experimenta el rayo entre la antena transmisora y el edificio próximo al receptor, debido a los edificios interpuestos entre ambos.

(45)

33

2.2.4 Método de la recomendación UIT-R P.526

El método anterior es apropiado cuando las pérdidas producidas por cada obstáculo son similares. Si uno de los obstáculos es claramente dominante, se evalúa su influencia con su altura real h1 en el vano total Transmisor-Receptor. El efecto del segundo obstáculo se calcula en el subvano O1O2R con la altura h’2 del subtrayecto O1R (Fig. 2.14). Se incluye también un término de corrección.

Simbólicamente:

Figura 2.14 Representación de diversos obstáculos de acuerdo al método UIT-RP.526

Donde Lc tiene en cuenta la separación entre los dos obstáculos y sus alturas. Su valor es:

[ ]

v1 y v2 se calcularán aplicando la expresión anterior para las alturas y distancias h1; s1, s2 + s3 y h’2, s1 + s2, s3, respectivamente, como si los obstáculos fuesen aislados e independientes; α viene dado por:

(46)

34

2.2.5 Modelo SUI (Stanford University Interim)

El modelo SUI fue originalmente desarrollado para guiar el Servicio de Distribución Multipunto Multicanal (MMDS) en los sistemas de comunicación en Estados Unidos. Las redes con MMDS operan en un rango de frecuencia de 2.5 GHz a 2.7 GHz, lo que hace al SUI un buen candidato para el uso con 802.11 b/g. Tres tipos de ambientes se tomaron en cuenta para el modelo SUI: tipo A, B y C. El tipo A corresponde a una máxima pérdida de trayectoria como el visto en ambientes urbanos o áreas con follaje espeso o colinas. El tipo B es más apropiado para ambientes suburbanos o áreas con terreno plano o follaje ligero. El tipo C corresponde a una mínima pérdida de trayectoria y es apropiado para ambientes abiertos con obstáculos de propagación, ya sean nulos o pocos, tales como las zonas rurales. La ecuación para la pérdida de trayectoria está dada por la ecuación 2.25, donde d es la separación transmisor-receptor en metros, do es una distancia de referencia de 100 metros, y hr es la altura de la antena receptora. El modelo especifica la altura de la antena transmisora como 10m<hb<80 m. El coeficiente es dado por la ecuación 2.26 usando los valores específicos de terreno de A, B, y C de la tabla 2.2 Xf y Xh son factores de corrección de frecuencia y altura de la antena receptora y se calculan de acuerdo a la ecuación 2.28 y ecuación 2.29. La variable s se usa para tener en cuenta el desvanecimiento de sombra que típicamente tiene un valor entre 8.2 dB y 10.6 dB.

Parámetro del

modelo Terreno tipo A Terreno tipo B Terreno tipo C

A 4.6 4.0 3.6

B 0.0075 0.0065 0.005

C 12.6 17.1 20

Tabla 2.2 Parámetros de terreno SUI

( )

(47)

35

( )

( )

La figura 2.15 muestra pérdidas por trayectoria para ambientes urbanos, suburbanos, y rurales con alturas de transmisión de 1 m y 30 m. La antena receptora fue puesta a una altura de 1 m para ambas figuras.

Figura 2.15 Pérdida de trayectoria SUI

(48)

36

2.3 Desvanecimiento

La propagación de las señales radioeléctricas a través de diversos medios está sujeta a la variabilidad de las características físicas de estos medios. Por ello, la pérdida básica de propagación es una variable aleatoria. Supuesto invariable con el tiempo el valor medio de la potencia transmitida, la variabilidad de la pérdida básica implica que la potencia recibida sea también variable. Se denomina, en general, potencia recibida nominal al valor medio de la potencia recibida y suele ser uno de los objetivos de diseño de los sistemas de radiocomunicaciones.

Se conoce con el nombre de desvanecimiento a toda disminución de la potencia recibida de señal con relación a su valor nominal. La diferencia entre este nivel nominal y el nivel recibido en condiciones de desvanecimiento se llama profundidad de desvanecimiento y se expresa en dB. Al intervalo de tiempo promedio entra la disminución y la recuperación del nivel nominal, se le llama duración del desvanecimiento.

En la figura 2.16 se aclara la terminología utilizada. Se observan pequeñas variaciones aleatorias de la señal en torno al valor nominal de potencia P0(dBm). Ocasionalmente, hay un desvanecimiento intenso y, en ese caso, en su entorno el valor medio de la potencia es Pf(dBm), que es inferior a Po. Se llama depresión de Pearson a esta disminución del valor medio junto a los desvanecimientos intensos. En el instante t1 el valor de la potencia es P1(dBm). La profundidad de desvanecimiento F1 es igual a P1-P0 (dB). Para t > t1, el nivel de la señal sigue disminuyendo. El nivel mínimo es P2 y corresponde a la profundidad F2=P2-P0. Seguidamente, el nivel de la señal se recupera y en el instante t2 alcanza nuevamente el valor P1. En consecuencia, la duración del desvanecimiento F1 es:

(49)

37

La expresión cuantitativa del desvanecimiento puede hacerse, alternativamente, en términos de la tensión de envolvente de la señal. Si llamamos r a tal tensión, se tiene:

2.3.1 Clasificación de los desvanecimientos

Existen diversos criterios para la clasificación de los desvanecimientos. En la siguiente tabla se ilustra una posible clasificación de acuerdo a diversos criterios

Característica Tipo de desvanecimiento

Profundidad Profundo (~ 3 dB) Muy profundo (> 20 dB)

Duración Lento Rápido

Característica espectral Plano Selectivo Mecanismo de

producción Factor k Multitrayecto Distribución probabilística Gaussiano Rayleigh/Rice Dependencia temporal Continuo Puntual

Tabla 2.3 Clasificación de los desvanecimientos

Se han dispuesto las distintas clases de desvanecimientos en dos columnas. Dentro de cada columna hay cierta coherencia, esto es, un desvanecimiento muy profundo suele ser selectivo, se produce por interferencia multitrayecto y se modela mediante una distribución Rayleigh.

Un desvanecimiento es plano, cuando la caída de nivel afecta por igual a todas las componentes del espectro de una portadora modulada. En cambio, los desvanecimientos selectivos producen distorsión en el espectro de la señal modulada, al afectar de modo diferente a unas frecuencias y a otras.

Ello provoca, a su vez, una degradación en la señal demodulada. Por este motivo, es necesario dotar a ciertos sistemas de radiocomunicaciones de contramedidas protectoras de los desvanecimientos selectivos.

(50)

38

formación de conductos que desenfocan el haz radioeléctrico. Las variaciones de nivel correspondientes a estos desvanecimientos se modelan mediante distribuciones gaussianas o expresiones empíricas. Los desvanecimientos de potencia pueden controlarse mediante una elección adecuada de las alturas de antenas.

Los desvanecimientos multitrayecto se originan por la aparición de varios caminos de propagación entre el transmisor y el receptor, de forma que se produce una interferencia entre el rayo directo y los rayos que alcanzan la antena receptora con diversos ángulos tras recorrer otros trayectos de propagación (reflexión en el suelo o en capas atmosféricas). La señal resultante es la suma de una componente prácticamente constante (señal directa) y otras componentes de amplitudes variables y fases aleatorias, dando una resultante que puede tener una amplitud variable en función de las amplitudes y fases instantáneas de las componentes.

(51)

39

CAPÍTULO 3. LUGAR DE ESTUDIO Y HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN

En las zonas rurales del mundo entero, una de las razones por las que éstas presentan un gran rezago, en cuanto a comunicación se refiere, es por el hecho de que se encuentran marginadas. Muchas de las veces, esta marginación se debe a que la localización de estas comunidades está realmente accidentada, cuyo acceso es difícil o en el peor de los casos imposible.

Otra de las razones importante que acentúa la ausencia de comunicación en las poblaciones rurales es la baja densidad de población que haría uso de la dotación de servicios de telecomunicaciones y, por tanto, resultaría poco rentable el suministro de dichos servicios con el despliegue de infraestructuras por cable o fibra óptica.

Por otra parte, cabe mencionar que, una herramienta de simulación y planificación de cobertura radioeléctrica permite analizar la propagación radioeléctrica en un entorno geográfico.

Así, una herramienta de simulación configura mediante la elección de la tecnología a evaluar todos los parámetros necesarios para los distintos cálculos con los valores más adecuados con el fin de obtener simulaciones válidas y realistas.

3.1 Lugar de estudio: Municipio de Perote

El Municipio de Perote es uno de los 212 municipios del estado de Veracruz de Ignacio de la Llave, forma parte de la Región Central de Veracruz y es limítrofe con el estado de Puebla, en su territorio se encuentra el volcán Cofre de Perote.

(52)

40

Perote tiene un total de 55 localidades, las principales y su población en 2005 son las siguientes:

Localidad Población

Total Municipio 61.272

Perote 34.658

San Antonio Tenextepec 4.121 San Antonio Limón 3.781

Los Molinos 2.955

La Gloria 2.243

Tabla 3.1 Principales localidades del municipio de Perote

De esta manera, localidades del municipio de Perote, como un ejemplo de zonas rurales con carencias de servicios de comunicación, presentan un cierto grado de rezago debido a que su localización es accidentada y su densidad de población es relativamente baja en comparación con zonas urbanas.

3.1.1 Parque Nacional Cofre de Perote

El Parque Nacional Cofre de Perote, es un área natural protegida ubicada en el Estado de Veracruz, México mediante el decreto oficial del 4 de mayo de 1937. Consta de una superficie de 11 700 ha. El ecosistema es de bosque de pino y oyamel. Su nombre se debe a la montaña Cofre de Perote que incluyendo sus faldas constituye en si toda la extensión del parque.

El Cofre de Perote, cuyo nombre original de origen náhuatl es Nauhcampatépetl o Naupa-Tecutépetl, es un volcán extinto con una altura de 4,282 msnm. Es la octava montañana más alta de México y es un excelente lugar para la práctica del excursionismo.

3.1.2 San Antonio Tenextepec

Localización de San Antonio Tenextepec

San Antonio Tenextepecse localiza en el Municipio Perote del Estado de Veracruz de Ignacio de la Llave México y se encuentra en las coordenadas GPS:

Longitud (dec): -97.263889

(53)

41

La localidad se encuentra a una mediana altura de 2520 metros sobre el nivel del mar.

Población en San Antonio Tenextepec

La población total de San Antonio Tenextepec es de 4121 personas, de cuales 2088 son del sexo masculino y 2033 del sexo femenino.

Edades de los ciudadanos

Los ciudadanos se dividen en 1786 menores de edad y 2335 adultos, de cuales 328 tienen más de 60 años.

Estructura social

Derecho a atención médica por el seguro social, tienen 1051 habitantes de San Antonio Tenextepec.

Estructura económica

En San Antonio Tenextepec hay un total de 834 hogares.

De estas 834 viviendas, 160 tienen piso de tierra y unos 102 consisten de una sola habitación.

777 de todas las viviendas tienen instalaciones sanitarias, 760 están conectadas al servicio publico, 795 tienen acceso a la luz eléctrica.

La estructura económica permite a 13 viviendas tener una computadora, a 192 tener una lavadora y 770 tienen una televisión.

Educación escolar en San Antonio Tenextepec

Aparte de que hay 582 analfabetos de 15 y más años, 61 de los jóvenes entre 6 y 14 años no asisten a la escuela.

De la población a partir de los 15 años 501 no tienen ninguna escolaridad, 1507 tienen una escolaridad incompleta. 325 tienen una escolaridad básica y 252 cuentan con una educación post-básica.

(54)

42

3.1.3 San Antonio Limón

Localización de San Antonio Limón

San Antonio Limón (Totalco) se localiza en el Municipio Perote del Estado de Veracruz de Ignacio de la Llave México y se encuentra en las coordenadas GPS:

Longitud (dec): -97.347500

Latitud (dec): 19.501944

La localidad se encuentra a una mediana altura de 2350 metros sobre el nivel del mar.

Población en San Antonio Limón (Totalco)

La población total de San Antonio Limón (Totalco) es de 3781 personas, de cuales 1851 son del sexo masculino y 1930 del sexo femenino.

Edades de los ciudadanos

Los ciudadanos se dividen en 1725 menores de edad y 2056 adultos, de cuales 255 tienen más de 60 años.

Estructura social

Derecho a atención médica por el seguro social, tienen 336 habitantes de San Antonio Limón (Totalco).

Estructura económica

En San Antonio Limón (Totalco) hay un total de 816 hogares.

De estas 816 viviendas, 46 tienen piso de tierra y unos 111 consisten de una sola habitación.

749 de todas las viviendas tienen instalaciones sanitarias, 699 son conectadas al servicio publico, 771 tienen acceso a la luz eléctrica.

La estructura económica permite a 17 viviendas tener una computadora, a 294 tener una lavadora y 751 tienen una televisión.

Educación escolar en San Antonio Limón (Totalco)

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Figura 1.1 Aplicaciones de banda ancha con la tecnología WiMAX Fijo y Móvil. Recuperado de: http://nomadenet.bligoo.com/content/view/114108/Evolucion-a-WiMax-Movil.html

Figura 1.1

Aplicaciones de banda ancha con la tecnología WiMAX Fijo y Móvil. Recuperado de: http://nomadenet.bligoo.com/content/view/114108/Evolucion-a-WiMax-Movil.html p.14
Figura 1.2 WiMAX como una red de área metropolitana inalámbrica (WMAN). Recuperado de: http://www.tenouk.com/wifisecurityfeatures.html

Figura 1.2

WiMAX como una red de área metropolitana inalámbrica (WMAN). Recuperado de: http://www.tenouk.com/wifisecurityfeatures.html p.17
Figura 1.5 Subcapa MAC en el modelo OSI

Figura 1.5

Subcapa MAC en el modelo OSI p.24
Figura 1.6 Modelo de referencia de red

Figura 1.6

Modelo de referencia de red p.28
Figura 2.1 Atenuación por vegetación según la recomendación UIT-R P.833

Figura 2.1

Atenuación por vegetación según la recomendación UIT-R P.833 p.30
Figura 2.3. Onda plana incidente sobre una superficie límite

Figura 2.3.

Onda plana incidente sobre una superficie límite p.34
Figura 2.14 Representación de diversos obstáculos de acuerdo al método UIT-RP.526

Figura 2.14

Representación de diversos obstáculos de acuerdo al método UIT-RP.526 p.45
Figura 2.15 Pérdida de trayectoria SUI

Figura 2.15

Pérdida de trayectoria SUI p.47
Figura 3.1 Municipio de Perote

Figura 3.1

Municipio de Perote p.51
Figura 3.2 Ejemplo de un estudio de perfil

Figura 3.2

Ejemplo de un estudio de perfil p.57
Figura 3.5 Ejemplo de un informe de alturas efectivas

Figura 3.5

Ejemplo de un informe de alturas efectivas p.58
Figura 3.8 Ventana correspondiente a la leyenda y acciones sobre un estudio

Figura 3.8

Ventana correspondiente a la leyenda y acciones sobre un estudio p.60
Figura 3.7 Ventana correspondiente a la creación de un nuevo estudio

Figura 3.7

Ventana correspondiente a la creación de un nuevo estudio p.60
Figura 4.5 Creación de nuevo estudio

Figura 4.5

Creación de nuevo estudio p.69
Figura 4.6 Nombre y descripción del estudio.

Figura 4.6

Nombre y descripción del estudio. p.70
Figura 4.8 Sectorización del transmisor

Figura 4.8

Sectorización del transmisor p.72
Figura 4.9 Propiedades de la antena

Figura 4.9

Propiedades de la antena p.73
Figura 4.10 Diagrama horizontal de la antena con base en el azimut y atenuación

Figura 4.10

Diagrama horizontal de la antena con base en el azimut y atenuación p.74
Figura 4.11 Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación

Figura 4.11

Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación p.75
Figura 4.12 Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación

Figura 4.12

Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación p.76
Figura 4.13 Configuración de los parámetros de transmisión

Figura 4.13

Configuración de los parámetros de transmisión p.77
Figura 4.14 Configuración de parámetros de recepción.

Figura 4.14

Configuración de parámetros de recepción. p.78
Figura 4.15 Propiedades de la antena receptora

Figura 4.15

Propiedades de la antena receptora p.79
Figura 4.16 Diagrama horizontal de la antena con base en el azimut y atenuación

Figura 4.16

Diagrama horizontal de la antena con base en el azimut y atenuación p.80
Figura 4.17 Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación

Figura 4.17

Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación p.81
Figura 4.18 Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación

Figura 4.18

Diagrama vertical de la antena con base en el azimut y atenuación p.82
Figura 4.19 Propiedades del método de cálculo

Figura 4.19

Propiedades del método de cálculo p.83
Figura 4.20 Configuración del área de cálculo

Figura 4.20

Configuración del área de cálculo p.84
Figura 4.9 Transportador

Figura 4.9

Transportador p.88
Tabla 5.6 Planes que oferta Euskatel en España para su red WiMAX

Tabla 5.6

Planes que oferta Euskatel en España para su red WiMAX p.96