ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
“DISEÑO DEL ENLACE PARA REDES BASADAS EN EL
ESTÁNDAR IEEE 802.16”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN:
Avilez Rosas Dennys
Hernández López Oscar Alfonso
Ortega Solís César Leonardo
Asesores:
Ing. Nancy Mondragón Medina
M. en C. José Ernesto Rojas Lima
AGRADECIMIENTOS
A MI FAMILIA
Gracias por el tiempo y el apoyo que me han brindado, sin ustedes no habría logrado nada de esto, los quiero mucho a todos. A mi mamá porque sin sus regaños y presiones no sería la persona que soy ahora, a mi papá que me ha enseñado a salir adelante a pesar de todo. A mis hermanos por todos los buenos momentos que hemos pasado juntos.
A MIS ABUELOS
Por el tiempo que han pasado junto a mí, por su cariño y el ejemplo de superación que me han ensañado
A MIS AMIGOS
Por los momentos felices que hemos pasado, travesuras, tristezas, alegrías y demás
A Oscar porque sin su apoyo, tolerancia y comprensión esto no habría sido posible, gracias por aguantarme.
A Cesar gracias por ayudarme a que esto saliera de la mejor manera, no solo eres mi compañero de tesis, también eres un gran amigo
A MIS MAESTROS
Por sus regaños y presiones ya que sin ellos esto no hubiera sido posible. Gracias por todo
iii OBJETIVOS
• Proporcionar un panorama general de los sistemas inalámbricos de banda ancha que actualmente operan en diferentes partes del mundo.
• Analizar el estándar IEEE 802.16, en lo referente a las capas de protocolos tomando como referencia el modelo OSI, para definir las funciones de la capa física (PHY) y de la capa de enlace de datos (MAC y LLC), sobre las cuales se soporta el funcionamiento de este tipo de red.
• Conocer las entidades e interfaces que componen el modelo de referencia de la arquitectura de una red basada en el estándar IEEE 802.16.
• Analizar el comportamiento del canal de radio y los modelos de propagación utilizados para estimar las pérdidas de potencia, en el receptor, de la onda electromagnética propagada en terrenos con distintas densidades de obstáculos y características topográficas.
CONTENIDO
Agradecimientos ………..ii
Objetivos ………..iii
Contenido ………...…iv
Introducción ………..…viii
CAPÍTULO 1 REDES DE BANDA ANCHA 1.1 Introducción a los sistemas de banda ancha ………...………….…..2
1.2 Tercera generación de telefonía móvil (3G) ……….…...3
1.2.1 Sistema WCDMA ……….…...….6
1.2.2 Sistema CDMA 2000 ………..…..…8
1.2.2.1 CDMA2000 1xRTT ……….………8
1.2.2.2 CDMA2000 1xEV-DO ………9
1.2.2.3 CDMA2000 1xEV-DV ………..……10
1.2.3 Paquete de acceso de alta velocidad (HSPA, High Speed Packet Access) ……….……..10
1.3 Estándar IEEE 802.16 (WiMax) ………..………....11
1.3.1 Opciones del espectro para la implementación del estándar IEEE 802.16 ……….………...……….12
1.3.1.1 Bandas exentas de licencia ……….…..13
1.3.1.2 Bandas con licencia ……….….…..14
1.3.2 Multiplexaje por división de frecuencia ortogonal, OFDM ………15
1.3.3 WiMax Forum ………..16
1.3.4 Grupos de trabajo ………...………....18
1.3.5 Desarrollo de IEEE 802.16 ………...……….19
1.3.5.1 Estándar IEEE 802.16a ………..…………20
1.3.5.2 Estándar IEEE 802.16 – 2004 ………...…21
1.3.5.3 Estándar IEEE 802.16e – 2005 ……….……21
v 1.5 Sistema de distribución local multipunto (LMDS, Local Multipoint Distribution
Service) ……….……….26
1.6 Sistema de distribución multipunto de microondas (MMDS, Microwave Multipoint Distribution System) ………...………28
CAPÍTULO 2 ASPECTOS TÉCNICOS DE LAS REDES BASADAS EN IEEE 802.16 2.1 Capas de protocolos ………..………33
2.2 Capa física (PHY) ………..34
2.2.1 Especificaciones de las interfaces de radio en IEEE 802.16 ……..…34
2.2.1.1 WMAN-SC ………..………..35
2.2.1.2 WMAN-SCa ………..36
2.2.1.3 WMAN-OFDM ………..……36
2.2.1.4 WMAN-OFDMA ………37
2.2.2 Modulación y codificación adaptable ………..…….37
2.2.3 Sistemas de antenas adaptables ………...38
2.3 Capa de control de acceso al medio (MAC, Medium Acces Control) ………...40
2.3.1 Subcapa de convergencia de servicio específico (CS) ………....43
2.3.2 Subcapa de parte común ……….…….44
2.3.3. Subcapa de seguridad ………..……46
2.4 Arquitectura de la red de banda ancha basada en el estándar IEEE 802.16………46
2.4.1 Modelo de referencia de la arquitectura de red ………...…..47
2.4.1.1 Estación móvil (MS) ………....48
2.4.1.2 Servicio de acceso a la red (ASN) ………...…….49
2.4.1.3 Estación base (BS, Base Station) ………...…..50
2.4.1.4 Red del servicio de conectividad (CSN, Connectivity Service Network) ………..…...53
2.4.1.5 Puntos de referencia (R1, R2, R3, R4, R5, R6 y R7) …..…..54
CAPÍTULO 3 EL CANAL DE RADIO
3.1 Canal de banda ancha inalámbrico ……….……58
3.1.1 Pérdidas por trayectoria (pathloss) ………..59
3.1.2 Desvanecimientos por oscurecimientos (shadowing) ………...…60
3.2 Desvanecimientos por trayectorias múltiples……….…....62
3.2.1 Ancho de banda de coherencia ………..……..63
3.2.2 Efecto Doppler ……….……65
3.2.3 Dispersión Doppler y tiempo de coherencia ……….……..66
3.3 Modelos de propagación en IEEE 802.16 ………..………...68
3.3.1 Modelo Okumura–Hata ……….……….68
3.3.2 Modelo SUI ……….…….70
3.3.3 Modelo COST-231 Hata ………73
CAPÍTULO 4 DISEÑO DEL ENLACE (LINK BUDGET) 4.1 Dimensionamiento ……….………76
4.2 Cobertura ……….76
4.2.1 Diseño del enlace (Link budget) ……….……..77
4.2.1.1 Enlace de subida ………...…..81
4.2.1.2 Enlace de bajada ……….…………83
4.3 Evaluación del modelo SUI ………..84
4.3.1 Impacto de la frecuencia ………..….86
4.3.2 Impacto de la altura de la antena de la estación base ……….87
4.3.3 Impacto de la altura de la antena de la estación móvil ……….88
4.3.4 Impacto del tipo de terreno ………..….89
4.4 Casos para cobertura ………...………….90
4.4.1 Caso 1 ……….……….91
4.4.2 Caso 2 ………..93
vii CONCLUSIONES ……….……98
Siglas y acrónimos ……….…102
INTRODUCCIÓN
Actualmente la necesidad de contar con una conexión de banda ancha para acceder a Internet, tanto de manera cableada a través de redes fijas así como de manera inalámbrica e incluso de manera móvil, se ha incrementado debido a que cada vez son más los servicios que se integran a esta red como las transferencias bancarias, los tramites gubernamentales, la difusión de las investigaciones académicas, los servicios de voz sobre IP, la consulta de resultados, el video bajo demanda, las inscripciones académicas y las videoconferencias que han hecho de Internet una herramienta de uso cotidiano, incrementado la demanda de conexiones de banda ancha, es decir, conexiones que permiten tasas de transferencia de datos superiores a 200 Kbps por lo menos en un solo sentido. Algunos de los servicios integrados en esta red requieren una gran transferencia de datos y un ancho de banda simétrico por lo que la demanda de estas conexiones no se limita solamente a la cantidad de conexiones sino a tecnologías que proporcionen tasas de datos superiores, una mejor calidad de servicio y una mayor cobertura que permitan acceder desde cualquier punto de manera inalámbrica a la gran cantidad de servicios que actualmente se ofrecen a través de Internet.
Las redes de banda ancha basadas en el estándar IEEE 802.16 responden esta creciente demanda proporcionando una red inalámbrica a través de la banda de microondas con la singularidad de no tener que contar con línea de vista entre el equipo receptor y el transmisor, proporcionando un radio de cobertura de área metropolitana.
Este trabajo está estructurado de la siguiente forma:
en un intervalo de frecuencia de 10 a 66 GHz con línea de vista entre el equipo emisor y receptor, hasta su versión mas reciente denominada IEEE 802.16e-2005 que permite la movilidad de los equipos receptores y la transferencia del servicio (handover) a estaciones móviles, a través de una arquitectura celular permitiendo un ambiente móvil a través de múltiples estaciones base.
xi estaciones móviles o remotas, definidas como los dispositivos electrónicos utilizados por el usuario para acceder a la red, la red de acceso al servicio compuesta a su vez por una o varias estaciones base que proporcionan el radio de cobertura y finalmente la red del servicio de conectividad responsable de proporcionar conectividad y funciones IP.
de la señal en el equipo receptor y en un punto especifico, es decir a una distancia conocida, se hace uso de modelos de propagación ya sean empíricos o analíticos para determinar dicho valor. En este capítulo se presentan tres modelos de propagación analíticos, el modelo Okumura-Hata, el modelo SUI y el modelo COST-231 Hata para determinar las pérdidas de potencia en el equipo receptor de la señal transmitida en diferentes escenarios denominados “terrenos”, con distinta densidad de obstáculos y características topográficas
1 CAPÍTULO 1 REDES DE BANDA ANCHA
Debido a la creciente demanda de servicios inalámbricos de banda ancha, ha sido necesaria la evolución y creación de nuevos estándares que proporcionen mayores tasas de datos, nuevos servicios, mayor cobertura y calidad de servicio. En la actualidad existe una amplia variedad de tecnologías a nivel mundial que pretenden satisfacer éstas necesidades, es por ello que en éste capítulo se presenta un panorama general de algunas de éstas opciones de banda ancha como la tercera generación de telefonía móvil, conocida como 3G, la tecnología WiBro, implementada actualmente en Corea del Sur, el sistema de distribución local multipunto y el sistema de distribución multipunto de microondas.
1.1 Introducción a los sistemas de banda ancha.
Una red de banda ancha se refiere a la velocidad de conexión al servicio de Internet a velocidades mayores de 200 Kbps por lo menos en una dirección, ya sea de bajada o de subida1.
Los avances tecnológicos y la gran competencia entre las empresas que proporcionan servicios y dispositivos en el área de las telecomunicaciones, han impulsado la evolución de los sistemas de banda ancha, así como las exigencias de los usuarios ya que algunas aplicaciones requieren de mayor ancho de banda, sobre todo si se trata de audio y video de manera simultanea como la reproducción de video a través de la red y las videoconferencias.
Debido a que la disponibilidad de ancho de banda es casi nula, se han desarrollado tecnologías que permiten la compresión de los datos que se desean enviar, para que de esta forma se puedan utilizar las mismas conexiones conmutadas con las que se cuenta pero con un mejor desempeño.
Debido a estas necesidades y carencias se han creado sistemas de redes de banda ancha para poder brindar mejores servicios como rapidez, fiabilidad y la posibilidad de trabajar audio, video y datos de manera simultánea.
Algunos de estos sistemas de banda ancha son:
• Tercera generación de telefonía móvil (3G)
• Las redes basadas en el estándar IEEE 802.16 (WiMax)
• WiBro
• Sistema de Distribución Local Multipunto (LMDS, Local Multipoint Distribution Service)
3
• Sistema de Distribución Multipunto de Microondas (MMDS, Microwave Multipoint Distribution System)
1.2 Tercera generación de telefonía móvil (3G).
Se esperaba que la tecnología 3G lograra conseguir un sistema global de comunicaciones común, pero esto es muy complicado debido a los diferentes intereses económicos, políticos y regulatorios entre los países de Europa, Norteamérica y Asia.
Los principales objetivos de 3G son: una mejor calidad de servicio, fiabilidad y con una mayor velocidad de transmisión de datos y un ancho de banda superior. Tiene una tasa de transferencia de datos de hasta 384 Kbps para usuarios con movilidad limitada, es decir a la velocidad que se puede desplazar un peatón, obteniendo una transferencia de datos siete veces más rápida que una conexión telefónica estándar.
La tecnología 3G fue impulsada por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT, International Telecommunication Union) en 1985 cuando anunció una iniciativa para la creación de un nuevo sistema de comunicaciones denominado Sistema de Telecomunicaciones Móviles Terrestres del Futuro (FPLMTS, Future Public Land Mobile Telecommunications
System). Esta iniciativa se concretó en el año de 1996 con la creación de IMT-2000 (Telecomunicaciones Móviles Internacionales, International Mobile
Telecommunications) a la que se le asignó la frecuencia de 2 GHz.
El objetivo de IMT 2000 es definir un marco donde puedan coexistir diferentes tecnologías de 3G, asegurando la interoperatividad de los servicios que ofrecen como: roaming2, portabilidad y multimedia. Su finalidad es la creación de un sistema universal de comunicaciones que englobe todo tipos de redes;
alámbricas, inalámbricas, satelitales y terrestres. La tercera generación de telefonía móvil proporciona servicios como la transmisión de voz (llamada telefónica) y datos ó únicamente datos (descarga de programas, correo electrónico y mensajería instantánea).
En un principio la instalación de este tipo de redes fue muy lenta debido a la necesidad de los operadores por adquirir una licencia adicional para su espectro de frecuencia ya que no es el mismo que en 2G (Segunda Generación), siendo Japón el pionero en la implementación de una red comercial 3G.
Esta tecnología está basada principalmente en el Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (WCDMA, Wideband Code División Múltiple
Access), de la cual se derivan tres modos opcionales:
• Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS, Universal Mobile Telecommunications System). Es un estándar europeo que se derivó de la evolución de la arquitectura GSM MAP (Parte Móvil de la Aplicación del Sistema Global para las Comunicaciones Móviles, Global
5
• CDMA 2000. Es la evolución del estándar americano CDMAOne que a finales del año 2000 se convirtió en la primera tecnología 3G en el mercado, las primeras empresas en comercializarla fueron: SK Telecom, LG Telecom y KT Frectel, su velocidad de transmisión alcanza los 300 Kbps. Los estándares CDMA 2000, CDMA 2000 1x, CDMA 2000 1xEV-DO y CDMA 2000 1xEV-DV son interfaces aprobadas por el estándar IMT2000 de la UIT. Acceso Múltiple por División de Código (CDMA, Code
Division Multiple Access) es una marca registrada por la Asociación de Industrias de Telecomunicaciones/Asociación de Industrias de Electrónica (TIA/EIA, Telecommunications Industry Associatio/Electronics Industry
Association) en Estados Unidos, sin embargo, cabe señalar que CDMA 2000 es un competidor incompatible con estándares 3G como WCDMA (UMTS).
3G define tres modalidades de transmisión las cuales dependen del ambiente:
• Usuarios con movilidad alta (velocidades vehiculares), 144 Kbps.
• Usuarios con movilidad limitada (peatones), 384 Kbps
• Usuarios sin movilidad, 2 Mbps
1.2.1 Sistema WCDMA
WCDMA es un esquema de acceso de radio utilizado por los sistemas celulares de 3G, la cual es una interfaz de radio flexible y versátil capaz de configurarse para poder satisfacer las necesidades de un gran número de servicios. Tal como se muestra en la figura 1.1 donde podemos observar como se aprovecha el ancho de banda de manera eficiente.
Figura 1.1 Esquema de Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha
7 jerárquica; cuando una terminal conocida como equipo de usuario (UE, User
Equipment) dentro de la terminología de 3GPP, se comunica con uno o varios nodos B, es decir un nodo lógico encargado dentro de la capa física de la corrección de errores, codificación, modulación y propagación, así como la conversión de banda base a la señal transmitida desde la antena. Un nodo B manipula la transmisión y recepción en una o varias celdas.
Existen 3 sectores comunes, donde cada nodo B manipula la transmisión de 3 celdas, aunque un arreglo de celdas le pertenezca a otro nodo.
El Controlador de Red de Radio (RNC, Radio Network Controller) es el encargado de controlar varios nodos Bs, el número de nodos Bs conectados a un RNC depende de su implementación y despliegue, pero es posible encontrar RNCs con más de 100 nodos Bs conectados. El RNC esta a cargo de la llamada, la manipulación de la calidad del servicio y la administración de los recursos de la célula de la que es responsable. RNC se conecta a Internet y a la red tradicional de telefonía por cable a través de la red básica.
En WCDMA existen dos modos de funcionamiento:
• Duplexaje por División de Tiempo (TDD, Time División Duplexing). En este método de duplexaje los enlaces de subida y bajada utilizan la misma frecuencia de portadora utilizando intervalos de tiempo sincronizados.
1.2.2 Sistema CDMA 2000
El Acceso Múltiple por División de Código (CDMA2000, Code Division Multiple
Access) es una tecnología inalámbrica de 3G basada en la plataforma CDMA, que consiste en un esquema de acceso múltiple de redes digitales para enviar voz, datos y señalización3 entre celulares y estaciones base, CDMA2000 evolucionó como un estándar celular bajo el nombre de IS-954, para después formar parte de la familia de tecnologías IMT-2000, al integrarse a esta familia adquirió el nombre como se le conoce actualmente, CDMA2000, además de que el trabajo de definir sus especificaciones se movió de la TIA al 3GPP2.
Su evolución ha sido muy similar a WCDMA/HSPA (Paquete de Acceso de Alta Velocidad, High Speed Packet Access), ya que los mismos cambios que se han tenido para voz y datos de circuitos conmutados y ancho de banda se pueden ver en WCDMA/HSPA.
CDMA 2000 es incompatible con los antiguos estándares de CDMA (como CDMAOne), además de que es un competidor incompatible con otros estándares 3G como WCDMA.
1.2.2.1 CDMA2000 1xRTT
La designación Tecnología de Transmisión de Radio tiempo 1 (1xRTT, 1 times Radio Transmission Technology) es usada para identificar la versión de la tecnología CDMA2000 que opera en un par de canales de 1.25 MHz (1.25 MHz una vez, opuesto a 1.25 MHz tres veces en 3xRTT). 1xRTT casi duplica la capacidad de voz sobre las redes IS-95. Aunque capaz de soportar altas velocidades de datos, esta limitada a una velocidad pico de 144 kbps. Es calificado oficialmente como una tecnología 3G, 1xRTT es considerado por algunos como una tecnología 2.5G. Esto ha permitido que sea implementado
9 en el espectro 2G en algunos países limitando los sistemas 3G a ciertas bandas.
Las principales diferencias entre la señalización IS-95 e IS-2000 son: el uso de una señal piloto sobre el enlace de retorno del IS-2000 que permite el uso de una modulación coherente5, y 64 canales más de tráfico sobre el canal de subida de manera ortogonal. Algunos cambios también han sido hechos a la capa de enlace de datos para permitir el mejor uso de los servicios de datos IS-2000 como protocolos de control de accesos a enlaces y control QoS (Calidad de Servicio, Quality of Service). En IS-95, ninguna de estas características han estado presentes, y la capa de enlace de datos básicamente consistía en un mejor esfuerzo para brindar el servicio.
1.2.2.2 CDMA2000 1xEV-DO
Es la evolución directa del estándar de tecnología inalámbrica CDMA2000 de tercera generación (3G), ofrece conectividad inalámbrica de alta velocidad parecida a la banda ancha por cable. CDMA2000 1xEV-DO (1x Evolution Data
Optimizal) evolucionó y optimizó la convergencia de datos para las tecnologías inalámbricas con los dispositivos móviles, provocando el surgimiento de una nueva generación de dispositivos inalámbricos multifunción, permitiendo enviar y recibir mensajes de correo electrónico con datos adjuntos de gran tamaño, jugar en tiempo real, enviar, recibir imágenes y videos de alta resolución, descargar música y videos y conectarse con los equipos de su oficina de forma inalámbrica.
En su última revisión CDMA2000 1xEV-DO (Rev. A), soporta una velocidad de bajada de datos de hasta 3.1 Mbps y una velocidad de subida de datos de hasta 1.8 Mbps en un canal de radio dedicado a transportar paquetes de datos de alta velocidad. Rev. A se desarrolló en Japón y continúa
desarrollándose en América del Norte en el 2006. La Rev.0 es actualmente desarrollada en América del Norte y presenta una velocidad de bajada de datos de 2.5 Mbps y una velocidad de carga de datos de 154 Kbps.
Algunas empresas como Verizon Wireless, Sprint Nextel Corporation, Bell Canadá, y TELUS han implementado 1xEV-DO en América del Norte, y Alaska Communications Systems (ACS) está implementando 1xEV-DO en los centros principales de población en Alaska. En México, la compañía Iusacel tiene implementado 1xEV-DO bajo el nombre de Iusacell BAM. En Venezuela, la compañía estatal Movilnet, ofrece desde el año 2006 la tecnología EV-DO. En Ecuador lo hace TELECSA S.A. con su marca comercial Alegro PCS, el operador japonés KDDI usa la marca CDMA 1X WIN para su red CDMA2000 1xEV-DO.
1.2.2.3 CDMA2000 1xEV-DV
CDMA2000 1xEV-DV (1x Evolution-Data/Voice), soporta una velocidad de datos en el enlace de descarga de hasta 3.1 Mbps y una velocidad de datos en el enlace de carga de hasta 1.8 Mbps. 1xEV-DV también puede soportar una operación concurrente con los usuarios de voz 1x, usuarios de datos 1x y usuarios de datos de alta velocidad 1xEV-DV en el mismo canal de radio.
En el 2005, Qualcomm detuvo el desarrollo de EV-DV hasta nuevo aviso, debido a la falta de interés por parte de las operadoras, sobre todo porque Verizon y Sprint están utilizando EV-DO.
1.2.3 Paquete de Acceso de alta Velocidad (HSPA, High Speed Packet
Access)
11 de esta tecnología fue de 128 Kbps, a EDGE (Tasa de Datos Mejoradas para la evolución de GSM, Enhaced Data Rates for GSM Evolution), donde una versión mejorada ofrece una tasa de datos de aproximadamente 20 Kbps, ya con la entrada de las redes 3G las velocidades de transmisión de datos aumentaron a 384 Kbps.
Existen algunas mejoras a HSPA, que son:
• Paquete de Acceso de Alta Velocidad de Bajada (HSDPA, High Speed Downlink Packet Access).- Es capaz de recibir archivos de gran tamaño en un dispositivo móvil. Ha logrado tener velocidades por arriba de los 14.4 Mbps, aunque la mayoría de los operadores de redes ofrecen velocidades de 3.6 Mbps. Este tipo de redes ha existido desde hace aproximadamente 2 años, ofrece servicios de banda ancha para dispositivos móviles en todo el mundo.
• Paquete de Acceso de Alta Velocidad de Subida (HSUPA, High Speed Uplink Packet Access).- Esta red surgió por la necesidad de aumentar la velocidad de un dispositivo móvil. Las velocidades con las que contaba HSDPA eran de 384 Kbps pero con esta mejora se lograron velocidades máximas de 5.7 Mbps. Actualmente solo está disponible en algunos países.
• HSPA Evolucionado.- también conocido como HSPA+, esta más enfocado a la prestación de servicios de datos permitiendo velocidades de hasta 42 Mbps de bajada y 11 Mbps de subida. Se espera que esta mejora este disponible a finales del 2008 o principios del 2009.
1.3 Estándar IEEE 802.16 (WiMax)
basa su funcionamiento en el estándar IEEE 802.16, el cual se concreto en octubre del 2001 tras su gestación en el año de 1998 con el fin de desarrollar una interfaz de radio de banda ancha inalámbrica. Los lineamientos de este estándar están dirigidos a la prestación de gran ancho de banda de manera inalámbrica para voz y datos para el ámbito residencial como empresarial. El estándar IEEE 802.16 retoma las prestaciones y comodidades que proporcionan las redes inalámbricas como la movilidad y la posibilidad de estar conectado a la red sin la necesidad de un cable de por medio, sin embargo, también trae consigo todas las exigencias que una red inalámbrica debe satisfacer, como la transferencia de llamada o servicio (handoff6), la seguridad y las pérdidas de información generadas por el propio medio de transmisión como los desvanecimientos por las trayectorias múltiples.
El estándar IEEE 802.16 ha sufrido una serie de modificaciones desde su creación con el objetivo agregar nuevos servicios, mayor cobertura y un rendimiento superior. Para futuras referencias al hablar de WiMax se hace alusión al estándar IEEE 802.16 y sus respectivas evoluciones.
1.3.1 Opciones del espectro para la implementación del estándar IEEE 802.16
La disponibilidad de espectro de frecuencias es clave para proporcionar servicios inalámbricos de banda ancha. Existe una gama de bandas de frecuencia pueden utilizarse para el despliegue de la red WiMax ya que puede operar tanto en las bandas de frecuencia como en las que se requiere contar una licencia para el uso de esa parte del espectro radioeléctrico (diferentes en cada país), así como en las cuales no es necesario contar con ningún tipo de licencia, en las denominadas bandas libres (2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz y 5.7 GHz típicamente, auque varían de país en país). El grupo de trabajo inicial del estándar IEEE 802.16 contemplaba la gama de 10 a 66 GHz con línea de vista (LOS, Line Of Sight) sin embargo, en la medida en que el estándar ha
13 evolucionado, se contempla la gama de frecuencia de 2 a 11 GHz sin línea vista (NLOS, Non Line Of Sight) según el estándar IEEE 802.16a. El rendimiento de las capacidades de WiMax dependerá del ancho de banda del canal utilizado. WiMax define una opción de ancho de banda de canal de 1.25 MHz a 20 MHz, lo que permite un despliegue flexible.
1.3.1.1 Bandas exentas de licencia
Representan una porción dentro de todo el espectro radioeléctrico en donde no se requiere ningún tipo de concesión para hacer uso de estas frecuencias, lo que resulta ideal para evitar costos por el uso del espectro y facilita que un operador pueda ofrecer servicios en estas bandas. Sin embargo, existen cuatro desventajas principales en estas bandas exentas de licencia: las interferencias, la competencia, la potencia limitada y su disponibilidad.
• Interferencia: son provocadas principalmente debido a que estas bandas pueden ser utilizadas por diferentes sistemas de radio frecuencia (RF) como WiFi (IEEE 802.11) y Bluetooth (IEEE 802.15), incluso entre distintos operadores del estándar IEEE 802.16.
• Competencia: los operadores que utilizan bandas de frecuencia de carácter “libre” deben tomar en cuenta que cualquier otro operador con la suficiente infraestructura podría ingresar al mercado.
• Potencia Limitada: la potencia para la operación en esta parte del espectro se ve limitada a las disposiciones legales dictadas por los órganos reguladores en materia de comunicaciones de cada país.
1.3.1.2 Bandas con licencia
Las bandas con licencia son la parte del espectro radioeléctrico en donde es necesario presidir de una autorización legal. Las entidades gubernamentales de cada país cuentan con la facultad de asignar estas licencias dependiendo del uso específico de cada banda. El aspecto mas importante a considerar en este tipo de bandas es el alto costo que representa contar con esta licencia, principalmente las que son para uso comercial. Este costo se ve redituado en el uso exclusivo de estas frecuencias lo reduce considerablemente las interferencias externas y la competencia con otros prestadores de servicios similares que solo pueden competir si cuentan, de igual manera, con autorización legal del espectro radioeléctrico.
En México, la Ley Federal de Telecomunicaciones, en el CAPÍTULO II del espectro radioeléctrico clasifica al Espectro Radioeléctrico de la siguiente manera:
• Espectro de uso libre. Son aquellas bandas de frecuencias que pueden ser utilizadas por el público en general sin necesidad de concesión, permiso o registro.
• Espectro para usos determinados. Son aquellas bandas de frecuencias otorgadas mediante concesión y que pueden ser utilizadas para los servicios que autorice la Secretaría en el título correspondiente.
• Espectro para uso oficial. Son aquellas bandas de frecuencias destinadas para el uso exclusivo de la administración pública federal, gobiernos estatales y municipales, otorgadas mediante asignación directa.
15 extranjero, para fines científicos o para pruebas temporales de equipo.
• Espectro reservado. Son aquellas bandas de frecuencias no asignadas ni concesionadas por la Secretaría.
Así mismo se establece que se requiere concesión para usar, aprovechar o explotar una banda de frecuencias en el territorio nacional, salvo el espectro de uso libre y el de uso oficial.
Las bandas de uso oficial son asignadas directamente por la Secretaría a las entidades gubernamentales que así lo soliciten, sujeto a la disponibilidad y viabilidad de la banda de frecuencias en cuestión.
Por otro lado, para bandas de usos determinados (uso comercial) se establece que las concesiones respectivas se otorgarán mediante licitación pública.
1.3.2 Multiplexaje por División de Frecuencia Ortogonal, OFDM
La capa física del estándar IEEE 802.16 (PHY) basa su funcionamiento en el Multiplexaje por División de Frecuencia Ortogonal, OFDM, que permite a WiMax operar en condiciones NLOS.
Figura 1.2 Subportadoras en OFDM
Esta técnica de modulación es reconocida ampliamente para reducir el efecto de trayectoria múltiple en sistemas inalámbricos de banda ancha. OFDM es utilizada por la IEEE 802.11a y 802.11g para la gestión de frecuencias. OFDM se basa en el proceso matemático de la Transformada Rápida de Fourier (FFT,
Fast Fourier Transform).
La ventaja de OFDM es su alta resistencia a las interferencias provocadas por las ondas reflejadas en los objetos del entorno (por multitrayectorias), las cuales llegan con distinta amplitud y en diferentes instantes de tiempo que la señal principal, produciendo interferencia.
OFDM utiliza el espectro de manera altamente eficaz al colocar sus portadoras de manera contigua una de otra, esto se puede lograr gracias a que las portadoras son ortogonales7, es decir independientes, evitando la interferencia entre ellas. La velocidad de transmisión de OFDM depende del tipo de modulación utilizada.
1.3.3 WiMax Forum
Con el fin de garantizar la interoperabilidad entre dispositivos con esta tecnología de red de banda ancha inalámbrica, surge el Foro WiMax integrado actualmente por 522 empresas dedicadas a la investigación, desarrolló y
17 fabricación de dispositivos y soluciones en el área de las Telecomunicaciones. El Foro WiMax o WiMax Forum® es un consorcio sin fines de lucro para promover y certificar la compatibilidad e interoperabilidad de productos inalámbricos de banda ancha basada en la homogenización de estándares IEEE 802.16/ETSI HiperMAN.
Uno de los objetivos del WiMax Forum es acelerar la introducción de estos sistemas en el mercado. Los productos que cuentan con la Certificación del Foro WiMax, (WiMax Forum Certified) son productos totalmente interoperables y soportan las redes de banda ancha fija así como servicios móviles y portátiles.
Acer IBM Corporation
Redline Communications
Signals
ArrayComm ASUSTek Computer INC.
Intracom PaXiom Networks Research in Motion Limited
AT4 Wireless Japan Radio Siemens AG
Atmel Kyocera SK Telecom
Axxcelera Broadband
Wireless
LGElectronicBroadbandWirelessSolutions SK Telesys
CIRITECH
SYSTEMS INC Microsoft Corporation Telsima
Cisco Systems Mitsubishi Electric Modacom Inc. Toshiba America Research Inc. (TARI)
Clearwire NEC Tranzeo
D-Link Netgear Tundra UTStarcom
Delta
Networks, INC. NextWave Wireless
Vecima Networks Inc.
eAccess Ltd. Nippon Telegraph and Telephone Walt Disney Company
EADS Secure
Networks Nokia Siemens Networks Wavesat Inc.
EION Wireless Nortel WiNetworks
Elektrobit
Corporation Panasonic XRONet Corporation
Ericsson Red Dot Wireless Inc Z-Com
Tabla 1.1 Empresas que pertenecen al Foro WiMax.
1.3.4 Grupos de trabajo
19 ellos por representantes de las empresas pertenecientes al consorcio del Foro WiMax. Grupo de Trabajo de Aplicación (AWG, Application Working Group).
1. Grupo de Trabajo de Certificación (CWG, Certification Working Group). 2. Grupo de Trabajo de Evolución Técnica (ETWG, Evolutionary Technical
Working Group).
3. Grupo de Trabajo de Itinerancia Global (GRWG, Global Roaming Working Group).
4. Grupo de Trabajo de Mercado (MWG, Marketing Working Group). 5. Grupo de Trabajo de Red (NWG, Network Working Group).
6. Grupo de Trabajo de Regulación (RWG, Regulatory Working Group). 7. Grupo de Trabajo de Proveedor de Servicio de (SPWG, Service Provider
Working Group).
8. Grupo de Trabajo Técnico (TWG, Technical Working Group).
1.3.5 Desarrollo de IEEE 802.16
Fue creado en el año de 1998 con el objetivo de crear una interfaz de radio de banda ancha inalámbrica, basándose en la arquitectura de los sistemas con acceso inalámbrico punto a multipunto con línea de vista (LOS, Line of Sigth), las cuales trabajan en la banda de frecuencia de 10 a 66 GHz. Concluyó su desarrollo en el 2001 basándose en la capa física de la portadora (PHY) y con un multiplexaje por división de tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) en la MAC. Los estándares para su desarrollo se tomaron basándose en los estándares para cable MODEM DOCSIS (especificaciones del la interfaz de servicios de datos por cable).
facultades de realizar pruebas y certificaciones para lograr dicha interoperatividad.
1.3.5.1 Estándar IEEE 802.16a
El grupo 1 de tareas especiales del comité de desarrollo del IEEE 802.16 desarrolló un estándar de acceso inalámbrico de banda ancha punto a multipunto para los sistemas que trabajan dentro de la banda de frecuencias de 10 – 66 GHz, este estándar cubre tanto a la capa MAC como la capa PHY (física), esto se fue modificando para poder aplicarlo de igual manera a las bandas sin licencia del rango entre 2 – 11 GHz aplicando NLOS hasta crear el estándar IEEE 802.16a aprobado en enero del 2003, el cual tiene un rango de hasta 48 Km. con celdas de 6.5 a 9.5 km. sin línea de vista, es capaz de conectar WLANs 802.11 y hotspots8 comerciales con Internet, basándose en OFDM para la capa física y OFDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal, Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para la capa MAC, haciendo de esta tecnología la más apropiada para sistemas de última milla, donde obstáculos como árboles o edificios estén presentes además de que las estaciones base pueden ser montadas en techos de casas o edificios en vez de montañas o torres.
La configuración básica de una estación base en un edificio o torre con una comunicación punto a multipunto hacia los abonados con datos compartidos de 75 Mbps, cuenta con suficiente ancho de banda para soportar simultáneamente 60 puntos de negocio con conectividad nivel T1 y cientos de hogares con línea de abonado digital (DSL, Digital Suscriber Line), con un ancho de banda de 20 MHz. Cuenta con grandes funciones de seguridad y QoS para servicios de video y voz, el cual puede ser por TDM o voz sobre IP (VoIP).
21
1.3.5.2 Estándar IEEE 802.16 - 2004
Al tratar de mejorar el estándar IEEE 802.16a se tuvo como consecuencia un nuevo estándar IEEE 802.16-2004, certificada en octubre del 2004, la cual vino a sustituir todas la versiones anteriores dando como resultado la primer solución 802.16 orientada a conexiones fijas, conocido como WiMax Fijo, es decir, es un reemplazo a la tecnología de DSL inalámbrico. Este nuevo estándar trabaja en las bandas de frecuencia licenciadas de 2 a 11 GHz, utilizando OFDM.
Los sistemas basados en este estándar tienen la ventaja de ser interoperables con otros productos disminuyendo sus costos de implementación. Cuenta con una velocidad de 75 Mbps y un rango de 10 km. Para poder utilizar esta tecnología sólo se requiere de una antena montada en un techo o en una torre.
1.3.5.3 Estándar IEEE 802.16e - 2005
Al estándar IEEE 802 16-2004 se le fueron agregando nuevas aplicaciones resultando el IEEE 802 16e-2005 el cual ahora incluía movilidad, este estándar era la solución para aplicaciones móviles y nómadas, conocida como WiMax móvil.
Las principales diferencias entre los estándares IEEE 802.16-2004 y el IEEE 802.16e-2005 se enlistan a continuación:
• Se agregaron estaciones móviles (MS). Una estación móvil de servicios de telecomunicaciones, está destinada a ser utilizada en movimiento o en puntos específicos. Sin embargo, una estación móvil (MS, Mobile Station) 802.16e también se comporta como una estación de abonado (SS, Suscriber Station).
• Modo de ahorro de potencia (para la movilidad apoyando MSs): modo de espera y modo de inactividad.
• SOFDMA (Escalable OFDMA).
• Seguridad (subcapa de privacidad).
• Sistema de Antenas de Entrada Múltiple, Salida Múltiple (MIMO Múltiple Input, Múltiple Output) y Técnicas de Sistemas de Antenas Adaptables (AAS), aunque ya estaban en el IEEE 802.16-2004, se mejoró en la versión IEEE 802.16e.
• Aparecen sistemas multicast y broadcast (MBS).
• Una nueva clase de QoS: Servicio de Contención en Tiempo Real Extendido (ertPS, Extended Real Time Polling Service). (Además de el IEEE 802.16-2004 rtPS), ertPS que es un apoyo en tiempo real a toda clase de servicios que generan los flujos de paquetes de datos de tamaño variable, en forma periódica, por ejemplo, VoIP con supresión de silencio.
• Mencionando otros: Códigos de Paridad de Baja Densidad (LDPC, Low Density Parity Codes) que es un código opcional para la codificación de canal, etc.
Dentro de la capa física (PHY) se tomaron en cuenta una serie de consideraciones sobre el medio, ya que por ejemplo, para frecuencias superiores a 6 GHz es necesario garantizar la línea de vista entre las estaciones, este detalle obligó a estudiar el efecto de multitrayectorias y de esta manera lograr enlaces de alta capacidad tanto de bajada como de subida con canales mayores de 10 MHz.
23 permitiendo terminales full y half duplex en el caso de FDD. De igual manera, la MAC permite el acceso inalámbrico PMP (punto a multipunto), diseñada para el transporte de capa superior o cualquier otro protocolo de transporte como el modo de transferencia asíncrono (ATM), Ethernet o protocolo de Internet (IP), además de que es capaz de adaptarse a cualquier otro protocolo que se desarrolle en un futuro, cuenta con una velocidad de hasta 268 Mbps en cada dirección.
La MAC de IEEE 802,16 utiliza una unidad de datos de protocolo de longitud variable (PDU, Protocol Data Unit), junto con una serie de otros conceptos que aumentan en gran medida la eficacia de la norma. Es posible que múltiples MAC PDUs puedan estar interconectadas en una misma ráfaga PHY para ahorrar gastos, así mismo, varias unidades de servicio de datos pueden estar conectados en una única MAC PDU.
IEEE 802.16 IEEE 802.16a IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16e Banda de Frecuencia (GHz)
10 – 66 < 11 2 – 11 < 6
Funcionamiento LOS NLOS NLOS NLOS
Tasa de datos
(Mbps) 32 – 134.4 32 – 134.4 1 – 75 1 – 75
Modulación
QPSK, 16 QAM, 64
QAM
OFDM con 256 portadoras
QPSK, 16 QAM, 64 QAM
QPSK, 16 QAM, 64 QAM
QPSK, 16 QAM, 64 QAM
Movilidad Fijo Fijo Fijo móvil
Ancho de
Banda (MHz) 20, 25 y 28
Seleccionable entre 1, 25 y 20
1.25, 1.75, 3.5, 5, 7, 8.75, 14, 10,
15
1.25, 1.75, 3.5, 5, 7, 8.75, 14,
10, 15,
Radio de Celda
(Km) 2 – 5 5 - 10 10 2 – 5
Tabla 1.2 Tabla comparativa de estándares IEEE 802.16
1.4 WiBro
Es una tecnología de banda ancha inalámbrica que desarrollo la industria de las telecomunicaciones de Corea del Sur. WiBro es el nombre comercial para el estándar IEEE 802.16e (WiMax Mobile).
25 Corea y a finales de 2005 la UIT la nombró como IEEE 802.16e WiBro (WiMax Mobile). Corea del Sur lanzó el servicio en junio de 2006.
WiBro ofrece estaciones con velocidades de 30 a 50 Mbps y cobertura de 1 a 5 Km. permitiendo el uso de dispositivos portátiles con acceso a Internet. Adicionalmente ofrece QoS permitiendo una transmisión confiable de vídeo y otros contenidos sensibles a la pérdida de datos. En la actualidad, algunas empresas proveedoras de servicios y dispositivos en el área de las telecomunicaciones están tratando de comercializar WiBro tales como TI (Italia), TVA (Brasil), Omnivision (Venezuela), PORTUS (Croacia), y Arialink (Michigan). WiBro es bastante exigente en sus requerimientos en el uso del espectro y diseño de equipo, En la tabla 1.3 se muestra un resumen de los aspectos técnicos de WiBro.
WiBro
Espectro
2.3 GHz-2.4 GHz (Corea, Europa y EEUU)
Actualmente el foro WiMax se encuentra negociando bandas para Europa y EEUU
Multiplexaje TDD
Funcionamiento Sin línea de vista (NLOS) Prefijo Cíclico (1/8)
Tasa de bits Hasta 30 Mbps
Modulación OFDMA con 1024 subportadoras BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM
Movilidad Permite una movilidad de hasta 60 Km/h Ancho de banda 9 MHz
Duración de Trama 5 ms
Radio típico de celda Radio de 2 Km de servicio
1.5 Sistema de Distribución Local Multipunto (LMDS, Local Multipoint
Distribution Service)
LMDS integra los servicios de voz, datos y video sobre una red de RF en la banda de los 22 a los 42 GHz. La diferencia entre MMDS y LMDS derivan de su concepción. LMDS esta orientado a entornos corporativos mientras que MMDS se diseño para usuarios residenciales y entornos mucho mas amplios (hasta 30 Km. frente a los 2 y 7 Km. divididos en una disposición celular de LMDS).
La bidireccionalidad de LMDS, así como su gran ancho de banda simétrico, permite ofrecer servicios interactivos de banda ancha, como video conferencia, video bajo demanda, acceso a Internet de alta velocidad, interconexión de LAN, telefonía, etc.
El significado de las siglas LMDS es: L (Local), las características de propagación de la señal en este rango de frecuencias limitan la zona de cobertura a una única celda. M (Multipoint), la red presenta una topología punto a multipunto para el canal descendente, mientras que el canal ascendente es punto a punto. D (Distribution), difusión de señales consistentes en tráfico de voz, video y datos. S (Service), relación que se establece entre el operador y el cliente.
27
Figura 1.3 Arquitectura LMDS
La cabecera de red contiene el equipo de gestión de red encargado de administrar los abonados y los equipos del operador, así como la conexiona a redes externas (telefonía, datos, Internet, etc.). En redes de tamaño considerable es posible comunicar varias cabeceras entre si.
La red de distribución parte de la cabecera y hace llegar la señal de información a todas las estaciones base. Suele estar soportada por cables de fibra óptica o SDH y ATM como tecnología de transmisión, auque existen otras transmisiones tecnológicas como en lace de microondas punto a punto. Al igual que en las redes de telefonía móvil, el área de servicio se divide en celdas cuyo tamaño depende de factores como el número de abonados potenciales y las características del servicio que se desee ofrecer.
El receptor del abonado representa el equipo en la dependencia del usuario, el cual varía dependiendo el fabricante, pero en todas las implementaciones es común encontrar una antena receptora y una interfaz NIU (Network Interfase User) cuyo objetivo es separar los diferentes servicios a partir de la señal de banda ancha recibida.
1.6 Sistema de Distribución Multipunto de Microondas (MMDS,
Microwave Multipoint Distribution System)
Esta tecnología inalámbrica fue desarrollada principalmente para la distribución de vídeo en zonas en las que no es posible realizar una instalación cableada convencional. En EUA la tecnología MMDS opera en el rango de frecuencias 2150 a 2686 MHz, mientras que en otros países se le ha asignado un rango de 2 a 3 GHz.
Debido a que la demanda de acceso a Internet crece exponencialmente MMDS es una solución a esta necesidad ya que con unos pocos canales con un ancho de banda de 6 MHz pueden servir para proveer una conexión a Internet de hasta 10 Mbps con la capacidad de ofrecer servicio a cerca de 4000 usuarios por canal.
29 Entre los formatos de modulación que pueden emplearse en MMDS tenemos Modulación Binaria por Corrimiento de Fase (BPSK, Binary Phase Shift Keying), Modulación en Cuadratura por Corrimiento de Fase (QPSK, Quadrature Phase Shift Keying), Modulación de Amplitud por Cuadratura (QAM, Quadrature Amplitude Modulation) y Espectro Disperso de Secuencia Directa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum). BPSK es una alternativa pobre dado que la eficiencia espectral es la mitad de la correspondiente a QPSK con poca ventaja en cuanto a la relación señal a ruido. QAM parece ser el estándar adoptado por la industria, ya que permite obtener un óptimo rendimiento en cuanto a velocidad de transmisión. DSSS es una técnica que permite obtener un rendimiento aún mayor del espectro radioeléctrico.
Otra técnica para aumentar el rendimiento del espectro de RF es la creación de celdas. En la cual se utilizan múltiples transmisores para enviar información a grupos de usuarios que están geográficamente distribuidos; cada grupo de usuarios se halla dentro de una región o celda. El incremento en la capacidad se produce al enviar diferente información de RF desde distintas celdas utilizando los mismos canales de RF. En la práctica se acostumbra utilizar una combinación de técnicas de sectorización y celularización. Para utilizar un esquema de celularización es necesario contar con un enlace de banda ancha entre la estación central y cada una de las estaciones base, el cual permite acomodar el crecimiento del ancho de banda provocado por la reutilización de frecuencias. Dicho enlace suele ser de fibra óptica o microonda punto a punto, tomando en cuenta la presencia de señales ajenas a la deseada en cada una de las celdas, lo que no es un problema tan grave como en el caso de la telefonía celular, en el que cada uno de los usuarios dispone de antenas omnidireccionales: en MMDS cada suscriptor emplea antenas altamente direccionales, dirigidas hacia la respectiva estación base.
En un sistema con arquitectura celular pueden emplearse dos técnicas básicas de multiplexaje: multiplexaje por división de frecuencias (FDM, Frequency
Division Multiplexing) y multiplexaje por división de tiempo. La elección es de acuerdo al espectro disponible y el tamaño de las células.
MMDS no está de ninguna manera limitado a proveer acceso a Internet: también pueden tenerse aplicaciones que requieren de un tráfico simétrico, tales como telefonía, videoconferencia e interconexión de LANs.
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3G WiFi WiMax
Estándar WCDMA,
CDMA2000 IEEE 802.11 IEEE 802.16 Máxima Tasa
de Datos 2 Mbps 54 Mbps 134 Mbps
Cobertura 5 Km. 100 m 40 Km.
Ventajas Gran movilidad Rapidez. Costos bajos
Rapidez. Gran cobertura
CAPÍTULO 2
ASPECTOS TÉCNICOS DE LAS REDES BASADAS EN IEEE 802.16
Las redes basadas en el estándar IEEE 802.16 cuentan con una arquitectura basada en una subdivisión de capas de acuerdo al modelo de referencia de interconexión de sistemas abiertos (modelo OSI), es por ello que en éste capítulo se realiza un análisis de las capas que se puntualizan en este estándar, es decir, la física y la capa de enlace de datos. De igual manera se analiza la segmentación de la capa de enlace de datos en subcapa de enlace lógico (LLC) y subcapa de control de acceso al medio (MAC), especificando las características y funciones de cada una de las capas y subcapas del estándar IEEE 802.16, así como su jerarquización en referencia al modelo OSI.
33
2.1 Capas de protocolos
El estándar IEEE 802.16 (WiMax) al igual que las redes cableadas se basa en el modelo de referencia para la interconexión de los sistemas abiertos (OSI, Open
System Interconection), en el cual se especifican las funciones de cada una de las capas, así como la interacción entre cada una de ellas siguiendo la jerarquización en la que fueron diseñadas.
Generalmente, las capas que se encuentran en la parte baja del modelo OSI (física, enlace de datos y red) trabajan sobre el “hardware” mientras que las capas superiores (transporte, sesión, presentación y aplicación) se encargan de la ejecución de software para la manipulación de las capas más bajas. Dos de estas capas bajas son la física (PHY layer), y la capa de enlace de datos. El estándar IEEE 802.16 divide la capa de enlace de datos en dos subcapas denominadas control de enlace lógico (LLC, Logical Link Control) y control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) como se muestra en la figura 2.1. El propósito de la capa PHY es crear la conexión física entre las dos terminales que se comunican, la capa MAC es responsable del establecimiento y del mantenimiento de la conexión, mientras que la capa LLC especifica los mecanismos para el direccionamiento de las estaciones remotas conectadas al medio, además de controlar el intercambio de datos entre los usuarios de la red. Su operación y formato están basados en el protocolo control de enlace de datos de nivel superior (HDLC1, High Level Data Link Control), donde se establecen tres tipos de servicios:
a) Sin conexión y sin reconocimiento b) Con conexión
c) Con reconocimiento y sin conexión
1 Protocolo diseñado para proporcionar un mecanismo de detección y corrección de errores de propósito
MODELO OSI MODELO OSI PARA WIMAX
7 Aplicación
6 Presentación
5 Sesión
4 Transporte
3 Red
Control de Enlace Lógico (LLC) 2 Enlace de datos Control de Acceso al
Medio (MAC)
1 Física Física
Figura 2.1. Modelo OSI para el estándar IEEE 802.16
2.2 Capa física (PHY)
La capa PHY establece la conexión física entre los extremos de la conexión, a menudo en dos direcciones (subida y bajada), debido a que el estándar IEEE 802.16 es evidentemente una tecnología digital, la capa física es responsable de la transmisión de las secuencias de bits. Esta capa define el tipo de señal que va a utilizarse, el tipo de modulación y demodulación, el acceso múltiple, la codificación de canal, la tecnología de las antenas, la potencia de transmisión y otras características físicas, como un despliegue flexible.
2.2.1 Especificaciones de las interfaces de radio en el estándar IEEE 802.16
La capa PHY de WiMax esta compuesta de cuatro secciones:
35 2) Red de Área Metropolitana Inalámbrica con Acceso a una Sola Portadora (WMAN-SCa, Wireless Metropolitan Area Network - Single Carrier access)
3) Red de Área Metropolitana Inalámbrica con Multiplexaje por División de Frecuencias Ortogonales (WMAN-OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
4) Red de Área Metropolitana Inalámbrica con Múltiple Acceso por División de Frecuencia Ortogonal (WMAN-OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
Cada una de estas secciones cuenta con una serie de especificaciones que resultan ser una variante del estándar en función a la técnica de modulación utilizada y las bandas de frecuencia para las que fueron diseñadas. A continuación se muestran las características de cada una de estas especificaciones con mayor detalle.
2.2.1.1 WMAN-SC
2.2.1.2 WMAN-SCA
Wireless MAN-SCA se basa en una tecnología de portadora simple y esta diseñado para operar sin línea de vista (NLOS, No Line-of-Sight) en bandas de frecuencias por debajo de 11 GHz para operaciones punto a multipunto. Para bandas con licencia, los anchos de banda de canal permitidos deben ser limitados por el ancho de banda regulado, dividido por cualquier potencia de dos no menor que 1.25 MHz. Cuenta con una interfaz de radio con portadora simple modulada.
Los elementos dentro de la PHY incluyen:
• TDD y FDD
• Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA, Time Division Multiple Access) en el enlace de subida.
• Multiplexaje por División de Tiempo (TDM, Time Division Multiplexing) o TDMA en el enlace de bajada
• Modulación y codificación para el control de errores adaptable tanto para el enlace de subida como bajada.
• Estructuras de tramas que permiten mejor ecualización.
• Códigos para la transmisión espacio – tiempo.
2.2.1.3 WMAN-OFDM
37 Los tipos de subporatodoras que se ocupan son:
• Subportadora de datos: para transmisión de datos.
• Subportadora piloto: para varios propósitos de estimación.
• Subportadora nula: sin transmisión, para bandas de guarda.
2.2.1.4 WMAN-OFDMA
Tiene un esquema de 2048 portadoras OFDM para operaciones punto a multipunto en condiciones NLOS en frecuencias de 2 GHz a 11 GHz. El acceso múltiple se logra mediante la asignación de un subconjunto de portadoras a un receptor individual. Esta versión denomina comúnmente OFD de acceso múltiple (OFDMA). Utiliza modulaciones como: QPSK, 16-QAM y 64-QAM. En la tabla 2.2 se muestra un resumen de las distintas interfaces de radio en IEEE 802.16d.
INTERFAZ BANDA DE FRECUENCIA DUPLEXAJE
WMAN-SC 10 – 66 GHz (LOS) TDD y FDD
WMAN-SCa Debajo de 11 GHz (NLOS) en bandas con licencia
TDD y FDD
WMAN-OFDM Debajo de 11 GHz (NLOS) en bandas con licencia
TDD y FDD
WMAN-OFDMA Debajo de 11 GHz (NLOS) en bandas con licencia
TDD y FDD
Tabla 2.1 Interfaces de radio en IEEE 802.16d
2.2.2 Modulación y codificación adaptable
recibida. La estación base puede llevar un control sobre la calidad del canal de cada usuario tanto en la dirección de bajada como en la de subida y asignar un esquema de modulación y codificación que aumente el rendimiento, por lo tanto es posible decir que la modulación y codificación adaptable aumentan la capacidad del sistema, ya que permiten trabajar en tiempo real con mayor rendimiento y robustez.
En la dirección de bajada, se utilizan modulaciones como QPSK, 16-QAM y 64-QAM, tanto para WiMax fijo como móvil. En la dirección de subida, 64-QAM es opcional. Para la codificación de canal, se utilizan códigos convolucionales, los cuales se combinan con un código externo Reed – Solomon2 en la dirección de bajada para OFDM PHY. El estándar también soporta turbo códigos y códigos de verificación de paridad de baja densidad. En total se tienen 52 combinaciones de esquemas de modulación y codificación definidos para el estándar IEEE 802.16 ó WiMax, como perfiles de ráfagas.
En el estándar IEEE 802.16 a/d se definen siete posibles combinaciones de modulaciones y codificaciones que permiten alcanzar diferentes velocidades de transmisión y mayor robustez dependiendo de las condiciones de interferencia en el canal.
Las técnicas de modulación y codificación que no se adapten a las condiciones de desvanecimiento requieren un enlace fijo con un margen aceptable para mantener el rendimiento cuando la calidad del canal es pobre.
2.2.3 Sistemas de antenas adaptables
El estándar IEEE 802.16 cuenta con una estructura de señalización que permite el uso de sistemas de antenas inteligentes. Para una topología punto a multipunto define la estructura que permite la transmisión de ráfagas de bajada y
39 subida dirigidas utilizando ráfagas para cada uno destinado a uno o más usuarios.
Las antenas adaptables son sistemas que se ajustan automáticamente para incrementar el rendimiento de algunas características como, la relación señal a ruido (SNR, Signal to Noise Ratio) o el margen de enlace. Existen tres categorías principales de antenas adaptables:
• Haz Conmutado: en esta categoría varias antenas de un sector están disponibles para la transmisión y recepción de la señal. La antena genera varios haces fijos, apuntando a direcciones distintas de esta manera se cubre toda una zona deseada (sector o celda). Se dice que son sistemas inteligentes, ya que seleccionan el mejor haz para un usuario en particular, en función de algún parámetro de control (como un nivel mayor de potencia de recibida), mejor relación señal a ruido y mejor relación señal a interferencia. Esta técnica no garantiza que el móvil se encuentre en la dirección máxima de radiación.
• Haz Directivo: el objetivo de esta categoría es obtener la dirección donde se registra la ganancia máxima de la antena hacia la terminal remota para mejorar la calidad del enlace y el margen de la SNR, donde el haz directivo pretende aumentar al máximo la señal hacia la terminal remota. Las antenas de este tipo no están diseñadas para eliminar la interferencia, aunque tienen la capacidad de hacerlo en su operación habitual. Para terminales móviles, el intervalo de potencia debe ser controlado periódicamente; por su parte para las terminales con mayor movilidad, donde las pérdidas son mayores comparadas con los sistemas fijos, este control puede reducirse o eliminarse.
interferencia. Este sistema requiere de una actualización periódica para poder comparar la señal de manera regular. Para los sistemas celulares, la tasa de actualización es del orden de la tasas de desvanecimiento del canal. Para los enlaces fijos, la potencia de procesamiento para la actualización de los coeficientes es menos exigente que en sistemas móviles.
El uso de antenas adaptables es distinto en los sistemas fijos de banda ancha en relación a los sistemas móviles en dos aspectos:
• Con la tecnología que existe actualmente en los sistemas celulares, resulta muy difícil la implementación de antenas adaptables en un teléfono móvil, debido a las limitantes en el espacio y la potencia requerida, limitando el intervalo adaptable para la estación base que se puede utilizar tanto para recibir como para transmitir. Para los sistemas fijos suponemos que la terminal remota no es un móvil, sino un auricular fijo.
• Para los sistemas fijos de banda ancha, se propone que la terminal remota no está en movimiento durante su operación, reduciendo considerablemente los problemas de dispersión angular; sin embargo, no se eliminan por completo por las diversas características de propagación en el entorno.
2.3 Capa de Control de Acceso al Medio (MAC, Medium Acces Control)
Esta capa que se encuentra por encima de la capa PHY y es responsable del control y multiplexaje del tráfico por el medio físico. Algunas de las funciones más importantes de la capa MAC son:
41
• Seleccionar el perfil de ráfaga así como el nivel de potencia que se utiliza para la transmisión de MAC PDUs.
• Retransmitir las MAC PDUs que fueron recibidos erróneamente por el receptor utilizando Solicitud de Repetición Automática (ARQ,
Automatic Retransmissions Requests).
• Proporcionar el control de calidad de servicio (QoS, Quality of Service) así como el manejo de prioridad de datos de MAC PDUs.
• Calendarizar los MAC PDUs sobre los recursos de la capa PHY.
• Proporcionar apoyo a las capas superiores para la administración de movilidad.
• Proporcionar seguridad y la administración de claves.
• Proporcionar el modo de ahorro de energía y el modo de funcionamiento de inactividad.
Figura 2.2 Subcapas de la capa MAC
La CS se puede ver como una capa de adaptación para el enmascaramiento del protocolo de la capa superior y de las necesidades del resto de la capa MAC y PHY en la red basada en el estándar IEEE 802.16.
La subcapa de parte común de la capa MAC realiza todas las operaciones de paquetes que son independientes de las capas más altas, como la fragmentación y la concatenación de SDUs en MAC PDUs, la transmisión de MAC PDUs, el control de QoS y la ARQ.
La subcapa de seguridad es la responsable de la encriptación, autorización y el intercambio adecuado de las claves de cifrado entre la BS y el SS.
43 medio inalámbrico. Las especificaciones de la capa MAC promueven el uso del protocolo IP como elemento fundamental del estándar para la operación y administración de la capa MAC.
2.3.1 Subcapa de convergencia de Servicio Específico (CS)
Además de la compresión del encabezado, la CS también es responsable del direccionamiento de las capas superiores, como las direcciones IP de las SDUs sobre las conexiones PHY y MAC que se utilizarán para su transmisión. Esta función es necesaria porque no hay visibilidad de las direcciones de la capa superior en las capas MAC y PHY.
La capa MAC esta orientada a conexión y determina una relación lógica entre la BS y el SS con un Identificador de Conexión Unidireccional (CID, Unidirectional
Connection Indentifier). Los CIDs para conexiones de subida y bajada son diferentes. El CID puede considerarse como una asignación de dirección temporal dinámica de la capa 2 por la BS para identificar una relación unidireccional entre las entidades MAC/PHY, y se utiliza para el transporte de datos y el control del tráfico, con el fin de direccionar la capa superior al CID, la CS tiene que realizar un seguimiento de la correspondencia entre la dirección de destino y los respectivos CIDs. Es bastante probable que las SDUs que pertenecen a una determinada dirección de destino puedan enviarse por diferentes conexiones, en función de las necesidades de QoS; en ese caso la CS determina el CID apropiado, no sólo basándose en la dirección de destino, sino también en otros factores, como el Servicio de Identificador de Flujo (SFID, Service Flow Identifier) y la dirección de origen.
La CS realiza supresión del encabezado del paquete (PHS, Packet Header
cabecera de cada paquete y no cambian de un paquete a otro por lo que pueden removerse antes de transmitirse por el medio. Lo mismo sucede en el receptor, la parte que se repite de la cabecera puede insertarse en la SDU antes de entregarse a las capas superiores. El mecanismo PHS establece y mantiene el grado necesario de sincronización entre las CSs del transmisor y del receptor.
La implementación de PHS en la red basada en el estándar IEEE 802.16 es opcional, pero la mayoría de los sistemas ponen en práctica esta función, ya que mejora la eficiencia de la red para prestar diferentes tipos de servicios.
La operación de PHS proporciona todos los parámetros relacionados con la supresión de la cabecera de las SDUs. Cuando una SDU llega, la CS determina la norma PHS que debe utilizarse, y algunos de los parámetros como direcciones de origen y destino. Una vez que se encuentra una regla que coincide, esta proporciona un SFID, un CID y la PHS relacionado con los parámetros utilizados en la SDU. La norma PHS depende del tipo de servicio, como voz sobre IP (VoIP), Protocolo de Transferencia de Hipertexto (HTTP,
HyperText Transfer Protocol) ó Protocolo de Transferencia de Archivos (FTP, File Transfer Protocol), ya que el número de bytes que se pueden suprimir en la cabecera depende de la naturaleza del servicio.
El estándar IEEE 802.16 establece al CS utilizar normas PHS, sin embargo, no específica cómo y cuando se crean dichas normas; esto se lo deja a una entidad en la capa superior.
2.3.2 Subcapa de parte común
