Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Análisis comparativo y conclusiones técnico-económicas
para una posible implementación de los estándares
WiMAX 802.16d ó WiMAX 802.16e en la Zona
Metropolitana de Costa Rica
Por:
Alberto José Araya Callís
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Noviembre del 2007
Análisis comparativo y conclusiones
técnico-económicas para una posible implementación de los
estándares WiMAX 802.16d ó WiMAX 802.16e en la
Zona Metropolitana de Costa Rica
Por:
Alberto José Araya Callís
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________ Ing. Guillermo Rivero González
Profesor Guía
_______________________________ ______________________________
Ing. Yandel Salazar Soto Ing. Andrew Sheehy Protti
DEDICATORIA
A mi padre, a mis hermanos. A mi madre por todo el apoyo durante la carrera,
por sus palabras de aliento y ánimo, que me ayudaron a concluir con éxitos mis estudios. A mi novia Mónica, que me vio crecer como ingeniero,
gracias por la confianza y seguridad que me brindó. En fin gracias a todos los que me han dado su apoyo, espero que nunca dejen de hacerlo....
RECONOCIMIENTOS
A los miembros del tribunal examinador, Ing. Guillermo Rivero González, Ing. Yandel Salazar Soto, Ing. Andrew Sheehy Protti así como al, Ing. José Antonio Alfaro Obando por
su colaboración en la elaboración de este proyecto.
ÍNDICE GENERAL
NOMENCLATURA... IX RESUMEN...1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN...2 1.1 JUSTIFICACIÓN...2 1.2 OBJETIVOS...4 1.2.1 Objetivo general ...4 1.2.2 Objetivos específicos ...4 1.3 METODOLOGÍA...5CAPÍTULO 2: LA FAMILIA DE LOS ESTÁNDARES WIMAX ...6
2.1 IEEE802.16 ...13
2.1.1 Modelo de Referencia del Estándar 802.16...14
2.1.2 Capa Física (PHY) ...15
2.1.2.1 FDM- OFDM-OFDMA... 16
2.1.3 Capa MAC (Medium Access Control) ...25
2.1.3.1 FDD ... 26
2.1.3.2 TDD ... 27
2.1.3.3 Formato de la PDU de la MAC ... 30
2.1.3.4 Transmisión de los PDUs de la MAC. ... 31
2.1.4 Procesamiento de la señal ...32
2.1.4.1 Introducción a las modulaciones ... 32
2.1.4.2 Modulación adaptativa ... 36
2.1.4.3 Técnicas de control de errores... 37
CAPÍTULO 3: CASO DE NEGOCIOS PARA SERVICIOS DE BANDA ANCHA EN ACCESOS INALÁMBRICOS WIMAX, EN CONVERGENCIA CON OTROS SERVICIOS DE REDES FIJAS Y MÓVILES ...40
3.1 ESTRATEGIA EN BANDA ANCHA “FIJA” INALÁMBRICA...41
3.1.1 Proyectos WiMAX en Costa Rica ...42
3.1.1.1 Proyecto SIE (Sistema Inalámbrico Empresarial) ... 44
3.1.2 Estrategia en el negocio del transporte...47
3.1.3 Estrategia de banda ancha móvil ...48
CAPÍTULO 4: COMPARACIÓN ENTRE EL ESTÁNDAR 802.16-2004 Y EL ESTÁNDAR 802.16E ...50
5.1 APLICACIONES FIJAS, NÓMADAS, PORTABLES Y MÓVILES PARA REDES WIMAX 802.16-2004 Y 802.16 E 51 5.2 PERFILES DE WIMAXFORUM...53
5.3 COMPARACIÓN ENTRE LOS PERFILES 802.16-2004 Y 802.16E...55
5.3.1 Técnicas de Mutiplexación ...56
5.3.2 Handoffs y Roaming ...58
5.4 802.16-2004 VS.802.16E WIMAX ...59
CAPÍTULO 5: CONSIDERACIONES SOBRE LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WIMAX EN LA ZONA METROPOLITANA DE COSTA RICA ...68
5.1 ÁREA METROPOLITANA...68
5.2 DETERMINANDO REQUERIMIENTOS DE COBERTURA...69
5.3 DETERMINANDO REQUERIMIENTOS DE CAPACIDAD...71
5.4 ALTERNATIVAS PARA EL DESPLIEGUE DE ESTACIONES BASE...75
5.4.1 Smart Antennas...76
5.4.1.1 Formación del haz... 77
5.4.2 Diversidad ...79
5.4.2.1 Diversidad espacial y de polarización ... 79
5.4.3 MIMO (Multiple Input - Multiple Output) ...81
5.4.4 Aplicaciones en WiMAX ...82
5.6 BANDA DE FRECUENCIA Y OTRAS CONSIDERACIONES RELACIONADAS CON EL RANGO...86
5.7 NUMERO DE ESTACIONES BASES...88
5.7.1 Componentes de las Estaciones Bases...89
5.7.1.1 Infraestructuctura de la Estación Base... 89
5.7.1.2 Equipo WiMAX de la Estación Base ... 90
5.7.1.3 Conexión de la Red de Retorno (Backhaul) de la Estación Base ... 90
CAPÍTULO 6: ESTADO DEL ARTE DE SOLUCIONES Y PRODUCTOS CERTIFICADOS WIMAX...92
6.1 SOLUCIÓN ALVARION (802.16D Y 802.16E) ...92
6.1.1 Estaciones Base ...93
6.1.2 Estación Base Modular ...93
6.1.2.1 Unidad de Procesamiento de la Red (NPU) ... 94
6.1.2.2 Unidades de Acceso Interiores/Exteriores... 94
6.1.2.3 Unidad para la conexión al sistema de potencia (PIU)... 96
6.1.2.4 Unidad de suministro de energía (PSU) ... 96
6.1.2.5 Unidad de ventilación (AVU) ... 96
6.1.2.6 BreezeMAX CPEs ... 96
6.1.2.7 BreezeMAX PRO-S CPEs ... 98
6.1.3 Sistema de gestión AlvariSTAR ...98
6.1.4 4Motion Mobile WiMAX...99
6.2 SOLUCIÓN SIEMENS...101
6.2.1 Estación Base SkyMAX... 101
6.2.1.1 Unidades de suscriptor ... 102 6.2.2 Sistema de gestión ... 103 6.3 SOLUCIÓN AIRSPAN...105 6.3.1 MacroMAXe ... 105 6.3.2 MacroMAXd ... 106 6.3.2.1 Unidades de Suscriptor... 106 6.3.3 Sistema de gestión ... 107
6.3.4 Otros Productos de Airspan ... 108
CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...110
7.1 CONCLUSIONES...110
7.2 RECOMENDACIONES ...113
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS...116
ANEXOS ...119
1. DEFINICIONES DE ACCESO FIJO,NÓMADA,PORTABLE Y MÓVIL...119
2. DEFINICIONES DE ANTENAS MIMO Y AAS ...120
3. HANDOFF...122
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura # 1: Evolución de la tecnología WiMAX... 9
Figura # 2: Capas del protocolo IEEE 802.16 d mostrando SAP`s ... 14
Figura # 3: Multiplexación por División de Frecuencias... 16
Figura # 4: Esquema básico de una modulación OFDM ... 17
Figura # 5: Ortogonalidad entre sub portadoras adyacentes ... 17
Figura # 6: a) Técnica Multiportadora convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales ... 18
Figura # 7: Diagrama de Bloques de OFDM ... 19
Figura # 8: Multiplexación de Multiple Acceso por División de Frecuencias “OFDMA” ... 21
Figura # 9: Sub canalización para Uplink en WiMAX. En OFDM, sólo una estación de subscriptor transmite en una misma pista. En OFDMA, varias estaciones de subscriptor pueden transmitir en la misma pista sobre varios sub canales ... 21
Figura # 10: Estructura de Símbolo de OFDM ... 22
Figura # 11: Estructura del transmisor y receptor en WiMAX ... 25
Figura # 12: FDD y TDD ... 28
Figura # 13: Sub ráfaga downlink TDD... 32
Figura # 14: Frequency shift Keying (FSK)... 33
Figura # 15: Phase Shift Keying... 34
Figura # 16: Modulación QPSK ... 35
Figura # 17: Modulación Adaptiva... 35
Figura # 18: Topología del Proyecto (Sistema Inalámbrico Empresarial)... 44
Figura # 19: Frecuencias asignadas ... 44
Figura # 20: Cobertura Solicitada... 45
Figura # 21: Uplink en OFDM y OFDMA... 57
Figura # 22: GAM de Costa Rica, evaluada por ingresos... 73
Figura # 23: Reutilización de la Frecuencia = 1, con tres Sectores de las Estaciones Bases ... 84
Figura # 24: Reutilización de la Frecuencia = 3, con tres Sectores de las Estaciones Bases ... 85
Figura # 25: Equipo BreezeMAXTM... 93
Figura # 26: Estación Base Modular... 93
Figura # 27: Unidad de Procesamiento de la red (NPU)... 94
Figura # 28: Unidad de Acceso para Interiores ... 95
Figura # 29: Unidad de Acceso para Exteriores... 95
Figura # 30: BreezeMAX CPEs ... 97
Figura # 31: Esquema de las aplicaciones del equipo BreezeMAX... 97
Figura # 32: BreezeMAX PRO-S CPEs ... 98
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla # 1: Resumen de los principales estándares WiMAX... 10
Tabla # 2: Modulación QPSK ... 34
Tabla # 3: Cobertura ... 46
Tabla # 4: Tipos de Acceso a redes WiMAX... 52
NOMENCLATURA
AAAS Sistema Adaptativo de Antena, del inglés “Adaptive Antenna System”. ACI Interferencia Adyacente de Canal, del inglés “Adjacent Channel
Interference”.
AMC Modulación y Codificación Adaptivas, del inglés “Adaptive Modulation and Coding”.
B
BS Estaciones Base, del inglés “Base Station”
BW Ancho de Banda, del inglés "Bandwith".
BWA Acceso inalámbrico de banda ancha, del inglés "Broadband Wireless Access". D
DL Descarga, del inglés “Downlink”. C
CCI Interferencia Co-Canal, del inglés “Co-Channel Interference”.
CPE Equipos en las premisas del cliente, del inglés " Customer Premises
Equipment".
CS Sub-capa de convergencia del inglés “Convergente Sublayer”.
E
ERTPS Servicio de Interrogación Extendida del Tiempo Real, del inglés “Extended real-Time Polling Service”
F
FDD Duplexación por División de Frecuencia, del inglés “Frequency Division Duplex”.
FTT Transformada Rápida de Fourier, del inglés “Fast Fourier Transform”.
I
IDU Unidad de Interiores, del inglés “Indoor Unit”.
IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, del inglés “Institute of Electrical and Electronics Engineers”.
IP Protocolo de Internet, del inglés “Internet Protocol”.
L
LCT Terminal de acceso local, del inglés "Local Craft Terminal". LOS Línea Vista, del inglés “Line Of Sight”.
M
MAC Control de acceso al medio del inglés “Media Access Control”. MAP Protocolo de Acceso al Medio, del inglés “Media Access Protocol”. MIMO Múltiples Entradas Múltiples Salidas, del inglés “Multiple Input Multiple
Output”.
N
NLOS No Línea Vista, del inglés “Non Line Of Sight”. O
ODU Unidad de Exteriores, del inglés “Outdoor Unit”.
OFDM Múltiplexación Ortogonal por División de Frecuencia, del inglés “Orthogonal frequency Division Multiplexing”
OFDMA Múltiplexación Ortogonal de Acceso por División de Frecuencia, del inglés “Orthogonal frequency Division Multiplexing Access”.
P
PCMIA Asociación Internacional de la Tarjeta de Memoria de la Computadora Personal, del inglés “Personal Computer Memory Card International Association”.
PDA Asistente Personal Digital, del inglés “Personal Digital Assistant”. PMT Punto a Multi Punto, del inglés “Point to Multi Point”.
PTP Punto a Punto, del inglés “Point to Point”.
PUSC Sub canal Parcialmente Usado, del ingles “Partially Used Subchannel”. Q
QoS Calidad de servicio, del inglés “Quality Of Service”. S
SDU Unidad de datos de servicio, del inglés "Service Data Unit".
SISO Entrada Simple, Salida Simple, del inglés “Single Input Single Output”
SLA Acuerdo del Nivel de Disponibilidad de Servicio, del “Service Level
Agreement”.
SNMPv2 Del inglés “Simple Network Management Protocol version 2” SOFDMA OFDMA Escalable, del inglés “Scalable OFDMA”.
STC Codificación EspacioTiempo, del inglés “Space Time Coding”. T
U UL Subidas, del inglés “Uplink”
V
VoIP Voz sobre Protocolo de Internet, del inglés “Voice over Internet Protocol”. W
WiMAX Interfuncionamiento Inalámbrico para Acceso de Microondas, del inglés “World Interoperability for Microwave Access”.
WISP Proveedor de Servicio de Internet Inalámbrico, del inglés “Wireless Internet Service Provider”.
RESUMEN
WiMAX ó 802.16x es un estándar de comunicaciones inalámbricas que ofrece acceso para áreas metropolitanas y constituye una solución para acceso de última milla.
En este documento se realizó una descripción y revisión de los parámetros, protocolos y estándar de la tecnología WiMAX tanto fija como móvil. Asimismo, se estableció la diferencia entre uno y otro, mostrando las ventajas de la versión 802.16e (móvil) sobre el 802.16d (fija).
El trabajo analizó los aspectos a tomar en cuenta a la hora de desplegar una red WiMAX en un área metropolitana, específicamente se enfocaron los conceptos al caso nacional, tomando en cuenta los proyectos que se están desarrollando en la versión de acceso fijo. Además, se explicó un poco las tendencias de WiMAX en convergencia con otras tecnologías, para lo cual se plantearon tres posibles casos de negocios, que convergían a un caso de mayor importancia. Éste era, el papel que tendría el desarrollo de la tecnología WiMAX móvil sobre las otras tecnologías de banda ancha inalámbrica, como por ejemplo la 3G. Sin embargo, en todos los casos se intenta que la tecnología WIMAX trabaje como aliada con las demás, es decir, lograr trabajar en forma paralela y complementaria en el mejor desarrollo de las comunicaciones.
Finalmente el proyecto investigó el estado actual de los productos certificados WiMAX. Para esto, se analizaron a tres fabricantes: Alvarion, Airspan y Siemens, con ellos se pretende dar un repaso de las posibles soluciones que hay para poder desarrollar una red WiMAX en nuestro país, tanto en la versión fija como en la móvil.
CAPÍTULO 1: Introducción
1.1
Justificación
Una de las tecnologías de acceso más prometedoras y discutidas en esta década es la comunicación por tecnología inalámbrica. En el horizonte de este tema, se vislumbra un avance tecnológico más significativo con la tecnología WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access o interfuncionamiento inalámbrico para acceso de microondas).
La tecnología WiMAX será la base de las Redes Metropolitanas de acceso de banda ancha a Internet, servirá de apoyo para facilitar las conexiones en zonas rurales, y se utilizará en el mundo empresarial para implementar las comunicaciones internas. Además, su popularización supondrá el despegue definitivo de otras tecnologías, como
VoIP (llamadas de voz sobre el protocolo IP) (Thelander, 2005).
En zonas rurales y en otras partes del mundo que no disponen de red alámbrica, WiMAX podría constituir la plataforma ideal para ofrecer numerosos servicios de voz, datos y esparcimiento. En el caso de los países desarrollados, al menos en las zonas urbanizadas, es probable que las tecnologías de Internet portátil completen las redes existentes, en lugar de sustituirlas (Thelander, 2005).
La siguiente investigación se encuentra dirigida al estudio de las tecnologías WiMAX en su versión 802.16d y 802.16e, cómo funcionan, cuáles son sus principales aplicaciones, cuáles sus respectivas ventajas y desventajas; todo con el fin de lograr establecer un análisis de la mejor utilidad para cada tecnología, y conocer sus limitantes con el fin de establecer en qué casos una es más eficiente que la otra.
La importancia de realizar una investigación de este tipo radica en disponer de un análisis comparativo claro y conciso, que permita a los proveedores de acceso y /o contenido, comprender la forma en que operan estas tecnologías, y para qué aplicaciones y contextos es útil cada una de ellas.
Mediante un análisis de sus diferentes beneficios y limitantes, se pretende brindar nuevas alternativas de comunicación para diferentes zonas geográficas de país. Además, se busca fomentar un conocimiento generalizado sobre este tema, tanto para profesionales como para usuarios, de manera tal que las empresas que brinden estos tipos de servicios se proyecten a futuro y puedan escoger la mejor opción para ellos.
1.2
Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Realizar un análisis comparativo de las tecnologías WiMAX 802.16d y WiMAX 802.16e basados en aspectos económicos, técnicos, de diseño y funcionalidad de cada uno de los estándares indicados.
1.2.2 Objetivos específicos
1) Describir técnica y conceptualmente los estándares IEEE 802.16e y IEEE 802.16d.
2) Realizar un análisis comparativo desde el punto de vista técnico, económico, funcional, de prestaciones, capacidades y servicios, y establecer diferentes escenarios de posible aplicación para un operador de telecomunicaciones.
3) Proponer un escenario ideal de prestación de servicios de banda ancha basada en acceso inalámbrico WiMAX de aplicación en la Zona Metropolitana de Costa Rica, y establecer un caso de negocios tomando en cuenta la convergencia de servicios y redes fijas y móviles de banda ancha.
4) Investigar el estado actual de la industria WiMAX, determinando fabricantes, productos, mapas o planes de desarrollo, servicios y soluciones WiMAX y certificaciones para la implementación de la red en la Zona Metropolitana.
5) Ofrecer una serie de conclusiones que permitan ejercer un criterio de selección entre ambas tecnologías.
1.3
Metodología
La metodología para este proyecto será investigativa. Su investigación se realizará mediante recopilaciones de información bibliográfica en artículos publicados en revistas, páginas de Internet de las compañías fabricantes, libros, entrevistas, entre otros.
De esta manera, los pasos para la elaboración del trabajo serán los siguientes:
Recopilación de información bibliográfica acerca de los estándares 802.16 d y 802.16 e de la IEEE.
Preparación del informe del proyecto de manera que se abarquen los objetivos del mismo, y donde se pueda tener una idea clara de las ventajas que ofrece una tecnología frente a la otra, dependiendo de las necesidades del usuario.
Presentación del proyecto donde se expongan los temas relevantes del trabajo y se ofrezcan conclusiones útiles que permitan comprender las alternativas que ofrece WiMAX en las redes de acceso, tanto móviles como fijas.
CAPÍTULO 2: La familia de los estándares WiMAX
WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access) es el nombre comercial de un grupo de tecnologías inalámbricas que emergieron de la familia de estándares WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network – Red de Área Metropolitana Inalámbrica) IEEE 802.16. Si bien el término WiMAX sólo tiene algunos años, el estándar 802.16 ha existido desde fines de la década de 1990, primero con la adopción del estándar 802.16 (10-66GHz) y luego con el 802.16a (2-11GHz) en enero de 2003. A pesar del establecimiento del estándar 802.16a, el mercado del FWA (Acceso fijo inalámbrico, del inglés “Fixed Wireless Access”) nunca terminó de despegar, a pesar de los esfuerzos que se hicieron durante ese período, por parte de las industrias de telecomunicaciones.
El IEEE 802.16a ha sido prácticamente olvidado ya que recientemente el foco de atención fue el IEEE 802.16-2004, que también es conocido como 802.16REVd o .16- 2004. El 802.16-2004 es una mejora del estándar .16a que fue certificado en octubre de 2004. Por otra parte, también está el IEEE 802.16e, otra variación de WiMAX que le sigue al estándar 802.16-2004, pero que es incompatible con él. Lo único que estos dos estándares propuestos tienen en común es que emplean el mismo rango de frecuencia (sub. 11GHz).
En 2001, se creó el Foro WiMAX para promover el estándar y para ayudar a asegurar la compatibilidad y la interoperabilidad a través de múltiples fabricantes. En sus primeras épocas, el Foro WiMAX estaba compuesto solo de algunos fabricantes de
equipos relativamente pequeños que solían proveer equipos inalámbricos fijos a un mercado reducido, y dos grandes compañías de semiconductores: Intel y Fujitsu.
Hoy, existen aproximadamente 300 compañías que participan en el Foro WiMAX, incluyendo algunos operadores y varios de los principales OEM: Alcatel, Ericsson, Lucent, Motorola, Nortel y Siemens, para nombrar solo algunos.
WIMAX presenta una solución para conexiones a áreas rurales o a áreas poco accesibles. Entre las características más resaltantes de este sistema se pueden mencionar las siguientes:
• Utiliza la modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) la que permite la transmisión en distintas frecuencias simultáneamente. Utiliza espaciamiento ortogonal con lo que se puede garantizar que no exista interferencia entre estas.
• Soporta mecanismos de antenas inteligentes los cuales mejoran la eficiencia espectral en sistemas inalámbricos y distintos tipos de antenas.
• Soporta redes punto multipunto y redes de malla.
• Presenta una calidad de servicio (QoS) para los operadores NLOS tal que la señal no se distorsiona severamente por la existencia de edificios ni otras posibles causas de interferencia.
• Soporta las multiplexaciones TDM y FDM, tal que permite la interoperabilidad entre los sistemas celulares (FDM) y los inalámbricos (TDM).
• Como medidas de seguridad, incluyen mecanismos de criptografía y seguridad propios del sistema.
• Posee un ajuste dinámico del tamaño del paquete de transmisión.
• Tiene aplicaciones de voz, datos y video.
• El sistema WIMAX presenta técnicas de modulación adaptativa dependiendo de las condiciones de la relación señal a ruido (SNR).
• Técnicas como FEC, codificación convolutiva, y otros algoritmos son usados para poder detectar y corregir errores, tal que ayudan a mejorar la relación señal a ruido o SNR. Se incorpora el ARQ (Automatic Repeat Request), para solucionar los errores que no puede solucionar la FEC.
• Algoritmos de control de potencia son implementados en las estaciones base de tal manera que regular los niveles de potencia en los CPE (Customer Premise Equipment), de tal forma que la potencia recibida en la estación base sea ya predeterminada. Con esto se logra un ahorro en la potencia consumida en los CPE.
La tecnología WiMAX está desarrollada en tres fases. La fase uno se soporta sobre el estándar IEEE.802.16d-2004, mediante la utilización de antenas externas y orientadas a clientes con ubicación fija. La fase dos se soporta sobre la misma especificación, pero contempla equipos terminales de usuario con antenas internas, esto permite un aprovisionamiento y activación expedito. Finalmente la tercera etapa se soporta sobre la especificación IEEE802.16e, esta variante permite la movilidad del usuario final dentro del área de cobertura de la plataforma. En la figura #1 se muestra la evolución de la tecnología WiMAX.
Figura # 1: Evolución de la tecnología WiMAX
A continuación se muestra una tabla resumen de las diferentes versiones del estándar 802.16:
Tabla # 1: Resumen de los principales estándares WiMAX
Estándar 802.16 802.16a 802.16d 802.16e
Lanzamiento 2001 2003 2004 2005 Banda de frecuencia 2-66GHz 2-11GHz 11GHz 2-6GHz Máximo ancho de banda 124Mbps 70Mbps 70Mbps 70Mbps
Funcionamiento Sólo con visión
directa directa (NLOS) Sin visión directa (NLOS) Sin visión directa (NLOS) Sin visión
Cobertura 2-5 Km. aprox. 40 Km. máx. aprox. 50 Km. 5-10 Km. máx. 6-10 Km. aprox. 50 Km. máx. 2-5 Km. Modulación QPSK, 16QAM y 64 QAM OFDM con 256 subportadoras QPSK LMDS SOFDMA OFDM OFDMA
Movilidad Sistema fijo Sistema fijo Sistema fijo Movilidad
pedestre
802.16
La primera versión del estándar fue completada en el 2001. Esta versión de WIMAX considera un rango de espectro mayor a 10 GHz (especialmente de 10 a 66 GHz). Para este estándar la línea de vista era necesaria, y el multi direccionamiento utilizaba técnicas de multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM). Así se soportan canales con un ancho de banda mayor a 10 MHz.
Este primer estándar consideró la prestación del servicio con las autorizaciones correspondientes (licencias), aunque se utilice un espectro libre de licencia. Además este primer estándar fue diseñado para conexiones punto a punto.
802.16a
La actualización de 802.16a, completada en enero del 2003, consideró el rango del espectro de frecuencia de 2 a 11 GHz. Utiliza rangos de frecuencia tanto licenciados como no licenciados, además incorpora la capacidad de no línea de vista (NLOS) y características de calidad de servició (QoS). Esta versión da mayores capacidades a la capa de control de acceso al medio o MAC (Medium Access Control). El estándar Europeo HiperMAN fue definido con un total de tres capas físicas (PHY) de apoyo. Se incorporó un soporte para FDD y TDD proveyendo para ambas transmisión de datos “duplex” y “half duplex” en el caso donde FDD es usado. Son soportados protocolos como Ethernet, ATM e IP. Este estándar es para conexiones fijas de última milla punto a punto y punto multipunto.
802.16-2004(d)
Las principales características de los protocolos para WIMAX fijos, mencionados en los puntos anteriores, se han incorporado en 802.16-2004. Por lo que éste es el reemplazo del estándar IEEE 802.16a. Este estándar final soporta numerosos elementos obligatorios y opcionales. Teóricamente podría transmitir hasta para un rango de datos de 70Mbps en condiciones ideales, aunque el rendimiento real podría ser superior a 40Mbps.
Debe tenerse presente que para este estándar se tiene tres tipos de modulación para la capa PHY: modulación con una sola portadora, modulación con OFDM de 256 portadoras y de 2048 portadoras, pero el elegido es OFDM de 256 portadoras, debido a que en el proceso de cálculo para la sincronización se tiene menor complejidad respecto a la utilización del esquema de 2048 portadoras.
802.16e
IEEE 802.16e conserva las técnicas actualizadas en el WiMAX fijo, a las cuales se agrega un soporte robusto para una banda ancha móvil. Mientras no este completamente fija, la tecnología está basada sobre la tecnología de OFDM. Esta técnica OFDM soporta 2K, 1K, 512 y 128 portadoras. De manera interesante, ambos estándares soportan el esquema de 256-portadoras elegido para IEEE 802.16-2004.
El sistema de OFDM permite que las señales sean divididas en muchos subcanales de baja velocidad para aumentar la resistencia a la interferencia multidireccional. Por ejemplo, un canal de 20MHz es subdividido en 1000 canales, cada usuario individual podría permitirle un número dinámico de los subcanales basados en su distancia y necesidades de la celda (4, 64, 298, 312, 346, 610 y944). Si está cercano, se podría utilizar una modulación tal como la modulación de la amplitud en cuadratura de 64 niveles (64-QAM).
2.1
IEEE 802.16
IEEE 802.16-2004 es una tecnología reciente de acceso inalámbrico fijo, lo que significa que está diseñada para servir como una tecnología de reemplazo del DSL inalámbrico, para competir con los proveedores de cable de banda ancha o DSL, o para proveer un acceso básico de voz y banda ancha en áreas sub-abastecidas donde no existe ninguna otra tecnología de acceso; los ejemplos incluyen a países en desarrollo y áreas rurales en países desarrollados donde el cable de cobre no tiene un sentido económico. El 802.16-2004 también es una solución viable para el “backhaul” inalámbrico para puntos de acceso WiFi o potencialmente para redes celulares, en particular si se usa el espectro que requiere licencia. En ciertas configuraciones, WiMAX Fijo puede usarse para proveer mayores velocidades de datos.
El estándar del 802.16e del IEEE es una revisión para la especificación base 802.16-2004 que apunta al mercado móvil añadiendo portabilidad y capacidad para clientes móviles con IEEE. Éste, permite utilizar el sistema de comunicaciones inalámbricas con terminales en movimiento. Muchos fabricantes de hardware y operadores estaban esperando a esta decisión para empezar a desplegar redes de WiMAX. Ahora ya se saben qué especificaciones técnicas debe tener el hardware del WiMAX móvil, que es mucho más jugoso económicamente, con lo que es posible diseñar infraestructuras mixtas fijo-móviles.
2.1.1 Modelo de Referencia del Estándar 802.16
La figura #1 ilustra el modelo de la referencia y el alcance de este estándar.
Figura # 2: Capas del protocolo IEEE 802.16 d mostrando SAP`s
Como se aprecia en la figura #2, la capa MAC se subdivide en tres capas que son: Sub capa de Convergencia (CS) que permita el mapeo o transformación de los datos que provienen de redes externas por medio del punto de acceso al servicio CS, denominado CS SAP, a unidades de servicio de datos tipo MAC (MAC-SDUs)
Las unidades de servicios de datos (SDU) son recibidas por la subcapa de parte común (CPS) a través del punto de acceso al servicio MAC SAP. En esta capa, cada flujo SDU es clasificado y se le asocia un identificador de flujo denominado SFID y un
identificador de conexión CID además a esta capa se le puede realizar la supresión del encabezado de la carga útil. (IEEE Std 802.16™-2004)
La sub capa de parte común MAC (CPS) concentran las funcionalidades de acceso al sistema, administración del ancho de banda, establecimiento de las conexiones y mantenimiento de la conexión.
La capa MAC adicionalmente contiene una capa de seguridad separada que permite proveer autentificación, intercambio de llaves y cifrado.
La capa MAC intercambia información que debe ser enviada al medio físico por medio del punto de acceso físico (PHY SAP), el cual depende de la implementación en particular. (IEEE Std 802.16™-2004)
2.1.2 Capa Física (PHY)
La capa física fue concebida para optimizar la operación de sistemas inalámbricos de banda ancha, que utilizan el ámbito de frecuencias de 2 a 11 GHz y que operan bajo la condición de sin línea vista (NLOS). El estándar IEEE 802.16d contempla tres posibilidades para la capa física que son:
• Wireless MAN-SCa: esta especificación considera una interfaz de aire apoyada
en una única portadora modulada.
• Wireless MAN-OFDM: Esta especificación utiliza un esquema de
multiplexación por división de frecuencia Ortogonal (OFDM) que comprende 256 portadoras.
• Wireless MAN-OFDMA: utiliza el esquema OFDM de 2048 portadoras, el
portadoras a cada receptor individual, de manera que este estándar es referido como acceso múltiple (OFDMA).
Los sistemas basados en OFDM presentan un mejor desempeño al utilizar NLOS, y su análisis matemático se basa en la transformada rápida de Fourier (FFT) (Rivero, 2006). 2.1.2.1 FDM- OFDM-OFDMA-SOFDMA
Para entender cómo OFDM, OFDMA y SOFDMA trabajan, es útil comenzar con su "madre" es decir FDM (Múltiplexación por División de Frecuencias).
En el sistema de FDM, las señales de múltiples transmisores son simultáneamente transmitidas (al mismo tiempo) sobre múltiples frecuencias. Cada gama de frecuencias (subportadoras) es modulada por separado por diversas secuencias de datos y un espaciamiento (banda de protección) se coloca entre las subportadoras para evitar traslape de señales.
Figura # 3: Multiplexación por División de Frecuencias
La Multiplexación por División de Ortogonal de Frecuencia (OFDM) es una técnica de multiplexación que subdivide el ancho de banda en sub portadoras de frecuencia múltiple, como se ve en la figura # 4.
Figura # 4: Esquema básico de una modulación OFDM
Como FDM, OFDM también utiliza múltiples subportadoras pero éstas se encuentran pegadas unas de las otras, eliminando las bandas de protección entre sub portadoras adyacentes. Esto es posible porque las frecuencias (subportadoras) son ortogonales, significando que el pico de una subportadora coincide con la falta de información de otra adyacente. La figura #5 muestra la ortogonalidad entre subportadoras.
Cuando estas subportadoras son ortogonales en frecuencia, se permite reducir el ancho de banda total requerido aún más, como se muestra en la figura #6.
Figura # 6: a) Técnica Multiportadora convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales
En un sistema de OFDM, secuencias de datos transmitidos a alta velocidad se dividen, en secuencias múltiples paralelas de datos a bajas velocidades. Cada secuencia de datos más pequeña después es mapeada a subportadoras individuales de datos y se modula usando algunas clases de PSK (Phase Shift Keying) o de QAM (Quadrature
Amplitude Modulation), es decir BPSK, QPSK, el 16-QAM, los 64-QAM. Como ya se mencionó OFDM necesita menos ancho de banda que FDM para llevar la misma cantidad de información que se traduce en una eficacia espectral más alta. Además de una alta eficacia espectral, un sistema de OFDM tal como WiMAX es más resistente en el ambiente de NLOS. Puede superar eficientemente interferencia causada por la multidireccionalidad porque la ecualización se hace en un subconjunto de subportadoras en vez de en una sola portadora. El efecto de ISI (Interferencia Inter Símbolo) se suprime en virtud de un período más largo del símbolo de las subportadoras paralelas, que un solo sistema de portador.
En OFDM se utilizan 256 sub portadoras, de éstas, 192 se utilizan para datos, 56 son andadas, -28 en la parte baja y 28 en la parte alta, cumplen el papel de bandas de guarda y 8 son utilizadas para señales pilotos permanentes (Rivero, 2006).
A continuación se muestra a diagrama de bloques el esquema de Transmisión para el estándar 802.16:
Figura # 7: Diagrama de Bloques de OFDM
El procesamiento se compone de:
a) Bloque aleatorizador que permite distribuir la energía de los datos sobre el espectro disponible.
b) Bloque FEC para la corrección de errores, que se compone de un bloque de codificación Reed- Solomon una concatenación convolucional.
c) Bloque intercalador para suministros diversidad temporal y minimizar el efecto de las ráfagas de error sin agregar encabezado extra.
d) Un bloque para mapear los datos de información a los símbolos del esquema de modulación utilizado.
e) Un bloque para mapear los símbolos dependientes del esquema de modulación a los símbolos OFDM.
f) Un bloque para la transformación del símbolo OFDM del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo.
g) Bloque para insertar el prefijo cíclico requerido para optimizar la transmisión en un ambiente multitrayecto.
h) Bloque para realizar la conformación de la señal. i) Bloque para acondicionar la señal para su radiación.
Dos aspectos asociados de manera inherente a cada bloque funcional que diferencia la tecnología WiMAX son:
• La capacidad de adaptar el esquema de modulación a las condiciones del canal.
• La capacidad de corrección de errores logrado a través de la concatenación del
código de bloque Reed Solomon.
La técnica de modulación OFDM también puede ser desarrollada como una tecnología de múltiple acceso (“Orthogonal Frequency Division Multiple Access “OFDMA”). En este caso cada símbolo OFDM puede transmitir información desde o hacia varios usuarios utilizando diferentes grupos de sub portadoras.
Como OFDM, OFDMA emplea múltiples subportadoras cercamente espaciadas entre si, pero cada grupo de sub portadoras son divididas en grupos de sub portadoras. Cada grupo forma un sub canal. Las subportadoras que forman un subcanal no necesitan ser adyacentes. En el “downlink”, un subcanal se puede pensar para diversos receptores. En el “uplink”, un transmisor se puede asignar a unos o más subcanales.
Figura # 8: Multiplexación de Multiple Acceso por División de Frecuencias “OFDMA”
Subcanalización define los subcanales que se pueden asignar a las estaciones del suscriptor (Suscriber Stations “SSs”) dependiendo de sus condiciones del canal y requisitos de los datos. Usando subcanalización, una Estación Base Móvil de WiMAX puede asignar más energía a los dispositivos del usuario (SSs) con un SNR más bajo (relación del Señal-a-Ruido), y menos energía a los dispositivos del usuario con un SNR más alto. Subcanalización también permite a las Estaciones Base asignar una energía más alta a los subcanales asignados del subscriptor que se encuentren en interior dando por resultado una mejor cobertura dentro de los edificios.
Figura # 9: Sub canalización para Uplink en WiMAX. En OFDM, sólo una estación de subscriptor transmite en una misma pista. En OFDMA, varias estaciones de subscriptor pueden transmitir en
la misma pista sobre varios sub canales
Subcanalización en el “uplink” puede ahorrar energía al dispositivo de un usuario porque puede concentrar energía solamente en cierto subcanal asignado a él. Esta característica de ahorro de energía es particularmente útil para los dispositivos de usuarios que trabajen con baterías, caso probable en WiMAX móvil.
La estructura de símbolo de OFDMA consiste en 3 tipos de subportadoras como se muestra en la figura # 10.
1. Subportadoras de datos para la transmisión de datos
2. Subportadoras piloto para efectos de estimación y sincronización
3. Subportadoras nulas no utilizadas para la transmisión, usadas para la bandas guarda y portadoras DC.
Figura # 10: Estructura de Símbolo de OFDM
Las sub portadoras activas (de datos y piloto) son agrupadas en subgrupos llamados subcanales. Las subportadoras que forman un subcanal pueden ser contiguas o no.
La capa física de WiMAX soporta subcanalización en ambos sentidos en el enlace de bajada (DL) y en el enlace de subida (UL). La mínima unidad de tiempo frecuencia de sub canalización es una ranura (“slot”) que es equivalente a 48 subportadoras.
Se tienen básicamente dos modos de sub canalización, el FSCU y el PUSC, en estos dos la distribución de las sub portadoras piloto es diferente para cada uno de ellos.
En el modo de sub canalización de uso total (FUSC Fully Used Subchannelization) para el DL, primero se ubican las portadoras piloto y entonces las restantes subportadoras son divididas en los subcanales de datos. Para el modo de subcanalización de uso parcial (PUSC Partially Used Sub-Carrier) para el DL y el UL el grupo de subportadoras utilizadas (de datos y pilotos) es primero particionado en subcanales, y luego las subportadoras piloto son ubicadas dentro de cada subcanal. En FUSC hay un único grupo de subportadoras pero en PUSC cada subcanal contiene su propio grupo de subportadoras. Una estación del cliente podría usar todos los subcanales dentro del período de la transmisión, o los varios clientes podrían transmitir cada uno usando una porción del número total de subcanales simultáneamente.
Existen 2 tipos de permutaciones de las subportadoras para la subcanalización; la diversa y la contigua, la permutación diversa traza las subportadoras seudo aleatoriamente para formar un subcanal, esto produce una diversidad en frecuencia y que la interferencia entre celdas tenga un valor promedio, la permutación diversa incluye DL FUSC (Fully Used Sub-Carrier), DL PUSC (Partially Used Sub-Carrier) y UL PUSC. Con DL PUSC, por cada par de símbolos OFDM, las sub portadoras disponibles son agrupadas en “clusters” que contienen 14 sub portadoras contiguas por período de símbolo.
Un esquema de reordenamiento es utilizado para formar grupos de “clusters” tales que cada grupo de clusters son distribuidos a través del espacio de la sub portadora. Un subcanal en un grupo contiene 2 “clusters” y esta hecho de 48 subportadoras de datos y 8 subportadoras pilotos. Las subportadoras de datos en cada grupo son además permutadas para generar subcanales dentro del grupo.
En el UL PUSC el espacio disponible de la subportadora es dividido en partes y 6 de estas son escogidas a través del espectro entero por medio de un esquema de reagrupamiento permutación, son agrupados juntas para formar una ranura. Una ranura comprende de 48 sub portadoras de datos y 24 sub portadoras piloto en 3 símbolos OFDM.
La permutación continua agrupa un bloque de subportadoras continuas para formar un subcanal. La permutación contigua incluye DL AMC y UL AMC (“Adaptive Modulation and Coding”), y tiene la misma estructura. Un “bin” consiste de 9 sub portadoras continuas en un símbolo, con 8 asignadas para los datos y una asignada para un piloto. Un ranura temporal (slot) AMC esta definido como una colección de “bins”
del tipo (N ×M= 6), donde N es el número de “bins” contiguos y M es el número de
símbolos 38 contiguos. Así las combinaciones permitidas son [(6 bins, 1 símbolo), (3 bins , 2 símbolo), (1 bins, 6 símbolo)] .
Escalable OFDMA (SOFDMA) agrega escalabilidad a OFDMA. Escala el tamaño de FFT el ancho de banda del canal mientras que mantiene el espaciamiento de la frecuencia de las subportadoras constante a través de diversos anchos de banda del canal. Un tamaño más pequeño de FFT se da a canales más bajos de ancho de banda, mientras que un tamaño más grande de FFT a canales más anchos. Haciendo el espaciamiento de la frecuencia de la subportadora constante, SOFDMA reduce la complejidad del sistema de canales más pequeños y mejora el funcionamiento de canales más anchos.
Como recordatorio, IFFT (Transformada Rápida de Fourier Inversa) se utiliza en un transmisor de WiMAX para crear una forma de onda de OFDM de secuencias de datos moduladas, mientras que FFT (Transformada Rápida de Fourier) se utiliza en un receptor de WiMAX para demodular las secuencias de datos. El tamaño de FFT iguala el número de subportadoras, entonces en un sistema de OFDM/OFDMA con 256 subportadoras, el tamaño de FFT es 256.
Figura # 11: Estructura del transmisor y receptor en WiMAX
SOFDMA es el modo de OFDMA usado en WiMAX móvil, que luego se retomará. Apoya los anchos de banda del canal que se extienden a partir de 1.25MHz a 20 MHz. Con ancho de banda escalable, la tecnología móvil de WiMAX puede cumplir con varias regulaciones de la frecuencia por todo el mundo y tratar flexiblemente los requisitos del operador de servicios ISP.
2.1.3 Capa MAC (Medium Access Control)
En general para el estándar 802.16, dentro del concepto de acceso al medio, se diferencia tres tipos: cómo se gestiona el acceso para los dos canales (subida y bajada de la información), el acceso de los usuarios y la multiplexación de la información.
Este tipo de comunicaciones tiene una característica dúplex, es decir, existe una transmisión y recepción en los dos extremos. Como ambas comunicaciones comparten el mismo medio, es necesario establecer algún mecanismo para el control del acceso. Los métodos principales son FDD (basado en reparto de la frecuencia) y TDD (reparto temporal).
El estándar WiMAX soporta ambas técnicas de transmisión. Las soluciones para bandas licenciadas recurren a la técnica FDD, mientras que las orientadas a bandas libres unan la técnica TDD. De todas maneras, dentro de las bandas existe cierta flexibilidad a la hora de usar cada tipo de tecnología.
2.1.3.1 FDD
Técnica “Frequency Division Duplex”, o transmisión bidireccional por división en frecuencia. Se basa en la utilización de dos bandas diferentes de frecuencia para la transmisión, una para el envío y otra para la recepción. Esta técnica es la utilizada en telefonía móvil de segunda generación (GSM) y tercera generación.
Como desventaja tiene el hecho de tener que recurrir a buenos filtros separadores de frecuencia (ya que se tratan normalmente de bandas conexas). Este tipo de filtros reciben el nombre de duplexores.
Está técnica es la que mejor se adapta al tráfico de voz, ya que permite tener un retardo mínimo, pero, por contra es la que requiere una implementación más costosa, principalmente por la adquisición de la licencia para operar en el espectro.
Además, presenta la ventaja de no tener que recurrir a bandas de guardia temporales como en el caso TDD.
En general, se recomienda su utilización en entornos con patrones de tráfico predictivos, donde el coste del equipamiento se más importante que la eficiencia espectral.
2.1.3.2 TDD
Técnica “Time Division Duplex”, o transmisión bidireccional por división en tiempo. A diferencia de la técnica FDD, se utiliza una única banda de frecuencia para envío y recibo de la información, compartiendo los periodos de transmisión. Esto provoca que los retardos de transmisión limiten el tamaño de las celdas.
Es una técnica muy eficiente para tráfico asimétrico, ya que se adapta al perfil del tráfico, por lo que se considera más adecuado para perfiles con descargas masivas de Internet, por ejemplo.
Figura # 12: FDD y TDD
Presenta un uso más óptimo de las “smart antenas” o antenas inteligentes y está enfocada a usos donde la eficiencia espectral sea más importante que el coste.
La capa MAC (Medium Access Control), fue diseñada para accesos a las aplicaciones PMP (Punto Multi Punto)de banda ancha de muy alta tasa de datos y con una distinta variedad de requerimientos de calidad de servicios (QoS), por lo que esta orientada a la conexión.
Permite que el mismo terminal sea compartido por múltiples usuarios. Lo que hace flexible a este sistema es que maneja algoritmos que permiten que cientos de usuarios finales puedan tener distintos requerimientos de ancho de banda y de latencia. Como ya se mencionó, esta capa también se encarga de manejar la necesidad de tener muy alta tasa de bits, tanto para el “uplink” (hacia la BS) como para el “downlink” (desde la Estación Base). El sistema ha sido diseñado para incluir multiplexación por
división del tiempo (TDM) de voz y dato, protocolo de Internet (IP), y voz sobre IP (VoIP).
El protocolo IEEE 802.16, debe soportar los variados requerimientos del “backhaul”, como el modo de transferencia asíncrono (ATM) y protocolos de
“packet-based”.
La capa MAC a su vez esta subdividida en tres sub capas: Convergencia, Parte Común y Seguridad.
La principal de estas es la sub capa de Parte Común, es en ella donde se maneja el ancho de banda, se establece la conexión, y se establecen los protocolos de unidad de datos (PDUs). También se encarga de hacer el intercambio de la unidad de servicios de datos de la MAC (SDU) con la capa de convergencia. Esta sub capa se encuentra fuertemente ligada con la capa de seguridad.
La sub capa de convergencia es la encargada de adaptar las unidades de datos de protocolos de alto nivel al formato MAC SDU y viceversa. También se encarga de clasificar los SDUs de la MAC entrantes a las conexiones a las que pertenecen.
La sub capa de seguridad es la encargada de la autentificación, establecimiento de llaves y encriptación. Es en ella donde se realiza el intercambio de los PDUs de la MAC con la capa física.
2.1.3.3 Formato de la PDU de la MAC
La PDU de la MAC es la unidad de datos que intercambia la capa MAC de la BS y la del SS. Consiste en una cabecera de MAC de longitud fija y una carga útil de longitud variable y un ciclo redundante de control (CRC). Dos formatos de cabecera son diferenciados por el escudo HT, una cabecera genérica y una cabecera de requerimiento de ancho de banda.
Se utilizan tres tipos de sub cabeceras de la MAC.
1. Sub cabecera de gestión de concesión. Es usada por la SS para transportar la gestión de ancho de banda necesaria por su BS.
2. Sub cabecera de fragmentación. Contiene información que indica la presencia y orientación en la carga útil de cualquier fragmento de SDU.
3. Sub cabecera de empaque. Usada para indicar el empaquetamiento de múltiples SDUs en un único PDU.
Las cabeceras de gestión de concesión y de fragmentación pueden ser insertadas en el PDU de la MAC inmediatamente después de la cabecera genérica, y así indica el tipo de escudo. La sub cabecera de empaque puede ser insertada después de cada SDU de la MAC y es indicada por el tipo de escudo.
2.1.3.4 Transmisión de los PDUs de la MAC.
La MAC del estándar IEEE 802.16, soporta varios protocolos de capas de alto nivel así como ATM o IP. Para maximizar el proceso haciéndolo flexible y eficaz, se incorporan los procesos de fragmentación y de empaque. El proceso de fragmentación es donde un SDU de MAC es dividido en fragmentos. Y el proceso de empaque es en el cual varios SDUs de la MAC son empaquetados en una sola carga útil de PDU de la MAC. Ambos procesos pueden ser usados tanto para “downlink” como para “uplink”. El estándar IEEE 802.16 permite el uso de ambos procesos simultáneamente para un eficiente uso del ancho de banda, y fue diseñado para poder soportar tanto FDD como TDD.
La MAC de la BS se encarga de crear un cuadro “downlink” (sub cuadro del TDD), empezando con un preámbulo que es usado para la sincronización y la estimación del canal. Una cabecera de cuadro de control (FCH) es transmitida después del preámbulo para el resto del cuadro. Esto es requerido debido a que la ráfaga es transmitida con diferentes esquemas de modulación y codificación. El FCH es seguido por una o múltiples ráfagas “downlink”, de acuerdo de transmisión para la ráfaga de perfiles y consiste de un número entero de símbolos OFDM.
La localización del perfil de la primera ráfaga de “downlink” es especificada en el cuadro prefijo del “donwlink” (DLFP), parte del FDH. En la figura #13 se muestra la estructura de la sub ráfaga “downlink” TDD.
Figura # 13: Sub ráfaga downlink TDD
La ráfaga de datos es transmitida en orden de decrecimiento de robustez para permitir que el SS reciba datos confiables antes de arriesgar un error de ráfaga que podría causar perdida de sincronización. En el “downlink”, una porción del TDM inmediatamente seguida del FCH es usada para UGS (Unsolicited Grand Service), útil para aplicaciones constantes de tipo binario con estrictas restricciones de retardo como la VoIP.
2.1.4 Procesamiento de la señal
En primer lugar se introducirá el concepto de modulación, prestando especial interés a aquellas que utiliza el estándar WiMAX. Por último se analizará el concepto de modulación adaptativa, que es el método utilizado por WiMAX para regular la tasa de transmisión y reducir la tasa de error de bit
2.1.4.1 Introducción a las modulaciones
La modulación es el proceso por el cual una onda portadora puede llevar un mensaje o señal digital. Existen tres métodos principales de modulación: en amplitud, frecuencia y/o fase. Además de la técnica de modulación asociada a alguna de las tres
características anteriores, está el concepto de orden de modulación. Por este orden entendemos el número de bits de información que es posible codificar por símbolo, o representación modulada de la señal para un periodo unitario. Los métodos principales de modulación son:
“Amplitude Shift Keying (ASK)”: Implica el incremento de la amplitud (potencia) de la onda en función de la señal que queremos transmitir. Esta es la técnica que se utiliza en la transmisión de radio AM, que se caracteriza por la simplicidad de los receptores.
“Frequency Shift Keying (FSK)”: Cambia la frecuencia de la señal transmitida en función de la información Los sistemas que utilizan esta modulación (como la radio en FM), son más resistentes al ruido, que afecta más a la amplitud de la señal.
Figura # 14: Frequency shift Keying (FSK)
“Phase Shift Keying (PSK)”: cambia la fase de la señal en función de la señal. Por ejemplo en el caso de la modulación binaria BPSK, cada símbolo indica dos estados diferentes en función de una fase de 0º ó 180º.
Figura # 15: Phase Shift Keying
En el caso del QPSK, se añaden dos fases extras: 90º y 270º, ya que se transmiten dos bits por símbolo. La fase de cada símbolo no se toma de una determinada, sino que se compara con la anterior (por eso se trata de una técnica diferencial). La diferencia entre fases es la que determina el símbolo emitido. Este modelo hace que sea más robusto a desfases del canal. La asignación bits a símbolo se hace con el criterio de reducir la posibilidad de error:
Tabla # 2: Modulación QPSK Símbolo Desfase 00 0º 01 90º 11 180º 10 270º
Figura # 16: Modulación QPSK
ASK y PSK pueden combinarse para crear QAM (Quadrature Amplitude Modulation), donde tanto la fase como la amplitud se cambian para guardar la información. El receptor recibe la señal modulada, detecta los desfases y demodula la señal. Para el caso de una modulación 16-QAM, cada símbolo representa 4 bits, ya que existen 4 amplitudes reales e imaginarias posibles. Para el caso de modulación 64-QAM, existen 8 amplitudes reales e imaginarias posibles, por lo que comparando con el caso anterior, a igual potencia la separación entre estados del símbolo es menor.
Para modulaciones superiores, con mayor número de bits por símbolo, la tasa de transmisión aumenta, pero también lo hace la probabilidad de error para idéntica potencia de transmisión. Esto se debe a que la distancia entre estados disminuye, con lo cual es más fácil que se produzca un error con un símbolo adyacente.
2.1.4.2 Modulación adaptativa
Los diferentes órdenes de modulación permiten enviar más bits por símbolo y, por tanto, alcanzar una mayor potencia de salida y eficiencia espectral. A pesar de ello, utilizar técnicas de modulación como 64-QAM, implica que sea necesaria una mayor relación señal a ruido (SNR) para evitar las interferencias y mantener una tasa de error de bit moderada.
El uso de modulación adaptativa permite que un sistema inalámbrico pueda escoger el orden de modulación en función de las condiciones del canal. Para el caso de WiMAX, a mayor distancia de la estación base menor es el orden de modulación, pasando por las siguientes técnicas: 64QAM, 16QAM, QPSK y BPSK.
Así el sistema para trabajar en 64QAM necesita unos 22 dB de relación señal a ruido, para 16QAM son necesarios unos 16 dB y para QPSK 9 dB.
2.1.4.3 Técnicas de control de errores
Las técnicas de corrección de errores (FEC) han sido incorporadas a WiMAX para reducir los requisitos del sistema en cuanto a la relación señal a ruido. El “Strong Reed
Solomon FEC”, la codificación convolucional y los algoritmos de” interleaving” se utilizan para detectar y corregir errores y mejorar el “throughput”. Estás técnicas de corrección robustas ayudan a recuperar las errores que puedan ocurrir por pérdidas de señal a frecuencias determinadas o errores de “burst”.
Los códigos Reed Solomon se basan en la transmisión extra de símbolos para permitir la detección de errores. Si un código Reed Solomon opera con símbolos de 8 bits, tiene 255 símbolos por bloque. De esos escogemos un parámetro k, con k<n (siendo n el número de símbolos por bloque), que es el número de símbolos de datos, mientras que el resto hasta n serían símbolos de paridad. Si escogemos en nuestro ejemplo k=223, tendríamos 32 símbolos de paridad. Reed Solomon es capaz de corregir hasta 16 errores en símbolos, la mitad del número de símbolos de paridad de los que dispone.
Así, la capacidad de corrección de errores viene dada por n-k, la medida de redundancia del bloque. Si las posiciones del los símbolos se conocen de antemano, es posible corregir el doble de símbolos. En caso contrario, siempre se podrá corregir hasta (n-k)/2.
Estas características hacen que se adapten muy bien a errores en portadoras. Esto se debe a que no le afecta el número de bits erróneos que hay en cada símbolo, ya que
los toma como un único error. Para casos donde los errores no se caracterizan por esto es preferible recurrir a codificaciones convolucionales.
Los códigos convolucionales son un tipo de códigos de corrección de errores, en los cuales un símbolo original de longitud m bits, se transforma en uno de n, siendo n>m, siendo la transformación función de los últimos k símbolos de información, con k la longitud del código.
Existen varios algoritmos para la decodificación de los códigos convolucionales. Para valores de k relativamente pequeños, la mejor opción es el algoritmo Viterbi, que provee una solución de máxima verosimilitud. Para valores de k elevados, este algoritmo se vuelve impracticable por lo que se suele recurrir a otros, como el algoritmo Fano. Este tipo de códigos se suele concatenar, como en el caso de WiMAX (en el 802.16-2004), con códigos Reed Solomon.
En WiMAX también se contempla la utilización de otra serie de códigos, pero de manera opcional, como son los “turbo codes”, “turbo product codes” o, en el caso 802.16e, códigos de control de paridad de baja densidad.
Por otro lado, “Automatic Repeat Request (ARQ)” se utiliza para corregir los errores que no resuelve el FEC, mediante el reenvío de la información con errores. El estándar WiMAX incorpora la variante llamada H-ARQ (híbrido). Esto mejora de manera significativa la tasa de error de bit (BER) del sistema.
Existen diferentes métodos de implementar H-ARQ: “chase combining”, “rate compatible punctured turbo codes” y redundancia incremental. Este último, también llamado H-ARQ tipo II en lugar de simples reenvíos de la señal, se envía información redundante adicional, para facilitar la decodificación. H-ARQ tipo III es otra técnica de redundancia incremental, pero en la cual cada retransmisión es auto decodificable, cosa que no ocurría en el anterior.
“Chase combining” implica la retransmisión del mismo paquete codificado. El receptor se encarga del tratar las multiples copias del paquete, ponderándolas por la SNR de cada momento de transmisión. Es una técnica de diversidad temporal. Por último, en el tercer caso se utilizan “puntured” bits en cada retransmisión.
Capítulo 3: Caso de negocios para servicios de banda ancha
en accesos inalámbricos WiMAX, en convergencia con otros
servicios de redes fijas y móviles
Las redes de acceso inalámbricas basadas en soluciones WiMAX proporcionan una oportunidad para los operadores de participar del crecimiento que existe en mercados emergentes. La infraestructura tradicional de las líneas cableadas en nuestro país es, en muchos casos, no existente o solamente accesible a un segmento de la población. Las redes de acceso basadas en WiMAX, están permitiendo a operadores locales alcanzar a millones de nuevos clientes potenciales y proveer a ellos los servicios de voz tradicional y de banda ancha de datos, que hasta ahora se han negado. Aunque estos mercados tienen todas las cualidades requeridas para un caso de negocio, representan fuertes desafíos.
Se debe de tener presente que las tecnologías inalámbricas difícilmente permitirán crear redes alternativas a las redes de los operadores fijos y móviles. Más bien se configurarán escenarios donde tecnologías fijas, celulares e inalámbricas se combinarán para ofrecer servicios a los clientes. Es poco probable que las tecnologías inalámbricas emerjan por sí solas, sino más bien los operadores deben combinar las diferentes tecnologías en busca de soluciones efectivas en costo y prestación de servicios.
Desde el punto de vista de los casos de negocios posibles, WiMAX permite establecer tres muy concretos:
• Uno de ellos es emplearlo como acceso inalámbrico de banda ancha para competir con el ADSL o cable modem en ambientes urbanos, o como única alternativa, en zonas suburbanas o rurales donde las redes cableadas no llegan. • La segunda posibilidad de negocio es utilizarlo para construir el “backbone” de
redes inalámbricas de banda ancha. Por ejemplo, para unir las celdas de sistemas de 3G o de WiFi.
• La tercera alternativa, es ofrecer servicio móvil.
3.1
Estrategia en banda ancha “fija” inalámbrica
WiMAX nace como una tecnología de acceso complementaría, ofreciendo la posibilidad de cubrir la última milla en aquellas zonas donde el costo del despliegue de la red cableada supera al de la inalámbrica. Por las propias características de WiMAX, se trata de una solución que se adapta a la cobertura de interiores para proveer servicios de conectividad de banda ancha inalámbrica.
La opción de banda ancha fija es particularmente interesante para operadores en el sector empresarial, o clientes residenciales que demandan importantes anchos de banda, en zonas no cubiertas por el cable o DSL, como son típicamente las zonas rurales.
Se debe considerar que el mercado residencial está migrando progresivamente hacia la demanda de paquetes de servicios y aplicaciones que demandan altos anchos de banda, por lo que este tipo de tecnología es específicamente idónea para el tráfico de datos, y por tanto, para la prestación de servicios como VoIP o la transferencia de datos a alta velocidad.
La combinación de servicios de banda ancha de voz, datos y vídeo con la característica nómada o portable que ofrecerá el 802.16e constituirá una oferta que llegará a muchos más consumidores, aunque solo se convertirá en negocio real una vez que estos consumidores dispongan de terminales que les permitan disfrutar de las ventajas de estos servicios.
3.1.1 Proyectos WiMAX en Costa Rica
El ICE y RACSA lideran el desarrollo e implementación de servicios inalámbricos de banda ancha WiMAX en Costa Rica. Estas instituciones han comenzado el despliegue de la red inalámbrica en el país. Las empresas prestan sus servicios a clientes empresariales así como a soluciones residenciales de bajo ancho de banda.
Por su parte, RACSA actualmente se encuentra desarrollando el proyecto Internet inalámbrico vía WiMAX como parte del “Programa de Desarrollo: Acceso”. Los “Programas de Desarrollo” son una serie de medidas que RACSA ha desarrollado con el fin de que, para el año 2009, el 80% de los clientes de esta compañía tengan conexiones de banda ancha. Además del Programa Acceso, también se tienen otros programas llamados: Plataformas de Transporte Nacional, Plataforma de Transporte Internacional, Servicios de Valor Agregado, Gestión y Automatización y Desarrollo Cultural y Social.
El proyecto Internet inalámbrico vía WiMAX tiene por objetivo: “Diversificar las modalidades de acceso nómada a Internet de RACSA, a través de tecnologías inalámbricas, permitiendo la evolución de la cartera actual de clientes de banda angosta a banda ancha en el GAM y algunos puntos del gran concentración en el resto del país”1. Este proyecto arrancó en el mes de abril del año 2006 dando acceso inalámbrico inicialmente a la zona de Escazú y Santa Ana con una estación base en el Cerro Abra, con una cobertura de hasta 8 kilómetros a la redonda. Se tiene planeado continuar instalando las estaciones base en zonas de Belén, Alto de Guadalupe, Curridabat, San Pedro de Montes de Oca, Santo Domingo de Heredia, Zona Franca Metropolitana en Heredia, Tres Ríos, Desamparados y en el centro de San José. El proyecto contempla una inversión total de $6,000, 000.00 y el período de ejecución comprende del año 2005 al año 2009, a razón de $1, 500,000.00 por año.
Por otro lado, el ICE se encuentra desarrollando el proyecto “Sistema Inalámbrico Empresarial (SIE)”. Este proyecto pretende brindar enlaces inalámbricos de respaldo a los clientes empresariales que tengan contratados servicios de acceso que se consideren vitales para la empresa asegurando la continuidad del servicio
1“Hacia la Sociedad de la Información y el Conocimiento en Costa Rica” Programa de la Sociedad de la
3.1.1.1 Proyecto SIE (Sistema Inalámbrico Empresarial)
Figura # 18: Topología del Proyecto (Sistema Inalámbrico Empresarial)
Al proyecto SIE se le asignó un ancho de banda de 42MHz. Este ancho de banda fue dividido en partes iguales para el “uplink” y para el “downlink”, de esta manera se dispuso de 21 MHz para “uplink” variando de 3,451GHz a 3,472GHz y los otros 21MHz para “downlink” de 3,551GHz a 3,572GHz.
El proyecto fue pensado para dar acceso inalámbrico a la Gran Área
Metropolitana, Guanacaste, Zona Sur, Principales puertos y aeropuertos (proyecto TICA de aduanas), los cuales tendrían un ancho de 4Mbps (por cliente). El ICE, durante su proceso de apertura de licitación, definió una serie de polígonos los cuales tendrían completa cobertura, es decir, dispondrían de un anchó de banda de 4Mbps. La figura # 20 muestra estos polígonos.
Figura # 20: Cobertura Solicitada
El área comprendida por estos polígonos era únicamente de 2.626Km2 (274
distritos solicitados a cubrir), sin embargo, luego que las empresas realizaron las
pruebas con simuladores, se logró abarcar aproximadamente 20.000Km2. De la
cobertura estimada por población se entiende que casi un 40% del territorio nacional gozaría con cobertura WiMAX. Sin embargo, como ya se mencionó, el proyecto se pensó para darles 4 Mbps a los clientes, por lo que los nuevos subscriptores
