Propuesta de soluciones de banda ancha para entornos rurales en Cuba

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “Marta Abreu” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. PROPUESTA DE SOLUCIONES DE BANDA ANCHA PARA ENTORNOS RURALES EN CUBA.. Tesis presentada en opción al título académico de Master en Telemática. Autor: Ing. Franc Casañola Geada Centro de Gestión Territorial Camaguey Tutor: Msc Prof. Aux. Hiram del Castillo Sabido Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV. Villa Clara. 2007 Cuba..

(2) A mi esposa..

(3) AGRADECIMIENTOS. Agradezco a todos los que han hecho posible la realización de este trabajo: A mi esposa, por su amor. A mi familia por su preocupación, comprensión y apoyo. A mis compañeros de trabajo por su solidaridad. A mis compañeros de maestría por la amistad forjada. A mi tutor Hiram del Castillo por su ayuda en la confección de este trabajo..

(4) RESÚMEN Desarrollar y analizar. una infraestructura de acceso que satisfaga las. necesidades de conectividad y servicios de banda ancha es uno de los objetivos que cualquier país debe plantearse, alternativas para implementar masivamente las nuevas tecnologías logrando así un desarrollo en lo socio-económico. Las inversiones en infraestructura tienen un costo, pero el costo social de no hacerlas es mucho mayor. En el trabajo se estudian las diferentes tecnologías de banda ancha existentes, prestando especial interés a las soluciones de voz y datos en los entornos rurales según los más recientes estándares aprobados. Carecemos de las redes de telecomunicaciones que satisfagan las demandas de conectividad y servicios de banda ancha que las empresas y la sociedad necesitan. La red de cables es insuficiente y tiene gran deterioro. En este contexto introducir y desarrollar en Cuba las tecnologías de acceso inalámbrico de banda ancha (BWA) se torna estratégico y hacia allí se dirige el objetivo fundamental del presente trabajo como solución viable, rápida y efectiva que permita el despliegue de servicios de banda ancha en Cuba y garantice la conectividad que demanda la sociedad y la economía. Se analiza la implementación de estas tecnologías en el País, según productos disponibles en el mercado y además se estudia la factibilidad de su introducción desde el punto de vista de infraestructura de la red de datos existente. El trabajo actual presenta un análisis de las diferentes posibilidades de conexión para la comunicación evalúan. que se puede implementar en las zonas. rurales, se. las posibles soluciones de sistemas de comunicaciones Inalámbricas. realizando un concienzudo análisis sobre las tecnologías de vanguardia tales como Wireless Fidelity (WiFi), y Worldwide for Microwave Interoperability Access (WiMAX).. Además,. se. ha. propuesto. una. arquitectura. analizando. los. requerimientos de la misma y posibles variantes a la misma, analizando sus ventajas y desventajas..

(5) INDICE Introducción............................................................... .......................................... 1 CAPITULO I. Redes de Acceso de Banda Ancha............................................7 1.1 El Acceso de Banda Ancha........................................................................... 7 1.2 Sistema Local de Distribución Multipunto (MMDS)....................................... 9 1.3 Sistema Multicanal de Distribución Multipunto (LMDS)...................... .......... 10 1.4 Power Line Communications (PLC).................................................... .......... 13 1.5 Estándares inalámbricos de banda ancha.................................................... 17 1.5.1 IEEE 802.15 – Redes de Área Personal (PAN)........................... .......... 19 1.5.2 IEEE 802.11 – Redes de Área Local (LAN)................................. .......... 19 1.5.3 IEEE 802.16 – Redes de Área Metropolitana (MAN).................. .......... 23 1.5.4 IEEE 802.16e – Red de Área Metropolitana (WAN).............................. 24 1.6 Ventajas de las BWA...................................................................................... 25 CAPÍTULO II. Características Generales de Wimax......................................... 27 2.1. Introducción a la tecnología WiMAX............................................................... 27 2.2 WiMAX Forum..................................................................................... .......... 31 2.3 Aplicaciones de las redes WiMAX................................................................... 34 2.4 Elementos y configuraciones de las redes WiMAX.............................. .......... 35 2.4.1. Configuración punto-multipunto (PMP).................................................... 36 2.5 Arquitectura del protocolo 802.16........................................................ .......... 38 2.6 Características de la capa radio.......................................................... .......... 40 2.7 Modelos de propagación y técnicas de modulación............................ .......... 43 2.8 Soluciones Tecnológicas NLOS........................................................... .......... 47 2.8.1 Tecnología OFDM.....................................................................................48 2.8.2 SubCanalización....................................................................................... 49 2.8.3 Antenas Para Aplicaciones Inalámbricas Fijas......................................... 50 2.8.4 Diversidad de Transmisión/Recepción..................................................... 51 2.8.5 Modulación Adaptativa............................................................................. 52 2.8.6 Técnicas de Corrección de Error.............................................................. 53 2.8.7 Control de Potencia................................................................................. 53.

(6) Índice 2.9 Comparación con otras tecnologías............................................................... 54 2.10 Productos y fabricantes................................................................................ 56 Capitulo III. Propuesta de soluciones de comunicaciones para entornos rurales..................................................................... 59 3.1.1 Particularidades para la introducción de nuevas soluciones en los entornos rurales................................................................... .......... 59 3.2 Soluciones de Banda Ancha........................................................................... 60 3.2.1 Soluciones DSLAM rural............................................................... .......... 61 3.2.2 Solución LMDS............................................................................. ......... 62 3.2.3 Soluciones WIFI...................................................................................... 64 3.3 WIMAX Como solución para entornos rurales............................................... 66 3.4 Soluciones propuestas................................................................................... 66 3.4.1 Solución Wimax/Wifi................................................................................. 66 3.4.2 Solución Wimax como núcleo de la conexión de la red GSM................. 70 3.5 Consideraciones estratégicas y mercado....................................................... 71 3.6 Consideraciones sobre los equipos a adquirir................................................ 73 Conclusiones............................................................................................. .......... 74 Recomendaciones............................................................................................... 75 Referencias...........................................................................................................76 Glosario de siglas y términos. Anexo. Anexo A: Grupos de trabajo del estándar 802.11 Anexo B: Bandas de frecuencias para sistemas BWA..

(7) INTRODUCCIÓN La nueva sociedad de la información implica acceder a cantidades masivas de información especialmente en la forma multimedia, voz, datos y video, suministrar o entregar diversas formas de servicios de entretenimiento, interactuar con gran cantidad de datos realizar transacciones remotas y realizar comercio electrónico así como permitir todo tipo de comunicaciones respondiendo a las grandes necesidades de movilidad existentes. El advenimiento de todos estos servicios de multimedia determina la necesidad de mayor ancho de banda en la red.[1] El concepto de red de área metropolitana representa una evolución del concepto de red de área local a un ámbito más amplio, cubriendo áreas de una cobertura superior que en algunos casos no se limitan a un entorno metropolitano sino que pueden llegar a una cobertura regional e incluso nacional mediante la interconexión de diferentes redes de área metropolitana.[2-3-4]. En los últimos años, la demanda de ancho de banda y de conectividad ha crecido considerablemente. Sin embargo, los desarrollos tecnológicos no han crecido con la demanda actual y siempre hay una brecha existente entre lo que el usuario necesita y lo que la tecnología está en capacidad de ofrecer.. El siglo pasado se desarrolló el mayor crecimiento de las distintas tecnologías inalámbricas. Uno de las tecnologías más exitosas fue el Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) liderada por Qualcomm, Inc. Desde entonces los diferentes proveedores de telecomunicaciones comenzaron a pensar en el impacto positivo que podría alcanzar el acceso inalámbrico a Internet, y todas las aplicaciones de banda ancha ampliamente diseminadas entre las empresas, y entre el sector particular en general. En este sentido, y a pesar de que la Internet no había alcanzado la penetración que tiene hoy en día; Otras empresas empezaron a desarrollar e introducir con similar éxito sus redes de área local inalámbricas. (WLAN).. 1.

(8) Introducción En nuestro país, las deficiencias tecnológicas son aún más evidentes y el costo para poder acceder a las mismas es más elevado. Sin embargo, trataremos de brindar una explicación más no una justificación, que será analizada en detalle durante el transcurso de este trabajo.. Una. de. las. tendencias. más. recientes. para. mejorar. los. sistemas. de. comunicaciones entraña la utilización de tecnología de banda ancha. Muchas personas asocian la banda ancha con una velocidad de transmisión determinada o cierto conjunto de servicios y/o aplicaciones, tales como el bucle de abonado digital (DSL) o las redes de área local inalámbricas. Sin embargo, puesto que las tecnologías de banda ancha están en continua evolución, la definición de la banda ancha también se va modificando. Hoy en día, el término banda ancha describe normalmente a las recientes conexiones, incluidas las de Internet que funcionan entre 5 y 2 000 veces más rápido que las anteriores tecnologías de marcación por Internet. No obstante, el término banda ancha no se refiere a una velocidad determinada ni a un servicio específico.. El sector empresarial y turístico demanda cada día conexiones a mayores anchos de banda, así como servicios de banda ancha, limitados hoy por la carencia de la infraestructura de acceso necesaria. La sociedad cubana vive además un proceso de informatización, necesario para la modernización de la gestión del gobierno, el desarrollo de la educación y la salud pública, por lo que se vislumbra un crecimiento en la demanda de ancho de banda en nuestro país en los próximos años.. Estratégicamente la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba ETECSA debe estar preparada para satisfacer la demanda de acceso de banda ancha en el país, así como las tareas de la informatización de la sociedad, por lo que desde ahora debe buscar las alternativas más factibles para el despliegue rápido las redes de acceso de banda ancha tanto en entornos urbanos como en los entornos rurales.. 2.

(9) Introducción Actualmente se está brindando servicios de banda ancha utilizando los pares de cobre mediante la tecnología ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), la cual al contar con la infraestructura de cable de cobre existente permite un despliegue mucho más rápido y barato que la fibra aunque las velocidades de datos que se logran son menores que esta. El acceso mediante fibra óptica aunque garantiza las más altas velocidades de datos, resulta muy cara para el usuario residencial y la pequeña y mediana empresa, por otra parte su despliegue toma mucho tiempo y conlleva a la ejecución de costosas obras civiles.. Desde esta década se han efectuado esfuerzos para desarrollar los estándares 802.11 o Red de Área Local y 802.16 o Red de área Metropolitana inalámbrica. Sin embargo los mayores esfuerzos encontraron financiamiento económico viable para convertir en hechos sus proyectos, alrededor del 2001, y en lo sucesivo se han desarrollado mejoras en todos los sentidos al Standard y a la tecnología de acceso de banda ancha inalámbrico, ya que este se ha convertido en la mejor realidad conocida para satisfacer las demandas crecientes de los negocios, en sus necesidades de conectarse a Internet, y de soluciones de datos integrados, voz, y servicios de video.. ETECSA ha comenzado a dar los primeros pasos para la instalación y pruebas de los servicios inalámbricos. La implementación en Cuba por ETECSA de los sistemas de acceso fijo inalámbrico, conocidos como BWA (Broadband Wireless Access), podría ser una alternativa para el desarrollo e implementación de redes de acceso de banda ancha en el país. Soluciones de este tipo podrían ser aplicadas tanto en áreas urbanas y suburbanas, como en áreas rurales, fundamentalmente donde exista una pobre infraestructura de cables de cobre.. El presente trabajo se. pretende ofrecer alternativas de comunicación para el. sector rural en Cuba,. se revisará las diferentes tecnologías actuales de los. Sistemas de Comunicaciones Inalámbricas (SCI), además. se propondrá 3.

(10) Introducción diferentes alternativas de conexión analizando sus ventajas y desventajas. Finalmente, se realizarán las conclusiones del trabajo presentado y se discutirá brevemente el trabajo futuro. Las zonas rurales con comunicaciones en nuestro país han sido cubiertas con diversas tecnologías, soluciones que en la mayoría de los casos no son las óptimas[5]. En unas con enlaces de baja capacidad que son insuficientes ante la demanda o tipo de servicios, en otras con tecnologías costosas con limitaciones para su expansión y diversificación[6], por otra parte abundan las tecnologías obsoletas con enormes gastos de operación y mantenimiento sobre todo pertenecientes. a. entidades. no. especializadas. en. comunicaciones. fundamentalmente del Ministerio del Azúcar [7].. Tanto en países desarrollados como en Cuba existen escenarios con carencias de sistemas de comunicaciones, siendo elevado su número en las zonas rurales debido al alto costo por servicio de las tecnologías adecuadas para esos entornos[8]. La informatización de la sociedad cubana necesita de la implementación de soluciones que integren voz y datos con posibilidades de recuperación rápida de la inversión, mediante las cuales sea mas eficiente alcanzar la expansión y modernización de la red de telecomunicaciones con tecnologías de avanzada que garanticen la conectividad y dar respuestas efectivas a la creciente demanda de los distintos servicios.. Existen tecnologías adecuadas a estas condiciones que tienen abundante literatura de reciente introducción a nuestro país y de poco conocimiento por los potenciales técnicos para su explotación. La combinación de estas tecnologías pueden posibilitar que se logren las soluciones de comunicaciones a costos inferiores de soluciones ejecutadas anteriormente logrando resultados similares en el alcance y la prestación de servicios[9]. La empresa de Telecomunicaciones de Cuba cuenta con experiencia en la implementación, operación y mantenimiento de sistemas digitales de acceso 4.

(11) Introducción inalámbrico fijo de banda estrecha (WLL A9800, WLL MGW); gracias a los cuales se ha hecho posible desplegar el servicio telefónico básico, de forma rápida y económica en lugares de difícil acceso y con pobre infraestructura de cables, tanto en zonas urbanas, suburbanas como rurales. Por lo que estaría en condiciones de asimilar estas tecnologías.. El objetivo fundamental de este trabajo es analizar las posibles variantes de soluciones de comunicaciones de voz y datos en las zonas rurales de nuestro país a corto plazo. Además de proponer la más factible como solución viable, rápida y efectiva que permita el despliegue de servicios de banda ancha en Cuba. Además se persiguen los siguientes objetivos específicos: Ø. Caracterizar el estado actual del desarrollo de las redes de acceso de banda ancha en el mundo.. Ø. Caracterizar el estado de las comunicaciones rurales en Cuba.. Ø. Analizar la factibilidad de la implementación en Cuba de los sistemas BWA.. Ø. Análisis de la propuesta de implementación idónea para el entorno rural que necesita recibir servicios de comunicaciones.. Ø. Elevar la calidad y cantidad de los sistemas de comunicaciones rurales como base de la informatización de la sociedad cubana.. Para alcanzar estos objetivos se realizó una revisión técnica y bibliográfica a través de la búsqueda automatizada de información, la cual permitió seleccionar las fuentes primarias y secundarias que sustentan esta tesis y conocer el estado de desarrollo de las redes de acceso de banda ancha en el mundo y la caracterización de los sistemas BWA.. Los resultados alcanzados con este trabajo tienen una gran importancia tanto desde el punto de vista práctico como metodológico. El presente trabajo podrá influir en las acciones que tome la empresa en el futuro para introducir los sistemas BWA como alternativa de acceso de banda ancha y en la determinación de las opciones más adecuadas para su implementación en 5.

(12) Introducción nuestro país; además de convertirse en referencia para futuros trabajos sobre el desarrollo e implementación de la tecnología BWA en Cuba. La introducción en Cuba de las tecnologías BWA, tendrá un gran impacto social y económico, al contribuir a la informatización de la sociedad, garantizando la conectividad y los servicios de banda ancha; colocando a las empresas, centros educacionales y asistenciales cubanos al nivel de sus homólogas del mundo desarrollado en cuanto a acceso a la información y servicios de banda ancha.. Este trabajo consta de tres capítulos. En el primero de ellos se da una breve caracterización de las soluciones de acceso de banda ancha, se exponen las ventajas de las redes acceso inalámbricas, así como las Tendencias actuales de las comunicaciones inalámbricas.. El segundo capítulo se dedica a realizar un estudio más profundo de las tecnologías que se engloban dentro de la denominación BWA. Aquí se abordan las posibles tecnologías para soluciones de voz y datos en los entornos rurales y se presta especial atención a los más recientes estándares internacionales aprobados.. El capítulo 3 se ha dejado para exponer algunas consideraciones a fin de realizar los análisis de factibilidad de la introducción de los estándares más recientes Cuba. Además de analizar de soluciones de voz y datos para entornos rurales además. de. proponer. la. tecnología. idónea. (Wimax),. además. de. su. interoperatividad con otras tecnologías.. En las conclusiones se hacen algunas recomendaciones, dirigidas a dar continuidad al trabajo y posibilitar el despliegue práctico de los sistemas de acceso inalámbricos de banda ancha basados en los estándares así como los en el país.. 6.

(13) CAPITULO I. Redes de Acceso de Banda Ancha. 1.1 El Acceso de Banda Ancha Las necesidades de acceso de banda ancha están creciendo aceleradamente. La convergencia de voz, datos y video están incrementando la necesidad de una mayor velocidad. Cada día el contenido de las aplicaciones sobre Internet es más rico en facilidades y más intenso en datos. Las nuevas aplicaciones de usuarios están más orientadas a gráficos que a caracteres. Han aparecido aplicaciones de flujos de datos, como la difusión de audio y video que implican una entrega constante de tráfico unidireccional, además de la mensajería instantánea de voz, texto y video. Actualmente, la telefonía móvil e Internet captan el mayor interés dentro del mundo de las telecomunicaciones y la informática, prueba de ello es el crecimiento experimentado en el número de usuarios que optan por utilizar estos dos servicios. Así, Internet crece a un ritmo superior al 100% anual mientras que la telefonía móvil lo hace a un ritmo entre el 45-60%, cifras espectaculares frente al crecimiento de la telefonía fija que no supera, en los países más avanzados, el 5 ó 10% [10]. El 10% de los usuarios de Internet a escala mundial, dispone de una conexión de banda ancha. El líder mundial en la utilización de estas tecnologías es la República de Corea, donde el 60% de los hogares tiene acceso a Internet y más del 93% de los usuarios se conectan utilizando tecnologías de acceso de banda ancha [11]. La recomendación I.113 del Sector de Normalización de UIT define un servicio o sistema de banda ancha como aquel que requiere canales de transmisión capaces de soportar velocidades superiores a la velocidad de acceso primario RDSI, es decir a velocidades mayores de 1.5 Mbps o 2 Mbps, pero hay quienes prefieren una definición cualitativa para la banda ancha, que se centre más en aspectos subjetivos, que en la velocidad [12]. 7.

(14) Capítulo I. Considerando una tecnología de banda ancha, si: Ø. soporta las principales aplicaciones multimedia.. Ø. los usuarios la perciben rápida o por lo menos con retardos no significativos. Ø. la conexión es “always on” y la tarificación está más en función del volumen de datos transmitidos que del tiempo de conexión.. La introducción de las tecnologías de banda ancha, las cuales incluyen, entre otras, la línea de abonado digital (DSL), la antena colectiva, la fibra óptica, los satélites y los servicios inalámbricos fijos y móviles, ha permitido transformar en realidad en todo el mundo a las formas de telecomunicaciones tradicionales y nuevas, pero con la ventaja clara de la reducción de los costos de infraestructura, operación, mantenimiento y tiempo de despliegue. En los países económicamente más desarrollados se pueden distinguir los siguientes segmentos significativos de mercado [13]: Ø. Residencial básico: Demanda fundamentalmente servicios de voz y TV, con una creciente demanda de acceso a Internet, con velocidades no muy elevadas.. Ø. SOHO (Small Office, Home Office): Responde al perfil típico del teletrabajador o pequeña empresa familiar. Demanda una línea múltiple y conexión permanente a Internet.. Ø. PYME (Pequeñas y medianas empresas): Es el sector más amplio del mercado y esta ávido por mejorar su infraestructura de comunicaciones y la conexión a Internet. Demanda conexión a las redes de Datos, interconexión de LAN y servicios de videoconferencia.. Ø. Gran Empresa: Empresas con cientos o miles de trabajadores para las cuales. las. comunicaciones. son. muy. importantes.. Demanda. de. comunicaciones internas y redes privadas de gran ancho de banda.. 8.

(15) Capítulo I. Una de las opciones de interconexión entre puntos de acceso es la utilización de enlaces radio. Estos enlaces pueden proporcionar soluciones muy competitivas en entornos donde resulte inviable económicamente la utilización de cables de cobre o fibra óptica. Una red de acceso radio de banda ancha inalámbrica (Broadband Wireless Access, BWA) es el conjunto de tecnologías que permiten una comunicación entre dos o más dispositivos sin la utilización de soporte físico, mediante la transmisión de ondas electromagnéticas en el especto radioeléctrico. Como ejemplo principal de este tipo de redes existe la tecnología de bucle de acceso local vía radio o Wireless Local Loop (WLL) que ofrece al usuario el acceso a la red telefónica básica con bajos costes de infraestructura y alta velocidad de transmisión.. El funcionamiento de esta red requiere de una estación de suscriptor (SS), que es la estación del cliente instalada permanentemente en una posición fija y se encuentra dirigida a la estación base (BS) que es la estación conectada al “backbone” de la red telefónica básica. Al contrario que en las redes de telefonía móvil, en este tipo de redes no existe margen de movilidad para la estación de suscriptor durante el funcionamiento de la red [14]. 1.2 Sistema Local de Distribución Multipunto (MMDS). Los sistemas MMDS, tratados en la IEEE 802.16a para enlaces fijos y con cierta movilidad, emplean OFDM hasta 50 Km. con velocidades de datos de 10 Mb/s. El uso de OFDM con su resistencia a la propagación multitrayectoria posibilita una alineación no crítica de los sistemas de radiación con relación a la línea de visibilidad directa permitiendo cierta movilidad.. Los sistemas MMDS surgieron en los años 80 como una evolución de los sistemas MDS (Microwave Distribution System), que constituyeron la primera explotación 9.

(16) Capítulo I. comercial en la banda de 2 GHz para la distribución directa al abonado de un canal de televisión de pago. Posteriormente se concedieron licencias para servicio multicanal, ocupando las bandas de 2150-2162MHz y 2500-2686MHz, aunque esta asignación puede variar de unos a otros países. En la actualidad, la mayor parte de las licencias en la banda MMDS están dedicadas a la transmisión de señales de televisión analógicas, aunque existen excepciones. Es por esta razón que este servicio ha venido denominándose también cable inalámbrico.. Muchos observadores atribuyen la escasa penetración relativa de los sistemas MMDS al hecho de que los 186 MHz de ancho de banda disponibles no permiten transmitir más de 25 ó 30 canales analógicos, frente a los 80 canales analógicos disponibles en el cable y a los 150 canales de los sistemas digitales por satélite DTH (Direct To Home), por lo que no puede haber competencia respecto al tipo de servicio ofrecido. Por ello, los sistemas MMDS han tenido más éxito comercial en zonas rurales o zonas de baja densidad de abonados, donde la inversión necesaria para la distribución por cable no se justifica.. Sin embargo, dadas las ventajas económicas comunes a todos los sistemas inalámbricos (baja inversión inicial en equipos y costes de implantación proporcionales al número de abonados), existe un número no despreciable de abonados en zonas urbanas y semiurbanas, allí donde una estructura de precios permita que, con solamente unos 30 canales de televisión, el servicio resulte atractivo a un determinado sector del mercado.. 1.3 Sistema multicanal de distribución multipunto (LMDS). LMDS es una tecnología muy similar al MMDS, pero con más potencial para la interactividad con el usuario, debido sobre todo a su mayor ancho de banda. El sistema opera alrededor de la banda de 26 a 28 GHz, siendo ésta la única tecnología de enlaces vía radio que permite un gran ancho de banda tanto en el 10.

(17) Capítulo I. canal de difusión de televisión como en el de retorno. En un ancho de banda de 1 GHz, 850 MHz son usados por canales de bajada de 40 MHz, y 150 MHz por canales de subida de 2 MHz.. El despliegue más común de redes radio de banda ancha son las redes LMDS (Local. Multipoint. Distribution. System). que. proveen. servicios. de. telecomunicaciones de elevada capacidad: acceso a internet hasta 8Mbps, servicios fijos de voz, comunicaciones de datos en redes privadas y video bajo demanda, entre otros. LMDS es un sistema destinado a resolver la conectividad en la denominada “ultima milla” [15]. Del nombre de la tecnología se dice que es "Multipunto", que quiere decir que se hace una transmisión vía radio hacia múltiples instalaciones de abonado desde un sólo punto, la estación base, mientras que desde los abonados a la base se hace de manera punto a punto. Una base puede tener varios sectores, y cada sector, un área de cobertura del sistema multipunto. Pueden operar en bandas desde 2Ghz hasta 40Ghz. Concretamente en España se adjudicaron licencias para operar a 3,5Ghz y 26Ghz.. LMDS tiene como objetivo de brindar servicios de banda ancha en una configuración punto a punto o punto a multipunto para clientes residenciales o comerciales. Entre la gran variedad de servicios encontramos: vídeo multicanal digital, telefonía, vídeo bajo demanda, teleconferencia y servicios de datos de alta velocidad. Dada la posibilidad de utilizar un solo medio con alta capacidad para cubrir la "última milla", los modelos de los servicios a ofrecer dependen fundamentalmente de consideraciones locales (tipo de demanda, situación competitiva, densidad de posibles abonados, etc.). 11.

(18) Capítulo I.. LMDS emplea diversas técnicas de modulación como BPSK, DQPSK, QPSK, 8PSK, 4-QAM, 16-QAM y 64-QAM, siendo las modulaciones QAM las de mayores eficiencias espectrales. La elección de la modulación está en función de la capacidad, el comportamiento frente a interferencia y la eficiencia espectral. Una de las principales ventajas del LMDS radica en la utilización de frecuencias muy altas, donde se consiguen enlaces de alta capacidad y a la vez la disponibilidad del espectro es muy grande. Por ejemplo en Estados Unidos, la FCC ha asignado para LMDS, 1150 MHz de espectro no continuo en la banda entre 28 GHz y 31 GHz, llamado “Bloque A” y 150 MHz en la banda de 31GHz, llamado “Bloque B”, o sea un ancho espectral total de 1300 MHz, (40 veces mas de lo asignado a PCS) [16-17]. Sus principales desventajas están asociadas con la propagación de las señales por encima de los 20 GHz y están dadas en que se requiere la visión directa (Line of Sight, LOS) entre las antenas (mucho más complejas y caras que las de los sistemas MMDS) para efectuar la transmisión de datos y el equipo necesario para realizar su despliegue no está estandarizado, el alcance que puede cubrir una celda esta limitado a un radio de unos pocos kilómetros (entre 2 y 7 Km.) y es muy sensible a la lluvia, la nieve y el vapor de agua atmosférico, los cuales provocan la 12.

(19) Capítulo I. despolarización y la atenuación de la señal, por lo que el radio de las celdas va a depender también del índice de precipitación de la zona donde se despliegue el sistema. Por ejemplo un sistema LMDS diseñado para garantizar una disponibilidad de un 99.99%, tendrá celdas con radio superior a 5 Km. en la ciudad norteamericana de Deber, en el seco estado de Colorado, mientras que en Miami, ciudad costera mucho más humedad, el radio de las celdas se reduce a 3 Km. [18, 19]. Power Line Communications (PLC) La tecnología Power Line Communications (PLC), posibilita la transmisión de voz y datos a través de los cables eléctricos, convirtiendo cualquier enchufe de la casa en conexión potencial a todos los servicios de telecomunicación a altas velocidades, estamos hablando de una tecnología donde el medio de transmisión es la línea de bajo y medio voltaje e inclusive el sistema eléctrico de nuestras casas, donde las velocidades en un principio fueron de 2 a 10 Mbps y hoy se han logrado hasta 45 Mbps y en laboratorios hasta 200 Mbps. Esto es posible, a pesar de las características de estas líneas, con es el efecto de desvanecimiento debido a la propagación de la señal combinada con el resultado de interferencia de banda estrecha que depende de la frecuencia de la proporción de la señal de ruido (SNR). Las características del canal se investigaron en detalle en [20], las investigaciones revelaron que tanto el esquema de la modulación de múltiples portadoras (MCM) como la multiplexación en división de frecuencia ortogonal (OFDM) [21] puede hacer frente a las deficiencias de powerlines como medio de comunicación. Gracias a dicha modulación se logran tales velocidades, este esquema de modulación es el mismo utilizado en las líneas de subscriptores asimétrico digital (ADSL). (Tabla 1.4.1). Tabla 1.4.1 Comparación de velocidades de las diferentes tecnologías. 13.

(20) Capítulo I. Sobre PLC se pueden obtener servicios como Internet, redes privadas virtuales (VPN), VoIP, Web, correo electrónico, Chat, calendario en línea, radio en línea, actividades bancarias, procesadores de textos, hojas de cálculo en línea, integración de voz, fax, SMS, procesamiento de media (imagen/foto, música, video), video bajo demanda (VOD), sistemas de teletrabajo, teleconferencias, televigilancia, sin olvidar en ningún momento los valores añadidos que se podrían dar en el ámbito eléctrico de la medida (lectura y control de contadores remotos) así como los servicios propios de gestión de la empresa eléctrica.. La principal ventaja de la tecnología de PLC reside en que los usuarios no tendrán que hacer ninguna obra, ni siquiera instalar nuevo cableado en sus hogares. Les bastará con disponer de un módem específico PLC, capaz de leer la señal sobre cualquier enchufe eléctrico de la casa y trasladarla al ordenador o cualquier otro aparato al que se conecte. Los protocolos de PLC representan una de las tecnologías más novedosas en el campo de la transmisión de datos y en la búsqueda de alternativas, tanto a los cables convencionales como a la fibra óptica. Mientras que inyectar los datos a las líneas eléctricas y su transporte no representa realmente ningún problema técnico, el principal reto del PLC reside en la reducción de las interferencias electromagnéticas.. PLC puede denotarse como un nuevo servicio de banda ancha que usa la red eléctrica que generalmente está desprotegida y es un sistema de cableado heterogéneo. Parece ser apropiado en un ambiente al aire libre, PLC trabajaría en el rango de frecuencia entre 1 Mhz y aproximadamente 10 MHz como acceso a la última milla y para el uso dentro de las casas en el rango de frecuencia entre 10 MHz y 30 MHz.. 14.

(21) Capítulo I. Por consiguiente, la asignación de frecuencia y radiación de las redes eléctricas son actualmente un asunto de regulación y ya se han dado sus pasos en esta dirección.. Los organismos involucrados en actividades de normalización en la actualidad son el PLC Forum que presenta sus iniciativas a los foros europeos: CENELEC y ETSI. Más enfocado en los aspectos de PLC en el hogar, está el grupo de interés especial (SIG) Homeplug, que agrupa a numerosas empresas del sector, particularmente en EE.UU., y que ha editado su especificación de interfaz, basada en modulación OFDM, pero que al operar en la banda de 4-22 MHz interfiere con las bandas definidas por ETSI. El Forum PLC ejerce en realidad el papel de un grupo de presión en todo el proceso.. Las actividades de normalización, como se puede deducir de lo dicho hasta ahora, están básicamente centradas en la asignación del espectro de frecuencias, así como la definición de las máscaras de espectros para asegurar la compatibilidad con otros servicios de telecomunicaciones, particularmente la radiodifusión y las bandas de radioaficionados.. Mientras que el consorcio Homeplug aborda los problemas de interoperabilidad, mediante la definición de modos de modulación y protocolos de acceso al medio, en el dominio de acceso de primera milla aún se encuentran en etapas preliminares.. La seguridad es un tema que preocupa a los usuarios de manera muy notable cuando se habla de PLC, ya que la red eléctrica es un medio compartido. El control de seguridad de las conexiones se realiza a través de hardware en el chip que está insertado dentro de los Módem PLC. Hay que señalar que para vulnerar la seguridad hay que conocer el diseño interno y el funcionamiento de los chips.. 15.

(22) Capítulo I. En el 2002 se han producido ajustes importantes, especialmente en la voz, que va sobre el protocolo IP. Se producían ecos, pero ya se ha solucionado”, explica Marcos López, director general del proyecto PLC [22]. Otra desventaja es la falta de economías de escala, que se alcanzarán cuando haya más experiencias comerciales. Los primeros pasos de cualquier tecnología siempre son lentos. También pasó con el ADSL. En los tres primeros años el coste de los equipos bajó el 80 % y eso ocurrirá en PLC.. Las características técnicas de prestaciones son superiores y mejor escalables que las del xDSL. Según Juan Carlos Rivero, Director de Sistemas y Firmware de DS2, “una red PLC tiene calidad de servicio (QoS) y clases de servicio (CoS) por su propia configuración, esto quiere decir que el sistema diferencia entre los distintos tipos de tráfico y es posible otorgar a cada servicio una capacidad determinada permitiendo una facturación óptima a cada cliente y diferenciando la prestación de VoIP, la de vídeo bajo demanda y la de simple navegación a alta velocidad por internet. “[23]. Al parecer y siempre referido a la creación de redes de acceso, el PLC y el xDSL son mejores que el resto de alternativas y, además, desde el principio los costes de explotación en el PLC por usuario son menores que los del xDSL. En definitiva, la tecnología PLC de por sí es comercialmente viable y puede competir o complementarse con el resto de tecnologías de acceso de banda ancha actualmente existentes.. PLC puede resumirse en tres aplicaciones importantes: Ø. Como solución de última milla. (Banda Ancha) [24]. Ø. Como. solución. de. red. hogareña. o. red. corporativa. (HomePlug,. PowerPacket, Passport/ Plug-in PLX, X10, CEBus, LonWorks) (Banda Estrecha) [25] Ø. Como solución sobre el sistema de distribución eléctrico-industrial 16.

(23) Capítulo I. 1.5 Estándares inalámbricos de banda ancha. En cualquier tipo de tecnología de comunicaciones los estándares son clave para promover grandes volúmenes de producción y, de este modo, reducir costes y posibilitar un aumento de la cuota de mercado permitiendo el acceso de gran número de usuarios a dicha tecnología. Adicionalmente, la estandarización simplifica los procesos de prueba y evaluación de productos, a la vez que reduce los tiempos de desarrollo y de implantación.. En este sentido, el IEEE ha establecido una jerarquía de estándares inalámbricos complementarios entre ellos [26]. Esto incluye el IEEE 802.15 para Redes de Área Personal (PAN), IEEE 802.11 para Redes de Área Local (LAN) e IEEE 802.16 para Redes de Área Metropolitana (MAN) dentro de este estándar el recientemente publicado IEEE 802.16e, para operaciones móviles, puede ubicarse dentro de las Redes de Área Amplia (WAN) cuyo lugar también es ocupado por las tecnologías de telefonía celular de segunda y tercera generación (GSM y UMTS). Las redes inalámbricas pueden ser clasificadas según: el ancho de banda ofrecido al usuario, su alcance territorial, y la movilidad del servicio, entre otros. Atendiendo al ancho de banda ofrecido al usuario, se considera una red inalámbrica de banda ancha, si permite accesos por usuario a 256 kbps o superior. Por el alcance de la red se clasifican como: Ø. WPAN - Redes inalámbricas de área personal: Permiten la conexión inalámbrica de equipos y periféricos, en un ambiente interior y tiene un alcance del orden de los metros.. Ø. WLAN - Redes inalámbricas de área local: Alcance limitado a no mucho más de 150 m.. Ø. WMAN - Redes inalámbricas de área metropolitana: Redes con alcance metropolitano (decenas de kilómetros). 17.

(24) Capítulo I. Ø. WWAN - Redes inalámbricas de área amplia: Su alcance es mucho más extenso que el de las redes metropolitanas.. Atendiendo a la movilidad del servicio: Ø. Fijos: El terminal de usuario soporta servicios sólo en un lugar.. Ø. Portátiles: Dentro del área de servicio pueden ser utilizados en cualquier lugar, siempre que las velocidades de desplazamiento del terminal de usuario no sean mucho mayores que la velocidad peatonal.. Ø. Móviles: Dentro del área de servicio pueden ser utilizados en cualquier lugar, incluso si el terminal se desplaza a velocidad vehicular.. Actualmente hay disponibles una extensa variedad de estas tecnologías, operando en disímiles bandas de frecuencias y comienzan a emerger otras nuevas y prometedoras tecnologías.. 18.

(25) Capítulo I. Es importante remarcar que cuando se habla de redes de banda ancha sin cables normalmente se hace referencia a aquellos sistemas que vía radio proporcionan servicios similares a los dados por otras tecnologías como DSL, fibra óptica y redes híbridas de fibra y coaxial. Análogamente las transmisiones se realizan entre ubicaciones fijas, tal como se definió en el punto anterior. Sin embargo, el 7 de diciembre de 2005, el IEEE aprobó el estándar del WiMAX móvil, el 802.16e [27], que permite utilizar este sistema de comunicaciones inalámbricas con terminales en movimiento.. 1.5.1 IEEE 802.15 – Redes de Área Personal (PAN) Las tecnologías inalámbricas basadas en la familia de estándares IEEE 802.15 (Bluetooth, Zigbee) proporcionan, por un bajo costo y una baja potencia, un enlace radio de corto alcance para dispositivos móviles. De esta manera permite establecer conexiones de tiempo real de voz y datos utilizando la banda libre de 2,400 – 2,483 Ghz alcanzando tasas de transferencia de hasta 1 Mbps.. 1.5.2 IEEE 802.11 – Redes de Área Local (LAN) La familia de estándares IEEE 802.11 fue concebida para especificar un conjunto de tecnologías de redes inalámbricas de área local (WLAN). Así pues, ya desde el primer momento el diseño de esta tecnología está caracterizado por tener como objetivo redes en que las distancias entre nodos son del orden de las decenas o centenares de metros, como sucede en general en las redes de área local; se trataba de evitar la necesidad de instalar parte o la totalidad del cableado hasta entonces imprescindible en estas redes, y de dotar a los nodos de una movilidad que se hace posible al prescindir del cableado. El origen de las LAN inalámbricas (Wireless Local Area Network, WLAN) se remonta a la publicación en 1979 de los resultados de un experimento realizado por ingenieros de IBM en Suiza, consistente en utilizar enlaces infrarrojos para crear una red local en una fábrica. Estos resultados, publicados por el IEEE,. 19.

(26) Capítulo I. pueden considerarse como el punto de partida en la línea evolutiva de esta tecnología. Las investigaciones siguieron adelante tanto con infrarrojos como con microondas, donde se utilizaba el espectro ensanchado (spread spectrum). En mayo de 1985, y tras cuatro años de estudios, la FCC (Federal Communications Comission), la agencia federal del Gobierno de Estados Unidos encargada de regular y administrar en materia de telecomunicaciones, asigno las bandas ISM(Industrial, Scientific and Medical) 902-928 MHz, 2,400-2,4835 GHz, 5,725-5,850 GHz para uso en las redes inalámbricas basadas en espectro ensanchado. Desde 1985 hasta1990 se siguió trabajando ya más en la fase de desarrollo, hasta que en mayo de 1991 se publicaron varios trabajos referentes a WLAN operativas que superaban la velocidad de 1Mbit/s, el mínimo establecido por el IEEE 802 para que la red sea considerada realmente una LAN. Es ya en 1997 cuando, finalmente, el IEEE emite su primer estándar de WLAN, el IEEE 802.11, que define las capas física, de enlace y control de acceso al medio en redes inalámbricas de banda ancha basadas en espectro ensanchado. Para asegurar la compatibilidad e interoperabilidad de los distintos dispositivos fabricados según este estándar se crea la WiFi-Alliance, una asociación que aglutina a los diferentes actores relacionados con IEEE 802.11, y se crea la marca WiFi (Wireless Fidelity) que se emplea para certificar los productos que cumplen ciertas reglas de interoperabilidad. El protocolo IEEE 802.11 o WI-FI es un estándar de protocolo de comunicaciones de la IEEE que define el uso de los dos niveles más bajos de la arquitectura OSI (capas física y de enlace de datos), especificando sus normas de funcionamiento en una Red de Área Local Inalámbrica (Wireless Local Area Network, WLAN). En general, los protocolos de la rama 802.x definen la tecnología de redes de área local. El crecimiento y popularidad de las redes Wi-Fi ha sido constante durante estos últimos años. Según el Observatorio de Wireless de la empresa IWE-X, en octubre de 2006 el número de usuarios de estas redes España sobrepasó los 6 millones.. 20.

(27) Capítulo I. Y es que los sucesivos estándares de redes Wi-Fi representan, en efecto, una alternativa eficaz y de bajo coste para las comunicaciones de banda ancha, especialmente para aquellas arquitecturas que necesitan garantías de calidad de servicio. El hecho de que en la actualidad exista ya una oferta comercial de VoIP ha impulsado decisivamente este tipo de tecnologías, que aumentarán sus prestaciones con la implementación de los nuevos estándares actualmente debatidos en el seno del IEEE.. La arquitectura IEEE802.11 define distintos tipos de sistemas inalámbricos y distintas formas de asociarse entre ellos. Los componentes básicos de una red 802.11 son (ver Figura 1.5.2): Ø. Estaciones (STA): son los ordenadores, PDAs, teléfonos inalámbricos. En definitiva, cualquier dispositivo dotado de conectividad 802.11 y que va a usar la red WiFi para comunicarse.. Ø. Puntos de acceso (AP): hacen de puentes o portales entre la red inalámbrica y la red cableada, y comunican entre sí a las estaciones que se conectan a él. Ø. Medio inalámbrico: las estaciones y puntos de acceso se comunican de forma inalámbrica. En WiFi se definen varios medios inalámbricos 21.

(28) Capítulo I. alternativos, que difieren en frecuencia, modulación y otros detalles tecnológicos . Ø. Sistema de distribución (DS): elemento definido para asociar distintos puntos de acceso que proporcionan cobertura de la misma red. En el estándar faltan muchos detalles de como implementar un sistema de distribución, pero se tiene en cuenta para especificar la manera de direccionar las tramas para que puedan encaminarse a través del DS.. No obstante, aunque la retroalimentación de la industria ha producido una importante evolución en la familia de estándares 802.11 (más adelante se detalla toda la lista de estándares y grupos de trabajo), los ajustes o adaptaciones para largas distancias han permanecido siempre como soluciones propietarias que no han revertido en ningún nuevo estándar de la familia ni modificación de los anteriores. Se va a repasar la arquitectura general de 802.11 y las capas físicas y MAC con el propósito de proporcionar el marco de conocimiento necesario para este trabajo de investigación, y más adelante se analizar esta información para determinar el impacto y los límites de las largas distancias en el funcionamiento de WiFi.. Presentaremos la situación actual de definición de algunos de los nuevos estándares WiFi (IEEE 802.11). La norma IEEE 802.11 se divide en estándares desarrollados por grupos de trabajo independientes, los cuales se identifican por medio de letras agregadas tras la última cifra. Cada vez que se percibe la necesidad de nuevas técnicas que den solución a un determinado problema, el IEEE crea un nuevo grupo incluido en el 802.11 e identificado por una nueva letra. Por ejemplo, los estándares 802.11a, 802.11b y 802.11g [28] son bien conocidos y su éxito comercial ha quedado patente.. En el Anexo A se. proporciona. una explicación detallada de los estándares. desarrollados por los grupos de trabajo k (medida del rendimiento), p (Wi-Fi en vehículos), n (alta velocidad de transmisión), r (roaming entre puntos de acceso), s (redes mesh) y u (interoperabilidad con otras redes). También se incluye el recién 22.

(29) Capítulo I. publicado estándar 802.11e (MAC y calidad de servicio). Para todos estos estándares, se comenta su propósito general, sus mejoras y funcionalidades específicas, la situación de desarrollo y su estado desde el punto de vista comercial. Existen otros estándares de menor impacto (t, v, w…) para los cuales se ha reservado un breve espacio en el último apartado, antes de la tabla comparativa que sirve de resumen y conclusión.. 1.5.3 IEEE 802.16 – Redes de Área Metropolitana (MAN). El estándar IEEE 802.16 hace referencia a un sistema BWA de alta tasa de transmisión de datos y largo alcance (hasta 50 Km.), escalable y que permite trabajar en bandas del espectro tanto "licenciado" como "no licenciado". El servicio, tanto móvil como fijo, se proporciona empleando antenas sectoriales tradicionales o bien antenas adaptativas con modulaciones flexibles que permiten intercambiar ancho de banda por alcance. El estándar IEEE 802.16 se titula “Air Interface for fixed Broadband Wireless Access Systems” aunque también recibe el nombre de Wireless Metropolitan Area Network (WirelessMAN). El estándar define un mecanismo de gestión de acceso al canal (Medium Access Control, MAC) que soporta varias implementaciones de la capa radio. La multiplicidad de capas radio se debe básicamente al amplio margen de operación frecuencial cubierto por el estándar. Al igual que otros estándares del grupo 802 de IEEE, 802.16 engloba una familia de grupos de trabajo que a partir de una especificación inicial han ido desarrollando diferentes aspectos del estándar. Los estándares más relevantes ya aprobados bajo la familia 802.16 son los siguientes:. 23.

(30) Capítulo I.. Tabla 1.5.1 Estándares de la familia IEEE 802.16 [29]. El estándar actual es el IEEE Std 802.16-2004, aprobado en Junio de 2004, que cubre únicamente los enlaces en posiciones fijas. 1.5.4 IEEE 802.16e-Red de Área Metropolitana (MAN) Una red de área metropolitana es una red de alta velocidad (banda ancha) que dando cobertura en un área geográfica extensa, proporciona capacidad de integración de múltiples servicios mediante la transmisión de datos, voz y vídeo, sobre medios de transmisión tales como fibra óptica y par trenzado de cobre a velocidades que van desde los 2 Mbits/s hasta 155 Mbits/s.. El concepto de red de área metropolitana representa una evolución del concepto de red de área local a un ámbito más amplio, cubriendo áreas de una cobertura superior que en algunos casos no se limitan a un entorno metropolitano sino que pueden llegar a una cobertura regional e incluso nacional mediante la interconexión de diferentes redes de área metropolitana. La extensión denominada. 24.

(31) Capítulo I. IEEE Std 802.16e-2005 para sistemas móviles, aprobada en el Diciembre del 2005 puede formar parte de este tipo de redes. 1.6 Ventajas de los sistemas inalámbricos de banda ancha.. Por último las redes inalámbricas tienen inherentemente una gran ventaja sobre las redes cableadas y es el hecho de que sólo estas redes pueden soportar la movilidad de los terminales. Esta es una de las razones por las que han tenido en los últimos años un amplio despliegue en todo el mundo. Por otra parte el acceso de banda ancha mediante tecnologías BWA (Broadband Wireless Access) es una alternativa clara que permite la transmisión a alta velocidad de señales vocales, vídeo y de datos por redes. El empleo de las tecnologías inalámbricas en el bucle de abonado para brindar servicios multimedia y acceso tiene grandes ventajas frente a las alternativas cableadas, especialmente cuando se requiere de la movilidad de los terminales y cuando no existe o es deficiente la infraestructura de cables. Entre las ventajas de las redes inalámbricas [30] tenemos: Ø. Bajo costo: Una red de acceso inalámbrica, en general, cuesta menos que una equivalente cableada, ya que su infraestructura es sencilla y no se invierte en obras civiles (postes, zanjas, registros, tendido de cables, etc.). Ø. Baja inversión inicial: Se invierte sólo lo estrictamente necesario para desplegar las estaciones bases y un mínimo de equipos de abonados.. Ø. Rapidez de despliegue: Se despliegan y entran en operación en mucho menos tiempo que las redes cableadas, ya que su infraestructura es incomparablemente mucho más sencilla y las obras a realizar son menores.. Ø. Crecimiento adaptado a la demanda: Luego del despliegue inicial, el crecimiento se produce a partir de la demanda de los clientes con la instalación de los CPE (Customer Premises Equipment) de los mismos, sin variar en nada la infraestructura, hasta que el sistema alcanza su plena capacidad de diseño. 25.

(32) Capítulo I. Ø. Bajo costo de mantenimiento: Al no existir planta exterior, los costos de mantenimiento son mucho menores que en los sistemas cableados.. Ø. Rápida recuperación de la inversión: Proporcionan al operador de la red un rápido retorno de la inversión.. En este capítulo abordamos. la descripción de las diferentes técnicas de. transmisión y se hace referencia a las ventajas y desventajas de su aplicación para cada caso, atendiendo a sus características. Además de las ventajas de los sistemas inalámbricos de banda ancha.. Según lo visto, una de las tecnologías principales para implementarla en los entornos rurales es la relacionada con el estándar 802.16, fundamentalmente por su alcance y por su alta tasa de transmisión de datos, por lo que le dedicaremos un estudio más detallado en el próximo capítulo.. 26.

(33) CAPÍTULO II. Características Generales de Wimax. 2.1. Introducción a la tecnología WiMAX. Históricamente las comunicaciones en entornos rurales han supuesto cierto impedimento para los operadores que no han podido encontrar un modelo de negocio viable en dichos entornos, en los cuales se requiere de comunicaciones competitivas, pero éstas no se han logrado y en bastantes casos aún no llegan a sus ubicaciones por diversas razones.. Tecnologías como el LMDS, o el WiFi en combinación con el satélite parecían muy prometedoras pero no nos constan modelos generalizados de éxito en entornos rurales, de hecho, siguen existiendo muchos pueblos con comunicaciones deficientes en países desarrollados que contrastan con entornos urbanos donde se dispone de fibra, comunicaciones móviles, etc. Como dato explicativo se estima que el tener fibra para prestar servicios de comunicaciones cableadas de banda ancha puede estar alrededor de los 190,000US$ por milla o incluso más.. En países menos desarrollados, el problema es posiblemente más grave y se extiende más allá del entorno rural “remoto” y lo difícil es dar comunicación allí donde no hay un volumen importante de población con suficiente poder adquisitivo para utilizar y financiar dichas comunicaciones.. Estas deficiencias de comunicaciones generan situaciones de desigualdad que además afectan a las posibilidades de desarrollo y competitividad. En este entorno, surge una tecnología llamada WiMAX que parece poder aportar soluciones prometedoras al problema de las comunicaciones en entornos rurales. Basado en el estándar IEEE 802.16 o WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), es una potente solución a las necesidades de redes de acceso inalámbricas de banda ancha, de amplia cobertura y elevadas prestaciones. Ofrece una gran capacidad e incorpora mecanismos para la gestión 27.

(34) Capítulo II. de la calidad de servicio (QoS). WiMAX permite amplias coberturas tanto con línea de visión entre los puntos a conectar (LOS) como sin línea de visión (NLOS) en bandas de frecuencias de uso común o licenciadas, lo que detallaremos más adelante.. WiMAX asegura la interoperabilidad con el estándar para redes de área metropolitana. inalámbrica. (WMAN). desarrollado. por. la. ETSI. (European. Telecommunications Standards Institute) y conocido como HiperMAN (High Performance Radio Metropolitan Area Network), de objetivos muy similares a WiMAX. En junio de 2001 se constituyó el llamado WiMAX Forum promovido por fabricantes de equipos de la industria inalámbrica y de comunicaciones con el objetivo de definir y promover el estándar IEEE 802.16, Esta organización sin ánimo de lucro busca dar soporte a los grupos de trabajo del IEEE 802.16, certificar y asegurar la interoperabilidad entre los equipos de distintos fabricantes.. Al igual que ha sucedido con el estándar 802.11b (Wi-Fi), WiMAX, cuya versión del estándar 802.16-2004 fue aprobada en junio del año 2004 por el WiMAX Forum (una asociación que agrupa a más de 200 compañías del sector de la informática y las comunicaciones de todo el mundo), promete revolucionar el sector de las telecomunicaciones. WiMAX, es un sistema inalámbrico de conectividad en banda ancha del bucle de abonado o “última milla” que transforma las señales de voz y datos en ondas de radio, que se transmiten por el aire, desde una red de estaciones base o repetidores hasta un pequeño panel situado en el exterior del edificio del cliente. La instalación de este panel es más sencilla que la de una antena parabólica de televisión por satélite y puede ser ejecutada en un plazo de dos horas.. Con WiMAX es posible la conexión de usuarios situados a grandes distancias, por ejemplo, si con tecnología Wi-Fi la cobertura se reduce a varios cientos de metros, con WiMAX las distancias de cobertura se amplían hasta los 50 Km. desde la estación base emisora de la señal. Esto, junto con la reducción del coste en los 28.

(35) Capítulo II. equipos que implica su estandarización internacional, permite el despliegue de nuevas redes de telecomunicación de forma rápida y con un coste muy inferior a los despliegues de redes de cable a través de zanjas en las calles (soterrados), favoreciendo la oferta de servicios de banda ancha, en especial, en zonas rurales y suburbanas que carecían de otro tipo de infraestructuras.. El funcionamiento de WiMAX puede ser similar a Wi-Fi pero a velocidades más altas, mayores distancias y para un mayor número de usuarios. WiMAX podría solventar la carencia de acceso de banda ancha a las áreas suburbanas y rurales que las compañías de teléfono y cable todavía no ofrecen. Integra la familia de estándares. IEEE. 802.16. y. el. estándar. HyperMAN. del. organismo. de. estandarización europeo ETSI. Desde que en el mes de enero de 2003 el IEEE aprobó el estándar 802.16a, base del actual estándar 802.16-2004 en el que se desarrolla WiMAX, este se ha ido adaptando hasta la versión 802.16e, aprobado en diciembre de 2005, que proporciona movilidad. Este es un resumen de la evolución de los estándares del grupo IEEE 802: Ø. 802.16 – desde 10 hasta 66 Ghz, con modulación QAM, LOS.. Ø. 802.16a – desde 2 hasta 11 Ghz, OFDM y OFDMA, NLOS.. Ø. 802.16b/c – Interoperabilidad y especificación de certificaciones.. Ø. 802.16-2004 – Reemplaza a 802.16, 802.16a y 802.16d. Ø. 802.16e – Movilidad. Los perfiles ya disponibles incluyen las bandas licenciadas de MMDS en 2,5 GHz y la banda de 3,5 GHz, además de la banda no licenciada UNII (Universal Nacional Information Infrastructure) en 5,8 GHz.. Las bandas y canalizaciones definidas inicialmente se prevé sean completadas en el futuro, cobrando especial importancia la banda de 5 GHz por el amplio espectro disponible, tal y como se recoge en la siguiente imagen:. 29.

(36) Capítulo II.. En este capítulo veremos las redes WiMAX desde sus aspectos más básicos como pueden ser sus aplicaciones y elementos, hasta sus aspectos más técnicos desarrollando sus características en las interfaces físicas y de enlace de datos, mostrando como está estructurado su protocolo lo que nos dará una base para la propuesta de solución para los entornos rurales.. 30.

(37) Capítulo II. 2.2 WiMAX Forum. Para promover el uso los estándares WiMAX, es necesario que los fabricantes de dispositivos electrónicos lleguen a acuerdos para desarrollar esta tecnología, dando lugar a certificaciones que aseguren la compatibilidad y la interoperabilidad de antenas, procesadores o receptores. Por ello, existe el WiMAX Forum [31], que es una asociación sin ánimo de lucro formada por decenas de empresas comprometidas con el cumplimiento del estándar IEEE 802.16 y ETSI HiperMAN.. El WiMAX Forum es un consorcio de empresas dedicadas a diseñar los parámetros y estándares de esta tecnología, y a estudiar, analizar y probar los desarrollos implementados. En principio se podría deducir que esta tecnología supone una grave amenaza para el negocio de tecnologías inalámbricas de acceso de corto alcance en que se basan muchas empresas, pero hay entidades muy importantes detrás del proyecto, entre ellas Alvarion, Aperto Networks, Cisco, Fujitsu, Intel, Lucent, Samsung. WiMAX Forum comenzó el proceso de certificación en Julio de 2005. Como los estándares permiten un gran número de configuraciones posibles, WiMAX Forum especifica cual es el conjunto de características necesarias que han de cumplir los equipos para pasar la certificación. Este conjunto de características se conoce como perfil de certificación. Los perfiles a certificar en primera instancia son los siguientes [32]:. 31.

(38) Capítulo II. La siguiente certificación de equipos ya incluirá sistemas con posibilidad de trabajar entre los 2500-2690 MHz, con un ancho de banda de 5 o 5,5 MHz.. Las primeras compañías y productos en obtener el Certificado del WiMAX Forum han sido Aperto Networks con su estación base PacketMAX 5000, Redline Communications. con. su. estación. base. RedMAX. AN-100U,. SEQUANS. Communications con su estación base SQN2010 y Wavesat con su estación de suscriptor miniMAX. Esta primera ronda de productos certificados ha sido desarrollada de acuerdo al perfil de 3,5 Ghz basados en el estándar IEEE 802.16-2004. Actualmente ya existen en el mercado más de 10 estaciones bases certificadas y más de 15 estaciones de suscriptor [33]. El 802.16 admite tanto la duplexión en el dominio del tiempo (TDD) como en el de la frecuencia (FDD), con lo que logra una utilización flexible del espectro. En ambos casos la trama tiene una duración fija (0.5, 1 o 2 ms) y el ancho del canal puede ser de 25 MHz (EE.UU) o 28 MHz (Europa). En TDD los enlaces ascendentes y descendentes comparten un canal, pero no trasmiten simultáneamente. La trama se divide en una subtrama de subida y otra de bajada, como se aprecia en la Figura 2.2.1. La duración de las subtramas se puede variar adaptablemente, desplazando la división entre subtramas, con lo que se consigue una reasignación dinámica de la capacidad de los enlaces de subida y bajada [34].. 32.

(39) Capítulo II.. Por su parte FDD utiliza canales separados para cada enlace, los cuales pueden transmitir simultáneamente. Las subtramas ascendentes y descendentes tienen una duración fija. Este esquema contempla tanto SS full-duplex como semi-duplex, las que al no recibir y transmitir simultáneamente, no se le debe asignar ancho de banda en el enlace ascendente en el mismo instante en que el SS espera datos en el descendente. Tanto en TDD como en FDD, se utiliza un formato transmisión en ráfagas, cuyo mecanismo de entramado permite perfiles de ráfagas adaptativas, en el que los parámetros de transmisión, incluyendo los esquemas de modulación y codificación puedan ser ajustados individualmente para cada SS sobre una base trama a trama.. 33.

(40) Capítulo II. 2.3 Aplicaciones de las redes WiMAX. Como. se. comentó. anteriormente,. la. tecnología. WiMAX. se. desarrolló. principalmente para proporcionar acceso de banda ancha en la última milla en una red de área metropolitana (MAN) con prestaciones comparables a otras tecnologías con soporte (medio) físico. De forma general, las tecnologías radio de banda ancha constituyen una alternativa. de. conectividad. física. para. la. extensión. de. las. redes. de. telecomunicaciones y su competitividad delante de otras opciones tecnológicas (DSL, cable, Wi-Fi) depende del tipo de entorno en donde se plantea su despliegue. De forma más concreta, entre los segmentos de mercado donde el desarrollo de WiMAX puede resultar más interesante se destacan los siguientes: Ø. Acceso de banda ancha residencial y SOHO (Small Offices Home Offices). Acceso de internet (voz + datos) de alta velocidad, en la que se pueden incluir servicios multimedia como videoconferencia, video bajo demanda o televisión. Es comparable en cuanto a capacidad al servicio que se ofrece actualmente con las líneas ADSL o cable.. Ø. Servicios de telecomunicaciones para pymes. Acceso de banda ancha dedicada (2 Mbps) donde no es posible dar acceso por medios físicos. Y en aquellas zonas donde existen servicios alámbricos existen estudios de modelos de negocio que demuestran que WiMAX sería una alternativa eficiente y competitiva contra estos servicios.. Ø. Redes backhaul para hotspots WLAN. Red de interconexión de islas WLAN (LAN inalámbricas) a servicios de banda ancha. Permite interconectar redes WLAN de corto alcance (aproximadamente 200 metros) entre ellas para formar grandes redes de telecomunicaciones. También resulta interesante como alternativa backhaul en despliegues de redes celulares donde actualmente se utilizan líneas dedicadas o enlaces de microondas para arribar a las estaciones base. 34.

(41) Capítulo II. En la figura 2.3.1 se ilustra a grandes rasgos éstas y otras aplicaciones de los sistemas WiMAX.. 2.4 Elementos y configuraciones de las redes WiMAX Una red WiMAX forma parte de una BWA. Por lo tanto sus elementos son los mencionados en el Capitulo 1. Básicamente se pueden mencionar los dos tipos de elementos que forman las redes 802.16: • El equipo de usuario o CPE (Customer Premises Equipment). Este es el equipo que incorpora las funciones de las SS (Subscriber Station) identificadas en el funcionamiento de las redes Broadband Wireless Acces (BWA). Este equipo proporciona la conectividad vía radio con la estación base (BS). • La estación base con las funciones de BS (Base Station). Además de proporcionar conectividad con las SS también proporciona los mecanismos de control y gestión de los equipos SS. La estación base tiene los elementos necesarios para conectarse con el sistema de distribución. 35.

(42) Capítulo II. En la figura 2.4.1 se identifican estos dos elementos así como las posibles configuraciones de conectividad entre ellas. De forma general, una red WiMAX posee una arquitectura similar a las redes celulares tradicionales ya que se basa en una distribución estratégica de una serie de emplazamientos en donde se ubicarán las estaciones base (BS). Cada estación base utiliza una configuración punto-multipunto (PMP) o punto-punto (PTP) para enlazar los equipos de los clientes. También existe la posibilidad de que las estaciones clientes se enlacen entre ellas en una configuración mallada.. A continuación se describirán las principales características de la configuración que se utiliza en el estudio del despliegue, la PMP.. 36.

(43) Capítulo II. 2.4.1. Configuración punto-multipunto (PMP). En las configuraciones punto-multipunto (PMP) un enlace WiMAX se realiza a partir de una estación base (BS) central con antenas sectoriales, en estas redes pueden haber estaciones con 2 sectores (a 180º), 4 sectores (a 90º) u 8 sectores (a 45º) todo depende del tipo de antena que se utilice y de la zona que se pretende dar cobertura. Dentro de un sector y para una determinada frecuencia (canal) todas las estaciones (BS) reciben la misma potencia o partes de la misma. Las transmisiones en el enlace de bajada (downlink, DL) suelen ser broadcast, de forma que todas las estaciones de usuario reciben toda la información y escogen la que valla dirigida a ellos. En el enlace de subida (uplink, UL) las estaciones de usuario comparten el canal mediante mecanismos de gestión de demanda.. Los mecanismos de control de QoS posibilitan la asignación de ancho de banda a los equipos terminales en función de las necesidades de los abonados. Este estándar define cuatro métodos de solicitud de reserva de ancho de banda, para cuatro tipos de servicio diferentes [35, 36, 37, 38]:. 37.

(44) Capítulo II. Ø. Servicio garantizado no solicitado (UGS): la estación base asigna periódicamente espacio disponible en el enlace ascendente para cada conexión de este tipo que se haya establecido sin que haya habido ninguna solicitud explícita de la SS. Entre los servicios que podrían hacer uso de UGS se incluyen ATM con CBR y E1/T1 sobre ATM.. Ø. Servicio con sondeo en tiempo real: diseñado para el soporte de conexiones en tiempo real que generen paquetes de tamaño variable según intervalos de tiempo constantes, como por ejemplo VoIP, video streaming o audio streaming.. Ø. Servicio con sondeo en tiempo diferido: diseñado para el soporte de conexiones que no presentan requisitos de tiempo real como el acceso a Internet con velocidad mínima garantizada y conexiones ATM.. Ø. Servicio mejor esfuerzo: no provee garantías, ni de retardo, ni de rendimiento; no reserva ancho de banda, asigna según tasas disponibles y no da prioridad. Está pensado para el tráfico de este tipo, como por ejemplo el acceso a Internet.. Todos los tipos de servicios requerirán de aumentos o disminuciones en forma dinámica del ancho de banda asignado a ellos, exceptuando el UGS el cual tiene una tasa fija de transmisión asignada. Por lo tanto la estación base debe permitir permanentemente a las SS que informen sus requerimientos de ancho de banda.. 2.5 Arquitectura del protocolo 802.16. El estándar 802.16, al igual que el resto de estándares de la familia IEEE 802 define las especificaciones para las múltiples capas físicas (PHY) y la capa de acceso al medio (MAC). En la figura 2.4 se ilustra la pila de protocolos del estándar 802.16 donde la capa MAC está compuesta por las siguientes partes: Convergence Sublayer (CS), MAC Common Part Sublayer (MAC CPS) y la Privacy Sublayer [38].. 38.