Sistema inalámbrico de banda ancha, WIMAX

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(1)FFA DE AC E IIN CU NG ULLTTA GE EN NIIE AD DD ER RÍÍA AE ELLÉ ÉC CTTR RIIC CA A. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. T TR RA AB BA AJJO OD DE ED DIIP PLLO OM MA A. ““S Siisstteem maa IIn naalláám mb brriicco od dee B Baan nd daa A An ncch haa,, W WIIM MA AX X””. Autor: Yanela Acosta Cabrera Tutor: Ing. Maria Del Carmen Casas Cardoso. SSaannttaa C Cllaarraa 22000077 ““A Reevvoolluucciióónn”” Aññoo 4499 ddee llaa R.

(2) U UN DE NIIV E LLA VE ER AS RS SV SIID VIILLLLA DA AD DC AS CE S EN NTTR RA ALL ““M Maarrttaa A Abbrreeuu”” D. FFA AC CU ULLTTA AD DD DE E IIN NG GE EN NIIE ER RÍÍA AE ELLÉ ÉC CTTR RIIC CA A. Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. T TR RA AB BA AJJO OD DE ED DIIP PLLO OM MA A ““S brriicco od dee B Baan nd daa A An ncch haa,, Siisstteem maa IIn naalláám mb W WIIM MA AX X”” Autor: Yanela Acosta Cabrera yanela@uclv.edu.cu. Tutor: Ing. Maria Del Carmen Casas Cardoso mccasas@uclv.edu.edu. SSaannttaa C Cllaarraa 22000077 ““A Reevvoolluucciióónn”” Aññoo 4499 ddee llaa R.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

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(5) Pensamiento. PENSAMIENTO. El futuro de nuestra Patria tiene que ser, necesariamente, un futuro de hombres de ciencia, de hombres de pensamiento. Fidel Castro. I.

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(7) Dedicatoria. DEDICATORIA. Dedico este trabajo de diploma a. mi familia, por la inmensa confianza que. depositaron en mí. A mis profesores, por su apoyo absoluto. A mis compañeros de aula por los momentos que pasamos juntos.. II.

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(9) Agradecimientos. AGRADECIMIENTOS Deseo agradecerles, en especial a mi madre por su preocupación en la superación de mis estudios y guiarme por el camino correcto; y con ellos a toda mi familia que tanto la quiero y respeto, que me han ofrecido impulsos para seguir adelante. A mi abuela Hilda, de cariño, por el amor y la dedicación que me ha brindado. A mi tía Ileana por su ejemplo y apoyo. A mi novio Iván. A mis compañeros y profesores que tan importante papel desempeñaron en mi vida de estudiante y en mi formación de valores. A mi tutora por su colaboración incondicional. A mi Patria y a mi Universidad por haberme dado la oportunidad de superarme.. Desde mi corazón, a todas aquellas personas que de una forma u otra ayudaron en la construcción de mi futuro.. III.

(10) TAREA TÉCNICA. TAREA TÉCNICA 1. Revisión y análisis bibliográfico sobre la actualidad de los estándares de acceso inalámbrico de banda ancha en el mundo. 2. Definir el tipo de tecnología aceptable para lograr: la calidad del enlace, teniendo presente, las condiciones geográficas, alcance y movilidad. 3. Determinar las características principales de la tecnología WIMAX. 4. Brindar alternativas para el uso de esta red inalámbrica en Cuba, teniendo en cuenta sus superioridades en relación con otras tecnologías de acceso y su aspecto económico. 5. Confección del informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor. IV.

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(12) RESUMEN. RESUMEN Actualmente hay disponibles una extensa variedad de estándares inalámbricos, operando en disímiles bandas de frecuencias y comienzan a emerger otras nuevas y prometedoras tecnologías. El estándar IEEE 802.16, que se promueve bajo el nombre de WIMAX, muestra características innovadoras; el uso de la tecnología de multiplexado de frecuencias. ortogonales lo convierte en una. excelente alternativa para los retos que deben enfrentar los operadores de telecomunicaciones en la actualidad. Este trabajo describe la evolución del estándar WIMAX, características técnicas, sus ventajas con respecto a otras tecnologías de acceso y sus posibilidades en el mercado. Está básicamente propuesto para proponer alternativas realizables en nuestro país, en aquellas zonas donde son necesarias las comunicaciones a nivel mundial y producto de algunos factores se hace deficiente el despliegue de otros tipos de redes.. V.

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(14) INDICE PENSAMIENTO....................................................................................................... I DEDICATORIA ....................................................................................................... II AGRADECIMIENTOS............................................................................................ III TAREA TÉCNICA.................................................................................................. IV RESUMEN .............................................................................................................. V INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA................. 4 1.1 Introducción a las redes inalámbricas. ......................................................... 4 1.1.1 Redes inalámbricas de banda ancha.. ........................................................... 6 1.1.2 Comparación de las tecnologías inalámbricas con las alámbricas. ............... 7 Factores principales ................................................................................................ 7 Ejemplos generales de aplicaciones prácticas........................................................ 8 1.2 Estándares Inalámbricos............................................................................... 8 1.2.1 Redes de área personal inalámbricas (WPAN).............................................. 8 1.2.1.1 Principales estándares de WPAN. .............................................................. 9 Bluetooth ................................................................................................................. 9 ZigBee................................................................................................................... 10 1.2.2 Redes de área local inalámbricas (WLAN)................................................... 10 1.2.2.1 Estándares inalámbricos ........................................................................... 11 Fidelidad inalámbrica (WiFi).................................................................................. 11 1.2.3 Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN) ................................... 12 1.2.3.1 Estándares inalámbricos ........................................................................... 13 Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas (WIMAX) 802.16 x ............ 13 1.2.4 Redes inalámbricas de área extensa (WWAN) ........................................... 13 1.2.4.1 Estándar inalámbrico................................................................................. 14 Acceso Inalámbrico Móvil de Banda Ancha (NBWA); 802.20 .............................. 14 1.2.5 Posicionamiento de estándares ................................................................... 15 VI.

(15) 1.3 Visión general de la tecnología WIMAX ...................................................... 16 1.3.1 ¿Qué es WIMAX? ........................................................................................ 16 1.3.2 Cómo funciona WIMAX? .............................................................................. 17 1.3.3 WIMAX Forum............................................................................................. 18 1.3.4 Topología de la red ...................................................................................... 19 1.4 Consideraciones ........................................................................................... 20 CAPÍTULO 2. RED INALÁMBRICA WIMAX........................................................ 21 2.1 Estandarización............................................................................................. 21 2.1.1 Introducción de estándares asociados a WIMAX......................................... 21 2.1.2 Estándares inalámbricos .............................................................................. 22 2.1.2.1 Modelos de despliegue ............................................................................. 24 2.2 Tecnologías de radio .................................................................................... 25 2.2.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) ............... 25 Interferencia Intersímbolo ..................................................................................... 27 Intervalo de guarda ............................................................................................... 28 Modulador y demodulador OFDM ......................................................................... 28 2.2.2 WIMAX emplea OFDM................................................................................. 30 Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (OFDMA) ................... 31 Modulación adaptativa .......................................................................................... 33 2.2.3 Tecnologías claves ..................................................................................... 34 Acceso por Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales Escalables (SOFDMA) ............................................................................................................ 34 Sistemas de Antenas Múltiples (MIMO) ................................................................ 35 Sistemas de antenas adaptativas (AAS)............................................................... 36 2.3 Arquitectura del protocolo 802.16 ............................................................... 37 2.4 Otras características..................................................................................... 39 2.5 Niveles de servicio........................................................................................ 41 2.6 Radiopropagación en redes WIMAX............................................................ 42 2.6.1 Características de un radio enlace............................................................... 42 2.6.2 Interferencias ............................................................................................... 44 2.6.3 Clasificación de los entornos........................................................................ 44 2.7 Consideraciones ........................................................................................... 46 CAPÍTULO 3. WIMAX: EL FUTURO DE LAS REDES INALÁMBRICAS ............ 47 VII.

(16) 3.1 Papel de WIMAX en las comunicaciones inalámbricas.................................. 47 3.2 Relación de WIMAX con otras tecnologías inalámbricas. ......................... 48 3.2.1 WIMAX frente a WiFi.................................................................................... 48 3.2.2 WIMAX y las redes 3G ................................................................................. 49 3.2.3 Mobile-Fi (IEEE 802.20) ............................................................................... 50 3.3 Zonas de aplicación de la tecnología WIMAX............................................. 51 3.3.1 Países desarrollados:................................................................................... 51 3.3.2 Países en vías de desarrollo ........................................................................ 53 3.4 WIMAX como alternativa para el desarrollo de las Redes Inalámbricas en Cuba…… .............................................................................................................. 54 3.4.1 Coberturas típicas de WIMAX ...................................................................... 54 3.4.2 Aplicaciones factibles en Cuba .................................................................... 55 3.5 Consideraciones ........................................................................................... 60 CONCLUSIONES ................................................................................................. 61 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 62 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................... 63 ANEXOS ............................................................................................................... 66 GLOSARIO ........................................................................................................... 70. VIII.

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(18) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN Uno de los principales factores que agravan la llamada “brecha tecnológica” entre las diferentes sociedades, es la falta de conectividad con el mundo exterior. Si no existe comunicación, no existe flujo de ideas y por lo tanto las comunidades estancan su desarrollo, generándose un círculo vicioso que hace cada vez más grande esta brecha. Esta desigualdad no solo se da entre países desarrollados y subdesarrollados, sino también en diferentes sectores de una misma sociedad, entre la zona urbana y la zona rural. Mientras que en la ciudad todos tenemos acceso relativo a sistemas básicos de comunicación (Teléfono, radio, televisión, Internet), en muchas áreas rurales, estos servicios suelen ser inexistentes, por la dificultad de extender el cableado y por la poca demanda de usuarios. Las tecnologías inalámbricas surgen como alternativa para dar cobertura a zonas rurales, evitando implementaciones rigurosas como es el cableado. De ahí que se hayan desarrollado una serie de estándares que utilicen como soporte el espacio radioeléctrico, dentro de las que se encuentran: 802.11 (WiFi, Wireless Fidelity) y 802.16 (WIMAX, World Interoperability for Microwave Access). WIMAX se presenta como una tecnología adicional al estándar 802.11 (podría ser su sustituto). En cierto modo esto es así, dado que WiFi proporciona accesos en ámbito de Red Local y, a medida que WiFi se desarrolla, WIMAX podría ser una solución en la creación de redes para la interconexión. La situación del problema consiste en la contribución para el perfeccionamiento del acceso de las telecomunicaciones a zonas rurales, teniendo en cuenta las tecnologías inalámbricas existentes y los servicios que estas brindan. Con la ejecución del proyecto se facilitan soluciones para el mejoramiento de esta situación. Los objetivos principales de este trabajo responden a las tareas técnicas a realizar, entre ellos se destacan:. 1.

(19) INTRODUCCIÓN. •. Caracterizar el estado actual de los estándares de acceso inalámbrico de. banda ancha en el mundo. •. Investigar las potencialidades de la tecnología de acceso inalámbrico. WIMAX. •. Realizar un estudio de la relación de WIMAX sobre otras tecnologías de. acceso inalámbrico de banda ancha. •. Valorar las posibles alternativas en el entorno cubano para la extensión de los servicios de telecomunicaciones a zonas rurales.. Dentro de los posibles resultados de este proyecto, está el desarrollo de las redes inalámbricas basadas en la implementación de WIMAX utilizando el estándar 802.16; motivando a empresas, instituciones u otras entidades a hacer uso de las mismas. Favorecerá el análisis de las diferentes alternativas de comunicación, teniendo presente las potencialidades que brinda y proporcionando una solución económica más eficiente. Los resultados de la investigación poseen una aplicación práctica y teórica de gran trascendencia para todos los especialistas, investigadores y diseñadores de redes inalámbricas .WIMAX ofrece variedad de servicios a zonas rurales de difícil acceso, a las que no llegan las redes cableadas y se hace difícil la comunicación. Es una tecnología muy adecuada para establecer radioenlaces, dado su gran alcance y alta capacidad, y su costo muy competitivo frente a otras alternativas. El desarrollo del informe se organizó en introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos. •. El capítulo 1.Estándares Inalámbricos de Banda Ancha.. Se dedica a la caracterización de las tecnologías inalámbricas de banda ancha partiendo desde las más elementales hasta el estándar WIMAX, sobre el cual se desarrolla el trabajo. •. El capítulo 2. Red Inalámbrica WIMAX. 2.

(20) INTRODUCCIÓN. Ofrece características más precisas de la tecnología WIMAX y de cada una de sus particularidades, como son: Estándares de WIMAX. Tecnologías de radio. Radiopropagación. •. El capítulo 3. WIMAX, el futuro de las Redes Inalámbricas.. Se realizó un estudio comparativo de redes WIMAX en relación con otras tecnologías de acceso. Se presenta la aplicabilidad en diferentes zonas tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo y principalmente la utilidad que exhibe WIMAX en nuestro país. •. Conclusiones: Se realiza un análisis. de los resultados obtenidos en la. investigación en correspondencia de los objetivos planteados. •. Recomendaciones: Se proponen recomendaciones que tengan como objetivo enriquecer el material y que permitan la mejora de este proyecto en el futuro.. •. Referencias bibliográficas: Se organiza un listado de las referencias bibliográficas consultadas siguiendo la metodología existente para este fin.. 3.

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(22) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. CAPÍTULO 1. ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA 1.1 Introducción a las redes inalámbricas. Uno de los retos más discutidos en los últimos años radica en la posibilidad de comunicar. computadoras. utilizando. interconexión. inalámbrica.. El. acceso. inalámbrico es una alternativa al acceso cableado, que permite a los usuarios desde rapidez en el despliegue hasta la posibilidad de brindar servicios de voz y datos a larga distancia, dentro del área geográfica de cobertura utilizando las tecnologías de radiofrecuencia, optimizadas para conexiones inalámbricas a diferentes distancias. El desarrollo de las comunicaciones ha ido tomando un auge considerable, por lo que el servicio de Internet se convierte cada vez más en un factor importante en este desarrollo; pero se ha expandido solo en poblaciones urbanas y suburbanas, mientras que las zonas rurales no se satisfacen con este servicio, por su difícil acceso con la utilización de redes cableadas. Las tecnologías inalámbricas se han convertido hoy en una variante muy necesaria para unir lugares donde es imposible llegar con otros tipos de redes que se interconectan con cables, estas redes solo necesitan de una antena transmisora y otra receptora para lograr transmitir las ondas, que luego se convertirán en paquetes IP (Internet Protocol), además de que se pueden conectar a las redes Ethernet que usualmente conocemos. Entre los dispositivos comúnmente utilizados para la interconexión inalámbrica se encuentran los equipos portátiles, equipos de escritorio, asistentes digitales personales (PDA, Personal Digit Assistent), teléfonos celulares, equipos con lápiz y localizadores. El éxito de estas experiencias no ha sido especialmente significativo por el momento, dado que los costos de licencias y equipamiento, ligados a los problemas de operación y mantenimiento han hecho que su desarrollo frente a las alternativas cableadas haya sido limitado.. 4.

(23) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. Para reducir los costos, asegurar la interoperabilidad y promover la adopción general de tecnologías inalámbricas, organizaciones como el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers), el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF, Internet Engineering Task Force), Aliansa de Compatibilidad de Ethernet e Inalámbrica (WECA, Wireless Ethernet Compatibility Alliance) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones. (UIT,. Internacional. Telecomunication. Union). están. participando en varios proyectos de estandarización inalámbricos. Por ejemplo, los grupos de trabajo de IEEE están definiendo el modo en que la información se transfiere de un dispositivo a otro (si se utilizan ondas de radio o luz infrarroja) y cómo y cuándo un medio de transmisión debe utilizarse para las comunicaciones. En el desarrollo de los estándares de interconexión inalámbrica, organizaciones como el IEEE se centran en la administración de energía, el ancho de banda, la seguridad y los aspectos esenciales en la interconexión. No se espera que las redes inalámbricas lleguen a remplazar a las redes cableadas. Estas últimas ofrecen velocidades de transmisión mayores que las logradas. con. la. tecnología. inalámbrica,. pero. tienen. la. dificultad. del. emplazamiento. Se pueden mezclar las redes cableadas y las inalámbricas, y de esta manera generar una "Red Híbrida" y poder resolver los últimos metros hacia la estación.Considerando el sistema cableado como la parte principal y la inalámbrica la que proporcione movilidad adicional al equipo y al operador para que se pueda desplazar con facilidad. La globalización de las comunicaciones inalámbricas ha permitido el desarrollo de nuevos estándares y productos, tecnologías que utilizan técnicas avanzadas de modulación que permiten un gran nivel de seguridad así como resistencia a la interferencia de dispositivos electrónicos y a otros usuarios. Así, la mayoría de los usuarios pueden compartir la misma banda de frecuencia sin interferencia. Más aún, estas nuevas tecnologías utilizan bandas de frecuencias sin licencia, que permiten el uso libre. 5.

(24) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. 1.1.1 Redes inalámbricas de banda ancha. El número de personas que utiliza conexiones de banda ancha a Internet ha aumentado rápidamente en los últimos años. Si bien quedan contrastes espectaculares entre las poblaciones que disponen de la banda ancha y las que no disponen de ella, las perspectivas de crecimiento en todo el mundo son muy positivas. En un principio las únicas tecnologías inalámbricas que existían eran la satelitales y a través de enlaces de microondas. A partir de ahí los proveedores de servicios a Internet brindaban a sus usuarios el acceso a los servicios a través de medios cableados tales como: cobre, cable y fibra óptica, entre otros. Las aplicaciones de banda ancha impusieron la necesidad de buscar nuevas alternativas para satisfacer el gran el número de aplicaciones, con el menor costo posible. Hoy en día gracias a la creación de diferentes estándares en áreas inalámbricas se está permitiendo la fabricación de nuevos productos, a un precio cada vez más accesibles a los usuarios y brindando mayor ancho de banda para facilidad del usuario. Se están utilizando diversas tecnologías inalámbricas avanzadas para aumentar el acceso de banda ancha fijo, con tecnologías de banda ancha del último kilómetro tales como el estándar IEEE 802.11 (Fidelidad Inalámbrica), que ya se utiliza en aeropuertos, restaurantes y muchos otros lugares de acceso públicos. Varias ciudades, han anunciado proyectos de instalar redes de banda ancha inalámbricas. Además, muchos operadores en todo el mundo están llevando a cabo pruebas con tecnología 802.16, Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas (WiMAX). La industria de redes inalámbricas ha manifestado un acelerado crecimiento en el campo de las telecomunicaciones. Esto ha llevado a cabo que prestigiosas organizaciones como la IEEE y el Instituto de Estándares de Telecomunicaciones Europeo (ETSI, European Telecomunication Standard Institute), desarrollen un amplio estudio de las tecnologías de radio en América y Europa respectivamente.. 6.

(25) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. 1.1.2 Comparación de las tecnologías inalámbricas con las alámbricas. La principal ventaja de las tecnologías inalámbricas sobre las cableadas radica en la movilidad que brinda a sus usuarios y en su poca complejidad de instalación. Factores principales A continuación se describen factores que han influido en la selección de la tecnología inalámbrica para el acceso a redes de Internet. •. Se han abierto bandas de frecuencias que no necesitan permisos para su utilización.. •. Se ha incrementado la velocidad de las dorsales de Internet que enlazan las redes inalámbricas.. •. Están cambiando los patrones de trabajo, ahora existe un mayor número de empresarios de negocios que necesita acceder a Internet desde cualquier lugar.. •. Es más fácil para el proveedor de servicios de telecomunicaciones e Internet brindar a sus usuarios acceso sin alambres que cablear a cada uno de ellos.. •. Facilidad de incorporación de un nuevo usuario a una red inalámbrica.. Los desarrolladores de tecnologías para el acceso inalámbrico de banda ancha persiguen diversos objetivos en los que se destacan: •. Crear un estándar único, que permita interoperabilidad total entre los diferentes proveedores.. •. Garantizar el ancho de banda requerido, para usuarios fijos y móviles.. •. Lograr un bajo costo de despliegue.. •. Garantizar un alto nivel de seguridad y escalabilidad.. •. Satisfacer las necesidades de transporte para altos volúmenes de tráfico.. 7.

(26) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. Ejemplos generales de aplicaciones prácticas. Con los nuevos productos y tecnologías inalámbricas los usuarios podrán acceder a las redes corporativas e Internet, desde su casa conectando dispositivos a su equipo de escritorio para sincronizar datos y transferir archivos, también de camino al trabajo o en la carretera sin una conexión física. Con teléfonos inteligentes es posible recibir Internet y enlazarse directamente a computadoras, máquinas de fax y otros dispositivos de oficina. Las computadoras estarán interconectadas entre sí sin cables y se enlazarán a la red alámbrica a través de un dispositivo de acceso. A su vez, las conexiones entre las redes alámbricas podrán ser inalámbricas 1.2 Estándares Inalámbricos 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. Las redes inalámbricas pueden clasificar según el alcance de la red. De Larga Distancia: son utilizadas para transmitir la información en espacios que pueden variar desde una misma ciudad o hasta varios países (mejor conocido como. Redes. de. Área. Metropolitana. y. Área. extensa,. MAN. y. WAN. respectivamente). De Corta Distancia: son utilizadas principalmente en redes corporativas cuyos locales no se encuentren muy alejados entre si, (conocidas como Redes de Área Local y Área Personal, LAN y PAN respectivamente). 1.2.1 Redes de área personal inalámbricas (WPAN) Permiten la conexión inalámbrica de equipos y periféricos, en un ambiente interior y tiene un alcance del orden de los metros. Esta es una especificación para la industria informática y de las telecomunicaciones que describe un método de 8.

(27) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. conectividad móvil universal; permiten a los usuarios establecer comunicaciones inalámbricas ad hoc1 para dispositivos como PDA, teléfonos celulares, ordenadores y equipos portátiles que se utilizan dentro de un espacio operativo personal (POS, Personal Operative Spaced). Un POS es el espacio que rodea a una persona, hasta una distancia de 10 metros. La red WPAN es una tecnología que utiliza conexión inalámbrica de corto alcance. 1.2.1.1 Principales estándares de WPAN. Existen diversos estándares que responden a las Redes Inalámbricas de área Personal entre las que se destacan las tecnologías Bluetooth y ZigBee. Bluetooth El estándar 802.15 es conocido como Bluetooth, describe la manera en la que una enorme variedad de dispositivos pueden conectarse entre sí, de una forma sencilla y sincronizada, con cualquier otro equipo que soporte dicha tecnología utilizando las ondas de radio como medio de transporte de la información en sustitución de cables a una distancia hasta 10 metros. Técnicamente, la implementación de esta tecnología no entraña ninguna complicación técnica especialmente problemática ni sofisticada. Tampoco supone que los nuevos dispositivos equipados con esta tecnología deban sufrir profundas revisiones o modificaciones. Es una especificación para una solución radio, con los factores de baja complejidad y costo, tamaño pequeño y potencia baja, interoperabilidad y coexistencia con redes de 802.11, que proporciona conectividad inalámbrica sin interrupciones entre ordenadores portátiles (Bates Jr, R. 2003). El desarrollo de la tecnología de Bluetooth lo dirige el Grupo de interés general (SIG, Special Interest Group), que publicó la especificación de la versión 1.0 de Bluetooth en 1999.. 1. Estructura de interconexión entre dos o más dispositivos en ausencia de un punto de acceso. Se concideran redes inalámbricas independiente.. 9.

(28) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. Para normalizar el desarrollo de tecnologías WPAN, el IEEE ha establecido el grupo de trabajo para el estándar 802.15 en las WPAN, desarrollando una norma, basada en la especificación de la versión 1.0 de Bluetooth. En sí, cada dispositivo deberá estar equipado con un pequeño chip que transmite y recibe información a una velocidad de 1 Mbps en la banda de frecuencias de 2,4 GHz que está disponible en todo el mundo, con ciertas particularidades según los diferentes países de aplicación, ya que es empleada con enorme profusión en numerosos dispositivos. ZigBee Es un protocolo de comunicaciones inalámbrico, similar al Bluetooth, bajo el estándar IEEE 802.15.4. Surge del fruto de una alianza de más de 200 empresas, la mayoría de ellas fabricantes de semiconductores, con el objetivo de conseguir el desarrollo e implantación de una tecnología inalámbrica de bajo coste. Los miembros de esta alianza justifican el desarrollo de este estándar para cubrir el vacío que se produce por debajo del Bluetooth. Principalmente, el ámbito en el que se usará será el doméstico, debido a su bajo consumo, su sistema de comunicaciones vía radio usa topología mallada y con su fácil integración, se pueden fabricar nodos con muy poca electrónica. Tiene un ancho de banda de 250 kbps. Una red ZigBee puede constar de un máximo de 64000 nodos, frente a los 8 máximos de una red Bluetooth. Tiene un menor consumo eléctrico debido a que se queda la mayor parte del tiempo dormido, mientras que en una comunicación Bluetooth esto no se puede dar, siempre se está transmitiendo y/o recibiendo. 1.2.2 Redes de área local inalámbricas (WLAN) Las WLAN también conocidas por redes LAN de radio, constituyen un sistema de comunicación de acceso por radio carente de una infraestructura cableada, que permite a los equipos informáticos comunicarse entre si. Una red WLAN puede ser considerada como una “Ethernet inalámbrica” dado que es generalmente utilizada como una extensión de redes LAN cableadas. 10.

(29) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. Las redes de área local constituyen un medio eficaz de compartir el acceso inalámbrico a Internet, cubren distancias. de los 10 hasta los 100 metros. Se. pueden utilizar en oficinas temporales u otros espacios donde la instalación de un extenso cableado sería prohibitivo, o para complementar una LAN existente de modo que los usuarios pueden trabajar en diferentes lugares dentro de un edificio a diferentes horas. Se utilizan además para proporcionar acceso de banda ancha a lo largo de grandes distancias en zonas rurales y países en desarrollo (utilizando equipos y tecnologías especiales para aumentar la distancia efectiva de los puntos de conexión). En las WLAN de infraestructura, los puntos de acceso constituyen la parte inalámbrica de una LAN, estos se conectan como cualquier otro dispositivo y después deja que cualquier ordenador se conecte a él. En las redes LAN de ad hoc, varios usuarios dentro de un área limitada, como una sala de conferencias, pueden formar una red temporal sin utilizar puntos de acceso, si no necesitan obtener acceso a recursos de red. 1.2.2.1 Estándares inalámbricos Fidelidad inalámbrica (WiFi) En 1997, el IEEE aprobó la norma 802.11 para las WLAN (normalmente conocido por. WiFi, un estándar que remplazaría los cables de la conexión alámbrica. Ethernet con una conexión inalámbrica basada en su versión original que especifica una velocidad de transferencia de datos de 1 a 2 Mbps. En la 802.11b, los datos se transfieren a velocidadades que oscilan entre 5 y 11 Mbps a través de una banda de frecuencia de 2,4 GHz. Otra norma reciente es la 802.11a, que especifica una transferencia de datos a una velocidad máxima de 54 Mbps a través de una banda de frecuencia de 5 GHz, menos congestionada y con menos interferencia y con alcance limitado a 50 metros, con 12 canales separados y no empalmados, como resultado se dispone de 12 puntos de acceso para diferentes canales en la misma área sin interferencia con algún otro (aunque casi no se desarrollan productos debido a la incompatibilidad con 802.11 b).Luego se adicionó un estándar compatible a esa misma velocidad , el 802.11 g. 11.

(30) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. En la figura 1.1 se muestran algunas caraterísticas de las diferentes versiones del mencionado estándar así como sus extensiones.. Figura 1.1 Estándares Inalámbricos IEEE 802.11 1.2.3 Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN) Las tecnologías WMAN permiten a los usuarios establecer conexiones inalámbricas entre varias ubicaciones dentro de un área metropolitana. Los grupos de trabajo de la IEEE y al ETSI han trabajado importantes estándares compatibles entre sí, para la trasmisión inalámbrica MAN aunque se puede decir que el estándar americano ha tomado la delantera en sus desarrollos. WIMAX denominado el estándar 802.16 de acceso inalámbrico es una de las tecnologías con mayores perspectivas para las redes metropolitanas; promueve la interoperabilidad global, facilita soluciones de banda ancha de bajo costo y favorece soporte de múltiples fabricantes.. 12.

(31) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. 1.2.3.1 Estándares inalámbricos Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas (WIMAX) 802.16 x El nuevo estándar desarrollado por el IEEE, 802.16 hace referencia a un sistema de Acceso Inalámbrico de banda Ancha (BWA, Broadband Wireless Access) de alta tasa de transmisión de datos y alcance hasta (50 Km.), parece prometer un nuevo escenario para las tecnologías de acceso inalámbrico en banda ancha. No se trata de que se hayan desarrollado nuevas tecnologías se trata de la aparición de un nuevo estándar que garantiza la interoperatividad entre equipos que en la actualidad utilizan tecnologías propietarias. Las palancas que impulsarán el desarrollo de este nuevo estándar se basan en la posibilidad de trabajar en bandas de frecuencia licenciadas y no licenciadas, así como en los inferiores costes de las infraestructuras de red y equipamiento de usuario. WIMAX pretende desarrollar un estándar interoperable entre fabricantes, de modo que se propicie un fuerte desarrollo del mercado. Ofrece las características necesarias para proveer módems inalámbricos de alta velocidad económicos para casas y negocios. Los despliegues iniciales van a posibilitar el acceso de Internet por banda ancha a áreas remotas que no están siendo actualmente servida por DSL o cable, y hará posible conectar sin cables edificios separados por varios kilómetros. Estas son unas de las tantas razones que justifican este proyecto porque particularmente en nuestro país existen lugares que por las condiciones geográficas del terreno es imposible llegar con el enlace de fibra óptica que en su mayoría es el que une la red. De ahí la necesidad de investigar y buscar otras variantes en la instalación de redes de comunicaciones para dar cobertura a dichas zonas. 1.2.4 Redes inalámbricas de área extensa (WWAN) Las tecnologías WWAN permiten a los usuarios establecer conexiones inalámbricas a través de redes remotas públicas o privadas. Estas conexiones pueden mantenerse a través de áreas geográficas extensas, como ciudades o países, mediante el uso de antenas en varias ubicaciones o sistemas satélites que 13.

(32) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. mantienen los proveedores de servicios inalámbricos. Las tecnologías WWAN actuales se conocen como sistemas de segunda generación (2G). Entre los sistemas 2G principales se incluyen el Sistema global de Comunicaciones móviles (GSM, Global System for Mobile Communications), Cellular Digital Packet Data (CDPD) y Code Division Multiple Access (CDMA). Los esfuerzos van encaminados a la transición desde redes 2G, algunas de las cuales tienen capacidades limitadas de movilidad y son incompatibles entre sí, a tecnologías de tercera generación (3G) que seguirían un estándar global y proporcionarían capacidades de movilidad internacional. Otra tecnología se basa sobre el estándar 802.20 desarrollado por la IEEE que muestra considerables características, a continuación se explica. 1.2.4.1 Estándar inalámbrico Acceso Inalámbrico Móvil de Banda Ancha (NBWA); 802.20 El grupo promotor del estándar IEEE 802.20, Acceso Inalámbrico Móvil de Banda ancha (MBWA, Movil Broadband Wireless Access), persigue desarrollar una especificación para la transmisión aérea de paquetes optimizada para servicios basados en IP. El objetivo es crear redes de acceso inalámbrico de banda ancha móvil, multifabricante e interoperables, siempre conectadas y rentables que satisfagan las necesidades de los mercados residencial y empresarial. Estos propósitos son muy similares a los prometidos por WiMAX móvil (802.16e), y aunque el entusiasmo inicial estaba puesto en el estándar MBWA, también conocido como Mobile-Fi, la industria decidió finalmente seguir a Intel en su apoyo a 802.16e, cuya disponibilidad de los componentes y su estado de desarrollo están mucho más avanzados (Comunicaciones World, 2006). El estándar IEEE 802.20, se encuentra en desarrollo. Está diseñado para admitir terminales móviles que se desplazan a velocidades cercanas a los 250 Km /h y. 14.

(33) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. permitir un servicio roaming2. CAPÍTULO 1. global similar a como lo hace la redes de 3ra. generación (3G), entre otras ventajas. Este estándar está específicamente pensado para transportar tráfico IP nativo para un acceso totalmente móvil de banda ancha, ofreciendo tiempos de latencia de 10 ms, incluso cuando el vehículo se desplaza a gran velocidad, comparado con los tiempos de latencia de 500 ms de la tecnología 3G Provee velocidad entre 1 y 16 Mbit/s, sobre distancias de hasta 15 o 20 Km, utilizando frecuencias por debajo de la banda de 3,5 GHz y promete soportar un mayor número de usuarios simultáneos que los sistemas móviles, proporcionando una mayor eficiencia espectral y menor latencia. 1.2.5 Posicionamiento de estándares La. IEEE. ha. establecido. una. jerarquía. de. estándares. inalámbricos. complementarios entre ellos, como se muestra en la figura 1.2. Esto incluye el IEEE 802.15 para Redes de Área Personal (PAN), IEEE 802.11 para Redes de Área Local (LAN), IEEE 802.16 para Redes de Área Metropolitana (MAN) y 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 2da y 3ra generación , los Sistemas Universales de Telecomunicaciones Móviles (UTMS, Universal Mobile Telecomunication System) y un Sistema global de Comunicaciones móviles (GSM, Global System for Mobile Communications).. 2. Movilidad hacia diferentes puntos de acceso con alta velocidad.. 15.

(34) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. Figura 1.2: Posicionamiento de estándares inalámbricos asociados en América y Europa. Desde el principio, se ha buscado en el desarrollo del estándar la compatibilidad con los estándares europeos. 1.3 Visión general de la tecnología WIMAX La IEEE ha desarrollado diversos estándares para el crecimiento y la interoperabilidad de las redes de datos. WIMAX es una tecnología apoyada por multitud de empresas importantes, agrupadas en WIMAX Forum, que podría poner en grandes apuros a otras. tecnologías debido. su flexibilidad, alta velocidad,. calidad de servicio (QoS, Quality of Service) y uno de los aspectos más importantes: que es mucho más económica que otras tecnologías. 1.3.1 ¿Qué es WIMAX? WiMAX es la marca que certifica que un producto está conforme con los estándares de acceso inalámbrico (IEEE 802.16). Estos estándares permitirán conexiones a velocidades similares a la Línea de Abonado Digital Asimétrico (ADSL, Asymmetric Digital Subscriber Line) o al cable módem, pero sin cables, y hasta una distancia de 50-70 km. Este nuevo estándar será compatible con otros anteriores, como WiFi (IEEE 802.11). La tecnología WiMAX será la base de las Redes Metropolitanas de acceso a Internet, servirá de apoyo para facilitar las conexiones en zonas rurales, y se 16.

(35) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. utilizará en el mundo empresarial para implementar las comunicaciones internas. Además, su popularización supondrá el despliegue definitivo de otras tecnologías como VoIP. 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”, que es una asociación formada por decenas de empresas comprometidas con el cumplimiento del estándar IEEE 802.16. 1.3.2 Cómo funciona WIMAX? WiMAX funciona de un modo similar a WiFi, en donde una estación base con una antena permite y controla el acceso inalámbrico de los equipos a la red, pero a velocidades más altas, mayores distancias dentro del área de servicio, para un mayor número de usuarios y puede operar tanto en entonos con línea de visual directa (LOS, Line of Sight) como sin visión directa (NLOS, Non Line of Sight). Cualquier persona podría conectarse con su portátil o agenda de mano PDA equipadas con dipositivos WIMAX y usar todo lo que necesite en Internet o su Intranet. WIMAX podría solventar la carencia de acceso de banda ancha a las áreas suburbanas y rurales que las compañías del teléfono y cable todavía no ofrecen. Elementos de la red WIMAX Por un lado se encuentra la estación base (BS, Base Station), torre que da cobertura a varios kilómetros cuadrados según el tipo de señal transmitida. Proporciona conectividad con las estaciones subcriptoras (SS, Subscriber Station), Además que 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. Por otro están los equipos de instalación del usuario (CPE, Customer Premises Equipment), que utilizan componetes como las tarjetas que conectamos a nuestro PC, portátil, o PDA para lograr el acceso. Este es el equipo que incorpora las 17.

(36) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. funciones de la SS identificadas en el funcionamiento de las redes de acceso inalámbrico de banda. Proporciona la conectividad vía radio con la estación base (BS). Su topología se basa en el despliegue de estaciones base formada por antenas emisoras y receptoras con capacidad de brindar servicio a unas 200 estaciones suscriptoras que dan cobertura y servicios a edificios completos. 1.3.3 WIMAX Forum El WiMAX Forum está integrado por prestigiosos miembros de la industria de la electrónica y las telecomunicaciones. 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. Las principales firmas de telefonía móvil también están desarrollando terminales capaces de conectarse a estas nuevas redes. Entre todos los miembros de la alianza se destaca INTEL; este ha anunciado nuevos desarrollos de chips que permite el aumento de las expectativas sobre el desarrollo de este estándar. Al igual que Nokia, está trabajando en el desarrollo de nuevas baterías, y en otras tecnologías que le permitirán desarrollar teléfonos móviles con tecnología WIMAX. Trabajan intensamente con el propósito de promover el desarrollo de soluciones basadas en 802.16 para buscar su aceptación global. Así, los objetivos del WIMAX Forum se centran en: •. Conseguir la interoperabilidad entre los productos de diferentes fabricantes, de forma que se realicen procesos de certificación funcional más allá del cumplimiento del estándar. Esto conducirá a una mayor seguridad por parte de los usuarios a la hora de utilizar dispositivos procedentes de fabricantes diferentes.. 18.

(37) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. •. CAPÍTULO 1. Reducción de costos. Si el estándar se consolida, muchos fabricantes optarán por soluciones homogéneas que garanticen la interoperatividad y mayores volúmenes de producción, gracias a la utilización de una tecnología base homogénea.. •. Promover una marca que difunda en el mercado un estándar masivo en comunicaciones inalámbricas.. 1.3.4 Topología de la red Entre las topologías de despliegue que pueden ser soportadas en WIMAX, es posible desplegar una red cableada dedicada a la interconexión de estaciones base, o bien realizar estas conexiones en base a circuitos radio punto a punto (PTP, Point to Point) en la banda de microondas, o inclusive emplear WIMAX para estos circuitos PTP entre estaciones. Las estaciones base son capaces de soportar su propia interconexión, dividiendo el ancho de banda disponible entre el dedicado a las comunicaciones de usuarios y el dedicado a la interconexión de las diferentes estaciones bases. Se presentan diferentes ejemplos de topología de red, tales como las conexiones Punto a Punto (Point to Point), Punto a Multipunto (PTM, Point to Multipoint) y conexiones red mallada (Mesh networking). Punto a Punto Las conexiones Punto a Punto, donde podemos unir diferentes edificios o estaciones base mediante circuitos radioeléctricos dedicados a cada una de las conexiones. Punto a Multipunto Las conexiones Punto Multipunto, es una arquitectura en la que cada una de las estaciones base establecen conexiones con varias estaciones remotas.La arquitectura PTM es la más extendida. Permite al operador de red alcanzar el mayor número de usuarios y limita el número de routers y switchs necesarios para operar la red.. 19.

(38) ESTÁNDARES INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA. CAPÍTULO 1. Las conexiones PTM han sido recomendadas en ocasiones también para su uso en bandas milimétricas. El problema radica en la topografía de la mayor parte de las ciudades, que podrían ser los principales mercados para este tipo de servicios. Redes malladas En una red mallada cada terminal de usuario es capaz de establecer varios enlaces con usuarios adyacentes.Esta compuesta por una colección de nodos que se comunican entre sí, de manera directa. Si no hay necesidad de una entidad centralizada que los controle, el modo de operación se conoce como distribuido, pero puede existir una entidad central que administre las condiciones de operación de la red, en cuyo caso se conoce como centralizado. En cualquier caso, la comunicación se realiza entre los nodos directamente y cada nodo puede ser al mismo tiempo fuente o destino de los datos o un enrutador de la información de otro nodo. De esta forma, existen una serie de alternativas antes de llegar al punto origen de la red. Algoritmos especiales de encaminamiento son capaces de direccionar las comunicaciones por el camino más adecuado en cada momento; si un equipo de cliente deja de funcionar, la red sigue funcionando por caminos alternativos. 1.4 Consideraciones Existe una gran variedad de estándares inalámbricos, diseñados cada uno en función de sus aplicaciones y esenarios de trabajo, pero aun queda mucho por explorar en este campo. WIMAX posee ventajas frente a otros estándares y se presenta como alternativa para el estudio detallado de sus características.. 20.

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(40) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. CAPÍTULO 2. RED INALÁMBRICA WIMAX El impacto de la nueva tecnología inalámbrica WIMAX puede ser extraordinario; ya que contiene una serie de elementos que van a favorecer su expansión y su competitividad en el mercado. Características como: alcance, velocidad de transmisión, condiciones NLOS, la disponibilidad con criterios para voz y video, la tecnología IP, las novedosas técnicas de correción de errores, seguridad y privacidad; la hacen netamente superior a otras redes inalámbricas Este capítulo se dedicará al estudio minucioso de esta tecnología inalámbrica de banda ancha y de cada una de sus particularidades; haciendo énfasis en sus diferentes versiones de estándares, tecnologías de radio y propagación de la señal. 2.1 Estandarización La familia de estándares 802.16x, conforma un conjunto de modelos de tecnología inalámbrica pensados para proporcionar conexiones de banda ancha de alto rendimiento, con mayor demanda de tráfico de conexiones, donde un sistema WiFi (802.11) no es suficiente. Cubren un hueco entre las redes de área local inalámbricas (802.11x) y las redes móviles más extensas. 2.1.1 Introducción de estándares asociados a WIMAX El desarrollo de esta tecnología está enmarcado dentro de estándares de la IEEE y cronológicamente ha evolucionado de la manera siguiente: El grupo de trabajo para Acceso Inalámbrico de Banda Ancha de la. IEEE. conocido como (BWA, Broadband Wireless Access), inició sus actividades sobre esta tecnología en 1999 y dió lugar, en el año 2001 el estándar 802.16 donde se delega los aspectos de especificación del interfaz radioeléctrico. En el 2002, se realiza. una. enmienda. agregándosele. al. estándar. las. letras. b/c. con. interoperabilidad y especificaciones de certificaciones. Luego el 2003 el Forum de Interoperabilidad Mundial para Acceso a través de Microondas (WIMAX Forum) promueve el nuevo estándar 802.16 a.. 21.

(41) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. En julio del 2004, se revisa el estándar 802.16 d, surge el conocido bajo el nombre de IEEE 802.16-2004 el cual reemplaza al 802.16, al a, b/c. En diciembre del 2005 fue ratificado por el IEEE el 802.16e para la aplicación de esta tecnología con movilidad. Se estima que el mismo sustentará el acceso móvil; es una avanzada versión que se encuentra en desarrollo y pretende añadir novedosas características que le permitirán un buen desempeño en entornos NLOS. 2.1.2 Estándares inalámbricos El proyecto del estándar IEEE 802.16, desarrolló su trabajo principal entre los años 2000-2003, dentro de un proceso de consenso abierto, además que tomó la delantera con respecto al estándar europeo. El objetivo fue desarrollar un estándar para conseguir un desarrollo del acceso inalámbrico en banda ancha masivo y a los menores precios posibles, a través de la creación de un estándar inalámbrico en un ámbito metropolitano. Al igual que ha sucedido con el estándar WiFi y sus diferentes versiones, WiMAX ha ido evolucionando a partir del 2004 y engloba diferentes versiones del estándar, cada una de ellas con sus propias características y campo de aplicación. IEEE802.16: La versión original del estándar 802.16 fue concebida para operar en las frecuencias comprendidas entre los 10 y los 66 GHz con velocidades de 120 Mbps, sistemas punto a multipunto con antenas direccionales y sin movilidad, que requiere línea de visibilidad directa (LOS) para su funcionamiento, además que reúne todas las especificaciones para la interfaz aéreo de acceso inalámbrico de banda ancha en redes metropolitanas (WMAN). Este sistema utiliza una modulación de portadoras única de ancho banda grande. IEEE 802.16(a): Constituye la primera revisión del estándar; cubre el rango de frecuencias entre 2-11 Ghz que son menos suceptibles a la pérdida de enlace. Se completa con la utilización de OFDM. Es también concebida para enlaces fijos pero no requiere de visibilidad directa (NLOS), y se llega a extender en algunos Kms su rango de cobertura. Es válido para topologías punto a multipunto y, opcionalmente, para redes en malla. Contiene tres nuevas capas físicas: Capa de 22.

(42) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. simple portadora, Capa de 256 FFT (Fast Fourier Transform) OFDM y Capa de 2048 FFT OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access). IEEE 802.16 (d): Este estándar soporta la línea de visibilidad directa y la indirecta. En el entorno de línea de LOS, opera en un rango de frecuencia de 10-66GHz, mientras que en el caso de NLOS requiere un rango inferior a 11GHz. En la actualidad, el 802.16d opera en frecuencias de 3.5GHz y 5.8GHz, y se puede utilizar tanto una estación fija de exterior como de interior. Este estándar fundamentalmente no requiere de visibilidad directa (NLOS) pero sólo sirve para aquellos terminales que están en un punto fijo. IEEE802.16-2004: Este reemplaza al 802.16, al a, b/c, y revisa y argumenta la versión d. Incluye toda la tecnología en el documento, mejoras en OFDM como soporte de sistemas de antenas de Múltiple Entrada Múltiple Salida (MIMO, Multiple Input Multiple Output) y en la subcanalización OFDMA. Opera en las bandas de frecuencia comprendidas entre 2 y 11 GHz, no requiere de torres LOS, por lo que es posible establecer enlaces sin línea de visión (NLOS) y mantener la comunicación sin que ambos extremos estén directamente enfrentados, además que no es necesario utilizar antenas direccionales IEEE802.16e: Este estándar toma el nombre de WiMAX MÓVIL; permite utilizar un sistema de comunicaciones inalámbricas con terminales en movimiento. Añade movilidad, prometiendo comunicaciones en vehículos a 120 Km/h. Está diseñado para ofrecer una característica clave de la que carecen los anteriores; portabilidad y con el tiempo, movilidad a toda escala. El estándar 802.16e, trata de incorporar una amplia variedad de tecnologías, basadas en la modulación OFDM tales como SOFDMA(Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), además con un número de portadoras flexibles que pueden ser 128, 256, 512, 1024, 2048; y un soporte mejorado de las tecnologías MIMO y AAS (Adaptive Antenna Systems). En condiciones de visual indirecta, el mobile WiMAX como también se le llama opera en un rango de frecuencias inferiores a 6 GHz. El foro WiMAX aún. 23.

(43) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. debe definir un rango de frecuencias, pero la experiencia de aplicación indica que 2.3 ó 2.5GHz representan las opciones más posibles. Los operadores que utilizan el 802.16e podrán brindar servicios fijos y en nómadas3. IEEE 802.16m. Este es el nuevo estándar inalámbrico en el que la IEEE se encuentra trabajando. Se espera que alcance velocidades de transferencia de hasta 1Gbps en modo "nómada" o en modo de alta eficacia/señal fuerte. El estándar también tiene un modo de "alta movilidad" (cobertura cuando nos movemos a 60-250 Km/h, o incluso más) que permite tasas de hasta 100 Mbps. 2.1.2.1 Modelos de despliegue El estándar IEEE 802.16 se ocupa de dos modelos de despliegue: •. Acceso Fijo. •. Acceso Móvil. Acceso Fijo: El estándar del 802.16-2004 está diseñado para el acceso fijo, por lo que muchas veces se conoce como "fijo inalámbrico" porque usa una antena que se coloca en el lugar estratégico del suscriptor. La antena se ubica generalmente en el techo de una habitación o en el mástil. Este estándar también se ocupa de instalaciones interiores, en cuyo caso no puede ser tan robusto como al aire libre. Esta tecnología le provee una alternativa fija inalámbrica específicamente ofrecida para el tráfico de voz y datos, donde el mercado tiene como objetivo llevar a cabo instalaciones tanto residenciales como a empresas. Acceso Móvil: El estándar del 802.16e del IEEE es una enmienda para la especificación de la base 802.16-2004 y le apunta al mercado móvil sumando portabilidad y la habilidad para clientes móviles con adaptadores IEEE802.16e para conectarse directamente a la red WiMAX. El estándar del 802.16e usa Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA), lo cual es similar a OFDM en que utiliza la división en las subportadoras múltiples, pero en este caso estarían agrupadas en subcanales.. 3. Movilidad restringida (Posteriormente se explica con detalles). 24.

(44) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. 2.2 Tecnologías de radio Desde el punto de vista de la tecnología, la principal característica que define lo que se espera de las comunicaciones inalámbricas futuras es el incremento en la velocidad de transmisión. Teniendo en cuenta que no va a ser posible aumentar la potencia de emisión por encima de los valores actuales, y que será difícil aumentar de forma significativa el número de emplazamientos para estaciones base, con respecto a los existentes, el aumento de la capacidad de los enlaces de radio requiere al menos de una mejora de la interfaz a nivel de enlace. Es decir, hay que desarrollar nuevos sistemas de modulación, detección, y antenas que permitan transmitir y recibir regímenes binarios más altos que en la actualidad, con eficiencias mejores (Alvarez C, 2005). Una de las características fundamentales de las comunicaciones por radio es la propagación multitrayecto. Este tipo de propagación consiste en que entre el transmisor y receptor existe más de un camino de propagación, ya que la señal de radio que se propaga no es un rayo estrecho que va directamente de la antena transmisora a la receptora, sino un frente de onda amplio que se va difractando y reflejando a medida que encuentra obstáculos en su camino, como edificios altos o irregularidades del terreno. 2.2.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) La multiplexación por división ortogonal de frecuencia (OFDM), también llamada modulación por multitono discreto (DMT, Discreet Multitone Modulation), consiste en enviar la información modulada por Amplitud en Cuadratura (QAM,Quadrature Amplitude Modulation) o por Desplazamiento de Fase (PSK, Phase Shift Keying) en un conjunto de portadoras de diferente frecuencia, lo que la hace muy robusta frente al multitrayecto, frente a los desvanecimientos selectivos en frecuencia y frente a las interferencias de RF.. 25.

(45) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. Este sistema de modulación consiste en enviar la información no sobre una única portadora, sino sobre un múltiplex de muchas portadoras “adecuadamente espaciadas” en frecuencia, repartiendo la información entre todas ellas, de forma que aunque la velocidad de modulación del conjunto sea muy elevada, la de cada portadora individual es pequeña. Producto a la pérdida de algunos datos en la propagación, la OFDM se emplea junto con codificación del canal para la detección y correción de. errores. producidos en la transmisión, entonces se designa como multiplexado por división de frecuencia ortogonal codificada (COFDM, Coded Orthogonal Frequency Division Mulitplexing). Lo que diferencia al OFDM de otros procedimientos de multiplexación en frecuencia es la ortogonalidad, pues el “espaciamiento ortogonal” entre portadoras es un espaciamiento óptimo, que es siempre el mismo y es igual al inverso del periodo de símbolo.Una señal OFDM se puede expresar en notación compleja como representa la ecuación (1).. s(t ) =. ( N / 2 ) −1. ∑ d * exp[ j 2π ( f. i =− N / 2. i. c. + i / T )t. (1). Donde: •. fc es la frecuencia central.. •. T es el periodo de símbolo.. •. di es el símbolo que lleva la información en su amplitud y fase.. •. s (t) es la señal OFDM en el tiempo.. Una señal OFDM es la transformada inversa de Fourier de los coeficientes di, y, en consecuencia, los coeficientes son la transformada directa de s(t). Por consiguiente, la acción de modular y demodular todas las portadoras a la vez de una señal OFDM consiste básicamente en aplicar los algoritmos de la transformada rápida de Fourier, muy conocidos y fáciles de implementar en los procesadores digitales.. 26.

(46) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. En la Figura 2.1 se muestra una representación de tres portadoras ortogonales. Viendo una señal OFDM en el tiempo se aprecia que en el período de la portadora más baja caben varios períodos de las otras portadoras, alineadas todas en fase, mientras que en la representación espectral el máximo de cada portadora coincide con un nulo de las demás, de esta forma evitamos la interferencia intersímbolo ( ISI, Inter Symbol Interference).. Figura 2.1 Señal OFDM. Interferencia Intersímbolo En un sistema radioeléctrico en que se tiene una portadora modulada digitalmente por símbolos consecutivos, cada uno de longitud N bits y duración Ts y que la señal llega al receptor por dos trayectos diferentes, de distinta longitud, de modo que una señal llega primero que la otra, se produce la interferencia intersímbolos (ISI, Inter Symbol Interference) la cual produce una destrucción de la señal. Este retraso da lugar a que en el receptor esté presente el símbolo n durante el período de integración, es decir de demodulación, simultáneamente con porciones de otros símbolos, que se comportarán como señales interferentes sobre el símbolo deseado. (Pérez Vega, C 2004). Aún cuando el retardo sea mayor o menor que la duración de un símbolo, se mantiene, en mayor o menor escala, interferencia entre símbolos debido a la 27.

(47) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. presencia de otro símbolo. Esto podría eliminarse si el período durante el que se produce cada símbolo se hace mayor que el período durante el cual el receptor realiza la integración de la señal, lo que sugiere la conveniencia de utilizar un intervalo de guarda. Intervalo de guarda La ortogonalidad es un mecanismo para eliminar, o reducir tanto como se quiera, el problema de la interferencia por propagación multitrayecto. Cuando dos señales son ortogonales, es posible hacer que utilicen simultáneamente el mismo ancho de banda sin interferirse entre sí. Para evitar efectos de interferencia, el mecanismo consiste en ampliar la duración correspondiente al período del símbolo mediante un tiempo de guarda, superior al máximo retardo diferencial entre los trayectos significativos. La duración del símbolo se aumenta de modo que exceda el período de integración del receptor, Tu. Todas las subportadoras son cíclicas durante Tu, de modo que también lo es la señal modulada completa. Por ello, el segmento que se añade al inicio del símbolo para formar el intervalo de guarda, es idéntico al segmento de la misma longitud al final del símbolo, el cual corresponde al intervalo de guarda del próximo símbolo. Como que el retardo sufrido por la señal en cualquier trayecto es menor que el intervalo de guarda, todas las componentes de la señal durante el período de integración proceden del mismo símbolo y se satisface así la condición de ortogonalidad. Este intervalo de guarda se elige de acuerdo al retardo esperado en el medio particular de propagación en que se lleva a cabo la comunicación. Modulador y demodulador OFDM La señal de entrada al modulador OFDM es un flujo binario continuo. Este flujo se segmenta en símbolos, de acuerdo a la constelación a utilizar y se obtiene un mapa de los símbolos, representados ahora por números complejos, que corresponden a la representación de la señal en el dominio de frecuencia. Si se van a modular N subportadoras simultáneamente, la primera operación debe ser 28.

(48) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. la conversión del flujo binario de entrada, en serie, en un flujo de coeficientes complejos en paralelo. El siguiente paso es realizar la transformada inversa de Fourier (IFTT, Inverse Fast Fourier Transform) sobre esos N coeficientes para obtener una señal en el dominio del tiempo y, como la señal de entrada al transmisor debe ser un flujo binario en serie, es necesario convertir nuevamente la señal, ahora transformada y en paralelo, a una señal en serie. A la salida del conversor paralelo a serie, se inserta el intervalo de guarda, lo que hace que las señales retrasadas a causa de los efectos multicamino caigan en el intervalo de guarda y sean ignoradas por el receptor. Ver Figura 2.2 .. Figura 2.2: Modulador OFDM El demodulador cumple la función inversa del modulador y el diagrama simplificado de bloques es similar al de la figura anterior, ver figura 2.3.. Figura 2.3: Demodulador OFDM. 29.

(49) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. 2.2.2 WIMAX emplea OFDM WIMAX emplea Multiplexado por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) que constituye la clave del éxito del estándar en su propósito de brindar comunicación inalámbrica de elevada calidad y confiabilidad. La generación de la señal OFDM se logra con gran precisión debido al desarrollo de técnicas basadas el la Trasformada Rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform). A pesar de ser esta una tecnología de elevada complejidad, su empleo se ha extendido por el éxito en la fabricación de chips de gran escala de integración (VLSI, Very Large Scale of Integration) que permiten realizar cálculos de la FFT a gran velocidad. Con empleo de OFDM se alcanza un mejor aprovechamiento del espectro y del ancho de banda disponible. Para un ancho de banda determinado aumenta considerablemente la cantidad de portadoras en OFDM comparado con FDM donde cada señal utiliza una porción del ancho de banda total, como se puede observar en la. figura 2.4 con el ejemplo de la. utilización de 8 portadoras.. Figura 2.4 Señales OFDM y FDM en el dominio de la frecuencia WIMAX emplea 256 portadoras OFDM, a medida que se incrementan la cantidad de subportadoras, el período de duración de la señal. OFDM (símbolo) se. incrementa, y la hace más resistente a los problemas asociados con la multitrayectoria.. 30.

(50) RED INALAMBRICA WIMAX. CAPITULO 2. Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (OFDMA) OFDMA permite que muchos abonados accedan al medio simultáneamente asignándole a cada uno un cierto número de subportadoras (subcanal). También introduce la tecnología de Acceso Múltiple por División en el Tiempo (TDMA, Time Division Multiple Access) que asigna diferentes segmentos de tiempo a diferentes grupos de usuario. Todas las subportadoras OFDMA se dividen en diversos grupos en el dominio de frecuencia, cada uno de los cuales se denomina subcanal. En ámbitos temporales, muchos equipos de usuario pueden transmitir datos en un mismo segmento de tiempo, dado a través de diferentes subcanales. OFDMA presenta un mecanismo de asignación flexible que hace posible asignar subportadoras dinámicamente dependiendo del tráfico, mientras distintos modos de modulación y potencias de transmisión son aplicados en diferentes subportadoras lo que resulta en niveles más altos de utilización de espectro. En esencia, OFDMA, forma subcanales de tráfico, que puede ser asignados de forma exclusiva y en cualquier instante a un usuario determinado. Cada símbolo OFDM está formado por Nt portadoras que son divididas en N grupos o subcanales de tráfico independientes cada uno con n subportadoras. Para mitigar el. desvanecimiento. selectivo. de. frecuencias,. las. n. subportadoras. correspondientes a cada canal son distribuidas en los N grupos existentes, es decir, en cada grupo puede encontrarse una portadora que lleva información a un usuario determinado. Los símbolos OFDM son multiplexados en el tiempo, mientras los canales de datos son multiplexados en frecuencia, como se muestra en la figura 2.5.. 31.