Redes de área regional basadas en el estándar IEEE 802 22 (WRAN)

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. TRABAJO DE DIPLOMA “REDES DE ÁREA REGIONAL BASADAS EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.22 (WRAN)” AUTOR: DAINERY GAMBOA RODRÍGUEZ TUTOR: PROF. DR. VITALIO ALFONSO REGUERA. SANTA CLARA 2013 "AÑO 55 DE LA REVOLUCIÓN".

(2) UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. TRABAJO DE DIPLOMA “REDES DE ÁREA REGIONAL BASADAS EN EL ESTÁNDAR IEEE 802.22 WRAN” AUTOR: DAINERY GAMBOA RODRÍGUEZ E-mail: [email protected] TUTOR: PROF. DR. VITALIO ALFONSO REGUERA E-mail: [email protected]. SANTA CLARA 2013 "AÑO 55 DE LA REVOLUCIÓN".

(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.

(4) PENSAMIENTO “La posibilidad de realizar un sueño es lo que hace que la vida sea interesante” Paulo Coelho. i.

(5) DEDICATORIA A mis padres que siempre me han apoyado, me han brindado toda su confianza, su amor y lo han dado todo por mí día a día. A toda mi familia en general por preocuparse y apoyarme en todo momento.. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS A mis padres, Sonia Rodríguez y Rolando Gamboa por impulsarme a seguir adelante y porque gracias a ellos hoy estoy aquí. A mi tutor, Vitalio Alfonso por toda la ayuda y la orientación que me brindó en todo momento. A mi tía Tania y mi abuela Noaida por su apoyo y preocupación. A mi familia en general por siempre estar ahí. A mi novio, Yander Villavicencio por estar siempre conmigo en los momentos más difíciles y por aguantar mis pesadeces. A todos mis amigos por apoyarme siempre, por tantas horas de estudios y por creer en mí, en especial a mi amiga Tania que siempre ha estado cuando la he necesitado. A todos los que de una forma u otra han hecho posible la realización de este trabajo. iii.

(7) TAREAS TÉCNICAS. v Estudiar las características del Estándar IEEE 802.22. v Analizar las regulaciones vigentes en Cuba para el acceso al espectro radioeléctrico y la distribución a la que están sujetas las bandas de TV. v Seleccionar los escenarios en los que puede ser aplicado el Estándar IEEE 802.22. v Evaluar las propuestas de conectividad en los diferentes escenarios seleccionados.. Firma del Autor. Firma del Tutor. iv.

(8) RESUMEN. La creciente evolución de las redes inalámbricas de banda ancha ha sido de gran interés en todo el mundo por las capacidades que brindan las mismas. De esta forma debido a la necesidad de un nuevo estándar inalámbrico que proporcione conectividad en zonas rurales donde tecnologías como la fibra óptica y las redes WiFi son muy costosas; ha surgido el Estándar IEEE 802.22. El presente trabajo expone el diseño de dos redes inalámbricas basadas en la norma IEEE 802.22, conocida como WRAN con el objetivo de proponer soluciones de conectividad que ilustren las potencialidades de esta tecnología para dar cobertura a redes de alcance regional. Para el diseño se han escogido dos escenarios, uno ubicado en la zona montañosa del Escambray Cienfueguero y el otro en el Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV). En este trabajo se describen las características esenciales de la norma, los escenarios seleccionados para el diseño, algunas de las regulaciones existentes en nuestro país para el acceso al espectro radioeléctrico así como la distribución de las bandas de TV en todo el país. Además se realizan cálculos de tráfico y se describen las pruebas realizadas en el software Radio Mobile en su versión 9.6.5 para verificar el desempeño de ambas redes en cuanto a alcance de cobertura. Los resultados son comparados con implementaciones basadas en el estándar IEEE 802.16. Como resultado del trabajo se obtienen dos propuestas de interconexión con buenas prestaciones de servicios y mayor alcance de cobertura. Además se contribuye con el estudio de las características del estándar para futuras investigaciones que logren la implementación del mismo en Cuba.. v.

(9) TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .......................................................................................................... i DEDICATORIA .......................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ................................................................................................ iii TAREAS TÉCNICAS ............................................................................................... iv RESUMEN ............................................................................................................... v INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 ..................... 4 1.1 Principales Características ............................................................................ 4 1.2 Interfaz Física ................................................................................................ 7 1.2.1 Capa PHY ............................................................................................... 7 1.2.2 Antenas ................................................................................................... 8 1.2.3 Modulaciones y acceso al medio ............................................................ 8 1.2.4 Preámbulo, codificación, ecualización del canal y razón de datos ........ 11 1.3 Capa de acceso al medio (MAC) ................................................................. 13 1.3.1 Estructura de las tramas ....................................................................... 14 1.3.2 Entrada en la red e inicialización .......................................................... 16 1.4 Auto-coexistencia y coexistencia en IEEE 802.22 ....................................... 16 1.4.1 Auto-coexistencia.................................................................................. 16 1.4.2 Coexistencia con televisión y micrófonos inalámbricos......................... 17 1.5 Características cognitivas ............................................................................ 18 1.5.1 Geolocalización ..................................................................................... 18 1.5.2 Acceso a bases de datos ...................................................................... 19. vi.

(10) 1.5.4 Detección del espectro.......................................................................... 19 1.7 Comparación con WiMAX............................................................................ 22 1.8 Aplicaciones del estándar ............................................................................ 24 1.9 Conclusiones parciales del capítulo ............................................................ 25 CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS ............ 26 2.1 Descripción de algunas de las regulaciones vigentes en Cuba para el acceso al espectro radioeléctrico................................................................................... 26 2.2 Análisis de la distribución del espectro en la región central......................... 32 2.3 Características de los escenarios seleccionados ........................................ 34 2.3.1 Estado actual de la red UCLV ............................................................... 34 2.3.2 Problemas actuales en la Red UCLV.................................................... 37 2.4 Propuesta de diseño de la red UCLV utilizando WiMAX ............................. 38 2.5 Zona montañosa de Cienfuegos.................................................................. 39 2.5.1 Características de la zona montañosa del Escambray ......................... 39 2.5.2 Infraestructura y servicios de telecomunicaciones existentes ............... 41 2.5.3 Equipamiento WLL Alcatel A9800R3 .................................................... 42 2.6 Propuesta de diseño de la red del Escambray utilizando WiMAX ............... 44 2.7 Conclusiones parciales del capítulo ............................................................ 46 CAPÍTULO 3. DISEÑO DE LAS REDES WRAN.................................................. 47 3.1 Consideraciones para el diseño de la red de la UCLV ................................ 47 3.2 Cálculos para la implementación de la red .................................................. 48 3.2.1 Cálculo de tráfico .................................................................................. 48 3.2.2 Frecuencias utilizadas........................................................................... 50 3.2.3 Ubicación de la estación base .............................................................. 51. vii.

(11) 3.2.4 Límite de cobertura de la estación base ............................................... 52 3.4 Consideraciones para el diseño de la red del Escambray ........................... 60 3.5 Cálculos para la implementación de la red del Escambray ......................... 61 3.5.1 Cálculo de tráfico .................................................................................. 61 3.5.2 Frecuencias utilizadas........................................................................... 61 3.5.3 Ubicación de la estación base .............................................................. 61 3.5.4 Límite de cobertura de la estación base ............................................... 62 3.6 Comparación entre la tecnología IEEE 802.22 y WiMAX ............................ 67 3.7 Conclusiones parciales del capítulo ............................................................ 68 CONCLUCIONES ................................................................................................. 69 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 70 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 71 ANEXOS ............................................................................................................... 75. viii.

(12) INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN En los últimos años se ha producido un gran desarrollo de las redes de datos inalámbricas tales como IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16 entre otros, las cuales brindan soluciones de conectividad a redes de datos sin la necesidad de invertir en costosas infraestructuras cableadas y con el incentivo de permitir la movilidad de los usuarios. Recientemente el estándar IEEE 802.22 para redes inalámbricas de área regional (WRAN), ha sido diseñado para superar las deficiencias de los estándares anteriores y brindar servicio de acceso a redes de alta velocidad en áreas regionales, además de dar cobertura a localidades rurales de difícil acceso, donde es costoso el uso de una infraestructura cableada. Todo esto gracias a las técnicas de Radio Cognitiva (RC) entre las que se encuentran la geolocalización, el acceso a bases de datos de usuarios con licencia para operar en las bandas de TV, la detección del espectro y el envío de señales para indicar la presencia de una WRAN. Los sistemas de RC pueden reutilizar porciones del espectro radioeléctrico originalmente asignadas a otros sistemas siempre que no interfieran con la operación normal de estos últimos. Para flexibilizar el uso del espectro se establece un procedimiento para el acceso a los canales de TV en las bandas de VHF y UHF en las áreas en que estos canales no están siendo usados por los operadores de la radiodifusión terrestre. En cuanto a las aplicaciones del estándar se encuentran la interconexión de dispositivos de comunicaciones en una red de distribución inteligente de energía. La monitorización de variables ambientales en zonas intrincadas y de difícil acceso como pudieran ser las zonas de pantanos o boscosas donde no existe una infraestructura de comunicaciones. Además de la interconexión de archipiélagos y estaciones marinas, entre otras. El estándar IEEE 802.22 hace uso de las técnicas de radio cognitivas antes mencionadas con la capacidad de operar en los canales de VHF y UHF. 1.

(13) INTRODUCCIÓN tradicionalmente reservados para las trasmisiones de televisión. Sin embargo, hasta la fecha, en nuestro medio, no se han llevado a cabo estudios que propicien la introducción de tecnologías basadas en el estándar IEEE 802.22. El mismo se encuentra todavía en una fase muy insipiente de su desarrollo y no se dispone aún en el mercado del equipamiento necesario para su implementación. En el presente trabajo se lleva a cabo el análisis de las condiciones y posibles escenarios en los cuales es factible el despliegue de esta tecnología en Cuba y específicamente en la región central. El estándar IEEE 802.22 es un buen candidato para satisfacer la necesidad creciente de una infraestructura de comunicaciones que posibilite el acceso a las redes de datos en regiones intrincadas y rurales. En este sentido y dada la carencia de estudios locales relacionados con este tema surge el siguiente problema: ¿Cuáles son las condiciones y escenarios en los cuales los beneficios inherentes al estándar IEEE 802.22 pueden tener un impacto positivo en el desarrollo tecnológico de nuestro país? De acuerdo al problema planteado, se formula como objetivo general del trabajo: ·. Proponer soluciones de conectividad basadas en el estándar IEEE 802.22 que ilustren las potencialidades de esta tecnología para dar cobertura a redes de alcance regional.. Para dar cumplimiento al objetivo general, se proponen los siguientes objetivos específicos: · Analizar las principales características del estándar IEEE 802.22 y sus posibles escenarios de aplicación. ·. Analizar las regulaciones existentes en nuestro país para el acceso al espectro radioeléctrico y la distribución de las bandas de TV.. 2.

(14) INTRODUCCIÓN ·. Ilustrar. los. elementos. fundamentales. a. tener. en. cuenta. en. la. implementación del estándar IEEE 802.22 en escenarios seleccionados y comparar. la. propuesta. con. implementaciones. basadas. en. otras. tecnologías. Con este trabajo se contribuye con el estudio de las características de la norma para futuras investigaciones que logren la implementación de la misma en Cuba. Además de brindar propuestas de conectividad basadas en el estándar para mejorar el acceso a las redes de datos en diferentes regiones del país. La propuesta tiene un impacto económico y social. Teniendo en cuenta el plano económico tiene menor costo que las soluciones basadas en tecnología cableada. Además de una disminución del costo por usuario con relación a otras tecnologías inalámbricas teniendo en cuenta el área de cobertura. En lo social existe mejor acceso a la información a través de las redes de datos en las áreas rurales y de difícil acceso. Con un impacto positivo en la educación así como en todos los servicios que requieran de una infraestructura de telecomunicaciones. Además se contemplan soluciones de conectividad en situaciones de catástrofes. Todo esto unido a un mejor y más racional uso del espectro radioeléctrico. Estructura del Trabajo El informe de la investigación está formado por introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos. El capítulo 1 se dedica a la descripción de las características más importantes del estándar IEEE 802.22. En el capítulo 2 se abordan dos escenarios con el objetivo de ilustrar los elementos a tener en cuenta en el diseño de soluciones basadas en estas tecnologías; así como las regulaciones a las que están sujetas las bandas de interés en el espectro de frecuencias. Por último el capítulo 3 se dedica a la presentación de las propuestas a partir de los escenarios seleccionados.. 3.

(15) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 En la presente investigación se muestra un estudio de las características esenciales del estándar IEEE 802.22 a través de una revisión de la bibliografía expuesta por varios autores en los diferentes medios de difusión. En el epígrafe 1.2 se dan a conocer las características de la interfaz física, de la capa PHY, de la utilización de las antenas, las modulaciones y acceso al medio así como el preámbulo, la codificación, ecualización del canal y razón de datos. De igual forma en el epígrafe 1.3 se muestran las características de la capa MAC o control de acceso al medio, la forma en que están estructuradas las tramas y una breve descripción de la entrada en la red e inicialización. Además se manifiestan en el epígrafe 1.4 las características de auto-coexistencia y coexistencia con televisión y micrófonos inalámbricos. En el epígrafe 1.5 se explican las técnicas RC como la geolocalización, el acceso a bases de datos y la detección del espectro. Seguidamente en el epígrafe 1.6 se aborda la seguridad en IEEE 802.22. En el epígrafe 1.7 se presenta una comparación de la norma con el estándar IEEE 802.16 y por último en el epígrafe 1.8 se dan a conocer algunas de las aplicaciones de las redes WRAN. 1.1 Principales Características El estándar IEEE 802.22 constituye el primer esfuerzo realizado en todo el mundo para definir una interfaz de aire basado en técnicas RC. Debido a que el gran impulso hacia la implementación comercial de RC viene principalmente de los EE.UU, el objetivo de IEEE 802.22 es definir una norma internacional que puede funcionar en cualquier régimen regulatorio. Esta norma utiliza las bandas UHF/VHF de televisión entre los 54 MHz y los 862 MHz para Norteamérica, mientras que se debate ampliar el rango desde los 41 a 910 MHZ para satisfacer otros requisitos internacionales. Asimismo, la norma debe adaptarse a los diferentes anchos de banda de los canales de televisión internacionales de 6, 7 y 8 MHz [1].. 4.

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 El estándar especifica una interfaz inalámbrica fija punto a multipunto compuesto por una estación base (BS) la cual gestiona varios equipos terminales (CPE) asociados a ella dentro de una misma celda. La estación base se conecta a la red de datos principal y controla el acceso al medio de todos los usuarios en su celda. Además le transmite información a los CPEs a través del enlace descendente y luego recibe información de los mismos a través del enlace ascendente [2]. Ver figura 1.1.. Figura 1.1: Componentes de la WRAN. Fuente [2]. Por otro lado la BS además de regular la transmisión de datos en su celda también gestiona una característica única de detección distribuida. Esta característica es necesaria para asegurar el uso correcto del espectro de televisión [1]. Con el objetivo de brindar protección a los usuarios con licencia, el sistema sigue una relación maestro/esclavo, en la que la BS realiza la función de maestro y los CPEs de esclavo. Las operaciones de BS/CPEs se pueden dividir en dos categorías principales: de detección y transmisión/recepción de datos [3]. Además cada BS estima la cantidad total de datos que los CPEs deben transmitir [4]. Varios autores plantean que el estándar puede alcanzar una velocidad media de 18 Mbps en un canal de televisión de 6 MHz de ancho de banda. Suponiendo un total. 5.

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 de 12 usuarios simultáneos, se consigue 1.5 Mbps en dirección descendente y 384 Kbps de forma ascendente, bastante similar al servicio ADSL [1, 3, 5]. La estación base cubre un área de cobertura de 30Km, que puede llegar hasta 100 Km debido principalmente a su mayor potencia y características de propagación favorables de las bandas de frecuencia de TV. Además brinda servicio de acceso de alta velocidad a Internet hasta un máximo de 512 dispositivos CPEs tanto fijos como portátiles asumiendo requisitos de calidad y servicio (QoS) para los mismos [2]. Con respecto a los dispositivos fijos en la nueva normativa de la FCC se plantea que la norma IEEE 802.22 no provee los mecanismos para que estos dispositivos puedan comunicarse con los dispositivos personales/portátiles [6]. El sistema utiliza técnicas RC entre las que se encuentran la geolocalización, el acceso a bases de datos de usuarios con licencia para operar en las bandas de TV, la detección del espectro y el envío de señales para indicar la presencia de una WRAN. Todo esto con el objetivo de no interferir con las transmisiones de otros sistemas autorizados. Debido al empleo de estas técnicas RC aparecen mejoras esenciales entre las que se destacan la auto-coexistencia con otras redes WRAN y la coexistencia con otros sistemas de comunicaciones. Sin embargo el estándar no provee los mecanismos para la convivencia con redes secundarias heterogéneas. De acuerdo con las características expuestas anteriormente se puede decir que el estándar IEEE 802.22 corrige las deficiencias de los estándares anteriores. Estas deficiencias están relacionadas con la capacidad de cobertura y el acceso de banda ancha que el mismo es capaz de proporcionar en áreas rurales y regionales. Para lograr una buena distribución del ancho de banda el estándar provee mecanismos que brindan calidad de servicio tanto en el enlace ascendente como en el descendente. Además brinda servicios de voz, datos, audio y video con un adecuado soporte de calidad y servicio. Debido a la capacidad cognitiva que posee puede operar en las bandas de frecuencias previamente asignadas a otros sistemas sin interferir en las emisiones de los mismos.. 6.

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 1.2 Interfaz Física El requerimiento más importante de la interfaz aérea del estándar IEEE 802.22 es la flexibilidad y la adaptabilidad, ya que es necesario evitar las interferencias con otros usuarios que usan el mismo espectro radioeléctrico. La norma permite la modulación de múltiples portadoras, controlando la señal en ambos dominios de tiempo y frecuencia. Esto proporciona una oportunidad para definir dos dimensiones (tiempo y frecuencia) [1]. EL sistema puede operar en canales de 6 MHz, 7 MHz y 8 MHz que son los anchos de bandas establecidos para las normas de televisión más difundidas en el mundo. 1.2.1 Capa PHY El PHY está basado en un esquema OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) donde la información tanto en el enlace ascendente como en el descendente. es. modulada. en. una. subportadora. ortogonal. utilizando. la. Transformada Inversa de Fourier [2]. La capa física PHY es la interfaz entre la capa MAC y el medio inalámbrico [5]. Esta posee tres niveles de funcionalidad: •Intercambiar tramas entre PHY y MAC. •Utilizar portador de señal y modulación de espectro ensanchado para transmitir tramas a través del medio. •Proveer al MAC de un indicador de detección de portadora para señalizar actividad en el medio. El PHY está dividido en dos sub-capas, el PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) más cercano al MAC y el PMD (Physical Medium Dependent Layer), que interacciona con el medio inalámbrico [5].. 7.

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 1.2.2 Antenas Para realizar las operaciones de transmisión/recepción los CPEs pueden usar la misma antena o antenas separadas, la ganancia de esta antena es de 12dbi. Mientras que las estaciones bases deben usar la misma antena para la transmisión y la recepción. Por tanto a la hora de calcular los niveles de potencia podemos asumir que los caminos de transmisión y recepción son recíprocos. La ganancia de las antenas de detección en el plano del acimut horizontal será equivalente a una antena omni-direccional. La desviación de esta ganancia nominal no será menor que -1db. Tal desviación máxima debe mantenerse por encima de ± 20 grados en el patrón vertical en todos los acimuts [2]. Debido a las limitaciones impuestas por el tamaño físico de las antenas en las bandas de frecuencias utilizadas por el estándar, el mismo no es compatible con sistemas que tengan múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) [7, 8]. Esta es otra de las características que lo diferencia de los demás estándares. 1.2.3 Modulaciones y acceso al medio El estándar utiliza una modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), con la cual se consigue una alta eficiencia espectral y se disminuyen los problemas causados por la propagación multitrayecto. En el dominio de la frecuencia un símbolo OFDM está definido en términos de subportadoras. Estas se clasifican de tres formas: subportadora de datos, subportadora piloto y subportadora de guarda. Esta clasificación está basada en la funcionalidad de las mismas. En los enlaces ascendentes y descendentes la localización de las subportadoras es diferente. Además estos enlaces comparten el mismo canal de comunicaciones utilizando la técnica TDD (Time Division Duplex). Las subportadoras piloto se distribuyen a través del ancho de banda del canal. La ubicación exacta de las subportadoras piloto, de datos y el símbolo de asignación de subcanal está determinada por la configuración particular que se utilice [2]. El. 8.

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 número total de subportadoras está determinado por el tamaño de FFT/IFFT, para el cálculo de este se utilizan 2048 puntos. Un esquema OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) es utilizado por el estándar con el objetivo de proporcionar acceso a múltiples usuarios. El mismo permite realizar una asignación eficiente de las subportadoras con el objetivo de satisfacer las necesidades de los CPEs [1]. La estructura de los símbolos OFDM es como se muestra en la figura 1.2. De aquí el tiempo de símbolo, TSIM, está compuesto por la suma del tiempo ocupado por el prefijo cíclico, TPC, y el tiempo ocupado por la señal a la salida del bloque que calcula la transformada de Fourier Inversa, TFFT. La BS determina estos parámetros y transmite el tiempo del prefijo cíclico a los CPEs utilizando el SCH (Superframe Control Header). Los valores permitidos para la duración del prefijo cíclico son: TPC = 1/32 TFFT, 1/16 TFFT, 1/8 TFFT o 1/4 TFFT [2].. Figura 1.2: Formato del símbolo OFDM. Fuente [2]. Existe una dependencia entre la duración de los símbolos OFDM y el ancho de banda del canal utilizado, ya que el tiempo de símbolo se determina teniendo en cuenta el ancho de banda del canal de comunicación que esté en uso. El estándar IEEE 802.22 define 12 combinaciones de 4 modulaciones (BPSK, QPSK, 16-QAM o 64-QAM) para realizar la modulación de las subportadoras de los símbolos OFDM, dependiendo de las características que presenta el canal empleado y del tipo de transmisión [8]. Estas combinaciones se muestran en la tabla 1.1. Tabla 1.1: Razones de modulación y codificación. Fuente [8].. 9.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 Modo PHY Modulación Razón. de Velocidad. Código. de. Eficiencia. datos Espectral(BW=. pico en 6 6 MHz) MHz (Mb/s) 1. BPSK. Sin codificar. 4.54. 0.76. 2. QPSK. 1/2 y repetir: 1.51. 0.25. 3 3. QPSK. 1/2. 4.54. 0.76. 4. QPSK. 2/3. 6.05. 1.01. 5. QPSK. 3/4. 6.81. 1.13. 6. QPSK. 5/6. 7.56. 1.26. 7. 16-QAM. 1/2. 9.08. 1.51. 8. 16-QAM. 2/3. 12.10. 2.02. 9. 16-QAM. 3/4. 13.61. 2.27. 10. 16-QAM. 5/6. 15.13. 2.52. 11. 64-QAM. 1/2. 13.61. 2.27. 12. 64-QAM. 2/3. 18.15. 3.03. 13. 64-QAM. 3/4. 20.42. 3.40. 10.

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 14. 64-QAM. 5/6. 22.69. 3.78. Los modos del 3-14 son usados para comunicaciones de datos, el modo 1 es utilizado para la transmisión de acceso múltiple por división del código (CDMA) y el modo 2 es empleado para la coexistencia del protocolo CBP (Coexistence Beacon Protocol) [8]. 1.2.4 Preámbulo, codificación, ecualización del canal y razón de datos Hay tres tipos de preámbulo definidos en WRAN: preámbulo de supertrama, preámbulo de trama, y el preámbulo CBP, con el fin de facilitar la detección, sincronización y estimación del canal. Los tres preámbulos son un símbolo OFDM en el tiempo de 1/4 del prefijo cíclico. Todos los CPEs se sincronizan a una BS, en tiempo y frecuencia. Esto se hace usando el preámbulo de supertrama, que consta de cuatro repeticiones de una secuencia de STS (Short Training Sequence) después del prefijo cíclico. El preámbulo de trama se utiliza para la sincronización, estimación del canal, la estimación de frecuencia de desplazamiento y la estimación de potencia recibida. Se compone de dos repeticiones de una secuencia de LTS (Long Training Sequence). El preámbulo CBP se usa para la detección de CBP, sincronización, estimación de frecuencia de desplazamiento y estimación del canal. El mismo tiene la misma estructura que el preámbulo de supertrama pero emplea un STS diferente para ser distinto del preámbulo de supertrama con baja correlación cruzada [8]. Para realizar la codificación del canal, es necesario que todos los equipos compatibles con la norma implementen códigos convolucionales así como turbo códigos y códigos de chequeo de paridad de baja densidad, aunque estos últimos se usan de forma opcional.. 11.

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 Además se emplean cuatro velocidades de codificación (1/2, 2/3, 3/4 o 5/6) que son usadas para comunicaciones de datos. Estas pueden ser elegidas de manera flexible para alcanzar varias ventajas y desventajas en la velocidad de datos dependiendo del canal y de las condiciones de interferencia [8]. Para estimar las características de transferencia del canal, las BS y los CPE utilizan pilotos que se repiten cada 7 símbolos OFDM y 7 subportadoras en el dominio del tiempo y la frecuencia. El piloto será siempre el mismo independientemente, del ancho de banda del canal y del tipo de flujo. En el enlace descendente, los pilotos no participan en el procedimiento de entrelazado. Mientras que en el ascendente, los pilotos sí participan en este procedimiento, y después de este no tienen la misma separación. Tanto en el enlace ascendente como en el descendente la subportadora piloto deberá ser modulada con modulación BPSK [2]. De las 2048 subportadoras posibles en cada símbolo OFDM, 384 son empleadas como bandas de guarda con una amplitud y fase de valor 0. Los restantes 1680 subportadoras, que se dividen en 60 subcanales, son para piloto y para datos. Un subcanal está compuesto por 28 subportadoras (24 de datos y 4 subportadoras piloto). Un subcanal es la unidad básica que se utiliza para la asignación de subportadora en los enlaces ascendentes y descendentes. En el enlace descendente se asignan 240 valores para la subportadora piloto. Los restantes 1440 se asignan a las subportadoras de datos. En el enlace ascendente, los primeros seis subcanales lógicos, que suelen estar reservados para la señalización de control programadas, utilizan un conjunto de subportadoras espaciadas [2]. Para lograr alcanzar la máxima razón de transmisión las subportadoras son moduladas con 64-QAM utilizando una razón de código de 5/6. Al utilizar un prefijo cíclico de 1/16 TFFT el tiempo de símbolo para el canal de 6 MHz es de 317.39 μs como se muestra en la tabla 1.2.. 12.

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 Tabla 1.2: Duración del símbolo para diferentes valores del prefijo cíclico y opciones de ancho de banda. Fuente [2].. La razón pico de transmisión teniendo en cuenta lo anterior puede ser calculada con la siguiente expresión: R = 1440·6· (5/6)/TSIM = 7200/TSIM. (1). Utilizando esta expresión y el tiempo de símbolo para el canal de 6MHz obtenemos una razón máxima de transmisión de 22.69 Mbps. Esta es la capacidad total de la red y debe ser compartida entre todos los equipos en ambos sentidos de la comunicación. 1.3 Capa de acceso al medio (MAC) Para el diseño de la capa MAC o control de acceso al medio se tuvieron en cuenta muchos aspectos del estándar IEEE 802.11 y 802.16 [3]. Esta incorpora un amplio conjunto de funciones que permiten administrar eficientemente el espectro. Operaciones tales como cambiar de canal, suspender / reanudar el funcionamiento del canal, y añadir / eliminar canales se encuentran entre las acciones que emplea la capa MAC con el fin de garantizar la protección a los usuarios con licencia y la convivencia efectiva [1]. Los servicios MAC están orientados a la conexión y proporcionan flexibilidad en términos de soporte de QoS. También regulan el acceso al enlace descendente por medio de TDM, mientras que el ascendente se administra mediante un sistema DAMA / OFDMA [2].. 13.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 Cada BS y CPE tiene una dirección MAC de 48 bits la cual es universalmente reconocida. Esta dirección se utiliza como parte del proceso de autenticación que realiza cada CPE y BS en el momento de la asociación de red. Además es transmitida por la BS y está presente en cada ráfaga CBP. Cada dispositivo WRAN emite regularmente una ráfaga de CBP que contiene un identificador de dispositivo y un número de serie. Esto se hace como parte del proceso de auto-identificación del dispositivo que ayuda a identificar posibles fuentes de interferencia en los servicios ya establecidos y para los propósitos de convivencia [2]. Las conexiones se identifican mediante dos elementos; un identificador de conexión (CID) el cual se compone del identificador de estación (SID) de 9 bits y un identificador de flujo (FID) compuesto por 3 bits. Además del envío de información a conexiones individuales, MAC soporta servicios de difusión y multidifusión [2]. 1.3.1 Estructura de las tramas Para la transmisión de los datos el estándar estructura un formato compuesto por tramas y supertramas. La duración de una trama es de 10 ms y la de una supertrama es 160 ms [4, 9]. Las supertramas se componen de 16 tramas y se utilizan para proporcionar sincronización al sistema. En la figura 1.3 se muestra la estructura de la supertrama. Al comienzo de cada supertrama, la BS transmite un preámbulo de supertrama y un SCH (Superframe Control Header) en el canal de televisión que esté operando. Con el objetivo de asociarse a una estación base, los CPEs sincronizan y reciben el SCH, ya que el mismo contiene la información necesaria para establecer la comunicación con dicha BS [2].. 14.

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22. Figura 1.3: Estructura general de la supertrama. Durante cada trama MAC, la BS debe gestionar la dirección de los flujos ascendentes y descendentes, que puede incluir la comunicación de datos, las actividades de medición, los procedimientos de coexistencia, y así sucesivamente [2]. Estas tramas se componen de dos partes como se muestra en la figura 1.4 [5]: · El flujo descendente, denominado DS: Consiste en sólo un PHY PDU con contenido sobre posibles coexistencias. · El flujo ascendente, denominado US: Consiste en intervalos programados para solicitud de ancho de banda, notificación UCS (Situación de Convivencia Urgente), uno o más PHY PDU, cada uno transmitido desde diferentes CPEs y una ventana que facilita la auto-coexistencia, denominada SCW , como se muestra en la figura 1.4.. Figura 1.4: Estructura general de la trama.. 15.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 La estructura de trama mostrada en la figura 1.4 es trasmitida a través de varias subportadoras, de forma que se puede conformar una estructura en dos dimensiones (tiempo/frecuencia). 1.3.2 Entrada en la red e inicialización Cuando un dispositivo CPE es activado, lo primero que hace es escanear todos los canales de televisión. Seguidamente, realiza un mapa de ocupación del espectro, donde identifica la existencia de otros usuarios autorizados. Esta información es enviada a la BS y usada por el CPE para determinar que canales no están ocupados y, a partir de ahí, usar esos canales vacantes para buscar transmisiones SCH de la BS. Una vez que el CPE recibe el SCH, adquiere el canal y la información de la red para acceder a ella [1]. 1.4 Auto-coexistencia y coexistencia en IEEE 802.22 El estándar provee mecanismos para la auto-coexistencia entre varias WRAN y la coexistencia con otros sistemas previamente autorizados a trabajar en las bandas de televisión. Entre estos sistemas se encuentran los micrófonos inalámbricos, la TV digital, la TV analógica entre otros. Todo esto gracias a la capacidad de utilización de las técnicas RC. 1.4.1 Auto-coexistencia La Auto-coexistencia no es más que la operación de múltiples WRAN transmitiendo sobre el mismo canal de comunicaciones. Con el objetivo de que varias BS y CPE operen de manera eficiente en la misma zona, ha sido implementado el protocolo CBP (Coexistence Beacon Protocol). La información que se intercambia mediante este protocolo se ubica dentro de la ventana de coexistencia SCW (Ver figura 1.4).Un paquete CBP, consta de un preámbulo, un SCH, y una PDU. Su objetivo es transmitir toda la información necesaria a través de los canales de televisión para facilitar la detección de redes,. 16.

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 coordinación y compartición del espectro. Durante un SCW que se sincroniza a través de los canales de televisión de interés, una estación WRAN puede transmitir paquetes de CBP en su canal de operación. También recibe paquetes de CBP en cualquier canal para las comunicaciones eficientes entre varias WRAN [8]. Según investigaciones realizadas cuando varias WRAN operan en el mismo canal de comunicaciones se produce un aumento de la interferencia y por tanto una degradación en el rendimiento del sistema [3, 8]. Con el objetivo de reducir el problema del aumento de la interferencia en [3] se propone un algoritmo eficiente de asignación de espectro para aumentar la utilización del mismo y disminuir así la interferencia. Además existen otros trabajos relacionados con el tema que abordan el problema desde diferentes perspectivas [10-13]. 1.4.2 Coexistencia con televisión y micrófonos inalámbricos En el estándar IEEE 802.22, las BS y los CPE son los responsables de la protección de los servicios establecidos en la banda de TV. Dicha protección se basa en las técnicas RC y la detección de radiofrecuencias. Dado que las mediciones realizadas por un solo CPE no pueden ser totalmente fiables, las BS emplean un mecanismo de detección. El cual utiliza técnicas tales como la fusión de datos para obtener una imagen fiable de ocupación del espectro. De esta forma la BS abandona el canal de comunicación al detectar señales sobre los siguientes umbrales [1]: · Televisión digital (DTV): -116 dB para un canal de 6 MHz. · Televisión analógica: -94 dBm medido en el pico de sincronización de la portadora de imagen NTSC (valores de umbral diferentes pueden ser necesarias para proteger a los diversos sistemas de TV analógica). · Micrófonos inalámbricos: -107 dB para un ancho de banda de 200 Khz.. 17.

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 1.5 Características cognitivas Con el objetivo de garantizar un buen funcionamiento en las bandas de radiodifusión de televisión sin afectar la TV digital, TV analógica, y otros servicios inalámbricos previamente establecidos. La BS debe conocer el estado de los canales disponibles para la WRAN en su área de localización. Esta información debe ser obtenida a través de la comunicación con el servicio de base de datos, o por medio de la detección del espectro. La misma es utilizada para seleccionar el canal de operación y tomar decisiones sobre los mecanismos de auto-coexistencia. Las técnicas principales que permiten disponer de la información necesaria para realizar la gestión integrada del espectro son: la geolocalización, el acceso a servicios de bases de datos y la detección del espectro. 1.5.1 Geolocalización Para realizar el proceso de geolocalización existen dos métodos que pueden ser utilizados por el estándar. Estos pueden ser mediante sistemas de posicionamiento satelital o, de forma opcional, mediante sistemas de posicionamiento terrestre. Con el uso de estos métodos la BS puede obtener información de la localización geográfica en la que se encuentra, así como la posición de todos los CPEs que pertenecen a la red. Las estaciones bases deben ser capaces de determinar la posición y altura de su antena transmisora con una precisión de 50 m. Para esto se utiliza la antena del sistema de posicionamiento satelital, la cual debe encontrarse a no más de un metro de la antena de la BS. De igual forma cada CPE deberá usar esta tecnología para establecer la latitud y la longitud de la antena transmisora dentro de un radio de 50 m. Además de la tecnología mencionada anteriormente la norma ha sido diseñada para soportar un sistema de posicionamiento terrestre, el cual se basa en la. 18.

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 medición de la diferencia de los tiempos de arribo de la señales entre las estaciones. 1.5.2 Acceso a bases de datos Inicialmente antes de acceder a la base de datos, la BS debe registrarse en la misma como un dispositivo fijo [2]. También se inscribirán todos los CPEs asociados a su ubicación geográfica introduciendo su localización, su identificación, etc. Después de haber determinado la ubicación de todos los dispositivos pertenecientes a la red, la estación base consulta la base de datos. La misma le provee información que le permite determinar todos los canales disponibles que pueden ser utilizados en su área de trabajo. Estos servicios de bases de datos deben contener toda la información de las estaciones previamente autorizadas para transmitir en el área, así como sus parámetros fundamentales. Además deben ser operados por las entidades encargadas de regular el espectro radioeléctrico. Para acceder a estos servicios se usan mensajes que son descritos por el estándar. En caso de no disponer de acceso el operador de la red debe suministrar al sistema una base de datos con los canales disponibles para su uso. La seguridad en los mensajes intercambiados entre la estación base y el servicio de base de datos es crítica para el funcionamiento adecuado de los sistemas autorizados en el área. Debido a esto se hace necesaria la utilización de mecanismos de seguridad para la autenticación de los accesos y para la protección de los mensajes [2]. 1.5.4 Detección del espectro Otra de las propiedades cognitivas que permite obtener información sobre la disponibilidad de los canales es la detección del espectro. Esto no es más que el proceso de digitalización de la radio frecuencia (RF) del espectro con el fin de detectar la presencia de las señales de los usuarios autorizados. Por lo general estas señales son detectadas por encima de un determinado umbral de detección,. 19.

(31) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 que define el nivel de señal mínimo con el cual deben ser detectadas las transmisiones preestablecidas [14]. Cualquier metodología utilizada para la detección del espectro se mide en función de dos parámetros: la probabilidad de falsas alarmas (PFA) y la probabilidad de fallas en la detección (1-PD). Típicamente, existe un compromiso entre la eficiencia de detección y la sobrecarga necesaria para la detección (es decir, duración de detección requerido para lograr un deseado (PD, PFA) [14, 15]. Con el objetivo de que la WRAN pueda operar sin causar interferencia perjudicial al resto de los sistemas que comparten las mismas bandas de frecuencias, los dispositivos de la red realizan actividades periódicas de medición. Dichas mediciones pueden ser en banda o fuera de banda. En banda la medición se realiza con el canal (s) utilizado por la BS para comunicarse con los CPEs. Mientras que fuera de banda la medición se realiza con los demás canales. Para las mediciones en banda se emplea el mecanismo de períodos de silencio el cual se compone de dos fases que tienen diferentes escalas de tiempo: detección rápida y detección precisa [1]. · Detección rápida: Durante esta etapa se emplea un algoritmo de detección bastante rápido (menores que 1ms/canal) y altamente eficiente. El resultado de las mediciones hechas por los CPEs durante esta fase se consolida en la BS, la cual decide si la etapa de detección precisa es necesaria. · Detección precisa: La existencia de esta fase se determina dinámicamente por la BS basándose en el resultado de la etapa anterior. Aquí, la detección más detallada se realiza en los canales de destino. Típicamente, los algoritmos ejecutados durante este procedimiento pueden ser del orden de milisegundos para cada canal. Además este mecanismo es muy eficiente.. 20.

(32) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 Para detectar la presencia de usuarios con licencia, los dispositivos 802.22 deben detectar señales a niveles muy bajos de señal a ruido (SNR) y con cierta precisión, esto debe ser controlado dinámicamente por la BS. Dado que estas mediciones deben realizarse en los niveles bajos de SNR, se supone que la detección de señales de TV se hace de una manera no coherente, es decir, no se asume ninguna sincronización [1, 16, 17] . 1.6 Seguridad en el estándar IEEE 802.22 La seguridad en el estándar es de vital importancia para brindar protección a los usuarios de la WRAN, así como a los proveedores de servicios. Para esto se usan mecanismos que están relacionados con la encriptación de los datos, utilización de claves para proteger los mansajes de gestión así como la autenticación de los dispositivos CPEs para acceder a la red. Con este mismo propósito son utilizadas las técnicas RC explicadas anteriormente. Existen dos protocolos que son empleados para proporcionar seguridad al sistema, estos son [2]: 1. Un protocolo de encapsulación para asegurar los paquetes de datos que son transmitidos a través de la interfaz de aire. Este protocolo define un conjunto de algoritmos de autenticación y reglas para la aplicación de los mismos en una carga útil de MAC PDU. 2. Un protocolo de gestión de claves (SCM) para garantizar la distribución segura de datos de codificación de la BS al CPE. A través de este el CPE y la BS sincronizan los datos de codificación y, además, la BS lo utiliza para aplicar el acceso condicional a los servicios de red. La subcapa de seguridad les proporciona a los suscriptores confidencialidad para los datos del usuario y los mensajes transmitidos a través de la red inalámbrica de banda ancha. Esto se hace mediante la aplicación de las transformaciones criptográficas para MAC PDU a través de las conexiones entre CPE y BS. Además,. 21.

(33) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 ofrecen a los operadores protección contra el robo de servicio. Estas subcapas emplean una autenticación (cliente / servidor) de protocolo de gestión de claves en los que el operador de la BS controla la distribución de claves de información para el cliente CPE. Estas claves se utilizan para proteger los mensajes de gestión de MAC y pueden ser utilizadas opcionalmente para proteger los datos del usuario. Todos los CPEs que intentan acceder a la red deberán ser autenticados. Si el intercambio de autenticación se completa con éxito, la BS tiene en cuenta que el CPE ha sido autenticado, y procede a autorizarlo para acceder a la red. Si el intercambio de autenticación no se completa con éxito, la BS negará el acceso del CPE a la red. En este caso, el CPE puede intentar acceder a otro de los servicios detectados durante la inicialización. Si durante el intercambio de autenticación, el CPE especifica que no es compatible, entonces el intercambio de claves utilizado para configurar la protección de los datos de usuario se omite [2]. Los mecanismos de seguridad validan la disponibilidad del espectro para los usuarios primarios y secundarios mediante el empleo de procedimientos tales como la detección distribuida y la toma de decisión. Algunas de las técnicas cognitivas relacionadas con la seguridad son una parte integral de otras funciones cognitivas requeridas para la implementación del sistema. Dentro de estos mecanismos se encuentran la función de detección del espectro, la geolocalización, el SM (Spectrum Manager Operation), el SSA (Spectrum Sensing Automaton), los procedimientos de gestión, etc [2]. 1.7 Comparación con WiMAX El estándar IEEE 802.22 posee muchas características que lo diferencian y lo hacen único del resto de los estándares para redes inalámbricas. Uno de los estándares más próximos a la norma es el estándar IEEE 802.16. En la tabla 1.3 se establece una comparación entre estas tecnologías con relación a algunos de sus parámetros más notables.. 22.

(34) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 Tabla 1.3: Comparación entre IEEE 802.22 e IEEE 802.16. Parámetros. IEEE 802.22. Modulación. Rangos. OFDMA de 54-862 MHz. IEEE 802.16 OFDMA 5-66 GHz. Frecuencia. Espaciamiento entre 3.3 KHz. 10.9 KHz. subportadoras. Modo FFT.. 2048. 2048 (máx.). Máx. Prefijo cíclico.. 75 μs. 11.2 μs. Máx. Razón de datos.. 22.69 Mbps. 120 Mbps. Soporte MIMO.. No. Si. Área. de. cobertura 100 Km. 50 Km. máx. Capacidad cognitiva.. Si. No. La capacidad radio cognitiva, el área de cobertura y las bandas de operación se encuentran entre las diferencias más importantes entre estos dos estándares. Sin embargo ambas normas son de vital importancia. En el caso de IEEE 802.22, el mismo requiere de las funciones radio cognitivas para trabajar en las bandas de UHF y VHF previamente establecidas para el uso de la radiodifusión terrestre. Aprovechando de esta forma que gran parte de las mismas se encuentran libres. 23.

(35) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 durante varios períodos de tiempo. Además no necesita de línea de vista entre las antenas debido a la posibilidad de operar en las bandas de UHF y VHF. Como deficiencia de esta norma se encuentra la imposibilidad del uso de la misma en países desarrollados donde el espectro asignado a los canales de TV esté siendo usado en su totalidad. Por lo tanto esta tecnología centra su aplicación en zonas rurales y regionales proporcionándoles acceso a redes de banda ancha. En cuanto al estándar IEEE 802.16 el mismo requiere de línea de vista entre las antenas para que las transmisiones de datos en las bandas en las que opera no se vean afectadas. Por lo tanto una limitación importante de esta norma con relación a la 802.22 es el área de cobertura que la misma es capaz de cubrir. Sin embargo posee una mayor razón de transmisión que la WRAN. Esta razón es resultado de la posibilidad de trabajar en las bandas de frecuencias mostradas en la tabla (lo que permite adaptar mayor ancho de banda para los canales de comunicación) y la utilización de tecnología MIMO. 1.8 Aplicaciones del estándar Las redes WRAN se destacan por sus aplicaciones en áreas rurales y regionales así como en zonas poco pobladas. Además brindan cobertura a localidades de difícil acceso, en las que el uso de una infraestructura cableada se hace muy costoso. Existen otras aplicaciones en las que el uso de esta tecnología es de vital importancia por las condiciones geográficas en las que se encuentran. Entre estas se destacan la interconexión de dispositivos de comunicaciones en una red de distribución inteligente de energía. La monitorización de variables ambientales en zonas intrincadas y de difícil acceso como pudieran ser las zonas de pantanos o boscosas donde no existe una infraestructura de comunicaciones. Además de la interconexión de archipiélagos y estaciones marinas. En condiciones de emergencia o en circunstancias en las que se requiera de diferentes vías de comunicaciones, el uso de dispositivos CPE portátiles acoplados a vehículos de. 24.

(36) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.22 comunicaciones puede servir para dar acceso a las redes de comunicaciones en estas condiciones. Sin embardo debido a lo resiente que es el estándar no se han llevado a cabo aún implementaciones de redes en los escenarios donde puede ser aplicado este sistema. Hasta el momento solo se han realizado algunas pruebas experimentales como la llevada a cabo en [18]. Se debe señalar además que hasta la fecha de confección de este informe, tras una extensa búsqueda, no se encontró en el mercado disponibilidad de equipos que soporten este tipo de tecnología. Solo se han realizado algunas pruebas a nivel de prototipo como el propuesto en [19]. 1.9 Conclusiones parciales del capítulo En este capítulo se abordaron las principales características del estándar IEEE 802.22. El mismo tiene como principal desafío garantizar la protección de los sistemas que previamente se encuentran en operación. Para esto utilizan las técnicas radio cognitivas descritas en el epígrafe 1.5. Esta norma se destaca por sus aplicaciones en zonas rurales, de difícil acceso y de baja densidad poblacional, donde tecnologías como la fibra óptica y las redes Wifi no pueden ser implementadas.. Sin. embargo. hasta. la. fecha. no. se. han. registrado. implementaciones de este tipo de sistema en los escenarios donde puede ser empleada la misma. A partir de las características y capacidades que posee la norma, se hace indispensable determinar diferentes escenarios locales en los que los beneficios inherentes al estándar IEEE 802.22 puedan tener un impacto positivo en el desarrollo tecnológico de nuestro país y de esta forma proponer soluciones de conectividad que ilustren las potencialidades de esta tecnología para dar cobertura a redes de alcance regional.. 25.

(37) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS CAPÍTULO. 2.. REGULACIONES. Y. ESCENARIOS. SELECCIONADOS En el presente capítulo se lleva a cabo una descripción de algunas de las regulaciones vigentes en Cuba para el acceso al espectro radioeléctrico, así como el análisis de la distribución del mismo en toda la región central del país. Además se muestran las características de los dos escenarios seleccionados a los que se les realizará el diseño de la red inalámbrica empleando el estándar IEEE 802.22. Estos escenarios fueron seleccionados de trabajos anteriores [20, 21] donde se realizó el diseño de ambas redes pero utilizando WiMAX. Por lo que se realiza además un breve comentario de la propuesta realizada en [20,21]. 2.1 Descripción de algunas de las regulaciones vigentes en Cuba para el acceso al espectro radioeléctrico El Ministerio de la Informática y las Comunicaciones en nuestro país es el órgano regulador de las redes y los servicios de informática y comunicaciones. Entre sus funciones se incluyen la de elaborar y controlar el cumplimiento de las reglamentaciones correspondientes a los servicios de telecomunicaciones y postales; la gestión del espectro de frecuencias radioeléctricas y las industrias del software y la electrónica. De esta forma la Dirección de Regulaciones y Normas del. MIC se encarga. de. dictar las. regulaciones. de los. servicios. de. telecomunicaciones y postales, regular el uso del espectro de frecuencias radioeléctricas, elaborar el plan nacional de empleo del espectro y en general cuantos actos corresponden a su autoridad. Mientras que la Agencia de Control y Supervisión del MIC se encarga de fiscalizar el cumplimiento de las regulaciones y las concesiones otorgadas, así como de la administración y el control del espectro de frecuencias radioeléctricas [22]. Cuba se ha encargado de establecer sus propias regulaciones para el acceso al espectro radioeléctrico por medio de estos órganos. Sin embargo hasta el momento no se ha establecido ninguna normativa que permita el uso del estándar. 26.

(38) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS IEEE 802.22. Entre las reglamentaciones vigentes en nuestro país para el uso del espectro se encuentran las relacionadas con: · El uso de las frecuencias radioeléctricas. · El servicio de radiodifusión sonora en frecuencia modulada (FM). · El uso de teléfonos inalámbricos. · La fabricación de equipos de radiocomunicaciones. v Reglamento para el uso de las frecuencias radioeléctricas El. Decreto No. 135-86 tiene por objeto regular el uso de las frecuencias. radioeléctricas, su compatibilidad, la fabricación e importación de los equipos de radiocomunicaciones y la creación de una comisión que coordine la utilización del espectro radioeléctrico por los usuarios civiles y militares de nuestro país [23]. A continuación se explican algunos de los aspectos establecidos en dicha norma. 1.De la utilización de las frecuencias radioeléctricas: En esta parte se presentan los artículos del 2-9 que establecen el reglamento del uso de las frecuencias, donde se expone que le corresponde al Ministerio de Comunicaciones la distribución, el control y la fiscalización del espectro de frecuencias radioeléctricas, además de establecer los requisitos para la asignación de las bandas de frecuencias a los diferentes servicios y zonas. Se instituye además que la autorización de frecuencias a un determinado usuario no implicará que tenga carácter permanente ni exclusiva, ni otorga derecho de propiedad sobre la frecuencia, ni de utilizarla para otros fines o en otros territorios del país que no sean los autorizados. Para lograr una utilización eficaz de las frecuencias asignadas, éstas podrán ser compartidas por varios usuarios, sobre la base de sus territorios, por tiempo, por tonos o subtonos, o simplemente las utilizarían conjunto con los usuarios que se determine. El Ministerio de Comunicaciones reglamentará los procedimientos para las solicitudes de instalación de las estaciones. 27.

(39) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS radioeléctricas. Estas acciones, en ningún caso, se podrán realizar sin la autorización previa del Ministerio de Comunicaciones. El mismo emitirá por cada estación radioeléctrica autorizada, la licencia correspondiente, que será el documento legal que amparará su utilización por un usuario en determinado período y donde se expresarán las características técnicas y operacionales que deberá cumplir [23]. 2.Fiscalización de las frecuencias de radio: Para la fiscalización de las frecuencias de radio el Ministerio de Comunicaciones dispondrá de los medios que sean necesarios para esto, ya sea a través de inspecciones en el terreno a las estaciones de radio de cualquier servicio, la observación de las señales de radio, de los centros de comprobación técnica de las emisiones, o de cualquier otra vía que considere oportuna. Se expresa además que todo usuario de estación radioeléctrica estará obligado a facilitar y brindar el apoyo necesario a la actividad de fiscalización mencionada anteriormente, así como a atender de inmediato cualquier señalamiento o eliminar cualquier deficiencia que le sea detectada [23]. 3.Sobre la compatibilización: Sobre esta parte existen los artículos del 16-23, donde se explica que el Ministerio de. Comunicaciones. establecerá. las. regulaciones. necesarias. para. la. compatibilización de los distintos medios radioeléctricos, de manera que funcionen sin interferencias mutuas que degraden la calidad del servicio a prestar. Además todas las estaciones de radio deben operar con el mínimo de potencia que se requiera para garantizar su servicio. Las entidades responsables de equipos, que generen indirectamente ondas electromagnéticas, tales como las líneas de distribución de energía o dispositivos industriales y de otro tipo que producen interferencias adoptarán las medidas que sean necesarias para eliminar el efecto de éstas en los distintos servicios de radiocomunicaciones. Se establece que las. 28.

(40) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS interferencias a los servicios de radiodifusión nacional por ondas medias, FM y televisión serán objeto de atención priorizada del Ministerio de Comunicaciones. Esto con el objetivo de determinar sus causas y exigir su eliminación por quien las provoque [23]. Además de los aspectos vistos anteriormente, también se abordan otros que se pueden encontrar en [23]. v Reglamento para el servicio de radiodifusión sonora en frecuencia modulada (FM) El Reglamento No. 80/2002 tiene por objeto establecer el marco regulatorio adecuado para el empleo de este servicio en el ámbito nacional, trazando las correspondientes disposiciones de carácter técnicas operativas y administrativas que permitan la utilización apropiada del mismo. Los sistemas de radiodifusión sonora que emplean la modulación de frecuencias en la banda de 88 a 108 MHz, constituye un servicio que está dirigido a ser recibido directamente por el público en general como un medio importante para el desarrollo de los planes nacionales de la radiodifusión sonora en el país. El presente reglamento está destinado a su aplicación por entidades autorizadas a brindar este servicio en el territorio nacional [24]. En el mismo se recogen todas las especificaciones relacionadas con la denominación de canales la cual se realiza numéricamente. Se establecen además todos los requerimientos técnicos para el sistema de transmisión en FM donde se empleará polarización horizontal aunque también puede usarse polarización circular o elíptica. Se determina la tolerancia de la portadora principal que será de ± 2000 Hz para estaciones de radiodifusión sonora en FM de más de 50 watt de potencia autorizada del transmisor, entre otras cuestiones. Además se establecen los requerimientos técnicos para la transmisión de la señal estereofónica, para la transmisión de subportadoras múltiplex donde dichas especificaciones se aplicarán a todas las transmisiones de subportadoras. 29.

(41) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS múltiplex subordinadas a estaciones de FM, exceptuando aquellas empleadas para la radiodifusión sonora estereofónica. Se lleva a cabo la clasificación de las estaciones donde se definen los requerimientos de la potencia radiada aparente y de la altura de la antena transmisora. Según aparece en la tabla 2.1. Tabla 2.1. Clasificación de las estaciones. Fuente [24]. Clase. Potencia. Potencia. Altura máxima. Distancia al. de. radiada. radiada. de la antena. contorno de. aparente. sobre el terreno. clase, en. máxima. promedio, en. km.. estació aparente mínima n. metros.. A. >50 kW(17 dBk). 100 kW(20 dBk). 350. 75. B. >4 kW(6 dBk). 50 kW(17 dBk). 150. 50. C. >0.025 kW(-16. 4 kW (6 dBk). 100. 25. 0.025 Kw (-16. 30. 4. dBk). D. —. dBk). En este reglamento se realiza además la planificación donde se establece la ubicación de la estación. Para esto la selección del lugar para su instalación deberá realizarse sobre la base de asegurar, teniendo en cuenta la potencia. 30.

(42) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS radiada aparente y la altura efectiva de la antena transmisora en dirección de la ciudad principal, con una intensidad de campo en esta última no menor de 66 dBμv/m. Se determina conjuntamente la separación mínima entre estaciones, la distancia al contorno de bloqueo, los requisitos para la instalación de una estación de radiodifusión en FM, la licencia temporal de operación, las operaciones por control remoto, lo servicios de valor añadido entre otras. v Reglamento para el uso de teléfonos inalámbricos Este reglamento establece que todo modelo de teléfono inalámbrico fabricado o importado tendrá que ser homologado por el Ministerio de la Informática y las Comunicaciones a través de un laboratorio aprobado para realizar esta función. Además no podrán causar interferencia perjudicial a ningún servicio de radiocomunicaciones y, no se le garantiza protección en relación con las emisiones autorizadas a otros servicios de radiocomunicaciones que operen en las mismas bandas de frecuencias. Se expresa que los usuarios no podrán modificar los equipos ni tendrán fácil acceso a los controles que determinan frecuencia, potencia del equipo y otros parámetros fundamentales [25]. Además de estos requisitos se establecen las condiciones en las que los teléfonos inalámbricos deben operar, entre otras cuestiones que son recogidas en la resolución No. 37 del 2000. v Reglamento para la fabricación de equipos de radiocomunicaciones El presente Reglamento tiene por objeto regular la fabricación de equipos de radiocomunicaciones. Es aplicable a los equipos transmisores y transceptores de radiocomunicaciones que operan en las diferentes bandas de frecuencias entre 9 kHz y 275 GHz así como a los dispositivos o partes que puedan modificar sus características técnicas y de explotación. Se excluyen de la aplicación del mismo los equipos construidos por personas naturales con fines de uso personal para practicar la radioafición [26].. 31.

(43) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS En este reglamento se explican los distintos tipos de autorizaciones para la construcción de equipos de radiocomunicaciones, dichas autorizaciones son de clase A, B, C y D. Se abordan además las diferentes clases y solicitudes de concesiones de autorizaciones, los aspectos a tener en cuenta a la hora de establecer la concesión y el alcance de la autorización, así como las obligaciones que debe cumplir el permisionario de una autorización para la construcción de equipos, dispositivos o partes. 2.2 Análisis de la distribución del espectro en la región central El espectro radioeléctrico es un recurso natural limitado que permite la comunicación inalámbrica. El mismo está distribuido en bandas de frecuencias que están asignadas a determinados servicios lo cual garantiza el buen funcionamiento de este. En el 2001 el MIC (Ministerio de la Informática y las Comunicaciones) elaboró el. “Cuadro Nacional de Atribución de Bandas de. Frecuencias” el cual establece las clases y las categorías de los servicios de radiocomunicaciones para su empleo en las distintas bandas de frecuencias en todo el territorio nacional. El mismo constituye una herramienta y una guía indispensable en la elaboración de los planes nacionales de utilización del espectro de frecuencias radioeléctricas y en la asignación de frecuencias a los diferentes servicios y sistemas de radiocomunicaciones del país. Ver Anexo 1. A continuación se muestra la distribución de las bandas de VHF y UHF que son utilizadas en todo el país para la transmisión de televisión. Tabla 2.2. Bandas de VHF y UHF.. Frecuencia (MHz) VHF. 54. 72 Canales 2, 3 y 4. 32.

(44) CAPÍTULO 2. REGULACIONES Y ESCENARIOS SELECCIONADOS 76 88 174. 88 Canales 5 y 6 108 Radiodifusión por FM 216 Canales 7-13. Frecuencia (MHz) UHF. 470. 608 Canales 14-36. 614. 806 Canales 38-69 Fijo, Móvil, Radiodifusión. 1452. 1492 por satélite. 2520. 2670 Radiodifusión por satélite. Teniendo en cuenta estas bandas de frecuencias y la distribución de las estaciones de radiodifusión en las provincias de la región central del país, tales como Ciego de Ávila, Santi Spíritus, Villa Clara y Cienfuegos (Ver Anexo 2). Se realizó un análisis del comportamiento del espectro radioeléctrico en esta región con el objetivo de verificar que gran parte del mismo no está siendo utilizado. De los 67 canales de televisión disponibles en Cuba, solo 25 de ellos son usados en la provincia de Ciego de Ávila, lo que equivale a un 37.3% de los mismos, dejando 42 canales sin usar equivalente a 62.6%. Estos 25 canales se usan de forma general en la provincia, pero si se analiza un lugar determinado dentro de los límites de la zona son menos los canales que se utilizan y por tanto existen más frecuencias libres que pueden ser aprovechadas por el estándar IEEE 802.22.. 33.