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Proyección de una red WiMAX Móvil basada en el estándar IEEE 802 16e para la UCLV

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Academic year: 2020

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Proyección de una red WiMAX Móvil basada en el estándar IEEE 802.16e para la UCLV. Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Autor: Salah Hasan Saleh Tutor: MSc. David Beltrán Casanova. Santa Clara Abril de 2014 “Año 56 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Proyección de una red WiMAX Móvil basada en el estándar IEEE 802.16e para la UCLV Autor: Salah Hasan Saleh salah@uclv.edu.cu. salahcuba@yahoo.com Tutor: MSc. David Beltrán Casanova dbeltranc@uclv.edu.cu. Santa Clara Abril de 2014 “Año 56 de la Revolución”.

(3) Hago constar que la presente Tesis en Opción al Título Académico de Máster en Ciencias Telemáticas fue realizada en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de Maestría en Telemática, 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 Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber.”. Albert Einstein.

(5) DEDICATORIAS. A Allah que me ha dado la oportunidad de llegar a culminar esta etapa de mi vida, a mis padres, hermanos y tíos quienes siempre han estado a mi lado y han sido un pilar fundamental en mi vida y en mi carrera estudiantil, por su constante apoyo les agradeceré siempre..

(6) AGRADECIMIENTOS. A Allah por brindarme salud, vida, esperanza, sabiduría y por permanecer siempre a mi lado en cada paso efectuado en la realización de esta meta. A mi familia por ser el pilar fundamental de mi vida, que siempre me apoya con su incondicional amor, consejos y paciencia. A mi tutor David Beltrán Casanova por su constante colaboración en la realización, revisión y culminación de esta investigación. Al profesor Paliza, por sus orientaciones certeras. A los compañeros del grupo de Maestría, en el que siempre existió un clima de compañerismo y colaboración. A los profesores de la Universidad, que durante estos años nos transmitieron sus conocimientos y me dedicaron gran parte de su tiempo. Deseo también expresar mi sincero agradecimiento a todas aquellas personas que han contribuido de una forma u otra en la realización de este trabajo.. A todos..........!Gracias!.

(7) RESUMEN. En el presente trabajo se expone el estado del arte de tecnologías inalámbricas implementadas actualmente en el mundo, haciéndose énfasis en el estándar IEEE 802.16e y sus principales características. También, se muestra un estudio efectuado a la red de la UCLV, así como los problemas que presenta dicha red, proponiéndose el diseño de una red inalámbrica WiMAX móvil basada en estándar IEEE 802.16e para solucionar las dificultades encontradas teniendo en cuenta experiencias en Cuba de pruebas de campo efectuadas utilizando esta tecnología. Se complementa el diseño con el dimensionamiento de una red de transporte basada en la tecnología GPON, con el objetivo de conducir las señales hacia la red nacional de telecomunicaciones. Para validar los resultados obtenidos se realizó la predicción de cobertura mediante el software Atoll 2.8.0 y la simulación de uno de los procesos que determina la calidad de la conectividad durante el traspaso de celdas "handover", utilizando para esto el software Opnet Modeler 14.5. Al final de este informe se presenta un análisis económico que evalúa la factibilidad de la implementación de la propuesta realizada..

(8) ABSTRACT. This paper presents the evolution of used wireless technologies in the world, emphasizing on the standard IEEE 802.16e and its main characteristics. Moreover, this thesis shows a study on the UCLV's network and its problems, which resulted in the design proposal of a mobile WiMAX wireless network based on the standard IEEE 802.16e in order to solve the problems, taking into account the experience gathered from testing this technology in Cuba. This design is complemented with the dimensioning of a transport network based on GPON technology in order to conduct the signals to the national telecommunications network. To validate the results, the prediction of coverage by means of the Atoll 2.8.0 software was conducted as well as the simulation of one of the processes that determines the connectivity quality during the handover mechanism (in which the user moves from one cell to another) using the Opnet Modeler 14.5 software. At the end of this report, an economic analysis is presented to evaluate the feasibility of implementing the proposal in question..

(9) ÍNDICE INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1.. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WIMAX ................................................................ 6. 1.1. DEFINICIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS ........................................................................................... 6. 1.2. CLASIFICACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS...................................................................................... 6. 1.2.1. WPAN .......................................................................................................................................... 7. 1.2.2. WLAN .......................................................................................................................................... 8. 1.2.3. WMAN......................................................................................................................................... 8. 1.2.4. WWAN ........................................................................................................................................ 9. 1.3. WIMAX Y OTRAS TECNOLOGÍAS DE ACCESO DE BANDA ANCHA MÁS UTILIZADAS ................................................ 9. 1.3.1. Interoperabilidad Mundial para el Acceso por Microondas (WiMAX) ...................................... 10. 1.3.2. Redes de Área Local Inalámbricas (WiFi) .................................................................................. 11. 1.3.3. Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) y Acceso de Alta Velocidad de. Paquetes (HSPA) ...................................................................................................................................... 12 1.3.4. Evolución a Largo Plazo (LTE) .................................................................................................... 13. 1.3.5. WiMAX y LTE ............................................................................................................................. 14. 1.4. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL ESTÁNDAR IEEE 802.16E (WIMAX MÓVIL) ............................................ 16. 1.4.1. Antecedentes ............................................................................................................................ 16. 1.4.2. Elementos del Sistema .............................................................................................................. 19. 1.4.3. Estructura de la trama .............................................................................................................. 21. 1.4.4. Arquitectura de las capas del protocolo IEEE 802.16 .............................................................. 23. 1.4.5. Técnicas de modulación empleadas en WiMAX ....................................................................... 25. 1.4.6. Control de la movilidad ............................................................................................................ 28. 1.4.6.1. Tipos de Handover (L2) ....................................................................................................... 29. 1.4.6.2. Proceso de escaneo (Scanning) ............................................................................................ 30. 1.4.6.3. Proceso de handover (L2) .................................................................................................... 31. 1.4.6.4. Handover a nivel de red (L3) ............................................................................................... 31. 1.4.7. Manejo de la potencia ............................................................................................................... 32. 1.4.8. Antenas inteligentes .................................................................................................................. 32. 1.4.9. Seguridad .................................................................................................................................. 33. 1.5. CONCLUSIONES PARCIALES .................................................................................................................... 33.

(10) ÍNDICE. CAPÍTULO 2. 2.1. ESTADO ACTUAL DE LA UCLV. ........................................................................................ 34. ESTRUCTURA DE LA RED UCLV .................................................................................................................. 34. 2.1.1. BACKBONE UCLV ............................................................................................................................... 37. 2.1.2. WIFI DE LA UCLV ............................................................................................................................... 40. 2.2. SERVICIOS MÁS UTILIZADOS EN LA UCLV ...................................................................................................... 41. 2.3. PROBLEMAS ACTUALES EN LA RED UCLV ..................................................................................................... 42. 2.4. TECNOLOGÍAS COMPLEMENTARIAS DE TRANSMISIÓN ...................................................................................... 43. 2.4.1. CARACTERÍSTICAS DISTINTIVAS DE LA TECNOLOGÍA GPON .......................................................................... 45. 2.4.2. SPLITTERS .......................................................................................................................................... 45. 2.5. SELECCIÓN DEL EQUIPAMIENTO .................................................................................................................. 46. 2.6. MODELO DE PROPAGACIÓN PARA WIMAX .................................................................................................. 46. 2.7. CONCLUSIONES PARCIALES......................................................................................................................... 49. CAPÍTULO 3.. DISEÑO DE LA RED WIMAX MÓVIL PARA LA UCLV ......................................................... 50. 3.1. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE LA RED WIMAX MÓVIL ........................................................................ 50. 3.2. UBICACIÓN DE LAS RADIO BASES ................................................................................................................. 51. 3.3. DISTRIBUCIÓN Y REUSO DE FRECUENCIAS ...................................................................................................... 51. 3.4. DISEÑO DE LA RED WIMAX....................................................................................................................... 52. 3.4.1. Cálculo de tráfico ...................................................................................................................... 52. 3.4.2. Tecnología complementaria de transporte de señales ............................................................. 56. 3.4.3. Estudio de la cobertura ............................................................................................................. 57. 3.5. SIMULACIÓN DEL PROCESO HANDOVER EN OPNET MODELER 14.5 .................................................................. 65. 3.5.1. ESCENARIO DE RED A SIMULAR .............................................................................................................. 65. 3.5.2. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS .............................................................................................. 70. 3.6. ANÁLISIS ECONÓMICO .............................................................................................................................. 80. 3.4. CONCLUSIONES PARCIALES ................................................................................................................. 81. CONCLUSIONES ......................................................................................................................................... 83 RECOMENDACIONES ................................................................................................................................. 85 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................................... 86 GLOSARIO DE TÉRMINOS ........................................................................................................................... 90 ANEXOS ..................................................................................................................................................... 97 ANEXO A ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL CPE HUAWEI ECHOLIFE BM8201 ........................................................... 97.

(11) ÍNDICE. ANEXO B ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL BS HUAWEI DBS3900 ........................................................................... 99 ANEXO C PARÁMETROS ÓPTICOS DE UNA RED GPON. ........................................................................................... 101 ANEXO D FAMILIARIZACIÓN CON EL SIMULADOR OPNET MODELER .......................................................................... 102.

(12) ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA ‎1-1 CLASIFICACIÓN DE LAS REDES INALÁMBRICAS [2]. ......................................................................................... 7 FIGURA ‎1-2 ESCENARIO DE EVOLUCIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS INALÁMBRICAS. ................................................................... 15 FIGURA ‎1-3 ESTÁNDARES DE WIMAX [28]. ............................................................................................................... 17 FIGURA ‎1-4 EL ESTÁNDAR WIMAX MÓVIL................................................................................................................. 18 FIGURA ‎1-5 ARQUITECTURA DE WIMAX MÓVIL [30]. ................................................................................................. 20 FIGURA ‎1-6 ESTRUCTURA DE TRAMA DE WIMAX MÓVIL [31]. ...................................................................................... 22 FIGURA ‎1-7 TRANSMISIÓN DE LOS BLOQUES DE DATOS [32]. ......................................................................................... 22 FIGURA ‎1-8 ESTRUCTURA DE PROTOCOLOS DE 802.16 [31]. ......................................................................................... 23 FIGURA ‎1-9 TÉCNICAS DE MÚLTIPLES PORTADORAS [34]. .............................................................................................. 26 FIGURA ‎1-10 ESTRUCTURA DEL SÍMBOLO DE LA TRAMA OFDM [35]. ............................................................................. 27 FIGURA ‎1-11 MECANISMO DE HANDOVER. ................................................................................................................. 28 FIGURA ‎1-12 PROCESO DE HANDOVER. ............................................................................................................. 31 FIGURA ‎2-1 NODO DE LA PUERTA. ............................................................................................................................ 36 FIGURA ‎2-2 EL BACKBONE DE LA RED UCLV [41]. ....................................................................................................... 37 FIGURA ‎2-3 SOFTWARE DE MONITOREO USADO POR LA UCLV. ...................................................................................... 39 FIGURA ‎2-4 COBERTURA DE LA RED WIFI DE LA UCLV. ................................................................................................. 41 FIGURA ‎2-5 ELEMENTOS BÁSICOS DE UNA RED ÓPTICA PASIVA. ....................................................................................... 44 FIGURA ‎2-6 SPLITTERS ÓPTICOS [2]. .......................................................................................................................... 46 FIGURA ‎3-1 PATRÓN DE REUSO DE FRECUENCIAS A UTILIZAR EN CASO DE EXPANSIÓN FUTURA. .............................................. 52 FIGURA ‎3-2 CALCULADORA DE ERLANG PARA LLAMADAS DE VOIP. ................................................................................. 53 FIGURA ‎3-3 PROPUESTA DE LA RED WIMAX MÓVIL Y DEL TRANSPORTE BASADO EN GPON. ................................................ 56 FIGURA ‎3-4 CREACIÓN DE LA PLANTILLA DE TRANSMISORES. .......................................................................................... 57 FIGURA ‎3-5 PARÁMETROS DE LAS RADIO BASES UTILIZADAS. .......................................................................................... 58 FIGURA ‎3-6 PATRONES DE RADIACIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL DE LA ANTENA UTILIZADA. ................................................... 59 FIGURA ‎3-7 UBICACIÓN DE LAS RADIO BASES............................................................................................................... 59 FIGURA ‎3-8 CREACIÓN DE UN ESTUDIO DE COBERTURA POR NIVEL DE SEÑAL. ..................................................................... 60 FIGURA ‎3-9 ESTUDIO DE COBERTURA POR NIVEL DE SEÑAL EN EL CAMPUS UCLV. ............................................................... 61 FIGURA ‎3-10 CREACIÓN DE ZONAS HOT SPOT EN EL CAMPUS UCLV................................................................................ 61.

(13) ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA ‎3-11 GENERACIÓN DE INFORMES................................................................................................................... 62 FIGURA ‎3-12 COBERTURA DE LA RADIO BASE DE LA CASA DE LA FEU................................................................................ 63 FIGURA ‎3-13 COBERTURA POR ZONAS SOLAPADAS. ...................................................................................................... 64 FIGURA ‎3-14 ANÁLISIS DE RECEPCIÓN DE LA SEÑAL. ..................................................................................................... 65 FIGURA ‎3-15 ASIGNACIÓN DEL IP DEL HOME AGENT EN LA MS. .................................................................................... 66 FIGURA ‎3-16 MODELO DE PRUEBAS. ......................................................................................................................... 67 FIGURA ‎3-17 UMBRAL DE ESCANEO CONFIGURADO EN LA MS........................................................................................ 70 FIGURA ‎3-18 THROUGHPUT EN LA MS. ..................................................................................................................... 71 FIGURA ‎3-19 DEMORA WIMAX. ............................................................................................................................. 72 FIGURA ‎3-20 SNR DETECTADO POR LA MS. ............................................................................................................... 74 FIGURA ‎3-21 TRÁFICO RECIBIDO POR LA MS............................................................................................................... 74 FIGURA ‎3-22 THROUGHPUT EN LA MS....................................................................................................................... 75 FIGURA ‎3-23 THROUGHPUT, INITIAL RANGING, SNR, DEMORA HANDOVER Y TIEMPO DE ESCANEO EN LA MS. ......................... 76 FIGURA ‎3-24 PROCESO DE ESCANEO LIGERO EN LA MS. ................................................................................................ 77 FIGURA ‎3-25 PROCESO DE ESCANEO DENSO EN LA MS. ................................................................................................ 78 FIGURA ‎3-26 THROUGHPUT EN LA MS PARA LOS DOS TIPOS DE ESCANEO. ........................................................................ 78 FIGURA ‎3-27 PROMEDIO DE THROUGHPUT EN LA MS PARA LOS DOS TIPOS DE ESCANEO...................................................... 79 FIGURA ‎3-28 PAQUETES PERDIDOS EN EL CANAL DOWNLINK DE LA MS. ........................................................................... 79 FIGURA ‎3-29 LA VARIACIÓN DE LA DEMORA (JITTER) EN EL SERVIDOR............................................................................... 80.

(14) ÍNDICE DE TABLAS TABLA ‎1-1 CARACTERÍSTICAS DEL ESTÁNDAR IEEE 802.11X [9]. .................................................................................... 12 TABLA ‎1-2 CARACTERÍSTICAS DE LA INTERFAZ DE AIRE DE LTE [22]. ................................................................................ 14 TABLA ‎1-3 ESTÁNDARES IEEE 802.16X. ................................................................................................................... 18 TABLA ‎1-4 QOS Y APLICACIONES DE WIMAX [34]. ..................................................................................................... 24 TABLA ‎1-5 PARÁMETROS SOFDMA [32]. ................................................................................................................. 27 TABLA ‎1-6 ETAPAS DEL PROCESO HANDOVER. ............................................................................................................. 29 TABLA ‎2-1 INSTALACIONES EN EL CAMPUS UCLV. ........................................................................................................ 35 TABLA ‎2-2 POBLACIÓN Y CANTIDAD DE PC EN LA UCLV [40]........................................................................................ 36 TABLA ‎2-3 ENLACES DE LA UCLV HACIA EL EXTERIOR. ................................................................................................... 37 TABLA ‎3-1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS LOCALES DEL CLIENTE CPE. ....................................................... 55 TABLA ‎3-2 TOTAL DE EQUIPOS DE ACCESO PARA LA RED PROPUESTA. ............................................................................... 55 TABLA ‎3-3 ASIGNACIÓN DE BANDAS DE FRECUENCIA PARA LAS RADIO BASES...................................................................... 58 TABLA ‎3-4 PREDICCIONES DE COBERTURA DISPONIBLE EN ATOLL [23].............................................................................. 60 TABLA ‎3-5 NIVEL DE SEÑAL EN EL COMEDOR DE AGROPECUARIA. ................................................................................... 62 TABLA ‎3-6 NIVEL DE SEÑAL EN LA FACULTAD DE ELÉCTRICA. ........................................................................................... 63 TABLA ‎3-7 NIVEL DE SEÑAL EN LA FACULTAD DE CONSTRUCCIONES.................................................................................. 63 TABLA ‎3-8 PARÁMETROS DE LA SIMULACIÓN............................................................................................................... 68 TABLA ‎3-9 MODELOS DE PATHLOSS. .......................................................................................................................... 69 TABLA ‎3-10 MODELOS MULTIPATH. .......................................................................................................................... 69 TABLA ‎3-11 UMBRALES DE ESCANEO PARA LA SIMULACIÓN............................................................................................ 71 TABLA ‎3-12 PARÁMETROS DEL ESCANEO .................................................................................................................... 73 TABLA ‎3-13 VALORES USADOS PARA ESCANEO ............................................................................................................ 73 TABLA ‎3-14 PARÁMETROS DE ESCANEO PARA LOS 2 ESCENARIOS. ................................................................................... 77 TABLA ‎3-15 COSTOS APROXIMADOS DEL EQUIPAMIENTO. ............................................................................................. 81.

(15) 1. INTRODUCCIÓN. En la actualidad la tecnología inalámbrica se ha convertido en una parte fundamental de la vida, donde la implementación de nuevos servicios y aplicaciones impuestas por el desarrollo de la sociedad y el continuo aumento de número de usuarios han propiciado la necesidad de investigar nuevas técnicas que permitan alcanzar un mejor desempeño en las redes de acceso inalámbrico [1]. Esta situación ha dado lugar a la aparición de WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), que es considerado con el nombre comercial del estándar 802.16. En Cuba, el uso de las redes de comunicaciones ha permitido cambios significativos en los centros de educación superior. Uno de los centros en el país con más resultados en el empleo de las tecnologías de la información y las comunicaciones, con el fin de elevar el proceso docente educativo, es la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas [2]. En el año 1998 se construyó la red de la UCLV, en lo cual se empleó fibra óptica, con centro gestor ubicado en el local conocido como “La Puerta”. Allí quedaron conectadas las diez áreas fundamentales de la parte central del campus universitario. Dos años después se realizó la primera expansión de la red, adicionándose seis nuevas áreas [3]. En el año 2002 se centralizaron todas las cuentas de usuarios en un dominio de Windows 2000 y su arquitectura de Directorio Activo, esto posibilitó una mejor organización y aprovechamiento de los recursos y un incremento notable en la calidad del funcionamiento de la red [3]. Desde que la red de la UCLV fue diseñada quedaron algunos lugares que no se incluyeron en la estructura cableada debido, principalmente, a limitaciones económicas. Con el paso del tiempo fue aumentando la necesidad de que estos lugares quedaran definitivamente.

(16) INTRODUCCIÓN. 2. unidos a la red UCLV. Aprovechando el avance que presentan las redes inalámbricas de área local (WLAN) y las ventajas que ofrecen frente a una red cableada, se decidió adoptar las WLAN para dar solución al problema de la conexión de estos lugares y de esta manera contribuir al completamiento de la red universitaria [4]. A pesar que la UCLV emplea actualmente la tecnología inalámbrica en todas las áreas del campus universitario, presenta algunas dificultades que afectan la calidad y confiabilidad del servicio, ya que la cobertura de la red WiFi de la Universidad es limitada y en algunas áreas insuficiente. También se refleja la escasez de movilidad porque al perder la cobertura de los puntos WiFi existentes, ciertas aplicaciones se cierran y necesitan reconexión, lo que resulta trabajoso porque hay que autenticarse nuevamente. El análisis preliminar del escenario de estudio y la evolución de las redes inalámbricas desplegadas en el mundo, señalan a la tecnología WiMAX como adecuada para la solución de las comunicaciones de acceso inalámbrica en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. El presente trabajo aborda el estándar IEEE 802.16e conocido como WiMAX móvil para solucionar los problemas que presenta actualmente la red UCLV, en cuanto a movilidad y cobertura; además de incrementar los niveles de confiabilidad, calidad, capacidad y desempeño de los servicios. Debido a lo anteriormente expuesto surge como problema científico para el desarrollo de la investigación: ¿Qué hacer para contribuir al mejoramiento de la red de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, haciendo uso de la tecnología WiMAX móvil? Para dar cumplimiento a este problema científico se plantea el siguiente objetivo general: Elaborar una propuesta de red inalámbrica con tecnología WiMAX móvil para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas que coexiste con la red actual para satisfacer las demandas de los usuarios universitarios. A partir de este objetivo general se deducen los siguientes objetivos específicos:  Identificar las redes de acceso de banda ancha inalámbrica más empleadas a nivel mundial que puedan ser instaladas en zonas como la de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas..

(17) INTRODUCCIÓN. 3.  Caracterizar el área de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas mediante la revisión de su topografía, población, alturas de sus instalaciones y sus distribución en el campus universitario, así como sus principales áreas.  Realizar un análisis profundo de la estructura de la red de telecomunicaciones existente en la Universidad y los servicios ofrecidos por dicha red, definiendo los principales problemas que presenta para proponer el mejoramiento de sus prestaciones empleando la tecnología WiMAX móvil basada en el estándar IEEE 802.16e.  Diseñar la red inalámbrica WiMAX móvil a partir de las características del terreno, estructura de la red actual y las necesidades de los usuarios, tomando en cuenta el aspecto técnico y económico.  Determinar una tecnología complementaria para transportar la señal hasta a la red nacional de telecomunicaciones teniendo en cuenta los anchos de banda requeridos para cubrir la demanda de la red propuesta.  Simular los escenarios propuestos.  Evaluar económicamente la solución propuesta para el área de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. En el desarrollo de la investigación se da respuesta a las siguientes preguntas científicas:  ¿Cuáles son las redes de acceso inalámbrico de banda ancha más utilizadas actualmente?  ¿Cuál son las ventajas que ofrece la tecnología WiMAX móvil?  ¿Cuáles son las características principales de la topografía, demografía e infraestructura de telecomunicaciones de la Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas?  ¿Qué equipamiento se debe emplear?  ¿Qué estructura tendrá la red de acceso de banda ancha a proponer para el campus universitario?  ¿Resulta factible económicamente la instalación de la nueva red? Los métodos científicos sobre los cuales se desarrolla la investigación son:.

(18) INTRODUCCIÓN. 4.  El histórico lógico mediante el cual se contextualiza el problema de investigación, sus antecedentes y desarrollo.  El analítico sintético ya que es necesario analizar todos los componentes del sistema a emplear y determinar los elementos a utilizar, así como la interrelación de sus partes.  El inductivo – deductivo que logra establecer generalidades en cuanto al diseño de la red a partir de las experiencias particulares de los técnicos y especialistas que participan en la misma.  La modelación, mediante la cual se crean abstracciones con vistas a explicar la realidad. El modelo como sustituto del objeto de investigación. Opera en forma práctica o teórica con un objeto, no en forma directa, sino utilizando cierto sistema intermedio, auxiliar, natural o artificial. En este caso, la simulación. Como resultado del presente trabajo se espera caracterizar las necesidades actuales y futuras en materia de servicios de telecomunicaciones en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y realizar una propuesta de red de acceso inalámbrico económicamente factible y con posibilidades de incrementar en el campus universitario tanto la cantidad de servicios como las prestaciones, el rango de cobertura y la movilidad. En el proceso de investigación se procedió a la consulta de información actualizada de libros, revistas, documentos electrónicos, estándares de la IEEE, WiMAX Forum, la UIT-T y otras bibliografías obtenidas en presentaciones. Con este trabajo se logra tener una visión más cercana de la estructura de la red de acceso de los operadores actuales, al efectuarse un recorrido desde los aspectos teóricos hasta los económicos. Asimismo, se consigue una mejor flexibilidad para el futuro crecimiento de la red en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Finalmente, permite ofrecer una respuesta a la constante demanda de servicios, proporcionando soluciones económicamente factibles. Este trabajo puede constituir una base material de estudio para futuras investigaciones. Estructura del Trabajo: Este trabajo se ha estructurado en: introducción, tres capítulos que abordarán los objetivos anteriormente citados, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos. A continuación se describen brevemente el contenido de los capítulos..

(19) INTRODUCCIÓN. 5. En el capítulo I se presenta el marco teórico referente a las redes inalámbricas, en especial a la tecnología WiMAX móvil, describiendo sus características técnicas, la arquitectura de las capas que la componen, las diferentes modulaciones que utiliza, y al final se efectúa una comparación con otras tecnologías de acceso inalámbricas. En el capítulo II se analiza el estado actual de la red de la UCLV, se detallan los aspectos relacionados con su infraestructura, topología, servicios, etc. Así como se describen los problemas que presenta dicha red. Se abordan aspectos por los cuales se seleccionó la red complementaria de transmisión. En el capítulo III se realiza la propuesta de diseño de la red inalámbrica con tecnología WiMAX Móvil para la UCLV, el dimensionamiento de la red de transporte, y un análisis de los resultados de la simulación. Finalmente se evalúa la factibilidad económica de la propuesta realizada..

(20) 6. CAPÍTULO 1. Estado del arte de la tecnología WiMAX. Durante los últimos años las redes inalámbricas han ganado mucha popularidad y han evolucionado rápidamente, debido al incremento que han tenido sus prestaciones de servicio y al descubrimiento de nuevas aplicaciones donde pueden ser empleadas. Los usuarios de una red inalámbrica pueden transmitir y recibir voz, datos y videos, todo esto a altas velocidades de transmisión, sin necesidad de estar físicamente conectados a un lugar determinado y con una gran movilidad sin perder la conectividad [5]. En este capítulo se resumen las características de las principales tecnologías inalámbricas empleadas en las redes de acceso de banda ancha. Se centrará la atención en el estándar IEEE 802.16e (WiMAX móvil), y se va a profundizar en los detalles y características que ofrece este estándar. 1.1 Definición de las redes inalámbricas Las redes inalámbricas son conexiones implementadas mediante ondas de radio o luz infrarroja, que facilitan el trabajo en lugares donde es imposible llegar con cables, permitiendo la interconexión entre nodos sin limitaciones y ofreciendo la posibilidad de ser combinadas con infraestructura cableada y generar una “red híbrida" [6]. 1.2 Clasificación de las redes inalámbricas Por su alcance, las redes inalámbricas se clasifican de las siguientes formas:  WPAN (Wireless Personal Area Network).  WLAN (Wireless Local Area Network).  WMAN (Wireless Metropolitan Area Network).  WWAN (Wireless Extender Area Network)..

(21) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 7. En la figura 1.1 se muestra la clasificación de las redes inalámbricas.. Figura ‎1-1 Clasificación de las Redes Inalámbricas [2].. 1.2.1 WPAN Las redes de área personal (WPAN) tienen una cobertura típica de 30 m, pero su rendimiento varía dependiendo del estándar empleado. Ellas son utilizadas principalmente para conectar dispositivos periféricos (teléfonos celulares, PDA, etc.) con un computador sin la utilización de cables [7]. Se usan varios tipos de tecnologías para este tipo de redes, las cuales son:  Bluetooth (IEEE 802.15.1), opera a 1 Mbps con relativa baja potencia sobre cortas distancias utilizando FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) en la banda de frecuencias de 2.4 GHz, cubriendo distancias de hasta 10 m [1].  ZigBee (IEEE 802.15.4), estándar para comunicación de datos a corto alcance, utilizando para ello pequeños sensores. Utiliza DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) y cubre distancias de hasta 75 m, con velocidades que varían desde los 20 Kbps hasta los 250 Kbps [8].  IR (Infrared), usa el rango infrarrojo del espectro electromagnético para transmitir información mediante ondas por el espacio libre. Los sistemas infrarrojos pueden clasificarse en sistemas de corta apertura, rayo dirigido o LOS (Line of Sight) y en sistemas de gran apertura, reflejados o difusos [9]..

(22) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 8. 1.2.2 WLAN Las redes inalámbricas de área local (WLAN) poseen una cobertura que puede alcanzar varios metros, lo que permite crear un entorno de red local entre computadoras o terminales situados en un mismo edificio o grupo de edificios, sin el requerimiento de licencia para su uso. Ellas desarrollan el envío de datos por medio de ondas electromagnéticas a través del espacio, usando las mismas frecuencias para transmisión y recepción. Estas disponen de varias tecnologías [8], las mismas se describen a continuación:  WiFi (IEEE 802.11), puede alcanzar velocidades de 11 Mbps, 54 Mbps, 108 Mbps, 150 Mbps, 300 Mbps, 600 Mbps y se prevén velocidades superiores a 1 Gbps, empleando la técnica CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) y OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para transmitir sus paquetes. Utiliza la banda de frecuencia de 2.4 GHz y 5 GHz [9].  HiperLAN (High Performance Radio LAN), creado por ETSI (European Telecommunications Standard Institute). Utiliza la banda de frecuencia de los 5 GHz y soporta distintas velocidades, 24 Mbps (HiperLAN1), 54 Mbps (HiperLAN2) y 25 Mbps (Hiper ACCESS) [10]. 1.2.3 WMAN Las redes inalámbricas de área metropolitana (WMAN) cubren el área de una ciudad o entorno metropolitano, y que van desde unos cientos de metros hasta varios kilómetros [11]. Las tecnologías más conocidas son:  WiMAX, permite la transmisión y recepción de datos por microondas. Está diseñado para proporcionar acceso en áreas de hasta 50 Km de radio [12].  HiperMAN (High Performance Radio MAN), desarrollado por el ETSI, opera en la banda de 2 GHz a 11 GHz y permite configuraciones punto a punto y en malla [13].  LMDS (Local Multipoint Distribution System), es una tecnología inalámbrica vía radio para comunicación entre puntos fijos, en donde el rango de frecuencia utilizado varía entre 2 GHz y 40 GHz. Emite señales que alcanzan distancias de hasta 5 Km [6]..

(23) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 9.  WiBro (Wireless Broadband), es una tecnología de red desarrollada por la industria de telecomunicaciones de Corea. Utiliza un sistema basado en TDD (Time Division Duplex) y OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) como tecnología de acceso. Opera en la banda de frecuencia de 2.3 GHz y soporta velocidades de transmisión dentro del rango de 30 Mbps a 50 Mbps [13].. 1.2.4 WWAN Las redes inalámbricas de área extendida (WWAN) tienen una amplia cobertura geográfica, por ejemplo, pueden cubrir regiones y países [14]. Estos sistemas de comunicación hacen uso de la transmisión por radio frecuencia, empleando modulaciones para la transmisión de datos. Las tecnologías más conocidas son:  GSM (Global System for Mobile Communications), tecnología de telefonía celular de 2G (2snd Generation) que ofrece transmisión de datos a 9.6 Kbps usando canales dedicados [15].  GPRS (General Packet Radio Service), tecnología que añade a las redes GSM la posibilidad de transmitir paquetes de datos y aumentar su rendimiento. Además permite lograr tasas de transmisión de datos mayores a 150 Kbps [13].  UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), sistema de comunicación celular de 3G (3rd Generation) que ofrece servicios de voz y datos con un ancho de banda de 5 MHz [15].  LTE (Long Term Evolution) es el estándar de telefonía móvil para cuarta generación y desarrollado bajo especificaciones del 3GPP. Esta tecnología es la clave para el despegue de la Internet móvil ya que presenta una arquitectura de red diferente a las anteriores, basada totalmente en el protocolo IP, lo cual implica el uso exclusivo de técnicas de conmutación de paquetes. Ofrece mayores anchos de banda y elevadas tasas de transferencia, hasta100 Mbps en descarga y 50 Mbps en subida [16]. 1.3 WiMAX y otras tecnologías de acceso de banda ancha más utilizadas WiMAX, como se ha podido apreciar, no es la única solución para distribuir servicios de banda ancha inalámbrica. Actualmente existen muchas soluciones propietarias para aplicaciones fijas y móviles, las cuales ya están disponibles en el mercado. Aparte de estas.

(24) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 10. soluciones propietarias, existen soluciones alternativas basadas también en estándares, que se solapan parcialmente con WiMAX [17]. A continuación se realiza una breve síntesis de WiMAX y de las alternativas tecnologías consideradas más importantes; y al final se presentan las ventajas de WiMAX sobre el resto de las tecnologías. 1.3.1 Interoperabilidad Mundial para el Acceso por Microondas (WiMAX) El acceso inalámbrico de banda ancha comenzó intentando ser una alternativa competente a las soluciones de banda ancha fija ya existente: xDSL, cable modem, sin embargo, debido al rápido crecimiento de la banda ancha sin cables, ha surgido la necesidad de nuevas tecnologías inalámbricas que reduzcan los costes y a su vez ayuden a suavizar el monopolio de los proveedores de servicios de banda ancha cableada [18]. Los sistemas de distribución punto-multipunto (LMDS) supusieron el primer sistema remarcable de acceso de banda ancha inalámbrico a finales de la década de los noventa. Más tarde se desarrollaron los servicios de distribución multipunto y multicanal (MMDS) que proporcionaba mayor rango de cobertura pero ambos necesitaban línea de vista para operar correctamente [18]. El reto de conseguir comunicaciones sin necesidad de línea de visión directa NLOS (Non Line of Sight) comenzó en 1998 con el grupo de la IEEE 802.16 cuyo objetivo era estandarizar las tecnologías para redes de área metropolitana inalámbricas (Wireless MAN). En el año 2001, se consiguió el primer estándar sin necesidad de visión directa en la frecuencia de operación de 2 GHz a 11 GHz, Wireless MAN-SC, con una única portadora. En 2003, se completó IEEE 802.16a, el cual introdujo tres esquemas de acceso: portadora única (Single carrier, SC), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) y OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). El estándar IEEE 802.16-2004 reemplazó a las versiones anteriores convirtiéndose en la solución para WiMAX fijo. En 2005 aparece el estándar IEEE 802.16e, también conocido como WiMAX móvil. Entre las principales características técnicas de WiMAX se encuentran [19]: -. Cobertura radial de 50 kilómetros, en promedio.. -. Transmisión efectiva de 124 Mbps..

(25) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 11. -. Anchos de canal entre 1,5 y 20 MHz.. -. Utiliza modulación OFDM, con 2048 señales portadoras, que permiten altas velocidades de transferencia.. -. Incorpora soporte para la tecnología de antenas inteligentes (smart antennas), la cual mejoran la eficiencia espectral y la cobertura.. -. Definida para las frecuencias de hasta 11 GHz para conexiones con y sin línea de visión, y entre 10 GHz y 66 GHz para conexiones con línea de visión.. -. Incluye mecanismos de modulación adaptativa, mediante los cuales la estación base y el equipo de usuario se conectan utilizando la mejor de las modulaciones posibles, en función de las características del enlace radio.. -. Topología punto-multipunto y de malla.. -. Bandas licenciadas y de uso libre, dependiendo de la legislación de cada país.. -. Aplicaciones para la transmisión de voz, video y datos.. -. Buen desempeño de transmisión.. 1.3.2 Redes de Área Local Inalámbricas (WiFi) Las redes de área local inalámbricas proporcionan conectividad inalámbrica a un pequeño rango de usuarios fijos o con una movilidad reducida. WLAN, conocido comúnmente como WiFi, se basa en la familia de estándares IEEE 802.11 y es una tecnología principalmente pensada como una extensión de una red de acceso de área local (LAN), diseñada para brindar una cobertura indoor [9]. El primer estándar, 802.11b, ofrecía tasas de 11 Mbps en un rango de 30 m. Los sistemas actuales de WiFi, basados en IEEE 802.11a/g, soportan una tasa de transferencia máxima de 54 Mbps y normalmente la distancia de cobertura no supera los 100 m. IEEE 802.11g soporta QoS y el estándar 802.11n introduce la posibilidad de utilizar MIMO con modulación OFDM y velocidades superiores a 54 Mbps. Se prevé para este año el establecimiento del nuevo estándar IEEE 802.11ac que alcanzará velocidades superiores a 1 Gbps [17]. Este nuevo tipo de conexión inalámbrica es mucho más rápido que el actual IEEE 802.11n, ya que trabaja con anchos de banda de canal que van desde los 80 MHz hasta los 160 MHz, frente a los 40 MHz de máximo en 802.11n..

(26) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 12. Además, soporta hasta ocho antenas, mientras que las conexiones actuales sólo llegan hasta cuatro [20]. WiFi se ha convertido en el estándar preferido a la hora de elegir una forma de conexión para “los últimos metros” (last mille) en casas, oficinas y lugares públicos, en lugar del tradicional cable de red. Sin embargo, la ineficiencia del protocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) usado por WiFi, junto con la interferencia existente en la banda no licenciada, son restricciones que reducen significativamente la capacidad de operar estos sistemas en escenarios “outdoor”. Además, los sistemas WiFi no fueron diseñados para soportar la movilidad a alta velocidad. Una ventaja significativa de WiFi sobre WiMAX y 3G es la gran disponibilidad, el bajo costo de los equipos y que la mayoría de las computadoras portátiles que se comercializan hoy en día, tienen ya incorporadas la interfaz WiFi. En la tabla 1.1 se muestra las principales características del estándar IEEE 802.11x. Tabla ‎1-1 características del estándar IEEE 802.11x [9].. Estándar. 802.11b. 802.11a. 802.11g. 802.11n. 802.11ac. Completado. Sept 1999. Sept 1999. May 2003. Sept 2009. 2014. Tasa de transmisión. 11 Mbps. 54 Mbps. 54 Mbps. Hasta 600 Mbps. Mayor de 1 Gbps. Frecuencia. 2.4 GHz. 5 GHz. 2.4 GHz. 2.4/5 GHz. 5 GHz. Técnicas de transmisión. DSSS. DSSS, OFDM. DSSS, OFDM. OFDM. OFDM. Canal (MHz). 20. 20. 20. 20 a 40. 80 a 160. 1.3.3 Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) y Acceso de Alta Velocidad de Paquetes (HSPA) 3GPP y 3GPP2 han introducido las nuevas tecnologías de tercera generación (3G) como una evolución de la existente segunda generación. 3GPP es el organismo de estandarización de las tecnologías móviles, responsable de la estandarización de GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) y LTE (Long Term Evolution), así como de la evolución de los sistemas actuales [21]. Los servicios asociados con 3G posibilitan la transferencia tanto de voz, como de datos. Los.

(27) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 13. estándares en 3G utilizan CDMA para compartir el espectro entre los usuarios. Aunque inicialmente se especificó una velocidad de 384 Kbps, la evolución de la tecnología permite ofrecer al suscriptor velocidades de descarga superiores a 3 Mbps. El primer estándar de la tercera generación fue UMTS, basado en WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) y fue publicado en el año 2000 como la evolución de GSM, GPRS (General Packet Radio Service) y EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) ofreciendo servicios mejorados de voz y datos, con un ancho de banda de 5 MHz [13]. El Release 5 de 3GPP, creado debido al rápido crecimiento de UMTS, introdujo HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), mejorando la eficiencia espectral para servicio de datos con mayores velocidades de descarga, permitiendo una mejora de velocidad de transmisión teórica de hasta 14.4 Mbps pico. En 2005, con el Release 6, surgió HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) que permite una mejora de velocidad de transmisión teórica de pico de hasta 5.76 Mbps. La combinación de HSUPA y HSDPA se conoce como HSPA (High Speed Packet Access) [21]. En 2008, saliendo a la luz el Release 7, ocurrieron nuevos avances como HSPA+, el uso de mayores modulaciones como 64-QAM con soporte para MIMO (Multiple Input Multiple Output). HSPA+ integra en la estación base un elemento de control RNC (Radio Network Controller) para reducir la latencia y simplificar la arquitectura de red. De esta forma HSPA+ puede verse como el enlace que una la tecnología de 3G, HSPA, con la nueva tecnología de cuarta generación LTE. 3GPP2 continuó la evolución de la tecnología con los sistemas basados en el estándar CDMA2000, 1x EV-DO (Evolution-Data Optimized) como solución 3G de los operadores de CDMA. Este primer estándar introduce una red de banda ancha centrada en datos con tasas por debajo de 2 Mbps en entornos móviles. En las últimas revisiones de la tecnología, EV-DO Revisión C, se puede conseguir de 30 Mbps a 40 Mbps en el enlace ascendente y de 70 Mbps a 200 Mbps en el descendente, con un ancho de banda de 20 MHz. 1.3.4 Evolución a Largo Plazo (LTE) LTE (Long Term Evolution) es el estándar de telefonía móvil para la cuarta generación y desarrollado bajo especificaciones del 3GPP. Ofrece mayores anchos de banda y elevadas tasas de transferencia, hasta100 Mbps en descarga y 50 Mbps en subida [22]..

(28) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 14. LTE cuenta con una interfaz de radio de gran potencia que emplea tecnología OFDMA para el enlace descendente y una nueva técnica de modulación para el enlace ascendente denominada SC-OFDMA (Single-Carrier OFDMA) que no solo mantiene las ventajas de resistencia al multitrayecto de OFDMA sino que permite reducir los requerimientos de potencia del terminal del usuario, algo que se considera importante para la construcción de terminales móviles [23]. Además, gracias al empleo de las técnicas de antena MIMO, las velocidades pueden alcanzar un máximo de 326.4 Mbps en descarga y 86.4 Mbps en el enlace ascendente, si se usan arreglos de 4x4 MIMO y modulación 64 QAM [14]. En la tabla 1.2 se presentan las principales características de la tecnología LTE. Tabla ‎1-2 Características de la interfaz de aire de LTE [22].. Características. LTE. Plan de acceso multiple. OFDMA y SC-FDMA. Frecuencia de re-uso. Flexible. Uso de antenas MIMO. Si. Ancho de Banda. 1.4, 3, 5, 10, 15 ó 20 MHz. Duración de Trama. 10 ms. Intervalo de tiempo de transmisión. 1 ms. Modos de operación. FDD y TDD. Canales de transporte. Compartido. 1.3.5 WiMAX y LTE A continuación se hace un balance entre las tecnologías predecesoras de la 4G (Figura 1.2). Entre ellas se distingue LTE, la más moderna y avanzada en cuanto a funcionalidades y capacidades, pero en algunos escenarios compite con soluciones WiMAX..

(29) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 15. Figura ‎1-2 Escenario de evolución de las tecnologías inalámbricas.. 3GPP desarrolló los protocolos para conseguir el estándar 4G, LTE, sucesor de UMTS y HSPA. El objetivo de LTE es conseguir 100 Mbps en el enlace descendente y 50 Mbps en el ascendente, con alta eficiencia espectral. Para conseguirlo utiliza OFDM/OFDMA, antenas inteligentes de múltiples entradas y salidas MIMO (multiple input, multiple output), compartiendo así similitudes con WiMAX [24]. La capacidad de transferencia en WiMAX depende del ancho de banda del canal que se esté usando. A diferencia de los sistemas 3G, los cuales poseen un canal de ancho de banda fijo, WiMAX define un canal donde se puede seleccionar el ancho de banda, entre 1.25 MHz y 20 MHz, lo cual permite desarrollos muy flexibles [10]. WiMAX móvil usa TDD (Time Division Duplex) mientras que HSPA usa FDD (Frequency Division Duplex). Un elemento diferenciador es el acceso al medio en sentido ascendente de LTE, que emplea acceso por división en frecuencia con simple portadora (SC-FDMA) optimizada para ahorrar batería en los dispositivos móviles [16]. WiMAX utiliza OFDMA en ambos sentidos, menos conveniente en dispositivos móviles por el mayor consumo. Un elemento adicional a favor de la utilización de WiMAX es que el Ministerio de la Informática y las Comunicaciones (MIC) de Cuba ha emitido una resolución que autoriza el empleo de WiMAX móvil en la banda de frecuencia de 2,5 GHz [25], [26]. Además, se han.

(30) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 16. realizado y documentado suficientes pruebas de campo con diferentes proveedores de equipamiento WiMAX y los resultados han sido satisfactorios. Un aspecto que podría preocupar es la posible obsolescencia de la tecnología en un período relativamente breve de tiempo. Sin embargo, una simple búsqueda en Internet permitirá comprobar que en estos momentos se despliegan nuevas redes WiMAX en todo el mundo, de modo que la tecnología WiMAX sigue en expansión. Además, en entornos rurales WiMAX tiene un nicho grande de mercado asegurado, por lo que todo indica que hay vigencia y garantías de equipamiento de esta tecnología por largo tiempo. Por lo anteriormente expuesto y a pesar de que LTE es una tecnología emergente y que potencialmente tiene un gran futuro en el mercado internacional, se concluye que el estándar IEEE 802.16e constituye una solución factible al problema planteado como objeto de este proyecto. 1.4 Características principales del estándar IEEE 802.16e (WiMAX móvil) A continuación se exponen las principales características del estándar IEEE 802.16e. 1.4.1 Antecedentes En el año 1998 el IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineering) crea el grupo de trabajo 802.16 con el objetivo de desarrollar un estándar que otorgara acceso inalámbrico de banda ancha para redes MAN (Metropolitan Area Network) y que fuera capaz de brindar una alternativa a las redes de acceso cableadas existentes. La atención principal de este grupo se centró en la implementación de un sistema inalámbrico de banda ancha punto a multipunto utilizando enlaces LOS en la banda de 10 a 66 GHz [27]. En diciembre de 2001, el grupo de trabajo aprueba el estándar original 802.16. Este se basa en el uso de portadora simple en la capa física y como método de acceso al medio la multiplexación por división del tiempo (TDM), alcanzando velocidades de hasta 134 Mbps y brindando un área de cobertura de hasta 50 Km. Esta primera especificación, al estar basada en enlaces LOS, requería de torres de gran tamaño lo que hacía que la implementación de esta tecnología tuviera un costo muy elevado haciéndola poco atractiva a los proveedores ..

(31) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 17. Ese mismo año se le otorga el sello WiMAX a esta tecnología por el WiMAX Forum cuyos dos miembros más representativos fueron Intel y Nokia, con más de 230 miembros, con el objetivo de promover el estándar y asegurar la interoperabilidad entre los productos de los diferentes productores [10]. En enero del 2003 fue publicado el estándar 802.16a, el cual introdujo nuevas prestaciones como soporte para las bandas de 2 a 11 GHz y de esta manera tener la capacidad de penetrar barreras por tratarse de frecuencias bajas y así ser viable su utilización en ambientes NLOS. También fueron incluidas modificaciones en la capa MAC para soportar OFDM y OFDMA. A continuación se listan en la figura 1.3 los estándares IEEE 802.16x más relevantes.. Figura ‎1-3 Estándares de WiMAX [28].. En junio del 2004 fue publicado el estándar IEEE 802.16d (WiMAX Fijo), el cual dio soporte a bandas licenciadas y no licenciadas para la banda de 10 GHz a 66 GHz. Este requiere de ambientes LOS y para frecuencias menores a 11 GHz soporta ambientes NLOS. Además permite un área de cobertura de 50 Km y capacidad para trasmitir datos a una velocidad de 75 Mbps. En diciembre del 2005, el estándar IEEE 802.16e (WiMAX Móvil) fue aprobado con el propósito de agregar movilidad a WiMAX. Esta enmienda permite a las MS (Mobile Station) mantener una conexión con una WMAN mientras se desplazan dentro del área de cobertura ofrecida por varias BS [29]. La figura 1.4 muestra una comparación entre la tecnología WiMAX móvil con otras tecnologías de acceso..

(32) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 18. Figura ‎1-4 El Estándar WiMAX móvil.. En el año 2011 fue aprobado el estándar IEEE 802.16m (WiMAX 2), el cual soporta un extenso rango de aplicaciones y servicios de gran calidad y capacidad sobre IP. Las características de este estándar se eligieron para asegurar la competitividad con el resto de las tecnologías emergentes de acceso de radio de cuarta generación, y eliminar los inconvenientes de los anteriores sistemas WiMAX [28]. Los aspectos más destacados del estándar IEEE 802.16m que provocarán una mejora en el rendimiento de los sistemas WiMAX son los siguientes[28]: . Soporta velocidades de hasta 350 km/h, gracias a la adaptación al enlace.. . Esquemas avanzados de configuración de antenas MIMO con capacidades de flujo único y multi-flujo para cada usuario.. . Menor sobrecarga y mayor eficiencia que se traducirá en un incremento de la capacidad.. . Menores tiempos de latencia.. . Mejora del tráfico y del radio de actuación del canal de control, mejora del enlace y del rendimiento en los extremos de la celda.. . Reducción del consumo de potencia del terminal móvil. En la tabla 1.3 aparece un resumen de los estándares WiMAX que han surgido a lo largo de estos años. Tabla ‎1-3 Estándares IEEE 802.16x.. 802.16 Completado. Diciembre 2001. 802.16-2004. 802.16e. 802.16m. Agosto 2004. Diciembre 2005. Abril 2011.

(33) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. Espectro. 10 – 66 GHz. < 11 GHz. < 6 GHz. Banda con licencia <6GHz. Línea de vista. SI. NO. NO. NO. Tasa de transmisión. 32 – 134 Mbps en 28 MHz. Hasta 75 Mbps en 20 MHz. Hasta 15 Mbps en 5 MHz. Hasta 1Gbps. Modulación. Single Carrier. OFDM 256 sub - Carrier. 1x Scalable OFDM. 1x Scalable OFDM. QPSK, 16QAM, 64QAM. QPSK, 16QAM, 64QAM. QPSK, 16QAM, 64QAM. 19. QPSK, 16QAM, 64QAM. Movilidad. Fijo. Fijo, itinerante. Hasta 120 km/h. hasta 350 km/h. Ancho de Banda. 20,25 y 28 MHz. 1,75 a 20 MHz. 1,25 a 20 MHz. 5-20 MHz (superior a 100 MHz con la técnica de agregación de bandas). 1.4.2 Elementos del Sistema El estándar IEEE 802.16e caracteriza a WiMAX Móvil mediante puntos de referencia constituidos por interfaces que se nombran desde R1 hasta R6 [30]. En la figura 1.5 se muestran interfaces y elementos que se han incorporado en la estructura inalámbrica WiMAX para permitir movilidad a la red, ya que el estándar fijo se ocupaba solamente de la parte de radio. Esta evolución ha transitado hacia un mayor uso de frecuencias portadoras OFDM, de 256 en el sistema fijo, a 512 y 2048 en el sistema móvil, en dependencia de la canalización que sería de 5 y 20 MHz respectivamente. WiMAX Fijo usa modulación OFDM, mientras que WiMAX Móvil trabaja con SOFDMA (scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access), donde este asigna a cada usuario, subcanales de 48 portadoras, por lo que el sistema se hace más eficiente sobre todo para los servicios de VoIP, ya que son paquetes pequeños típicamente de 60 bytes. Para optimizar el uso de los recursos de radio en dependencia del tráfico, se han introducido formas de selección de frecuencias para organizar los subcanales, denominadas FUSC.

(34) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 20. (Fully Used Subcannalization), PUSC (Partial Used Subcannalization) y AMC (Adaptive Modulation and Coding).. Figura ‎1-5 Arquitectura de WiMAX Móvil [30].. La atención se centrará en las interfaces de radio R1 y en las de red R3 y R6. En la sección radio, los elementos son: la radio base BS (Base Station) y el equipo local del cliente CPE (Customer Premises Equipment). Los CPE pueden ser terminales fijos o móviles, internos o externos. Usan por lo general el protocolo SIP (Session Initiation Protocol) para el servicio de VoIP a través de un puerto RJ11 con un teléfono convencional y permiten asociar por el puerto de datos, una LAN o un dispositivo IAD (Integrated Access Device). Particularmente en WiMAX Móvil, se utiliza además una tarjeta en la laptop (PCMCIA) [30]. La radio base BS permite el acceso inalámbrico de banda ancha PMP (Point to Multipoint Communication), organiza la trama, asigna los recursos de radio de acuerdo a los requerimientos de ancho de banda, crea los SF (Service Flow) que son bidireccionales en función de la QoS y asocia los SF a los identificadores de conexión de los terminales CID en el interfaz R1 y a túneles GRE (Generic Routing Encapsulation) en el interfaz R6 hacia el controlador de radio bases ASNGW (Access Service Network Gateway)..

(35) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 21. El controlador ASNGW es básicamente un enrutador, con múltiples funcionalidades: intercambio de mensajes con las BS, asignación de direcciones IP, ya que puede trabajar como servidor DHCP o proxy, cliente AAA (Authentication, Autorization and Account) para intercambiar con el servidor AAA los perfiles de usuarios, en combinación con las BS crea los SF. También coopera con otros ASNGW para garantizar el handover, cambio automático de celdas sin interrumpir la comunicación. El Servidor AAA es imprescindible para realizar la entrada a la red de acceso de un CPE mediante los procedimientos de autenticación, autorización al uso de recursos y posible facturación del servicio. El Servidor DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) optimiza la utilización de direcciones IP. 1.4.3 Estructura de la trama WiMAX Móvil utiliza TDD, que consiste en dividir el tiempo de trama, que es de 5 ms, en dos partes, una para el tráfico de la red a los clientes (downlink), y otra para el tráfico de los clientes hacia la red (uplink) (Figura 1.6). Ambas, están separadas por intervalos de tiempo, denominados "gap" que son: el TTG (Transmit Transmission Gap) entre uplink/downlink y el RTG (Receive Transmission Gap) entre tramas consecutivas. El objetivo de esta técnica es garantizar que la propagación llegue hasta el CPE más alejado de la BS, antes de que éste comience a transmitir, y así evitar interferencias [30]..

(36) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 22. Figura ‎1-6 Estructura de trama de WiMAX Móvil [31].. Partes de la trama: El preámbulo se transmite en broadcast para sincronizar a todos los CPE. Seguidamente se transmite un mapa con la definición de los tiempos en que va a recibir y transmitir cada CPE, y éste debe llegar a todos, de modo que se envía en la modulación más robusta, QPSK. El FCH es un encabezado de control de trama, para informar a los CPE sobre los esquemas de codificación usados en los subcanales y la longitud de los mensajes DL-MAP y ULMAP. A continuación se transmiten los bloques de datos, denominados burst. Cada burst diferente corresponde a información a entregar a un grupo de CPE con igual tipo de modulación. El tiempo de duración del burst y la cantidad de subcanales que ocupa depende del ancho de banda asignado a cada usuario. Estos burst se transmiten utilizando uno de los tipos de permutaciones o combinaciones de frecuencia configurados en el sistema FUSC, PUSC o AMC en el sentido de downlink (Figura 1.7).. Figura ‎1-7 Transmisión de los bloques de datos [32].. En uplink solo se permiten PUSC y AMC. FUSC no se emplea en uplink porque cada CPE solo va a transmitir a la BS algunos subcanales, de 48 portadoras de datos y no va a emplear la totalidad de las mismas. En uplink, el Ranging es el proceso de intercambio de capacidades entre el terminal WiMAX y la BS para ajustar potencia y realizar las solicitudes de ancho de banda..

(37) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 23. El ACK lo constituyen mensajes de realimentación a la BS para la corrección de errores en el intercambio de mensajes. El CQICH es la realimentación a la BS del estado del canal. 1.4.4 Arquitectura de las capas del protocolo IEEE 802.16 La estructura de protocolos ilustrada en la figura 1.8 del estándar IEEE 802.16 es casi idéntica a la del resto de las redes que conforman la familia de estándares IEEE 802.x, pero el estándar IEEE 802.16 posee más subcapas.. Figura ‎1-8 Estructura de protocolos de 802.16 [31].. De acuerdo a lo mostrado anteriormente, las capas y subcapas inferiores del protocolo 802.16 son las siguientes:  Capa física La capa física está dividida en dos subcapas: la dependiente del medio físico y sobre ella la de convergencia de trasmisión para ocultarle las diferentes tecnologías a la capa de enlace de datos. Debido a que la fuerza de señal en la banda milimétrica desciende drásticamente con la distancia a partir de la estación base, la relación señal a ruido también desciende. Por ésta razón el estándar IEEE 802.16e emplea tres esquemas de modulación y codificación adaptativa (AMC, Adaptive Modulation and Coding), dependiendo de la distancia entre la SS y la BS; para suscriptores cercanos se utiliza 64QAM, con 6 bits/baudio; para suscriptores a distancias medias se utiliza 16 QAM, con 4 bits/baudio y para suscriptores distantes se utiliza QPSK, con 2 bits/baudio. Otra característica de la capa física es su capacidad de empaquetar múltiples tramas MAC consecutivas en una sola transmisión.

(38) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 24. física. Esta característica mejora la eficiencia espectral al reducir el número de preámbulos y encabezados de capa física necesarios [33]. WiMAX móvil soporta otras técnicas en la capa física como la tecnología MIMO que permite obtener ganancia por diversidad, y el uso de antenas inteligentes que mejoran la eficiencia espectral. Estas últimas emiten un haz muy estrecho que se puede ir “moviendo”, electrónicamente, para enfocar siempre al receptor, con lo que se evitan las interferencias entre canales adyacentes y se consume menos potencia al ser un haz más concentrado [24].  Capa MAC La capa MAC es responsable de controlar y multiplexar varias conexiones sobre el mismo medio físico. Esta capa es orientada a conexión e identifica una conexión lógica unidireccional entre la BS y la SS por un CID (Connection Identifier). Los CID‟s para las conexiones de uplink y downlink son diferentes. El CID puede verse como un direccionamiento temporal y dinámico, asignado por la BS para identificar una conexión unidireccional entre las capas MAC y PHY, y se utiliza para el control del tráfico de los datos. Para asociar ese direccionamiento, la CS (Convergence Sublayer) no debe perder de vista la asociación entre la dirección destino y el respectivo CID. Las tramas MAC ocupan un número integral de ranuras de tiempo de la capa física. Cada trama se compone de subtramas, de las cuales las primeras dos son los mapas descendente y ascendente. Estos indican lo que hay en cada ranura de tiempo y cuales ranuras de tiempo están libres. La BS decide simplemente lo que va a poner en cada subtrama. El mapa descendente también contiene varios parámetros de sistema para informar de nuevas estaciones que entran en línea, y es muy directo. El canal ascendente es más complicado debido a que hay suscriptores no coordinados compitiendo por él. Su asignación está estrechamente relacionada con el aspecto de calidad de servicio [34]. WiMAX móvil posee un control de QoS en todo el recorrido del enlace y soporta varios servicios y aplicaciones con distintos requerimientos de QoS, lo cual se muestra en la tabla 1.4. Tabla ‎1-4 QoS y aplicaciones de WiMAX [34].. Categoría de QoS. Aplicaciones. Especificaciones de QoS. UGS (Unsolicited Grant Service). VoIP. Tolerancia a la latencia Tolerancia a jitter.

(39) CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE DE LA TECNOLOGÍA WiMAX. 25. Tasa sostenida máxima rtPS (Real-Time Packet Service). Audio o video streaming. Prioridad de tráfico Tolerancia a la latencia Tasa sostenida máxima Tasa reservada mínima. ErtSP (Extended RealTime Packet Service). Voz con detección de actividad. Tasa reservada mínima Tolerancia a la latencia Tolerancia a jitter Prioridad de tráfico Tasa sostenida máxima. nrtPS (Non-Real-Time Packet Service). Protocolo de transferencia de archivos (FTP). Tasa reservada mínima Tasa sostenida máxima Prioridad de tráfico. BE (Best-Effort Service). Transferencia de datos, navegación en la red. Tasa sostenida máxima Prioridad de tráfico. La capa MAC consta de tres subcapas [34]:  Privacy Sublayer, esta subcapa se encarga de la privacidad y seguridad. Maneja codificación, descodificación y administración de claves.  MAC CPS (MAC Common Part Sublayer), es el núcleo de la capa MAC. Es aquí donde se encuentran los principales protocolos, como la administración del canal. Realiza todas las funciones necesarias para el intercambio de datos y el control de la capa MAC. Una característica no muy común de la subcapa MAC es que, a diferencia de las subcapas de las otras redes IEEE 802.x, es completamente orientada a conexión para proporcionar garantías de calidad de servicio.  CS, la función de la subcapa CS es interactuar entre las funciones de la capa MAC y la capa de red. 1.4.5 Técnicas de modulación empleadas en WiMAX En las últimas décadas, han aparecido nuevas tecnologías que buscan ocupar un lugar en el mercado de las comunicaciones de banda ancha. Entre ellas se pueden destacar aquellas que unen al acceso de banda ancha con la movilidad, piedra angular del presente y del futuro de.

Figure

Figura  ‎3-14 Análisis de recepción de la Señal.
Figura A.1 CPE Huawei EchoLife BM8201.
Figura B.2 BS Huawei DBS3900.
Tabla C.1 Atenuacion por tipo de splitter.
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Referencias

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