Tecnologías empleadas en la norma IEEE 802 11ac

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. “Tecnologías empleadas en la norma IEEE 802.11ac”.. Autor: Liliana Cruz Flores. Tutor: MSc. David Beltrán Casanova. Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución ".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Tecnologías empleadas en la norma IEEE 802.11ac”.. Autor: Liliana Cruz Flores E-mail: lcflores@uclv.edu.cu. Tutor: MSc. David Beltrán Casanova Prof. Dpto. Electrónica y Telecomunicaciones Facultad de Ingeniería Eléctrica. UCLV E-mail: dbeltranc@uclv.edu.cu. Santa Clara 2014 "Año 56 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 Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “El ignorante afirma, el sabio duda y reflexiona” Aristóteles. “Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo” Albert Einstein.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi familia, en especial a mis padres, mi más fuerte motivo de superación profesional, por creer siempre en mí y apoyarme durante toda mi vida. A mis amigos, por estar siempre, por saber escuchar, por aguantar mis días complicados y por pasar juntos muy buenos momentos..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres por brindarme todo su apoyo incondicional y mostrarme el camino correcto. A mi tía, abuelos y prima, en general, a mi familia de sangre y de crianza, porque de ahí venimos y ahí nos formamos como lo que somos; mil gracias por estar a mi lado incondicionalmente. A mis amigas Lianet, Sesy y Yadira, por estar en las buenas y las malas, por los tan especiales momentos compartidos y los que aún faltan. A Sumito, Allen, Anilady, Yudy, Robe y Bufandis, por su amistad a lo largo de estos cinco años, por comprenderme y brindarme su ayuda. A Chonguito, Diana, Roberto, Ale, Dayana, Yugui; a todos mis demás compañeros de estudio, los que están y los que no, por los buenos y malos momentos que hemos pasado juntos durante estos años. A mi tutor David, por haberme guiado y apoyado en este proceso. A aquellos profesores de la carrera que con respeto y sabiduría me guiaron y atendieron cuando lo necesité. A todas las personas que han dedicado parte de su tiempo para intercambiar ideas, ofrecer oportunas sugerencias y brindarme su apoyo en la realización de este trabajo. A todas las personas que han confiado en mí y me han alentado en los momentos difíciles. A los que aquí no menciono y forman parte de mi vida. A todos, Gracias..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Efectuar una revisión de la bibliografía técnico-especializada para la construcción de un marco teórico de referencia general sobre la investigación. 2. Realizar un estudio sobre la evolución de las redes de área local inalámbrica y los estándares IEEE 802.11. 3. Realizar un estudio sobre las tecnologías empleadas en la capa física y de enlace de datos de las normas IEEE 802.11ac. 4. Realizar un estudio sobre los aportes de las tecnologías introducidas en el estándar 802.11ac. 5. Elaborar un material de estudio sobre las tecnologías del estándar 802.11ac y sus aplicaciones para la asignatura Sistemas de Radio I.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En este trabajo se presenta una reseña sobre el estado y desarrollo de las redes de área local inalámbricas y los estándares IEEE 802.11. Se aborda el surgimiento del nuevo estándar 802.11ac y las características más relevantes del mismo, brindando una descripción de las principales tecnologías asociadas al nivel físico y la capa de control de acceso al medio. Se realiza un análisis de las diferencias fundamentales del estándar 802.11ac con respecto a los estándares antecesores, demostrando que las tecnologías introducidas permiten un aumento de la razón de datos hasta 6.933 Gbps. Se analizan esquemas de transmisión que hacen uso de estas nuevas tecnologías, caracterizándose por ser eficientes y mejorar el desempeño de la red. Toda esta información se integra en un material de estudio didáctico actualizado que puede servir de guía para el estudio de esta temática y ser utilizado en cursos de nivel superior dada la relevancia adquirida por las redes de acceso inalámbrico en la actualidad..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. ESTADO Y DESARROLLO DE LAS REDES WLAN .......................... 4. 1.1. Redes LAN inalámbricas ......................................................................................... 4. 1.2. Estándares inalámbricos ........................................................................................... 5. 1.2.1. IEEE 802.11 ...................................................................................................... 6. 1.2.2. IEEE 802.11b .................................................................................................... 6. 1.2.3. IEEE 802.11a .................................................................................................... 7. 1.2.4. IEEE 802.11g .................................................................................................... 7. 1.2.5. IEEE 802.11n .................................................................................................... 8. 1.3. Surgimiento y desarrollo del estándar 802.11ac .................................................... 10. 1.4. 802.11ac una evolución de 802.11n ....................................................................... 12. 1.5. Rasgos distintivos de la tecnología 802.11ac ......................................................... 14. 1.6. Bandas de frecuencia para redes WLAN ............................................................... 16. 1.6.1 1.7. Bandas de frecuencia disponibles en los 5 GHz ............................................. 16. Interoperabilidad .................................................................................................... 19.

(10) vii CAPÍTULO 2. 2.1. NIVEL FÍSICO ....................................................................................... 21. OFDM .................................................................................................................... 21. 2.1.1. OFDM vs interferencia multitrayecto ............................................................. 22. 2.1.2. Sincronización y detección ............................................................................. 23. 2.2. Radiocanal en 802.11ac ......................................................................................... 23. 2.2.1. Diseño de los canales ...................................................................................... 23. 2.2.2. Máscara espectral del radiocanal .................................................................... 25. 2.2.3. Canalización.................................................................................................... 25. 2.3. MIMO .................................................................................................................... 26. 2.3.1. Evolución de MIMO ....................................................................................... 28. 2.3.2. SU-MIMO ....................................................................................................... 28. 2.3.3. MU-MIMO ..................................................................................................... 28. 2.3.4. Técnicas MIMO .............................................................................................. 29. 2.4. Transmisión beamforming ..................................................................................... 30. 2.4.1. Transmisión Beamforming en 802.11ac ......................................................... 31. 2.5. Códigos Espacio-Tiempo en bloques ..................................................................... 34. 2.6. Transmisión: modulación, codificación e intervalo de guarda .............................. 35. 2.6.1. Esquemas de modulación................................................................................ 35. 2.6.2. Mejoras de modulación ................................................................................... 36. 2.6.3. Técnicas de codificación ................................................................................. 38. 2.6.4. Intervalo de guarda ......................................................................................... 38. 2.7. Formato de la trama PHY ...................................................................................... 39. 2.8. Obtención de los parámetros OFDM y razones de transmisión ............................. 40. CAPÍTULO 3.. CAPA DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO ................................. 44.

(11) viii 3.1. Formato de la trama MAC ..................................................................................... 44. 3.1.1 3.2. Agregación ...................................................................................................... 45. Acceso al medio ..................................................................................................... 46. 3.2.1. CCA (Clear Channel Assessment) .................................................................. 47. 3.2.2. El espacio reducido entre tramas .................................................................... 48. 3.2.3. Reglas de acceso al canal ................................................................................ 48. 3.2.4. Requisitos de sensibilidad ............................................................................... 49. 3.3. Convivencia de dispositivos 802.11ac con otros dispositivos 802.11 ................... 50. 3.3.1. El modo Greenfield ......................................................................................... 51. 3.4. Operación de ancho de banda dinámico (RTS/CTS) ............................................. 51. 3.5. Esquemas de transmisión ....................................................................................... 55. 3.5.1. Troughput promedio ....................................................................................... 57. 3.5.2. Consideraciones acerca de los esquemas de transmisión ............................... 59. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 61 Conclusiones ..................................................................................................................... 61 Recomendaciones ............................................................................................................. 62 GLOSARIO .......................................................................................................................... 63 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 67 ANEXOS .............................................................................................................................. 69 Anexo I. Razones de datos en cada fase de desarrollo del estándar 802.11ac. .............. 69. Anexo II. Dispositivos 802.11ac ................................................................................. 70. Anexo III. Bandas de frecuencia en los 5 GHz para WLAN en diferentes regiones.... 71. Anexo IV. Código espacio-tiempo en bloque de Almouti ............................................ 72. Anexo V. Reacción de distintos dispositivos que escuchan en la banda de 5 GHz .... 74.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En los últimos años las tecnologías inalámbricas se han expandido rápidamente en múltiples. esferas. económico-sociales.. Dentro. del. enorme. horizonte. de. las. telecomunicaciones y la computación móvil las redes inalámbricas van ganando adeptos y manifestándose como una tecnología madura y robusta. Es por ello que desde la creación de la primera versión de la norma 802.11 en el año 1997 esta tecnología basada en redes inalámbricas ha sido un gran éxito. El creciente auge de las tecnologías inalámbricas ha roto con lo que hasta hace pocos años se decía una de las principales desventajas de las redes inalámbricas, la velocidad, permitiendo en estos momentos alcanzar velocidades por encima del Gbps. Unido a ello, la implementación de nuevos servicios y aplicaciones impuestas por el desarrollo de la sociedad y el continuo aumento del número de usuarios han propiciado la necesidad de investigar nuevas tecnologías que permitan alcanzar un mejor desempeño en las redes de acceso inalámbricas. Lo anterior ha dado lugar a la aparición de una nueva especificación en el campo de las redes inalámbricas: la norma IEEE 802.11ac. En el presente trabajo se aborda el tema de las tecnologías inalámbricas referidas a la norma 802.11ac con el propósito de lograr una mejor comprensión de las características y el funcionamiento de la misma. Esta norma todavía no está vigente y por ende no se cuenta con materiales con enfoque didáctico para su enseñanza y aprendizaje. En la mayoría de la bibliografía que aborda el uso e implementación de las tecnologías que emplean los dispositivos que implementarán la norma 802.11ac, se aprecia la falta de un enfoque didáctico que permita relacionar dichas tecnologías con las características y el funcionamiento de las diferentes especificaciones ya que principalmente se profundiza en la.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. parte teórica de una tecnología específica dejándole al lector la parte de realizar el vínculo con la norma. Es debido a lo anterior que se plantea la siguiente problemática: ¿Cómo contribuir a una mejor comprensión de las características y funcionamiento de la norma 802.11ac mediante la descripción del conjunto de tecnologías empleadas? En correspondencia con el problema planteado, se formula como objetivo general del trabajo: Crear un material de estudio didáctico que contribuya a la comprensión de la norma IEEE 802.11ac así como las técnicas y tecnologías empleadas. Para dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: . Describir las modificaciones tecnológicas realizadas en la capa física de la norma 802.11ac y su contribución para incrementar la velocidad de datos.. . Determinar mediante cálculos las tasas máximas de datos en la norma 802.11ac en función de la modulación, el ancho de banda y el número de flujos espaciales utilizados.. . Describir las modificaciones tecnológicas realizadas en la capa de control de acceso al medio de la norma 802.11ac y su adaptación a las nuevas características de la capa física.. La mayor incidencia del trabajo es educacional, se pretende elaborar un material con enfoque didáctico pedagógico que permita la enseñanza del tema de las redes inalámbricas en la Asignatura Sistemas de Radiocomunicaciones I que se imparte en la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica. El informe de investigación está estructurado en introducción, capitulario, conclusiones, glosario, referencias bibliográficas y anexos. Capítulo 1: Estado y desarrollo de las redes WLAN Aborda la evolución y estado de las normas IEEE 802.11para redes inalámbricas, profundizando solo en la 802.11n, así como en el surgimiento y desarrollo de la norma 802.11ac. Se realiza una descripción general de las tecnologías empleadas en la norma IEEE 802.11ac sin abordar cómo se emplean..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Capítulo 2: Nivel físico Se tratan las principales características de las tecnologías asociadas a la capa física del estándar 802.11ac, resaltando las potencialidades que ofrecen al mismo. Se calculan los parámetros y razones de datos que ofrecen dichas tecnologías haciendo énfasis en las nuevas modificaciones que hacen posible alcanzar velocidades tan altas. Capítulo 3: Capa de control de acceso al medio Se tratan los principales cambios en las tecnologías asociadas a la capa de control de acceso al medio del estándar 802.11ac y cómo son necesarios para garantizar la compatibilidad con el nivel físico modificado..

(15) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. CAPÍTULO 1.. 4. ESTADO Y DESARROLLO DE LAS REDES WLAN. La sociedad del siglo XXI es cada día más “móvil”, esto ha significado una revolución en el uso de las tecnologías de la información. Las redes inalámbricas (Wireless Networks) son una realidad en el mercado gracias a sus precios y las enormes posibilidades de esta tecnología. La evolución de las redes inalámbricas, junto con el extraordinario crecimiento en el número de dispositivos inalámbricos, han generado una gran demanda en cuanto a velocidad y alcance. En consecuencia, hay necesidad de dispositivos y normas capaces de hacer frente a la próxima generación de redes móviles que requieren altas velocidades de datos para soportar video, voz y otras aplicaciones en tiempo real. La creciente demanda de estos servicios y los limitados recursos que se disponen del espectro radioeléctrico han conllevado al desarrollo de técnicas que permitan, por un lado, ofrecer una mayor capacidad de información y por otro que se pueda disponer de movilidad. Hoy existen variedades de técnicas, muchas de ellas aún en desarrollo, pero a pesar que tanto las redes fijas como móviles continúan creciendo, estas últimas parecen prometer dominar en el acceso. 1.1. Redes LAN inalámbricas. Las WLAN (Wireless Local Area Network), redes cuyo objetivo inicial era proporcionar los mismos servicios que las LAN convencionales, son redes de acceso inalámbricas en las que dos o más terminales se comunican, sin la necesidad de utilizar cables, a velocidades de transferencia superiores a 1 Mbps (Beltrán, 2009). Este tipo de redes basa su implementación en un grupo de normativas donde se especifica una interfaz sobre el aire entre el cliente y la estación base o entre dos clientes inalámbricos.

(16) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 5. mediante la definición del uso de los dos niveles más bajos de modelo de referencia OSI (Open System Interface): el nivel físico y el nivel de enlace de datos (Ramírez et al., 2009). En el nivel físico se define cómo realizar la transmisión y recepción de señales inalámbricas sobre un canal de RF (Radio Frequency) mientras que en el nivel de enlace de datos se especifican mecanismos encargados del acceso al medio, la sincronización de tramas y control de potencia (Ahmad, 2008). La industria de las redes WLAN ha manifestado un acelerado crecimiento en el campo de las telecomunicaciones. Esto ha llevado a que prestigiosas organizaciones como la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) desarrollen un amplio estudio de la tecnología de radio, dando lugar a las normas por las que se rigen importantes firmas para el diseño de dispositivos inalámbricos. La familia de estándares IEEE 802.11 o Wi-Fi (Wireless Fidelity) desarrollada en América es una de las más usadas. En ella se emplean las bandas de 2,4 y 5 GHz, bandas reservadas para el uso no comercial del espectro de frecuencia, cuyo uso no requiere de licencia siempre y cuando se respeten las restricciones en los niveles de potencia trasmitida. 1.2. Estándares inalámbricos. Desde que la IEEE establece en 1990 el comité de estandarización IEEE 802.11, se inicia un complejo trabajo de definición de conceptos, arquitectura, servicios y estándares de las redes WLAN. Wi-Fi se ha convertido en una tecnología exitosa porque continuamente ha avanzado manteniendo la compatibilidad con las versiones anteriores. Pocos años después de crear el estándar 802.11 la industria ha lanzado sucesivamente nuevas versiones del mismo que aumentan las razones de transmisión y las capacidades de Wi-Fi. Desde entonces la tecnología ha continuado desarrollándose pasando por estándares como el 802.11b, 802.11a y 802.11g, hasta que en el año 2002 se empezó a definir algunas mejoras a nivel físico y de enlace de datos como parte de un nuevo estándar que basándose en el estándar 802.11a permitiese conseguir razones de transmisión superiores a los 100 Mbps. Así se establecieron las primeras bases del estándar 802.11n, el cual definía un conjunto de.

(17) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 6. mecanismos y mejoras para proporcionar a los usuarios mayor razón de datos, alcance y fiabilidad. Como todo proceso de perfeccionamiento, a partir de las experiencias del estándar 802.11n se ha estado construyendo el estándar 802.11ac, con su mejorada razón de datos, robustez, confiabilidad, utilizando mayor ancho de banda y eficiencia. 1.2.1 IEEE 802.11 El estándar original de esta familia se publicó en el año 1997 y especifica velocidades de datos de 1 y 2 Mbps que se trasmiten por señales infrarrojas o utilizando la banda de 2.4 GHz. Esta norma define el protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) como método de acceso y emplea como técnicas de acceso al medio radioeléctrico FHSS (Frecuency Hopping Spread Spectrum) y DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) (Ahmad, 2008). Para la aplicación de FHSS se emplea modulación 2GFSK y 4GFSK (Gaussian Frecuency Shift Keying) y se explotan 79 canales de 1 MHz de ancho de banda. En cambio, DSSS emplea dos tipos de modulación, DBPSK (Differential Binary Phase Keying) y DQPSK (Differential Quadrature Phase Keying) (Beltrán, 2009). Cuando surge la necesidad de implementar nuevas técnicas para resolver un problema asociado a las WLAN, la IEEE crea un nuevo grupo de trabajo incluido en el estándar 802.11. La solución al problema queda plasmada en una nueva especificación que se identifica por la misma letra que su grupo de trabajo. Hoy en día las especificaciones más populares corresponden a las letras a, b, g, n y más reciente ac. 1.2.2 IEEE 802.11b Este estándar se establece en 1999 como una evolución del estándar IEEE 802.11, operando en la misma banda de 2.4 GHz. En este se ratifica CSMA/CA como método de acceso al medio pero sólo emplea DSSS alcanzando velocidades de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps. La capacidad de la red no es uniforme, depende del entorno, las distancias, el número de usuarios conectados simultáneamente y de las aplicaciones que se brinden y soliciten. En la práctica, la razón de datos que permite el estándar es suficiente para garantizar la calidad de servicio en la mayor parte de las aplicaciones, excepto para flujos de video..

(18) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 7. Esta especificación divide el espectro en 14 canales solapados de 22 MHz de ancho de banda, a una distancia de 5 MHz cada uno. La canalización para este tipo de redes se realiza de acuerdo al país donde se utilice. En Estado Unidos se utilizan 11 canales dando lugar a un grupo de tres canales no solapados. Este tipo de canalización es de importancia vital a la hora de configurar la red ya que utilizar los grupos de canales no solapados permite evitar interferencias en celdas adyacentes (Beltrán, 2009). 1.2.3 IEEE 802.11a Este estándar fue ratificado en el año 1999, pero no es hasta diciembre del 2001 que se introduce en el mercado internacional. Las frecuencias de trabajo se ubican en la banda de 5 GHz, lo que le otorga una menor probabilidad de interferencia aunque condiciona las instalaciones a disponer de línea de vista y disminuye su alcance debido a que sus ondas se atenúan fácilmente. Se utiliza la técnica OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sobre ocho canales no solapados, equivalentes a ocho puntos de acceso, con una velocidad de hasta 54 Mbps. Cada símbolo lleva 216 bits de información y 72 bits de corrección de errores repartidos dentro de las 48 subportadoras de datos disponibles (Prasad and Prasad, 2008). La deficiencia y causa principal de la poca popularidad de 802.11a radica en su falta de compatibilidad con los estándares 802.11 que operan en la banda de 2.4 GHz. Para solucionar esta deficiencia comenzaron a aparecer equipos bimodos que permiten el uso de las bandas de 2.4 GHz y 5 GHz en una misma WLAN. La Wi-Fi 5 (Wi-Fi para la tecnología aplicable a la banda de 5 GHz) procede de la Wi-Fi original en la IEEE 802.11b. Esta organización se encarga de garantizar la interoperabilidad entre equipos con igual fin, que exploten esta banda del espectro. 1.2.4 IEEE 802.11g En el año 2001 es aprobada por la IEEE una nueva especificación para redes de área local inalámbricas, el estándar 802.11g. Presentado como una evolución de la norma 802.11b utiliza la banda de frecuencia de 2.4 GHz, mantiene el uso de DSSS e incorpora la técnica OFDM. La inclusión de OFDM condicionó que este estándar alcanzara altas velocidades de transmisión de hasta 54 Mbps, similar a la del estándar 802.11a..

(19) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 8. Otro aspecto importante es que permite la interoperabilidad con la norma 802.11b, limitándose a utilizar tres canales sin solapamiento de igual ancho de banda. Sin embargo, en redes bajo el estándar g la presencia de estaciones bajo la norma b reduce significativamente la velocidad de transmisión. 1.2.5 IEEE 802.11n El éxito comercial del estándar 802.11g impulsó el uso de Wi-Fi y la necesidad de ampliar las demandas sobre la tecnología. De esta forma se continuó desarrollando y en el año 2002 se comenzaron a definir algunas mejoras en el nivel PHY (Physical Layer) y la capa MAC (Medium Access Control) que formarían parte del estándar 802.11n. Al estándar 802.11n se le designó como “Mejoras para incrementar el rendimiento” (Enhancements for Higher Throughput). Sin duda 802.11n marca una verdadera revolución en el mundo de las comunicaciones, aumentando la velocidad de las redes inalámbricas de una forma considerable y acercándolas a las tasas de datos brindadas por las redes cableadas. El estándar 802.11n fue ratificado por la IEEE el 11 de septiembre de 2009, operando en las bandas de 2.4 y 5 GHz. Este estándar incorpora un ancho de banda de canal de 40 MHz, la tecnología MIMO (Multiple Input Multiple Output) y otras mejoras PHY y MAC que le permiten alcanzar una razón de datos de hasta 600 Mbps (Cartas, 2009). Nivel físico: Las tasas de datos en 802.11n son significativamente mejores que las conseguidas por 802.11a y 802.11g, fundamentalmente por el uso de MIMO y canales de 40 MHz. La capa física del estándar 802.11n se desarrolló basándose en la estructura de multiplexación por división de frecuencias ortogonales de 802.11a. La tecnología OFDM resulta adecuada para entornos con desvanecimiento ante posibles interferencias por multitrayecto, debido a que modula el conjunto de datos en las diferentes subportadoras y por tanto sólo se verían afectadas algunas subportadoras, las cuales luego pueden ser recuperadas mediante algún método de corrección de errores. En 802.11n el número de subportadoras de datos para cada canal de 20 MHz aumenta a 52, incrementando la tasa de datos máxima de 54 a 65 Mbps para una transmisión de radio. Se permite la utilización de hasta ocho tasas de transmisión distintas y cuatro transmisores, por lo que se tendrán hasta 32 tasas de datos disponibles (IEEE, 2009)..

(20) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 9. En 802.11n se logran velocidades de hasta 600 Mbps a través de la técnica MIMO. En los sistemas MIMO tanto el transmisor como el receptor emplean múltiples antenas para la transmisión y recepción de los datos. Este sistema aprovecha fenómenos físicos en la transmisión como la propagación multitrayecto para incrementar la tasa de transmisión. Además de la introducción de la tecnología MIMO, el nuevo estándar IEEE 802.11n añade una mejora más significativa a nivel de radio para alcanzar velocidades de transmisión elevadas, el incremento del ancho de banda de canal a 40 MHz. Dado que 802.11a y 802.11g utilizan el mismo ancho de banda de canal de 20 MHz, se aprovecha una técnica llamada canal envolvente (channel bounding) para conseguir utilizar dos canales a la vez, obteniendo un único canal de 40 MHz y velocidades de hasta 108 Mbps (IEEE, 2009). Cuando se utiliza el canal de 40 MHz, se aprovecha que cada canal de 20 MHz tiene reservados algunas frecuencias al inicio y fin del canal (para evitar interferencias entre canales adyacentes) con el objetivo de utilizarlas para llevar información, aumentando considerablemente la razón de datos. Además de estas mejoras, también se incluyen mejoras opcionales que incluyen el uso de un intervalo de guarda más pequeño, el cual puede ser utilizado bajo ciertas condiciones de canal y un nuevo formato de preámbulo sin los campos comunes llamado preámbulo Greenfield. Capa MAC del nivel de enlace de datos: Las modificaciones MAC descritas en el nuevo estándar estuvieron basadas en mejorar algunas características introducidas por primera vez en 802.11e. Una de las mejoras fue la de reducir el intervalo entre tramas para las transmisiones que utilizaban el mecanismo Block Ack (mecanismo que permite la transmisión de un conjunto de tramas de datos que son confirmadas con un único bloque de confirmación), ya que el SIFS (Short Interframe Space) no era necesario para que el receptor pudiera reensamblar la señal recibida. Con el fin de reducir el overhead asociado con el preámbulo y los campos de la trama MAC, 802.11n introduce la agregación de paquetes permitiendo que varios paquetes de datos puedan ser transmitidos utilizando solamente una cabecera. También, se incluyen el.

(21) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 10. protocolo de dirección inversa que proporciona una mejora de rendimiento bajo ciertos tipos de tráfico y la utilización de un espacio entre tramas más pequeño: RIFS (Reduced Interframe Space). Robustez: Esta mejora se consigue mediante el incremento de la diversidad espacial dado por la utilización de múltiples antenas. Otras opciones que brindan robustez son el uso de la codificación STBC (Space Time Block Coding) y el código de canal LDPC (Low Density Parity Check Coding). Debido al gran crecimiento de la utilización de dispositivos móviles, se introduce una nueva técnica de acceso al canal llamado PSMP (Power Save Multi Poll), la cual permite soportar eficientemente un mayor número de estaciones. 1.3. Surgimiento y desarrollo del estándar 802.11ac. En el año 2007 el proyecto del estándar 802.11n ya estaba en marcha, en mayo de ese año, el Grupo de Trabajo 802.11 creó el grupo de estudio VHT (Very High Throughput) lanzando un proyecto para crear una red aún más rápida (Gast, 2013). El grupo de estudio VHT recomendó formar dos grupos de trabajo para la red gigabyte: TGAC (Task Group AC) y TGAD (Task Group AD), la distinción entre los dos. grupos es la banda de. frecuencia en que operan (5 GHz y 60 GHz respectivamente). TGAC fue autorizado a construir un estándar con el siguiente alcance (Gast, 2013): 1. Rendimiento para un enlace simple de al menos 500 Mbps. 2. Rendimiento para múltiples enlaces de al menos 1 Gbps. 3. Exclusión de la banda de 2.4 GHz. 4. Coexistencia y compatibilidad con dispositivos 802.11 que operan en la banda de 5 GHz..

(22) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 11. Una vez que el TGAC fue autorizado en septiembre de 2008, comenzó a trabajar para alcanzar los objetivos establecidos en su PAR (Project Authorization Request). Parte del PAR es demostrar que se cumplen los cinco criterios clave (Gast, 2013). Ellos son: 1. Amplio potencial de mercado. 2. Compatibilidad. 3. Identidad distintiva. 4. Viabilidad técnica. 5. Viabilidad económica. Los productos 802.11ac disponibles son la culminación de esfuerzos de la IEEE y Wi-Fi Alliance, la Figura 1.1 muestra la línea de tiempo de la estandarización y certificación de 802.11ac.. Figura 1.1. Línea de tiempo de la estandarización y certificación de 802.11ac.. IEEE 802.11ac entregó el Draft 2.0 aprobado en enero del 2012 y lanzado en febrero del mismo año, aprovecha las nuevas tecnologías para ofrecer mejoras en 802.11n. El refinado Draft 3.0 fue lanzado en mayo del 2012 y ratificado al final del 2013. En paralelo, Wi-Fi Alliance sobre el borrador del Draft 3.0 lanzó la primera ola de productos en 2013. Con 802.11n los estándares se comenzaron a complejizar y los diferentes niveles de capacidad se trataron en el mercado como "wave", ola o fase. Una vez que los detalles.

(23) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 12. técnicos básicos son resueltos puede ser mucho más fácil escribir el estándar que construir un producto. 802.11ac seguirá este camino con una estimación aproximada del contenido de las primeras dos fases como se muestra en el Anexo I, a modo de resumen (Cisco, 2012): Fase 1: Primeros productos de consumo disponibles en 2012 y productos empresariales en 2013, soportan canales de hasta 80 MHz y tres flujos espaciales para una razón máxima de datos de hasta 1.3 Gbps. Fase 2: Puesta en marcha en 2014, incorpora canales del 160 MHz y hasta ocho flujos espaciales para una razón máxima de datos de hasta 6.933 Gbps. En el Anexo II se muestran equipos 802.11ac que ya han salido al mercado. 1.4. 802.11ac una evolución de 802.11n. En el estándar 802.11n se aumentó la tasa de datos máxima a 600 Mbps. Para llegar a estas altas razones se basó en SU-MIMO (Single User-Multiple Input Multiple Output) y beamforming. Sin embargo, beamforming no se adopta por la industria ya que no se estandarizó. Además, SU-MIMO se basó en multiplexación por división de tiempo de flujos MIMO, lo que reduce el rendimiento global. En el estándar 802.11ac se superan las limitaciones anteriores y se logra un rendimiento máximo de 6,933 Gbps en 160 MHz de ancho de banda y espectro de 5 GHz, utilizando ocho flujos espaciales y modulación 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). En el estándar 802.11ac se introduce MU-MIMO (Multi Use-Multiple Input Multiple Output), que permite la transmisión simultánea de flujos MIMO para múltiples dispositivos, además, se define un método de TxBF (Transmisión Beamforming) opcional basado en realimentación explícita y gestión dinámica del ancho de banda para optimizar el uso de ancho de banda disponible. En la Tabla 1.1 se resumen algunas de las características que se utilizan en el estándar 802.11n, 802.11ac, o ambos..

(24) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 13. Tabla 1.1. Características de los estándares 802.11n y 802.11ac. Características. 802.11n. 802.11ac. MIMO. Soportado. Ancho de banda de los canales. 20 y 40 MHz. LDPC. Soportado (Opcional). Soportado (Opcional). STBC. Soportado (Opcional). Soportado (Opcional). TxBF con realimentación implícita. Soportado (Opcional). No Soportado. TxBF con realimentación explícita. Soportado (Opcional). Soportado (Opcional). Intervalo de guarda corto. Soportado (Opcional). Soportado (Opcional). MU-MIMO Flujos espaciales. ─. Soportado 20, 40 y 80 MHz (Obligatorio) 80+80 y 160 MHz (Opcional). Opcional. 1-4 (2 SS por AP). 1-8 (>1SS opcional). BPSK, QPSK,. BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. 16-QAM, 64-QAM. 256-QAM (Opcional). UEQM. Soportado. No Soportado. Banda de frecuencia. 2.4 y 5 GHz. 5 GHz. Modulación. Preámbulo greenfield RIFS Agregación (A-MSDU y A-MPDU) Tamaño máximo de A-MPDU. Soportado (Opcional). No soportado. Soportado. No soportado. Soportado. Soportado. 65 535 octetos. 1 048 575 octetos. El estándar 802.11ac comparte muchas características con el estándar 802.11n: LDPC se utiliza para aumentar la ganancia de codificación; la tecnología STBC se puede utilizar para la diversidad del transmisor; otras características como el intervalo de guarda corto (short GI) proporcionan mejoras del rendimiento. Además, se propone un mecanismo RTS/CTS.

(25) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 14. (Request To Send/Clear To Send) obligatorio para la reserva de ancho de banda tanto estático como dinámico (IEEE, 2013). 1.5. Rasgos distintivos de la tecnología 802.11ac. El estándar 802.11ac es una evolución de 802.11n. Muchas de las técnicas utilizadas para aumentar la velocidad en 802.11ac se implementan después de la introducción de MIMO. Se desarrollaron modificaciones sustanciales en el nivel PHY. En la capa MAC los cambios propuestos en su mayor parte son necesarios para garantizar la compatibilidad con el nivel PHY modificado. La razón de datos del estándar 802.11ac depende del número de flujos espaciales, uso de MU-MIMO, ancho de banda de los canales, el número de antenas transmisoras y el tipo de modulación. La Tabla 1.2 expone las diferencias entre los estándares 802.11n y 802.11ac. Tabla 1.2. Diferencias entre los estándares 802.11n y 802.11ac. 802.11n. 802.11ac. Soporta canales de 20 y 40 MHz. Soporta además canales de 80 y 160 MHz. Opera en las bandas de 2.4 y 5 GHZ. Opera solo en la banda de 5 GHz. Soporta BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Soporta además 256- QAM. Soporta muchos tipos de beamforming. Soporta solo beamforming explícito. Soporta hasta 4 flujos espaciales. Soporta hasta 8 flujos espaciales en cada AP y hasta 4 en los dispositivos del cliente. Soporta solo SU-MIMO. Soporta además MU-MIMO. Incluye modificaciones significativas en la capa MAC (A-MDSU, A-MPDU). Soporta modificaciones MAC similares, que se extienden para lograr altas razones de dato. Las principales diferencias son: . Canales con mayor ancho de banda. Al igual que en el estándar 802.11n, canales más anchos aumentan la velocidad. En el estándar 802.11ac se introducen dos nuevos tamaños de canal: 80 MHz y 160 MHz, además de los canales de 20 MHz y 40 MHz especificados en el estándar 802.11n..

(26) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 15. El estándar 802.11ac requiere que todos los dispositivos soporten canales con anchos de banda de 20, 40 y 80 MHz en la banda de 5 GHz y opcionalmente canales de 160 MHz. . Modulación hasta 256-QAM. Al igual que modificaciones previas del estándar 802.11, en 802.11ac se transmiten una serie de símbolos, cada uno representa un patrón de bits. La constelación de más alto orden en redes de área local inalámbrica ha sido 64-QAM desde la adopción del estándar 802.11a, los dispositivos inalámbricos transmitían hasta seis bits en un período de símbolo. Gracias al desarrollo actual de las tecnologías de RF fue posible alcanzar razones de datos superiores y mayor eficiencia espectral en 802.11ac mediante la modulación 256-QAM. Usando una modulación más compleja que soporta más bits de datos es posible enviar ocho bits por período de símbolo. La máxima tasa de codificación de 5/6 permanece igual que en 802.11n. . Aplicación de técnicas MU- MIMO de mayor orden. Una de las principales técnicas utilizadas por el estándar 802.11ac para aumentar el rendimiento es la extensión de un sistema MIMO que es compatible con cuatro flujos espaciales a uno que soporta ocho. Esta característica duplica el rendimiento con respecto a 802.11n. MU-MIMO representa el máximo potencial de 802.11ac, antes del estándar 802.11ac, todos los estándares 802.11 eran SU-MIMO: cada transmisión era enviada a un solo destino. La mayoría de las redes inalámbricas tienen múltiples clientes activos que comparten el ancho de banda disponible. Si este uso compartido se hace al mismo tiempo, el rendimiento específico de cada cliente puede mejorar aumentando la tasa del enlace. Muchos clientes no pueden transmitir a las razones más altas de 802.11ac porque sólo tienen una o dos antenas. Para tales clientes, MU-MIMO es la solución para alcanzar un buen rendimiento de red. Un transmisor MU-MIMO es capaz de transmitir múltiples paquetes simultáneamente a múltiples clientes. Uno de los retos para lanzar exitosamente productos MU-MIMO es hacer la adaptación del enlace en un ambiente con número de usuarios variable y conmutación entre paquetes SUMIMO y MU-MIMO. Otro reto es cómo ocuparse de las variaciones de tiempo en el canal.

(27) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 16. porque MU-MIMO requiere conocimiento preciso del canal para minimizar la interferencia entre usuarios. . Beamforming. Una de las técnicas que puede presentar un sistema de comunicación, donde se utilicen múltiples antenas tanto en el transmisor como en el receptor es la transmisión beamforming, consiste en enviar diversas señales de radio desfasadas desde múltiples antenas que luego son añadidas en una única señal por el receptor. En el estándar 802.11ac se simplifica radicalmente el uso de beamforming, que fue introducido en 802.11 n, pero no se promulgó para la certificación, lo que condujo a la falta de interoperabilidad entre diferentes fabricantes. El borrador del estándar 802.11ac especifica un único método de TxBF con realimentación explícita para MU-MIMO y SU-MIMO. 1.6. Bandas de frecuencia para redes WLAN. Las bandas ISM (Industrial, Science and Medical) son parte del espectro radioeléctrico que se puede usar sin licencia. Varían de un país a otro, ubicándose en las bandas de 902-928 MHZ, 2400-2484 MHz y 5725-5850 MHz (Ahmad, 2008). En 1985 la FCC (Federal Communications Commission) aprobó el uso de las bandas ISM para WLANs y comunicaciones móviles. Es importante mencionar que la operación sin licencia significa que los dispositivos no deben causar interferencia perjudicial a otros usuarios y que deben aceptar cualquier interferencia recibida. Este problema pudo reducirse con el desarrollo de las tecnologías inalámbricas que operan en la banda de los 5 GHz. En 1997 la FCC adiciona bandas en el espectro de los 5 GHz llamadas bandas U-NII (Unlicensed-National Information Infrastructure), así, estándares como el IEEE 802.11a fueron adoptados con preferencia y como una mejor alternativa a la ya saturada banda de los 2.4 GHz. Sin embargo, esta norma opera en un rango de frecuencia ocupado por los sistemas de radar del gobierno de los Estados Unidos lo que limita la calidad que puede garantizar. 1.6.1 Bandas de frecuencia disponibles en los 5 GHz Internacionalmente se dispone de bandas de frecuencia en los 5 GHz para los servicios WLAN, las cuales se especifican para determinadas zonas geográficas. Cada país adopta,.

(28) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 17. según sus necesidades y particularidades, límites diferentes dentro de esta banda espectral; con especificaciones estipuladas por sus respectivas organizaciones, encargadas de la asignación y el control de la frecuencia en cada región. La banda de los 5 GHz está compuesta por cuatro bandas de frecuencia: 5150 - 5250 MHz, 5250 - 5350 MHz, 5470 - 5725 MHz y 5725 - 5850 MHz (Prasad and Prasad, 2008). El Anexo III es un resumen general de las bandas de frecuencia disponibles dentro de los 5 GHz para los servicios WLAN en diferentes regiones. En la Figura 1.2 se muestran las bandas U-NII que Wi-Fi usa en EE.UU. La banda U-NII 1 está restringida a operaciones de interiores, las bandas U-NII 2 y U-NII 2e (extended) son para operaciones de interiores y exteriores, y la banda U-NII 3/ISM es para WLANs interiores y enlaces por medio de puentes (Prasad and Prasad, 2008).. Figura 1.2. Bandas de frecuencia disponibles dentro de los 5 GHz en EE.UU..

(29) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 18. Toda canalización se basa en los canales de 20 MHz usados en los estándares 802.11 anteriores y se usa el mismo esquema de numeración de canales. La banda desde el canal 36 (frecuencia central 5180 MHz) al canal 48 (frecuencia central 5240 MHz) es conocida como U-NII 1, mientras del canal 52 (frecuencia central 5260 MHz) al 64 (frecuencia central 5320 MHz) comprenden la banda U-NII 2. Ambos están disponibles para Wi-Fi y se destinó para dos canales de 80 MHz o un solo canal de 160 MHz. Las bandas U-NII 1 y 2 tienen diferentes reglas de la FCC para las antenas y la potencia de transmisión. La banda del canal 100 (frecuencia central 5500 MHz) al canal 144 (frecuencia central 5720 MHz), conocida como U-NII 2 extended o U-NII-2 Worldwide, es un poco más ancha, el canal 144 se agregó para 802.11ac, así se completan en esta banda tres canales de 80 MHz o un canal continuo de 160 MHz (Gast, 2013). La banda U-NII 3, del canal 149 (frecuencia central 5745 MHz) al canal 165 (frecuencia central 5825 MHz) permite un canal de 80 MHz pero ningún canal contiguo de 160 MHz. En general hay un máximo de seis canales de 80 MHz permitidos por el cuerpo regulador. Hay sólo dos canales de 160 MHz contiguos. Por lo difícil de encontrar 160 MHz de espectro contiguo, 802.11ac permite usar dos canales de 80 MHz no contiguos como un canal de 160 MHz (80 + 80 MHz), que se forman con cualquier par de canales no adyacentes de 80 MHz. Por ejemplo, del canal 36 al 48 y del canal 116 al 128 comprenden un canal viable de 160 MHz no contiguo o también llamado 80 + 80 MHz. El uso de la banda de 5 GHz ha aumentado significativamente la cantidad de ancho de banda disponible para conexiones inalámbricas. Sin embargo esta banda es en última instancia un recurso limitado, y la competencia cada vez mayor por la cuota de ancho de banda será una realidad para cualquier sistema 802.11 que opere en la misma. Al considerar canales en la banda de 5 GHz, hay dos restricciones prácticas. Una gran parte de la banda está al amparo de las regulaciones para evitar interferencia con los usuarios de mayor prioridad que utilizan esta banda de frecuencia, principalmente los radares militares y climatológicos. La respuesta de la industria para estos requisitos fue 802.11h, incluyendo las técnicas DFS (Dynamic Frequency Selection) y TPC (Transmit Power Control). Las técnicas de TPC normalmente no son requeridas en los niveles de potencia usados por Wi-Fi, pero los equipos usados en los canales del 52 al 64 y del 100 al 144 (5250 a 5725.

(30) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 19. MHz) deben estar certificados para utilizar DFS. Una WLAN que no soporte dispositivos DFS no podrá usar estos canales, por ello la Wi-Fi Alliance trabaja para disminuir el número de dispositivos no compatibles con DFS en la banda de 5 GHZ. Después de algunos incidentes donde los enlaces Wi-Fi punto a punto exteriores fueron considerados interferentes para los radares del clima, la FCC y otros reguladores nacionales pusieron estrictas reglas y colocaron una moratoria temporal en la banda de 5600 a 5650 MHz por lo que no está actualmente disponible, incluso para equipos DFS. En la Tabla 1.3 se muestra un resumen de las reglas y restricciones de la banda de 5 GHz. Tabla 1.3. Reglas y restricciones en la banda de 5 GHz. DFS y TPC. Frecuencia (MHz). Canales (20 MHz). U-NII 1. 5150-5250. 36-48. 23. U-NII 2. 5250-5350. 52-64. 30. si. 5470-5580. 100-116. 30. si. 5600-5640. 120-128. 30. si. 5660-5720. 132-144. 30. si. U-NII 3. 5745-5805. 149-161. 36. ISM. 5825. 165. U-NII 2e. 1.7. Máxima EIRP Tx (dBm). Bandas FCC. Radar. si. Interoperabilidad. La compatibilidad con estándares anteriores fue una consideración crucial en el proceso de desarrollo del estándar 802.11ac y hubo un trabajo extensivo para asegurar que los dispositivos 802.11ac fueran compatibles con otros dispositivos WLAN. Además de la compatibilidad de capa física, 802.11ac tiene compatibilidad extensiva con la capa MAC, que le permite a dispositivos 802.11ac funcionar estando rodeado por dispositivos de normas anteriores. Los dispositivos que implementen el estándar 802.11ac tienen que ser completamente compatibles con los dispositivos bajo los estándares 802.11n y 802.11a. Un dispositivo 802.11ac debe soportar todas las características obligatorias de los estándares 802.11a y 802.11n. Así un AP (Access Point) 802.11ac puede comunicarse con clientes 802.11a y.

(31) CAPÍTULO 1. ESTADO Y DESSARROLLO DE LAS REDES WLAN. 20. 802.11n usando formato de paquetes 802.11a o 802.11n, según corresponda. De modo semejante, un cliente 802.11ac puede comunicarse con un AP 802.11a o 802.11n. La coexistencia de dispositivos 802.11ac con dispositivos 802.11a/n es asegurada con la implementación de un preámbulo compatible..

(32) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. CAPÍTULO 2.. 21. NIVEL FÍSICO. La principal característica de las redes inalámbricas de próxima generación es el incremento de la velocidad de transmisión. Como no es posible aumentar la potencia de transmisión por encima de los valores actuales, las investigaciones para elevar la velocidad se han centrado en desarrollar nuevos sistemas de modulación, detección y antenas que permitan transmitir y recibir con mayor eficiencia. El estándar 802.11ac extiende las modificaciones introducidas en 802.11n para aumentar la velocidad en el nivel PHY, este incremento proviene fundamentalmente de un mayor número de flujos de datos, técnicas MU-MIMO, canales de mayor ancho de banda y un mayor orden de modulación. 2.1. OFDM. OFDM es una técnica de modulación que utiliza múltiples portadoras ortogonales, cada una modulada en amplitud y fase para la transmisión de datos (Andrews, 2007). La técnica de modulación de múltiples portadoras mostrada en la Figura 2.1 divide un flujo de alta tasa de transferencia de datos en varios flujos paralelos de tasas de transferencia menores para después modular cada uno en una subportadora. Esto evita la interferencia entre subportadoras pero conlleva a un uso ineficiente del espectro, por lo que se usa el criterio de ortogonalidad entre las subportadoras. Para ello se implementó un sistema de datos paralelos multiplexados en frecuencia utilizando subportadoras solapadas, donde la ortogonalidad evita que las subportadoras interfirieran entre ellas. Para alcanzar dicha ortogonalidad en la señal OFDM se emplea un espaciamiento específico entre subportadoras, donde la separación entre subportadoras consecutivas sea siempre la misma e igual al inverso del período del símbolo. Manteniendo ese espaciamiento, a la hora de.

(33) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 22. demodular la señal, se recuperará la información almacenada en las subportadoras sin contratiempos (Prasad and Prasad, 2008).. Figura 2.1. OFDM divide el canal en un gran número bandas delgadas de frecuencia.. Una señal OFDM es representada a través de las Series de Fourier donde la señal se analiza como un grupo de componentes con frecuencias ortogonales una de la otra. El análisis inverso de Fourier es usado en un transmisor OFDM y el análisis directo de Fourier en el aparato receptor. La limitación de los análisis de Fourier y Fourier inverso se debe a que habría idealmente un número infinito de portadoras a la entrada o la salida. En cuanto a la modulación de las subportadoras en un múltiplex OFDM, cada una de ellas se modula con una información diferente, aunque por facilidad de implementación, el sistema de modulación suele ser el mismo para todas ellas, como QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) o QAM (Prassad and Nee, 2000). 2.1.1. OFDM vs interferencia multitrayecto. Una de las razones para la implementación de OFDM es la manera eficiente de tratar la dispersión de retardo ocasionada por la interferencia multitrayecto. El hecho de dividir el flujo de entrada en N subportadoras hace que la duración del símbolo sea N veces más pequeña, lo que también reduce la dispersión de retardo multitrayecto relativo a la duración del símbolo por el mismo factor. Para disminuir los efectos de la interferencia por propagación multitrayecto se introduce un intervalo de guarda extendido cíclicamente para cada símbolo OFDM. Este tiempo de guarda es elegido superior a la mayor dispersión de retardo esperada para que las componentes multitrayecto de un símbolo no interfieran con el siguiente símbolo, mientras que la extensión cíclica evita la interferencia entre subportadoras (Prassad and Nee, 2000)..

(34) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 23. El hecho de que la señal OFDM se trasmita en un canal con desvanecimiento multitrayecto hace que las subportadoras, a pesar de llegar ortogonales al receptor, lleguen con diferentes amplitudes, e incluso se pierdan, lo que determinará la razón de error de bit. La codificación y entrelazado se usan para corregir los errores en las subportadoras afectadas por desvanecimiento y evitar ráfagas de errores cuando se pierdan subportadoras adyacentes debido a un gran desvanecimiento en la señal (Prassad and Nee, 2000). 2.1.2. Sincronización y detección. Para demodular correctamente las señales OFDM, el receptor debe muestrearlas durante el período útil del símbolo, no durante el intervalo de guarda. En consecuencia, la ventana de tiempo debe situarse con precisión en el instante en que se presenta cada símbolo. Un sistema OFDM resuelve este problema utilizando subportadoras piloto distribuidas de forma regular en el canal de transmisión y que actúan como marcadores de sincronismo (Andrews, 2007). Como la información en la señal piloto es conocida, en el receptor es posible realizar una estimación de la respuesta en frecuencia del canal. La estimación así obtenida para una subportadora piloto puede interpolarse para llenar los huecos que separan a las subportadoras piloto y emplearse para ecualizar todas las constelaciones que transportan datos. 2.2. Radiocanal en 802.11ac. En el estándar 802.11ac el canal se divide en subportadoras espaciadas a 312,5 kHz. Cada subportadora OFDM se utiliza como una transmisión independiente. Las subportadoras piloto no transportan datos de usuarios; están distribuidas a lo largo del radiocanal para hacer una buena estimación del mismo, usándose como referencia para las correcciones de fase y cambio de frecuencia de los símbolos durante la transmisión. Las subportadoras en la mitad del ancho de banda son nulas para reducir los problemas en circuitos analógicos de banda base, y las subportadoras en los extremos del ancho de banda son nulas para evitar interferencias con los canales adyacentes (Rohde and Schwarz, 2012). 2.2.1 Diseño de los canales La Figura 2.2 muestra el diseño de los canales en términos de sus datos OFDM y portadoras piloto definidas en 802.11ac, junto con los formatos de canal de 802.11a/g y.

(35) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 24. 802.11n para la comparación. En la figura, cada línea horizontal representa la disposición de las subportadoras OFDM en un tipo de canal, que van desde los canales de 20 MHz, hasta el canal más ancho que emplea 802.11ac. Las portadoras piloto se representan por las caídas hacia abajo en la línea para mostrar que no llevan datos (Gast, 2013).. Figura 2.2. Diseño de los canales.. En la Tabla 2.1 se identifica el número de subportadoras piloto y de datos, en dependencia del ancho de banda usado. Cada subportadora tiene idéntica capacidad para llevar datos, por lo que un mayor número es mejor. Como se muestra en la tabla, las portadoras piloto representan una sobrecarga para el canal pero al incrementar el ancho de banda del mismo la fracción que se dedica a las subportadoras piloto decrece. Como consecuencia el canal es más eficiente al aumentar el ancho de banda. La columna final describe el troughput relativo a la capacidad de dos formas de canal de 20 MHz: 802.11a/g y 802.11n/ac. Tabla 2.1. Descripción de los atributos de los canales.. Estándar. Rango de subportadoras. Subportadoras piloto. Subportadoras de dato. Capacidad relativa a 802.11a/g y n/ac (20 MHz). 802.11a/g (20 MHz). -26 a -1, +1 a +26. ±7, ±21. 48 (8 % piloto). x 1.0 / -. 802.11n/ac (20 MHz). -28 a -1, +1 a +28. ±7, ±21. 52 (7 % piloto). x 1.1 / x 1.0. 802.11n/ac (40 MHz). -58 a -2, +2 a +58. ±11, ±25, ±53. 108 (5 % piloto). x 2.3 / x 2.1. 802.11ac (80 MHz). -122 a -2, +2 a +122. ±11, ±39, ±75, ±103. 234 (3 % piloto). x 4.9 / x 4.5. 802.11ac (160 MHz). -250 a -130, -126 a -6 +6 a +126, +130 a +250. ±25, ±53, ±89, ±117, ±139, ±167, ±203, ±231. 468 (3 % piloto). x 9.75 / x 9.0.

(36) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 25. 2.2.2 Máscara espectral del radiocanal Los canales de 802.11ac tienen exactamente la misma forma que los canales OFDM anteriores, sólo difieren en la energía transmitida. La Figura 2.3 muestra la forma general de un canal 802.11ac, que se describe como decibeles relativos (dBr) al nivel pico en la frecuencia central del canal. La figura no etiqueta las frecuencias precisas utilizadas porque la máscara espectral tiene la misma forma sin importar el tamaño de canal utilizado. La Tabla 2.2 describe los puntos claves en la máscara espectral (Gast, 2013). Tabla 2.2. Forma de la Máscara Espectral. Ancho de banda del canal. A (MHz). B (MHz). C (MHz). D (MHz). 20 MHz. 9. 11. 20. 30. 40 MHz. 19. 21. 40. 60. 80 MHz. 39. 41. 80. 120. 160 MHz. 79. 81. 160. 240. Figura 2.3. Máscara espectral para 20, 40, 80 y 160 MHz.. 2.2.3 Canalización Para soportar mayores anchos de banda de canal 802.11ac define su canalización para canales de 20, 40, 80, y opcionalmente 160 MHz. En la Figura 2.4 se muestra la asignación de canales para el caso de EE.UU. En la parte superior de la figura se identifica la banda de frecuencia y los números de canal dentro de esa banda. Los números de los canales dentro de cada banda incrementan de cuatro en cuatro, una de las frecuencias es denominada como.

(37) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 26. canal primario las otras frecuencias son canales secundarios. Los canales primarios y secundarios son importantes para la coexistencia de ancho de banda y serán discutidos en el capítulo 3.. Figura 2.4. Canalización para 20/40/80/160 MHz en EE.UU.. En EE.UU. la banda de 5 GHz cuenta con 25 canales de 20 MHz que no se superponen, los canales adyacentes de 20 MHz son agrupados en pares para formar canales de 40 MHz, canales adyacentes de 40 MHz son agrupados en pares para formar canales de 80 MHz y canales adyacentes de 80 MHz y no adyacentes (80 + 80 MHz) son agrupados en pares para formar opcionalmente canales de 160 MHz. La existencia de canales de 80 + 80 MHz aumenta la probabilidad de encontrar un canal de 160 MHz a costo de hardware adicional para enviar y recibir en dos canales de 80 MHz no adyacentes. 2.3. MIMO. MIMO es una tecnología referida a enlaces de radio que usan múltiples antenas tanto en el lado del transmisor como en el del receptor, con la finalidad de lograr un mejor rendimiento en la transferencia de datos de forma inalámbrica. Esta tecnología ofrece la posibilidad de resolver la información proveniente de señales multitrayecto de forma coherente mediante antenas receptoras separadas espacialmente. Generalmente la señal multitrayecto es considerada como interferencia, sin embargo las técnicas MIMO utilizan en su beneficio este fenómeno para mejorar la calidad y capacidad del enlace. De forma más específica, esta mejora del enlace viene dada por la ganancia del arreglo de antenas, la ganancia por diversidad, la ganancia por multiplexación y cancelación de interferencia (Zhang, 2006). En general hay dos categorías importantes en los sistemas MIMO: De lazo abierto: Donde el transmisor no tiene la información de estado del canal y envía los datos directamente hacia el receptor sin recibir ningún tipo de información por parte del.

(38) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 27. mismo. Esta categoría es capaz de manejar comunicaciones con receptores en movimiento y mantener la simplicidad en los circuitos pero es poco eficiente en el uso de los recursos del enlace (Ramírez et al., 2009). De lazo cerrado: El transmisor conoce de forma completa o parcial la información de estado del canal para adaptar la transmisión y mejorar el comportamiento del enlace. Esta información se conoce mediante el envío por parte del transmisor de señales de “entrenamiento” al receptor quien las recibe y analiza. Luego la información sobre la ruta es enviada al transmisor que selecciona la potencia y el esquema que mejor se acomoda a esa ruta. Esta categoría mejora la eficiencia de los recursos del enlace, pero se hacen más complejos los circuitos para su implementación (Ramírez et al., 2009). En un sistema MIMO cada equipo transmisor y receptor tiene asociado un número de antenas M y N respectivamente como se muestra en la Figura 2.5.. Figura 2.5. Sistema MIMO.. Desde el punto de vista de la propagación, el canal de radio no es único ya que existe un canal entre cada antena transmisora y receptora, lo que obliga a representar la propagación mediante una matriz de transmisión H. En esta matriz el elemento hij representa la función de transferencia compleja entre la antena transmisora j y la antena receptora i. Desde el punto de vista matemático un sistema de antenas MIMO se representa según: 𝑦 = 𝐻𝑥 + 𝑛. (2.1). Donde y representa el vector de las señales recibidas, x el vector de señales transmitidas y n es el vector de ruido Gaussiano introducido por el medio (Kühn, 2006). Para un sistema MIMO con M antenas transmisoras y N antenas receptoras, el canal se describe por la matriz de canal:.

(39) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. ℎ11 𝐻 = [ ℎ21 ℎ𝑁1. ℎ12 … ℎ1𝑀 ℎ22 … ⋮ ] ⋮ ℎ𝑁𝑀. 28. (2.2). La matriz H es el medio fundamental para describir el canal de transmisión MIMO, contiene los coeficientes de canal vinculados a los diferentes pares de antenas transmisoras y receptoras. 2.3.1 Evolución de MIMO MIMO fue introducido a los estándares IEEE 802.11 con la versión 802.11n. El estándar 802.11n es compatible con un máximo de cuatro flujos MIMO que sirven a un único usuario a la vez, técnica conocida como SU-MIMO con multiplexación espacial de hasta cuatro flujos espaciales. En contraste, 802.11ac introduce MU-MIMO para servir a múltiples estaciones simultáneamente y permite hasta ocho flujos para SU-MIMO. El estándar emplea SU-MIMO para el enlace ascendente y el enlace descendente, pero sólo el enlace descendente soporta MU-MIMO. 2.3.2 SU-MIMO SU-MIMO explota la presencia de múltiples antenas de transmisión y recepción para mejorar la capacidad y la fiabilidad de una transmisión. Mediante el uso de códigos espacio tiempo, un sistema SU-MIMO proporciona diversidad espacial, aumentando así la fiabilidad. Por otro lado, mediante la combinación de diferentes flujos provee ganancias de multiplexación, aumentando así la capacidad del enlace (Gesbert et al., 2009). Este esquema se representa en la Figura 2.6 (a), observe que una estación de múltiples antenas se comunica con un solo usuario a la vez. 2.3.3 MU-MIMO El concepto de MIMO multiusuarios se refiere a un escenario donde dispositivos de múltiples antenas se están comunicando en un mismo intervalo de tiempo y a la misma frecuencia. En la Figura 2.6 (b) se ilustra la idea básica de MU-MIMO. Observe que el AP puede servir a usuarios de simple o múltiples antenas simultáneamente. Idealmente, el número de flujos de datos habilitados simultáneamente por enlace MU-MIMO es sólo limitado por el número mínimo de antenas en cualquiera de los dos lados ya sea en el AP o en el receptor. Por ejemplo, en la Figura 2.6 (b) aunque hay cinco posibles antenas.

(40) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 29. receptoras distribuidas entre los tres usuarios diferentes, el AP tiene sólo cuatro antenas para la transmisión. El enlace MU-MIMO establece que un AP no puede servir a más de cuatro estaciones a la vez, ni servir más de cuatro flujos espaciales por cliente. Además apoya diferentes modulaciones y razones de codificación para cada estación.. Figura 2.6. Diferentes conceptos MIMO: (a) SU-MIMO (b) MU-MIMO.. Un inconveniente de MU-MIMO es que el tiempo que el medio está ocupado se determina por el enlace más lento entre el AP y cada estación. Demasiada diferencia en la cantidad de datos que va a cada estación o su rendimiento, puede conducir a un uso ineficiente del medio. Esto se discute con más detalle mediante un ejemplo del capítulo 3. Una estación transmisora MU-MIMO requiere el conocimiento del CSI (Channel State Information) de todos los usuarios con el fin de disminuir la interferencia entre usuarios generada por transmisiones simultáneas. Para lograr esto, se usa una combinación de estrategias como la realimentación, donde la estación transmisora obtiene una medida del CSI, y la precodificación de datos donde se usa esa información para llevar a cabo la cancelación de interferencia entre usuarios en el lado del transmisor. 2.3.4 Técnicas MIMO Las altas velocidades de transmisión de los sistemas MIMO dependen de diversos factores que pueden mejorar los esquemas de transmisión o la fiabilidad del enlace. Uno de los grandes atractivos de la tecnología MIMO es ofrecer un incremento en la capacidad del enlace sin incrementar la potencia de transmisión o el ancho de banda, solo aumentando el número de antenas (Guizani and Chen, 2006). El principio que opera detrás de este aumento de capacidad se denomina multiplexación espacial y se basa en la utilización del concepto de división espacial. Si las diferentes trayectorias multitrayecto están suficientemente decorrelacionada, con M antenas en el transmisor y M en el receptor.

(41) CAPÍTULO 2. NIVEL FÍSICO. 30. se pueden establecer M canales de comunicación independientes, solo se requiere que exista un adecuado espaciamiento entre las antenas transmisoras y receptoras. Utilizando este tipo de multiplexación, un sistema MIMO puede trasmitir y recibir flujos de datos paralelos e independientes a través de las múltiples antenas ubicadas en ambos terminales, incrementándose la razón de datos y la eficiencia espectral del enlace (Haykin and Moher, 2005). Una técnica utilizada para contrarrestar el fenómeno de la interferencia multitrayecto mejorando la calidad de la señal recibida es la diversidad. La diversidad espacial se logra transmitiendo una señal sobre múltiples trayectorias independientes del desvanecimiento, creadas por la utilización de múltiples antenas. Utilizando este fenómeno se puede incrementar la calidad del enlace ya que la diversidad espacial permite incrementar la SNR (Signal to Noise Ratios) en el receptor, disminuir la probabilidad de error de bit y combatir el desvanecimiento. Esto permite el uso de velocidades de transmisión más altas a través de esquemas de codificación superiores, aumentar el alcance o reducir la potencia transmitida. Para un sistema MIMO que presente M antenas transmisoras y N antenas receptoras la ganancia máxima por diversidad está dada por el total de trayectos independientes de la señal entre el transmisor y el receptor o sea M×N (Sklar, 1988). Mientras mayor sea la ganancia por diversidad mejor será la calidad del enlace. Al implementar la tecnología MIMO sería lógico intentar explotar simultáneamente las mejoras que otorgan al enlace la diversidad y la multiplexación espacial, sin embargo son mutuamente excluyentes. Si bien, en ambos casos, el uso de varias antenas tanto en el transmisor como en el receptor proporciona una serie de canales efectivos en paralelo, cuando el objetivo es diversidad se usan los canales para transmitir con redundancia y en multiplexación se usan para transmitir información diferente. 2.4. Transmisión beamforming. En la Figura 2.7 se muestra un sistema de transmisión Beamforming, esta técnica consiste en la formación de una onda de señal reforzada mediante el desfasaje en distintas antenas. Debido a que cada señal es enviada desde una distancia diferente, es probable que cada una de ellas llegue al receptor con una determinada fase. Esta diferencia de fase afecta la potencia total de la señal en el receptor pero, ajustando adecuadamente la fase de cada señal.