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TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN:
Hernández Valadez Josué Iván
Ramírez Chavarría Daniel
Asesores:
M. en C. José Ernesto Rojas Lima
M. en C. Jaime Pedro Abarca Reyna
AGRADECIMIENTOS
A nuestros padres y hermanos que han estado siempre con nosotros y que nos apoyan
incondicionalmente hasta en los momentos más adversos.
A nuestros compañeros y amigos por su ayuda y buenos consejos para seguir adelante.
A los profesores José Ernesto Rojas Lima y Jaime Pedro Abarca Reyna, ya que sin su apoyo y
enseñanzas este proyecto no se hubiera llevado a cabo.
OBJETIVOS
• Conocer la estructura y las características de las capas Física y de Control de Acceso al Medio definidas en el estándar 802.16-2004 para identificar la forma en que se
transmite la información y los medios que utiliza la señal para propagarse.
• Describir los esquemas de modulación y codificación contemplados por el estándar 802.16-2004 con el objeto de observar las diferencias entre cada uno de estos y
realizar un análisis comparativo.
• Definir las distintas técnicas de adaptación al enlace que nos ayudarán a ubicar y tener el criterio para elegir (según los parámetros del sistema y las condiciones del
enlace) un esquema de modulación y codificación para un escenario dado.
• En base a las técnicas definidas, establecer un modelo de simulación para describir y evaluar el desempeño del sistema.
CONTENIDO
Agradecimientos ii
Objetivos iii
Contenido iv
Acrónimos y siglas vii
Introducción x
CAPÍTULO 1 – WiMAX FIJO – IEEE 802.16-2004.
1.1 Introducción a los Sistemas Inalámbricos de Banda Ancha. 1 1.1.1 Evolución de los sistemas inalámbricos de banda ancha. 1 1.1.2 WiMAX y tecnologías inalámbricas de banda ancha. 2 1.2 Capa Física (PHY: Physical) de WiMAX. 4 1.2.1 Multiplexaje por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM) y Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA). 5 1.2.1.1 Bases de OFDM. 8 1.2.1.2 Generación de subportadoras usando la Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT). 81.2.1.3 Tiempo de guarda y extensión cíclica. 11
1.2.1.4 OFDMA. 13
1.2.2 Modulación y Codificación Adaptable. 14
1.2.3 Antenas Inteligentes. 15
1.2.3.1 Antenas Avanzadas en WiMAX. 17
1.2.3.2 Formación de Rayos (Beamforming). 18
1.3 Capa de Control de Acceso al Medio (MAC). 20
1.3.1 Transmisión de Unidades de Datos de Protocolo (PDU’s). 22
1.3.2 Calidad de Servicio (QoS). 22
CAPÍTULO 2 – TÉCNICAS DE MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN DE
ACUERDO AL ESTÁNDAR IEEE 802.16-2004.
2.1 Técnicas de Modulación Digital. 252.1.1 Objetivos de la Modulación Digital 24
2.1.2 Modulación por Desplazamiento de Fase Binaria BPSK. 29
2.1.3 Modulación por Desplazamiento de Fase Cuaternaria QPSK. 30
2.1.4 Modulación de Amplitud en Cuadratura Multinivel (M-QAM). 32
2.2 Técnicas de Codificación de Canal. 35
2.2.1 Objetivos de la Codificación de Canal. 35
2.2.2 Codificación de Canal de acuerdo al estándar IEEE 802.16. 36
2.2.3 Códigos Reed-Solomon Concatenados con Códigos Convolucionales. 37 2.2.4 Códigos Turbo Convolucionales. 39
2.2.5 Codificación Turbo a Bloques. 40
CAPÍTULO 3 – TÉCNICAS DE ADAPTACIÓN AL ENLACE EN
SISTEMAS INALÁMBRICOS.
3.1 Descripción de las técnicas adaptables. 423.1.1 Técnica de tasa variable. 44
3.1.2 Técnicas de potencia variable. 44
3.1.2.1 Control de Potencia. 45
3.1.3 Técnica de probabilidad de error variable. 48
3.1.4 Técnicas de codificación variable. 48
3.1.5 Técnicas híbridas. 48
3.2 Modulación y codificación adaptables en WiMAX. 49
3.2.1 Perfiles de ráfaga. 49
3.2.2 Tasa útil normalizada. 50
3.2.3 Consideraciones generales para el desarrollo de algoritmos de adaptación al enlace. 50
3.2.4 Revisión de los algoritmos de adaptación al enlace que se han propuesto para WiMAX. 51
3.2.4.1 Algoritmo de adaptación basado en la potencia recibida. 51
3.2.4.2 Algoritmo de adaptación basado en la relación señal a interferencia (SIR). 52
3.2.4.3 Algoritmo de adaptación basado en la mejor tasa útil (throughput). 53
3.2.4.4 Algoritmo de adaptación basado en la distancia. 54
3.2.4.5 Algoritmo de adaptación basado en el retardo de paquetes TCP. 54
CAPÍTULO 4 – AMBIENTE DE SIMULACIÓN PARA LA EVALUACIÓN
DE AMC EN REDES WiMAX
4.1 Importancia de una simulación. 564.1.1 Método de simulación Monte Carlo. 58
4.2 Modelo de simulación. 58
4.2.1 Consideraciones generales. 60
4.2.2 Modelos de propagación. 62
4.2.2.1 Modelo de pérdidas para el espacio libre. 64
4.2.2.2 Modelos de pérdidas de propagación para los modelos SUI IEEE 802.16. 66
4.2.3 Diseño del enlace. 69
4.2.3.1 Determinación de las regiones AMC sin considerar desvanecimientos utilizando los modelos SUI IEEE 802.16. 70
4.2.3.2 Determinación del Margen de Desvanecimientos para AMC Utilizando los modelos SUI IEEE 802.16. 73
4.2.3.3 Cálculo de la potencia de transmisión y el radio de la celda para el espacio libre. 75
4.2.3.4 Cálculo de la potencia del transmisor y el radio de la celda para los modelos SUI IEEE 802.16. 78
4.3 Algoritmos propuestos para AMC en WiMAX. 79
4.4 Resultados de la evaluación de los algoritmos propuestos para AMC. 80
4.4.1 Potencia recibida en cada punto. 80
4.4.2 Solicitudes de acceso rechazadas. 81
4.4.3 Porcentaje de los perfiles de ráfaga y tasa de datos promedio en toda la celda. 82
4.4.4 Tasa de datos promedio en función de la distancia. 83
ACRÓNIMOS Y SIGLAS
1xEV-DO 1x Evolution–Data Optimized - Evolución 1x de datos optimizados 3G 3rd Generation - Tercera Generación
AM Amplitude Modulation - Modulación en amplitud
AMC Adaptive Modulation and Coding - Modulación y codificación adaptables ARQ Automatic Repeat re-Quest - Solicitud de repetición automática
ATM Asynchronous Transfer Mode - Modo de transferencia asíncrono AWGN Additive White Gaussian Noise - Ruido blanco aditivo Gaussiano BCH Bose-Chaudhuri-Hocquenghem
BER Bit Error Rate - Tasa de bit erróneo
BLER Block Error Rate - Tasa de error de bloque
BPSK Binary Phase Shift Keying - Modulación por desplazamiento de fase binaria BS Base Station - Estación base
BTC Block Turbo Coding - Codificación turbo a bloques
CDF Cumulative Distribution Function – Función de distribución acumulativa CDMA Code Division Multiple Access - Acceso múltiple por división de código CID Connection IDentifier - Identificador de conexión
CINR Carrier-to-Interference and Noise Ratio - Relación de portadora a interferencia y ruido
CP Cyclic Prefix - Prefijo cíclico
CPS Common Part Sublayer - Subcapa de parte común CS Convergence Sublayer - Subcapa de convergencia
CSMA Carrier Sense Multiple Access - Acceso múltiple por detección de portadora CTC Convolutional Turbo Codes - Códigos turbo convolucionales
DFT Discrete Fourier Transform - Transformada discreta de Fourier DL Down Link - Enlace de bajada
DLFP Down Link Frame Prefix - Trama del enlace de bajada
EGPRS Enhanced General Packet Radio Service - Servicio General de Paquetes de Radio Mejorado
ETSI European Telecommunications Standards Institute - Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones
FCC Federal Communications Commission - Comisión Federal de Comunicaciones FCH Frame Control Header - Encabezado de control de trama
FDD Frequency Division Duplex - Duplexaje por división de frecuencia
FDM Frequency Division Multiplexing - Multiplexaje por división de frecuencia FEC Forward Error Correction - Corrección de errores directa
FFT Fast Fourier Transform - Transformada rápida de Fourier FM / PM Frequency / Phase Modulation - Modulación angular FSK Frecuency Shift Keying - Desplazamiento en frecuencia FTTH Fiber-To-The-Home - Fibra al hogar
GMSK Gaussian Minimum-Shift Keying - Modulación por desplazamiento mínimo Gaussiano
GPS Global Positioning System - Sistema de Posicionamiento Global GPRS General Packet Radio Service - Servicio General de Paquetes de Radio GT Guard Time - Tiempo de guarda
HDTV High-Definition TV - Televisión de alta definición
HSPA High-Speed Packet Access - Acceso por Paquetes de Alta Velocidad ICI Inter-Carrier Interferente - Interferencia interportadora o entre portadora IFFT Inverse Fast Fourier Transform - Transformada rápida inversa de Fourier IFT Inverse Fourier Transform - Transformada inversa de Fourier
IP Internet Protocol - Protocolo de Internet
ISI Inter-Symbol Interferente - Interferencia intersímbolo LOS Line of sight - Línea de vista
LSB Less Significant Bit - Bit menos significativo
MAC Medium Access Control - Control de Acceso al Medio MBS Most Significant Bit - Bit más significativo
MIMO Multiple Input – Multiple Output - Múltiples entradas – Múltiples salidas
MMDS Multichannel Multipoint Distribution Services - Servicios de Distribución Multipunto Multicanal
MODEM Modulador / Desmodulador
MPDU’s MAC Protocol Data Units - Unidades de Datos de Protocolo MRC Maximum Ratio Combining - Combinador de Máxima Razón MSDU’s MAC Service Data Units - Unidades de Datos de Servicio MAC MSK Minimum Shift Keying - Desplazamiento mínimo
NLOS Non Line of Sight - Sin línea de vista
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Multiplexaje por División Ortogonal de Frecuencia
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia
PAPR Peak-to-Average Power Ratio - Relación de Potencia Pico a Promedio PAR Peak-to-Average Ratio - Relación Pico a Promedio
PDF Probability Density Function – Funcion de densidad de probabilidad PHY Physical layer - Capa Física
PMP Point-to-Multipoint - Punto a multipunto PN Pseudo-Noise - Seudo ruido
PRBS Pseudo-Random Binary Sequence - Secuencia binaria seudo aleatoria PSK Phase Shift Keying - Modulación por desplazamiento de fase
QAM Quadrature Amplitude Modulation - Modulación de Amplitud en Cuadratura QoS Quality of Service - Calidad de Servicio
QPSK Quaternary PSK - Modulación por Desplazamiento de Fase Cuaternaria RF Radio Frequency - Radio frecuencia
RS-CC Reed-Solomon Convolutional Code - Código Reed-Solomon concatenado con código convolucional
SC Single Carrier - Portadora única
SDMA Space Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División Espacial
SINR Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio - Relación señal a interferencia más ruido SIR Signal to Interference Ratio - Relación señal a interferencia
SNR Signal-to-Noise Ratio - Relación señal a ruido
SS Subscriber Station - Estación suscriptora o de usuario
TCP Transport Control Protocol - Protocolo de control de transporte TDD Time Division Duplex - Duplexaje por división de tiempo
TDMA Time Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División de Tiempo UGS Unsolicited Grant Service - Servicio de Concesión No solicitado
UL Up Link - Enlace de subida
VLSI Very-Large-Scale Integration - Integración a escala muy grande VoD Video on Demand - Video sobre demanda
VoIP Voice-over-Internet Protocol - Voz sobre IP Wi-Fi Wireless Fidelity - Fidelidad Inalámbrica WiBro Wireless Broadband - Banda ancha inalámbrica
WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access - Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas
INTRODUCCIÓN
La Interoperabilidad Mundial de Acceso por Microondas fijo (WiMAX: Worldwide interoperability for Microwave Access) es un sistema de banda ancha que nos permite una conexión a altas tasas de datos en forma inalámbrica.
Existen varias tecnologías que ofrecen servicios inalámbricos banda ancha, tanto soluciones propietarias como alternativas basadas principalmente en estándares para sistemas celulares de Tercera Generación (3G: 3rd Generation). WiMAX surge como una alternativa eficiente y confiable que utiliza diversas técnicas y esquemas que se adaptan a los requerimientos actuales demandados por los usuarios de servicios como: Transmisión de datos, voz y video.
WiMAX utiliza modulación y codificación adaptables con los que se alcanza una eficiencia espectral alta en la transmisión sobre canales variantes en el tiempo. Básicamente se estiman las condiciones del canal en el receptor y esta información es retroalimentada al transmisor, de este modo el esquema de transmisión puede adaptarse de acuerdo a las características del canal. La transmisión adaptable fue investigada por primera vez a finales de los años 60 y principios de los 70’s. El interés en estas técnicas fue de breve duración, quizás debido a las restricciones del equipo.
La modulación adaptable requiere una trayectoria de retroalimentación entre el transmisor y el receptor, que puede no ser factible para algunos sistemas. Por otra parte, si el canal está cambiando más rápidamente de lo que puede ser estimado y retroalimentado de manera confiable al transmisor, las técnicas adaptables se realizarán de manera errónea.
Dentro de este trabajo desarrollamos cuatro capítulos en los cuales damos una descripción más concreta acerca de los principales elementos que hacen posible el funcionamiento y buen desempeño de un sistema de comunicaciones inalámbricas de banda ancha, como lo es WiMAX.
En el capítulo 1 damos una introducción a los sistemas inalámbricos de banda ancha. Fundamentalmente existen dos tipos de conexiones de banda ancha inalámbrica: las fijas y las móviles. En este trabajo nos enfocaremos a un sistema WiMAX en su versión fija. También realizamos una comparación entre WiMAX y otras tecnologías inalámbricas de banda ancha mostrando los parámetros más sobresalientes de cada una de estas. Además se muestran algunos aspectos históricos acerca de la evolución de los sistemas inalámbricos de banda ancha.
Posteriormente realizamos una descripción de los aspectos más importantes de la capa física (PHY) y de Control de Acceso al Medio (MAC) especificadas en el estándar IEEE 802.16-2004 definido para WiMAX fijo. La versión del estándar IEEE 802.16-802.16-2004 contempla tres configuraciones de capa física para la interfaz de radio. La primera utiliza una interfaz de radio de una sola portadora modulada para la transmisión de la información. La segunda configuración utiliza un esquema de Multiplexaje por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM) de 256 portadoras. La tercera configuración utiliza un esquema de Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA) de 2048 portadoras, en la cual el acceso múltiple se realiza mediante la asignación de un subconjunto de portadoras a un solo usuario.
También dentro de la capa física, se describen las bases de estos esquemas de multiplexaje y acceso múltiple (OFDM y OFDMA), además de una breve introducción a Modulación y Codificación Adaptables (AMC) y se contempla el uso de antenas inteligentes o adaptables para el desempeño eficiente de esta tecnología.
En la capa MAC, la cual provee una interfaz entre la capa física y las capas superiores, se mencionan las aplicaciones y segmentos en que esta se divide, además de aspectos como la Calidad de Servicio (QoS) que es un parámetro muy importante a considerar debido a que define las características necesarias para que se tenga un enlace eficiente, tales como: prioridad de tráfico, tasa de tráfico máxima soportada, entre otras.
En el capítulo 2, revisamos las técnicas de modulación y codificación definidas en el estándar IEEE 802.16-2004. Hablamos acerca de la codificación de canal, la cual protege los datos agregando bits redundantes en los datos transmitidos.
La modulación es el proceso mediante el cual algunas características de una forma de onda, como la amplitud, la frecuencia y la fase, se varían de acuerdo a otra forma de onda. Además se mencionan las consideraciones más importantes que se utilizan al momento de elegir un tipo de modulación. En este caso, el estándar define cuatro tipos de modulaciones con diferentes tasas de codificación, lo que da un total de 52 configuraciones totales, también conocidas como perfiles de ráfaga, de las cuales la mayoría de las implementaciones de WiMAX ofrece sólo una fracción. Las modulaciones definidas para WiMAX son: BPSK, QPSK, 16-QAM y 64-QAM.
La codificación de canal se divide en: codificación de formas de onda (o diseño de señales) y codificación de secuencias estructuradas (o redundancia estructurada). La codificación de forma de onda transforma estas en “formas de onda mejoradas” para hacer que el proceso de detección sea menos propenso a los errores. WiMAX trabaja con secuencias estructuradas que transforman las secuencias de datos en “secuencias mejoradas” agregando redundancia estructurada (bits redundantes) que sirven para detectar y/o corregir errores. Además en este capítulo se mencionan los parámetros de codificación y tipos de códigos utilizados en el estándar.
En el capítulo 3 describimos las técnicas de adaptación al enlace consideradas en un sistema WiMAX fijo para una transmisión eficiente de la información, dando primeramente una introducción a las técnicas adaptables. Posteriormente se revisa cada una de las técnicas como son: técnica de tasa variable, técnicas de potencia variable, técnica de probabilidad de error variable, técnicas de codificación variable y las técnicas híbridas.
También se definen los perfiles de ráfaga arriba mencionados ofrecidos por los sistemas WiMAX, así como las consideraciones para desarrollar distintos algoritmos de adaptación al enlace, para los cuales se deben de considerar y controlar eficientemente tres parámetros a la vez: Potencia de transmisión, tasa de transmisión (constelación) y la tasa de codificación. Es importante señalar que los algoritmos de adaptación al enlace para WiMAX no se especifican en el estándar IEEE 802.16; estos algoritmos se dejan libres para que el vendedor u operador decida cómo implementarlos.
Finalmente, en este capítulo, realizamos una revisión de los algoritmos de adaptación que se han propuesto para WiMAX, tales como: el algoritmo de adaptación basado en la relación señal a interferencia (SIR), algoritmo de adaptación basado en la mejor tasa útil (throughput), algoritmo de adaptación basado en la distancia (entre el usuario y la estación base) y algoritmo de adaptación basado en el retardo de paquetes TCP.
Los algoritmos antes mencionados consideran diferentes criterios para elegir el esquema de modulación y codificación que cumpla con las condiciones establecidas en cada uno de ellos y que dan la pauta para proponer otros algoritmos, que describimos en el capítulo 4.
Finalmente, en el capítulo 4, una vez conociendo los algoritmos de adaptación y los parámetros del sistema utilizados en el diseño del enlace, podemos desarrollar un algoritmo
basado en la metodología de simulaciones estáticas (método de Monte Carlo) para poder evaluar el desempeño del sistema bajo ciertas condiciones, tomando en cuenta los siete perfiles de ráfaga contemplados en el capítulo 3 y a partir de los cuales podemos evaluar un sistema de una sola celda dividida en las regiones correspondientes a cada perfil.
Posteriormente desarrollamos algoritmos para tres escenarios específicos, cada uno con diferentes condiciones de acceso, las cuales el usuario debe cumplir para que se le pueda otorgar el servicio. Si el usuario no cumple estas condiciones será rechazado.
Una vez que hemos evaluado dichos algoritmos, procedemos a la obtención y comparación de los resultados arrojados por cada uno de estos para conocer el desempeño del sistema en cada una de las regiones establecidas y de esta manera poder deducir cual se comporta de manera más eficiente y con mejores condiciones del enlace, a fin de tomar ese criterio como base en la consideración de trabajos posteriores.
CAPÍTULO 1
WiMAX FIJO – IEEE 802.16-2004.
1.1 Introducción de los sistemas inalámbricos de banda ancha.
Alrededor del mundo, los usuarios de banda ancha pueden encontrar dinamismo en el intercambio de información, la conducción de negocios y el entretenimiento. Un acceso de banda ancha no solo nos proporciona una navegación más rápida en la red o la descarga veloz de archivos, también nos permite diferentes aplicaciones multimedia como: descargas de audio y video en tiempo real, conferencias multimedia y juegos interactivos. Las conexiones de banda ancha se están utilizando para telefonía empleando tecnología de Voz sobre IP (VoIP: Voice-over-Internet Protocol). Además existen sistemas de banda ancha como el de Fibra al Hogar (FTTH: Fiber-To-The-Home) que permiten aplicaciones como Televisión de Alta Definición (HDTV: High-Definition TV) y video sobre demanda (VoD: Video on Demand). Así que conforme vaya creciendo el mercado de banda ancha, es probable que surjan nuevas aplicaciones
Como su nombre lo indica, los sistemas inalámbricos de banda ancha nos permiten una conexión de altas tasas de datos en forma inalámbrica. Fundamentalmente existen dos tipos de conexiones de banda ancha inalámbrica: las fijas y las móviles. Las conexiones móviles nos ofrecen la funcionalidad de la portabilidad, conexión nómada (nomadicity) y movilidad. Las conexiones fijas en cambio nos ofrecen un servicio parecido al de las conexiones por cable pero usando transmisión inalámbrica. El resto del trabajo se enfocará en la tecnología de Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas fijo (WiMAX: Worldwide interoperability for Microwave Access). La conexión nómada implica la posibilidad de conectarse a la red desde diferentes lugares por medio de diferentes estaciones base y movilidad implica la posibilidad de mantener una conexión activa mientras se está en movimiento a velocidades vehiculares [1].
1.1.1 Evolución de los sistemas inalámbricos de banda ancha.
Durante más de una década se han desarrollado sistemas inalámbricos con diferentes capacidades, protocolos, frecuencias de operación, aplicaciones que soportan, entre otros parámetros. Algunos sistemas fueron desplegados comercialmente pero solo por un tiempo. Los despliegues acertados se han limitado hasta ahora a ciertas aplicaciones o mercados. Claramente,
los sistemas inalámbricos de banda ancha cuentan con un historial accidentado, en parte debido a la fragmentación de la industria por la falta de un estándar común. Se espera que el surgimiento de WiMAX (como estándar para la industria) cambie esta situación. La tabla 1.1 muestra cronológicamente algunos eventos relevantes relacionados con el desarrollo de los sistemas inalámbricos de banda ancha [1, 2, 3].
Tabla 1.1. Desarrollo de los sistemas inalámbricos de banda ancha.
Fecha Evento
Febrero, 1997 AT&T anuncia el desarrollo de tecnología inalámbrica fija llamada “Proyecto Ángel”. Febrero, 1997
La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC Federal Communications Commission) subasta el espectro de 30MHz en la banda de 2.3GHz para servicios de comunicaciones inalámbricas.
Septiembre, 1997
Televisoras Americanas (adquirida más tarde por Sprint) anuncia servicios de acceso a Internet en la banda de Servicios de Distribución Multipunto Multicanal (MMDS: Multichannel Multipiont Distribution Services) ofreciendo una tasa de transferencia de 750kbps con un MODEM de marcado telefónico.
Septiembre, 1998
La FCC disminuye las normas para la banda MMDS para permitir comunicaciones de dos vías.
Abril, 1999 MCI y Sprint adquieren varios operadores inalámbricos para tener acceso al espectro MMDS.
Julio, 1999 Se conforma el primer grupo del IEEE 802.16.
Marzo, 2000 AT&T lanza el primer servicio inalámbrico fijo comercial de alta velocidad después de años de prueba.
Mayo, 2000 Sprint lanza la primera aplicación de MMDS en Phoenix, Arizona, usando tecnología con linea de vista (LOS line of sight) de primera generación.
Junio, 2001 Se establece el foro WiMAX (WiMAX Forum). Octubre, 2001 Sprint detiene el uso de MMDS.
Diciembre,
2001 AT&T descontinúa los servicios fijos inalámbricos. Diciembre,
2001 Se completa el estándar IEEE 802.16 para frecuencias mayores a 11GHz.
Febrero, 2002 Corea asigna el espectro en la banda de 2.3GHz para banda ancha inalámbrica (WiBro: Wireless Broadband).
Enero, 2003 Se completa el estándar IEEE 802.16a.
Junio, 2004 El estándar IEEE 802.16-2004 se completa y es aprobado. Septiembre,
2004 Intel comienza a distribuir el primer chip para WiMAX, llamado Rosedale. Diciembre,
2005 Se completa y es aprobado el estándar IEEE 802.16e.
Enero 2006 El foro certificado WiMAX anuncia el primer producto para aplicaciones fijas. Junio, 2006 Se lanzan en Corea servicios comerciales de WiBro
Agosto, 2006 Sprint Nextel anuncia sus planes para usar WiMAX móvil en Estados Unidos
1.1.2 WiMAX y tecnologías inalámbricas de banda ancha.
Existen varias tecnologías que ofrecen servicios inalámbricos banda ancha, tanto soluciones propietarias como alternativas basadas principalmente en estándares para sistemas celulares de Tercera Generación (3G: 3rd Generation) y Fidelidad Inalámbrica (Wi-Fi: Wireless Fidelity). A continuación, en la tabla 1.2 se muestra una comparación de WiMAX con otras
tecnologías inalámbricas de banda ancha. Tal vez la principal ventaja de Wi-Fi sobre WiMAX y 3G es su penetración en el mercado aunque no fue diseñado para soportar alta movilidad, además de tener una capacidad reducida en sistemas para exteriores (outdoor) por trabajar en bandas sin licencia [1, 2].
Tabla 1.2. Comparación de WiMAX con otras tecnologías inalámbricas de banda ancha. Parámetro WiMAX fijo WiMAX móvil HSPA 1xEV-DO
Revisión A Wi-Fi Estándares IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16-2005 3GPP Revisión 6 3GPP2 IEEE 802.11a/g/n Tasa máxima de datos en el enlace de bajada 9.4 Mbps en 3.5 MHz con una relación enlace de bajada (DL: Down Link) a enlace de subida (UL: Up Link) de 3:1 y un esquema de Duplexaje por División de Tiempo (TDD: Time Division Duplex) 46 Mbps(a) con relación de ancho de banda DL a UL de 3:1 y un esquema TDD; 32 Mbps con 1:1 14.4 Mbps usando todos los códigos (15); 7.2 Mbps con 10 códigos 3.1 Mbps; la revisión B soportará 4.9 Mbps Tasa máxima de datos en el enlace de subida 3.3 Mbps en 3.5 GHz usando una relación DL a UL de 3:1; 6.5 MHz con 1:1 7 Mbps en 10 MHz usando una relación 3:1 de DL a UL; 4 Mbps usando 1:1 1.4 Mbps inicialmente; 5.8 Mbps más tarde 1.8 Mbps 54 Mbpsb divididos usando 802.11a/g; tasa útil de capa 2 mayor a 100 Mbps usando 802.11n Ancho de banda 3.5 MHz y 7 MHz en la banda de 3.5 GHz; 10 MHz en la banda de 5.8 GHz 3.5 MHz, 5 MHz, 7 MHz, 10 MHz y 8.75 MHz inicialmente 5 MHz 1.25 MHz 20 MHz para 802.11a/g; 20/40 MHz para el 802.11n Modulación BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM QPSK, 16-QAM, 64-QAM QPSK, 16-QAM QPSK, 8 PSK, 16-QAM BPSK, PSK, 16-QAM, 64- QAM
Multiplexaje TDM/OFDM TDM/OFDMA TDM/CDMA TDM/ CDMA CSMA Duplexaje TDD, FDD TDD inicialmente FDD FDD TDD Frecuencia 3.5 GHz y 5.8 GHz inicialmente 2.3 GHz, 2.5 GHz y 3.5 GHz inicialmente 800/900/ 1800/1900/ 2100 MHz 800/900 /1800 /1900 MHz 2.4 GHz, 5 GHz Cobertura (típica) 3 – 5 millas (4.83 – 8.05 km) < 2 millas (< 3.22 km) 1 – 3 millas (1.61 – 4.83 km) 1 – 3 millas (1.61 – 4.83 km) < 30.48m en interiores; < 304.8m en exteriores Movilidad No se aplica Media Alta Alta Baja
a. Suponiendo un sistema de Entradas Múltiples – Salidas Múltiples (MIMO: Multiple Input Multiple Output) de 2 X 2 y un canal de 10 MHz.
b. Debido a la ineficiencia del Acceso Múltiple por Detección de Portadora (CSMA: Carrier Sense Multiple Access), esto se traduce en solo de ~20 Mbps a 25 Mbps de tasa útil en capa 2.
1.2 Capa Física (PHY: Physical) de WiMAX.
La capa física de WiMAX fijo está basada en el estándar 802.16-2004. La gama de frecuencias en la que el Grupo de Trabajo 802.16 [4] (encargado del desarrollo del estándar) se interesó inicialmente fue de 10 – 66 GHz, aunque posteriormente el proyecto se inclinó por la gama de 2 – 11 GHz, lo que condujo al estándar IEEE 802.16a [5], el cual fue completado en enero de 2001. La revisión 802.16d [6] del estándar, que fue aprobada en junio de 2004, es la actualización del 802.16a [5].
El diseño de la capa física de 2 – 11 GHz se realizó por la necesidad de la operación sin línea de vista (NLOS: Non Line of Sight). En el estándar se definen tres capas físicas diferentes que pueden utilizarse junto con la capa de Control de Acceso al Medio (MAC: Medium Access Control) para proveer un enlace [7 – 9]. Estas tres especificaciones de interfaz de radio son:
- Red de Área Metropolitana Inalámbrica (Wireless Metropolitan Area Network) – de una sola portadora (SC: Single Carrier): Una interfaz de radio de una sola portadora modulada.
- Red de Área Metropolitana Inalámbrica (WirelessMAN) – con Multiplixaje por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing): Un esquema de 256 portadoras OFDM. De estas 256 portadoras, 192 se usan para datos de usuario, 56 como banda de guarda y 8 como símbolos piloto permanentes.
- Red de Área Metropolitana Inalámbrica (WirelessMAN) – con Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access): Un esquema de 2048 portadoras. El acceso múltiple se realiza mediante la asignación de un subconjunto de portadoras a un solo usuario, por lo que en ocasiones esta versión se denomina OFDMA.
De estas tres interfaces, para operación sin línea de vista, las dos últimas son mejores para señales con portadoras múltiples. De estas dos interfaces, WirelessMAN-OFDM es la que más han elegido los vendedores por razones como: un cálculo más rápido de la transformada rápida de Fourier (FFT: Fast Fourier Transform), una Relación Pico - Promedio (PAR: Peak-to-Average
Ratio) más baja1, así como menos requerimientos que restringen la sincronización en frecuencia comparado con el de 2048 portadoras [8].
1.2.1 Multiplexaje por División Ortogonal de Frecuencia (OFDM) y Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (OFDMA).
El esquema OFDM es un caso especial de transmisión con portadoras múltiples, donde un flujo de datos individual se transmite sobre un número de portadoras de menor tasa. Una de las principales razones para usar OFDM es incrementar la resistencia a los desvanecimientos selectivos en frecuencia. En un sistema de una sola portadora, un solo desvanecimiento o interferencia puede causar que el enlace entero falle, pero en un sistema de portadoras múltiples sólo un pequeño porcentaje de las subportadoras se verá afectado. La codificación para la corrección de errores puede entonces utilizarse para corregir las pocas subportadoras erróneas. El concepto del uso de transmisión de datos en paralelo y el Multiplexaje por División de Frecuencia (FDM: Frequency Division Multiplexing) fue publicado a mediados de la década de los sesentas, aunque puede ubicarse en la década de los cincuentas.
En un sistema clásico de datos en paralelo, toda la señal de la banda de frecuencia se divide en N subcanales de frecuencia sin traslape. Cada subcanal se modula con un símbolo de separación y entonces los N subcanales son multiplexados en frecuencia. Esto es una buena medida para evitar el traslape espectral de canales y reducir la interferencia entre los mismos, pero esto conduce al uso ineficiente del espectro disponible. Para disminuir dicha ineficiencia, las ideas propuestas desde mediados de los sesentas consistieron en usar la transmisión de datos en paralelo y FDM con subcanales traslapados para evitar el uso de igualadores de alta velocidad y combatir el ruido impulsivo y la distorsión por trayectorias múltiples, así como usar de un modo más eficiente el ancho de banda disponible.
Los igualadores compensan la interferencia intersímbolo (ISI: Inter-Symbol Interference) ocasionada por trayectorias múltiples en canales dispersivos en tiempo. Un igualador en el
1
Las señales de OFDM tienen una PAR más alta que las señales de una sola portadora. La razón es que en el dominio del tiempo, una señal de portadoras múltiples es la suma de varias señales de banda angosta. A ciertos instantes de tiempo esta suma es grande y en otros instantes es pequeña, lo que significa que el valor máximo (pico) de la señal es mucho mayor que el valor promedio. Este alto valor de PAR es uno de los retos más importantes para la implementación de un sistema OFDM, ya que reduce la eficiencia y, por lo tanto, incrementa el costo de el amplificador de Radio Frecuencia (RF: Radio Frequency), el cual es uno de los componentes más costosos del sistema [2].
receptor compensa el rango promedio de las amplitudes del canal esperadas y las características de retardo; en los sistemas móviles el igualador debe ser adaptable.
Usando la técnica de modulación de portadoras múltiples con traslape, ahorramos casi el 50 % del ancho de banda, como se muestra en la figura 1.1. Para llevar a cabo la técnica de portadoras múltiples con traslape, necesitamos reducir la interferencia entre subportadoras, lo cual significa que queremos ortogonalidad entre las diferentes portadoras moduladas.
Figura 1.1. Concepto de una señal de OFDM: (a) Técnica convencional de portadoras múltiples, y (b) técnica de modulación de portadoras múltiples ortogonales.
La palabra ortogonal indica que hay una relación matemática precisa entre las frecuencias de las portadoras en el sistema. Un conjunto de funciones complejas Φk(t) es ortogonal en un
intervalo a<t<b si para dos funciones cualesquiera Φm(t) y Φn(t) pertenecientes al conjunto Φk(t),
su producto interno cumple con la ecuación 1.1.
< fn(t),fm(t) > =
∫
= ≠ = b a n m n n m para r n m para dt t f t f 0 ) ( ) ( * (1.1)Donde fm*(t)es el complejo conjugado de f(t).
En un sistema convencional de FDM, las portadoras están espaciadas de tal manera que las señales pueden recibirse usando filtros convencionales y desmoduladores. En tales receptores,
se introducen bandas de guarda entre las diferentes portadoras lo cual resulta en una disminución de la eficiencia del espectro en el dominio de la frecuencia.
Es posible organizar las portadoras en una señal OFDM de modo que las bandas laterales de las portadoras individuales se traslapen y las señales se reciban aún sin interferencia de portadora adyacente. Para hacer esto, las portadoras deben ser matemáticamente ortogonales. Por otro lado, decimos que las portadoras son linealmente independientes (es decir, ortogonales) si el espaciamiento entre portadoras es un múltiplo de 1/T [10].
En 1966, los laboratorios Bell obtuvieron la patente para OFDM. Más tarde, en 1985, Leonard J. Cimini Jr. propuso su uso en comunicaciones móviles. En 1997, el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI: European Telecommunications Standards Institute) incluyó OFDM en el sistema de Radiodifusión de Video Digital Terrestre (DVB-T: Terrestrial Digital Video Broadcasting). En 1999, la variante de Wi-Fi IEEE 802.11g consideró a OFDM en su capa física [11].
El esquema de transmisión OFDM tiene las siguientes ventajas clave:
- OFDM es una forma eficiente de tratar con trayectorias múltiples; para una dispersión debida al retardo, la complejidad de implementación es significativamente menor que la de un sistema de una sola portadora con un igualador.
- En canales variantes en el tiempo relativamente lentos, es posible realzar significativamente la capacidad adaptando la tasa de datos por subportadora de acuerdo a la relación señal a ruido (SNR: Signal-to-Noise Ratio) de esa subportadora en particular. - OFDM es resistente a la interferencia de banda angosta, porque tal interferencia afecta
solamente a un pequeño porcentaje de las subportadoras.
- OFDM hace posibles las redes de frecuencia individual, lo cual es especialmente atractivo para aplicaciones de radiodifusión.
Por otro lado, OFDM también tiene algunas desventajas comparado con la modulación de una sola portadora:
- OFDM es más sensible a las variaciones de frecuencia y al ruido de fase.
- OFDM tiene una PAR relativamente grande, lo que tiende a reducir la eficiencia de potencia del amplificador de RF.
1.2.1.1 Bases de OFDM.
El principio básico de OFDM es dividir un flujo de datos de tasa alta en partes de una tasa menor que son transmitidos simultáneamente sobre un número de subportadoras. Si la duración del símbolo se incrementa para las subportadoras paralelas de menor tasa, la cantidad relativa de dispersión en el tiempo que causa la dispersión de retardo por trayectorias múltiples se decrementa. La interferencia intersímbolo se elimina casi por completo introduciendo un tiempo de guarda en cada símbolo OFDM y con el hecho de que las portadoras sean ortogonales se logra una eficiencia espectral. En el tiempo de guarda, el símbolo OFDM se extiende cíclicamente para evitar la interferencia entre portadoras. Esto se verá más a detalle en 1.2.1.3.
En el diseño de un sistema OFDM, se consideran varios parámetros, tales como el número de subportadoras, el tiempo de guarda, la duración del símbolo, el espacio entre subportadoras, el tipo de modulación por subportadora y el tipo de codificación para la corrección de errores. La selección de parámetros se determina por los requerimientos del sistema tales como el ancho de banda disponible, la tasa de bit requerida o la dispersión de retardo tolerable.
1.2.1.2 Generación de subportadoras usando la Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT).
Una señal OFDM consta de la suma de subportadoras que son moduladas usando Modulación por Desplazamiento de Fase (PSK: Phase Shift Keying) o Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM: Quadrature Amplitude Modulation), los esquemas de modulación y codificación usados en WiMAX se presentarán con mayor detalle en el capítulo 2. Si di son los
símbolos QAM complejos, Ns es el número de subportadoras, T la duración del símbolo y fc la
frecuencia de portadora, entonces un símbolo OFDM comenzando en t = ts puede representarse
mediante la ecuación 1.2 [10].
( )
(
)
+ ≥ ∩ ≤ + ≤ ≤ − − + =∑
− − = + T t t t t T t t t t t T i f j d t s s s s s N N i s c N i S S S , 0 , 5 . 0 2 exp Re 1 2 2 2 /π
(1.2)La notación equivalente compleja en banda base está dada por la ecuación 1.3 [10] y es la transformada inversa de Fourier de Ns símbolos QAM de entrada. En esta representación, las
partes real e imaginaria corresponden a las componentes de fase y cuadratura de la señal de OFDM, las cuales tienen que multiplicarse por un coseno y un seno de la frecuencia portadora deseada para producir la señal de OFDM final.
( )
(
)
+ ≥ ∩ ≤ + ≤ ≤ − =∑
− − = + T t t t t T t t t t t T i j d t s s s s s N N i s N i S S S , 0 , 2 exp 1 2 2 2 /π
(1.3)La figura 1.2 muestra la operación de un modulador de OFDM mediante un diagrama a bloques.
Figura 1.2. Modulador de OFDM
Si la k-ésima subportadora de la ecuación 1.3 es desmodulada para recuperar la señal con una frecuencia de k/T y se integra la señal sobre T segundos, el resultado es como el de la ecuación 1.4. Observando el resultado intermedio, se puede ver que una portadora compleja se integra sobre T segundos. Para la k-ésima subportadora desmodulada, esta integral proporciona la salida deseada dk+N/2 (multiplicada por un factor constante T), la cual es el valor del símbolo
QAM para esa subportadora en particular. Para todas las demás subportadoras, la integral es cero, ya que la diferencia de frecuencia (i-k)/T produce un número entero de ciclos junto con el intervalo de integración T, tal que el resultado de la integral es siempre cero.
(
)
(
)
(
t t)
dt d T T k i j d dt t t T i j d t t T k j S S S s s S s s S S S N k N N i T t t s N i T t t N N i s N i s 2 / 1 2 2 2 / 1 2 2 2 / 2 exp 2 exp 2 exp + − − = + + + − − = + = − − = − − −∑
∫
∫
∑
π
π
π
(1.4)Ya que un receptor de OFDM esencialmente calcula los valores del espectro en aquellos puntos que corresponden al máximo de las subportadoras individuales, este puede desmodular cada subportadora libre de cualquier interferencia de las otras subportadoras. Básicamente, la figura 1.3 muestra que el espectro de OFDM cumple con el criterio de Nyquist para una forma de onda libre de interferencia intersímbolo. Nótese que la forma del pulso está presente en el dominio de la frecuencia y no del tiempo, para el cual el criterio de Nyquist es usualmente aplicado. Por lo tanto, en vez de interferencia intersímbolo, esta es interferencia interportadora o entre portadoras (ICI: Inter-Carrier Interference).
Figura 1.3. Espectro de una señal OFDM.
La señal definida por la ecuación 1.3 es la transformada inversa de Fourier de Ns símbolos QAM de entrada en su representación analógica. El equivalente en tiempo discreto es la Transformada Discreta Inversa de Fourier (IDFT: Inverse Discrete Fourier Transform), la cual está dada por la ecuación 1.4, donde el tiempo t es reemplazado por un número muestreo n. En la práctica, esta transformada puede ser implementada muy eficientemente por la Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT: Inverse Fast Fourier Transform). Una IDFT de N puntos requiere un total de N2 multiplicaciones complejas. La IFFT reduce drásticamente la cantidad de cálculos explotando la regularidad de las operaciones en la IDFT.
∑
− =
=
1 02
exp
)
(
s N i iN
in
j
d
n
s
π
(1.3) Se puede construir un equipo para ejecutar la FFT, que es una implementación eficiente de la transformada discreta de Fourier (DFT: Discrete Fourier Transform). Los avances en la tecnología de Integración a Escala Muy Grande (VLSI: Very-Large-Scale Integration) hacen que los circuitos integrados alcancen altas velocidades y para una FFT de gran tamaño, permiten que sean comercialmente adquiribles. Usando este método, tanto el transmisor como el receptor pueden implementarse técnicas eficientes que reducen el número de operaciones de N2 en la DFT a NlogN en la FFT.1.2.1.3 Tiempo de guarda y extensión cíclica.
Después de la aplicación de la IFFT, se debe agregar un prefijo cíclico (CP: Cyclic Prefix) al principio del símbolo OFDM, dicho prefijo es redundancia en tiempo llamada tiempo de guarda (GT: Guard Time) que denotaremos como TG (ver figura 1.4), donde Ts representa el
tiempo total del símbolo OFDM.
Figura 1.4. Tiempo de Guarda.
La relación TG/Td, la cual se denota como G, se elige de acuerdo con las siguientes
consideraciones: si hay gran cantidad de afecciones por trayectorias múltiples, se necesita un valor alto de G que aumentará la redundancia y reducirá la tasa de datos útil; si existen pocas afecciones por trayectorias múltiples, se puede usar un valor relativamente bajo de G. Los valores
definidos para G en el estándar 802.16 son: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. El estándar 802.16-2004 indica que para las capas físicas OFDM y OFDMA, la estación suscriptora o de usuario (SS: Subscriber Station) se encarga de encontrar el valor del CP que será utilizado tanto en el enlace de subida como en el enlace de bajada por la estación base (BS: Base Station).
Una desventaja de una transmisión OFDM es que se puede tener una PAR más alta que con una transmisión de una sola portadora. Se pueden utilizar algunas subportadoras para reducir la PAR, también la capa MAC provee los medios para dicha reducción.
No todas las subportadoras de un símbolo OFDM son datos útiles, existen cuatro tipos de subportadoras (ver figura 1.5) que son:
Subportadoras de datos: Donde se envían los datos útiles.
Subportadoras piloto: Principalmente para sincronización y estimación del canal. Para la capa física OFDM hay 8 subportadoras piloto.
Subportadoras nulas: Sin transmisión, se utilizan como bandas de guarda.
Otras subportadoras nulas son las subportadoras de CD. En las capas físicas OFDM y OFDMA, la subportadora de CD es la que tiene una frecuencia igual a la frecuencia central de transmisión, la cual corresponde a la frecuencia cero (corriente directa) si la señal FFT no se modula. La subportadora de CD es nula para simplificar las operaciones de conversión de digital a analógico y viceversa.
Además, si se usan subportadoras para la reducción de la PAPR, entonces no se utilizan para transmitir datos.
1.2.1.4 OFDMA.
En OFDMA las subportadoras se dividen en subconjuntos de subportadoras. Cada subconjunto, representa un subcanal (ver figura 1.6). En el enlace de bajada, se puede destinar un subcanal a diferentes usuarios; en el enlace de subida, a un transmisor se le pueden asignar uno o más subcanales. No es necesario que las subportadoras sean adyacentes. En el enlace de subida o de bajada, un usuario tendrá ranuras de tiempo y un subcanal como se muestra en la figura 1.7.
Figura 1.6. Definición de las subportadoras en OFDMA.
Usuario 1 Usuario 2 Usuario 3 Usuario 4 Usuario 5 Símbolo n OFDM Símbolo n + 1 OFDM Símbolo n + 2 OFDM Símbolo n + 3 OFDM Tiempo S u b ca n al es ( co n ju n to d e su b p o rt ad o ra s)
Figura 1.7. Ejemplo de asignación de subcanales en OFDMA.
OFDMA es esencialmente un híbrido de OFDM y Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA: Time Division Multiple Access): a los usuarios se les asigna dinámicamente un
subcanal OFDM en diferentes ranuras de tiempo. Una ventaja principal de OFDMA sobre OFDM es que puede reducir la PAPR junto con la potencia de transmisión [2, 10].
1.2.2 Modulación y Codificación Adaptables.
La modulación y la codificación adaptables permiten una eficiencia espectral alta en la transmisión sobre canales variantes en el tiempo. Básicamente se estiman las condiciones del canal en el receptor y esta información es retroalimentada al transmisor, de este modo el esquema de transmisión puede adaptarse de acuerdo a las características del canal. Las técnicas de modulación y codificación que no se adaptan a las condiciones de los desvanecimientos requieren un margen fijo de enlace para mantener un desempeño aceptable cuando la calidad del canal es pobre. Así, estos sistemas son diseñados con eficacia para las condiciones más adversas del canal. Por ejemplo, los desvanecimientos de Rayleigh pueden causar una pérdida de potencia en la señal de hasta 30 dB, el diseñar para las condiciones más adversas del canal puede dar lugar a una utilización muy ineficaz de la potencia [3].
El adaptarse a los desvanecimientos del canal puede aumentar el rendimiento promedio, reducir la potencia de transmisión requerida, o reducir la probabilidad de bit erróneo promedio aprovechándose de las condiciones favorables del canal para enviar a tasas de datos más altas o a una potencia más baja y reduciendo la tasa de datos o aumentando la potencia mientras el canal se degrada.
En el estándar 802.16a/d se definen 7 combinaciones de esquemas de modulación y codificación que se pueden usar para permitir diferentes tasas de transmisión de datos dependiendo de las condiciones de interferencia. La tabla 1.3 nos muestra dichas combinaciones [8]. La modulación y codificación adaptables (AMC: Adaptive Modulation and Coding) es el tema central de este trabajo, por lo que será discutido con mayor detalle en el capítulo 3.
Tabla 1.3. Combinaciones para AMC en WiMAX. Modulación Codificación Información
bits/símbolo BPSK 1/2 0.5 QPSK 1/2 1 QPSK 3/4 1.5 16-QAM 1/2 2 16-QAM 3/4 3 64-QAM 2/3 4 64-QAM 3/4 4.5
Los esquemas de modulación usados en el enlace de bajada y el enlace de subida son: por Desplazamiento de Fase Binaria (BPSK: Binary Phase Shift Keying), PSK Cuaternaria (QPSK: Quaternary PSK), Modulación de Amplitud en Cuadratura de 16 niveles (16-QAM) y 64-QAM. A cada símbolo OFDM se le insertan ocho subportadoras piloto, además en el 802.16d se usan preámbulos para ayudar al receptor con la sincronización y la estimación del canal. En el enlace de bajada se utiliza un “preámbulo largo” de dos símbolos OFDM mandados al principio de cada trama. En el enlace de subida se envía un símbolo OFDM o “preámbulo corto” al principio de la trama. El preámbulo 802.16 es una secuencia de símbolos conocidos por el receptor. El preámbulo debe ser tomado en cuenta para el cálculo preciso de la tasa de datos útiles.
1.2.3 Antenas Inteligentes.
Los sistemas de múltiples antenas en el transmisor y/o receptor, pueden proporcionar una ganancia por diversidad, así como también mayores tasas de datos a través de técnicas de procesamiento de la señal espacio-tiempo. Alternativamente, las técnicas de sectorización se pueden utilizar para proporcionar una ganancia de la antena direccional o directiva en la transmisión o recepción. Esta direccionalidad puede aumentar el rango de señalización, reducir la ISI, así como los desvanecimientos planos y suprime la interferencia entre los usuarios. Particularmente, la interferencia llega al receptor desde diversas direcciones. Así, las antenas direccionales pueden explotar estas diferencias para anular o para atenuar la interferencia que llega de las direcciones dadas, aumentando de tal modo la capacidad del sistema. Las componentes multidireccionales reflejadas de la señal transmitida también llegan al receptor desde diversas direcciones y se pueden también atenuar, por lo que se reduce la ISI y los desvanecimientos planos [3].
Las ventajas de la direccionalidad que se pueden obtener con las antenas múltiples se deben comparar con su diversidad potencial o las ventajas de multiplexaje, dando lugar a un análisis de compromisos entre multiplexaje-diversidad-direccionalidad. Si es mejor utilizar sistemas de antenas múltiples para aumentar las tasas de datos a través del multiplexaje, el incrementar la robustez a los desvanecimientos a través de la diversidad, o reducir la ISI a través de la direccionalidad, es una decisión compleja que depende del diseño total del sistema. Las antenas directivas más comunes son arreglos de antenas sectorizadas (direccionales) y los
patrones de ganancia para éstas antenas junto con un patrón omnidireccional de ganancia de la antena se muestran en la figura 1.8.
Las antenas sectorizadas se diseñan para proporcionar alta ganancia a través de una gama de ángulos de llegada de la señal. La sectorización se utiliza comúnmente en las estaciones base de un sistema celular para reducir la interferencia; si a diversos sectores se asignan diversas frecuencias o ranuras de tiempo, entonces solamente los usuarios dentro de un sector se interfieren unos a otros, reduciendo la interferencia promedio por un factor igual al número de sectores. Por ejemplo, la figura 1.8 muestra una antena sectorizada con un lóbulo de amplitud de 120°. Una estación base podría dividir su rango angular de 360° en tres sectores que se cubrirán por tres antenas sectorizadas a 120° y en este caso la interferencia en cada sector se reduce por un factor de 3 respecto a una estación base que utiliza antenas omnidireccionales (figura 1.9).
Figura 1.8. Patrones para una antena omnidireccional y una antena directiva.
Las antenas direccionales típicamente utilizan arreglos de antenas acopladas con técnicas de sectorización para proveer ganancia direccional, que puede estar firmemente controlada con suficientes elementos de la antena (figura 1.9). Las técnicas de sectorización trabajan adaptando la fase de cada elemento de la antena en el arreglo, que cambia las localizaciones angulares de los lóbulos de la antena (ángulos con una ganancia alta) y los nulos (los ángulos con una ganancia baja). Para un arreglo de N antenas, N nulos pueden formarse para reducir significativamente la potencia recibida de N interferentes separados. Si existen Ni < N interferentes, entonces los Ni interferentes se pueden cancelar usando Ni antenas en un arreglo puesto en fase, y las N – Ni
antenas restantes se pueden utilizar para incrementar la diversidad. En este caso es importante que las antenas direccionales conozcan la localización angular de las señales deseadas e interferentes para proporcionar ganancias altas o bajas en las direcciones apropiadas.
Figura 1.9. Un ejemplo de sectorización utilizando tres sectores por estación base. De esta forma se reducen los niveles de interferencia en comparación con un escenario de estaciones base con antenas omnidireccionales [12].
1.2.3.1 Antenas Avanzadas en WiMAX.
Las señales transmitidas por la terminal de usuario se reciben en la estación base por antenas múltiples (generalmente dos o cuatro) y las señales de las diversas trayectorias recibidas se combinan. Una técnica muy popular para combinar estas señales es la técnica de Combinador de Máxima Razón (MRC: Maximum Ratio Combining), que combina (o pondera) el mismo símbolo recibido desde cada rama de diversidad según su calidad de recepción. El resultado es un aumento en la sensibilidad del receptor en la estación base y por lo tanto una extensión del rango y/o la posibilidad de utilizar un modo de transmisión de radio menos robusto para una tasa de transmisión más alta. El orden de la ganancia es aproximadamente igual al orden de la diversidad. Por ejemplo, para un sistema con dos antenas receptoras, la ganancia es aproximadamente de 3 dB.
El esquema de diversidad en la recepción es muy eficiente si las señales que vienen de las diversas antenas son no correlacionadas. La correlación de la antena depende principalmente de la distancia entre las antenas; esto se conoce como diversidad espacial.
La puesta en práctica y soporte de diversidad en la recepción en una estación base es específica del vendedor y no requiere ningún mecanismo estándar. Actualmente, existen también más técnicas de antenas avanzadas como: tecnología de antenas inteligentes con formación de rayos (Beamforming) y antenas de tecnología MIMO. También, ambas tecnologías requieren del soporte del estándar para conseguir las ventajas completas de su operación. El estándar IEEE 802.16, especialmente el IEEE 802.16e, proporciona todos los medios para el soporte de ambas tecnologías de antenas [11].
1.2.3.2 Formación de Rayos (Beamforming).
El objetivo principal de esta tecnología es tomar ventaja de la naturaleza de espacio-tiempo del canal de propagación. De hecho, debido a las reflexiones múltiples, a la difracción y a la dispersión en la trayectoria del transmisor al receptor en un ambiente celular, la energía que alcanza la estación base viene de direcciones múltiples, de tal manera que cada dirección es afectada por una atenuación y fase diferentes. En el enlace de subida, el principio de la tecnología de formación de rayos es combinar coherentemente las señales recibidas para N elementos de un arreglo de antenas.
En el enlace de bajada, el procesamiento es muy similar al del enlace de subida. De acuerdo con la información medida en la señal recibida en el enlace de subida, es posible estimar la dirección de llegada de la señal del enlace de subida y aplicar diversos pesos, zi (amplitud y
fase), a las diferentes trayectorias transmitidas de la misma señal, de modo que el patrón de la antena resultante se enfoque hacia la dirección del usuario.
La tecnología de formación de rayos comprende varias técnicas. Las primeras puestas en práctica de la formación de rayos se basaron en mecanismos simples de conmutación de antenas; en ese acercamiento, los elementos del arreglo de antenas simplemente se encendían o apagaban según las señales recibidas. Esto tiene la ventaja de la simplicidad pero la posibilidad de formación de rayos es limitada. Hoy, la formación de rayos utiliza un arreglo adaptable: la amplitud y la fase de
cada elemento de la antena pueden fijarse independientemente. Esto tiene la ventaja de tener la posibilidad para alcanzar infinidad de rayos o lóbulos.
Con la formación de rayos adaptable, varias estrategias óptimas pueden utilizarse. La unidad de procesamiento de señales debe maximizar la relación de portadora a interferencia y ruido (CINR: Carrier-to-Interference and Noise Ratio) recibida. Esto se puede alcanzar teniendo un patrón de antena resultante tal que el arreglo de antenas crea un nulo en la dirección de llegada de un interferente. Sin embargo, el número de los interferentes que pueden ser cancelados está limitado por el número de elementos que constituyen el arreglo; con N elementos de antena es posible tener, a lo mucho, N - 1 interferentes nulos. Además, esta técnica requiere un buen conocimiento del ambiente de radio. Esto explica porqué en muchos sistemas método se utiliza principalmente en el enlace de subida, donde la estación base puede tener mayor conocimiento del ambiente de radio.
Finalmente, una implementación avanzada de formación de rayos puede permitir Acceso Múltiple por División Espacial (SDMA: Space Division Multiple Access). Esto bajo la condición de que dos o más usuarios estén lo suficientemente separados en el espacio para que sea posible enviarles, al mismo tiempo y con los mismos recursos físicos, diversa información sobre diferentes rayos o lóbulos (figura 1.10). Sin embargo, el uso de SDMA es absolutamente complicado en un ambiente móvil donde las estaciones móviles pueden estar muy separadas en un momento dado y estar en la misma dirección al siguiente momento [11 – 13].
Figura 1.10. Un trazado de celda que muestra como un arreglo de antenas utiliza formación de rayos mediante SDMA.
1.3 Capa de Control de Acceso al Medio (MAC)
Una de las principales funciones de la capa MAC de WiMAX es proveer una interfaz entre la capa física y las capas superiores. La capa MAC toma los paquetes provenientes de la capa superior, estos paquetes se llaman Unidades de Datos de Servicio MAC (MSDU’s: MAC Service Data Units) y los organiza en Unidades de Datos de Protocolo (MPDU’s: MAC Protocol Data Units) para su transmisión. En el receptor, la capa MAC realiza el proceso inverso.
La capa MAC del 802.16 se diseñó para aplicaciones de acceso inalámbrico de banda ancha de punto a multipunto (PMP: Point-to-Multipoint); los servicios requeridos por los usuarios finales pueden variar en cuanto al ancho de banda o su “latencia” (retardo), además contiene una subcapa de convergencia que puede relacionarse con protocolos de capas superiores como Modo de Transferencia Asíncrono (ATM: Asynchronous Transfer Mode), Ethernet, Protocolo de Internet (IP: Internet Protocol), entre otros, aunque el foro WiMAX ha decidido soportar IP y Ethernet.
Algunas de las aplicaciones de la capa MAC en WiMAX son:
• Retransmisión de las MPDU’s que se recibieron erróneamente en el receptor cuando se utiliza una solicitud de repetición automática (ARQ: Automatic Repeat re-Quest).
• Provee el control de Calidad de Servicio (QoS: Quality of Service) y manejo de prioridad de las MPDU’s pertenecientes a diferentes datos y portadoras de señalización.
• Planificar las MPDU’s sobre los recursos de la capa física. • Provee seguridad y manejo de claves.
• Provee operación en modo de ahorro de potencia y modo inactivo (idle).
La capa MAC 802.16 se divide en subcapa de convergencia específica (CS: Convergence Sublayer) y subcapa de parte común (CPS: Common Part Sublayer). La CS se utiliza para mapear el tráfico a una capa MAC que es lo suficientemente flexible para el transporte eficiente de cualquier tipo de tráfico. Las capas de CS son una interfaz entre la capa MAC y la capa de red. La figura 1.11 muestra la estructura de capas en WiMAX.
Figura 1.11. Estructura de capas en WiMAX.
La CPS realiza todas las operaciones de paquete que son independientes de las capas superiores, tales como fragmentación y concatenación de las SDU’s en MPDU’s (ver figura 1.12), transmisión de MPDU’s, control de QoS y ARQ [2, 11].
1.3.1 Transmisión de Unidades de Datos de Protocolo (PDU’s).
El estándar 802.16 de la IEEE ha sido diseñado para soportar TDD y FDD. En el modo FDD existe soporte adicional para operación con FDD sin trama, donde la transmisión no contiene una estructura de trama y es asíncrona. En la estación base la capa MAC crea una trama de enlace de bajada (subtrama para TDD), comenzando con un preámbulo que se usa para sincronización y estimación del canal. Un encabezado de control de trama (FCH: Frame Control Header) el cual se transmite después del preámbulo, especifica el perfil de ráfaga para el resto de la trama. Esto es requerido ya que las ráfagas son transmitidas con diferentes esquemas de modulación y codificación. El FCH es seguido por una o múltiples ráfagas del enlace de bajada, cada una transmitida de acuerdo al perfil de ráfaga y consiste en un número entero de símbolos OFDM. La posición y el perfil de la primera ráfaga del enlace de bajada se especifica en el prefijo de trama del enlace de bajada (DLFP: Downlink Frame Prefix), que es parte del FCH. Las estimaciones iniciales del canal obtenidas del preámbulo se pueden usar en el seguimiento adaptable del canal usando el piloto integrado en cada símbolo OFDM.
Dado que la duración de cada trama es corta (1 – 2 ms), es posible omitir el seguimiento adaptable del canal para la mayoría de las aplicaciones inalámbricas fijas, ya que es improbable que el canal cambie significativamente durante la trama.
Las ráfagas de datos son transmitidas para decrementar la robustez y permitir a la estación suscriptora (o de usuario) recibir datos confiables antes de arriesgarse a una ráfaga de errores que podría causar la pérdida de sincronización. En el enlace de bajada, una porción de TDM inmediatamente sigue al FCH y se utiliza por un Servicio de Concesión No solicitado (UGS: Unsolicited Grant Service), el cual es útil para aplicaciones de tasas de bit constantes con restricciones de retardo estrictas tal como Voz sobre IP (VoIP).
1.3.2 Calidad de Servicio (QoS).
Una de las principales funciones de la capa MAC de WiMAX es asegurar que los requerimientos de calidad de servicio para las MPDU’s se puedan cumplir tanto como sea posible. Debido a que los requerimientos de QoS generalmente pueden variar para los diferentes servicios de datos, la primera característica de QoS es definir el orden de transmisión y la calendarización (scheduling). Por esta razón, los paquetes que cruzan por la interfaz MAC se
asocian con un flujo de servicio identificado por el identificador de conexión (CID: Connection IDentifier). El CID puede verse como una dirección temporal y dinámica de capa 2 asignada por la estación base para identificar una conexión unidireccional entre el par de capas MAC/PHY.
Los parámetros de calidad de servicio están asociados con la calendarización del enlace de subida/enlace de bajada para un flujo de servicio. En la sección 11.13 del estándar 802.16-2004 [6] se definen los parámetros de QoS [14]. A continuación se enlistan algunos de estos parámetros:
o Tipo de calendarización de servicio, también llamado clase de QoS. El valor de este parámetro especifica la calendarización del servicio que se permite para el flujo de servicio asociado.
o Prioridad de tráfico. El valor de este parámetro especifica la prioridad asignada al flujo de servicio
o Tasa de tráfico máxima soportada. Este parámetro define la tasa pico de información del servicio. La tasa se expresa en bits por segundo.
o Ráfaga de tráfico máxima. Este parámetro define el tamaño máximo de la ráfaga que se permite para el servicio.
o Tasa mínima de tráfico reservado. Este parámetro especifica la tasa mínima reservada para este flujo de servicio. La tasa se expresa en bits por segundo y especifica la cantidad mínima de datos a ser transportados.
o Parámetros específicos de QoS del vendedor. Esto permite a los vendedores codificar los parámetros específicos de QoS. La identificación del vendedor debe ser parte de estos parámetros.
o Retardo máximo. El valor de este parámetro especifica el retardo máximo entre la recepción de un paquete por la estación base o el usuario en esta interfaz de red.
