JUAN FAUSTO PUENTES BENÍTEZ

ESTIMACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DEL

MÉTODO DE ACCESO A LA INTERFAZ AÉREA DE UNA RED WLL

BASADA EN OFDM-CDMA MEDIANTE UNA SIMULACIÓN BAJO LA

HERRAMIENTA NS-2

JUAN FAUSTO PUENTES BENÍTEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

SANTA FE DE BOGOTÁ

ESTIMACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DESEMPEÑO DEL MÉTODO DE

ACCESO A LA INTERFAZ AÉREA DE UNA RED WLL BASADA EN OFDM-CDMA

MEDIANTE UNA SIMULACIÓN BAJO LA HERRAMIENTA NS-2

JUAN FAUSTO PUENTES BENÍTEZ

Documento Final de Tesis de Grado presentado como requisito parcial para optar al Título de Magíster en Ingeniería Electrónica y de Computadores

Asesor:

NÉSTOR M. PEÑA TRASLAVIÑA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

SANTA FE DE BOGOTÁ

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO 3

LISTA DE FIGURAS 7

LISTA DE TABLAS 9

INTRODUCCIÓN 10

I. EL ROL DE LAS WLL’S DE BANDA ANCHA 10

II. DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO 12

III. ALCANCE Y RESTRICCIONES DEL PROYECTO 14

1. WIRELESS LOCAL LOOP 16

1.1. DEFINICIÓN Y GENERALIDADES 16

1.2. ELEMENTOS DE RED WLL 18

1.2.1. Terminales Radio WLL 18

1.2.2. Estaciones Base de Radio WLL: 18

1.2.3. Interfaz WLL con la Red Pública (PSTN) 19

1.3. VENTAJAS DE WLL 19

1.4. TECNOLOGÍAS DISPONIBLES PARA WLL 21

1.4.1. Celular Analógico 21

1.4.2. Celular Digital 22

1.4.3. PCS 26

1.4.4. CT-2/DECT 26

1.4.5. Los Sistemas Propietarios 27

2. LA TECNOLOGÍA OFDM 31

2.1. PRINCIPIOS BÁSICOS DE OFDM 31

2.1.1. Ortogonalidad 33

2.1.2. Ortogonalidad en el Dominio de la Frecuencia 35

2.2. GENERACIÓN Y RECEPCIÓN DE OFDM 36

2.2.1. Conversión Serial a Paralelo 38

2.2.2. Modulación de Subportadora 39

2.2.3. Conversión del Dominio de la Frecuencia al Dominio del Tiempo 40

2.2.4. Modulación RF 41

2.2.5. Generación OFDM Real Vs Compleja 42

2.3. PERIODO DE GUARDA 45

2.4. EFECTO DEL RUIDO BLANCO GAUSSIANO ADITIVO EN OFDM 47

2.4.1. Esquemas de Modulación 48

2.4.2. Limitaciones de modulación de los sistemas 49

2.5. OFDM MULTIUSUARIO 50

2.6. ESTRUCTURA DE LA RED 51

2.6.1. Peer-to-Peer Networking 51

2.6.2. Estación Base: Celda Única 52

2.6.3. Canal de Bajada 53

2.6.4. Canal de Subida 54

2.7. ASIGNACIÓN DE SUBPORTADORA MULTIUSUARIO 55

2.7.1. Grupo de Subportadoras con Frecuencia Fija 55

2.7.2. Saltos de Frecuencia Aleatoria 56

2.7.3. TDMA 56

2.7.4. CDMA 57

3. EL SISTEMA WLL BASADO EN OFDM-CDMA 58

3.3. MODULACIÓN Y ESQUEMAS DE ACCESO MÚLTIPLE 61

3.4. LA CAPA FÍSICA FWA 67

3.5. CARACTERÍSTICAS DE QOS 68

3.6. CLASES DE SERVICIO MAC 68

3.7. DEFINICIÓN DEL CONTROL DE ACCESO AL MEDIO 70

3.8. ALGORITMO DE PROGRAMACIÓN MAC FSA 72

3.9 EL SISTEMA FWA COMO ACCESO A UNA RED IP 80

3.10. SEÑALIZACIÓN RSVP 82

4. HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN Y LA IMPLEMENTACIÓN WLL DESARROLLADA 85

4.1. GENERACIÓN DE ESCENARIOS EN ns -2 86

4.2. EL DOMINIO INALÁMBRICO EN ns -2 86

4.2.1. La Pila de Red en los Nodos Inalámbricos Ns-2 87

4.2.2. Agentes de Enrutamiento 88

4.2.3. Escenarios Mixtos 88

4.2.4. Agente de Enrutamiento No Ad-Hoc: NOAH 89

4.3. EXTENSIONES A ns -2 PARA LA SIMULACIÓN DE WLL 89

4.3.1. Cambios en la Estructura del Nodo Inalámbrico 91

4.3.2. Archivos de Ns-2 Modificados 91

4.4. DESCRIPCIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LA CAPA LL 92

4.5. DESCRIPCIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN DE LA CAPA MAC 94

4.6. EJEMPLO: SCRIPT TCL 98

5.1. FUENTES DE TRÁFICO HOMOGÉNEAS 104

5.2. FUENTES DE TRÁFICO HETEROGÉNEAS 109

6. CONCLUSIONES 118

APORTES DEL PROYECTO 119

TRABAJO FUTURO 119

GLOSARIO 120

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Construcción en Dominio del Tiempo de una Señal OFDM 34 Figura 2. Respuesta en Frecuencia de las Subportadoras en una Señal OFDM de 5 Tonos. 36 Figura 3. Diagrama de Bloques de un Transceiver OFDM Básico 37

Figura 4. Constelación de Modulación IQ. 16-QAM. 39

Figura 5. Puntos IQ para Datos 16-QAM con Ruido 40

Figura 6. Generación de OFDM, Etapa IFFT. 41

Figura 7. Modulación RF de una Señal OFDM Banda Base Compleja Usando Técnicas Analógicas 41 Figura 8. Modulación RF de una Señal OFDM Banda Base Compleja Usando Técnicas Digitales

(DDS: Direct Digital Synthesis) 42

Figura 9. Corrimiento DC de la Señal OFDM 43

Figura 10. Construcción de Subportadoras Generando una Forma de Onda de 44

Salida Real en el Dominio del Tiempo 44

Figura 11. Construcción de Subportadoras por una Señal Compleja para la Representación de las

Señales OFDM 45

Figura 12. Adición de un Periodo de Guarda a una Señal OFDM 46 Figura 13. Red Peer-to-Peer. Usuarios Comunicándose Directamente con los Demás sin Control

Centralizado. 52

Figura 14. Estación Base Conectando al Sistema 53

Figura 15. Enlace de Bajada en un Sistema de Celda Única 53

Figura 16. Enlace de Subida de un Sistema OFDM Usando Única Celda y FDM 55

Figura 17. Arquitectura FWA 59

Figura 18. Arquitectura de Protocolos 60

Figura 19. Arquitectura para el Manejo de Tráfico 61

Figura 20. Esquema de Transmisión OFDM-TDMA 66

Figura 21. Esquema de Transmisión OFDM-CDMA 66

Figura 22. Estructura Lógica del Esquema de la Capacidad Radio y Esquema de Operación MAC

Dinámico 71

Figura 24. Algoritmo FSA 79 Figura 25. Flujo de Información Para el Establecimiento de una Sesión RSVP en UL. 84

Figura 26: Esquema de un Nodo Móvil. 88

Figura 27. Estructura Modificada para el Nodo Inalámbrico WLL. 91

Figura 28. Diagrama de Flujo para la Capa LL. 93

Figura 29. Diagrama de Flujo para la Recepción en Capa MAC. 95

Figura 30. Diagrama de Flujo para el Envío en Capa MAC. 97

Figura 31. Topología de la Red a Simular 104

Figura 32. Utilización de la Matriz TC 106

Figura 33. Retardos Medios BE de cada Usuario 107

Figura 34. Comparación de Retardos Medios GB 107

Figura 35. Comparación de Retardos Medios BE 108

Figura 36. Funciones de Densidad y Distribución de Probabilidad Sim4 GB, RT1. 114 Figura 37. Funciones de Densidad y Distribución de Probabilidad Sim4 BE, RT1. 114 Figura 38. Retardos Mínimo, Máximo y Promedio de los paquetes GB del RT4 como Función del

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Comparación de Redes Inalámbricas. 11

Tabla 2. Comparación de Técnicas de Acceso. 64

Tabla 3. Parámetros Principales FWA 68

Tabla 4. Parámetros Utilizados por el FSA 77

Tabla 5. Parámetros Utilizados para Simulación con Fuentes Homogéneas 104 Tabla 6. Trazas MPEG Usadas en la Simulación con Fuentes Heterogéneas 109 Tabla 7. Parámetros Utilizados para Simulación con Fuentes Heterogéneas 109

Tabla 8. Simulación 1 110

Tabla 9. Simulación 3 110

Tabla 10. Simulación 4 111

Tabla 11. Retardos Medidos Simulación 1 111

Tabla 12. Retardos Medidos Simulación 2 112

Tabla 13. Retardos Medidos Simulación 3 112

INTRODUCCIÓN

Las tecnologías inalámbricas como WLL y W-LAN se han vuelto incrementalmente atractivas principalmente por su facilidad de montaje, cobertura continua, conectividad, movilidad del terminal de usuario (para el caso W-LAN) y la flexibilidad inherente que permiten aplicaciones de servicios de banda ancha al usuario final [1].

Desarrollos importantes en el software y capacidades hardware de los terminales, acoplados con sofisticados esquemas de acceso múltiple y protocolos para la interfaz inalámbrica, permiten un amplio rango de posibilidades para desplegar a bajo costo acceso inalámbrico a redes domésticas (HomeRF), redes ad hoc (Bluetooth), WLL’s y WLAN’s con un muy alto desempeño de las interfaces de radio, como sucede, por ejemplo, con los estándares IEEE 802.11 e HIPERLAN.

Los aspectos claves del éxito de estos sistemas son:

• Su extrema flexibilidad para proveer acceso a los usuarios dentro de un área de cobertura determinada, con una infraestructura fija (puntos radio fijos) o sin ella (redes ad hoc). • Su costo relativamente bajo con respecto a las infraestructuras cableadas, especialmente

para actualizarla hacia servicios de banda ancha o para desplegar nueva infraestructura. • La posibilidad de proveer servicios flexibles en términos de recursos y calidad (servicios

de tiempo real, servicios multimedia de alta calidad de banda ancha, Internet de alta velocidad y servicios tradicionales de banda estrecha).

I. EL ROL DE LAS WLL’S DE BANDA ANCHA

El área de aplicación de las redes WLL de banda ancha es esencialmente igual al de las redes telefónicas pero con una marcada tendencia al transporte de datos. Los papeles y características relativos a WLL, B-WLAN (Broadband Wireless LAN) [4] y UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) [7], son comparados en la Tabla 1. Es de notar que el objetivo de las WLL’s es la transferencia de tráfico orientado a voz y datos. Sin embargo, el tráfico multimedia también juega un papel significativo. Éste propone un requerimiento de

ancho de banda mucho mayor al que UMTS puede proporcionar, y por tanto exige que la tecnología de radio tenga anchos de banda más amplios, tales como la banda ISM alrededor de 2.4 GHz [1]. Sin embargo, frecuencias de operación muy altas en conjunción con un canal de radio problemático en ambientes urbanos, exigen técnicas de acceso muy robustas, al menos para productos de clase alta, a fin de alcanzar el throughput requerido que puede hacer a las WLL’s competitivas con las redes cableadas (esto es, cientos de Mbps). En este proyecto se trata de la técnica de acceso OFDM-CDMA, los aspectos más sobresalientes de OFDM, por ser menos conocida, son presentados en el Capitulo 2: La Técnica OFDM.

Parámetro UMTS W-LAN WLL

Operador Público y privado Privado Público

Aplicaciones Indoor y outdoor Básicamente indoor Outdoor

Banda de frecuencia de operación 1885-2025 MHz 2110-2200 MHz 2.4, 5, 17 y 60 GHz 2.4 GHz, 28 GHz. Ondas milimétricas

Tasa de datos 2 Mbps 1-54 Mbps Hasta 155 Mbps

Rango < 10 Km Hasta 100 m < 10 Km

Comunicación _{conexión (circuitos y} Orientada a la

paquetes), IP/ATM

No orientada a la conexión (IP), ATM

No orientada a la conexión (IP)

Capacidad Asignación variable Asignación variable Asignación variable

Velocidad Alta velocidad del móvil Muy baja velocidad

(casi estacionaria) Estacionaria

Clase de movilidad Vehículo, portátil,

handset Portátil Terminal WLL fijo

Servicios Datos, voz, video,

acceso a fuentes IT

Datos, voz, video, acceso a fuentes IT

Datos, voz, video, multimedia

Interworking PLMN, PSTN, ISDN,

Internet

Redes corporativas

privadas, Internet PSTN, ISDN, Internet

Cobertura Infraestructura celular

con handover

Local con nodos de interconexión

Infraestructura inalámbrica fija

Acceso W-CDMA, TD-CDMA TDMA, CDMA, OFDM TDMA, CDMA, OFDM

Tabla 1. Comparación de Redes Inalámbricas.

Un segundo aspecto es la capacidad de proporcionar soporte a un rango de requerimientos de calidad de servicio diferentes, yendo de las aplicaciones de QoS garantizada (típicamente aquellas que involucran alguna forma de comunicación en tiempo real de audio y/o vídeo)

hasta las de tráfico de mejor esfuerzo. Es conveniente hacer ésto en tal forma que simplifique la operación con redes troncales exteriores (por ejemplo, PSTN, ISDN e Internet). Otras generalidades de las redes WLL son planteadas en el Capítulo 1: Wireless Local Loop.

II. DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Se define entonces el proyecto de tesis titulado Estimación de los Parámetros de Desempeño del Método de Acceso a la Interfaz Aérea de una Red WLL Basada en OFDM-CDMA Mediante una Simulación Bajo la Herramienta ns-2, con el objetivo de evaluar el desempeño, bajo diferentes tipos de tráfico (con fuentes CBR, fuentes ON-OFF de voz , trazas de video MPEG, fuentes de datos IP) con calidad de servicio diferenciada, de la interfaz aérea de una red WLL que explota OFDM-CDMA, cuya técnica de acceso utiliza un mecanismo de demanda / asignación [3]. Esta evaluación de los parámetros de desempeño se centra básicamente en tres aspectos claves, que son:

• La utilización eficiente del ancho de banda disponible de la red.

• El cumplimiento con la entrega de la calidad de servicio QoS garantizada para los flujos de prioridad alta, reflejado en el acatamiento de un retardo objetivo máximo end-to-end experimentado por los paquetes de tráfico GB.

• El asegurar la igualdad entre los tráficos generados en los terminales de usuarios (RT’s) mediante una asignación proporcional de la capacidad sobrante que se refleja en la homogeneidad de los retardos medidos.

Para cumplir con el objetivo del proyecto se diseñó e implementó un módulo en la herramienta de simulación Network Simulator ns-2, para estimar los parámetros de desempeño del control de acceso al medio de la interfaz aérea en el enlace de subida UL (estación de usuario a estación base) del sistema de telecomunicaciones digital WLL con dos escenarios diferentes en cargas de tráfico y topología de red, como se describe en el Capítulo 5: Análisis de Desempeño. Dicha implementación se hizo desarrollando los algoritmos y procesos que simulan los eventos que tienen lugar en las capas MAC y de Adaptación (denominada aquí capa LL) de los nodos estación base y estación de usuario, que se comunican utilizando el protocolo de interfaz WLL OFDM-CDMA, descrito ampliamente en el Capítulo 3:. WLL Basada en OFDM-CDMA.

Los detalles de codificación y montaje sobre el simulador ns-2 se presentan en el Capítulo 4: Herramienta de Simulación y la Implementación WLL Desarrollada, donde se explica brevemente el manejo del simulador y su utilización en este proyecto. Adicionalmente, en el Anexo A se incluyen los códigos fuente escritos para las capas WLL estudiadas y las fuentes de tráfico implementadas.

Para la capa MAC se construyeron dos algoritmos diferentes para simular el proceso de asignación de ancho de banda a los requerimientos hechos por cada usuario (con base en el tamaño de sus colas de salida), uno que garantiza un ancho de banda mínimo al tráfico de mayor prioridad de cada usuario y otro que además lo garantiza para el tráfico de menor prioridad. Otros dos algoritmos representan los procesos de llenado (o transmisión) de la matriz que simula la capacidad de la interfaz aire, es decir, el transporte de los fragmentos de paquete cuyo ancho de banda a sido asignado después de ser procesado en la estación base su respectivo requerimiento, estos algoritmos son los métodos de llenado de la matriz por columnas y por filas, teniendo en cuenta la calidad de servicio diferenciada y los slots y códigos OFDM-CDMA disponibles, lógicamente por cada estación de usuario. El mecanismo demanda / asignación bajo el cual se rige el protocolo de control de acceso al medio de la tecnología estudiada está implementado en dos canales de control fijos, el canal ReqCh (en enlace UpLink) donde se hacen los requerimientos y el canal AlCh (en enlace DownLink) donde se hacen las asignaciones.

En la capa LL se hace la fragmentación y envío a la capa MAC de los paquetes IP recibidos desde las fuentes y la clasificación según su QoS; en recepción se hace el respectivo reensamblaje de los fragmentos y el envío de los paquetes hacia la capa superior (y al sumidero destino). También, se implementó el desecho de paquetes erróneos recibidos y el proceso de intercambio de PDU’s con la capa MAC.

Las medidas de los parámetros de desempeño se obtienen a través de diferentes archivos generados durante cada simulación y son estudiadas posteriormente mediante importación a Excel y MatLab, donde se obtienen las curvas analizadas en el Capitulo 5: Análisis de Desempeño.

III. ALCANCE Y RESTRICCIONES DEL PROYECTO

En este punto, es necesario aclarar las restricciones y los alcances que tienen lugar en el desarrollo y culminación de este proyecto. Las restricciones se deben a la capacidad limitada del simulador para profundizar en el desarrollo de códigos que permitan estudiar los eventos relacionados con la capa física (propia de OFDM-CDMA) y los fenómenos físicos experimentados por las señales transmitidas, como ruido, pérdidas por desvanecimiento, atenuación por zonas de Fresnel (línea de vista electromagnética), etc. Estos estudios podrían ser realizados en MatLab, por ejemplo, y deberán arrojar el valor de la tasa de error de bit como medida de desempeño principal, como los estudios realizados en [15] y [16]. Además, el paquete es la unidad mínima manejada por ns-2, lo que implica que - aunque se estima que la tasa de error de bit BER de estos sistemas es menor a 10-3 aproximadamente - no se podría establecer un algoritmo de corrección de errores (como FEC, por ejemplo) en el simulador. Por esta razón se asumió una tasa de error de fragmento de 10-5 en todas las simulaciones hechas; este valor puede ser ajustado para nuevos estudios. Por simplicidad en los algoritmos se fijó el tiempo de propagación en cero, pero en las medidas de desempeño se introduce su valor respectivo junto con el tiempo de procesamiento (restricciones de los equipos hardware reales), el valor total asumido es de 2 milisegundos. Finalmente, para la simulación de las capas superiores se utiliza el trabajo previamente desarrollado para nodos inalámbricos en la Universidad de Berkeley e incluido con la versión de distribución de ns [17] y las cargas de tráfico se obtienen con fuentes o generadores de tráfico y no se hacen al nivel de aplicación o de capas superiores.

Los alcances quedan esclarecidos una vez definidas las restricciones. Las implementaciones se hacen ciñéndose estrictamente a la definición del protocolo de acceso para la tecnología estudiada y las medidas son obtenidas satisfactoriamente, aunque con limitantes en el tiempo de simulación por las altas cargas de tráfico (capacidad total alrededor de 144Mbps), pero suficiente para realizar el estudio de datos representativos y en condiciones estables. En este proyecto entonces, como se ha dicho, se diseña e implementa un simulador para una red WLL basada en OFDM-CDMA sobre la herramienta Network Simulator ns-2, que es un simulador de dominio público ampliamente utilizado.

Este proyecto surge para dar continuidad a la línea de estudio acerca de las redes de telecomunicaciones inalámbricas y sus medidas de desempeño determinadas mediante simulación, que ocupa un renglón importante en el Departamento de Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Los Andes y particularmente importante por lo que representa la tecnología OFDM-CDMA dentro de los sistemas inalámbricos de última generación.

A continuación se resume el contenido del presente documento. El Capítulo 1 contiene un resumen completo sobre los sistemas de comunicación Wireless Local Loop, desde sus características y ventajas hasta sus dificultades y retos de cara al futuro, y se describen brevemente algunas tecnologías con las cuales se implementan las redes WLL. El Capítulo 2 perfila los aspectos más sobresalientes de la tecnología OFDM, se describen sus principios básicos como ortogonalidad, generación y recepción, modulación, ventajas y desventajas, entre otros. El Capítulo 3 presenta toda la información que describe específicamente el caso de estudio, la tecnología OFDM-CDMA explotada por una red WLL de banda ancha, incluyendo la arquitectura del sistema, la capa física, la capa MAC y su algoritmo para el control de acceso al medio, esto es, el manejo y la asignación de capacidad para los flujos de tráfico con QoS diferenciada bajo un esquema demanda / asignación, y la capa de adaptación (llamada capa LL), cuya función principal es la segmentación y el reensamblaje de paquetes. En el Capítulo 4 se describen las generalidades de la herramienta de simulación (Network Simulator ns-2) y las implementaciones y desarrollos realizados sobre ésta, es decir, los detalles de los procesos MAC y LL codificados, así como los scripts TCL de los escenarios simulados. Finalmente, el Capítulo 5 describe los aspectos que particularizan el caso de estudio, como la topología de la red evaluada, los escenarios simulados y sus respectivas fuentes y cargas de tráfico, y los resultados y análisis hechos a los mismos. El capítulo de Conclusiones complementa y finaliza el desarrollo del proyecto de tesis.

1. WIRELESS LOCAL LOOP

1.1. DEFINICIÓN Y GENERALIDADES

Algunas veces llamado Radio in the Loop (RITL) o Fixed Radio Access (FRA), Wireless Local Loop (WLL) es un sistema que conecta subscriptores de la red telefónica pública conmutada (PSTN) usando señales de radio como sustitutas del cobre para toda la conexión o parte de ella, entre el subscriptor y el switch. Esto incluye sistemas de acceso sin cables, acceso radio-fijo propietario y sistemas celulares radio-fijos como opciones para la interfaz de aire.

Se trata de una técnica que provee enlaces locales sin cables. Mediante sistemas de antenas de radio omnidireccionales o direccionales de bajo poder, WLL permite a los operadores y prestadores de servicio telefónico (de voz y datos) una capacidad de transmisión mayor por usuario y más ancho de banda agregado por área de cobertura; tales sistemas están siendo implantados en las economías emergentes, donde aún no existe acceso a las redes públicas fijas. Los países en desarrollo tienen la mirada puesta en la tecnología WLL como una manera eficiente de desplegar servicios a millones de suscriptores, evitando los altos costos de trazar rutas de cable físico. También es altamente beneficioso para los operadores que entran en mercados competitivos, ya que dichas compañías pueden llegar a los usuarios sin tener que pasar por las redes de los operadores tradicionales. En economías desarrolladas, los costos de despliegue y mantenimiento de la tecnología inalámbrica, son relativamente bajos. Esas ventajas hacen de WLL una solución muy competitiva.

La tecnología WLL, entonces, ofrece una solución que provee acceso a redes, prometiendo un uso más eficiente del capital y un despliegue más rápido que los pares de cobre tradicionales. Diferentes tecnologías inalámbricas pueden proveer acceso a la red telefónica, incluyendo enlaces de microondas punto a punto y punto multipunto, radio móvil celular, sistema de comunicaciones personales (PCS), redes de comunicación

personal (PCN), PBX inalámbricas (dentro de edificios) y sistemas satelitales. El servicio WLL puede ser definido como un servicio inalámbrico pensado para proveer a sus usuarios acceso al "backbone" de la red telefónica. Se admite que los servicios PCS pueden encajar también en esta descripción. Más estrechamente, el servicio WLL puede ser definido como un servicio inalámbrico fijo pensado para proporcionar acceso a una red telefónica.

Los sistemas WLL pueden ser diseñados específicamente para servicios inalámbricos fijos o pueden ser una modificación o híbrido de una tecnología móvil celular o PCS. En general, cuando la densidad de abonados es baja y las distancias a la central telefónica son grandes, los sistemas WLL basados en tecnología radio punto a punto o punto a multipunto normalmente son la solución técnica más apropiada. Cuando se presta servicio a una densidad de abonados más alta o se extiende la red alambrada más allá de sus límites existentes, los sistemas WLL tienen mayor probabilidad de ser basados en tecnología radio celular y/o PCS, bien sea analógico (AMPS, TACS, NMT, etc.) o digital (GSM, DECT, PDC, TDMA, CDMA, etc.). Las convenciones tecnológicas también han sido desarrolladas para direccionar el mercado de los servicios WLL [1].

La principal característica de WLL es que proporciona un servicio alternativo a la telefonía cableada clásica, donde los pares de cobre se deben enrutar a cada abonado desde la oficina central de la PSTN. Para operar WLL, primero debe ser desplegada la infraestructura, es decir, las radio bases tienen que ser instaladas hasta alcanzar la cobertura geográfica y la capacidad requeridas a la red. Sólo entonces, el servicio estará disponible para todos los suscriptores potenciales, dentro del rango de señal de las estaciones base de radio. El servicio individual comenzará con la instalación de la unidad del usuario, la autorización y la activación.

La tecnología WLL intrínsecamente ofrece flexibilidad para empalmar niveles inciertos de penetración y tasas crecientes de abonados. En los sistemas WLL que no permiten movilidad del usuario como normalmente ocurre, pueden ser obtenidas algunas reducciones en el costo, gracias a la optimización del diseño de la radio base, con el fin de atender a un suscriptor que se encuentra en una ubicación fija, ya conocida de antemano. El número de estaciones base de radio depende de anticipar el tráfico para el cual se va a utilizar, la capacidad del sistema,

la disponibilidad del sitio, el rango de cobertura que se va a proporcionar, las características de propagación local y el ancho de banda a ser usado por la red WLL.

Además, la flexibilidad puede ser incrementada en sistemas WLL que son modulares y permiten fácilmente a las estaciones base ser reacondicionadas; la capacidad de las redes puede ser redistribuida entre las estaciones base existentes como sea necesario para manejar más eficientemente la demanda de tráfico. Diferentes sistemas ofrecen diferentes grados de eficiencia espectral en términos del número de usuarios soportados por unidad de ancho de banda, suministrando una ventaja a sistemas de alta capacidad en regiones con gran densidad de abonados. En general, cuanto mayor es el ancho de banda disponible, mayor es la capacidad para desplegar la red.

1.2. ELEMENTOS DE RED WLL

La infraestructura de una red WLL consta básicamente de los siguientes elementos [1]:

1.2.1. Terminales Radio WLL

El suscriptor recibe el servicio telefónico a través de terminales conectados por radio a una red de estaciones base. Los terminales WLL pueden ser microteléfonos que permiten grados variables de movilidad. Pueden constar de un teléfono integrado a un equipo para uso en el escritorio o pueden ser unidades solas o de varias líneas que se conectan con uno o más teléfonos estándar. Los terminales se pueden montar dentro de una habitación o al aire libre y pueden o no incluir baterías de respaldo para el uso durante interrupciones de la línea de potencia. Las diferencias en los diseños de los terminales WLL reflejan el uso de diversas tecnologías de radio en los sistemas WLL y la variedad de servicios que pueden ser soportados, desde servicio telefónico convencional (POTS) hasta servicios avanzados de banda ancha.

1.2.2. Estaciones Base de Radio WLL:

Las estaciones base en un sistema WLL se despliegan para proveer la cobertura geográfica necesaria. Cada estación base se conecta a la red bien por cable o por microondas. De esta manera, un sistema WLL se asemeja a un sistema móvil celular, cada estación base utiliza una célula o varios sectores de cobertura, manteniendo a los suscriptores dentro del área de cobertura y proporcionando conexión de retorno a la red principal. El área de cobertura es

determinada por la potencia del transmisor, las frecuencias en las cuales la estación base y los terminales radio del suscriptor funcionan, las características locales asociadas a la propagación en función de la geografía local y del terreno y los modelos de radiación de las antenas de la estación base y del equipo terminal del suscriptor.

1.2.3. Interfaz WLL con la Red Pública (PSTN)

Los abonados de un sistema WLL son enlazados vía radio a la red de estaciones base, las cuales están unidas al "backbone" de la red PSTN. La interfaz de los sistemas WLL con la red telefónica es soportada por su propio switch o a través de una conexión directa a la central local. Los sistemas WLL tienen disponibilidad para incorporar su propio switch, es decir, conectar uno o más switches específicos. En parte, este acercamiento a la arquitectura del sistema WLL, refleja la dificultad de soportar conexión directa a la gran variedad de switches ofrecidos globalmente. Las interfaces digitales pueden ser muy convenientes y menos costosas, pero la compatibilidad entre un switch específico y el sistema WLL no puede estar siempre asegurada. Existen otras opciones para la interfaz WLL, como la utilización de una Gateway, pero con el inconveniente de los costos agregados, sin embargo, otros servicios pueden ser implementados como InterWorking Function (IWF), Voice Mail System (VMS) y Short Message Center (SMC).

1.3. VENTAJAS DE WLL

En comparación con la alternativa de desplegar líneas de cobre, la tecnología WLL ofrece varias ventajas dominantes, de las cuales las principales son:

Despliegue más rápido: Los sistemas WLL se pueden desplegar en semanas o meses, en comparación a los meses o años que se requieren para desplegar el alambre de cobre por encima o por debajo de la tierra. Ello puede significar ganancias más pronto y reducción del tiempo para la recuperación de la inversión. Aún con costos más altos por suscriptor, asociados al equipo terminal y a las estaciones base, el despliegue más rápido puede permitir un retorno más alto en la inversión. También, es una ventaja para el operador ser el primero en el mercado en cuanto a servicios competitivos. Desde el punto de vista social y político, acelera el proceso de desarrollo económico regional y local.

Bajo costo de construcción: El despliegue de la tecnología WLL implica considerablemente menos construcción pesada que la necesaria para instalar líneas de cobre. Esos costos más

bajos pueden ser más que compensados por los costos de equipo adicional asociados a tecnología WLL, pero, especialmente en áreas urbanas, puede haber un valor considerable si se evitan las interrupciones que regularmente exige el despliegue a gran escala de líneas de cobre.

Bajo costo de mantenimiento de la red: La gestión y los gastos de explotación, especialmente en las áreas donde el despliegue de líneas de cobre tiene potencial de incertidumbre, son inferiores. El equipo sin hilos puede ser menos propenso a incidentes y menos vulnerable a sabotaje, hurto o daño debido los elementos naturales, humanos o animales. Por otra parte, el manejo de la red, incluyendo análisis de averías y la reconfiguración del sistema, puede ser conducido desde una localización centralizada. El resultado final son costos reducidos durante la vida útil de la red.

Bajos costos de extensión de red: Una vez que la infraestructura WLL (la red de estaciones base y la interfaz a la red telefónica) está en su lugar, los costos por incremento del número de suscriptores son muy bajos. Los sistemas WLL se diseñan para ser modulares y escalables, además de permitir que el ritmo de despliegue de la red corresponda con la demanda, reduciendo al mínimo los costos asociados a la planta poco utilizada. Estos sistemas son lo suficientemente flexibles para empalmar niveles inciertos de penetración y tasas de crecimiento.

Adaptaciones al Mercado: A pesar de que los sistemas WLL pueden estar basados en tecnología móvil inalámbrica, éste es principalmente un servicio fijo. Con la localización de los abonados conocidos, el despliegue de un sistema WLL puede ser diseñado para proporcionar cobertura al usuario a un menor costo comparado con un sistema móvil. La densidad de tráfico puede ser bien diferente, especialmente si el servicio WLL fijo tiene tarifas bajas o subsidiadas. El servicio fijo implica que el terminal de abonado no puede ser el "handset" normalmente asociado con el servicio móvil, en otras palabras, puede ser una unidad que proporciona una o más interfaces de línea de abonado para teléfonos estándar, soportando múltiples extensiones o múltiples líneas. Las características del despliegue tecnológico WLL pueden depender de si el sistema está planeado para regiones o mercados donde existen pocas o ninguna alternativa para tener acceso a las redes telefónicas. Cuando un sistema WLL es usado como acceso a la red telefónica primaria, la mayoría de las veces la meta es

suministrar servicio telefónico convencional (POTS) en reemplazo de las líneas de cobre. Sin embargo, con la disponibilidad de acceso a WLL se pueden brindar alternativas como proveer capacidades y características avanzadas. Desde el punto de vista del operador de red, los negocios de WLL dependen de la visión que se tenga. También en ciertos mercados, un despliegue de WLL puede ser un sistema transitorio mientras se despliegan las líneas de cobre. Una vez que el servicio cableado esté en su sitio, los equipos WLL pueden ser reinstalados en otro lugar para permitir la amortización de su costo. Alternativamente, una instalación de un sistema WLL puede ser concebida como el único acceso a red fija a ser proporcionado, diseñado para crecer y soportar todos los niveles previstos de tráfico y aplicaciones. Estas dos aproximaciones diferentes para la instalación de WLL pueden afectar también las características demandadas a la tecnología WLL, permitiendo capacidades limitadas si la tecnología va a ser usada para instalaciones transitorias pero requiriendo, de otra forma, capacidades más avanzadas.

1.4. TECNOLOGÍAS DISPONIBLES PARA WLL

WLL puede ser puesto en ejecución básicamente a través de cinco categorías de tecnologías inalámbricas [1]; cada una de estas tecnologías tiene una mezcla de fuerzas y debilidades para las aplicaciones WLL:

• Celular Analógico. • Celular Digital.

• Servicios de Comunicaciones Personales (PCS).

• Telefonía sin cables de segunda generación (CT-2). Telecomunicaciones digitales sin cables (DECT).

• Implementaciones Propietarias.

1.4.1. Celular Analógico

El celular analógico posee una amplia disponibilidad, resultado de su participación en mercados de la alta movilidad. Actualmente existen tres tipos principales de sistemas analógicos celulares: AMPS, NMT, TACS. Los tres tienen su nicho de participación en el mercado. Como plataforma WLL, el sistema celular analógico tiene algunas limitaciones respecto a la capacidad y las funciones. Además, los sistemas digitales brindan un mayor número de ventajas para el soporte a servicios de banda ancha y servicios agregados.

1.4.2. Celular Digital

Estos sistemas, que han visto un crecimiento bastante rápido, han desplazando a los analógicos rápidamente. Los estándares celulares digitales más importantes son: GSM, TDMA, e-TDMA (Hughes enhanced TDMA) y CDMA y sus variantes.

Los sistemas celulares digitales desempeñan un papel importante para proporcionar WLL, ya que pueden soportar mayor cantidad de suscriptores que los sistemas analógicos, y también ofrecen funciones que satisfacen mejor la necesidad de emular las capacidades de las redes cableadas avanzadas. Su desventaja es que no es tan escalable como el celular analógico. GSM domina el mercado celular digital con el mayor porcentaje de suscriptores y está concentrado en Europa, a pesar de esto, poco se ha hecho para usarlo como plataforma WLL, puesto que la configuración de GSM fue diseñada para manejar roaming internacional y lleva implícito una gran cantidad de gastos indirectos que lo hacen poco manejable y costoso para las aplicaciones WLL.

En TDMA, un usuario tiene acceso a un amplio ancho de banda pero únicamente por periodos cortos de tiempo. Usando el ejemplo de GSM, el cual es un sistema TDMA, un usuario tiene acceso a un ancho de banda de 200 KHz en una octava parte del tiempo, esto es, los usuarios tienen acceso al canal por 577 µs cada 4.6 ms. Durante ese periodo, el transmisor envía una ráfaga de datos que previamente fueron almacenados en el transmisor. TDMA presenta algunos inconvenientes, éstos son causados por la necesidad de permitir al móvil tiempo para incrementar su potencia desde cero y cambiarla instantáneamente, en efecto, es casi como transmitir una onda cuadrada, resultando en un uso momentáneo de un ancho de banda extremadamente alto, que ocasiona interferencia para un amplio rango de usuarios. Las bandas de guarda son suministradas para permitir que la potencia suba y baje. La estructura de una ráfaga en TDMA requiere al rededor de 30 µs para una rampa de subida en una ráfaga de 540 µs de duración (el tiempo tomado para una rampa de bajada también es usado por el siguiente móvil como rampa de subida). Por lo tanto, la ineficiencia es de alrededor de 30/540 = 5.5%.

Los sistemas TDMA requieren encabezado adicional porque ellos tienen que mandar información de reloj para que la unidad de abonado sepa exactamente cuando transmitir. Hay

un problema adicional. Transmitiendo sobre un ancho de banda más amplio, el problema de la ISI (Interferencia Intersimbólica) se agrava. En algunos sistemas, tales como GSM, necesitan ecualizadores que remuevan la ISI en el receptor. Para que un ecualizador trabaje, la respuesta impulsiva del canal necesita ser medida periódicamente. El reloj es ejecutado por la colocación de un tren de pulsos en medio de cada ráfaga. Por la correlación del tren de pulsos recibido con una copia local del mismo, la respuesta impulsiva del canal puede ser medida. Sin embargo, el envío del tren de pulsos representa una ineficiencia substancial en el uso del espectro de radio. El tren de pulsos puede ser evitado por WLL debido a que la ISI es reducida por el uso de antenas direccionales en la unidad de abonado. No obstante se debe tener cuidado ya que no se puede garantizar que la ISI no sea problemática en sistemas de banda ancha. TDMA tiene sobre FDMA ventajas como una mayor eficiencia y menos costos de implementación. Las desventajas son las unidades de abonado más complejas y la posible presencia de la ISI.

TDMA es ampliamente usado en métodos de acceso múltiple para muchos sistemas móviles y sistemas WLL. El sistema digital TDMA hace honor a su nombre, Acceso Múltiple por División Tiempo, dividiendo un canal simple en varios "time slots", cada usuario obtiene un slot de tiempo. La primera aplicación celular digital utilizó TDMA, basado en la norma TIA IS-54. Esto requiere digitalización de la voz, compresión y transmisión en estallidos regulares. Siguiendo con IS-54 que provee un canal de voz TDMA, IS-136 es la siguiente generación que también usa TDMA en el canal de control. TDMA, como se definió en IS-54 e IS-136, triplica la capacidad de frecuencias celulares, a través de dividir un canal celular de 30 kHz en 3 slots que soportan a 3 usuarios en alternación estricta. Los sistemas futuros también pueden utilizar velocidades medias de códigos de voz, que permite a 6 usuarios en un canal de 30 kHz. Los sistemas de redes Hughes están promoviendo el concepto de e-TDMA que utiliza slots de tiempo dinámicos para evitar la pérdida de slots cuando un lado de la conversación está en silencio, esta técnica puede casi doblar una vez más la eficacia espectral de TDMA, a aproximadamente 10: 1 por encima del analógico.

CDMA es más complejo y menos intuitivo que las otras tecnologías de acceso. Hay un debate significativo para determinar si CDMA o TDMA es más apropiado para las aplicaciones WLL, y por ende, el debate requiere que se entienda bien CDMA. CDMA es el proceso de transmisión de datos usando códigos. En este proceso, a cada usuario se le asigna una palabra código

particular. El usuario primero genera datos, los cuales pueden ser, por ejemplo, la salida de un codificador de voz. Los datos son generados a la velocidad conocida como velocidad de bit, o Rb. Cada bit es multiplicado por el código para lograr el flujo final de salida, es decir, el flujo de salida está a una velocidad de datos igual a Rb multiplicada por la longitud de la palabra código G, esa velocidad es la velocidad de chip o Rc. El proceso de multiplicación por una palabra código es conocido como ensanchamiento. La longitud de la palabra código, y por lo tanto la velocidad de chip, es un parámetro fundamental de diseño de un sistema CDMA.

El ensanchamiento con una palabra código grande se refleja en un gran ancho de banda de transmisión, el cual, si hay sólo un número pequeño de usuarios, mostrará ineficiencia. Ensanchando con un código pequeño se obtiene un ancho de banda de transmisión más pequeño, el cual no puede ser capaz de acomodar suficientes usuarios. El factor de ensanchamiento también es influenciado por el tamaño de la frecuencia asignada disponible por el operador. La elección del código es de importancia crítica. El código debe tener propiedades de buena autocorrelación como propiedad que maximiza la probabilidad de recepción. En el receptor se requiere un proceso de compresión para recuperar los datos. El proceso involucra la multiplicación de la señal recibida por la palabra código para que la información binaria original sea decodificada, lo cual le brinda una capacidad para tolerar la interferencia.

En sistemas WLL CDMA, la habilidad para tolerar interferencia es utilizada para permitirle a otros usuarios enviar sus transmisiones sobre el mismo canal. Cada uno de los otros usuarios también tiene un código de ensanchamiento. Es importante que cada usuario tenga un código diferente y que los códigos sean ortogonales, o cercanamente ortogonales. Si dos usuarios tuvieran el mismo código, el receptor no sería capaz de diferenciar entre ellos y la interferencia sería severa. Si dos usuarios emplean códigos diferentes pero no ortogonales, una cierta componente de la segunda señal de usuario sería decodificada por el primer usuario, negando algunas de las ventajas del proceso de decodificación.

Un buen número de familias de códigos son ortogonales, la más conocida probablemente es la familia Walsh [19]. En cada una de las familias, pueden haber solamente tantas palabras código ortogonales como bits en la palabra código, es decir, G. La falta de palabras código puede ser un problema en algunos sistemas, particularmente los celulares, donde la

interferencia puede ser aumentada por células adyacentes. Ésto se puede sobreponer utilizando familias de códigos ortogonales; en estas familias no hay escasez de códigos, pero la interferencia de otros usuarios llega a ser un poco más problemática. La asignación de palabras de código se ha convertido en un parámetro que un operador necesita definir claramente en los sistemas WLL CDMA.

Es obvio que la capacidad de un sistema CDMA está limitada por la cantidad de interferencia generada por otros usuarios que emplean la misma frecuencia. Por ello a menudo se declara que "CDMA está limitado por la interferencia" ya que la relación entre la capacidad CDMA y la interferencia es más directa y al parecer también en otras técnicas de acceso. Una de las ventajas de CDMA es que reduciendo el factor de ensanchamiento G, un usuario puede incrementar la velocidad de transmisión de datos sin cambiar el ancho de banda de la señal que es transmitida. Esto permite una forma de asignación dinámica de ancho de banda sobre demanda. Sin embargo, para el usuario que reduce el factor de ensanchamiento, la interferencia que puede tolerar se disminuye y la capacidad total del sistema en términos de número de usuarios disminuye. No obstante, la flexibilidad es extremadamente útil en un ambiente WLL.

Una de las principales preocupaciones con CDMA es el control de la potencia [8]. En un ambiente WLL algunos terminales de abonado están más cerca de la estación base que otros. Para maximizar la capacidad del sistema, es importante que estos terminales más cercanos a la estación base transmitan con una potencia más baja para que todos los niveles de la señal sean recibidos con la misma intensidad. La precisión requerida para el control de potencia es alta. Un error de 3 dB en una unidad de abonado sencilla partiría en dos la capacidad del sistema. En un sistema celular CDMA, esta precisión es difícil de lograr con móviles que pasan a través de un medio con rápido desvanecimiento. Con WLL, la situación es menos problemática. En particular donde hay un camino LOS (Line of Sight) el canal será relativamente estable y los sistemas de control de potencia en lazo cerrado pueden ser usados para ajustar el nivel de potencia al que es requerido exactamente.

Algunos usos de espectro ensanchado se realizan en operaciones militares. Debido al gran ancho de banda de una señal de espectro ensanchado, es muy difícil bloquear, interferir e identificar. Esto está en contraste con tecnologías que usan un ancho de banda de

frecuencias angosto. El espectro de una señal de ancho de banda extendido es muy difícil de detectar, ya que aparece como nada más un surgimiento ligero en el "suelo ruidoso" o nivel de interferencia. Con otras tecnologías, la potencia de la señal se concentra en una banda angosta que la hace más fácil de ubicar. El aumento de la privacidad es inherente en la tecnología CDMA.

1.4.3. PCS

Su propósito es ofrecer servicios inalámbricos usando antenas de baja potencia y microteléfonos ligeros y baratos. PCS es un sistema de comunicaciones para ciudades, con rango menor que el celular. Tiene una amplia gama de servicios de telecomunicaciones individualizados que permiten a los dispositivos comunicarse sin importar dónde se encuentren. No está claro qué estándar dominará la opción WLL en PCS. Los candidatos son CDMA, TDMA, GSM, PACS, omnipoint CDMA, upbanded CDMA, el sistema japonés PHS y el teléfono sin hilos digital DCT-U en Estados Unidos. Estos estándares serán utilizados probablemente en combinación para proporcionar WLL y servicios de radio de la alta movilidad.

1.4.4. CT-2/DECT

La telefonía sin hilos fue desarrollada originalmente para proporcionar acceso inalámbrico dentro de una residencia o de un negocio, entre un teléfono y una estación PBX. Puesto que la estación sigue estando atada por cable a la red telefónica fija, no se considera WLL. DECT se considera WLL cuando un operador de red pública proporciona servicio sin hilos directamente al utilizar esta tecnología. Aunque DECT no parece satisfacer plenamente las aplicaciones rurales o de baja densidad, tiene algunas ventajas significativas en áreas de mediana y alta densidad. La telefonía sin hilos tiene ventajas en términos de escalabilidad y funcionalidad. Con respecto a la tecnología celular, DECT es capaz de llevar el tráfico a niveles más altos, proporciona mejor calidad de voz y puede transmitir datos a tasas más altas. La configuración de las microceldas en DECT, permite que sea desplegado en incrementos más pequeños hasta que se logra emparejar la demanda de suscriptores, con requisitos de capital inicial reducidos. Sin embargo, la implementación de esta tecnología para aplicaciones WLL es incipiente.

1.4.5. Los Sistemas Propietarios

La puesta en práctica de sistemas propietarios WLL abarcan una gran variedad de tecnologías y de configuraciones. Estos sistemas se consideran propietarios porque no están disponibles en redes inalámbricas públicas y son modificados según los requisitos particulares de una aplicación específica. Generalmente no proporcionan movilidad. Esto hace que la tecnología propietaria sea la más eficaz para aplicaciones que no se pueden desarrollar, por rentabilidad y tiempo, con alternativas cableadas.

1.5. RETOS DE CARA AL DESPLIEGUE DE LA TECNOLOGÍA WLL

Aún no hay estándares definitivos para WLL. Los proveedores enfrentan el mercado con multitud de opciones para acceso fijo y móvil. La tecnología apropiada dependerá en última instancia de consideraciones acerca del tamaño y densidad demográfica (rural o urbano) y de las necesidades básicas del suscriptor (residencial versus comercial, servicio de voz y/o de datos).

El mayor desafío para los vendedores de WLL se encuentra en la identificación del protocolo inalámbrico óptimo para satisfacer las necesidades únicas de una aplicación específica, para luego brindar soluciones integradas al mercado y reducir el costo por suscriptor, a través de una escala en la colocación de equipos.

Las ventajas fundamentales de un despliegue más rápido y un retorno potencial de las inversiones dan las motivaciones básicas para la instalación de la tecnología WLL en lugar de las líneas de cobre. Más allá de la habilidad de la tecnología WLL para proporcionar una buena relación costo-efectividad en una red de telecomunicaciones regional, su impacto económico sobre la economía regional o nacional puede resultar diferente en un gran número de consideraciones. Por ejemplo, el deseo de servicios avanzados de banda ancha puede argüir en contra del uso de la tecnología WLL, caracterizada por los beneficios económicos asociados con la transferencia tecnológica y manufactura local de los equipos de WLL. Algunas consideraciones que involucran consecuencias políticas y económicas van más allá del alcance del operador de red y varían con cada procedimiento y despliegue. Sin embargo, desde el punto de vista de los operadores deben ser entendidos y superados varios retos si

las ventajas de la tecnología WLL van a ser implementadas. El caso especifico de negocios hechos por un operador de red particular debe tener en cuenta las siguientes variables:

• La existencia de líneas alambradas, torres, e infraestructuras de fluido eléctrico que pueden ser usadas para soportar la infraestructura WLL de las estaciones base.

• Si el "backbone trunk" de la red puede soportar el tráfico nuevo fomentado por la instalación del sistema WLL o que grado de inversión asociado es requerido.

• Si la red WLL encarará la inmediata o futura competencia de otros servicios ofrecidos alambrados o inalámbricos.

• Si para una tecnología WLL dada, el acceso al ancho de banda necesitado para soportar la capacidad deseada presente y futura está disponible.

• Si la red WLL coexistirá con otras redes inalámbricas, especialmente en términos de acceso al ancho de banda y competencia.

• Si el mercado local para servicios de telecomunicaciones (especialmente el número de abonados potenciales con adecuado poder adquisitivo para proporcionarle el servicio), la regulación local y la presencia o ausencia de subsidios por parte del gobierno permiten tarifas que sean competitivas y que puedan garantizar la inversión.

Los retos asociados con el despliegue de la tecnología no son, por supuesto, todos desde el punto de vista del operador de red. Los fabricantes de equipos WLL están continuamente esforzándose en:

• Reducir el costo por subscriptor de la infraestructura y equipos de abonado.

• Mejorar la facilidad de despliegue y las capacidades de administración de la red del sistema.

• Suministrar servicios avanzados de banda ancha. • Proporcionar transparencia a la red alambrada. • Un mejor ajuste a baja y alta densidad de abonados.

Los productos WLL ofrecidos típicamente toman ventaja de otras tecnologías alambradas existentes para reducir sus costos, usando la arquitectura de los sistemas celulares y PCS, del anaquel RF y componentes banda base, o protocolos de comunicación cuando se necesite. El oportuno uso de otras tecnologías inalámbricas más comunes representa un grado de estandarización para las aplicaciones WLL. El impacto particularmente es más

aparente en términos de la escogencia de la banda de frecuencia de la tecnología WLL, su interfaz con la red alambrada y su capacidad total de realizar niveles altos de despliegue y verdaderas economías de escala. En muchas situaciones, sistemas celulares o PCS pueden estar compitiendo con los sistemas WLL fijos por compartir recursos del espectro de radio. Especialmente en escenarios donde la red WLL esta soportando cientos de miles de usuarios en una región dada, la disponibilidad de ancho de banda es la clave del resultado. El uso de una tecnología compartida con servicios móviles puede llegar a ser una desventaja en el despliegue de un sistema WLL a pesar del ahorro en costos.

Los fabricantes de equipos WLL, faltos de una distribución internacional de frecuencias, no han sido capaces de generar el volumen necesario para realizar una reducción de costos simplemente fabricando a una banda de frecuencia asignada en un país específico. La interfaz a la red alambrada no esta sujeta en forma similar, a la clase de estandarización que satisface los objetivos duales de reducir los costos totales del sistema y la transparencia a la red. Los sistemas WLL que emplean un switch móvil son penalizados por el costo adicional del switch, mientras los sistemas WLL directamente conectados al switch central existente sufren de falta de estandarización de la interfaz de red.

Si una red WLL va a ser una extensión del costo-efectividad de la red alambrada, idealmente, debería ser capaz de conectar las centrales locales existentes de manera que preserve las características avanzadas suministradas por la central y el soporte de redes mixtas. El uso de líneas analógicas para suministrar conexión directa al exterior no es suficiente, y las interfaces digitales, con mejor costo-efectividad, deberían estar concentradas para que la capacidad de la interfaz sea mejor utilizada.

Sin embargo, sorprendentemente pocas alternativas están disponibles. La línea estándar V5.2 para interconexión digital terrestre ha sido estandarizada por el ETSI como la interfaz digital abierta recomendada entre una línea terrestre conmutada y el sistema WLL, unidad remota de conmutación o PBX. Aunque permitiría interfaz a través de múltiples vendedores, su adopción e introducción en el mundo de los fabricantes apenas ha comenzado. Para que la alternativa permanezca se requiere que los fabricantes de equipos desarrollen interfaces propietarias para adaptar switches específicos. Finalmente, la falta de estándares aplicables WLL, mientras se provee una colocación conveniente de oportunidades a un gran número de

vendedores diferentes, ha retrasado la aceptación total de la tecnología WLL. Con las dificultades asociadas a las distribuciones de frecuencias e interfaces de red restringiendo un gran despliegue, la aceptación de la tecnología WLL es todavía algo tentativa. Sin embargo sus ventajas intrínsecas sugieren que la resolución de estos impedimentos es inevitable. Las consideraciones de mercados y la aceptación de la tecnología WLL está creciendo.

2. LA TECNOLOGÍA OFDM

La demanda para comunicaciones inalámbricas móviles y fijas de alta velocidad está creciendo rápidamente. La tecnología de OFDM promete ser una técnica importante para lograr alta capacidad de datos y los requisitos de eficiencia espectral para los sistemas de comunicación inalámbricos en el futuro cercano. Este capítulo presenta un resumen de los principios teóricos de OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Se describen los principios de ortogonalidad, los procesos de generación y recepción de señales OFDM, algunos esquemas de modulación adecuados para OFDM y las bases de OFDM multiusuario [2].

2.1. PRINCIPIOS BÁSICOS DE OFDM

Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) es muy similar a la muy conocida y usada técnica FDM (Frequency Division Multiplexing). OFDM usa los principios de FDM para permitir que múltiples mensajes sean enviados sobre un canal de radio simple. Esto se hace, sin embargo, de una manera mucho más controlada, permitiendo un mejoramiento de la eficiencia espectral.

Un ejemplo simple de FDM es el uso de diferentes frecuencias para cada estación de radio FM (Frequency Modulation). Todas las estaciones transmiten al mismo tiempo pero no se interfieren unas con otras porque ellas transmiten usando frecuencias portadoras diferentes. Además, ellas están limitadas en ancho de banda y están espaciadas en frecuencia lo suficientemente lejos que sus señales transmitidas no se traslapan en el dominio de la frecuencia. En el receptor, cada señal es individualmente recibida usando un filtro pasa banda de frecuencia sintonizable para remover selectivamente todas las señales excepto la de la estación de interés. La señal filtrada puede ser entonces demodulada para recuperar la información transmitida original.

OFDM es diferente de FDM en varios aspectos. En broadcasting convencional cada estación radio transmite en una frecuencia diferente, usando efectivamente FDM para mantener una

separación entre las estaciones. Sin embargo, no hay coordinación o sincronización entre estaciones. Con una transmisión OFDM (como Digital Audio Broadcasting DAB), las señales de información de múltiples estaciones son combinadas en un flujo único de datos multiplexados. Estos datos son transmitidos usando un ensamble OFDM que es hecho como un empaquetamiento denso de muchas subportadoras. Todas las subportadoras dentro de la señal OFDM son sincronizadas en tiempo y frecuencia con las demás, permitiendo que la interferencia entre ellas sea cuidadosamente controlada. Estas múltiples subportadoras se traslapan en el dominio de la frecuencia, pero no causan Interferencia Inter-Portadora (ICI) debido a la naturaleza ortogonal de la modulación. Típicamente con FDM la transmisión de señales necesita una amplia banda de guarda en frecuencia entre los canales para prevenir la interferencia, lo cual reduce la eficiencia espectral. Sin embargo, con OFDM el empaquetamiento ortogonal de subportadoras reduce notablemente esta banda de guarda, mejorando la eficiencia espectral.

Todo sistema de comunicación inalámbrico usa un esquema de modulación para mapear la señal de información y llevarla a una forma que permita ser transmitida efectivamente sobre el canal de comunicaciones. Se ha desarrollado un amplio rango de esquemas de modulación, unos más adecuados que otros, dependiendo de si la señal de información es una forma de onda analógica o una señal digital. Los esquemas de modulación analógica más comunes son: Frequency Modulation (FM), Amplitude Modulation (AM), Phase Modulation (PM), Single Side Band (SSB), Vestigial Side Band (VSB) y Double Side Band Suppressed Carrier (DSBSC). Los esquemas de modulación de portadora simple para comunicaciones digitales más comunes son: Amplitude Shift Keying (ASK), Frequency Shift Keying (FSK), Phase Shift Keying (PSK) y Quadrature Amplitude Modulation (QAM) [13].

Cada una de las portadoras en una transmisión FDM puede usar un esquema de modulación analógico o digital. No hay ninguna sincronización durante la transmisión, y así, una estación podría usar FM y otra usar FSK. En una transmisión OFDM simple todas las subportadoras están sincronizadas con las demás, restringiendo la transmisión a esquemas digitales de modulación. OFDM está basada en símbolos, y puede concebirse como un gran número de subportadoras con bajas tasas de bit transmitiendo en paralelo. Todas estas subportadoras transmiten al unísono siendo sincronizadas en tiempo y frecuencia, formando un único bloque en el espectro. Esto es para asegurar que se mantenga la naturaleza ortogonal de la

estructura. Ya que estas múltiples portadoras forman una única transmisión OFDM, ellas son comúnmente referidas como subportadoras, dejando el término portadora reservado para describir la señal portadora de RF mezclada de la señal banda base. Hay varias maneras de entender qué hacen las subportadoras en una señal ortogonal OFDM y porqué se previene la interferencia entre ellas.

2.1.1. Ortogonalidad

Un conjunto de señales es ortogonal si cada una ellas es mutuamente independiente de las demás. La ortogonalidad es una propiedad que permite que múltiples señales de información sean perfectamente transmitidas y detectadas sobre un canal común sin interferencia. La pérdida de ortogonalidad produce un traslape entre estas señales de información y la degradación en las comunicaciones. Muchos esquemas de multiplexación comunes son inherentemente ortogonales. TDM, por ejemplo, permite la transmisión de múltiples señales de información sobre un canal único asignando slots de tiempo a cada flujo de información separadamente. Durante cada slot de tiempo solo la información de una fuente es transmitida previniendo cualquier interferencia entre las múltiples fuentes de información. Por esto TDM es ortogonal por naturaleza. En el dominio de la frecuencia la mayoría de sistemas FDM son ortogonales, ya que cada transmisión separada de señales está bien espaciada en frecuencia previniendo la interferencia. Aunque estos métodos son ortogonales, el término OFDM se ha reservado para una forma especial de FDM. Las subportadoras en una señal OFDM están espaciadas tan cerca como teóricamente es posible mientras se mantenga la ortogonalidad entre ellas.

OFDM alcanza ortogonalidad en el dominio de la frecuencia colocando cada una de las señales de información separadas en subportadoras diferentes. La señal de OFDM está hecha de una suma de sinusoides que corresponden a cada subportadora. La frecuencia banda base de cada subportadora se escoge para que sea un número entero múltiplo del inverso del tiempo de símbolo, resultando esto en que todas las subportadoras tienen un número entero de ciclos por símbolo. Como consecuencia las subportadoras son ortogonales entre sí. La Figura 1 muestra la construcción de una señal OFDM con cuatro subportadoras.

Figura 1. Construcción en Dominio del Tiempo de una Señal OFDM

En las Figuras 1a, 2a, 3a y 4a se muestran las subportadoras individuales con 1, 2, 3 y 4 ciclos por símbolo respectivamente. La fase en todas estas subportadoras es cero. Cada subportadora tiene un número entero de ciclos por símbolo. En 1b, 2b, 3b y 4b se muestra la FFT (transformada rápida de Fourier) de las formas de onda en el tiempo. Al final se presenta la suma de las cuatro subportadoras.

Un conjunto de funciones son ortogonales si cada una cumple las condiciones de la ecuación (1). Si dos funciones diferentes cualesquiera de este conjunto son multiplicadas e integradas sobre el periodo de un símbolo el resultado es cero, por ser las funciones ortogonales. Un receptor asociado con una de estas funciones ortogonales, una subportadora en el caso de OFDM, solo verá resultados para esta función, los resultados de todas las otras funciones en el conjunto integrado es cero, y esto no tiene efecto.

∫









≠

=

=

j

i

j

i

C

dt

t

S

t

S

0

)

(

).

(

La ecuación (2) muestra un conjunto de sinusoides ortogonales, las cuales representan las subportadoras para una señal real OFDM sin modular.









_<

_<

₌

=

caso

otro

en

M

k

T

t

t

f

k

sen

t

S

0

,...

2

,

1

0

)

.

.

.

2

(

)

(

π

Donde f0 es el espaciamiento entre subportadoras, M el número total de subportadoras y T el periodo del símbolo. Ya que la componente más alta en frecuencia es Mf0, el ancho de banda de transmisión también es Mf0.

Estas subportadoras son ortogonales porque cuando se multiplican dos cualesquiera y se integra sobre el periodo del símbolo el resultado es cero. Multiplicar dos ondas seno iguales sería mezclar estas subportadoras. Esto resulta en la suma y diferencia de componentes de frecuencia, las cuales serán siempre frecuencias enteras de subportadoras, ya que la frecuencia de dos subportadoras mezcladas tiene un número entero de ciclos. Dado que el sistema es lineal se puede integrar el resultado tomando separadamente la integral de cada componente de frecuencia y combinar los resultados sumando las dos sub-integrales. Las dos componentes de frecuencia después de mezcladas tienen un número entero de ciclos sobre el periodo y por tanto la sub-integral de cada componente será cero, ya que la integral de una sinusoide sobre un periodo entero es cero. Las dos sub-integrales son cero y el resultado de la suma también es cero, entonces se puede afirmar que las componentes de frecuencia son ortogonales.

2.1.2. Ortogonalidad en el Dominio de la Frecuencia

Otra manera de verificar la propiedad de ortogonalidad de las señales OFDM es estudiando su espectro. En el dominio de la frecuencia cada subportadora OFDM tiene una respuesta en frecuencia senc, sen(x)/x, como se muestra en la Figura 2. Este es un resultado del tiempo de símbolo que corresponde al inverso del espaciamiento entre portadoras. Cada símbolo OFDM es transmitido en un tiempo fijo TFFT sin excluir los extremos del símbolo; ya que típicamente las señales OFDM usan periodos de guarda en el dominio del tiempo y estos tiempos de guarda extienden la longitud del símbolo transmitido. Como se ha dicho, el tiempo de símbolo corresponde al inverso del espaciamiento entre portadoras 1/TFFT Hz. Esta forma de onda rectangular en el dominio del tiempo produce una respuesta en frecuencia senc en el dominio de la frecuencia. La forma de una función senc tiene un lóbulo principal estrecho, con muchos lóbulos laterales que decaen suavemente con la magnitud de la diferencia en frecuencia respecto a la frecuencia central. Cada subportadora tiene un pico que corresponde a su

frecuencia central y vacíos de frecuencia uniformemente espaciados iguales al espaciamiento entre portadoras.

La naturaleza ortogonal de la transmisión resulta de los picos de cada subportadora que corresponden con los vacíos de las otras subportadoras. Cuando esta señal es detectada usando una transformada discreta de Fourier DFT el espectro no es continuo como muestra la Figura 2, pero tiene muestras discretas. Las muestras del espectro se resaltan con círculos en la figura. Si la DFT es sincronizada en tiempo las muestras en frecuencia de la DFT corresponden exactamente con los picos de las subportadoras, de esta forma la región de sobrelapamiento entre las subportadoras no tiene efecto en el receptor. Los picos medidos corresponden con los huecos de otras portadoras, resultando en ortogonalidad entre las mismas.

Figura 2. Respuesta en Frecuencia de las Subportadoras en una Señal OFDM de 5 Tonos.

En 2a se muestra el espectro de cada portadora y las muestras discretas en frecuencia vistas por un receptor OFDM. Se aprecia que cada portadora presenta una forma senc (sen (x)/x). En 2b se presenta la respuesta total combinada de las 5 subportadoras resaltada con la línea negra gruesa.

2.2. GENERACIÓN Y RECEPCIÓN DE OFDM

Las señales OFDM son típicamente generadas digitalmente debido a la dificultad de crear grandes bancos de osciladores de fase cerrada y receptores en el dominio analógico. La

Figura 3 muestra el diagrama de bloques de un transceiver OFDM típico [2], [14]. La sección del transmisor convierte los datos digitales a ser transmitidos es un mapa de amplitud y fase de subportadoras. Éste entonces transforma esta representación espectral en el dominio del tiempo usando una transformada discreta inversa de Fourier IDFT. La transformada rápida inversa de Fourier IFFT desempeña la misma operación que una IDFT, excepto que ésta es mucho más eficiente computacionalmente, y por esto es usada en todos los sistemas prácticos. En aras de transmitir la señal OFDM, la señal en el dominio del tiempo calculada es entonces mezclada a la frecuencia requerida.

Figura 3. Diagrama de Bloques de un Transceiver OFDM Básico

El receptor realiza la operación inversa del transmisor, tomando la señal de RF para procesarla, usando la transformada rápida de Fourier FFT para analizar la señal en el dominio de la frecuencia. La amplitud y la fase de las subportadoras son escogidas y convertidas para recobrar los datos digitales.

La IFFT y la FFT son funciones complementarias y el término más apropiado depende de cuándo la señal se está generando o recibiendo. En casos donde la señal es independiente de esta distinción los terminos IFFT y FFT son usados intercambiablemente.