Simulación del radio canal aeronáutico para la transmisión digital del estándar WiMAX en plataformas de mediana altitud tipo MAPS

UNIVERSIDAD TECNOLGICA METROPOLITANA FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE ELECTRNICA

SIMULACIN DEL RADIO CANAL AERONUTICO PARA LA TRANSMISIN

DIGITAL DEL ESTNDAR WIMAX EN PLATAFORMAS DE MEDIANA ALTITUD TIPO

MAPS

Trabajo de titulacin para optar al ttulo de:

INGENIERO EN ELECTRNICA

Profesor Gua:

Dr. Ing. Fernando Ulloa Vsquez

Nombre alumno:

Italo Aguilar Castro

SANTIAGO DE CHILE

2014

Nota Obtenida: ____________________

Firma y timbre autoridad responsable: _____________________________

AGRADECIMIENTOS

A mi familia por la oportunidad ofrecida y apoyo incondicional en cada etapa de mi formacin acadmica y profesional.

A mi pareja Nicole, por hacer de sta experiencia un recuerdo inolvidable, compartiendo su valor ms apreciado como persona, su tiempo.

A aquellas personas cuyo apoyo de estudio y persona forjaron el camino de sta gran travesa, en especial reconocimiento a Alexis Servello.

A la Universidad Tecnolgica Metropolitana por entregarme los conocimientos necesarios para poder enfrentar los ms complejos desafos en mi nueva vida profesional.

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NDICE DE CONTENIDOS

1 CAPTULO I. INTRODUCCIN ........................................................................... 1

1.1 Objetivo General ................................................................................................ 1 1.2 Objetivos Especficos ........................................................................................ 1 1.3 Tecnologa WiMAX 802.16 ................................................................................ 2 1.4 Antecedentes ..................................................................................................... 5 1.5 Arquitectura Inalmbrica .................................................................................... 8 1.5.1 Antenas WiMAX .............................................................................................. 8 1.5.2 Enlace Punto a punto (P2P) ......................................................................... 10 1.5.3 Enlace Punto a Multipunto (PMP) ................................................................. 10 1.5.4 Rango de trabajo .......................................................................................... 11 1.5.5 Enlace de factibilidad .................................................................................... 12 1.6 Plan de Frecuencia .......................................................................................... 12 1.6.1 Rango de Frecuencias .................................................................................. 13 1.6.2 Seleccin de frecuencia dinmica, MIMO y SDR ......................................... 15 1.6.3 Eficiencia espectral ....................................................................................... 16 1.7 Calidad de servicio y Rendimiento .................................................................. 17 1.7.1 Quality of service (QoS) ................................................................................ 17

1.7.2 Buena Calidad de servicio ............................................................................ 18 1.7.3 Throughput (data transfer rate) ..................................................................... 21 1.8 Esquema o protocolo para la seguridad de WiMAX ........................................ 23 1.9 Compatibilidad con otras tecnologas .............................................................. 24 1.10 Resumen ....................................................................................................... 27

2 CAPTULO II. TECNOLOGIA WRAN 802.22 .................................................... 28

2.1 Introduccin ..................................................................................................... 28 2.2 Caractersticas Generales ............................................................................... 29 2.3 Interfaz area ................................................................................................... 31 2.3.1 Capa PHY ..................................................................................................... 32 2.3.2 Capa MAC .................................................................................................... 36 2.4 Inicializacin .................................................................................................... 40 2.5 Antenas ............................................................................................................ 41 2.6 Coexistencia con sistemas de transmisin ...................................................... 42 2.6.1 DFS (Seleccin dinmica de Frecuencia) .................................................... 43 2.6.2 Deteccin de micrfonos inalmbricos ......................................................... 44 2.6.3 Coexistencia con otras antenas WRAN ........................................................ 45

ii

2.7 Seguridad ........................................................................................................ 46

2.8 Comparacin entre 802.22 y 802.16 ............................................................... 46 2.9 Resumen ......................................................................................................... 48

3 CAPTULO III. COGNITIVE RADIO ................................................................... 49

3.1 Introduccin ..................................................................................................... 49 3.2 Antecedentes ................................................................................................... 49 3.3 Definicin de Radio Cognitiva (CR) ................................................................. 51 3.4 Caractersticas ................................................................................................. 53 3.4.1 Capacidad Cognitiva ..................................................................................... 53 3.4.2 Auto-reconfiguracin o Reconfigurabilidad ................................................... 55 3.5 Paradigmas de Radio Cognitiva ...................................................................... 57 3.5.1 Paradigma Underlay ..................................................................................... 58 3.5.1.1 Temperatura de interferencia .................................................................... 58 3.5.2 Paradigma Overlay ....................................................................................... 59 3.5.3 Paradigma Interweave .................................................................................. 60 3.5.4 Resumen de los paradigmas ........................................................................ 61 3.6 Arquitectura de CR .......................................................................................... 62 3.7 Estandarizacin y regulacin ........................................................................... 64

3.8 Radio definido por SDR como plataforma para CR ......................................... 65 3.9 Seguridad ........................................................................................................ 67 3.10 Aplicaciones ................................................................................................... 69 3.11 Resumen ....................................................................................................... 71

4 CAPTULO IV. AEROPLATAFORMAS HAPS ................................................... 72

4.1 reas de Cobertura ......................................................................................... 73 4.2 Clasificacin de Aeroplataformas .................................................................... 74 4.3 Hidrometeoros ................................................................................................. 75 4.4 Radio Cognitive en HAPS ................................................................................ 78 4.5 Modelo de Canal para Aeroplataforma Tipo MAPS ......................................... 79 4.5.1 Retardo del Eco ............................................................................................ 80 4.5.2 Amplitud del eco, retardos cercanos ............................................................ 81 4.5.3 Modelo Geomtrico-Estadstico de Canal .................................................... 82

5 CAPTULO V. PROPAGACIN ......................................................................... 85

5.1 Tipos de propagacin ...................................................................................... 85 5.2 Espacio Semi-libre ........................................................................................... 86 5.3 Clasificacin de Modelos de Propagacin ....................................................... 86

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5.4 Modelos ........................................................................................................... 89

5.4.1 Modelo Walfisch Ikegami ........................................................................... 89 5.4.2 Modelo Cost 321 Hata .................................................................................. 90 5.4.3 Modelo Espacio Libre ................................................................................... 92 5.4.4 Modelo Ecc-33 .............................................................................................. 93

6 CAPTULO VI. CANAL RADIO ........................................................................... 95

6.1 Teorema de Shannon ...................................................................................... 95 6.2 Lmite de capacidad de Shannon .................................................................... 96 6.3 Filtro Nyquist .................................................................................................... 99 6.4 Eficiencia espectral de un sistema digital ...................................................... 100 6.5 Probabilidad de Error en el bit ....................................................................... 101

7 CAPTULO VII. WiMAX COMO CARGA UTIL EN MAPS ................................ 103

7.1 WiMAX como potencial alternativa de desarrollo en MAPS .......................... 103 7.1.1 Principales usos de WiMAX ........................................................................ 104 7.2 Principales ventajas de WiMAX frente a las tecnologas radio digitales. ...... 105 7.3 Servicios de Emergencia. .............................................................................. 106 7.4 Servicios IP Potencial despliegue. .............................................................. 108 7.5 Consideraciones para un modelo de negocio. .............................................. 112

8 CAPTULO VIII. SIMULACIN Y RESULTADOS ........................................... 116

8.1 Radio Mobile .................................................................................................. 116 8.2 MATLAB ........................................................................................................ 117 8.3 Caracterizacin del Enlace ............................................................................ 117 8.3.1 Objetivo de simulacin ................................................................................ 118 8.3.2 Disposicin geogrfica ................................................................................ 118 8.4 Equipamiento WiMAX .................................................................................... 119 8.4.1 Especificaciones tcnicas del equipamiento WiMAX ................................. 120 8.5 Datos de Simulacin ...................................................................................... 122 8.6 Modelamiento matemtico del enlace WiMAX mediante Matlab ................... 122 8.6.1 Modelo en estudio Walfisch - Ikegami ........................................................ 123 8.6.2 Modelo en estudio COST 231 Hata ............................................................ 125 8.6.2.1 Ambiente Suburbano ............................................................................... 126 8.6.2.2 Ambiente Rural ........................................................................................ 127 8.6.3 Modelo en estudio Espacio Libre ................................................................ 128 8.6.4 Modelo en estudio ECC - 33 ....................................................................... 130 8.6.5 Resumen de resultados de los modelos de propagacin ........................... 131

iv

8.6.6 Resultado diferenciado por rea del modelo COST 231 ............................ 132

8.7 Simulacin del enlace WiMAX mediante el software Radio Mobile. .............. 133 8.8 Anlisis de cobertura entre WiMAX y WRAN ................................................ 137 8.9 Normativa SUBTEL ....................................................................................... 139

9 CAPTULO IX. CONCLUSIONES Y LINEAS FUTURAS ................................ 141

9.1 Conclusiones ................................................................................................. 141 9.2 Lneas Futuras de Investigacin .................................................................... 142

10 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 143

11 ANEXO ........................................................................................................... 147

A. Cdigos de modelamiento matemtico Matlab para el clculo de potencia de recepcin en enlaces WiMAX. ................................................................................ 147

v

NDICE DE FIGURAS

Figura N 1.1. Impacto de WiMAX en Telecomunicaciones ................................................ 2 Figura N 1.2. Solucin a enlaces Punto a Punto y Punto a Multipunto .......................... 3 Figura N 1.3. WiMAX Mvil, permite variadas telecomunicaciones mviles ................ 4 Figura N 1.4. Impacto de WiMAX en comparacin con Wi-Fi ........................................... 5 Figura N 1.5. Tipos de antenas para WiMAX, segn su aplicacin ................................. 8 Figura N 1.6. Antena tipo Outdoor .............................................................................................. 9 Figura N 1.7. Antena tipo Indoor ............................................................................................... 10 Figura N 1.8. Configuracin enlaces Punto a Punto y Punto a Multipunto ................. 11 Figura N 1.9. Factibilidad del enlace ........................................................................................ 12 Figura N 1.10. Planeacin de Frecuencias ............................................................................ 13 Figura N 1.11. Rediseo de capas PHY y MAC .................................................................. 15 Figura N 1.12. Seleccin Dinmica de Frecuencia ............................................................. 16 Figura N 1.13. Eficiencia espectral ........................................................................................... 16 Figura N 1.14. Latencia dependiendo del enlace WiMAX ................................................ 17 Figura N 1.15. Modulaciones dependiendo de la distancia del enlace ........................ 19 Figura N 1.16. Fuerte seguridad en WiMAX mvil y fijo .................................................... 24

Figura N 2.1. Caractersticas segn la Red ........................................................................... 29 Figura N 2.2. Representacin de relaciones entre BS y CPE ......................................... 31 Figura N 2.3. Modulacin en el estndar 802.22 ................................................................. 32 Figura N 2.4. Posible patrn de ocupacin de canales de TV ........................................ 33 Figura N 2.5. Vnculo de canales contiguos .......................................................................... 35 Figura N 2.6. Fast Sensing y Fine Sensing ........................................................................... 37 Figura N 2.7. Superframe y Frame ........................................................................................... 38 Figura N 2.8. Estructura Superframe ....................................................................................... 39 Figura N 2.9. Estructura frame ................................................................................................... 40 Figura N 2.10. Equipamientos necesarios en CPE para el estndar 802.22 ............. 41 Figura N 3.1. Estructura bsica de un SDR .......................................................................... 51 Figura N 3.2. Diagrama piramidal de un sistema radio cognitivo ................................... 62 Figura N 3.3. Sistema que sustenta aplicaciones tanto actuales como futuras ........ 63 Figura N 3.4. Vnculo entre CR y SDR .................................................................................... 66 Figura N 3.5. Modelo conceptual de SDR .............................................................................. 66 Figura N 3.6. Reconfigurabilidad ............................................................................................... 67 Figura N 3.7. Cuadro de un estructura de radiocomunicaciones ................................... 70 Figura N 4.1. Radio de rea de Cobertura en los sistemas basados en HAPS ........ 74

Figura N 4.2. Geometra del entorno de operacin de un HAP ...................................... 77

vi

Figura N 4.3. Escenario para aerostacin del tipo MAPS ................................................. 79

Figura N 4.4. Presencia de rudio aditivo y multiplicativo en el canal ............................ 83 Figura N 5.1. Clasificaciones de los modelos de propagacin ........................................ 87 Figura N 5.2. Multicamino de la seal propagada en un ambiente urbano ................. 89 Figura N 8.1. Localizacin del MAPS y estaciones suscriptoras .................................. 118 Figura N 8.2. Antena Omnidireccional Alvarion MA431x21 ........................................... 122 Figura N 8.3. Resultados de los modelos de propagacin mediante Matlab ........... 132 Figura N 8.4. Resultado diferenciado por reas del modelo COST 231 .................... 133 Figura N 8.5. Disposicin geogrfica de las estaciones .................................................. 134 Figura N 8.6. Enlace de radio entre aeroplataforma MAPS y Plaza de Lampa ....... 135 Figura N 8.7. Enlace de radio entre aeroplataforma MAPS y Plaza de Peaflor .... 136 Figura N 8.8. Cobertura radioelctrica de MAPS .............................................................. 137 Figura N 8.9. Cobertura radioelctrica WiMAX Vs WRAN ............................................. 139

vii

NDICE DE TABLAS

Tabla N 1.1. Priorizacin de trfico .......................................................................................... 18 Tabla N 1.2. Comparacin de tecnologas frente a WiMAX ............................................. 26 Tabla N 2.1. Parmetros de requisitos temporales ............................................................. 44 Tabla N 2.2. Comparacin entre WiMAX y WRAN ............................................................. 47 Tabla N 4.1. Caractersticas del radio de rea de cobertura de un HAPS .................. 74 Tabla N 5.1. Indicadores de valores de Cm segn entorno ............................................. 91 Tabla N 8.1. Especificaciones tcnicas Alvarion Breeze Max 2.3, 2.5, 3.5 GHz .... 121 Tabla N 8.2. Especificaciones tcnicas del equipamiento US y BS ............................ 121 Tabla N 8.3. Datos del enlace .................................................................................................. 122 Tabla N 8.4. Equipamiento WRAN ......................................................................................... 138

NDICE DE GRFICOS

Grfico N 8.1. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] Walfisch Ikegami .................................. 124

Grfico N 8.2. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] (Zoom) Walfisch Ikegami .................. 124 Grfico N 8.3. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] COST 231 Hata ....................................... 125 Grfico N 8.4. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] (Zoom) COST 231 Hata ........................ 126 Grfico N 8.5. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] (Zoom) COST 231 Hata-Suburbano . 127 Grfico N 8.6. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] (Zoom) COST 231 Hata - Rural .......... 128 Grfico N 8.7. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] Espacio Libre ............................................ 129 Grfico N 8.8. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] (Zoom) Espacio Libre ............................. 129 Grfico N 8.9. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] Ecc - 33 ...................................................... 130 Grfico N 8.10. Prx [dBm] v/s Distancia [Km] (Zoom) Ecc - 33 ..................................... 131

viii

ACRNIMOS

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

BWA Broadband Wireless Access

QoS Quality of Service

BS Base Station

CPE Customer Premise Equipment

LOS Line of Sight

NLOS No line of Sight

GSM Global System for Mobile Communications

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

LTE Long Term Evolution

PoE Power Over Ethernet

DFS Dynamic Frequency Selection

BPSK Binary Phase Shift Keying

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

QAM Quadrature Amplitude Modulation

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency-Division Multiple Access

RF Radio frequency

WRAN Wireless Regional Area Network

SDR Software Defined Radio

CR Cognitive Radio

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ITU-R International Telecommunications Union-Radio

HAPS High Altitude Platform Station

MAPS Medium Altitude Platform Station

LAPS Low Altitude Platform Station

ix

RESUMEN

A lo largo de la historia del ser humano, se ha hecho indispensable el

poder comunicar, con el objetivo de obtener una respuesta o accin por

parte del receptor, la cual, transcurridos los aos, aquella respuesta o

accin se traduce a la capacidad de persuasin que poseen los

interlocutores en sus roles de interdependencia a la hora de comunicarse.

Dicha comunicacin es una conducta humana que aparece como natural y

cotidiana, desde la aparicin de los orgenes del hombre, hasta la actual

sociedad. De forma paralela, muchas interrogantes sobre la comunicacin a

distancia se han resuelto gracias al desarrollo de la tecnologa; la cual, nos

ha acompaado desde la invencin del telfono. Cabe destacar que la

comunicacin fontica, actualmente es acompaada por informacin escrita

o visual que se transmite a travs de plataformas como el Internet o radio

enlaces satelitales.

El desarrollo de la presente investigacin abarcar, el estudio propicio

para establecer la simulacin del radio canal aeronutico para la transmisin

digital del estndar WiMAX, englobando teora de transmisin acorde,

tcnicas estipuladas y normas establecidas por los diferentes organismos

contribuyentes al correcto funcionamiento de la tecnologa, como tambin,

caractersticas esenciales y determinantes en funcin de las limitaciones de

simulacin. Cabe destacar que de igual forma se incluye el estudio de la

tecnologa WRAN que actualmente se encuentra bajo una mirada exhaustiva

mundialmente, por poseer grandes potencialidades de cobertura, con la

adicin de una utilizacin inteligente del espectro radioelctrico en desuso,

gracias a Radio Cognitiva, que presenta tcnicas para la optimizacin de las

White Bands del espectro.

Una arista de la comunicacin, es la forma en que se transmitir la

misma. Es por ello, que se considera el anlisis de una plataforma

aeronutica de mediana altitud tipo MAPS, incluyendo sus modelamientos

matemticos de cobertura en base a los requisitos de la presente

investigacin.

x

El estudio de las teoras de clculo del enlace se incluyen a travs de

los modelos de propagacin ms acordes para el enlace WiMAX

caracterizado en la Regin Metropolitana y simulado a travs del software

Matlab, diferenciando los modelos de propagacin utilizados como de igual

forma simulado a travs del software Radio Mobile, destacando los

principales parmetros de la caracterizacin del enlace y sus resultados.

xi

ABSTRACT

Throughout history, the ability to communicate has been essential, with

the sole purpose of obtaining an "answer or action" from the receptor. Such

"answer or action" has been regarded as the persuasive ability possessed by

the interlocutors in their respective interconnected roles when communicating;

communication is seen as a natural and daily human conduct which appeared

in the beginning of human history and it is still present. During this long

journey, technology has helped to answer many questions and has also

accompanied mankind since the invention of the telephone. It is very

important to highlight that phonetic communication is nowadays accompanied

by written and visual information transmitted through different platforms like

the Internet or satellite radio connections.

The development of this work will cover proper studies to establish the

simulation of an aeronautical radio channel for the digital transmission with

the WiMAX standard, including suitable transmission theory, techniques and

norms established by different organizations contributing to the proper

functioning of technology, as well as essential and decisive features based on

the limitations of the simulation itself. It is important to mention that the study

of the WRAN technology is also included, and that this technology is under

everyone's attention for its immense coverage potential and also the smart

use of the disused radio-electric spectrum, thanks to Cognitive Radio which

presents techniques for the optimization of the White Bands of the spectrum.

One of the characteristics of communication is the way in which

communication itself will be transmitted. Due to this, the analysis of an

aeronautical platform of medium altitude like MAPS will be considered,

including its mathematical modeling of coverage based on the requirements

of this investigation.

The study of connection calculation theories is included through the most

suitable propagation models for the WiMAX network represented in the

Metropolitan Region and simulated with Matlab, differentiating the

propagation models used and simulated with Radio mobile, highlighting the

main parameters of the representation of the connection and its results.

1

1 CAPTULO I. INTRODUCCIN

1.1 Objetivo General

Analizar la cobertura radioelctrica resultante del enlace, basado en el

estndar WiMAX entre dos estaciones de abonado terrestres, ubicadas en

las comunas de Lampa y Peaflor, y una aeronave del tipo MAPS ubicada en

la Plaza de Armas de la ciudad de Santiago de Chile, ejerciendo un rol de

servicio a los clientes, sin distincin en el area geogrfica ha abarcar,

debido slo a las limitantes intangibles que se encuentran en el rea de

iluminacin radioelctrica de la aeronave, enfocado en su totalidad a usuarios

comunes y no hacia algn rol militar.

1.2 Objetivos Especficos

Simular el radio canal de la tecnologa WiMAX en base al estndar

IEEE 802.16, montado como carga til en una plataforma del tipo

MAPS y cuya zona de cobertura en estudio, corresponde al del mbito

rural.

Analizar la calidad del enlace WiMAX para dos estaciones de

abonados terrestres ubicados en la zona rural de la Regin

Metropolitana, basado en el estudio de los diferentes modelos de

propagacin especificados para su uso.

Presentar el estudio de nuevas tecnologas como WRAN denominada

de Ultima Milla y Radio Cognitivas como gestin inteligente del

espectro en desuso.

Analizar la caracterizacin del enlace de transmisin digital, que se

ejerce entre la aeroplataforma MAPS y el cliente suscriptor.

2

1.3 Tecnologa WiMAX 802.16

Wi-Max (Worldwide Interoperability for Microwave Access) de

significado en espaol Interoperabilidad mundial para acceso de microondas,

corresponde a una norma de transmisin de datos en forma digital, la cual

pertenece al comit IEEE 802, y responde al estndar 802.16x de acceso

inalmbrico de banda ancha para redes de rea metropolitana, lo que

WiMAX Frum (organismo de normalizacin creada para garantizar la

interoperabilidad) a travs de pruebas, ha definido como de ltima Milla de

(BWA). Esta tecnologa es basada en IP, con acceso inalmbrico de banda

ancha que ofrece un rendimiento similar a las redes 802.11/Wi-Fi con la

cobertura y QoS (Calidad de servicio) de las redes celulares, Cabe destacar

que beneficia a un sector ms amplio que el de la tecnologa WiFi, en donde

WiMAX no es una fuerte competencia o un posible remplazo, si no que

permite la conexin de nodos establecidos de la misma, estableciendo su

compatibilidad. Sin embargo, tiene el potencial de reemplazar una serie de

infraestructuras de telecomunicaciones existentes (ver figura N 1.1).

Figura N 1.1. Impacto de WiMAX en Telecomunicaciones Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

3

WiMAX proporciona servicios fijos, porttiles o mviles sin lnea de

vista, desde una estacin base (BS) fija, a una estacin de abonado, tambin

conocida como equipo del cliente (CPE). Entre los objetivos de WiMAX se

incluyen un radio de cobertura de servicio de 10 kilmetros, desde una

estacin base de servicio punto a multipunto, sin lnea de vista. Este servicio

debe entregar cerca de 40 (Mbps) para aplicaciones de acceso fijo y porttil

(ver figura N 1.2). Ese sitio de la celda WiMAX debe ofrecer suficiente ancho

de banda para apoyar a cientos de empresas con velocidades de T1 y miles

de clientes residenciales con el equivalente de los servicios DSL de una

estacin base.

Figura N 1.2. Solucin a enlaces Punto a Punto y Punto a Multipunto Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

En la figura N 1.3, se aprecia la gran gama de clase de usuarios

mviles que permite WiMAX mvil. Potencialmente, sustituye a los servicios

de datos mviles de los operadores de telefona celular como EVDO, HSDPA

y EvDv. Adems de ofrecer mejores medidas de seguridad a travs de

WiMAX fijo. WiMAX mvil ser muy valiosa para los servicios emergentes

como la televisin mvil y los juegos.

4

Figura N 1.3. WiMAX Mvil, permite variadas telecomunicaciones mviles

Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

Las caractersticas de Wi-Fi como las velocidades de datos son

fcilmente compatibles con WiMAX, y como consecuencia, el problema de la

interferencia se reduce. WiMAX opera en las frecuencias, tanto con y sin

licencia, lo que proporciona un entorno regulado y el modelo econmico

viable para los operadores inalmbricos.

WiMAX puede proporcionar acceso de banda ancha inalmbrica

(BWA) hasta 50 km para las estaciones fijas, y de 5 a 15 km para las

estaciones mviles. En contraste, con el estndar WiFi/802.11, inalmbrico

de red de rea local, el cual est limitado en la mayora de los casos slo a

30 a 100 m (ver figura N 1.4).

Las principales ventajas del estndar WiMAX son para permitir la

adopcin de las caractersticas avanzadas de radio de una manera uniforme

y reducir los costos para todas las radios que realizan las empresas, que son

parte del WiMAX Frum.

5

Figura N 1.4. Impacto de WiMAX en comparacin con Wi-Fi


1.4 Antecedentes

Esta tecnologa es nueva en nuestro pas, pero tiene un carcter

reservado dentro de los pases desarrolladores de la misma, cabe destacar

que permite una conexin de transmisin tanto de servicios de internet, como

de voz y datos a travs de ondas de radio; Tal desarrollo se debe a estudios

propicios basados en la optimizacin del proyecto desde su creacin, que fue

en el ao 2002 con la primera versin del estndar 802.16. El cual trabajaba

en la banda de frecuencias de 10-66 GHz, lo cual hacia dificultosa su

implementacin, debido, a que necesitaba torres de transmisin de gran

tamao que se vieran entre s, torres del tipo LOS. Definidas como torres de

lnea de vista, con una capacidad de transmisin de hasta 134 Mbps en

celdas de 3.2 a 8 km aproximadamente, las cuales son de un precio muy

elevado. Sin embargo y en sucesin a las investigaciones, para el ao 2003

en el mes de abril, se delimita el rango de frecuencias a trabajar del nuevo

sistema de WiMAX, definido como 802.16a, las cuales se encuentran en el orden de 2-11 GHz [15]. Las ventajas de este nuevo modelo es que ya no

depende de torres tipo LOS sino de estaciones base, implementadas con

antenas de recepcin y emisin, capaces de dar cobertura a 200 estaciones

6

aproximadamente, las cuales, pueden prestar servicios a edificios de gran

envergadura.

Tiempo despus se establece la norma 802.16b. La cual, que es una extensin de la primera versin que trabaja en la banda de frecuencias de 5

a 6 GHZ y se caracteriza por entregar al protocolo una fuerte calidad de

servicio, donde se destaca la transmisin con una baja distorsin y/o

interferencias que se producen debido a condiciones climticas, edificios,

vehculos, entre otros. Cabe destacar que en esta expansin de protocolo,

debido a la aplicacin que se necesite, se puede distinguir la calidad de

servicio a utilizar, por ejemplo, para la transmisin de vdeo se necesita poca

latencia pero se pueden permitir errores de transmisin, en cambio existen

otras aplicaciones que no pueden tener errores pero pueden admitir cierto

retraso.

En lo que respecta a los protocolos 802.16b y 802.16c que son expansiones sucesivas, son de vital relevancia, ya que permiten la

interoperabilidad de sistemas especficos que trabajan dentro de la banda de

frecuencias de 10-66 GHz.

A partir del ao 2004 se establecen los protocolos de mayor relevancia

aprobados por el WiMAX frum, que es el nico organismo habilitado para

certificar el cumplimiento del estndar y la interoperabilidad entre

equipamiento de distintos fabricantes, los cuales, llevan la denominacin de

802.16d y 802.16e.

El protocolo 802.16d definido en junio del ao 2004 se estableci para terminales de punto fijo, que principalmente buscaba cubrir la necesidades

que no cubra el protocolo inicial 802.16a. Soporta modulaciones del tipo

FDD y TDD, utilizando un rango de frecuencias de 2-6 GHz, permitiendo una

velocidad de transmisin de hasta 15 Mbps. Se hace de vital importancia

mencionar que este protocolo trata de mejorar la movilidad de WiMAX,

permitiendo a los usuarios que se muevan a una velocidad de hasta 150

km/h seguir conectados a la red de transmisin. Una de las prioridades de la

presente extensin fue conseguir un hand-over que funcione a altas velocidades.

7

El protocolo 802.16e definido en diciembre del ao 2005 se establece para usuarios mviles, de forma similar al que se puede dar en las

tecnologas de GSM/UMTS (Global System for Mobile Communications)/

(Universal Mobile Telecommunication System), y donde actualmente compite

con las tecnologas LTE (Long Term Evolution). Al ao siguiente hasta la fecha, se establecen protocolos que buscan

la optimizacin y el correcto funcionamiento de los sistemas basados en la

creciente necesidad de los usuarios de trabajar cada vez con mayores y

mejores recursos.

Es aqu donde nace el protocolo 802.16f que interpreta el equivalente a las redes de mallas (Mesh Networks) de WiFi, en donde agrega el

desplazamiento entre varios puntos de acceso o Roaming, implicando as

ampliar la cobertura de la red o servicio.

En sucesin a lo desarrollado se crea el protocolo 802.16g que describe procedimientos y servicios del plano de administracin para

sistemas BWA fijos.

El continuo estudio en busca de la optimizacin requerida, ofrece

desarrollos en la creacin del nuevo protocolo establecido por el grupo de

estudio del IEEE 802.16h el cual est enfocado a habilitar la coexistencia de sistemas de redes WiMAX especificando mejoras en los mecanismos de

control de acceso al medio (MAC) y en las polticas de funcionamiento, todo

dentro de una misma rea geogrfica de cobertura.

En lo que respecta a los sucesivos cambios y/o expansiones del

protocolo 802.16 se establece la nueva revisin del mismo, definido como

802.16i que es un proyecto que analiza la base de informacin de administracin MIB mvil para la interfaz aire de sistemas BWA. Su sucesor

802.16j estipulado en junio del 2009 describe el anlisis de la interface aire para sistemas de acceso inalmbrico de difusin, en el cual especifica la

optimizacin de capa de control de acceso al medio (MAC) y de la capa

fsica, que da como resultado un incremento en la cobertura y mejor

utilizacin de la red de WiMAX.

8

En lo que respecta a la fecha de agosto del ao 2007 se publica el

protocolo 802.16k que describe el trabajo mediante mecanismos de bridging; cabe destacar que este estndar trabaja a nivel de la capa de control de

acceso al medio (MAC), para redes de LAN y MAN.

El estudio de WiMAX 2, conocido formalmente como protocolo

802.16m, es en comparacin a la primera versin de WiMAX mucho ms veloz, en donde uno de sus objetivos principales es alcanzar una velocidad

de transmisin de 100 Mbps en lo que respecta a la descarga [2].

1.5 Arquitectura Inalmbrica

1.5.1 Antenas WiMAX

Figura N 1.5. Tipos de antenas para WiMAX, segn su aplicacin Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

Se aprecia en la figura N 1.5 el tipo de antenas utilizadas para el

enlace WiMAX. Las cuales se clasifican en tres tipos: Omnidireccionales,

Sectoriales y de Panel. Las antenas Omnidireccionales son utilizadas para

enlaces punto a multipunto. El principal inconveniente de este tipo de antena

es que su energa es en gran medida difundida en el broadcasting de 360.

Lo cual limita su alcance y en ltima instancia la fuerza de la seal. Sin

embargo son usadas en puntos de acceso o hotspot donde se concentra la

9

mayor cantidad de subscritos cerca de una estacin base. En lo que respecta

a las antenas Sector se utilizan para enfocar el haz en una zona ms

concentrada ofreciendo un mayor alcance y rendimiento con menos energa.

Y por ltimo, las antenas Panel son utilizadas para enlaces punto a punto,

donde pueden contener una fuente de energa Power over Ethernet (PoE).

Es decir, contiene la radio WiMAX dentro de la caja, y se alimenta a travs

del cable Ethernet que conecta la radio/antena a la red ms amplia. Logrando

beneficios de aislamiento de la radio frente a la intemperie.

En lo que respecta a CPE, encontramos antenas tanto Outdoor como

Indoor, y en las cuales se presentan ventajas y desventajas como potencial

despliegue (ver figura N 1.6 y figura N 1.7 respectivamente).

Outdoor CPE

Ofrece un rendimiento ms elevado que los dispositivos indoor, que ya

la recepcin no se ve obstaculizada por paredes de hormign o ladrillo. Dicho

rendimiento se debe a la maximizacin de la recepcin a travs de conexin

de lnea de vista a la estacin base. En trminos econmicos tendr un

precio ms elevado en comparacin con los dispositivos Indoor ya que este

requiere de caractersticas especiales como la resistencia al clima.

Figura N 1.6. Antena tipo Outdoor


10

Indoor CPE

Las ventajas recaen principalmente en la optimizacin de la instalacin

y en las comodidades que sta trae, ya que es el subscriptor el encargado de

esta tarea, obteniendo tiempos de instalacin relativamente cortos en

comparacin con la espera extensa de los proveedores de servicios.

Figura N 1.7. Antena tipo Indoor


1.5.2 Enlace Punto a punto (P2P)

Punto a punto se utiliza cuando hay dos puntos de inters: un emisor y

un receptor. Este es tambin un escenario para el backhaul o el transporte

desde la fuente de datos (data center, POP fibra, Oficina Central, etc.) al

suscriptor o por un punto de distribucin, utilizando la arquitectura punto a

multipunto. Radios backhaul comprenden un sector propio dentro de la

industria inalmbrica. A medida que la arquitectura requiere un haz altamente

concentrado entre un rango de dos puntos, el rendimiento de las radios de

punto a punto ser mayor que la de los productos punto a multipunto.

1.5.3 Enlace Punto a Multipunto (PMP)

En la figura N 1.8, se aprecia la arquitectura del enlace punto a

multipunto, el cual, es sinnimo de distribucin. Una estacin base puede dar

servicio a cientos de usuarios diferentes, en trminos de ancho de banda y

servicios ofrecidos.

11

Figura N 1.8. Configuracin enlaces Punto a Punto y Punto a Multipunto Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

1.5.4 Rango de trabajo

En un sentido estrictamente tcnico (en algunos rangos del espectro)

la cobertura WiMAX multipunto se extiende a 50 Km aproximadamente,

incluso con mayores rangos de ser posible en enlaces punto a punto. En la

prctica (y sobre todo en las bandas libres de licencia) esto es

tremendamente exagerado sobre todo cuando no hay lnea de vista (NLOS)

de recepcin.

Los rangos de celdas promedio para la mayora de redes WiMAX

probablemente contarn con un rango de 6 - 8 Km con un estructura NLOS,

incluso a travs de la cubierta de rboles y las paredes del edificio. Las

aplicaciones con un rango de servicio de hasta 16 kilmetros son muy

probables con lnea de visin directa (LOS) (una vez ms, dependiendo de la

frecuencia). Rangos ms all de 16 Kilmetros son ciertamente posibles,

pero para fines de escalabilidad puede no ser conveniente para las redes con

mucha carga. En la mayora de los casos, las clulas adicionales estn

indicadas para mantener la alta calidad de servicio (QoS) de capacidad.

12

1.5.5 Enlace de factibilidad

Cabe destacar que antes de una implementacin de este tipo, es

necesario hacer una inspeccin del lugar para determinar las condiciones

ptimas para el enlace. Considerando la ecuacin de potencia de una seal

transmitida menos las detracciones entre el transmisor y el receptor (lluvia,

interferencia de otros organismos de radiodifusin, vegetacin, ganancia de

antenas) y que seal es recibida por este ltimo. Ver figura N 1.9 a

continuacin.

Figura N 1.9. Factibilidad del enlace


1.6 Plan de Frecuencia

Parte del proceso de inspeccin, es establecer un plan de frecuencias

viable para la conexin inalmbrica, haciendo un uso mximo de los bienes

del espectro limitado. La figura N 1.10 a continuacin, muestra como un

operador de telefona mvil (WiMAX, entre otros) utiliza su asignacin de

espectro limitado para ofrecer el mejor servicio posible evitando

13

interferencias entre sus estaciones base. Dichas estaciones se representan

con crculos de colores a tres frecuencias distintas, pero con la caracterstica

que ningn crculo semejante toca a otro. De hacerlo produciran

interferencia entre estaciones base ya que operan en la misma frecuencia.

Figura N 1.10. Planeacin de Frecuencias Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

1.6.1 Rango de Frecuencias

Las versiones iniciales de WiMAX, cubran rangos del espectro desde

la gamma de 2 GHz hasta los 66 GHz. Este es un rango de espectro enorme.

Sin embargo, las consideraciones propuestas por los miembros de WiMAX

Frum, estipulaban que los perfiles de productos se centraran en los rangos

del espectro que ofrecen los vendedores con un fin de potencial de ventas.

Por ejemplo, el estndar internacional tiene productos en frecuencias

de 3.5 GHz (la empresa Entel desarroll en el ao 2005 la primera red de

WiMAX - 802.16d en Chile, cubriendo 14 ciudades desde Arica hasta Puerto

Montt con la implementacin de 22 estaciones base, con velocidades

iniciales de 2 Mbps por usuario y alcance de 15 Km alrededor de cada

estacin base), 5.8 GHz en banda de licencia libre y 2.5 GHz en banda

14

licenciada. Todos estos en EEUU, desde aqu se hace expansible a la banda

de 700 MHz.

La fsica de las seales radio suelen establecer 2 condiciones

primarias del espectro. A modo de generalizacin entre mayor espectro de

frecuencias se tenga, mayor es el ancho de banda que puede ser

transportado, por lo que a bajas frecuencias, se transporta menos ancho de

banda. En segundo lugar, a menor frecuencia, mayor es el rango de

portadora y la penetracin de una seal. Por ejemplo un radio de 900 MHz de

licencia gratuita viajar ms lejos y puede penetrar alguna cubierta de rbol

con bastante facilidad a distancias de hasta uno o dos kilmetros. Sin

embargo, puede llevar mucho menos ancho de banda que una seal de 2.4

GHz, la cual no puede penetrar en lo absoluto en alguna cubierta de rbol.

Pero por el contrario puede ofrecer muchos ms datos. La advertencia de

que algo puede alterar esta relacin, es la potencia. Al espectro de banda

licenciada se le asigna altos niveles de potencia debido a que est dedicada

al uso por parte de un usuario y por consiguiente permite la transmisin a

travs de paredes y/o rboles.

Cabe destacar que los fallos producidos por las otras tecnologas (Wi-

Fi, LDMS, MMDS, CDMA, GSM) que se refieren a objeciones de

interferencia, calidad de servicio y seguridad, han sido corregidos gracias al

rediseo de la capa fsica (PHY) y del control de acceso al medio (MAC) (ver

figura N 1.11).

15

Figura N 1.11. Rediseo de capas PHY y MAC Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

1.6.2 Seleccin de frecuencia dinmica, MIMO y SDR

Una de las soluciones ms simples para remediar la interferencia es

simplemente cambiar de frecuencia para evitar la frecuencia donde se

produce la interferencia. La Seleccin dinmica de Frecuencia (DFS) hace

exactamente eso. Un DFS radio olfatea las ondas para determinar la

frecuencia donde no se produzcan interferencias y selecciona aquella

frecuencia abierta para la optimizacin del enlace (ver figura N 1.12).

Los sistemas de antena MIMO trabajan basados en el mismo principio.

Con mltiples transmisores y receptores construidos dentro de la antena, los

transmisores y receptores pueden coordinar moverse a una frecuencia

abierta cuando se produce la interferencia.

Las radios definidas por software usan la misma estrategia para evitar

la interferencia. Como ellos son software y no hardware definido, tienen la

flexibilidad para cambiar dinmicamente las frecuencias con el fin de alejarse

de una frecuencia congestionada a un canal abierto.

16

Figura N 1.12. Seleccin Dinmica de Frecuencia Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

1.6.3 Eficiencia espectral

Figura N 1.13. Eficiencia espectral Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

La eficiencia espectral es la medida del ancho del rayo de la seal a

travs del aire (ver figura N 1.13). Es tambin, la medida de la adaptabilidad

del radio WiMAX. Por ejemplo: en WiMAX mvil, los anchos de rayo

comnmente usados estn en el rango de 1.25 MHz a 20 MHz. La eficiencia

del producto se determina por cuanto ancho de banda (medido en megabits

por segundo, en este caso) puede ser transportado con poco ancho de rayo

(MHz en este caso). La eficiencia espectral es especialmente importante en

casos donde un proveedor de servicio paga un alto precio por el espectro

(Ejemplo, 40 MHz a 2.5 GHz). Con alta eficiencia espectral, el proveedor de

17

servicios puede atender a ms clientes a un bajo costo por suscriptor en el

uso del espectro.

1.7 Calidad de servicio y Rendimiento

1.7.1 Quality of service (QoS)

La calidad de servicio (QoS) bsicamente es lo que determina si una

tecnologa inalmbrica puede ofrecer satisfactoriamente servicios de alto

valor, tales como voz y video [15]. Los principales opositores a la buena QoS

son la latencia y los paquetes perdidos, a lo que WiMAX, ofrece una latencia

muy baja a travs del ciclo inalmbrico. La gran mayora de la latencia no se

producir en el enlace areo que hay entre los subscriptores y la estacin

base, sino ms bien en la parte de cableado de la conexin entre los

subscriptores y el otro extremo, que podra ser (sitio web del servidor,

servicio de IPTV o VoIP). La figura N 1.14 a continuacin, muestra como

cualquier latencia en la parte inalmbrica de una red es mnima en relacin a

la de la parte de cableado de una red.

Figura N 1.14. Latencia dependiendo del enlace WiMAX Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

18

1.7.2 Buena Calidad de servicio

Priorizacin del trfico

La principal solucin para ofrecer una buena QoS es priorizar la

sensibilidad del tiempo del trfico, tales como VoIP y video. Las principales

categoras de priorizacin de trfico, son representadas en la tabla N 1.1:

Service Class Applications QoS Specifications

Unsolicited

Grant Service

(UGS)

VoIP

- Jitter tolerance

- Maximum latency

tolerance

- Maximum sustained rate

Real-time

Packet

Service (rtPS)

Streaming

Audio/Video

- Traffic priority

- Maximum latency

tolerance

- Maximum reserved rate


Extended real

time Packet

Services

(ertPS)

VoIP (VoIP

with Activity

Detection)

- Traffic priority

- Jitter tolerance

- Maximum latency

tolerance



Non-real time

Packet

Services

(nrtPS)

FTP

- Traffic priority



Best Effort

(BE)

Data transfer,

web browsing

- Traffic priority


Tabla N 1.1. Priorizacin de trfico Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

19

WiMAX tambin ofrece un par de mecanismos que garantizan una

buena QoS. En Primer lugar, la codificacin y esquemas de modulacin (64-

QAM/16-QAM/QPSK), garantizan la intensidad de la seal constante sobre el

incremento de la distancia (ver figura N 1.15). En segundo lugar, la

asignacin de banda ancha dinmica (DBA) es un mecanismo que monitorea

las redes y cuando se producen la interferencia u otros detracciones hacia la

intensidad de la seal, la estacin base asigna ms ancho de banda y

potencia a la corriente afectada.

Figura N 1.15. Modulaciones dependiendo de la distancia del enlace Fuente: IEEE

Los enlaces de radio WiMAX ya son compatibles con las capacidades

de QoS muy robustas, hasta la incorporacin del modo de transferencia

asncrono (ATM) de calidad. El propio MAC est configurado para manejar el

trfico IP, Ethernet y ATM de forma nativa [10]. El MAC fue diseado para

soportar incluso los futuros protocolos de transporte an no inventados. Los

enlaces pueden ser configurados de forma dinmica basados en las

condiciones de enlace. Bsicamente, esta tcnica de configuracin dinmica

suaviza el acto de equilibrio entre la capacidad y la calidad sobre la marcha,

esto debera mejorar mucho la capacidad o eficiencia espectral. Todo el tema

20

de calidad de servicio es cada vez ms importante, como la capacidad del

dispositivo (como el iphone), que han puesto de manifiesto un aparente

deseo acumulado por los consumidores, que se enfoca a utilizar ms

contenido de los medios enriquecidos, como el vdeo.

Hay una gran cantidad de elementos de transmisin inalmbrica que

afectan a la calidad de la seal. Sin embargo, las necesidades varan

tambin dependiendo del tipo de datos. Por ejemplo, VoIP pueden tolerar

algunos errores, pero debe tener una latencia muy baja (por encima de 150

ms es problemtico) para funcionar. El tamao de los paquetes de VoIP son

mucho ms pequeos que el de los datos. Cuando las redes deben manejar

el trfico mixto, el mecanismo que sondea elige la radio que puede transmitir,

ya sea un pequeo paquete de VoIP o un paquete de datos ms grande, es

crucial para asegurar que el trfico de datos no se optimiza a expensas de la

voz. La transmisin de vdeo es similar. A la inversa, los paquetes de datos

no necesitan latencias especialmente bajas, pero no puede soportar los

errores de transmisin.

WiMAX, en parte logra esto, mediante la asignacin el Protocolo de

unidad de datos (PDU) con longitud variable, que es bsicamente el tamao

del paquete de datos en la capa fsica, que se pueden combinar en rfagas

para reducir la sobrecarga de sealizacin en la capa fsica. sto se conoce

como modulacin adaptativa y es un gran contraste con los esquemas de

modulacin estticos del pasado. Una tcnica similar es usada por MAC, la

cual se llama Unidades de Servicio de Datos (SDU). Varias otras tcnicas se

utilizan para reducir la transmisin de seales y para mejorar la votacin o las

comunicaciones entre las radios. Bsicamente un Carrier Sense Multiple

Access with collision detection (CSMA / CD) se enfoca similarmente a redes

informticas de Ethernet [10]. Esto, desafortunadamente, da lugar a

colisiones de paquetes, prdida de paquetes y una gran cantidad de diafona

ineficiente de un modo esttico.

La tecnologa WiMAX soporta una variedad de mecanismos de

votacin ms eficientes, que los vendedores y que las compaas pueden

21

optar por utilizar, incluyendo un ciclo de contacto definido, la agrupacin de

las radios en grupos de contacto, o incluso permitiendo a los clientes de radio

generar una seal breve que indica que necesita un ciclo de transmisin.

Todos estos aspectos, los cuales estn destinados a resolver mltiples

problemas, tambin dan lugar a la mejora de las capacidades de QoS. QoS

es fundamental para delimitar los niveles mnimos de ancho de banda para

las sesiones de VoIP, por ejemplo, as como otros servicios de IP.

Cabe destacar que los esquemas comunes de duplexing, tanto FDD

como TDD, son compatibles con la tecnologa WiMAX, The Frequency

divisin duplexing (FDD) requiere dos canales paralelos para enviar y recibir.

Este mtodo es un vestigio para el buen entendimiento de la tecnologa

celular. La reciente Time Division Duplexing (TDD) permite la transmisin

dinmica y simtrica de datos a travs de un canal nico. Es importante

sealar que el mltiple apoyo de duplexing aade una flexibilidad significativa

a WiMAX. Capacidades que antes no eran soportadas por la tecnologa de

banda ancha inalmbrica.

1.7.3 Throughput (data transfer rate)

WiMAX soporta transferencia de datos muy robusto. La tecnologa en

relacin de mximos tericos podra soportar alrededor de 75 Mbps por canal

(en un canal de 20 MHz con 64QAM y una tasa de cdigo de ). Un

rendimiento real ser considerablemente menor, tal vez el gasto excesivo es

alrededor de 45 Mbps por canal en algunas aplicaciones de banda ancha fija.

Adems, que el servicio a travs de este canal sera compartida por varios

clientes. Las capacidades actuales de transmisin sobre las bases de un

cliente pueden variar ampliamente dependiendo de la compaa elegida por

el cliente, que es en realidad una fuerza inherente, ya que puede ser definida

por calidad de servicio en una forma deliberada de ofrecer diferentes

capacidades de ancho de banda a los clientes con necesidades diferentes (y

presupuestos diferentes). Las capacidades de WiMAX mvil sobre una base

por cliente ser menor en trminos prcticos, pero mucho mejor en

22

comparacin con las tecnologas 3G. WiMAX se cita a menudo a poseer una

eficiencia espectral de 5 bps / Hz, que es muy bueno en comparacin con otras tecnologas inalmbricas de banda ancha, especialmente en 3G.

El esquema de modulacin, ya sea (QPSK), Quadrature Amplitude

Modulation (16QAM, 64 QAM, etc.) y sus variaciones, entregan diferentes

capacidades de ancho de banda por tamao del canal. La tecnologa

OFDMA admite varios esquemas de modulacin, dependiendo de la gama de

usuarios de la celda con los usuarios en una gama ms cercana que reciben

la seal a travs de ms sub-canales, por ejemplo 64 QAM. Mientras que un

usuario en una mayor gama recibira seal a travs de menos sub-canales

(con mayor ganancia o potencia por canal) utilizando una tcnica de ancho

de banda inferior QPSK [10], por ejemplo.

Hay muchas cosas que afectan la tasa de transferencia ms all de la

capacidad del simple radio enlace, unos de los principales elementos es la

distancia de la estacin base. La fsica del radio enlace, no puede ser

evitada. Distancias ms largas, menor ser el ancho de banda entregado.

Adems, el tamao del canal del espectro (20 MHz o de otro tipo) que define

como apropiada la regulacin para diferentes bandas de frecuencia, en

donde se dictan las capacidades de ancho de banda al menos hasta cierto

punto. Adems, se recalca que el entorno de RF y el entorno fsico juegan un

papel importante en los resultados de rendimiento.

La fsica de la gama de frecuencia juega un papel importante en la

capacidad de ancho de banda. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor es el

potencial de entrega de ancho de banda y con una capacidad de rango ms

corto. Las frecuencias ms bajas, disfrutan de una capacidad de rango

mucho mayor, pero el trfico externo tiene un potencial de ancho de banda

mucho menor. Afortunadamente, el rendimiento de WiMAX es excelente. Tal

vez ninguna prueba de fuego es tan buena como los resultados de los

informes de las compaas areas, las cuales los han compartido, y que

constantemente alcanzan hasta 5 Mbps de velocidad de descarga.

23

1.8 Esquema o protocolo para la seguridad de WiMAX

Un concepto importante en los sistemas de banda ancha inalmbrica

es la seguridad de estas. IEEE y WiMAX Frum, en conjunto, determinaron

definir un entorno de seguridad robusto. La seguridad de WiMAX admite dos

estndares de cifrados de calidad, el de la DES3 y AES, que es considerado

de vanguardia. La norma define un dedicado proceso de seguridad a bordo

de la estacin base para empezar. Tambin hay requisitos mnimos de

encriptacin para el trfico y para la autenticacin de un extremo a otro, la

ltima de las cuales es una adaptacin de la especificacin de interfaz de

servicio de datos sobre cable (DOCSIS) BPI + protocolo de seguridad.

Bsicamente, todo el trfico en una red WiMAX debe ser encriptado

utilizando Counter Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication

Code Protocol (CCMP), que utiliza AES para la transmisin de la seguridad y

la autentificacin de integridad de datos.

La autentificacin de extremo a extremo usa la metodologa PKM-EAP

(Extensible Authentication Protocol) que se basa en el estndar TLS de

encriptacin de clave pblica.

Esta seguridad de WiMAX, se sita en la subcapa de Privacidad, en la

capa MAC. Por sus respectivas especificaciones, WiMAX fijo (802.16-2004)

usa certificados X.509 para autentificacin y 56 bit de Digital Encryption

System (DES) para la encriptacin del flujo de datos. WiMAX mvil (802.16e-

2005) usa EAP para autentificacin y Advance Encryptacion System (AES)

para la encriptacin [10]. Ambas variantes utilizan Privacy Key Management

(PKM) para la autentificacin entre la estacin base y la estacin del

suscriptor (ver figura N 1.16). Cabe destacar que a modo de comparacin,

Wi-Fi puede haber sufrido una mala reputacin de la seguridad, debido a los

problemas iniciales en la industria. Por el contrario, WiMAX ofrece fuertes

medidas para impedir una amplia variedad de amenazas.

24

Figura N 1.16. Fuerte seguridad en WiMAX mvil y fijo Fuente: WiMax.com Broadband Solutions, Inc.

1.9 Compatibilidad con otras tecnologas

Es evidente que WiMAX y Wi-Fi son tecnologas complementarias y lo

seguir siendo en el futuro previsible. La amplia disponibilidad de tecnologa

Wi-Fi utilizada en los hotspots de hoteles, restaurantes, aeropuertos e incluso

grandes zonas Wi-Fi en algunas ciudades, continuarn creciendo durante

muchos aos. La reciente oleada de Wi-Fi slo ha servido para cimentar la

tecnologa inalmbrica. Wi-Fi no va a desaparecer en el corto plazo.

La capacidad de red mltiple en un solo dispositivo est ganando

terreno y debe ser la norma en unos pocos aos ms. Una vez ms, lo que

apunta a un aspecto complementario de las dos tecnologas (WiFi y WiMAX).

Los verdaderos usuarios de acceso mvil en muchos casos no requieren el

nivel de ancho de banda que podra ser necesaria en una ubicacin fija. Las

dos tecnologas cumplirn distintas necesidades de los consumidores. En la

tabla N 1.2 se muestra a nivel comparativo, las principales diferencias con

su competidor directo.

25

Otros estndares de tecnologa LAN como Bluetooth, las frecuencias

de espacios en blanco de UHF, Ultrawideband y la especificacin 802.11n,

que ofrecen un valor en el corto rango de redes de puntos de acceso,

crecern y harn necesario chipsets y radios porttiles que con el tiempo

sern capaz de atravesar sin problemas los ms cortos rangos de redes de

datos, as como las redes celulares y redes WiMAX en toda la ciudad. El

estndar WiMAX es una parte importante de la visin brillante sobre el futuro

de banda ancha inalmbrica, y de la flexibilidad que sta promete.

Los lderes de la industria, a menudo citan la posibilidad de

verdaderos sistemas de software de radio definidos, en el que los usuarios

de un telfono, ordenador porttil u otros dispositivos permitan en esencia

buscar la mejor conexin para la ubicacin y el espectro disponible. La

industria se est moviendo lentamente en esta direccin, sin embargo,

esperan que el pleno desarrollo de este tipo de tecnologa se d sin

problemas en unos pocos aos ms. Incluso, una leve mejora en esta

direccin podra ocasionar beneficios para los consumidores, que son en

esencia, imposibles con las tecnologas almbricas actuales.

26

LTE (3GPP) LTE Advanced (3GPP) WiMAX 802.16e WiMAX 802.16m

Capa Fisica

DL: OFDMA UL: SC-FDMA

DL: OFDMA UL: SC-FDMA

DL: OFDMA UL: OFDMA

DL: OFDMA UL: OFDMA

Modo duplex FDD y TDD FDD y TDD TDD FDD y TDD

Movilidad del

usuario 350 km/h 350 km/h 60 a 120 km/h 350 km/h

Banda ancha del

canal

1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz

1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz

3.5, 5, 7, 8.75, 10 MHz

5, 10, 20, 40 MHz

Tasa de datos Peak

DL: 300 Mbps UL: 75 Mbps a 20 MHz, FDD

DL: 1 Gbps UL: 300 Mbps

DL: 46 Mbps UL: 4 Mbps a 10

MHz, TDD

DL > 350 Mbps UL > 200 Mbps a 20 MHz, FDD

Eficiencia espectral

DL: 1.91 bps/Hz UL: 0.72 bps/Hz

DL: 30 bps/Hz UL: 15 bps/Hz

DL: 1.91 bps/Hz UL: 0.84 bps/Hz

DL > 2.6 bps/Hz UL > 1.3 bps/Hz

Frecuencia de trabajo

(MHz)

700, 850, 900, 1800, 1900, 2100, 2500

700, 850, 900, 1800, 1900, 2100, 2500

2300, 2500, 3300, 3500,

3700 Bajo los 6000

Cobertura Sobre los 100 km Sobre los 100

km Sobre los 50 km Sobre los 50 km

Tabla N 1.2. Comparacin de tecnologas frente a WiMAX Fuente: Elaboracin propia

27

1.10 Resumen

WiMAX mvil ofrece un estndar multi-espectro con una mejor

tecnologa de ancho de banda, concepto que puede reducir

significativamente los costos, mejorar la eficiencia espectral y la prestacin

de servicios rentables. La curva de crecimiento de la tecnologa, beneficia en

parte al estndar, debido al gran nmero de empresas de proveedores de

chips de radio y de manejo de la tecnologa. La cual, debe proporcionar una

curva de innovacin mucho ms alta para WiMAX. A nivel internacional, la

banda ancha mvil inalmbrica no goza de mayor aceptacin. Muchas

empresas estn por naturaleza ms cmoda con una actualizacin de 3G

desde el lado de GSM, debido a las similitudes de la tecnologa. Sin

embargo, las virtudes presentadas en este captulo, benefician a un nmero

indeterminado de usuarios, debido a su comodidad y rendimiento.

28

2 CAPTULO II. TECNOLOGIA WRAN 802.22

2.1 Introduccin

WRAN (Wireless Regional Area Network), es un estndar creado a

mediados del aos 2004 por IEEE (Instituto de Ingenieros Elctricos y

Electrnicos) y la FCC (Comisin Federal de comunicaciones) bajo estudios

propicios que buscan la conectividad donde las compaas de transmisin no

llegan, haciendo mayor relevancia a los sectores rurales, o en el caso de que

llegasen, el precio de su puesta en marcha es muy elevado, por consiguiente

se pretende establecer conexiones de internet, cable telefnico, entre otros,

a usuarios que no cuentan con este tipo de tecnologa, como en su

contraparte los usuarios de la ciudad. Y cuyo principal objetivo es

proporcionar acceso a la conectividad utilizando el espectro asignado a la

TV, que tiene rangos entre el lmite alto de VHF y limite bajo de UHF, que en

comparacin con frecuencias del orden de 5 GHZ por ejemplo, estas tienen

un mayor alcance, cubriendo as, las zonas rurales. Lo que la hace

relativamente ms barata en comparacin con el largo alcance de la seal.

Su modo de funcionamiento se basa en las bandas de no utilizacin

en el espectro radioelctrico, sin causar interferencia con los usuarios

licenciados que se encuentran operando a la misma frecuencia, ya sean

receptores de TV u otros dispositivos. Una tcnica de fuerte potencial para

realizar estas tareas se llama Radio Cognitivas que tiene la capacidad de analizar el espectro radioelctrico para detectar las bandas libres; cabe

destacar que en el siguiente captulo se explicar en detalle este tipo de

tecnologa. De forma paralela es necesario destacar que WRAN es el primer

estndar en utilizar Radio Cognitiva.

29

2.2 Caractersticas Generales

El presente estndar trabaja a modo de interoperabilidad frente a sus

precedidas tecnologas de comunicacin (WiFi, WiMAX). Ampliando el sector

de comunicacin que no cubre el estndar WiMAX, llegando a cubrir las

necesidades hacia sectores rurales del pas [9].

Se muestra en la figura N 2.1 a continuacin, la comparacin de

cobertura y velocidades frente a otros estndares inalmbricos.

Figura N 2.1. Caractersticas segn la Red Fuente: IEEE 802.22: An Introduction to the FirstWireless Standard based on Cognitive

Radios

En lo que se hace referencia, es en el tipo de topologa que utiliza este

estndar. El cual, corresponde a un sistema de punto a multipunto,

comprendida por una Estacin Base (Base Station (BS)), la cual gestiona

30

todas las caractersticas de transmisin de RF, como modulacin,

codificacin, frecuencias de operacin, y que adems, gestiona su propia

cobertura, que corresponde de forma aproximada a un rango entre 33 a 100

km, en condiciones favorables, siempre y cuando la potencia no sea un

problema, pudiendo asignar a 255 usuarios fijos. Comprendida tambin por

mltiples Customer Premise Equipment (CPE) o Terminal. El cual, a los 33

km de cobertura transmite 4 W EIRP (Efective Isotropic Radiated Power) y

efecta mediciones de distribucin de canales de TV (ver figura N 2.2).

Cabe sealar que la relacin existente entre BS y CPE es de

maestro/esclavo, donde los CPE son esclavos que necesitan autorizacin del

maestro (BS) para transmitir, con la finalidad de proteger el servicio primario

[9].

Adems, las BS tambin administran lo que se llama percepcin

distribuida. Esta caracterstica es necesaria para asegurar el correcto uso del

espectro de televisin sin interferir en el espectro ya usado por las emisiones.

Segn lo que la BS reciba de los CPEs, que envan la informacin obtenida

por el resultado de la deteccin del espectro peridicamente, actuar de una

manera u otra, es decir; conforme la informacin recibida, la BS decide si

cambiar o no los parmetro de transmisin y/o recepcin.

WRAN puede alcanzar una velocidad media de 18 Mbps en un canal

de televisin de 6 MHz de ancho de banda, y suponiendo un total de 12

usuarios simultneos, se obtienen tasas de transferencia de datos de 1.5

Mb/s desde la base al usuario y 384 Kb/s del usuario a la base, Similar al

servicio ADSL.

31

Figura N 2.2. Representacin de relaciones entre BS y CPE Fuente: IEEE 802.22: An Introduction to the FirstWireless Standard based on Cognitive

Radios

Este estndar, permite los diferentes anchos de banda de canales de

televisin internacionales, ya sea de 6,7 u 8 MHz con la utilizacin de una

eficiencia espectral que va entre 0.5 a 5 bits/s. Con un promedio estimado

de 3 bit/s.

2.3 Interfaz area

La necesidad de mayor potencial de la interfaz 802.22, es el poder de

flexibilidad y adaptabilidad que tienen por objetivo, evitar las interferencias

con otros usuarios que se encuentran utilizando el mismo espectro de

frecuencias. En suma a lo escrito, es necesario destacar que se hace de vital

importancia la coexistencia entre varias celdas, debido al gran alcance que

tiene este estndar. El cual, no requiere licencias para ser usado.

32

Se sealarn a continuacin las capas PHY y MAC que son las

encargadas de entregar la adaptabilidad y flexibilidad mencionadas

anteriormente.

2.3.1 Capa PHY

Figura N 2.3. Modulacin en el estndar 802.22 Fuente: Visin electrnica Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas - Colombia

Esta capa como se mencion anteriormente, debe proporcionar un

alto rendimiento, siendo capaz de adaptarse a diferentes condiciones.

Adems, de ser flexible para cambiar entre los canales sin presentar errores.

En la figura N 2.3 se muestra la relacin directa entre la modulacin utilizada

en base al rea de cobertura, para mantener de esta forma un rendimiento

ptimo del servicio [8].

Como definicin, La capa PHY, es la interfaz entre el MAC y el medio

inalmbrico, la cual provee tres niveles de funcionalidad:

Intercambiar tramas entre PHY y MAC

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Utilizar una seal portadora (signal carrier) y modulacin de espectro

ensanchado (spread spectrum) para transmitir tramas a travs del

medio.

Proveer al MAC de un indicador de deteccin de portadoras (carrier

sense idication) para sealizar actividad en el medio.

La capa PHY est dividida en dos subcapas, la PLCP (physical layer

convergece procedure) que es la ms cercana al MAC y la PMD (physical

mdium dependent layer), la cual interacciona con el medio inalmbrico.

En la figura N 2.4 se puede apreciar lo que podra ser el patrn de

ocupacin de los canales de TV. Se puede apreciar que las oportunidades de

transmisin de las BS son aleatorias, por lo tanto se ejerce una fuerte

influencia en el diseo de MAC y PHY [24].

Figura N 2.4. Posible patrn de ocupacin de canales de TV Fuente: IEEE 802.22: An Introduction to the FirstWireless Standard based on Cognitive

Radios

34

Las aplicaciones de WRAN tienen como requisito una flexibilidad tanto

en subida como en bajada, con soporte para varios usuarios. Actualmente

ste estndar est basado en Modulacin/Multiplexacin OFDMA

(Orthogonal Frecuency Division Multiple Access). La cual, es una versin

multiusuario de la multiplexacin OFDM. Se ocupa para que un conjunto de

usuarios de un sistema de telecomunicaciones puedan compartir el espectro

de un cierto canal, para aplicaciones de baja velocidad. Este acceso mltiple

se consigue dividiendo el canal en un conjunto de subportadoras que se

reparten en grupos, en funcin de la necesidad de cada uno de los usuarios.

La administracin de la capa fsica ha de suministrar una alta

flexibilidad en trminos de modulacin y codificacin a travs de la

modulacin OFDMA, que es la que se ajusta perfectamente a estas

caractersticas. En la actualidad se propone repartir los suscriptores en 48

subcanales. Por ende, las modulaciones propuestas son: QPSK (Quaternary

Phase Shift Keying), 16-QAM y 64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation),

por lo que se obtendra, una tasa de transferencia de unos pocos Kbps por

subcanal hasta 19 Mbps por canal de televisin.

La existencia de anlisis preliminares dejaron a sabiendas la dificultad

de transmitir a 19 Mbps en 30 km usando solamente un canal de televisin.

Por lo tanto, se utiliza la vinculacin de canales (channel bonding),

permitiendo de esta forma, el uso de dos o ms canales en lugar de uno, lo

que aumenta el rendimiento del sistema [9]. Donde cabe destacar que hay

dos maneras de vincular canales.

Vnculo de canales contiguos

Vnculo de canales no contiguos.

En la siguiente figura N 2.5 se muestra un diagrama simplificado, de

cmo sera el vnculo de canales contiguos. En primera instancia vincular la

mayor cantidad de canales sera lo ideal, pero las limitaciones a la hora de

implementar este tipo de tecnologa limita el nmero de canales a vincular.

Por lo tanto, el espacio libre entre canales de televisin para que este

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estndar pueda operar, debe ser mnimo de tres canales. Lo que implica, que

el ancho de banda est limitado a stos tres canales contiguos. Por ejemplo,

para canales de 6 MHz supondra un ancho de banda de 18 MHz

Figura N 2.5. Vnculo de canales contiguos Fuente: IEEE 802.22: An Introduction to the FirstWireless Standard based on Cognitive

Radios

En el momento en que un dispositivo comienza la sincronizacin, no

sabe en gran medida los canales que estn vinculados. Por ello, y a modo de

facilitar la sincronizacin inicial, se define una supertrama o superframe la

cual se explicar en las caractersticas de la capa MAC. A modo de resumen,

la cabecera de superframe se transmite en el modo de los 6 Mhz. El nuevo

dispositivo comienza a escanear en modo de 6 MHz hasta encontrar la

cabecera del superframe y obtener la informacin de los siguientes frames.

Entre las caractersticas de este superframe se puede mencionar que

la cabecera del msmo, posee informacin relevante como el prembulo de

sincronizacin, el ajuste AGG y la estimacin del canal. Por otro lado, al

prembulo le sigue un smbolo de cabecera que contiene los bits de

informacin actual, la que se transmite en todos los canales de televisin

vinculados.

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2.3.2 Capa MAC

A este nivel fsico se estipulan las caractersticas necesarias para un

correcto funcionamiento de transmisin a nivel de redes. Es decir, se

delimitan los rangos de utilizaciones de bits en tamao y nmero de la trama,

ubicacin de la informacin, vinculacin de los canales de tv, cabecera,

protocolos utilizados, entre otros.

La capa MAC (Medium Access Control) de IEEE 802.22 se basa en la

radio cognitiva, porque debe ser flexible y responder rpidamente a los

cambios en la operacin, evitando de sta manera los errores en la

transmisin. sta capa asegura que no habrn interferencias con los

operadores de TV o con otros sistemas de la familia 802.x. MAC tambin

proporciona una compensacin por retrasos ocurridos debido a la larga

distancia a la estacin base.

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Simulación del radio canal aeronáutico para la transmisión digital del estándar WiMAX en plataformas de mediana altitud tipo MAPS