CAPÍTULO II: SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA

Transcripción

1 CAPÍTULO II: SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA II.1 Historia Los sistemas de acceso inalámbrico de banda ancha surgieron en los años 70 como una forma alternativa al cable para transmitir las señales de televisión. Actualmente, y dadas sus capacidades, los sistemas BW se utilizan para la transmisión de voz y datos, acceso a Internet, y otros servicios interactivos, esto debido a que el BW establece comunicaciones bidireccionales entre las estaciones base y los usuarios. Dos tecnologías han alterado la situación de los sistemas BW considerablemente: La disponibilidad de equipos de compresión digital a costo relativamente bajo y la disponibilidad de sistemas de acceso con ancho de banda compartido para la transmisión (bidireccional de datos). Esta tecnología ha permitido: Multiplicar la capacidad de los sistemas de BW de 31 a 155 canales. Uso de esquemas de modulación espectralmente más eficientes, tipo 64 QAM, que permite 30Mbps por cada canal de 6MHz. Uso de formatos de modulación QPSK y DQPSK para el canal de retorno. Proporcionar servicios de acceso rápido a Internet a pequeñas y medianas empresas y a usuarios residenciales. Posibilidad de utilizar estos sistemas para transmitir voz sobre IP. 21

2 II.2 Definición Los sistemas de comunicaciones inalámbricas de banda ancha proporcionan la infraestructura para transportar grandes cantidades de información. Tradicionalmente, los sistemas de banda ancha son aquéllos que han transportado medios de comunicación como video digital, audio digital y datos para las aplicaciones de Internet a gran velocidad (mayor que 1 Mbps). Figura II.1 Convergencia de los servicios de comunicaciones Las soluciones que ofrecen los medios no guiados de gran ancho de banda son un ejemplo claro de la convergencia de los mercados en el área de las 22

3 comunicaciones. Esta convergencia lleva a la unificación de la plataforma de servicios al usuario final, como se muestra en la figura II.1 las redes inalámbricas de gran ancho de banda prometen ofrecer un elevado grado de servicios en las diferentes aplicaciones que se derivan de los tres grandes mercados que actualmente se ofrecen: Telecomunicaciones (Telefonía) Broadcast/Video (Broadcast TV) Servicios de alta velocidad de transmisión de datos Por otro lado los medios inalámbricos ofrecen una plataforma ideal para soportar servicios en desarrollo o por desarrollar como por ejemplo, aplicaciones multimedia y de comunicaciones orientadas a objeto, ya que poseen el ancho de banda requerido y es una solución relativamente más económica que el medio guiado para alcanzar a muchos usuarios simultáneamente. II.3 El Mercado Actual El mercado de servicios que pueden ser ofrecidos sobre medios inalámbricos de gran ancho de banda esta en constante cambio y depende, entre muchos factores, del cambio que ocurra en el desarrollo de nuevas tecnologías. En adición al mercado de servicios tradicionalmente inalámbricos, se están abriendo nuevas ventanas de oportunidades como lo es el acceso a Internet y la interconexión a redes LAN, para acceso a servidores y correos electrónicos, entre otros servicios que eran tradicionalmente alámbricos. La evolución de los diferentes servicios que se ofrecen sobre medios no guiados se puede observar en la figura II.2, que van desde la radio y televisión hasta un servicio integrado basado en la comunicación de datos de alta velocidad. 23

4 Existe además de los beneficios que ofrecen los medios no guiados, tanto a los proveedores como a los usuarios, un catalizador que va a llevar a unificar en una red de servicios inalámbricos todas las aplicaciones de usuario final, el cual es el auge del concepto del Teletrabajador. Ya que cada vez es más importante el hecho de poder ubicar, comunicarse o hacer llegar la información a tiempo, que la ubicación física de la persona que posee dicha información. Figura II.2 Evolución de los servicios de comunicaciones sobre medios inalámbricos II.4 Características De Las Aplicaciones Y/O Servicios Toda aplicación necesita diferentes cantidades de ancho de banda en ambas direcciones. Tal y como se muestra en la figura II.3, algunas de ellas son de una 24

5 sola vía, otras por su parte requieren una mayor cantidad en una de las direcciones (Upstream o Downstream) que en la otra, así como existen otras aplicaciones que requieren la misma cantidad de ancho de banda en ambas direcciones. Figura II.3 Demanda de ancho de banda de los servicios de comunicaciones Estos servicios requieren diferentes niveles de interactividad, algunos operan sobre una base de almacenaje y reproducción de la información y por otro lado existen algunos que necesitan conexión de tiempo real, estos usuarios necesitan que se les garantice un nivel de servicio aceptable en los diferentes casos posibles. 25

6 Otro aspecto importante que requieren estos servicios son los niveles de seguridad y de conectividad que son solicitados por los usuarios finales, ya que en estos aspectos es donde en la actualidad existe la mayor cantidad de inconvenientes de la seguridad en las transmisiones por medios no guiados. La rentabilidad de los medios no guiados para sistemas de comunicaciones personales y sus diferentes aplicaciones, depende de varios factores: cantidad de frecuencias, banda de frecuencia, restricciones de los entes reguladores, configuración de la red, costo de la tecnología y número de usuarios, entre otros. II.5 Tipos De Aplicaciones Y Servicios Los sistemas inalámbricos de banda ancha pueden ser utilizados en casi todas las aplicaciones del cable, éste puede ser un circuito T1, un cable de televisión vía cable, un cable de Ethernet o un cable de fibra óptica. Los sistemas inalámbricos de banda ancha son diseñados de tal modo que emulen uniones de cable, y ellos usan el mismo tipo de interfaces y protocolos, como T1, Frame Relay, Ethernet y ATM. Los sistemas inalámbricos de banda ancha son usados tanto para comunicaciones de voz como para llevar la programación de televisión. El desarrollo más nuevo en sistemas fijos inalámbricos está centrado en la transmisión de datos, como el acceso a Internet, pero es flexible para apoyar tanto comunicaciones de datos como de voz. Los sistemas fijos inalámbricos emparejan a los sistemas a base de cable en todos los parámetros importantes, incluyendo el retardo, el índice de errores binarios (1 en 100 millones o mejor) y el rendimiento (1 Mbps a 155 Mbps). Por consiguiente cualquier aplicación que funciona sobre un cable debe ser capaz de funcionar sobre un sistema fijo inalámbrico. La única 26

7 excepción es la comunicación que implica satélites geosíncronos donde las tardanzas pueden exceder un cuarto de segundo. Entre los diferentes servicios prestados en los sistemas de comunicaciones personales sobre medios inalámbricos de gran ancho de banda, se puede establecer una clasificación según las direcciones de la comunicación que envuelven y si deben o no ser recibidas en tiempo real: Una dirección, tiempo no-real: En este tipo de aplicación el usuario final configura los diferentes parámetros de su equipo receptor (como por ejemplo que canal de TV desea observar) y no posee otro tipo de interacción con el proveedor de servicios. En este tipo de servicios se pueden catalogar las aplicaciones como televisión y distribución de video. Una dirección, tiempo real: Estos servicios se utilizan para distribución en "vivo" o en tiempo real de la información, proveyendo integración en un solo sentido, el más usual es desde el proveedor hacia el usuario. Entre los servicios sobre plataformas inalámbricas de gran ancho de banda se pueden nombrar la televisión en vivo (Noticias de las 10:00 y/o cadenas nacionales) y el datacasting (en la cual se envía la información de actualización de precios, noticias de último momentos, etc.). El ancho de banda de estos servicios depende del formato en que se este transmitiendo y debe ser recibido por todos los usuarios simultáneamente. Asimétrico y en tiempo no-real: Generalmente este tipo de servicios no poseen gran demanda de la plataforma de la red, pero son los tipos de servicios que más se están solicitando en estos días. Estos servicios requieren un relativo alto ancho de banda en sentido hacia el usuario y un reducido ancho de banda en sentido opuesto, lo que más preocupa al usuario final es la rapidez de acceso y obtención de la información, así como la seguridad del medio, en estas aplicaciones se pueden nombrar el acceso a la WEB, Servicios de directorios, Servicios de información 27

8 Multimedia, transacciones bancarias y de compras desde el hogar, y servicios de adiestramiento a distancia. Asimétrico en tiempo real: Al igual que los servicios anteriores es necesario un gran ancho de banda en sentido hacia el usuario final, pero este último debe tener control en tiempo real del contenido provisto por la aplicación. Como parte de este tipo de servicios se pueden nombrar, Noticias y entretenimiento en "vivo", juegos interactivos (Multiusuarios), Surveillance, Control y diagnóstico remoto. Simétrico en tiempo no-real: Este tipo de servicios debe proveer el mismo ancho de banda desde y hacia el usuario final, así como sirve de medio de almacenaje y envío de la información cada vez que el usuario final está en la disposición de efectuarlo. Como ejemplo de estos servicios se pueden nombrar la mensajería de voz y multimedia, correos electrónicos, y los sistemas EDI (Electronic Data Interchange). Los requerimientos más importantes para estos servicios son la accesibilidad a la red de servicios y la seguridad de las transmisiones. Simétrico en tiempo real: Este tipo de aplicaciones son las más complejas y que más exigen en cualquier tipo de red, estos requieren garantías en términos de ancho de banda, integración, acceso, soporte y control. Entre estos servicios se pueden nombrar la videoconferencia, para la cual es necesario asegurar el ancho de banda en ambos sentidos para la transmisión de la información audio visual ya que es muy susceptible al retardo y al jitter, acceso remoto a LAN, debido a la cantidad de documentos, grado de servicio, seguridad y movilidad que se desea dependiendo del usuario final. Trabajo colaborativo que es un poco más complejo que la videoconferencia ya que además del video y el audio se envían datos a gran velocidad por lo que se necesitan las características de los dos servicios anteriores. La telefonía básica y sobre Internet que requiriere de poco ancho de banda para garantizar un grado aceptable de servicio, pero un alto nivel de accesibilidad. 28

9 II.6 Alámbrico Contra Inalámbrico En algunos casos, un sistema inalámbrico es la única opción. Hoy menos del 10 por ciento de edificios tienen fibra óptica, y sólo aproximadamente el 50 por ciento está bastante cercano a una central (3.5 kilómetros) para aprovechar la tecnología DSL. Así en muchos casos, una conexión inalámbrica podría ser la única opción para comunicaciones rápidas. Esto principalmente en las áreas más remotas. En algunos lugares, la única opción para comunicaciones sería el satélite. Cuando tanto las opciones inalámbricas como las alámbricas existen, los motivos potenciales para preferir los sistemas inalámbricos son los gastos inferiores, despliegue más rápido, mayor flexibilidad y fiabilidad. Lamentablemente los gastos y el despliegue tienen que ser evaluados caso por caso y los gastos dependerán de las circunstancias particulares. En países desarrollados, un sistema inalámbrico no será más confiable que opciones alámbricas, pero en países en vías de desarrollo las comunicaciones inalámbricas pueden ser mucho más confiables. Ventajas Los sistemas inalámbricos de banda ancha se están desplegando en el mercado con la idea de satisfacer una serie de funciones, como por ejemplo dar acceso a redes, pero sin duda su principal ventaja frente a los sistemas con cableado está en la posibilidad de proveer este acceso desde cualquier punto. Sin embargo ésta no es la única ventaja: La velocidad de despliegue en red es mucho más rápida con los sistemas inalámbricos lo que permite una entrada en el mercado también más rápida. 29

10 Los costos de entrada, despliegue y mejora del servicio son menores que las alternativas de cable, puesto que la ingeniería de cableado resulta mucho más cara. El desembolso por manutención es también menor. Una arquitectura escalable permite la expansión de la cobertura y los servicios en relación directa con el nivel de demanda. Únicamente se requiere una arquitectura de redes para proveer voz, video y datos, y puede ser expandida cuando se desee. Limitantes Las comunicaciones inalámbricas de banda ancha ofrecen una tremenda flexibilidad y un performance o desempeño mejorado, pero tiene algunas limitaciones. En primer lugar, utilizan el espectro radioeléctrico, que es un recurso finito. Esto limita el número de usuarios y la cantidad del espectro disponible para cualquier usuario en cualquier momento. La cantidad de espectro disponible se compara casi directamente con el ancho de banda de los datos, con 1 Hz del espectro típicamente se tiene entre 1 y 4 bps del rendimiento en función de varios factores, entre los que se encuentran el tipo de modulación utilizada y el medio ambiente. La cantidad de espectro realmente disponible varía de radio banda a radio banda, pero basta con decir que la fibra óptica ofrece una capacidad total mucho mayor. A pesar de este limitante en la capacidad, los sistemas inalámbricos ofrecen un ancho de banda suficiente para muchas aplicaciones. Otra limitación es que los sistemas inalámbricos de banda ancha funcionan en frecuencias que casi siempre requieren de línea de vista y esto es restrictivo para distancias que varían de unos cuantos kilómetros a decenas de kilómetros. Existen muy pocos estándares para los sistemas inalámbricos de banda ancha, por lo que se debe comprar el equipo del mismo vendedor para ambos lados de la conexión con la finalidad de asegurar interoperabilidad. 30

11 II.7 Principios De Operación Los sistemas de comunicaciones inalámbricas de banda ancha están comprendidos típicamente por una célula o un grupo de células, cada una de las cuales contienen varias terminales inalámbricas (también conocidas como estaciones adaptadoras, unidades subscriptoras, o CPEs Customer Permise Equipments). Cada célula consiste en uno o más puntos de acceso (también conocido como Unidades de Acceso), dispositivos que normalmente se conectan a un backbone existente (en este caso, un backbone de IP con una interfaz de Ethernet), el cual maneja todo el tráfico dentro del área cubierta. Las terminales dentro del área de cobertura de un punto de acceso se conectan al backbone de la red a través del punto de acceso. Todas las terminales asociadas con un punto de acceso son sincronizadas por frecuencia y tiempo en el orden de transmitir y recibir datos a y desde éste. La misma regla solicita un dispositivo de intercepción. Para que los datos sean interceptados debe emplearse un dispositivo inalámbrico y debe sincronizarse dentro del área cubierta por el punto de acceso. II.8 Espectro Radioeléctrico Los sistemas inalámbricos de banda ancha utilizan frecuencias asignadas de aproximadamente 900 MHz a 40 GHz. Existen múltiples bandas de frecuencia adjudicadas para el uso privado y múltiples bandas para el uso de carrier. Además, algunas bandas son designadas para el uso autorizado mientras los otras pueden ser usadas sin una licencia. 31

12 Las frecuencias más altas tienen algunas ventajas sobre frecuencias inferiores, pero también sufren algunos inconvenientes. La ventaja principal de las frecuencias más altas consiste en que hay más espectro disponible para aplicaciones de banda ancha. La mayoría de los sistemas de banda ancha usan frecuencias por encima de los 10 GHz. Las antenas en estas frecuencias son más pequeñas debido a las longitudes de onda más pequeñas, haciendo los sistemas más fáciles para desplegar. Pero con frecuencias superiores los componentes exigen tecnología más sofisticada, entonces los sistemas son más caros. La distancia de propagación para comunicaciones confiables disminuye y la señal es más susceptible a condiciones meteorológicas como lluvia y niebla. Los sistemas de frecuencia superiores, aquellos por encima de 30 GHz, son a veces referidos como de onda milimétrica porque la longitud de onda de estas señales es del orden de 1 milímetro. Tanto los sistemas de carrier como los privados tienen la opción de utilizar el espectro licenciado o no licenciado. La ventaja principal del espectro no licenciado es la capacidad de desplegar un sistema sin solicitar una licencia de la FCC (Federal Communications Commission) o cuerpo equivalente en otros países. La desventaja es que se puede experimentar o causar interferencia, aunque el tipo de tecnología usada en estas frecuencias minimiza esta posibilidad. Las frecuencias principales son: 900 Hz, 2.4 GHz y 5.8 GHz: Sistemas no licenciados que usan técnicas spreadspectrum. 2.5 GHz: Licenciado a portadores para MMDS. 5 GHz: Nueva banda no licenciada referida a UNII. 23 GHz: Comúnmente utilizada para sistemas LAN de microondas. 28 GHz: Licenciado a portadores para LMDS. 32

13 38/39 GHz: Licenciado para portadores de servicios de comunicaciones de objetivo general. II.9 Frecuencias De Aplicación Y Asignación Tabla II.1 Ancho de banda de algunos servicios inalámbricos SISTEMA MVDS LMDS MMDS DBS WLAN (en el rango de 2.4 GHz) Broadband PCS Telefonía Celular Broadcast TV ANCHO DE BANDA 2 GHz 1 GHz 186 MHz 500 MHz 83.5 MHz 30 MHz 25 MHz 6 MHz Las badas de frecuencia asignadas a los sistemas inalámbricos de banda ancha se encuentran en las atribuidas a los servicios fijos, con excepción de la ventana de los GHz para el sistema MVDS. Los anchos de banda de los sistemas LMDS/MMDS se observa en la Tabla II.1. La mayor ventaja técnica de los sistemas BW sobre otros sistemas inalámbricos se debe a su gran ancho de banda (ver Tabla II.1). Este ancho de banda permite a LMDS y MVDS apoyar servicios simultáneos como voz, fax, video bajo demanda, Internet, video 33

14 conferencias, tele educación, telemedicina, telebanca, telecompras y juegos de videos a través de una sola red. II.10 Geografía Y Clima Con la mayor parte de comunicaciones de datos no existe preocupación por si hay una colina entre uno y otro punto, o si el día es soleado, lluvioso, etc. Pero con las comunicaciones inalámbricas, se debe considerar tanto la geografía como el clima. En primer lugar veremos la geografía. Se ha enfatizado ya en la línea de vista. Pero qué significa esto exactamente? Esto significa que las dos antenas deben ser claramente visibles la una de la otra. Entonces deben tomarse en cuenta aspectos como el de la vegetación o futuras construcciones. Si los sitios están separados por varios kilómetros, cómo se puede contar con que se tiene línea de vista? Existen compañías que se especializan en la integración inalámbrica y que tienen la capacidad de dar asistencia en el análisis del lugar. Los paquetes de software que caracterizan el terreno de áreas particulares también pueden ser de utilidad. Las aproximaciones de tecnología de bajo nivel, como el reflejo de un espejo, también pueden considerarse. En segundo lugar el clima no debe considerarse un factor importante en las bandas no autorizadas de 2.4 GHz y de 5.8 GHz, pero sí en las bandas de ondas milimétricas mayores o iguales a 28 GHz. Un enlace de 5 kilómetros que funciona en 38 GHz con una precipitación pluvial pesada de una pulgada por hora sufrirá una degradación de 1,000 veces en la potencia de la señal recibida. Por lo que los portadores deben diseñar sus enlaces con el margen necesario para soportar el mal tiempo. 34

15 II.11 Extensión Asumiendo que la mayoría de los canales MMDS RF están dedicados a servicios de entrega de video de entretenimiento, sólo un límitado número de canales está disponible para datos D/S. La capacidad del subscriptor probablemente será insuficiente en las grandes ciudades y áreas metropolitanas. Si el ruteador, módem y la capacidad de las líneas de comunicaciones al PoP (Point of Presence) pueden ser escaladas como es necesario, el ancho de banda efectivo D/S puede aumentar proporcionalmente. Este aumento de capacidad D/S puede ser realizado mediante la sectorización y/o celularización de las frecuencias, incluyendo el reuso de éstas. La sectorización es la técnica en la cual se emplea un arreglo de antenas altamente direccionales para reutilizar los canales de RF en una determinada zona geográfica. En este contexto, la reutilización de frecuencias se refiere al envío de distinta información a diferentes usuarios utilizando varias veces los mismos canales de RF. Por ejemplo, supóngase que se dispone de un arreglo de antenas que permite dividir la zona a cubrir en 6 sectores de 60 cada uno; si se dispusiera solamente de un par de canales A y B, ello permitiría utilizar 3 veces cada canal para transmitir distinta información, lo cual triplica la capacidad de cada canal. En un esquema de sectorización existirá un compromiso entre el incremento de la capacidad asociado al número de sectores cubiertos y el incremento de la capacidad asociado a la utilización de esquemas de modulación cada vez más complejos, cuya susceptibilidad al ruido e interferencia será cada vez mayor. Cuando se utiliza la sectorización es necesario contar con una adecuada separación entre sectores adyacentes, lo cual puede lograrse utilizando antenas lo suficientemente directivas y polarizaciones alternas. Por lo general, en un entorno libre de obstáculos y de trayectorias múltiples, un aislamiento entre sectores de 30 db suele dar resultados satisfactorios. 35

16 La técnica de celularización es aquella en la que se utilizan múltiples transmisores para enviar información a grupos de suscriptores que están geográficamente dispersos; cada grupo de suscriptores se halla dentro de una región o celda. El incremento en la capacidad se produce al enviar diferente información de RF desde distintas celdas utilizando los mismos canales de RF. En la práctica se acostumbra utilizar la combinación de técnicas de sectorización y celularización. Para utilizar un esquema de celularización es necesario contar con un enlace de banda ancha entre la estación central y cada una de las estaciones base, el cual permitirá acomodar el crecimiento del ancho de banda provocado por la reutilización de frecuencias. Dicho enlace suele ser de fibra óptica o microondas punto-a-punto. Por supuesto, es necesario diseñar tomando en cuenta la presencia de señales ajenas a la deseada en cada una de las celdas, lo que representa un problema tan grave como en el caso de la telefonía celular, en el que cada uno de los usuarios dispone de antenas omnidireccionales: en MMDS cada suscriptor emplea antenas altamente direccionales, dirigidas hacia la respectiva estación base. En un sistema celularizado podrían emplearse dos técnicas básicas de multicanalización: multicanalización por división de frecuencias (FDM) y multicanalización por división de tiempo (TDM). La elección está dictada por el espectro disponible y el tamaño de las celdas a servir. Esto último es una función de factores tales como la potencia disponible para la transmisión, el formato de modulación, la ganancia de las antenas, el tipo de terreno, etc. Por razones de competitividad se requiere un tamaño de celda relativamente grande, ya que al reducir el tamaño de la celda suben los costos de infraestructura. En la figura II.4 se muestra un esquema de sectorización y celularización. 36

17 Figure II.4 Sectorización y celularización. 37

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