Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Electricidad y Electrónica

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1 Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Electricidad y Electrónica "WIMAX INTEROPERABILIDAD MUNDIAL POR ACCESO INALÁMBRICO." Tesis para optar al título de: Ingeniero Electrónico. Profesor Patrocinante: Sr. Néstor Fierro Morineaud. Ingeniero Electrónico. ALEX FERNANDO HIDALGO LOAIZA VALDIVIA -CHILE 2005

2 Profesor Patrocinante Néstor Fierro Morineaud Profesores Informantes Roland Glöckler Luis Vidal Vidal

3 RESUMEN. En este trabajo de Tesis se detallan aspectos relativos a la tecnología y servicios WiMAX. Se comienza con una introducción de los sistemas inalámbricos de banda ancha en el ámbito internacional principalmente, ya que en Chile los operadores más importantes recién han comenzado a desarrollar redes y proporcionar servicios a usuarios de éste tipo de tecnología, como es el caso para Wi-Fi. Luego en los capítulos siguientes se describen las principales características del estándar IEEE , las tecnologías involucradas en su desarrollo, y sus ventajas y desventajas. También, se hace un estudio de los posibles servicios a implementar sobre WiMAX. Finalmente se desarrolla un análisis personal de la realidad nacional en el servicio de Internet a través de banda ancha cableada e inalámbrica y la posibilidad de implementar WiMAX en Chile considerando aspectos de mercado, técnicos, y del marco regulatorio vigente. ABSTRACT. This thesis details aspects relative to WiMAX technology and services. It begins with an introduction to the broad-band wireless systems, primarily in the international environment, since the most important operators in Chile have only recently begun to develop networks and provide services to users of this type of technology, as is the case for Wi-Fi. The following chapters describe the principal characteristics of the IEEE standard , the technology involved in its development, and its advantages and disadvantages. This work also studies the possible services to be implemented over WiMAX. Finally, it gives a personal analysis of the current state of Internet service in Chile through cable and wireless broad-band, and the possibility of implementing WiMAX in Chile, considering the aspects of marketing, techniques, and the current regulations. 1

4 INTRODUCCIÓN. Muchos operadores, abastecedores de servicio y usuarios pueden ser desconocedores de los detalles del estándar del IEEE, aún cuando esta tecnología se dispone a revolucionar la industria de ancho de banda por acceso inalámbrico. El estándar "interfaz aérea para ancho de banda fijo por acceso inalámbrico," también se conoce como la interfase aérea IEEE WirelessMAN y además como WiMAX. Esta tecnología se diseña para proporcionar ancho de banda por acceso inalámbrico de última milla en la Metropolitan Area Network (MAN), entregando un funcionamiento comparable al cable tradicional, a las virtudes del DSL, o al T1. Las características principales de los sistemas basados en el estándar son la capacidad para la rápida provisión de servicio, principalmente en las áreas que son difíciles para el alcance de la infraestructura cableada, debido a los grandes radios de cobertura la evitación de costes abruptos en la instalación; y la capacidad de superar las limitaciones físicas de la infraestructura dependiente del cable tradicional. Se suma a las características anteriores, el hecho de poseer una capa MAC que soporta múltiples capas Físicas las cuales soportan diferentes técnicas de modulación, y algunas también, capaces de propagar señales en ambientes LOS (Línea de Vista) y NLOS (No Línea de Vista). Finalmente es importante mencionar que esta tecnología tiene como objetivo final entregar una plataforma completamente móvil para entregar banda ancha inalámbrica a usuarios de computadoras portátiles y PDA, entre otros beneficios. 2

5 OBJETIVOS. Objetivos Generales. Investigar y analizar la nueva tecnología creada para redes inalámbricas de largo alcance, denominada actualmente como WiMAX. Realizar un análisis de las ventajas y desventajas más relevantes con respecto a otras tecnologías similares y con ello hacer una evaluación de la factibilidad en la implementación de ésta tecnología en el mercado de las comunicaciones. Objetivos Específicos. Investigar en extenso las características técnicas más importantes de la tecnología para redes inalámbricas denominada WiMAX. Analizar los beneficios y limitaciones de WiMAX, considerando sus aspectos técnicos y económicos más relevantes. Investigar y analizar las razones que llevaron a la creación y que llevarán también a la futura implementación en el mercado internacional de comunicaciones, de esta tecnología. Comparar técnicamente WiMAX y otras tecnologías similares como Wi-Fi, analizando principalmente las posibilidades de complementación entre estos dos estándares. Con todo lo anterior, entregar una visión personal del probable desarrollo de la tecnología en el ámbito nacional y las posibles consecuencias técnicas y económicas que su implementación pudiese provocar en el mercado local de las comunicaciones. 3

6 METODO DE TRABAJO. Se debe dejar claro que esta tecnología aún no se ha implementado comercialmente en el ámbito internacional y por supuesto tampoco en el nacional, por lo mismo el desarrollo de esta tesis estará enfocado en mostrar las características técnicas más importantes de esta tecnología actualmente en proceso de estandarización y también se hará una proyección desde un punto de vista personal de las consecuencias en el mercado nacional de comunicaciones si en el futuro ésta se implementase, ya que el estudio de los servicios WiMAX en cuestión y su implementación al mercado requiere de análisis de mercado más desarrollados, los que no están dentro de los objetivos. La metodología a utilizar para el desarrollo del trabajo fue mediante la solicitación de información a las fuentes principales relacionadas con la estandarización y el desarrollo técnico de WIMAX tales como empresas operadoras de sistemas de comunicaciones móviles, organismos de estandarización, proveedores de infraestructura de telecomunicaciones, foros de la industria, la subsecretaría de telecomunicaciones, e información aparecida en la prensa tanto nacional como internacional. Destacar que la consulta de esta información fue realizada exclusivamente a través de la red Internet. Existen varias fuentes quienes fueron consultadas por correo electrónico y otras a quienes simplemente se les visitó a través de sus respectivas páginas Web. Algunas de éstas son: el Forum WiMAX compuesto por distintas compañías del rubro de las comunicaciones, los organismos de estandarización del IEEE, Subtel y empresas como INTEL y FUJITSU, principales compañías interesadas en el rápido desarrollo de WIMAX. 4

7 INDICE. RESUMEN... 1 ABSTRACT INTRODUCCIÓN... 2 OBJETIVOS METODO DE TRABAJO... 4 CAPITULO I. DESPLIEGUE ACTUAL DE BANDA ANCHA INALÁMBRICA PROGRESOS TECNOLÓGICOS EN BANDA ANCHA INALÁMBRICA TECNOLOGÍAS FIJAS O PORTABLES Redes inalámbricas de corto alcance - Wireless Personal Area Networks (WPANs) Redes inalámbricas de alcance medio- Wireless Local Area Network (WLANS) Redes inalámbricas de larga distancia Wíreless Metropolitan Area Network (WMANs) CAPITULO II. ARQUITECTURA PARA REDES WIMAX ANTECEDENTES ARQUITECTURA PUNTO A MÚLTIPLES PUNTOS (PMP) ARQUITECTURA MALLA (MESH)...21 CAPÍTULO III. TECNOLOGÍAS PARA WIMAX ANTENAS INTELIGENTES Haz conmutado Phased array Arreglo de antenas TÉCNICAS DE TRANSMISIÓN DÚPLEX FDD Frequency Division Duplex TDD - Time Division Duplex Uso combinado de FDD y TDD MODULACIÓN (QPSK, QAM) Ondas portadoras Concepto de modulación Modulación adaptiva OFDM

8 CAPÍTULO IV. WIMAX INTEROPERABILIDAD GLOBAL DE REDES INALÁMBRICAS DE BANDA ANCHA EL RADIO ESCALANDO A LA FULL MOVILIDAD REQUISITOS PARA UNA INTEROPERABILIDAD GLOBAL DE ARQUITECTURA DE ESTRUCTURA END-TO END EVOLUCIÓN DE LA ARQUITECTURA EXTREMO A EXTREMO ARQUITECTURA DE REFERENCIA EXTREMO A EXTREMO Entidades funcionales Interfases de Interoperabilidad SEGURIDAD EXTREMO-A-EXTREMO WIMAX: TECNOLOGÍA PARA AMBIENTES LOS Y NLOS Propagación NLOS v/s LOS Rango de cobertura de WIMAX...52 CAPÍTULO V. CONTROL DE ACCESO AL MEDIO ANTECEDENTES MODELO DE REFERENCIA DE LA PILA DE CAPAS DEL PROTOCOLO IEEE CAPA DE CONTROL DE ACCESO AL MEDIO (MAC) Capa física OFDM Capa física OFDMA Tipos de cabeceras (Header) MAC Subcapa de Convergencia ACCESO A LA RED CREACIÓN DEL PROTOCOLO DE UNIDAD DE DATOS Y PETICIÓN AUTOMÁTICA DE REPETICIÓN CLASES DE SERVICIOS PROGRAMACIÓN Y ADAPTACIÓN DEL ENLACE APROVISIONAMIENTO DE SERVICIO SUB-CAPA DE SEGURIDAD Arquitectura Protocolo PKM La creación y mapping de la SA dinámica El uso de la clave Métodos criptográficos QOS Teoría de Operación Propósito de las clases de servicio La autorización

9 Tipos de flujos de servicio Flujos de servicio proporcionados Flujos de servicio admitidos Flujos de servicio activos Creación del flujo de servicio Administración del flujo de servicio...71 CAPÍTULO VI. WIMAX Y WI-FI ANTECEDENTES WI-FI Protocolo de contención de red SOLUCIONES A LIMITACIONES DE WI-FI Wi-Fi con antenas direccionables Wi-Fi con una topología de malla WIMAX Fijo Portátil ALCANCES FINALES...80 CAPITULO VII. WIMAX Y 3G ANTECEDENTES DESCRIPCIÓN DE ESTAS TECNOLOGÍAS: DESAFÍOS DE LOS AMBIENTES INALÁMBRICOS PARA CDMA Y OFDMA Atenuación Efectos de la atenuación sobre WiMAX Interferencia multidireccional Multitrayectoria: Desvanecimiento selectivo de frecuencia MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN ADAPTIVA (AMC) ALCANCES FINALES...89 CAPITULO VIII. VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS DESVENTAJAS...92 CAPITULO IX. WIMAX Y SUS POSIBILIDADES DE DESARROLLO EN CHILE ANTECEDENTES POSIBLES SERVICIOS A IMPLEMENTAR SOBRE WIMAX

10 Backhaul celular Demanda de ancho de banda Banda ancha residencial Áreas de bajo servicio Servicio inalámbrico mejor-conectado Banda ancha en puertos chilenos Aplicaciones móviles en ruta Usos públicos de seguridad Vigilancia de seguridad Tráfico de telefonía IP POSIBILIDADES DE APLICACIONES DE WIMAX EN CHILE SEGÚN ZONAS GEOGRÁFICAS Región metropolitana Décima región ASPECTOS REGULATORIOS EN CHILE Norma técnica para el uso de las bandas de frecuencia de MHz Norma técnica para el uso de las bandas de frecuencia de MHz Uso de la banda de frecuencia de 3 GHz ESTADÍSTICAS DE DESEMPEÑO DEL SECTOR DE LAS TELECOMUNICACIONES EN CHILE Cobertura del servicio de acceso internet CONCLUSIONES REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ANEXO. GLOSARIO DE TERMINOS Y DEFINICIONES

11 CAPITULO I CAPITULO I. DESPLIEGUE ACTUAL DE BANDA ANCHA INALÁMBRICA Progresos Tecnológicos en Banda Ancha Inalámbrica. Hay una amplia variedad de tecnologías usadas en la disposición de servicios de banda ancha inalámbricos. Los realces a las tecnologías actuales, así como los progresos de nuevas clases de tecnologías, están aumentando continuamente el número de opciones disponibles. Mientras que, históricamente, las tecnologías de banda ancha inalámbrica han tendido a ser caracterizadas fijas o de plataformas móviles, la introducción de nuevos estándares y tecnologías que proporcionan estos tipos de servicios están nublando estas distinciones. Por ejemplo, los avances recientes en tecnologías celulares han aumentado los índices de transmisión de datos asociados para estas tecnologías; aunque las tecnologías celulares pueden utilizar plataformas puramente móviles desde un punto de vista técnico, se están convirtiendo en cada vez más un substituto para ciertos servicios de banda ancha inalámbricos fijos. [2] Las redes de banda ancha inalámbrica pueden atravesar la longitud de un cuarto, un edificio, alcanzar varias millas, o aún más pueden llegar a cubrir una nación. Esta sección proporcionará una descripción general de las tecnologías de acceso de banda ancha inalámbricas actuales y las emergentes. VELOCIDAD PERSONAL AREA NETWORK LOCAL AREA NETWORK METROPOLITAN AREA NETWORK DISTANCIA Figura 1.1. Tecnologías de banda ancha inalámbrica 9

12 CAPITULO I 1.2. Tecnologías Fijas o Portables. Las tecnologías de acceso de banda ancha inalámbricas fijas o portables caen dentro de tres categorías principales de redes, definidas principalmente por el corto, medio, o largo alcance de las capacidades de cobertura para las cuales están optimizadas. Como materia general, hay tres tipos básicos de tales redes inalámbricas: (1) Redes de Área Personal Inalámbricas (WPANs), con enlaces de redes típicamente más cortos que 10 metros. (2) Redes de Área Local Inalámbricas (WLANs), con enlaces individuales de red que pueden atravesar hasta 4.5 kilómetros. (3) Redes de Área Metropolitana Inalámbrica (WMANs), con enlaces individuales de red que pueden atravesar distancias de hasta 50 kilómetros. Tal como las distinciones entre las tecnologías inalámbricas fijas y móviles están comenzando a llegar a ser menos bien definidas, son también las diferencias entre las tecnologías usadas para WPANs, WLANs, y WMANs. Por ejemplo, mientras WiMAX - una tecnología desarrollando redes inalámbricas es generalmente sostenida hacia fuera para ser conveniente para larga distancia, al establecimiento de una red al exterior, algunos observadores de la industria notan que, a largo plazo, sus propiedades técnicas pueden hacer ésta ideal para un rango más corto WLAN o aún las redes WPAN. No obstante, para entender las características y las aplicaciones generales de diferentes tecnologías del establecimiento de una red inalámbrica fija y portable, es útil discutirlas y categorizar según su corriente y la mayoría de los frecuentes despliegues Redes inalámbricas de corto alcance - Wireless Personal Area Networks (WPANs). Las redes de banda ancha inalámbricas y las tecnologías asociadas que funcionan en rangos cortos están comúnmente referidas como Wireless Personal Area Networks (WPANs). Estas redes atraviesan a menudo solamente algunos metros, y usualmente no se extienden más allá de 10 metros; estas han sido caracterizadas como redes que "crean una burbuja virtual 10

13 CAPITULO I alrededor del usuario." Generalmente, las tecnologías WPAN proporcionan interconectividad entre los dispositivos móviles (incluyendo computadoras portátiles, PDAs, televisores, y teléfonos móviles) y los dispositivos de escritorio, sirviendo como reemplazo para los alambres y los cables que conectan diversos dispositivos electrónicos entre sí. Bluetooth: Actualmente la tecnología más común WPAN, es un producto del Bluetooth Special Interest Group (SIG), que fue fundado por Ericsson, IBM, Intel, Nokia, y Toshiba en Los estándares relevantes del IEEE para Bluetooth son el y Los índices de datos para Bluetooth son actualmente hasta 720 Kbps. El equipamiento de Bluetooth opera en una banda básica de 2.4 GHz no licenciada. En noviembre del 2004, el Bluetooth SIG anunció un timeline para los realces técnicos a la tecnología que incrementaría los índices de datos entre 1-3 Mbps, extendiendo las distancias de transmisión mejorando la interoperabilidad, la calidad de servicio, y seguridad. El Bluetooth SIG cree que estos realces permitirán a Bluetooth WPANs ser utilizados como parte de los sistemas de sensor (ejemplo, sistemas de seguridad del hogar), para aplicaciones de audio streaming, juego multi-player, etc. Ultra-wideband: es otra tecnología de banda ancha inalámbrica de corto alcance. La tecnología Ultra-wideband utiliza baja potencia, la modulación de ráfagas de energía extremadamente angostas, o cortas son moduladas sobre un ancho de banda que es bastante grande, excediendo a menudo un gigahertz. Con redes atravesando menos de 10 metros e índices de datos de hasta 100 Mbps, ultra-wideband ofrece una posible alternativa WPAN a Bluetooth. De hecho, porque sus índices de datos son mucho más altos que aquellos posibles con Bluetooth, ultra-wideband puede tener aplicaciones más diversas. Por ejemplo, mientras que las comunicaciones ultra-wideband pueden ser usadas para la computadora del hogar y el establecimiento de una red periférica, los potenciales índices de datos también hacen está útil para la distribución de audio y transmisiones de video y, consecuentemente, ésta puede ser utilizada para enlazar las cajas del cable y el televisor o la transferencia de imágenes desde una cámara fotográfica digital a una computadora portátil o a un televisor. Las operaciones de comunicaciones ultra-wideband se permiten dentro y en una base no licenciada desde 3 GHz a 10 GHz. En agosto del 2004, se autorizó el primer chipset ultra-wideband. El comité IEEE está en el proceso de desarrollar un estándar para los dispositivos del establecimiento de una red ultra-wideband. Actualmente, hay dos diferentes acercamientos tecnológicos 11

14 CAPITULO I propuestos, uno que utiliza modulación de espectro expandido de secuencia directa y el otro que utiliza modulación multi-banda Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). ZigBee: es otro tipo de tecnología WPAN. Las redes ZigBee operan en las bandas de MHz y 2.4 GHz, y tienen un radio de acción de hasta metros con índices de datos de 250 kbps. La tecnología ZigBee es más probable de ser desplegada en redes sensoriales de mallas e incluida en productos comerciales y del hogar, tales como termóstatos, detectores de humo, dispositivos médicos, iluminación, y entradas sin la llave tradicional. Como un observador industrial posicionado, la aplicación principal de ZigBee es reemplazar la tecnología infrarroja de línea de vista usada para control remoto. Actualmente, hasta 255 dispositivos diferentes pueden ser enlazados por red ZigBee. Aunque su funcionalidad se traslapa con Bluetooth en muchos los índices de datos relativamente más bajos de ZigBee pueden limitar sus aplicaciones. Por ejemplo, puede ser usado para proporcionar enlaces de información entre varios objetos como parte de la administración y control de las redes sensoriales más que como tecnología de comunicaciones de datos; o, uno podría utilizar ZigBee con un computador de red de área local como una medida de controlar toda la iluminación dentro de un hogar. En diciembre de 2004, la alianza ZigBee, un consorcio de más de 100 compañías apoyando el desarrollo de productos ZigBee, concluyó el estándar Zigbee 1.0. Este estándar asegurará interoperabilidad entre diferentes productos Zigbee. El estándar relevante IEEE es el , aunque el ZigBee 1.0 no es totalmente coextensible con el IEEE Ahora que se ha concluido el ZigBee 1.0, los analistas han proyectado que entre 5 a 100 millones de chips ZigBee podrían ser enviados dentro de los próximos años. Mientras Bluetooth, ultra-wideband, y ZigBee son todos clasificados como tecnologías WPAN y son todos incluidos en la familia de estándares IEEE , cada tecnología es apuntada para aplicaciones levemente diferentes, aunque en cierto grado pueden traslaparse. Bluetooth se centra en aplicaciones de comunicaciones y computación, ultra-wideband es apuntada en la distancia corta, aplicaciones relativamente de índices de datos más altos, y ZigBee trata aplicaciones industriales y para uso general - requiriendo vida larga de batería e índices de datos relativamente más bajos Redes inalámbricas de alcance medio- Wireless Local Area Network (WLANS). Las Redes de Área Local Inalámbricas (WLANs) son a menudo utilizadas para 12

15 CAPITULO I transmisiones punto a múltiples puntos para distancias de menos de 300 pies o su equivalente a metros; 90 mts. Las tecnologías WLAN, sin embargo, también pueden ser usadas para la conectividad de Internet para largas distancias, usando una red de configuración punto a punto; de hecho, muchos WISPs actualmente utilizan estas tecnologías para redes que atraviesan largas distancias. Generalmente, las WLANs tienen enlaces individuales que atraviesen menos de tres millas ó 4.8 kilómetros. La tecnología WLAN más prevalerte es el equipo fabricado de acuerdo con la familia de estándares IEEE , conocida comúnmente como "Wi-Fi," abreviación para Fidelidad Inalámbrica. Hay tres tipos primarios de Wi-Fi. El primero en el mercado, y por lo tanto el más conocido, es el IEEE b, que opera en una base no licenciada en la banda de 2.4 GHz con índices de datos de hasta 11 Mbps. IEEE g, el sucesor tecnológico al IEEE b, utiliza la modulación OFDM y tiene índices de datos de hasta 54 Mbps. También es compatible con el IEEE b, tal que las WLANs puedan ser configuradas usando el equipo fabricado según cualquier estándar (aunque usar ambos tipos de equipo juntos puede reducir los índices de datos previstos). Finalmente, el estándar IEEE a es utilizado para equipo WLAN operando en una base no licenciada usando modulación OFDM en la banda de 5 GHz. El equipo fabricado según los diferentes estándares Wi-Fi tiene varias ventajas y desventajas. Por ejemplo, el equipo que emplea el estándar IEEE b/g, que funcionan en la banda de 2.4 GHz, es más bajo en costo e incluye generalmente una selección más amplia que equipamiento bajo otros estándares. También, en comparación con equipamiento funcionando en la banda de 5 GHz, las señales se propagan más lejos usando la misma potencia de transmisión. Sin embargo, debido a que este equipamiento es desplegado en la banda de 2.4 GHz, este comparte efectivamente esta banda con muchos otros tipos de dispositivos inalámbricos no licenciados, y esta debe hacerlo con una cantidad más pequeña de ancho de banda que es disponible en la banda de 5 GHz. Finalmente, el espectro en las bandas de 70, 80 y 90GHz "onda milímetra superior" es también usado para aplicaciones WLAN Redes inalámbricas de larga distancia Wíreless Metropolitan Area Network (WMANs). Las Redes Inalámbricas de Área Metropolitana (WMANs) son redes punto a punto o punto a múltiples puntos con enlaces individuales que pueden atravesar no solamente 13

16 CAPITULO I distancias de hasta 50 Km, que es importante para aplicaciones de backhaul, pero también pueden proporcionar conectividad de última-milla en ambientes metropolitanos. Las WMANs puede emplear el equipamiento propietario del vendedor-específico y algunas tecnologías asociadas o ellas pueden ser manufacturadas según los estándares del IEEE. En este punto hablaremos del estándar IEEE conocido como WiMAX y también hablaremos de las IMT-2000 estandarizado por la ITU (International Telecommunication Union). IMT-2000: IMT Telecomunicaciones Móviles Internacionales 2000, es un estándar cuyo desarrollo es de responsabilidad de la ITU, en cooperación directa con la industria de las telecomunicaciones y organismos de estandarización distribuidos por todo el mundo, y representa a la serie de recomendaciones que han sido aprobadas por la ITU para la estandarización de los sistemas móviles 3G sobre una base global. El gran avance de IMT-2000 en cuanto a la provisión de servicios se refleja en la oportunidad de comunicaciones del tipo multimedia, usando voz y vídeo en tiempo real, como por ejemplo en aplicaciones de videoconferencia. Un avance sustancial lo constituye la red de conmutación de paquetes y de circuitos basada en TCP/IP, que permite el acceso a Internet e Intranet a altas velocidades, la lectura de correo electrónico, etc. con conexión permanente a la red (always-on), con provisión de calidad de servicio QoS para los distintos servicios prestados. Tabla Modelo de tráfico característicos de IMT

17 CAPITULO I Los nuevos servicios son accesibles con velocidades de 144 Kbit/s en alta movilidad, 384 Kbit/s en espacios abiertos y 2 Mbps en baja movilidad. Los anchos de bandas son asignados dinámicamente según los requerimientos de las aplicaciones y del QoS contratado, ya sea tanto simétricamente como asimétricamente. También se aplican niveles de seguridad más avanzados. La tabla 1.1 muestra algunas características de IMT WiMAX: Cuando estaba adoptado inicialmente, el estándar WMAN IEEE trataba solamente redes licenciadas en el rango de GHz usando equipamiento estandardizado, incluyendo el Local Multipoint Distribution Service (LMDS) en 24 GHz y 39 GHz. Los índices de datos para estos sistemas son altos, con hasta 155 Mbps dentro de un rango de 2 millas (3,2 Km), pero la transmisión requiere línea de vista entre los puntos de acceso a la red. Esta tecnología está bien adaptada para los "distritos de negocio donde está permisible el montaje en el tejado de las antenas del suscriptor. Este estándar, sin embargo, no es conveniente para frecuencias bajas debido a su línea de vista y requerimientos grandes de ancho de banda. Aunque el estándar IEEE no fue concluido hasta el 2001, los sistemas de banda ancha inalámbrica funcionaban ya en el rango de frecuencias de GHz. Antes de que el estándar fuera desarrollado, las tecnologías usadas en estas frecuencias fueron técnicamente similares a las especificadas en el estándar IEEE y, de hecho, una de las metas del estándar IEEE fue estandardizar el equipamiento para estas bandas, de tal modo permitiendo una mejor interoperabilidad y reduciendo los costos de equipo. Un número de portadores licenciados funcionan actualmente en el rango de GHz, específicamente en los 24 GHz, 39 GHZ, y las bandas LMDS, designadas a menudo como "bandas superiores," ofreciendo servicios de banda ancha inalámbrica fijos. En Estados Unidos los carriers principales en estas bandas, incluyendo las compañías First Avenue Network y XO Comunications, han comenzado a centrarse en el abastecimiento de transporte de backhaul y servicios de telecomunicaciones de línea privada a otros carriers y a clientes de grandes empresas. Muchos proveedores usando estas bandas superiores también han comenzado a arrendar espectro en un punto a punto o base de área geográfica a otros carriers fijos y móviles. Por ejemplo, en mayo del 2004, la compañía norteamericana IDT anunció la reorganización de su división inalámbrica fija para centrarse en el abastecimiento de línea privada, venta de servicios a otras compañías, y servicios del backhaul, además arriendo de espectro, a otras compañías de telecomunicaciones, incluyendo carriers inalámbricos fijos y móviles. La compañía XO está ofreciendo una gama de servicios de banda ancha inalámbrica, incluyendo 15

18 CAPITULO I VoIP, acceso de alta velocidad a Internet, y otros servicios de datos, a velocidades que se extienden a partir de 1 a 20 Mbps, a pequeñas y medianas empresas junto con sus redes metropolitanas de fibra. Los fabricantes continúan desarrollando nuevos tipos de WMANs y de tecnologías asociadas bajo la familia de estándares En enero del 2003, el IEEE adoptó el estándar a - designado comúnmente como WiMAX - como una extensión del estándar previamente existente IEEE a trata operaciones en las bandas de 2-11 GHz, que se expande para dispositivos de bandas licenciadas y aquellos para bandas no licenciadas. Las redes WiMAX han compartido índices de datos de hasta 75 Mbps. Es importante mencionar que el nuevo estándar emplea OFDM. OFDM permite señales pasar a través de edificios y árboles. Este desarrollo aumenta la eficiencia y robustez espectrales de interferencia y reduce la distorsión multi-direccional; es decir, señales de radio que se generan de la original, señal deseada pero que se distorsiona porque se reflejan desde objetos en el ambiente. Subsecuentemente, el estándar IEEE a se ha ampliado para incluir el d, que es también para aplicaciones de banda ancha inalámbrica fija. También, en la luz de la demanda significativa para banda ancha inalámbrica móvil, el grupo IEEE está trabajando hacia la finalización del e, una extensión inalámbrica móvil. El estándar también tiene extensiones para tecnologías avanzadas de antena, incluyendo beamforming y antenas Multiple Input and Multiple Output (MIMO), además para topologías de malla de redes. Tomando ambas, los aspectos más importantes del nuevo estándar de IEEE son que: puede ser utilizado para aplicaciones en espectro licenciado y no licenciado, aumentando su flexibilidad de uso; el CPE ( Customer premise Equipment) será ínter operable con otro equipamiento que utilice el mismo estándar; el equipo es robusto a interferencia y no requiere línea vista; el estándar permite el uso de tecnologías de comunicaciones avanzadas; y, en un cierto punto en el futuro cercano, el estándar abarcará aplicaciones inalámbricas fijas y móviles. Promover el desarrollo y despliegue continuados de los productos que son basados en la familia de estándares IEEE , muchos fabricantes de equipos inalámbricos y proveedores de servicio se unieron para crear el foro WiMAX. En febrero del 2005, había más de 200 miembros en el foro WiMAX, incluyendo, entre otros, Intel, Cisco, Nortel, Alvarion, Airspan, Fujitsu, Nokia, AT&T, Sprint, y Vodafone. El equipamiento de banda ancha inalámbrico fijo WiMAX- certified probablemente no estarán disponibles en los Estados Unidos hasta el final del primer trimestre del 2005, con equipamiento móvil y portable no disponible hasta el final del tercer cuarto del Muchos predicen que WiMAX se convertirá en un éxito comercial 16

19 CAPITULO I significativo. Incluso antes de que el primer equipo WiMAX-certified en los Estados Unidos fue enviado, una firma de estudios de mercado estimaba que las ventas del equipo de WiMAX alcanzarán $2.2 billones para el Las bandas principales del espectro que son las más probable para los despliegues iniciales del IEEE y el equipamiento WiMAX-compliant (equipos que cumplan los requerimientos WiMAX) están en el Broadband Radio Service (BRS)/Educational Broadband Service (EBS) en la banda de 2.5 GHz, y en la banda de 3.5 GHz, que están actualmente disponible para el uso en Europa y otros países (y cuyo uso en los Estados Unidos está actualmente como tema pendiente). Mientras que el desarrollo del producto se centra principalmente en aplicaciones de banda ancha inalámbrica exterior, varios proponentes de WiMAX abogan su uso para el establecimiento de redes interiores y aplicaciones de multimedia también. Figura 1.2. Tecnologías de redes inalámbricas 17

20 CAPITULO II CAPITULO II. ARQUITECTURA PARA REDES WIMAX Antecedentes. La arquitectura de redes WiMAX, para el caso particular de este trabajo definirá las diferentes formas de comunicación entre los emisores y receptores de señales (estaciones bases y estaciones de subscriptores). El estándar IEEE proporcionará servicio de banda ancha inalámbrica a los usuarios mediante dos tipos de arquitectura de redes, cada una con características especiales y particulares. Estas formas de enlaces son Punto a Múltiples Puntos (PMP) y Malla (Mesh) 2.2. Arquitectura Punto a Múltiples Puntos (PMP). El downlink, desde la BS (Base Station) a el usuario, opera en una base PMP. El enlace inalámbrico IEEE opera con una BS central y una antena sectorizada que es capaz de manejar múltiples sectores independientes simultáneamente. Dentro de una canal de frecuencia dado y un sector de antena, todas las estaciones reciben la misma transmisión, o parte de ella. La BS es el transmisor solamente operando en ésta dirección, para que ésta transmita sin tener que coordinar con otras estaciones, excepto para la duplexación por división de tiempo (TDD) en total que puede dividir el tiempo en periodos de transmisión uplink y downlink. El downlink es generalmente broadcast. En casos donde el DL-MAP (Un mensaje MAC que define el tiempo de comienzo de la ráfaga para Multiplexación por División de Tiempo y Acceso por Multiplexación por División de Tiempo (TDMA) para una SS en el Downlink.) no indica explícitamente que una porción de la subtrama downlink es para una SS (Subscriber Station) específica, todas las SSs capaces de sintonizar a esta porción de la subtrama downlink sintonizarán. Las SSs chequean la CIDs (Identificación de Conexiones) de la PDU (Protocolo de Unidad de Datos) recibida y retienen solamente aquellas PDUs direccionadas a éstas. [17] Las estaciones de suscriptores comparten el uplink a la BS en una base de demanda. Dependiendo de la clase de servicio utilizado, derechos continuos de transmisión pueden ser entregados a la SS, o el derecho a transmitir puede ser entregado por la BS después de recibo de una petición desde el usuario. Además para mensajes dirigidos individualmente, los mensajes pueden también ser enviados en conexiones multicast (mensajes de control y distribución de video son ejemplos de aplicaciones multicast) además de broadcast a todas las estaciones. 18

21 CAPITULO II Dentro de cada sector, los usuarios siguen un protocolo de transmisión que controla la competición entre usuarios y permite que el servicio sea ajustado a los requerimientos de retardo y banda ancha de cada aplicación de usuario. Esto es realizado a través de cuatro diferentes mecanismos de programación del uplink. Estos son implementados usando banda ancha concedida no solicitada, examinación, y procesos de competición. Los mecanismos son definidos en el protocolo para permitir a los vendedores optimizar el funcionamiento del sistema usando diferentes combinaciones de estas técnicas de asignación de ancho de banda manteniendo mientras definiciones de interoperabilidad consistentes. Por ejemplo, la competición puede ser usada para eludir la examinación individual de las SSs que han estado inactivas por un largo periodo de tiempo. El uso de examinación simplifica la operación del acceso y garantiza que las aplicaciones reciban servicio en una base determinista si esté requerido. En general, las aplicaciones de datos son tolerantes de retardos, pero aplicaciones de tiempo real, tales como voz y video requieren servicio en una base más uniforme y a veces en un programa estrictamente controlado. La MAC es orientada a conexión. Para los propósitos de la planeación a los servicios en las SSs y asociando niveles variados de QoS, todas las comunicaciones de datos están en el contexto de una conexión. Los flujos de servicio pueden ser proporcionadas cuando una SS es instalado en el sistema. Justo después de la registración de la SS, las conexiones son asociadas con estos flujos de servicios (una conexión por flujo de servicio) para proporcionar una referencia por la cual solicitar ancho de banda. Adicionalmente, nuevas conexiones pueden ser establecidas cuando el servicio del consumidor necesita cambios. Una conexión define la planeación entre procesos de convergencia (de iguales) que utilizan la MAC y el flujo de servicio. El flujo de servicio define los parámetros de QoS para las PDUs que están intercambiadas en la conexión. El concepto del flujo de servicio en una conexión es central a la operación del protocolo MAC. Los flujos de servicio proporcionan un mecanismo para la administración de la QoS para el uplink y el downlink. En particular, ellos son integrales al proceso de entrega de ancho de banda. Una SS peticiona ancho de banda del uplink por conexión (identificando implícitamente los flujos de servicios). El ancho de banda es otorgado por la BS a una SS como agregado de las entregas en respuesta a las peticiones por conexión desde la SS. 19

22 CAPITULO II Figura 2.1. Ejemplo de un enlace PMP. Las conexiones, una vez establecidas, pueden requerir mantenimiento activo. Los requerimientos del mantenimiento varían dependiendo del tipo de servicio conectado. Por ejemplo, los servicios T1 no canalizados requieren virtualmente no mantenimiento de la conexión ya que ellos tienen un ancho de banda constante asignado en cada trama. Los servicios T1 canalizados requieren algo de mantenimiento debido a los dinámicos (pero relativamente lentamente cambiando) requerimientos de ancho de banda si estén comprimidos, unidos con el requerimiento que el ancho de banda total sea disponible en demanda. Los servicios IP pueden requerir una cantidad substancial de mantenimiento continuo debido a su naturaleza de ráfaga y debido a la alta posibilidad de fragmentación. Como con el establecimiento de la conexión, las conexiones modificables puede requerir mantenimiento debido al estimulo desde el lado de la SS o de la red de la conexión. Finalmente, las conexiones pueden ser terminadas. Esto generalmente ocurre cuando el contrato de servicio de un cliente cambia. La terminación de una conexión es estimulado por la BS o la SS. 20

23 CAPITULO II Estas tres funciones de la administración de la conexión son suportadas a través del uso de configuración estática y la adición dinámica, modificación, y eliminación de las conexiones Arquitectura Malla (MESH). La principal diferencia entre los modos PMP y la opcional Mesh es que en el modo PMP, el tráfico solo ocurre entre la BS y las SSs, mientras en el modo Mesh el tráfico puede ser ruteado a través de otras SSs y puede ocurrir directamente entre SSs. Dependiendo en el algoritmo de protocolo de transmisión usado, eso puede ser hecho en la base de igualdad usando programación distribuida, o en la base de la superioridad de la BS Mesh, lo cual efectivamente resulta en la programación centralizada, o en una combinación de ambas. [17] Dentro de una red Mesh, un sistema que tiene una conexión directa a servicios backhaul fuera de la red Mesh, es llamada una BS Mesh. Todos los otros sistemas de redes Mesh son llamados SS Mesh. En general, los sistemas de una red Mesh son llamados nodos. Dentro de un contexto Mesh, el uplink y downlink son definidos como tráfico en la dirección de la BS Mesh y desde la BS Mesh, respectivamente. Los otros tres términos importantes de los sistemas Mesh son neighbor (vecino), neighborhood (vecindario) y extended neighborhood (vecindario extendido). Las estaciones con las cuales un nodo tiene enlaces directos son llamadas neighbors. Los neighbors de un nodo formarán un neighborhood. Los neighbors de un nodo son considerados a ser one hop (un salto) desde el nodo. Un extended neighborhood contiene, adicionalmente, todos los neighbors de un neighborhood. En un sistema Mesh ni siquiera la BS Mesh puede transmitir sin tener que coordinar con otros nodos. Usando programación distribuida, todos los nodos incluyendo la BS Mesh coordinarán sus transmisiones en su two-hop (dos salto) neighborhood y enviarán sus programas (recursos disponibles, peticiones y respuestas) a todos sus neighbors. Opcionalmente el programa puede también ser establecido por peticiones dirigidas no coordinadas y respuestas entre dos nodos. Los nodos asegurarán que las transmisiones resultantes no causan colisiones con tráfico de datos y control programado por cualquier otro nodo en el two-hop neigbhorhood. No hay diferencia en el mecanismo usado en la determinación del programa para el downlink y el uplink. 21

24 CAPITULO II BS Mesh Backhaul Neighborhood Extended Neighborhood SS Mesh Neighbor Figura 2.2. Ejemplo de una enlace Mesh. Usando programación centralizada, los recursos son enviados en una manera más centralizada. La BS Mesh recolectará las peticiones de recursos desde todos las SSs Mesh dentro de un cierto rango de saltos. Ésta determinará la cantidad de recursos entregados por cada enlace en la red, tanto en el downlink como en el uplink, y comunica estas entregas a todas las SSs Mesh dentro del rango de salto. Los mensajes de entrega no contienen el programa actual pero cada nodo lo computará usando el algoritmo predeterminado con los parámetros dados. Todas las comunicaciones están en el contexto de un enlace, el cual es establecido entre dos nodos. Un enlace será usado para todas las transmisiones de datos entre dos nodos. 22

25 CAPITULO II La QoS es proporcionada sobre enlaces en una base mensaje-por-mensaje. Parámetros sin servicio o QoS están asociados con un enlace, pero cada mensaje unicast tiene parámetros de servicios en la cabecera. La clasificación de tráfico y la regulación de flujo están realizadas en el nodo de ingreso por el protocolo de clasificación/regulación de alto nivel. Los parámetros de servicio asociados con cada mensaje serán comunicados juntos con el contenido del mensaje vía la SAP(Punto de Acceso de Servicio) MAC. Los sistemas Mesh típicamente usan antenas omnidireccionales o manejables a 360, pero pueden también ser localizado usando antenas de sectores. En el borde del área de cobertura de la red Mesh, donde solamente una conexión a un punto singular es necesitada, aún antenas altamente direccionales pueden ser utilizadas. 23

26 CAPITULO III CAPÍTULO III. TECNOLOGÍAS PARA WIMAX Antenas Inteligentes. Las primeras antenas utilizadas eran omnidireccionales, es decir, irradiaban y recibían señales hacia y desde todas las direcciones. No poseían la capacidad de adaptar sus recursos a las condiciones radio, y su estrategia estaba limitada a solo evitar los desafíos ambientales en función de la potencia de la señal irradiada. Así, los usuarios que eran cubiertos por estas antenas sufrían de continuos efectos perjudiciales a raíz de la interferencia natural producida. La estrategia omnidireccional impactaba directamente y adversamente en la eficiencia espectral, limitando la reutilización de frecuencia. [3] Una mejora a esta estrategia consistió en desarrollar un sistema sectorizado de antenas usando antenas direccionales. Un sistema sectorizado de antenas toma un área celular tradicional y la subdivide en sectores que son cubiertos por antenas direccionales localizadas en la misma estación base. Normalmente una celda con un lóbulo de radiación de 360 es dividida en tres lóbulos de 120º. Se ha llegado a utilizar hasta seis sectores por celda en servicios prácticos. Operacionalmente, cada sector es tratado como una celda diferente, cuyo rango es más amplio que en el caso de una antena omnidireccional. Un sector de antenas incrementa la reutilización de frecuencia reduciendo la interferencia potencial de una celda original, por lo que son ampliamente usados para este propósito. Así, las antenas de sector proveen una mejor ganancia sobre un rango restringido de azimut comparado con las antenas omnidireccionales. Esto es conocido como ganancia de elemento de antena, y no debe ser confundido con la ganancia de procesamiento asociada con las antenas inteligentes. Mientras que las antenas sectorizadas multiplican el uso de los canales, ellas no superan las mayores desventajas de la interferencia co-canal propia de las antenas omnidireccionales. Figura 3.1. Antena sectorizada y patrones de cobertura Un sistema de antenas inteligentes combina múltiples elementos de antenas que poseen 24

27 CAPITULO III la capacidad de procesamiento de señal para optimizar sus patrones de radiación y/o recepción automáticamente en respuesta a un ambiente radio cambiante o dinámico. El uso de este tipo de antenas resulta en un uso más eficiente de la potencia y del espectro de frecuencia, incrementando la potencia útil recibida así como la reducción de interferencia, al mismo tiempo que aumenta la capacidad de la red a través de una nueva técnica de acceso múltiple, denominada Acceso Múltiple por División Espacial, SDMA. Los beneficios del uso de estas antenas son posibles gracias a que las Smart Antennas (antenas inteligentes), también llamadas adaptivas, dirigen la señal al usuario en forma de lóbulo muy estrecho (ver figura 3.2). Figura 3.2. Principio de una antena adaptiva En términos específicos, una antena inteligente está constituida por un número de elementos radiantes, una red de combinación/división y una unidad de control. La unidad de control puede ser llamada la inteligencia de la antena inteligente, normalmente realizada usando un procesador digital de señales, DSP. El DSP controla los parámetros alimentadores de la antena, basados sobre varias entradas, en orden a optimizar el enlace de comunicación. El sistema funciona de tal forma que cuando el usuario se desplaza, se modifica la dirección del lóbulo para que se mueva con él. En el caso común en que una estación base atienda a varios usuarios simultáneamente, las antenas adaptivas, permiten transmitir el haz desglosado en varios lóbulos y muy directivos, de forma que se reduce la interferencia en la red considerablemente y se incrementa la capacidad en ambos sentidos. Estrictamente hablando, las antenas no son inteligentes, sino que lo son los sistemas de antenas. Así, es posible definir distintos niveles de inteligencia: a) haz conmutado, b) arreglo 25

28 CAPITULO III dinámico de fase, c) arreglo adaptivo Haz conmutado. Los sistemas de antenas de haz conmutado forman múltiples haces fijos con elevada sensibilidad en direcciones particulares. Esos sistemas de antenas detectan la fuerza de la señal, eligen de entre uno o varios haces fijos predeterminados, y conmutan desde un haz a otro en la medida que el móvil se desplaza a través de un sector. En lugar de configurar un patrón de antena con las propiedades metálicas y diseño físico de un solo elemento (como antena sectorizada), los sistemas de haz conmutado combinan las salidas de múltiples antenas de manera de formar haces finamente sectorizados (direccional) con más selectividad espacial que puede ser alcanzada con un enfoque de un solo elemento convencional. Figura 3.3. Patrones de cobertura de un sistema de haz conmutado (sectores) Phased array. Un sistema de arreglo dinámico de fase consiste en un arreglo progresivo (phased array); es decir, un array en el que se pueden controlar electrónicamente las fases con que se alimentan los distintos elementos, de modo que puede modificarse a voluntad la dirección en la que apunta el lóbulo principal de la antena. A su vez, es necesario utilizar un algoritmo de detección de dirección de arribo (DoA), de modo que pueda reorientarse dinámicamente el haz para apuntar al usuario deseado. Estos phased-array generan haces muy estrechos, con lo que la ganancia de la antena es notablemente superior a la de las antenas convencionales. Cada uno de los haces es asignado a un usuario, de tal forma que lo "persigue" a medida que dicho usuario se desplaza por el interior de la célula Arreglo de antenas. La tecnología de arreglo de antenas adaptivas representa el más avanzado enfoque de 26

29 CAPITULO III antenas inteligentes a la fecha. Usando una variedad de nuevos algoritmos de procesamiento de señal, los sistemas adaptivos toman ventaja de su capacidad de ubicar efectivamente y rastrear varios tipos de señales para minimizar dinámicamente la interferencia y maximizar la recepción de la señal deseada. Los sistemas adaptivos proveen una ganancia óptima mientras simultáneamente identifican, rastrean, y minimizan las señales de interferencia. Los arreglos adaptivos utilizan sofisticados algoritmos de procesamiento de señal para distinguir continuamente entre señales deseadas, multipath, y señales interferentes así como calcular sus direcciones de arribo. Figura 3.4. Haz y dirección nula de un arreglo adaptivo Este método actualiza continuamente su estrategia de transmisión basada en los cambios en las ubicaciones de las señales interferentes y deseadas. La capacidad de rastrear a los usuarios con lóbulos principales y a los que interfieren con lóbulos nulos asegura que el enlace está constantemente maximizado debido a que no hay ningún microsector ni tampoco patrones predefinidos. Los beneficios del uso de antenas adaptivas se pueden resumir a continuación. a) Incremento de la capacidad: La principal razón para el creciente interés en antenas inteligentes es el incremento en la capacidad. Los sistemas móviles en áreas densamente pobladas están limitados por la interferencia, significando esto que la interferencia de otros usuarios es la principal fuente de ruido en el sistema. Las antenas en promedio, aumentan la razón señal a interferencia SIR (signal to interference ratio) incrementando simultáneamente el nivel útil de la señal y bajando el nivel de interferencia. Desde el punto de vista de los usuarios, un SIR más alta supone mayor movilidad, menos llamadas perdidas y una mejora sustancial de la calidad del audio. Desde la perspectiva del operador, la mejora en el SIR permite definir celdas de mayor 27

30 CAPITULO III tamaño y una reutilización de frecuencias mucho más fina, aumentado, por tanto, la capacidad global del sistema. b) Incremento del rango: Debido a que las antenas inteligentes son más directivas que las antenas tradicionales omnidireccionales, se dispone de un potencial incremento en el rango. Esta directividad permite focalizar la potencia a una mayor distancia, permitiendo cubrir zonas rurales y áreas populares esparcidas. Los sistemas de haz conmutado incrementan el rango de la estación base desde 20 % a 200 % sobre una celda sectorizada convencional, dependiendo de las circunstancias ambientales y de la combinación software/hardware usada. También, la conmutación dinámica desde un haz a otro conserva la capacidad debido a que el sistema no envía todas las señales en las mismas direcciones. En comparación, un sistema de arreglo adaptativo puede cubrir un área más amplia y más uniforme con los mismos niveles de potencia como un sistema de haz conmutado. c) Nuevos servicios: Cuando se usa antenas inteligentes la red tiene acceso a información espacial acerca de los usuarios. Esta información puede ser utilizada para estimar la posición de los usuarios mucho más precisa que en las redes actuales. Este posicionamiento puede ser usado en servicios como llamadas de emergencia, publicidad de servicios cercanos, gestión de flotas, información de lugares turísticos cercanos, entre otros. d) Seguridad: Para que una comunicación sea exitosamente espiada o tocada, el intruso debe estar posicionado en la misma dirección que el usuario es visto por la estación base. e) Propagación multitrayecto reducida: en algunos casos, usando un haz de antena estrecho en la estación base la propagación multitrayecto puede ser reducida. La reducción actual depende del escenario, y no siempre es significante. Aunque los ecualizadores de canal y los receptores RAKE a menudo deben manejar y a veces explotar la componente multitrayecto, sobre conexiones de alta velocidad no debe ser el caso. 3.2 Técnicas de Transmisión Dúplex. Con los nuevos requerimientos de servicios de banda ancha no solo hay demanda por 28

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