Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica. WiMAX Móvil

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico WiMAX Móvil Por: Juan Miguel Steller Solórzano Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Octubre del 2006

2 WiMAX Móvil Por: Juan Miguel Steller Solórzano Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Víctor Hugo Chacón Prendas Profesor Guía Ing. Giovanni Alvarado Morales Profesor lector Ing. Guillermo Rivero González Profesor lector ii

3 DEDICATORIA A mis papas, a mis hermanos Leo y Esteban A mis primos y amigos. A mi novia. Por todo el apoyo que siempre me han dado. iii

4 RECONOCIMIENTOS A los miembros del tribunal examinador, Ing. Víctor Hugo Chacón, Ing. Guillermo Rivero e Ing. Giovanni Alvarado por su colaboración en la elaboración de este proyecto. A la Universidad de Costa Rica y a la Escuela de Ingeniería Eléctrica. A mis amigos y compañeros con los que he compartido esta carrera universitaria. iv

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vii ÍNDICE DE TABLAS... viii NOMENCLATURA...ix RESUMEN...xv CAPÍTULO 1: Introducción Justificación Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...18 CAPÍTULO 2: WimaX Móvil Que es WiMAX? IEEE IEEE e CAPÍTULO 3: El estándar para WiMAX Móvil Capa Física OFDM Multiplexación por división ortogonal de frecuencia Ortogonalidad Multitrayecto Período de guarda y extensión cíclica OFDMA estructura del símbolo y subcanalización OFDMA Escalable Acceso al medio Descripción de la capa MAC Soporte de la calidad de servicio Servicio MAC de planificación Manejo de la movilidad Seguridad...53 CAPÍTULO 4: WiMax Móvil y otras tecnologías inalámbricas WiMAX Móvil y 3G...55 v

6 4.1.1 CDMA CDMA2000 1xEV-DO WCDMA HSDPA/HSUPA Comparación de WiMAX móvil contra 1xEVDO y HSPA WiMAX y Wi-Fi...65 CAPÍTULO 5: Consideraciones sobre la implementación de WiMAX Móvil Arquitectura de red Soporte para servicios y aplicaciones Funcionamiento inter redes Modelo de referencia de red Funciones de la estación base Funciones de la Red de servicio de acceso Funciones de la red de conectividad Principios de la arquitectura de la red WiMAX Migración a e La tecnología WiMAX en Costa Rica Las frecuencias de operación de WiMAX Móvil...80 CAPÍTULO 6: Conclusiones y recomendaciones...83 BIBLIOGRAFÍA...86 vi

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 3.1 Arquitectura básica de un sistema OFDM...23 Figura 3.2 Diagrama de bloques de una comunicación en un sistema OFDM...27 Figura 3.3 Diagrama de bloques de un sistema OFDM...27 Figura 3.4 a)respuesta en frecuencia deseada de un canal, b)respuesta en frecuencia de un canal con debilitamiento selectivo de frecuencia...30 Figura 3.5 Respuesta en frecuencia de un canal con debilitamiento selectivo de frecuencia que transmite OFDM, en donde el solo dos sub portadoras son afectadas por el debilitamiento selectivo Figura 3.6 Señales con interferencia entre Símbolos...33 Figura 3.7 Efecto multitrayecto con una señal nula en el intervalo de guarda Figura 3.8 Inserción de prefijo cíclico Figura 3.9. Estructura de sub portadoras OFDMA...35 Figura 3.10 Trama OFDM Figura 3.11 Soporte de QoS en WiMAX móvil Figura 4.1 Comparación de velocidades por sector...60 Figura 4.2 Comparación de la eficiencia espectral...60 Figura 4.3 Cantidad estaciones base requeridas para proveer una densidad de datos requerida Figura 4.4 Coberturas de WiFI, WiMAX, 2G y 3G...65 Figura 4.5 WiMAX como una solución ultima milla para Wi-FI Figura 5.1 Modelo de referencia de la red WiMAX...72 vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Parámetros principales de S-OFDMA...39 Tabla 3.2 Velocidades alcanzadas por WiMAX móvil Tabla 3.3 Categorías de servicios y aplicaciones Tabla 4.2 Modelos de canales multicamino utilizados por el WiMAX forum para la simulación de desempeño Tabla 4.3 Comparación de desempeño realizada por el WiMAX forum Tabla 5.1 Versión 1, de los perfiles del sistema para WiMAX Móvil...81 viii

9 NOMENCLATURA 3GPP 3G AAA AAS AMC ASN ASP BE BS CDMA CN Third Generation Partnership Project Proyecto de Tercera Generación Tercera Generación Authentication Authorization & Accounting Autentificación Autorización y Contabilidad Adaptive Antenna System Sistema de Antenas Adaptativas Adaptive Modulation and Coding Modulación Adaptiva y Codificación Access Service Network Red de servicio de acceso Application Service Provider Proveedor de servicios de aplicaciones Better Effort Servicio al mejor esfuerzo Base Station Estación Base Code Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Código Connectivity Service Network Servicio de Conectividad de Red CP CQI CyclicPrefix Prefijo Cíclico Channel Quality Indicator Canal Indicador de Calidad ix

10 CSN DFT DL DSL EVDO FBSS FCH FDD FDM FFT FUSC GSM HARQ Connectivity Service Network Servicio de Conectividad de Red Discrete Fourier Transform Transformada Discreta de Fourier Down Link Enlace de Bajada Digital Subscriber Line Línea Digital del Abonado Evolution Data Optimized Evolución Fast Base Station Switching Conmutación Rápida de Estaciones Bases Frame Control Header Encabezado de Control de la Trama Frequency Division Duplex Transmisión Bidireccional por División en Frecuencia Frequency Division Multiplexing Multiplexación por División de Frecuencia Fast Fourier Transform Transformada Rápida de Fourier Fully Used Subchannelization Sub Canalización de Uso Total Global System Mobile Sistema Móvil Global Hybrid Automatic Repeat Request HHO HSDPA Hard Handoff Handoff por Hardware High Speed Downlink Packet Access x

11 ICI IEEE IFFT IP ISDN ISI LAN LOS NAP NLOS nrtps NSP MAC MAN Inter Carriers Interference Interferencia Entre Portadoras Institute of Electrical and Electronic Engineers Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos Inverse Fast Fourier Transform Transformada Rápida Inversa de Fourier Internet Protocol Protocolo de Internet Integrated Services Digital Network Red Digital de Servicios Integrados Inter-Symbol Interference Interferencia Entre Símbolos Local Area Network Red de Área Local Line-of-sight Línea vista Network Access Provider Proveedor de red de acceso Non-line-of-sight Sin Línea Vista not real time Polling Service Servicio de registro (no en tiempo real) Network Service Provider Proveedor de servicios de red Media Access Control Control de Acceso al Medio Metropolitan Area Network Red de Área Metropolitana xi

12 MAP MDHO MIMO MS OFDM OFDM A OSI PC PDA PHY PUSC QAM QoS RUIM rtps Media Access Protocol Protocolo de Acceso al Medio Macro Diversity Handover Multiple Input Multiple Output Múltiples Entradas Múltiples Salidas Mobile Station Estación Móvil Orthogonal Frequency Division Multiplexing Multiplexación por División de Ortogonal de Frecuencia Orthogonal Frequency Division Multiple Access Múltiple Acceso por División de Ortogonal de Frecuencia Open System Interconnection Interconexión de Sistemas Abiertos Personal Computer Computador Personal Personal Digital Assistant Asistente Personal Digital Physical Layer Capa Física Paritally Used Sub-Carrier Sub Canalización de Uso Parcial Quadrature Amplitude Modulation. Modulación Amplitud por Cuadratura Quality of Service. Calidad de Servicio Removable User Identity Module Modulo Removible de Identificación de Usuario Real Time Polling Service Servicio de registro en tiempo real xii

13 SNR SIM SIMO Signal to NoiseRatio Relación señal a ruido Subscriber Identify Module Modulo de identificación del subscriptor Single Input Multiple Output Única entrada Múltiples Salidas SOFDMA TDD UGS UL UMTS USIM VLAN VoIP VPN WAN WCDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA Escalable Time Division Duplex Transmisión Bidireccional por División en Tiempo Unsolicited Grant Service Servicio Subvencionado No Solicitado Up Link Enlace de Subida Universal Mobile Telephone System Sistema Universal de Telefonía Móvil Universal SIM SIM Universal Virtual Local Area Network Red Virtual de Área Local Voice over Internet Protocol Voz sobre IP Virtual Private Network Red Virtual Privada Wide Area Network Red de Área Amplia Wideband Code Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha xiii

14 Wi-Fi WiMAX Wireless Fidelity Fidelidad Inalámbrica Worldwide Interoperability for Microwave Access Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas xiv

15 RESUMEN. En este documento se realizó una descripción y revisión de los parámetros, protocolos y estándar de la tecnología WiMAX móvil. Para comprender el funcionamiento de WiMAX, se investigó sobre los estándares y tecnologías relacionadas con la implementación u optimización del manejo de la movilidad sobre redes WiMAX se buscó información en documentos publicados por los principales organismos del área de telecomunicaciones, así como datos de compañías impulsoras de la tecnología. Se analizó el caso de WiMAX en Costa Rica aunque todavía no se conoce el caso de algún proyecto en específico para la tecnología WiMAX móvil, pero en la actualidad se encuentran en fase de desarrollo proyectos en la versión de acceso fija de la tecnología. Se estudió la técnica de modulación OFDM y su variante escalable SOFDMA, además de las capas física y MAC del estándar IEEE e. También se mostró u una comparación de desempeño entre WiMAX móvil y las tecnologías 3G, así como la arquitectura de red de la tecnología. Las principales conclusiones acerca de las tendencias de WiMAX móvil se centran en que esta tecnología no pretende ni puede ofrecer un servicio viable de transmisión de voz que pueda superar a las tecnologías 3G, pero en materia de transmisión de paquetes de datos tiene una clara ventaja sobre estas. xv

16 CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Justificación En el mundo actual la tecnología se ha convertido en una parte fundamental e intrínseca de la vida diaria y el Internet ha sido tal vez la que ha tenido un mayor crecimiento. En este ámbito el Internet móvil ha sido uno de los servicios que mas aceptación ha tenido entre los usuarios debido a las facilidades que brinda como la libertad, la inmediatez y el fácil uso. Con el incremento en la cantidad de computadoras portátiles, PDA y otros dispositivos portátiles se da la necesidad de ofrecer un mejor acceso inalámbrico y una mayor cantidad de servicios móviles de Internet. El acceso inalámbrico móvil a banda ancha es la evolución natural del acceso a banda ancha. En el pasado las comunicaciones de voz estaban limitadas por el lugar físico al cual llegaba la línea de cobre, con la aparición de las tecnologías celulares, el tráfico de voz ha dejado de estar suscrito a una edificación física, para pasar a ser un servicio de uso personal, en donde el individuo está en continuo movimiento. De igual manera el acceso a banda ancha para los usuarios ha estado principalmente basado en tecnologías que utilizan como medio de transmisión algún tipo de cable, ya sea cobre, coaxial o fibra, como es el caso de DSL y Cable Moden, con la llegada de WiMAX (IEEE ) el acceso a banda ancha se vuelve inalámbrico y deja depender de una infraestructura cableada hasta el sitio del cliente, y ahora con la nueva 16

17 17 versión WiMAX móvil (IEEE e) el acceso a banda ancha inalámbrico evoluciona a ser un servicio de uso personal. El presente trabajo pretende mostrar las características principales del estándar IEEE e de WiMAX móvil, y las ventajas que esta tecnología presenta frente a tecnologías móviles de tercera generación, así como las aplicaciones futuras que esta tecnología pueda presentar en Costa Rica. 1.2 Objetivos Objetivo general Determinar los parámetros y estándares de la tecnología WiMAX Móvil Mobile WiMAX, para determinar su efectividad, tendencias y alternativas de los sistemas inalámbricos móviles de banda ancha Objetivos específicos Especificar las características y funcionamiento básico de la técnica OFDM para el soporte de WiMAX Móvil. 1. Caracterizar el estándar principal vigente para entregar WiMAX Móvil. 2. Identificar las principales aplicaciones y ventajas de la tecnología WiMAX Móvil respecto a las tecnologías celulares de tercera generación.

18 3. Estudiar el panorama actual nacional e internacional de la posible implementación de la tecnología WiMAX Móvil Metodología Debido a que el proyecto es de carácter investigativo y el tema que trata implica la descripción de normas y estándares, así como la caracterización de tecnología no implementada actualmente en el país, la metodología empleada no comprendió la realización de experimentos o prácticas de laboratorio que involucraran la aplicación de la tecnología en cuestión. La información en la cual se basa el proyecto fue obtenida de publicados en Internet. La información de los documentos provenientes de sitios de Internet se consideró confiable siempre que proviniera de sitios oficiales de organizaciones o instituciones reconocidas en el campo de las telecomunicaciones, mientras que la documentación restante fue corroborada contra la información considerada válida para determinar su confiabilidad.

19 19 CAPÍTULO 2: WimaX Móvil 2.1 Que es WiMAX? WiMAX es una tecnología inalámbrica desarrollada para ofrecer el acceso de última milla a redes de comunicaciones de banda ancha, esta tecnología se plantea como una alternativa a las tecnologías de acceso cableadas como DSL y cable. La tecnología inalámbrica WiMAX puede proveer acceso tanto a equipos fijos como móviles, sin la necesidad de tener línea vista entre el equipo terminal y la estación transmisora. En una típica celda con un radio de 3 a 10 kilómetros WiMAX puede ofrecer a los dispositivos fijos y portátiles, capacidades arriba de 40 Mbps por canal, esta capacidad le permite proveer a al mismo tiempo, cientos de enlaces tipo T1 para clientes empresariales y miles de enlaces con velocidades tipo DSL a clientes residenciales. Una red WiMAX móvil puede ofrecer capacidades hasta de 15 Mbps en un radio típico de al menos 3 kilómetros. WiMAX se sitúa en un rango intermedio de cobertura entre las demás tecnologías de acceso de corto alcance y ofrece velocidades de banda ancha para un área metropolitana. El termino WiMAX (en ingles Worldwide Interoperability for Microwave Access ) significa Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas, esta basado en la familia de estándares del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE).

20 20 El estándar inicial fue el funcionaba en frecuencias de GHz y requería que la torre transmisora tuviese línea vista con el terminal. La IEEE ha mejorado los estándares hasta llegar a basar la tecnología WiMAX en solo dos estándares el d ( ) conocido como WiMAX fijo y el e (802.16e-2005) conocido como WiMAX móvil. En el año 2001 se creó el Foro WiMAX, una organización formada por más 350 compañías lideres en el campo, su objetivo es promover y certificar la compatibilidad e interoperabilidad entre los dispositivos de los distintos fabricantes en concordancia con los estándares de la IEEE. Un punto importante es que los estándares de la IEEE describen la capa Física y MAC (Medium Access Control Control de Acceso Medio), pero con esto no se asegura la interoperabilidad, las restricciones de radio frecuencia o los niveles mínimos de rendimiento. En última instancia estas funciones son asumidas por el Foro antes indicado IEEE El IEEE es una tecnología para brindar acceso inalámbrico fijo, esto significa que esta diseñada para sustituir la tecnología DSL o competir contra las tecnologías cableadas (DSL y cable). También puede ser utilizada para dar acceso de voz y banda ancha en áreas rurales donde no exista ninguna otra tecnología cableada y el

21 instalar una red en cobre resulte muy costoso. El también es una solución viable para ofrecer acceso a las redes Wi-Fi IEEE e-2005 El 7 de diciembre de 2005 se aprobó el IEEE e-2005, este nuevo estándar ofrece la característica clave de la movilidad que no poseía el estándar Este estándar requiere una nueva solución de hardware/software ya que no es compatible con el anterior La razón principal de esta incompatibilidad es que el e usa S-OFDMA ( Scalable-OFDMA ) tanto en el enlace ascendente como en el descendente. S-OFDMA significa que el número de sub portadoras OFDM aumenta, o escala (de 128 subportadoras hasta subportadoras), según sea la señal de radio frecuencia recibida por el usuario, los requerimientos del usuario y el ancho banda del canal de radio que se este usando. Mientras que el solo permite la utilización 256 sub portadoras para OFDM el e-2005 utiliza S-OFDMA con un esquema escalable de 128, 512, 1024, 2048 sub portadoras Además se tiene el inconveniente de que la capa MAC (Media Access Control) es diferente en ambos estándares ya que, para efecto de soportar la movilidad se que agregó un encabezado con información de control.

22 CAPÍTULO 3: El estándar para WiMAX Móvil Capa Física OFDM Multiplexación por división ortogonal de frecuencia La Multiplexación por División de Ortogonal de Frecuencia (OFDM) es una técnica de multiplexación que subdivide el ancho de banda en subportadoras de frecuencia múltiple, como se ve en la figura 3.1. OFDM es básicamente una combinación entre la modulación y multiplexación, la multiplexación generalmente se refiere a señales independientes que son producidas por fuentes independientes, en el contexto de OFDM la multiplexación es aplicada a señales independientes donde estas, son un sub grupo de señales de una señal principal. Inicialmente la señal principal es dividida en sub portadoras independientes para luego ser modulada y entonces es re- multiplexada para crear una portadora OFDM. En un sistema OFDM la entrada de flujo de datos es dividido en varios sub flujos paralelos de una menor taza de datos (de esta forma se incrementa la duración del símbolo) y cada sub flujo es modulado y transmitido en una sub portadora ortogonal separada. El incremento en la duración del símbolo mejora la robustes contra la extensión del retrazo.

23 23 OFDM explota la diversidad de frecuencias del canal multitrayecto mediante la codificación y el intercalamiento de la información a través de sub portadoras. La Modulación OFDM puede ser realizada con la eficiente Transformada Rápida Inversa de Fourier (IFFT), la cual permite tener un gran número de de sub portadoras (arriba de 2048) con una baja complejidad. En un Sistema OFDM los recursos están disponibles en el dominio del tiempo mediante símbolos OFDM y en el dominio de la frecuencia por medio de sub portadoras. Los recursos de tiempo y frecuencia pueden ser organizados en subportadoras para localizar a usuarios individuales. OFDMA es un esquema de multi acceso multiplexado que permite la multiplexación de los flujos de datos para múltiples usuarios. Figura 3.1 Arquitectura básica de un sistema OFDM [10] Ortogonalidad OFDM es un caso especial de Multiplexación por División de Frecuencia (FDM), conceptualmente la diferencia entre estos dos sistemas esta en que: en un canal FDM los

24 24 datos viajan en un gran flujo y no pueden ser subdivididos, mientras que un canal OFDM los datos viajan en pequeños grupos individuales. Esta diferencia hace que ambos sistemas respondan de manera diferente a la interferencia, así entonces un flujo FDM es más grande y contiene más información que un flujo OFDM, por lo tanto en caso de que la interferencia destruyera un flujo FDM toda la información útil se perdería, mientras que si esta información se transmitiera por un canal OFDM se dividiría en pequeños flujos, de forma tal que si la interferencia afectara uno de estos flujos, solo se perdería una fracción de la información y no toda ella. En los sistemas OFDM estos flujos son llamados sub portadoras y tienen la característica de que deben ser ortogonales e independientes entre si. El concepto fundamental en OFDM es la ortogonalidad de las subportadoras, tenemos entonces que las portadoras son ondas senoidales o cosenoidales y por lo tanto el área bajo la curva de estas es siempre cero. Si se tiene una onda senoidal de frecuencia m y se multiplica por un sinusoide de frecuencia n, con m y n enteros se tiene que f ( t) = sen( mwt)* sen( nwt) (3.1-1) Utilizando la siguiente relación trigonométrica: ( ) sen( A)s en( B) = 1/ 2 cos( A B) cos( A + B) (3.1-2) Se llega a una expresión como 3, que es igual a la suma de dos sinusoides de frecuencia (n-m) y (n+m).

25 f ( t) = cos( m n) cos( n + m) 2 2 (3.1-3) en un periodo. Estas dos componentes por ser sinusoidales tienen el área bajo la curva igual a cero 2π 1 2π 1 f ( t) = cos( m n) wt cos( m + n) wt = (3.1-4) Se puede aclarar que cuando, se multiplica un sinusoide de frecuencia n por un sinusoide de frecuencia m/n el área bajo el producto es cero. En general para cualquier entero n y m se tiene que sin mx, cos mx, cos nx, sin nx son todos ortogonales unos con otros, estas frecuencias son llamadas armónicas. Esta ortogonalidad en OFDM permite la transmisión simultánea de muchas sub portadoras en un estrecho ancho de frecuencias sin que interfieran unas con otras. compleja: En forma matemática cada una de las portadoras puede ser descrita como una onda [ +φ ( t) ] j w t c c S ( t) = A ( t) e c c (3.1-5) Tanto Ac(t) y c(t), la amplitud y la fase de las portadoras, pueden variar de un símbolo a otro. Los valores de los parámetros son constantes durante la duración de un período T de un símbolo.

26 26 OFDM consiste de muchas sub portadoras por lo tanto la señal compleja Sc(t) esta representada por : N 1 1 j[ wct + φc ( t) ] Ss( t) = AN ( t) e (3.1-1) N n= 0 En donde N representa al número de muestras. Esta ecuación representa a una señal continua en el tiempo. En el transmisor la señal es definida en el dominio de la frecuencia. Cada portadora de OFDM corresponde a un elemento del espectro de la transformada de Fourier. Las amplitudes y las fases de las portadoras dependen del dato que es transmitido. Las transmisiones de los datos son sincronizadas en las portadoras y pueden ser procesadas todas juntas, símbolo a símbolo.

27 27 Figura 3.2 Diagrama de bloques de una comunicación en un sistema OFDM [8] Figura 3.3 Diagrama de bloques de un sistema OFDM [8]

28 28 La definición de una transformada discreta de Fourier DFT de N puntos es p N 1 j (2 π / N ) kn = p (3.1-7) n= 0 [ ] [ ] X k x n e Y la transformada discreta inversa de fourier IDFT de N puntos es: p 1 1 N j(2 π / N ) kn p N k = 0 [ ] [ ] X k = x k e (3.1-8) Una consecuencia natural de este método es que permite generar portadoras que son ortogonales y por lo tanto el concepto de Ortogonalidad le da la calidad de linealidad independiente. Considerando un secuencia de datos (d 0,d 1, d 2 ) donde cada dn es un número complejo de la forma : dn=a n +jb n N 1 N 1 j(2 π nm / N ) n = n = n n= 0 n= 0 D d e d e j(2 π f t ) n m (3.1-9) La serie de datos que llega, primero se convierte de serial a paralelo y luego es agrupada a x bits hasta llegar a un número complejo. El número x determina la constelación de la señal que le corresponde a cada sub portadora, como lo son QAM-16, QAM-24, ect. Los números complejos son modulados en banda base con la transformada rápida inversa de fourier (IFFT) y convirtiéndolos de nuevo a transmisión de datos en serie como lo muestra la figura 3.3. Un intervalo de guarda es introducido entre símbolos

29 29 para evitar interferencia entre símbolos (ISI) causada por la distorsión multi trayecto. Los símbolos discretos son convertidos a analógicos y filtrados con un filtro pasa bajas para su preparación de radiofrecuencia (RF). El receptor desarrolla el proceso inverso al transmisor. Un ecualizador es utilizado para corregir la distorsión de los canales. Por último los coefientes son filtrados y calculados basados en la información del canal. Ver figura Multitrayecto. El Principal problema que enfrentan las comunicaciones inalámbricas es la presencia del efecto multitrayecto durante la transmisión (generado en el canal de transmisión). En un ambiente multitrayecto el camino entre el transmisor y el receptor tiene múltiples reflexiones u obstrucciones que provocan que la señal transmitida sea reflejada por una gran cantidad de objetos. Al ocurrir esto la señal alcanza al receptor por diferentes rutas, cada una de estos señales es una copia de la original, y cada una de estas tiene un retardo ligeramente diferente y una ganancia ligeramente diferente. Estos retardos en el tiempo causan cambios de fase en la componente fundamental de la señal (asumiendo que es una) produciendo un degradamiento en la señal. En el multitrayecto las señales reflejadas vienen atrasadas y son sumadas a la señal principal en entonces causan ganancias en la amplitud de la señal o grandes atenuaciones,

30 30 por grandes atenuaciones se entiende; señales que están cerca de ser destruidas o que el nivel de la señal esta tan bajo que el receptor no puede distinguir la. El retrazo máximo que ocurre es llamado en inglés delay spread de la señal en un medio. El retrazo máximo, puede se tan corto como menos que el período de símbolo o mayor. En ambos casos causa diferentes tipos de de degradación en la señal. Este retardo cambia según el ambiente. Figura 3.4 a) Respuesta en frecuencia deseada de un canal, b)respuesta en frecuencia de un canal con debilitamiento selectivo de frecuencia [19] En la figura 3.4a se muestra el espectro de la señal, la línea oscura nuestra la respuesta que se desea que tenga el canal. La respuesta de un canal que tiene un debilitamiento producido por el multitrayecto, se muestra en la figura 3.4b se puede observar como a algunas frecuencias de la banda, no se puede transmitir ninguna información a través de ellas. Estas frecuencias son las llamadas frecuencias con gran debilitamiento deep fading, esta forma del canal de frecuencia es llamado canal con debilitamiento selectivo de frecuencia frecueny selective fading, porque este no ocurre de una manera uniforme si no que solo ocurre a algunas frecuencias especificas que

31 dependerán del entorno. Si el entorno esta cambiando como en el casos de un automóvil en movimiento, entonces esta respuesta estará también cambiando. 31 Figura 3.5 Respuesta en frecuencia de un canal con debilitamiento selectivo de frecuencia que transmite OFDM, en donde el solo dos sub portadoras son afectadas por el debilitamiento selectivo. [19] Una señal OFDM tiene la ventaja que cuando se transmite en un canal que tienen una respuesta con un debilitamiento selectivo de frecuencia, el espectro de la señal OFDM únicamente se ve afectado en las sub portadoras que utilicen las frecuencias con gran debilitamiento. De esta manera si un símbolo es destruido solo se pierde una pequeña parte de 1/n bits, que pueden ser recuperados mediante la utilización de un código.

32 Período de guarda y extensión cíclica Para poder soportar el efecto multi trayecto y eliminar la interferencia entre símbolos (ISI) en la modulación OFDM, se introduce un intervalo de guarda a cada símbolo OFDM. La longitud de dicho intervalo es seleccionada de modo que sea mayor a la propagación del retardo esperado. EL concepto de este período de guarda radica en que si un símbolo de OFDM llega con cierto retraso, el período de guarda tendrá un espacio suficiente para que este símbolo no vaya a interferir con un símbolo siguiente. La figura 3.6 ilustra un típico caso de la interferencia entre símbolos (ISI). El intervalo de guarda puede, consistir de información nula, es decir de ausencia de la señal. Sin embargo esto podría generar un problema de interferencia entre portadoras (ICI). La ICI, provoca que la señal de OFDM pierda su característica ortogonalidad. En la figura 3.7 cuando un receptor OFDM trata de demodular la primera sub portadora, encontrará algunas interferencias de la segunda sub portadora porque dentro del intervalo de la FFT, no existe un número entero de ciclos de diferencia entre la sub portadora 1 y la 2 al mismo tiempo existirá

33 33 Figura 3.6 Señales con interferencia entre Símbolos. [8] Figura 3.7 Efecto multitrayecto con una señal nula en el intervalo de guarda. [8]

34 34 Para eliminar la interferencia entre portadoras ICI, el símbolo de OFDM es extendido cíclicamente en el período de guarda, en otras palabras el símbolo se desliza para qué empiece en la orilla del retardo y en el período de guarda, se copia en el inicio del símbolo. Este proceso es llamado prefijo cíclico (CP).El CP es típicamente una repetición de las ultimas muestras de la porción de datos del bloque que se están añadiendo al comienzo de la carga útil, como se muestra en la figura 3.8. Un inconveniente encontrado en CP es que este introduce un encabezado, el cual reduce la eficiencia en el uso del ancho de banda al tener que transmitir más datos. Para lograr este proceso de copiar el final del símbolo y pegarlo en el frente, se debe ampliar el tiempo del bit en 1.25 veces, ya que se esta ajustando la fase de inicio y haciendo el período del símbolo más largo. Figura 3.8 Inserción de prefijo cíclico. [10]

35 OFDMA estructura del símbolo y subcanalización La técnica de modulación OFDM también pude ser desarrollada como una tecnología de múltiple acceso ( Orthogonal Frequency Division Multiple Access; OFDMA ). En este caso cada símbolo OFDM puede transmitir información desde o hacia varios usuarios utilizando diferentes grupos de sub portadoras. La estructura de símbolo de OFDMA consiste en 3 tipos de sub portadoras como se muestra en la figura 3.9. Sub portadoras de datos para la transmisión de datos Sub portadoras piloto para efectos de estimación y sincronización Sub portadoras nulas no utilizadas para la transmisión, usadas para la bandas guarda y portadoras DC. Figura 3.9. Estructura de sub portadoras OFDMA. [10] Las sub portadoras activas (de datos y piloto) son agrupadas en sub grupos llamados subcanales. Las sub portadoras que forman un sub canal pueden ser contiguas o no.

36 36 El la capa física de WiMAX soporta sub canalización en ambos sentidos en el enlace de bajada (DL) y en el enlace de subida (UL). La mínima unidad de tiempofrecuencia de sub canalización es una ranura ( slot ) que es equivalente a 48 sub portadoras. Se tienen básicamente dos modos de sub canalización, el FSCU y el PUSC, en estos dos la distribución de las sub portadoras piloto es diferente para cada uno de ellos. En el modo de sub canalización de uso total (FUSC Fully Used Subchannelization) para el DL, primero se ubican las portadoras piloto y entonces las restantes sub portadoras son divididas en los sub canales de datos. Para el modo de sub canalización de uso parcial (PUSC Paritally Used Sub-Carrier) para el DL y el UL el grupo de sub portadoras utilizadas (de datos y pilotos) es primero particionado en sub canales, y luego las sub portadoras piloto son ubicadas dentro de cada sub canal. En FUSC hay un único grupo de sub portadoras pero en PUSC cada sub canal contiene su propio grupo de sub portadoras. Una estación del cliente podría usar todos los subcanales dentro del período de la transmisión, o los varios clientes podría transmitir cada uno usando una porción del número total de subcanales simultáneamente. Existen 2 tipos de permutaciones de las sub portadoras para la sub canalización; la diversa y la contigua, la permutación diversa traza las sub portadoras seudo aleatoriamente para formar un sub canal, esto produce una diversidad en frecuencia y que la interferencia

37 37 entre celdas tenga un valor promedio, la permutación diversa incluye DL FUSC (Fully Used Sub-Carrier), DL PUSC (Paritally Used Sub-Carrier) y UL PUSC. Con DL PUSC, por cada par de símbolos OFDM, las subportadoras disponibles son agrupadas en clusters que contienen 14 sub portadoras contiguas por período de símbolo. Un esquema de reordenamiento es utilizado para formar grupos de clusters tales que cada grupo de clusters son distribuidos a través del espacio de la sub portadora. Un sub canal en un grupo contiene 2 clusters y esta hecho de 48 sub portadoras de datos y 8 sub portadoras pilotos. Las subportadoras de datos en cada grupo son además permutadas para generar sub canales dentro del grupo. En el UL PUSC el espacio disponible de la sub portadora es dividido en partes y 6 de estas son escogidas a través del espectro entero por medio de un esquema de reagrupamiento permutación, son agrupados juntas para formar una ranura. Una ranura comprende de 48 subportadoras de datos y 24 subportadoras piloto en 3 símbolos OFDM. La permutación continua agrupa un bloque de sub portadoras continuas para formar un sub canal. La permutación contigua incluye DL AMC y UL AMC ( Adaptive Modulation and Coding ), y tiene la misma estructura. Un bin consiste de 9 subportadoras continuas en un símbolo, con 8 asignadas para los datos y una asignada para un piloto. Un ranura temporal (slot) AMC esta definido como una colección de bins del tipo (N xm =6), donde N es el número de bins contiguos y M es el número de símbolos

38 38 contiguos. Así las combinaciones permitidas son [(6 bins, 1 simbolo), (3 bins, 2 simbolo), (1 bins, 6 simbolo)]. La permutación AMC permite diversidad multi usuario por medio de la selección del sub canal con la mejor respuesta en frecuencia OFDMA Escalable El estándar soporta anchos de banda de tamaño variable entre los 1.25 y los 20 MHz para ambientes en los que no se cuenta con línea vista, esta característica junto con el requerimiento de combinar el uso de modelo fijo y el móvil crean la necesidad de utilizar un diseño que sea escalable para OFDMA. La escalabilidad es necesaria ya que el OFDM del , no es capaz de entregar el tipo de desempeño requerido para su uso en vehículos en movimiento y ambientes multicamino. Es necesaria la mejora de escalabilidad ya que esta garantiza un espaciamiento fijo entre las sub portadoras en las señales OFDM. El e OFDMA está basado en el concepto de escalabilidad OFDMA (S- OFDMA). S-OFDMA soporta un amplio rango de anchos de banda para flexibilizar el direccionamiento. La escalabilidad se logra mediante el ajuste del tamaño del FFT mientras se fija el espaciamiento de frecuencia a khz. El valor de khz considera soportar la movilidad a una velocidad máxima de 125 km/h, que es suficiente para manejar la mayoría de las velocidades a las que los automóviles viajan, y cubrir el retrazo máximo ( delay spread ) de la señal en un terreno con colinas y una moderada densidad de árboles.

39 39 Las principales características de S-OFDMA son: El espaciamiento de las sub portadoras es independiente del ancho de banda El número de las subportadoras usadas debe escalar con el ancho de banda. El número de sub canales escala con el tamaño del FFT La Tabla #3.1 resume los principales parámetros de S-OFDMA Tabla 3.1 Parámetros principales de S-OFDMA [10] Parámetros Valores Ancho de Banda del Canal (MHz) Frecuencia de Muestreo (MHz) Tamaño del FFT Número de sub canales Espaciamiento entre sub portadoras Tiempo de guarda Duración del Símbolo OFDMA khz 11.4 microsegundos microsegundos Número de Símbolos OFDMA 48

40 Acceso al medio En las comunicaciones bidireccionales que comparten un mismo medio de propagación es necesario establecer algún mecanismo para el control del acceso. Los métodos principales son FDD (basado en reparto de la frecuencia) y TDD (reparto temporal). La técnica Frequency Division Duplex, o transmisión bidireccional por división en frecuencia. Se basa en la utilización de dos bandas diferentes de frecuencia para la transmisión, una para el envío y otra para la recepción. Esta técnica es la utilizada en telefonía móvil de segunda generación (GSM) y tercera generación. Posee la característica tener un retardo mínimo por lo que se utiliza para el tráfico de voz. La técnica Time División Duplex, o transmisión bidireccional por división en tiempo. A diferencia de la técnica FDD, se utiliza una única banda de frecuencia para envío y recibo de la información, compartiendo los periodos de transmisión. Es una técnica muy eficiente para tráfico asimétrico, ya que se adapta al perfil del tráfico, por lo que se considera más adecuado para perfiles con descargas masivas de Internet como el caso de WiMAX móvil. El estándar para WiMAX móvil e soporta FDD y TDD como esquemas acceso al medio sin embargo los perfiles de certificación no incluyen FDD.

41 41 Las razones para que utilizar TDD como esquema de transmisión bidireccional son: TDD permite ajustar la relación entre DL y UL para poder soportar eficientemente los tráficos asimétricos ya que generalmente en FDD el DL y UL tienen anchos de banda fijos y simétricos. TDD asegura la reciprocidad para un mejor soporte de MIMO y otras tecnologías de antenas avanzadas. FDD requiere de un par de canales para la transmisión, mientras que TDD únicamente requiere de un único canal para la DL y UL, dando una gran flexibilidad en la adaptación de una gran variedad de espectros globales. Los diseños de transmisores para TDD son menos complejos lo que implica un abaratamiento de los costos. En la figura 3.10 se muestra una trama OFDM en un esquema de TDD, cada trama es subdividida en dos sub tramas, una para el UL y otra para el DL.

42 42 Figura 3.10 Trama OFDM. [10] En la trama se incluye la siguiente información de control: El preámbulo, se utiliza para la sincronización, es el primer símbolo OFDM de la trama. El encabezado de control de la trama (FCH): le sigue al preámbulo contiene la información de configuración tal como el mensaje MAP, el tamaño y el esquema de codificación y los sub canales utilizables. DL MAP y UL MAP, protocolo de acceso al medio, provee la localización de los sub canales y información de control.

43 43 UL Ranging el sub canal "ranging se utiliza para que las estaciones móviles ajusten el tiempo de cerrado de lazo, la frecuencia y potencia tal como el ancho de banda lo requiera. El canal UL CQICH sirve para que la estación móvil retroalimente información sobre el estado del canal UL ACK sirve para que la MS retroalimente la información del DL HARQ. Con el animo de mejorar la capacidad de cobertura en las aplicaciones móviles en WiMAX móvil se introdujeron algunas características como Adaptive modulation and coding (AMC), Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ). En WiMAX móvil las principales modulaciones para el DL son QPSK, 16 QAM y 64 QAM mientras que en el UL la modulación 64QAM es opcional, además soporta codificaciones de códigos convolucionales y turbocodigos. Las combinaciones de varios esquemas de modulación y code rates provee ciertas velocidades que se resumen en la tabla 3.2, en la cual se muestran las tazas de datos para canales de 5 y 10 MHZ, la duración de la trama es de 5 milisegundos, cada trama tiene 48 símbolos OFDM, con 44 símbolos para la transmisión, se puede observar que las tazas de datos mas grandes se consiguen con 64QAM

44 44 Tabla 3.2 Velocidades alcanzadas por WiMAX móvil. [10] Modulación QPSK Canal de 5 MHz Velocidad DL Mbps Canal de 10 MHZ Velocidad DL Mbps Code Rate Velocidad UL Mbps 1/2 CTC,6x 0,53 0,38 1,06 0,78 1/2 CTC,4x 0,79 0,57 1,58 1,18 1/2 CTC,2x 1,58 1,14 3,17 2,35 1/2 CTC,1x 3,17 2,28 6,34 4,7 3/4 CTC 4,75 3,43 9,5 7,06 Velocidad UL Mbps 16 QAM 1/2 CTC 6,34 4,57 12,67 9,41 3/2 CTC 9,5 6,85 19,01 14,11 64 QAM 1/2 CTC 9,5 6,85 19,01 14,11 2/3 CTC 12,67 9,14 25,34 18,82 3/4 CTC 14,26 10,28 28,51 21,17 5/6 CTC 15,84 11,42 31,68 23, Descripción de la capa MAC El estándar fue desarrollado desde sus inicios con la premisa de que fuera capaz de entregar servicios de banda ancha, incluyendo el tráfico de voz, datos y video. La capa MAC del estándar, esta diseñada de tal manera que puede soportar incrementos bruscos en la demanda de tráfico, mientras que al mismo tiempo soporta tráfico de voz y video los cuales son sensibles a la latencia en el canal. Los recursos que el planificador MAC asigna a un terminal, pueden variar desde una sola ranura temporal time slot hasta una trama entera, de esta manera se tiene un gran rango dinámico de salida para el terminal de un usuario especifico en cualquier momento. Además ya que la información de la asignación de un recurso es llevada en un

45 45 mensaje MAP en el comienzo de cada trama, el planificador puede especificar la asignación de los recursos para que se adapte al pico de demanda Soporte de la calidad de servicio. WiMAX móvil posee varias características que le permiten cumplir con los requerimientos de calidad de servicio (QoS Quality of Service ) para una gran cantidad de servicios y aplicaciones, entre ellas la capacidad de manejar tráfico UL/DL asimétrico y el poseer un mecanismo flexible de asignación de recursos. En la capa MAC, el QoS es proveído mediante flujos de servicio como se muestran en la figura En este flujo unidireccional de paquetes se transmite un grupo de parámetros para QoS. Antes de entregar algún tipo de servicio la estación base y el terminal del usuario establece un enlace unidireccional entre las capas MAC llamado conexión. La capa MAC entonces asocia paquetes que atraviesan la interfaz MAC con un flujo de servicio para ser entregado en la conexión. Figura 3.11 Soporte de QoS en WiMAX móvil [10].

46 Los parámetros QoS asociados con el flujo de servicios definen la clasificación de 46 la transmisión y la asignación en la interfaz de aire. Ya que la interfaz de aire es usualmente el cuello de botella, las conexiones orientadas QoS pueden habilitar el control punto a punto QoS. Los parámetros del flujo de servicio pueden ser dinámicamente manejados a través de mensajes MAC para acomodar la demanda de servicios de manera dinámica. Los flujos de servicios están basados en el mecanismo QoS y aplica en ambos sentidos DL UL. WiMAX móvil puede ser dinámicamente optimizado para el tipo de tráfico que se este transportando, cuatro tipos de servicios son soportados: Servicio Subvencionado No Solicitado (UGS, Unsolicited Grant Service ): esta diseñado para soportar flujos de datos en tiempo real constituidos de paquetes de datos de un tamaño fijo emitidos en intervalos periódicos, como T1/E1 y voz sobre IP. Servicio de registro en tiempo real (rtps, real time Polling Service ): esta diseñado para soportar flujos de datos en tiempo real constituidos de paquetes de datos de un tamaño variable que son emitidos en intervalos periódicos, como el formato de video MPEG. Servicio de registro (no en tiempo real) (nrtps, not real time Polling Service ): esta diseñado para soportar flujos de datos tolerantes al retardo constituidos de paquetes de datos de un tamaño variable donde se requieren mantener una velocidad mínima, como en FTP.

47 Servicio al mejor esfuerzo (BE, Better Effort ): esta diseñado para soportar flujos de datos para los cuales no se requiere un nivel mínimo y pueden ser manejados en los espacios disponibles. WiMAX soporta un amplio rango de servicios y aplicaciones con una variedad de requerimientos que se han resumido en la tabla 3.3. Tabla 3.3 Categorías de servicios y aplicaciones [10]. Categoría de QoS Aplicación Especificación QoS UGS Servicio Subvencionado No Solicitado VoIP Velocidad máxima mantenida Máxima tolerancia a latencia Tolerancia al Jitter Velocidad mínima reservada rtps Servicio de registro en tiempo real ErtPS Servicio de registro en tiempo real extendido nrtps Servicio de registro (no en tiempo real) BE Servicio al mejor esfuerzo Transmisión de datos o video Voz con detección de actividad (VoIP) Protocolo de transferencia de archivos TFP Transferencia de archivos, Web Velocidad mínima reservada. Velocidad máxima mantenida Máxima tolerancia a latencia Prioridad de tráfico Velocidad mínima reservada. Velocidad máxima mantenida Máxima tolerancia a latencia Máxima Tolerancia al Jitter Velocidad máxima mantenida Velocidad mínima reservada Prioridad de tráfico. Velocidad máxima mantenida Prioridad de tráfico 47

48 Servicio MAC de planificación La principal función del servicio MAC de planificación ( scheduling ) es dar el adecuado tratamiento QoS al variado tráfico que se transmite en el enlace de aire, y a su vez optimizar los recursos del enlace. Este servicio de planificación de WiMAX esta diseñado para manejar eficientemente los servicios de banda ancha de datos, incluidos voz, datos y video variando el canal inalámbrico El planificador del enlace de aire corre sobre la BS, se considera que pertenece a la capa MAC de la BS, este planificador determina los contenidos de DL y UL en cada trama, cuando se utilizan modos opcionales como diversidad en transmisión, AAS y MIMO, la capa MAC divide el UL y DL en sub tramas para hacer y una zonificación para poder clasificar las SS que están utilizando alguno de estos esquemas, así el planificador asigna oportunidades de transmisión a las MS individualmente dentro de la zona en la estén operando, en OFDM, en el DL las oportunidades de transmisión son time slots mientras que en OFDMA UL y DL las oportunidades de transmisión son time slots dentro de subcanales individuales. El planificador determina los requerimientos de ancho de banda de las MS individuales basados en las clases de servicios de las conexiones y el estado de las colas en la MS y BS. La BS monitorea sus propias colas y determina los requerimientos del DL y utiliza varios mecanismos de sondeo ( polling ) para mantenerse informado de los requerimientos de la MS para en UL. La BS monitorea la relación señal a ruido (SNR) e

49 49 incrementa o decrementa el code rate y el nivel de modulación acorde con el tráfico para una MS, mientras se mantiene el BER. Finalmente, hay un planificador de paquetes en la BS y la MS. Este planificador planifica los paquetes de las colas de transmisión dentro de las oportunidades de transmisión asignadas a la MS dentro de cada trama. El servicio MAC de planificación tiene las siguientes características: El planificador de datos es rápido. El planificador MAC debe asignar eficientemente los recursos disponibles en el caso de que se de un aumento brusco en el la demanda del tráfico y un cambio en las condiciones de el canal ya que este es variante con el tiempo. El planificador se encuentra localizado en cada estación base para permitir una rápida respuesta a los requerimientos del tráfico y las condiciones del canal. Los paquetes de datos son asociados a un flujo de servicio con sus parámetros QoS, entonces el planificador puede determinar el orden de transmisión sobre la interfaz de aire. El canal CQICH provee información rápida de retroalimentación para permitir que el planificador escoja la apropiada codificación y modulación para cada distribución. Planificador para el DL y UL. Los servicios del planificador están disponibles para el DL y el UL tráfico. Para que el planificador MAC haga una eficiente asignación de recursos y pueda proveer el QoS deseado, el UL debe retroalimentar con información como las condiciones de tráfico y los requerimentos QoS. El mecanismo de retroalimentación para cada conexión UL es definido por el flujo de servicio para asegurar una conducta predictiva.

50 50 Asignación de recursos dinámica. La capa MAC soporta la asignación de recursos en frecuencia o tiempo. La asignación de recursos es entregada en mensajes MAP (Media Acces Protocol) en el comienzo de cada trama, por lo tanto la asignación de recursos puede ser cambiada en cada trama en respuesta al tráfico y las condiciones del canal QoS orientado. El planificador es quien maneja el transporte de datos en cada conexión, cada conexión esta asociada un único servicio de datos con grupo de parámetros de QoS que cuantifican los requerimientos del QoS. Asignación de frecuencia selectiva El planificador puede operar en diferentes tipos de sub canales, gracias a esta característica pude asignar a los usuarios móviles los sub canales más fuertes Manejo de la movilidad En las aplicaciones móviles los dos problemas críticos que más se deben tomar en cuenta son el tiempo de vida de la batería y el handoff.wimax móvil tiene dos tipos de modo de operación para las estaciones móviles para así tener un manejo eficiente de la potencia, el modo dormido y el modo Idle. También se soporta handoff, para que la MS pueda cambiar de una estación base a otra mientras se viaja en vehículos sin interrumpir la conexión. Manejo de la potencia

51 51 El modo Dormido es un estado en el cual el MS tiene períodos prenegociados de ausencia de la BS. Estos periodos están caracterizados por la indisponibilidad del MS respecto a la BS para el tráfico UL y DL. Este modo esta pensado en para que minimice el uso de potencia del MS y minimizar el uso de los recursos de la interfaz de aires del BS en servicio. El modo dormido también provee la flexibilidad a la MS de escanear otras BS para recoger información para el handoff. El modo Idle provee un mecanismo para la MS para que pueda estar periódicamente disponible para recibir mensajes en broadcast sin tener que registrarse en una BS especifica al tiempo que la MS se mueve a través de una zona con varias de BS. El Modo Idle beneficia el MS ya que elimina el requerimiento del handoff, y beneficia la red y la BS mediante la eliminación de la interfaz de aire y el tráfico de handoff para MS que están prácticamente inactiva, mientras se la MS conserva un mecanismo para alertarse del tráfico DL entrante. El termino handoff se refiere a el proceso de transferir una comunicación de datos que se esta llevando a cabo en un canal conectado al núcleo de la red a otro canal. Existen básicamente 2 razones principales para llevar a cabo el handoff, la primera es cuando la MS se ha alejado de rango de acción de una celda y pueda obtener un mejor enlace de radio de otra celda de un transmisor mas fuerte, la segunda se refiere a la saturación de conexiones que pueda sufrir una BS, entonces la BS transfiere a otra BS cercana una parte del tráfico, para poder manejara la carga. Nota: en el inglés británico también es llamado handover.

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