Capítulo 1. El estándar IEEE Std

Transcripción

1 Capítulo 1. El estándar IEEE Std El estándar IEEE forma parte de la familia de estándares para redes de área local y metropolitana del IEEE (IEEE 802) especifica una interfaz aérea para sistemas de acceso inalámbrico de banda ancha, en su versión de 2004 (IEEE Std ) especifica dicha interfaz, incluyendo la capa de control de acceso al medio y distintas especificaciones de capa física para sistemas BWA fijos ( Broadband Wireless Access ) soportando múltiples servicios. Esta versión (2004) consolida los estándares anteriores IEEE Std , IEEE Std a y IEEE Std c, manteniendo todos los modos y características principales sin añadir modos nuevos. Su objetivo es permitir el desarrollo rápido de productos BWA de distintos fabricantes, que sean innovativos, con costes competitivos e interoperables. Facilita la competencia en accesos de banda ancha proponiendo alternativas a los accesos cableados y, por otra parte, acelera la comercialización de sistemas BWA. En diciembre de 2005 se aprueba el IEEE Std e que se publica junto al IEEE Std /Cor en un mismo documento (en adelante, e). Este documento proporciona mejoras al IEEE Std para soportar estaciones suscriptoras que se muevan a velocidades vehiculares y para ello define un sistema combinado fijo-móvil para el acceso inalámbrico de banda ancha. Se especifican también funciones para soportar el handover entre estaciones base o sectores. La operación se limita a bandas con licencia apropiadas para movilidad por debajo de los 6 GHz. Las características 1

2 para el abonado fijo de IEEE no se ven comprometidas, aunque sí se hacen correcciones sustanciales a IEEE en referencia a la operación fija. WiMAX, ( Worldwide Interoperability for Microwave Access ), es una marca de certificación para los productos que superan los controles de conformidad e interoperabilidad para los estándares de la familia IEEE El estándar IEEE especifica la interfaz radio para redes de área metropolitana de tipo WMAN ( Wireless Metropolitan Area Network ). Esta tecnología permite el acceso de banda ancha inalámbrico, define por tanto un sistema BWA. Es una buena solución cuando se quiere dotar de banda ancha a zonas rurales que no tienen acceso a ningún tipo de conexión cableada, ya que presentarían unos costes de realización mucho mayores. (Figura 1). Es posible dotar a un edificio de una antena convirtiéndolo en una SS ( Subscriber Station ) y hacer que se comunique con una BS ( Base Station ). Los usuarios pueden conectarse a la BS pasando por la SS con una red doméstica normal o bien conectarse directamente a la BS (Figura 2). Además, ya que soporta servicios de voz a un alto régimen binario puede ser considerada una alternativa válida a las redes de telefonía celular. Diferentes tipologías de red utilizan capas PHY (nivel físico en la torre OSI) distintas, pero gracias al nivel MAC de pueden formar, independientemente de la correspondiente capa PHY, una conexión sin degrado de la Calidad de Servicio (QoS) (Figura 3). Gracias a la técnica OFDM puede operar en condiciones NLOS (sin línea de vista) (la mayor parte de las tecnologías disponibles hoy para conexiones de banda ancha proveen sólo conexiones Line-of- Sight). El radio del área de cobertura estimada es de 15Km en condiciones NLOS, y de 50Km en condiciones LOS. 2

3 Figura 1. Ámbitos de aplicación Figura 2. Ejemplo de red WiMAX. 3

4 Figura 3. Diferentes usos de Con el estándar IEEE e de diciembre de 2005 se busca además dotar de movilidad a esta familia, lográndose así que sobre la misma red se soporten accesos fijo, nómadas y móviles (prevista una velocidad de desplazamiento de hasta 180 km/h, Figura 4). Gracias a las elevadas tasas de transferencia garantizadas (hasta 75 Mb/s) es capaz de soportar todos los servicios de última generación. Figura 4. Aplicación de en escenarios de movilidad Se puede, por tanto, considerar WiMAX una tecnología revolucionaria por los múltiples servicios que ofrece, pero sobretodo por su objetivo más ambicioso: la interoperabilidad con la mayor parte de los estándares ya existentes. 4

5 1.1 Interoperabilidad entre WiMAX y Wi-Fi WiMAX no entra en conflicto con Wi-Fi, al contrario, constituye un complemento. Dado que las redes IEEE utilizan el mismo protocolo LLC (Logical Link Control, Control del Nivel de Enlace, estandarizado como IEEE 802.2) que el resto de redes LAN o WAN se pueden conectar a éstas, y servir para canalizaciones comunes. Así pues, las consideraciones de complementariedad con Wi-Fi se extienden a todas las modalidades de ethernet sobre cableado físico (IEEE 802.3), token ring (IEEE 802.5) y a todos los estándares ajenos al IEEE que usan el mismo LLC (p.ej. Hiperman-ETSI). (Figura 5). Figura 5. Familia de estándares IEEE 802 Ya que WiMAX es una tecnología de red de área metropolitana (MAN) inalámbrica que puede conectar los Puntos de Acceso IEEE (Wi-Fi) a Internet, constituye una alternativa sin cables a las conexiones DSL o Cable para el acceso de banda ancha en la última milla (Figura 6). 5

6 Figura 6. Interoperabilidad / En la Tabla 1 podemos apreciar una breve comparativa entre y Tabla 1. Comparativa Wi-Fi / WiMAX 6

7 Un aspecto importante de IEEE está en el hecho de que define una capa MAC que soporta múltiples especificaciones de nivel físico (PHY). Esto es crucial para que los distintos fabricantes de equipos para el usuario final puedan diferenciar sus ofertas. La capa MAC en WiMAX en significativamente distinta de la de Wi-Fi (y de la correspondiente de Ethernet en la que ésta se basa). En Wi-Fi, la conexión Ethernet utiliza mecanismos de contienda de modo que todas las estaciones suscriptoras que quieren hacer pasar datos a través de un punto de acceso (AP, Access Point) compiten para obtener la atención del AP, y esto se decide con una elección casual. Por el contrario, el MAC en es un MAC ranurado, con el cual la estación suscriptora solamente formula una petición, la correspondiente al ingreso inicial en la red, sucesivamente la estación base le asigna una ranura de tiempo (time slot). Ésta podrá ser más o menos grande, pero permanece asignada a la estación suscriptora, lo que significa que las demás estaciones suscriptoras no la usan, sino que esperan su turno. Este algoritmo es estable contra la sobrecarga de tráfico o abonados (contrariamente a lo que ocurre en con ). Además es mucho más eficiente en cuanto al uso de ancho de banda. El algoritmo ranurado también permite a la estación base controlar la QoS, equilibrando las asignaciones entre las necesidades de las estaciones suscriptoras. La primera versión publicada del estándar describe ambientes operativos a alta frecuencia (entre 10 y 66 GHz) en modalidad LOS (Line-of-Sight), es decir, con visión directa. A partir del estándar a se consideran también entornos para sistemas que operan en bandas entre 2 y 11 GHz. La diferencia más significativa entre estas dos bandas de frecuencia es inherente a la posibilidad de administrar transmisiones en un entorno NLOS (Non-Line-of-Sight), sin visión directa, para las frecuencias más bajas de la gama indicada, ventaja esta no alcanzable en el ámbito de las frecuencias entre 10 y 66 GHz. 7

8 1.2 La torre de protocolos. Con el fin de garantizar la interoperabilidad entre los distintos estándares, WiMAX define una única capa MAC capaz de soportar distintas interfaces de nivel PHY, éstos comunican a través de los PHY-SAP (Service Access Point) con el nivel MAC. En el estándar IEEE el nivel MAC comprende tres subcapas, la Subcapa de Convergencia de Servicio Específico (service specific Convergence Sublayer, CS), la Subcapa de Parte Común de Control de Acceso al Medio (Medium Access Control Common Part Sublayer, MAC CPS) y la Subcapa de Seguridad (Security Sublayer), como se muestra en la Figura 7. Figura 7. Torre de protocolo 8

9 La CS realiza todas la transformación y el mapeado de los datos recibidos de niveles superiores a través del CS SAP (CS Service Access Point) para formar las MAC PDU (Protocol Data Unit, Unidad de Datos del Protocolo) enviadas a la MAC CPS a través del MAC SAP y viceversa. La CS lleva a cabo la clasificación de las SDU (Service Data Unit, Unidad de Datos del Servicio) de la red externa asociándoles un CID (Connection Identifier, Identificador de Conexión) y el correspondiente SFID (Service Flow Identifier, Identificador del Flujo de Servicio). La CS puede incluir también algunas funciones como la supresión de cabeceras. Además, se prevén múltiples especificaciones de CS como interfaces con los distintos protocolos. La configuración interna del CS payload concierne sólo a la CS, y no se le pide a la MAC que comprenda su configuración o analice su información. La MAC CPS provee de las funcionalidades principales del MAC, como son el acceso de un sistema al canal, la asignación del ancho de banda o la creación y mantenimiento de un enlace. Recibe los datos de las distintas CS a través del MAC SAP. Además están previstos mecanismos para diferenciar la Calidad de Servicio (QoS) en función de las distintas necesidades ligadas a las diferentes aplicaciones. Por ejemplo, la voz o el vídeo requieren retrasos pequeños pero permiten algunos errores; por el contrario, las aplicaciones de datos genéricas no toleran los errores, pero pueden aceptar un poco de retraso. La QoS se aplica a la transmisión fijando los datos al PHY, de este modo se hace más eficiente el sistema en lugar de utilizar más capas de control por encima del nivel MAC. La subcapa de seguridad (Security Sublayer) provee de la autenticación, el intercambio y el cifrado de la clave de seguridad. A través del PHY SAP la MAC CPS transmite los datos, el control del PHY y las estadísticas al Nivel Físico. El estándar ha sido pensado para desarrollarse como un conjunto de interfaces radio basadas sobre un único protocolo MAC, pero que incluye múltiples especificaciones de PHY, cada una adaptada a un rango de frecuencias particular y a una aplicación en concreto. Este 9

10 estándar soporta una modulación adaptativa, equilibrando eficazmente las diversas tasas de datos con la calidad de los enlaces. El método de modulación puede ser ajustado casi instantáneamente para hacer óptima la transferencia de datos. La modulación adaptable permito un uso eficiente de la banda y puede satisfacer por tanto las necesidades de una mayor cantidad de clientes. El estándar permite tanto la multiplexión por división en frecuencia (FDD) como la multiplexión por división en el tiempo (TDD). La Tabla 2 resume la nomenclatura para las distintas especificaciones de la interfaz radio descritas en Nombre Frecuencias Multiplexión Opciones WirelessMAN-SC WirelessMAN-SCa WirelessMAN-OFDM GHz 2-11 GHz con licencia 2-11 GHz con licencia WirelessMAN-OFDMA 2-11 GHz con licencia TDD FDD TDD FDD TDD FDD TDD FDD WirelessHUMAN 2-11 GHz sin licencia TDD Tabla 2. Especificaciones PHY -- AAS ARQ STC movilidad AAS ARQ Mesh STC movilidad AAS ARQ HARQ STC movilidad AAS ARQ Mesh (OFDM) STC movilidad Las realizaciones de este estándar para las frecuencias de trabajo entre 10 y 66 GHz utilizan la capa PHY WirelessMAN-SC que prevé el empleo de una modulación adaptativa single carrier que puede ser QPSK, 16-QAM ó 64-QAM y el acceso TDMA. Para las frecuencias de 2 a 11 GHz pueden usar la 10

11 WirelessMAN-SCa, que usa una modulación adaptativa single carrier BPSK, QPSK, 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM ó 256-QAM, con acceso TDMA; la WirelessMAN-OFDM, que emplea la modulación OFDM con una FFT a 256 puntos (subportadoras) y un acceso TDMA; o bien la WirelessMAN-OFDMA, que usa la modulación OFDMA con una FFT a 2048 puntos y un acceso realizado direccionando un subconjunto de las subportadoras hacia un receptor específico. Todas estas realizaciones se especifican en el estándar IEEE