Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Análisis comparativo y conclusiones técnico-económicas para una posible implementación de los estándares WiMAX d ó WiMAX e en la Zona Metropolitana de Costa Rica Por: Alberto José Araya Callís Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Noviembre del 2007

2 Análisis comparativo y conclusiones técnicoeconómicas para una posible implementación de los estándares WiMAX d ó WiMAX e en la Zona Metropolitana de Costa Rica Por: Alberto José Araya Callís 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. Guillermo Rivero González Profesor Guía Ing. Yandel Salazar Soto Profesor lector Ing. Andrew Sheehy Protti Profesor lector -ii-

3 DEDICATORIA A mi padre, a mis hermanos. A mi madre por todo el apoyo durante la carrera, por sus palabras de aliento y ánimo, que me ayudaron a concluir con éxitos mis estudios. A mi novia Mónica, que me vio crecer como ingeniero, gracias por la confianza y seguridad que me brindó. En fin gracias a todos los que me han dado su apoyo, espero que nunca dejen de hacerlo... -iii-

4 RECONOCIMIENTOS A los miembros del tribunal examinador, Ing. Guillermo Rivero González, Ing. Yandel Salazar Soto, Ing. Andrew Sheehy Protti así como al, Ing. José Antonio Alfaro Obando por su colaboración en la elaboración de este proyecto. A la Universidad de Costa Rica y a la Escuela de Ingeniería Eléctrica. -iv-

5 ÍNDICE GENERAL NOMENCLATURA... IX RESUMEN...1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos METODOLOGÍA...5 CAPÍTULO 2: LA FAMILIA DE LOS ESTÁNDARES WIMAX IEEE Modelo de Referencia del Estándar Capa Física (PHY) FDM- OFDM-OFDMA Capa MAC (Medium Access Control) FDD TDD Formato de la PDU de la MAC Transmisión de los PDUs de la MAC Procesamiento de la señal Introducción a las modulaciones Modulación adaptativa Técnicas de control de errores CAPÍTULO 3: CASO DE NEGOCIOS PARA SERVICIOS DE BANDA ANCHA EN ACCESOS INALÁMBRICOS WIMAX, EN CONVERGENCIA CON OTROS SERVICIOS DE REDES FIJAS Y MÓVILES ESTRATEGIA EN BANDA ANCHA FIJA INALÁMBRICA Proyectos WiMAX en Costa Rica Proyecto SIE (Sistema Inalámbrico Empresarial) Estrategia en el negocio del transporte Estrategia de banda ancha móvil...48 CAPÍTULO 4: COMPARACIÓN ENTRE EL ESTÁNDAR Y EL ESTÁNDAR E APLICACIONES FIJAS, NÓMADAS, PORTABLES Y MÓVILES PARA REDES WIMAX Y E PERFILES DE WIMAX FORUM COMPARACIÓN ENTRE LOS PERFILES Y E Técnicas de Mutiplexación Handoffs y Roaming VS E WIMAX...59 CAPÍTULO 5: CONSIDERACIONES SOBRE LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA RED WIMAX EN LA ZONA METROPOLITANA DE COSTA RICA ÁREA METROPOLITANA DETERMINANDO REQUERIMIENTOS DE COBERTURA DETERMINANDO REQUERIMIENTOS DE CAPACIDAD ALTERNATIVAS PARA EL DESPLIEGUE DE ESTACIONES BASE Smart Antennas Formación del haz Diversidad Diversidad espacial y de polarización MIMO (Multiple Input - Multiple Output) Aplicaciones en WiMAX REUTILIZACIÓN DE LA FRECUENCIA v-

6 5.6 BANDA DE FRECUENCIA Y OTRAS CONSIDERACIONES RELACIONADAS CON EL RANGO NUMERO DE ESTACIONES BASES Componentes de las Estaciones Bases Infraestructuctura de la Estación Base Equipo WiMAX de la Estación Base Conexión de la Red de Retorno (Backhaul) de la Estación Base CAPÍTULO 6: ESTADO DEL ARTE DE SOLUCIONES Y PRODUCTOS CERTIFICADOS WIMAX SOLUCIÓN ALVARION ( D Y E) Estaciones Base Estación Base Modular Unidad de Procesamiento de la Red (NPU) Unidades de Acceso Interiores/Exteriores Unidad para la conexión al sistema de potencia (PIU) Unidad de suministro de energía (PSU) Unidad de ventilación (AVU) BreezeMAX CPEs BreezeMAX PRO-S CPEs Sistema de gestión AlvariSTAR Motion Mobile WiMAX SOLUCIÓN SIEMENS Estación Base SkyMAX Unidades de suscriptor Sistema de gestión SOLUCIÓN AIRSPAN MacroMAXe MacroMAXd Unidades de Suscriptor Sistema de gestión Otros Productos de Airspan CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS DEFINICIONES DE ACCESO FIJO, NÓMADA, PORTABLE Y MÓVIL DEFINICIONES DE ANTENAS MIMO Y AAS HAND OFF FADING vi-

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura # 1: Evolución de la tecnología WiMAX... 9 Figura # 2: Capas del protocolo IEEE d mostrando SAP`s Figura # 3: Multiplexación por División de Frecuencias Figura # 4: Esquema básico de una modulación OFDM Figura # 5: Ortogonalidad entre sub portadoras adyacentes Figura # 6: a) Técnica Multiportadora convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales Figura # 7: Diagrama de Bloques de OFDM Figura # 8: Multiplexación de Multiple Acceso por División de Frecuencias OFDMA Figura # 9: Sub canalización para Uplink en WiMAX. En OFDM, sólo una estación de subscriptor transmite en una misma pista. En OFDMA, varias estaciones de subscriptor pueden transmitir en la misma pista sobre varios sub canales Figura # 10: Estructura de Símbolo de OFDM Figura # 11: Estructura del transmisor y receptor en WiMAX Figura # 12: FDD y TDD Figura # 13: Sub ráfaga downlink TDD Figura # 14: Frequency shift Keying (FSK) Figura # 15: Phase Shift Keying Figura # 16: Modulación QPSK Figura # 17: Modulación Adaptiva Figura # 18: Topología del Proyecto (Sistema Inalámbrico Empresarial) Figura # 19: Frecuencias asignadas Figura # 20: Cobertura Solicitada Figura # 21: Uplink en OFDM y OFDMA Figura # 22: GAM de Costa Rica, evaluada por ingresos Figura # 23: Reutilización de la Frecuencia = 1, con tres Sectores de las Estaciones Bases Figura # 24: Reutilización de la Frecuencia = 3, con tres Sectores de las Estaciones Bases Figura # 25: Equipo BreezeMAX TM Figura # 26: Estación Base Modular Figura # 27: Unidad de Procesamiento de la red (NPU) Figura # 28: Unidad de Acceso para Interiores Figura # 29: Unidad de Acceso para Exteriores Figura # 30: BreezeMAX CPEs Figura # 31: Esquema de las aplicaciones del equipo BreezeMAX Figura # 32: BreezeMAX PRO-S CPEs Figura # 33: Arquitectura de Sistema Open WiMAX vii-

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla # 1: Resumen de los principales estándares WiMAX Tabla # 2: Modulación QPSK Tabla # 3: Cobertura Tabla # 4: Tipos de Acceso a redes WiMAX Tabla # 5: Tabla comparativa entre (d) y e viii-

9 NOMENCLATURA A AAS ACI AMC BS BW BWA Sistema Adaptativo de Antena, del inglés Adaptive Antenna System. Interferencia Adyacente de Canal, del inglés Adjacent Channel Interference. Modulación y Codificación Adaptivas, del inglés Adaptive Modulation and Coding. B Estaciones Base, del inglés Base Station Ancho de Banda, del inglés "Bandwith". Acceso inalámbrico de banda ancha, del inglés "Broadband Wireless Access". D DL Descarga, del inglés Downlink. C CCI CPE CS Interferencia Co-Canal, del inglés Co-Channel Interference. Equipos en las premisas del cliente, del inglés " Customer Premises Equipment". Sub-capa de convergencia del inglés Convergente Sublayer. E ERTPS Servicio de Interrogación Extendida del Tiempo Real, del inglés Extended real-time Polling Service F FDD FTT Duplexación por División de Frecuencia, del inglés Frequency Division Duplex. Transformada Rápida de Fourier, del inglés Fast Fourier Transform. I IDU IEEE IP Unidad de Interiores, del inglés Indoor Unit. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, del inglés Institute of Electrical and Electronics Engineers. Protocolo de Internet, del inglés Internet Protocol. L LCT LOS Terminal de acceso local, del inglés "Local Craft Terminal". Línea Vista, del inglés Line Of Sight. -ix-

10 M MAC MAP MIMO NLOS Control de acceso al medio del inglés Media Access Control. Protocolo de Acceso al Medio, del inglés Media Access Protocol. Múltiples Entradas Múltiples Salidas, del inglés Multiple Input Multiple Output. N No Línea Vista, del inglés Non Line Of Sight. O ODU OFDM OFDMA Unidad de Exteriores, del inglés Outdoor Unit. Múltiplexación Ortogonal por División de Frecuencia, del inglés Orthogonal frequency Division Multiplexing Múltiplexación Ortogonal de Acceso por División de Frecuencia, del inglés Orthogonal frequency Division Multiplexing Access. P PCMIA PDA PMT PTP PUSC Asociación Internacional de la Tarjeta de Memoria de la Computadora Personal, del inglés Personal Computer Memory Card International Association. Asistente Personal Digital, del inglés Personal Digital Assistant. Punto a Multi Punto, del inglés Point to Multi Point. Punto a Punto, del inglés Point to Point. Sub canal Parcialmente Usado, del ingles Partially Used Subchannel. Q QoS Calidad de servicio, del inglés Quality Of Service. SDU Unidad de datos de servicio, del inglés "Service Data Unit". SISO Entrada Simple, Salida Simple, del inglés Single Input Single Output SLA Acuerdo del Nivel de Disponibilidad de Servicio, del Service Level Agreement. SNMPv2 Del inglés Simple Network Management Protocol version 2 SOFDMA OFDMA Escalable, del inglés Scalable OFDMA. STC Codificación EspacioTiempo, del inglés Space Time Coding. S T TDD Duplexación por División del Tiempo, del inglés Time Division Duplex. -x-

11 U UL VoIP Subidas, del inglés Uplink V Voz sobre Protocolo de Internet, del inglés Voice over Internet Protocol. W WiMAX WISP Interfuncionamiento Inalámbrico para Acceso de Microondas, del inglés World Interoperability for Microwave Access. Proveedor de Servicio de Internet Inalámbrico, del inglés Wireless Internet Service Provider. -xi-

12 RESUMEN WiMAX ó x es un estándar de comunicaciones inalámbricas que ofrece acceso para áreas metropolitanas y constituye una solución para acceso de última milla. En este documento se realizó una descripción y revisión de los parámetros, protocolos y estándar de la tecnología WiMAX tanto fija como móvil. Asimismo, se estableció la diferencia entre uno y otro, mostrando las ventajas de la versión e (móvil) sobre el d (fija). El trabajo analizó los aspectos a tomar en cuenta a la hora de desplegar una red WiMAX en un área metropolitana, específicamente se enfocaron los conceptos al caso nacional, tomando en cuenta los proyectos que se están desarrollando en la versión de acceso fijo. Además, se explicó un poco las tendencias de WiMAX en convergencia con otras tecnologías, para lo cual se plantearon tres posibles casos de negocios, que convergían a un caso de mayor importancia. Éste era, el papel que tendría el desarrollo de la tecnología WiMAX móvil sobre las otras tecnologías de banda ancha inalámbrica, como por ejemplo la 3G. Sin embargo, en todos los casos se intenta que la tecnología WIMAX trabaje como aliada con las demás, es decir, lograr trabajar en forma paralela y complementaria en el mejor desarrollo de las comunicaciones. Finalmente el proyecto investigó el estado actual de los productos certificados WiMAX. Para esto, se analizaron a tres fabricantes: Alvarion, Airspan y Siemens, con ellos se pretende dar un repaso de las posibles soluciones que hay para poder desarrollar una red WiMAX en nuestro país, tanto en la versión fija como en la móvil. -1-

13 CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Justificación Una de las tecnologías de acceso más prometedoras y discutidas en esta década es la comunicación por tecnología inalámbrica. En el horizonte de este tema, se vislumbra un avance tecnológico más significativo con la tecnología WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access o interfuncionamiento inalámbrico para acceso de microondas). La tecnología WiMAX será la base de las Redes Metropolitanas de acceso de banda ancha a Internet, servirá de apoyo para facilitar las conexiones en zonas rurales, y se utilizará en el mundo empresarial para implementar las comunicaciones internas. Además, su popularización supondrá el despegue definitivo de otras tecnologías, como VoIP (llamadas de voz sobre el protocolo IP) (Thelander, 2005). En zonas rurales y en otras partes del mundo que no disponen de red alámbrica, WiMAX podría constituir la plataforma ideal para ofrecer numerosos servicios de voz, datos y esparcimiento. En el caso de los países desarrollados, al menos en las zonas urbanizadas, es probable que las tecnologías de Internet portátil completen las redes existentes, en lugar de sustituirlas (Thelander, 2005). La siguiente investigación se encuentra dirigida al estudio de las tecnologías WiMAX en su versión d y e, cómo funcionan, cuáles son sus principales aplicaciones, cuáles sus respectivas ventajas y desventajas; todo con el fin de lograr establecer un análisis de la mejor utilidad para cada tecnología, y conocer sus limitantes con el fin de establecer en qué casos una es más eficiente que la otra. -2-

14 La importancia de realizar una investigación de este tipo radica en disponer de un análisis comparativo claro y conciso, que permita a los proveedores de acceso y /o contenido, comprender la forma en que operan estas tecnologías, y para qué aplicaciones y contextos es útil cada una de ellas. Mediante un análisis de sus diferentes beneficios y limitantes, se pretende brindar nuevas alternativas de comunicación para diferentes zonas geográficas de país. Además, se busca fomentar un conocimiento generalizado sobre este tema, tanto para profesionales como para usuarios, de manera tal que las empresas que brinden estos tipos de servicios se proyecten a futuro y puedan escoger la mejor opción para ellos. -3-

15 1.2 Objetivos Objetivo general Realizar un análisis comparativo de las tecnologías WiMAX d y WiMAX e basados en aspectos económicos, técnicos, de diseño y funcionalidad de cada uno de los estándares indicados Objetivos específicos 1) Describir técnica y conceptualmente los estándares IEEE e y IEEE d. 2) Realizar un análisis comparativo desde el punto de vista técnico, económico, funcional, de prestaciones, capacidades y servicios, y establecer diferentes escenarios de posible aplicación para un operador de telecomunicaciones. 3) Proponer un escenario ideal de prestación de servicios de banda ancha basada en acceso inalámbrico WiMAX de aplicación en la Zona Metropolitana de Costa Rica, y establecer un caso de negocios tomando en cuenta la convergencia de servicios y redes fijas y móviles de banda ancha. 4) Investigar el estado actual de la industria WiMAX, determinando fabricantes, productos, mapas o planes de desarrollo, servicios y soluciones WiMAX y certificaciones para la implementación de la red en la Zona Metropolitana. 5) Ofrecer una serie de conclusiones que permitan ejercer un criterio de selección entre ambas tecnologías. -4-

16 1.3 Metodología La metodología para este proyecto será investigativa. Su investigación se realizará mediante recopilaciones de información bibliográfica en artículos publicados en revistas, páginas de Internet de las compañías fabricantes, libros, entrevistas, entre otros. De esta manera, los pasos para la elaboración del trabajo serán los siguientes: Recopilación de información bibliográfica acerca de los estándares d y e de la IEEE. Preparación del informe del proyecto de manera que se abarquen los objetivos del mismo, y donde se pueda tener una idea clara de las ventajas que ofrece una tecnología frente a la otra, dependiendo de las necesidades del usuario. Presentación del proyecto donde se expongan los temas relevantes del trabajo y se ofrezcan conclusiones útiles que permitan comprender las alternativas que ofrece WiMAX en las redes de acceso, tanto móviles como fijas. -5-

17 CAPÍTULO 2: La familia de los estándares WiMAX WiMAX (Wireless Interoperability for Microwave Access) es el nombre comercial de un grupo de tecnologías inalámbricas que emergieron de la familia de estándares WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network Red de Área Metropolitana Inalámbrica) IEEE Si bien el término WiMAX sólo tiene algunos años, el estándar ha existido desde fines de la década de 1990, primero con la adopción del estándar (10-66GHz) y luego con el a (2-11GHz) en enero de A pesar del establecimiento del estándar a, el mercado del FWA (Acceso fijo inalámbrico, del inglés Fixed Wireless Access ) nunca terminó de despegar, a pesar de los esfuerzos que se hicieron durante ese período, por parte de las industrias de telecomunicaciones. El IEEE a ha sido prácticamente olvidado ya que recientemente el foco de atención fue el IEEE , que también es conocido como REVd o El es una mejora del estándar.16a que fue certificado en octubre de Por otra parte, también está el IEEE e, otra variación de WiMAX que le sigue al estándar , pero que es incompatible con él. Lo único que estos dos estándares propuestos tienen en común es que emplean el mismo rango de frecuencia (sub. 11GHz). En 2001, se creó el Foro WiMAX para promover el estándar y para ayudar a asegurar la compatibilidad y la interoperabilidad a través de múltiples fabricantes. En sus primeras épocas, el Foro WiMAX estaba compuesto solo de algunos fabricantes de -6-

18 equipos relativamente pequeños que solían proveer equipos inalámbricos fijos a un mercado reducido, y dos grandes compañías de semiconductores: Intel y Fujitsu. Hoy, existen aproximadamente 300 compañías que participan en el Foro WiMAX, incluyendo algunos operadores y varios de los principales OEM: Alcatel, Ericsson, Lucent, Motorola, Nortel y Siemens, para nombrar solo algunos. WIMAX presenta una solución para conexiones a áreas rurales o a áreas poco accesibles. Entre las características más resaltantes de este sistema se pueden mencionar las siguientes: Utiliza la modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) la que permite la transmisión en distintas frecuencias simultáneamente. Utiliza espaciamiento ortogonal con lo que se puede garantizar que no exista interferencia entre estas. Soporta mecanismos de antenas inteligentes los cuales mejoran la eficiencia espectral en sistemas inalámbricos y distintos tipos de antenas. Soporta redes punto multipunto y redes de malla. Presenta una calidad de servicio (QoS) para los operadores NLOS tal que la señal no se distorsiona severamente por la existencia de edificios ni otras posibles causas de interferencia. -7-

19 Soporta las multiplexaciones TDM y FDM, tal que permite la interoperabilidad entre los sistemas celulares (FDM) y los inalámbricos (TDM). Como medidas de seguridad, incluyen mecanismos de criptografía y seguridad propios del sistema. Posee un ajuste dinámico del tamaño del paquete de transmisión. Tiene aplicaciones de voz, datos y video. El sistema WIMAX presenta técnicas de modulación adaptativa dependiendo de las condiciones de la relación señal a ruido (SNR). Técnicas como FEC, codificación convolutiva, y otros algoritmos son usados para poder detectar y corregir errores, tal que ayudan a mejorar la relación señal a ruido o SNR. Se incorpora el ARQ (Automatic Repeat Request), para solucionar los errores que no puede solucionar la FEC. Algoritmos de control de potencia son implementados en las estaciones base de tal manera que regular los niveles de potencia en los CPE (Customer Premise Equipment), de tal forma que la potencia recibida en la estación base sea ya predeterminada. Con esto se logra un ahorro en la potencia consumida en los CPE. -8-

20 La tecnología WiMAX está desarrollada en tres fases. La fase uno se soporta sobre el estándar IEEE d-2004, mediante la utilización de antenas externas y orientadas a clientes con ubicación fija. La fase dos se soporta sobre la misma especificación, pero contempla equipos terminales de usuario con antenas internas, esto permite un aprovisionamiento y activación expedito. Finalmente la tercera etapa se soporta sobre la especificación IEEE802.16e, esta variante permite la movilidad del usuario final dentro del área de cobertura de la plataforma. En la figura #1 se muestra la evolución de la tecnología WiMAX. Figura # 1: Evolución de la tecnología WiMAX A continuación se muestra una tabla resumen de las diferentes versiones del estándar : -9-

21 Tabla # 1: Resumen de los principales estándares WiMAX Estándar a d e Lanzamiento Banda de 2-66GHz 2-11GHz 11GHz 2-6GHz frecuencia Máximo ancho 124Mbps 70Mbps 70Mbps 70Mbps de banda Funcionamiento Sólo con visión directa Sin visión directa (NLOS) Sin visión directa (NLOS) Sin visión directa (NLOS) Cobertura 2-5 Km. aprox Km Km. 2-5 Km. 40 Km. máx. aprox. 50 Km. máx. aprox. 50 Km. máx. Modulación QPSK, 16QAM y 64 QAM OFDM con 256 subportadoras QPSK LMDS SOFDMA OFDM OFDMA Movilidad Sistema fijo Sistema fijo Sistema fijo Movilidad pedestre La primera versión del estándar fue completada en el Esta versión de WIMAX considera un rango de espectro mayor a 10 GHz (especialmente de 10 a 66 GHz). Para este estándar la línea de vista era necesaria, y el multi direccionamiento utilizaba técnicas de multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM). Así se soportan canales con un ancho de banda mayor a 10 MHz. Este primer estándar consideró la prestación del servicio con las autorizaciones correspondientes (licencias), aunque se utilice un espectro libre de licencia. Además este primer estándar fue diseñado para conexiones punto a punto. -10-

22 802.16a La actualización de a, completada en enero del 2003, consideró el rango del espectro de frecuencia de 2 a 11 GHz. Utiliza rangos de frecuencia tanto licenciados como no licenciados, además incorpora la capacidad de no línea de vista (NLOS) y características de calidad de servició (QoS). Esta versión da mayores capacidades a la capa de control de acceso al medio o MAC (Medium Access Control). El estándar Europeo HiperMAN fue definido con un total de tres capas físicas (PHY) de apoyo. Se incorporó un soporte para FDD y TDD proveyendo para ambas transmisión de datos duplex y half duplex en el caso donde FDD es usado. Son soportados protocolos como Ethernet, ATM e IP. Este estándar es para conexiones fijas de última milla punto a punto y punto multipunto (d) Las principales características de los protocolos para WIMAX fijos, mencionados en los puntos anteriores, se han incorporado en Por lo que éste es el reemplazo del estándar IEEE a. Este estándar final soporta numerosos elementos obligatorios y opcionales. Teóricamente podría transmitir hasta para un rango de datos de 70Mbps en condiciones ideales, aunque el rendimiento real podría ser superior a 40Mbps. Debe tenerse presente que para este estándar se tiene tres tipos de modulación para la capa PHY: modulación con una sola portadora, modulación con OFDM de 256 portadoras y de 2048 portadoras, pero el elegido es OFDM de 256 portadoras, debido a que en el proceso de cálculo para la sincronización se tiene menor complejidad respecto a la utilización del esquema de 2048 portadoras. -11-

23 802.16e IEEE e conserva las técnicas actualizadas en el WiMAX fijo, a las cuales se agrega un soporte robusto para una banda ancha móvil. Mientras no este completamente fija, la tecnología está basada sobre la tecnología de OFDM. Esta técnica OFDM soporta 2K, 1K, 512 y 128 portadoras. De manera interesante, ambos estándares soportan el esquema de 256-portadoras elegido para IEEE El sistema de OFDM permite que las señales sean divididas en muchos subcanales de baja velocidad para aumentar la resistencia a la interferencia multidireccional. Por ejemplo, un canal de 20MHz es subdividido en 1000 canales, cada usuario individual podría permitirle un número dinámico de los subcanales basados en su distancia y necesidades de la celda (4, 64, 298, 312, 346, 610 y944). Si está cercano, se podría utilizar una modulación tal como la modulación de la amplitud en cuadratura de 64 niveles (64-QAM). -12-

24 2.1 IEEE IEEE es una tecnología reciente de acceso inalámbrico fijo, lo que significa que está diseñada para servir como una tecnología de reemplazo del DSL inalámbrico, para competir con los proveedores de cable de banda ancha o DSL, o para proveer un acceso básico de voz y banda ancha en áreas sub-abastecidas donde no existe ninguna otra tecnología de acceso; los ejemplos incluyen a países en desarrollo y áreas rurales en países desarrollados donde el cable de cobre no tiene un sentido económico. El también es una solución viable para el backhaul inalámbrico para puntos de acceso WiFi o potencialmente para redes celulares, en particular si se usa el espectro que requiere licencia. En ciertas configuraciones, WiMAX Fijo puede usarse para proveer mayores velocidades de datos. El estándar del e del IEEE es una revisión para la especificación base que apunta al mercado móvil añadiendo portabilidad y capacidad para clientes móviles con IEEE. Éste, permite utilizar el sistema de comunicaciones inalámbricas con terminales en movimiento. Muchos fabricantes de hardware y operadores estaban esperando a esta decisión para empezar a desplegar redes de WiMAX. Ahora ya se saben qué especificaciones técnicas debe tener el hardware del WiMAX móvil, que es mucho más jugoso económicamente, con lo que es posible diseñar infraestructuras mixtas fijo-móviles. -13-

25 2.1.1 Modelo de Referencia del Estándar La figura #1 ilustra el modelo de la referencia y el alcance de este estándar. Figura # 2: Capas del protocolo IEEE d mostrando SAP`s Como se aprecia en la figura #2, la capa MAC se subdivide en tres capas que son: Sub capa de Convergencia (CS) que permita el mapeo o transformación de los datos que provienen de redes externas por medio del punto de acceso al servicio CS, denominado CS SAP, a unidades de servicio de datos tipo MAC (MAC-SDUs) Las unidades de servicios de datos (SDU) son recibidas por la subcapa de parte común (CPS) a través del punto de acceso al servicio MAC SAP. En esta capa, cada flujo SDU es clasificado y se le asocia un identificador de flujo denominado SFID y un -14-

26 identificador de conexión CID además a esta capa se le puede realizar la supresión del encabezado de la carga útil. (IEEE Std ) La sub capa de parte común MAC (CPS) concentran las funcionalidades de acceso al sistema, administración del ancho de banda, establecimiento de las conexiones y mantenimiento de la conexión. La capa MAC adicionalmente contiene una capa de seguridad separada que permite proveer autentificación, intercambio de llaves y cifrado. La capa MAC intercambia información que debe ser enviada al medio físico por medio del punto de acceso físico (PHY SAP), el cual depende de la implementación en particular. (IEEE Std ) Capa Física (PHY) La capa física fue concebida para optimizar la operación de sistemas inalámbricos de banda ancha, que utilizan el ámbito de frecuencias de 2 a 11 GHz y que operan bajo la condición de sin línea vista (NLOS). El estándar IEEE d contempla tres posibilidades para la capa física que son: Wireless MAN-SCa: esta especificación considera una interfaz de aire apoyada en una única portadora modulada. Wireless MAN-OFDM: Esta especificación utiliza un esquema de multiplexación por división de frecuencia Ortogonal (OFDM) que comprende 256 portadoras. Wireless MAN-OFDMA: utiliza el esquema OFDM de 2048 portadoras, el acceso de los múltiples usuarios se hace efectiva asignando un subconjunto de -15-

27 portadoras a cada receptor individual, de manera que este estándar es referido como acceso múltiple (OFDMA). Los sistemas basados en OFDM presentan un mejor desempeño al utilizar NLOS, y su análisis matemático se basa en la transformada rápida de Fourier (FFT) (Rivero, 2006) FDM- OFDM-OFDMA-SOFDMA Para entender cómo OFDM, OFDMA y SOFDMA trabajan, es útil comenzar con su "madre" es decir FDM (Múltiplexación por División de Frecuencias). En el sistema de FDM, las señales de múltiples transmisores son simultáneamente transmitidas (al mismo tiempo) sobre múltiples frecuencias. Cada gama de frecuencias (subportadoras) es modulada por separado por diversas secuencias de datos y un espaciamiento (banda de protección) se coloca entre las subportadoras para evitar traslape de señales. Figura # 3: Multiplexación por División de Frecuencias La Multiplexación por División de Ortogonal de Frecuencia (OFDM) es una técnica de multiplexación que subdivide el ancho de banda en sub portadoras de frecuencia múltiple, como se ve en la figura #

28 Figura # 4: Esquema básico de una modulación OFDM Como FDM, OFDM también utiliza múltiples subportadoras pero éstas se encuentran pegadas unas de las otras, eliminando las bandas de protección entre sub portadoras adyacentes. Esto es posible porque las frecuencias (subportadoras) son ortogonales, significando que el pico de una subportadora coincide con la falta de información de otra adyacente. La figura #5 muestra la ortogonalidad entre subportadoras. Figura # 5: Ortogonalidad entre sub portadoras adyacentes -17-

29 Cuando estas subportadoras son ortogonales en frecuencia, se permite reducir el ancho de banda total requerido aún más, como se muestra en la figura #6. Figura # 6: a) Técnica Multiportadora convencional, b) Modulación con portadoras ortogonales En un sistema de OFDM, secuencias de datos transmitidos a alta velocidad se dividen, en secuencias múltiples paralelas de datos a bajas velocidades. Cada secuencia de datos más pequeña después es mapeada a subportadoras individuales de datos y se modula usando algunas clases de PSK (Phase Shift Keying) o de QAM (Quadrature Amplitude Modulation), es decir BPSK, QPSK, el 16-QAM, los 64-QAM. Como ya se mencionó OFDM necesita menos ancho de banda que FDM para llevar la misma cantidad de información que se traduce en una eficacia espectral más alta. Además de una alta eficacia espectral, un sistema de OFDM tal como WiMAX es más resistente en el ambiente de NLOS. Puede superar eficientemente interferencia causada por la multidireccionalidad porque la ecualización se hace en un subconjunto de subportadoras en vez de en una sola portadora. El efecto de ISI (Interferencia Inter Símbolo) se suprime en virtud de un período más largo del símbolo de las subportadoras paralelas, que un solo sistema de portador. -18-

30 En OFDM se utilizan 256 sub portadoras, de éstas, 192 se utilizan para datos, 56 son andadas, -28 en la parte baja y 28 en la parte alta, cumplen el papel de bandas de guarda y 8 son utilizadas para señales pilotos permanentes (Rivero, 2006). A continuación se muestra a diagrama de bloques el esquema de Transmisión para el estándar : Figura # 7: Diagrama de Bloques de OFDM El procesamiento se compone de: a) Bloque aleatorizador que permite distribuir la energía de los datos sobre el espectro disponible. b) Bloque FEC para la corrección de errores, que se compone de un bloque de codificación Reed- Solomon una concatenación convolucional. c) Bloque intercalador para suministros diversidad temporal y minimizar el efecto de las ráfagas de error sin agregar encabezado extra. d) Un bloque para mapear los datos de información a los símbolos del esquema de modulación utilizado. -19-

31 e) Un bloque para mapear los símbolos dependientes del esquema de modulación a los símbolos OFDM. f) Un bloque para la transformación del símbolo OFDM del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo. g) Bloque para insertar el prefijo cíclico requerido para optimizar la transmisión en un ambiente multitrayecto. h) Bloque para realizar la conformación de la señal. i) Bloque para acondicionar la señal para su radiación. Dos aspectos asociados de manera inherente a cada bloque funcional que diferencia la tecnología WiMAX son: La capacidad de adaptar el esquema de modulación a las condiciones del canal. La capacidad de corrección de errores logrado a través de la concatenación del código de bloque Reed Solomon. La técnica de modulación OFDM también puede 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. Como OFDM, OFDMA emplea múltiples subportadoras cercamente espaciadas entre si, pero cada grupo de sub portadoras son divididas en grupos de sub portadoras. Cada grupo forma un sub canal. Las subportadoras que forman un subcanal no necesitan ser adyacentes. En el downlink, un subcanal se puede pensar para diversos receptores. En el uplink, un transmisor se puede asignar a unos o más subcanales. -20-

32 Figura # 8: Multiplexación de Multiple Acceso por División de Frecuencias OFDMA Subcanalización define los subcanales que se pueden asignar a las estaciones del suscriptor (Suscriber Stations SSs ) dependiendo de sus condiciones del canal y requisitos de los datos. Usando subcanalización, una Estación Base Móvil de WiMAX puede asignar más energía a los dispositivos del usuario (SSs) con un SNR más bajo (relación del Señal-a-Ruido), y menos energía a los dispositivos del usuario con un SNR más alto. Subcanalización también permite a las Estaciones Base asignar una energía más alta a los subcanales asignados del subscriptor que se encuentren en interior dando por resultado una mejor cobertura dentro de los edificios. Figura # 9: Sub canalización para Uplink en WiMAX. En OFDM, sólo una estación de subscriptor transmite en una misma pista. En OFDMA, varias estaciones de subscriptor pueden transmitir en la misma pista sobre varios sub canales Subcanalización en el uplink puede ahorrar energía al dispositivo de un usuario porque puede concentrar energía solamente en cierto subcanal asignado a él. Esta característica de ahorro de energía es particularmente útil para los dispositivos de usuarios que trabajen con baterías, caso probable en WiMAX móvil. -21-

33 La estructura de símbolo de OFDMA consiste en 3 tipos de subportadoras como se muestra en la figura # Subportadoras de datos para la transmisión de datos 2. Subportadoras piloto para efectos de estimación y sincronización 3. Subportadoras nulas no utilizadas para la transmisión, usadas para la bandas guarda y portadoras DC. Figura # 10: Estructura de Símbolo de OFDM Las sub portadoras activas (de datos y piloto) son agrupadas en subgrupos llamados subcanales. Las subportadoras que forman un subcanal pueden ser contiguas o no. La capa física de WiMAX soporta subcanalización en ambos sentidos en el enlace de bajada (DL) y en el enlace de subida (UL). La mínima unidad de tiempo frecuencia de sub canalización es una ranura ( slot ) que es equivalente a 48 subportadoras. 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. -22-

34 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 subportadoras son divididas en los subcanales de datos. Para el modo de subcanalización de uso parcial (PUSC Partially Used Sub-Carrier) para el DL y el UL el grupo de subportadoras utilizadas (de datos y pilotos) es primero particionado en subcanales, y luego las subportadoras piloto son ubicadas dentro de cada subcanal. En FUSC hay un único grupo de subportadoras pero en PUSC cada subcanal contiene su propio grupo de subportadoras. Una estación del cliente podría usar todos los subcanales dentro del período de la transmisión, o los varios clientes podrían transmitir cada uno usando una porción del número total de subcanales simultáneamente. Existen 2 tipos de permutaciones de las subportadoras para la subcanalización; la diversa y la contigua, la permutación diversa traza las subportadoras seudo aleatoriamente para formar un subcanal, esto produce una diversidad en frecuencia y que la interferencia entre celdas tenga un valor promedio, la permutación diversa incluye DL FUSC (Fully Used Sub-Carrier), DL PUSC (Partially Used Sub-Carrier) y UL PUSC. Con DL PUSC, por cada par de símbolos OFDM, las sub portadoras 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 subcanal en un grupo contiene 2 clusters y esta hecho de 48 subportadoras de datos y 8 subportadoras pilotos. Las subportadoras de datos en cada grupo son además permutadas para generar subcanales dentro del grupo. -23-

35 En el UL PUSC el espacio disponible de la subportadora 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 sub portadoras de datos y 24 sub portadoras piloto en 3 símbolos OFDM. La permutación continua agrupa un bloque de subportadoras continuas para formar un subcanal. La permutación contigua incluye DL AMC y UL AMC ( Adaptive Modulation and Coding ), y tiene la misma estructura. Un bin consiste de 9 sub portadoras 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 M = 6), donde N es el número de bins contiguos y M es el número de símbolos 38 contiguos. Así las combinaciones permitidas son [(6 bins, 1 símbolo), (3 bins, 2 símbolo), (1 bins, 6 símbolo)]. Escalable OFDMA (SOFDMA) agrega escalabilidad a OFDMA. Escala el tamaño de FFT el ancho de banda del canal mientras que mantiene el espaciamiento de la frecuencia de las subportadoras constante a través de diversos anchos de banda del canal. Un tamaño más pequeño de FFT se da a canales más bajos de ancho de banda, mientras que un tamaño más grande de FFT a canales más anchos. Haciendo el espaciamiento de la frecuencia de la subportadora constante, SOFDMA reduce la complejidad del sistema de canales más pequeños y mejora el funcionamiento de canales más anchos. -24-

36 Como recordatorio, IFFT (Transformada Rápida de Fourier Inversa) se utiliza en un transmisor de WiMAX para crear una forma de onda de OFDM de secuencias de datos moduladas, mientras que FFT (Transformada Rápida de Fourier) se utiliza en un receptor de WiMAX para demodular las secuencias de datos. El tamaño de FFT iguala el número de subportadoras, entonces en un sistema de OFDM/OFDMA con 256 subportadoras, el tamaño de FFT es 256. Figura # 11: Estructura del transmisor y receptor en WiMAX SOFDMA es el modo de OFDMA usado en WiMAX móvil, que luego se retomará. Apoya los anchos de banda del canal que se extienden a partir de 1.25MHz a 20 MHz. Con ancho de banda escalable, la tecnología móvil de WiMAX puede cumplir con varias regulaciones de la frecuencia por todo el mundo y tratar flexiblemente los requisitos del operador de servicios ISP Capa MAC (Medium Access Control) En general para el estándar , dentro del concepto de acceso al medio, se diferencia tres tipos: cómo se gestiona el acceso para los dos canales (subida y bajada de la información), el acceso de los usuarios y la multiplexación de la información. -25-

37 Este tipo de comunicaciones tiene una característica dúplex, es decir, existe una transmisión y recepción en los dos extremos. Como ambas comunicaciones comparten el mismo medio, 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). El estándar WiMAX soporta ambas técnicas de transmisión. Las soluciones para bandas licenciadas recurren a la técnica FDD, mientras que las orientadas a bandas libres unan la técnica TDD. De todas maneras, dentro de las bandas existe cierta flexibilidad a la hora de usar cada tipo de tecnología FDD 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. Como desventaja tiene el hecho de tener que recurrir a buenos filtros separadores de frecuencia (ya que se tratan normalmente de bandas conexas). Este tipo de filtros reciben el nombre de duplexores. Está técnica es la que mejor se adapta al tráfico de voz, ya que permite tener un retardo mínimo, pero, por contra es la que requiere una implementación más costosa, principalmente por la adquisición de la licencia para operar en el espectro. -26-

38 Además, presenta la ventaja de no tener que recurrir a bandas de guardia temporales como en el caso TDD. En general, se recomienda su utilización en entornos con patrones de tráfico predictivos, donde el coste del equipamiento se más importante que la eficiencia espectral TDD Técnica Time Division 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. Esto provoca que los retardos de transmisión limiten el tamaño de las celdas. 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, por ejemplo. -27-

39 Figura # 12: FDD y TDD Presenta un uso más óptimo de las smart antenas o antenas inteligentes y está enfocada a usos donde la eficiencia espectral sea más importante que el coste. La capa MAC (Medium Access Control), fue diseñada para accesos a las aplicaciones PMP (Punto Multi Punto)de banda ancha de muy alta tasa de datos y con una distinta variedad de requerimientos de calidad de servicios (QoS), por lo que esta orientada a la conexión. Permite que el mismo terminal sea compartido por múltiples usuarios. Lo que hace flexible a este sistema es que maneja algoritmos que permiten que cientos de usuarios finales puedan tener distintos requerimientos de ancho de banda y de latencia. Como ya se mencionó, esta capa también se encarga de manejar la necesidad de tener muy alta tasa de bits, tanto para el uplink (hacia la BS) como para el downlink (desde la Estación Base). El sistema ha sido diseñado para incluir multiplexación por -28-

40 división del tiempo (TDM) de voz y dato, protocolo de Internet (IP), y voz sobre IP (VoIP). El protocolo IEEE , debe soportar los variados requerimientos del backhaul, como el modo de transferencia asíncrono (ATM) y protocolos de packetbased. La capa MAC a su vez esta subdividida en tres sub capas: Convergencia, Parte Común y Seguridad. La principal de estas es la sub capa de Parte Común, es en ella donde se maneja el ancho de banda, se establece la conexión, y se establecen los protocolos de unidad de datos (PDUs). También se encarga de hacer el intercambio de la unidad de servicios de datos de la MAC (SDU) con la capa de convergencia. Esta sub capa se encuentra fuertemente ligada con la capa de seguridad. La sub capa de convergencia es la encargada de adaptar las unidades de datos de protocolos de alto nivel al formato MAC SDU y viceversa. También se encarga de clasificar los SDUs de la MAC entrantes a las conexiones a las que pertenecen. La sub capa de seguridad es la encargada de la autentificación, establecimiento de llaves y encriptación. Es en ella donde se realiza el intercambio de los PDUs de la MAC con la capa física. -29-

41 Formato de la PDU de la MAC La PDU de la MAC es la unidad de datos que intercambia la capa MAC de la BS y la del SS. Consiste en una cabecera de MAC de longitud fija y una carga útil de longitud variable y un ciclo redundante de control (CRC). Dos formatos de cabecera son diferenciados por el escudo HT, una cabecera genérica y una cabecera de requerimiento de ancho de banda. Se utilizan tres tipos de sub cabeceras de la MAC. 1. Sub cabecera de gestión de concesión. Es usada por la SS para transportar la gestión de ancho de banda necesaria por su BS. 2. Sub cabecera de fragmentación. Contiene información que indica la presencia y orientación en la carga útil de cualquier fragmento de SDU. 3. Sub cabecera de empaque. Usada para indicar el empaquetamiento de múltiples SDUs en un único PDU. Las cabeceras de gestión de concesión y de fragmentación pueden ser insertadas en el PDU de la MAC inmediatamente después de la cabecera genérica, y así indica el tipo de escudo. La sub cabecera de empaque puede ser insertada después de cada SDU de la MAC y es indicada por el tipo de escudo. -30-

42 Transmisión de los PDUs de la MAC. La MAC del estándar IEEE , soporta varios protocolos de capas de alto nivel así como ATM o IP. Para maximizar el proceso haciéndolo flexible y eficaz, se incorporan los procesos de fragmentación y de empaque. El proceso de fragmentación es donde un SDU de MAC es dividido en fragmentos. Y el proceso de empaque es en el cual varios SDUs de la MAC son empaquetados en una sola carga útil de PDU de la MAC. Ambos procesos pueden ser usados tanto para downlink como para uplink. El estándar IEEE permite el uso de ambos procesos simultáneamente para un eficiente uso del ancho de banda, y fue diseñado para poder soportar tanto FDD como TDD. La MAC de la BS se encarga de crear un cuadro downlink (sub cuadro del TDD), empezando con un preámbulo que es usado para la sincronización y la estimación del canal. Una cabecera de cuadro de control (FCH) es transmitida después del preámbulo para el resto del cuadro. Esto es requerido debido a que la ráfaga es transmitida con diferentes esquemas de modulación y codificación. El FCH es seguido por una o múltiples ráfagas downlink, de acuerdo de transmisión para la ráfaga de perfiles y consiste de un número entero de símbolos OFDM. La localización del perfil de la primera ráfaga de downlink es especificada en el cuadro prefijo del donwlink (DLFP), parte del FDH. En la figura #13 se muestra la estructura de la sub ráfaga downlink TDD. -31-

43 Figura # 13: Sub ráfaga downlink TDD La ráfaga de datos es transmitida en orden de decrecimiento de robustez para permitir que el SS reciba datos confiables antes de arriesgar un error de ráfaga que podría causar perdida de sincronización. En el downlink, una porción del TDM inmediatamente seguida del FCH es usada para UGS (Unsolicited Grand Service), útil para aplicaciones constantes de tipo binario con estrictas restricciones de retardo como la VoIP Procesamiento de la señal En primer lugar se introducirá el concepto de modulación, prestando especial interés a aquellas que utiliza el estándar WiMAX. Por último se analizará el concepto de modulación adaptativa, que es el método utilizado por WiMAX para regular la tasa de transmisión y reducir la tasa de error de bit Introducción a las modulaciones La modulación es el proceso por el cual una onda portadora puede llevar un mensaje o señal digital. Existen tres métodos principales de modulación: en amplitud, frecuencia y/o fase. Además de la técnica de modulación asociada a alguna de las tres -32-

44 características anteriores, está el concepto de orden de modulación. Por este orden entendemos el número de bits de información que es posible codificar por símbolo, o representación modulada de la señal para un periodo unitario. Los métodos principales de modulación son: Amplitude Shift Keying (ASK) : Implica el incremento de la amplitud (potencia) de la onda en función de la señal que queremos transmitir. Esta es la técnica que se utiliza en la transmisión de radio AM, que se caracteriza por la simplicidad de los receptores. Frequency Shift Keying (FSK) : Cambia la frecuencia de la señal transmitida en función de la información Los sistemas que utilizan esta modulación (como la radio en FM), son más resistentes al ruido, que afecta más a la amplitud de la señal. Figura # 14: Frequency shift Keying (FSK) Phase Shift Keying (PSK) : cambia la fase de la señal en función de la señal. Por ejemplo en el caso de la modulación binaria BPSK, cada símbolo indica dos estados diferentes en función de una fase de 0º ó 180º. -33-

45 Figura # 15: Phase Shift Keying En el caso del QPSK, se añaden dos fases extras: 90º y 270º, ya que se transmiten dos bits por símbolo. La fase de cada símbolo no se toma de una determinada, sino que se compara con la anterior (por eso se trata de una técnica diferencial). La diferencia entre fases es la que determina el símbolo emitido. Este modelo hace que sea más robusto a desfases del canal. La asignación bits a símbolo se hace con el criterio de reducir la posibilidad de error: Tabla # 2: Modulación QPSK Símbolo Desfase 00 0º 01 90º º º -34-

46 Figura # 16: Modulación QPSK ASK y PSK pueden combinarse para crear QAM (Quadrature Amplitude Modulation), donde tanto la fase como la amplitud se cambian para guardar la información. El receptor recibe la señal modulada, detecta los desfases y demodula la señal. Para el caso de una modulación 16-QAM, cada símbolo representa 4 bits, ya que existen 4 amplitudes reales e imaginarias posibles. Para el caso de modulación 64- QAM, existen 8 amplitudes reales e imaginarias posibles, por lo que comparando con el caso anterior, a igual potencia la separación entre estados del símbolo es menor. Figura # 17: Modulación Adaptiva -35-

47 Para modulaciones superiores, con mayor número de bits por símbolo, la tasa de transmisión aumenta, pero también lo hace la probabilidad de error para idéntica potencia de transmisión. Esto se debe a que la distancia entre estados disminuye, con lo cual es más fácil que se produzca un error con un símbolo adyacente Modulación adaptativa Los diferentes órdenes de modulación permiten enviar más bits por símbolo y, por tanto, alcanzar una mayor potencia de salida y eficiencia espectral. A pesar de ello, utilizar técnicas de modulación como 64-QAM, implica que sea necesaria una mayor relación señal a ruido (SNR) para evitar las interferencias y mantener una tasa de error de bit moderada. El uso de modulación adaptativa permite que un sistema inalámbrico pueda escoger el orden de modulación en función de las condiciones del canal. Para el caso de WiMAX, a mayor distancia de la estación base menor es el orden de modulación, pasando por las siguientes técnicas: 64QAM, 16QAM, QPSK y BPSK. Así el sistema para trabajar en 64QAM necesita unos 22 db de relación señal a ruido, para 16QAM son necesarios unos 16 db y para QPSK 9 db. -36-

48 Técnicas de control de errores Las técnicas de corrección de errores (FEC) han sido incorporadas a WiMAX para reducir los requisitos del sistema en cuanto a la relación señal a ruido. El Strong Reed Solomon FEC, la codificación convolucional y los algoritmos de interleaving se utilizan para detectar y corregir errores y mejorar el throughput. Estás técnicas de corrección robustas ayudan a recuperar las errores que puedan ocurrir por pérdidas de señal a frecuencias determinadas o errores de burst. Los códigos Reed Solomon se basan en la transmisión extra de símbolos para permitir la detección de errores. Si un código Reed Solomon opera con símbolos de 8 bits, tiene 255 símbolos por bloque. De esos escogemos un parámetro k, con k<n (siendo n el número de símbolos por bloque), que es el número de símbolos de datos, mientras que el resto hasta n serían símbolos de paridad. Si escogemos en nuestro ejemplo k=223, tendríamos 32 símbolos de paridad. Reed Solomon es capaz de corregir hasta 16 errores en símbolos, la mitad del número de símbolos de paridad de los que dispone. Así, la capacidad de corrección de errores viene dada por n-k, la medida de redundancia del bloque. Si las posiciones del los símbolos se conocen de antemano, es posible corregir el doble de símbolos. En caso contrario, siempre se podrá corregir hasta (n-k)/2. Estas características hacen que se adapten muy bien a errores en portadoras. Esto se debe a que no le afecta el número de bits erróneos que hay en cada símbolo, ya que -37-

49 los toma como un único error. Para casos donde los errores no se caracterizan por esto es preferible recurrir a codificaciones convolucionales. Los códigos convolucionales son un tipo de códigos de corrección de errores, en los cuales un símbolo original de longitud m bits, se transforma en uno de n, siendo n>m, siendo la transformación función de los últimos k símbolos de información, con k la longitud del código. Existen varios algoritmos para la decodificación de los códigos convolucionales. Para valores de k relativamente pequeños, la mejor opción es el algoritmo Viterbi, que provee una solución de máxima verosimilitud. Para valores de k elevados, este algoritmo se vuelve impracticable por lo que se suele recurrir a otros, como el algoritmo Fano. Este tipo de códigos se suele concatenar, como en el caso de WiMAX (en el ), con códigos Reed Solomon. En WiMAX también se contempla la utilización de otra serie de códigos, pero de manera opcional, como son los turbo codes, turbo product codes o, en el caso e, códigos de control de paridad de baja densidad. Por otro lado, Automatic Repeat Request (ARQ) se utiliza para corregir los errores que no resuelve el FEC, mediante el reenvío de la información con errores. El estándar WiMAX incorpora la variante llamada H-ARQ (híbrido). Esto mejora de manera significativa la tasa de error de bit (BER) del sistema. -38-

50 Existen diferentes métodos de implementar H-ARQ: chase combining, rate compatible punctured turbo codes y redundancia incremental. Este último, también llamado H-ARQ tipo II en lugar de simples reenvíos de la señal, se envía información redundante adicional, para facilitar la decodificación. H-ARQ tipo III es otra técnica de redundancia incremental, pero en la cual cada retransmisión es auto decodificable, cosa que no ocurría en el anterior. Chase combining implica la retransmisión del mismo paquete codificado. El receptor se encarga del tratar las multiples copias del paquete, ponderándolas por la SNR de cada momento de transmisión. Es una técnica de diversidad temporal. Por último, en el tercer caso se utilizan puntured bits en cada retransmisión. -39-

51 Capítulo 3: Caso de negocios para servicios de banda ancha en accesos inalámbricos WiMAX, en convergencia con otros servicios de redes fijas y móviles Las redes de acceso inalámbricas basadas en soluciones WiMAX proporcionan una oportunidad para los operadores de participar del crecimiento que existe en mercados emergentes. La infraestructura tradicional de las líneas cableadas en nuestro país es, en muchos casos, no existente o solamente accesible a un segmento de la población. Las redes de acceso basadas en WiMAX, están permitiendo a operadores locales alcanzar a millones de nuevos clientes potenciales y proveer a ellos los servicios de voz tradicional y de banda ancha de datos, que hasta ahora se han negado. Aunque estos mercados tienen todas las cualidades requeridas para un caso de negocio, representan fuertes desafíos. Se debe de tener presente que las tecnologías inalámbricas difícilmente permitirán crear redes alternativas a las redes de los operadores fijos y móviles. Más bien se configurarán escenarios donde tecnologías fijas, celulares e inalámbricas se combinarán para ofrecer servicios a los clientes. Es poco probable que las tecnologías inalámbricas emerjan por sí solas, sino más bien los operadores deben combinar las diferentes tecnologías en busca de soluciones efectivas en costo y prestación de servicios. -40-

52 Desde el punto de vista de los casos de negocios posibles, WiMAX permite establecer tres muy concretos: Uno de ellos es emplearlo como acceso inalámbrico de banda ancha para competir con el ADSL o cable modem en ambientes urbanos, o como única alternativa, en zonas suburbanas o rurales donde las redes cableadas no llegan. La segunda posibilidad de negocio es utilizarlo para construir el backbone de redes inalámbricas de banda ancha. Por ejemplo, para unir las celdas de sistemas de 3G o de WiFi. La tercera alternativa, es ofrecer servicio móvil. 3.1 Estrategia en banda ancha fija inalámbrica WiMAX nace como una tecnología de acceso complementaría, ofreciendo la posibilidad de cubrir la última milla en aquellas zonas donde el costo del despliegue de la red cableada supera al de la inalámbrica. Por las propias características de WiMAX, se trata de una solución que se adapta a la cobertura de interiores para proveer servicios de conectividad de banda ancha inalámbrica. La opción de banda ancha fija es particularmente interesante para operadores en el sector empresarial, o clientes residenciales que demandan importantes anchos de banda, en zonas no cubiertas por el cable o DSL, como son típicamente las zonas rurales. -41-

53 Se debe considerar que el mercado residencial está migrando progresivamente hacia la demanda de paquetes de servicios y aplicaciones que demandan altos anchos de banda, por lo que este tipo de tecnología es específicamente idónea para el tráfico de datos, y por tanto, para la prestación de servicios como VoIP o la transferencia de datos a alta velocidad. La combinación de servicios de banda ancha de voz, datos y vídeo con la característica nómada o portable que ofrecerá el e constituirá una oferta que llegará a muchos más consumidores, aunque solo se convertirá en negocio real una vez que estos consumidores dispongan de terminales que les permitan disfrutar de las ventajas de estos servicios Proyectos WiMAX en Costa Rica El ICE y RACSA lideran el desarrollo e implementación de servicios inalámbricos de banda ancha WiMAX en Costa Rica. Estas instituciones han comenzado el despliegue de la red inalámbrica en el país. Las empresas prestan sus servicios a clientes empresariales así como a soluciones residenciales de bajo ancho de banda. Por su parte, RACSA actualmente se encuentra desarrollando el proyecto Internet inalámbrico vía WiMAX como parte del Programa de Desarrollo: Acceso. Los Programas de Desarrollo son una serie de medidas que RACSA ha desarrollado con el fin de que, para el año 2009, el 80% de los clientes de esta compañía tengan conexiones de banda ancha. Además del Programa Acceso, también se tienen otros programas llamados: Plataformas de Transporte Nacional, Plataforma de Transporte Internacional, Servicios de Valor Agregado, Gestión y Automatización y Desarrollo Cultural y Social. -42-

54 El proyecto Internet inalámbrico vía WiMAX tiene por objetivo: Diversificar las modalidades de acceso nómada a Internet de RACSA, a través de tecnologías inalámbricas, permitiendo la evolución de la cartera actual de clientes de banda angosta a banda ancha en el GAM y algunos puntos del gran concentración en el resto del país 1. Este proyecto arrancó en el mes de abril del año 2006 dando acceso inalámbrico inicialmente a la zona de Escazú y Santa Ana con una estación base en el Cerro Abra, con una cobertura de hasta 8 kilómetros a la redonda. Se tiene planeado continuar instalando las estaciones base en zonas de Belén, Alto de Guadalupe, Curridabat, San Pedro de Montes de Oca, Santo Domingo de Heredia, Zona Franca Metropolitana en Heredia, Tres Ríos, Desamparados y en el centro de San José. El proyecto contempla una inversión total de $6,000, y el período de ejecución comprende del año 2005 al año 2009, a razón de $1, 500, por año. Por otro lado, el ICE se encuentra desarrollando el proyecto Sistema Inalámbrico Empresarial (SIE). Este proyecto pretende brindar enlaces inalámbricos de respaldo a los clientes empresariales que tengan contratados servicios de acceso que se consideren vitales para la empresa asegurando la continuidad del servicio 1 Hacia la Sociedad de la Información y el Conocimiento en Costa Rica Programa de la Sociedad de la Información y el Conocimiento de la Universidad de Costa Rica. -43-

55 Proyecto SIE (Sistema Inalámbrico Empresarial) Figura # 18: Topología del Proyecto (Sistema Inalámbrico Empresarial) Al proyecto SIE se le asignó un ancho de banda de 42MHz. Este ancho de banda fue dividido en partes iguales para el uplink y para el downlink, de esta manera se dispuso de 21 MHz para uplink variando de 3,451GHz a 3,472GHz y los otros 21MHz para downlink de 3,551GHz a 3,572GHz. Figura # 19: Frecuencias asignadas -44-

56 El proyecto fue pensado para dar acceso inalámbrico a la Gran Área Metropolitana, Guanacaste, Zona Sur, Principales puertos y aeropuertos (proyecto TICA de aduanas), los cuales tendrían un ancho de 4Mbps (por cliente). El ICE, durante su proceso de apertura de licitación, definió una serie de polígonos los cuales tendrían completa cobertura, es decir, dispondrían de un anchó de banda de 4Mbps. La figura # 20 muestra estos polígonos. Figura # 20: Cobertura Solicitada El área comprendida por estos polígonos era únicamente de 2.626Km 2 (274 distritos solicitados a cubrir), sin embargo, luego que las empresas realizaron las pruebas con simuladores, se logró abarcar aproximadamente Km 2. De la cobertura estimada por población se entiende que casi un 40% del territorio nacional gozaría con cobertura WiMAX. Sin embargo, como ya se mencionó, el proyecto se pensó para darles 4 Mbps a los clientes, por lo que los nuevos subscriptores -45-

57 posiblemente no dispondrían de este ancho de banda, sino de uno menor dependiendo de su cercanía con las estaciones bases. Así mismo, un aumento en subscriptores haría necesario el aumento de la capacidad de la red. La tabla #3 muestra los distritos cubiertos por el proyecto, así como a sus respectivas provincias. Tabla # 3: Cobertura PROVINCIA DISTRITOS Alajuela 68 Cartago 32 Guanacaste 29 Heredia 37 Limón 18 Puntarenas 28 San José 62 Con este proyecto, el ICE pretende dar respaldo a servicios empresariales de hasta 4Mbps con QoS, también, proveer de acceso primario a servicios empresariales, cuando no hay otro medio de acceso. Así tambíen, el proyecto surge como alternativa a requerimientos residenciales de bajo ancho de banda, servicio telefónico y datos de hasta 512Kbps. Sin embargo, para poder gozar de este servicio, es necesario adquirir nuevos CPEs. De todo lo anterior, se puede hacer un pequeño listado de los beneficios del proyecto SIE del ICE, entre ellos: Rápido despliegue de servicios con QoS. Frecuencia licenciada evita interferencia de otras señales. Sistema de gestión que monitorea el servicio del cliente. Por ser un acceso a la RAI otros servicios futuros pueden ser implementados en este medio, dependiendo del ancho de banda requerido. -46-

58 3.1.2 Estrategia en el negocio del transporte Por la propia capacidad de transmisión y eficiencia espectral de WiMAX, es posible utilizar la tecnología WiMAX como complemento a las redes WiFi o móviles actualmente desplegadas, concentrando y distribuyendo el tráfico de los diferentes hotspots o estaciones base para enlazar con el mundo de Internet. La tecnología WiFi no se diseñó inicialmente para su uso en exteriores sobre grandes distancias, sino para su uso en el interior de edificios. WiMAX surge para solventar los problemas en los entornos MAN, incluso aquellos que las zonas WiFi o el n, a 100 Mbps, probablemente nunca lleguen a solucionar. Entre ellos, problemas relacionados con seguridad, la compensación de retrasos ocasionados por el multitrayecto, la gestión de la fragmentación y la concatenación, la modulación adaptativa o la gestión de interferencias y rangos dinámicos. WiMAX ofrece mayores capacidades en cuanto a potencia y rango de cobertura en acceso a Internet y transporte punto a punto. Por todo ello, es muy probable que WiMAX desplace al WiFi en exteriores a mediano plazo. Es así como los usuarios nómadas de WiFi demandarán interoperabilidad con WiMAX. Por otro lado, WiMAX como tecnología para el transporte de tráfico móvil es la opción que se debería intentar obtener. La estrategia es usar WiMAX para bajar el costo de transporte para el acceso WiFi y móvil. -47-

59 3.1.3 Estrategia de banda ancha móvil La evolución de WiMAX, a, hacia el estándar e, en el que se dota a la red de movilidad completa, permitiría la posibilidad de aumentar el uso de WiMAX para cubrir cualquier región de interés compatible con las redes móviles, configurando un panorama en el que el usuario se encuentra permanentemente conectado con la mejor opción posible en cada entorno. De este modo, las redes WiMAX facilitarían el acceso a servicios móviles multimedia que exigen gran consumo de ancho de banda y altas capacidades del terminal de usuario. En este escenario podremos encontrar operadores que integran todas las tecnologías existentes (tanto móviles como inalámbricas) o también la proliferación de operadores de acceso inalámbrico que requieren de acuerdos de roaming con los operadores móviles para prestar sus servicios. Además, se dará la aparición de una nueva figura, el Proveedor de Servicios de Internet Inalámbrico (WISP). Debido a que las prestaciones de servicio que ofrece WiMAX en cuanto a capacidad de transmisión superan las velocidades ofrecidas por los sistemas móviles 3G, parece lógico pensar que ambas soluciones convivirán y se utilizarán idealmente. De esta manera se tenderá a integrar el soporte de diferentes tecnologías, de modo que se elija siempre la mejor opción para encaminar la comunicación. -48-

60 La transición de unas redes a otras implicará un importante esfuerzo de estandarización por parte de los operadores, así como acuerdos comerciales de colaboración. A todo ello, ya existen operadores que han orientado sus negocios hacia WiMAX como una solución inalámbrica para redes metropolitanas, públicas y privadas. -49-

61 Capítulo 4: Comparación entre el estándar y el estándar e La aparición de los estándares de WiMAX ha estimulado un enorme interés de los operadores que intentan desplegar redes de banda ancha rentables y de alto desempeño. Sin embargo, la disponibilidad de e y de d como dos diferentes e incompatibles iteraciones de los estándares de WiMAX, ha generado en algunos casos confusión en el operador a la hora de tomar decisiones sobre sus inversiones. Las dos tecnologías de WiMAX coexistirán y tratarán una demanda creciente en el acceso de banda ancha inalámbrica en los mercados fijos y móviles. Además de considerar si desean construir una red móvil o fija, al seleccionar una solución WiMAX, los operadores tienen que evaluar factores adicionales tales como los segmentos de mercado, la disponibilidad del espectro, cualquier normativa reguladora, y la línea de tiempo para el despliegue. Los productos son menos complejos que los basados en e. Pueden ser utilizados en una gama más amplia de bandas sin licencia, y tuvieron un tiempo a mercado más rápido, y, en algunos casos, ofrecen un rendimiento de procesamiento más alto que el equipo basado en e. Por otra parte, un margen mejor de acoplamiento, la ayuda para la movilidad, la mejora de la cobertura de interior, la administración flexible de los recursos del espectro y una gama más amplia de los terminales son algunas de las ventajas ofrecidas por los productos e. -50-

62 La mayoría de los operadores podrán desplegar solamente una versión de WiMAX en sus redes. Hay varias opciones disponibles para la migración, para esos operadores que elijan moverse desde una red a una red e. Éstas incluyen los dispositivos del usuario de modo dual, estaciones bases con software actualizable y las estaciones bases de modo dual. 5.1 Aplicaciones fijas, nómadas, portables y móviles para redes WiMAX y e WiMAX es una tecnología inalámbrica de banda ancha que apoya el acceso fijo, nómada, portable y móvil. Para resolver los requisitos de diversos tipos de acceso, se han definido dos versiones de WiMAX. La primera se basa en IEEE y se optimiza para el acceso fijo y nómada. Los primeros productos certificados que WiMAX Forum anunció fueron basados en esta versión. La segunda versión se diseñó para apoyar portabilidad y movilidad, y está basada en el estándar IEEE e. La tabla #1 muestra cómo WiMAX apoya diversos tipos de acceso y sus requisitos (véase el anexo para las definiciones completas). -51-

63 Tabla # 4: Tipos de Acceso a redes WiMAX Tipos de Acceso a Redes WiMAX Definición Dispositivos Localizaciones/ Handoff e Velocidad 2004 Acceso Fijo CPEs para Simple/Estacionaria No Si Si afuera y adentro(indoor, outdoor) Acceso Nómada CPEs para adentro (indoor) tarjetas Multiple/Estacionaria No Si Si Portabilidad Movilidad Simple Movilidad Completa PCMCIA Mini tarjetas PCMCIA para laptops Mini tarjetas PCMCIA para laptops, PDA o smartphones Mini tarjetas PCMCIA para laptops, PDA o smartphones Multiple/ Velocidad pedestre Multiple/ Velocidad lenta en automóvil Multiple/ Velocidad alta en automóvil Hard Handoff Hard Handoff Soft Handoff No No No Si Si Si Los primeros productos CERTIFICADOS de WiMAX Forum estuvieron disponible a finales de 2005 y ya están permitiendo servicios inalámbricos IP basados en servicios de banda ancha que ofrecen ambos accesos, fijo y nómada, para aplicaciones punto a punto (PTP) y punto a multi punto (PMP). La ayuda para la portabilidad y la movilidad fue incluida posteriormente en un programa separado de certificación. WiMAX Forum tuvo los primeros productos certificados, que soportan movilidad, en el primer trimestre de 2007, así también, con las primeras redes desplegadas más adelante durante este año. -52-

64 La versión en el estándar e incorpora las versiones anteriores del estándar y agrega soporte para el acceso fijo y móvil. Sin embargo, e se utiliza a menudo para referir a los cambios introducidos para soportar la movilidad y, en detalle, a SOFDMA. Los operadores que intentan hacer una inversión de WiMAX deben primero reconocer que e no es compatible con d. Algunos vendedores de d proponen equipo para la estación base con complejidad adicional en el hardware o programabilidad adicional en el software, para permitir pasarse al e. No obstante, esto no afectará en ninguna manera los dispositivos d de usuario final ya desplegados. Estos dispositivos de usuario final, en el estándar d, no funcionarán dentro de una red e. El imperativo para los dispositivos de usuario de bajo costo hace prohibitiva la introducción de hardware adicional para procurar una mejora a la conformidad e. La adición de capacidad, como mejora a la estación base, también puede dar lugar a una gran penalización del costo. 5.2 Perfiles de WiMAX Forum WiMAX es un sistema de perfiles basados en la IEEE desarrollado por WiMAX Forum y sus miembros. Mientras que apoya una amplia gama de las frecuencias (hasta 66GHz), tamaños de canal (1.25 MHz a 20 MHz) y las aplicaciones (LOS y NLOS; PTP y PMT), los perfiles de WiMAX centran el alcance del para centrarse en configuraciones específicas. -53-

65 La selección de un número limitado de perfiles es esencial para asegurar interoperabilidad a través de vendedores y generar las economías de escala que conducen a precios bajos y a una tecnología más atractiva. De esta manera, la opción de perfiles se rige por la demanda del mercado, disponibilidad del espectro, normativas reguladoras, los servicios que se ofrecerán, y el interés del vendedor. Por ejemplo, la disponibilidad del espectro para los servicios inalámbricos de banda ancha de acceso en varios países, motivó la creación de perfiles iniciales en la banda de 3.5GHz. La disponibilidad del espectro sin licencia y la demanda para los servicios fijos determinaron la creación de un perfil en la banda de 5.8GHz. La demanda para los servicios y la disponibilidad móviles del espectro hace a las bandas de 2.3GHz y de 2.5GHz los blancos probables para los perfiles futuros e. Los perfiles de WiMAX Forum son definidos por los siguientes parámetros: Banda del espectro Duplexación: Dos opciones están disponibles: Duplexación por División en el Tiempo (TDD) para operadores con espectro desapareado o sin licencia, y Duplexación por División de la Frecuencia (FDD). FDD requiere dos canales, uno para el uplink y el otro para el tráfico del downlink. En red de TDD un tráfico ocupa un solo canal, con el tráfico del uplink y del downlink asignado a diversas ranuras de tiempo. Ancho de banda del canal: El ancho de banda del canal es altamente dependiente en el espectro asignado por los reguladores. Los perfiles iniciales se -54-

66 limitan a 3.5 MHz y a 7MHz en el espectro licenciado pues estos son los canales frecuentes del espectro asignados en la banda de 3.5 GHz. Conforme los canales se hacen más anchos, se ponen a disposición de los operadores, así que los miembros de WiMAX Forum agregarán perfiles de certificación con mayor ancho de banda de canal. Estándar de IEEE: Los perfiles usan OFDM con 256 portadoras, los perfiles e se basan en SOFDMA. Un operador que despliegue d y después intente pasarse en el equipo e, se verá perjudicado por tener que partir el espectro con licencia disponible entre las dos tecnologías. Sin una trayectoria verdadera para pasar de d a e y debido a la necesidad para preservar espectro para apoyar crecimiento de la red, e proporciona la mejor protección a largo plazo para las inversiones de WiMAX de un operador. 5.3 Comparación entre los perfiles y e Las dos versiones de WiMAX reflejan la demanda para los productos que se optimizan para el acceso fijo o para el móvil. Los requisitos para los dos tipos de acceso varían y se requieren diversas soluciones para resolverlos. Varias características opcionales que se apoyan en ambos perfiles ( y e), son más probables de ser implementadas en los productos de e debido a que los servicios móviles están preparados para ganar más de la funcionalidad -55-

67 agregada. Entre éstos, el soporte para MIMO y AAS traerán un aumento substancial en rendimiento de procesamiento y capacidades de los ambientes NLOS Técnicas de Mutiplexación Una diferencia dominante entre y los perfiles e es la técnica de multiplexación: la primera usa aplicaciones OFDM y el segundo utiliza OFDMA. Los perfiles de WiMAX basados en son mejores para aplicaciones fijas que usan antenas direccionales, pues OFDM es inherentemente menos complejo que OFDMA. Consecuentemente, las se pueden desplegar más rápidamente y a un costo más bajo. Además, lo productos que WiMAX Forum certificó, salieron antes y ya han sido adoptados por los proveedores de servicio. OFDMA da al perfil e más flexibilidad al manejar diversos dispositivos de usuario con una variedad de antenas y de factores de forma. Este perfil trae una reducción en interferencia para los dispositivos de usuario con antenas omnidireccionales y además brinda capacidades mejoradas en ambientes NLOS, que son esenciales al apoyar a suscriptores móviles. La subcanalización define los subcanales que se pueden asignar a diversos suscriptores dependiendo de las condiciones del canal y de sus requisitos de datos. Esto da al operador más flexibilidad en el manejo del ancho de banda y a la hora de transmitir energía, y conduce a un uso más eficiente de los recursos. Por ejemplo, dentro de la misma ranura de tiempo, se puede trasmitir más energía a un usuario con condiciones menos favorables en el canal, mientras que menos energía para los usuarios -56-

68 en localizaciones mejores. La cobertura dentro de los edificios puede lograrse transmitiendo mayor energía a los subcanales asignados a los dispositivos de usuarios en interiores. La subcanalización en el uplink trae una mejora adicional en el funcionamiento, ya que transmitir energía del dispositivo de usuario es seriamente limitado. En OFDM, los dispositivos del usuario transmiten utilizando todo el espacio de la portadora al mismo tiempo (Figura # 17). OFDMA apoya el acceso múltiple, que permite que los dispositivos del usuario transmitan solamente con el subcanal asignado a él. En OFDMA con 2048 portadoras y 32 subcanales, si solamente un subcanal se asigna a un dispositivo, toda la energía de transmisión será concentrada en 1/32 del espectro disponible y puede traer hasta 15 db de ganancia sobre OFDM. El acceso múltiple es particularmente ventajoso cuando se utilizan los canales anchos. Figura # 21: Uplink en OFDM y OFDMA SOFDMA trae una ventaja adicional sobre OFDMA. Escala el tamaño de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) al ancho de banda del canal. De esta manera, se mantiene el espaciamiento entre portadoras constante a través de diversos anchos de banda de canal. El espaciamiento constante entre portadoras, da lugar a una mayor eficacia del espectro en canales anchos, y a una reducción de costo en canales estrechos. -57-

69 5.3.2 Handoffs y Roaming El soporte para handoffs es otra adición crucial en la enmienda e para el acceso móvil. La capacidad de mantener una conexión mientras que hay movimiento en los bordes de la celda, es un requisito previo para la movilidad y está incluida como requisito en el perfil del sistema e. Mientras que el estándar ofrece capacidades opcionales de handoff, no es requerimiento para los sistemas del perfil e WiMAX apoya diversos tipos de handoffs, desde hard hasta sof t, de los cuales es opción del operador elegir entre ellos. En los hard handoffs los dispositivos están conectados solamente una estación base en cualquier momento, lo cual es menos complejo que soft-handoffs pero tiene un alto estado latente. Los soft handoffs son comparables a los usados en algunas redes celulares y permiten que el dispositivo del usuario conserve la conexión a una estación base hasta que se asocia a una nueva, así, se reduce el estado latente. Mientras que las aplicaciones como VoIP móvil se benefician de la poca latencia del soft handoff, el modo hard handoffs es ideal para los servicios de datos. QoS y los Acuerdos del Nivel de Disponibilidad (de sus siglas en inglés SLAs) se mantienen durante handoffs. Las capacidades de roaming a través de proveedores de servicio puede ser implementada en ambos estándares y e WiMAX, pero son especialmente valiosas para el acceso portable y móvil. Aún así, WiMAX Forum no espera incluir requisitos de roaming en el perfil del sistema e, ya que incluirlos va más allá del alcance del programa de la certificación, que se centra en las capas de PHY y del MAC. -58-

70 vs e WiMAX Los despliegues fijos y móviles tienen requisitos muy diversos y apuntan a sectores de mercado substancialmente distinto, con diversos patrones y localizaciones de uso, necesidades de rendimiento de procesamiento, factores de forma del dispositivo del usuario, y SLAs. Los dos tipos de tecnologías de WiMAX fueron definidos para resolver las distintas demandas de estos dos sectores de mercado así como para satisfacer los requerimientos que varían en las diversas aplicaciones. El máximo rendimiento de procesamiento de un solo sector, para ambas versiones de WiMAX, es cerca de 15 Mbps para un canal de 5 MHz, o 35 Mbps para un canal de 10MHz. El rango de las estaciones bases, en un área popularmente densa, puede ser de algunos kilómetros, dependiendo de cualidades tales como tipo de CPEs, banda de frecuencia, movilidad, morfología, etc. En las redes con capacidad restringida, el número de las estaciones bases instaladas depende del rendimiento de la demanda de procesamiento, más que del rango. Sin embargo, el funcionamiento de las dos versiones de WiMAX puede cambiar substancialmente para usos específicos, porque se optimiza para el acceso fijo y e para el acceso móvil, aunque puede también ser utilizado para el acceso fijo. -59-

71 Las redes fijas se pueden beneficiar de las muchas ventajas ofrecidas por los productos CERTIFICADOS del estándar de WiMAX Forum, entre otras: Modulación menos compleja: OFDM es una técnica de modulación simple que es mejor para satisfacer despliegues que no requieren soporte para movilidad. Bandas exentas de licencias: Los servicios móviles requieren espectro licenciado para proporcionar cobertura en grandes áreas. Los despliegues fijos, sin embargo, han utilizado en muchas ocasiones, con éxito, bandas exentas de licencias en áreas donde los niveles de interferencia son aceptables. Por esta razón, la mayoría de los perfiles que se enfocan a bandas exentas de licencia son probablemente basados en Un rendimiento de procesamiento más alto: Las bandas del espectro más altas, seleccionadas para los perfiles , dan lugar a un mayor rendimiento de procesamiento. Esto es una clara ventaja, especialmente al apuntar a usuarios de empresas con niveles altos de tráfico y con CPEs que poseen las antenas al aire libre. Un tiempo al mercado mejor: La disponibilidad comercial de los productos del estándar permite a operadores resolver los problemas para satisfacer la demanda en lugares que no tienen cobertura, y también permite comenzar a ganar la cuota de mercado delante de competidores. Esta fue unas de las razones por la cual los directivos del ICE y RACSA optaron por el en sus proyectos, pues se debía dar una pronta solución a los requerimientos de banda ancha que las empresas y los residenciales necesitaban, y los primeros productos certificados fueron de dicho estándar, además la movilidad no era un requisito. -60-

72 Por otra parte, algunos operadores se pueden haber decidido en esperar los perfiles e, entre algunas de las razones: Soporte para movilidad: Los productos e se optimizan para la movilidad y apoyarán handoffs hasta los 120Kph. El soporte para los modos de ahorro de energía ampliará la vida de la batería de los dispositivos móviles del usuario. Una mejor cobertura de interior: La mejor cobertura de interior alcanzada con subcanalización y la opción de AAS beneficia los usos fijos y móviles, ya que los usuarios suelen estar más menudo en los interiores o no suelen estar dentro de la línea de vista de la antena. De esta manera se podrá dar cobertura a usuarios móviles con computadoras portátiles o PDAs, sin la necesidad de antenas en el exterior o al aire libre. Mayor flexibilidad en el manejo de los recursos del espectro: Subcanalización también trae la capacidad de utilizar la inteligencia de la red de asignar recursos a los dispositivos del usuario según lo necesitado. Esto da lugar a una mayor eficiencia en el uso del espectro, conduciendo a un mayor rendimiento de procesamiento y a una mejora en la cobertura de interiores, y, en algunos casos, en costos más bajos de despliegues. Esto es particularmente valioso a los operadores con espectro limitado. La resistencia multidireccional: WiMAX especifica hasta 2048 FFT para e (para 20Mhz BW) comparado a los 256 FFT para d especificado por WiMAX. Para un ancho de banda más grande, OFDM-256 implica un tiempo corto del símbolo de OFDM. Como tal, el esparcimiento del retraso del canal de desvanecimiento que puede ser tolerado por e es más grande que el del sistema OFDM-256. La reutilización unicelular: OFDM-256 para d no se puede desplegar usando patrones de reutilización de una celda, mientras que Escalable e ofrece esta -61-

73 capacidad. Como tal, OFDM-256 es probable que tenga una eficacia espectral más baja que el OFDMA Escalable. Calidad de servicio: e introduce el Servicio de Interrogación Extendida del Tiempo Real, del inglés Extended Real Time Polling Service (ERTPS). Este servicio permite al e manejar las tarifas de tráfico y políticas de transmisión, al mismo momento que mejora el estado latente del sistema. Las ventajas producidas por las técnicas de Calidad de Servicio (QoS) son especialmente importantes para el soporte de las aplicaciones de Voz sobre IP (VoIP). Multicast/Broadcast: e también soporta los servicios de difusión extendida, es decir Multicast y Broadcast. La operación de las Redes de Frecuencia Simple, del inglés Single Frequency Network (SFN), puede ser lograda usando la modulación OFDMA para los servicios de difusión antes mencionados. De esta manera se habilitan altas tasas de cobertura en los bordes de las celdas. Los usos IP de las aplicaciones multimedia, como IP TV, se ven beneficiadas con las capacidades que brinda la difusión extendida, al hacer un mejor uso del ancho de banda y del contenido. Una gama más amplia de los factores de forma para los dispositivos del usuario: Debido a que los CPEs para interiores y exteriores, y las tarjetas de la computadora portátil PCMCIA en el estándar dominaron de primero los mercados, también se espera que las tarjetas de la computadora portátil PCMCIA, las mini tarjetas, los módems de interior, PDAs, y los teléfonos estén disponibles entre los dispositivos del usuario e. Y es en este momento, cuando los fabricantes de estos dispositivos ya han comenzado a desplegar sus opciones. Toda esta variedad permite que los operadores amplíen sus servicios a los nuevos segmentos de mercado con el fin de dar mayor libertad a sus suscriptores. A pesar de la reciente introducción de los productos e, es probable que los precios de los CPEs bajen rápidamente por debajo de los -62-

74 CPEs para , ya que los productos e apuntan a un mercado más grande. La siguiente tabla proporciona una comparación de las especificaciones de los estándares de WiMAX para d y e: Tabla # 5: Tabla comparativa entre (d) y e Método de Múltiple Acceso Soporte de Ancho de Banda Espaciamiento de la subportadoras Duplexación Duración de Estructura (ms) Codificador del canal (d) e OFDM/OFDMA S-OFDMA 1.75/3/3.5/5.5/7(OFDM) 1.25/3.5/7/14/28(OFDMA) 2.5/5/10/ /3/3.5/5.5/ MHz) 11.2 para cualquier modo 2.8 5MHz) de ancho de banda FDD/TDD/Half Duplex FDD/TDD/Half Duplex FDD FDD 2/2.5/4/5/8/10/12.5/20 2/2.5/4/5/8/10/12.5/20 Código RS Convolucional Concatenado, Bloque TC, CTC Código RS Convolucional Concatenado, Bloque TC, CTC, LDCP Sub-canalización (DL) FUSC/PUSC/Banda AMC FUSC/PUSC/Banda AMC Sub-canalización (UL) PUSC/Opcional PUSC PUSC/Opcional PUSC Soporte HARQ Sí (2048 OFDMA sólo) Sí Regeneración Rápida de Sí (2048 OFDMA sólo) Sí CQI AAS Sí Sí Soporte STC 2/4 Antenas 2/3/4 Antenas Reutilización de la frecuencia Reutilización de una celda No soportada Reutilización de una celda Sí soportada Soporte No Sí Movilidad/ Handoff Modo Ahorro de Energía No Sí Canal del Sonido No Sí Soporte Multicast / Broadcast No Sí -63-

75 Debido a que el costo del CPE es la variable mas importante a considerar para cualquier plan de un operador de servicio, la disponibilidad del costo de los CPEs, será uno de los factores guías a la hora de adoptar entre una u otra versión de WiMAX. La elección entre y los productos e depende en gran parte del tipo de servicios proporcionados y del modelo de negocio del operador. En algunos casos la opción será obvia. Un operador móvil que construye una red de recubrimiento para complementar una red 3G se inclinará por el e. Un Proveedor de Servicios de Internet Inalámbrico (WISP) que proporciona el acceso inalámbrico a una comunidad rural elegirá típicamente el menos complejo, es decir, aquel basado en productos OFDM, más específicamente, en productos del estándar de WiMAX Además de lo anterior, los operadores necesitan considerar otros factores que puedan afectar la elección entre los productos del o el e: Mercado Objetivo: Si los usuarios son usuarios residenciales en un ambiente de LOS, entonces los negocios mas convenientes se concentraran en CPEs con una antena al aire libre que tengan un rendimiento de procesamiento mejor y funcionamiento de LOS. Esto puede conducir al operador hacia un despliegue Si en ves de lo anterior, el operador trata con un mercado donde predomina la movilidad, entonces CPEs en el e se requerirán para formular un plan de negocio viable. Espectro: Mientras que WiMAX Forum continuará agregando los nuevos perfiles en respuesta al mercado exigente, es probable que haya solamente perfiles o e en algunas bandas. En la mayoría de los casos el operador tendrá pocas -64-

76 opciones sobre el espectro de bandas que están disponibles, y la opción del tipo de WiMAX puede depender de la disponibilidad del producto. Es posible que a los perfiles e se les asignen las bandas reservadas, típicamente, para los usos fijos y nómadas, pues el e es menos propenso a interferencia multidireccional. Regulación: Algunos reguladores asignan tipos de políticas a servicios específicos que se ofrecen en una banda del espectro. Por ejemplo, algunos reguladores en Europa limitan espectro de 3.5GHz a los servicios fijos y nómadas, que pueden impedir la adopción de e, pues apoyan servicios móviles, aunque las licencias del espectro no suelen asignar políticas por mandato de una tecnología particular Tiempo al mercado: La disponibilidad de los productos en la banda de 3.5 GHz fue un factor determinante para los proveedores de servicio que quisieron desplegar su red WiMAX lo mas antes posible, otros han preferido esperarse a los productos e para así desplegar su red móvil WiMAX. Como ya se ha mencionado anteriormente las dos versiones de WiMAX, la fija que utiliza el estándar IEEE y la móvil con el IEEE e, son incompatibles entre ellas, esto debido a que las dos utilizan esquemas de modulación diferentes, SOFDMA en la versión móvil, mientras que OFDMA en la versión fija. Dada esta incompatibilidad los operadores que posean una red basada en la versión fija del estándar y que deseen ofrecer servicios móviles, deberán migrar sus plataformas al nuevo estándar IEEE e. -65-

77 Aunque por el momento no se tiene una solución en concreta para migrar de una red WiMAX fija a una móvil debido a lo resiente de la publicación del estándar se espera que los operadores tengan diferentes opciones para lograrlo, entre ellas tenemos: Redes de Recubrimiento: En áreas donde el operador quiera añadir acceso portátil y móvil, se puede desarrollar una red basada en e que se sobreponga y trabaje en paralelo con la red basada en siempre y cuando se dispongan de suficiente espectro disponible. Esto le permite al operador ofrecer ambos servicios en una misma área, pero tiene la desventaja que los usuarios deben poseer dos CPEs para poder acceder a ambas redes. CPEs duales: Un operador que tenga una red fija y desee migrarla a una móvil podrá suplir CPEs duales que soporten ambas redes y e. Inicialmente el operador desarrollara estaciones base para WiMAX fijo con sus respectivos CPEs, pero ahora con los productos e en el mercado, el operador empezará a introducir CPEs duales. Cuando todos los usuarios tengan CPEs duales, el operador podrá cambiar las estaciones base por estaciones e y entonces los CPEs automáticamente cambiaran al modo e. Estaciones base que se actualizan por software: Esta solución puede ser utilizada en conjunto con los CPEs duales. En este caso en lugar de remplazar las estaciones base, el operador puede utilizar un software que se actualice al modo e. Estaciones bases duales: Si los CPEs de los usuarios solo soportan un único modo de operación y el operador planea gradualmente migrar hacia e, seria importante considerar utilizar estaciones base duales. Esto claro, en casos en los que utilizar ambas redes sobrepuestas sea rentable y que el operador disponga de suficiente espectro. El uso de estaciones base duales permite una manera de soportar ambos modos y -66-

78 eventualmente cambiar totalmente a la red e cuando todos los CPEs hallan sido actualizados o remplazados. Algunos fabricantes planean ofrecer estaciones base duales que dividan el canal disponible entre los dos modos, mientras otros fabricantes planean soportar ambos modos en el mismo canal alternando las tramas con las e. Hasta que la manera de trasladarse de un modo fijo a uno móvil deje de ser tan costosa, se espera que la mayoría de operadores que posean una red fija mantengan esta hasta que se tenga una solución confiable y comprobada. Para los operadores que tengan como requisito proveer movilidad, es más probable que desarrollen una red e desde el principio. Para los operadores que centren sus servicios en acceso fijo, no ganan mucho al cambiarse a e, a menos que se tengan planeados expandir la oferta de servicios a la portabilidad y la movilidad. -67-

79 CAPÍTULO 5: Consideraciones sobre la Implementación de una red WiMAX en la Zona Metropolitana de Costa Rica 5.1 Área Metropolitana La mayoría de las áreas metropolitanas se componen de un centro de ciudad denso poblado, y por áreas de densidad demográfica menor. Según el Instituto de Vivienda y Urbanismo (INVU). Costa Rica tiene una población aproximada de habitantes, el 50 % de estos viven en la gran área metropolitana, que comprende la parte central del país. El Área Metropolitana de Costa Rica comprende el territorio que va de Tres Ríos al este a la ciudad de Alajuela inclusive, al Oeste. Incluye San José y las ciudades de Heredia y Alajuela. La definición precisa de la GAM incluye también en algunos casos fracciones de distritos. Es conveniente dividir esta área metropolitana en las regiones demográficas siguientes: Urbano Denso: Éste es el centro de ciudad, donde muchos de los negocios se localizan así como tan bien unidades residenciales de vivienda múltiple de alta densidad. Estas áreas representan un ambiente desafiante para la propagación debido a la multidireccionalidad causada por los edificios de varios pisos. Urbano: Esta área es la que rodea a la zona urbano densa y principalmente está compuesta por negocios pequeños y viviendas, con una densidad de población media a alta, al igual que en el caso anterior la propagación se hace difícil, principalmente si se esta tratando el caso de WiMAX móvil, pues en la otra tecnología ( ), las -68-

80 antenas en el exterior o interior no se ven tan afectadas por estos problemas de cobertura. Suburbanas: Esto describe áreas con densidad más baja, sobre todo compuesto por viviendas de la familia, y pocos negocios. La infraestructura en estos casos es más simple por lo que crea un ambiente más favorable para poder propagar la señal Rural: Se encuentran más lejos del centro de ciudad, viviendas espaciadas resultando una densidad demográfica bastante baja con algunas empresas dispersas. Espacio Abierto: A través del área metropolitana existen áreas de espacio abierto. Esto incluye parques, lagos, los campos de golf, etc. Aunque hay pocas, si las hay, y en ellas existen residentes a tiempo completo, estas son las áreas inmóviles que requieren la consideración para el despliegue inalámbrico, puesto que en cualquier hora dada estas regiones se pueden frecuentar por una gran cantidad de personas. 5.2 Determinando Requerimientos de Cobertura La meta dominante para un operador con cualquier despliegue de WiMAX debe ser alcanzar cobertura ubicua a través del área metropolitana entera. Esto requiere de diversas consideraciones dependiendo del terreno, las densidades constructivas, las alturas típicas de edificios, y otros factores que puedan afectar multi-direccionalidad y el presupuesto del acoplamiento. Además, con usos móviles es necesario mantener la cobertura confiable sin importar en que lugar se encuentran los subscriptores; si al aire libre en vista de una estación base, en un vehículo que se desplaza a alta velocidad, o en el interior de un edificio. -69-

81 Tradicionalmente, los despliegues celulares fueron basados únicamente en la realización de cobertura ubicua con poca consideración para los requisitos de capacidad. Puesto que los únicos servicios ofrecidos eran voz y el mercado era incierto, era un acercamiento muy razonable. Por otra parte, el ofrecimiento del servicio de voz es un aplicación que requiere poco trafico de datos, permitiendo a redes celulares tradicionales alcanzar una amplia cobertura al aire libre e interior con una red de bajo tráfico de datos (ancho de banda de kbps ~10-15 dependiendo del tipo de codificador de voz). Mientras que la base de cliente creció y más servicios fueron ofrecidos, las estaciones bases adicionales fueron desplegadas y/o canales fueron agregados a las estaciones bases existentes para resolver los requisitos, cada vez mayores, de capacidad. Tanto para la versión fija así como en el caso de WiMAX móvil, los operadores podrán ofrecer una amplia gama de servicios de banda ancha con soporte de Calidad-de- Servicio (QoS). Para resolver las expectativas del cliente, para estos tipos de servicios, será necesario predeterminar requisitos de capacidad y desplegarlos por consiguiente en el principio. El planeamiento cuidadoso del despliegue, en anticipación de demandas de cliente cada vez mayor, asegurará una mejor experiencia por parte del usuario cuando de red está en el punto más ocupado (horas pico). Esto será especialmente importante en el área urbana formada por una alta densidad de población y/o de subscriptores. Al contemplar los peores casos al que la red se puede ver expuesta, se mejorarán los requisitos de capacidad. -70-

82 5.3 Determinando Requerimientos de Capacidad El llegar a una estimación exacta de los requisitos de capacidad para los nuevos servicios de banda ancha no es un ejercicio simple. Se debe anticipar de que manera los usuarios harán uso de los nuevos servicios que son ofrecidos y que tan a menudo los usuarios estarán activamente conectados a la red. La densidad de datos, expresada en Mbps por el km 2, es una medida conveniente para describir requisitos de capacidad. La determinación de la densidad de datos requerida para una región demográfica específica es un proceso que se da en varios pasos. La densidad demográfica y las tasas de crecimiento de la población son obtenidas fácilmente para cualquier área metropolitana refiriéndose a datos de censo que se tienen disponibles. En nuestro país El Instituto Nacional de Estadística y Censos (INEC) es el ente rector técnico del Sistema Estadístico Nacional de Costa Rica, y puede proveer las tasas de crecimiento poblacional y de densidad demográfica. Al considerar el mercado objetivo, se pueden asumir a los individuos dentro de cierta categoría de edad. La categoría de edad específica apuntada por los operadores del servicio puede diferenciar de operador a operador, pero se asumirá que los individuos pueden estar entre 15 y 75 años de edad. La penetración de mercado prevista es dependiente de varios factores, incluyendo la situación competitiva y los servicios ofrecidos por el proveedor o proveedores. La penetración del proveedor de servicio puede también variar dentro del área metropolitana, puesto que los residentes urbanos y urbanos densos tendrán a menudo -71-

83 otras alternativas para elegir su acceso a banda ancha con respecto a residentes en áreas suburbanas y rurales. Para los propósitos del planeamiento de capacidad se puede agrupar a los clientes en tres categorías: Usuario Profesional: Esto describe a cliente que requiere el acceso de banda ancha tanto fijo como móvil para los propósitos de negocio y también con fines de uso personal. , comunicación por video conferencia, transferencias de archivos, entre otros, serían los principales usos para estos tipos de usuarios. Aunque estos usuarios serán inmóviles mucho del tiempo, se debe de proveer tanto acceso móvil como nómada con el fin de mantener las comunicaciones mientras se conmuta, y así satisfacer las demandas de clientes que trabajan desde lugares remotos. Usuario en la última milla: Éste es un cliente que requiere alta capacidad para fines de uso personal, cuyo uso de la red se centra en juegos, transferencias directas de música, s, etc. Usuario Casual: Éstos son los consumidores que usan la red esporádicamente para revisar alguna página de interés, revisar correo, etc. Pero que solo están activos algunas horas por día. El impacto de la movilidad (roaming) a través del área metropolitana es otro factor importante que debe ser considerado en la determinación de requisitos para la densidad de datos. Esto es muy importante en las áreas urbanas, donde la mayoría de los negocios se localizan. Estas áreas experimentan una afluencia neta significativa de tráfico durante las horas de la mañana. Esta afluencia, principalmente de las áreas suburbanas y rurales, crea una demanda adicional en la red durante las horas del día. En nuestro país esta -72-

84 situación se concentra en el área de San José y San Pedro, donde se siente la influencia de personas de las afueras de la ciudad y de todas las provincias. Figura # 22: GAM de Costa Rica, evaluada por ingresos Así también el mapa anterior proporcionado por el Programa de Investigación en Desarrollo Urbano Sostenible de la Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Costa Rica, muestra donde se encuentra la población con ingresos altos (zonas de color verde), importantes a considerar como usuarios profesionales o usuarios de ultima milla con requerimientos de banda ancha. En algunos casos se podrá satisfacer la demanda brindando servicios fijos o podrán requerir movilidad, en ambos casos se deberán de tener en cuenta todas las consideraciones que se explican en este y los demás apartados. -73-

85 Es generalmente seguro asumir que el flujo de tráfico tendrá el impacto más grande en la distribución de clientes activos dentro del área metropolitana. El impacto de otros clientes móviles y de clientes "roaming" de otras redes se puede esperar que sea insignificante puesto que es razonable esperar que muchos clientes estén saliendo de una región específica como entrando en cualquier otra, a cualquier hora dada. El nivel de actividad de las horas pico es probablemente el más desafiador como para que un operador prediga con cualquier grado de exactitud. Depende de aplicaciones, de requerimientos del cliente, etc. El proceso es complicado, aún más por el hecho de que en muchos casos no habrá ninguna historia para muchos de los nuevos servicios que se ofrecerán en los cuales el operador puede basar estimaciones de tráfico. Donde se parece haber consenso sin embargo, es que el tráfico será cada vez más datacentric 2. Con tráfico data-centric, se espera que el tráfico del downlink domine. Por esa razón se analizarán más a fondo las proyecciones del downlink para los propósitos del planeamiento de capacidad. Además de estimar el número de clientes en la red durante los períodos activamente más ocupados, también es necesario estimar la porción de tiempo dedicada a la actividad del downlink (DL) contra actividad del uplink (UL). También se deberá de contemplar que habrá períodos ociosos o de muy poca actividad. Éstos son los intervalos en los cuales el suscriptor activo está chequeando lo que acaba de descargar, o alternativamente, en busca de información a enviar. Para los servicios de voz tradicionales, el DL en relación con el UL estará en uso cerca de 50/50 con tiempo ocioso muy pequeño. Con el tráfico dominado principalmente por datos, las capacidades 2 Es un servicio básico que maneja los datos persistentes y su comportamiento. Es el responsable del almacenamiento y la recuperación de los datos y la dirección de las transacciones. En muchos sentidos actúa de una forma semejante a la capa de acceso de datos de una aplicación tradicional. La diferencia es que el Data-centric service interactúa solo con una entidad de negocio mayor. -74-

86 de tráfico de datos serán puestas a prueba por cada usuario que experimentará períodos ociosos o de baja actividad, con períodos donde habrá grandes transferencias de datos mientras que esta conectado con la red. El desempeño deseado durante las horas pico es absolutamente arbitrario y depende de la experiencia que cada operador desea obtener para el usuario final durante los tiempos en que la red está más ocupada. Una vez que se determine este nivel de funcionamiento "mínimo", calcular la densidad de datos requerida es un proceso directo. 5.4 Alternativas para el despliegue de Estaciones Base Existen varias alternativas para las configuraciones de antenas que garantizan los servicios que los clientes pueden necesitar, los operadores inalámbricos está explorando nuevas vías para maximizar la eficiencia espectral de sus redes y mejorar el retorno de la inversión. Dentro de la experiencia de los clientes, se exige que la calidad de la unión WiMAX sea consecuente y no se toleran uniones dejadas caer o esporádicas. La entrega de datos debe ser confiable y los sistemas deben de funcionar en ambientes urbanos con altas demandas en la capacidad del ancho de banda. Así mismo, las interferencias deben ser enormemente reducidas en áreas donde la concentración de cliente es alta. -75-

87 5.4.1 Smart Antenas Las smart antenas parecen ser una de las mejores alternativas para lograr ese incremento de la capacidad. Las smart antennas proporcionan beneficios en términos de capacidad y funcionamiento respecto a las antenas estándares, ya que pueden adaptar su patrón de radiación para adecuarse a un tipo determinado de tráfico o a entornos difíciles. El procesamiento de señal de la smart antenna se realiza en la estación base, utilizando un haz estrecho y configurable para cada usuario. En el caso de su utilización en redes 3G, se han obtenido pruebas que avalan un aumento en la capacidad en usuarios de hasta tres veces respecto a la capacidad original. Estas antenas son una solución práctica y económica a algunos de los desafíos que presentaba la tecnología WiMAX. Las condiciones del mercado han cambiado, dado que se ofrecen nuevos productos y servicios, que requieren un uso más eficiente del recurso de radio. Los operadores pueden emplear diferentes tecnologías en diferentes fases de evolución de la red, por lo que parece una alternativa valida para atender a esas necesidades particulares cambiantes. Las smart antennas mejoran su rendimiento mediante la combinación de las dimensiones espaciales de la antena con la dimensión temporal (throughput). Existen dos tipos básicos que son: -76-

88 Antenas de array en fase o multihaz: Pueden usar un número de haces fijos escogiendo el más adecuado o con un haz enfocado hacia la señal deseada que se mueve con ella. Array de antenas adaptativas: Utilizan múltiples elementos de antena que gestionan la interferencia y ruido recogido con el objetivo de maximizar la recepción de la señal. El patrón del haz varía con el entorno del canal Formación del haz Un formador de haz o beamformer es un filtro espacial que opera en la salida de un array de sensores o transmisores con el objetivo de mejorar la amplitud de un frente de ondas coherente en relación al ruido de fondo. Esta mejora se basa en el carácter directivo de la señal, concentrando la mayor parte de la energía de la misma en una dirección. Esta dirección de apuntamiento recibe el nombre de Maximum Response Angle, o Ángulo de Máxima Respuesta (MRA), que puede ser seleccionado por el usuario. La formación de haz en el dominio del tiempo se realiza mediante el retardo y suma de un array de transductores. Esta suma permite obtener haces más directivos que los convencionales, con la ventaja de poder escoger el ángulo. El retardo utilizado por cada transductor para un determinado ángulo deseado se determina por la geometría del array, mediante proyecciones del ángulo sobre una determinada geometría Con Antenas de array multihaz (Antenas beamforming adaptivas) ó Arreglo de antenas adaptativas, se pueden utilizar algoritmos para aumentar la -77-

89 relación señal-a-ruido y radio-de-interferencia-de-señal en todos los ambientes de propagación. Aunque la alta movilidad, en ambientes donde se desee desplegar la versión e, hace más desafiador conseguir la valoración exacta del canal, las pruebas experimentales muestran un aumento medio del SIR de hasta 10 db en un ambiente móvil urbano. Las técnicas de procesamiento de la señal se utilizan para analizar el funcionamiento del acoplamiento en tiempo real y para ajustar los factores de fase y amplitud a cada uno de las alimentaciones de la antena, de modo tal que se pueda mantener un funcionamiento óptimo. Las señales recibidas en el UL se utilizan para determinar las características del acoplamiento. En el caso de WiMAX móvil que utiliza TDD, se asegura la reciprocidad del canal. En situaciones de rango limitadas, el beamforming proporciona la mayor capacidad de rango debido al presupuesto mejorado del acoplamiento en la dirección del DL y del UL. Ésta capacidad agregada del rango del DL depende del Protocolo de Acceso al Medio (del inglés MAP). En el caso de WiMAX móvil, para soportar múltiples usuarios simultáneamente dentro del área de cobertura, el MAP mandará un mensaje transmitido a todos los usuarios del sector. Como el mensaje del MAP es de tipo broadcast, la ventaja del rango del DL no puede ser observada completamente sin usar repeticiones múltiples para asegurar la recepción confiable del mensaje. -78-

90 5.4.2 Diversidad Por diversidad entendemos el uso de varios receptores o técnicas de recepción de señales para aumentar la relación señal a ruido y tratar los problemas de pérdidas provocados por rebotes de señal asociados a entornos multitrayecto. Las técnicas de diversidad proporcionan dos ventajas principales: La primera es la fiabilidad, ya que es la solución óptima para en entornos con canales multitrayecto, al tratar los efectos de los nulos que aparecen por la reflexiones. Así, diversos estudios afirman que se producen ganancias de diversidad del orden de 10 db. La segunda es que la potencia media de señal recibida aumenta, con lo cual se produce una mejora respecto a los sistemas que no implementan este mecanismo. En general se habla de tres tipos de diversidad: la espacial (basada en la utilización de múltiples antenas), la de polarización (donde las antenas trabajan con polarizaciones ortogonales) y, por último, la de patrón o ángulo (basadas en el uso de beamforming que se explicó anteriormente) Diversidad espacial y de polarización Durante muchos años, los operadores han utilizado técnicas de recepción basadas en diversidad espacial para mejorar el rendimiento. En las primeras instalaciones con diversidad, típicamente se utilizaban dos antenas situadas a una distancia de diez longitudes de onda, por lo que para ciertos tipos de transmisiones las dimensiones del sistema de recepción eran considerables. -79-

91 Estas técnicas se basaban en el criterio de que si se da ocultaciones de señal en una de las antenas, esta ocultación no será tan severa en la otra antena. Un combinador o mezclador de diversidad, se utiliza para mezclar ambas señales. La mezcla se logra con algún método de compensación o simplemente escogiendo la señal que disponía de mejor relación señal a ruido. En este caso, donde se limita a escoger una de las señales, recibe el nombre de diversidad conmutada, a diferencia de la diversidad combinada. La diversidad por polarización ha comenzado a sustituir a la diversidad espacial, ya que tiene unos costos estructurales menores. Se basa en el concepto de que para entornos multitrayecto la señal recibida tendrá diferentes polarizaciones, por lo que será posible aprovechar ese hecho. Así, un método de mejorar la recepción de la señal es utilizar dos antenas receptoras con polarizaciones ortogonales, que se pueden colocar juntas. La señal recogida por ambas se trataría como en el caso anterior, mediante una combinación o conmutación de las mismas. En ambientes semiurbanos la ganancia de la polarización vertical es mucho mayor que la horizontal, con lo que la ganancia de polarización es pequeña, basada en una selección conmutada de esa polarización. Mientras, en entornos urbanos, con gran presencia de multitrayectos, la ganancia de la polarización combinada era cercana a los 7dB. Esta diversidad presenta varias ventajas, entre las que se encuentra el reducido tamaño de su estructura. Sin embargo, parece mostrarse sólo eficaz en entornos urbanos -80-

92 dominados por los multitrayectos, mientras que para el resto de los entornos la diversidad espacial presenta mayores rendimientos. En cuanto a las eficiencias de los métodos de selección de señales, varios estudios indican que las señales con mezcla digital producen más calidad que las que tienen mezcla analógica. La diferencia entre mezcla analógica y digital reside en que la primera, las señales se sincronizan y se ponderan directamente, mientras que en la mezcla digital se basa en la modulación OFDM, donde la transmisión se realiza en múltiples frecuencias y señales, realizando ponderaciones por subportadoras MIMO (Multiple Input - Multiple Output) Una variedad de sistemas con diversidad son los sistemas MIMO, que utilizan multiples antenas tanto para recibir como para transmitir. Una transmisión de datos a tasa elevada se divide en multiples tramas más reducidas. Cada una de ellas se modula y transmite a través de una antena diferente en un momento determinado, utilizando la misma frecuencia de canal que el resto de las antenas. Debido a las reflexiones por multitrayecto, en recepción la señal a la salida de cada antena es una combinación lineal de multiples tramas de datos transmitidas por cada una de las antenas en que se transmitió. Las tramas de datos se separan en el receptor usando algoritmos que se basan en estimaciones de todos los canales entre el transmisor y el receptor. Además de permitir que se multiplique la tasa de transmisión (al tener más antenas), el rango de alcance se incrementa al aprovechar la ventaja de disponer de antenas con diversidad. -81-

93 La teoría de capacidad inalámbrica, extiende el límite del teorema de Shannon, en el caso de la utilización de esta tecnología. Este resultado teórico prueba que la capacidad de transmisión de datos y rango de alcance de los sistemas inalámbricos MIMO se puede incrementar sin usar más espectro de frecuencias. Este aumento es de carácter indefinido, simplemente utilizando más antenas en transmisión y recepción. MIMO requiere la existencia de un número de antenas idéntico a ambos lados de la transmisión, por lo que en caso de que no sea así la mejora será proporcional al número de antenas del extremo que menos tenga Aplicaciones en WiMAX WiMAX se basa en un esquema de diversidad que envía información desde dos antenas transmisoras, con dos transmisiones consecutivas en el tiempo. Es por ello que la técnica recibe el nombre de combinación espacio-tiempo, aunque es más conocida como transmisión Alamouti. Así para una subportadora determinada, este esquema de transmisión envía el símbolo X por la antena 1, mientras que el símbolo Y por la antena 2, mientras que en el instante de tiempo siguiente lo hace al revés. De esta manera, el receptor, que puede ser una única antena, puede aplicar diversidad al recibir el mismo símbolo por canales y periodos diferentes. Por eso se habla de una tecnología MISO (varios transmisores un receptor), en contraposición al MIMO. -82-

94 WiMAX incluye la técnica de transmisión Alamouti, sin citar el número de receptores del terminal de subscripción, que puede ser sólo uno. El estándar recomienda la utilización de una técnica de diversidad en el caso de utilizar varias antenas en dispositivo de usuario. En el receptor, WiMAX propone el uso Maximal Ratio Combining ó Máximo Radio de Combinación (MRC). Se trata de una técnica de diversidad combinada, que es óptima, ya que alinea las fases de las portadoras de los receptores y ofrece una mejora proporcional a la amplitud de señal de las portadoras recibidas. Una de las características que se mencionó en la comparación entre la versión d y la versión e es la reutilización del canal por parte de la tecnología WiMAX móvil, es decir e. Con tecnologías como OFDMA y S-OFDMA introducidas por WiMAX, esquemas de reutilización más agresivos pueden ser empleados para mejorar la eficiencia total del espectro. Por ello, este capítulo comenzará a dar mayor énfasis a la nueva alternativa de acceso a la red, me refiero a WiMAX en su versión e. 5.5 Reutilización de la Frecuencia Con una reutilización de la frecuencia de 1 el mismo canal se despliega en cada uno de los tres (3) sectores de las estaciones bases. -83-

95 Figura # 23: Reutilización de la Frecuencia = 1, con tres Sectores de las Estaciones Bases Este acercamiento tiene la ventaja de usar la menor cantidad de espectro y en muchos casos, puede representar la única alternativa de reutilización debido a la disponibilidad limitada del espectro. Con la reutilización de 1, un esquema pseudorandom de permutación de la subportadora junto con la segmentación del canal se emplean para atenuar el CCI 3 en los límites del sector y en los bordes de la celda. Consecuentemente una cierta capacidad de canal del downlink se sacrifica puesto que algunas subportadoras no serán utilizadas completamente a través de toda la celda. Sin embargo, la eficacia espectral del downlink para WiMAX con la reutilización universal sigue siendo la reutilización generalmente preferida sobre la reutilización = 3. Con la reutilización = 3, a cada sector se le asigna un único canal, figura # 24. Así, asumiendo el mismo ancho de banda por cada canal, este método requiere tres veces más espectro que cuando se emplea la reutilización = 1. La reutilización = 3 elimina la 3 Interferencia Co-Canal, del ingles Co-Channel Interference (CCI). -84-

96 interferencia CCI en los límites del sector y disminuye perceptiblemente el CCI entre las celdas vecinas debido a la separación espacial creciente para los canales que funcionan en la misma frecuencia. La Interferencia Adyacente del Canal (ACI, del inglés Adjacent Channel Interference) en los límites del sector es controlada por la naturaleza ortogonal de las subportadoras, inherentes con OFDMA. Entonces, una reutilización de 3 permite mayor uso de todas los subportadoras, que aumentan la eficiencia espectral de cada canal pero requiere tres veces más espectro. Figura # 24: Reutilización de la Frecuencia = 3, con tres Sectores de las Estaciones Bases Aunque las mejoras en eficiencia espectral de canal con la reutilización 3 pueden ser significativas, la eficiencia espectral total será siempre más baja cuando todos los requerimientos del espectro sean considerados. Desde la rentabilidad y la eficiencia espectral total casi siempre se utilizará a la reutilización =