LMDS - Escuela Politécnica Nacional
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Comunicaciones Inalámbricas LMDS Iván Bernal, Ph.D. [email protected] http://ie205.epn.edu.ec/ibernal Escuela Politécnica Nacional Quito – Ecuador Copyright @2006, I. Bernal Agenda • Visión general de LMDS. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 2 Bibliograf ía. Bibliografía. 1. R. Bates, Broadband Telecommunications Handbook. 2nd Edition, McGraw Hill, USA, 2002. 2. G. Carty, Broadband Networking, McGraw Hill – Osborne, USA, 2002. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 3 Introducci ón Introducción • L (local) Denota que las características de propagación de las señales en este rango de frecuencias limitan la potencial área de cobertura a una sola celda. ¾ Instalaciones en marcha conducidas en centros metropolitanos establecen el rango de un transmisor LMDS entre 5 y 6 km. ¾ Tiene aspectos similares a la telefonía celular, pero los servicios que se ofrecen son fijos, no móviles. • M (multipoint) Indica que las señales son transmitidas con un método punto-multipunto, o broadcast. ¾ El camino de retorno de abonado a la estación base es punto-punto. • D (distribution) Se refiere a la distribución de señales, las cuales pueden consistir de tráfico de voz, datos (incluido acceso al Internet), y video. • S (service) Implica la naturaleza de la relación entre el operador y el cliente. ¾ Los servicios ofrecidos usando LMDS son totalmente dependiente de la decisión del operador sobre las opciones de negocios. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 4 Introducci ón Introducción • Local Multipoint Distribution Service Es un servicio: ¾ Inalámbrico fijo ¾ De banda ancha ¾ Punto-multipunto ¾ Puede utilizarse para comunicación de dos vías. ¾ Ofrece velocidades superiores a 155Mbps. Sistemas típicos tienen velocidades de: ¾ 45Mbps en el sentido downstream. ¾ 10Mbps en el sentido upstream. • LMDS provee una solución efectiva de última milla para el proveedor de servicios y puede utilizarse para entregar servicios directamente a los usuarios finales. El hecho que con una sola “estación base” se pueda llegar a, probablemente, miles de abonados dentro de una celda, hace de este servicio una solución atractiva, con un precio atractivo, para entregar un servicio de banda ancha. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 5 Introducci ón Introducción Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 6 Introducci ón Introducción • El gasto incremental de la solución tiene lugar en el momento en el que los abonados se suscriben al servicio. Se limita al costo del equipo del abonado. Aspecto atractivo de una tecnología inalámbrica desde la perspectiva del proveedor (en relación a alternativas alámbricas). ¾ El capital es comprometido solo una vez que se ha hecho la venta. ¾ En una solución alámbrica la infraestructura debe estar instalada, requiriendo una inversión previa a cualquier ganancia generada. • Un sistema LMDS utiliza distribución de señales puntomultipunto, en celdas de alrededor de 5 a 6 km de diámetro. Una opción potencial como una solución de última milla en zonas en donde cables o fibras no son convenientes o económicas. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 7 Introducci ón Introducción • Beneficios: Costos de instalación mas bajos. Facilidad y rapidez de instalación. Se obtiene réditos de la inversión mucho más rápido. Inversión de capital al momento en el que el servicio es vendido. Factibilidad de instalación para lugares de difícil acceso y consumidores dispersos. (Falta de regulaciones a niveles locales y estatales). No mano de obra o materiales estructurales (no hay que cavar posos, ni instalar ni reparar amplificadores, etc.). Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 8 Plan de uso del espectro y subastas • En febrero y marzo de 1998, la FCC subastó 986 licencias a operadores que planeaban ofrecer servicios LMDS en las bandas de frecuencia de 28GHz y 31GHz (los bloques A y B). Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 9 Plan de uso del espectro y subastas. • Bloque A (1150 MHz) La banda de 28 GHz: 27,500-28,350 GHz y 29,100-29,250 GHz. La banda de 31 GHz: 31,075–31,225 GHz. • Bloque B (150 MHz) La banda de 31 GHz: 31,000–31,075 GHz y 31,225-31,300 GHz. • Las licencias pueden utilizarse para WLL (Wireless Local Loop), transferencia de datos de alta velocidad, difusión de video, y comunicación de dos vías. No se permitió que por tres años, compañías Operadoras de Cable y Telefónicas adquieran licencias del bloque A, en sus respectivas áreas de servicio. Se les permitió aplicar por licencias en el bloque B. Se hizo para garantizar competencia. Ganancias netas de 578,663,029 dólares. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 10 Plan de uso del espectro y subastas • Se requerirán grandes inversiones en infraestructura y equipo para las premisas del usuario. Costos de infraestructura se estimaron en $125-$225 por hogar con cobertura. ¾ Y un costo total por abonado de $1000 o más (incluyendo el pago de las licencias). Una empresa consultora de marketing en el área de telecomunicaciones estimó costos de los equipos para las premisas del usuario de $650 por hogar. ¾ Se estimó que el valor de LMDS en USA era al menos de 1 billón de dólares. ¾ Se predijo que el mercado de LMDS en USA podría exceder $1 billón en réditos por el año 2012, o incluso antes si los operadores se involucran en el mercado de video. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 11 Plan de uso del espectro y subastas. • La subasta de las bandas para LMDS fue significativa porque fue el bloque de frecuencia mas grande que alguna vez se haya subastado. Hubo un caso en el que un operador deseaba entregar 76 canales de video digital, reservando 1.5 Gbps para canales de datos interactivos. • En Canadá también se aprobaron licencias para un ancho de banda de 1 GHz, en el rango de 28 GHz para un servicio llamado: LMCS (Local Multipoint Communications System). • En Europa se utiliza el rango de 40 GHz. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 12 Arquitectura • Un sistema típico consiste de: Estación Base (llamada también hub). ¾ Es en donde se realiza la conversión entre la infraestructura de fibra a la inalámbrica. ¾ Unidad de radio base que tiene canales upstream y downstream al equipo de microonda. 9 Se dispone de equipo para modulación y demodulación. NOC (Network Operation Center) en donde todos los sistemas de administración de red y todas las alimentaciones de otras redes (PSTN, video, datos y otras) convergen. ¾ El NOC puede estar colocado con la estación base o conectado con fibra óptica. El equipo del cliente consiste de una unidad de radio y un sistema de antena. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 13 Arquitectura • Se emplean con frecuencia los términos: HUB: para referirse a la estación base. SUB: para referirse al CPE (Customer Premises Equipment) del abonado. ¾ El SUB tiene dos componentes: 9 IDU: InDoor Unit 9 ODU: OutDoor Unit • IDU Consiste de la unidad de radio (módem inalámbrico). ¾ Contiene todas las interfaces necesarias para engancharse a la red o equipo que posee el usuario. 9 Telefónicas, ethernet, ATM, Frame Relay, etc. 9 Se tiene como clientes grandes empresas (edificios de oficinas, campus universitarios, hospitales) y residencias. ¾ Un “agente de administración de red” para comunicarse con la plataforma de administración de red del proveedor. ¾ Fuente de poder. • ODU Antena (plato de alrededor de un pie de diámetro, 30 cm) Transceiver Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 14 Arquitectura Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 15 Arquitectura • Las conexiones a la PSTN y otros proveedores de redes de datos, video y otros servicios se realizan con el uso de cables de fibra. Se puede realizar las conexiones con otros métodos (inalámbricos, satelitales, troncales). • La arquitectura exacta de los componentes varía ya que los diferentes proveedores han desarrollado soluciones para atender necesidades de negocio específicas. Diferentes fabricantes ofrecen diferentes características y combinaciones de componentes. ¾ Ejemplo de funcionalidades que no siempre están presentes: 9 Conmutación local. Si está presente, los clientes conectados a la estación base se pueden comunicar entre sí, sin ingresar a la infraestructura de fibra. Implica que la facturación, administración de los canales de acceso, registro se realizan localmente en la estación base. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 16 Est ándares Estándares • Los estándares empezaron a cobrar importancia a medida que los sistemas LMDS ganaron popularidad. Los problemas de interoperabilidad se hicieron mas pronunciados. • Algunas iniciativas de estándares están en marcha, desarrolladas por diferentes grupos de trabajo: DAVIC (Digital Audio Video Council) ATM Forum ETSI ITU IEEE 802.16 Wireless MAN ("Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems“) ¾ Aprobada en Diciembre 2001 (publicada en 2002). 9 10 a 66 GHz, ¾ Existe versión revisada 802.16a (2003). 9 Para la banda de frecuencias de 2 a 11 GHz. 9 Puede tener alcances de hasta 50km y 70 Mbps. 9 No requiere línea de vista. ¾ La versión 802.16 fija actual es 802.16d. 9 Llamada 802.16-2004. ¾ La versión 802.16 móvil es 802.16e. 9 Aprobada en Diciembre de 2005. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 17 Est ándares Estándares • Se debe balancear la necesidad de los estándares en las fases iniciales de desarrollo de una nueva tecnología. Publicar un estándar demasiado pronto puede desmotivar la innovación de los vendedores. ¾ Que ayuda a empujar los logros tecnológicos y optimización. ¾ Podría llevar a soluciones costosas y subóptimas. Publicar un estándar demasiado tarde puede implicar estar en una fase del ciclo de vida de la tecnología en la que se crearían problemas de compatibilidad hacia atrás, cuando un vendedor actualiza una red para incluir nuevas características incluidas en el nuevo estándar. Se debe considerar si la tecnología es lo suficientemente madura para beneficiarse de un estándar y que tan rápido se está adoptando la tecnología. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 18 Est ándares Estándares • La estrategia de los grupos de trabajo ha sido: Emplear tecnologías y estándares preexistentes donde sea posible. Confiar en la creatividad de los equipos de los vendedores para reducir costos. Desarrollar nuevas características. Optimizar performance. • Se han considerado dos áreas de estandarización: Tecnología en si misma. Interfaces entre IDU y ODU. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 19 Est ándares Estándares Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 20 Est ándares Estándares MDU (Multi Dwelling Units) MTU (Multi Tenant Units) Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 21 Consideraciones T écnicas y de Dise ño Técnicas Diseño • El rango de frecuencia de un sistema LMDS permite el diseño de antenas mucho mas pequeñas con excelente directividad. Estas antenas focalizadas disminuyen múltiples caminos porque menos señales son dispersadas, y hay menos que reflejar. Lo anterior también permite utilizar técnicas de modulación más eficientes en términos de energía, como QPSK. La directividad de la antena también se traduce en niveles de potencia mas bajos que promueven la reutilización de frecuencias ya que se reduce la interferencia entre celdas. • El poder utilizar una técnica de modulación como QPSK impacta en el costo del equipo. QPSK está disponible en circuitos ASICs producidos en grandes volúmenes. • Sin embargo, como LMDS utiliza, por lo general, ATM y/o Frame Relay, ya que proveen mejor rendimiento, el costo es mayor para cada usuario. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 22 Consideraciones T écnicas y de Dise ño Técnicas Diseño • Para mantener un costo adecuado en el equipo del abonado, se utilizan menores niveles de potencia , limitando el rango efectivo de transmisión a alrededor de 4 km. Al limitar la distancia entre el hub y el transceiver del usuario, la posibilidad de múltiples caminos se reduce aún mas. • LMDS utiliza muchas microceldas, similares a las utilizadas en telefonía celular. No hay “roaming” ni “handoff” (entre celdas). El uso de celdas permite la reutilización de frecuencia. ¾ Práctica mediante la cual una frecuencia puede ser reutilizada en otra celda dentro del área de cobertura. Se consigue un uso mas eficiente del ancho de banda disponible. ¾ El uso de microceldas promueven flexibilidad en el uso del ancho de banda. 9 Se puede disminuir el tamaño de una celda e incrementar el número de celdas Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 23 M étodos de Acceso Métodos • El equipo del cliente puede conectarse a la red utilizando: TDMA (time-division multiple access) FDMA (frequency-division multiple access) CDMA (code-division multiple access) Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 24 FDD vs. TDD • Con un ancho de banda fijo, es necesario emplear un método para dividir el ancho de banda entre lo que es upstream y downstream. • FDD ( Frecuency-Division Duplexing). Utilizada por años en los teléfonos celulares, así en AMPS: ¾ El rango de 824 a 849 MHz para las señales que se originan en el celular. ¾ El rango de 869 a 894 MHz para las señales que se reciben en el celular. • TDD (Time-Division Duplexing) Más reciente que FDD. Permite que un solo canal sea usado tanto para downstream como para upstream, utilizando diferentes ranuras de tiempo. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 25 FDD vs. TDD • Debate entre opciones: FDD es ineficiente en el uso del ancho de banda. ¾ Las aplicaciones de datos y video son de naturaleza predominantemente asimétrica. ¾ El canal upstream (que está predefinido) está siendo subutilizado. TDD puede asignar a la dirección de flujo que mas lo necesite. ¾ Se consigue asignando dinámicamente mas ranuras de tiempo a la dirección que tiene mas tráfico. ¾ Durante la descarga de un gran archivo, el ancho de banda disponible en el canal downstream se incrementaría y el ancho de banda para el tráfico upstream disminuiría en la misma proporción. ¾ Si se utiliza FTP para enviar un archivo desde el abonado hacia un servidor remoto, el canal upstream es el que necesita mas recursos. 9 Con FDD asimétrico, el archivo viajaría por el canal de menores recursos. 9 Si usara FDD, con dos canales iguales, se tiene el escenario de desperdicio, en el canal downstream en este caso. 9 TDD no tiene esta limitación, porque cualquiera de los canales se pueden adaptar dinámicamente a requerimientos cambiantes. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 26 FDD vs. TDD • Debate entre opciones: TDD requiere temporización precisa y software sofisticado para administrar dinámicamente el ancho de banda. ¾ Se toma su tiempo para reasignar y cambiar los ritmos e ambas direcciones. Todas las subs en el área de cobertura necesitan utilizar una referencia de tiempo común para definir las ranuras de tiempo. FDD es una opción bien entendida, utilizada por muchos años, madura, y efectiva para su costo. ¾ Posee una gran base instalada. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 27 Dise ño de la Celda Diseño • Penetración de abonados Porcentaje de abonados que poseen suficiente nivel de señal para lograr una excelente calidad de servicio. • Calidad de Servicio Afectada por varios factores como por ejemplo: la obstrucción del camino de transmisión, del sobrelapamiento de celdas (15% es normal) y redundancia del sistema. ¾ El sobrelapamiento incrementa el número potencial de usuarios con línea de vista. ¾ El equipo del usuario (SUBs) pueden seleccionar la señal mas fuerte. ¾ El problema es la potencial interferencia debido al agresivo plan de reutilización de frecuencia de LMDS en cada celda. • Presupuesto de Enlace Contabiliza todas las pérdidas y ganancias del sistema. Para estimar la mínima distancia a la que un abonado puede estar localizado respecto al HUB dentro de una celda, teniendo aceptables niveles de confiabilidad del servicio. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 28 Dise ño de la Celda Diseño • Tamaño y número de celdas Una celda mas pequeña está relacionada con mejoras en la capacidad del sistema. Se debe considerar el área total de cobertura para determinar el número de celdas. ¾ Muchas celdas pueden llegar a ser demasiado costosas ya que se requiere una estación base para cada celda. ¾ Se debe considerar la densidad de población ya que a mayor número de abonados es mayor el tráfico generado. 9 Celdas congestionadas se sirven mejor creando otra celda. ¾ También problemas de línea de vista se consideran para esto. 9 La topografía, vegetación, cuán desarrollada es un área, tipos de edificios. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 29 Dise ño de la Celda Diseño Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 30 Reutilizaci ón de frecuencias Reutilización • Se requiere la mayor reutilización de frecuencias en cada celda para maximizar la capacidad sin crear problemas de interferencia. • Utilizar antenas sumamente directivas y polarización cruzada ayuda a optimizar el sistema para la reutilización de frecuencias. • El objetivo del sitio (cell site) de una celda es proveer una cobertura de 360 grados alrededor suyo, lo que entra en conflicto con el criterio de las antenas directivas de las cuales se ha hablado. Mientras mas directiva es una antena, menor el área de cobertura y menor la presencia de múltiples caminos de la señal. Se disminuye la interferencia y se incrementa la capacidad del sistema. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 31 Reutilizaci ón de frecuencias Reutilización • Para consensuar los dos criterios, se divide el área de la celda en sectores. Cada sector es cubierto por una antena sumamente directiva. ¾ 90, 45, 30, 22.5, o 15 grados. Número típico de sectores es 4, 8, 12, 16 y 24. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 32 Reutilizaci ón de frecuencias Reutilización • Para reutilizar frecuencias en una celda, las antenas dentro de cada sector usan distintas polarizaciones. En la figura se observa una celda dividida en 12 sectores. Las líneas horizontales y verticales representan polarizaciones horizontal y vertical, respectivamente. Se aprecia un ejemplo de patrón de reutilización de 6. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 33 Reutilizaci ón de frecuencias Reutilización • Arquitecturas alternativas incluyen conectar la estación base a múltiples sistemas de transmisión/recepción remotos con fibra. Mayor redundancia. Un mayor grado de compartición de recursos (los de la BS) Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 34 Retos para LMDS • A pesar de las ventajas mencionadas de LMDS respecto a soluciones alámbricas, el ofrecimiento del servicio ha sido lento. • Además de los retos en el campo de los negocios y mercados financieros, LMDS enfrenta algunos retos técnicos. Las hojas, las ramas, los árboles, la topografía pueden bloquear o atenuar las señales de LMDS. Se requiere una línea de vista, despejada, ente el HUB y el SUB. ¾ Esto limita severamente el área de cobertura de una celda en un área urbana. ¾ Se usan celdas mas pequeñas , o se las sobrelapa, para ayudar a vencer esta limitación. LMDS es sumamente susceptible a desvanecimiento por lluvia. ¾ Las gotas de agua absorben las longitudes de onda milimétricas de la señal. 9 Hace menos adecuado a LMDS en lugares con gran cantidad de lluvia y nieve. ¾ Para la atenuación por lluvia puede utilizarse FEC y control de potencia adaptivo. • Se requiere de estándares para garantizar interoperabilidad. Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 35 LMDS en Virginia Tech • Virginia Tech is the only university to hold LMDS licenses The four A-block LMDS licenses cover most of Southwest Virginia as well as parts of North Carolina and Tennessee. The Virginia Tech Foundation acquired these licenses by bidding unopposed in the 17th FCC electronic auction held in the spring of 1998. The license term is ten years with an opportunity for renewal. http://www.lmds.vt.edu/ Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 36 ISB Virginia Tech Blacksburg Campus LMDS Hub Cable/Switch Centers Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 37 LMDS Testbed in Blacksburg LMDS en Virginia Tech Town: 19 sq miles Pop: 36,000 Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 38 LMDS en Virginia Tech LMDS Hub Site at Slusher Hall LMDS Tower 1 Enero 06 LMDS Tower 2 Radio Hut Ivá Iván Bernal, Ph.D. 39 LMDS en Virginia Tech VT LMDS Project Manager Installing Hub at Slusher Radio Hut Enero 06 Ivá Iván Bernal, Ph.D. 40 LMDS Tower & Weather Station LMDS en Virginia Tech Enero 06 Weather station to electronically measure rain rate, temperature and wind speed. TRA with 30 degree sector horn antenna mounted on frame ODB—Outdoor Box, fed by 2 coax cables from Hub in Radio Hut Ivá Iván Bernal, Ph.D. 41 LMDS Antennas Only Need a Small Space to Provide Up to 180 Mbps Wireless ATM LMDS en Virginia Tech Enero 06 Harris/Wavtrace TRA Ivá Iván Bernal, Ph.D. 42
