Redes inalámbricas de banda ancha WiMAX Joaquín Navarro Lucas

Redes inalámbricas de banda ancha
WiMAX
Joaquín Navarro Lucas
Ampliación de Redes
Ingeniería Informática
INDICE
1
2
3
4
5
6
7
Introducción................................................................................................. 3
1.1
La problemática de la última milla ........................................................ 3
1.2
Tecnologías inalámbricas fundamentales ............................................ 3
Características técnicas .............................................................................. 6
Funcionamiento de una red WiMAX ............................................................ 7
Estándares WiMAX ..................................................................................... 9
WiMAX Vs WiFI ......................................................................................... 10
Tecnología WiMax. Intel como referencia. ................................................ 10
Bibliografía ................................................................................................ 12
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1 Introducción
1.1 La problemática de la última milla
Una de las principales limitaciones de la tecnología actual radica en el hecho
de la falta de posibilidad de dar cobertura al tramo que transcurre desde el
proveedor de servicios de Internet hasta el usuario final, también conocido
como “ultima milla”.
La situación ideal pasa por ofrecer un servicio que no requiera ningún tipo de
infraestructura física que conecte este último tramo, y la mejor (y tal vez, única)
manera de llevar esto a cabo pase por la utilización de tecnologías del tipo
inalámbrico.
1.2 Tecnologías inalámbricas fundamentales
En los últimos tiempos están tomando gran auge las redes inalámbricas, y son
varias las que se encuentran en el mercado o en proceso de desarrollo. A
continuación se describen las diversas opciones que actualmente ocupan el
mercado de la tecnología inalámbrica:

Banda ultraancha: Las redes personales inalámbricas (por sus siglas en
inglés WPAN) son pequeñas redes ubicadas en un espacio delimitado,
como un área de trabajo de una oficina o una habitación de la casa. Las
tecnologías de banda ultraancha (UWB), que ofrecen a los usuarios de
WPAN una conexión mucho más rápida en un espacio más corto, se
encuentran actualmente en desarrollo.

Wi-Fi: las redes locales inalámbricas (por sus siglas en inglés WLAN)
disponen de un alcance más amplio que las WPAN, normalmente se
ubican en edificios de oficinas, restaurantes, tiendas, casas, etc. Las
WLAN van ganando popularidad, alimentada en parte por la
disponibilidad de dispositivos optimizados para la informática inalámbrica
como la tecnología móvil Intel® Centrino®.

WiMAX: Las redes metropolitanas inalámbricas (por sus siglas en inglés
WMAN) cubren una distancia mucho mayor que las WLAN, conectando
edificios entre sí dentro de una amplia área geográfica. La emergente
tecnología WiMAX (802.16d hoy día y 802.16e en un futuro próximo)
permitirán mayor movilidad y reducirán la dependencia de las
conexiones con cable.

3G: Redes amplias inalámbricas (por sus siglas en inglés WWAN) son
las redes inalámbricas de mayor alcance, así como las más utilizadas
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hoy día en la infraestructura de telefonía móvil, aunque también
disponen de la capacidad de transmitir datos.
Estándar
Uso
Capacidad de
proceso
Alcance
Frecuencia
UWB
802.15.3a WPAN
De 110 a 480 Mbps
Hasta 10
metros
7,5 GHz
Bluetooth
802.15.1
WPAN
Hasta 720 Kpbs
Hasta 10
metros
2,4 GHz
Wi-Fi
802.11a
WLAN
Hasta 54 Mbps
Hasta 100
metros
5 GHz
Wi-Fi
802.11b
WLAN
Hasta 11 Mbps
Hasta 100
metros
2,4 GHz
Wi-Fi
802.11g
WLAN
Hasta 54 Mbps
Hasta 100
metros
2,4 GHz
WiMAX
802.16d
WMAN
fija
Hasta 75 Mbps (20
MHz AB)
Aprox. de 6
a 10 Km.
Sub 11 GHz
WiMAX
802.16e
WMAN
portátil
Hasta 30 Mbps (10
MHz AB)
Aprox. de
1,5 a 5 Km.
De 2 a 6 GHz
Edge
2.5G
WWAN
Hasta 384 Kbps
Aprox. de
1,5 a 8 Km.
1900 MHz
CDMA2000/1 x
EV-DO
3G
WWAN
Hasta 2,4 Mbps
(aprox. de 300 a 600
Kbps)
Aprox. de
1,5 a 8 Km.
400, 800, 900,
1700, 1800, 1900,
2100 MHz
WCDMA/UMTS 3G
WWAN
Hasta 2 Mbps (hasta
10 Mbps con
tecnología HSDPA)
Aprox. de
1,5 a 8 Km.
1800, 1900, 2100
MHz
Tabla Resumen de las actuales tecnologías inalámbricas
Durante los últimos años se han creado expectativas y realidades en torno al
acceso de banda ancha de última milla. El cableado representa altos costos de
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instalación que no siempre justifican su tendido hasta áreas rurales o
geográficamente inaccesibles. Llevar servicios ADSL a estas puede resultar
caro para los operadores de telefonía. La tecnología móvil sólo permite la
transferencia de archivos con calidad aceptable pero no permitirá la transmisión
en tiempo real de aplicaciones multimedia.
Estas y otras limitaciones tecnológicas y topográficas, junto con la rápida
adopción del acceso a Internet, han motivado el desarrollo de un estándar
inalámbrico llamado WiMAX (IEEE 802.16) que llegue a un mayor número de
usuarios y fomente la introducción de nuevos y mejores servicios de
telecomunicaciones.
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access, Interoperabilidad
Mundial para Acceso por Microondas) es un estándar aprobado en 2003 en el
Wimax Forum, de transmisión inalámbrica de datos diseñado para ser utilizado
en el área metropolitana o MAN. A través de una sola torre de distribución
ubicada a kilómetros del usuario final (hasta 48 kilómetros), proporciona acceso
a miles de usuarios en áreas rurales o metropolitanas con alta densidad
demográfica. No requiere línea de visión directa (NLOS – Non Line of Sight),
maneja tasas de transmisión de hasta 75 Mbps, cuenta con calidad de servicio,
ofrece seguridad y opera en bandas con y sin licencia.
Integra la familia de estándares IEEE 802.16 y el estándar HyperMAN del
organismo de estandarización europeo ETSI. El estándar inicial 802.16 se
encontraba en la banda de frecuencias de 10-66 GHz. La nueva versión
802.16a, ratificada en marzo de 2003, utiliza una banda del espectro más
estrecha y baja, de 2-11 GHz, facilitando su regulación. Además, como ventaja
añadida, únicamente requiere del despliegue de estaciones base (BS)
formadas por antenas emisoras/receptoras con capacidad de dar servicio a
unas 200 estaciones suscriptoras (SS) que pueden dar cobertura y servicio a
edificios completos. Su instalación es muy sencilla y rápida (culminando el
proceso en dos horas) y su precio resulta bajo en comparación con otras
tecnologías de acceso inalámbrico como Wi-Fi: entre 5.000 euros y 25.000
euros.
WiMax es un concepto parecido a Wi-Fi pero con mayor cobertura y ancho de
banda. Wi-Fi, comprendida en la familia de estándares 802.11, fue diseñada
para ambientes inalámbricos internos como una alternativa al cableado
estructurado de redes y la comunicación sin visión directa apenas abarca unos
pocos metros. Teóricamente transmite a 11 Mbps y hasta a 350 metros en el
exterior. En un principio se diseñó para ofrecer "conexiones Ethernet
inalámbricas" y después para garantizar la interoperabilidad entre productos
802.11 de diferentes fabricantes.
WiMax, por el contrario, fue diseñado como una solución de última milla en
redes metropolitanas (MAN) para prestar servicios a nivel comercial.
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2 Características técnicas
La siguiente tabla recoge las principales características de WiMAX:
Características
Sin necesidad de visión directa
Modulación OFDM
(OrthogonalFrequencyDivisionM
ultiplexing)
Antenas inteligentes
Topología punto-multipunto y
de malla (mesh)
Calidad de Servicio (QoS)
FDM (Frequency Division
Multiplexing) y TDM (Time
Division Multiplexing)
Seguridad
Bandas bajo licencia
Bandas libres (sin licencia)
Canalización
Codificación
Modulación
Ecualización
Potencia de Transmisión
Acceso al Medio
Corrección de errores
Tamaño del paquete
Aprovisionamiento
Tasa de transmisión
Espectro de frecuencia
Alcance
Aplicaciones
Descripción
No necesita visión directa entre la antena y el equipo del
suscriptor
Permite la transmisión simultánea de múltiples señales a
través de cable o aire en diversas frecuencias; usa
espaciamiento ortogonal de las frecuencias para prevenir
interferencias.
Soporta mecanismos de mejora de eficacia espectral en
redes inalámbricas y diversidad de antenas
Soporta dos topologías de red, servicio de distribución
multipunto y la malla para comunicación entre suscriptores.
Califica la operación NLOS (Non Line of Sight) sin que la
señal se distorsione severamente por la existencia de
edificios, por las condiciones climáticas ni el movimiento
vehicular.
Soporta multiplexación en la frecuencia (FDM) para
propiciar la interoperabilidad con los sistemas de telefonía
móvil y la multiplexación en el tiempo para la
interoperabilidad con los sistemas inalámbricos.
Incluye medidas de privacidad y criptografía inherentes en
el protocolo. El estándar 802.16 agrega autenticación de
instrumentos con certificados x.509 usando DES en modo
CBC (CipherBlockChaining).
Opera en banda licenciada en 2.4 GHz y 3.5 GHz para
transmisiones externas en largas distancias
Opera en banda libre en 5.8, 8 y 10.5 GHz (con variaciones
según espectro libre de cada país)
De 5 y 10 MHz
Adaptiva
Adaptiva
Adaptiva
Controla la potencia de transmisión
Mediante TDMA dinámico
ARQ (retransmisión inalámbrica)
Ajuste dinámico del tamaño del paquete
Aprovisionamiento dinámico de usuarios mediante DHCP y
TFTP
Hasta 75 Mbps
 IEEE 802.16a entre 2-11 GHz (LOS) para
comunicación entre antenas
 IEEE 802.16b entre 5-6 GHz con QoS
 IEEE 802.16c entre 10-66 GHz
 IEEE 802.16e entre 2-6 GHz (NLOS) para
distribución a suscriptores, móvil.


50 Km sin Línea de Vista
8 – 10 Km en áreas de alta densidad demográfica
Voz, video y datos
Una conexión WiMAX soporta servicios paquetizados como IP y voz sobre IP
(VoIP), como también servicios conmutados (TDM) y voz tradicional, además
de interconexiones de ATM y Frame Relay.
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WiMAX facilita varios niveles de servicios (MIR/CIR) para poder dar diferentes
velocidades de datos dependiendo del contrato con el suscriptor. Un radio
WiMAX tiene la capacidad de entregar varios canales de servicio desde la
misma conexión física. Esto permite que múltiples suscriptores estén
conectados al mismo radio (CPE); cada uno con una conexión privada con el
protocolo y nivel de servicio que éste requiera.
Adicionalmente a los servicios que WiMAX pueda ofrecer, la tecnología de
transmisión OFDM es una solución robusta para operar en condiciones donde
no hay visión directa a distancias de varios kilómetros.
3 Funcionamiento de una red WiMAX
Un sistema WiMAX consiste en dos partes:

Una torre WiMAX, similar en concepto a una torre de telefonía móvil.
Una única torre WiMAX puede dar servicio a un área de gran tamaño.

Un receptor WiMAX. El receptor y la antena pueden ser una caja
pequeña o una tarjeta PCMCIA, o puede estar incluso integrado dentro
del PC.
Una red WiMAX tiene un número de estaciones base y antenas asociadas que
comunican vía inalámbrica con un gran número de dispositivos de clientes (o
estaciones subscriptoras), lo que se conoce como conexión punto a multipunto.
Las estaciones base están preparadas bien para conectar directamente a
Internet o para usar WiMAX para conectarse a otras estaciones base.
Cada estación base ofrece una cobertura inalámbrica sobre un área llamada
célula. Aunque el radio máximo de cada célula es teóricamente unos 50
kilómetros (dependiendo de la frecuencia de la banda elegida), normalmente
los despliegues típicos usarán unas células de radio que oscilará entre 3 y 10
kilómetros. Como ocurre con las redes convencionales de telefonía móvil, las
antenas pueden ser tanto omnidireccionales como direccionales, consiguiendo
con estas últimas aumentar la capacidad de la red.
Se ha hecho un gran esfuerzo en conseguir que la tecnología inalámbrica sea
algo muy robusto y flexible de manera que trabaje en una amplia variedad de
entornos. Esta fue la principal área de trabajo del desarrollo de la primera
versión, la 802.16a. Por ejemplo, puede soportar los efectos de múltiples
reflexiones de radio (o ecos) desde edificios y otros obstáculos en el camino de
la transmisión. Son soportados diferentes tamaños de canales y métodos de
ofrecer comunicaciones bidireccionales de manera que la tecnología pueda
acomodar exigencias nacionales reguladoras y técnicas diferentes. WiMAX
soporta sistemas de antena inteligente que son menos caros y más efectivos a
la hora de reducir los efectos de las interferencias de radio. Esto se consigue
usando cuatro antenas en la estación base en lugar de sólo una. Cada una de
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las cuatro antenas transmite y recibe la misma señal, pero en instantes
ligeramente distintos.
Otro aspecto destacable de WiMAX es que existen dispositivos que pueden
actuar como repetidores de señal, pasando las señales de un dispositivo a otro
hasta que se alcance la estación WiMAX base desde la que los diferentes
dispositivos interesados consigan el acceso a Internet. A esta red intermedia
formada por conexiones que pueden ser desde microondas hasta conexión que
requieran visión directa, etc. Se le conoce como backhaul.
De este modo, se ve que una WiMAX proporciona dos tipos de conexiones
inalámbricas:

Sin necesidad de visión directa (NLOS): conexiones donde una pequeña
antena en el PC conecta a la torre. En este modo WiMAX usa el rango
más bajo de frecuencia, que está entre 2 y 11 GHz (similar a WiFi). Las
transmisiones de más baja longitud de onda no son facilmente
interrumpidas por obstáculos físicos. Pueden fácilmente propagarse
alrededor de ellos.

Servicio con necesidad de visión directa (LOS). La conexión con línea de
visión es más estable y robusta, capaz de enviar mayor cantidad de
datos con una tasa de error baja. Este tipo de servicios usa las
frecuencias más altas, lo que origina que haya menos interferencia y el
ancho de banda sea mayor.
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4 Estándares WiMAX
WiMAX está basado en estándares de IEEE, e incluye varios escenarios:
-
Basado en IEEE 802.16-2004
o Para enlaces fijos punto-multipunto
o Engloba IEEE 802.16, 802.16a, 802.16c, 802.16d
-
Basado en IEEE 802.16e
o Permite dispositivos cliente móviles
El 802.16-2004 especifica la interfaz para sistema de acceso inalámbrico fijos
punto-multipunto que soportan múltiples servicios. La capa de control de
acceso al medio (MAC) es capaz de funcionar con diferentes especificaciones
de capa física (PHY) optimizadas para diferentes bandas de frecuencia.
En el rango que va desde los 10 a los 66 Ghz, se sitúa la capa física con
necesidad de visión directa con multiplexación en el tiempo TDMA.
Entre los 2 y los 11 Ghz, la conexión puede efectuarse con o sin visión directa y
las modulaciones pueden ser TDMA, OFDM o OFDMA (Orthogonal Frecuencydivision Multiple Access).
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802.16
802.16a
802.16e
Espectro
10 - 66 GHz
< 11 GHz
< 6 GHz
Funcionamiento
Solo con visión directa
Sin visión directa
(NLOS)
Sin visión directa
(NLOS)
Tasa de bit
32 - 134 Mbit/s con
canales de 28 MHz
Hasta 75 Mbit/s con
canales de 20 MHz
Hasta 15 Mbit/s con
canales de 5 MHz
Modulación
QPSK, 16QAM y 64
QAM
OFDM con 256
subportadoras QPSK,
16QAM, 64QAM
Igual que 802.16a
Movilidad
Sistema fijo
Sistema fijo
Sistema móvil
Anchos de
banda
20, 25 y 28 MHz
Seleccionables entre
1,25 y 20 MHz
Igual que 802.16a con
los canales de subida
para ahorrar potencia
Radio de celda
típico
2 - 5 km aprox.
5 - 10 km aprox.
(alcance máximo de
unos 50 km)
7 - 8 km aprox.
Tabla resumen del estándar 802.16
5 WiMAX Vs WiFI
La principal diferencia entre ambas tecnologías radica en el área de aplicación
para el que fueron concebidas. WiMAX fue diseñada para redes metropolitanas
(MAN) también conocidas como redes de última milla, mientras que WiFI fue
diseñada para redes locales (LAN) también conocidas como “Distribución en
Sitio” con la finalidad de dar servicio en distancias cortas, como por ejemplo el
interior de una oficina.
WiMAX y WiFI son soluciones complementarias para dos aplicaciones bastante
diferentes. WiFI fue diseñado para el uso privado en una oficina cerrada para
una red Ethernet. WiMAX por el contrario fue diseñado para dar servicio a la
“última milla” para usuarios con requerimientos distintos y tarifas distintas. En el
futuro es posible que WiMAX crezca hasta soportar aplicaciones como
movilidad y PCs personales (PDA).
6 Tecnología WiMax. Intel como referencia.
Intel impulsa la innovación a lo largo de industria para formar, conducir y
contribuir a una amplia gama de estándares y grupos de especificaciones. Para
ayudar a acelerar la implantación del acceso inalámbrico de banda ancha, Intel
ha jugado un papel fundamental en el WiMAX Forum e IEEE para acelerar el
término de las especificaciones de pruebas de cumplimiento, contribuciones de
capa física y MAC y especificaciones de movilidad (802.16e).
Intel prevé la instalación de WiMAX en tres fases:
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
La primera fase de la tecnología WiMAX (basada en el estándar IEEE
802.16-2004) proporcionará conexiones inalámbricas fijas por medio de
antenas exteriores en la primera mitad de 2005.

En la segunda mitad de 2005, WiMAX estará disponible para la
instalación en interiores, con pequeñas antenas parecidas a las de un
punto de acceso Wi-Fi actual. En este modelo fijo en interiores, WiMAX
estará disponible para su uso en amplias instalaciones de banda ancha
residenciales de consumidores, conforme estos dispositivos sean
diseñados para "instalación por parte del usuario", lo que disminuirá los
costos de instalación de los proveedores.

Para 2006, la tecnología se integrará en equipos de cómputo portátiles
para ser compatibles con la movilidad entre las áreas de servicio de
WiMAX.
La siguiente figura muestra la evolución de WiMAX.
El 7 de septiembre de 2004, Intel anunció su primer chip de acceso inalámbrico
de banda ancha que cumple con el estándar 802.16-2004, de nombre clave
"Rosedale", que se espera que sea el primer diseño tipo "sistema en un chip"
para equipo local del cliente (CPE) económico que sea compatible con IEEE
802.16-2004. Los equipos locales del cliente se colocan en una residencia o
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empresa para transmitir y recibir señales inalámbricas de banda ancha para
conexión a Internet.
7 Bibliografía
http://netacad.uv.es
http://www.wimaxforum.org
http://www.intel.com
http://www.wikipedia.org
http://www.radiooptica.com
http://www.adslayuda.com
http://www.tuxteno.com
http://netacad.uv.es
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