4 Redes WiMax Existe cierta confusión entre la tecnología WiMAX y

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Redes WiMax
Existe cierta confusión entre la tecnología WiMAX y las tecnologías
Wireless Local Area Network (WLAN) estandarizadas por el grupo IEEE
802.11. Estas dos tecnologías, en un principio, se han pensado como
complementarias, aunque la realidad es que WiMAX está empezando a asumir
funcionalidades propias de WLAN y podría finalmente sustituirla.
Con el fin de obtener compatibilidad e interoperabilidad de los productos de
IEEE 802.16, en el año 2001 se crea el WiMAX Forum, definiendo un pequeño
número de perfiles de sistemas y perfiles de certificación (Nuaymi, 2007).
Un perfil de sistema define el subconjunto de características obligatorias y
opcionales para los niveles físicos y de enlace que el WiMAX Forum ha
seleccionado para los estándares IEEE 802.16d-2004 y el IEEE 802.16e-2005.
Actualmente el WiMAX fórum ha definido dos perfiles de sistema: uno basado
en el estándar 802.16d-2004 llamado perfil de sistema fijo que utiliza OFDM en
la capa física y otro basado en el estándar 802.16e-2005 llamado perfil de
sistema móvil que utiliza un tipo de acceso OFDMA escalable (SOFDMA).
En la actualidad en España existen despliegues comerciales en el estándar
802.16e, en concreto en la zona de Galicia y Asturias. En el sur de España, la
empresa de telecomunicaciones y operadora Solis Multimedia S.L.U bajo la
marca comercial WI-NET ofrece servicios de voz y datos de hasta 20 Mbps.
Nostracom
Telecomunicaciones,
operador andaluz de telecomunicaciones,
presta servicios de voz y datos hasta 10Mbps en las zonas rurales donde no
existen alternativas o servicios muy limitados, sobre todo en las provincias de
Granada, Málaga, Almería y Jaén, pero también en Sevilla y Córdoba.
En Granada, Málaga, Jaén y Córdoba,
CableSur
ofrece
servicios
de
telefonía y banda ancha simétrica o asimétrica con tecnología WiMAX.
En Valencia, Esystel ofrece en la actualidad servicio en tres poblaciones de la
Ribera Alta. En Mallorca, WifiBaleares, operador de comunicaciones, ofrece
conexiones de banda ancha de calidad en zona rural y urbana, así como
llamadas a través de tecnología VoIP.
43
4.1
Funcionamiento básico
En términos prácticos, WiMAX podría operar de una forma similar a Wi-Fi
pero a velocidades más altas, a más distancia y con un número mayor de
usuarios. Podría cubrir las áreas rurales que en la actualidad no tienen acceso
a Internet de banda ancha.
Una estación WiMAX se conecta a una red de comunicaciones pública,
usando fibra óptica, enlaces de microondas, o cualquier tipo de conexión de
alta velocidad punto a punto (P-P), a lo que se le llama Backhaul o redes de
retorno. Solo en pocos casos, como el de las redes malladas, se usan
conexiones punto a multipunto como Backhaul.
Figura 23. Funcionamiento de WiMAX (sx-de-tx.wikispaces.com)
4.1.1 Enlaces y zonas de Fresnel
Existen tres tipos de enlace en función de la visibilidad line of sight (LOS)
cuando hay línea de vista directa entre el transmisor y el receptor y la zona de
Fresnel está despejada, Near line of sight (nLOS) si hay visibilidad directa pero
la zona de Fresnel está parcialmente obstruida y Non line of sight (NLOS)
cuando no hay visibilidad directa y por consiguiente la zona de Fresnel está
totalmente obstruida.
Las zonas de Fresnel son elipsoides concéntricos formados por la
revolución de la Figura 24, alrededor del eje TxRx. Sus focos son los puntos Tx
44
y Rx. Las secciones de los elipsoides normales al trayecto de propagación
TxRx son círculos concéntricos.
El análisis de la influencia de los obstáculos se realiza mediante los
elipsoides de Fresnel, considerando que la propagación se efectúa en
condiciones de visibilidad directa si no existe ningún obstáculo dentro del
primer elipsoide. Debido al carácter oscilatorio del campo, es necesario que el
trayecto pase muy por encima de los obstáculos. Basta trabajar en el entorno
de la primera zona de Fresnel, por lo que utilizaremos como parámetros de
referencia el ܴଵ , radio de la primera zona de Fresnel, haciendo ݊ ൌ ͳ en la
ecuación:
݊݀ଵ ݀ଶ
ܴ௡ ൌ ͷͶͺඨ
݂݀
Dónde:
ܴ௡ : Radio de la n-sima zona de Fresnel.
݂: Frecuencia en (MHz).
݀ଵ : Distancia del transmisor Tx al obstáculo (Km).
݀ଶ : Distancia desde el obstáculo al receptor Rx (Km).
݀: Distancia del transmisor Tx al receptor RX (Km).
Figura 24. Zona de Fresnel
45
Es decir para conseguir comunicarnos a una distancia ݀ con una señal
portadora de frecuencia ݂ debemos conseguir que la altura ‫( ݎ‬Figura 24) de la
primera zona de Fresnel, o que al menos el 80% de ‫ݎ‬, esté libre de obstáculos.
Una explicación breve y sencilla del papel que desempeñan las zonas o
elipsoides de Fresnel en la propagación de la radiación consiste en imaginar
una tubería virtual por donde viaja la mayor parte de la energía entre el
transmisor y el receptor. Con el objetivo de evitar pérdidas no debería haber
obstáculos dentro de esta zona ya que un obstáculo perturbaría el flujo de
energía, por ejemplo, si la mitad de la zona de Fresnel está enmascarada por
un obstáculo, la antena se encuentra en el límite de visión directa, y se
producirán unas pérdidas de potencia en la señal de 6 db.
Figura 25. Línea de vista y zona de Fresnel
4.2
Estándares WiMAX
WiMAX es una tecnología basada en estándares que permite al abonado
la conectividad de banda ancha inalámbrica en uso fijo, nómada, portátil y móvil
sin necesidad de visión directa de la estación base. En la tabla 1 veremos un
resumen de las características de los estándares más relevantes:
Estándar
Descripción
802.16
WiMAX, rango de frecuencia 10 GHz
a 66HGz.
802.16ª
WiMAX para estaciones de usuarios
fijas, frecuencias menores a 11 GHz.
802.16b
Frecuencias
exentas
de
licencia,
rango de frecuencia de 5-6 GHz.
802.16c
Detalles del sistema para la banda de
10-66GHz.
802.16d
Estándar.
46
802.16-2004
Reemplaza
a
los
estándares
802.16/.16a/16d (incluye OFDMA).
802.16e
WiMAX para estaciones de usuarios
en movimiento (velocidad limitada a
120 Km/h).
802.16f
Gestión MIB (Base de Información de
gestión).
802.16g
Gestión de niveles.
802.16-1
Interfaz aérea, rango de frecuencia
10-66 GHz.
802.16.2
Coexistencia de sistemas de acceso
inalámbricos de banda ancha.
802.16.2-2004
Reemplaza a la 802.16.2.
802.16.2ª
Recomendaciones
coexistencia
de
para
los
sistemas
la
de
acceso fijo inalámbrico de banda
ancha.
802.16.3
Interfaz
aérea
para
sistemas
de
acceso fijo inalámbricos de banda
ancha operando por debajo de los 11
GHz.
Tabla 1. Descripción estándares WiMAX
Una vez nombrados los distintos estándares de WiMAX, pasaremos a
explicar los más importantes:
¾
IEEE 802.16: estándar publicado en abril de 2002 que se refería a
enlaces fijos de radio con línea de visión directa entre el transmisor y el
receptor utilizando frecuencias dentro de la banda de 10 a 66GHz para
proporcionar velocidades de transmisión de hasta 134Mbps y sin movilidad.
¾
IEEE 802.16a: estándar que se publicó un año más tarde, en marzo del
2003. Esta modificación también estaba pensada para enlaces fijos, cubriendo
una distancia de operatividad de 40 a 70 kilómetros y operando en la banda de
2 a 11GHz, parte de la cual es de uso común y no requiere licencia para su
47
operación. Es válido para topologías punto a punto, punto a multipunto y
opcionalmente para redes en malla; no requiere línea de visión directa y
permite transmitir con velocidades teóricas de hasta 75Mbps.
¾
IEEE 802.16c: es una ampliación del estándar 802.16 para definir las
características y las especificaciones en la banda de 10-66 GHZ. Publicado en
Enero del 2003.
¾
IEEE 802.16-2004: todos los estándares anteriormente mencionados
confluyen en el definitivo para WiMAX Fijo el 802.16d o también denominado
802.16d-2004, del que los principales fabricantes tienen ya productos
certificados por el WiMAX Forum. 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.
¾
IEEE 802.16e: este estándar fue ratificado en Diciembre de 2005. Pero
como bien indicaba el grupo de trabajo, que el estándar haya sido aprobado
por el IEEE es una cosa y que el mercado disponga de productos certificados
es otra muy diferente, de manera que los primeros equipos certificados no han
aparecido hasta Abril de 2008. 802.16e añade a 802.16d soporte para
movilidad basado en tecnología OFDMA, permitiendo división en múltiples subcanales para combatir la interferencia multicamino y según necesidades de
ancho de banda y distancia.
¾
WIBRO: los japoneses suelen estar al frente en telefonía móvil y los
coreanos en acceso a Internet de banda ancha. WiBRO es un estándar basado
en una versión de OFDMA en la banda de 2.3 GHz que ya dispone de
productos comerciales.
Espectro
802.16
802.16-2004
802.16e
10-66 GHz
2-11 GHz
2-11 GHz fijo
2-6 GHZ móvil
Funcionamiento
Fijo,
sólo
línea
de
con Fijo, sin línea de Fijo y móvil sin
vista vista NLOS
QPSK,
64QAM
48
de
vista
NLOS
LOS
Modulación
línea
16QAM, QPSK,
64QAM
16QAM, QPSK,
64QAM
16QAM,
Tasa
de 32 Mbps - 134,4 1 Mbps - 75 Mbps 1 Mbps - 75 Mbps
transmisión
Mbps
bruta
Ancho de banda 20 MHz, 25MHz, 1.75
de canales
28MHz
MHz,
3.5 1.75
MHz,
3.5
MHz, 7 MHz, 14 MHz, 7 MHz, 14
MHz, 1.25 MHz, 5 MHz, 1.25 MHz, 5
MHz, 10 MHz, 15 MHz, 10 MHz, 15
Radio de celdas 2 – 5 Km aprox.
MHz, 8.75 MHz
MHz, 8.75 MHz
2 -10 Km aprox.
2 – 5 Km aprox.
típicos
Tabla 2. Datos básicos de los estándares WiMAX. (Morillas, 2010)
Se observa que estos estándares ofrecen una amplia variedad de
opciones de diseño. Los diferentes estándares están desarrollados para
diferentes tipos de aplicaciones y despliegue de escenarios, facilitando el
diseño de diferentes tipos de sistemas. De hecho, se podría decir que IEEE
802.16 es una colección de estándares, no un simple estándar de
interoperabilidad (Jeffrey, et al., 2007).
4.3
Uso del espectro
Las redes WiMAX, al contrario que WLAN, deberán por lo general operar
en bandas de frecuencia de uso licenciado, presentando políticas de QoS
(Calidad de Servicio) y permitiendo mayor protección y calidad en las
comunicaciones. El espectro accesible para WiMAX depende del área
geográfica en la que se encuentre la red. Esto es así debido a las políticas
heterogéneas nacionales, que han saturado en diferente manera las bandas de
operación de WiMAX.
Para España, todas las competencias en materia de uso del dominio
público radioeléctrico las tiene la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones
y para la Sociedad de la Información (SETSI).
49
Figura 26. Distribución mundial de bandas de frecuencias
Los beneficios de las soluciones basadas en WiMAX, tanto en espectro
con licencia como de uso libre, en comparación con las soluciones cableadas,
son la eficiencia en costes, escalabilidad y flexibilidad. En los siguientes
apartados
nos centraremos en ver cuáles son las diferencias, dentro de
WiMAX, entre la utilización de espectro libre o bandas licenciadas. En general,
veremos que en las bandas de licencia se obtiene una mayor calidad de
servicio con un mayor coste de entrada (por la compra del espectro), mientras
que las bandas libres de licencia presentan una menor calidad, pero tiene un
menor coste y una mayor interoperabilidad.
4.3.1 Bandas con licencias
Para emplear una solución con licencia es preciso que el operador
adquiera espectro, que es un proceso muy variable en función del país en el
que se quiera operar, teniendo que pasar por subastas, elevados precios y
retardos considerables. Por contra, esta barrera de entrada, acompañada del
uso exclusivo de una banda, permite conseguir una gran calidad y una
interferencia muy baja.
Las frecuencias bajas asociadas a bandas licenciadas (2,5 GHz y 3,5
GHz) permiten conseguir una mejor característica NLoS. Según se incremente
el despliegue de los operadores aparecerán las primeras interferencias dentro
de las propias redes, que se deberán reducir con un diseño apropiado de la
red.
50
4.3.2 Bandas de uso libre
Los proveedores de servicio en mercados emergentes, como países en
desarrollo o países maduros con áreas subdesarrolladas, pueden reducir el
tiempo necesario para llevar al mercado el servicio y los costes iniciales si
optan por usar soluciones basadas en licencias abiertas. Además, también es
posible usar estas soluciones en el caso de operadores con licencia, como
backup de su red habitual.
Las soluciones en bandas de libre uso están limitadas en términos de la
potencia de salida transmitida, a pesar de que no sea precisa licencia. Esta
potencia es el único condicionante para los proveedores, que pueden usar el
espectro tanto como deseen. Otra limitación es la calidad de servicio, que
vendrá dada también por el número de señales interferentes de otros
operadores.
No obstante lo anterior, el mercado del equipamiento WiMAX en banda
sin licencia ha tenido cierta relevancia en algunos países, entre ellos España,
donde se han realizado numerosos proyectos, especialmente para despliegues
municipales y pequeños operadores.
4.4
Características principales de WiMAX
WiMAX es una tecnología de banda ancha inalámbrica que ofrece una
gran cantidad de características con bastante flexibilidad en términos de
opciones de despliegue y de servicio. Algunos de las características más
importantes se enumeran a continuación:
4.4.1 Capa física basada en OFDM
La modulación OFDM (Orthogonal Frecuency-Division Multiplexing)
presenta muchos beneficios que no presentan otras modulaciones previas a
ésta y permite que las redes inalámbricas transmitan eficientemente en
pequeños anchos de banda. Esta modulación se caracteriza por dividir la señal
de banda ancha en un número de señales de banda reducida. Este esquema
consigue un buen comportamiento ante interferencias multicamino (multipath) y
permite operar en condiciones carentes de visión directa (NLOS).
51
4.4.2 Máximo de tasas de transferencia de datos
WiMAX es capaz de soportar elevados picos de tasa de datos. De
hecho, las velocidades que puede alcanzar la capa física (PHY) llegan a ser de
74Mbps cuando opera con un espectro de frecuencia de 20MHz de ancho.
Estas velocidades de pico de datos son alcanzadas cuando se usa una
codificación 64QAM con un índice de corrección de error de 5/6. Bajo
condiciones buenas para la señal se podrían alcanzar velocidades mayores,
así como usando múltiples antenas y multiplexación espacial.
4.4.3 Anchos de banda escalables
WiMAX tiene una arquitectura de capa física escalable que permite
adecuar la transferencia de datos a los diferentes anchos de banda de canal
disponibles. Esta escalabilidad está disponible en el modo OFDMA de WiMAX
móvil, donde el tamaño de la FFT (transformada rápida de Fourier) puede ser
escalada en función del tamaño del ancho de banda de canal disponible.
4.4.4 Modulación y codificación adaptativa (AMC)
WiMAX soporta un número de esquemas de modulación y de
mecanismos de corrección de errores (FEC) y permite cambiar el esquema por
usuario y por estructura básica, en función de las condiciones del canal (SNR
(Signal-to-Noise-Ratio)). AMC es un mecanismo efectivo para maximizar el
caudal en un canal variable en el tiempo.
4.4.5 Retransmisiones en el nivel de enlace
WiMAX soporta petición automática de retransmisión (Automatic Repeat
reQuest(ARQ)) en el nivel de enlace para conexiones que requieran una
fiabilidad elevada.
4.4.6 Soporte de duplexiones TDD y FDD
Tanto el estándar IEEE 802.16d-2004 como el IEEE 802.16e-2005
soportan duplexión por división en el tiempo (TDD) y duplexión por división en
frecuencia (FDD), además también está definida la half duplex-FDD diseñada
para sistemas de implementación más barata.
52
4.4.7 Uso de OFDMA
El estándar 802.16e (WiMAX móvil) usa OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access), que de forma similar a OFDM divide la señal en
múltiples sub-portadoras. OFDMA, sin embargo, va un paso más allá
agrupando sub-portadoras en sub canales. Una sola estación de abonado
podría usar todos los sub-canales dentro del periodo de la transmisión, o los
múltiples clientes podrían transmitir simultáneamente usando cada uno una
porción del número total de sub-canales.
4.4.8 Técnicas avanzadas de antenas
WiMAX permite el uso de técnicas basadas en múltiples antenas como
beamforming, codificación espacio-tiempo, y multiplexación. Estos esquemas
pueden ser usados para mejorar la capacidad total del sistema y su eficiencia
espectral mediante el uso de múltiples antenas en el transmisor y/o receptor.
4.4.9 Calidad del servicio (QOs)
La capa MAC de WiMAX está orientada a una conexión diseñada para
admitir una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo servicios multimedia y
de voz. El sistema soporta tasas de bit constantes y tasas de bit variables,
soporta flujos de tráfico en tiempo real así como los que no lo son. WiMAX está
diseñado para soportar un gran número de usuarios, con múltiples conexiones
por terminal, cada uno con sus propios requisitos de calidad de servicio.
4.4.10 Alto nivel de seguridad
WiMAX soporta una fuerte encriptación, usando Advanced Encryption
Standard (AES) y además tiene un protocolo de gestión de claves. El sistema
también ofrece una arquitectura de autenticación bastante flexible basada en el
protocolo Extensible Authentication Protocol (EAP) que permite una amplia
variedad de identificaciones de usuario tales como nombres de usuario con
contraseña, certificados digitales o tarjetas inteligentes (smart cards).
4.4.11 Soporte para movilidad
La variante de WiMAX móvil tiene un mecanismo para soportar
traspasos (handover) seguros y ahorro de energía para alargar la duración de
las baterías de los dispositivos portátiles. También se añaden mejoras en el
53
nivel físico como una estimación más frecuente del canal, sub-canalización del
enlace de subida y control de energía.
4.4.12 Arquitectura basada en IP
Todos los servicios usuario a usuario están desarrollados sobre
protocolos basados en IP logrando diferentes opciones de QoS, gestión de
sesiones, seguridad y movilidad. Este planteamiento permite a WiMAX facilitar
el procesado IP de los datos y la convergencia con otro tipo de redes. El
WiMAX Forum ha definido una arquitectura de red de referencia basada en el
“all- IP”.
4.5
Arquitecturas
El
NWG
(Network
Working
Group);
encargado
de
crear
las
especificaciones de las redes, ha desarrollado un modelo de red de referencia
que se debe cumplir al desplegar sistemas WiMAX para asegurar la
interoperabilidad entre equipamientos y operadores diferentes. El modelo de
referencia de red prevé una arquitectura de red unificada para dar soporte a
despliegues de red fija, nómada y móvil, basándose todas ellas en servicios IP.
La siguiente ilustración muestra una imagen simplificada de una arquitectura de
red WiMAX típica.
Figura 27. Arquitectura de Red característica de un sistema WiMAX
basada en IP (vidateleco.wordpress.com)
La arquitectura global de la red se divide en tres partes, (1) las estaciones
de abonados sean fijas o móviles (MS ó SS), (2) la red de acceso al servicio
54
(Access Service Network (ASN)), la cual consta de varias estaciones base y
una o más pasarelas ASN (ASN Gateways) formando la parte de acceso radio
de la red y (3) la red de conectividad al servicio (Conectivity Service Network
(CSN)), que se encarga de proporcionar conectividad IP.
El modelo de referencia de redes WiMAX define varios puntos de
referencia entre las distintas entidades que componen la arquitectura de esta
red. Esos puntos de referencia logran puntos de interoperabilidad entre equipos
de diferentes fabricantes. Hay seis puntos de referencias obligatorios (del R1 al
R6) y dos opcionales (R7 y R8).
Figura 28. Puntos de referencia entre entidades funcionales de un modelo
WiMAX
R1. Definido entre la estación de usuario y la ASN. Incluye protocolos en
el plano de gestión además de definir el interfaz aire.
R2. Definido entre la estación de usuario y la CSN. Proporciona
autentificación, autorización de servicio, configuración IP y gestión de la
movilidad.
R3. Definido entre la ASN y la CSN. Soporta la gestión de la movilidad.
R4. Definido entre una ASN y otra ASN. Soporta la movilidad entre
diferentes ASNs.
55
R5. Definido entre una CSN y otra CSN. Soporta el roaming entre
diferentes NSPs.
R6. Definido entre una estación base y una ASN-GW. Gestiona túneles IP
para eventos de movilidad.
R7. Interfaz lógica opcional entre la función de decisión y la función de
aplicación en la ASN-GW.
R8. Interfaz opcional definida entre una estación base y otra. Facilita la
existencia de handovers rápidos y sin fallos.
4.5.1 Red de acceso al servicio (ASN)
Esta red, dentro de la red global, comprende las entidades estación base
(BS) y la interfaz ASN Gateway (ASN-GW). La arquitectura de red WiMAX
permite a su vez la composición y/o descomposición de las entidades
funcionales en entidades físicas. También será posible combinar en una única
entidad física la estación base y la pasarela ASN.
4.5.2 Estación base (BS)
Implementa la capa física y MAC tal como se define en el estándar IEEE
802.16. En una red de acceso WiMAX, una BS está definida por un sector y
una frecuencia asignada. En el caso de la asignación multi-frecuencia de un
sector, este incluye tantas BS como frecuencias asignadas haya. La BS es
responsable de proporcionar el interfaz aire con la red a las estaciones de
usuario. Otras funciones adicionales de la estación base serán aquellas
relacionadas con la gestión de la movilidad de los usuarios, como por ejemplo
la realización de los handovers, la gestión de los recursos radio, la aplicación
de la política de QoS, la gestión de los diferentes flujos de tráfico y la gestión
de claves y sesiones.
4.5.3 Pasarela de red de acceso al servicio (ASN-Gateway)
La ASN-GW actúa típicamente como un punto de agregación de tráfico
de capa MAC dentro del ASN. Otras funciones adicionales que llevará a cabo
la pasarela será la gestión de la localización de usuarios, el control de admisión
al ASN y la gestión de recursos radio, almacenamiento de la información de los
suscriptores y sus claves de encriptado, la funcionalidad del cliente
56
Authentication Authorization and Accounting (AAA), el establecimiento y gestión
de la movilidad en colaboración con las estaciones base, la aplicación de la
política de QoS considerada, funcionalidad de agente externo para IP móvil y el
enrutado para la CSN seleccionada.
4.5.4 Red de conectividad al servicio (CSN) ó Switching Center (SC)
El CSN está formado por un conjunto de funciones y equipos que
permiten la conectividad IP a los suscriptores WiMAX. Incluye funciones como
autorización de conexión de usuario en la capa de acceso 3, administración de
la QoS, soporte de movilidad basado en Mobile IP, facturación de los
suscriptores WiMAX, servicios WiMAX (acceso a Internet, servicios de
localización,
conexión
de
servicios
Peer-To-Peer,
aprovisionamiento,
autorización y/o conexión a gestores de bases de datos o IMS).
4.6
Topologías
La topología de las redes basadas en 802.16 depende de varios factores,
entre ellos la asignación del espectro, la capacidad necesaria, servicios
prestados y por supuesto los problemas relacionados con la implementación
física. Las dos topologías principalmente usadas, son de estrella y mallada y se
muestran en la Figura 29.
En el primer caso para la topología estrella se observa una potencial
configuración backhaul para sistemas inalámbricos móviles usando tecnología
2,5G o 3G.
Figura 29. Topologías estrellas y mallada
57
Mientras que la topología mallada, está asociada con más frecuencia a
los sistemas inalámbricos móviles como 802.16e.
Ambas configuraciones tienen ventajas y desventajas. La configuración
estrella tiene mayor capacidad Mbps/km2. Sin embargo la configuración
mallada permite un despliegue más rápido, actuando sin línea de vista NLOS,
colocando las antenas principales en las zonas en las que se concentra el
tráfico (Smith & Meyer, 2004).
4.7
Capas del modelo de red WiMAX
El grupo IEEE 802.16 ha definido un estándar centrado en las capas
físicas y de enlace del modelo Open Systems Interconnection (OSI), para un
sistema de comunicaciones inalámbricas de banda ancha fija de alcance
metropolitano.
Figura 30. Torre de protocolos 802.11 y capa PHY y MAC 802.16
4.7.1 Capa física (PHY)
Esta capa física, llamada PHY, está basada en los estándares 802.162004 y 802.16e-2005 y para su diseño se basaron en las especificaciones de
Wi-Fi, especialmente en la norma del IEEE 802.11a. A pesar de que muchos
aspectos de estas dos tecnologías son diferentes, algunos de sus pilares
básicos son muy similares.
Como Wi-Fi, WiMAX está basado en los principios de la multiplexación
por división de frecuencias ortogonales (OFDM), la cual es una técnica de
modulación/acceso conveniente para condiciones de ausencia de visión directa
58
NLOS con altas tasas de datos. En WiMAX, sin embargo, los parámetros
dentro de la capa física son muy diferentes a los de Wi-Fi, ya que ambas
tecnologías van a trabajar en entornos muy diferentes.
4.7.1.1 OFDM
Wimax es la tecnología más puntera en soluciones inalámbricas y frente
a un escenario electromagnético que cambia, se basa en OFDM (Orthogonal
Frequency Division Multiplex) con un esquema de modulación adaptativa: 8
niveles de modulación (BPSK, QPSK, 16QAM y 64 QAM). El throughput se
optimiza en función de la robustez del enlace.
OFDM es el esquema de transmisión elegido para conseguir
transferencia de datos de alta velocidad, video y comunicaciones multimedia.
Enfocando OFDM a WiMAX fijo, 802.16-2004 utiliza OFDM con 256 subportadoras fijas, entre las que se usan 192 sub-portadoras de datos, 8 subportadoras piloto por temas de sincronización y estimación de canal y 56 subportadoras de banda de guarda.
Figura 31. OFDM. Modulación adaptativa
En la Figura 31. OFDM. Modulación adaptativa, se observa el esquema
OFDM, donde:
BPSK (Binario Phase Shift Keying): corresponde a la modulación de
desplazamiento de fase de 2 símbolos. También se la conoce como 2-PSK o
PRK (Phase Reversal Keying). Es el método más sencillo de todos, puesto que
59
solo emplea 2 símbolos, con 1 bit de información cada uno. Es también la que
presenta mayor inmunidad al ruido, puesto que la diferencia entre símbolos es
máxima (180º). Dichos símbolos suelen tener un valor de salto de fase de 0º
para el 1 y 180º para el 0. En cambio, su velocidad de transmisión es la más
baja de las modulaciones de fase.
QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying): se refiere a PSK con 4 estados o
cuatro fases en el que el transportista se envía en QPSK: 45, 135, 225, y 315
grados.
QAM
(Quadrature
amplitude
modulation):
puesto
que
en
las
telecomunicaciones digitales los datos son binarios, el número de puntos del
diagrama es normalmente una potencia de 2. Ya que el número de
cuantizaciones en QAM es generalmente un número cuadrado, las formas más
comunes son de 16-QAM, 64-QAM y 256 QAM. Al cambiar a una constelación
de orden superior, es posible transmitir más bits por símbolo. Sin embargo, si la
"energía promedio" de la constelación sigue siendo la misma, los puntos deben
estar más cercanos y son por lo tanto más susceptibles al ruido y la distorsión,
lo que resulta en una tasa de bits de error más alta y así la QAM de orden
superior puede ofrecer datos menos confiables que la QAM de orden inferior.
4.7.2 Capa MAC
El punto focal de la capa MAC consiste en administrar los recursos de
enlaces aéreos de una manera eficiente. Sus características son las siguientes:
•
Proporciona accesos para redes punto a multipunto.
•
Soporta redes de áreas metropolitanas.
•
Posee una conexión orientada.
•
Apoya a los usuarios en entornos difíciles:
¾ Alto ancho de banda, cientos de usuarios por canal
¾ Trafico continuo y descargas
¾ Eficiente uso del espectro
•
Ofrece flexibilidad QoS.
60
4.8
Aplicaciones
La utilización de sistemas de comunicaciones inalámbricas WiMAX
proporciona grandes posibilidades para entornos en situaciones muy diversas,
entre las que podemos mencionar las siguientes:
•
Tecnología de última milla para provisión de banda ancha
•
Conectividad en zonas rurales o con alta dispersión geográfica
•
Interconexión de infraestructuras de telecomunicaciones
•
Despliegue de instalaciones distribuidas de seguridad o industriales
•
Puesto de trabajo móvil en entorno laboral
•
Internet Móvil
•
Servicios de Movilidad
•
Soporte para entrenamientos militares
•
Proporciona sistemas de seguridad fronterizas
•
Conectividad para catástrofes y situaciones provisionales
•
Conectividad dentro del campus universitario
•
Sistemas de seguridad bancarios
61