SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA II.1 Historia Los

CAPÍTULO II: SISTEMAS INALÁMBRICOS DE BANDA ANCHA
II.1 Historia
Los sistemas de acceso inalámbrico de banda ancha surgieron en los años 70
como una forma alternativa al cable para transmitir las señales de televisión.
Actualmente, y dadas sus capacidades, los sistemas BW se utilizan para la
transmisión de voz y datos, acceso a Internet, y otros servicios interactivos, esto
debido a que el BW establece comunicaciones bidireccionales entre las estaciones
base y los usuarios.
Dos
tecnologías
han
alterado
la
situación
de
los
sistemas
BW
considerablemente: La disponibilidad de equipos de compresión digital a costo
relativamente bajo y la disponibilidad de sistemas de acceso con ancho de banda
compartido para la transmisión (bidireccional de datos).
Esta tecnología ha permitido:
•
Multiplicar la capacidad de los sistemas de BW de 31 a 155 canales.
•
Uso de esquemas de modulación espectralmente más eficientes, tipo 64
QAM, que permite 30Mbps por cada canal de 6MHz.
•
Uso de formatos de modulación QPSK y DQPSK para el canal de retorno.
•
Proporcionar servicios de acceso rápido a Internet a pequeñas y medianas
empresas y a usuarios residenciales.
•
Posibilidad de utilizar estos sistemas para transmitir voz sobre IP.
21
II.2 Definición
Los sistemas de comunicaciones inalámbricas de banda ancha proporcionan la
infraestructura
para
transportar
Tradicionalmente, los sistemas de
grandes
cantidades
de
información.
banda ancha son aquéllos que han
transportado medios de comunicación como video digital, audio digital y datos
para las aplicaciones de Internet a gran velocidad (mayor que 1 Mbps).
Figura II.1 Convergencia de los servicios de comunicaciones
Las soluciones que ofrecen los medios no guiados de gran ancho de banda son
un ejemplo claro de la convergencia de los mercados en el área de las
22
comunicaciones. Esta convergencia lleva a la unificación de la plataforma de
servicios al usuario final, como se muestra en la figura II.1 las redes inalámbricas
de gran ancho de banda prometen ofrecer un elevado grado de servicios en las
diferentes aplicaciones que se derivan de los tres grandes mercados que
actualmente se ofrecen:
•
Telecomunicaciones (Telefonía)
•
Broadcast/Video (Broadcast TV)
•
Servicios de alta velocidad de transmisión de datos
Por otro lado los medios inalámbricos ofrecen una plataforma ideal para
soportar servicios en desarrollo o por desarrollar como por ejemplo, aplicaciones
multimedia y de comunicaciones orientadas a objeto, ya que poseen el ancho de
banda requerido y es una solución relativamente más económica que el medio
guiado para alcanzar a muchos usuarios simultáneamente.
II.3 El Mercado Actual
El mercado de servicios que pueden ser ofrecidos sobre medios inalámbricos
de gran ancho de banda esta en constante cambio y depende, entre muchos
factores, del cambio que ocurra en el desarrollo de nuevas tecnologías. En adición
al mercado de servicios tradicionalmente inalámbricos, se están abriendo nuevas
ventanas de oportunidades como lo es el acceso a Internet y la interconexión a
redes LAN, para acceso a servidores y correos electrónicos, entre otros servicios
que eran tradicionalmente alámbricos. La evolución de los diferentes servicios que
se ofrecen sobre medios no guiados se puede observar en la figura II.2, que van
desde la radio y televisión hasta un servicio integrado basado en la comunicación
de datos de alta velocidad.
23
Existe además de los beneficios que ofrecen los medios no guiados, tanto a los
proveedores como a los usuarios, un catalizador que va a llevar a unificar en una
red de servicios inalámbricos todas las aplicaciones de usuario final, el cual es el
auge del concepto del Teletrabajador. Ya que cada vez es más importante el
hecho de poder ubicar, comunicarse o hacer llegar la información a tiempo, que la
ubicación física de la persona que posee dicha información.
Figura II.2 Evolución de los servicios de comunicaciones sobre medios inalámbricos
II.4 Características De Las Aplicaciones Y/O Servicios
Toda aplicación necesita diferentes cantidades de ancho de banda en ambas
direcciones. Tal y como se muestra en la figura II.3, algunas de ellas son de una
24
sola vía, otras por su parte requieren una mayor cantidad en una de las
direcciones (Upstream o Downstream) que en la otra, así como existen otras
aplicaciones que requieren la misma cantidad de ancho de banda en ambas
direcciones.
Figura II.3 Demanda de ancho de banda de los servicios de comunicaciones
Estos servicios requieren diferentes niveles de interactividad, algunos operan
sobre una base de almacenaje y reproducción de la información y por otro lado
existen algunos que necesitan conexión de tiempo real, estos usuarios necesitan
que se les garantice un nivel de servicio aceptable en los diferentes casos
posibles.
25
Otro aspecto importante que requieren estos servicios son los niveles de
seguridad y de conectividad que son solicitados por los usuarios finales, ya que en
estos aspectos es donde en la actualidad existe la mayor cantidad de
inconvenientes de la seguridad en las transmisiones por medios no guiados.
La rentabilidad de los medios no guiados para sistemas de comunicaciones
personales y sus diferentes aplicaciones, depende de varios factores: cantidad de
frecuencias, banda de frecuencia, restricciones de los entes reguladores,
configuración de la red, costo de la tecnología y número de usuarios, entre otros.
II.5 Tipos De Aplicaciones Y Servicios
Los sistemas inalámbricos de banda ancha pueden ser utilizados en casi todas
las aplicaciones del cable, éste puede ser un circuito T1, un cable de televisión vía
cable, un cable de Ethernet o un cable de fibra óptica. Los sistemas inalámbricos
de banda ancha son diseñados de tal modo que emulen uniones de cable, y ellos
usan el mismo tipo de interfaces y protocolos, como T1, Frame Relay, Ethernet y
ATM. Los sistemas inalámbricos de banda ancha son usados tanto para
comunicaciones de voz como para llevar la programación de televisión. El
desarrollo más nuevo en sistemas fijos inalámbricos está centrado en la
transmisión de datos, como el acceso a Internet, pero es flexible para apoyar tanto
comunicaciones de datos como de voz. Los sistemas fijos inalámbricos emparejan
a los sistemas a base de cable en todos los parámetros importantes, incluyendo el
retardo, el índice de errores binarios (1 en 100 millones o mejor) y el rendimiento
(1 Mbps a 155 Mbps). Por consiguiente cualquier aplicación que funciona sobre un
cable debe ser capaz de funcionar sobre un sistema fijo inalámbrico. La única
26
excepción es la comunicación que implica satélites geosíncronos donde las
tardanzas pueden exceder un cuarto de segundo.
Entre los diferentes servicios prestados en los sistemas de comunicaciones
personales sobre medios inalámbricos de gran ancho de banda, se puede
establecer una clasificación según las direcciones de la comunicación que
envuelven y si deben o no ser recibidas en tiempo real:
•
Una dirección, tiempo no-real: En este tipo de aplicación el usuario final
configura los diferentes parámetros de su equipo receptor (como por
ejemplo que canal de TV desea observar) y no posee otro tipo de
interacción con el proveedor de servicios. En este tipo de servicios se
pueden catalogar las aplicaciones como televisión y distribución de video.
•
Una dirección, tiempo real: Estos servicios se utilizan para distribución en
"vivo" o en tiempo real de la información, proveyendo integración en un solo
sentido, el más usual es desde el proveedor hacia el usuario. Entre los
servicios sobre plataformas inalámbricas de gran ancho de banda se
pueden nombrar la televisión en vivo (Noticias de las 10:00 y/o cadenas
nacionales) y el datacasting (en la cual se envía la información de
actualización de precios, noticias de último momentos, etc.). El ancho de
banda de estos servicios depende del formato en que se este transmitiendo
y debe ser recibido por todos los usuarios simultáneamente.
•
Asimétrico y en tiempo no-real: Generalmente este tipo de servicios no
poseen gran demanda de la plataforma de la red, pero son los tipos de
servicios que más se están solicitando en estos días. Estos servicios
requieren un relativo alto ancho de banda en sentido hacia el usuario y un
reducido ancho de banda en sentido opuesto, lo que más preocupa al
usuario final es la rapidez de acceso y obtención de la información, así
como la seguridad del medio, en estas aplicaciones se pueden nombrar el
acceso a la WEB, Servicios de directorios, Servicios de información
27
Multimedia, transacciones bancarias y de compras desde el hogar, y
servicios de adiestramiento a distancia.
•
Asimétrico en tiempo real: Al igual que los servicios anteriores es
necesario un gran ancho de banda en sentido hacia el usuario final, pero
este último debe tener control en tiempo real del contenido provisto por la
aplicación. Como parte de este tipo de servicios se pueden nombrar,
Noticias y entretenimiento en "vivo", juegos interactivos (Multiusuarios),
Surveillance, Control y diagnóstico remoto.
•
Simétrico en tiempo no-real: Este tipo de servicios debe proveer el mismo
ancho de banda desde y hacia el usuario final, así como sirve de medio de
almacenaje y envío de la información cada vez que el usuario final está en
la disposición de efectuarlo. Como ejemplo de estos servicios se pueden
nombrar la mensajería de voz y multimedia, correos electrónicos, y los
sistemas EDI (Electronic Data Interchange). Los requerimientos más
importantes para estos servicios son la accesibilidad a la red de servicios y
la seguridad de las transmisiones.
•
Simétrico en tiempo real: Este tipo de aplicaciones son las más complejas
y que más exigen en cualquier tipo de red, estos requieren garantías en
términos de ancho de banda, integración, acceso, soporte y control. Entre
estos servicios se pueden nombrar la videoconferencia, para la cual es
necesario asegurar el ancho de banda en ambos sentidos para la
transmisión de la información audio visual ya que es muy susceptible al
retardo y al jitter, acceso remoto a LAN, debido a la cantidad de
documentos, grado de servicio, seguridad y movilidad que se desea
dependiendo del usuario final. Trabajo colaborativo que es un poco más
complejo que la videoconferencia ya que además del video y el audio se
envían datos a gran velocidad por lo que se necesitan las características de
los dos servicios anteriores. La telefonía básica y sobre Internet que
requiriere de poco ancho de banda para garantizar un grado aceptable de
servicio, pero un alto nivel de accesibilidad.
28
II.6 Alámbrico Contra Inalámbrico
En algunos casos, un sistema inalámbrico es la única opción. Hoy menos del
10 por ciento de edificios tienen fibra óptica, y sólo aproximadamente el 50 por
ciento está bastante cercano a una central (3.5 kilómetros) para aprovechar la
tecnología DSL. Así en muchos casos, una conexión inalámbrica podría ser la
única opción para comunicaciones rápidas. Esto principalmente en las áreas más
remotas. En algunos lugares, la única opción para comunicaciones sería el
satélite.
Cuando tanto las opciones inalámbricas como las alámbricas existen, los
motivos potenciales para preferir los sistemas inalámbricos son los gastos
inferiores,
despliegue
más
rápido,
mayor
flexibilidad
y
fiabilidad.
Lamentablemente los gastos y el despliegue tienen que ser evaluados caso por
caso y los gastos dependerán de las circunstancias particulares. En países
desarrollados, un sistema inalámbrico no será más confiable que opciones
alámbricas, pero en países en vías de desarrollo las comunicaciones inalámbricas
pueden ser mucho más confiables.
Ventajas
Los sistemas inalámbricos de banda ancha se están desplegando en el
mercado con la idea de satisfacer una serie de funciones, como por ejemplo dar
acceso a redes, pero sin duda su principal ventaja frente a los sistemas con
cableado está en la posibilidad de proveer este acceso desde cualquier punto. Sin
embargo ésta no es la única ventaja:
•
La velocidad de despliegue en red es mucho más rápida con los sistemas
inalámbricos lo que permite una entrada en el mercado también más rápida.
29
•
Los costos de entrada, despliegue y mejora del servicio son menores que
las alternativas de cable, puesto que la ingeniería de cableado resulta
mucho más cara.
•
El desembolso por manutención es también menor.
•
Una arquitectura escalable permite la expansión de la cobertura y los
servicios en relación directa con el nivel de demanda.
•
Únicamente se requiere una arquitectura de redes para proveer voz, video y
datos, y puede ser expandida cuando se desee.
Limitantes
Las comunicaciones inalámbricas de banda ancha ofrecen una tremenda
flexibilidad y un performance o desempeño mejorado, pero tiene algunas
limitaciones. En primer lugar, utilizan el espectro radioeléctrico, que es un recurso
finito. Esto limita el número de usuarios y la cantidad del espectro disponible para
cualquier usuario en cualquier momento. La cantidad de espectro disponible se
compara casi directamente con el ancho de banda de los datos, con 1 Hz del
espectro típicamente se tiene entre 1 y 4 bps del rendimiento en función de varios
factores, entre los que se encuentran el tipo de modulación utilizada y el medio
ambiente. La cantidad de espectro realmente disponible varía de radio banda a
radio banda, pero basta con decir que la fibra óptica ofrece una capacidad total
mucho mayor. A pesar de este limitante en la capacidad, los sistemas
inalámbricos ofrecen un ancho de banda suficiente para muchas aplicaciones.
Otra limitación es que los sistemas inalámbricos de banda ancha funcionan en
frecuencias que casi siempre requieren de línea de vista y esto es restrictivo para
distancias que varían de unos cuantos kilómetros a decenas de kilómetros.
Existen muy pocos estándares para los sistemas inalámbricos de banda ancha,
por lo que se debe comprar el equipo del mismo vendedor para ambos lados de la
conexión con la finalidad de asegurar interoperabilidad.
30
II.7 Principios De Operación
Los sistemas de comunicaciones inalámbricas de banda ancha están
comprendidos típicamente por una célula o un grupo de células, cada una de las
cuales contienen varias terminales inalámbricas (también conocidas como
estaciones adaptadoras, unidades subscriptoras, o CPEs Customer Permise
Equipments). Cada célula consiste en uno o más puntos de acceso (también
conocido como Unidades de Acceso), dispositivos que normalmente se conectan a
un backbone existente (en este caso, un backbone de IP con una interfaz de
Ethernet), el cual maneja todo el tráfico dentro del área cubierta. Las terminales
dentro del área de cobertura de un punto de acceso se conectan al backbone de la
red a través del punto de acceso. Todas las terminales asociadas con un punto de
acceso son sincronizadas por frecuencia y tiempo en el orden de transmitir y
recibir datos a y desde éste. La misma regla solicita un dispositivo de intercepción.
Para que los datos sean interceptados debe emplearse un dispositivo inalámbrico
y debe sincronizarse dentro del área cubierta por el punto de acceso.
II.8 Espectro Radioeléctrico
Los sistemas inalámbricos de banda ancha utilizan frecuencias asignadas de
aproximadamente 900 MHz a 40 GHz. Existen múltiples bandas de frecuencia
adjudicadas para el uso privado y múltiples bandas para el uso de carrier.
Además, algunas bandas son designadas para el uso autorizado mientras los
otras pueden ser usadas sin una licencia.
31
Las frecuencias más altas tienen algunas ventajas sobre frecuencias inferiores,
pero también sufren algunos inconvenientes. La ventaja principal de las
frecuencias más altas consiste en que hay más espectro disponible para
aplicaciones de banda ancha. La mayoría de los sistemas de banda ancha usan
frecuencias por encima de los 10 GHz. Las antenas en estas frecuencias son más
pequeñas debido a las longitudes de onda más pequeñas, haciendo los sistemas
más fáciles para desplegar. Pero con frecuencias superiores los componentes
exigen tecnología más sofisticada, entonces los sistemas son más caros. La
distancia de propagación para comunicaciones confiables disminuye y la señal es
más susceptible a condiciones meteorológicas como lluvia y niebla. Los sistemas
de frecuencia superiores, aquellos por encima de 30 GHz, son a veces referidos
como de onda milimétrica porque la longitud de onda de estas señales es del
orden de 1 milímetro.
Tanto los sistemas de carrier como los privados tienen la opción de utilizar el
espectro licenciado o no licenciado. La ventaja principal del espectro no licenciado
es la capacidad de desplegar un sistema sin solicitar una licencia de la FCC
(Federal Communications Commission) o cuerpo equivalente en otros países. La
desventaja es que se puede experimentar o causar interferencia, aunque el tipo de
tecnología usada en estas frecuencias minimiza esta posibilidad.
Las frecuencias principales son:
900 Hz, 2.4 GHz y 5.8 GHz: Sistemas no licenciados que usan técnicas spreadspectrum.
•
2.5 GHz: Licenciado a portadores para MMDS.
•
5 GHz: Nueva banda no licenciada referida a UNII.
•
23 GHz: Comúnmente utilizada para sistemas LAN de microondas.
•
28 GHz: Licenciado a portadores para LMDS.
32
•
38/39 GHz: Licenciado para portadores de servicios de comunicaciones de
objetivo general.
II.9 Frecuencias De Aplicación Y Asignación
Tabla II.1 Ancho de banda de algunos servicios inalámbricos
SISTEMA
ANCHO DE
BANDA
MVDS
2 GHz
LMDS
1 GHz
MMDS
186 MHz
DBS
500 MHz
WLAN (en el rango de 2.4 GHz)
83.5 MHz
Broadband PCS
30 MHz
Telefonía Celular
25 MHz
Broadcast TV
6 MHz
Las badas de frecuencia asignadas a los sistemas inalámbricos de banda
ancha se encuentran en las atribuidas a los servicios fijos, con excepción de la
ventana de los 40.5 - 42.5 GHz para el sistema MVDS. Los anchos de banda de
los sistemas LMDS/MMDS se observa en la Tabla II.1. La mayor ventaja técnica
de los sistemas BW sobre otros sistemas inalámbricos se debe a su gran ancho
de banda (ver Tabla II.1). Este ancho de banda permite a LMDS y MVDS apoyar
servicios simultáneos como voz, fax, video bajo demanda, Internet, video
33
conferencias, tele educación, telemedicina, telebanca, telecompras y juegos de
videos a través de una sola red.
II.10 Geografía Y Clima
Con la mayor parte de comunicaciones de datos no existe preocupación por si
hay una colina entre uno y otro punto, o si el día es soleado, lluvioso, etc. Pero con
las comunicaciones inalámbricas, se debe considerar tanto la geografía como el
clima.
En primer lugar veremos la geografía. Se ha enfatizado ya en la línea de vista.
¿Pero qué significa esto exactamente? Esto significa que las dos antenas deben
ser claramente visibles la una de la otra. Entonces deben tomarse en cuenta
aspectos como el de la vegetación o futuras construcciones. Si los sitios están
separados por varios kilómetros, ¿cómo se puede contar con que se tiene línea de
vista? Existen compañías que se especializan en la integración inalámbrica y que
tienen la capacidad de dar asistencia en el análisis del lugar. Los paquetes de
software que caracterizan el terreno de áreas particulares también pueden ser de
utilidad. Las aproximaciones de tecnología de bajo nivel, como el reflejo de un
espejo, también pueden considerarse.
En segundo lugar el clima no debe considerarse un factor importante en las
bandas no autorizadas de 2.4 GHz y de 5.8 GHz, pero sí en las bandas de ondas
milimétricas mayores o iguales a 28 GHz. Un enlace de 5 kilómetros que funciona
en 38 GHz con una precipitación pluvial pesada de una pulgada por hora sufrirá
una degradación de 1,000 veces en la potencia de la señal recibida. Por lo que los
portadores deben diseñar sus enlaces con el margen necesario para soportar el
mal tiempo.
34
II.11 Extensión
Asumiendo que la mayoría de los canales MMDS RF están dedicados a
servicios de entrega de video de entretenimiento, sólo un límitado número de
canales está disponible para datos D/S. La capacidad del subscriptor
probablemente será insuficiente en las grandes ciudades y áreas metropolitanas.
Si el ruteador, módem y la capacidad de las líneas de comunicaciones al PoP
(Point of Presence) pueden ser escaladas como es necesario, el ancho de banda
efectivo D/S puede aumentar proporcionalmente. Este aumento de capacidad D/S
puede ser realizado mediante la sectorización y/o celularización de las
frecuencias, incluyendo el reuso de éstas.
La sectorización es la técnica en la cual se emplea un arreglo de antenas
altamente direccionales para reutilizar los canales de RF en una determinada zona
geográfica. En este contexto, la reutilización de frecuencias se refiere al envío de
distinta información a diferentes usuarios utilizando varias veces los mismos
canales de RF. Por ejemplo, supóngase que se dispone de un arreglo de antenas
que permite dividir la zona a cubrir en 6 sectores de 60° cada uno; si se dispusiera
solamente de un par de canales A y B, ello permitiría utilizar 3 veces cada canal
para transmitir distinta información, lo cual triplica la capacidad de cada canal. En
un esquema de sectorización existirá un compromiso entre el incremento de la
capacidad asociado al número de sectores cubiertos y el incremento de la
capacidad asociado a la utilización de esquemas de modulación cada vez más
complejos, cuya susceptibilidad al ruido e interferencia será cada vez mayor.
Cuando se utiliza la sectorización es necesario contar con una adecuada
separación entre sectores adyacentes, lo cual puede lograrse utilizando antenas lo
suficientemente directivas y polarizaciones alternas. Por lo general, en un entorno
libre de obstáculos y de trayectorias múltiples, un aislamiento entre sectores de 30
dB suele dar resultados satisfactorios.
35
La técnica de celularización es aquella en la que se utilizan múltiples
transmisores para enviar información a grupos de suscriptores que están
geográficamente dispersos; cada grupo de suscriptores se halla dentro de una
región o celda. El incremento en la capacidad se produce al enviar diferente
información de RF desde distintas celdas utilizando los mismos canales de RF. En
la práctica se acostumbra utilizar la combinación de técnicas de sectorización y
celularización. Para utilizar un esquema de celularización es necesario contar con
un enlace de banda ancha entre la estación central y cada una de las estaciones
base, el cual permitirá acomodar el crecimiento del ancho de banda provocado por
la reutilización de frecuencias. Dicho enlace suele ser de fibra óptica o microondas
punto-a-punto. Por supuesto, es necesario diseñar tomando en cuenta la
presencia de señales ajenas a la deseada en cada una de las celdas, lo que
representa un problema tan grave como en el caso de la telefonía celular, en el
que cada uno de los usuarios dispone de antenas omnidireccionales: en MMDS
cada suscriptor emplea antenas altamente direccionales, dirigidas hacia la
respectiva estación base.
En un sistema celularizado podrían emplearse dos técnicas básicas de
multicanalización: multicanalización
por división de frecuencias
(FDM) y
multicanalización por división de tiempo (TDM). La elección está dictada por el
espectro disponible y el tamaño de las celdas a servir. Esto último es una función
de factores tales como la potencia disponible para la transmisión, el formato de
modulación, la ganancia de las antenas, el tipo de terreno, etc. Por razones de
competitividad se requiere un tamaño de celda relativamente grande, ya que al
reducir el tamaño de la celda suben los costos de infraestructura.
En la figura II.4 se muestra un esquema de sectorización y celularización.
36
Figure II.4 Sectorización y celularización.
37
38