Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica
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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico Comparativa entre las tecnologías inalámbricas Wi-Fi y Wi-Max Por: Jorge Antonio Rojas Alvarado Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Noviembre del 2006 Comparativa entre las tecnologías inalámbricas Wi-Fi y Wi-Max Por: Jorge Antonio Rojas Alvarado 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. Johnny Cascante Ramírez Profesor Guía _________________________________ Ing. Guillermo Rivero G Profesor lector _________________________________ Ing. Harold Moreno Profesor lector ii DEDICATORIA El siguiente proyecto se lo dedico a todas las personas que me han apoyado en algún momento de mi formación académica; en especial a mis padres y hermanas, a Ana Luisa y a mis amigos. Ellos han sido mi fortaleza en los momentos más difíciles, pero sobre todo, la compañía con la que siempre puedo contar. iii RECONOCIMIENTOS A la Universidad de Costa Rica, y en especial a la Escuela de Ingeniería Eléctrica, con todos sus integrantes docentes y administrativos, por brindarme las bases y herramientas académicas y humanas necesarias para llegar a ser un profesional. iv ÍNDICE GENERAL INDICE DE FIGURAS..................................................................................vii ÍNDICE DE TABLAS.................................................................................. viii NOMENCLATURA........................................................................................ix RESUMEN.......................................................................................................xi CAPITULO 1. Introducción ...........................................................................1 1.1 Justificación ......................................................................................................................1 1.2 Objetivos...........................................................................................................................4 1.2.1 Objetivo General....................................................................................................4 1.2.2 Objetivos Específicos ............................................................................................4 1.3 Metodología ......................................................................................................................4 CAPITULO 2: Introducción a redes inalámbricas.......................................6 2.1 Red inalámbrica ................................................................................................................6 2.1.1 Aplicaciones...........................................................................................................8 2.1.2 Ventajas .................................................................................................................8 2.1.3 Tipos ....................................................................................................................10 2.1.4 Regulación de las comunicaciones inalámbricas.................................................13 2.1.5 Arquitectura de las redes inalámbricas ................................................................14 CAPITULO 3: Tecnologías de transmisión inalámbrica...........................17 3.1 HiperLAN/2 ....................................................................................................................17 3.2 Home RF.........................................................................................................................18 3.3 Bluetooth (estándar IEEE 802.15.1) ...............................................................................19 3.4 LMDS .............................................................................................................................21 3.5 Sistemas de comunicación celular ..................................................................................22 3.5.1 Primera Generación (1979-1991) ........................................................................22 3.5.2 Segunda Generación (1991-2001) .......................................................................23 3.5.3 Tercera Generación (2001-Presente) ...................................................................23 3.5.4 Cuarta Generación (Futuro) .................................................................................23 3.6 Wi-Fi (Estándar IEEE 802.11)........................................................................................24 3.7 Wi-Max (Estándar IEEE 802.16)....................................................................................27 CAPITULO 4: Arquitectura y funcionamiento de redes que utilizan los estándares Wi-Fi y Wi-Max ..........................................................................31 4.1 Arquitectura de las redes Wi-Fi ......................................................................................31 v 4.1.1 Topologías Wi-Fi .................................................................................................32 4.2 Arquitectura de las redes Wi-Max ..................................................................................38 4.3 Métodos de transmisión de datos..................................................................................42 4.3.1 Capas de la tecnología Wi-Fi...............................................................................42 4.3.2 Capas de la tecnología Wi-Max...........................................................................45 4.4 Modulación .....................................................................................................................48 4.4.1 DSSS....................................................................................................................48 4.4.2 OFDM ..................................................................................................................51 CAPITULO 5: Aplicaciones, ventajas y desventajas de las tecnologías WiFi y Wi-Max ....................................................................................................56 5.1 Aplicaciones y ventajas generales de las tecnologías inalámbricas ...............................56 5.2 Aplicaciones Wi-Fi y Wi-Max .......................................................................................57 5.2.1 Aplicaciones Wi-Fi ..............................................................................................57 5.2.2 Ventajas y desventajas Wi-Fi ..............................................................................61 5.2.3 Aplicaciones Wi-Max ..........................................................................................63 5.2.4 Ventajas y desventajas Wi-Max ..........................................................................66 CAPITULO 6: Conclusiones y recomendaciones .......................................71 6.1 Conclusiones...................................................................................................................71 6.2 Recomendaciones ...........................................................................................................74 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................76 ANEXOS .........................................................................................................78 vi INDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Topología peer to peer...........................................................................................7 Figura 2.2 Radios de cobertura de redes inalámbricas .........................................................13 Figura 2.3 Red centralizada2 .................................................................................................16 Figura 2.4 Red distribuida ....................................................................................................16 Figura 4.1 Topología Ad-Hoc...............................................................................................33 Figura 4.2 Topología Infraestructura ....................................................................................34 Figura 4.3 Topología BSS4 ...................................................................................................34 Figura 4.4 Topología ESS.....................................................................................................35 Figura 4.5 Topología Mesh...................................................................................................36 Figura 4.6 Access Point de CISCO Systems ........................................................................37 Figura 4.7 Tarjeta PCMCIA de CISCO Systems .................................................................37 Figura 4.8 Arquitectura básica Wi-Max ...............................................................................39 Figura 4.9 Torre Wi-Max......................................................................................................40 Figura 4.10 Receptores Wi-Max para abonado ....................................................................41 Figura 4.11 Capas de la tecnología Wi-Fi ............................................................................42 Figura 4.12 Capas de la tecnología Wi-Max ........................................................................46 Figura 4.13 Señal ensanchada mediante DSSS8 ...................................................................49 Figura 4.14 DSSS codificado mediante la secuencia de Barrer ...........................................50 Figura 4.15 Frecuencias de los canales DSSS ......................................................................51 Figura 4.16 Detalle de un canal IEEE 802.11a.....................................................................53 Figura 5.1 Esquema resumen de posibles aplicaciones Wi-Fi y Wi-Max ............................70 vii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Características de redes inalámbricas heterogéneas sobrepuestas.......................12 Tabla 3.1 Cobertura del 802.11b ..........................................................................................26 Tabla 3.2 Cobertura del 802.11a...........................................................................................26 Tabla 3.3 Resumen de los principales estándares Wi-fi ......................................................27 Tabla 3.4 Resumen de los principales estándares Wi-Max .................................................30 Tabla 5.1 Tabla comparativa entre Wi-Fi y Wi-Max ..........................................................69 viii NOMENCLATURA ADSL Asymmetrical Digital Subscriber Line ATM Asynchronous Transfer Mode BSS Basic Service Set DECT Telecomunicaciones inalámbricas digitales “realzadas” DRS Dynamic Rate Shifting DSSS Direct Sequence Spread Spectrum’ ETSI European Telecommunicatios Standards Institute FDD Frequency Division Duplex FSO Free Space Optics. GHz Gigahertz HRFWG Home RF Working Group IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers. IP Internet Protocol ISDN Integrated Service Digital Network ITU Internacional Telecommunications Union LMDS Local Multipoint Distribution System LOS Line-of-sight MAC Media Access Control Mbps Megabit per second MHz Megahertz NLOS Non-line-of-sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing. OFDMA Orthogonal Division Multiple Access PDA Personal Digital Assistant. PHY Physical Layer ix PLC Power Line Communication. QAM Quadrature Amplitude Modulation. QoS Quality of service SWAP Shared Wireless Access Protocol TDD Time Division Duplex UMTS Universal Mobile Telecommunications System Wi-Fi Wireless Fidelity Wi-Ma x Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WPAN Wireless Personal Area Network WWAN Wireless Wide Area Network x RESUMEN El presente proyecto se realizó con la idea de conocer las tecnologías de acceso inalámbrico conocidas como Wi-Max y Wi-Fi; de manera que se pudieran puntualizar sus principales ventajas y desventajas a la hora de implementarse, y así delimitar sus posibles escenarios de aplicación. El proyecto fue concebido, a base de investigación bibliográfica, la cual se llevo a cabo en páginas de Internet, artículos de revistas y foros. Las tecnologías que nos sirven para implementar redes inalámbricas han tenido un auge tremendo en los últimos años, de manera que para facilitar su desarrollo en el mundo se han implantado estándares que rijan su funcionamiento, de manera que se logre universalizar el concepto, y que en cualquier lugar se pueda tener acceso a la red sin necesidad de instalar nuevos dispositivos. Cada uno de estos estándares aplica a diferentes entornos, dependiendo básicamente de su alcance y ancho de banda; de aquí que el funcionamiento de Wi-Fi y Wi-Max sea similar, y que su básica diferencia se de en las aplicaciones que se le da a cada uno, siendo el primero más utilizado en ámbitos locales, mientras que el segundo en redes metropolitanas. Los estándares estudiados, representan una herramienta muy poderosa para el futuro de las comunicaciones inalámbricas del mundo, y se puede obtener el máximo provecho de ellas si se fomenta el claro manejo de sus fortalezas y debilidades en cada escenario, para que en lugar de verse como tecnologías competidoras, logren trabajar como aliadas, de forma paralela y complementaria en el mejor desarrollo de las comunicaciones. xi CAPITULO 1. Introducción 1.1 Justificación Desde que el ser humano aprendió cómo comunicarse, se han desarrollado con el pasar de los años distintos métodos y técnicas para realizarlo. Un aspecto que ha adquirido vital importancia es el de interconectar dispositivos, para que logren comunicarse entre ellos, de forma que se puedan compartir datos y programas, evitando así la redundancia de los mismos, cuando su uso puede ser compartido. De esta necesidad surgió lo que se conoce como una red de área local o LAN por sus siglas en inglés “Local Área Network”; la cual es una interconexión de varias computadoras y periféricos, que permite la interoperabilidad de los mismos, en forma local, tal y como su nombre la define; esto significa que su extensión se encuentra limitada a un edificio o un radio de pocos metros. El término local incluye tanto al hardware como al software, necesarios para realizar la interconexión de los diferentes dispositivos de la red y el tratamiento de los datos dentro de la misma. Las primeras LAN aparecieron al final de los años 1970, y se creaban líneas de alta velocidad, para conectar grandes computadoras centrales a un solo lugar. En esta época se crearon sistemas como Ethernet y Arcnet, los cuales fueron los más populares. Luego se desarrollaron redes más generales, para comunicar zonas geográficas más extensas; de donde nacen las redes MAN (Red de área metropolitana) y las redes WAN (Red de área amplia), por sus siglas en inglés “Metropolitan Area Network” y “Wide Area Network” respectivamente; las cuales proporcionan múltiples soluciones de transmisión de datos, voz y vídeo. La cobertura de estas redes no se limita a un entorno metropolitano, sino que puede llegar a una cobertura regional, nacional e incluso continental, mediante la interconexión de diferentes varias redes. 1 2 Desde hace varios años, gracias a los avances en el área de las telecomunicaciones, la tendencia ha sido dejar de utilizar medios físicos para la implementación de redes, con lo cual las tecnologías inalámbricas han venido experimentando un crecimiento inmenso, el cual cada vez se hace mayor. Además de esto, aunque inicialmente se utilizaban estas redes para transmisión de datos y voz, hoy en día se utilizan también para brindar soluciones de conectividad y banda ancha. La transmisión inalámbrica, da cabida a diferentes tecnologías, como Wi-Fi, Bluetooth, DECT, Wi-Max entre otras; donde diferentes aparatos se comunican utilizando ondas radioeléctricas mediante un emisor y un receptor incorporados en su sistema; brindando ventajas tales como la libertad de movimiento, así como facilitar la posibilidad de replantear lugares de trabajo sin la necesidad e incomodidad de cablear un sistema, lo que ahorra tiempo y dinero. Las técnicas más conocidas que se utilizan en las redes inalámbricas son: infrarrojos, microondas, láser y radio. Las redes por radio se pueden configurar de distintas maneras integrando soluciones más robustas, de mayor ancho de banda y con opciones de mayor penetración y menor alcance para acceso de usuarios finales. Dentro de las tecnologías de comunicación inalámbrica más conocidas, se encuentra Wi-Fi, publicada bajo el estándar 802.11, la cual ha variado con el pasar del tiempo, con lo que se han dado otras “versiones” (802.11a, 802.11b, 802.11g), las cuales básicamente varían una de la otra, en que trabajan a diferentes velocidades. Wi-Fi se creó para ser utilizado en un inicio en las redes LAN, pero con el pasar del tiempo se le ha tratado de dar otras utilidades como en redes MAN y acceso a Internet. Otra tecnología utilizada en redes inalámbricas es Wi-Max, del inglés “Worldwide Interoperability for Microwave Access” (Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas) la cual es un estándar de transmisión inalámbrica de datos 802.16, diseñado para ser utilizado en regiones MAN. 3 Es bien sabido que en estos tiempos el uso de las tecnologías inalámbricas ha tenido gran auge y cada vez toma más fuerza; estas tecnologías se han desarrollado con mucha velocidad, y siguen en constante desarrollo; con ellas se logran ofrecer gran cantidad de soluciones, para una amplia gama de aplicaciones y accediendo a lugares que antes eran muy difíciles de soportar. Al día de hoy, dos de las más utilizadas tecnologías de este tipo son las presentadas en los párrafos anteriores; y aunque es muy dado a pensarse que WiMax es una evolución de Wi-Fi, y que pronto la primera despachará a la segunda; estas en realidad son tecnologías paralelas, las cuales tienen diferentes aplicaciones, para una combinación de necesidades, y que juntas pueden llegar a dar soluciones muy completas de transmisión inalámbrica. La siguiente investigación se encuentra dirigida al estudio de las tecnologías Wi-Fi y Wi-Max, cómo funcionan, cuáles son sus principales aplicaciones, cuáles sus respectivas ventajes y desventajas; todo esto con el fin de lograr establecer un análisis de la mejor utilidad para cada tecnología; conocer sus limitantes para establecer en qué casos una es más eficiente que la otra. También se tocará levemente el tema de otros estándares transmisión inalámbrica, los cuales se utilizan en aplicaciones más específicas y de menor envergadura; esto con la idea de contextualizar el tema. La importancia de realizar una investigación de este tipo, es dar a conocer de forma clara y concisa al usuario, la forma en que operan estas tecnologías, y para qué aplicaciones y contextos es útil cada una de ellas, esto, mediante un análisis de sus diferentes beneficios y limitantes, con lo que se pretende, brindar nuevas alternativas de comunicación para diferentes zonas geográficas; y fomentar un conocimiento generalizado sobre este tema; tanto para profesionales, como para usuarios. 4 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General Conocer el funcionamiento de las tecnologías inalámbricas WI-FI y WI-MAX, con el fin de puntualizar sus principales ventajas y desventajas a la hora de implementarlas en diferentes aplicaciones. 1.2.2 Objetivos Específicos • Efectuar un estudio básico sobre redes inalámbricas LAN, MAN y WAN. • Realizar una reseña histórica de las tecnologías y estándares de transmisión inalámbrica en estudio. • Estudiar los fundamentos de funcionamiento de las tecnologías Wi-Fi y WiMax. • Estudiar las partes constitutivas de los sistemas inalámbricos que funcionan bajo las tecnologías mencionadas. • Conocer detalladamente las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías (Wi-Fi y Wi-Max). • Analizar las limitaciones y beneficios de cada tecnología, para así determinar las aplicaciones y lugares en que conviene más su implementación. 1.3 Metodología Para llevar a cabo la investigación planteada se utilizará la siguiente metodología: 5 • Recopilación de información bibliográfica acerca de los aspectos generales de las redes LAN, MAN y WAN inalámbricas. Toda la búsqueda de la información se realiza en artículos publicados en libros, revistas y publicaciones en Internet. • Recopilación de información bibliográfica acerca de los aspectos específicos de las dos tecnologías de transmisión inalámbrica en cuestión; las cuales son Wi-Fi y Wi-Max. Esta recopilación también se basará en artículos publicados en libros, revistas y publicaciones en Internet. • Recopilación de información general sobre otras tecnologías de transmisión inalámbricas aparte de las que están en estudio. Toda la búsqueda de la información se realiza en artículos publicados en libros, revistas y publicaciones en Internet. • Realización de un análisis acerca de las diferentes aplicaciones que demandan las tecnologías Wi-Fi y Wi-Max, para lograr determinar la mejor utilización de las mismas. • Redacción de un informe escrito del proyecto, de acuerdo con las especificaciones expuestas en el programa del curso, incluyendo una revisión de los capítulos I y II, entrega y revisión de un avance, un borrador final y una versión final del trabajo. Además se realizará una presentación oral, para la defensa del proyecto. CAPITULO 2: Introducción a redes inalámbricas 2.1 Red inalámbrica Durante los últimos años, las redes inalámbricas han tenido un auge muy importante. El crecimiento de los usuarios en este tipo de sistemas, es cada vez mayor, lo que ha provocado una necesidad de incrementar su capacidad, tanto en cobertura como en velocidad y ancho de banda. Se entiende como comunicación inalámbrica, todo sistema de comunicaciones que transfiere y recibe datos utilizando ondas electromagnéticas, sin tener la necesidad de utilizar par trenzado, coaxial o fibra óptica; así, se define una red inalámbrica cómo una que utiliza el aire como medio de propagación; y que proporcionan conectividad en diferentes arquitecturas. En sus inicios las aplicaciones de este tipo de redes, fueron específicas para la industria o grandes comercios. En la actualidad estas redes son instaladas en campus universitarios, hogares, hospitales o incluso espacios públicos. El gran desarrollo de Internet y de dispositivos informáticos cada vez más personales (computadoras portátiles, agendas personales (PDA’s) y teléfonos celulares, entre otros) hace que los usuarios demanden métodos de comunicación con mayor movilidad y flexibilidad. En este tema son cada vez más el número de soluciones inalámbricas: GSM, UMTS, Wi-Fi, Bluetooth, GPRS, 3G, LMDS, Wi-Max, entre otras. Existen varios tipos de redes inalámbricas, dentro de las cuales sobresalen dos tipos: la tecnología que usa señal de radio y la que usa la luz o láser. La primera, de radio, es la más utilizada por su menor costo y por la flexibilidad que proveen sus topologías. 6 7 También debe mencionarse que existen dos tipos de escenarios en las cuales se usa la tecnología inalámbrica: 1) Redes inalámbricas formadas por celdas de radio. 2) Enlace entre dos o más edificios usando un radio enlace. La solución de redes inalámbricas tiene un rango de aplicaciones mayor que la solución de enlace punto a punto. Generalmente se usa cuando se quiere tener mayor flexibilidad y movilidad de los clientes que están conectados a la red. La tecnología basada en ondas de radio tiene las siguientes características: • La mayoría de los productos en el mercado se basan en esta tecnología • No necesita línea de vista • Sufre interferencia con otros productos ( microondas) • Tasa de transmisión: 1, 2, 5, 11, 70 Mbps • Dos componentes: Access Point o torres (generan la celda inalámbrica) y la interfaz para el cliente (antenas, tarjetas de red, etc) Figura 2.1 Topología peer to peer1 1 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions 8 2.1.1 Aplicaciones El uso de la tecnología inalámbrica puede ser aplicada en cualquier ambiente, como lo son por ejemplo: el interior de una oficina, dentro de un campus universitario, en el exterior o interior de un edificio, conexiones entre puntos de difícil acceso, entre otros. Además, las aplicaciones de la tecnología inalámbrica pueden solucionar o añadir flexibilidad en cualquier rama de la industria, comercio, salud, educación, etc. A niveles de implementación, crear una red inalámbrica es mucho más sencillo que crear una red cableada. Por tanto una característica importante es la facilidad de crecimiento para este tipo de redes. El cambio de topología de red es sencillo y trata igual pequeñas como grandes redes. 2.1.2 Ventajas El continuo crecimiento de las redes inalámbricas está manejado por la necesidad de reducir los costos asociados con los componentes de red y el soporte a las aplicaciones móviles que ofrece eficiencia y reducción en los costos en los negocios. • Reducción de costos: La reducción de costos se explicará a continuación con los diferentes beneficios que significa instalar y utilizar una red inalámbrica. • Movilidad (Roaming): La movilidad habilita a los usuarios a desplazarse físicamente mientras hacen uso de algún dispositivo, como las computadoras portátiles. • Instalación en lugares de difícil accesos: En algunas situaciones no es posible instalar una red cableada porque no hay manera de acceder al lugar debido ala complejidad de la infraestructura. Una solución para resolver este problema, 9 es la tecnología inalámbrica porque solo necesita que exista una distancia que permita la comunicación de los dispositivos, e incluso no requiere una línea de vista. • Incremento en la confiabilidad: En las redes cableadas por efecto del tiempo, los cables suelen deteriorarse por causas cómo roedores, agua, entre otras; dando como resultado ruido en el canal de comunicación y disminución en el rendimiento de la transmisión de datos. Para eliminar el ruido en el cable, la única opción es cambiarlo. La ventaja en una red inalámbrica es obvia, ya que esta no usa cables, y su estructura física que pueda dañarse es muy reducida. • Reducción de tiempo de instalación: En las redes cableadas tradicionales se siguen los principios de cableado estructurado; además, en la mayoría de los casos se debe realizar trabajos en la parte estructural del edificio, como instalar tuberías para pasar los cables de datos. En una red inalámbrica solo se necesita determinar la cobertura de cada celda y no se necesita hacer cambios en la edificación. • Reducción de costo a largo plazo: Cuando se quiere hacer cambios en la infraestructura de la red, las redes inalámbricas tienen una inmensa ventaja porque solo necesitan instalar otra celda inalámbrica o añadir un cliente inalámbrico. En una red cableada no es posible hacerlo de una manera tan fácil, porque se debe tomar en cuenta varios parámetros como, puertos libres en el “patch panel”, puertos libres en los “hubs” y distancia del “patch panel” hasta el punto de red que se desea instalar. 10 2.1.3 Tipos Un factor que hay que tener en cuenta al seleccionar un determinado tipo de red, es el ancho de banda que ofrecen y su velocidad de transmisión. Mientras que las redes cableadas ofrecen un ancho de banda de transmisión de 1 a 10 Gbps y una velocidad de transmisión de hasta 10 Mbps, las redes sin cables ofrecen un ancho de banda mucho menor; de 11 a 54Mbps y velocidades de hasta 2 Mbps. Según el alcance de la red inalámbrica se pueden clasificar de la siguiente forma: Redes de área personal inalámbricas (WPAN): “Wireless Personal Area Network”. Cubren distancias menores de 10 metros, que se conocen como espacio operativo personal (POS) y se utilizan para interconectar diferentes dispositivos personales; por ejemplo: el reloj, la PDA, el celular, etc. Actualmente, las dos tecnologías WPAN principales son Bluetooth y la luz infrarroja. Para normalizar el desarrollo de tecnologías WPAN, el IEEE ha establecido el grupo de trabajo 802.15 para las WPAN. Este grupo de trabajo está desarrollando una norma WPAN, basada en la especificación de la versión 1.0 de Bluetooth. Los objetivos principales en esta norma preliminar son baja complejidad, bajo consumo de energía, interoperabilidad y coexistencia con redes de 802.11. Redes de área local inalámbricas (WLAN): “Wireless Local Area Network”. Estas redes cubren alrededor de 100 metros y suelen ser utilizadas para crear redes de ámbito local entre computadoras o terminales ubicados en un mismo lugar. (por ejemplo, un edificio corporativo o campus empresarial, o en un espacio público como un aeropuerto). Las WLAN se pueden utilizar en oficinas temporales u otros espacios donde la instalación de extenso cableado sería prohibitivo, o para complementar una LAN existente 11 de modo que los usuarios pueden trabajar en diferentes lugares dentro de un edificio a diferentes horas. Las WLAN pueden operar de dos formas distintas. En las WLAN de infraestructura, las estaciones inalámbricas (dispositivos con radiotarjetas de red o módems externos) se conectan a puntos de acceso inalámbrico que funcionan como puentes entre las estaciones y la red fija existente. En las WLAN de igual a igual (ad hoc), varios usuarios dentro de un área limitada, como una sala de conferencias, pueden formar una red temporal sin utilizar puntos de acceso, si no necesitan obtener acceso a recursos de red. En 1997, el IEEE aprobó la norma 802.11 para las WLAN, que especifica las velocidades, cobertura y métodos de transmisión de datos que se encuentran estandarizados. Redes de área metropolitana inalámbricas (WMAN): “Wireless Metropolitan Area Network”. Pretenden cubrir un área similar a una ciudad o población, (por ejemplo, entre varios edificios de oficinas de una ciudad o en un campus universitario), sin el alto costo que supone la instalación de cables de fibra o cobre y el alquiler de las líneas. Además, WMAN puede servir como copia de seguridad para las redes con cable, en caso de que las líneas alquiladas principales para las redes con cable no estén disponibles. WMAN utiliza ondas de radio o luz infrarroja para transmitir los datos. Las redes de acceso inalámbrico de banda ancha, que proporcionan a los usuarios acceso de alta velocidad a Internet, tienen cada vez mayor demanda. Aunque se han utilizado diferentes tecnologías, como el servicio de distribución multipunto de canal múltiple (MMDS) y los servicios de distribución multipunto locales (LMDS), el grupo de trabajo IEEE 802.16 para los estándares de acceso inalámbrico de banda ancha ha desarrollado especificaciones para normalizar el desarrollo de estas tecnologías. 12 Redes de área extensa inalámbricas (WWAN): “Wireless Wide Area Network”. Las tecnologías WWAN permiten a los usuarios establecer conexiones inalámbricas a través de redes remotas públicas o privadas. Estas conexiones pueden mantenerse a través de áreas geográficas extensas, como ciudades o países, mediante el uso de antenas en varias ubicaciones o sistemas satélite que mantienen los proveedores de servicios inalámbricos. Las tecnologías WWAN actuales se conocen como sistemas de segunda generación (2G). Entre los sistemas 2G principales se incluyen “Global System for Mobile Communications” (GSM), “Cellular Digital Packet Data” (CDPD) y “Code Division Multiple Access” (CDMA). Los esfuerzos van encaminados a la transición desde redes 2G, algunas de las cuales tienen capacidades limitadas de movilidad y son incompatibles entre sí, a tecnologías de tercera y cuarta generación 3G y 4G que seguirían un estándar global y proporcionarían capacidades de movilidad internacional. Tabla 2.1 Características de redes inalámbricas heterogéneas sobrepuestas Estándares WPAN WLAN WMAN WWAN Bluetooth Wi-Fi Wi-Max Celulares, MBWA 802.15.1 802.11b,a,h,e,n 802.16a,c,e GSM (2G), GPRS (2.5G), 802.15.3 EDGE (2.75G), UMTS (3G), CDMA2000 (3G) Y 802.20 Velocidades 721kbps (BT 1.1) 1,2,5.5,11Mbps 75Mbps 9.6Kbps 2-20Mbps (BT 2.0) 1.54Mbps 134Mbps 14-128Kbps 100-540Mbps 256k-54Mbps 128-384Kbps 11-55Mbps* Hasta 2Mbps 2.25-18Mbps Coberturas Cuarto o sala Edificio o campus Ciudad o comunidad Estados o países Movilidad Pedestre Pedestre Estático, pedestre Pedestre y vehícular y vehicular Aplicaciones Dispositivodispositivo Red inalámbrica empresa o casa Voz y datos Voz y datos 13 Figura 2.2 Radios de cobertura de redes inalámbricas 2.1.4 Regulación de las comunicaciones inalámbricas La regulación de la tecnología inalámbrica es un aspecto muy importante para su desarrollo. En cada región existe un organismo que se encarga de regular el espectro radioeléctrico, así como las bandas de frecuencia utilizadas en sus comunicaciones. Estos organismos son los encargados de crear unas reglas o estándares para asegurar que las comunicaciones tengan suficientes garantías de éxito y no existan interferencias con otras comunicaciones. Es por eso que la mayoría de frecuencias no pueden ser utilizadas sin una licencia. 14 Estos organismos son reconocidos internacionalmente, tal es el caso de la IEEE (“Institute of Electricial and Electronics Engineers”) o la ETSI (“European Telecommunicatios Standards Institute”). Una vez desarrollados estos estándares, estos se convierten en la base de los fabricantes para desarrollar sus productos, que deben ser compatibles con estas normas para un buen funcionamiento de la red. También existen frecuencias libres en las bandas de 900MHz, 2,4GHz y de 5GHz que se pueden utilizar sin licencia. Dentro de las bandas libres donde, tal como se comentó en el párrafo anterior, no es necesario una licencia, pero en cambio se requiere cumplir unas determinadas características tales como máxima potencia de emisión, técnica de modulación, etc. 2.1.5 Arquitectura de las redes inalámbricas La arquitectura determina cómo se realiza la estructura de la red. Según el tipo de red y su utilidad, se pueden diferenciar dos tipos de arquitectura: centralizada y distribuida. 2.1.5.1 Redes inalámbricas centralizadas Esta arquitectura es la utilizada en redes del tipo WMAN, en redes globales y en redes WLAN, en general como extensión de las redes cableadas. Está formada por dispositivos inalámbricos y un equipo que funciona como punto de acceso o estación base. Este último coordina y controla todas las transmisiones que se realizan dentro de su área de cobertura y actúa como interfaz entre las redes inalámbricas y cableadas. Además, éste es el único elemento de la red que tiene acceso al canal de bajada (de la estación base o punto de acceso a los terminales) 15 mientras que el canal de subida (de los terminales a la estación base o punto de acceso) está compartido por todos los demás dispositivos. En este tipo de arquitectura de red, el control se concentra en la estación base o punto de acceso por lo que el resto de dispositivos son más simples. Además al tener un control centralizado el diseño del protocolo MAC (Médium Access Control) es mucho más sencillo y se simplifica el soporte de QoS (calidad de servicio) y la gestión del ancho de banda. Además, para extender el área de cobertura de la red se pueden interconectar varias estaciones base o puntos de acceso tanto con cableado como de forma inalámbrica. 2.1.5.2 Redes inalámbricas distribuidas o ad-hoc Esta arquitectura es la utilizada en las redes de tipo WPAN y WLAN y su principal característica es la falta de infraestructura. En esta configuración la red consta de dispositivos inalámbricos que se comunican unos con otros directamente sin una administración central. Estos dispositivos tienen el control de la red y actúan como enrutadores para facilitar la comunicación entre nodos alejados. Las redes con esta arquitectura presentan un rápido desarrollo y una reconfiguración dinámica además de ser más robustas, ya que el fallo de un dispositivo no afecta a los servicios de la red. Por el contrario, los protocolos MAC de redes con esta estructura son muy sofisticadas y los dispositivos son más complejos ya que han de almacenar información importante para el funcionamiento de la red tal como la topología. Además, todos funcionan en la misma banda de frecuencias puesto que no existe ningún dispositivo especial que traduzca la transmisión de una frecuencia a otra. 16 Figura 2.3 Red centralizada2 Figura 2.4 Red distribuida2 2 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions CAPITULO 3: Tecnologías de transmisión inalámbrica Cómo se determinó en los apartados anteriores, dependiendo del tipo de red que se vaya a implementar, o de las necesidades existentes en la misma, se tendrán también diferentes tecnologías de transmisión inalámbrica, que cumplen cada una para determinadas aplicaciones y demandas de velocidad, ancho de banda y cobertura. Al ser el presente trabajo un enfoque sobre las tecnologías Wi-Fi y Wi-Max, se tratarán de primero de una forma introductoria las tecnologías complementarias a estas, para lograr crear un contexto, y luego poder comprender mejor las tecnologías en las que se enfocará este proyecto. 3.1 HiperLAN/2 Se trata de un sistema de comunicación inalámbrica basado en modo de transferencia asincrónico ATM (“Asynchronous Transfer Mode”), similar al sistema universal de telecomunicaciones móviles UMTS (“Universal Mobile Telecommunications System”), pero que incorpora toda una serie de características adicionales como calidad de servicio, QoS (“Quality of Service”), orientación de la conexión para obtener una mayor eficiencia en la utilización de los recursos de radio, búsqueda automática de la frecuencia a utilizar (similar a los teléfonos celulares), y sobre todo una elevada velocidad de transmisión, que puede llegar hasta 54 Mbps. Esta tecnología opera sobre la banda de frecuencia de los 5 GHz y utiliza el método de modulación OFDM al igual que ocurre con el estándar 802.11a, contando también con un radio de alcance similar, tanto en interiores (alrededor de 30 metros) como en exteriores (hasta 150 metros). 17 18 3.2 Home RF Esta tecnología ha sido definida por un grupo de compañías que se reúnen bajo el nombre de HRFWG (“Home RF Working Group”) y que se encargan de mantener la interoperabilidad entre productos de diferentes empresas, tal y como lo hace “Wi-Fi Alliance” en Wi-Fi. Home RF (“Home RadioFrecuency”) está basada en el Protocolo de Acceso Inalámbrico Compartido SWAP (“Shared Wireless Access Protocol”), que define una interfaz inalámbrica diseñada para soportar voz y datos, y especialmente pensada tanto para operar con los operadores de telefonía e Internet, como para la comunicación con teléfonos, periféricos o electrodomésticos dentro del hogar sin la necesidad de utilizar los cables. Entre las características técnicas de este estándar podemos mencionar que añade un subconjunto de estándares DECT (“Digital Enhanced Cordless Telecommunications”), para proporcionar los servicios de voz (hasta seis conversaciones). Home RF utiliza la misma banda de frecuencia que los estándares 802.11b y 802.11g, pero cuenta con un método de salto de frecuencia (SWAP) para no interferir con conexiones Bluetooth. Sus principales aplicaciones las encontramos en el ámbito doméstico, con la conexión mediante cables para dispositivos como reproductores de vídeo y DVD, teléfonos, juguetes, etc. Su alcance es de alrededor de 50 metros, y consigue velocidades de transferencia que pueden llegar hasta los 2 Mbps, conectando un total de hasta 127 dispositivos. 19 3.3 Bluetooth (estándar IEEE 802.15.1) Bluetooth es una tecnología al igual Home RF, que se basa en Radiofrecuencia (RF), el mismo es un enlace radio de corto alcance que aparece asociado a las Redes de Area Personal Inalámbricas o WPAN. Entre los fundadores del Bluetooth Special Interest Group (SIG) se incluyen compañías como Ericsson, Nokia, IBM, Intel Corporation y Toshiba. Entre las especificaciones se incluye la transmisión de datos y voz en forma omnidireccional, en distancias de 10-100 m a una velocidad de transferencia máxima de 1 Mbps. Bluetooth supone una ampliación del concepto de conectividad ad hoc. Básicamente introduce la posibilidad de coexistencia de un gran número de conexiones ad hoc en una misma localización sin coordinación mutua. Además, todos los equipos Bluetooth de un determinado entorno, sin importar cual sea su fabricante, pueden interconectarse entre si. Por esta razón, Bluetooth no sólo define un sistema radio, sino que lo complementa con un software apilado que permite a las aplicaciones encontrar otros dispositivos Bluetooth en la zona, descubrir qué servicios pueden ofrecer y utilizar dichos servicios. Al grupo de dispositivos interconectados entre si se le denomina piconet. Además, Bluetooth permite la existencia de redes independientes (piconets) solapándose entre sí, cada una de las cuales contiene un número limitado de unidades. A esta arquitectura se la conoce como scatter ad hoc. El sistema Bluetooth es la primera tecnología vía radio basada en arquitectura ad hoc para usos comerciales diseñada para ser utilizada a gran escala. 20 La elección del espectro de frecuencias para Bluetooth viene determinada en primer lugar por la inexistencia de control de las comunicaciones por parte de un operador (comunicación sin licencias, abierto a cualquier usuario) y en segundo lugar por su disponibilidad en todo el mundo, dicha banda se encuentra comprendida en el rango de frecuencias de 2,402 GHz a 2,480 GHz, la banda ISM (Industrial Scientific and Medical) centrada en 2.45GHz cumple con los pre-requisitos mencionados y es por eso que es la utilizada por esta tecnología. Aunque la normativa para esta banda no es la misma en diferentes partes del mundo, se mantiene el concepto de permitir el acceso libre de cualquier usuario. Las distintas normativas se centran generalmente en la dispersión de la energía de la señal transmitida y en la máxima potencia de transmisión permitida. Bluetooth cumple el mínimo común denominador de todas las especificaciones. Dado que en la banda de radio elegida puede operar cualquier transmisor que cumpla la normativa, la inmunidad a interferencias se convierte en un parámetro fundamental; la extensión y naturaleza de las interferencias en la banda ISM 2.45GHz es imposible de predecir, ya que la potencia de los transmisores existentes en esta banda varía entre los 10 dBm de dispositivos inalámbricos tales cómo detectores de sonido, hasta los 30 dBm de los puntos de acceso Wi-Fi. Los mayores problemas de la tecnología en cuestión surgen de la existencia en esta banda de transmisores de alta potencia, como hornos microondas o sistemas de iluminación que ocasionan interferencias. Además, es necesario tener en cuenta la interferencia propiamente entre usuarios Bluetooth. Utilizando Bluetooth, se puede transmitir voz, datos e incluso vídeo. Para transmitir voz son necesarios tres canales de 64 Kbps. Para transmitir vídeo es necesario comprimirlo en formato MPEG-4 y usar 340 Kbps para conseguir refrescar 15 veces por segundo una pantalla VGA de 320x240 puntos. 21 Bluetooth es adecuado para aplicaciones en las cuales la línea de visión no tenga una importancia crítica. Esta tecnología también podría atravesar objetos sólidos, lo cual permite a los usuarios colocar su teléfono en su bolsillo durante la sincronización. 3.4 LMDS LMDS o Sistema de Distribución Local Multipunto (“Local Multipoint Distribution Service”); es una tecnología de conexión vía radio inalámbrica que permite, gracias a su ancho de banda, el despliegue de servicios fijos de voz, acceso a Internet, comunicaciones de datos en redes privadas, y video bajo demanda. Está concebida de una manera celular, esto es, existen una serie de antenas fijas (no móviles) en cada estación base, que son los sectores que prestan servicio a determinados núcleos poblacionales; con esta forma de operar se evitan los costosos cableados de fibra óptica o de pares de cobre necesarios para dar cobertura a zonas residenciales/empresariales. Así por ello, es muy fácil y rápido desplegar esta tecnología por la zona, ya que sólo requiere de una o varias estaciones base, de antenas colocadas estratégicamente en los localizaciones de las estaciones base, y de circuitos troncales punto a punto para interconectar las bases entre sí, asegurando la escalabilidad de la red montada según demanda geográfica o de mercado. LMDS usa señales en la banda de las microondas, propiamente la banda Ka (en torno a los 28 Ghz), la cual depende de las licencias de uso de espectro radioeléctrico de cada país, por lo que las distancias de transmisión son cortas (a esto se debe la palabra "Local" en el nombre de la tecnología), a tan altas frecuencias la reflexión de las señales es considerable (nótese que la banda Ka, es la banda del espectro usado para las comunicaciones satelitales). Pero también en muchos países europeos, se trabaja en 3,4 3,5GHz. 22 Debido a que la reflexión en las señales de alta frecuencia es enorme, ya que son incapaces de atravesar obstáculos, cosa que sí es posible con las señales de baja frecuencia; desde la estación base hasta la antena de abonado ha de estar totalmente libre de obstáculos o no habrá servicio. Puesto que es lógico pensar, la geografía de la zona en la que hay que desplegar la tecnología LMDS desempeña un papel muy importante a tener en cuenta. En general, pueden formarse unas zonas de sombra (zonas donde no es posible ofrecer el servicio), pero éstas se pueden disminuir con la colocación estratégica de las estaciones base/antenas para que una misma zona tenga acceso a varias células y también mediante el uso de amplificadores y reflectores. Otro problema a tener en cuenta es la derivación de la energía de la señal transmitida en la molécula de agua, por lo que la potencia de la señal se reduce. Este efecto se atenúa mediante la subida de la potencia entregada o la reducción del tamaño de la célula. Aparte de lo antes mencionado, la distancia de enlace va desde los 100m hasta 35km. Los sistemas de comunicación LMDS en la banda de 3,5GHz tienen la ventaja de no verse afectados por la niebla, la lluvia o la nieve. 3.5 Sistemas de comunicación celular 3.5.1 Primera Generación (1979-1991) Los sistemas de comunicaciones móviles de primera generación (1G) eran sistemas esencialmente análogos. 23 3.5.2 Segunda Generación (1991-2001) Los sistemas de segunda generación comenzaron a implementarse alrededor de 1991 cuando estuvo disponible comercialmente la primera red GSM en Finlandia, esta generación además del servicio de voz provee servicios de datos de baja velocidad (19,2 Kbps). Se utiliza TDMA y CDMA como técnicas de acceso al medio, y todos los canales son digitales. Estas características permitieron mejorar la utilización del espectro electromagnético con respecto a sus predecesores. Entre los sistemas 2G de mayor aceptación están GSM, IS-136, PDC, IS-95-B (CDMA de banda angosta); con los que se logró mayor penetración de la telefonía móvil mundialmente. 3.5.3 Tercera Generación (2001-Presente) No existe un único estándar de 3G; se ha tratado de migrar del 2G al 3G de manera paulatina, algunos de los caminos migratorios sugieren una adopción gradual de la nueva tecnología. De este modo aparecen los sistemas 2.5G los cuales presentan mejores características que los sistemas 2G pero no cumplen estrictamente con los requerimientos de los sistemas 3G definidos por la ITU (“International Telecommunications Union”). La recomendación ITU especifica que los sistemas de tercera generación deben proveer conmutación de circuitos y conmutación de paquetes a tazas de 2 Mbit/s o mayores para tráfico en interiores, 384 Kbps para tráfico pedestre y 144 Kbps o más para tráfico de alta movilidad (vehicular). 3.5.4 Cuarta Generación (Futuro) La cuarta generación de sistemas de comunicaciones móviles está en fase de investigación y desarrollo. Estos sistemas buscan la convergencia de varias tecnologías combinadas. 24 3.6 Wi-Fi (Estándar IEEE 802.11) La expresión Wi-Fi (abreviatura de “Wireless Fidelity”) se entiende como una forma general de llamar al grupo de versiones del estándar de transmisión inalámbrica 802.11, el cual permite la creación de numerosas redes inalámbricas WLAN. Wi-Fi se formó sin fines de lucro en agosto del año 1999, y fue originalmente establecida como WECA (“Wireless Ethernet Compatibility Alliance”), por varias compañías líderes en tecnología en redes inalámbricas. Desde 1999, el número de miembros de la alianza Wi-Fi se ha incrementado dado que cada vez más compañías de productos electrónicos de consumo, proveedores de servicios de red y fabricantes de computadoras se han dado cuenta de la necesidad de ofrecer a sus clientes una compatibilidad inalámbrica entre sus productos. En un principio, la expresión Wi-Fi se utilizaba únicamente para los dispositivos con tecnología 802.11b, el estándar predominante en el desarrollo de las redes inalámbricas. Con el fin de evitar problemas en la compatibilidad de los aparatos y la interoperabilidad de las redes, el término Wi-Fi se extendió a todos los aparatos provistos con tecnología 802.11, tales como: 802.11a, 802.11b, 802.11g. Su éxito radica en que, al ser el primer estándar implementado en el mercado, se ha convertido en el estándar “default” para estas aplicaciones de conexión vía radio para las WLAN, y lo que es más importante, está demostrando su capacidad para ofrecer acceso de banda ancha en múltiples entornos públicos a precios accesibles. En sus inicios, las redes WLAN se diseñaron para su empleo en el área empresarial, específicamente en redes para el uso empresarial. No obstante luego se empezaron a implementar en gran variedad de contextos, tanto públicos cómo privados; tales como: campus universitarios, PYMES, hospitales, estaciones de medios de transporte (más que 25 todo en aeropuertos y estaciones de tren), hoteles, residencias, etc. Se ha utilizado también en entornos rurales con carencia de otras tecnologías, cobertura de “Hot-spots”, llegando incluso a conceptos como “hot cities”, para pequeñas ciudades con cobertura Wi-Fi. Dentro de las versiones que se conocen de la tecnología Wi-Fi se pueden enumerar muchas, dentro de las cuales unas son pequeñas variaciones de otras anteriores, se mencionan algunas a continuación, con su respectiva frecuencia y ancho de banda máximo: • 802.11b- 2.4GHz a 11 Mbps • 802.11a- 5GHz a 54 Mbps • 802.11g- 2.4GHz a 54 Mbps • 802.11c- Trasladado a 802.1D • 802.11d- Extensiones en otros dominios regulatorios. • 802.11e -MAC Seguridad Mejorada/QoS • 802.11f- Protocolo entre Puntos de Acceso • 802.11h- Espectro Manejado a 5GHz • 802.11i- Seguridad Dentro de estas versiones existen algunas que son las más conocidas y utilizadas de manera comercial, que son las versiones 802.11b, 802.11a y 802.11g, los cuales se detallan a continuación. El estándar 802.11b fue el primero en publicarse, en el año 1997. La banda de trabajo no necesita licencia, y se encuentra alrededor de los 2,4 GHz. Utiliza la modulación DSSS (‘Direct Sequence Spread Spectrum’) y permite velocidades de 1, 2, 5.5 y 11Mbps. Gracias a la característica llamada DRS (“Dynamic Rate Shifting”), permite a los adaptadores de red reducir las velocidades para compensar los posibles problemas de recepción. Este estándar permite 3 canales sin solapamiento. Por último, el radio de 26 cobertura depende de las velocidades aplicadas, del número de usuarios y del entorno (obstáculos, materiales, etc). Seguido se muestra una tabla explicativa de las coberturas para esta versión: Tabla 3.1 Cobertura del 802.11b 802.11b Cobertura (a 1 Mbps) Cobertura (a 11 Mbps) 90m 30m Espacios interiores Espacios exteriores 460m 120m Mas adelante, en el año 1999, el IEEE publicó el estándar 802.11a. Su diferencia principal es que trabaja en la banda de frecuencias de 5 GHz y utiliza la modulación OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing), técnica que distribuye los datos en múltiples subportadoras (52 en este estándar). De esta forma, soporta hasta 8 canales sin solapamiento, y permite anchos de banda de hasta 54 Mbps. Su principal limitación es que no es compatible con su predecesor (802.11a) debido al cambio de frecuencia, aunque algunos puntos de acceso soportan ambos estándares. Por último, el radio de cobertura es inferior al del caso anterior. Seguido se muestra una tabla explicativa de las coberturas: Tabla 3.2 Cobertura del 802.11a (a 54 Mbps) 802.11a Cobertura (a 6 Mbps) Cobertura Espacios interiores 90m 12m Espacios exteriores 300m 30m Por último, en el año 2003 se publicó el estándar 802.11g. Trabaja en la banda libre de los 2,4 GHz. Es compatible con las 2 versiones anteriores, y soporta las modulaciones DSSS y OFDM. Tiene un ancho de banda de hasta 54 Mbps y soporta 3 canales simultáneos. Las coberturas son semejantes a las del 802.11a. Seguido se muestran las principales características de los 3 estándares: 27 Tabla 3.3 Resumen de los principales estándares Wi-fi Estándar 802.11b 802.11a 802.11g Lanzamiento 1997 1999 2003 Banda de frecuencia 2.4GHz 5GHz 2.4Ghz Máximo ancho de banda 11Mbps 54Mbps 54Mbps Disponibilidad Todo el mundo Principalmente en Estados Unidos Todo el mundo Fuentes de interferencia Teléfonos inalámbricos, Bluetooth, etc Dispositivos Hiperlan Teléfonos inalámbricos, Bluetooth, etc Cobertura máxima en metros 90 interiores 90 interiores 90 interiores 460 exteriores 300 exteriores 300 exteriores Modulación DSSS OFDM OFDM/DSSS # de canales solapados 3 8 3 3.7 Wi-Max (Estándar IEEE 802.16) Wi-Max (“Worldwide Interoperability for Microwave Access”) es también una tecnología de banda ancha que cubre “la última milla”. En el año 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, algo parecido a lo que la Alianza Wi-Fi hace por la familia de estándares IEEE 802.11. El foro Wi-Max está formado por unas 60 empresas, entre las cuales destacan conocidas compañías como Intel, Nokia, Siemens, Fujitsu. 28 Al igual que las demás técnicas inalámbricas, su operación es muy rápida y económica, ya que no es necesario realizar cableado; en general se utiliza para proveer conectividad de alta velocidad para redes WMAN. Esta es una tecnología en la cuál cada estación base permite conectar a los distintos usuarios; ya sean de domicilios oficinas de negocios, para lo cual los usuarios deben instalar una antena situada usualmente en el techo del lugar. La tecnología Wi-Max permite el acceso a los servicios de voz sobre IP (VoIP), datos y vídeo. Respecto al LMDS, sus principales ventajas son que está estandarizada y que no es necesario que haya visibilidad directa entre la estación base y usuario . Por último, se tiene que en general el radio de cobertura es aproximadamente de 50 Km y el ancho de banda del usuario final de hasta 70 Mbps. En el año 2001, se publicó el primer estándar (802.16). En él se definieron frecuencias de trabajo muy altas que estaban entre los 10-66 GHz para tener un gran ancho de banda de 124 Mbps. Su principal limitación era que tenía que haber visibilidad directa entre la estación base y la antena del usuario. El radio de cobertura era de 40 Km. Este estándar estaba pensado para enlaces largos y de gran capacidad, y con buenas garantías de seguridad (Ej. Redes privadas nacionales gestionadas por operadoras). Es por este aspecto que se utilizan bandas que requieren licencia. En abril del año 2003, se publicó el estándar 802.16a. Este se diseñó para cubrir la última milla hasta el usuario final. Es un sistema híbrido, ya que puede trabajar tanto en bandas libres, como la de 5,8 GHz, como en bandas con licenciadas, como las de 2,5GHz y 3,5 GHz. En resumen, trabaja en bandas desde los 2 hasta los 11GHz y contempla la utilización de dos técnicas de modulación, OFDM y OFDMA. Al trabajar con frecuencias más bajas, se consigue una cobertura mayor de hasta 50 Km, pero a su vez el ancho de banda es de unos 70 Mbps. La principal ventaja del 802.16a es que no es necesario que haya visibilidad directa entre la estación base y el usuario final, lo cuál permite dar 29 cobertura también a entornos con muchos obstáculos Por ejemplo: zonas montañosas o con muchos edificios. En julio del año 2004 se ratifica la versión 802.16-2004 (conocida previamente como 802.16d), incluye la versiones anteriores (802.16-2001, 802.16b/c de 2002, y 802.16a en 2003) y cubre tanto enlaces mediante línea de visión directa LOS (“Line of Sight”) como aquellos sin línea de visión directa NLOS (Non Line of Sight) en el rango de frecuencias 2 - 66 GHz. Proporciona accesos concurrentes en áreas de hasta 48 Km. de radio y con ancho de banda de hasta 70 Mbps, utilizando tecnología portátil LMDS. El estándar más reciente es el 802.16e, y se conoce cómo Wi-Max Móvil, el cual fue aprobado el 7 de diciembre del año 2005. El grupo de trabajo IEEE 802.16e fue creado en diciembre 2002 para mejorar y optimizar el soporte para la combinación de las capacidades de comunicación tanto fijas como móviles en frecuencias por debajo de los 6 GHz. La nueva versión del estándar introduce el soporte de la tecnología SOFDMA (una variación de la técnica de modulación OFDMA) el cual permite un número variables de ondas portadoras, que se añade a los modos OFDM y OFDMA ya existentes. Además, IEEE 802.16e ofrece un soporte mejorado de las tecnologías MIMO (Multiple Input Multiple Output) y AAS (Adaptive Antenna Systems). También, se incluyen mejoras para la optimización del consumo de energía para los dispositivos móviles y con ello disminuir el tamaño del módem CPE (Customer Premise Equipment), así como extensas características de seguridad. A continuación se muestra una tabla resumen de las diferentes versiones del estándar 802.16: 30 Tabla 3.4 Resumen de los principales estándares Wi-Max Estándar 802.16 802.16a 802.16d 802.16e Lanzamiento 2001 2003 2004 2005 Banda de frecuencia 2 - 66GHz 2 - 11GHz 11 GHz 2 - 6GHz Máximo ancho de banda 124 Mbps 70 Mbps 70 Mbps 70 Mbps Funcionamiento Cobertura Solo con visión directa Sin visión directa (NLOS) Sin visión directa (NLOS) 2 - 5 km aprox. 40km máx 5 – 10km aprox. 50 km máx 6 – 10km aprox. 50 km max Modulación Movilidad QPSK, 16QAM y 64 QAM OFDM con 256 subportadoras QPSK, Sistema fijo Sistema fijo LMDS Sistema fijo Sin visión directa (NLOS) 2 – 5km SOFDMA, OFDM, OFDMA Movilidad pedestre CAPITULO 4: Arquitectura y funcionamiento de redes que utilizan los estándares Wi-Fi y Wi-Max 4.1 Arquitectura de las redes Wi-Fi El elemento fundamental de la arquitectura de las redes que utilizan el estándar 802.11 es la celda, la cual se puede definir como el área geográfica en la cual se interconectan entre sí los dispositivos que conforman la red. En general, esta celda estará compuesta por terminales, punto o puntos de acceso y controladores de puntos de acceso en caso de contar con más de un AP’s.. • Terminales de Usuario, es el equipo utilizado por el abonado, el cual debe tener acceso al servicio de banda ancha; para esto cuentan con Tarjetas de Interfaz de Red, las cuales son básicamente adaptadores que permiten la conversión de información, generalmente encapsulada bajo el protocolo Ethernet, existente en las terminales, para su envío y recepción dentro de la celda, estos adaptadores incluyen un transceptor radio y una antena. • Puntos de Acceso (“Access Points” o APs), básicamente se comporta cómo un “hub” en las redes cableadas tradicionales; así, son los encargados de enviar la información y de gestionar todo el tráfico de datos entre las terminales y la red principal; llámese Ethernet u otros tipos redes de banda ancha (inclusive inalámbricas). También se encarga de la comunicación con otras celdas o redes. En términos generales es un bridge (puente) que comunica a nivel 2 (enlace) los equipos, tanto de su celda de cobertura, como a otras redes a las cuales estuviese conectado. 31 32 • Controlador de puntos de acceso, los cuales se utilizan en redes que requieran varios APs por razones de cobertura y/o tráfico. Este último suele incorporar funcionalidad de AP, de cliente VPN (“Virtual Private Networks”), y de cliente RADIUS (“Remote Authentication Dial In User Service”) para labores de autentificar y autorizar con un servidor AAA apropiado (Autentificación, Autorización y Accounting), de enrutamiento (routing) y de paredes de fuego (firewall). En una red Wi-Fi, la configuración básica del sistema, se denomina Grupo de Servicio Básico BSS (“Basic Service Set”). Es una tecnología punto a multipunto, en la cuál se utiliza un Access Point para dar cobertura a un radio de hasta 460 m (dependiendo, como se mencionó en capítulos anteriores de factores tales como el entorno, usuarios, velocidades). El BSS es, por tanto, una forma de red independiente, que puede tener su vinculación con otros BSS a través del punto de acceso, mediante un Sistema de Distribución (DS, “Distribution System”). El DS puede ser interrogado (comunica el BSS con una red externa), cableado (con otros BSS a través de cable como por ejemplo una red Ethernet fija convencional), o también inalámbrico, en cuyo caso se denomina Sistema de distribución inalámbrica (“Wireless Distribution System”). 4.1.1 Topologías Wi-Fi A partir del concepto básico BSS, surgen una serie de diferentes alternativas o topologías de red: • Modo Ad-hoc: dos o más terminales que son iguales entre ellas; en esta topología de red no existe punto de acceso. La gestión de tráfico de 33 información y el control, dentro de la red son asumidas aleatoriamente por alguna de las terminales presentes. La interacción se lleva a cabo directamente entre los equipos implicados, sin tener que recurrir a un dispositivo central, con lo que se obtiene un aprovechamiento máximo del canal de comunicaciones. La cobertura se determina por la distancia que exista entre los equipos interconectados; cabe mencionar que esta cobertura será menor que el caso en que se utilice un punto de acceso central. Esta topología es poco usual; no obstante es ventajosa cuando el tráfico existente se reparte entre todos los equipos presentes en la red. Figura 4.1 Topología Ad-Hoc3 • Modo infraestructura: En esta configuración el punto de acceso es el que realiza las funciones de coordinación de la red; todo el tráfico de información tiene que atravesarlo, por lo se da una pérdida de eficiencia, al actuar cómo link entre los dispositivos de la red, de manera que estos no se comunican directamente entre ellos. Es una arquitectura apropiada cuando la mayor parte del tráfico se origina o finaliza en las redes exteriores a las cuales está conectado el punto de acceso. La cobertura alcanza una distancia cercana al 3 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions 34 doble de la distancia máxima entre punto de acceso y Terminal. Es el modo que se emplea habitualmente para conectar una red inalámbrica con redes de acceso a Internet (ADSL, RDSI, Wi-Max, etc) y redes locales de la empresa. Figura 4.2 Topología Infraestructura4 • BSS independiente (IBSS, “Independent Basic Service Set”): Es una celda inalámbrica en la cual no hay sistema de distribución, por lo cual no goza de conexión con otras redes. Figura 4.3 Topología BSS4 4 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: IEEE 802.16* and WiMAX 35 • BSS extendido (ESS, “Extended Service Set”). Es un caso particular del modo infraestructura, se trata de un conjunto de BSS asociados mediante un sistema de distribución. Esto permite una serie de funciones avanzadas opcionales como el roaming entre celdas. Para poder identificar de manera precisa las celdas inalámbricas se les asigna un nombre de red consistente en una cadena con longitud máxima de 32 caracteres denominado “Service Set Identifier”, SSID. Para poder agregarse a una determinada celda es requisito indispensable que el equipo tenga en su configuración interna el mismo SSID. Si se desea que la terminal se conecte a cualquier celda inalámbrica presente, se deberá poner como parámetro “ANY”. Inmediatamente el equipo analizará todas las celdas que están presentes y se conectará a una de ellas adoptando su SSID, generalmente con el criterio de la que posea la señal más potente. Figura 4.4 Topología ESS5 • Topología Mesh. En este tipo de arquitectura, cada cliente o su punto de acceso se encuentra conectado con los demás entre ellos, con esta topología se 5 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: IEEE 802.16* and WiMAX 36 crea un camino, inquebrantable para los datos. En la arquitectura tradicional de Wi-Fi, existe como se vio antes, un AP centralizado, el cual da servicio a todos los dispositivos; en el tipo mesh, todos los AP’s están interconectados, lo que provoca que sea mucho menos sensible a fallas, ya que si algún link entre dos AP’s falla, siempre existirá una ruta alternativa para que los datos lleguen hasta el dispositivo final. Esta topología tiene la ventaja de ser más robusta que la tradicional, además de extender el alcance de las redes locales inalámbricas, y de adaptarse a diversos ambientes. Por todo esto se dice que la arquitectura mesh es tolerante a fallas. Figura 4.5 Topología Mesh6 Como se muestra en las imágenes anteriores, generalmente existe un AP que sirva de enlace con el exterior, llámese red general, o servicio de Internet de banda ancha; ahora, en la arquitectura Ad-Hoc, se pueden comunicar diferentes dispositivos entre ellos, sin la necesidad de un AP central. Cómo ilustración, se muestran diferentes tipos y modelos de Access Point del fabricante Cisco Systems: 6 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: IEEE 802.16* and WiMAX 37 Figura 4.6 Access Point de CISCO Systems En cuanto a las tarjetas adaptadoras, según el equipo (PC, portátil, PDA, etc) que se quiera conectar a la red, se tendrá que utilizar un tipo de tarjeta Wi-Fi (pci, usb, pcmcia, etc). A modo de ejemplo, se muestra una tarjeta PCMCIA para las portátiles, del mismo fabricante: Figura 4.7 Tarjeta PCMCIA de CISCO Systems 38 4.2 Arquitectura de las redes Wi-Max La manera de operar de la tecnología Wi-Max es muy similar ala de Wi-Fi; y en su infraestructura se puede comparar con los sistemas de telefonía celular existentes. En general se ofrecen conexiones de banda ancha usando una arquitectura Punto-Multipunto (PMP) o en Malla. Wi-Max consta básicamente de dos partes: • Las torres Wi-Max: son el principal componente de la red, y dan cobertura de hasta 8.000 km cuadrados según el tipo de señal transmitida (se explicará adelante). • Los receptores Wi-Max: que puede ir desde una caja colocada en el techo de la casa, hasta algo tan pequeño como las tarjetas que se conectan a las PC, portátil, PDA, etc. Una antena Wi-Max se encuentra conectada a la red de Internet por medio de fibra óptica o cable con un alto ancho de banda y esa antena, a su vez, en el modelo de la telefonía celular, podrá ser el punto de acceso a la red tanto de usuarios móviles como de otras antenas funcionando como repetidoras, sin conexión por cable alguno. De esta forma, la tecnología Wi-Max permite enlazar zonas rurales o de difícil acceso, donde no se ha podido colocar cables por el costo de instalación o mantenimiento. Dependiendo de la geografía del lugar donde se ofrece el servicio Wi-Max, se pueden encontrar dos tipos de formas de ofrecer la señal: • Sin línea de visión directa NLOS: Cuando hay obstáculos (edificios, árboles, cerros, etc) que se interpongan entre la antena y el receptor. En este caso se 39 opera con bajas frecuencias (entre los 2 y los 11 GHz) con lo que se reduce el riesgo a sufrir interferencias por la presencia de objetos. Acá se da un compromiso entre interferencia y ancho de banda, ya que el precio para mantener la conectividad, es que el ancho de banda será inferior a los 54 Mbps. Las antenas que ofrezcan este servicio tendrán una cobertura de 65 km cuadrados (similar a la de los teléfonos celulares). • Con línea de visión directa LOS: Cuando no existen obstáculos entre la antena Wi-Max y el equipo del abonado, y hay contacto visual directo. En este caso se opera a muy altas frecuencias, del orden de 66 GHz, disponiendo de un gran ancho de banda (La norma 802.16 establece un tope de 70 Mbps). Además, las antenas que ofrezcan este servicio tendrán una cobertura de hasta 8.000 km cuadrados. A partir de las variaciones en el uso de frecuencias, se determina que equipos de mayor capacidad, como los enrutadores, estarán preferiblemente asociados a una conexión de alta frecuencia con las antenas Wi-Max; y los equipos de mayor movilidad, como las computadoras portátiles, seguirán asociándose a redes Wi-Fi o Wi-Max en menores frecuencias y anchos de banda. Figura 4.8 Arquitectura básica Wi-Max7 7 Imagen editada, tomando como referencia imágenes del artículo de INTEL: Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions 40 Como se muestra en la imagen 4.8 la primera antena Wi-Max se encuentra conectada a Internet por un medio físico, y luego se puede comunicar con otra torre WiMax (tecnología backhaul) que a su vez se conecta con la antena del abonado. La conexión entre estaciones base se establece usando el estándar 802.16. Tiene que haber visibilidad directa y se usan bandas con licencia necesaria, lo cuál proporciona seguridad al operador. La conexión entre la estación base y el abonado se realiza utilizando el estándar 802.16a. Para ello, se instala en el una antena receptora Wi-Max. No es necesario que haya visibilidad directa, permitiendo así que tenga acceso en cualquier punto del área de cobertura, incluso habiendo obstáculos por medio. Además, al utilizar bandas libres (5,8 GHz), cualquier operador puede dar acceso, permitiendo así la libre competencia. Luego de esto se transmite la señal mediante el cable coaxial o Ethernet a un punto de acceso Wi-Fi. Cómo ilustración, se muestran diferentes imágenes de antenas Wi-Max, tanto para torres, cómo para abonados: Figura 4.9 Torre Wi-Max 41 Figura 4.10 Receptores Wi-Max para abonado 42 4.3 Métodos de transmisión de datos 4.3.1 Capas de la tecnología Wi-Fi El uso de diferentes capas se da, dependiendo del estándar que se utilice, pero se pueden resumir básicamente en tres capas: • Capa física PHY, “Phisical Layer” (subdividida en PLCP y PMD) • Capa de acceso MAC “Media Access Control” • Capa de control LLC “Logical Link Control” Figura 4.11 Capas de la tecnología Wi-Fi La capa fisica (PHY) está compuesta por dos subcapas: PLCP (Physical Layer Convergenve Protocol) y PMD (Physical Medium Dependet). La PLCP se encarga de codificación y modulación, y consiste en un encabezado de 144 bits que sirve para determinar la ganancia y para establecer el CCA (Clear Channel 43 Assessment) que es necesario para que la capa de MAC sepa si el medio está o no en uso. Este preámbulo esta compuesto por 128 bits de sincronización, más 16 bits llamados de trama SFD (Start Frame Delimiter) que consiste en una secuencia fija de 0 y 1 (1111001110100000) que marca el principio del paquete. El PLCP es siempre transmitido a 1Mbps. Los próximos 48 bits son llamados Encabezado PLCP. Cuenta con 4 campos: señal, servicio, longitud y HEC ("header error check" para control de errores). La señal indica a que velocidad se deberá transmitir (1, 2 , 5.5 u 11Mbps). El campo de servicio se reserva para uso futuro. El campo de longitud indica la longitud del paquete y el HEC es un CRC de 16bits del encabezado de 48bits. La PMD (“Physical Medium Dependence”), es la que crea la interfaz y controla la comunicación hacia la capa MAC (a través del AP: Access Point) y es dependiente del protocolo antes explicado. Hay algunos aspectos físicos que vale la pena profundizar para la comprensión de Wi-Fi y cuando se habla de transmisión, donde se deben diferenciar tres conceptos importantes: • Modulación: Es el método de emplear una señal portadora y una moduladora (que da forma a la anterior). Wi-Fi en la mayoría de los casos emplea la técnica QAM (Modulación en cuadratura de Fases con más de un nivel de amplitud). No obstante también se da uso a otras técnicas tales cómo DBPSK y DQPSK, para transmitir a 1Mbps y a 2Mbps, respectivamente; y CCK para conseguir velocidades mayores con respecto a las últimas dos. • Propagación: Es la forma en la cual “salen” las señales al aire. Aquí es donde se aplican técnicas cómo DHSS, FHSS y OFDM que se explicarán más adelante. • Codificación: Es la asociación de bit a cada “muestra” que se obtiene. Wi-Fi en la mayoría de los casos emplea el código Barker. 44 La capa física soporta TDD (“Time Division Duplex”) el cual posee la gran ventaja debido a que es asimétrico en el uplink y el downlink, lo cual permite velocidades variables; mientras aumente la cantidad de datos del uplink, se podrá incrementar el ancho de banda y viceversa. La Capa de acceso MAC se encarga de controlar el flujo de paquetes entre 2 o más puntos de una red, muestrea el medio por un determinado tiempo, y si el “host” determina que no se ha enviado nada en ese período mínimo, opta por transmitir su paquete. Si el medio se encuentra ocupado el “host” deberá esperar. Esta capa también es responsable de identificar el origen y el destino del paquete. La arquitectura MAC del estándar 802.11 se compone de dos funcionalidades básicas: la función de coordinación puntual (PCF),la cual proporciona un acceso al medio libre de contienda; y la función de coordinación distribuida (DFC); la cual es de mayor importancia, ya que es la que determina cuándo una estación puede transmitir y/o recibir unidades de datos de protocolo a nivel MAC a través del medio utilizando el mecanismo CSMA/CA (“Sense Multiple Access/Collision inalámbrico, Avoidance”). Entonces de manera puntual, la capa MAC se encarga de: • Exploración: Envío de “Beacons” que incluyen los SSID: “Service Set identifiers”; también llamados ESSID (Extended SSID), con un máximo de 32 carateres. • Autenticación: Proceso previo a la asociación; donde el cliente envía una solicitud de autenticación con su SSID a un AP, el cual autorizará o no. Aunque este método es totalmente inseguro, no puede ser dejado de lado, pues uno de los puntos más fuertes de Wi-Fi es la posibilidad de conectarse desde sitios públicos anónimamente (cafés, hoteles, aeropuertos, etc.). 45 • Asociación: Este proceso es el que le dará acceso a la red y solo puede ser llevado a cabo una vez autenticado • Seguridad: Mediante WEP (“Wired Equivalent Privacy”), que es el sistema de cifrado incluido en el estándar IEEE 802.11 como protocolo para redes inalámbricas que permite cifrar la información que se transmite; con este protocolo se cifran los datos pero no los encabezados. Es importante mencionar que a nivel de capa MAC, Wi-Fi presenta muchas desventajas, ya que no fue preparada para poder implementar calidad de servicio (QoS). Esto lleva a inseguridades en la red de información, lo cual hoy en día, constituye un factor importante dentro del mercado. Por último, la capa LLC trabaja en conjunto con la capa física para establecer y mantener conexiones confiables. 4.3.2 Capas de la tecnología Wi-Max La familia de estándares 802.16x definen una capa MAC que soporta especificaciones de diferentes capas físicas (PHY), que a su vez depende del uso del espectro y de las regulaciones existentes. Esta característica es fundamental para la interoperabilidad de los dispositivos de diferentes marcas. 46 Figura 4.12 Capas de la tecnología Wi-Max La capa física es utilizada para realizar de manera optima la operación de sistemas inalámbricos de banda ancha, que utilizan el ámbito de frecuencias de 2 a 11 GHz y que operan sin línea vista (NLOS). Esta capa soporta los métodos de duplexación TDD y FDD, permitiendo full y half-duplex en este último caso; con lo cual se facilita la interoperabilidad con otros sistemas celulares o inalámbricos. En el estándar 802.16 se establecen tres diferentes posibilidades para la capa física que son: • Wireless MAN-SCa: en esta especificación se considera una interfaz de aire apoyada en una única portadora modulada. • Wireless MAN-OFDM: En esta especificación se utiliza un esquema de multiplexación por división de frecuencia Ortogonal OFDM256, el cual comprende 256 subportadoras. • Wireless MAN-OFDMA: en esta especificación se utiliza el esquema OFDM de 2048 subportadoras, el acceso de los múltiples usuarios se hace efectiva 47 asignando un subconjunto de portadoras a cada receptor individual, de manera que este estándar es referido como acceso múltiple OFD y se conoce cómo OFDMA, el cual se explicará más adelante. La capa de acceso MAC normalizada, proporciona compresión, QoS, seguridad, modulación adaptativa y ajustes de codificación. Esta capa se subdivide en tres capas que son: • Subcapa de Convergencia (CS): recibe datos de capas superiores por medio del punto de acceso CS SAP, permitiendo su transformación a unidades de servicio de datos tipo MAC; de manera que clasifica los datos como trama de paquetes o ATM y encamina las tramas a la capa CPS • Subcapa de parte común (CPS): Realiza las funciones típicas de la capa MAC tales como el direccionamiento. A cada estación se le asigna una dirección MAC de 48 bits. Los datos se encapsulan en un formato común facilitando la interoperabilidad. Acá, se concentran las funcionalidades de acceso al sistema, administración del ancho de banda, establecimiento de las conexiones y mantenimiento de la conexión. • Subcapa de privacidad: separada que permite proveer autentificación, intercambio de llaves y cifrado. Además, la capa MAC intercambia información, para que esta sea enviada al medio físico por medio del punto de acceso físico (PHY SAP). La capa de acceso descrita anteriormente colabora a que Wi-Max soporte diferentes arquitecturas de red, tales cómo: punto a multipunto, punto a punto, punto a punto consecutivo, y topologías mesh (entrelazadas) cuando trabaja en bajas frecuencias. 48 4.4 Modulación Cómo se ha mencionado ya varias veces a través del presente trabajo, los diferentes estándares tanto de Wi-Fi cómo de Wi-Max utilizan tecnologías en la capa física para la modulación y propagación de los datos; en el IEEE 802.11 son tres: DSSS, FHSS y OFDM; donde este último también es el más utilizado por Wi-Max, con ciertas variantes tales como OFDMA y SOFDMA. A continuación se explicará el funcionamiento de las tecnologías más utilizadas por cada estándar. 4.4.1 DSSS El uso de técnicas basadas en el espectro ensanchado permite reducir interferencias. mediante una técnica que emplea muchas subportadoras de muy baja potencia con lo cual se “expande” el espectro útil. En cuanto a D y FH, la diferencia se puede explicar diciendo que que DSSS trabaja con las subportadoras en orden, mientras FHSS las utiliza aleatoriamente. El último método es utilizado por el estándar 802.11b, y se detalla a continuación. El espectro ensanchado por secuencia directa DSSS (“Direct sequence spread spectrum”), se conoce también como DS-CDMA (acceso múltiple por división de código en secuencia directa), es uno de los métodos de modulación en espectro ensanchado para transmisión de señales digitales sobre ondas de radio que más se utiliza. Esta tecnología genera un patrón de bits redundante (señal de chip) para cada uno de los bits que componen la señal de datos ensanchada. Cuanto mayor sea esta señal, mayor resistencia tendrá la señal a las interferencias. 49 La secuencia de bits utilizada para modular los bits se conoce como secuencia de Barker (también llamado código de dispersión o Pseudoruído). Este pseudorruido es una secuencia rápida, diseñada para que aparezca aproximadamente la misma cantidad de 1 que de 0; se utiliza para modular directamente una portadora, de tal forma que aumente el ancho de banda de la transmisión y reduzca la densidad de potencia espectral. La señal resultante tiene un espectro muy parecido al del ruido, de tal forma que a todos los radiorreceptores les parecerá ruido menos al que va dirigida la señal; por lo que solo los receptores a los que el emisor haya enviado previamente la secuencia podrán recomponer la señal original; cabe mencionar que aunque parte de la señal transmitida se vea afectada por interferencias, el receptor aún puede reconstruir fácilmente la información a partir de la señal recibida realizando el proceso inverso, y es aquí donde se dispersan las señales interferentes. Figura 4.13 Señal ensanchada mediante DSSS8 En la imagen anterior se puede ver, de izquierda a derecha, el espectro de la señal de información, la señal ensanchada a la que se le han añadido interferencias, y por último el proceso inverso donde la señal de información es recuperada y las interferencias reducidas. La secuencia de Barker utilizada, tiene un total de 11 chips. En la imagen se puede ver qué aspecto tiene una señal de 2 bits a la que se le ha aplicado la secuencia de Barker. 50 Figura 4.14 DSSS codificado mediante la secuencia de Barrer8 Una vez aplicada la señal de chip, el estándar IEEE 802.11 ha definido dos tipos de modulación (en función de la velocidad de datos) para la técnica de espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS), la modulación DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) y la modulación DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying), que proporcionan una velocidad de transferencia de 1 y 2 Mbps respectivamente. Tanto en Europa como en Estados Unidos se trabaja en la banda ISM que va desde los 2,4 GHz hasta los 2,4835 GHz, con lo que el ancho de banda disponible (83.5 MHz) se divide en 14 canales independientes de 5 MHz cada uno. Cada país utiliza un subconjunto de estos canales, según las normas reguladoras para cada caso. En topologías celulares, pueden operar hasta 2 canales simultáneamente sin que se aprecien interferencias entre ellos siempre y cuando la separación entre los canales sea como mínimo 30 MHz. 8 Imágenes tomadas del trabajo: Implementación de un modelo de canal inalámbrico para redes 802.11 bajo el simulador ns-2 51 Figura 4.15 Frecuencias de los canales DSSS En configuraciones donde existan mas de una celda, éstas pueden operar simultáneamente y sin interferencias siempre y cuando la diferencia entre las frecuencias centrales de las distintas celdas sea de al menos 30 MHz, lo que reduce a tres el número de canales independientes y funcionando simultáneamente en el ancho de banda total de 83,5 MHz. Esta independencia entre canales permite aumentar la capacidad del sistema de forma lineal. 4.4.2 OFDM La modulación por división ortogonal de frecuencia, OFDM (“Orthogonal Frequency Division Multiplexing”), también llamada modulación por multitono discreto 52 DMT (“Discreet Multitone Modulation”), esta basada en el principio FDM, pero utilizada como un esquema de modulación digital. OFDM se utiliza en los estándares 802.11a/g y 802.16, de Wi-Fi y Wi-Max respectivamente; y consiste en enviar la información modulando en cuatro diferentes esquemas de modulación (BPSK, 4-QAM, 16-QAM, y 64-QAM) un conjunto de portadoras de diferente frecuencia. Esta técnica divide la señal de radio en muchas subseñales que son transmitidas simultáneamente hacia el receptor en diferentes frecuencias, de esta forma se consigue llegar a altas velocidades de transmisión, y se logra evitar en gran parte las interferencia, lo que hace de OFDM una buena técnica para las transmisiones inalámbricas actuales. Debido al problema técnico que supone la generación y la detección en tiempo continuo de los cientos, o incluso miles, de portadoras equiespaciadas que forman una modulación OFDM, los procesos de modulación y demodulación se realizan en tiempo discreto mediante la Transformada inversa rápida de Fourier IFFT y la Transformada rápida de Fourier FFT, respectivamente. Estas transformadas se utilizan para convertir en el dominio en frecuencia de las señales subportadoras y las muestras en el dominio del tiempo, las cuales son enviadas por el canal físico. La salida de una IFTT se conoce como símbolo OFDM. La frecuencia portadora se subdivide a su vez en 52 subportadoras solapadas en el caso de Wi-Fi, donde de las 52, 48 se utilizan para transmitir datos, mientras que las 4 restantes se utilizan para alinear las frecuencias en el receptor; en el caso más común de Wi-Max la portadora se divide en 256 subportadoras, 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; con lo cual se hace un uso muy eficiente del espectro radioeléctrico. 53 Para poder ilustrar el funcionamiento de OFDM, en la siguiente imagen se pueden ver a la izquierda los 8 canales en los que se divide la parte baja del espectro de 5 GHz utilizados por el IEEE 802.11a, mientras que a la derecha se ve cómo se ha subdividido un canal en 52 subcanales, con 1 portadora por subcanal. Cada uno de los 8 canales tiene un ancho de banda de 20 MHz, mientras que el de cada subcanal es 300 KHz. Figura 4.16 Detalle de un canal IEEE 802.11a9 En cambio, el IEEE 802.11g solo dispone de 3 canales no sobrepuestos en la banda ISM. Los subcanales son ortogonales entre ellos, de manera que se cancelan las interferencias que pueda haber entre las subportadoras. Según la modulación que se utilice, la velocidad de transmisión puede oscilar entre los siguientes valores normalizados: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 Mbps. OFDM reduce la diafonía (efecto de cruce de líneas) durante la transmisión de la señal, y además una de las ventajas de la técnica OFDM respecto a DSSS o FHSS es que es más robusta respecto a las interferencias multicamino, que empiezan a ser un problema serio cuando se sobrepasa la velocidad de 4 Mbps. En Wi-Max, específicamente en su estándar más reciente, el 802.16e, también se utilizan variantes de la técnica OFDM, tales cómo OFDMA y SOFDMA. 9 Imagen tomada del trabajo: Implementación de un modelo de canal inalámbrico para redes 802.11 bajo el simulador ns-2 54 El Acceso múltiple por división ortogonal de frecuencia OFDMA, es una versión multi-usuario del esquema de modulación. La tecnología OFDMA brinda más velocidad y más confiabilidad. Divide un bloque del espectro en sub-canales; cada uno de estos subcanales es modulado individualmente y transmitido en forma ortogonal para minimizar interferencias entre ellos, por lo cual supera tecnologías de telefonía celulares como CDMA y WCDMA. Esta tecnología utiliza retroalimentación, para lograr monitorear el estado de los canales utilizados y así poder sacar un mejor uso del sistema espectral. En OFDMA, un diferente número de suportadotas pueden ser asignadas a diferentes usuarios, para soportar una mejor QoS, controlando la tasa de transmisión y probabilidades de error para cada usuario. OFDMA se asemeja al espectro ensanchado del CDMA, donde los usuarios pueden alcanzar diferentes tasas de transmisión de datos, asignando un diferente factor de ensanchamiento de código ó varios números de códigos ensanchados para cada usuario. OFDMA pude también ser visto como una combinación de OFDM con TDMA. Usuarios con bajas tasas de transmisión de datos pueden enviar paquetes continuamente a baja potencia de transmisión, en lugar de usar una portadora con alta potencia. En esta técnica se experimentan constantes pero cortos retrasos de transmisión. En resumen OFDMA se puede describir cómo una combinación de acceso múltiple, tanto en el dominio del tiempo cómo en el de la frecuencia. El OFDM escalable ó SOFDMA (“Scalable-OFDM”) será la capa física elegida para el futuro del las aplicaciones Wi-Max fijas y móviles. Es importante mencionar, que SOFDMA no es compatible hacia atrás con OFDM256. SOFDMA es una variación de la 55 técnica de modulación OFDMA, la cual permite un número variable de ondas portadoras, que se añade a los modos OFDM y OFDMA ya existentes. SOFDMA significa que el número de sub-portadoras OFDM aumenta, o escala (de 128 subportadoras hasta 2.048), basándose en la calidad de la señal de RF para un usuario en particular, los requerimientos del usuario y el ancho de canal de radio que se usa. SOFDMA permite a múltiples usuarios transmitir al mismo tiempo dando como resultado una eficiencia mejorada de red y una mejor experiencia del usuario. CAPITULO 5: Aplicaciones, ventajas y desventajas de las tecnologías Wi-Fi y Wi-Max 5.1 Aplicaciones y ventajas generales de las tecnologías inalámbricas En general se empezaron a utilizar como una solución para áreas donde el abastecimiento de un servicio de Internet no existiera, debido al difícil acceso por la geografía del lugar. Estas infraestructuras se componen de una conexión “backbone” a Internet (compuesta tradicionalmente por fibras ópticas o de cobre) y además de un conjunto de instrumentos para distribuir esta conexión “uplink” en las áreas antes mencionadas. Cómo se ha venido mencionando a lo largo de este trabajo, los dos estándares más importantes de Internet inalámbrico para el suministro de acceso de bajo costo son Wi-Fi y Wi-Max. Wi-Fi se ha usado comúnmente como un servicio de distribución que proporciona una “nube” de conectividad en “hotspots”, y se ha popularizado más en los últimos años en los centros urbanos de todo el mundo. Wi-Max por otro lado, satisface el suministro de servicios de Internet, como una alternativa a la fibra óptica o al cable de cobre en las infraestructuras backbone para las áreas rurales, o bien como un servicio de distribución con capacidad para servir un área extensa. Como una gran ventaja se tiene que las tecnologías inalámbricas no implican pérdidas significativas en la calidad ni en la transmisión. Con respecto a los costos para el acceso a redes de comunicación vocal y de datos por medio de tecnologías inalámbricas, aún en áreas rurales, es mucho menor que el costo 56 57 de utilizar fibra óptica o cobre aún en las zonas urbanas. Esta enorme ventaja económica (que se está ampliando con el creciente uso global de las tecnologías inalámbricas y con las economías de escala resultantes) puede ser usada para conectar áreas rurales de manera autosostenible y eficaz en función de los costos. Además de las ventajas económicas sin precedentes, las tecnologías inalámbricas prometen algo más que una vía de acceso eficiente para las poblaciones que carecen de servicios. Para los gobiernos, las tecnologías inalámbricas son un medio para suministrar servicios valiosos (como lo son los de salud y educación) y servicios de gobierno a ciudadanos que residen en áreas alejadas. Ha habido y siguen desarrollándose aplicaciones exitosas de las tecnologías inalámbricas en toda la región latinoamericana y caribeña, con lo cual se incrementa el desarrollo en regiones en las que antes era casi impensable. 5.2 Aplicaciones Wi-Fi y Wi-Max La diferencia principal a nivel de aplicaciones entre estos dos estándares es que WiFi se ha usado normalmente para conectar dispositivos en un área relativamente pequeña, en cambio Wi-Max puede usarse para conexiones de extensas zonas geográficas, dependiendo de ciertos factores tal y como se explicó en capítulos anteriores. 5.2.1 Aplicaciones Wi-Fi Wi-Fi fue diseñado para Redes de Área Local, como alternativa al cableado estructurado para aquellos edificios que, o no poseían, o no podían hacer frente a la instalación del mismo por motivos económicos, de infraestructura, o de cualquier otra 58 índole. Como tecnología Ethernet inalámbrica, Wi-Fi presenta las mismas deficiencias que podemos encontrarnos en las redes Ethernet tradicionales, como son la encriptación del protocolo, el uso de VLANs, el soporte QoS, etc. Por otro lado, se ha pretendido ampliar el uso de Wi-Fi desde su ámbito natural de uso en redes locales por parte de ISPs que deseaban ahorrar en una infraestructura de acceso para el abonado utilizando Wi-Fi como tecnología de "última milla". Esto se está viendo irremediablemente conducido al fracaso por las características de diseño del protocolo, entre ellas el no estar diseñado para permitir interactuar a una gran cantidad de usuarios por el mecanismo de detección de colisiones implementado. Es interesante mencionar otra de las grandes falsedades bajo las que se presenta la tecnología Wi-Fi, que es la capacidad de servir como enlace MAN o WAN. Además de tener que contar con una gran potencia para la transmisión a grandes distancias, Wi-Fi tiene bastantes dificultades cuando encuentra algún obstáculo óptico en su camino, con las cuales la conexión se hace imposible. En la actualidad, las redes WLAN han encontrado una gran variedad de nuevos escenarios de aplicación, tanto en el ámbito residencial como en entornos públicos. 5.2.1.1 Posibles escenarios de aplicación Un análisis de los potenciales usos y aplicaciones de la tecnología Wi-Fi demuestra la dificultad de estructurar los escenarios sobre los que se está implantando. No obstante, se pueden considerar algunos más comunes como los que sigue: • Entornos residenciales: la casa cuenta con alguna alternativa de servicio ADSL al cuál se conecta un AP para formar una red WLAN que ofrece cobertura a varias computadoras en el hogar. Una variable de 59 este escenario seria el de comunidades de propietarios de viviendas que acuerdan compartir un acceso común. • Redes Corporativas: Una serie de puntos de acceso distribuidos en varias áreas de la empresa conforman una red WLAN autónoma o complementan a una LAN cableada. Son aplicaciones de alta densidad de tráfico con ciertas exigencias de seguridad. • Usos industriales: Dentro del uso corporativo, existen diversas aplicaciones especialmente potenciadas por los sistemas Wi-Fi: gestión de almacenes, telecontrol y seguimiento, comunicaciones vocales internas, aplicaciones de video, etc. • Acceso público a Internet: desde cafeterías, tiendas, etc. Es un escenario de acceso, involucrando un bajo número de puntos de acceso, parecido al residencial, pero que necesita mayores funcionalidades en el núcleo de red. • Acceso público de banda ancha: se establece en pequeños pueblos, hoteles, campus universitarios, En general, este escenario necesita múltiples puntos de acceso para garantizar la cobertura del área considerada. Este escenario podría incluir zonas geográficas mayores hasta llegar a lo que algunos han denominado “hot cities”. El acceso se construye, mayoritariamente, a través de nodos 802.11b/g estructurados jerárquicamente y mediante una cuidadosa planificación de frecuencias de forma que exista el menor solape entre ellas y, por tanto, la menor pérdida de ancho de banda. En el caso de grandes coberturas y/o altas densidades de usuarios. 60 • Comunicaciones en estaciones de transporte: dentro de estos escenarios, es necesario distinguir entre las redes sin ánimo de lucro (redes libres) que ofrecen un servicio gratuito a las personas que esperan en terminales de tren, autobús, aeropuertos, etc. Las WLAN para cobertura de “Hotspots” (Escenario público) cubren áreas donde se concentra un gran número de usuarios de alto tráfico. La red a instalar requiere un elevado número de puntos de acceso, así como importantes exigencias de seguridad, gestión de red y facilidades de facturación. Representan el mayor número tanto por cantidad de puntos de acceso, como de usuarios y de volumen de negocio generado. • Acceso a Internet desde medios públicos de transporte: En los últimos meses se está convirtiendo en un tema de actualidad que compañías de países desarrollados en servicios de transporte ferroviario ofrezcan acceso de banda ancha desde sus trenes, o compañías aéreas que ofrecen acceso a Internet en sus vuelos intercontinentales o diversas ciudades que disponen de taxis que incorporan una pantalla integrada en el asiento que permite acceder a Internet de banda ancha. Existen sistemas implementados por algunas aerolíneas, donde la solución está basada en un acceso Wi-Fi en el interior del avión que termina un enlace vía satélite con la red Internet. En las otras dos aplicaciones, Wi-Fi forma parte tanto de la red de acceso, en el interior del vehículo, como de la solución de transporte hacia la red fija. Operadores "Wireless ISP" que ofrecen cobertura local de banda ancha en pueblos o en pequeñas ciudades utilizando WLAN. Este servicio está bastante 61 extendido en USA. De igual forma estos operadores ofrecen cobertura nacional en los “Hot-spots”. Se dan casos de operadores móviles que complementan su oferta de movilidad global con cobertura WLAN en "Hot-spots". Esta oferta se debe básicamente a dos factores: por un lado, evitar que los operadores WLAN anteriores, que ofrecen la cobertura de "Hot-spots" a nivel nacional, capten un porcentaje importante del mercado de servicios de UMTS. De otro lado, capitalizar su infraestructura de red, dado que ya poseen muchos activos necesarios para las redes WLAN tales como plataformas de autentificación, de gestión de red, de servicio y de facturación. Existen a nivel internacional muchas experiencias de aplicación de la tecnología Wi-Fi. Se ha implementado en gran número de aeropuertos, hoteles, campus universitarios, bibliotecas, y hasta en pequeñas ciudades donde la red cableada no existía, o se dificultaba su acceso. También en lugares como Estados Unidos, las tecnologías Wi-Fi de última generación, se están convirtiendo en uno de los ingredientes principales de las nuevas arquitecturas de servicios de telecomunicación esenciales para otros servicios públicos: redes de emergencias, ambulancias, policía, transporte público, etc. La movilidad y la banda ancha son los dos factores clave. 5.2.2 Ventajas y desventajas Wi-Fi Las principales ventajas de la tecnología Wi-Fi son las siguientes: • No es necesario que haya visibilidad directa. 62 • Debido a que está estandarizada, el equipo terminal tiene un bajo costo, lo que permite la instalación de redes inalámbricas sin grandes gastos de dinero; y aún, los precios siguen disminuyendo. • Facilidades de re-configuración de la red; sea para trasladarla, extenderla o reducirla, sin la necesidad de cambios en infraestructura de los edificios. • A nivel de capa física, Wi-Fi permite utilizar diferentes esquemas de transmisión; con lo que puede alcanzar mayores tasas de datos, llegando hasta 54 Mbps. Por otro, las principales limitaciones esta tecnología son las siguientes: • A nivel de capad de enlace (MAC), Wi-Fi presenta muchas desventajas. Es una tecnología que no fue preparada para poder implementar calidad de servicio (QoS). Esto lleva a inseguridades en la red • La velocidad depende del número de usuarios, de la distancia al punto de acceso y del entorno (materiales, obstáculos, etc). • Altas tasas de datos implican cortos rangos de transmisión • A mayor potencia de salida, se incrementa el rango de cobertura pero también incrementa la potencia consumida, lo que implica menor tiempo de vida de la batería y también mayores costos. • Mientras más alta es la frecuencia de operación, mayor es la tasa de datos pero menor el rango de cobertura. • Interferencias con otras redes Wi-Fi, y tecnologías como el Bluetooth. 63 • Crecimiento descontrolado de las redes W-Fi. • Una de las mayores limitaciones con el servicio Wi-Fi público es la restricción del backhaul; una conexión de banda ancha se reduce drásticamente una vez que alcanza el punto estrecho del backhaul. Vale la pena destacar que las velocidades de datos de Wi-Fi mencionadas en este trabajo, son velocidades de datos máximas teóricas y que una vez que desaparece el overhead, las velocidades de datos reales se reducen aproximadamente a la mitad. Además, la interfaz aérea y el backhaul podrían ser compartidos por múltiples usuarios, disminuyendo así la velocidad de datos de los usuarios. 5.2.3 Aplicaciones Wi-Max En varias regiones del mundo, el cable de cobre hasta una casa o una empresa simplemente no existe. En estas situaciones, es mucho más viable una oferta inalámbrica fija basada en un estándar abierto, que desplegar cables de cobre que pueden a la postre ser fácilmente robados y vendidos en el mercado negro. Es aquí donde se ve con claridad la principal aplicación de la tecnología Wi-Max, que por sus características, se adapta perfectamente a estas necesidades y la dificultad de establecer una infraestructura fija. Wi-Max fue diseñado para Redes de Área Metropolitana, como alternativa a las soluciones como DSL o cable en zonas de difícil acceso, de manera que se pudieran ofrecer servicios como acceso a Internet mediante banda ancha en esas áreas remotas; además de hacer posible la conexión inalámbrica entre edificios que se encuentran separados a varios kilómetros de distancia. 64 En general, las primeras versiones de Wi-Max estaban pensadas para comunicaciones punto a punto o punto a multipunto, típicas de los radioenlaces; pero debido al éxito y desarrollo de la tecnología, esta se orienta también hacia un servicio que ofrezca total movilidad, por lo que competirán con las redes celulares. 5.2.3.1 Posibles escenarios de aplicación Realizando un análisis similar al que se hizo con el caso de Wi-Fi; se pueden determinar ciertas áreas de aplicación donde el uso de Wi-Max tiene ó tendrá mayor éxito; dentro de las cuales se pueden mencionar las siguientes: • Backhaul a internet para hot-spots Wi-Fi: esto es, Wi-Max puede resultar muy adecuado para unir hot spots Wi-Fi a las redes de los operadores, sin necesidad de establecer un enlace fijo. El equipamiento para Wi-Fi es relativamente barato, pero un enlace E1 o DSL resulta caro y a veces no se puede desplegar por razones orográficas, por lo que la alternativa radio parece muy razonable. • Reemplazo y extensión de DSL y cable módem: Cada vez se trata de instalar la menor cantidad de cables posibles, debido a la facilidad de la tecnología inalámbrica, y su bajo costo; aún en mercados en desarrollo, tales como los Estados Unidos y Canadá, hay regiones del país en donde la economía de instalar cables o poner DSLAM no tiene sentido. En estos casos, es mucho más apropiada utilizar la tecnología Wi-Max que brinda gran ancho de banda, y en radios de cobertura amplios. • Servicios privados para empresas: Algunas empresas adquieren para la comunicación en sus redes privadas, líneas dedicadas tales como E1 o 65 T1, en el caso de realizar un proceso similar utilizando Wi-Max, el rendimiento de la red podría aumentar drásticamente, con un costo que puede llegar a ser hasta 10 veces menor que con los medios físicos. • Servicio a zonas rurales de difícil acceso: el ofrecer servicios a zonas rurales de difícil acceso, a las que no llegan las redes cableadas, es una gran alternativa que se tiene con Wi-Max debido a su gran alcance y alta capacidad, donde además de llegar a lugares que no gozaban con servicios de banda ancha, esto se hace con calidad y costos muy competitivos frente a las demás alternativas. • Alternativa a servicios satelitales: En los países en desarrollo resulta una buena alternativa par el despliegue rápido de servicios, compitiendo directamente con las infraestructuras basadas en redes de satélites, que son muy costosas y presentan una alta latencia. • Backhaul inalámbrico en una red celular: Los radios de microondas han sido usados prácticamente desde el comienzo de la industria celular para proveer backhaul, o transporte de tráfico de voz y datos de sitios de celdas distantes a la red núcleo del operador. En general, los operadores han utilizado cobre, enlaces de fibra o radios de microondas que operan a frecuencias mucho más altas que las de Wi-Max, pero las características y el desarrollo de esta tecnología inalámbrica hacen que los operadores estén enfoquen su mirada a la idea de usar Wi-Max. Esta aplicación estará condicionada por la disponibilidad de espectro suficiente para cumplir con los requisitos de su backhaul, en particular dado los mayores requerimientos como resultado de los servicios de datos 3G. 66 • Cobertura portátil o móvil: Gran parte del centro de interés de la comunidad Wi-Max (en especial con el estándar 802.16e) es el escenario en donde el abonado, pueda tener una conexión inalámbrica de banda ancha que pueda proporcionar conectividad en un entorno móvil. Esta oferta de servicio requiere tarjetas de datos habilitadas por Wi-Max para PC y potencialmente conduciría a soluciones incorporadas y a nuevos tipos de dispositivos. Este escenario de uso es el más atractivo, ya que implica un acceso a banda ancha y otros servicios de voz y datos en cualquier momento y en cualquier lugar. Implementar una solución portátil/móvil es un mayor desafío, pero no será la primera solución Wi-Max que llegue al mercado. Wi-Max se extiende el alcance de Wi-Fi y provee una seria alternativa o complemento a las redes 3G, o incluso como una solución de 4G. 5.2.4 Ventajas y desventajas Wi-Max Las principales ventajes de la tecnología Wi-Max son las siguientes: • La instalación de estaciones base Wi-Max es sencilla y económica, utilizando un hardware estándar; por lo cual los costes de los equipos serán más bajos. • Dispone de distintos estándares y propiedad según la aplicación y función en la red. • Es independiente de protocolo; en otras palabras, puede transportar IP, Ethernet, ATM y otros. La clave de la compatibilidad de este estándar con otros como Wi-Fi, Ethernet, o Token Ring reside en el uso de la misma capa 67 LLC (Logical Link Controller), que actúa como interfaz de acceso a los servicios de datos que proporciona cada tecnología. • Gran ancho de banda. Una sola estación de base puede admitir de manera simultánea más de 60 enlaces con conectividad tipo T1/E1 o cientos de conexiones tipo DSL al mismo tiempo. • El ancho de banda típico es de 70Mbps, el cual es suficiente para la mayoría de las aplicaciones; no obstante en condiciones óptimas, donde exista línea directa, y se trabaje en bandas con licencia, el ancho de banda máximo puede llegar a ser de 124Mbps. • Con estos grandes anchos de banda, es capaz de brindar conexiones de alta velocidad en un radio de hasta 50 kilómetros a la redonda. • Puede transmitir otros servicios agregados como: Voz sobre IP (VoIP), datos, o vídeo. • Es compatible con las antenas de telefonía de tercera generación (denominadas "antenas inteligentes"), que gracias a la emisión de un haz acotado, apuntan constantemente al receptor aún en movimiento. • La tecnología Wi-Max tiene la ventaja de ser muy segura; ya que incluye medidas para privacidad y criptografía inherentes en el protocolo. Por otro lado, las principales limitaciones esta tecnología son las siguientes: • A mayor distancia de la estación proveedora, menor velocidad en la conexión. 68 En general se pueden puntualizar varias desventajas principales que se dan a causa de la utilización de las bandas libres. • Interferencias: debido a que el espectro que no requiere licencia puede ser utilizado por varios sistemas diferentes de RF, hay altas probabilidades de que ocurran interferencias; las cuales a su vez ocasionan latencia en la conexión. • Los operadores que utilizan el espectro que no requiere licencia tienen que asumir el riesgo de que otro operador podría ingresar en el mercado empleando el mismo espectro. Este es uno de los problemas principales en las redes Wi-Fi, en las cuales instalar puntos de acceso es muy barato, por lo que se puede llegar a saturar la red, no obstante en el caso de Wi-Max, el implementar una red podría ser equivalente al costo de desplegar una red celular, lo cual hace que este problema sea menos voluminoso en este estándar. • Otra desventaja del espectro que no requiere licencia es que los entes reguladores encargados, limitan la cantidad de potencia que puede transmitirse, con lo que se ve perjudicada la cobertura de la red. Para lograr entender de mejor manera las principales características de Wi-Fi y WiMax en una forma puntual, y con el fin de compararlas, se presenta la siguiente tabla: 69 Tabla 5.1 Tabla comparativa entre Wi-Fi y Wi-Max Wi-Fi Wi-Max Cobertura Máxima 300m (exteriores) 50km (Condiciones óptimas) 90m (interiores) Optimización Cortos rangos de espacio. Funcional para aplicaciones NLOS. Escalabilidad Aplicación en WLAN. Aplicación en WMAN. Número de usuarios varia Soporta cientos de según el numero de puntos estaciones de suscriptores, de acceso. con un número limitado de usuarios por estación. Ancho de Banda máximo 54 Mbps 124Mbps (máximo normal 70Mbps) QoS Muy limitado Soporte de QoS en la capa MAC. Rango posible de Bandas de 2,4GHz – 5 GHz 2GHz – 66GHz Frecuencia (bandas libres) (bandas libre o con licencia) Modulación DSSS/OFDM OFDM/OFDMA/SOFDMA 70 En términos generales, se pueden tener un sin número de aplicaciones utilizando las tecnologías Wi-Fi y Wi-Max, y más aún si estas trabajan en conjunto. A continuación se muestra una ilustración de una arquitectura de red que fomenta la comunión de Wi-Fi y WiMax, integrando prácticamente todas las aplicaciones antes mencionadas: Figura 5.1 Esquema resumen de posibles aplicaciones Wi-Fi y Wi-Max10 10 Imagen tomada del artículo de INTEL: Understanding Wi-Fi and WiMAX as Metro-Access Solutions CAPITULO 6: Conclusiones y recomendaciones 6.1 Conclusiones Las aplicaciones inalámbricas en los últimos años han alcanzado un lugar muy importante en el desarrollo de las comunicaciones. Cambiando la forma de ver las misma, desde su concepción, planeamiento e implementación. Dos de las tecnologías de mayor desarrollo y respaldo en el mercado son Wi-Fi y Wi-Max, las cuales fueron tratadas en el presente trabajo, con el objetivo de determinar sus debilidades y fortalezas frente a la solución de las necesidades de la sociedad actual. Wi-Fi inició como una tecnología de acceso inalámbrico para espacios reducidos (aproximadamente 300m), esencialmente en redes WLAN; poco a poco con su gran desarrollo y efectividad se vislumbró como posible solución para exteriores, pero esto se ve cada vez más lejos, debido al surgimiento del estándar 802.16, mejor conocido como WiMax, el cual ha tenido su nacimiento, basado justamente en las necesidades de tener una red inalámbrica que para exteriores, y en grandes radios de cobertura. De forma más puntal se puede decir de la tecnología Wi-Fi que se ha mantenido entre otras tecnologías de última milla, como la mejor solución dentro de entornos locales, debido a su baja cobertura. Una de sus principales ventajas es que no es necesario utilizar el cableado Ethernet para formar una red, el abonado sólo requiere la instalación de un punto de acceso y una tarjeta inalámbrica a cada equipo que se requiera conectar. Para lograr contar con una conexión a Internet, es necesario el uso de una tecnología que cubra la última milla (ADSL, PLC, HFC, Wi-Max, entre otras), que sirva como backhaul para el punto de acceso. 71 72 Al tratarse de una tecnología estandarizada y un desarrollo tan gigante de la misma, los precios de dispositivos para la implementación de redes Wi-Fi disminuye constantemente, lo que hace de este tipo de configuración de red cada vez más accesible en distintos estratos sociales. Además de esto, prácticamente todos los equipos vienen dotados de fábrica con una tarjeta de red inalámbrica que soporta los estándares 802.11. La principal desventaja de Wi-Fi radica en que la misma opera en bandas libres, razón por la cual se deben tomar medidas especiales en temas de seguridad e interferencias. En su concepción la tecnología Wi-Max es muy similar a su “hermana” Wi-Fi; ambas operar de formas muy similares, teniendo como principal diferencia su ancho de banda y radio de cobertura; sin embargo son estas diferencias las que delimitan sus diferencias de aplicación. Wi-Max se ve como una tecnología inalámbrica de última milla y que supone una amenaza para las actuales tecnologías ADSL y ‘Cable’; esto debido a su facilidad de implementación, a llegar a lugares de difícil acceso, y a ofrecer anchos de banda superiores (normalmente 70Mbps) en un gran área de cobertura de hasta 50km en condiciones normales, con línea de vista; no obstante no es necesario que siempre exista línea de vista, característica que lo hace muy apto para soluciones en zonas donde existan obstáculos tales como montañas, edificios, etc; así como brindar la posibilidad de movilidad. Al igual que se dijo de Wi-Fi, Wi-Max se encuentra estandarizado, razón por la cual los problemas de implementación de rede bajo esta tecnología, prácticamente se anulan. Wi-Max también puede trabajar en bandas libres brindando un acceso rápido y económico, sin embargo esto hace que al igual que Wi-Fi, presente problemas de seguridad e interferencias. Es por esto que sus principales aplicaciones se den sobre bandas que 73 requieren licencia, lo que si bien tiene un costo mayor, también mejora mucho la calidad del servicio, mitigando los problemas que se dan en bandas sin licencia. En general, es falso el pensamiento de que Wi-Max ha llegado para ser el reemplazo de Wi-Fi, Wi-Max, está más enfocada a brindar conexión directa a Internet de banda ancha en las áreas metropolitanas y Wi-Fi como tecnología para establecer redes pequeñas o LAN, con lo cual, más bien se convierten en tecnologías complementarias, con las cuales se puede dar una amplia gama de soluciones integradas para la implementación de redes inalámbricas con acceso a Internet de banda ancha. La tecnología Wi-Max tiene un gran futuro por delante, y se perfila como la forma de hacer posible el ansiado "Internet Móvil", por medio de su estándar móvil 802.16e, además de presentarse como un prototipo de cuarta generación, que lo coloca en una posición muy interesante para la próxima generación de servicios móviles. Para el caso de Costa Rica, el desarrollo de estas tecnologías representa un gran paso, en la solución de problemas de cobertura en su red de banda ancha, debido a que estas tecnologías poseen la capacidad de adaptarse a ambientes con difíciles terrenos, y con gran cantidad de obstáculos, tales como las zonas montañosas de nuestro país. También representan soluciones integradas para zonas costeras y rurales, a las cuales no existe ningún medio cableado que pueda suministrar servicios de voz y datos. En los casos en que la población de los lugares no represente un negocio para los operadores de estos servicio, se pueden facilitar telecentros, donde los habitantes, cuando menos tengan acceso a servicios de multimedia tales como Internet, aprendizaje en línea, televisión, etc. Con las ventajas que se prevén para estas tecnologías, tales como la movilidad que suministrará al Internet, y su compatibilidad con sistemas celulares; se perfila como una gran inversión en infraestructura, que servirá para un gran número de aplicaciones y servicios de alta calidad, y en todas partes del país. 74 6.2 Recomendaciones El conocimiento de las tecnologías que nos rodean es muy importante, es por esta razón que se debe fomentar por medio de cursos libre o conferencias gratuitas, que todas las personas que en una forma u otra tienen contacto con ellas, se instruyan, de forma que estén enteradas cuando menos en forma básica del modo en que estas operan; así, todos los usuarios podrán determinar la calidad de servicio que se les esta brindando, y por ende, exigir una mejora constante en el mismo. Es importante, además, controlar directamente a quienes brindan servicios en el área del despliegue de redes, para que estén bien enterados de sus características y medios de aplicación, de forma que no se llegue a la creación de un volumen descontrolado de redes, en especial en bandas no licenciadas, sin la previa investigación y estudio, que conlleven a un análisis de coberturas de los alrededores, para poder realizar una planificación de frecuencias y de seguridad (principal problema del Wi-Fi) e interferencias. Por lo tanto, es necesario incorporar estudios en las normativas de estos estándares, y así, mediante la supervisión de ingenieros de telecomunicaciones, conseguir un despliegue viable y ordenado de estas tecnologías. Un aspecto muy importante es lograr una comunión de tecnologías, de manera que no se vea a los estándares emergentes como una amenaza, sino, por el contrario como una forma de complemento que puede llegar a fortalecer los sistemas de comunicación, y a lograr mayores alcances y soluciones integradas que al final beneficiarán a la sociedad, y harán nuestras vidas más prácticas y cómodas. Se insta a los estudiantes, y se recomienda a los profesores motivar a los mismos a que realicen otros proyectos de graduación, como una continuación del tema tratado en el presente trabajo, en especial que se tengan muy en cuenta los aspectos relacionados al 75 desarrollo del tema de la movilidad en este tipo de tecnologías de acceso inalámbrico, en especial en el estándar 802.16e, el cual de momento se vislumbra como una solución polifuncional, tanto para sistemas de banda ancha, como para sistemas celulares, con lo cual se lograrían fusionar este tipo de servicios, y sacar un máximo provecho de ambos, y llegar a poseer tecnologías que gocen con el ansiado Internet móvil. BIBLIOGRAFÍA Libros: 1. Muller, N. “Wi-Fi for the enterprise”, Primera edición, Editorial McGraw-Hill, Estados Unidos, 2003. 2. Sharpe, A. “Diseño de una WLAN”, Trabajo Final de Graduación, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2001. 3. Zumbado, G. “Nueva tecnología de acceso inalámbrico Wi-Max”, Trabajo Final de Graduación, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2006. 4. Alvarado, G. “Propuesta para la implementación de una plataforma de acceso basada en la tecnología Wi-Max”, Trabajo Final de Graduación, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2006. 5. Shum, J. “Tecnología de acceso inalámbrico de banda ancha WiMAX en Costa Rica”, Trabajo Final de Graduación, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2006. Páginas web: 1. Córdoba, H. “Análisis de Alternativas de Comunicación para las Zonas Rurales de la Costa Ecuatoriana”, http://www.rte.espol.edu.ec/archivos/Revista_2005/50.pdf 2. “Tecnologías inalámbricas de banda ancha”, http://www.intel.com/cd/network/communications/emea/spa/179913.htm 3. “IEEE 802.11”, http://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11 4. “Wifi”, http://en.wikipedia.org/wiki/Wifi 76 77 5. “Wimax”, http://en.wikipedia.org/wiki/Wimax 6. Fernández,R. “WiMAX Un nuevo horizonte en las comunicaciones inalámbricas”, http://www.idg.es/pcworldtech 7. Thelander, Michael. “WiMAX:Oportunidades y desafíos en un mundo Inalámbrico”, http://www.cdg.org/resources/white_papers/files 8. “OFDM”, http://es.wikipedia.org/wiki/OFDM 9. Luna, M. Sánchez, J. “CDMA multiportadora en redes inalámbricas de banda ancha para interiores”, http://www.depi.itchihuahua.edu.mx/electro/archivo/electro2001 10. “WiMAX: Lo inalámbrico a larga distancia”, http://www.enterate.unam.mx/Articulos/2005/abril/wimax.htm 11. “WiMAX”, http://www.wimax.com 12. “WiMAX forum”, http://www.wimaxforum.org 13. “WiFi.com”, http://www.wifi.com 14. Rivero, G. “Redes inalámbricas de banda ancha”, http://www.citel.oas.org/newsletter/2006/marzo/banda-ancha_e.asp ANEXOS Anexo 1. Modulación PSK 78 79 Anexo 2. Modulación CCK 80 81 Anexo 3. Modulación QAM 82 Anexo 4. FHSS Se transmite una parte de la señal de información en una frecuencia dentro del ancho de banda asignado y durante un periodo de tiempo, conocido como dwell time, que es inferior a 400ms. Una vez ha pasado este tiempo se cambia la frecuencia de emisión y se sigue transmitiendo otra porción de la señal. Así, la señal de información se va transmitiendo en tramos a frecuencias distintas durante un intervalo de tiempo muy pequeño. 83 Cada una de las transmisiones a una frecuencia concreta se realiza utilizando una portadora de banda estrecha que va cambiando (saltando) a lo largo del tiempo. El orden de los saltos en frecuencia que realiza el emisor lo determina una secuencia pseudoaleatoria. El patrón de saltos (hopping code) debe ser conocido tanto por el emisor como por el receptor. Es necesario que se mantenga una buena sincronización de saltos entre los dos extremos (emisor y receptor). El cambio periódico de frecuencia reduce la interferencia producida por otra señal que se esté transmitiendo en la misma banda, siempre que no estén utilizando en el mismo momento la misma frecuencia. Esto es una ventaja respecto a los sistemas DSSS. El resto de usuarios externos a la comunicación que reciben la señal FHSS la tratan como un ruido impulsivo de corta duración. En el IEEE 802.11 se define que se puede utilizar esta tecnología usando la modulación PSK y con una velocidad de transmisión inferior a 2 Mbps. Anexo 4. Internet Inalámbrico de RACSA WiMax Descripción del servicio Internet Inalámbrico de RACSA llega para revolucionar el mercado. La tecnología utilizada por RACSA para el acceso final al usuario es por medio de la tecnología WiMax, la cual permite conectar a los clientes por medio de un vínculo inalámbrico de alta confiabilidad y disponibilidad. Las soluciones inalámbricas de RACSA permiten optimizar los plazos y costos de instalación y brindan la posibilidad de disponer de un ancho de banda escalable de acuerdo con las necesidades de cada cliente. Con esta tecnología será posible tener banda ancha en modo inalámbrico en cualquier parte del país, con lo que se abaratarían los costes de llevar líneas terrestres a lugares donde la banda ancha no llega. El sistema WiMax se compone de Radio-Bases que iluminarán en forma inalámbrica, en una primera etapa a los cantones de Escazú y Santa Ana y posteriormente al Gran Área Metropolitana. 84 En caso de estar interesado en este servicio y reside en Santa Ana o Escazú, favor envíe el formulario respectivo o llame al 800 NAVEGAR (800-628-3427) en donde recibirá la asesoría necesaria. No obstante, aquellos interesados que residan en otros cantones y provincias también se les tomarán los datos con el fin de contactarlos en el momento en que esta tecnología esté disponible en el lugar requerido. Las tarifas mensuales oscilan entre los $29 (velocidad 512/256 Kbps) y los $244 (velocidad 2 Mbps/ 1 Mbps) dependiendo de la velocidad que el cliente esté interesado en contratar. Para efectos de comprar el equipo terminal (antena y módem inalámbrico) el cliente deberá contactar a los distribuidores recomendados que vendan esos equipos de tecnología WiMax con las características que requiere el servicio de RACSA. Ventajas del servicio Los clientes del servicio Internet Inalámbrico de RACSA (WiMax ) recibirán los siguientes beneficios: • Acceso a Internet en banda ancha: • Alto volumen de datos. • Permite el desarrollo de nuevos servicios asociados a voz, datos y video. • Instalación sencilla y rápida. • Conexión las 24 hrs. del día • No utiliza la línea telefónica para acceder la red. • Cobertura de hasta 8 km. de radio desde la radio base. • Calidades de servicio según los atributos definidos para el mismo. • Soporte técnico. 85 Anexo 4. 86 Anexo 5. Mobile WiMAX: The Best Personal Broadband Experience 87 88 89 90 91
