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Introducción
En el desarrollo de las principales aplicaciones
que se prestan en la denominada Sociedad de la Información intervienen
las infraestructuras de comunicaciones móviles y la implantación del
Protocolo de Internet (IP). Los orígenes de estas aplicaciones basadas
en la movilidad y el Protocolo de Internet (IP), datan de varias
décadas. Por ejemplo, la concepción del Protocolo de Internet se
remonta a los años 60s y el origen de las comunicaciones móviles se
tienen a finales de los años 40s en sus primeras conceptualizaciones.
Las comunicaciones móviles han evolucionado por las siguientes tres
generaciones:
-
La primera generación basada en los diferentes
estándares analógicos.
-
La segunda generación que es la introducción de
los estándares digitales como GSM, TDMA y CDMA con la siguiente
introducción de aplicaciones de baja capacidad de mensajes cortos.
-
La tercera generación que está en proceso de
gestación y cuyos principales estándares son WCDMA y CDMA2000.
Sin embargo la aparición de nuevas tecnologías y
las consiguientes nuevas arquitecturas y dispositivos asociadas a las
mismas así como la fuerte influencia del Protocolo de Internet ha
planteado nuevos desarrollos en el campo de las comunicaciones
inalámbricas, especialmente en lo que corresponde a servicios de datos
de banda ancha. Actualmente se mencionan en algunos textos el concepto
de 4G como la integración de las redes inalámbricas bajo el paradigma
de soportar el protocolo IP y la combinación de soluciones basadas en
el estándar IEEE 802.11 y IEEE 802.16.
En este contexto se plantean nuevos retos como son
la evolución de las redes móviles hacia las redes de nueva generación
conocida como NGN.
En lo que resta de este artículo se tratan los
aspectos de interés de las tecnologías de acceso inalámbrico de banda
ancha que se denominan como BWA.
1.2 Tecnología
de Acceso Inalámbrico de Banda Ancha
El término de banda ancha inalámbrica comprende todo el ámbito de
aplicaciones y tecnologías inalámbricas, bien sean del tipo móvil o
fijas. Se ha identificado dentro de este contexto las siguientes
tecnologías:
- IEEE 802.15a o UWB
-
IEEE 802.11 conocido como Wi-Fi así como sus
correspondientes extensiones IEEE 802.11a, IEEE 802.11b, IEEE 802.11
y IEEE 802.11h.
-
IEEE 802.16 conocido como WiMáx así como sus
correspondientes extensiones IEEE 802.16d, IEEE 802.16e.
UWB: Mejor
conocido como ultra Banda-Ancha, es una tecnología del tipo personal
capaz de entregar velocidades efectivas de hasta 480 Mb/s a distancias
menores o iguales a 10mts.
Esta
tecnología se utilizaría para la interconexión de periféricos a un
computador central, y permite la administración simultánea de
múltiples señales de video de alta definición.
Wi-Fi: Se basa
en el estándar IEEE 802.11 y sus correspondientes extensiones. Este
éstandar ha sido ampliamente desarrollado para sectores
gubernamentales, comerciales, aeropuertos, redes de área local
privadas, entre otros. La instalación de la misma se basa en el uso
de picoceldas o celdas de alcance reducido.
A
continuación se brinda un detalle de las principales extensiones de
esta tecnología y su principal característica:
|
Extensión |
Aplicación o Característica Principal |
|
802.11b-802.11a
802.11g-802.11n
|
Capa Física |
|
802.11d-802.11h
802.11j-802.11k
|
Regulaciones y RF |
|
802.11i
|
Seguridad |
|
802.11e-802.11r
|
Calidad de Servicio (QoS) |
|
802.11s
|
Topología Malla |
Una de las principales limitaciones es la cantidad
de clientes que pueden ser servidos simultáneamente, las distancias de
cobertura desde el equipo terminal, en relación con el puerto de
acceso de RF así como la disponibilidad de un espectro
electromagnético puro, en el caso de las bandas no licenciadas.
Wi-Max: Es una tecnología de naturaleza
emergente que permitirá el aprovisionamiento de una solución de última
milla inalámbrica con alcances radioeléctricos del orden de los 10 Km
en condiciones de sin línea vista (NLOS) y hasta 50 Km en condiciones
de línea vista (LOS).
Esta tecnología se ha previsto para ser
desarrollada en tres fases. En una primera fase soportaría el estándar
IEEE 802.16d-2004 mediante la utilización de una antena externa y
orientada hacia clientes con ubicación fija. La fase dos se sustenta
sobre la misma especificación, pero se basa en equipos terminales de
usuario con antenas internas, permitiendo un aprovisionamiento y una
activación expedita.
La tercera etapa se apoya en la especificación IEEE-802.16e.
Esta variante permitirá la movilidad del cliente final dentro del área
de cobertura de la plataforma.
MBWA: Conocido como Mobile Broadband
Wireless Access es un estándar paralelo al Wi Max que se presenta como
competidor del IEEE 802.16e. Este estándar pretende posicionarse como
tecnología de banda ancha, con alcances de hasta 12 Km y velocidades
de transmisión del orden de 1.5 Mbit/s a 128 Kbit/s.
A continuación se presenta una tabla resumen que
contiene las principales características tecnológicas:
|
Tecnología |
Estándar |
Aplicación |
Ámbito de Cobertura(mts) |
Frecuencia GHz |
|
UWB |
802.15.3a |
WPAN |
10 |
705 |
|
Wi-Fi |
802.11 a |
WLAN |
100 |
5 |
|
|
802.11b |
WLAN |
100 |
2.4 |
|
|
802.11g,n |
WLAN |
100 |
4.4 |
|
Wi-Max |
802.16d |
WMAN |
6400 a 9600 |
11 |
|
|
802.16e |
Móvil/WMAN |
1600 a 4800 |
2 a 6 |
|
WCDMA |
3G |
WWAN |
1600 a 8000 |
1.8, 1.9, 2.1 |
|
CDMA2000
1 EVDO |
3G |
WWAN |
1600 a 8000 |
0.4 ,0.8, 0.9
1.7, 1.8, 1.9, 2.1 |
|
MBWA |
802.20 |
WWAN |
4000 a 12000 |
3.5 |
2.0 Estándar
IEEE 802.16
A continuación se tratarán los principales aspectos técnicos del
estándar IEEE 802.16, especialmente en lo que se refiere a sus
características de propagación.
2.1
Antecedentes del Estándar IEEE 802.16
A continuación se reseñan los principales antecedentes asociados al
desarrollo del estándar IEEE 802.16:
-
En agosto de 1988 el estándar IEEE 802.16 se
plantea producto de la reunión del N-WEST, conocido como US Nacional
Institute of Standard and Technology, estableciéndose el grupo de
trabajo IEEE 802.16.
-
Los aspectos de especificación del interfaz
radioeléctrico se delega en el subgrupo de Acceso Inalámbrico de
Banda Ancha conocido como (BWA).
-
En octubre del 2001 se aprueba la primera versión
del IEEE16 definiéndose la interfaz de aire y el protocolo de
control de acceso al medio para redes inalámbricas metropolitanas (WMAN).
-
La nueva versión del estándar IEEE 802.16a es
conocida como IEEE 802.16d, la cual fue aprobada en junio del 2004.
-
Actualmente se esta especificando el estándar
IEEE 802.16e. Se estima que el mismo sustentará el acceso móvil a
velocidades del orden de 100 a 120 km/h.
-
Se ha creado un foro industrial del estándar
denominado Wi-Max. Este foro ha identificado varias bandas de
frecuencia para estos productos como son: 2.5 a, 2.69 GHz, 3.4 a 2.5
GHz y segmentos no licenciados de 5.725 a 5.850 GHz.
2.2 Modelo de
Referencia
A continuación se muestra el modelo de referencia
asociado al estándar IEEE 802.16d, el mismo se compone de una capa
física y una capa MAC.
Fig 1. Modelo de
referencia
Como se aprecia en la figura 1. , la capa MAC se subdivide en tres
capas que son:
Subcapa de Convergencia (CS) que permita el mapeo o
transformación de los datos que provienen de redes externas por medio
del punto de acceso al servicio CS, denominado CS SAP, a unidades de
servicio de datos tipo MAC (MAC-SDU’S)
Las unidades de datos de servicios (SDU) son
recibidas por la subcapa de parte común (CPS) a través del punto de
acceso al servicio MAC SAP. En esta capa, cada flujo SDU es
clasificado y se le asocia un identificador de flujo denominado SFID y
un identificador de conexión CID además a esta capa se le puede
realizar la supresión del encabezado de la carga útil.
La subcapa de parte común MAC (CPS) concentran las
funcionalidades de acceso al sistema, administración del ancho de
banda, establecimiento de las conexiones y mantenimiento de la
conexión.
La capa MAC adicionalmente contiene una capa de
seguridad separada que permite proveer autentificación, intercambio de
llaves y cifrado.
La capa MAC intercambia información que debe ser
enviada al medio físico por medio del punto de acceso físico (PHY SAP),
el cual depende de la implementación en particular.
2.2.1 Capa Física (PHY)
La capa física fue concebida para optimizar la
operación de sistemas inalámbricos de banda ancha, que utilizan el
ámbito de frecuencias de 2 a 11 GHz y que operan bajo la condición de
sin línea vista (NLOS). El estándar IEEE 802.16 a/d contempla tres
posibilidades para la capa física que son:
-
Wireless MAN-SCa: esta especificación considera
una interfaz de aire apoyada en una única portadora modulada.
-
Wireless MAN-OFDM: Esta especificación utiliza un
esquema de multiplexación por división de frecuencia Ortogonal (OFDM)
que comprende 256 portadoras.
-
Wireless MAN-OFDMA: utiliza el esquema OFDM de
2048 portadoras, el acceso de los múltiples usuarios se hace
efectiva asignando un subconjunto de portadoras a cada receptor
individual, de manera que este estándar es referido como acceso
múltiple OFD (OFDMA).
Los sistemas basados en OFDM presentan un mejor
desempeño al utilizar NLOS, y su análisis matemático es complejo pues
se basa en transformada rápida de Fourier (FFT).
2.2.2 Tecnología OFDM
La tecnología OFDM permite eliminar la
interferencia entre símbolos denominada ISI, y reduce la complejidad
de las técnicas adaptativas, lo que se combina con la característica
de ortogonalidad de las portadoras. La utilización de las portadoras
ortogonales permite por un lado lograr la identificación y el
desvanecimiento selectivo y por otro obtener una mayor eficiencia
espectral.
A continuación en la figura 2 se muestra un esquema
de la multiplexación por división ortogonal de la frecuencia:
En OFDM se utilizan 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.
A continuación se muestra a diagrama de bloques el
esquema de Transmisión para el estándar 802.16:
El procesamiento se compone de:
-
Bloque aleatorizador que permite distribuir la
energía de los datos sobre el espectro disponible.
-
Bloque FEC para la corrección de errores, que se
compone de un bloque de codificación Red- Salomon, un concatenación
convolucional.
-
Bloque intercalador para suministros diversidad
temporal y minimizar el efecto de las ráfagas de error sin agregar
encabezado extra.
-
Un bloque para mapear los datos de información a
los símbolos del esquema de modulación utilizado.
-
Un bloque para mapear los símbolos dependientes
del esquema de modulación a los símbolos OFDM.
-
Un bloque para la transformación del símbolo OFDM
del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo.
-
Bloque para insertar el prefijo cíclico requerido
para optimizar la trasmisión en un ambiente multitrayecto.
-
Bloque para realizar la conformación de la señal.
i) Bloque para acondicionar la señal para su radiación.
Dos aspectos asociados de manera inherente a cada bloque funcional
que diferencia la tecnología WiMax son:
Algunas mejoras que se plantean al estándar IEEE 802.16 son las
siguientes:
-
Multiplexación espacial
-
La introducción de la solicitud de transmisión
automática ARG para efectos de garantizar una transmisión de datos
PDU confiable.
-
Mejoras en la cancelación de interferencias,
especialmente para aplicar el WiMax a sistemas móviles.
3.
Modelo de Propagación
Al basarse el estándar IEEE 802.16 en un sistema
NLOS, se debe considerar como parte del modelo de propagación los
aspectos de difracción, cambios de polarización, dispersión de señal y
la reflexión.
Se ha identificado una propuesta que se adapta
bastante al estándar WiMax y se basa en el modelo propuesto por ATT
Wireless que se denomina IEEE 802.16.3c-01/29v4 “Channel Models for
Fixed Wireless Applications by Erge et al”. En términos generales el
modelo considera una altura de antenas de 15 a 40 mts, radios de
celdas del orden de 10mts y requerimientos de cobertura del 80 al 90%.
Dada la intensidad del tema se tratarán algunos aspectos básicos del
mismo.
Este modelo considera que el canal de radio debe
ser caracterizado por:
- Pérdidas de trayecto - Esparcimiento del retardo por
multitrayecto
- Desvanecimiento
- Efecto Doppler
- Efectos de interferencia de canal adyacente y cocanal.
En cuanto a las pérdidas del trayecto se consideran dos tipos que
son:
- Ambiente suburbano
- Ambiente urbano
Para el caso del ambiente suburbano el modelo de
predicción se enfoca al de Okumura-Hata, este es válido para el ámbito
de 0.5 a 1.5GHz y alturas de antenas mayores a 30mts.
La empresa ATT le efectuó ajustes al modelo para la operación en la
banda de 1.96GHz siendo las perdidas de propagación definidas así:
P.L= A+10
g Log10
[d/do]+s "d>do
Desde
A=20log10
[4pdo/l],
l
longitud de onda en mts
g=
a-bhb+c/Ho, para estaciones base en el ámbito de
10
£
hb £
10m
hb= altura de antena de radio base
do= 100mts
a, b y c son constantes que dependen de el tipo de terreno.
El valor de s se asocia al efecto de la densidad de
árboles y representa una desviación estándar de las pérdidas, su
ámbito es el siguiente:
8.2
£
s £
10.6dB
Para el caso de trayecto en ambientes urbanos el
modelo utilizado como punto de partida es el COST231 WalFish- Ikegami.
Para este caso la firma ATT efectuó cambios mínimos en los parámetros
de ajuste del mismo.
4.
Conclusiones
Las aplicaciones inalámbricas están alcanzando un
lugar muy importante en el desarrollo de las comunicaciones
inalámbricas.
El estándar IEEE 802.16 se perfila con un gran
potencial para brindar aplicaciones de multimedia.
El estándar IEEE 802.16 tiende a introducirse como
un estándar con aplicaciones de movilidad que lo vislumbra como el
prototipo de 4G. El estándar IEEE 802.16 se posiciona como elemento
importante para el desarrollo de la siguiente generación de servicios
móviles denominada 4G.
Ing. Guillermo Rivero Gónzalez
ICE - Costa Rica
|
Redes Inalámbricas de
Banda Ancha
