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IEEE 802.16

ALVARADO RODRIGUEZ PERCY DIONISIOINTRODUCCINWiMax es una tecnologa inalmbrica de acceso a Internet que tiene un alcance de unos 50 km. Es especial para reas metropolitanas (MAN) y rurales, y tiene una tasa de transmisin de hasta 75Mbps.

definicinWiMAX son las siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access (interoperabilidad mundial para acceso por microondas). Es un estndar de comunicacin radio (inalmbrico) de ltima generacin, promovido por el IEEE y especialmente diseado para proveer accesos de alta capacidad.

Tecnologas WiMAX en:

ACCESO AL MEDIOANTENASPROCESADO DE SEALUSO DEL ESPECTROTOPOLOGIAS

ACCESO AL MEDIO Es el procesado de seal en el aire. Dentro del concepto de acceso al medio diferenciamos tres tipos:

-cmo se gestiona el acceso para los dos canales (subida y bajada de la informacin)

-la multiplexacin de la informacin

-el acceso de los usuariosACCESO AL MEDIO: 3 TIPOS1.-Acceso bidireccional1.1.-FDD.1.2.-TDD.

2.-Multiplexacin de la informacin2.1.-OFDM2.2.-W-OFDM2.3.-Flash-OFDM

3.-Acceso al medio de los usuarios3.1.-TDMA y CDMA3.2.-OFDMA (mvil)3.3.-Acceso en WiMAX

ACCESO AL MEDIO: BIDIRECCIONALAcceso bidireccional Este tipo de comunicaciones tiene una caracterstica dplex, es decir, existe una transmisin y recepcin en los dos extremos. Como ambas comunicaciones comparten el mismo medio, es necesario establecer algn mecanismo para el control del acceso. Los mtodos principales son FDD y TDD.

FDDTcnica Frequency Division Duplex, o transmisin bidireccional por divisin en frecuencia. Se basa en la utilizacin de dos bandas diferentes de frecuencia para la transmisin, una para el envo y otra para la recepcin. Esta tcnica es la utilizada en telefona mvil de segunda generacin (GSM) y tercera generacin.

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TDD

Tcnica Time Division Duplex, o transmisin bidireccional por divisin en tiempo. A diferencia de la tcnica FDD, se utiliza una nica banda de frecuencia para envo y recibo de la informacin, compartiendo los periodos de transmisin. Esto provoca que los retardos de transmisin limiten el tamao de las celdas.

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ACCESO AL MEDIO: MULTIPLEXACION

Multiplexacin de la informacin Por multiplexacin entendemos el proceso donde mltiples canales de informacin se combinan en un canal de transmisin. Existen dos mtodos de multiplexacin principales: TDM y FDM, en funcin del recurso que comparten.

En FDM muchos canales se combinan repartiendo rangos de frecuencias espectrales, de manera similar al FDD, teniendo que reservar bandas de guardia para evitar solapamientos. Para conseguir una mayor eficiencia se ha desarrollado el mtodo OFDM.

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) es una tcnica de multiplexacin multiportadora que proviene de la dcada de 1960, pero que ha resurgido en la actualidad por sus aplicaciones en transmisiones inalmbricas. La base del OFDM reside en la combinacin de multiples portadoras moduladas solapadas espectralmente, pero manteniendo las seales moduladas ortogonales, de manera que no se producen interferencias entre ellas. Adems, es posible utilizar diferentes tcnicas de modulacin entre portadoras, con lo cual se consigue una funcionalidad extra.

FDM vs OFDM

W-OFDM

Es una variante de la multiplexacion OFDM, que es la que se est generalizando en los estndares inalmbricos, tratando de resolver los problemas que presenta la tcnica anterior. Se basa en la transmisin de smbolos de entrenamiento, que permiten reducir los efectos adversos del canal, mediante una estimacin y divisin respecto a la respuesta en frecuencia. Adems, utiliza un cdigo FEC (Forward Error Correcting) como el Reed-Solomon, para expandir los smbolos sobre un amplio rango de frecuencias, que convierten la seal en un espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS). De esta manera, es posible recuperar los smbolos aunque se pierdan algunas de las portadoras.

Flash-OFDM

Flash-OFDM es una tcnica de procesado nueva que ha sido desarrollada por Lucent y que soportar tasas elevadas de datos con pocas prdidas de paquetes y retardos, de hecho, las siglas FLASH vienen de Fast Low-Latency Access with Seamless Handoff . Se basa en la utilizacin de mltiples tonos y flash hopping para expandir la seal en el espectro. Este estndar est siendo apoyado por Lucent y Qualcomm como el sucesor de WiMAX, dentro del estndar 802.20, que consigue un mayor ancho de banda, distancia y movilidad.

ACCESO AL MEDIO: DE USUARIOSExiste un acceso mltiple de los usuarios al canal de informacin, que se satisfacen con las tcnicas tradicionales TDMA y CDMA, que se usan ya en telefona de 2G y 3G. Ahora se ha desarrollado la tcnica de acceso OFDMA, basada en la modulacin OFDM.

TDMA y CDMA

TDMA que significa Divisin de Tiempo con Mltiples Accesos, mientras que CDMA Divisin de Cdigo con Mltiples Accesos. Ambas tecnologas persiguen el mismo objetivo mediante la utilizacin de diferentes mecanismos, conseguir la mejor utilizacin del espectro permitiendo a mltiples usuarios compartir el mismo canal fsico.

TDMA y CDMATDMA se basa en la divisin del canal en ranuras temporales, transmitiendo los diferentes usuarios con una tcnica similar a la del paso de testigo, es decir slo uno de los usuarios utiliza el canal de manera simultnea. CDMA, por otro lado, permite a todos los usuarios transmitir de manera simultnea, algo que era imposible con las tcnicas de modulacin tradicionales, por lo que se basa en tcnicas de espectro ensanchado. Mediante estas tcnicas los bits a transmitir por un usuario se reparten a lo largo del canal de una manera seudo-aleatoria.

TDMA y CDMA

OFDMAOFDMA, tambin denominada como multiuser-OFDM, se encuentra en la capa fsica de las capas inalmbricas de nueva generacin. Basada en OFDM, permite que muchos abonados accedan asignndole a cada uno un cierto nmero de subcarriers. Tambin introduce la tecnologa TDMA que asigna diferentes segmentos de tiempo a diferentes grupos de usuario. Todos los subcarriers OFDMA se dividen en diversos grupos, en dominios de frecuencia, cada uno de los cuales se denomina subcanal. Un usuario puede ocupar uno o ms subcanales

En general existen dos tipos de permutaciones de subportadora: distribuidas (que se comportan mejor en ambientes de movilidad) y adyacentes (para entornos fijos o de bajo movimiento).

OFDMA

ANTENASExisten diferentes avances en las antenas que han sido incorporados al estndar WiMAX. As, en primer lugar estn las antenas inteligentes (smart antennas), que se basan en la formacin de haces directivos desde la estacin base. Relacionado con el anterior est el concepto de diversidad, tanto espacial como temporal. Dentro de la diversidad, se describir MIMO y su importancia en el avance del estndar, permitiendo llegar a las cifras tericas iniciales.

ANTENAS:1.-Smart Antennas 1.1.-Formacin del haz

2.- Diversidad2.1.-Diversidad espacial y de polarizacin

3.- MIMO (Multiple Input - Multiple Output)

4.-Aplicaciones en WiMAX

ANTENAS INTELIGENTESLos operadores inalmbricos est explorando nuevas vas para maximizar la eficiencia espectral de sus redes y mejorar el retorno de la inversin. Las smart antennas parecen ser una de las mejores alternativas para lograr ese incremento de la capacidad Las smart antennas proporcionan beneficios en trminos de capacidad y funcionamiento respeto a las antenas estndares, ya que pueden adaptar su patrn de radiacin para adecuarse a un tipo determinado de trfico o a entornos difciles.

DIVERSIDADPor diversidad entendemos el uso de varios receptores o tcnicas de recepcin de seales para aumentar la relacin seal a ruido y tratar los problemas de prdidas provocados por rebotes de seal asociados a entornos multitrayecto. Las tcnicas de diversidad proporciona dos ventajas principales:

La primera es la fiabilidad, ya que es la solucin ptima para entornos con canales multitrayecto, al tratar los efectos de los nulos que aparecen por las reflexiones. As, diversos estudios afirman que se producen ganancias de diversidad del orden del 10 dB. La segunda es que la potencia media de seal recibida aumenta, con lo cual se produce una mejora respecto a los sistemas que no implementan este mecanismo.

MIMO (Multiple Input - Multiple Output)

Una variedad de sistemas con diversidad son los sistemas MIMO, que utilizan mltiples antenas tanto para recibir como para transmitir. Una transmisin de datos a tasa elevada se divide en mltiples tramas ms reducidas. Cada una de ellas se modula y transmite a travs de una antena diferente en un momento determinado, utilizando la misma frecuencia de canal que el resto de las antenas. Debido a las reflexiones por multitrayecto, en recepcin la seal a la salida de cada antena es una combinacin lineal de mltiples tramas de datos transmitidas por cada una de las antenas en transmisin.

PROCESADO DE SEALVeremos las tcnicas principales en procesado de seal, dentro de las que incluimos las tcnicas de modulacin adaptivas, la radio definida por software, las diferentes tcnicas de control de errores y reenvo de tramas y, por ltimo, las tcnicas de control de potencia.

PROCESADO DE SEAL1.- Modulacin adaptativa

2.-Software defined radio2.1.-Arquitectura del sistema SDR

3.-Tcnicas de control de errores

4.-Tcnicas de control de potencia

MODULACION ADAPTIVALos diferentes rdenes de modulacin permiten enviar ms bits por smbolo y, por tanto, alcanzar un mayor throughput y eficiencia espectral. A pesar de ello, utilizar tcnicas de modulacin como 64-QAM, implica que sean necesaria una mayor relacin seal a ruido (SNR) para evitar las interferencias y mantener una tasa de error de bit moderada. El uso de modulacin adaptativa permite que un sistema inalmbrico pueda escoger el orden de modulacin en funcin de las condiciones del canal. Para el caso de WiMAX, a mayor distancia de la estacin base menor es el orden de modulacin, pasando por las siguientes tcnicas: 64QAM, 16QAM, QPSK y BPSK.

SOFTWARE DEFINED RADIO (SDR)

El termino Radio Definida por Software (SDR) es utilizado para describir aquellas radios que proporcionan un control por software de una variedad de tcnicas de modulacin, operaciones en banda ancha o estrecha, funciones para asegurar las comunicaciones (como saltos de frecuencia) y requerimientos de la forma de onda, tanto para estndares actuales como futuros en un rango de frecuencias elevado. Esta tecnologa es aplicable en un gran nmero de reas dentro de las tecnologas inalmbricas, proporcionando soluciones eficientes y a bajo coste respecto a los diferentes condicionantes de los sistemas actuales. As, los sistemas pueden ser reprogramados para conseguir un mejor rendimiento, un mayor conjunto de caractersticas, servicios nuevos que proporcionen alternativas al usuario final y nuevas vas de negocio para el proveedor del servicio.

TECNICAS DE CONTROL DE ERRORES(FEC)

Las tcnicas de correccin de errores (FEC) han sido incorporadas a WiMAX para reducir los requisitos del sistema en cuanto a la relacin seal a ruido. El Strong Reed Solomon FEC, la codificacin convolucional y los algoritmos de interleaving se utilizan para detectar y corregir errores y mejorar el throughput. Ests tcnicas de correccin robustas ayudan a recuperar las errores que puedan ocurrir por prdidas de seal a frecuencias determinadas o errores de burst.

TECNICAS DE CONTROL DE POTENCIALos algoritmos de control de potencia se utilizan para mejorar el funcionamiento del sistema. Se implementa este mecanismo en la estacin base, enviando informacin de control de potencia a cada uno de los CPEs. De esta manera, es posible regular el nivel de potencia transmitida de manera que el nivel recibido en la estacin base est a un nivel predeterminado. En un entorno con cambios de canal dinmicos, implica que el CPE slo transmite la suficiente potencia para cubrir los requisitos. En caso de no disponer de este mtodo, el CPE tendra que transmitir a la potencia del peor de los casos, por lo que controlar la potencia produce un ahorro en el consumo del CPE y una reduccin de la interferencia potencial con otras estaciones base cercanas.

USO DEL ESPECTROUno de los principales obstculos para permitir acelerar el despliegue de sistemas de acceso inalmbricos para entornos extensos es el coste de despliegue de la solucin. Aunque en el coste total de las instalaciones incluyen varios factores (licencias, espacio para torretas, backhaul,etc) es el coste de los equipos el componente principal. Por ello, los proveedores de servicio y fabricantes involucrados en el WiMAX Forum es donde prestan un mayor inters. USO DEL ESPECTRO1.-Bandas de frecuencia1.1.-Banda libre de 5Ghz1.2.-Banda con licencia de 3,5Ghz1.3.-Banda mixta de 2,5Ghz1.4.-Otras bandas de frecuencia

2.-Uso libre o con licencia2.1.-Bandas con licencia2.2.-Bandas de uso libre

BANDAS DE FRECUENCIAActualmente, el enfoque se realiza en las frecuencias dentro del rango que existe entre 2-6Ghz del espectro. Aqu, el ancho de banda reservado es ms estrecho que el disponible en el rango de 10 a 66 Ghz, al que nos referiremos como ondas milimtricas, respecto a las centimtricas del primer caso. Las ondas milimtricas se adecan ms a backhauls con anchos de banda elevados y visin directa, a diferencias de las centimtricas.

Banda libre de 5Ghz

El rango de frecuencias de inters incluye las bandas entre 5,25 Ghz y 5,85 Ghz. La banda entre 5,15 Ghz y 5,25 Ghz es la ms utilizada para aplicaciones interiores de baja potencia, por lo que queda fuera del inters de las aplicaciones WiMAX. Este es el caso de la banda de frecuencia usada en 802.11a (que llega hasta los 5,35Ghz). Adems, se caracteriza por disponer de poca potencia en la frecuencias bajas. Para el caso de las bandas inferiores a 5,47 Ghz la potencia mxima es de 250 mW EIRP.

Banda con licencia de 3,5Ghz

Se trata de la primera banda utilizada para operadores de banda ancha con licencia, que generalmente se localiza entre los 3,4 y 3,6 Ghz, aunque hay nuevas posilidades en el rango 3,3 y 3,4 Ghz (en la actualidad en China, en fase de consultas, y la India, donde ya se ha liberado parte del espectro) y en el 3,6-3,8 Ghz (donde Francia ha sido la primera, seguida por el Reino Unido, y el resto de Europa y Estados Unidos, donde est en fase de consultas). Bandas superiores a sta, puede que sean ocupadas por el Reino unido, hasta los 4200 Mhz

Banda mixta de 2,5Ghz

Las bandas entre 2,5 y 2,69 Ghz (Multichannel Multipoint Distribution Service) han sido reservadas por Estados Unidos, Mexico, Brasil y algunos pases de Asia (principalmente Singapur), donde ha sido poco utilizadas para su utilidad original, relacionada con la transmisin de televisin. El WiMAX Forum realiza esfuerzos globales con el objetivo de aumentar la disponibilidad de estas bandas para aplicaciones de banda ancha tanto fijas como mviles, estando el horizonte fijado para conseguir su disponibilidad en 2007-2008. Esta banda usa tanto FDD como TDD, con ancho de banda de los canales de 5 MHz, con 6 MHz en el caso de los Estados Unidos (que cuenta con 31 canales).

Otras bandas de frecuencia

No todo el espectro de radiofrecuencia es igual, las seales se propagan ms lejos cuanto menor sea la banda de frecuencia utilizada, creando una relacin directa entre el nmero de estaciones base utilizadas para cubrir una rea de servicio dada. De manera ms especfica, a menor frecuencia, menor nmero de estaciones base. Ya que el coste de las instalaciones es determinante a la hora de acelerar el despliegue de operadores, el acceso a bandas de frecuencias menores es fundamental.

USO LIBRE O CON LICENCIALos beneficios de las soluciones basadas en WiMAX, tanto en espectro con licencia como de uso libre, sobre las soluciones cableadas, son la eficiencia en costes, escalabilidad y flexibilidad. En este apartado nos centraremos en ver cules son las diferencias, dentro de WiMAX, entre la utilizacin de espectro libre o bandas licenciadas. En general, veremos que en las bandas de licencia se obtiene una mayor calidad de servicio con un mayor coste de entrada (por la compra del espectro), mientras que las bandas libres de licencia presentan una menor calidad, pero tiene un menor coste y una mayor interoperabilidad.

Bandas con licencia

Para emplear un solucin con licencia es preciso que el operador adquiera espectro, que es un proceso muy variable en funcin del pas en el que se quiera operar, teniendo que pasar por subastas, elevados precios y retardos considerables. Por contra, esta barrera de entrada, acompaada del uso exclusivo de una banda, permite conseguir una gran calidad y una interferencia muy baja.

Bandas de uso libre

El elevado coste de la adquisicin de espectro lleva a muchos operadores inalmbricos a considerar el uso de bandas sin frecuencia para reas rurales o mercados emergentes. Este tipo de soluciones tiene una serie de ventajas respecto a las soluciones de bandas libres, como es el menor coste, la mayor escalabilidad o la mayor interoperatividad.

TOPOLOGIASMientras WiFi ya lleva aos en el mercado, WiMAX an est haciendo el desembarco. Por ello, la tecnologa WiFi se ha ido adaptando en cuanto a las topologas de desempeo a las diferentes funcionalidades que se le han asignado. As, desde acceso fijo, ltima milla o hot-spots han desarrollado diferentes arquitecturas. Se puede hablar de cuatro tipos de topologas de red basadas en nodos:

TOPOLOGIAS1.-Topologa punto a punto

2.-Topologa punto a multipunto

3.-Topologa en nodos multipunto

4.-Topologa en nodos metropolitanos

Estas se complementan con las redes mesh, estas redes se caracterizan porque cada nodo de usuario est conectado y las comunicaciones se realizan a travs de los nodos.:

5.-Topologa en nodos mixtos

Topologa punto a punto

Una red punto a punto es el modelo ms simple de red inalmbrica, compuesta por dos radios y dos antenas de alta ganancia en comunicacion directa entre ambas. Este tipo de enlaces se utilizan habitualmente conexiones dedicadas de alto rendimiento o enlaces de interconexin de alta capacidad. Este tipo de enlaces son fciles de instalar, pero difciles de crear con ellos una red grande. Es habitual su uso para enlaces punto a punto en cliente finales o para realizar el backhaul de redes.

Topologa punto a multipunto

Un enlace punto a multipunto, comparte un determinado nodo (en el lado uplink), que se caracteriza por tener una antena omnidireccional (o con varios sectores) y puntos de terminacin (o repetidores) con antenas direccionales con una ganancia elevada. Este tipo de red es ms sencillo de implementar que las redes punto a punto, ya que el hecho de aadir un subscriptor slo requiere incorporar equipamiento del lado del cliente, no teniendo que variar nada en la estacin base. Aunque, cada sitio remoto debe encontrarse dentro del radio de cobertura de la seal, que en el caso de WiMAX (a diferencia de la tecnologa LMDS) no requerir que se situ en puntos con visin directa.

Topologa en nodos multipunto

Las redes multipunto a multipunto crean una topologa entrelazada enrutada que replica la estructura de la red Internet. Para construir una red de este tipo se comienza por un punto de conexin a internet. Una serie de puntos de acceso se despliegan por toda la red hasta alcanzar una densidad mxima. Estos puntos no slo conectan a los terminales que tengan asociados, sino que enrutan trfico de otras estaciones (con sus respectivos usuarios) creando redes con varios saltos. Esto permite garantizar una cobertura global de la red.

Topologa en nodos metropolitanos

Las redes de nodos metropolitano se basan en utilizar dos tipos de redes: backhaul y ltima milla. Backhaul puede ser una red punto a punto o una red punto a multipunto. Su diseo sirve para proporcionar un backbone en los nodos uplink. Los nodos usan por lo general antenas duales, una direccional hacia el uplink y la otra proporcionando la conectividad de ltima milla, que ser por lo general omnidireccional. La funcin principal del backhaul ser proporcionar ancho de banda a la ltima milla. Estos nodos pueden ofrecer conexiones redundantes. En funcin del rea cubierta sern necesarios ms o menos enlaces de este tipo. ltima milla es una topologa multipunto a multipunto, con antenas omnidireccionales que estn asociados a un determinado backhaul. La diferencia respecto a la topologa en nodos multipunto es que la salida se realiza a travs de un backhaul, no directamente.

Topologa en nodos mixtos

Una red con nodos mixtos es la forma ms compleja de red inalmbrica, compuesta por dos estaciones radio con dos antenas de alta ganancia en comunicacin directa entre ellas y, por ltimo, un repetidor inalmbrico. Este tipo de enlaces son fciles de instalar pero difciles de escalar para crear una red amplia. Tpicamente el repetidor se utiliza en un entorno interior. La topologa interior en nodos mixtos es similar a la topologa anterior. Se compone de dos estaciones radio y sus antenas directivas conectadas entre si, junto a un conjunto de repetidores inalmbricos que forman una red escalable interior. Como el caso anterior tiene la ventaja del bajo coste en las unidades interiores.

ESTANDARESEn este captulo se trataran los cuatro estndares del IEEE asociados con el acceso mediante un canal inalmbrico. Veremos las tareas de los grupos de trabajo 11, 16, 20 y 22,. Los dos primeros se corresponden con los estndares Wi-Fi y WiMAX, objeto de este anlisis. Los ltimos son todava incipientes y tratan de expandir las caractersticas de WiMAX .

Estndar 802.11 (WiFi)

El IEEE 802.11 o Wi-Fi denota una serie de estndares de redes inalmbricas desarrolladas por el grupo de trabajo 11 del comit de estndares LAN/MAN del IEEE. Esta familia de estndares incluyen 6 tipos diferentes de modulacin, siendo las ms populares las que se corresponden con las letras a, b y g. La seguridad fue mejorada en el 802.11i, mientras que el resto de estndares de la familia (c-f,h-j,k-v) se corresponden con mejoras del servicio.

Resumen estndares 802.11

802.11: estndar original 1 Mbit/s, y 2 Mbit/s, en la banda de 2,4Ghz 802.11a: 54Mb/s en la banda de 5Ghz 802.11b: mejoras en el 802.11 que soporta 5.5 Mbit/s y 11 Mbit/s 802.11d: extensiones internacionales para roaming 802.11e: Introduccin de mejoras QoS 802.11f: Protocolo Inter-access Point Protocol (IAPP) 802.11g: 54Mbit/s en la banda de 2,4 Ghz 802.11i: mejora en la seguridad 802.11j: adaptacin para Japn 802.11k: medidas de recursos radio 802.11n: mejoras de throughput 802.11p: WAVE: wireless access for Vehicular Environment 802.11r: Roaming rpido 802.11s: Redes ad-hoc wireless 802.11t : Prediccin de rendimiento wireless (WPP) 802.11u: Interworking con otras redes 802.11v: Gestin de redes Wireless

Estndar 802.16 (WiMax)

WiMAX es una marca de referencia para productos que pasan la conformidad y los test de interoperabilidad de los estndares 802.16. IEEE 802.16 es el grupo de trabajo del IEEE especializado en acceso punto a multipunto de banda ancha, el estndar original WiMAX, 802.16 , especifica la tecnologa para el rango de 10-66 GHz Posteriormente, 802.16a aadi soporte para el rango de 2 a 11 GHz, donde algunas bandas no requieren licencia, o slo precisan una simple autorizacin. Los esfuerzos se estn centrando en esta variacin del estndar. La ventaja principal se centra en la posibilidad de realizar comunicaciones sin disponer de lnea de vista, haciendo un uso eficiente de las tecnologas existentes, pero sin desafiar a las leyes de la fsica.

EVOLUCION DEL ESTANDAR

WiMAX MOVIL - 802.16e

DISTRIBUCION

TRASPASO DE CELDAS

Funcionamiento de una red WiMAX

NLOSFrecuencias ms bajas (211 Ghz)Seal no interrumpida por objetos

LOSLnea ms estable y robustaMayor cantidad de datos con tasa de error bajaFrecuencias ms altas (10-66 Ghz)Menos interferenciaAncho de banda mayor

WiMAX vs OTRAS TECNOLOGIAS

WiMAX vs OTRAS TECNOLOGIAS

WiMAX vs OTRAS TECNOLOGIAS

CONCLUSIONES