jueves, 31 de mayo de 2012

Estándar 802.16-2009 de redes inalámbricas de área metropolitana: "WiMAX"

Hace poco estuve en una conferencia sobre WiMAX, el estándar 802.16-2009 de redes inalámbricas de área metropolitana publicado por el IEEE. La conferencia la dio Albentia Systems, primer fabricante a nivel mundial en disponer de equipamiento WiMAX totalmente interoperable en banda libre de 5.4/5.8 GHz.

Pensé que te podría resultar de interés saber las características de este estándar de redes inalámbricas de área metropolitana (WMAN, Wireless Metropolitan Area Networks), sus aplicaciones principales y la comparación con otros sistemas inalámbricos como el estándar Wi-Fi u otros sistemas propietarios llamados "PreWimax".


Tecnología WiMAX

WiMAX fue creado con el mismo objetivo que tecnologías como xDSL y cable-módem: la distribución de banda ancha a usuarios finales y su fortaleza es tener la posibilidad de alcanzar lugares geográficos a los que estas tecnologías no pueden llegar.

WiMAX son las siglas de "Worldwide Interoperability for Microwave Access". Es una tecnología específicamente concebida para acceso de datos de banda ancha inalámbrico de largo alcance. También se conoce como:

  • Red inalámbrica de "ultima milla" (last mile).
  • Red de acceso de banda ancha inalámbrica.
  • Red inalámbrica de área metropolitana.

Destaca WiMAX por su capacidad como tecnología portadora, sobre la que se puede transportar IP, TDM, T1/E1, ATM, Frame Relay y voz. Sirve de apoyo para facilitar las conexiones en zonas rurales o polígonos industriales. Además, su popularización supondrá el despegue definitivo de otras tecnologías, como VoIP (llamadas de voz sobre el protocolo IP).


Componentes de una red WiMAX

Básicamente, hay tres elementos: estaciones de usuario, estaciones base y repetidores.

1.) Estaciones de usuario o CPE
El equipo de usuario o CPE (Customer Premises Equipment, Equipo Local de Cliente) proporciona la conectividad vía radio con la estación base. Se trata de un pequeño dispositivo, como una mínima caja en la que asoma una antena. El CPE distribuye el tráfico en una red LAN (cableada o Wifi) o, bien, da servicio a equipos individuales. Se instala en el exterior o interior del edificio. Capaz de proveer modulación (en sentido CPE-> estación base), demodulación (en sentido Estación Base-> CPE), y control.

2.) Estaciones Base de Acceso
Además de proporcionar conectividad con los CPE, también proporciona los mecanismos de control y gestión. La estación base tiene los elementos necesarios para conectarse con el sistema de distribución. En una estación base, pueden coincidir distintos tipos de antenas, con las quevatender distintas necesidades y oferta de servicio para abonados.

3.) Repetidores
En entornos rurales, en los que se trabaja con radios de cobertura de 10-20km, es normal encontrar zonas de sombra de cobertura. Los repetidores se utilizan para llegar a estas zonas donde no hay línea de visión directa (NLOS,No Line of Sight).

Topologías de Redes WiMAX
1.) Punto a Multipunto

La Estación Base es el nodo central que ejerce de árbitro del medio inalámbrico controlando el acceso de las estaciones clientes (CPE). Puede haber más de 150 CPEs por estación base, en este tipo de topología.

El enlace de descarga (downlink), es manejada por la estación base de forma centralizada, la cual transmite en modo "broadcast", de forma que todas las estaciones de usuario (CPE's) reciben toda la información y escogen la que vaya dirigida a ellos.

En el enlace de subida (uplink) las estaciones de usuario acceden al canal de forma controlada por la estación base. Al ser controlado el medio por la estación base, no existe contienda ni colisiones.

Ejemplos de aplicaciones sin conexión a Internet:

  • Videovigilancia.
  • Interconexión de sedes (voz y datos).
  • Webcasting de plenos.
  • Control de paneles luminosos, alumbrado…

Ejemplos de aplicaciones con conexión a Internet:

  • Acceso a internet de los ciudadanos.
  • Hot-spots WiFi en lugares públicos.
  • Telefonía IP.
  • IPTV, difusión de canales locales.
  • Control remoto.

2.) Punto a Punto

Se utiliza para radioenlaces punto-punto o comunicar una estación base con otra.

3.) Mallada ("Mesh")

La tecnología Mesh permite crear una malla en la que varios nodos se comunican entre sí para ofrecer rutas alternativas a la comunicación. Conceptualmente es una gran idea: Cobertura total y máxima robustez. Sin embargo, Mesh es una filosofía totalmente contraria a la calidad de servicio, pues no se conoce la ruta que va a emplear la comunicación.


Interoperabilidad de Equipos

El WiMAX Forum es una organización internacional sin ánimo de lucro, constituida por empresas del sector, y cuyo objetivo común es certificar la compatibilidad y, lo que es aún más importante, la interoperabilidad de productos de acceso inalámbrico de banda ancha para redes metropolitanas específicamente, aquéllos descritos bajo la familia de estándares IEEE 802.16.


Ellos acuñaron el termino WiMAX aprendiendo del éxito de WiFi (familia estándares IEEE 802.11). No son lo mismo, por tanto, IEEE y WiMAX Forum, al igual que no es lo mismo IEEE 802.16 y WiMAX. Las actividades del WiMAX Forum pueden considerarse, a nivel técnico, como una extensión de las del grupo de trabajo 802.16 para desarrollar procedimientos de test y certificar la interoperabilidad entre fabricantes de equipos WiMAX.


Calidad de Servicio (QoS) en Wimax

Un mismo enlace de WiMAX, tiene capacidad para proporcionar varios canales por conexión física y atender a múltiples suscriptores, cada uno de ellos tratados privadamente, con protocolos y nivel de servicio diferenciados para cada uno de ellos, según lo que puedan contratar individualmente.

WiMAX implementa QoS a nivel 2 (MAC). La capa MAC conoce la capacidad instantánea del nivel físico, por lo que puede asignar capacidad de forma absoluta a las necesidades de cada servicio (asigna bits/s)

Lo mencionado en el párrafo anterior es una característica de los sistemas basados en el estándar WiMAX frente a otras soluciones propietarias (también denominadas PreWiMAX). PreWiMAX no implementa QoS a nivel 2 (MAC), sino que se queda un paso antes: implementa traffic-shaping a nivel 3 (IP), limitándose a reordenar los paquetes y a asignar capacidad de forma relativa a las necesidades de cada servicio (asigna un porcentaje de la capacidad disponible, que es desconocida).

WiMAX es un sistema entramado y determinista, en donde se realiza una asignación de slots de tiempo a cada servicio. Dicho de otra manera, se hace diferenciación entre servicios: telefonía, VoIP, banda ancha de datos, IPTV, video, dependiendo de lo que tenga contratado por el usuario. Además, se realiza una modulación de la capa física adaptativa para cada usuario.

Los tipos de QoS (Quality of Service) que se definen en el estándar son:

  • Best-effort: Sin calidad de servicio (navegación HTTP a Internet, email).
  • UGS (Unsolicited Granted Service):
    • Máximo nivel de QoS. Garantía total.
    • Capacidad garantizada.
    • Paquetes periódicos de longitud constante.
    • Por ejemplo, para transporte de tramas E1/T1.
  • RTPS/eRTPS: Paquetes periódicos de tamaño variable (polling unicast). Por ejemplo, para Video MPEG o VoIP.
  • nRTPS: Se consulta al usuario periódicamente.Por ejemplo, para FTP.

La gran ventaja de WiMAX frente a Wi-Fi es que en WiMAX si se puede garantizar una capacidad (bps) neta, y por tanto, se puede hablar de calidad de servicio. En cambio Wi-Fi, utiliza una capa de control de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) no determinista, con lo que no se puede hablar de capacidad neta garantizada.


Capa Física (PHY)

Como en todo estándar del IEEE, éste define, por un lado, la capa física, y, por otro lado, la capa de acceso al medio (MAC). En este apartado, veremos la capa física.

1.) Bandas de Frecuencia en España

  • 3400-3600 MHz, con excepción de algunas subbandas. Es una banda licenciada (exige título habilitante). El detalle se puede encontrar en la nota UN-107 del CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias).
  • 5470-5725 MHz. Es una banda de uso común ("banda libre"). La potencia isotrópica radiada equivalente (PIRE) será inferior o igual a 1 W. El detalle se puede encontrar en la nota UN-128 del CNAF.
  • 5725-5875 MHz, dividido en dos subbandas. Es una banda de uso común ("banda libre"). La PIRE será menor a 36 dBm. El detalle se encuentra en la nota UN–143 del CNAF.

Como red de transporte, es más recomendable usar enlaces en banda licenciada, para evitar las interferencias.

En despliegues en zonas rurales con línea de visión directa (LOS), es más recomendable usar enlaces en banda libre, ya que dispones de mayor ancho de banda en la banda de 5 GHz. Además, es más económico, porque no exige título habilitante.

2.) Modulación y Control de Errores

WiMAX utiliza la modulación OFDM (Orthogonal Frecuency Division Multiplexing), al igual que otros estándares de comunicaciones como WiFI, DVB-T o DAB. La modulación OFDM definida por el IEEE para el estándar WiMAX está pensada para entornos de exteriores, y tiene las siguientes características:

  • Modulación OFDM de 256 subportadoras.
  • Cada subportadora se modula en BPSK, QPSK, 16QAM y 64QAM, de forma adaptativa.
  • Tasa de control de errores (FEC rate): 1/2, 2/3 y 3/4.
  • Prefijo cíclico programable 1/4, 1/8, 1/16 ó 1/32.
  • Ancho de banda programable 1.75, 3.5, 7 ó 10 MHz.
  • Tiempo de símbolo entre 22 y 128us.


Evolución Tecnológica: ¿LTE o WiMAX?

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) exige que las redes de cuarta generación (4G) cumplan lo siguiente:

  • Deben ser capaces de proporcionar velocidades de datos de bajada de 100 Mbps y 1 Gbps, en ambientes exteriores (móviles) e interiores(fijos), respectivamente.
  • Deben garantizar Calidad de Servicio (QoS).
  • Deben garantizar Alta Seguridad Extremo a Extremo.
  • Ofrecerán cualquier tipo de servicio en cualquier momento y en cualquier lugar.
  • Los servicios serán ofrecidos con Interoperabilidad.

En este sentido, los agentes (operadores, fabricantes, proveedores de servicio a Internet) están adoptando medidas con el objetivo de desplegar la tecnología LTE (Long Term Evolution) a medio plazo.

La gran ventaja de la tecnología LTE frente a WiMAX es la movilidad. El conocido como "WiMAX móvil" es una sección del estándar 802.16-2009, recogido bajo 802.16e. Esta sección -la 802.16e- tiene una capa física diferente, la cual, posibilita aplicaciones diferentes a las de "WiMAX Fijo". Más concretamente, "WiMAX móvil" permite usar terminales móviles como USB o PDA, pero no soporta el "soft handoff", es decir, no permite el desplazamiento entre una celda y otra (entre una estación base y otra) sin caída de la comunicación, quedando, por tanto, las celdas aisladas.

A pesar de que la industria apueste por LTE, ello no impide que existan otras tecnologías como WiMAX compitiendo en el marco de los servicios de comunicaciones de banda ancha inalámbricos. LTE es una tecnología definida por el 3GPP (3 Generation Partnership Project). Ambas tecnologías, LTE y WiMAX, son muy similares técnicamente, en la forma de transmitir las señales y en las velocidades de transmisión, pues tanto LTE como WiMAX utilizan OFDM.

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