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.

Estándar Redes Locales Inalámbricas IEEE 802.11n ("Wi-Fi n")

El mes pasado me pasé por la tienda FNAC de Sevilla y pude observar que ya todos los Router Wi-Fi que estaban a la venta eran compatibles con el estándar de telecomunicaciones IEEE 802.11n ("Wi-Fi n"); eso sí, se vendían tanto puntos de acceso "double radio" como "single radio".

Entonces pensé que te podría resultar de interés saber qué novedades introduce este nuevo estándar de redes locales inalámbricas (WLAN, Wireless LAN) frente a las revisiones anteriores del estándar, comprender cuáles son las ventajas de un punto de acceso "double radio" frente a otro "single radio" y conocer cuál es el gran valor añadido aportado por la nueva versión del estándar para el usuario, tanto en el ámbito doméstico como en el ámbito de aplicaciones de acceso público, como hotspots o aplicaciones de campus.

Para centrar el tema, empezaré contándote brevemente la evolución del estándar de redes locales inalámbricas 802.11 (Wi-Fi), para luego meterme de lleno en las novedades de la versión "n" y su principal atractivo frente a las versiones precedentes del estándar.

Evolución del Estándar IEEE 802.11 (Wi-Fi)

El primer estándar de WLAN lo generó el organismo IEEE (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) en 1997 y se denomina IEEE 802.11. Desde entonces se han generado un abanico de estándares.

En un principio, la expresión Wi-Fi era utilizada únicamente para los dispositivos con tecnología 802.11b, el estándar dominante en el desarrollo de redes, de aceptación prácticamente universal e indudable éxito, que funciona en las frecuencias de 2,4 GHz y permite la transmisión de datos a una velocidad de hasta 11Mbps. Con el fin de evitar confusiones en la compatibilidad de los aparatos, el término Wi-Fi se extendió a todos los aparatos provistos con tecnología 802.11: 802.11a, 802.11b, 802.11g y el más reciente 802.11n.

En la tabla bajo estas líneas, pongo una comparativa de las características principales, en las sucesivas revisiones del estándar.

	IEEE 802.11b	IEEE 802.11a	IEEE 802.11g	IEEE 802.11n
Organismo Estandarización	IEEE	IEEE	IEEE	IEEE
Publicación Estándar	1999	2002	Junio 2003	Octubre 2009
Banda de frecuencia	Banda Libre 2.4 GHz	Banda Libre 5 GHz	Banda Libre 2.4 GHz	Dos posibilidades: Banda Libre 2.4 GHz, Banda Libre 5 GHz
Ancho de Banda	22 MHz	20 MHz	20 MHz	Dos posibilidades: 20 MHz; 40 MHz
Capacidad (bitrate) máxima bruta (valor teorico)	11 Mbps	54 Mbps	54 Mbps	Según la configuración, puede llegar a 600 Mbps, dependiendo de diversos parámetros del interfaz radio. Las versiones más comerciales alcanzan 300 Mbps.
Interfaz Radio	DSSS	OFDM	OFDM. También DSSS, para compatabilidad con 802.11b	MIMO con OFDM. También DSSS, para compatabilidad con 802.11b
Disponibilidad comercial	En el mercado	En el mercado	En el mercado	En el mercado hay puntos de acceso, poco a poco también hay clientes.

Novedades del "Wi-Fi n" frente a anteriores versiones

1.) La tecnología MIMO multiplica la capacidad

La combinación de MIMO con SDM (Spatial Division Multiplexing) aumenta la capacidad del enlace inalámbrico usando varias antenas de transmisión y recepción por las que se transmiten flujos de datos (data streams) de forma simultánea.

De esta forma, se consigue alcanzar velocidades de transmisión muy superiores a las que proporciona 802.11g. Dependiendo del número de flujos de datos (data streams), se puede llegar a 300 Mbps, 450 Mbps ó 600 Mbps (según si el número de flujos simultáneos es 2, 3 ó 4; respectivamente).

Las soluciones comerciales (por ejemplo, todas las que ví en FNAC) suelen llegar a 300 Mbps. Pero esto es siempre capacidad bruta, ya que, la capacidad neta no se puede saber en Wifi, porque este estándar usa una capa MAC no determinista, cosa que no pasa en WiMax.

2.) Compatible con las versiones anteriores de Wifi: b/a/g

El estándar 802.11n está pensado para trabajar en la banda de 2.4 GHz y la de 5GH), empleando las técnicas de modulación OFDM (usada en 802.11 a/g) y DSSS (usada en 802.11 b). Ello permite al nuevo "Wifi n" ser compatible -al menos a nivel de estándar- con las versiones anteriores: 802.11 b/a/g.

3.) Ancho de banda de señal de 40 MHz

En cuanto al ancho de banda, la señal del nuevo "Wifi n" puede tener tanto 20 MHz (su espectro sería igual que la 802.11g) como 40MHz. Este ancho de banda -40 MHz- se consigue con la técnica Channel Bonding, que permite usar simultáneamente dos canales para transmitir datos, incrementando la cantidad de datos que se transmite. Las redes "Wifi n" en modo de operación 40 MHz utilizan dos bandas adyacentes de 20 MHz, para lo cual, utiliza dos canales separados no solapados.

4.) Aumento de canales no solapados

Al igual que 802.11a, el nuevo "Wifi n" puede trabajar en la banda de 5 GHz, lo cual, aumenta el número máximo de canales sin solapamiento: pasando de los 3 existentes en 2.4GHz a los 19 que se permiten en la banda de 5 GHz. Es decir, pueden ser utilizados 19 canales simultáneamente en puntos de acceso diferentes, consiguiendo así multiplicar la zona de cobertura sin riesgo de interferencia entre canales. Si utilizarámos "Wifi n" en la banda de 5 GHz, y con canales de 40 MHz (Channel Bonding), el número de canales no solapados se reduce de 19 a 9.

Principal Atractivo para el Usuario Doméstico y de Hotspots

1.) Mayor capacidad de la red inalámbrica

La mayor capacidad de la red inalámbrica es la gran ventaja que va a percibir el usuario doméstico de esta tecnología. Gracias a ello, aplicaciones que consumen mucho ancho de banda, como el streaming de vídeo de alta definición, podrán hacer uso por fin de redes inalámbricas para su transmisión.

Pero ojo, tendrás que saber que "Wifi n" consigue el máximo de su capacidad bruta, siempre y cuando esté configurado con anchura de banda de 40 MHz (channel bonding) en la banda de 5 GHz. Por eso, si quieres aprovechar todas las capacidades que da el estándar, el punto de acceso tendrá que ser dual radio, de tal manera que soporte tanto la banda de 2.4 GHz como la de 5 GHz.

Pero... no sólo eso, cuantos más flujos de datos (data streams) se transmitan, empleando la técnica "MIMO + Spatial Division Multiplexing", tu red de área local inalámbrica tendrá mayor capacidad. El número de data streams es una de las características importantes a la hora de adquirir un punto de acceso "Wifi n".

2.) Más canales disponibles para planificar

Debido a que en la banda de 2,4 GHz sólo se pueden proveer 3 canales sin solapamiento, lo cual resulta insuficiente en algunas planificaciones radio, es interesante el salto cualitativo a la banda de 5 GHz pues dispone de un mayor ancho de banda.

Algunos inconvenientes a tener en cuenta

1.) Los clientes consumen más energía

Los clientes consumen más energía cuando se trabaja con antenas 802.11n MIMO. Algunos clientes, tales como lectores de código de barras, etiquetas de localización, etc. están diseñados para funcionar durante largos períodos de tiempo entre recargas, por lo que esas empresas no querrán cambiar a MIMO para dar soporte a este tipo de clientes.

2.) Patrón de cobertura Irregular

La cobertura de un punto de acceso 802.11n es más irregular que la cobertura de los puntos de acceso basados en 802.11 a/b/g. Esto puede dar lugar a agujeros de cobertura más alto y, posiblemente, interferencias en el mismo canal.

Ejemplo Práctico: Entendiendo las Especificaciones Técnicas ("DataSheet") de un Punto De Acceso

Para ilustrar algunos de los aspectos que he comentado en este artículo, he querido comentar una hoja de especificaciones técnicas (datasheet) de un punto de acceso "Wifi n". En este caso, he cogido como ejemplo, el Alcatel-Lucent OmniAccess AP105.

En la imagen bajo estas líneas, podemos ver como este punto de acceso es dual radio y soporta dos flujos simultáneos, llegando a 300 Mbps de capacidad bruta.

También se puede comprobar que este punto de acceso es compatible con las versiones anteriores del estándar.