El estándar IEEE 802.16
estandariza la tecnología de red WiMAX, tecnología
inalámbrica de banda ancha que soporta acceso fijo,
nomádico, portable y móvil.
Las principales características
de IEEE 802.16/WIMAX son las siguientes:
-
Frecuencias portadoras menores
a 11 GHz. Por el momento las bandas de frecuencia
consideradas son 2.3GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz and 5.7
GHz.
-
OFDM. Las especificaciones
802.16 están básicamente construidas sobre la
técnica de transmisión OFDM conocida por su alta
eficiencia en el uso de los recursos de radio.
-
Velocidades de datos. Un valor
razonable referente a velocidad es 10 Mbps.
Algunos reportes dan datos más ambiciosos llegando
hasta los 70 Mbps y 100Mbps. Estos valores se
alcanzarían con condiciones ideales del canal de
radio y para sistemas con muy poca carga, esto
hace a estos valores muy optimistas por el momento.
-
Alcance. Hasta 20 Km, un poco
menos para equipos indoor.
Para alcanzar los requerimientos
de los diferentes tipos de acceso se definieron dos
versiones de WiMAX, la primera basada en el estándar
IEEE 802.162004 [19] y optimizada para acceso fijo y
nomádico y la segunda versión de WiMAX que está
diseñada para soportar portabilidad y movilidad,
está basada en el estándar IEEE 802.16e [20]. En la
siguiente tabla, se muestra como WiMAX puede
soportar diferentes tipos de acceso y sus
requerimientos en cada caso.
Tipo de acceso
|
Dispositivos
|
Area de servicio/
Velocidad |
Handoffs
|
802.162004
|
802.16e
|
Acceso Fijo
|
CPEs outdoor e
indoor |
Una BSs/
Estacionaria |
No |
Si |
Si |
Acceso nomádico
|
CPEs indoor,
tajetas PCMCIA |
Múltiples BSs/
Estacionaria |
No |
Si |
Si |
Portabilidad
|
Laptops PCMCIA o mini tarjetas |
Múltiples BSs/
Velocidad pedestre |
Hard Handoffs
|
No |
Si |
Movilidad
|
Laptop PCMCIA
|
Múltiples BSs/
|
Hard
|
|
|
Simple
|
o
mini tarjetas,
|
Velocidad
vehícular |
handoffs
|
No |
Si |
|
PDAs o
smartphones |
baja
|
|
|
|
Movilidad
|
Laptop PCMCIA
|
Múltiples BSs/
|
Sofá
|
|
|
Total
|
o
mini tarjetas,
|
Velocidad
vehícular |
handoffs
|
No |
Si |
|
PDAs o
smartphones |
alta
|
|
|
|
Tabla 1. Tipos de acceso para
802.16
Los dos sabores de WiMAX
coexistirán aumentando la demanda del acceso de
banda ancha inalámbrica tanto fija como móvil. El
operador cuando elige la solución de WIMAX a
implementar, además de considerar si quiere
desplegar una red fija o móvil, debe de evaluar
factores adicionales como el segmento de mercado
objeto, disponibilidad del espectro, restricciones
regulatorias y el tiempo de despliegue de la
tecnología.
Las principales diferencias entre
802.16e respecto a 802.16d son las siguientes:
-
Los terminales de subscriptor
ahora son estaciones móviles (MS). MS de 802.16e
es también una estación de subscriptor (SS).
-
Se especifican procedimientos
de handover en la capa MAC. Se soportan 3 métodos
de handover en el estándar IEEE 802.16e: HHO (Hard
Hand Off) único mandatorio y dos opcionales FBSS
(Fast Base Station Switching) y MDHO (Macro
Diversity Handover).
-
Modo de ahorro de potencia (por
la movilidad del MS): sleep and idle mode.
-
SOFDMA (Scalable OFDMA). Cambio
de la capa física de OFDM a OFDMA, la cual fue
completamente cambiada entre 162004 y 16e.
-
Seguridad, se especifican
nuevos protocolos.
-
Se agregan mejoras y detalles
de implementación para las técnicas MIMO (MultipleInput
MultipleOutput) y AAS (Adaptive Antenna System).
-
Soporta servicios de Multicast
y broadcast (MBS).
-
Se especifica una nueva (quinta)
clase de servicio: ertPS (Además de la definida en
802.162004 rtPS). La clase ertPS soporta flujos de
servicios de tiempo real, que generan paquetes de
datos con tamaño variable de forma periódica, por
ejemplo VOIP con supresión de silencio.
Los productos 802.162004 son
menos complejos que los basados en 802.16e, pueden
usarse en rangos de bandas no licenciadas, ofrecen
un rápido timetomarket y en algunos casos mayor
throughput que los equipos basados en 802.16e.
Por otro lado, dar soporte de
movilidad, mejora en la cobertura indoor, brindar un
manejo más flexible de los recursos del espectro y
una vasta variedad de terminales son algunas de las
ventajas que ofrecen los productos basados en
802.16e.
Modelo de capas IEEE 802.16
El estándar IEEE 802.16
especifica la interfaz de aire de un sistema fijo
BWA soportando servicios multimedia. La capa de
Control de Acceso al Medio (MAC) soporta
principalmente una arquitectura punto multipunto (PMP),
con la opción de soportan también una topología
Mesh. La capa MAC está estructurada para soportar
varias capas físicas (PHY) especificadas en el mismo
estándar. De hecho, sólo dos de ellas son usadas en
WiMAX. En la figura 8 se muestra la arquitectura de
capas definida en WiMAX/802.16. Como se observa en
la figura, el estándar sólo define las dos capas de
más abajo del modelo OSI, la capa física y la de
control de acceso al medio. La capa MAC está
subdivida en tres subcapas, CS (Convergence Sublayer),
CPS (Common Part Sublayer) y la Subcapa de seguridad.
![](http://www.oas.org/en/citel/infocitel/2009/septiembre/wimax-1.jpg)
Figura
1.
Capa de protocolos del estándar IEEE 802.16
Cuando la capa MAC de un equipo manda una MPDU (MAC
PDU) al equipo correspondiente, esta MPDU es
recibida por un a PSDU (PHYisical SDU) por la capa
física.
Convergence Sublayer (CS)
La subcapa de convergencia específica del servicio,
conocida frecuentemente como
CS, está sobre la subcapa MAC CPS (ver figura 8). La
capa CS usa los servicios que
provee la capa MAC CPS, vía el MAC Service Access
Point (SAP).
Las principales funciones de esta capa son las
siguientes:
-
Aceptar los
PDUs de capas superiores. En la presente versión
del estándar, se especifica la capa CS para
soportar dos tipos de capas superiores, CS modo de
transferencia de datos asíncrona (ATM) y modo CS
de paquetes. Para el modo packet CS los protocolos
de capa superior pueden ser, Ethernet, IPv4 o IPv6.
-
Clasificación y mapeo de MSDUs en los CIDs (Connection
IDentifier) apropiados. Esta es una función básica
del mecanismo de manejo de QoS del estándar 802.16
BWA.
-
Procesamiento (si es necesario) de los PDU de las
capas superiores basado en la clasificación.
-
Una función
opcional de la capa CS es PHS (Payload Header
Suppression), la cual implica el proceso de
supresión de partes repetitivas de los encabezados
en el transmisor y el agregado de los mismos
encabezados en el receptor.
-
El envío de
os CS PDUs al MAC SAP apropiado y la recepción de
los CS PDUs desde la entidad par.
Medium
Access Control Common Part Sublayer (MAC CPS)
La Subcapa, denominada Parte Común de Control de
Acceso al Medio (CPS) reside en el medio de la capa
MAC. Representa el corazón del protocolo MAC y es
responsable por:
-
Reserva de ancho de
banda
-
Establecimiento de
conexión
-
Mantenimiento de la conexión entre los dos lados
El estándar 802.162004 define un grupo de mensajes
de control y transferencia. Los mensajes de control
son intercambiados entre el SS y la BS antes y
durante el establecimiento de la conexión. Cuando la
conexión se estableció, los mensajes de
transferencia pueden intercambiarse de forma de
permitir la transmisión de los datos. La capa CPS
recibe datos de varios CSs, a través del MAC SAP,
clasificándolos indiferentes conexiones MAC. La
calidad de servicio se provee por flujo como se
muestra en la figura 9. Es un flujo unidireccional
de paquetes que es provisto de ciertos parámetros de
QoS. Estos parámetros del flujo de tráfico
determinan el orden de transmisión y el scheduling
de los paquetes en la capa física.
![](http://www.oas.org/en/citel/infocitel/2009/septiembre/wimax-2.jpg)
Figura 2. Soporte de QoS en WiMAX
En la siguiente tabla se detallan
todas las categorías de QoS soportadas por el
estándar IEEE 802.16e conjuntamente con las
aplicaciones.
Esta capa además incluye varios
procedimientos de diferentes tipos, por ejemplo:
acceso múltiple, construcción, demanda y reserva de
ancho de banda, scheduling, manejo de los recursos
de radio, manejo de QoS, etc.
![](http://www.oas.org/en/citel/infocitel/2009/septiembre/wimax-3.jpg)
Tabla 2. Calidades de servicio
soportadas por 802.16e
Subcapa de seguridad
La capa MAC también contiene una
subcapa denominada subcapa de seguridad (ver figura
8), la cual provee autenticación, intercambio de
clave segura, encriptación y control de integridad a
través del sistema BWA.
Las funciones de seguridad
utilizadas son las siguientes:
Key Management Protocol:
Protocolo de privacidad y manejo de claves. (PKMv1
802.162004 y PKMv2 para 802.16e). Utiliza mecanismos
de autenticación, control de encriptación del
tráfico, clave de intercambio para handover y
mensajes de seguridad Multicast/Broadcast, todos
basados en este protocolo.
Autenticación de dispositivo/usuario:
WiMAX móvil soporta autenticación de dispositivo y
usuario usando el protocolo IETF EAP proveyendo
soporte de credenciales que están en la SIM, USIM, o
certificado digital o usuario/password.
Encriptación del tráfico: el
cifrado usado para proteger todos los datos sobre la
interface MAC de WiMAX móvil es AESCCM. Las claves
usadas para cifrar son generadas desde la
autenticación EAP. La máquina de estados de
encriptación tiene una clave periódica (TEK),
permite la transición de claves para mejorar aún la
protección.
Protección de mensajes de
control: Los datos de control se protegen usando
mecanismos basados en AES o esquemas basados en MD5.
Fast Handover Support: Para
optimizar los mecanismos de re autenticación para
soportar handovers rápidos, se utiliza en WiMAX
móvil un esquema de 3 vías de handshake Este
mecanismo es también útil para prevenir cualquier
ataque.
Capa física
La capa física establece la
conexión física entre ambos lados, generalmente en
ambos sentidos (uplink and downlink). La capa física
es responsable por la transmisión de la secuencia de
bits. Se define el tipo de señal utilizada, el tipo
de modulación y demodulación, potencia de
transmisión entre otras características físicas más.
En el estándar 802.16 se definen
5 interfaces físicas. Las cuales se resumen en la
siguiente tabla [1]:
Designación
|
Banda de
frecuencia |
Sección en el
estándar |
Duplexación
|
Wireless MANSC (conocido como SC)
|
10–66 GHz
(LOS) |
8.1
|
TDD y FDD
|
Wireless
MANSCa (conocido como SCa) |
Menor 11 GHz (NLOS);
licenciada |
8.2
|
TDD y FDD
|
Wirelese MAN
OFDM (conocido como OFDM) |
Menor a 11
GHz; licenciada |
8.3
|
TDD y FDD
|
Wireless MAN OFDMA (conocido como OFDMA)
|
Menor a 11
GHz; licenciada |
8.4
|
TDD y FDD
|
WirelessHUMAN
|
Menor a 11
GHz; no licenciada |
8.5 (además de
8.2, 8.3 or 8.4) |
TDD solamente
|
Tabla 3. Interfaces físicas
especificadas en 802.16
En los sistemas 802.16, se
incluyen ambos modos de duplexación, en el tiempo
TDD (Time Division Duplexing) y el la frecuencia FDD
(Frequency Division Duplexing). Como se observa en
la tabla 10, para frecuencias entre 1066 GHz (LOS)
se especifica la capa física denominada
WirelessMANSC y para frecuencias por debajo de los
11 GHz se proponen tres interfaces físicas:
-
Wireless MANOFDM, usa
transmisión OFDM
-
Wireless MANOFDMA, usa
transmisión OFDM y OFDMA
-
WirelessMANSCa, usa
modulaciones de una sola portadora.
También se especifican algunas
bandas no licenciadas, como la capa física Wireless
HUMAN (Highspeed Unlicensed Metropolitan Area
Network). Frecuencias no licenciadas son incluidas
en la certificación de WIMAX fijo. Para las bandas
de frecuencias no licenciadas, el estándar [20]
requiere mecanismos como DFS (Dynamic Frequency
Selection) para facilitar la detección y supresión
de la interferencia y la prevención de interferencia
que dañaría a otros usuarios, incluir usuarios
específicos identificados por regulaciones [21] como
usuarios prioritarios. WiMAX solamente considera las
capas físicas OFDM y OFDMA de la especificación
802.16. La técnica OFDM es una
técnica de multiplexación que subdivide el ancho de
banda en múltiples subportadoras. De esta forma el
tren de datos de entrada se divide en muchos trenes
paralelos de menor velocidad (lo que aumenta es la
duración del símbolo) y cada tren es modulado y
transmitido por una frecuencia de transmisión
ortogonal separada. OFDM explota la diversidad de
frecuencia del canal multicamino codificando y
haciendo interleaving de la información a través de
las subportadoras utilizadas para la transmisión. En
un sistema OFDM, los recursos de tiempo y frecuencia
pueden ser organizados en subcanales para asignar a
usuarios individuales. OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access) es un acceso múltiple/esquema
de multiplexado que provee la operación de
multiplexar trenes de datos de diferentes usuarios
en subcanales downlink y uplink. La estructura de
símbolos OFDMA consiste en tres tipos de
subportadoras, como se ve en al figura 10:
-
Subportadoras de datos para la
transmisión de datos
-
Subportadoras piloto para
propósitos estimación y sincronización
-
Subportadoras nulas para no
transmitir, usadas para bandas de guarda para las
portadoras DC
![](http://www.oas.org/en/citel/infocitel/2009/septiembre/wimax-4.jpg)
El estándar IEEE 802.16e2005 está
basado en el concepto de Scalable OFDMA (SOFDMA), el
cual soporta un variado rango de ancho de bandas
para dar mayor flexibilidad a las diferentes
asignaciones de espectro. La escalabilidad se
alcanza ajustando el tamaño de la FFT fijando el
tamaño entre subportadora a 10.94 KHz. Los anchos de
banda del sistema para los dos primeros perfiles
planeados por WiMAX Forum de WiMAX móvil son de 5 y
10 MHz.
Las bandas de frecuencias que
pueden ser usadas para WiMAX por el momento son:
-
Bandas licenciadas: 2.3 GHz,
2.5 GHz (recordar que la banda de frecuencia de
2.4 GHz es una frecuencia de uso libre, entre
otros por WiFi), 3.3 GHz and 3.5 GHz, la última ha
sido la que más ampliamente (geográficamente) se
ha anunciado para WiMAX
-
Bandas no licenciadas: 5 GHz.
El perfil de WiMAX fijo en la frecuencia no
licenciada, por ejemplo 5.8 GHz. En el futuro
varias bandas entre 5 y 6 GHz van a ser utilizadas
como bandas no licenciadas para WiMAX dependiendo
del país involucrado.
En la siguiente tabla se
presentan globalmente las frecuencias que se esperan
para WiMAX alrededor del mundo. Estas frecuencias no
deberían ser más grandes que la ya elegida
frecuencia de 5.8 GHz porque para altas frecuencias
la operación NLOS se dificulta muchísimo, lo que es
un problema real para la movilidad. El grupo de
trabajo regulatorio (RWG: Regulatory Working Group)
está tratando de definir dos nuevas frecuencias (los
reportes hablan de 450 MHz y 700 MHz) con
condiciones para el roaming universal con
frecuencias deferentes en diferentes países.
Región o país
|
Bandas de
frecuencias reportadas para WiMAX
|
USA
|
2.3, 2.5 y 5.8
GHz |
América Central y del Sur |
2.5, 3.5 y 5.8
GHz |
Europa
|
3.5 y 5.8 GHz;
posible: 2.5 GHz |
Sud Este de
Asia |
2.3, 2.5, 3.3,
3.5 y 5.8 GHz |
Medio Este y
Africa |
3.5 y 5.8 GHz
|
Tabla
4.
Bandas para WiMAX disponibles por región
Natalia Pignataro
Administración Nacional de Telecomunicaciones
|