Boletín electrónico Nº 63 - Septiembre, 2009

 
 
WiMAX ­IEEE 802.16
 
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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.

 

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.

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.

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

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
 

 
Información Adicional: La Administración Nacional de Telecomunicaciones del Uruguay, Centro Regional de Capacitación de la CITEL y nodo del Centro de Excelencia para la Región Américas de la Unión Internacional de Telecomunicaciones ofrecerá el curso a distancia de Introducción al Marco Tecnológico Actual para las Nuevas Tecnologías  del 19 de octubre al 13 de noviembre de 2009. Se ofrecieron 15 becas del monto completo de la matrícula. Este artículo es parte del material del curso y la Prof. Natalia Pignataro es uno de los tutores.
 

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