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En recepción las portadoras deben ser separadas antes de demodular. En las técnicas de multiplexación tradicionales FDM, se utilizaban filtros pasobanda en cada una de las frecuencias, por lo que además de no solapar las bandas, era obligatoria LA reserva DE bandas de guardia. Un método de conseguir una mayor eficiencia espectral es solapar las portadoras, mediante el uso de una DFT tanto en modulación como en demodulación, que es en lo que se basa el OFDM. Para ello se hace coincidir los lóbulos espectrales principales con los nulos del resto de portadoras, manteniendo la señal ortogonal.
De esta manera es posible incrementar la eficiencia espectral, sin tener interferencia entre los canales. Pese a ello, en implementaciones reales existe una pequeña interferencia, que provoca que se pierda mínimamente la ortogonalidad.
OFDM
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Otra ventaja del OFDM, que es la causa por la que se ha popularizado en la tecnología WiMAX, es la capacidad para gestionar los diferentes retardos que se producen en señales que padecen multitrayecto. En un canal radio estos efectos se traducen en la no respuesta plana del canal, la aparición de nulos, etc… que normalmente conducen a la pérdida completa de la señal. Además, estos multitrayectos pueden producir interferencia entre símbolos, provocado por los diferentes retardos, que hace que se mezclen símbolos consecutivos. Esto se soluciona mediante la utilización de un periodo de guardia para cada símbolo OFDM, traladando la misma idea que se utiliza en FDM.
Por contra, presenta las desventajas de ser más sensible que las técnicas tradicionales al desfase en frecuencia o desfase en la sincronización temporal. Además, por su carácter ortogonal, presenta una eleveda relacion peak-to-average, condicionando el tipo de amplificadores que se pueden utilizar.
OFDM
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La distribución de datos sobre muchas portadoras hace que alguno de los bits transmitidos puedan ser recibidos de manera errónea. Es por ello que se hace imprescindible utilizar mecanismos de corrección de errores, que añaden bits adicionales en la transmisión, pero que hacen posible la corrección de dichos errores.
OFDM
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8 portadoras para piloto
192 portadoras para datos
WiMAX Air interface
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Constelación de 64 QAM + 16 QAM + ( 4) QPSK + (2) BPSK
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(Gp:) Efecto de la movilidad
(Gp:) Receptor fijo Receptor móvil
SINR = SINR fijo SINR < SINRfijo
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Es una variante de la multiplexacion OFDM, que es la que se está generalizando en los estándares inalámbricos, tratando de resolver los problemas que presenta la técnica anterior. Se basa en la transmisión de símbolos de entrenamiento, que permiten reducir los efectos adversos del canal, mediante una estimación y división respecto a la respuesta en frecuencia.
Además, utiliza un código FEC (Forward Error Correcting) como el Reed-Solomon, para expandir los símbolos sobre un amplio rango de frecuencias, que convierten la señal en un espectro ensanchado por secuancia directa (DSSS). De esta manera, es posible recuperar los símbolos aunque se pierdan algunas de las portadoras.
Para compensar el problema del excesivo ratio peak-to-average en amplitud, debido al multitrayecto, esta técnica incorpora una aleatorización de la señal y una estimación del canal. La aleatorización en la transmisión permite blanquear la señal y eliminar la necesidad de amplificadores específicos. Por otro lado, el incluir datos conocidos en la señal, es posible calcular la respuesta del canal y utilizar esta respuesta para corregir los efectos que produce sobre los datos.
W-OFDM
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OFDMA, también denominada como multiuser-OFDM, está siendo considerado como un método de modulación y acceso múltiple para tecnologías inalámbricas como WiMAX. Se trata de una extensión de la técnica Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), que es la técnica de multiplexación en uso en los sistemas inalámbricos 802.11a/g y 802.16/a/d/e, como vimos anteriormente.
En los sistemas OFDM actuales, un único usuario puede transmitir sobre todas las subportadoras en cualquier momento y se utilizan técnicas de acceso multiple por división en frecuencia o en tiempo para soportar múltiples usuarios. El principal problema de estas técnicas de acceso estáticas es el hecho de que los usuarios ven el canal de una manera diferente cuando no es utilizado. OFDMA, por el contrario, permite a multiples usuarios transmitir en diferentes subportadoras por cada símbolo OFDM. Así, se asegura de que las subportadoras se asignan a los usuarios que ven en ellas buenas ganancias de canal.
OFDMA
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El protocolo 802.16, al igual que el ETSI Hiperlan, considera tres modos de acceso: TDMA con portadora simple, TDMA con OFDM y OFDMA. Los primeros perfiles a certificar se encuentran en la banda de los 3,5 GHz, tanto para TDD como FDD y 3,5 o 7,0 MHz de ancho de banda, pero siempre con multiplexación OFDM con 256 portadoras
Para el caso del 802.16e, todavía no aprobado, se considera únicamente la utilización de método de acceso OFDMA, con un número de portadoras variables en múltiples desde 128 a 2048. En particular, los primeros perfiles, todos para la banda de los 2,4 GHz con TDD, usan OFDMA con 512 o 1024 subportadoras.
Acceso en WiMAX
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Los diferentes órdenes de modulación permiten enviar más bits por símbolo y, por tanto, alcanzar un mayor throughput y eficiencia espectral. A pesar de ello, utilizar técnicas de modulación como 64-QAM, implica que sean necesaria una mayor relación señal a ruido (SNR) para evitar las interferencias y mantener una tasa de error de bit moderada.
El uso de modulación adaptativa permite que un sistema inalámbrico pueda escoger el orden de modulación en función de las condiciones del canal. Para el caso de WiMAX, a mayor distancia de la estación base menor es el orden de modulación, pasando por las siguientes técnicas: 64QAM, 16QAM, QPSK y BPSK.
Así el sistema para trabajar en 64QAM necesita unos 22 dB de relación señal a ruido, para 16QAM son necesarios unos 16 dB y para QPSK 9 dB.
Modulación adaptativa
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Zonas de cobertura de WiMax
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Las técnicas de corrección de errores (FEC) han sido incorporadas a WiMAX para reducir los requisitos del sistema en cuanto a la relación señal a ruido. El Strong Reed Solomon FEC, la codificación convolucional y los algoritmos de interleaving se utilizan para detectar y corregir errores y mejorar el throughput. Estás técnicas de corrección robustas ayudan a recuperar las errores que puedan ocurrir por pérdidas de señal a frecuencias determinadas o errores de burst.
Los códigos Reed Solomon se basan en la transmisión extra de símbolos para permitir la detección de errores. Si un código Reed Solomon opera con símbolos de 8 bits, tiene 255 símbolos por bloque. De esos escogemos un parámetro k, con k< n (siendo n el número de símbolos por bloque), que es el número de símbolos de datos, mientras que el resto hasta n serían símbolos de paridad. Si escogemos en nuestro ejemplo k=223, tendríamos 32 símbolos de paridad. Reed Solomon es capaz de corregir hasta 16 errores en símbolos, la mitad del número de símbolos de paridad de los que dispone.
Así, la capacidad de corrección de errores viene dada por n-k, la medida de redundancia del bloque. Si las posiciones del los símbolos se conocen de antemano, es posible corregir el doble de símbolos. En caso contrario, siempre se podrá corregir hasta (n-k)/2.
Técnicas de control de errores
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Estas características hacen que se adapten muy bien a errores en portadoras. Esto se debe a que no le afecta el número de bits erróneos que hay en cada símbolo, ya que los toma como un único error. Para casos donde los errores no se caracterizan por esto es preferible recurrir a codificaciones convolucionales.
Los códigos convolucionales son un tipo de códigos de corrección de errores, en los cuales un símbolo original de longitud m bits, se transforma en uno de n, siendo n>m, siendo la transformación función de los ultimos k símbolos de información, con k la longitud del código.
Existen varios algoritmos para la decodificación de los códigos convolucionales. Para valores de k relativamente pequeños, la mejor opción es el algoritmo Viterbi, que provee una solución de máxima verosimilitud. Para valores de k elevados, este algoritmo se vuelve imprcticable por lo que se suele recurrir a otros, como el algoritmo Fano. Este tipo de códigos se suele concatenar, como en el caso de WiMAX (en el 802.16-2004), con códigos Reed Solomon.
En WiMAX también se contempla la utilización de otra serie de códigos, pero de manera opcional, como son los turbo codes, turbo product codes o, en el caso 802.16e, códigos de control de paridad de baja densidad.
Técnicas de control de errores
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Códigos RS y FEC
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Por otro lado, Automatic Repeat Request (ARQ) se utiliza para corregir los errores que no resuelve el FEC, mediante el reenvío de la información con errores. El estándar WiMAX incorpora la variante llamada H-ARQ (híbrido). Esto mejora de manera significativa la tasa de error de bit (BER) del sistema.
Existen diferentes métodos de implementar H-ARQ: chase combining, rate compatible punctured turbo codes y redundancia incremental. Este último, también llamado H-ARQ tipo II en lugar de simples reenvíos de la señal, se envía información redundante adicional, para facilitar la decodificación. H-ARQ tipo III es otra técnica de redundancia incremental, pero en la cual cada retransmisión es auto decodificable, cosa que no ocurría en el anterior.
Técnicas de control de errores
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Bandas de frecuencia
Actualmente, el enfoque se realiza en las frecuencias dentro del rango que existe entre 2-6GHz del espectro. Aquí, el ancho de banda reservado es más estrecho que el disponible en el rango de 10 a 66 GHz, al que nos referiremos como ondas milimétricas, respecto a las centimétricas del primer caso. Las ondas milimétricas se adecúan más a backhauls con anchos de banda elevados y visión directa, a diferencias de las centimétricas.
El WiMAX Forum mantiene que las bandas de frecuencia deben ser colocadas de manera que los operadores con licencia puedan prestar los servicios y utilizar las tecnologías más adecuadas para su entorno.
En los próximos años, el WiMAX Forum cree que se puede lograr un nivel razonable de armonización en las bandas de frecuencias.
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Banda libre de 5 GHz
El rango de frecuencias de interés incluye las bandas entre 5,25 GHz y 5,85 GHz. La banda entre 5,15 GHz y 5,25 GHz es la más utilizada para aplicaciones interiores de baja potencia, por lo que queda fuera del interés de las aplicaciones WiMAX. Este es el caso de la banda de frecuencia usada en 802.11a (que llega hasta los 5,35GHz). Además, se caracteriza por disponer de poca potencia en la frecuencias bajas. Para el caso de las bandas inferiores a 5,47 GHz la potencia máxima es de 250 mW EIRP.
En la banda superior (5725-5850 MHz) muchos países permiten una mayor potencia de salida (4 W en lugar de 1 W EIRP) lo que hace que la banda sea más atractiva para aplicaciones WiMAX en larga distancia. Además de que no está tan ocupada, al estar libre de tecnologías Wi-Fi o de la banda WRC. El WiMAX Forum promueve acciones, especialmente en Europa, para que se libere esta banda de manera armónica, que por ahora sólo se ha realizado en el Reino Unido e Irlanda. Esta banda usará TDD y canales de 10 MHz de ancho.
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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 está en fase de consultas). Bandas superiores a ésta, puede que sean ocupadas por el Reino unido, hasta los 4200 MHz.
Las bandas entre 3,4 y 3,6 GHz han sido reservadas por la mayoría de los países para servicios fijos, móviles y/o por satélite, con la excepción de los Estados Unidos. En estas bandas el enfoque del foro WiMAX será el de minimizar los requisitos técnicos y reglamentarios no necesarios que puedan inhibir el desarrollo de WiMAX para esta clase de operadores. En ellas se opera tanto con TDD como con FDD, existiendo por lo general canales de 3,5 y 7 MHz.
Las características de la banda la orientan hacia aplicaciones fijas, quedando fuera del objetivo para aplicaciones móviles del 802.16e.
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Las bandas entre 2,5 y 2,69 GHz (Multichannel Multipoint Distribution Service) han sido reservadas por Estados Unidos, Mexico, Brasil y algunos países de Asia (principalmente Singapur), donde ha sido poco utilizadas para su utilidad original, relacionada con la transmisión de televisión. El WiMAX Forum realiza esfuerzos globales con el objetivo de aumentar la disponibilidad de estas bandas para aplicaciones de banda ancha tanto fijas como móviles, 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).
También en Asia, en los países Australia, Corea del Sur y Nueva Zelanda, se utiliza la banda de 2,3 GHz, que se espera que se cubra con los sistemas de 2,5 GHz. Esta banda de 2,3 (llamada WCS) está formada por dos slots de 15 MHz, ( 2305-2320Mhz y 2345-2360 MHz), con una separación en medio de 25 MHz, debido a que está reservado para servicios de radio digital (DARS). Se considera que esta banda intermedia puede suponer una fuente de interferencias.
Esta banda del espectro está orientada al desempeño de servicios móviles, dentro del estándar 802.16e, ya que es la que presenta un mejor comportamiento para este tipo de servicios.
Banda mixta de 2,5GHz
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No todo el espectro de radiofrecuencia es igual, las señales se propagan más lejos cuanto menor sea la banda de frecuencia utilizada, creando una relación directa entre el número de estaciones base utilizadas para cubrir una área de servicio dada. De manera más específica, a menor frecuencia, menor número 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.
Hay ejemplos de países en vías de desarrollo en los que el uso de bandas de frecuencia menores es fundamental para permitir un despliegue. El WiMAX Forum trabaja con organismo reguladores para la reserva de espectro, tanto con licencia como libre, en bandas por debajo del 1 GHz, especialmente en bandas que queden libres en migraciones a television digital. Por ejemplo, en el caso de Estados Unidos, se cree que van a quedar bandas libres en el rango de los 700MHz.
Otras bandas de frecuencia
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Los 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 cuáles son las diferencias, dentro de WiMAX, entre la utilización 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 interoperatividad.
Uso libre o con licencia
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Mientras WiFi ya lleva años en el mercado, WiMAX aún está haciendo el desembarco. Por ello, la tecnología WiFi se ha ido adaptando en cuanto a las topologías de desempeño a las diferentes funcionalidades que se le han asignado. Así, desde acceso fijo, última milla o hot-spots han desarrollado diferentes arquitecturas.
Se puede hablar de cuatro tipos de topologías de red basadas en nodos:
. Punto a punto
. Punto a multipunto
. Multipunto a multipunto
. Metropolitanas
TOPOLOGÍAS
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Topología punto a punto
Una red punto a punto es el modelo más simple de red inalámbrica, compuesta por dos radios y dos antenas de alta ganancia en comunicación directa entre ambas. Este tipo de enlaces se utilizan habitualmente conexiones dedicadas de alto rendimiento o enlaces de interconexión de alta capacidad. Este tipo de enlaces son fáciles de instalar, pero difíciles 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.
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Un enlace punto a multipunto, comparte un determinado nodo (en el lado uplink), que se caracteriza por tener una antena onmidireccional (o con varios sectores) y puntos de terminacion (o repitidores) con antenas direccionales con una ganancia elevada. Este tipo de red es más sencillo de implementar que las redes punto a punto, ya que el hecho de añadir un subscriptor sólo requiere incorporar equipamiento del lado del cliente, no teniendo que variar nada en la estación base. Aunque, cada sitio remoto debe encontrarse dentro del radio de cobertura de la señal, que en el caso de WiMAX (a diferencia de la tecnología LMDS) no requerirá que se situé en puntos con visión directa.
Además, será posible utilizar esta topología para backhaul de la red de operadores, o para clientes que no deseen disponer de capacidad dedicada, al compartir los recursos con todos los terminales. El problema de este tipo de topología es que el diseño direccional de las antenas de los usuarios hace que no pueda conectar con otras redes (meshing).
Topología punto a multipunto
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Topología en nodos multipunto
Las redes multipunto a multipunto crean una topología entrelazada enrutada que replica la estructura de la red Internet. Para construir una red de este tipo se comienza por un punto de conexión a internet. Una serie de puntos de acceso se despliegan por toda la red hasta alcanzar una densidad máxima. Estos puntos no sólo conectan a los terminales que tengan asociados, sino que enrutan tráfico de otras estaciones (con sus respectivos usuarios) creando redes con varios saltos. Esto permite garantizar una cobertura global de la red.
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Las redes de nodos metropolitando se basan en utilizar dos tipos de redes: backhaul y última milla.
Backhaul puede ser una red punto a punto o una red punto a multipunto. Su diseño 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 última milla, que será por lo general onmidireccional. La función principal del backhaul será proporcionar ancho de banda a la última milla. Estos nodos pueden ofrecer conexiones redundantes. En función del área cubierta serán necesarios más o menos enlaces de este tipo.
Última milla es una topología multipunto a multipunto, con antenas onmidireccionales que están asociados a un determinado backhaul. La diferencia respecto a la topología en nodos multipunto es que la salida se realiza a través de un backhaul, no directamente.
Topología en nodos metropolitanos
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Una red con nodos mixtos es la forma más compleja de red inalámbrica, compuesta por dos estaciones radio con dos antenas de alta ganancia en comunicación directa entre ellas y, por último, un repetidor inalámbrico. Este tipo de enlaces son fáciles de instalar pero difíciles de escalar para crear una red amplia. Típicamente el repetidor se utiliza en un entorno interior.
La topología interior en nodos mixtos es similar a la topología anterior. Se compone de dos estaciones radio y sus antenas directivas conectadas entre si, junto a un conjunto de repetidores inalámbricos que forman una red escalable interior. Como el caso anterior tiene la ventaja del bajo coste en las unidades interiores.
Topología en nodos mixtos
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Técnicas de control de potencia
Los algoritmos de control de potencia se utilizan para mejorar el funcionamiento del sistema. Se implementa este mecanismo en la estación base, enviando información 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 estación base esté a un nivel predeterminado.
En un entorno con cambios de canal dinámicos, implica que el CPE sólo transmite la suficiente potencia para cubrir los requisitos. En caso de no disponer de este método, el CPE tendría 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 reducción de la interferencia potencial con otras estaciones base cercanas.
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Señal OFDM
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Parámetros de WiMAX
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Parámetros de WiMAX
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Bandas de trabajo
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Estructura de trama
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Estructura de trama
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Parámetros de WiBRO
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Parámetros de diferentes sistemas
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Transmisor OFDM
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Pérdidas de propagación de señal WiMAX
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