FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Wimax como solución de acceso en el futuro de las comunicaciones inalámbricas”

Autor: Yanier Hernández Aguilar Tutor: Ing. Léster Gómez Atherley Co-Tutor: Ing. Maria Del Carmen Casas Cardoso

Santa Clara Curso 2008-2009 "50 Aniversario del Triunfo de la Revolución"

Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica

TRABAJO DE DIPLOMA

“Wimax como solución de acceso en el futuro de las comunicaciones inalámbricas”

Autor: Yanier Hernández Aguilar Tutor: Ing. Léster Gómez Atherley Co-Tutor: Ing. Maria Del Carmen Casas Cardoso

Santa Clara Curso 2008-2009 “50 Aniversario del Triunfo de la Revolución”

Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.

Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.

Firma del Autor

Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo

Firma del Responsable de Información Científico-Técnica

Pensamiento

Pensamiento

“Para ir por el buen camino en este mundo, es necesario sacrificarse hasta el final. La misión del hombre no consiste sólo en ser feliz. Debe él descubrir algo grandioso en la humanidad”.

J .E. Renan

I

Dedicatoria

Dedicatoria

A mi mamá, A mi papá, A mi hermano, A mis abuelos, A mis sobrinos y A mi maravillosa familia

II

Agradecimientos

Agradecimientos

A mis tutores Léster y Mari por la ayuda incondicional, A todos los que de una forma u otra han hecho posible la realización de este trabajo, A mi mamá, a mi papá y a mi hermano, por su excelente educación y sacrificio en todo momento, A mi familia y a mis amigos, por la confianza depositada en mí.

III

Tareas Técnicas

Tareas Técnicas

Las tareas a realizar en este trabajo son: •

Revisión y estudio bibliográfico sobre la actualidad de las redes inalámbricas en el

mundo incluido el equipamiento más usado y el que se comercializa en Cuba. •

Visita a instituciones y organizaciones donde hay soluciones inalámbricas, las cuales

sirven como casos de estudio. •

Definir y caracterizar el tipo de tecnología a usar para lograr la calidad del enlace.

•

Confección del proyecto para enlazar los restantes municipios de la provincia.

Firma del Autor

Firma del Tutor

IV

Resumen

Resumen Con el objetivo de enlazar sitios que se encuentran fuera de la red provincial, el presente trabajo propone el diseño de una red inalámbrica para los restantes municipios de la provincia que no contaban con este servicio, y así dar solución a los problemas de interconexión a lugares de difícil instalación de una infraestructura cableada. Para la realización de este trabajo se revisaron diferentes documentos, además se visitaron centros donde se encuentra implementada esta tecnología. Se tuvo en cuenta para el diseño la distancia entre los puntos a enlazar y la altura a la que deben estar las antenas, de forma tal que no se vea afectada la zona libre de Fresnel. Se escogió el equipo adecuado que cubriera la distancia entre los puntos a enlazar, concluyendo el diseño.

V

Tabla de Contenidos

Tabla de Contenidos Pensamiento ..............................................................................................................

I

Dedicatoria.................................................................................................................

II

Agradecimientos ........................................................................................................

III

Tareas Técnicas ........................................................................................................

IV

Resumen ...................................................................................................................

V

Introducción ...............................................................................................................

1

Organización del informe ...........................................................................................

3

Capitulo 1. Redes de Acceso de Banda Ancha

4

1.1 Principales características de las redes WiMAX

4

1.2 Estándares Inalámbricos

5

1.2.1 Estándares IEEE

5

1.3 Aplicaciones

9

1.4 Topologías de redes WiMAX

11

1.4.1 Configuraciones

11

1.5 Tecnologías en WiMAX

13

1.5.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM)

13

1.5.2 Codificación Dividida en un Multiplexado de Frecuencias Ortogonales (COFDM)

14

1.5.3 Acceso Múltiple Ortogonal de División de Frecuencia (OFDMA)

14

1.5.4 Acceso de Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal Escalable (SOFDMA)

15

1.6 Seguridad en Redes WiMAX

16

VI

Tabla de Contenidos

1.6.1 Riesgos de Seguridad

17

1.6.2 Principales Consideraciones

17

1.6.3 Encriptación

17

1.7 Ventajas

18

1.8 Conclusiones

20

Capítulo 2. Radiopropagación y Características de un Radioenlace

21

2.1 Radiopropagación

21

2.2 Conceptos

22

2.3 Mecanismos de Propagación

23

2.3.1 Reflexión, Refracción y Absorción

24

2.3.2 Difracción

24

2.3.3 Dispersión

25

2.4 Interferencia, ruido y distorsión

25

2.4.1 Interferencia

26

2.4.2 Ruido

27

2.4.3 Distorsión

28

2.5 Análisis de las características de un radioenlace

29

2.5.1 Tipos de Antenas

30

2.5.2 Pérdidas en los cables

31

2.5.3 Fórmulas de Friss para el enlace

32

2.5.3.1 Enlace en condiciones de espacio libre

32

2.5.3.2 Enlace a través de un medio cualquiera

33

2.5.4 Sensibilidad del receptor

34

VII

Tabla de Contenidos

2.5.5 Relación Señal a Ruido

34

2.5.6 Margen

36

2.5.7 Distorsión del retardo (Delay Spread)

37

2.6 Conclusiones

37

Capítulo 3. Diseño del Enlace

38

3.1

38

Situación de la red Copextel Ciego de Ávila

3.1.1 Justificación del proyecto

39

3.2

Oferta del equipamiento

39

3.2.1

Mercado Mundial

39

3.2.2

Oferta en Cuba

41

3.2.3

Selección del equipamiento

41

3.2.4 Implementación del Proyecto

42

3.2.5 Aterramiento

50

3.2.6 Análisis económico

50

Conclusiones

53

Recomendaciones

54

Referencias Bibliográficas

55

Anexos

61

Glosario

64

VIII

Introducción

Introducción Las comunicaciones vía radio, han experimentado un gran auge en estos días, debido a los cambios constantes en las características físicas y funcionales de los equipos utilizados para este tipo de comunicación. Las redes inalámbricas como su nombre lo indica no necesitan infraestructura cableada para su funcionamiento y se han convertido en una variante muy necesaria para unir lugares donde es imposible llegar con redes cableadas. Al igual que las redes WiMAX, existen redes inalámbricas WLAN, WPAN, WWAN/WMAN. Ejemplo de estas redes lo constituyen los estándares IEEE 802.11, Bluetooht (802.15.1), Home RF, HiperLan, MobileFi (802.20), ZigBee (soportada sobre la base de 802.15.4), entre otros. WiMAX, iniciales de Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidad Mundial para el Acceso por Microondas), es considerado hoy en día como el futuro de las redes WiFi. Es el nombre comercial del estándar 802.16, un protocolo de transmisión de datos inalámbrico que va un paso más allá de WiFi. WiMAX promete una velocidad de 70 megabits por segundo (siete veces el ancho de banda de WiFi), que con una sola antena cubrirá un área de 50 kilómetros a la redonda, frente a los 300 metros de WiFi. Es decir, WiMAX será a una ciudad entera lo que WiFi es para los hogares: conexión a Internet a alta velocidad sin cables. A pesar de que el proyecto para la creación de un nuevo estándar se gestó hace 6 años en el IEEE, no fue hasta abril de 2002 que la primera versión del mismo, la 802.16, se publicó, y se refería a enlaces fijos de radio con visión directa (LoS) entre transmisor y receptor, pensada para cubrir la "última milla" (o la primera, según desde que lado se mire), utilizando eficientemente varias frecuencias dentro de la banda de 10 a 66 GHz. Un año más tarde, en marzo de 2003, se ratificó una nueva versión, el 802.16a, y fue entonces cuando WiMAX, como una tecnología de banda ancha inalámbrica, empezó a cobrar relevancia. También se pensó para enlaces fijos, pero llega a extender el rango alcanzado desde 40 a 70 Kilómetros, operando en la banda de 2 a 11 GHz, parte del cual es de uso común y no requiere licencia para su operación. Es válido para topologías punto a multipunto y, opcionalmente, para redes en malla, y no requiere línea de visión directa.

1

Introducción

Emplea las bandas de 3,5 GHz y 10,5 GHZ, válidas internacionalmente, que requieren licencia (2,5-2,7 en Estados Unidos), y las de 2,4 GHz y 5,725-5,825 GHz que son de uso común y no requieren disponer de licencia alguna. Los países punteros en redes WiMAX son los Estados Unidos, países miembros de la Unión Europea, Australia y Japón, todos del mundo desarrollado. Cuba, como otros tantos países en vías de desarrollo, ha asumido el reto de las redes WiMAX; varias instituciones se han sumado al empleo de las mismas como es el caso de la provincia Ciego de Ávila, la cual ha puesto en marcha enlaces inalámbricos en diferentes municipios de dicho territorio. Este trabajo surge porque existen áreas dentro de la provincia que no se pueden unir al backbone de fibra óptica dado a que las condiciones geográficas no lo permiten y están actualmente privados de todos los servicios que brinda la red inalámbrica instalada ya en varias localidades de la provincia. Con el diseño de una red WiMAX se logrará enlazar de manera inalámbrica diferentes municipios de la provincia Ciego de Ávila, lo cual permitirá elevar el nivel científico técnico del personal que allí radica y el desarrollo tecnológico de la provincia. Los resultados de este trabajo, serán de conocimiento de todos los interesados en el tema, y el diseño quedará para trabajos futuros en esta rama de las telecomunicaciones. Este estudio tiene un valor metodológico importante, al brindar herramientas para el posterior montaje. Objetivo general: Diseñar una red inalámbrica en la provincia de Ciego de Ávila para enlazar las áreas que hoy están fuera de la red y así contribuir a su desarrollo tecnológico. Objetivos específicos: •

Definir las redes inalámbricas y analizar los diferentes estándares y sus

características. •

Analizar aspectos relacionados con un enlace de radio.

•

Obtener la concepción del equipamiento necesario para establecer redes y

subredes inalámbricas en la provincia.

2

Introducción

•

Realizar el diseño teórico de un enlace inalámbrico entre la capital de la provincia y

los restantes municipios de la misma. Particularmente en la provincia Ciego de Ávila, se justifica el proyecto, ya que en el territorio hay lugares que por las condiciones geográficas del terreno, es imposible llegar con el enlace por fibra óptica. De ahí la necesidad de buscar otras variantes en la instalación de las redes de comunicaciones, para lograr llevar a todas las áreas de la provincia los servicios con que cuenta la red y que hoy están totalmente incomunicados o en la mayoría de los casos usan en sólo una máquina, una línea telefónica conmutada para lograr al menos el servicio de correo electrónico. Organización del informe En el capítulo uno, se realiza un estudio de las redes inalámbricas de banda ancha, las ventajas que presenta frente a las estructuras cableadas, los componentes que la integran, las distintas topologías en las que pueden ser configuradas los estándares, las tecnologías de radio, la seguridad y como se accede al medio. En el capítulo dos, se analizan cuestiones relacionadas con la radiopropagación, se definen algunos conceptos importantes entre los que se encuentran; la zona de Fresnel y se exponen las características de un enlace de radio. En el capítulo tres, se realiza un análisis de la red provincial y se exponen las deficiencias de la misma, se analizan las alternativas para la interconexión de los territorios que ya cuentan con dicha conexión inalámbrica y los que no cuentan con ella, se estudian las ofertas del mercado mundial y nacional para la obtención de los equipos del enlace y se realiza el diseño de un enlace inalámbrico.

3

Redes de Acceso de Banda Ancha

Capítulo 1. Redes de Acceso de Banda Ancha WiMAX, acrónimo de Worldwide Interoperability for Microwave Access (Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas), es una norma de transmisión por ondas de radio de última generación orientada al denominado bucle local inalámbrico (en inglés se utiliza el término "última milla" para delimitar el alcance de la comunicación inalámbrica) que permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio (protocolo 802.16 MAN).

1.1

Principales características de las redes WiMAX

Una estación inalámbrica, puede ser una Computadora Personal (PC, Personal Computer) o una Laptop con una Tarjeta de Red Inalámbrica (NIC, Network Interface Card), la cual cuenta con una antena que permite el intercambio de información. Este dispositivo realiza las funciones de las tarjetas de red ethernet, adaptando las tramas ethernet que genera el PC, a las tramas del estándar inalámbrico y viceversa. La arquitectura de la tecnología WiMAX está constituida por 2 bloques principales, la estación base y el receptor WiMAX utilizado por los usuarios. Este último generalmente es denominado bajo la sigla CPE (Customer Premise Equipment). Se consideran sólo estos bloques ya que los estándares 802.16 no especifican alguna tecnología en especial para la conexión con el núcleo de la red, no es parte del sistema WiMAX. La estación base (EB) WiMAX corresponde a los equipos, que generalmente son ubicados en casetas, con los resguardos de clima y energía necesarios en la mayoría de los equipos de telecomunicaciones. Una estación base teóricamente puede cubrir hasta 50 kilómetros, pero en la práctica se consideran alrededor de 10 kilómetros. Una estación base también se denomina torre WiMAX, pero no necesariamente tiene que residir en una torre, también puede estar localizada en edificios, terrazas o estructuras elevadas tales como tanques de agua. (Marta Comín, Expansión, 2005) La estación base puede conectarse directamente a un proveedor de servicios de Internet (ISP) utilizando una conexión alámbrica de alta velocidad (por ejemplo una línea T3) o 4

Redes de Acceso de Banda Ancha

también puede conectarse al sistema mediante otra EB o mediante un enlace microondas (Backhaul). Así como las antenas de las estaciones base de las redes celulares, las antenas WiMAX pueden ser omnidireccionales o direccionales. El equipo Local del cliente CPE, consiste en una unidad localizada en cada emplazamiento del usuario; en cada hogar para el caso residencial y en cada oficina para el caso empresarial. Dicha unidad constituye el último segmento de la red WiMAX pues es la que permite todo el proceso de transferencia de información entre el usuario y la EB. El CPE, podría ser una pequeña caja con una antena, una tarjeta PCMCIA o PCI, o un módulo USB o incluso un chip integrado a un equipo portátil (Casademont, 2005).

1.2 Estándares Inalámbricos Las redes WiMAX cumplen con los estándares genéricos aplicables al mundo de las redes cableadas; pero necesitan una normativa específica adicional, que defina el uso y acceso de los recursos radioeléctricos. Varios organismos internacionales han desarrollado una amplia actividad en la estandarización de normativa de WiMAX y han generado un gran número de estándares. Entre ellos podemos citar el IEEE que ha realizado una serie de estándares 802.16 y sus variantes.

1.2.1

Estándares IEEE 802.16

El estándar IEEE 802.16 emerge como una de las tecnologías de Acceso Inalámbrico más prometedoras en el mundo de las redes MAN y dentro de la familia de estándares IEEE 802.x es una de las que mayor aceptación ha ganado en el mundo debido a las grandes ventajas que presenta además de la facilidad de utilización y mantenimiento. El estándar IEEE 802.16 permite la implementación de redes de Banda Ancha de Acceso Inalámbrico en grandes áreas, las cuales son capaces de proveer cualquier tipo de servicio debido a su gran capacidad de transportar información. Estas redes han ganado gran acogida dentro de este mercado en los últimos años haciendo que cada vez más las grandes empresas 5

Redes de Acceso de Banda Ancha

proveedoras de equipos como Intel, Nokia, Samsung y Motorola, las cuales apoyan a este estándar, lancen al mercado dispositivos que cumplan con las especificaciones del estándar y a su vez, muchas empresas adquieren esta tecnología como solución a sus necesidades de conexión. IEEE 802.16: Es un grupo de normas de comunicaciones inalámbricas para las redes del área metropolitanas (Tripula) desarrollado por un grupo activo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). La norma original 802.16, se publicó en diciembre de 2001, especificando por punto la banda ancha de sistemas inalámbricos que operan en los 10-66 GHz del espectro (Lizano, 2004). •

IEEE 802.16 (2001): Primera versión del estándar en la que se daban las primeras

especificaciones para la capa MAC y PHY, proporciona acceso inalámbrico de banda ancha, configuración de red Punto a Punto (P2P) o Punto multipunto (PMP). Soporte para TDD (Multiplexación por División de Tiempo) y FDD (Multiplexación por División de Frecuencia). A diferencia de 802.11 o Wi-Fi que emplea CSMA/CD para acceder al medio, 802.16 emplea un paradigma totalmente diferente para realizar esta función controlada por las estaciones base (EB). Opera en la banda de los 10 – 66 GHz, al ser éstas altas frecuencias solo es funcional en ambientes LOS (Línea de Vista). Emplea modulación QPSK, QAM-16 y QAM-64 con la habilidad para cambiar entre modulaciones dependiendo de diferentes condiciones entre ellas las climáticas. Provee diferentes niveles de QoS (Calidad de servicio) controlando parámetros como la suma de retardos temporales dentro de la red (latencia) y la variación de algunos paquetes de datos recibidos debido a la latencia (jitter). El núcleo de la seguridad del estándar radica en la subcapa de privacidad perteneciente a la capa MAC utilizando para ello algoritmos de cifrado de datos en sus mensajes entre las Estaciones Base (EB) y las Estaciones Suscriptoras (ES) y haciendo uso de certificados digitales X.509. •

IEEE 802.16c (2002): Publicado en Diciembre de 2002, estandariza más

detalladamente la tecnología inalámbrica, se corrigen algunos errores de la versión inicial definiendo un conjunto de prestaciones y funciones que son utilizadas en la 6

Redes de Acceso de Banda Ancha

implementación. Aumenta la interoperabilidad y consistencia entre equipos de diferentes fabricantes aumentando así la generalización y uso del estándar a futuro. Se agregan perfiles detallados para sistemas que operan en la banda de 10 – 66 GHz. •

IEEE 802.16a (2003): Publicado en Junio de 2003, introduce nuevas prestaciones

como soporte para las bandas licenciadas de 2 – 11 GHz y de esta manera tener la capacidad de penetrar barreras por tratarse de frecuencias bajas y así ser viable su utilización en ambientes NLOS (Sin Línea de Vista). Nuevas especificaciones MAC y PHY para un mejor manejo de la interferencia producida por las multitrayectorias, además de utilizar un nuevo arreglo de antenas lo cual produce un mejor manejo de la potencia empleada por el sistema. Nuevo soporte de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) para evitar interferencias con otros sistemas de red que operan en el mismo rango de frecuencia 2 – 11 GHz. Se mejoró la seguridad al solicitar autenticación del emisor para algunos mensajes MAC. QoS específico para optimizar servicios de datos, voz y video así como también ARQ para mejorar el desempeño punto a punto. Soporte para redes en malla. Fue nombrada en un principio como Wireless HUMAN por Red de Área Metropolitana de Alta Velocidad no Licenciada. •

IEEE 802.16 (2004): Publicación realizada en Junio de 2004, es la fusión entre IEEE

802.16: 2001 e IEEE 802.16c: 2002 integrando toda la familia de estándares existentes en ese momento bajo un mismo documento. Dio soporte a bandas licenciadas y no licenciadas pero para la banda de 10 – 66 GHz requiere de ambientes LOS, a su vez para frecuencias menores a 11 GHz soporta ambientes NLOS. La capa MAC soporta arquitectura PMP y en malla. Esta versión del estándar es la que se utiliza para dar la certificación de WiMAX. •

IEEE 802.16e (2005): Provee funciones de transferencia de comunicación entre

celdas mientras el usuario se mueve en el área de servicio (handover) entre Estaciones Base, estas entidades proveen funcionalidad sobre el enlace controlando la admisión y la gestión de recursos de radio en los enlaces de subida y de bajada, dando la posibilidad de

7

Redes de Acceso de Banda Ancha

tener Estaciones suscriptoras (ES) móviles, estas ES son las entidades que permiten la recepción de información en el lado del cliente y la transmisión desde este hacia la EB. •

IEEE 802.16f (2005): Define la MIB (Base para la Gestión de la Información) para

las capas MAC y PHY. Define además un procedimiento para crear un estándar de Gestión de Red para sistemas basados en IEEE 802.16. •

IEEE 802.16d: Revisión del 802.16 y 802.16a para añadir los perfiles aprobados por

el WiMAX Forum. Relación y algunas características de los estándares 802.16

Estándar

Frecuencia

Estado

Rango

IEEE 802.16

Delimita redes de área metropolitana

Octubre

Obsoleto

inalámbricas (WMAN) en bandas de frecuencia de 2002 superiores a 10 GHz. IEEE 802.16a

IEEE 802.16b

IEEE 802.16c

Delimita redes de área metropolitana

9 de

inalámbricas en bandas de frecuencia desde 2 a

octubre

11 GHz inclusive.

de 2003

Obsoleto

Delimita redes de área metropolitana

Anexado a

inalámbricas en bandas de frecuencia desde 10

802.16a

a 60 GHz inclusive.

(obsoleto)

Delimita opciones (perfiles) para redes de área

Julio de

metropolitana inalámbricas en bandas de

2003

frecuencia sin licencia. IEEE 802.16d

Revisión que incorporó los estándares 802,16,

1 de

802,16a y 802.16c.

octubre

8

Activo

Redes de Acceso de Banda Ancha

de 2004

IEEE 802.16e

Permite que los clientes de tecnología móvil

Sin ratificar

utilicen redes de área metropolitana inalámbricas. IEEE 802.16f

Permite que se usen las redes en malla.

Sin ratificar

1.3 Aplicaciones •

Soporta varios cientos de usuarios por canal, con un gran ancho de banda y es

adecuada tanto para tráfico continuo como a ráfagas, siendo independiente de protocolo; así, transporta IP, Ethernet, ATM etc. y soporta múltiples servicios simultáneamente ofreciendo Calidad de Servicio (QoS) en 802.16e, por lo cual resulta adecuado para voz sobre IP (VoIP), datos y vídeo. •

También, se contempla la posibilidad de formar redes malladas (mesh networks)

para que los distintos usuarios se puedan comunicar entres sí, sin necesidad de tener visión directa entre ellos. Ello permite, por ejemplo, la comunicación entre una comunidad de usuarios dispersos a un coste muy bajo. •

En cuanto a seguridad, incluye medidas para la autenticación de usuarios y la

encriptación de los datos. •

Una de las principales limitaciones en los enlaces a larga distancia vía radio es la

limitación de potencia, para prever interferencias con otros sistemas, y el alto consumo de batería que se requiere. Sin embargo, los más recientes avances en los procesadores digitales de señal hacen que señales muy débiles (llegan con poca potencia al receptor) puedan ser interpretadas sin errores, un hecho del que se aprovecha WiMAX. Con los avances que se logren en el diseño de baterías podrá haber terminales móviles WiMAX, compitiendo con los tradicionales de GSM, GPRS y de UMTS. 9

Redes de Acceso de Banda Ancha

•

Las primeras versiones de WiMAX están pensadas para comunicaciones punto a

punto o punto a multipunto, típicas de los radioenlaces por microondas. Si embargo existen versiones que ofrecen movilidad, por lo que competirán con las redes celulares. •

Los primeros productos que están empezando a aparecer en el mercado se enfocan

a proporcionar un enlace de alta velocidad para conexión a las redes fijas públicas o para establecer enlaces punto a punto. •

Así, WiMAX puede resultar muy adecuado para unir hot spots Wi-Fi a las redes de

los operadores, sin necesidad de establecer un enlace fijo. El equipamiento Wi-Fi es relativamente barato pero un enlace E1 o DSL resulta caro y a veces no se puede desplegar, por lo que la alternativa radio parece muy razonable. WiMAX extiende el alcance de Wi-Fi. •

Para las empresas, es una alternativa a contemplar, ya que el coste puede ser

hasta 10 veces menor que en el caso de emplear un enlace E1 o T1. De momento no se habla de WiMAX para el acceso residencial, pero en un futuro podría ser una realidad, sustituyendo con enorme ventaja a las conexiones ADSL, o de cable, y haciendo que la verdadera revolución de la banda ancha llegue a todos los hogares. •

Otra de sus aplicaciones encaja en ofrecer servicios a zonas rurales de difícil

acceso, a las que no llegan las redes cableadas. Es una tecnología muy adecuada para establecer radioenlaces, dado su gran alcance y alta capacidad. •

En los países en desarrollo resulta una buena alternativa para el despliegue rápido

de servicios, compitiendo directamente con las infraestructuras basadas en redes de satélites, que son muy costosas y presentan una alta latencia. •

La instalación de estaciones base WiMAX es sencilla y económica, utilizando un

hardware que llegará a ser estándar, por lo que los operadores móviles puede ser vistos como una amenaza, pero también, es una manera fácil de extender sus redes y entrar en un nuevo negocio en el que ahora no están, lo que se presenta como una oportunidad (Lizano, 2004).

10

Redes de Acceso de Banda Ancha

1.4 Topologías de redes WiMAX La utilización de una red WiMAX, depende de las necesidades de los consumidores y de las condiciones existente en el lugar (Sierra, 2004). Se puede hablar de tres tipos de topologías de redes basadas en nodos: •

Punto a punto.

•

Punto a multipunto.

•

Multipunto a multipunto.

1.4.1 Configuraciones Punto a punto •

Conexión inalámbrica de edificio a edificio

•

Puede ser instalado en el plazo de algunas horas y conectar edificios separados

hasta 40 Km.

11

Redes de Acceso de Banda Ancha

Punto a multipunto •

Topología en estrella

•

Útil para enlazar múltiples edificios

•

Una unidad opera como estación base central. Las otras unidades se configuran

como estaciones satélites (CPE).

Multipunto a multipunto •

Topología de malla

•

Permite una rápida instalación de una red inalámbrica de banda ancha, sin tener

que definir un sitio central para una estación base.

12

Redes de Acceso de Banda Ancha

1.5 Tecnologías en WiMAX Las WiMAX, hacen uso de las ondas electromagnéticas para transmitir información de un punto a otro sin la existencia de conexiones físicas. El estándar WiMAX está diseñado para cumplir con las 2 grandes expectativas que se buscaban en las tecnologías Inalámbricas, ofrecer calidad de servicio (QoS, Quality of Service) junto con un gran ancho de banda en ambientes de amplia cobertura. En este sentido, WiMAX puede ofrecer un interesante complemento a tecnologías como Wi-Fi, que es de cobertura limitada, y por otro lado WiMAX puede ofrecer un desempeño mejor en transmisión de datos que las redes celulares. Adicionalmente, WiMAX ha sido promocionada como una alternativa para proveer servicios de Banda ancha fija, mercado que está actualmente dominado por ADSL y módems en cable coaxial, los cuales han visto un explosivo crecimiento por la creciente demanda (Forado, 2008). Dependiendo del estándar Wimax trabaja con las siguientes modulaciones: •

OFDM (802.16a, 802.16d)

•

COFDM (802.16d)

•

OFDMA (802.16d)

•

SOFDMA (802.16e)

1.5.1 Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM) El sistema de multiplexación por división de frecuencias ortogonales, consiste en enviar la información sobre un múltiplex de muchas portadoras “adecuadamente espaciadas” en frecuencia. La información puede ser modulada por la Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM, Cuadratura Amplitud Modulation) o en PSK. La ortogonalidad, posibilita que el espaciamiento entre portadoras sea óptimo, evitando la interferencia entre sí. Este espaciamiento consiste, en que la separación espectral entre portadoras consecutivas, sea siempre la misma e igual al inverso del período de símbolo. La utilización de las portadoras ortogonales permite por un lado el desvanecimiento selectivo y por otro lado obtener una mayor eficiencia espectral. La tecnología OFDM, permite además, eliminar la Interferencia 13

Redes de Acceso de Banda Ancha

Inter Símbolos (ISI, Inter Symbol Interference) y reduce la diafonía (efecto de cruce de líneas) durante la transmisión de la señal, maneja muy bien el ruido y los cambios de impedancia. En OFDM la longitud del preámbulo, es la más corta comparada con otras tecnologías. Los sistemas OFDM emplean OFDM para el Preámbulo/Cabecera y para la carga. Esta tecnología es utilizada por diferentes sistemas

entre los que se destacan: la

Televisión Digital Terrestre (DVB-T, Digital Video Broadcasting-Terrestrial), la Radio Digital (DAB, Digital Audio Broadcasting), el protocolo de enlace Línea de Subscriptor Digital Asimétrico (ADSL, Asymetric Digital Subscriber Line), el sistema de transmisión inalámbrica de datos WiMAX, Hiperlan 2 y en específico por las WLAN (Alberto, Chiesa y Manterola, 2007).

1.5.2 Codificación Dividida en un Multiplexado de Frecuencias Ortogonales (COFDM) COFDM es el sistema de modulación usado en el DAB (Radiodifusión de audio digital, también conocida por Digital Audio Broadcasting o DAB, y en los sistemas de televisión digital. A diferencia de otros sistemas que modulan en una sola frecuencia portadora con una tasa muy alta de símbolos, COFDM modula la información en muchas frecuencias portadoras, donde cada una lleva una tasa de símbolos muy baja. En redes de ordenadores inalámbricas y en los enlaces tipo DSL (Digital Subscriber Line: es un conjunto de normas para la conexión de red de banda ancha sobre líneas telefónicas normales) se emplea de forma similar modulación OFDM o DMT.

1.5.3 Acceso Múltiple Ortogonal de División de Frecuencia (OFDMA) OFDMA fue desarrollado para mover la tecnología OFDM de un sisitema inalámbrico fijo, a un verdadero sistema celular con la movilidad. La tecnología subyacente es el mismo, pero más flexibilidad se definió en el funcionamiento del sistema. En OFDMA, las 14

Redes de Acceso de Banda Ancha

subportadoras se agrupan en unidades más grandes, conocidas como subcanales. Cada ráfaga de asignación se puede cambiar de marco a marco, así como dentro de la modulación. Esto permite que la estación base pueda ajustar dinámicamente el uso de ancho de banda de acuerdo con el sistema actual. Además, puesto que cada usuario sólo consume una porción del total del ancho de banda, el poder del mismo también puede ser modulado de acuerdo con los requisitos del sistema actual. Calidad de servicio (QoS) es otra característica que puede ser adaptado para diferentes usuarios en función de su aplicación específica, como voz, video streaming, o acceso a internet.

1.5.4 Acceso de Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal Escalable (SOFDMA) La tecnología SOFDMA asigna diferentes subcanales a los diferentes abonados y soporta el acceso simultáneo a Internet de muchos abonados. Los operadores que utilizan el 802.16e para realizar networking podrán brindar servicios fijos y nómades así como también servicios tanto para laptops como para teléfonos móviles. Si bien es similar, el SOFDMA posee más ventajas que el OFDMA. El SOFDMA no modifica el ancho de los subcarriers por otros anchos de banda de canal y determina los números de subcarrier tomando una medición directa y proporcional del ancho de banda de canal. El ancho del carrier constante adquiere una utilización de espectro más alto en los canales anchos, reduce el costo de los canales angostos y mantiene la capacidad de interferencia antimulti-path por medio de diferentes anchos de banda de canal, lo que es básicamente consistente con la capacidad de soporte de movilidad. El rango del ancho de banda dinámico que provee el SOFDMA es entre 1.25MHz-20MHz. En caso de un ancho de banda de 10MHz, las tasas de downlink y uplink son de alrededor de 63Mbps y 28Mbps respectivamente.

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Redes de Acceso de Banda Ancha

1.6 Seguridad en Redes WiMAX Las redes WiMAX ofrecen un amplio equipamiento de banda ancha inalámbrico lo que significa: Menor precio en el equipamiento para proveedores de servicio y operadores, lo que permite a los operadores poner en marcha redes inalámbricas ya sea en banda libre o licenciada, para suministrar servicios en áreas en las que el despliegue con anterioridad ha sido inviable por cuestiones económicas. Interoperabilidad, lo que derivará en su momento en productos plug-and-play. Los proveedores de servicios serán capaces de combinar equipamiento de otros muchos proveedores de soluciones, asegurándose la compatibilidad. En su evolución, WiMAX da el mayor salto sobre Wi-Fi, proporcionando conectividad de banda ancha en la última milla sobre un área geográfica significativamente más extensa, abarcando un radio de más de diez kilómetros y ofreciendo características estables, cumpliendo de forma rigurosa los requerimientos de los operadores en una amplia variedad de escenarios de despliegue. "Los sistemas WiMAX necesitan asegurar la privacidad de usuarios finales y prevenir el acceso a información confidencial"

¿Qué se necesita para estar protegido? Como cualquier otra red de comunicación al servicio de empresas y usuarios individuales que desean mantener su información segura, los sistemas WiMAX necesitan aplicar medidas para asegurar la privacidad de sus usuarios finales y prevenir del acceso a información confidencial o sensible a personas que no están autorizadas. Desde que los sistemas WiMAX utilizan el interface radio como medio de transmisión, la pregunta que conviene hacerse es cómo prevenir que los intrusos no intercepten información sensible y confidencial transmitida por ondas hertzianas ya sea en banda libre o banda licenciada (Forado, 2008). 16

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1.6.1 Riesgos de Seguridad Escuchas/espionaje: interceptar información de forma intencional cuando se está transmitiendo. Privacidad: Asegurarse de que la información transmitida es solamente leída por los destinatarios a los que va dirigida. MAC Spoofing: evitar que un atacante copie las direcciones MAC de CPE legítimas con el fin de conseguir el acceso a la red. Robo del Servicio: prevenir que los agresores puedan acceder a Internet u otros servicios utilizando CPE robadas y advirtiendo a los usuarios legítimos de obtener los servicios de forma gratuita.

1.6.2 Principales Consideraciones El estándar WiMAX requiere de las mejores características de seguridad en su clase, lograda gracias a la adopción de las mejores tecnologías disponibles actualmente. Las características de seguridad son independientes al tipo de operador (ILEC -Incumbent Local Exchange Carrier- o CLEC -Competitive Local Exchange Carrier-) y a la topología de la red de acceso. En este sentido, el estándar aborda las cuatro áreas principales a tener en cuenta: cómo prevenir el uso clandestino de la conexión wireless; denegación de servicios para unidades robadas o utilizadas de forma fraudulenta; suministrar servicios sólo a los usuarios finales específicos; y cumplir con la Gestión de Acceso Seguro.

1.6.3 Encriptación La encriptación es la clave para prevenir la utilización clandestina de la conexión inalámbrica. La seguridad WiMAX soporta dos estándares de encriptación de calidad, 17

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DES3(Data Encryption Standard) y AES(Advanced Encryption Standard), que es considerado tecnología de vanguardia. Básicamente, todo el tráfico en redes WiMAX debe ser encriptado empleando el Counter Mode con Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol (CCMP) que utilizan AES para transmisiones seguras y autenticación de la integración de datos. La autenticación end-to-end de la metodología PKM-EAP es utilizada de acuerdo con el estándar TLS de encriptación de clave pública. El estándar define un proceso de seguridad dedicada en la estación base para los principiantes. Del mismo modo, también hay unos requerimientos de encriptación mínimos para el tráfico, así como para la autenticación end-to-end -lo último que es adaptado desde la especificación del interface del servicio de datos sobre cable (DOCSIS) BPI y el protocolo de seguridad. En relación al suministro de servicios sólo a los usuarios finales específicos, la autenticación (basada en certificados digitales X.509) es incluida en la capa de control de acceso a los medios y da a cada usuario 802.16 receptor su propio certificado incorporado, más otro para el fabricante, permitiendo a la estación base autorizar al usuario final. La privacidad de la conexión es implementada como parte de otro subnivel MAC, la capa de privacidad. Ésta se basa en el protocolo Privacy Key Management que es parte de la especificación DOCSIS BPI ( Data Over Service Interface Specification)(Forado, 2008).

1.7 Ventajas En los últimos años, las WiMAX han ido ganando gran popularidad, la cual se incrementa según aumentan sus prestaciones, se originan nuevas aplicaciones y disminuyen los costos de infraestructura. Las WiMAX, permiten a sus usuarios acceder a información y recursos en tiempo real, sin necesidad de estar físicamente conectados a un determinado lugar.

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Redes de Acceso de Banda Ancha

Un usuario dentro de una red inalámbrica, puede transmitir y recibir voz, datos y vídeo dentro de edificios, entre edificios o campus universitarios e inclusive, sobre áreas metropolitanas. Estas redes tienen una serie de ventajas sobre una red fija, convirtiéndolas así, en una alternativa viable para dar solución a los problemas de interconexión de redes. Una de las ventajas es la movilidad, pues las redes inalámbricas posibilitan que los usuarios de una red, tengan acceso a la información en tiempo real, en cualquier lugar en el que están desplegadas. Teniendo en cuenta que estas redes pueden ser fijas también. Otra de las mejorías que presentan las WiMAX, son la simplicidad y rapidez en la instalación, eliminando la necesidad de utilizar cables. Además proporcionan flexibilidad en la instalación, permitiendo a la red llegar a puntos donde el acceso es difícil para una red cableada. A lo anterior se suma el costo de propiedad reducido, aunque el costo en hardware de una LAN es menor, la inversión en toda la instalación y el costo durante el ciclo de vida es inferior. Los sistemas WiMAX son más escalables en comparación con las redes de cable, porque se pueden configurar en diversas topologías para cumplir con las necesidades de las instalaciones y aplicaciones específicas. Las configuraciones, son muy fáciles de cambiar y además resulta muy fácil la incorporación de nuevos usuarios a la red. WiMAX está diseñado para ser un sistema interoperable y transparente entre dispositivos de distintos fabricantes, por lo que un cliente se puede conectar a cualquier red WiMAX independiente del fabricante de su equipo personal. Con esto se reducen los riesgos de 19

Redes de Acceso de Banda Ancha

implementación, y se crea economía de escala para los dispositivos y equipos WiMAX (Lizano, 2004).

1.8 Conclusiones Existen numerosos estándares para redes inalámbricas, entre ellos, IEEE 802.16a, IEEE 802.16c, IEEE 802.16d, etc., los que han sido realizados por el IEEE. Cada uno ellos, aunque con características distintas, tienen como objetivo común lograr la comunicación segura entre dos o varios puntos a través de diferentes topologías.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Capítulo 2. Radiopropagación y Características de un Radioenlace Las ecuaciones de Maxwell, constituyen un apoyo en el estudio de la propagación de las ondas a través de los medios reales, analizando las soluciones compatibles con las condiciones de contornos que el medio impone. La utilización de las mismas se torna a veces poco práctica, debido a la rigurosidad y complejidad que implican su estudio. Esto conlleva a la búsqueda de nuevas variantes para la determinación de pérdidas de propagación que influyen en el cálculo de la potencia en el receptor.

2.1 El

Radiopropagación término

radiopropagación

no

es

más

que

la

propagación

de

las

ondas

electromagnéticas vía radio frecuencia. La situación del trayecto de propagación respecto a los obstáculos, las características eléctricas del terreno, las propiedades físicas del medio, la frecuencia y polarización de la onda electromagnética, influyen de manera directa en las características de propagación de las mismas (Hernando, 1995). Según la frecuencia, pueden distinguirse los modos de propagación por: •

Onda de Superficie para frecuencias inferiores a 30 MHz.

•

Onda Ionosférica para frecuencias entre los 3 y los 30MHz.

•

Onda Espacial para frecuencias superiores a los 30 MHz.

•

Onda de Dispersión Troposférica.

Las redes WiMAX, utilizan como modo de propagación de las ondas de radio, la Onda Espacial donde la propagación se realiza a través de las capas bajas de la atmósfera terrestre (Troposfera).

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

2.2 Conceptos Para el estudio de las redes WiMAX, es necesario explicar algunos conceptos, que sientan las bases para el posterior análisis y dimensionamiento de un enlace.

Clasificación de los entornos: Se clasifican atendiendo a varios parámetros: •

Para medir el rendimiento de una red WiMAX es necesario analizar el entorno físico

circundante. En cuanto al entorno físico se clasifican en elementos estáticos y dinámicos. •

Por las cualidades del entorno se clasifican: en interior (indoor) o exterior (outdoor).

•

Con respecto al análisis de la zona de cobertura, este se subdivide en otras áreas

de menor tamaño o células, y la clasificación está en dependencia de su radio, existen las macro-células pequeña y extensa, micro-célula y pico-célula.

Zonas de Fresnel: Se definen como las formas elípticas o elipsoides (elipse en revolución) que rodean la trayectoria visual entre el emisor y el receptor de una onda electromagnética sin obstrucción. Estas zonas quedan establecidas porque la propagación de las ondas de radio entre los dos puntos, no es en línea recta, debido a consideraciones de dispersión. Las dimensiones de las zonas de Fresnel varían en dependencia de la longitud del recorrido y la frecuencia de la señal. El radio de las zonas de Fresnel se calcula como sigue:

Rn =

nλd1 d 2 d1 + d 2

(2.1)

El término n dentro de la expresión, se refiere a una zona determinada, por ejemplo para calcular el radio de la primera zona de Fresnel n = 1 . Los términos d 1 y d 2 se refieren a las distancias del transmisor al obstáculo más crítico, y de este último al receptor (Fig. 2.1). En la expresión la suma de d 1 y d 2 se refiere la distancia que hay entre los puntos del enlace, que viene representada en la figura por D (Fig. 2.1).

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Figura 2.1. Primera zona de Fresnel.

En la práctica es necesario que al menos el 60% de la primera zona de Fresnel esté libre de obstáculos.

LOS (Line-of-sight), línea visual: Es una

línea imaginaria que existe entre el

transmisor y el receptor de forma tal que ambos se vean. La línea visual que se necesita para tener una conexión inalámbrica óptima, desde el trasmisor hasta el receptor, es más que simplemente una línea delgada, su forma es parecida a un elipsoide, y su radio está definido en la expresión 2.1.

NLOS (Non-Line-of-sight), fuera de la línea visual: Se produce cuando entre el transmisor y el receptor la visibilidad es bloqueada totalmente.

OLOS (Obstructed-line-of-sight), línea visual obstruida: Ocurre cuando parte de la línea visual queda obstruida de forma parcial por un objeto. WiMAX puede trabajar en los tres entornos.

2.3 Mecanismos de Propagación Las señales electromagnéticas se propagan por medio de varias formas entre una antena transmisora y una receptora. Si el medio en que se propagan fuera totalmente uniforme las ondas se moverían en línea recta. Para las frecuencias de SHF donde la ionosfera se hace

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

transparente, la propagación en espacio libre es modificada por el suelo (reflexión y difracción) y por la troposfera (refracción, absorción y dispersión).

2.3.1 Reflexión, Refracción y Absorción Primeramente las ondas provenientes de un medio inciden sobre la superficie de otro, parte de la energía de las ondas se refleja (cambio en la dirección de propagación) dentro del primer medio, a la vez que otra parte de la energía es transmitida o refractada (cambio en la dirección de propagación producto de cambio de un medio a otro) en el segundo, y por otro lado una tercera porción se absorbe (cuando las ondas electromagnéticas atraviesan algún material). Mientras los conductores perfectos reflejan toda la señal, otros materiales reflejan sólo parte de la energía de la onda incidente y transmiten el resto. La reflexión y la refracción influyen notablemente en la propagación de la onda en interiores, principalmente en las paredes, pisos, techos, muebles y múltiples equipos. Este fenómeno depende tanto de las propiedades físicas (superficies geométrica, textura, grosor y composición del material) como de la señal (ángulo incidente, orientación, polarización, y longitud de onda). Para un ángulo de incidencia cercano a 0º, la onda es reflejada en su totalidad, en cambio, para uno cercano a los 90º, ésta se refracta. En general, un material refleja parte de energía, refracta otra parte y absorbe el resto. La reflexión también introduce un desplazamiento de fase de 180º que determina el efecto de distorsión multitrayecto (García Amores, 2004).

2.3.2 Difracción La difracción es el fenómeno por el cual un obstáculo que se opone a la propagación libre de las ondas, se presenta como una fuente secundaria que emite ondas derivadas en todas las direcciones. Gracias a este fenómeno las ondas rodean al obstáculo y consiguen salvarlo, parte de la energía pasa a través de este, en el punto más alto. Cuanto mayor sea la frecuencia de la transmisión mayores serán las pérdidas. En la difracción se genera

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

una pérdida de potencia, la potencia de la onda difractada es significativamente menor que el frente de onda que la provoca. El principio de Huygens, explica el fenómeno, ante el cual todos los puntos en un frente de onda actúan como generadores de ondas secundarias. Cuando al incidir sobre un objeto la onda da la impresión de doblarse. Las microondas, con una longitud de onda de varios centímetros, muestran los efectos de la difracción cuando chocan contra paredes, picos de montañas u otros obstáculos.

2.3.3 Dispersión Se produce, cuando en el camino, la señal se encuentra con objetos cuyas dimensiones son pequeñas con respecto a la longitud de onda. Como resultado, el frente de onda se rompe o dispersa en múltiples direcciones. Las ondas dispersas son producidas por superficies desiguales, pequeños objetos y otras irregularidades presentes en el canal. En la práctica, el follaje, señales de tráfico o farolas pueden provocar dispersión en sistemas de comunicaciones inalámbricos.

2.4 Interferencia, ruido y distorsión En las redes WiMAX el medio en que se transmite, el aire, introduce pérdidas y diferentes tipos de perturbaciones a pesar de que el transmisor y el receptor, unidos a sus antenas hacen posible la comunicación. Entre las perturbaciones se encuentran: interferencia, ruido y distorsión que atentan contra la originalidad de la onda que llega al receptor proveniente del transmisor (Fig. 2.2). Múltiples son las fuentes de ruido, interferencia y distorsión.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Figura 2.2. Perturbaciones que pueden afectar la señal.

2.4.1 Interferencia La interferencia es un tipo de perturbación que afecta el buen funcionamiento de un sistema radioeléctrico. Las interferencias se pueden clasificar en dependencia del número de fuentes: en simples, cuando hay una sola señal interferente y en múltiples, cuando existen varias fuentes interferentes. También se distinguen entre interferencia cocanal y de canales adyacentes.

Interferencia Canal Adyacente: La frecuencia de la señal interferente corresponde a canales contiguos al deseado.

Interferencia Cocanal: La interferencia se produce en la misma frecuencia portadora que la de la señal deseada. En esta última Wang y Poor (2003), se refieren a ésta como la interferencia de señales de redes diferentes, pero que están operando en la misma banda de frecuencia.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

García Fernández (2005) reconoce además otro tipo de interferencia conocida como ISI.

Interferencia Inter Símbolos: La presencia de trayectos múltiples en propagación de radio es un fenómeno que se debe a las reflexiones (ecos) de las ondas sobre el suelo o los obstáculos presentes en el trayecto que une el emisor al receptor. En transmisión digital, este fenómeno es la causa de desvanecimientos de la señal recibida, produciendo una fuerte degradación de la tasa de error. Existen dispositivos que utilizan la misma frecuencia de las redes WiMAX que también pueden ser fuente de interferencias como hornos microondas y ciertos teléfonos inalámbricos, además de otros tipos de redes inalámbricas.

2.4.2 Ruido Es la señal no deseada presente siempre en un sistema eléctrico, influye de manera negativa en la capacidad del receptor limitando la velocidad del enlace, puede ser provocado por fuentes naturales y artificiales. Las fuentes naturales se clasifican en externas e internas al sistema.

Ruido Natural: Las fuentes de ruido se deben a la radiación producida por elementos naturales: tierra, cielo, considerados como cuerpos negros y los efectos del medio (lluvias, gases atmosféricos sobre esta radiación). Las tormentas que generan energía electromagnética producen descargas eléctricas dando origen así al ruido atmosférico. El ruido atmosférico suele ser de carácter impulsivo, con fluctuaciones de gran intensidad y rapidez (Hernando, 1995).

Ruido Artificial o Industrial: Este tipo de ruido aparece como consecuencia de diferentes actividades de carácter industrial, así como la tracción de vehículos, transporte y distribución de energía eléctrica, entre otros. El espectro del ruido artificial disminuye al aumentar la frecuencia.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Ruido Térmico: Este tipo de ruido es producido por el movimiento de las cargas libres en los conductores debido a su agitación térmica, se presenta en amplificadores, atenuadores y en cuadripolos, además, de que puede ser captado por la antena (Matos, 2005).

2.4.3 Distorsión Se define la distorsión como la relación de las potencias medias de error y de señal. Es la diferencia entre la señal que entra a un equipo o sistema y la señal de salida de mismo. Puede definirse también como la deformación que sufre una señal tras su paso por un sistema. La distorsión puede ser lineal o no lineal. El Principal problema que enfrentan las comunicaciones inalámbricas es la presencia del efecto multitrayecto durante la transmisión (generado en el canal de transmisión). En un ambiente multitrayecto el camino entre el transmisor y el receptor tiene múltiples reflexiones u obstrucciones que provocan que la señal transmitida sea reflejada por una gran cantidad de objetos. Al ocurrir esto la señal alcanza al receptor por diferentes rutas, cada una de estos señales es una copia de la original, y cada una de estas tiene un retardo ligeramente diferente y una ganancia ligeramente diferente. Estos retardos en el tiempo causan cambios de fase en la componente fundamental de la señal (asumiendo que es una) produciendo un degradamiento en la señal. En el multitrayecto las señales reflejadas vienen atrasadas y son sumadas a la señal principal y entonces causan ganancias en la amplitud de la señal o grandes atenuaciones, por grandes atenuaciones se entiende; señales que están cerca de ser destruidas o que el nivel de la señal esta tan bajo que el receptor no puede distinguirla. El retrazo máximo que ocurre es llamado en inglés ¨delay spread¨ de la señal en un medio. El retardo cambia según el ambiente.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

2.5 Análisis de las características de un radioenlace Un enlace de radio consta de tres componentes fundamentales: el transmisor, el receptor y el canal aéreo. El transmisor es el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir, el canal aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor, y el receptor es el encargado de capturar la señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital. El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces de microondas es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además, esta distancia debe ser libre de obstáculos en algunos casos. Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el camino entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los obstáculos en el trayecto. Un radioenlace está caracterizado por tres elementos básicos:

•

Energía efectiva emitida o potencia radiada: En ella intervienen la energía emitida o

potencia del transmisor, las pérdidas (cables y conectores) y la ganancia de la antena transmisora.

•

Pérdidas en la propagación: Dependen de las condiciones de propagación.

•

Sensibilidad efectiva de recepción: Depende de la ganancia de la antena

receptora, de las pérdidas en los cables y la sensibilidad del receptor.

Tabla 2.1. Niveles de potencia de transmisión para diferentes regiones. Máxima potencia de salida 1000mW 100mW 10mW

Localización geográfica EE.UU. Europa (Excepto Francia) JAPON

Documento de complacencia FCC 15.247 ETS 300-328 MPT Ordinance 79

Fuente: Instituto Nacional de Estadística e Informática de Perú

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

2.5.1 Tipos de Antenas Existen diferentes tipos de antenas, cada una de las cuales tiene una aplicación y entorno de uso específico, ofreciendo una capacidad de cobertura determinada. Normalmente, bajo las mismas condiciones del enlace, a medida que la ganancia de una antena se incrementa se alcanzan distancias de cobertura mucho mayores, pero sólo en una dirección determinada. Las antenas pueden ser omnidireccionales, sectoriales o directivas.

Antenas Direccionales: Son capaces de enfocar toda la potencia a una dirección concreta, con mayor o menor grado de directividad en función del modelo y características (Fig. 2.3). Normalmente se usan para establecer enlaces punto a punto o para enlazar con un nodo que tenga una antena omnidireccional. El ancho del haz, es angosto. Tienen la ganancia alta por lo tanto se utilizan para enlaces a larga distancia. Existen varios tipos de antenas direccionales o directivas como son las Yagi, las Biquad, las de bocina, las helicoidales, las antenas Path, los platos parabólicos, etc.

Figura 2.3. Patrón de radiación de una Antena Direccional. Antenas Omnidireccionales: Están diseñadas para proveer un patrón de radiación de 360º (Fig. 2.4). Propagan la señal de RF en todas las direcciones en el plano horizontal, aunque tienen un rango limitado en el plano vertical y viceversa.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Figura 2.4. Patrón de radiación de una Antena Omnidireccional.

Antenas Sectoriales: Irradian principalmente en un área específica. El haz puede ser tan amplio como 180°, o tan angosto como 60°. Las antenas sectoriales se utilizan cuando se necesita conectar lugares distantes y de área extensa. Cubren un ángulo mayor, se que se conoce como sector. Tiene mayor alcance que las antenas omnidireccionales y menor que las direccionales.

2.5.2 Pérdidas en los cables Las pérdidas que introducen los cables (Tabla 2.2) afectan la eficiencia del enlace. En dependencia del tipo de cable que se utilice y la distancia que cubren serán los valores de las pérdidas.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Tabla 2.2. Ejemplo de valores de pérdidas en los cables. Tipos RG 58 (muy común, usado para Ethernet) RG 213 (más grueso, muy común) RG174 (delgado, como el usado por cables adaptadores pigtail ∗ ) Aircom Aircell HDF-400 LMR-400

Valores de Pérdidas 1 dB/metro 0.6 dB/metro 2 dB/metro. 0.21 dB/metro. 0.38 dB/metro. 0.24 dB/m 0.22 dB/m

2.5.3 Fórmulas de Friss para el enlace Para caracterizar un enlace radioeléctrico es necesario analizar los balances de potencia. Se entiende por pérdidas básicas de propagación, al cociente entre la potencia transmitida por una antena isotrópica y la potencia recibida por otra antena isotrópica, ambas potencias se expresan en las mismas unidades (watt, mwatt).

lb =

Pt (2.2) Pr

Expresada en Decibeles (dB), estas pérdidas se definen como la diferencia entre las potencias que están expresadas en forma logarítmica.

Lb = Pt − Pr (2.3)

2.5.3.1 Enlace en condiciones de espacio libre En un sistema de radiocomunicaciones siempre interviene en alguna medida el medio de propagación. El caso ideal de propagación en espacio libre se toma como marco de

∗

Un pigtail o latiguillo es un trozo de cable que lleva en cada uno de sus extremos un conector. Su utilidad es la de unir un dispositivo wireless (punto de acceso, tarjeta pcmcia, tarjeta pci, etc.).

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

referencia, además se utiliza para determinar la pérdida de propagación mínima que se espera en un enlace. Pt ⎛ 4πd ⎞ =⎜ ⎟ (2.4) Pr ⎝ λ ⎠ 2

l bf =

Donde λ es la longitud de onda con respecto a la frecuencia con que se utiliza, y d es la distancia que hay entre las antenas. El subíndice f se refiere a las pérdidas en condiciones de espacio libre (free). Expresándolas en términos de dB:

Lbf (dB) = 32,45 + 20 log f ( MHz) + 20 log d (km) (2.5) En conclusión las pérdidas básicas de propagación están presentes en la Ecuación de Transmisión de Friss en la cual resulta importante para el análisis de cualquier tipo de enlace el cálculo de la potencia en el receptor, expresado de la siguiente forma: ⎛ λ ⎞ Pr = Pt Gt Gr ⎜ ⎟ (2.6) ⎝ 4πd ⎠ 2

Aquí se agregan a la expresión las ganancias del transmisor y receptor.

2.5.3.2 Enlace a través de un medio cualquiera El cálculo de las pérdidas básica de propagación en cualquier medio se efectúa en función de las características del medio en que se propaguen las ondas. Para un medio en condiciones reales se suman las pérdidas adicionales ( l a ) a las ya existente ( l b f ) y en estas pérdidas adicionales se incluyen las pérdidas por propagación, pérdidas por atenuación en las secciones de líneas de transmisión y desalineación entre las antenas. Matemáticamente la ecuación de transmisión queda como se muestra a continuación:

Pr =

Pt Gt Gr (2.7) l a lb

Expresada en unidades logarítmicas:

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

Pr = Pt (dBW ) + Gt (dB) + Gr (dB) − Lb (dB) − La (dB) (2.8)

2.5.4 Sensibilidad del receptor Constituye un aspecto importante en el receptor, ya que éste tiene un umbral (treshold) mínimo de energía recibida (en el conector de la tarjeta) para el cual la señal tiene que alcanzar una cierta tasa de transmisión (bit rate). Si la energía de la señal es menor que la máxima tasa de transmisión, entonces, se decrementará el rendimiento, por lo que es mejor el empleo de equipos con un valor de umbral bajo.

Tabla 2.3. Ejemplo de valores de sensibilidad de recepción de algunas tarjetas. Orinoco PCMCIA Silver/Gold Razón de Tx Sensibilidad 11 Mbps -82 dBm 5.5 Mbps -87 dBm 2 Mbps 1 Mbps

-91 dBm -94 dBm

CISCO Aironet 350 Razón de Tx 11 Mbps 5.5 Mbps

Sensibilidad -85 dBm -89 dBm

2 Mbps 1 Mbps

-91 dBm -94 dBm

Proxim Symphony ISA Razón de Tx 1.6 Mbps 0.8 Mbps

Sensibilidad -77 dBm -85 dBm

2.5.5 Relación Señal a Ruido La relación señal a ruido es la mínima diferencia de potencia que se debe alcanzar entre la señal recibida y el ruido (ruido térmico, ruido industrial debido a los microondas y ruido debido a otra WiMAX en la misma banda de frecuencias). Es la que define la calidad de la señal recibida. Se define como el cociente entre la potencia de señal y la potencia de ruido ambas en watt. La expresión matemática es la siguiente: C/N =

Pr (2.9) KTB

Donde K es la constante de Boltzman, T la temperatura y B el ancho de banda. En cuanto a la temperatura esta se ve afectada por el ruido externo captado por la antena ( TA ) y por

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

el ruido interno que provoca el receptor ( TR ). Sustituyendo en la ecuación anterior al término Pr por su expresión correspondiente en la Fórmula de Friss queda entonces en términos de las ganancias de las antenas y de las pérdidas.

C/N =

Pt Gt Gr (2.10) KLa LbTB

Como la Potencia Isotrópica Radiada a la Entrada (PIRE) se define por la expresión:

PIRE = Pt Gt (2.11) Y la figura de mérito se expresa en dB/K y se define como:

G /T =

Gr (2.12) TA + TR

y se puede apreciar donde queda definida en un enlace de radio (Fig. 2.5).

Figura 2.5. Definición de la figura de mérito en un radioenlace. El resultado de la expresión de la relación portadora a ruido, se obtiene de la sustitución de las expresiones (2.11) y (2.12) en la (2.10), resultando:

C/N =

PIRE(G / T ) (2.13) KLa Lb B

Para poder trabajar en determinada tasa de transferencia de datos, el sistema necesita una relación C/N mínima. Si el nivel de ruido es muy bajo el sistema estará limitado en mayor medida por la sensibilidad del receptor que por la relación C/N. Si el nivel de ruido es mayor, entonces, será la relación C/N la que limitará el poder alcanzar una tasa de

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

transferencia determinada. En condiciones normales, sin otra WiMAX en la misma frecuencia y sin ruido industrial, el ruido estará cerca de los -100dBm. La sensibilidad mínima del receptor es el factor que limita el sistema. Tabla 2.4. Valores de relación señal a ruido para Orinoco PCMCIA Silver/Gold. Razón de Tx

Relación portadora ruido

1 Mbps 2 Mbps 5.5 Mbps 11 Mbps

4 dB 7 dB 11 dB 16 dB

2.5.6 Margen El término de margen ( M ) se introduce para compensar el desvanecimiento y se define por el cociente entre la relación portadora a ruido de operación C / N y (C / N )0 , este último es el valor requerido del diseño para cumplir con una determinada calidad de servicio ( QoS ). Quedando la expresión de la siguiente forma:

M=

C/N ≥ 1 (2.14) (C / N )0

Sustituyendo para expresarlo en función de la figura de mérito: PIRE ( G ) T (2.15) M = Kl a l b ( C ) 0 N

Un buen radioenlace debe tener de 5 a 17 dB de margen.

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Radiopropagación y Características de un Radioenlace

2.5.7 Distorsión del retardo (Delay Spread) Producto de cancelaciones de energía en ciertas frecuencias, cuando se producen reflexiones, al receptor arriban al mismo tiempo las ondas directas y reflejadas, a esto se suma una diferencia de tiempo entre los diferentes componentes recibidos que hacen que la señal recibida se difunda en el dominio de tiempo. La consecuencia en el sistema es dañina y lleva a errores de transmisión. Para contrarrestar estos efectos se utilizan ecualizadores. Pero esto no tiene una capacidad limitada, y por consiguiente los productores de equipos inalámbricos dan un límite de distorsión de retardo, para alcanzar un nivel mínimo de error en una cierta proporción de datos.

2.6 Conclusiones En este capítulo se han tratado aspectos relacionados a la radiopropagación (la zona de Fresnel, los mecanismos de propagación, etc.), y las características de un radioenlace, tales como: las pérdidas básicas de propagación, la potencia transmitida, la sensibilidad en el receptor, entre otras, que son importantes para realizar el diseño de un enlace inalámbrico.

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Diseño del Enlace

Capítulo 3. Diseño del Enlace El diseño de una Red Inalámbrica depende significativamente del objetivo del proyecto. En algunos

casos

se

busca

movilidad

de

los

usuarios,

o

disminuir

los

costos.

Independientemente de cual sea la motivación, siempre hay que lograr una buena productividad de los usuarios y que la calidad de servicio sea superior a las redes cableadas, si tenemos en cuenta que estas usan como medio compartido el aire para transmitir ondas de RF, y que existen obstáculos e interferencias que afectan la calidad del enlace, de ahí que es de vital importancia para desplegar una red inalámbrica hacer primeramente un estudio del entorno y el terreno, algo que debe hacerse periódicamente pues las condiciones cambian con el tiempo. La finalidad de este estudio es determinar el lugar óptimo de emplazamiento de los equipos a utilizar y detectar los obstáculos que influirán en la calidad de la red. Estos deberán ser tenidos en cuenta al diseñar esa red específica y asegurar una cobertura adecuada a todos los usuarios. Además se debe tener en cuenta la potencia de la señal, las antenas que se utilizan y sus características y las pérdidas que se producen debido a la propagación.

3.1

Situación de la red Copextel Ciego de Ávila

Actualmente la red de Copextel Ciego de Ávila consta de un backbone o enlace troncal que une las dependencias ubicadas en los municipios Morón, Baraguá, y la Sucursal Cayo Coco, con la Gerencia Territorial a través de un enlace en los 2,4 GHz, con un ancho de banda de 3 MHz, haciendo uso de tecnología Alvarion Breeze Acces II. Producto del lógico crecimiento de la empresa el número de clientes remotos se verá incrementado notablemente, por lo cual la red se extenderá a casi la totalidad de la provincia, es por ello que se hace necesario la actualización de la misma, para lo cual se cuenta hoy día con equipamiento Kbest, en 2,4 GHz, que posibilitará incrementar el ancho de banda mejorando así la calidad del servicio.

38

Diseño del Enlace

3.1.1

Justificación del proyecto

Las redes inalámbricas se han convertido hoy en una variante muy necesaria para unir lugares donde es imposible llegar con otros tipos de redes que se interconectan con cables, estas redes inalámbricas sólo necesitan de una antena transmisora y otra receptora para lograr transmitir las ondas, que luego se convertirán en paquetes IP, además de que se pueden conectar a las redes ETHERNET que usualmente conocemos. En el caso de la provincia Ciego de Ávila, la necesidad de desarrollar y a la vez expandir la red inalámbrica a la mayor cantidad de territorios posibles dentro de la provincia posibilitará el incremento de múltiples servicios dentro de los que se encuentran los servicios de voz, dato y video, necesitándose así un incremento en el ancho de banda de la red existente actualmente.

3.3

Oferta del equipamiento

Una vez planteada la solución es necesario seleccionar el equipamiento adecuado, valorando para esto aspectos de costo, interoperabilidad con otras tecnologías que se encuentren funcionando en el lugar aplicable al entorno. Para la adecuada selección se realiza un análisis detallado de las ofertas del mercado mundial y nacional. Hoy en día la empresa Copextel Ciego de Ávila no cuenta con equipos WiMAX en específico, sino con equipamiento Pre-WiMAX, los cuales serán utilizados en el diseño de dicho proyecto.

3.3.1 Mercado Mundial En el mercado mundial innumerables son las ofertas que se brindan de puntos de acceso y puntos de acceso con la función de puentes, para exteriores e interiores, tarjetas inalámbricas y antenas que pueden estar integradas o no al punto de acceso. Son varias las empresas, firmas, consorcios, etc. que se dedican a la producción y comercialización de los implementos para redes inalámbricas. Entre estas empresas están: Alvarion,

39

Diseño del Enlace

Tsunami, SparkLan, SmartBridge, Lucent, Linksys, Nokia, 3Com, FreeCon, Cisco, entre otros. A continuación se muestran algunos productos inalámbricos para exteriores.

Tabla 3.1. Características de algunos productos inalámbricos para exterior. Wave Access

Quick Bridge

• Razón de Datos 3.2 Mbps y 1.6 Mbps • Máxima Potencia de Salida 17 dBm • Sensibilidad en el receptor 86dbm QPSK 16QAM 74dbm • Rangos de Operación Antena 3.2Mbps

6Mbps

20

10Km

30Km

16

6Km

24Km

10

3Km

12Km

• Razón de datos 18 Mbps y 12 Mbps • Potencia de Salida

Breeze Access • Razón de Datos 3 Mbps • Potencia de salida 26 dBm

16 dBm máximo 2 dBm. 15 dBm típico • Antena Integrada 20dBi • Máxima Sensibilidad en el receptor: -20 dBm libre de error. • Modo de Operación: Multiplexación por División en el Tiempo • Técnica de Modulación QPSK • Banda de Frecuencia de 5 GHz • Distancia Máxima 10 Km con línea de vista.

• Tecnología FHSS con modulación 16QAM y QPSK • Banda de Frecuencia de 2.4 GHz

• Antena 15dB • Sensibilidad 1 Mbps -87 dBm 2 Mbps -81 dBm 3 Mbps -73 dBm • Modo de Operación: Multiplexación por División en el Tiempo • Técnica de Acceso FHSS CSMA/CA • Modulación Multi nivel GFSK • Banda de Frecuencia 2.4GHz

Fuente: Lucent Technologies, Proxim y Alvarion

40

Diseño del Enlace

3.3.2 Oferta en Cuba En Cuba la corporación Copextel tiene el objetivo de comercializar equipamiento electrónico de alta tecnología. La empresa tiene como filosofía de trabajo la integración de todas sus tecnologías en forma de un único paquete que comercializa “llave en mano”. Esta modalidad cubre todas las etapas, desde el proyecto inicial, instalación y puesta en marcha, hasta los servicios de post venta. En estos momentos la empresa oferta equipos K-BEST en materia de redes inalámbricas para diferentes aplicaciones en dependencia de las necesidades.

3.3.3 Selección del equipamiento Después de hacer un estudio de mercado de las diferentes ofertas, en conjunto con la empresa comercializadora Copextel, se decidió usar equipos K-BEST, pues son los que presentan un comportamiento más estable y seguro de los que se importan en estos momentos. Además son los proveedores que mejor garantía proporcionan en cuanto a la entrada de este tipo de equipamiento al país, pues por la situación existente en Cuba con el bloqueo americano está limitada la entrada en el país de cualquier tipo de tecnología. Este equipo tiene un alcance de hasta 50 Km. aunque con algún obstáculo disminuye el nivel de alcance. Desde el punto de vista práctico no existen otras alternativas en cuanto a la selección, por la poca accesibilidad que tienen las empresas cubanas al mercado mundial, pero tiene la ventaja que este equipo puede ser aprovechado en posteriores proyectos

Características del K-BEST K-BEST es un producto diseñado para sistemas de RF profesionales y aplicaciones de telecomunicaciones inalámbricas. Entre los productos K-BEST se encuentran puentes inalámbricos de microondas (Microwave Wireless Bridge), transmisores, receptores, entre otros. Estos dispositivos operan en la banda de frecuencia de 2,4 GHz y 5.8GHz. La tecnología K-Best se utiliza en telecomunicaciones inalámbricas, transmisiones satelitales,

41

Diseño del Enlace

como estaciones base-móviles, como conexiones de radio punto a punto, como sistemas punto a multipunto, y en técnicas de transmisión de datos, voz y video. Para el diseño de estos enlaces se utilizó el K-Best BL4601R que es con el que se cuenta actualmente en la sucursal Copextel Ciego de Ávila.

3.3.4 Implementación del Proyecto En la implementación del proyecto se hizo uso del software Radiomóvil el cual posibilita hacer cálculos de enlaces a grandes distancias. Para trabajar con este software es necesario conocer parámetros importantes como la ganancia de las antenas, potencia de los transmisores, frecuencia de operación, sensibilidad del receptor, altura de las antenas, las coordenadas cartesianas de los puntos, ángulo de elevación y pérdidas. Para los enlaces punto a punto se utilizaron antenas direccionales en ambos extremos y para los enlaces punto – multipunto antenas omnidireccionales para los nodos y direccionales para los remotos. La topología de la red copextel es una topología mixta, en ella se encuentran enlaces punto a punto entre nodos y punto multipunto entre los nodos y los remotos. Esta red está compuesta por configuraciones Remotas con antena direccional y configuraciones Nodo con antena omnidireccional. Ver Fig. 3.1.

42

Diseño del Enlace

Fig. 3.1 Diagrama general de la red

43

Diseño del Enlace

Para cada uno de los sitios se calcularon los enlaces correspondientes, obteniéndose como resultado fundamental los niveles de recepción óptimos para cada uno de los puntos, observando que se supera para cada caso el umbral de sensibilidad de los equipos seleccionados para la simulación. Ver figuras que se muestran a continuación.

Enlaces Torre TV - Baraguá

44

Diseño del Enlace

Loma Cafetal – Florencia

Loma Cunagua – Chambas

45

Diseño del Enlace

Loma Cafetal – Ciro Redondo

Loma Cunagua – Bolivia

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Diseño del Enlace

Loma Cunagua – Loma Cafetal

Loma Cunagua – Cayo Coco

47

Diseño del Enlace

Loma Cunagua - Morón

Loma Cunagua – Primero de Enero

48

Diseño del Enlace

Torre TV – Loma Cunagua

Torre TV – Venezuela

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Diseño del Enlace

3.2.5 Aterramiento La principal amenaza natural del equipamiento inalámbrico son las descargas eléctricas. Un rayo puede dañar el equipo, con un impacto directo o uno inducido. Los primeros ocurren cuando el rayo realmente alcanza la torre o la antena y el segundo se produce cuando el rayo cae cerca de la torre. Muchos de los métodos utilizados ayudan a prevenir los impactos. Las redes inalámbricas necesitan de un sistema de aterramiento físico que cumpla con rigor las especificaciones técnicas normadas. Estos sistemas de aterramiento son específicos para cada tipo de tecnología.

3.2.6 Análisis económico Para realizar un análisis económico es necesario analizar el precio de cada uno de los materiales que se utilizan y el costo de mano de obra donde está incluida la instalación para la posterior puesta en marcha. Existen dos configuraciones básicas: nodo con antena direccional, igual a la de las antenas de los remotos y la configuración para nodos con antenas omnidireccionales. En la fig. 3.2 se puede observar la configuración del equipo en general; la entena puede ser direccional u omnidireccional.

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Diseño del Enlace

Fig. 3.2 Configuración básica de un enlace K-Best.

En cada punto a enlazar se necesita lo siguiente:

1 K-Best (BL - 4601R) Unidad Outdoor (ODU) (1,343.93 CUC)

Power over Ethernet (PoE). Fuente de Alimentación + Interfaz Ethernet

50 m (162.56 CUC) 1 Cable UTP (CBL)

70 m (222.29 CUC) 90 m (284.81 CUC)

1 Antena

HG2415G – NM 15 dBi (71.36 CUC) HG2412U – NM 12dBi (104.30 CUC)

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Diseño del Enlace

1 Protector

IX2H2DC48/W In – line modular data and/ or dc protector (146.35CUC)

El costo total asciende aproximadamente a 27795.57 cuc, es un costo elevado pero haciendo análisis costo desempeño final se puede justificar la inversión para dicho proyecto, además la integración de múltiples servicios sobre la infraestructura final posibilitará un gran ahorro. Estos se podrán observar principalmente en los gastos telefónicos dentro de la corporación.

52

34

Conclusiones

Conclusiones 1. Las redes WiMAX constituyen una alternativa a las redes cableadas y permiten la comunicación mediante ondas de radio. 2. El análisis de las características de un radioenlace tales como pérdidas básicas de propagación, la sensibilidad en el receptor, los niveles de potencia transmitida, resultan de suma importancia para el diseño de un enlace. 3. Los equipos de tecnología inalámbrica, están diseñados para cumplir con determinados requerimientos; su selección está en dependencia de las necesidades del usuario y del lugar donde se va a utilizar. 4. Se realizó el diseño teórico de una conexión inalámbrica entre diferentes municipios de la provincia Ciego de Ávila.

53

Recomendaciones

Recomendaciones Este trabajo llega hasta del diseño teórico de la red. Queda entonces la terminación del montaje del equipamiento, incluido el aterramiento, la configuración y puesta a punto del enlace. Este trabajo se hará

conjunto con Copextel Ciego de Ávila. Por lo que se

proponen las siguientes recomendaciones: 1. Aplicar el diseño teórico al montaje del enlace, configuración y análisis del rendimiento de las redes y subredes que se crean. 2. Realizar un estudio para analizar el aprovechamiento de este enlace en la interconexión con otras zonas de la provincia Ciego de Ávila. 3. Utilizar las WiMAX para lograr la redundancia de la red provincial y en el caso que existan fallas, no se afecten los servicios.

54

Referencias Bibliográficas

Referencias Bibliográficas Libros y Folletos • WILLIAM STALLINGS, Comunicaciones y Redes de Computadores, Séptima Edición, Pretince Hall, Madrid, 2004,

• ILYAS, Mohammad, MOUFTAH, Hussein, The Handbook of optical Communication Network, CRC Press, New Cork, 2003.

• BLACK, Uyless, Residential broadband networks: XDSL, HFC, and Fixed Wireless Access, Pretince Hall PTR, Upper Saddler River, New Jersey.

• BARBA, Antoni, Gestión de Red, Ediciones UPC, Barcelona, 2003. • HONG, Kim, Radio Over Fiber based Network Architecture, Berlin, 2005. • JIMÉNES, María Soledad, Apuntes de Telemática, 2007. • AULESTIA, Hugo, Telefonía Documentos Guía, Octubre 2006. • C. Hoymann, M. Püttner, I. Forkel, “Initial performance evaluation and analysis of theglobal OFDMmetropolitan arean network standardIEEE 802.16a/ETSIHiperMAN”

• WiMAXin Backhaul and Access Networks. Eurescomstudy P1446 Deliverable 3. • IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMAN™ Air Interface for Broadband Wireless Access.

• Overview of IEEE 802.16 Security DAVID JOHNSTON AND JESSE WALKER Intel • 802.16.2™ Coexistence of Fixed Broadband Wireless Access Systems

55

Referencias Bibliográficas

Proyectos de Titulación • GUALOTUÑA, Diana; RIFFO Salazar, Estudio de Factibilidad de una red de Área Metropolitana basada en tecnología Gigabit Ethernet como infraestructura para ofrecer los servicios de carrier en el Distrito Metropolitano de Quito. Mayo, 2004.

• PROAÑO, Enrique; RODRÍGUEZ, Alonso; Análisis comparativo del servicio de internet móvil brindado a través de 3G (UMTS) versus la opción brindada por el anexo ¨e¨ del estándar IEEE 802.16 WiMAX móvil). Quito, 2007.

• CELI, Byron, Análisis de las incidencias, tendencias y perspectivas tecnológicas y de mercado que inducen la convergencia fijo-móvil y sus implicaciones en el ámbito regulador de las telecomunicaciones. Quito, 2007.

• MERA, Diego Análisis de la tecnología inalámbrica WiMAX y sus aplicaciones de banda ancha en telecomunicaciones. Quito, Junio 2005.

• GUIJARRO, Cristian, Diseño de una red de acceso utilizando tecnologías APON (ATM Passive Optical Network) para ANDINATEL S.A en la ciudad de Quito. Abril, 2005.

Revistas • IEEE Communications Magazine Vol. 45, No 2, 8, 9, 10, 11, 12; Vol. 46, No 1, 2, 20072008.

• IEEE Applications & Practice, Vol. 45, Suppl. 3.4, 2007.

Paginas Eléctronicas • Alonso, Ch. (2006) “¿Cómo proteger una red inalámbrica?” en PC-World. [En línea]. España,

disponible

http://www.idg.es/pcworldtech/estructura/imprimir.asp?id=297748118&cat=art

56

en:

Referencias Bibliográficas

• Álvarez Calvo, M. et al. (2005) “Las Telecomunicaciones y la Movilidad en la Sociedad de la

Información”

en

TID

Telefónica

I+D.

[En

línea].

España,

disponible

en:

http://www.tid.es/html/libros_sector_telecomunicaciones.html0.pdf

• Bates, Regis., (2003) Comunicaciones inalámbricas de banda ancha. Mc GrawHill/Interamericana de España. Madrid. España. Breeze

Access

TM

II.

(2004)

en

Alvarion.

[En

línea].

Disponible

en:

www.owns.bfioptilas.es/html/rf_mw/access_vl.pdf

• Calderón, O. y V. Quintero, (2004) “Un nuevo aspecto de la movilidad: redes Ad-Hocconceptos” en Revista Colombiana de Tecnologías de Avanzada. Volumen 1 No. 3. 2004, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad de Cauca. [En Línea]. Disponible en: http://www.control-automatico.net/PDF/Revista%203/redes.pdf

• Carlson, B.; Paul, C. y J. Rutledge, (2002) Communication Systems, an introduction to signals and noise in electrical communication. 4a edición, Mc Graw-Hill, Nueva York, EUA. DLINK Latinoamérica. (2004) “Redes inalámbricas” en Maestros del Web. [En línea]. Disponible en: http://www.maestrosdelweb.com/editorial/redeswlan/

• Fernández G. E., (2007) “Wi-Fi: nuevos estándares en evolución” en Centro de Difusión de Tecnologías CEDITEC ETSIT-UPM. Universidad Politécnica de Madrid. [En línea] España, disponible en: http://www.ceditec.etsit.upm.es/InfTecnologia/wifi.pdf

• Figueroa Domínguez, M. V., y D. Merinto Mateo., (2004) “Soluciones de seguridad en redes

inalámbricas”

en

Astic.

[En

línea].

España,

disponible

en:

www.astic.es/SiteCollectionDocuments/Astic/Documentos/Boletic/Boletic%2032/mono04.p df

• Flickenger, Rob.; et al. (2006) “Redes Inalámbricas en los Países en Desarrollo Una guía práctica para planificar y construir infraestructuras de telecomunicaciones de bajo costo” en

Montevideo

Libre.

[En

http://www.montevideolibre.org/doku.php/manuales:libros

57

línea].

Disponible

en

Referencias Bibliográficas

• García Amores, Ariel., (2004) Cálculo de Cobertura de Redes Inalámbricas de Área Local, Trabajo de Diploma, Departamento de Telecomunicaciones, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad Central “Martha Abreu” de Las Villas, Cuba.

• García Fernández, Néstor., (2005) Modelo de cobertura en redes inalámbricas basado en radiosidad por refinamiento progresivo. Trabajo Doctoral. Universidad de Oviedo. [En línea]. España, disponible en: http://www.di.uniovi.es/~cueva/investigacion/tesis/Nestor.pdf

• Geier, Jim. (2002) “802.11a: An Excellent Long Term Solution” en Wi-fi planet. Disponible en: http://www.wi-fiplanet.com/tutorials/article.php/1436331 Hernando, J. M. (1995) Transmisión por radio, 4ª Edición, Editorial Centro de Estudios Ramón Acres, S.A. ETSIT. España.

• Introducción a la Tecnología Wireless 802.11 en Advento networks. [En línea]. Disponible en: http://www.e-advento.com/tecnologia/wlan_intro.php

• Kreft, A. (2003) “Redes Inalámbricas” en pc-news.com. Estados Unidos, disponible en: http://www.pc-news.com/detalle.asp?sid=&id=4&Ida=1270

• Proyecto Extremadura. (2007) “Redes Inalámbricas. Antenas” en Wepcc. [En línea]. Disponible en: http://rinuex.unex.es/modules.php

• Ramos Pascual, F. (2005) “Medidas de distorsión no lineal en dispositivos de radiofrecuencia (Parte I)” en

Radiocomunicaciones y fibra óptica. [En línea]. España,

disponible en: http://www.radioptica.com/Radio/intermodulacion_I.asp?pag=2

• Tienda de Productos Inalámbricos (2007). En Wimacom Instalaciones Wi-Wireless. [En línea]. Disponible en: http://www.wimacom.com/tienda/

• Ramos Pascual, F. (2005) “Medidas de distorsión no lineal en dispositivos de radiofrecuencia (Parte I)” en

Radiocomunicaciones y fibra óptica. [En línea]. España,

disponible en: http://www.radioptica.com/Radio/intermodulacion_I.asp?pag=2

• IEEE™ Standard 802.16-2004, “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems”, 1 Octubre 2004.

58

Referencias Bibliográficas

• Fujitsu Microelectronics America, Inc. “WiMAX Technology and Deployment for Last-Mile Wireless BroadBand and Backhaul Applications” . White Paper, WiMAX Technology and Deployment. Agosto 2004. http://192.240.12.164/pdf/FMA_Whitepaper_WiMAX_8_04.pdf

• Fuqiang LIU, Zhihui ZENG, Jian TAO, Qing LI, Zhangxi LIN. “Achieving QoS for IEEE 802.16 in Mesh Mode”. http://129.118.51.86/zlin/pdf/CSI-79.pdf

• Mohammed Hawa, David W. Petr. “Quality of Service Scheduling in Cable and Broadband

and

Wireless

Access

Systems

http//www.ittc.ku.edu/publications/documents/Hawa2002_iwqos_paper.pdf

•

Fernández González, Luis Carlos. WiMAX: APLICACIONES Y PERSPECTIVA. Madrid,

España : Centro de Difusión de Tecnologías ETSIT-UPM, 2005.

•

Samiseppo

Aarnikoivu,

Juha

Winter.

Mobile

broadband

wireless

access.

[Telecommunications Software and Multimedia Laboratory] TKK, FINLAND : Helsinki University of Technology, 2006.

•

Muñoz Valdebenito, Marco Antonio. Metodologías, criterios y herramientas para la

planificación de redes inalámbricas. [Documento] Santiago de Chile : Universidad de Chile, 2007.

•

Power Development. Power Development. [En línea] 23 de Septiembre de 2006.

[Citado

el:

6

de

Mayo

de

2007.]

http://www.powdev.com/index.php?option=com_content&task=view&id=15&Itemid=33

•

Temboury, Mercedes. Revista Enter. [En línea] 11 de Septiembre de 2007. [Citado el: 1

de Octubre de 2007.] http://www.enter.ie.edu/enter/file/espanol/texto/Nota_64.pdf.

•

Lamelas Torrijos, Andrés. Ministerio de Educación y Ciencia de España. WiMAX. [En

59

Referencias Bibliográficas

•

línea]

06

de

Mayo

de

2006.

[Citado

el:

15

de

Octubre

de

2007.]

http://observatorio.cnice.mec.es/modules.php?op=modload&name=News&file=article&sid= 349.

•

Redacción La Flecha. LaFlecha tu diario de ciencia y tecnología. [En línea] 20 de

Diciembre

de

2006.

[Citado

el:

10

de

Ocubre

de

2007.

http://www.laflecha.net/canales/wireless/noticias/avantel-y-cable-union-se-unen-paraconectar-a-colombia-con-wimax.

•

Santos Calderon, Guillermo. El Tiempo. Sitio Web El Tiempo.com. [En línea] 21 de

Agosto

de

2006.

[Citado

el:

14

de

Octubre

de

2007.]

http://www.eltiempo.com/opinion/columnistas/guillermosantoscaldern/ARTICULO-WEBNOTA_INTERIOR-3178150.html.

60

Anexos

Anexos Antenas Omnidireccionales Productos

Descripción Precios [AO24-15DBEXNH] de 15dBi para 2,4GHz Exterior Con 68,90EUR Conetor N Hembra [AO24-5DBBMCMC] de 5dBi para 2,4GHz Base Magnética 15,50EUR Conector MC

[AO24-7DBBMC-MMCX] de 7dBi para 2,4GHz Base 23,95EUR Magnética Conector MMCX Desmontable.

CyberBajt [ CYB-AO-10 ] de 10 dB para 2,4Ghz Exterior 39,95EUR Conector N Hembra

Interline [INT-HOR-09-24-V] de 9 dB para 2,4Ghz 49,95EUR Exterior Conector N Hembra

Interline [INT-HOR-12-24-V] Exterior Conector N Hembra

de 12 dB para 2,4Ghz 69,25EUR

Ovislink [WAE-120V] de 12dBi para 2,4GHz Exterior 78,95EUR Con Conetor N Hembra

Ovislink [ WAE-85 ] de 8,5dBi para 2,4GHz Exterior Con 63,95EUR Conetor N Hembra

61

Anexos

Antenas Parabólicas Productos

Descripción

Precios

Equinox [ SA 2415F ] Antena Parabólica Rejilla de 15dBi 45,60EUR para 2,4GHz Exterior Con Conector Antena N Hembra

Equinox [SA 2424F] Antena Parabólica Rejilla de 24dBi para 68,40EUR 2,4GHz Exterior Con Conector Antena N Hembra

Interline [ INT-PAR-27-24-HV ] Antena Parabólica de 27dBi 113,95EUR para 2,4GHz Exterior Con Conector N Hembra

Stella Doradus [ 24 SD21 ] Antena Parabólica de Rejilla 34,95EUR SD21 de 20,5dBi para 2,4GHz Exterior Conector N Macho

Antenas Panel Producto

Descripción

Precio

CyberBajt [CYB PAN 11-3M-NH] de 11,5dBi para 2,4GHz 19,95EUR para Exterior Conector N Hembra 3 Metros de Pigatil

CyberBajt [ CYB-PA-16DBI-NH ] de 16dBi para 2,4GHz 32,40EUR para Exterior Conector N Hembra

Interline [ INT-PAN-14-24-HV ] de 14dBi para 2,4GHz 24,95EUR Exterior Con Conector N Hembra

Ovislink [WAE-180PM] de 18dBi para 2,4GHz para 86,95EUR Exterior Con Conector N Hembra de Larga Distancia

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Anexos

Antenas Sectoriales Producto

Descripción

Precio

Interline [INT-SEC-15-24-V] de 15dBi 88º x 8º para 109,95EUR 2,4Ghz Exterior Con Conector N Hembra Interline [INT-SEC-17-24-V] de 17dBi para 2,4Ghz Exterior 114,95EUR Con Conector N Hembra

Equipos K-BEST para determinadas aplicaciones

Fuente: K-Best technology Canales de Frecuencia para las diferentes canales

Canal

US / Canadá

Europa

Francia

España

Japón

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 -

2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472 -

2457 2462 2467 2472 -

2457 2462 -

2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472 2484

63

Glosario

Glosario ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) Línea de Subscriptor Digital Asimétrica. AES (Advanced Encryption Standard) Estándar de Encriptación Avanzada. CPE (Customer Premise Equipment) Equipo Local del Cliente. CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Acceso Múltiple por Detección de Portadora Evitando Colisión. COFDM (Codificación Dividida en un Multiplexado de Frecuencias Ortogonales) DES (Data Encryption Standard) Estándar de Cifrado de Datos. DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) Especificación de Interfaz para Servicios de Datos sobre Cable. DVB (Digital Video Broadcasting) Transmision de Video Digital. Estándar internacional de radiodifusión digital para aplicaciones de video, voz y dato. DVB puede ser aplicable a las comunicaciones vía satélite (DVB-S), por cable (DVB-C) o en sistemas terrestres (DVB-T). DAB (Digital Audio Broadcasting) Transmisión por Audio Digital. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. TLS (Transport Layer Security) Seguridad de la Capa de Transporte. LOS (Line of sight) Línea de Visión. MAC (Medium Access Control) Control de Acceso al Medio. MAC (Medium Access Control) Control de Acceso al Medio. NLOS (No line of sight) Sin Línea de Visión. OLOS (Obstructed-Line-of-Sight) Línea visual obstruida. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales.

64

Glosario

OFDMA (Acceso Múltiple Ortogonal de División de Frecuencia) PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) Resultado del producto de la potencia suministrada a la antena por la ganancia isotrópica de esta. PHY(Physic) Físico. QAM (Quadrature Amplitud Modulation) Modulación de Amplitud en Cuadratura. QoS (Quality os Service) Calidad de Servicio. QPSK

(Quadrature

Phase

Phase

Shift

Keying)

Modulación

Cuaternaria

Desplazamiento de Fase. SOFDM (Acceso de Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal Escalable) VoIP (Voice over IP) Voz sobre IP. WLAN (Wireless Local Area Network) Red de Área Local Inalámbrica. WMAN (Wireless Metroplitan Area Network) Red de Área Metropolitana Inalámbrica.

65

por