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Universidad de Colima Facultad de Telemtica
SIMULACIN DE LA RED INALMBRICA DE BANDA ANCHA CON TECNOLOGA WIMAX
PARA EL ESTADO DE COLIMA
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN COMPUTACIN
PRESENTA:
Ing. Stalin Xavier Caraguay Ramrez
ASESORES:
D. en C. Ral Aquino Santos M. en C. Omar lvarez Crdenas
Colima, Col. Diciembre de 2011
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Dedicatoria
Al trmino de mi carrera universitaria admiro y valoro
ahora ms que antes, el apoyo incondicional de mi
familia. A ellos dedico las decisiones tomadas y el
esfuerzo plasmado en esta memoria.
Xavier
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Agradecimiento
Agradezco primeramente a Dios por darme
entendimiento y fuerza de voluntad para perseverar y
alcanzar mis metas e ideales.
De manera especial, un sincero agradecimiento al D. en
C. Ral Aquino Santos y M. en C. Omar lvarez
Crdenas por su ayuda y profesionalismo en la direccin
del proyecto. As mismo expreso mi gratitud a la
Secretara de Relaciones Exteriores, maestros y a todas
las personas que impartieron sus conocimientos a lo
largo de la Carrera.
Amigos, compaeros de clase gracias por los momentos
compartidos.
Xavier
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iv
ndice
Contenido Pgina
Dedicatoria ii
Agradecimiento iii
ndice iv
ndice de Tablas viii
ndice de Figuras ix
Resumen xi
Abstract xii
CAPTULO I Introduccin 1
1.1 Antecedentes 2
1.2 Trabajos relacionados 3
1.3 Planteamiento del problema 7
1.4 Hiptesis del trabajo 9
1.5 Objetivos 9
1.5.1 Objetivo general 9
1.5.2 Objetivos especficos 9
1.6 Consideraciones y limitaciones 10
1.7 Organizacin del documento 10
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Contenido Pgina
CAPTULO II Estado del Arte 12
2.1 Marco histrico 12
2.2 Marco contextual 14
2.3 Marco terico 16
2.3.1 Generalidades del protocolo WiMAX 16
2.3.2 Estndar IEEE 802.16TM 21
2.3.3 Estndar IEEE 802.16aTM 21
2.3.4 Estndar IEEE 802.16TM 2004 22
2.3.5 Estndar IEEE 802.16eTM 2005 23
2.3.6 Entorno de simulacin OPNET 25
CAPTULO III Modelos de Propagacin 29
3.1 Clasificacin de modelos de propagacin 30
3.1.1 Modelos empricos 30
3.1.2 Modelos tericos 30
3.1.3 Modelos semi empricos 31
3.2 Propagacin con lnea de vista LOS 32
3.3 Propagacin sin lnea de vista NLOS 33
3.4 Modelos de propagacin para WiMAX 34
3.4.1 Modelo de propagacin en Espacio Libre 35
3.4.2 Modelo de propagacin Okumura 36
3.4.3 Modelo de propagacin COST 231 Hata 38
3.4.4 Modelo de propagacin SUI 40
3.4.5 Modelo de propagacin ECC-33 43
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Contenido Pgina
3.5 Enlaces inalmbricos 44
3.5.1 Potencia recibida 44
3.5.2 Sensibilidad de recepcin 45
3.5.3 Ganancia de la antena 46
3.5.4 Margen de desvanecimiento 47
3.6 Estudio de lnea de vista para conexiones punto a punto 48
3.7 Potencia recibida en enlaces troncales 55
3.8 Potencia recibida en enlaces multipunto 56
3.9 Validez de modelos de propagacin 60
CAPTULO IV Metodologa 63
4.1 Diseo de red 63
4.1.1 Zona en estudio 64
4.1.2 Zonas de cobertura 64
4.1.3 Ubicacin de estaciones base 65
4.1.4 Ubicacin de estaciones suscriptoras 68
4.1.5 Usuarios de red 69
4.1.6 Antenas sectoriales 71
4.1.7 Trfico de red 72
4.2 Banda de frecuencia 72
4.3 Seleccin de equipos 73
4.4 Simulacin de la red 74
4.4.1 Modelo de red 75
4.4.2 Definicin de aplicaciones 79
4.4.3 Configuracin de perfiles 79
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vii
Contenido Pgina
4.4.4 Asignacin de rutas de flujo entre componentes de la red 80
4.4.5 Ejecucin de la simulacin 80
4.5 Escenarios de prueba 82
CAPTULO V Resultados 85
5.1 Consideraciones generales 86
5.2 Primer escenario de prueba 87
5.3 Segundo escenario de prueba 92
5.4 Tercer escenario de prueba 93
5.5 Cuarto escenario de prueba 95
5.6 Quinto escenario de prueba 96
5.7 Conexiones por estacin base 98
5.8 Conexiones por estacin suscriptora 98
Conclusiones 102
Trabajo Futuro 105
Anexo A Especificaciones tcnicas de equipos WiMAX 106
Anexo B Cdigo de programacin MATLAB para calcular la potencia
recibida en enlaces multipunto 108
Referencias 110
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viii
ndice de Tablas
Tabla Pgina
1 Integrantes del Foro WiMAX (WiMAX-Forum, 2011). 14
2 Valores de para el modelo de propagacin COST 231 Hata 39
3 Valores de a, b, c para el modelo de propagacin SUI 42
4 Especificaciones tcnicas de estaciones WiMAX 48
5 Distancia de enlaces troncales 51
6 Parmetros para calcular PL 57
7 Coordenadas geogrficas de estaciones base 67
8 Usuarios de la SEP y SALUD 70
9 Especificaciones tcnicas de estaciones base 73
10 Especificaciones tcnicas de estaciones cliente 74
11 Caractersticas de escenarios de prueba 83
12 Resultados de simulacin del primer escenario 88
13 Conexiones por estacin base 98
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ix
ndice de Figuras
Figura Pgina
1 Sub portadoras OFDM 20
2 Clasificacin de modelos de propagacin 31
3 Enlace con lnea de vista LOS 32
4 Enlace sin lnea de vista NLOS 33
5 Curvas de Okumura 37
6 Dorsal principal de comunicacin 50
7 Perfil topogrfico La Cumbre Ocotera 51
8 Perfil topogrfico La Cumbre Alcomn 52
9 Perfil topogrfico El Toro Ocotera 53
10 Perfil topogrfico El Toro Alcomn 53
11 Potencia recibida enlaces troncales 55
12 Conexin punto a multipunto 56
13 Potencia recibida La Cumbre Cuauhtmoc 58
14 Potencia recibida Alcomn Armera 58
15 Potencia recibida El Toro El Colomo 59
16 Potencia recibida Ocotera Minatitln 60
17 La Cumbre Cuauhtmoc con ECC-33 mejorado 62
18 Estado de Colima 64
19 Zonas de cobertura 65
20 Jurisdicciones de red 66
21 Densidad de estaciones suscriptoras 68
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x
Figura Pgina
22 Total de usuarios por Jurisdiccin 70
23 Antenas sectoriales 71
24 Modelo de Red 75
25 Mdulo de configuracin WiMAX 76
26 Estacin base 78
27 Estacin suscriptora 78
28 Perfiles de trfico 80
29 Estadsticas OPNET 81
30 Quinto escenario de prueba 84
31 Error de simulacin 88
32 Retardo global escenario ideal 90
33 Carga global escenario ideal 90
34 Utilizacin del canal servidor de video 91
35 Rendimiento global escenario ideal 91
36 Utilizacin del canal Jurisd 1 Jurisd 4 92
37 Utilizacin del canal Jurisd 1 Jurisd 2 93
38 Utilizacin del canal Jurisd 2 Internet 94
39 Utilizacin del canal Jurisd 2 Jurisd 3 95
40 Utilizacin del canal Jurisd 3 Internet 96
41 Utilizacin del canal Jurisd 3 Jurisd 4 97
42 Utilizacin del canal Jurisd 4 Internet 97
43 Retardo de nodo suscriptor 99
44 Carga de nodo suscriptor 100
45 Rendimiento de nodo suscriptor 100
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xi
Resumen
El presente documento describe el uso e implementacin del estndar IEEE 802.16TM
2004 para crear una red inalmbrica de datos descentralizada WAN para el Estado
de Colima. Se utilizan los modelos de propagacin Okumura, COST 231 HATA, SUI,
ECC-33 y Espacio Libre para calcular la prdida de potencia en la transmisin de la
seal.
Con el propsito de garantizar la factibilidad tcnica de los enlaces en condiciones
con lnea de vista LOS (siglas en ingls de Line Of Sight) y sin lnea de vista NLOS
(siglas en ingls de Non Line Of Sight) se obtiene la potencia recibida en las
estaciones receptoras. En el software de simulacin OPNET Modeler versin 16.0 se
crea la topologa de red propuesta con especificaciones tcnicas de equipos WiMAX
que actualmente se comercializan, adems se esquematizan diferentes escenarios de
prueba que simulan la cada real de enlaces, de esta forma, obtener de manera
confiable los resultados del comportamiento de la red ante diferentes circunstancias.
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Abstract
The use and implementation of IEEE 802.16TM 2004 standard to create a
decentralized wireless data network WAN to the State of Colima is described in this
research. Okumura, COST 231 HATA, SUI, ECC-33 and Free Space are the
propagation models used to calculate the path loss between transmitter and receiver.
To ensure the proper functioning of the data links in LOS and NLOS conditions the
received power is obtained at the subscriber stations. The proposed network topology
with WiMAX equipment specifications that currently are available in the trade is
created in the simulation software OPNET Modeler version 16.0. Different test
scenarios are designed to simulate the real drop data links and obtain reliably the
results about network behavior in each work environment.
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CAPTULO I
Introduccin
La creciente demanda de comunicacin inalmbrica ha definido el nacimiento y
mejora de nuevas tecnologas, WiFi o tambin conocido como estndar IEEE 802.11TM
se coloca en la actualidad como la opcin preferente para este tipo de comunicacin,
su instalacin no genera costos elevados en comparacin con otras tecnologas
inalmbricas.
WiFi (siglas en ingls de Wireless Fidelity) es la tecnologa ms usada para crear
redes inalmbricas de rea local en el mbito personal o de trabajo. WiFi atrae cada
vez un mayor nmero de usuarios debido a que a ms de permitir la movilidad en
determinada rea de trabajo, est implementndose en lugares pblicos para crear
puntos de acceso global donde el estndar ofrece a los suscriptores un ancho de
banda para acceso a Internet.
El estndar WiFi IEEE 802.11TM en la actualidad constituye una herramienta para las
comunicaciones de negocio, genera bajos costos de operacin debido a que opera en
la banda ISM (siglas en ingls de Industrial, Scientific and Medical).
WiFi provee nicamente conectividad a nivel de rea local, para superar esta
limitante se cre el estndar WiMAX (siglas en ingls de Worldwide Interoperability
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for Microwave Access Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas).
WiMAX formalmente se conoce con el nombre de IEEE 802.16TM, su frecuencia de
operacin est en el rango que va de 2 GHz a 11 GHz. Fue creado para proveer
servicio de voz y datos de banda amplia inalmbrica, que puede ser usado para el
acceso fijo con mayor amplitud de banda que las redes con tecnologa celular
(Stallings, 2004).
1.1 Antecedentes
Se describe el uso e implementacin de la tecnologa WiMAX para crear una red de
datos descentralizada WAN para el proyecto Agenda Digital que impulsa el Gobierno
de Mxico, incluye los sectores: salud y educacin del Estado de Colima. Se utiliza el
software de simulacin propietario OPNET Modeler versin 16.0 para crear diferentes
escenarios que simulan la operacin y cada de enlaces, de esta forma se pretende
obtener de manera confiable los resultados del comportamiento de la red ante
diferentes circunstancias.
Adicionalmente se explican modelos de propagacin electromagntica WiMAX con los
cuales se valida matemticamente el alcance y cobertura de las estaciones remotas,
de esta manera es posible analizar el comportamiento que las seales presentan en
diferentes escenarios y predecir posibles prdidas de potencia en determinadas zonas.
Con el propsito de crear escenarios semejantes a la realidad, en el software OPNET
Modeler versin 16.0 se configuran los parmetros de los equipos WiMAX que
actualmente se comercializan. Para conocer las caractersticas de la orografa en el
Estado de Colima, se utilizan mapas topogrficos digitales con curvas de nivel que
garantizan la ubicacin y condicin real de la zona geogrfica en estudio.
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1.2 Trabajos relacionados
En la actualidad, las investigaciones en el rea de simulacin WiMAX son dbiles en
estudiar modelos de propagacin y aplicar stos en ambientes de prueba creados en
OPNET Modeler, as mismo se limitan a utilizar los dispositivos de red que por
defecto el software dispone. El aporte cientfico es el anlisis, utilizacin y validacin
de modelos de propagacin en la etapa de planificacin de la red, tambin reproducir
en OPNET Modeler versin 16.0 las condiciones reales del terreno y caractersticas
tcnicas de equipos WiMAX que actualmente se comercializan, con lo cual se crean
escenarios semejantes a la realidad.
Para implementar, mejorar y crear nuevas aplicaciones basadas en el estndar IEEE
802.16TM se utiliza la simulacin como herramienta de apoyo, procedimiento que
constituye parte esencial de una metodologa para diseo de redes con tecnologa
WiMAX.
A nivel mundial se han desarrollado trabajos de investigacin que utilizan la simulacin
de procesos para obtener resultados, generalmente tratan los siguientes aspectos:
construir modelos de nodo hbrido para redes pticas con tecnologa WiMAX,
desarrollar otros con programacin distribuida, hacer pruebas para adaptar canales de
transmisin especficos que trabajen con redes mviles WiMAX, probar marcos
propuestos para resolver y abordar las cuestiones de calidad de servicio en un sistema
WiMAX de punto fijo a multipunto y validar mediciones llevadas a cabo con tecnologa
WiMAX mvil en diferentes bandas de frecuencia.
Es importante sealar que el Gobierno de Mxico, a travs de la SCT (siglas de
Secretara de Comunicaciones y Transportes) establece una Agenda Digital.
Conjuntamente con la SEP (siglas de Secretara de Educacin Pblica), la SCT est
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proporcionando la infraestructura suficiente para reducir las barreras de acceso a
tecnologas de informacin, facilitando la transicin a la sociedad de la informacin
para todos los mexicanos (Agenda Digital e-Mxico, 2011).
La Agenda Digital del Sistema Nacional e-Mxico es un estrategia orientada a impulsar
la transicin del pas hacia la sociedad de la informacin y el conocimiento. Se
establecen objetivos generales y estratgicos, lneas de accin y metas que en gran
medida corresponden a los compromisos internacionales contrados en el marco de las
Metas del Milenio, y de manera especfica, a las establecidas en las reuniones de la
Cumbre Mundial de la Sociedad de la Informacin (2003 y 2005), mismas que han
sido reconocidas como mandatos especficos en el Plan Nacional de Desarrollo (2007-
2012), y el Programa Sectorial de Comunicaciones y Transportes (2007-2012)
(Agenda Digital e-Mxico, 2011).
Tomando en cuenta los ndices comparativos internaciones de uso tecnolgico, Mxico
frente al mundo refleja una grave cada en los ltimos aos, razn por la cual el
Gobierno Federal establece una Agenda Digital con una visin de gran alcance para
acelerar la transicin del pas hacia la sociedad de la informacin y el conocimiento.
La Secretara de Comunicaciones y Transportes y la Secretara de Educacin Pblica
estn implantando la infraestructura nacional para la distribucin de contenidos y
servicios digitales de alto impacto social y gubernamental. La SEP aporta la
infraestructura de 32 Redes Estatales, basadas en la tecnologa WiMAX, la cual,
adems de conectar todas las escuelas, conectar a los hospitales, centros de salud,
oficinas de gobierno y centros comunitarios (Agenda Digital e-Mxico, 2011).
Con el objetivo de brindar apoyo al cumplimiento de la Agenda Digital del Gobierno
de Mxico, se estn dando propuestas como la que se presenta en este trabajo.
-
5
Se citan a continuacin algunos de los trabajos realizados con relacin al estndar
WiMAX IEEE 802.16TM y la simulacin de esta tecnologa en OPNET Modeler.
- En la tesis Diseo del Enlace para Redes Basadas en el Estndar IEEE 802.16
(Hernndez Lpez, Avilez Rosas, y Ortega Sols, 2009) los autores proporcionan un
panorama general de los sistemas inalmbricos de banda ancha que actualmente
operan en diferentes partes del mundo, analizan el estndar IEEE 802.16TM tomando
como referencia el modelo OSI para definir las funciones de la capa fsica y de la capa
de enlace de datos sobre las cuales se soporta el funcionamiento de este tipo de red;
dan a conocer las entidades e interfaces que componen el modelo de referencia de la
arquitectura de una red basada en el estndar IEEE 802.16TM; analizan el
comportamiento del canal de radio y los modelos de propagacin utilizados para
estimar las prdidas de potencia en el receptor de la onda electromagntica
propagada en terrenos con distintas densidades de obstculos y caractersticas
topogrficas y presentan de manera grfica el radio de cobertura de la celda mediante
simulaciones en MATLAB utilizando el modelo de propagacin SUI (siglas en ingls
de Stanford University Interim) para un sistema basado en el estndar IEEE 802.16TM
2004.
- En la tesis Construccin de un modelo de nodo hbrido de red inalmbrica
WiMAX Red ptica Pasiva (PON) (Gonzlez Rojas y Gonzlez Gamero, 2009) los
autores presentan el estudio de la combinacin de la tecnologa WiMAX con las redes
EPON. Utilizan el simulador de redes OPNET Modeler para crear diferentes topologas
y obtener resultados estadsticos del funcionamiento de la red. Primeramente,
estudian las caractersticas de WiMAX. Despus, utilizan el entorno de simulacin para
implementar un nodo que soporta QoS (siglas en ingls de Quality of Service Calidad
de Servicio). A partir de ello, ejecutan las simulaciones y obtienen resultados que
permiten hacer un anlisis del comportamiento de red.
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6
- Vassileva, Koucheryavy y Barcelo-Arroyo en su artculo Guard Capacity
implementation in OPNET Modeler WiMAX Suite (2009) describen los factores que
condicionan el diseo del control de admisin. Muestran que el control de admisin en
redes de banda ancha mviles presenta nuevos retos frente al control de admisin en
redes de telefona celular. Adaptan canales especficos para trabajar con redes mviles
WiMAX. Para la validacin del control de admisin y la evaluacin del desempeo
utilizan simulacin de procesos en el software OPNET Modeler, crean un escenario
en el cual incorporan el algoritmo de capacidad de proteccin. La precisin de la
aplicacin se valida a travs de la simulacin.
- Vejarano y McNair en su artculo WiMAX-RBDS-Sim: an OPNET simulation
framework for IEEE 802.16 mesh networks (2010) desarrollan un modelo de
simulacin para redes inalmbricas IEEE 802.16TM WiMAX con programacin
distribuida. El modelo de simulacin llamado WiMAX RBDS-Sim (reservation-based
distributed scheduling) se desarrolla en el software OPNET Modeler y proporciona las
interfaces necesarias para la integracin de polticas RBDS y algoritmos de
establecimiento de enlace. Los resultados del modelo de simulacin WiMAX RBDS-Sim
muestran mayor estabilidad frente a modelos clsicos. El rendimiento de WiMAX
RBDS-Sim se evala en trminos de velocidad de la simulacin y el uso de la memoria.
- Laias y Awan en su artculo An interactive QoS framework for fixed WiMAX
networks (2010) proponen un nuevo marco para resolver y abordar las cuestiones de
calidad de servicio en un sistema WiMAX de punto fijo a multipunto. El marco
propuesto se compone de un planificador de enlace ascendente y de un mdulo de
control de admisin de llamadas (CAC). El mdulo CAC propuesto interacta con el
estado del planificador de enlace ascendente y toma decisiones basadas en el estado
del planificador de colas. El trabajo se ampla con la simulacin en OPNET Modeler
que demuestra la eficacia del marco propuesto.
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7
- Garroppo, Giordano y Iacono en su artculo Experimental and Simulation Study
of a WiMAX System in the Sea Port Scenario (2009) presentan una serie de
mediciones llevadas a cabo con tecnologa WiMAX mvil en la banda de 2,5 GHz en un
escenario de puerto de mar. El objetivo es evaluar el rendimiento del sistema. Con el
anlisis de los datos obtenidos proponen un modelo capaz de ajustar el
comportamiento real de los canales utilizados. Con el fin de evaluar los efectos del
modelo planteado llevan a cabo una simulacin con el software OPNET Modeler. El
modelo desarrollado con tecnologa WiMAX es capaz de reproducir en la mayora de
los casos el rendimiento del sistema observado durante las mediciones, sin embargo,
se presentan inconvenientes tales como problemas de sincronizacin los cuales el
simulador no puede predecir.
1.3 Planteamiento del problema
En la actualidad, en Mxico no existen tendencias institucionales que favorezcan el
abatimiento de la brecha digital y aceleraren el proceso de adopcin tecnolgica en los
distintos mbitos de la realidad nacional, este factor constituye el ms importante
impedimento para avanzar como pas a la sociedad de la informacin, razn por la
cual, reducir rpidamente la exclusin digital debe ser el punto central de cualquier
estrategia que se proponga a nivel nacional (Talavera Hernndez, 2010).
La exclusin digital desde el punto de vista social propicia la desigualdad en el
desarrollo de la poblacin. Las personas que no tienen acceso a tecnologas de
informacin carecen del medio que les permite mejorar su educacin, acceder a la
salud y otros servicios sociales, y en general, el acceso a un medio importante para
mejorar sus vidas y sus conocimientos.
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8
Desde un enfoque econmico, la exclusin digital significa menos usuarios para los
operadores de redes pblicas y para el desarrollo en Mxico de una economa digital
robusta, afectando el desarrollo de los principales sectores econmicos claves para la
competitividad nacional.
En trminos de poltica, el acceso a las redes sociales en lnea significa crecientemente
un medio para el empoderamiento de las personas, y para el ejercicio de los derechos,
motivo por el cual, la exclusin digital genera dos grupos de ciudadana: de primera y
de segunda (Talavera Hernndez, 2010).
Adems de analizar la exclusin digital desde tres elementales puntos de vista, es
importante describir la problemtica del proyecto con un enfoque tcnico.
La implementacin de infraestructura para una red inalmbrica con tecnologa WiMAX
no resulta econmica, por tal razn la etapa de planeacin de la red adquiere gran
importancia.
La simulacin de procesos constituye una valiosa herramienta que se utiliza en la
planificacin de redes con el propsito de observar la evolucin, comportamiento y
funcionamiento del sistema sin necesidad de contar con la infraestructura real del
escenario propuesto.
Implementar la red inalmbrica de banda ancha con tecnologa WiMAX para el Estado
de Colima sin realizar previamente la etapa de planificacin, diseo y anlisis es una
inversin arriesgada. Factores como: diferentes topologas del terreno, reas de
cobertura, trfico de red y prdida en la propagacin de la seal se analizan con el
uso del simulador, de esta manera determinar acertadamente la viabilidad tcnica del
proyecto.
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9
A travs de la correcta simulacin de la red Estatal inalmbrica de banda ancha se
evita el gasto innecesario de recursos econmicos, tcnicos y humanos, colaborando
eficazmente con el cumplimiento de objetivos establecidos en la Agenda Digital del
pas y contribuir a reducir la exclusin tecnolgica especficamente en el Estado de
Colima.
1.4 Hiptesis del trabajo
La simulacin de la red inalmbrica de banda ancha para el Estado de Colima
permitir analizar y evaluar de forma virtual el comportamiento de los enlaces WiMAX.
1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo general
Simular la red inalmbrica de banda ancha con tecnologa WiMAX para el Estado de
Colima.
1.5.2 Objetivos especficos
- Describir el estndar IEEE 802.16TM con sus variantes para analizar cmo se ha
modificado la tecnologa y qu opciones ofrece cada una de ellas.
- Describir los modelos de propagacin WiMAX.
- Explicar el funcionamiento del simulador de redes OPNET Modeler.
- Validar matemticamente la expansin de las ondas electromagnticas con el
uso de modelos de propagacin WiMAX.
- Analizar y evaluar los resultados obtenidos en la simulacin de la red.
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10
1.6 Consideraciones y limitaciones
Para realizar el anlisis de la orografa del Estado de Colima se utilizaron mapas de
curvas de nivel en el Instituto Nacional de Estadstica y Geografa INEGI. Esta
cartografa constituye informacin fundamental para ubicar exactamente en el
simulador las coordenadas reales de las estaciones base y suscriptoras.
Se consideran especificaciones tcnicas de equipos reales WiMAX que actualmente se
comercializan para reproducir en OPNET Modeler escenarios lo ms posible cercanos
a la realidad.
El software OPNET Modeler no es gratuito, la Universidad de Colima proporcion y
facilit las licencias que se requieren para activar los mdulos de simulacin y para
obtener soporte en lnea directamente de los proveedores del sistema.
El documento describe el fundamento terico y la simulacin de la red Estatal. La
principal limitante del proyecto fue la falta de equipos reales con tecnologa WiMAX
para validar de forma experimental la prdida de seal que genera la transmisin de
las ondas electromagnticas al viajar de un punto a otro.
1.7 Organizacin del documento
La tesis est organizada en cinco captulos: I Introduccin, II Estado del arte, III
Modelos de propagacin, IV Metodologa y V Resultados.
El captulo uno brinda una visin clara y concisa del tema de tesis, sus antecedentes,
trabajos relacionados, planteamiento del problema, hiptesis, objetivos,
consideraciones y limitaciones.
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11
El captulo dos fundamenta la parte terica de la investigacin.
El captulo tres detalla y explica matemticamente el uso de los modelos de
propagacin WiMAX en ambientes con lnea de vista y sin lnea de vista. Adems se
calcula la prdida de potencia en la seal transmitida.
En el captulo cuatro se describe la orografa de la zona de estudio, se justifica la
ubicacin de las estaciones base y la cobertura de cada una de ellas, se muestra
grficamente la distribucin de los suscriptores en el Estado de Colima, se explica la
simulacin de la red y finalmente se esquematizan los escenarios de prueba
planteados.
En el captulo cinco se describe las mtricas que se utilizan para evaluar la viabilidad
tcnica del proyecto y se muestran los resultados obtenidos en la simulacin de la red.
Para finalizar, en la ltima seccin se encuentran conclusiones, trabajo futuro, anexos
y referencias bibliogrficas.
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12
CAPTULO II
Estado del Arte
2.1 Marco histrico
WiMAX (siglas en ingls de Worldwide Interoperability for Microwave Access
Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas) es una tecnologa inalmbrica
que pertenece a la familia de estndares WMAN (siglas en ingls de Wireless
Metropolitan Area Network Red Inalmbrica de rea Metropolitana). El estndar
IEEE 802.16TM se lanz a finales de la dcada de 1990 con una frecuencia de
operacin en el rango de 10 a 66 GHz. En enero de 2003 se lanz la versin IEEE
802.16aTM con una frecuencia de operacin en el rango de 2 a 11 GHz.
La alianza WiFi promueve el estndar IEEE 802.11xTM y ayuda a asegurar la
compatibilidad y la interoperabilidad entre varios fabricantes. Con el mismo propsito
para el estndar IEEE 802.16TM se cre en el ao 2001 el Foro WiMAX. La familia de
estndares IEEE se limitan a gestionar la capa fsica y la capa de control de acceso al
medio, no se responsabilizan por manejar la interoperabilidad, las restricciones de
radio frecuencia o los niveles mnimos de rendimiento (Thelander, 2005).
El estndar IEEE 802.16aTM en la actualidad se descontinu debido a que toda la
atencin ahora la tiene el IEEE 802.16TM 2004, tambin conocido como 802.16REVd.
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13
El estndar 802.16TM 2004 certificado en octubre de 2004 es una versin mejorada
del estndar 802.16aTM. Existe tambin el IEEE 802.16eTM que constituye una
variacin del estndar 802.16TM 2004. IEEE 802.16eTM y 802.16TM 2004 no son
compatibles, sin embargo, emplean el mismo rango de frecuencia para la transmisin
de datos.
El Foro WiMAX inicialmente estaba compuesto nicamente por dos grandes compaas
de semiconductores: Intel y Fujitsu, y por un nmero reducido de fabricantes de
equipos relativamente pequeos. Ninguno de los principales OEM (siglas en ingls de
Original Equipment Manufacturer Fabricante del Equipo Original) estaba presente.
Nokia dbilmente estaba asociado al foro y Motorola desarrollaba estas oportunidades
con su solucin propietaria Canopy (Thelander, 2005).
Con un estndar poco desarrollado y sin el apoyo de los principales fabricantes de
tecnologa en el mundo, era complicado imaginar el xito que WiMAX podra alcanzar.
En la actualidad ms de 500 compaas participan activamente en el Foro WiMAX.
Entre las empresas que apoyan la tecnologa se encuentran varios de los principales
fabricantes de equipos originales y algunos operadores. Se demuestra de esta manera
el respaldo que el estndar IEEE 802.16TM recibe.
El principal objetivo que persigue esta organizacin es introducir rpidamente en el
mercado sistemas con tecnologa WiMAX. Los equipos que cuentan con la certificacin
del Foro son interoperables entre s y soportan redes de banda ancha fija, servicios
mviles y servicios porttiles.
Algunos de los miembros ms importantes que pertenecen al Foro WiMAX se
muestran en la Tabla 1.
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14
Acer IBM Corporation Redline
Communications Signals
ArrayCommASUSTek
Computer INC.
IntracomPaXiom
Networks
Research in Motion
Limited
AT4 Wireless Japan Radio Siemens AG
Atmel Kyocera SK Telecom
Axxcelera
Broadband Wireless
LGElectronicBroadbandWirelessSolutions
SK Telesys
CIRITECH
SYSTEMS INC
Microsoft
Corporation Telsima
Cisco Systems Mitsubishi Electric
Modacom Inc. Toshiba America
Research Inc. (TARI)
Clearwire NEC Tranzeo
D-Link Netgear Tundra UTStarcom
Delta Networks, INC. NextWave Wireless Vecima Networks Inc.
eAccess Ltd. Nippon Telegraph
and Telephone
Walt Disney
Company
EADS Secure
Networks
Nokia Siemens
Networks Wavesat Inc.
EION Wireless Nortel WiNetworks
Elektrobit Corporation
Panasonic XRONet Corporation
Ericsson Red Dot Wireless Inc Z-Com
Tabla 1. Integrantes del Foro WiMAX (WiMAX-Forum, 2011).
2.2 Marco contextual
El tema de la movilidad del estndar genera altas expectativas en el desarrollo de la
tecnologa WiMAX. Crticos del estndar comparan a WiMAX con tecnologas celulares
basadas en 3G.
WiMAX se posiciona da a da como un estndar abierto y escalable, se convierte en
una solucin factible para resolver varios problemas que afectan a la industria
inalmbrica fija.
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15
Si el apoyo a la tecnologa WiMAX sigue creciendo, el estndar puede proveer acceso
de banda ancha a regiones geogrficamente distantes y partes del mundo en donde
no es econmicamente factible el acceso bsico de banda ancha a travs un servicio
de lnea fija. Una de las principales ventajas de WiMAX es que permite mejorar la
calidad en los enlaces y el rendimiento de puntos de acceso con redes inalmbricas
WiFi.
El uso de la tecnologa WiFi se difunde ampliamente en lugares pblicos tales como
aeropuertos, hoteles y universidades. Opcionalmente el acceso a Internet inalmbrico
con conectividad WiFi se ofrece como un valor agregado en el servicio de
restaurantes, cafeteras, bares, bibliotecas o municipalidades locales.
Para hacer de WiMAX un estndar econmicamente competitivo necesita superar las
ventajas que actualmente ofrece la combinacin de tecnologas 3G/Wi-Fi y/o necesita
ofrecer las mismas ventajas de servicio a un menor costo para el usuario final.
Implementar una red con tecnologa WiMAX genera costos altos similares a los que se
generan al desplegar una red celular 3G, es decir mucho ms caro que implementar
una red con tecnologa inalmbrica WiFi (WiFi-ALLIANCE, 2011).
Por su parte, la industria de computadores porttiles reconoce que no puede incluir
soluciones WiMAX en la fabricacin de sus productos. Para hacerlo, WiMAX deber
remplazar y superar una tecnologa existente y conocida.
A falta de una completa gama de servicios propios del estndar 802.16xTM, los
usuarios finales que utilizan tecnologa 3G y WiFi estarn menos decididos a adoptar el
uso de la tecnologa WiMAX, sin embargo, los abonados que opten por el cambio
seguirn usando a sus proveedores de servicios celulares. Este anlisis indica que
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16
WiMAX se complementar con redes 3G mientras compite con las ventajas
econmicas que WiFi brinda a sus usuarios. Paralelamente los protocolos WiMAX y
WiFi compitiendo y complementando a tecnologas que brindan servicios de banda
ancha de acceso convencional con cables (WiMAX-Forum, 2011).
2.3 Marco terico
2.3.1 Generalidades del protocolo WiMAX
WiMAX es el nombre comercial de la tecnologa inalmbrica de red de banda ancha.
El estndar IEEE 802.16TM se lanz en octubre del 2001, aunque en el ao de 1998
empez su desarrollo con el propsito de crear una interfaz de radio de banda ancha
inalmbrica. Las caractersticas de este estndar estn dirigidas a la prestacin de
servicios para soportar trfico de voz y datos tanto en el mbito residencial como
empresarial. Al tratarse de una tecnologa inalmbrica, el estndar IEEE 802.16TM
proporciona movilidad y la comodidad de estar conectado a la red sin la necesidad de
cables.
WiMAX cuenta con las exigencias que una red inalmbrica debe satisfacer como la
transferencia de llamada o servicio, la seguridad y las prdidas de informacin
generadas por el propio medio de transmisin como los desvanecimientos por las
trayectorias mltiples.
Desde su creacin, el estndar IEEE 802.16TM ha tenido una serie de cambios y
modificaciones con el propsito de agregar mayor cobertura, nuevos servicios y un
rendimiento cada vez mejor.
-
17
Considerar la disponibilidad del espectro de frecuencias es importante para
proporcionar inalmbricamente servicios de banda ancha. WiMAX opera tanto en las
bandas de frecuencia libre como en aquellas que requieren de una licencia legal para
poder usar esa parte del espectro radioelctrico.
Inicialmente WiMAX se lanz para operar en el rango de frecuencias que va de 10 a
66 GHz con lnea de vista LOS (siglas en ingls de Line Of Sight), sin embargo, con
los cambios y evolucin que el estndar presenta, se contempla la gama de
frecuencia que va de 2 a 11 GHz sin lnea vista NLOS (siglas en ingls de Non Line Of
Sight). El rendimiento de las capacidades del protocolo WiMAX depende del ancho de
banda del canal utilizado. WiMAX proporciona una opcin de ancho de banda de
canal configurable en el rango de 1.25 MHz a 20 MHz, lo que permite un despliegue
flexible (Hernndez Lpez, et al., 2009).
Las bandas de uso libre representan en casi todos los pases una porcin dentro de
todo el espectro radioelctrico. Al ser frecuencias de uso libre no requieren de un
contrato de concesin para transmitir datos, por esta razn se eliminan los costos por
el uso del espectro y facilita a muchos operadores ofrecer sus servicios bajo estas
condiciones. Sin embargo, los siguientes factores se deben considerar antes de optar
por el uso de una banda libre: interferencias, competencia, potencia limitada y
disponibilidad.
Interferencia: Son interrupciones en la transmisin de datos que se generan debido
a que estas bandas se utilizan por diferentes operadores de radio frecuencia, es decir
coexisten en el mismo entorno diferentes sistemas con tecnologa inalmbrica, por
ejemplo, WiFi o Bluetooth, incluso otros operadores de redes WiMAX.
-
18
Competencia: Los proveedores de servicios inalmbricos que utilizan bandas de
frecuencia libre deben considerar que cualquier otro operador que cuente con la
infraestructura necesaria puede utilizar el mismo rango de frecuencias.
Potencia limitada: Con el objetivo de brindar un margen de tolerancia en la
cantidad de usuario que pueden utilizar bandas de frecuencia libre, los rganos
reguladores en materia de telecomunicaciones limitan la potencia de transmisin en
esta parte del espectro.
Disponibilidad: A nivel mundial no existe un reglamento de homologacin que
determine en cada pas cules son las frecuencias libres exentas del pago de
concesin, generalmente esta parte del espectro se localiza en 2.3 GHz, 2.5 GHz, 3.5
GHz, 5.7 GHz y 5.8 GHz
Existen bandas de frecuencia que requieren un trmite legal y pago de concesin
para el uso del espectro radioelctrico. En cada pas existen rganos
gubernamentales que regulan la asignacin de licencias.
Es importante considerar el alto costo que genera el uso comercial de las frecuencias,
no obstante, el valor a pagar se compensa con la asignacin exclusiva del canal que
se concesiona, situacin que reduce considerablemente las interferencias externas y
la competencia con otros prestadores de servicios similares que nicamente pueden
competir si cuentan con autorizacin legal para usar el espectro radioelctrico
(Hernndez Lpez, et al., 2009).
En Mxico, la Ley Federal de Telecomunicaciones en el CAPTULO II clasifica al
Espectro Radioelctrico de la siguiente manera (Hernndez Lpez, et al., 2009):
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19
Espectro de uso libre: son bandas de frecuencias que no requieren de concesin
legal, permiso o registro de operacin. Pueden ser utilizadas por el pblico en
general.
Espectro para usos determinados: son bandas de frecuencias que se otorgan
mediante el trmite legal de concesin y se utilizan nicamente para los servicios que
permite la autoridad correspondiente.
Espectro para uso oficial: son bandas de frecuencias que se destinan al uso
exclusivo de la administracin pblica federal, gobiernos estatales y municipales,
otorgadas mediante asignacin directa por la SCT.
Espectro para usos experimentales: son bandas de frecuencias que se utilizan
con fines cientficos o pruebas temporales que permiten comprobar la viabilidad
tcnica y econmica de tecnologas en desarrollo. Se otorgan mediante concesin
directa y son de carcter intransferible.
Espectro reservado: Son bandas de frecuencias especficas cuya concesin y
asignacin no las realiza la SCT.
La SCT asigna directamente las bandas de uso oficial a las entidades
gubernamentales que las soliciten. Este trmite depende de la disponibilidad de la
banda de frecuencia. Adems, la ley determina que la asignacin de bandas para uso
comercial se realiza mediante licitacin pblica.
El estndar IEEE 802.16TM utiliza OFDM (siglas en ingls de Orthogonal Frequency
Division Multiplexing Multiplexaje por Divisin de Frecuencia Ortogonal) como
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20
tcnica de multiplexaje. OFDM divide la portadora o canal de informacin en sub
canales de velocidad ms baja las cuales se transmiten de forma paralela.
Con esta tcnica de multiplexaje WiMAX es capaz de operar en condiciones sin lnea
de vista.
Cada portadora de alta velocidad tiene un ancho de banda de 20 MHz y se divide en
52 sub portadoras de 300 KHz cada una aproximadamente, con esta tcnica de
multiplexaje se alcanza una tasa de transmisin de 54 Mbps. De los 52 subcanales
OFDM utiliza 48 para transferencia de datos y los 4 restantes se ocupan para
correccin de errores. En la figura 1 se muestran las sub portadoras OFDM
(Hernndez Lpez, et al., 2009).
Figura 1. Sub portadoras OFDM.
La principal ventaja que tiene OFDM es la resistencia que presenta ante interferencias
que se generan por reflejo de las ondas en los objetos del entorno.
Primera subportadora Segunda subportadora Tercera subportadora Cuarta subportadora
-
21
OFDM coloca cada portadora de forma contigua, esto se logra debido a que son
ortogonales, es decir, las portadoras son independientes y evitan la interferencia
entre ellas. Por lo tanto, el espectro se utiliza eficazmente en el proceso de difusin
de datos. La velocidad de transmisin de OFDM depende del tipo de modulacin
utilizada (Hernndez Lpez, et al., 2009).
2.3.2 Estndar IEEE 802.16TM
Fue la primera versin del estndar, se cre en el ao de 1998 con el propsito de
crear una interfaz inalmbrica de radio de banda ancha. Se bas en la arquitectura de
los sistemas con acceso inalmbrico punto a multipunto con lnea de vista. Operaba
en las bandas de frecuencia que va de los 10 a 66 GHz. Concluy su desarrollo en el
2001 basndose en la capa fsica de la portadora y con un multiplexaje por divisin
de tiempo TDM (siglas en ingls de Time Division Multiplexing) en la capa de acceso
al medio.
Para brindar soporte a los sistemas que trabajan en la banda de frecuencia de 2 a 11
GHz, la IEEE cre estndares y normas para garantizar la inter operatividad de los
usuarios, motivo por la cual se cre el foro WiMAX, grupo de trabajo que cuenta con
las facultades de realizar pruebas y certificaciones para lograr dicha inter
operatividad.
2.3.3 Estndar IEEE 802.16aTM
El grupo 1 de tareas especiales del comit de desarrollo del IEEE 802.16TM desarroll
un estndar de acceso inalmbrico de banda ancha punto a multipunto para los
sistemas que trabajan dentro de la banda de frecuencias de 10 a 66 GHz, este
estndar gestiona la capa de acceso al medio y la capa fsica.
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22
El estndar progresivamente se modific para aplicarlo a las bandas sin licencia del
rango que va de 2 a 11 GHz en condiciones sin lnea de vista. Finalmente se cre el
estndar IEEE 802.16aTM aprobado en enero del 2003, el cual alcanza un rango de
hasta 48 Km con celdas de 6.5 a 9.5 km sin lnea de vista, es capaz de conectar
WLANs 802.11TM basndose en OFDM para la capa fsica y OFDMA (siglas en ingls
de Orthogonal Frequency Division Multiple Access Acceso Mltiple por Divisin de
Frecuencia Ortogonal) para la capa de acceso al medio, convirtiendo esta tecnologa
en la ms apropiada para enlaces de ltima milla, donde obstculos como vegetacin
o construcciones estn presentes, adems permiti la instalacin de las estaciones
base en techos de casas o edificios en vez de montaas o torres (Hernndez Lpez,
et al., 2009).
La configuracin estndar de una estacin base en un edificio o torre con una
topologa punto a multipunto hacia los abonados con datos compartidos de 75 Mbps,
cuenta con el ancho de banda requerido para soportar al mismo tiempo 60 puntos de
clientes con conectividad nivel T1 y cientos de usuarios residenciales con lnea de
abonado digital DSL (siglas en ingls de Digital Suscriber Line Suscriptor de Lnea
Digital) con un ancho de banda de 20 MHz. Cuenta con buenas caractersticas de
seguridad y QoS (siglas en ingls de Quality of Service Calidad de Servicio) para
servicios de video y voz.
2.3.4 Estndar IEEE 802.16TM 2004
Aadiendo cambios para mejorar el estndar IEEE 802.16aTM se obtuvo como
resultado un nuevo estndar llamado IEEE 802.16TM 2004, certificado en octubre
del 2004. El nuevo protocolo sustituy todas las versiones anteriores dando como
resultado la primera solucin 802.16TM orientada a conexiones fijas, conocido como
WiMAX Fijo, es decir, es un remplazo a la tecnologa DSL inalmbrica. Este nuevo
-
23
estndar trabaja en las bandas de frecuencia licenciadas de 2 a 11 GHz, utiliza OFDM
(Hernndez Lpez, et al., 2009).
Los sistemas que basan su funcionamiento en el protocolo IEEE 802.16TM 2004 son
interoperables con otros productos, esta caracterstica disminuye sus costos de
implementacin. Cuenta con una velocidad de 75 Mbps y un rango de 10 km. Para
poder utilizar esta tecnologa slo se requiere de una antena montada en un techo o
en una torre.
2.3.5 Estndar IEEE 802.16eTM 2005
Al estndar IEEE 802.16TM 2004 se le fueron agregando nuevas aplicaciones
resultando el IEEE 802.16eTM 2005 el cual ahora incluye movilidad, este estndar es
la solucin para aplicaciones mviles y nmadas, conocida como WiMAX mvil. Las
principales diferencias entre los estndares IEEE 802.16TM 2004 y el IEEE 802.16eTM
2005 se exponen a continuacin:
- Se agregaron estaciones mviles. Una estacin mvil de servicios de
comunicaciones est destinada a ser utilizada en movimiento o en puntos especficos.
Sin embargo, una estacin mvil IEEE 802.16eTM tambin se comporta como una
estacin de abonado.
- Procedimiento de transferencia del servicio en la capa MAC.
- Modo de ahorro de potencia para la movilidad: modo de espera e inactividad.
- SOFDMA (Escalable OFDMA).
- Implementa mejor seguridad con una subcapa de privacidad.
- Sistema de antenas de Entrada Mltiple, Salida Mltiple MIMO (siglas en ingls
de Mltiple Input, Mltiple Output) y tcnicas de sistemas de antenas adaptables,
aunque ya estaban en la versin 2004, se mejor en la versin IEEE 802.16eTM.
-
24
- Aparecen sistemas multicast y broadcast.
- Una nueva clase de QoS: ertPS (siglas en ingls de Extended Real Time Polling
Service Servicio de Contencin en Tiempo Real Extendido) que es un apoyo en
tiempo real a toda clase de servicios que generan los flujos de paquetes de datos de
tamao variable en forma peridica, por ejemplo, VoIP con eliminacin de silencio.
- Cdigos de Paridad de Baja Densidad LDPC (siglas en ingls de Low Density
Parity Codes) sirven para la codificacin del canal.
En la capa fsica se considera que para frecuencias superiores a 6 GHz es obligatorio
garantizar lnea de vista entre las estaciones que se comunican, este detalle precis
estudiar el efecto de multi trayectorias para poder lograr enlaces de alta capacidad de
dos vas: de bajada y de subida con canales mayores a 10 MHz (WiMAX-Forum,
2011).
Para frecuencias bajas no se necesita lnea de vista entre las estaciones que se
comunican. En estas condiciones se usan mtodos de ranuras adaptables que ajustan
la modulacin y la Correccin de Error Avanzado, mtodos para aumentar la
capacidad de los sistemas IEEE 802.16TM.
La capa MAC (siglas en ingls de Media Access Control Control de Acceso al Medio)
se dise para soportar diferentes entornos de capa fsica. La portadora est
diseada para soportar tanto TDD (siglas en ingls de Time Division Duplex) o FDD
(siglas en ingls de Frequency Division Duplex) permitiendo terminales full y half
duplex en el caso de FDD. De igual forma, la capa MAC admite el acceso inalmbrico
PMP (punto a multipunto), diseada para el transporte de capa superior o cualquier
otro protocolo de transporte como el modo de transferencia asncrono (ATM),
Ethernet o protocolo de Internet (IP), adems se puede adaptar dinmicamente a
otro protocolo que despus se desarrolle (Hernndez Lpez, et al., 2009).
-
25
La capa MAC utiliza un algoritmo de autocorreccin de banda ancha conocido como
Acceso mltiple con asignacin por demanda / Acceso mltiple por divisin de tiempo
DAMA / TDMA (siglas en ingls de Demand Assigned Multiple Access / Time Division
Multiple Access) que elimina las deficiencias de la tcnica Acceso Mltiple con
Deteccin de Portadora y Prevencin de Colisiones CSMA / CA (siglas en ingls de
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
La tcnica DAMA se adapta de acuerdo a la variacin de la demanda de cambios
entre mltiples estaciones, la asignacin de horarios para los canales cambia segn
sea necesario. Existen dos modos de funcionamiento para la transmisin entre una
estacin base y abonados, uno favorece la transmisin de corriente continua
(Modalidad A), como el audio o video, y el otro apoya la transmisin de ranuras de
informacin (modo B), como el trafico IP. Los usuarios finales pueden solicitar el
ancho de banda que requieren en funcin de los parmetros QoS de trfico
(Hernndez Lpez, et al., 2009).
2.3.6 Entorno de simulacin OPNET
La simulacin de procesos utilizando equipos informticos constituye en la actualidad
una herramienta en las reas de ingeniera. Se observa la evolucin de un sistema,
sus caractersticas, propiedades y cambios. El propsito es recrear un escenario lo
ms cercano posible a la realidad para estudiar los resultados obtenidos mediante la
simulacin.
OPNET Modeler proporciona un entorno que contiene varias libreras para simular
diferentes sistemas de red. Los desarrolladores del software han diseado escenarios
que contienen el protocolo IEEE 802.16TM (Gonzlez Rojas y Gonzlez Gamero,
2009).
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26
OPNET Modeler es una plataforma de simulacin orientada a las
telecomunicaciones. Adems proporciona acceso directo al cdigo fuente de los
dispositivos diseados con lo cual opcionalmente se puede adaptar el modelo a las
caractersticas del programador.
OPNET Modeler es un software propietario que permite simular sistemas de redes
de comunicaciones y con los resultados obtenidos evaluar el comportamiento del
sistema en el dominio del tiempo, se pueden configurar diferentes escenarios, tales
como: diferentes tipos de trfico, cadas de enlaces, prdida de conexiones entre
terminales y la estacin base, prdida de paquetes, entre otros (OPNET, 2011).
Este software se desarroll en el ao 1984 en el Instituto de Tecnologa de
Massachusetts MIT (siglas en ingls de Massachussets Institute of Technology) por
cientficos e investigadores del Laboratorio de Informacin y Decisin de Sistemas
LIDS (siglas en ingls de Laboratory for Information and Decision Systems).
OPNET Modeler describe una jerarqua en su diseo que siguen los modelos
predeterminados en el software y contiene una interfaz de usuario bastante
amigable, razones que catalogan al sistema como una herramienta de simulacin
grfica de fcil manejo y adaptacin.
Los niveles de jerarqua se muestran a continuacin (Gonzlez Rojas y Gonzlez
Gamero, 2009):
Modelo de Red: Es el entorno grfico en donde se define la red y subredes con sus
respectivos componentes que pueden ser: enlaces, estaciones, terminales,
servidores, mdulos de configuracin, entre otros. Es decir se crea la topologa de red
con sus respectivas conexiones fsicas o lgicas.
-
27
Modelo de nodo: Es el entorno grfico en donde se visualiza y se define la
estructura interna de cada dispositivo que integra la red. Internamente cada nodo
tiene uno o varios mdulos que determinan las funciones especficas y el rol que
desempean en la simulacin del sistema.
Modelo de proceso: Constituye los estados que definen la funcin de cada nodo. El
modelo de proceso permite al usuario programar en lenguaje C++ las funciones de
cada mdulo. La opcin de modificar el cdigo fuente de los programas
predeterminados permite ajustar el modelo a los requerimientos del diseo.
La funcionalidad de cada mdulo se define a travs de modelos de procesos que se
representan mediante mquinas de estados finitos FSM (siglas en ingls de Finite
State Machine). Las transiciones entre estados pueden ser condicionales o
incondicionales.
La simulacin de una red es un proceso secuencial que define las siguientes etapas
(Hernndez Lpez, et al., 2009):
- Especificar el diseo del modelo a estudiar. Creacin de la topologa de red.
- Elegir los datos a recolectar y ejecutar la simulacin.
- Analizar y validar los resultados obtenidos.
Una simulacin consta de varios eventos que describen los sucesos generados en
determinado momento. OPNET Modeler maneja una lgica bsica de programacin,
se pueden activar variables estadsticas en los puntos que se desea evaluar, por
ejemplo, para observar los paquetes que transmite una estacin base, se busca y se
selecciona la variable correspondiente dentro de la lista de variables que tiene dicho
transmisor.
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En resumen, el captulo II presenta el marco histrico del estndar IEEE 802.16TM, su
creacin, proceso de consolidacin y apoyo empresarial que recibe en la actualidad.
Se analiza WiMAX desde un contexto comercial considerando las oportunidades de
desarrollo e inclusin en la industria de telecomunicaciones inalmbricas fijas y
mviles. Con detalle se explican las condiciones y limitantes en los ambientes que
WiMAX opera as como sus caractersticas tcnicas, variantes, y opciones que ofrece
cada modificacin que ha tenido.
De manera general se explica la lgica del funcionamiento del entorno y mdulos de
OPNET y las etapas de simulacin que se requieren para la obtencin de resultados.
-
29
CAPTULO III
Modelos de Propagacin
Un modelo de propagacin bsicamente predice lo que suceder con la seal
transmitida entre el transmisor (Tx) y el receptor (Rx). La ruta que sigue la seal
desde el origen a su destino puede ser un ambiente en el cual exista lnea de vista o
un ambiente con una gran cantidad de obstculos tales como montaas, edificios o
rboles.
Un modelo de propagacin se define como el conjunto de expresiones matemticas
que se utilizan para predecir la prdida de una seal inalmbrica o seal RF (siglas de
radio frecuencia) en la trayectoria de recorrido entre una estacin base emisor y un
cliente receptor fijo o mvil. Las prdidas de seal se expresa en decibeles (Camargo
Olivares y Hornillo Mellado, 2009).
El objetivo de utilizar y aplicar modelos de prediccin para modelar canales de radio
con la informacin de las caractersticas de trayectoria entre su origen y destino, es
conocer la viabilidad del proyecto en estudio, de esta manera se podr hacer una
estimacin acerca de las especificaciones tcnicas y la capacidad de los equipos
requeridos tomando en cuenta sus costos.
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30
3.1 Clasificacin de modelos de propagacin
Los modelos de propagacin generalmente se clasifican en los siguientes tipos:
empricos o estadsticos, tericos o deterministas y en una combinacin de estos dos
llamados semi empricos (Ishak, 2006).
3.1.1 Modelos empricos
Este tipo de modelos trabajan con la extrapolacin estadstica de resultados a partir
de mediciones previamente realizadas sobre el terreno. Se desarrollan en base a
mediciones realizadas en laboratorio o con modelos a escala de los ambientes de
propagacin. La principal ventaja de los modelos empricos es que manejan de forma
implcita todos los factores de propagacin que influyen en el entorno. Su precisin
depende de la exactitud de las medidas y de la similitud entre el entorno donde
fueron llevadas a cabo las medidas y el entorno a analizar.
3.1.2 Modelos tericos
Predicen en base a los principios fundamentales del medio que se desea modelar, por
ejemplo los principios de la fsica si se modelan fenmenos fsicos. La precisin en los
clculos es su principal ventaja. Para utilizar estos modelos se requiere grandes
bases de datos con las caractersticas del entorno a estudiar, informacin que
generalmente es difcil de obtener. Maneja algoritmos complejos y
computacionalmente poco eficientes. Por esta razn su implementacin se limita a
pequeas reas.
-
31
3.1.3 Modelos semi empricos
Los resultados que estos modelos generan tienen distribucin de probabilidad.
Combinan leyes fsicas del fenmeno a modelar y factores de correccin empricos
que adaptan el modelo al entorno en el que se desea trabajar.
La figura 2 explica grficamente la clasificacin de los modelos de propagacin.
Figura 2. Clasificacin de modelos de propagacin.
WiMAX 802.16TM en su versin lanzada en enero 2003 describe tecnologa de
sistemas que trabajan en la banda de frecuencia que va de 2 GHz a 11 GHz. Estas
especificaciones hacen que el estndar IEEE adems de admitir enlaces en
condiciones de lnea de vista LOS (siglas en ingls de Line Of Sight) soporte el
funcionamiento de enlaces en condiciones sin lnea de vista NLOS (siglas en ingls de
Non Line Of Sight) obteniendo como resultado una mejor cobertura para los clientes.
MODELO SE BASA EN
LEYES FSICAS?
MODELO SE BASA EN MEDIDAS
EXPERIMENTALES
MODELO EMPRICO
FACTORES DE CORRECCIN EMPRICOS
MODELO SEMI-EMPRICO
MODELO TERICO
SI
NO
SI
NO
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32
3.2 Propagacin con lnea de vista LOS
En los enlaces con lnea de vista (LOS) la onda electromagntica viaja directamente
sin obstrucciones entre la estacin transmisora y el receptor. Un enlace en estas
condiciones demanda que la mayor parte de la primera zona de Fresnel 60% est
libre de obstculos, en caso de no cumplir con esta condicin la intensidad de la seal
presentar una reduccin significativa (Calvillo, 2004).
La zona de despeje de Fresnel que se requiere para establecer un enlace depende de
la distancia entre el transmisor y el receptor y de la frecuencia de operacin (IEEE,
2004). Para delimitar la zona de Fresnel, debemos determinar la lnea de vista de
radio frecuencia (RF LOS), la cual es una segmento de recta entre las antenas
transmisora y receptora.
La zona que rodea el RF LOS se denomina zona de Fresnel. El radio de la seccin
transversal r de la primera zona de Fresnel tiene su mximo valor en el centro del
enlace, como se observa en la figura 3 (Snchez Sierra, 2007).
Figura 3. Enlace con lnea de vista LOS.
Para calcular la primera zona de Fresnel se utiliza la ecuacin (1) (Pietrosemoli y
Pietrosemoli, 2008).
-
33
() = 17.31 1 (2)
() (1)
Donde:
() = radio de la primera zona de Fresnel en m
= frecuencia en GHz
= distancia total entre el transmisor y receptor en Km
1 = distancia desde el obstculo al extremo emisor en Km
2 = distancia desde el obstculo al extremo receptor en Km
3.3 Propagacin sin lnea de vista NLOS
Como se observa en la figura 4, cuando existe un enlace sin lnea de vista (NLOS) la
onda electromagntica no viaja directamente entre la estacin transmisora y el
receptor, existen en el trayecto objetos que interfieren con la transmisin y hacen
que la seal llegue al receptor por medio de dispersiones, refracciones, difracciones y
reflexiones.
Las seales que alcanzan al receptor son componentes del camino directo, caminos
reflejados mltiples, energa de dispersin y caminos de propagacin por difraccin.
Las seales poseen distintos retardos, polarizaciones, atenuaciones y estabilidad
relativos al camino directo (Snchez Sierra, 2007).
Figura 4. Enlace sin lnea de vista NLOS.
-
34
Existen varios modelos que intentan caracterizar este entorno de radio frecuencia.
Estos modelos usados para predecir coberturas de gran escala para sistemas de
comunicaciones inalmbricas se basan en mediciones empricas y proveen
estimaciones de prdida de trayecto considerando la distancia entre el transmisor y el
receptor, la frecuencia de operacin, factores de terreno y altura de las antenas tanto
en Tx como en Rx.
3.4 Modelos de propagacin para WiMAX
En el diseo de una red WiMAX es fundamental considerar la cobertura que se desea
lograr en un enlace de comunicacin, razn por la cual se debe contar con un modelo
de prediccin que permita calcular la prdida de potencia que sufrir una seal al
transmitirse en un ambiente determinado.
Actualmente existe gran cantidad de modelos para determinar las prdidas de
propagacin en comunicaciones inalmbricas, por tal motivo, se consideran
nicamente modelos empricos especficamente elaborados para sistemas con
tecnologa WiMAX, cuyas mediciones se realizaron en ambientes en donde la
expansin de la onda no viaja directamente entre el emisor y el receptor, es decir
condiciones del canal de comunicacin sin lnea de vista NLOS.
Generalmente se afirma que los modelos existentes ofrecen un patrn de curvas
similares, no obstante puede generarse una considerable diferencia en los resultados
que cada modelo arroja, esta divergencia se relaciona con las constantes que
cambian segn las condiciones del terreno u orografa en donde se estudia la red,
altura de las antenas, distancia entre el transmisor y receptor, frecuencias de
operacin y con los diferentes tipos de ambiente que pueden ser urbano, suburbano
y rural.
-
35
Del gran conjunto de modelos de propagacin existentes, los clculos para predecir el
comportamiento de las ondas de radio se realizan en base a bibliografa de los
modelos de propagacin que pueden ajustarse para trabajar en las bandas de
frecuencia de 3 GHz, 5.8 GHz y superiores, estos son los siguientes:
- Modelo de Propagacin en Espacio Libre
- Modelo de Propagacin Okumura
- Modelo de Propagacin COST 231 Hata
- Modelo de Propagacin SUI (siglas en ingls de Stanford University Interim)
- Modelo de Propagacin Modelo ECC-33
3.4.1 Modelo de propagacin en Espacio Libre
El modelo de propagacin en Espacio Libre FSPL (siglas en ingls de Free Space Path
Loss Model) es un conjunto de expresiones matemticas que se utilizan para calcular
la propagacin general de una seal. Representa el rango de comunicacin como un
crculo alrededor del transmisor, de manera que si un receptor se ubica dentro del
crculo ste recibe toda la informacin, caso contrario los paquetes se pierden en su
totalidad.
FSPL define la cantidad de fuerza que la seal pierde durante la propagacin entre el
transmisor y el receptor. La propagacin en Espacio Libre depende de la frecuencia y
de la distancia del enlace. El clculo se hace mediante el uso de la ecuacin (2)
(Amarasinghe, Peiris, Thelisinghe, Warnakulasuriya, y Samarasinghe, 2009).
() = 32.45 + 20 10 + 2010() (2)
Donde:
-
36
() = prdida de propagacin en espacio libre expresada en dB
= frecuencia en MHz
= distancia entre el transmisor y el receptor en Km
3.4.2 Modelo de propagacin Okumura
El mtodo de Okumura se desarroll en un sector urbano de la ciudad de Tokio
Japn. Este modelo se basa en valores medidos y en mtodos estadsticos con los
cuales se calcul el valor medio del campo de fuerza y algunos factores de correccin
como son: el grado de urbanizacin, el grado de irregularidad del terreno y la
ubicacin de la radio base receptora con respecto a montaas cercanas.
Este modelo no se debe usar para frecuencias inferiores a los 150 MHz. El mtodo
de Okumura es el ms utilizado para diseo de redes celulares en sistemas de 800
MHz y especficamente para coberturas en reas urbanas.
Es aplicable en un rango de frecuencias que van desde los 150 a 1920 MHz y se
puede extrapolar a 3 GHz con distancias de 1 a 100 km. La altura de la antena de la
estacin base puede estar en el rango de 30 a 1.000 metros. El clculo se hace
mediante el uso de la ecuacin (3) (Jankiraman, 2004).
= + , () () (3)
Donde:
= prdida de propagacin en dB
= frecuencia en MHz
= distancia entre el transmisor y el receptor en Km
= altura antena del transmisor en m
-
37
= altura antena del receptor en m
= prdida de propagacin en espacio libre expresada en dB
, = atenuacin con relacin al espacio libre en dB
() = factor de ganancia con relacin al transmisor en dB
() = factor de ganancia con relacin al receptor en dB
= ganancia debido al tipo de medio ambiente en dB
La atenuacin y factores de ganancia se calculan en base a las ecuaciones (4) y (5).
() = 20 10
200 , 1000 > > 30 (4)
() = 10 10
3 , 3
20 10
3 , 10 > > 3
(5)
La figura 5 proporciona los valores de , y (Mohammad y Abdulla,
2009).
Figura 5. Curvas de Okumura.
-
38
3.4.3 Modelo de propagacin COST 231 Hata
Este modelo se utiliza principalmente para predecir prdidas por trayectoria en
sistemas inalmbricos mviles, aunque tambin se usa alternativamente para
aplicaciones fijas en la banda de 3.5 GHz. El modelo incluye correcciones para
ambientes urbanos, suburbanos y rurales.
COST 231 Hata es un modelo creado por la Cooperacin Europea para la
Investigacin Cientfica y Tcnica (EURO-COST) con el objetivo de tener una mejor
correspondencia con las curvas de Okumura. El rango de frecuencias que maneja
vara entre los 1500 y 2000 MHz.
Este modelo se restringe a una altura de la antena del transmisor de 30 m a 200 m,
altura de la antena del receptor de 1 m a 10 m y una distancia entre el transmisor y
el receptor de 1 Km a 20 Km. El clculo se hace mediante el uso de la ecuacin (6)
(Goldsmith, 2005).
= 46.3 + 33.910 13.8210
+ 44.9 6.5510 10 + (6)
Donde:
= prdida de propagacin en dB
= frecuencia en MHz
= distancia entre el transmisor y el receptor en Km
= altura antena del transmisor en m
= factor de correccin en dB
= parmetro de correccin
-
39
El parmetro se define con una cantidad constante de acuerdo al ambiente de
propagacin en el cual se trabaja. El detalle de su valor se muestra en la tabla 2.
Entorno [dB]
Para ciudades urbanas densas (Edificios altos de ms de 7 pisos) 3
Para ciudades urbanas medias (Edificios ms pequeos con calles
pequeas y medianas) 0
Para ciudades urbanas medias con calles anchas -5
Para entornos suburbanos con pequeos edificios -12
Para entornos mixtos, pueblo y rural -20
Para entornos rurales con pocos rboles y casi sin colinas -26
Tabla 2. Valores de para el modelo de propagacin COST 231 Hata.
Para ambientes urbanos se calcula con la ecuacin (7) (Sharma y Singh, 2010):
= 3.20(10 11.75 )2 4.79 > 400 (7)
Donde:
= altura antena del receptor en m
Para reas suburbanas y reas rurales se calcula con la ecuacin (8).
= 1.1110 0.7 1.510 0.8) (8)
Aunque COST 231 Hata est predeterminado para ambientes urbanos, se definen las
ecuaciones (9) y (10) para correcciones en el cmputo de prdidas de propagacin
en ambientes suburbanos y rurales respectivamente (Almeida, 2010).
-
40
= () 2 log10
28
2
5.4 (9)
= 4.78 log10 f 2
+ 18.33 log10 f 40.94 (10)
3.4.4 Modelo de propagacin SUI
El modelo SUI del ingls Stanford University Interim se desarroll por el Grupo de
Trabajo de Acceso Inalmbrico de Banda Ancha de la IEEE, es una extensin del
modelo Hata con parmetros de correccin para frecuencias superiores a 1900 MHz.
El estndar IEEE 802.16TM recomienda el uso de SUI para la estimacin de cobertura
en sistemas con tecnologa WiMAX (Mohammad y Abdulla, 2009).
Este modelo contempla tres clases de escenarios rurales.
- Terreno tipo A: se caracteriza por ser un terreno montaoso con moderada a
alta densidad de rboles, este escenario es el que genera mayor prdida por
trayectoria.
- Terreno tipo B: considera terrenos llanos con una densidad alta de rboles o
terrenos montaosos con una densidad baja de rboles.
- Terreno tipo C: representa terrenos llanos con baja densidad de rboles, este
escenario es el que genera menor prdidas por trayectoria.
Inicialmente el modelo SUI se propuso para trabajar en la banda de 1.9 GHz, en la
actualidad se incluyen parmetros de correccin para extender el uso de SUI a
frecuencias en la banda de 3.5 GHz y superiores. El clculo se hace mediante el uso
de la ecuacin (11) (Milanovic, Rimac-Drlje, y Bejuk, 2007).
-
41
() = + 1010
0 + + + > 0 (11)
Donde:
() = prdida de propagacin en dB
= parmetro de correccin
= ruta de prdida
= distancia entre el transmisor y el receptor en m
0 = distancia de referencia entre 100 y 1000 m
= factor de correccin para frecuencias superiores a 2 GHz en MHz
= factor de correccin para la altura de la antena del receptor en m
= factor de correccin de sombras en dB
El parmetro de correccin se calcula con la ecuacin (12).
= 2010 40
(12)
Donde = longitud de la onda en m. Ver ecuacin (13).
=
(13)
Donde = velocidad de la luz 3108 m/s y = frecuencia de operacin. Tomando en
cuenta una frecuencia de 5.8 GHz (equivalente a 5.8109 ), el valor de se define
en la ecuacin (14).
=3108
5.8109 (14)
La ruta de prdida se calcula con la ecuacin (15).
-
42
= +
(15)
Donde a, b, c son constantes que dependen del tipo de terreno en el cual se trabaja
(las constantes se exponen en la tabla 3) y = altura de la antena de la estacin
base en el rango de 10 a 80 m.
Terreno A Terreno B Terreno C
a 4.6 4.0 3.6
b (m-1) 0.0075 0.0065 0.005
c (m) 12.6 17.1 20
Tabla 3. Valores de a, b, c para el modelo de propagacin SUI.
Los factores de correccin y se calculan con las ecuaciones (16) y (17)
respectivamente.
= 6.010
2000 (16)
= 10.810
2000
20.010
2000
(17)
Donde:
= frecuencia en MHz
= altura antena del receptor en el rango de 2 a 10 m
El factor de correccin corresponde a un valor constante de 10.6 dB para terreno
tipo A, 9.6 dB para terreno tipo B y 8.2 dB para terreno tipo C.
-
43
3.4.5 Modelo de Propagacin ECC-33
El modelo original de Okumura no proporciona soporte para trabajar con frecuencias
de ms de 3 GHz, por tal razn la Unin Internacional de Telecomunicaciones ITU
(siglas en ingls de International Telecommunication Union) inst a este modelo su
expansin para frecuencias de hasta 3.5 GHz, con lo cual se crea el modelo ECC-33
como una extrapolacin de las medidas originales de Okumura (Mohammad y
Abdulla, 2009).
Este modelo se desarroll por el Comit de Comunicaciones Electrnicas ECC (siglas
en ingls de Electronic Communication Committee) (Sharma y Singh, 2010).
La prdida en el trayecto para el modelo ECC-33 se calcula con la ecuacin (18).
() = + (18)
Donde:
() = prdida de propagacin en dB
= prdida de propagacin en espacio libre expresada en dB
= perdida de propagacin media
= factor de correccin para la altura de la antena del transmisor en m
= factor de correccin para la altura de la antena del receptor en m
La prdida de propagacin media se calcula con la ecuacin (19).
= 20.41 + 9.8310 + 7.89410 + 9.56 10() 2 (19)
Donde = frecuencia en GHz y = distancia entre el transmisor y el receptor en Km.
-
44
El factor de correccin se calcula con la ecuacin (20).
= 10
200 13.958 + 5.8 10()
2 (20)
Donde = altura antena del transmisor en m.
El factor de correccin para ciudades medianas se calcula con la ecuacin (21) y
para ciudades grandes se calcula con (22).
= 42.57 + 13.710 10 0.585 (21)
= 0.759 1.862 (22)
Donde = altura antena del receptor en m.
Las mediciones para validar el modelo ECC33 se realizaron en la ciudad de Tokio,
factores como la poblacin y la existencia de altos edificios se tomaron en cuenta
inicialmente, por esta razn el parmetro de correccin para ciudades medianas es
apropiado para urbes europeas (Mohammad y Abdulla, 2009).
3.5 Enlaces inalmbricos
3.5.1 Potencia recibida
En sistemas de comunicaciones inalmbricas la informacin se transmite a travs de
ondas electromagnticas entre la estacin base y la estacin suscriptora. Durante la
propagacin, las ondas interactan con el medio ambiente lo que causa prdida de
propagacin. La prdida de propagacin se define con la ecuacin (23) (Milanovic, et
al., 2007).
-
45
() = + + (23)
Donde:
() = prdida de propagacin en dB
= potencia de transmisin en dBm
= ganancia de la antena de transmisin en dBi
= ganancia de la antena de recepcin en dBi
= potencia de recepcin en dBm
= prdida de lnea del transmisor en dB
= prdida de lnea del receptor en dB
Consecuentemente, la potencia recibida expresada en dBm se formula con la
diferencia entre potencia de transmisin y prdida de propagacin, sumando las
ganancias de las antenas y restando las prdidas de las lneas tanto del emisor como
del receptor. Ver ecuacin (24).
() = + + (24)
3.5.2 Sensibilidad de recepcin
La sensibilidad de recepcin en un sistema con tecnologa WiMAX es un parmetro
fundamental que complementa la calidad y rendimiento del enlace ya que precisa el
valor mnimo de potencia que la antena requiere para lograr extraer o decodificar
informacin y alcanzar una determinada tasa de transferencia.
Por ejemplo, al hacer una analoga entre dos personas que mantienen una
conversacin, se puede comparar la sensibilidad de recepcin de un equipo con la
caracterstica de que tan fino es el odo de la persona que escucha para poder
-
46
entender lo que el emisor dice; y la potencia de transmisin de un equipo con la
fuerza del timbre de voz que la persona utiliza para comunicar su mensaje. De
manera que si no existe la sensibilidad de recepcin suficiente la persona que
escucha no captar el mensaje, la informacin se perder en el espectro, el emisor
deber reenviar su mensaje con lo cual la velocidad de comunicacin disminuir; de
igual forma si no existe la potencia de transmisin conveniente por mas fino que
sea el odo del receptor no se podr establecer comunicacin. De ah que estos dos
parmetros se complementan, por lo tanto cuanto ms baja o fina sea la
sensibilidad, mejor ser la recepcin del equipo.
3.5.3 Ganancia de la antena
Un factor adicional en la comunicacin a travs de ondas de radio frecuencia es la
ganancia de la antena, determina cuanta energa adicional capta una antena para ser
entregada a la estacin, dicho de otra forma la ganancia de una antena es la
capacidad de direccionar la seal de RF en un sentido de difusin disminuyendo la
energa irradiada en otras direcciones. A mayor ganancia mas direccional es una
antena, cumbre mayores distancias y aumenta la exactitud para su alineacin y
montaje (Empretel, 2004).
Se expresa en dBi (dB = decibeles, i = antena isotrpica) decibeles con referencia a
una antena isotrpica llamada tambin antena omnidireccional cuyo patrn de
irradiacin cubre un rea de 360.
La ganancia es directamente proporcional a la potencia recibida e inversamente
proporcional a la prdida de propagacin. A mayor ganancia menor prdida de
propagacin consecuentemente la potencia recibida se incrementa. En materia de
-
47
economa una antena con mayor ganancia genera un crecimiento exponencial en sus
costos.
3.5.4 Margen de desvanecimiento
Margen de desvanecimiento llamado tambin FM (siglas en ingls de Fading Margen)
es un parmetro de diseo que se analiza en funcin de la confiabilidad que se
requiere en el enlace inalmbrico. Generalmente se usa un valor de 10 dB como
mnimo margen de operacin, no obstante se utiliza un valor mayor de FM que va de
15 a 20 dB en reas que presentan comportamientos complejos y cambiantes del
clima.
Cuanto mayor es el margen de desvanecimiento utilizado, existir mayor confiabilidad
del enlace por consiguiente ser menor la posibilidad de prdida de paquetes. FM se
define como la diferencia en dB entre la potencia recibida y la sensibilidad de
recepcin. Ver ecuacin (25) (Empretel, 2004).
() = (25)
Donde:
() = margen de desvanecimiento en dB
= potencia de recepcin en dBm
= sensibilidad de recepcin en dBm
Aplicar las frmulas para el clculo de potencia recibida en escenarios reales
constituye el sustento terico que garantiza la viabilidad tcnica del proyecto en
estudio, por tal motivo este captulo concluye con el anlisis de resultados obtenidos
-
48
al computar PR en los enlaces de radio frecuencia propuestos (punto a punto y punto
a multipunto) para implementar la red inalmbrica de banda ancha con tecnologa
WiMAX para el Estado de Colima.
La tabla 4 registra el valor de los parmetros que se utiliza en la ecuacin que
obtiene el valor de . Para visualizar con mayor detalle las especificaciones tcnicas
de los equipos utilizados revisar el Anexo A.
Parmetro Valor
-96 dBm
20 dBm
16 dBi
16 dBi
2 dB
2 dB
De acuerdo al modelo de
propagacin que se utilice dB
Tabla 4. Especificaciones tcnicas de estaciones WiMAX.
3.6 Estudio de lnea de vista para conexiones punto a punto
Para establecer un enlace de comunicacin troncal entre dos puntos geogrficamente
distantes surge la incgnita de conocer cul es la mejor forma para comprobar si las
antenas del transmisor y el receptor pueden verse y no existen obstculos que
obstruyan el paso o incluso causar reflexiones. Ante esta realidad la solucin es
realizar un estudio de lnea de vista que consiste en un anlisis topogrfico del
terreno.
-
49
El trmino topografa proviene de dos trminos griegos: topos que significa lugar y
grafa que significa descripcin, en este sentido elaborar este estudio nos permite
proyectar y visualizar digitalmente la superficie terrestre y la proporcin de terreno
que existe de una ubicacin geogrfica a otra mediante la combinacin de tres
magnitudes: distancia, elevacin y direccin (Casanova, 2003).
El estudio de lnea de vista se subdivide en 3 etapas: levantamiento de informacin,
clculo y reporte de resultados. Para el diseo de la red WiMAX propuesto se utiliz la
aplicacin en lnea Hey Whats That (Kosowsky, 2011) con el propsito de realizar el
anlisis de LOS en los enlaces que la conforman.
Las coordenadas de los puntos que se requieren enlazar se levantaron con la ayuda
del software GoogleTM Earth V6.0, con la ubicacin digital de estos datos Hey Whats
That automticamente realiza la triangulacin geogrfica generando como resultado
un perfil topogrfico que determina la factibilidad del enlace evaluado.
En el diseo de la red inalmbrica de banda ancha con tecnologa WiMAX para el
Estado de Colima se proponen 4 enlaces troncales con lnea de vista que forman la
dorsal central de comunicacin, conducto principal encargado de comunicar
segmentos entre s. Tanto la ubicacin especfica de torres y antenas como su
justificacin y cobertura se exponen en el siguiente captulo.
El estndar WiMAX a ms de ser una tecnologa de acceso a ltima milla (punto a
multipunto) puede adaptarse y configurarse para establecer comunicacin en enlaces
troncales punto a punto. La versatilidad del protocolo es una de sus principales
caractersticas.
-
50
Aunque en la simulacin de la red que se explica en captulo IV la conexin de la
dorsal central de comunicacin se realiza con fibra ptica, el anlisis de lnea de vista
que se muestra en esta seccin garantiza que opcionalmente se puede interconectar
el anillo principal de comunicacin mediante tecnologa inalmbrica WiMAX.
La figura 6 muestra los enlaces troncales punto a punto y la ubicacin de las
estaciones base que se propone para formar la dorsal principal en la red del Estado
de Colima.
Figura 6. Dorsal principal de comunicacin.
En la fase de implementacin fsica de la red Estatal, una empresa proveedora de
servicios de Internet ser la responsable de administrar el enlace troncal de fibra
ptica mencionado anteriormente, sin embargo, el diseo de la red soporta que la
misma opere inalmbricamente ante cualquier contingencia que se presente.
Se describe en la tabla 5 los kilmetros de distancia en lnea recta que existen de un
punto geogrfico a otro.
-
51
Enlace Distancia
Cerro La Cumbre Cerro Ocotera 40 Km
Cerro La Cumbre Cerro Alcomn 19 Km
Cerro El Toro Cerro Ocotera 37 Km
Cerro El Toro Cerro Alcomn 62 Km
Tabla 5. Distancia de enlaces troncales.
A continuacin se muestra el perfil topogrfico de los dos enlaces que se originan en
el Cerro La Cumbre con destino al Cerro Ocotera y Cerro Alcomn respectivamente.
Figura 7. Perfil topogrfico La Cumbre Ocotera.
-
52
Figura 8. Perfil topogrfico La Cumbre Alcomn.
En ambos casos se observa claramente que la zona bajo la recta est totalmente libre
de obstculos. En la figura 7 el pico ms alto est presente en el Km 17 del trayecto y
en la figura 8 el pico con ms altura se encuentra en el Km 14, ninguna de estas
cimas afecta la primera zona de Fresnel por lo tanto los dos enlaces son
perfectamente factibles.
Las figuras que a continuacin se presentan, definen visualmente el perfil topogrfico
de los dos enlaces que se originan en el Cerro El Toro con destino al Cerro Ocotera y
Cerro Alcomn respectivamente.
-
53
Figura 9. Perfil topogrfico El Toro Ocotera.
Figura 10. Perfil topogrfico El Toro Alcomn.
En la figura 9 el pico ms alto se observa en el Km 30, la superficie terrestre no
interfiere con la primera zona de Fresnel por lo tanto el enlace se declara factible.
-
54
En la figura 10 se visualiza una situacin diferente con respecto a los anteriores
perfiles. En la parte central del radio enlace existen dos picos altos que obstaculizan
la ruta, en estas condiciones al no existir la altura suficiente para librar la primera
zona de Fresnel la conexin RF no podra lograrse, a pesar de esto, el problema tiene
solucin.
A continuacin se calcula el radio de la primera zona de Fresnel requerido para lograr
establecer el enlace. Ver ecuacin (1).
Se obtiene la ecuacin (26) remplazando los valores de la figura 10 en (1) y
considerando una frecuencia = 5.8 GHz
= 17.31 36 26
5.8 62 (26)
= 27.93 (27)
Para despejar el 100% de la primera zona de Fresnel se necesita una altura de 27.93
metros entre la lnea de vista y el pico ms alto situado en el Km 36. Ver ecuacin
(27). Hay que considerar que el perfil topogrfico toma como referencia la superficie
terrestre para dibujar la recta LOS de un punto a otro.
Este escenario requiere en ambos extremos la existencia de torres con alturas que
alcancen los 17 metros cada una, de esta forma se libra el 60% de la zona de
Fresnel, porcentaje aceptable para considerar factible el enlace.
-
55
3.7 Potencia recibida en enlaces troncales
La figura 11 compara la potencia recibida de los enlaces que forman la dorsal
principal de comunicacin en la red Estatal. Al tratarse de conexiones troncales con
lnea de vista se utiliz el modelo de propagacin en Espacio Libre para obtener el
valor de . Se consideran 10 dB como mnimo margen de operacin para analizar
los resultados.
Figura 11. Potencia recibida enlaces troncales.
Las barras de color azul muestran la potencia recibida con una ganancia de 16 dBi, La
Cumbre Alcomn con 10.7 dB es la nica conexin que obtuvo el margen mnimo
de operacin requerido para considerar confiable el enlace. Las barras de color rojo
indican la potencia recibida con una ganancia de 20 dBi, la calidad en todas las
conexiones mejor notablemente, el nico enlace que no super el mnimo margen
de operacin permitido es El Toro Alcomn con un valor de 8.4 dB.
La Cumbre