WiMAX: Fundamentos y Características Clave

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es el nombre comercial de un grupo de tecnologías inalámbricas que surgieron de la familia de estándares WirelessMAN.

Características del Servicio WiMAX

• Capa física basada en OFDM: Esta modulación se caracteriza por dividir la señal de banda ancha en un número de señales de banda reducida. La modulación OFDM es un caso especial de modulación multiportadora, en donde múltiples datos son transmitidos de forma paralela utilizando diferentes subportadoras con bandas de frecuencias solapadas ortogonalmente. Una característica de OFDM es su capacidad para superar los problemas de propagación que presenta el NLOS (Non-Line-of-Sight). Las señales OFDM tienen la ventaja de ser capaces de operar con retardos de propagación en entornos NLOS y de ser un esquema muy robusto frente al multitrayecto, atenuaciones e interferencias. Además, tienen la capacidad de operar con un retardo de ensanchamiento más grande en el ambiente NLOS.
• Grandes picos de tasas de datos: WiMAX es capaz de soportar elevados picos de tasa de datos. De hecho, las velocidades que puede alcanzar la capa física (PHY) llegan a ser de 74 Mbps cuando opera con un espectro de frecuencia de 20 MHz de ancho de canal.
• Escalabilidad en el ancho de banda y la tasa de datos soportada: WiMAX tiene una arquitectura de capa física escalable, lo que permite que la tasa de datos sea escalable con la disponibilidad de ancho de banda en los canales.
• Modulación y codificación adaptativa: WiMAX soporta un número de esquemas de modulación y de mecanismos de corrección de errores (FEC) y permite que el esquema sea cambiado por usuario y por estructura básica, basándose en las condiciones del canal.
• Retransmisiones en la capa de enlace: Para las conexiones que requieren una alta fiabilidad, WiMAX soporta ARQ (Automatic Retransmission Request), un protocolo de control de errores utilizado en la transmisión de datos, garantizando la integridad de los mismos en la capa de enlace.
• Soporte para multiplexación en tiempo (TDD) y en frecuencia (FDD): En los estándares IEEE 802.16d y 802.16e se soporta tanto Time Division Duplex (TDD) como Frequency Division Duplex (FDD), y permite un modo Half Duplex FDD (HD-FDD), lo que facilita una implementación de bajo coste del sistema.

Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA)

El estándar 802.16e (WiMAX móvil) usa OFDMA, que es similar a OFDM, ya que divide la señal en múltiples subportadoras. OFDMA, sin embargo, va un paso más allá, agrupando subportadoras en subcanales.

Técnicas Avanzadas y Seguridad en WiMAX

• Soporte para técnicas avanzadas de antenas: WiMAX permite el uso de técnicas basadas en múltiples antenas como Beamforming, codificación espacio-tiempo y multiplexación. Estos esquemas pueden ser usados para mejorar la capacidad total del sistema y su eficiencia espectral mediante el uso de múltiples antenas en el transmisor y/o receptor.
• Soporte para calidad de servicio (QoS): La capa MAC de WiMAX está orientada a conexión, diseñada para admitir una variedad de aplicaciones, incluyendo servicios multimedia y de voz. El sistema soporta tasas de bit constantes y tasas de bit variables, y soporta flujos de tráfico en tiempo real, así como los que no lo son. WiMAX está diseñado para soportar un gran número de usuarios, con múltiples conexiones por terminal, cada una con sus propios requisitos de calidad de servicio.
• Seguridad robusta: WiMAX admite un cifrado fuerte usando AES, que es un esquema de cifrado por bloques, y tiene un protocolo robusto de privacidad y gestión de claves. Además, el sistema ofrece una arquitectura muy flexible de autenticación basada en el protocolo EAP.
• Soporte para movilidad: La variante móvil de WiMAX tiene un mecanismo para soportar transferencias seguras y ahorro de energía para prolongar la duración de las baterías de los dispositivos portátiles. También se añaden mejoras en el nivel físico como una estimación más frecuente del canal, subcanalización del enlace ascendente y control de energía.
• Arquitectura basada en IP: El WiMAX Forum ha definido una arquitectura de red basada en plataformas IP.

Capas Fundamentales de WiMAX

Capa Física de WiMAX

La capa física de WiMAX se basa en la multiplexación por división ortogonal en frecuencia (OFDM). OFDM es un esquema de transmisión que permite la transmisión de datos de alta velocidad, video y comunicaciones multimedia. OFDM es un esquema eficiente para transmisión de elevadas tasas de datos en entornos sin visión directa y con distorsión multitrayecto. OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión llamada modulación multiportadora, que se basa en la idea de dividir un determinado flujo de datos en varios flujos y modular cada flujo con portadoras distintas (llamadas subportadoras). Los esquemas de modulación multiportadora minimizan la interferencia intersímbolo (ISI) al hacer que la duración del símbolo transmitido sea lo suficientemente larga para que el retraso introducido por el canal sea una fracción insignificante de la duración del símbolo.

Modulación y Codificación en WiMAX

WiMAX soporta una variedad de esquemas de modulación y codificación que permite que el esquema cambie en cada ráfaga, dependiendo de las condiciones del canal. La estación base puede medir la calidad del enlace ascendente y descendente de cada usuario, y así asignarle una modulación y una codificación que maximice la tasa de transferencia para la relación señal/ruido disponible. Por lo tanto, la modulación y codificación adaptativa incrementa significativamente la capacidad de todo el sistema y permite la compensación en tiempo real entre la tasa de transferencia y la robustez de cada enlace.

Capa de Control de Acceso al Medio (MAC) en WiMAX

La principal tarea de la capa MAC de WiMAX es proporcionar una interfaz entre la capa de transporte y la capa física. La capa MAC toma los paquetes de la capa inmediatamente superior, denominados Unidades de Datos de Servicio MAC (MSDU), y los organiza dentro de los paquetes llamados Unidades de Datos de Protocolo MAC (MPDU) para transmitirlos por el aire. Para la recepción, la capa MAC realiza el proceso a la inversa. La capa MAC, encargada de coordinar el acceso al medio, está compuesta por 3 subcapas:

1. Subcapa MAC de Convergencia (CS): Es la encargada de adaptar las unidades de datos de protocolos de alto nivel al formato MAC SDU y viceversa. Se encarga de transformar los datos de las redes externas y pasarlos a la subcapa MAC común convertidos en Unidades de Datos de Servicio (SDU), que son las unidades de datos que se transfieren entre capas adyacentes. Se encuentra sobre la subcapa MAC común y utiliza los servicios provistos por esta. También se encarga de clasificar las SDU de la MAC entrantes a las conexiones a las que pertenecen.
2. Subcapa MAC Común (MAC CPS): Es el núcleo de toda la capa MAC. Provee los servicios de acceso al sistema, asignación de ancho de banda, establecimiento y mantenimiento de la conexión, y se establecen las Unidades de Datos de Protocolo (PDU). También se encarga de realizar el intercambio de la unidad de servicios de datos de la capa MAC (SDU) con la capa de convergencia. Esta subcapa se encuentra fuertemente ligada con la capa de seguridad. En esta subcapa se prestan los servicios de planificación que representan los mecanismos de manipulación de datos soportados por el planificador de la MAC para el transporte de datos en una conexión, cada una de las cuales está asociada a un solo servicio de datos, el cual, a su vez, está asociado a unos parámetros de QoS que determinan su comportamiento.
3. Subcapa MAC de Seguridad: Presta los servicios de autenticación, intercambio seguro de claves y cifrado. Permite proveer a los usuarios un servicio de banda ancha seguro a través de su conexión fija mediante el cifrado de las conexiones, y al operador protegerse contra las conexiones no autorizadas forzando el cifrado. La subcapa de seguridad es la encargada de la autenticación, establecimiento de claves y cifrado. Es aquí donde se realiza el intercambio de los PDU de la MAC con la capa física.

Fundamentos de ATM (Asynchronous Transfer Mode)

La subcapa TC da formato a los bits captados por la subcapa PM para adaptarlos al protocolo utilizado (normalmente SDH, Synchronous Digital Hierarchy). También se ocupa de generar el HEC y de la detección de los límites de las celdas por el método de alineación de celdas mediante el campo HEC.

Utilización del HEC

Se comprueba, para cada 40 bits, si el HEC es válido. Si no lo es, se desplaza 1 bit; si lo es, se decide que es una cabecera y que el sistema se ha sincronizado.

Principios de ATM

ATM proporciona una serie de ventajas con respecto a otros métodos de transmisión: flexibilidad a cambios futuros, uso eficiente de los recursos disponibles (ancho de banda) y una red universal.

Las principales características de ATM son las siguientes:

• No hay control de flujo ni recuperación de errores. Aunque se exige a la red una probabilidad de pérdida de paquetes inferior a 10^-12. Esta probabilidad de error se alcanza mediante el uso de cableado de alta fiabilidad (como la fibra óptica), una correcta gestión de los recursos disponibles y un adecuado dimensionamiento de las colas.
• ATM opera en modo conexión.

La sobrecarga de información de la cabecera es baja, con lo que se consiguen velocidades de conmutación muy altas. Las funciones de la cabecera se reducen a:

• Identificación de la conexión a la que pertenece cada paquete.
• Conmutación de paquetes.
• Multiplexación de varias conexiones por un único enlace.
• Detección y corrección de errores.

El campo de información (payload) es pequeño para reducir el tamaño de las colas en el conmutador, disminuyendo así el retardo de los paquetes.

Paquetes de longitud fija, llamados celdas, lo que simplifica la conmutación de datos.

Campos de una Celda ATM

Una celda ATM está formada por 53 bytes: 5 bytes de cabecera y 48 bytes de datos. Son estructuras de datos de 53 bytes compuestas por dos campos principales:

1. Header: Sus 5 bytes tienen tres funciones principales: identificación del canal, información para la detección de errores y para indicar si la celda está o no utilizada. Eventualmente, puede contener también corrección de errores y un número de secuencia.
2. Payload: Contiene 48 bytes, fundamentalmente con datos del usuario y protocolos AAL, que también son considerados como datos del usuario.

Ejercicio 3: Cálculo de Tasa de Transmisión Efectiva en Redes LAN

En un edificio se han instalado tres redes de área local conectadas entre sí, tal como muestra la figura. La red LAN2 es una red de anillo de testimonios de longitud de anillo 500 m y 16 Mbit/s de tasa de transmisión. Los puentes están conectados a una distancia de 250 m entre sí sobre la red de anillo. Las redes LAN1 y LAN3 son del tipo Ethernet 10BASE-T de 100 m de longitud. Los puentes almacenan y reenvían las tramas. Las estaciones origen y destino están situadas en los extremos de cada red y no existen más estaciones conectadas. Las estaciones utilizan un protocolo con confirmación, es decir, no envían un nuevo paquete hasta que han recibido la confirmación del anterior. La longitud de los paquetes es de 1000 B. Se pide:

1. Calcula la tasa de transmisión efectiva en el mejor y el peor de los casos.
2. Propón una mejora del protocolo, manteniendo la fiabilidad, que permita aumentar la tasa de transmisión efectiva.

Datos: testigo único, velocidad de propagación = 2·10⁸ m/s, una estación envía y la otra recibe.

Resolución del Ejercicio 3

a) Cálculo de la Tasa de Transmisión Efectiva

Primero, examinamos el mejor caso, que se producirá cuando los puentes conectados a la LAN2 tengan el testigo o esté justo por llegar, por lo que no deberán esperar. Para hallar la tasa de transmisión efectiva, calculamos en primer lugar el tiempo total de transmisión de un paquete y la recepción de su confirmación.

Calculamos el tiempo de propagación en las redes Ethernet 10BASE-T:

Calculamos el tiempo de propagación de la red de anillo:

Calculamos el tiempo de transmisión del paquete en la red Ethernet:

Calculamos el tiempo de transmisión del paquete en la red de anillo:

Ahora podemos hallar el tiempo total, que es la suma del tiempo total que tarda el paquete de datos y el tiempo total del ACK:

Entonces:

Por lo tanto, la tasa de transmisión efectiva en el mejor caso es:

Ahora, hacemos lo mismo pero con el peor caso, que se produce cuando los puentes acaban de soltar el testigo justo en el momento previo a que quieran transmitir y, por ello, deben esperar a que el testigo dé la vuelta entera al anillo.

En primer lugar, calculamos el tiempo de espera del testigo:

Ahora, con los datos obtenidos previamente, podemos obtener la solución:

Entonces:

Por lo tanto, la tasa de transmisión efectiva en el peor caso es:

b) Propuesta de Mejora del Protocolo

Una posible mejora del protocolo consistiría en que, en lugar de enviar un ACK por cada paquete recibido, se envíe al recibir X paquetes. De esta manera, la eficiencia será mayor, ya que si la estación debe esperar la confirmación de recepción por cada paquete, el tiempo que espera hasta enviar el siguiente es bastante elevado. De esta forma, la espera se reduce considerablemente, aunque cuando haya algún paquete erróneo se tardará más en recuperarlo.

Ejercicio 4: Tasa de Transmisión Efectiva con Multiplexación TDM

Considera una red que utiliza multiplexación temporal TDM como mecanismo de control de acceso al medio. Supón que las tramas de datos que transmiten las estaciones son de longitud P, que existen N nodos en la red, que L es la longitud entre los puntos más alejados y que la tasa de transmisión es de R Mbps. Calcula la tasa de transmisión efectiva. ¿Qué sucede si el número de nodos es elevado o la distancia máxima entre nodos es muy grande?

Datos: velocidad de propagación = 2·10⁸ m/s

Resolución del Ejercicio 4

Si utilizamos multiplexación TDM, el tiempo de transmisión de cada estación debe ser, como mínimo, el tiempo necesario para transmitir el paquete de longitud P. Por lo tanto, el tiempo de la ranura temporal será:

Si ahora tenemos en cuenta los N nodos y que hay que esperar N-1 ranuras temporales para transmitir de nuevo, la tasa de transmisión efectiva resultante es:

Si el número de nodos es elevado o la distancia máxima entre ellos es muy grande, la tasa de transmisión efectiva se reducirá en gran medida, como puede observarse en la fórmula hallada.

Ejercicio 5: Red Inalámbrica Compatible con IEEE 802.3

Un fabricante de equipos de comunicaciones ha decidido implementar una red de área local con tecnología sin cables compatible a nivel MAC con el estándar IEEE 802.3. Para hacerlo, ha diseñado una serie de tarjetas de red preparadas con equipos de transmisión y recepción vía radio y una estación base (repetidor). El funcionamiento de la mencionada red consiste en que las estaciones transmiten su información utilizando una portadora analógica de frecuencia F1 y la reciben sobre una portadora de frecuencia F2. La estación base es la encargada de recibir los datos que los equipos transmiten sobre F1 y transferirlos, sin ningún tipo de modificación, sobre la portadora de frecuencia F2. La propia estación base es la que detecta las colisiones (más de una transmisión simultánea sobre la portadora F1) y envía una señal de colisión sobre la portadora F2. A partir de esta descripción y con los siguientes datos:

• Velocidad de propagación = 300.000 Km/s
• Tasa de transmisión = 11 Mbps
• Trama mínima IEEE 802.3 = 64 Bytes
• Trama máxima IEEE 802.3 = 1518 Bytes
• Las estaciones necesitan 0,1 ms para detectar si el canal está ocupado.
• Las estaciones necesitan una media de 10 ms para comenzar a transmitir una trama (sin colisión) en situaciones de tráfico elevado.
• La estación base genera un retardo de propagación de 0,01 ms.

Se pide:

1. ¿Cuál es la distancia máxima entre una estación y la estación base? Considera que todas las estaciones están a la misma distancia de la estación base.
2. ¿Cuál es la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación? Considera que no hay tráfico en la red.
3. ¿Cuál es la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación? Considera que hay tráfico elevado en la red.
4. ¿Cuál es la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación? Considera que no hay tráfico en la red y que las tramas contienen 8 bytes de datos.

Resolución del Ejercicio 5

a) Distancia Máxima entre Estación y Estación Base

Para hallar la distancia máxima entre una estación y la estación base, debemos recordar que en el protocolo CSMA/CD, el tiempo de transmisión de la trama mínima debe ser igual o mayor que el doble del tiempo de propagación entre las estaciones más alejadas.

Calculamos el tiempo de transmisión de la trama mínima:

Calculamos el tiempo de propagación, que es el doble del tiempo de propagación entre una estación y la estación base, sumado con el tiempo de propagación en dicha estación base:

Para hallar la distancia máxima entre una estación y la estación base, debemos aplicar la regla de que el tiempo de transmisión de la trama mínima debe ser igual o mayor que el doble del tiempo de propagación entre las estaciones más alejadas:

Por lo tanto, la distancia máxima es:

b) Tasa Máxima de Transmisión Efectiva (Sin Tráfico)

Para la tasa de transmisión efectiva se utilizarán tramas de longitud máxima, dado que la mayor velocidad se obtiene cuando las tramas son de longitud máxima. Sabiendo que el tiempo de acceso es 0,1 ms y que la tasa de transmisión es de 11 Mbps, obtenemos que el tiempo empleado para cada trama es de:

Por lo tanto, en un segundo se podrán transmitir:

Entonces, la tasa máxima de transmisión efectiva que puede alcanzar una estación en caso de que no haya tráfico en la red es de:

c) Tasa Máxima de Transmisión Efectiva (Con Tráfico Elevado)

Lo calculamos igual que en el caso anterior, pero en este caso el tiempo de acceso cuando el tráfico es elevado es de 10 ms. Por lo tanto:

Por lo tanto:

d) Tasa Máxima de Transmisión Efectiva (Sin Tráfico, 8 Bytes de Datos)

Lo calculamos igual que en los apartados anteriores, pero el tiempo de acceso es de 0,1 ms y los bytes de datos son 8:

Por lo tanto: