A. Limonao. Síntesis Tecnológica. V.2 N° 2 (2005) 69-73
DOI:10.4206/sint.tecnol.2005.v2n2-04

ANALISIS DEL DISEÑO DE UNA RED HIBRIDA FIBRA RADIOFRECUENCIA (HFR)

ANTONIO FRANCISCO LIMONAO SOTO
PEDRO REY CLERICUS

Ingeniero en Electrónica.
Ingeniero en Electrónica, prey@uach.cl, UACh.

Resumen

Este artículo analiza la arquitectura de una red de banda ancha y las soluciones de la tecnología de interfaces, basadas en combinaciones y aspectos complementarios de RF, para el funcionamiento de la red integrada sobre la plataforma ATM. El trabajo tiene como objetivo el análisis de los servicios fijos y móviles, a lugares densamente poblados a través de tecnologías LMDS de corto alcance (500m) y de IEEE 802.11a. Enfocado a W-WLL.

Abstract

This work proposes a new architecture of net of wide band and solutions of technology of interfaces based on combinations and complementary aspects of RF for the operation of the net integrated on the platform ATM. The work has as objective to give fixed and mobile services, to places with a dense population to travez of technologies LMDS of short range (500m) and IEEE 802.11a. Focused W-WLL (Wideband-WLL).

1. INTRODUCCIÓN

La norma IEEE 802.11 ha introducido factor de estabilidad y de inter-operatividad de redes de área local que ha sido imprescindible en su desarrollo, pudiéndose conseguir LANs inalámbricas de 1, 2, 5.5 y 11 Mbps con el estándar IEEE 802.11b y de 54 Mbps con IEEE 802.11a.

Además de la gran cantidad de interés que se le ha dado recientemente a la banda ancha en los sistemas de acceso inalámbricos WAS, sobre todo en países en vías de desarrollo, donde las personas exigen, el rápido despliegue y el bajo costo para el acceso de Internet de banda ancha inalámbrica, hace que se estudien nuevos modelos para esta tecnología, como lo es la combinación de tecnología LMDS e 802.011 a, para poder unificar la red inalámbrica a toda la red en forma integral. De esta forma se constituye en una infraestructura para generar una demanda de más servicios y prestaciones, muchos de los cuales han de ser proporcionados por las WLAN.

2. REDES INALAMBRICAS

Las redes inalámbricas han surgido como una opción dentro de la corriente hacia la movilidad universal sobre la base de una filosofía “seamless” o sin discontinuidades, es decir, que permita el paso a través de diferentes entornos de una manera transparente. Además, existe un conjunto de necesidades especificas para entornos LAN inalámbricas, entre los cuales podemos indicar: rendimiento, número de nodos, área de servicio, operación sin licencia, conexión al núcleo de la LAN, robustez en la transmisión y seguridad, operación de red ordenada, configuración dinámica, sin intervención nómada, consumo de batería

3. REDES DE RADIOFRECUENCIA Y TECNICAS DE ESPECTRO EXPANDIDO

Para las redes inalámbricas de radiofrecuencia, la FCC permite la operación de dispositivos que utilizan 1 Watt de energía o menos, en tres bandas de frecuencia: 902 a 928 Mhz, 2400 a 2483.5 Mhz y 5725 a 5850 Mhz. Estas bandas de frecuencia llamadas bandas ISM, estaban anteriormente limitadas a instrumentos científicos, médicos e industriales.

Para minimizar la interferencia, las regulaciones de FCC establecen una técnica llamada Spread Spectrum Modulation, la cual tiene como idea de tomar una señal de banda convencional y distribuir su energía en un dominio más amplio de frecuencia. Así, la densidad de energía promedio es menor en el espectro equivalente de la señal original. En aplicaciones militares el objetivo es reducir la densidad de energía por debajo del nivel de ruido ambiental de tal manera que la señal no sea detectable. La idea en las redes es que la señal sea transmitida y recibida con un mínimo de interferencia. En este contexto se utiliza la técnica de espectro expandido por secuencia directa.

4. PROTOCOLO Y ESTANDAR

Cuando se requiere llegar a interconectar redes, debemos pensar en un protocolo que regularice esta conexión, para ello se utiliza el protocolo TCP/IP que hoy en día es él mas usado en la interconexión de sistemas. Por ser el protocolo TCP/IP conocido, solo se describirá la norma 802.11a.

• IEEE 802.11 a

Esta norma apoyará los modos de transmisión múltiples y proporcionará canales adaptables de datos a tasas de hasta 54 Mb/s (en un canal de 20 Mhz de espacio) en la banda de radio de 5 Ghz. De esta forma el IEEE 802.11 ha desarrollado otra extensión a la capa física (PHY) conocido como 802.lla. Las capas PHY de estas nuevas normas proporcionando tasas de datos crudos de 54 Mb/s, y donde el throughput real logrado es dependiente del control de acceso al medio (MAC). Esta norma define de forma independiente las capas PHY y MAC (con el MAC común para múltiples PHYs dentro de la norma 802.11.

5. CONTROL DE ACCESO AL MEDIO (MAC) IEEE 802.11 a

El estándar IEEE 802.11 ha desarrollado una extensión a la capa física la cual se describe en los siguientes puntos y que esta basada en un procedimiento de convergencia de la capa PHY (PLCP) que figura dentro de un formato de trama MAC PDU. La figura siguiente muestra el formato de un paquete completo (PPDU) con 802.lla, el cual incluye el preámbulo, encabezamiento, y la capa PHY unidad de servicio datos (PSDU o carga útil), con su respectiva tarea.

• El encabezado contiene información acerca de la longitud de carga útil y la tasa de transmisión, seis bit de paridad, y seis ceros de bits de cola. El encabezamiento es siempre transmitido usando un modo de baja proporción en la transmisión, en orden a asegurar la robusta recepción. Aquí, este se traza (Mapping) sobre una única modulación (BPSK) y el símbolo es multiplexado por división de frecuencia ortogonal (OFDM).
• El campo de proporción lleva información sobre el tipo de modulación y la proporción de codificación usada en el resto del paquete.
• El campo de longitud toma un valor entre 1 y 4095, y especifica el número de bytes en el PSDU.
• Los bits de paridad es una paridad positiva para los primeros 17 bits del encabezamiento.
• Los 6 bits de cola se usan para restablecer la convolución del codificador y terminar el código detenido en el decodificador.
• Los primeros 7 bits de campo de servicio se ponen en el nivel cero y son usados para iniciar la ausencia de competición. La permanencia de los 9 bits son reservados para uso futuro.
• Los bits de relleno se usan para asegurar que el número de bits en los mapas PPDU sea un número entero de símbolos de OFDM.

6. LA CAPA FÍSICA DE IEEE 802.11a

La capa PHY de este estándar esta basado en el uso de OFDM, esta tecnología se usa para eliminar las frecuencias selectivas de interferencias y perdidas de señal (Fading) y los errores aleatorios de ráfagas causadas por una banda ancha (Wideband) Ahora se analiza la configuración de referencia del transmisor de la capa PHY.

Los datos para la transmisión son proporcionados por la capa PHY en forma de un tren de pulsos de entrada PDU o trama PPDU. Estos evitan largas secuencias de 1s y 0s en los datos de entrada siendo el resto de la entrada el proceso de modulación.

802.lla admite una longitud de 127 bits para los datos con secuencia pseudo aleatoria. Los datos ingresan a una etapa de codificación convolucional. El codificador consiste en un 1/2 proporción de código madre y puntualizados subsecuente. El facilitar los esquemas puntualizados el uso de código de proporciones 1/2, 3/4, 9/16 (sólo HIPERLAN/2), y 2/3 (sólo 802.lla). La proporción 2/3 sólo se usa para el caso de 64-QAM en 802.lla.

Fig. 2-. Transmisor de la capa PHY de IEEE802.11a

Los datos codificados son entrelazados con el objeto de detectar el error de ráfaga desde el estado de entrada al proceso convolucional de decodificación del receptor.

Los datos entrelazado subsecuentemente mapeados para símbolos de datos de acuerdo a cualquier constelación BPSK, PSK en cuadratura (QPSK), 16-QAM, o 64-QAM. La modulación OFDM se lleva a cabo por medio de una rápida transformada inversa de Fourier (FFT). 48 símbolos de datos y 4 pilotos se transmiten en paralelo en la forma de un símbolo de OFDM.

El receptor OFDM básicamente realiza el funcionamiento inverso del transmisor. Sin embargo, el receptor también se requiere para emprender AGC, tiempo y sincronización de frecuencia, y estimación del canal. La preparación de secuencias se suministrada en la entrada para el propósito específico de apoyar estas funciones. Dos símbolos OFDM son suministrados en la entrada de acuerdo a apoyar el proceso de estimación del canal. Un conocimiento a priori de la entrada transmitida facilita la señal de la generación de un vector que define la estimación del canal, comúnmente referido a la información del estado del canal (CSI)(Chanel State Information).

La estimación de la entrada de el canal es tal que los dos símbolos proporcionan eficazmente un solo intervalo de vigilancia de longitud 1.6 µs. Este formato hace particularmente robusto el ISI. Promediando sobre los dos símbolos de OFDM, los efectos distorsionados de ruido en el proceso de estimación de canal pueden ser reducidos también.

Finalmente la decodificación del código convolucional se lleva a cabo típicamente por medio de un decodificador de Viterbi.

7. ARMONIZACIÓN DEL ESPECTRO

El espectro electromagnético para la banda de 5 Ghz se encuentra en proceso de armonización para su futura utilización. Hasta ahora este espectro es dividido en 2 bandas de frecuencia, la primera banda se encuentra entre 5.150 hasta 5.350 Ghz, la cual esta subdividida en 5.150 a 5.250 para el uso en Europa y de 5.250 hasta 5.350 para el uso en USA pero a una potencia levemente mayor.

La segunda banda se encuentra entre 5.500 y 5.850, la que también se encuentra subdividida en dos bandas, donde la que comienza en 5.500 a 5.725 Ghz es para Europa y la siguiente desde 5.750 hasta 5.850 es para USA, en donde ambas utilizan la misma potencia.

8. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

El acceso inalámbrico de banda ancha fija (BWA), es un sistema de corto alcance basado en células punto a punto y/o punto a multipunto sistema de distribución que se parece al tradicional servicio de distribución multipunto local (LMDS). La arquitectura de la red para habilitar la capacidad Gigabit y capacidades de enlace de datos de gran velocidad, será gestionada desde la red de fibra del backbone y desde aquí se enlazara a una unidad de RF Photonics la cual será adaptada sobre tecnologías de fibra para la interconexión a los puntos de accesos (APs) y hub que son establecidas utilizando antenas remotas.

También se incluyen nodos de acceso inalámbrico portátil bidireccional basado en ATM para extender la red de fibra de banda ancha fija o para interconectar redes aisladas mediante un bridge basado en acceso inalámbrico punto a punto.

El sistema utiliza (WLAN IEEE 802.11a) microondas para el servicio móvil y tecnologías de onda milímetro y FSOW para el servicio fijo. Por consiguiente, estas tecnologías se utilizan para el acceso y distribución hasta el usuario final, en un único AP multibanda que utiliza tecnología WDM. En contraste con LMDS convencional el tamaño normal de la célula es de 3-7 Km en el diámetro. Para el diseño se ha seleccionado la Micro / Picocélula menores a 500 metros por radio para alta densidad en pobladas regiones. El Alumbrado público, las azoteas o antenas montadas al lado de las murallas pueden servir de guía para un enlace sin obstáculos en construcciones de varios pisos. Un punto de acceso (AP) y un hub son establecidos utilizando una antena remota para la redistribución de la picocélula en ambientes internos.

La radio de fibra Híbrida (HFR), la unidad Photonics de RF, y la radio sobre tecnologías de fibra que se adaptan para interconectar los APs a la red de fibra del backbone son capaces de transportar ambas señales digitales y analógicas de gran velocidad, así como múltiples servicios inalámbricos basados en la modulación de la subportadora (SCM) y tecnologías de multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Además de, la posibilidad de usos existentes de fibras incluidas en la acera y vecindarios, así como conexiones FSOW que permiten la integración de banda ancha a la red del backbone y los servicios combinados a través de una sola infraestructura compartida, llevando un despliegue más rápido y sistemas a más bajo costos para los proveedores de servicio.

El centro de operación de red (NOC) tiene como tareas básicas la relocalización y control de la estación base o punto de acceso convencional, facilidades de conmutación, enrutado, y operaciones en función de la mezcla de servicios. Además de la integración y unión de la multibanda HFR, FSOW, y las tecnologías de fibra ópticas digital al NOC con acceso inalámbrico de banda ancha fija (BWA) que ha proporcionado una flexible y unificada red de operación, así como la posibilidad del manejo y control de la red de extremo a extremo. La consolidación de esta tecnología beneficiará a través de la más baja complejidad, la infraestructura y costo, resultando más fiable y centralizando el banco de datos como el de operaciones.

9. VENTAJAS DE LA ARQUITECTURA DEL SISTEMA

Comparado con el tradicional sistema LMDS, la tecnología del sistema y la topología de red heterogénea descrita anteriormente poseen muchas ventajas tecnológicas y operacionales:

• Incremento de cobertura y porcentaje de penetración de usuario en cada célula individual debido a los usuarios densamente posesionados en el área de servicio.
• Esto lleva a su vez a un plan más simple de solapar las células para extensiones más altas y permisos de utilización de eficiencia de espectros más altos.
• En el requerido AP hub la potencia que se transmite al cliente (en onda milímetro) se reduce inmediatamente a (15 dB mínimo) debido al radio celular relativamente corto. El resultado es una baja potencia, resultando una solución económica del sistema menos complejo y por ende el diseño del hardware MMIC (Milimeter Microwave Integrated Circuit).
• Una reducción mayor en la interferencia del sistema (en el canal adyacente y la célula adyacente) viene del forzamiento y limitaciones impuestas por la no-linealidad de amplificadores de potencia en los sistemas de gran potencia debido al recrecimiento espectral.
• Como resultado, la posible reducción en el espacio del canal de radio requerido puede ser logrado, llevando la capacidad del sistema aumentada debido a la utilización de espectros más altos y eficiencia.
• Por el corto rango que directamente esta proyectado a la línea de vista (LOS) el camino de la propagación llega a ser libre "mas grande" la interferencia de multitrayectoria, interferencia intercelular, y obstrucciones (los edificios, objetos en movimiento, árboles, y follaje).
• Una mejora adicional en el margen de ganancia del sistema (7-10 dB) y la disponibilidad del enlace viene de la corta distancia del LOS, que despoja la limitación de la recepción de la señal debido a la atenuación de lluvia excesiva y tiempo fuera de servicio del sistema experimentada en alta potencia.
• La utilización de un híbrido microondas / FSOW es una topología de red que extiende el alcance de la red de banda ancha sin utilizar el espectro del radio. Pudiendo proporcionar alta capacidad de enlace, incremento de frecuencia de Reuso en onda milímetro, e intensifica grandemente la fiabilidad de la red y disponibilidad

En particular, hay dos métodos de acceso diferentes para los usuarios, ellos pueden tener un acceso inalámbrico directo a la microcélulas a 5.8 Ghz (móvil) o, alternativamente, a través de microcélulas / Picocelulas en la banda de 38 Ghz (microonda milímetro) para servicio fijo.

Los elementos funcionales en forma individual de una interconexión basada en ATM nos muestra la integración de las tecnologías a travez de un solo equipo que utiliza tecnología WDM.

La ventaja de microondas y Photonics de RF es que no solamente extiende y une la distribución del acceso de banda ancha, sino que este también incorpora funcionalmente" una conexión a la red de trabajo" y el control dentro de los enlaces inalámbricos.

10. CONCLUSIONES

La transmisión inalámbrica es una tecnología en pleno desarrollo, que nació como respuesta, a las actuales necesidades de movilidad en los campos de la medicina, industriales y de comercio, por mencionar solo algunos de ellos, además de sus características y múltiples aplicaciones las redes inalámbricas han ido incursionando en el mercado ganando cada día más adeptos. Es mas, estas tecnologías han cambiado el modelo de trabajo en forma substancial tanto para los operadores como a los clientes, expresado de otra forma, este tipo de tecnología trae como beneficios una reducción en los ciclos de trabajo como de costos y al mismo tiempo se logran incrementos de productividad y de satisfacción en los empleados al no estar atados a los PC de escritorios.

La utilización de tecnologías parecida a LMDS, hacen que se aprovechen la bidireccionalidad de banda ancha que es viable económicamente en zonas de alta densidad de población. Además de alternar frecuencias entre células adyacentes resulta más fácil para extensiones más altas, esto por un aumento en la cobertura y en la penetración de usuarios en cada célula individual, algo imprescindible en otros sistemas celulares, con el consiguiente ahorro del espectro, recurso natural escaso y de creciente valor.

La disposición de oficinas y la forma en la que se organizan los usuarios en departamentos o grupos de trabajo influirán en la forma de escoger su LAN inalámbrica. Un área que tenga muchas paredes estructurales que separen a miembros de un departamento puede que no deje operar a ningún sistema que no distribuya la señal como lo realiza la Picocelula, que tiene la habilidad de penetrar paredes y pisos.

Finalmente se puede concluir de forma general, que existe un notable interés en implantar cada día más sistemas inalámbricos, esto puede atribuirse a varias razones: el auge tecnológico, la necesidad de una mayor movilidad, la disminución en los costos de implementación además de ser capaces de ofrecer servicios en sitios donde los sistemas cableados no pueden llegar.

Nuevos estándares surgen para poder así mejorar la tecnología ofrecida por el sistema inalámbrico, logrando incrementar la calidad de los servicios ofrecidos. En fin, la búsqueda seguirá siendo la de integrar todos los servicios en una red única, por el momento se deben estudiar implementaciones en conjunto de los sistemas cableados e inalámbricos creando redes HFR.

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