4.2 Estándares y protocolos: bluetooth, Infrarrojo, Wi-Fi, Wi-Max.

Los dos medios más populares en el ámbito inalámbrico son los infrarrojos (IR) y la radiofrecuencia (RF). Cuando se le solicite desarrollar un sistema inalámbrico, es posible que le preocupe el costo, la facilidad de diseño y los requisitos de distancia. Las tecnologías IR son más adecuadas para canales de comunicación inalámbrica de corta distancia y rendimiento de datos de bajo a medio. Actualmente se utilizan dos tipos comunes de tecnologías IR. Estos son el protocolo estándar TV Remote (TVR) y IrDA (Infrared Data Association).

La tecnología de conexión inalámbrica de menor costo es TVR. La compensación con esta tecnología es entre la distancia y la tasa de bits. Por lo general, esta interfaz también es unidireccional. Si su aplicación requiere un ancho de banda de datos más alto y bidireccional, puede optar por diseñar un sistema IrDA. 

Este estándar de comunicación por infrarrojos ha sido definido por el grupo industrial IrDA(1). Este grupo ha desarrollado estándares de comunicación que se adaptan bien a los canales infrarrojos punto a punto de corto alcance y bajo costo. Estos tipos de canales operan en una amplia gama de velocidades en un entorno multiplataforma. 

Los estándares IrDA se han utilizado para instalar más de 300 millones de sistemas de comunicación de corto alcance y bajo costo en computadoras portátiles, impresoras, PC de mano y PDA, por nombrar algunos.

En la Figura 1 se muestra un ejemplo de un sistema integrado estándar IrDA. En este sistema, el dispositivo principal (PDA) busca otros dispositivos estándar IrDA. El dispositivo secundario (controlador de host y MCP2150) responderá a las consultas del dispositivo principal.

El formato de traducción de codificación/decodificación se muestra en las Figuras 3 y 4. La Figura 3 muestra cómo los datos IR recibidos del PDA se decodifican a datos con formato UART. La Figura 4 demuestra cómo se toman los datos desde el controlador del host al MCP2150 y se codifican para preparar la transmisión a la PDA. El formato de bit IrDA es la NAND de la señal UART. Los bits se invierten y los pulsos altos se acortan para reducir el consumo de energía de la óptica. El MCP2150 decodifica los datos IR, que luego son manejados por la máquina de estado del controlador de protocolo. El controlador de protocolo envía los bytes de datos apropiados al controlador de host en datos en serie con formato UART.

El MCP2150 reemplaza una conexión serial por cable con una solución inalámbrica. El MCP2150 permite a los diseñadores agregar conectividad inalámbrica IrDA a sus diseños de sistemas integrados de manera fácil y rentable. Con este dispositivo, la interfaz UART del host permite conexiones sencillas a los puertos seriales de la PC. Otro producto disponible es el MCP2155, que es el más adecuado para interfaces de puerto serie (es decir, módems). En todos los casos, estos sistemas punto a punto se conectan a dispositivos de “inteligencia superior”, como PCs, PDAs, etc. Esto minimiza el costo de los dispositivos tipo MCP215X. El MCP215X también puede servir como dispositivo principal en estas aplicaciones punto a punto. Ambos dispositivos brindan soporte para el protocolo estándar IrDA "pila" más capacidad de codificación y decodificación de bits.

Otro producto de esta familia de Microchip es el MCP2140, que es un controlador de pila de protocolo estándar IrDA con una tasa de comunicación de baudios fija de 9600. Agregar conectividad IR a aplicaciones integradas sensibles al costo y de alto volumen no era realmente factible antes de la introducción de las piezas MCP215X y MCP2140. Estas partes eliminan el requisito de que el diseñador del sistema necesite implementar la compleja pila IrDA. Finalmente, el MCP2120 es un chip codificador/decodificador de infrarrojos.

El envío de datos mediante luz IR requiere hardware y protocolos de comunicación especializados. Estos requisitos de protocolo y hardware se describen detalladamente en las especificaciones estándar de IrDA. La funcionalidad de codificación/descodificación del MCP2150 está diseñada para ser compatible con el componente de capa física del estándar IrDA. Esta parte del estándar a menudo se denomina "IrPHY". Además, el MCP2150 maneja el protocolo de comunicación especializado, IrCOMM (clase de servicio "cocinada" de 9 hilos). Una lista completa de las especificaciones estándar de IrDA está disponible en el sitio web de IrDA (www.irda.org).

Hay dos formas de ver cualquier diseño de sistemas de comunicación; por su arquitectura y su funcionalidad. Un acercamiento hacia la arquitectura enfatiza las divisiones lógicas de un sistema y como son compatibles. El acercamiento hacia la funcionalidad hace énfasis en los componentes actuales y sus interconexiones.

A continuación se presenta una vista de la arquitectura de una WPAN (Figura 3.1). Se enfatiza la tradicional separación de larga escala del sistema en dos partes; physical layer (PHY) del IEEE 802.15.1 y la subcapa MAC (medium access control) del DLL (data link layer).

En la siguiente figura se muestra la pila del protocolo en la séptima capa del modelo del OSI en la tecnología inalámbrica de Bluetooth y su relación con este estándar. Como se puede observar en la siguiente figura las subcapas LLC (logical link control) y el MAC juntas abarcan las funciones deseadas para el DLL del modelo de OSI.

La tecnología inalámbrica de Bluetooth utiliza un radio de corto alcance que ha sido optimizado para el ahorro de energía, operación adecuada de la batería, tamaño pequeño y para ser utilizada en aparatos personales de bajo peso. Una WPAN es capaz de soportar canales síncronos de comunicación para telefonía de voz y canales de comunicación asíncronas para comunicación de datos. Dichas facilidades permiten que una amplia gama de aplicaciones y de aparatos trabaje en una WPAN. Por ejemplo, un teléfono celular puede usar canales circuit-switched para transportar audio desde y para un receptor en el encabezado mientras se encuentra utilizando un canal packet-switched para intercambiar datos con una computadora portátil.

Una WPAN opera en la banda libre de los 2.4 GHz. Se utiliza un transceptor de fast frequency-hop (1600 hops/s) para evitar la interferencia y la caída de señales. Para reducir la complejidad del transceptor se utiliza la técnica binaria FSK (frequency shift keying) para transmitir símbolos con un rango de 1 Símbolos/s. Se utiliza un canal ranurado, cada ranura de tiempo tiene una duración de 625 μs. Una trama rápida de TDD (time division duplex) se utiliza para permitir comunicaciones full duplex en capas superiores. En el canal, la información se intercambia a través de paquetes. Cada paquete se transmite en una frecuencia diferente dentro de la secuencia de espera. Un paquete normalmente cubre una sola ranura, pero se puede extender de tres a cuatro ranuras. Para tráfico de datos, de manera unidireccional es posible transmitir un máximo de 723.2 kb/s entre dos dispositivos. Un canal vi direccional soporta un tráfico de voz entre dos dispositivos con una velocidad de hasta 64 kb/s. La inestabilidad para el tráfico de voz se mantiene bajo al usar ranuras de tiempo pequeñas en la transmisión.

La figura 3.2 muestra el formato general del contenido de una ranura de tiempo, trasmitida al aire en una WPAN de Bluetooth. El paquete abarca un código de acceso de tamaño fijo, el cual es utilizado, entre otras cosas, para distinguir una WPAN de otra. El encabezado del paquete de tamaño fijo, que se utiliza para manejar la transmisión en una WPAN; y una carga de datos de tamaño variable, que transporta información de capas superiores. Debido al tamaño tan reducido de de estos paquetes, se necesita que una capa superior más larga sea dividida en segmentos antes de que sea transmitida al aire.

Una red dispersa (scatternet) es una colección de varias picoredes en operación que se traslapan en tiempo y en espacio. Un aparato Bluetooth puede participar en múltiples picoredes al mismo tiempo, por lo que existe la posibilidad de que la información fluya más allá de las fronteras de una picored. Un aparato en una scatternet puede ser esclava en varias picoredes, pero puede ser maestra en solo una de ellas. La figura 3.3 muestra las diferentes formas en que los dispositivos Bluetooth se pueden interconectar para formar varios sistemas de comunicación.

La figura 3.4 muestra la pila del protocolo Bluetooth, la cual incluye los protocolos Bluetooth específicos (por ejemplo; Link Manager Protocol, LMP; Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP) y los protocolos bluethooth no específicos (también conocidos como los “otros”). Dichos protocolos no específicos incluyen al OBEX (Object Exchange Protcol), al PPP (point to point protocol), el WAP (wireless application protocol), y algunos más. Cuando se diseño el protocolo se hizo pensando principalmente en optimizar la reutilización de los protocolos existentes. Este protocolo también reutiliza la ayuda para adaptar las aplicaciones existentes para trabajar con la tecnología inalámbrica de Bluetooth y asegurar una suave operación y interoperabilidad de dichas aplicaciones. Así, muchas aplicaciones ya desarrolladas por vendedores pueden tomar inmediatamente ventaja del hardware y el software de los sistemas que cumplen con las especificaciones para Bluetooth. Las especificaciones están disponibles públicamente y permiten el desarrollo de un gran número de nuevas aplicaciones que toman todas las ventajas de las capacidades de la tecnología inalámbrica Bluetooth.

La figura 3.5 indica la relación entre el protocolo Bluetooth de pila y la PHY. La PHY es la primera de 7 capas del modelo OSI y es responsable de la transmisión de bits entre sistemas adyacentes sobre un canal aéreo. La descripción de esta capa se limita a los siguientes puntos:

• Recepción de una trama de bits de la subcapa MAC y la transmisión de una trama de bits vía ondas de radio hacia una estación asociada.

• Recepción de ondas de radio de alguna estación asociada y la conversión te estas a una trama de bits que se transmite hacia la MAC.

Los sistemas Bluetooth operan en la banda ISM (industrial, scientific, medical) de los 2.4 GHz. En la mayoría de los países alrededor del mundo, el rango de dichas frecuencias va de los 2400 MHz a los 2483.5 MHz. Sin embargo, en algunos países, tienen limitaciones nacionales en ese rango de frecuencias. Para cumplir con dichas limitaciones internacionales, se han diseñado algoritmos especiales de frequency-hopping para dichos países. Se debe tener en cuenta que los productos que implementan reducciones de banda no trabajaran con los productos que implementan la banda completa de frecuencias. Los productos que implementan bandas reducidas de frecuencias deben, por lo tanto, considerarse como versiones locales para un solo tipo de mercado (ver tabla 3.1).

Los requerimientos en esta cláusula especifican los niveles de energía en el conector de la antena del equipo. Si el equipo no tiene un conector, se asume una antena de referencia con una ganancia de 0 dB.

Debido a que es complicado obtener una medida precisa en las mediciones en medidas de radiación, se prefiere que los sistemas con una antena integrada tengan un conector temporal de antena durante las pruebas.

Los equipos se dividen en tres clases de grupos dependiendo su nivel de potencia, dichos grupos se pueden apreciar en la tabla 3.2.

La modulación es del tipo GFSK (Gaussian frequency shift keying) con un tiempo de ancho de banda (BT) = 0.5. El índice de modulación debe ser de entre 0.28 y 0.35. Un 1 binario se representa con una desviación positiva de frecuencia, y un 0 binario se representa con una desviación negativa de frecuencia. La sincronización de símbolo deber mejor que ±20 ppm (ver figura 3.6).

Para cada canal de transmisión, la desviación mínima de frecuencia (Fmin = la menor de ⎨Fmin+,Fmin-⎬) que corresponde a la secuencia 1010 debe de ser menor a ±80%

de la desviación de frecuencia (fd) que corresponde a la secuencia 00001111. Adicionalmente, la desviación mínima nunca debe de ser menor a 115 kHz. La transmisión de datos tiene una tasa de 1 Msímbolos/s.

La exactitud de la frecuencia central inicial (Fc) debe ser de ± 75 kHz como máximo para Fc. La exactitud de la frecuencia inicial se define como la exactitud de frecuencia antes de que cualquier información sea transmitida.

La derivación de frecuencia central se especifica en la tabla 3.3.

Las emisiones falsas para un receptor Bluetooth no deben ser mayores a lo indicado en la tabla 3.4.

La figura 3.7 indica la relación entre la pila del protocolo Bluetooth y esta cláusula. Esta cláusula describe las especificaciones del control de link que transporta los protocolos y las demás rutinas de menor nivel.

Bluetooth es un enlace de radio de corto alcance que pretende remplazar conexiones por cable(s) de dispositivos electrónicos portátiles o fijos. Sus principales características son; baja complejidad, bajo consumo de energía, bajos costos además de ser un dispositivo robusto.

Bluetooth opera en la banda libre ISM de los 2.4 GHz. Para evitar la interferencia y la perdida de información se utiliza un transmisor-receptor de frequency hop (salto de frecuencia). Para minimizar la complejidad del transceptor se utiliza una modulación binaria de FM. La tasa de transferencia es de 1 Msymbol/s. Se aplica un canal ranurado con una duración estándar de 625 μs por cada slot (ranura) de tiempo. Para emular una transmisión full duplex, se utiliza una trama de TDD (time division duplex). En el canal, la información se intercambia por medio de paquetes. Bluetooth puede soportar un canal de datos asíncronos, hasta tres canales de voz síncronos simultáneamente, o un canal capaz de manejar simultáneamente datos asíncronos y voz síncrona. Cada canal de voz soporta 64 kb/s de datos síncronos (voz) en cada dirección. El canal asíncrono puede soportar un máximo de 723.2 kb/s asimétricos o 433.9 kb/s.

El sistema Bluetooth consiste de una unidad de radio, una unidad de control de link y una unidad de soporte para el manejo de las funciones y de la terminal de servico de la interfase (ver figura 3.8). Esta cláusula describe las especificaciones del controlador de enlace Bluetooth, el cual transporta los protocolos de banda base y otras rutinas de bajo nivel.

La forma más sencilla de interfaz óptica en el modo SIR se muestra en la Fig. 1. Para la configuración y recuperación de pulsos, se recomienda un dispositivo codificador/descodificador, como Texas Instruments TIR1000. El extremo frontal, incluidos el transmisor y el receptor, debe realizarse, por ejemplo, con el módulo transceptor integrado TFDU4101 o cualquier otro modelo de transceptor Vishay.

Se utiliza un amplificador de transimpedancia en el receptor para la amplificación de entrada. Su señal de salida se alimenta a la entrada del comparador, cuyo nivel de referencia se ajusta para suprimir eficientemente el ruido y las interferencias del ambiente. Además, se debe insertar el circuito de modelado de pulso digital para acortar el pulso que se emitirá a 1,6 μs (es decir, 3/16 de la longitud de bit a 115 kbit/s) y la recuperación del pulso de la señal detectada para cumplir con el estándar IrDA . Solo se transmiten los bits bajos activos (0).

Enlaces generales:

Hay dos conjuntos diferentes de especificaciones de transmisor/receptor. El primero, denominado estándar, es para un enlace que funciona desde 0 ma al menos 1 m. La segunda, denominada opción de bajo consumo, tiene un rango operativo más corto de 0,2 m, si se utilizan dos transceptores de bajo consumo. Hay tres enlaces posibles (consulte la Tabla 1 a continuación): opción de bajo consumo a opción de bajo consumo, estándar a opción de bajo consumo; estándar a estándar. La distancia se mide entre las superficies de referencia óptica. La tasa de error de bit (BER) no debe ser superior a 10-8. El enlace deberá operar y cumplir con la especificación BER en su rango.

Tasa de señalización y duración del pulso:

Una interfaz de infrarrojos en serie IrDA debe funcionar a 9,6 kbit/s. Las tarifas permitidas adicionales enumeradas a continuación son opcionales. Las especificaciones de la tasa de señalización y la duración del pulso se muestran en la Tabla 2. Para todas las tasas de señalización hasta 115,2 kbit/s inclusive, la duración mínima del pulso es la misma (la especificación permite un pulso de 3/16 de bit de duración y una duración mínima del pulso para la señal de 115,2 kbit/s (1,63 μs menos la tolerancia de 0,22 μs). La duración máxima del pulso es 3/16 de la duración del bit, más la tolerancia mayor de 2,5 % de la duración del bit, o 0,60 μs. El enlace debe cumplir con la especificación BER sobre el rango de longitud del enlace y cumplir con las restricciones de pulso óptico.

La interfaz de salida activa (IRLED) emite una señal infrarroja. Los parámetros clave para esta interfaz, definidos por la especificación de la capa física de IrDA, se muestran en la Tabla 3. Una especificación completa está disponible en IrDA.

La intensidad radiante óptica está limitada a un máximo de 500 mW/sr y un ángulo de ± 30° para permitir el funcionamiento independiente de más de un sistema en una habitación. En la Fig. 4, se muestra el campo de tolerancia de la emisión de un transmisor de infrarrojos. En esta figura también se muestra una característica típica de campo lejano de un transmisor.

Cuando una señal óptica infrarroja incide en la interfaz de entrada activa (fotodiodo PIN), la señal es detectada, acondicionada por el circuito del receptor y transmitida al decodificador de recepción IR.

El mensaje de que un dispositivo de baja potencia debe tener un diseño especial se propaga a menudo, pero es incorrecto. Los dispositivos estándar completos se pueden operar fácilmente con corriente de accionamiento IRED reducida para cumplir con la especificación de baja potencia. Sin embargo, los dispositivos especialmente diseñados para aplicaciones de baja potencia con un paquete de bajo perfil no pueden cubrir el estándar completo debido a la eficiencia limitada y la poca capacidad de corriente de accionamiento.

En la Fig. 6 se puede leer la distancia de transmisión en función de la sensibilidad (irradiancia necesaria en el detector). Por ejemplo: la sensibilidad dada como una irradiación mínima en el detector de 40 mW/m2, combinada con una intensidad de 40 mW/sr, da como resultado una distancia de transmisión de 1 m. Una combinación de un detector con una irradiación mínima de 10 mW/m2 y un emisor con 250 mW/sr puede transmitir a casi cinco metros. Los transceptores de Vishay Semiconductor funcionan bien con los receptores de control remoto estándar y, por lo tanto, pueden funcionar como transmisores de control remoto. Las propiedades de la capa física de los dispositivos se definen en las condiciones ambientales enumeradas en un apéndice que se ha reimpreso en los siguientes capítulos.

Tabla de Bluetooth

El estándar Bluetooth tiene una pila de protocolos propia, al igual que el modelo OSI y TCP/IP para redes. Pero a diferencia del modelo OSI, Bluetooth no requiere que sus dispositivos usen todas las capas de la pila de protocolos. La siguiente imagen muestra todos los protocolos presentes en la pila.

¿Qué es Wi-Fi?

Es un conjunto de estándares para redes inalámbricas basado en las especificaciones IEEE Wi-Fi se creó para ser utilizada en redes locales inalámbricas, pero es frecuente que en la actualidad también se utilice para acceder a Internet. Wi-Fi es una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriormente la Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organización comercial que prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares IEEE x.

Wi-Fi (/ˈwaɪfaɪ/; en algunos países hispanoparlantes /ˈwifi/) es un mecanismo de conexión de dispositivos electrónicos de forma inalámbrica. Los dispositivos habilitados con Wi-Fi, tales como: un ordenador personal, una consola de videojuegos, un smartphone o un reproductor de audio digital, pueden conectarse a Internet a través de un punto de acceso de red inalámbrica. Dicho punto de acceso (o hotspot) tiene un alcance de unos 20 metros en interiores y al aire libre una distancia mayor. Pueden cubrir grandes áreas la superposición de múltiples puntos de acceso.

Esta nueva tecnología surgió por la necesidad de establecer un mecanismo de conexión inalámbrica que fuese compatible entre los distintos dispositivos. Buscando esa compatibilidad fue que en 1999 las empresas 3com, Airones, Intersil, Lucent Technologies, Nokia y Symbol Technologies se reunieron para crear la Wireless Ethernet Compatibility Alliance, o WECA, actualmente llamada Wi-Fi Alliance. El objetivo de la misma fue designar una marca que permitiese fomentar más fácilmente la tecnología inalámbrica y asegurar la compatibilidad de equipos.

De esta forma, en abril de 2000 WECA certifica la interoperabilidad de equipos según la norma IEEE 802.11b, bajo la marca Wi-Fi. Esto quiere decir que el usuario tiene la garantía de que todos los equipos que tengan el sello Wi-Fi pueden trabajar juntos sin problemas, independientemente del fabricante de cada uno de ellos. Se puede obtener un listado completo de equipos que tienen la certificación Wi-Fi en Alliance - Certified Products.

La norma IEEE 802.11 fue diseñada para sustituir el equivalente a las capas físicas y MAC de la norma 802.3 (Ethernet). Esto quiere decir que en lo único que se diferencia una red Wi-Fi de una red Ethernet es en cómo se transmiten las tramas o paquetes de datos; el resto es idéntico. Por tanto, una red local inalámbrica 802.11 es completamente compatible con todos los servicios de las redes locales (LAN) de cable 802.3 (Ethernet).

Cabecera 802.11

• Dirección 1 (Destination Address (DA)): dirección MAC del nodo final.

• Dirección 2 (Source Address (SA)): dirección MAC del nodo inicial.

• Dirección 3 (Receiver Address (RA)): dirección MAC que identifica el dispositivo wireless que es el receptor inmediato de la trama.

• Dirección 4 (Transmitter Address (TA)): dirección MAC que identifica el dispositivo wireless que transmite la trama.

Estandares Wi-Fi:

Para el control de la transmisión se utilizan dos protocolos complementarios: CSMA/CA y RTS/CTS.

El mecanismo definido en el CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, acceso múltiple con escucha de portadora y evasión de colisiones) es una adaptación del CSMA/CD utilizado en las redes Ethernet, pero modificado para tener en cuenta la limitación de las comunicaciones por radiofrecuencia según la cual una estación transmitiendo no puede detectar una colisión con otra transmisión simultánea. El algoritmo dicta que un equipo que desea transmitir, antes de hacerlo ha de escuchar para comprobar si ya existe otra estación enviando datos. En caso de no ser así podrá transmitir, pero si ya hubiera algún equipo transmitiendo deberá esperar un tiempo aleatorio y transcurrido este, volver a comprobar si el medio esta ocupado por otra transmisión. Este algoritmo presenta varios problemas. Uno es que existe la posibilidad de que dos o mas equipos comprueben a la vez si se esta transmitiendo y al detectar que el canal esta libre, empiecen a emitir de forma simultanea. Este problema deberá ser solucionado por protocolos superiores como TCP que se encargarán de detectar pérdidas de información y pedir la retransmisión de esta. Así mismo, al ser el tiempo de espera, cuando se detecta el canal ocupado, tomado de forma aleatoria se consigue paliar en parte el problema de la concurrencia de equipos al comprobar el uso del canal. Otro es el problema conocido como “terminal oculto”, que se muestra en la siguiente ilustración.

La familia de estándares desarrollados por la IEEE para tecnologías de red inalámbricas (redes wifi). Originalmente ofrecía una velocidad de transmisión de 1 o 2 Mbps en la banda de frecuencia wifi de 2.4 GHz. Se le conoce popularmente como WIFI (WIreless-FIdelity). Tiene un área de cobertura aproximada de 100 metros.

WiMAX, siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access (interoperabilidad mundial para acceso por microondas), es una norma de transmisión de datos que utiliza las ondas de radio en las frecuencias de 2,3 a 3,5 GHz y puede tener una cobertura de hasta 50 km y 70 Mbps. En el estandar WiMAX2 (IEEE 802.16m) teóricamente sería posible alcanzar hasta 1 Gbps en reposo y 100 Mbps en movimiento en la descarga mediante la agrupación de canales.

Es una tecnología dentro de las conocidas como tecnologías de última milla, también conocidas como bucle local que permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio. El estándar que define esta tecnología es el IEEE 802.16. Una de sus ventajas es dar servicios de banda ancha en zonas donde el despliegue de cable o fibra por la baja densidad de población presenta unos costos por usuario muy elevados (zonas rurales).

El único organismo habilitado para certificar el cumplimiento del estándar y la interoperabilidad entre equipamiento de distintos fabricantes es el Wimax Forum: todo equipamiento que no cuente con esta certificación, no puede garantizar su interoperabilidad con otros productos.

El WiMAX se puede utilizar para una serie de aplicaciones, incluyendo conexiones de banda ancha para Internet, puntos de acceso, etc. Es similar a Wi-Fi, pero puede funcionar para distancias mucho mayores.

El ancho de banda y rango del WiMAX lo hacen adecuado para las siguientes aplicaciones potenciales:

• Proporcionar conectividad portátil de banda ancha móvil a través de ciudades y países por medio de una variedad de dispositivos.

• Proporcionar una alternativa inalámbrica al cable y línea de abonado digital (DSL) de «última milla» de acceso de banda ancha.

• Proporcionar datos, telecomunicaciones (VoIP) y servicios de IPTV (triple play).

• Proporcionar una fuente de conexión a Internet como parte de un plan de continuidad del negocio.

• Para redes inteligentes y medición.

El estándar IEEE 802.16 estandariza la tecnología de red WiMAX, tecnología inalámbrica de banda ancha que soporta acceso fijo, nomádico, portable y móvil.

Las principales características de IEEE 802.16/WIMAX son las siguientes:

• Frecuencias portadoras menores a 11 GHz. Por el momento las bandas de frecuencia consideradas son 2.3GHz, 2.5 GHz, 3.5 GHz and 5.7 GHz.

• OFDM. Las especificaciones 802.16 están básicamente construidas sobre la técnica de transmisión OFDM conocida por su alta eficiencia en el uso de los recursos de radio.

• Velocidades de datos. Un valor razonable referente a velocidad es 10 Mbps. Algunos reportes dan datos más ambiciosos llegando hasta los 70 Mbps y 100Mbps. Estos valores se alcanzarían con condiciones ideales del canal de radio y para sistemas con muy poca carga, esto hace a estos valores muy optimistas por el momento.

• Alcance. Hasta 20 Km, un poco menos para equipos indoor.

Para alcanzar los requerimientos de los diferentes tipos de acceso se definieron dos versiones de WiMAX, la primera basada en el estándar IEEE 802.162004 [19] y optimizada para acceso fijo y nomádico y la segunda versión de WiMAX que está diseñada para soportar portabilidad y movilidad, está basada en el estándar IEEE 802.16e [20]. En la siguiente tabla, se muestra como WiMAX puede soportar diferentes tipos de acceso y sus requerimientos en cada caso.

El estándar IEEE 802.16 especifica la interfaz de aire de un sistema fijo BWA soportando servicios multimedia. La capa de Control de Acceso al Medio (MAC) soporta principalmente una arquitectura punto multipunto (PMP), con la opción de soportan también una topología Mesh. La capa MAC está estructurada para soportar varias capas físicas (PHY) especificadas en el mismo estándar. De hecho, sólo dos de ellas son usadas en WiMAX. En la figura 8 se muestra la arquitectura de capas definida en WiMAX/802.16. Como se observa en la figura, el estándar sólo define las dos capas de más abajo del modelo OSI, la capa física y la de control de acceso al medio. La capa MAC está subdivida en tres subcapas, CS (Convergence Sublayer), CPS (Common Part Sublayer) y la Subcapa de seguridad.

Cuando la capa MAC de un equipo manda una MPDU (MAC PDU) al equipo correspondiente, esta MPDU es recibida por un a PSDU (PHYisical SDU) por la capa física.

Convergence Sublayer (CS):

La subcapa de convergencia específica del servicio, conocida frecuentemente como CS, está sobre la subcapa MAC CPS (ver figura 8). La capa CS usa los servicios que provee la capa MAC CPS, vía el MAC Service Access Point (SAP). Las principales funciones de esta capa son las siguientes:

• Aceptar los PDUs de capas superiores. En la presente versión del estándar, se especifica la capa CS para soportar dos tipos de capas superiores, CS modo de transferencia de datos asíncrona (ATM) y modo CS de paquetes. Para el modo packet CS los protocolos de capa superior pueden ser, Ethernet, IPv4 o IPv6.

• Clasificación y mapeo de MSDUs en los CIDs (Connection IDentifier) apropiados. Esta es una función básica del mecanismo de manejo de QoS del estándar 802.16 BWA.

• Procesamiento (si es necesario) de los PDU de las capas superiores basado en la clasificación.

• Una función opcional de la capa CS es PHS (Payload Header Suppression), la cual implica el proceso de supresión de partes repetitivas de los encabezados en el transmisor y el agregado de los mismos encabezados en el receptor.

• El envío de os CS PDUs al MAC SAP apropiado y la recepción de los CS PDUs desde la entidad par.

Medium Access Control Common Part Sublayer (MAC CPS):

La Subcapa, denominada Parte Común de Control de Acceso al Medio (CPS) reside en el medio de la capa MAC. Representa el corazón del protocolo MAC y es responsable por:

• Reserva de ancho de banda.

• Establecimiento de conexión.

• Mantenimiento de la conexión entre los dos lados.

El estándar 802.162004 define un grupo de mensajes de control y transferencia. Los mensajes de control son intercambiados entre el SS y la BS antes y durante el establecimiento de la conexión. Cuando la conexión se estableció, los mensajes de transferencia pueden intercambiarse de forma de permitir la transmisión de los datos. La capa CPS recibe datos de varios CSs, a través del MAC SAP, clasificándolos indiferentes conexiones MAC. La calidad de servicio se provee por flujo como se muestra en la figura 9. Es un flujo unidireccional de paquetes que es provisto de ciertos parámetros de QoS. Estos parámetros del flujo de tráfico determinan el orden de transmisión y el scheduling de los paquetes en la capa física.

En la siguiente tabla se detallan todas las categorías de QoS soportadas por el estándar IEEE 802.16e conjuntamente con las aplicaciones.

Esta capa además incluye varios procedimientos de diferentes tipos, por ejemplo: acceso múltiple, construcción, demanda y reserva de ancho de banda, scheduling, manejo de los recursos de radio, manejo de QoS, etc.

Subcapa de seguridad:

La capa MAC también contiene una subcapa denominada subcapa de seguridad (ver figura 8), la cual provee autenticación, intercambio de clave segura, encriptación y control de integridad a través del sistema BWA.

Las funciones de seguridad utilizadas son las siguientes:

Key Management Protocol: Protocolo de privacidad y manejo de claves. (PKMv1 802.162004 y PKMv2 para 802.16e). Utiliza mecanismos de autenticación, control de encriptación del tráfico, clave de intercambio para handover y mensajes de seguridad Multicast/Broadcast, todos basados en este protocolo.

Autenticación de dispositivo/usuario: WiMAX móvil soporta autenticación de dispositivo y usuario usando el protocolo IETF EAP proveyendo soporte de credenciales que están en la SIM, USIM, o certificado digital o usuario/password.

Encriptación del tráfico: el cifrado usado para proteger todos los datos sobre la interface MAC de WiMAX móvil es AESCCM. Las claves usadas para cifrar son generadas desde la autenticación EAP. La máquina de estados de encriptación tiene una clave periódica (TEK), permite la transición de claves para mejorar aún la protección.

Protección de mensajes de control: Los datos de control se protegen usando mecanismos basados en AES o esquemas basados en MD5.

Fast Handover Support: Para optimizar los mecanismos de re autenticación para soportar handovers rápidos, se utiliza en WiMAX móvil un esquema de 3 vías de handshake Este mecanismo es también útil para prevenir cualquier ataque.

Capa física:

La capa física establece la conexión física entre ambos lados, generalmente en ambos sentidos (uplink and downlink). La capa física es responsable por la transmisión de la secuencia de bits. Se define el tipo de señal utilizada, el tipo de modulación y demodulación, potencia de transmisión entre otras características físicas más.

En el estándar 802.16 se definen 5 interfaces físicas. Las cuales se resumen en la siguiente tabla:

En los sistemas 802.16, se incluyen ambos modos de duplexación, en el tiempo TDD (Time Division Duplexing) y el la frecuencia FDD (Frequency Division Duplexing). Como se observa en la tabla 10, para frecuencias entre 1066 GHz (LOS) se especifica la capa física denominada WirelessMANSC y para frecuencias por debajo de los 11 GHz se proponen tres interfaces físicas:

• Wireless MANOFDM, usa transmisión OFDM.

• Wireless MANOFDMA, usa transmisión OFDM y OFDMA.

• WirelessMANSCa, usa modulaciones de una sola portadora.

También se especifican algunas bandas no licenciadas, como la capa física Wireless HUMAN (Highspeed Unlicensed Metropolitan Area Network). Frecuencias no licenciadas son incluidas en la certificación de WIMAX fijo. Para las bandas de frecuencias no licenciadas, el estándar [20] requiere mecanismos como DFS (Dynamic Frequency Selection) para facilitar la detección y supresión de la interferencia y la prevención de interferencia que dañaría a otros usuarios, incluir usuarios específicos identificados por regulaciones [21] como usuarios prioritarios. WiMAX solamente considera las capas físicas OFDM y OFDMA de la especificación.

802.16. La técnica OFDM es una técnica de multiplexación que subdivide el ancho de banda en múltiples subportadoras. De esta forma el tren de datos de entrada se divide en muchos trenes paralelos de menor velocidad (lo que aumenta es la duración del símbolo) y cada tren es modulado y transmitido por una frecuencia de transmisión ortogonal separada. OFDM explota la diversidad de frecuencia del canal multicamino codificando y haciendo interleaving de la información a través de las subportadoras utilizadas para la transmisión. En un sistema OFDM, los recursos de tiempo y frecuencia pueden ser organizados en subcanales para asignar a usuarios individuales. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) es un acceso múltiple/esquema de multiplexado que provee la operación de multiplexar trenes de datos de diferentes usuarios en subcanales downlink y uplink. La estructura de símbolos OFDMA consiste en tres tipos de subportadoras, como se ve en al figura 10:

• Subportadoras de datos para la transmisión de datos.

• Subportadoras piloto para propósitos estimación y sincronización.

• Subportadoras nulas para no transmitir, usadas para bandas de guarda para las portadoras DC.

El estándar IEEE 802.16e2005 está basado en el concepto de Scalable OFDMA (SOFDMA), el cual soporta un variado rango de ancho de bandas para dar mayor flexibilidad a las diferentes asignaciones de espectro. La escalabilidad se alcanza ajustando el tamaño de la FFT fijando el tamaño entre subportadora a 10.94 KHz. Los anchos de banda del sistema para los dos primeros perfiles planeados por WiMAX Forum de WiMAX móvil son de 5 y 10 MHz.

Las bandas de frecuencias que pueden ser usadas para WiMAX por el momento son:

• Bandas licenciadas: 2.3 GHz, 2.5 GHz (recordar que la banda de frecuencia de 2.4 GHz es una frecuencia de uso libre, entre otros por WiFi), 3.3 GHz and 3.5 GHz, la última ha sido la que más ampliamente (geográficamente) se ha anunciado para WiMAX.

• Bandas no licenciadas: 5 GHz. El perfil de WiMAX fijo en la frecuencia no licenciada, por ejemplo 5.8 GHz. En el futuro varias bandas entre 5 y 6 GHz van a ser utilizadas como bandas no licenciadas para WiMAX dependiendo del país involucrado.

En la siguiente tabla se presentan globalmente las frecuencias que se esperan para WiMAX alrededor del mundo. Estas frecuencias no deberían ser más grandes que la ya elegida frecuencia de 5.8 GHz porque para altas frecuencias la operación NLOS se dificulta muchísimo, lo que es un problema real para la movilidad. El grupo de trabajo regulatorio (RWG: Regulatory Working Group) está tratando de definir dos nuevas frecuencias (los reportes hablan de 450 MHz y 700 MHz) con condiciones para el roaming universal con frecuencias deferentes en diferentes países.