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Descripción de Redes Inalámbricas de Área Regional WRAN (Noviembre 2012) Hidrobo Marco Abstract — It presents an overview of the Wireless Regional Area Networks WRAN also its topology, capacity and service coverage. In addition, a review of the Physical Layer (PHY) Layer and Media Access Control (MAC) as well as its structure, coexistence with the frequencies of Television (TV) and radio microphones.
reciba de los CPE's, actuará de una manera u otra [3].Como se muestra en la Fig. 1.
Index Terms — Capacidad, Cobertura, Descripción redes WRAN, Implementación, Topología.
I. INTRODUCCIÓN
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STE documento hace referencia a las redes WRAN ya que se trata de poder disponer de conexión a internet por medios inalámbricos en toda una región basada en el empleo de técnicas de Radio Cognitiva (CR) para permitir el uso compartido del espectro no utilizado asignado al servicio de difusión de televisión. Las CR's existen gracias a los significativos avances en las tecnologías de radio. Se caracterizan por la utilización de técnicas disruptivas tales como sensor de ancho de banda del espectro, asignación y adquisición del espectro en tiempo real y la medición de la propagación del espectro en tiempo real [3]. Está especialmente pensada para dar cobertura de Internet a zonas rurales o de difícil acceso, la mayoría del presente trabajo en información recopilada acerca del análisis del estándar IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.22 que es un Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos dedicados a la estandarización sobre protocolos de redes de comunicación entre muchas cosas más.
II. TOPOLOGÍA El estándar 802.22 especifica un interfaz inalámbrica fija punto a multipunto por el cual una estación base (BS) maneja su celda y todos los Equipos Locales de Cliente (CPE's). La Estación Base (BS) controla el medio de acceso en su celda y transmite a varios CPE's, los cuales responden a la BS. Además, las BS también administran lo que se llama percepción distribuida. Esta característica es necesaria para asegurar el correcto uso del espectro de televisión sin interferir en el espectro ya usado por las emisiones. Según lo que la BS Artículo recibido el 20 de Noviembre del 2012. Marco Hidrobo Estudiante de Ingeniería Electrónica y Redes de Comunicación de la Universidad Técnica del Norte. Correo electrónico marcohidrobo@hotmail.com
Fig. 1. Componentes de una red WRAN [3].
III. CAPACIDAD DEL SERVICIO Este estándar puede alcanzar una velocidad media de 18 Mbps (Mega bits por segundo) en un canal de televisión de 6 Mhz (Mega hertz) de ancho de banda. Suponiendo un total de 12 usuarios simultáneos, se consigue 1.5 Mbps de bajada y 384 Kbps (Kilo bits por segundo) de subida, bastante similar al servicio ADSL (Línea de Abonado Digital Asimétrica) [3].
IV. COBERTURA Otra de las grandes diferencias de este estándar con respecto a los otros estándares inalámbricos es el rango de cobertura de las BS, siendo de hasta 100 km siempre que la potencia no sea un problema. Si la BS cuenta con 4W (Watt) de potencia, la cobertura puede alcanzar una distancia de unos 33 km Kilómetros) [3]. En la Fig. 2. se muestra una comparación de la cobertura y las velocidades con otros estándares inalámbricos.
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Fig. 2. Comparación de las coberturas según el alcance de los tipos de redes [3].
V. INTERFAZ A. La PHY Es la interfaz entre el MAC y el medio inalámbrico. Provee de tres niveles de funcionalidad, el primero de ellos es intercambiar tramas entre PHY y MAC, el segundo es utilizar portador de señal y modulación de espectro ensanchado para transmitir tramas a través del medio y el tercero es proveer al control de acceso al medio de un indicador de detección de portadora para señalizar actividad en el medio. [3]. El PHY está dividido en dos sub-capas, el PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) más cercano al MAC y el PMD (Physical Medium Dependent Layer), que interacciona con el medio inalámbrico En la Fig. 3. se aprecia el patrón de ocupación de los canales de televisión. Como se puede ver, las oportunidades de transmisión de las BS son totalmente aleatorias influyendo, por consiguiente, en el diseño del MAC y del PHY.
Fig. 3. Patrón de ocupación de los canales de TV [2].
Las aplicaciones WRAN requieren flexibilidad en subida y bajada con soporte para varios usuarios, se basa en modulación OFDMA, esta multiplexación es una versión multiusuario de la Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM). Se utiliza para conseguir que un conjunto de usuarios de un sistema de telecomunicaciones puedan compartir el espectro de un cierto canal para aplicaciones de baja velocidad. El acceso múltiple se consigue dividiendo el canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en función de la necesidad de cada uno de los usuarios [3]. Las redes WRAN se caracterizan también por largos tiempos de propagación (Desde 25us hasta 50us), lo que requiere el uso de un prefijo ciclico17 de unos 40us. Para reducir la sobrecarga debido al prefijo cíclico, se usan portadoras de aproximadamente 2K en un canal de televisión. La capa física también ha de proveer alta flexibilidad en términos de modulación y codificación. La modulación OFDMA se ajusta perfecta a los requisitos para estos fines. Actualmente se ha propuesto repartir los abonados en 48 subcanales. Las modulaciones propuestas son QPSK(Modulación por Desplazamiento de Fase de 4 Símbolos) 16QAM y 64QAM.. Eso conseguiría una tasa de transferencia de unos pocos Kbps por subcanal hasta 19 Mbps por canal de televisión [3]. Análisis preliminares mostraron la dificultad de transmitir a 19Mbps en 30 km usando solo un canal de televisión. Para ello se usa el vínculo de canales. Hay dos maneras de vincular canales, uno de ellos es el vínculo de canales contiguos y el vínculo de canales no contiguos [3]. En la Fig. 4. se puede apreciar un diagrama simplificado de como seria el vínculo de canales contiguos. En principio, vincular tantos canales como sea posible sería lo ideal, pero las limitaciones a la hora de implementar este estándar limita el número de canales a vincular. Asi, el espacio libre mínimo entre canales de televisión para que la WRAN pueda operar debe de ser de tres canales. Según esto, el ancho de banda está limitado a tan solo tres canales contiguos. Para canales de 6 Mhz esto supondría un ancho de banda de 18 Mhz [3].
Fig. 4. Vinculo de canales contiguos [3].
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Para facilitar la implementación, este diagrama usa espacios entre portadoras fijos, lo que permite al transductor la posibilidad de no tener que cambiar su reloj de sistema basado en el número de canales vinculados. Esta propuesta se traduce en requerir tantos FFT como canales vinculados. En general, el sistema está basado en FFT de 6K para tres canales de televisión. Cuando solo se usa un canal de televisión las portadoras externas son puestas a cero y solo unas pocas subportadoras siguen activas, aproximadamente 1.7K [3]. B. El nivel MAC Está definido por una estructura de súper trama y trama, la súper trama contiene SCH (Superframe Control Header) en el que se encuentra TV Bonded Channels (Canales Vinculados), la convivencia e información de la súper trama, el número y tamaño de la trama, y la ubicación de la información de configuración [2]. La cabecera de la súper trama contiene un preámbulo para el tiempo sincronización y estimación de canal la misma que se puede apreciar en la Fig. 5.
Fig. 6. Trama MAC [2].
VI. ENTRADA EN LA RED E INICIALIZACIÓN Siempre que una CPE se enciende, lo primero que hace es escanear todos los canales de televisión. Seguidamente, realiza un mapa de ocupación del espectro, en donde se identifica en cada canal si hay usuarios legítimos o no. Esta información es enviada a la BS y usada por la CPE para determinar que canales están vacios y, a partir de ahí, usar esos canales vacantes para buscar transmisiones SCH de las BS's. Una vez que la CPE recibe el SCH, adquiere el canal y la información de la red para acceder a ella [3].
VII. MEDIDAS Y MANEJO DEL ESPECTRO
Fig. 5. Súper trama MAC [2].
La estructura del frame de MAC se muestra en la Fig. 6. Se puede ver que el frame se compone de dos partes, una de ellas es un frame de bajada o Downstream (DS) que consiste en solo un PHY PDU con contenido sobre posibles coexistencias y la otra es un frame de subida o Upstream (US) que contiene información como los intervalos sincronizados de inicialización, demanda de ancho de banda, notificación UCS (Situacion Urgente de Coexistencia) y uno o más PHY PDU, cada uno transmitido desde diferentes CPE's. [3].
Para que una celda 802.22 pueda operar sin causar interferencias a los usuarios legítimos, las BS debe instruir a sus CPE's asociadas para que realicen mediciones periódicas, las cuales pueden ser, las medidas en banda. Estas medidas se realizan en los canales usados por la BS para comunicarse con las CPE's. Para estas medidas la BS silencia periódicamente el canal, asi el detector de usuarios legítimos puede cumplir su cometido y las medidas fuera de banda estas se realizan en todos los otros canales para detectar la presencia de usuarios legítimos, los dispositivos 802.22 deben poder detectar señales a un nivel de señal ruido muy bajo con acierto [3].
VIII. COEXISTENCIA A. Antenas Cada CPE necesita dos antenas: una direccional y otra omnidireccional (con ganancia a partir de 0 dB). La antena direccional es la antena principal usada por el CPE para comunicarse con la BS Por el contrario, la antena omnidireccional se usa para propósitos de sensor y para realizar medidas. Se recomienda que esta antena sea siempre exterior [3]. B. Televisión y micrófonos inalámbricos En el estándar 802.22 las BS's y los CPE's son los encargados de la protección del espectro de los usuarios legítimos. Es para ello para lo que se usan diferentes técnicas tales como fusión
4 de datos y consulta sobre todos los datos de medida para obtener una figura fiel de ocupación del espectro [3].
IX. COCLUSIONES Las redes WRAN van a permitir llegar a lugares donde no es posible una conexión con cable en este caso seria las zonas rurales donde es difícil el acceso, brindando un servicio en la actualidad muy necesario como es el internet para posibilitar tanto su desarrollo educacional como ocupacional . La implementación de las redes WRAN se desarrollará principalmente en países donde la cobertura celular no alcanza a todas sus regiones para poderles facilitar sus comunicaciones y con ello alcanzar con una cobertura total que sería lo ideal. WRAN opera en las bandas de TV, hace uso de técnicas tales como el espectro de detección, la detección y prevención correspondiente, y logra que la gestión del espectro tenga una convivencia efectiva y la distribución de recursos de radio. Varias redes WRAN pueden coexistir en la misma zona compartiendo el espectro.
REFERENCES [1]
M. Blázquez. 2011, Agosto 01. Las redes WIFI regionales de banda ancha WRAN ven la luz. Disponible: : http://suite101.net/article/lasredes-wifi-regionales-de-banda-ancha-wran-ven-la-luz-a62153
[2]
P. Jelínek. El estándar IEEE-802.22 Wireless Regional Area Network. Disponible: http://iba.dit.upm.es/w/images/7/7f/El_estandar_IEEE-802.22.pdf
[3]
A. Vivancos. El estándar IEEE-802.22. Disponible: http://dspace.universia.net/bitstream/2024/223/1/ieee802.22_trabajo.pdf
[4]
P. Simancas, “Análisis del estándar IEEE 802.22 (Wireless Regional Area Network (WRAN) y su posible implementación en Ecuador.”. Tesis, Carrera Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones. Escuela Politécnica Nacional. Mayo 2006. K. Mohamed. 2011, Diciembre 15. Cognitive radio The IEEE 802.22 standard.Disponible: http://www.tuilmenau.de/fileadmin/public/iks/files/lehre/socs/SO-P2L4-ieee802-Final.pdf A. Weissberger. Backgrounder on IEEE 802.22 Wireless Regional Area Network WG. Disponible: http://www.webtorials.com/main/newsletters/dcti/WRANbackgrounder.pdf. G. Chouinard. 2005 Mayo. WRAN Reference Model IEEE 802.22. Disponible: http://www.ieee802.org/22.
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Marco Hidrobo, nació en Quito-Ecuador el 5 de Septiembre de 1990. Realizó sus estudios secundarios en la Unidad Educativa Experimental Teodoro Gómez de la Torre. Estudia Ingeniería en Electrónica y Redes Comunicación en la Universidad Técnica de Norte. Practica deportes como son la natación y el basketboll. Le interesa los temas referentes redes de comunicación asi como también los
microcontroladores y (marcohidrobo@hotmail.com)
sistemas
digitales.