Aplicaciones móviles en banda libre: Por qué WiMAX móvil en banda libre es WiMAX fijo

Antes de analizar la tecnología WiMAX móvil tal y como fue concebida, vamos a intentar aclarar un tema sobre el que estamos encontrando confusión entre nuestros clientes: La viabilidad de aplicaciones móviles, y en concreto de la tecnología WiMAX móvil, en banda libre.

Las aplicaciones móviles no son viables en bandas libres, o dicho de otra forma, son sólo aplicables a bandas licenciadas. No es un problema de interferencias o de uso restringido del espectro, aunque también cuenta. Son otros motivos más importantes los que justifican esta afirmación. Técnicamente es imposible soportar aplicaciones móviles en bandas de frecuencia con limitación de potencia, como es el caso de las bandas libres.

Como se trata de una tecnología orientada aplicaciones móviles, WiMAX móvil no es viable por tanto en banda libre. Esto no quiere decir que no pueda existir WiMAX móvil en banda libre, sino que no tiene mucho sentido. Esta afirmación se demuestra en cuatro pasos:

1) Las aplicaciones móviles requieren terminales tipo USB o PDA. El uso de este tipo de terminales no es una opción, sino una obligación. No tiene sentido una aplicación de movilidad con terminales que deben estar amarrados a un mástil o a una pared como los utilizados en aplicaciones fijas. Cualquier aplicación que no emplee terminales móviles tipo USB o PDA no es móvil.

2) El uso de terminales USB o PDA aumenta notablemente las pérdidas de propagación. Esto se debe a cuatro motivos:

• En primer lugar, la propagación de la señal entre el terminal de usuario y la estación base no cuenta con línea de vista en el caso de los terminales USB/PDA (o generalmente carece de ella), por lo que la propagación es NLOS, con unas pérdidas de propagación muy superiores al caso LOS.
• Los terminales USB/PDA deben poder emplearse en interiores, por lo que la señal debe penetrar al interior de edificios atravesando paredes, lo que también aumenta las pérdidas de propagación.
• La antena de los terminales USB/PDA es omnidireccional y de baja ganancia, por lo que no aportan ganancia al balance de enlace.
• Los terminales USB/PDA suelen ser alimentados por batería, por lo que su consumo limita la potencia de transmisión.

3) Las altas pérdidas de propagación asociada al uso de terminales USB/PDA requiere emplear estaciones base de alta potencia. Para permitir una comunicación con una mínima calidad, las enormes pérdidas de propagación asociada al uso de estos terminales debe ser compensada en ambos sentidos, en sentido ascendente (comunicación entre el terminal de usuario y la estación base) y en sentido descendente (entre la estación base y el terminal de usuario). Para compensar las pérdidas en sentido ascendente, es necesario emplear un mecanismo de acceso múltiple que no sea TDMA, como es el caso de WiMAX móvil (OFDMA) o 3G (CDMA). En sentido descendente la única forma de compensar las pérdidas es mediante la transmisión con alta potencia desde la estación base.

4) La posibilidad de transmitir alta potencia está restringida a bandas licenciadas.

Eso es todo.

No ha hecho falta entrar en aspectos de mercado sobre la viabilidad comercial de un producto WiMAX móvil en banda libre, de lo que podríamos hablar en otro momento. Nos hemos limitado a presentar argumentos técnicos. Las aplicaciones móviles, como las conocemos hoy, simplemente no son técnicamente viables.

En bandas libres la potencia que se puede transmitir es baja, por lo que no hay estaciones base de alta potencia. Por alta potencia hablamos de potencias de transmisión de 2W o más (potencia entregada a la antena, no potencia PIRE, que será mucho mayor). El balance de enlace en sentido descendente no es suficiente para soportar el uso de terminales USB/PDA, por lo que es imprescindible emplear terminales de exterior con antena de alta ganancia. El uso de técnicas OFDMA o CDMA no aporta ventajas en este caso, ya que el alcance está limitado por el enlace descendente, en el que estas técnicas no intervienen para mejorar el balance de enlace.

En definitiva, en bandas libres todo acaba convergiendo a un modelo idéntico al de las aplicaciones fijas: terminales outdoor con antena integrada e instalación en mástil o pared, y propagación con línea de vista (LOS). Es decir, WiMAX móvil en banda libre es WiMAX fijo.

WiMAX 802.16e-2005 en banda libre

Varios clientes nos han preguntado por equipamiento “WiMAX 802.16e-2005 en banda libre” ante los anuncios de algún fabricante o distribuidor sobre el lanzamiento al mercado de equipamiento definido de ese modo, como “WiMAX 802.16e-2005 en banda libre”.

En Albentia Systems somos partidarios de la estandarización y la interoperabilidad, por lo que siempre es una buena noticia la incorporación de nuevos fabricantes o productos al mundo WiMAX. Desafortunadamente, en este caso me temo que nos encontramos ante un nuevo mensaje comercial orientado a maximizar la confusión. Explico a continuación por qué, con la máxima brevedad y contundencia.

• Si el equipamiento se denomina “WiMAX”, debe ser interoperable, pues ese es el significado de la “i” de “WiMAX”. Si dicho fabricante no demuestra la interoperabilidad de sus equipos con los de otros fabricantes, la humanidad agradecería que no usasen la palabra “WiMAX” para describir su producto.

• Sobre la segunda parte de la descripción (“802.16e-2005 en banda libre”), la humanidad también agradecería que alguien que decide emplear el nombre de un estándar como argumento comercial, se haya leído dicho estándar, o por lo menos su título. Y es que no hace falta llegar muy lejos en la lectura del 802.16e-2005. Lo dice bien clarito en la portada, que reproducimos a continuación:

Traducción del título: Enmienda 2 – Capas física y de control de acceso al medio para operación combinada fija y móvil en BANDAS LICENCIADAS.

Creo conveniente preguntar por el significado de “WiMAX” y “802.16e-2005” a aquél que use esas palabras con fines comerciales. Afortunadamente sólo nos ha llegado el caso de un fabricante que dice tal cosa, pues ningún otro fabricante WiMAX habla de 802.16e-2005 en banda libre.

WiMAX móvil: ¿Qué es?

Antes de entrar a hablar de WiMAX móvil, de sus ventajas y comparativa con otras tecnologías, habría que definir qué significa “WiMAX móvil” y entender qué puede ofrecer un sistema bajo tal denominación.

La respuesta no es sencilla, pues el término “WiMAX móvil” no es un término oficial que designe algo concreto. De hecho, la palabra “WiMAX” no aparece prácticamente en el estándar IEEE 802.16, y menos aún seguida de la palabra “móvil”. Desafortunadamente “WiMAX móvil” es un término creado por la industria que cada uno usa como quiere.

WiMAX móvil es una tecnología, no un estándar. Hablar de WiMAX móvil es como hablar de televisión digital. Esto hace aún más difícil identificar exactamente qué significa WiMAX móvil.

Existe la idea de que WiMAX móvil es la tecnología definida en el estándar IEEE 802.16e-2005. Pero eso no es cierto. Para empezar, la IEEE 802.16e-2005 no es más que una enmienda que ya ha sido incluida en el estándar IEEE 802.16-2009, al igual que muchas otras enmiendas, por lo que la nomenclatura 802.16e-2005 ya es obsoleta. Por otra parte, el estándar vigente, el único estándar válido en la actualidad, el IEEE 802.16-2009, incluye tanto aplicaciones fijas como móviles. Incluso contempla aplicaciones de backhaul en alta frecuencia.

A falta de una definición exacta, no queda más remedio que describir a qué nos referimos cuando hablamos de la tecnología WiMAX móvil. Aquí van varias ideas esenciales que se basan en analizar el significado de las palabras “WiMAX” y “móvil”.

Por “WiMAX” entendemos tecnología basada en el estándar IEEE 802.16-2009 y que además es interoperable. La “i” de “WiMAX” significa “Interoperability”, así que aunque es la única letra minúscula del nombre, resulta ser la más importante. Por lo tanto, cualquier equipo WiMAX móvil debe poder comunicarse con equipamiento de otros fabricantes. Debe ser interoperable.

Por “móvil” se pueden entender muchas cosas, pero por lo general hay dos aspectos que toda tecnología denominada “móvil” suele cumplir:

• Las aplicaciones móviles requieren terminales portátiles tipo PDA o USB, ya que resulta difícil desplazarse con un terminal outdoor con antena directiva amarrado a un mástil. Hay aplicaciones móviles sin terminales PDA/USB, pero son una minoría. El uso de estos terminales no es una opción, sino una obligación dictada por el objetivo de movilidad.

• La tecnología debe soportar Soft Hand-off. El término “hand-off” (o “hand-over”) significa que un terminal pase de la zona de cobertura de una estación base a la zona de cobertura de otra estación base. Que sea “soft” implica que se mantiene la conectividad durante ese proceso de cambio de estación base, pasando totalmente desapercibido para el usuario. De este modo, una comunicación de voz no cae aunque el usuario se desplace. En contraposición al soft hand-off está el “hard” hand-off, en el que la conexión cae durante un instante que puede ir desde un tiempo inferior a un segundo hasta varios segundos o minutos, en cualquier caso no válido para aplicaciones de voz en movilidad.

Podemos entrar en más detalles, pero al hablar de WiMAX móvil esos cuatro aspectos (estándar, interoperabilidad, terminales PDA/USB y soft hand-off) siempre están presentes en la mayoría de los casos, y si alguno de los cuatro conceptos no se cumple, no podremos hablar de WiMAX móvil, sino que estaremos en aplicaciones nicho de aplicabilidad reducida.

Si no es interoperable o no está basada en el estándar IEEE 802.16-2009, simplemente no es WiMAX. Si no soporta soft hand-off ni el uso de terminales USB/PDA, simplemente no permite movilidad.

WiMAX móvil

Vamos a iniciar una nueva serie de entradas relacionadas con WiMAX móvil. En los últimos meses se pueden leer muchísimos comentarios sobre WiMAX móvil, su evolución y su comparativa con LTE y WiMAX fijo. Desafortunadamente volvemos a ser testigos de la desinformación, de comentarios orientados al marketing sin fundamento técnico y a mensajes que no hacen más que confundir. Esta confusión es aprovechada por algunos, tolerada por otros y aceptada con resignación por todos los demás.

Con esta nueva serie de entradas vamos a intentar arrojar un poco de luz sobre esta interesante tecnología. Por mi parte lo haré desde un punto de vista estrictamente técnico, dejando a un lado opiniones sobre la evolución del mercado y visiones sobre el futuro, y centrándome en experiencias reales, y en el conocimiento del estándar y del estado ACTUAL de la tecnología.

Intentaremos aclarar las diferencias entre WiMAX fijo y móvil y sus innumerables denominaciones (16e, 16d, 802.16-2004, 802.16-2005…). Explicaremos las diferencias técnicas y su motivación, y el potencial uso de ambos casos, tanto para banda libre como licenciada. Nuevamente hablaremos de interoperabilidad, e intentaremos poner en evidencia los mensajes claramente erróneos y malintencionados que algunos fabricantes ya están lanzando sobre WiMAX móvil.

Albentia Systems: fabricante de equipamiento WiMAX interoperable en banda libre 5GHz

Esta es la primera entrada que tengo el gusto de escribir en este blog. Para retomar la actividad y estrenarme como participante, simplemente comentar sobre las líneas de trabajo en las que se ha estado centrando nuestra actividad últimamente. En esta entrada me referiré esencialmente al mercado español, y a los sistemas que operan en banda libre, aunque por supuesto, muchos de los conceptos son extrapolables a otros mercados internacionales en los que Albentia está presente.

Por un lado, hemos mantenido la actividad siempre incesante de desarrollar nuevas funcionalidades  que ayuden a mejorar la propuesta de implementación de nuestras soluciones de Acceso (ARBA) y Transporte (ALB). En ese sentido espero que próximamente sigamos publicando entradas detallando los avances que se han estado haciendo, tanto en perfeccionar las prestaciones a nivel Radio y a nivel MAC, como en implementar nuevos avances en materias de Networking y Gestión de Red.

Por otro lado, hemos estado llevando a cabo una labor muy activa de promoción de nuestra actividad en tanto que fabricantes pioneros. Cada vez es menor la proporción de actores en la industria española que desconocen la existencia de equipamiento WiMAX-interoperable en banda libre. Históricamente, el mercado en España ha estado dominado por soluciones pre-WiMAX (ver entradas anteriores en nuestro blog) que buscaban dar soluciones propietarias al problema del acceso inalámbrico en bandas no licenciadas. En este contexto Albentia Systems, juega un papel primordial en tanto que fabricante de equipamiento que apuesta por una tecnología abierta, estándar, y de elevadas prestaciones, en estas bandas de trabajo. Nuestra bandera es la cercanía y la transparencia. Y eso es algo que cada vez más los clientes finales, operadores, integradores y administraciones públicas, están valorando.

Con la aparición de Albentia Systems en el escenario, nuestros clientes cuentan con un actor capaz de ofrecer una solución eficiente y tecnológicamente avanzada para dar servicios de Voz, Vídeo y Datos sobre una plataforma robusta, eficiente en costes, y que implementa todas las funcionalidades de la tecnología que ha sido específicamente diseñada para brindar servicios IP de gran capacidad a grandes distancias: WiMAX.

Y la solución de Albentia Systems, nunca nos cansaremos de repetirlo, es la primera solución del mercado en implementar WiMAX interoperable, WiMAX del de verdad, en la banda libre de 5GHz. Permitidme insistir en esta frase, porque es muy importante, ya que pone de manifiesto 3 conceptos fundamentales:

1)         El factor tecnológico: la solución de Albentia Systems es una solución WiMAX-compliant. Es decir, implementa las características definidas en el estándar 802.16 (y muchas más!!), por lo que es conforme al estándar y, lo que es más importante, es interoperable con equipamiento de otros fabricantes que también sean WiMAX-compliant. Esto se opone radicalmente al concepto de tecnologías pre-WiMAX y propietarias, en las que sólo un tipo de terminal (CPE) es capaz de conectarse a la estación base, y que por supuesto, pertenece al mismo fabricante de estaciones base.

2)        El factor regulatorio: históricamente, WiMAX ha tenido éxito en bandas licenciadas (3.5GHz en España), mientras que la banda libre se destinaba al uso de tecnologías pre-WiMAX que (1) implementan tecnologías propietarias y que por tanto no están ni diseñadas por la industria, ni fomentadas por la industria, y (2) son implementaciones cerradas de una solución, y que por tanto el cliente final no tiene libertad a la hora de escoger el tipo de terminales para su despliegue. Con la aparición de Albentia, es posible desplegar WiMAX en bandas no licenciadas.

3)        El factor “fabricante”: Albentia Systems es un fabricante cercano, lo cual es particularmente relevante en el mercado español, donde somos un fabricante tremendamente local, capaz de brindar un soporte hasta ahora desconocido. Además, Albentia se distingue por la forma en que diseña y produce su solución, añade funcionalidades y transmite su filosofía de lo que debe ser una herramienta fiable y tecnológicamente potente.

Por tanto, el mensaje que debemos transmitir es claro y conciso: Albentia Systems proporciona la primera solución del mercado que es realmente WiMAX, que es realmente Interoperable, y que opera en la banda libre 5GHz.

Pre-WiMAX o Post-WiFi: ¿Nos están engañando?

¿Cómo saber si un equipo es verdaderamente WiMAX?

En esta entrada pretendo ayudar a detectar a los muchos fabricantes o distribuidores que venden equipamiento punto-multipunto para acceso radio en banda libre de 5 GHz bajo la denominación de “WiMAX” o “Pre-WiMAX”. Desafortunadamente no son pocos los que recurren a esta práctica, entre los que se incluyen fabricantes de reconocido nombre que se definen como líderes en el sector. Salvo que el cliente, de buena voluntad, sea un experto en telecomunicaciones, es muy probable que crea lo que le dicen, y acabe instalando equipamiento supuestamente WiMAX cuando lo que ha comprado es un “WiFi mejorado”.

Esto está mal, muy mal, y desafortunadamente es una práctica cada vez más común. No entiendo por qué se engaña a la gente. Es malo para todos, para el cliente, para la industria en general e incluso para el vendedor, contamina el mercado con mensajes erróneos y decepciona a mucha gente que ve que WiMAX no es lo que se pensaba. Claro, que lo que le han dado no es WiMAX ni se parece.

La mayor parte de los casos es el de los WiFis mejorados. Se trata de equipos basados en 802.11a que incluyen mejoras en la capa MAC para intentar resolver muchas de las deficiencias de esa tecnología en aplicaciones de acceso radio. Sé de dos fabricantes muy conocidos que venden estos equipos como “WiMAX”, lo que me parece lamentable. Otros los venden como “Pre-WiMAX” (¿cuál es la definición de PreWiMAX? ¿Aquello que no es WiMAX?). Es decir, se da una idea de similitud a WiMAX cuando no tiene absolutamente nada que ver. De hecho, la nomenclatura que mejor se adaptaría es “Post-WiFi”, pues se siguen pareciendo demasiado a esta tecnología de la que han nacido.

¿Cómo detectar si un equipo es WiMAX o Post-WiFi? En un mundo honesto, para saber si es WiMAX bastaría con decir que cumple estrictamente el estándar IEEE 802.16-2004. La mayoría de los fabricantes todavía le tienen respecto a una nomenclatura tan precisa, lo que podría ser la mejor forma de evitar el engaño: Si no se indica claramente la compatibilidad con el estándar IEEE 802.16-2004, no es WiMAX. Aún así, es posible que el fabricante no indique la compatibilidad con el estándar pero siga usando la palabra WiMAX, para maximizar la confusión. Se me ocurren muchas otras formas de detectar un engaño en base a lo que los fabricantes sí dicen. A continuación listo una docena de ellas. Si el equipo en cuestión cumple alguna de ellas, aunque sólo sea una, estamos ante un engaño:

1. Lo más importante: si el equipo en cuestión no es interoperable, no es WiMAX. La “i” de WiMAX significa “Interoperability”. Si el fabricante no es capaz de proporcionar una lista de equipos de otros fabricantes con los que el suyo es capaz de interoperar, de nada sirve lo que diga. No es WiMAX y punto.

A nivel físico:

1. No basta con que el equipo use modulación OFDM, pues OFDM se usa en WiFi, DVBT, ADSL, DAB, PLC y WiMAX. La modulación OFDM debe ser la especificada por el estándar IEEE 802.16-2004 (WiMAX). Si la modulación OFDM usa 64 subportadoras, el equipo no puede ser WiMAX por mucho que lo diga el fabricante. El estándar IEEE 802.16-2004 especifica una capa física OFDM con 256 subportadoras. Es decir, especificaciones del tipo “OFDM 64 FFT points” o “64 subcarriers”, es un claro síntoma de que el equipo es un Post-WiFi. (WiFi es la única tecnología de las anteriormente indicadas que usa 64 subportadoras). Y las consecuencias de esto en cuanto al rendimiento de la capa física son notables.
2. Si la capa física soporta canales de 20 MHz, sobre los que puede transmitir una tasa máxima de 54 Mbps con la mejor modulación, inequívocamente es un Post-WiFi. En general, si aparece el número 54 en el manual o en el datasheet (referido a throughput, no a frecuencia de trabajo), no dejes de sospechar. Para otras modulaciones WiFi proporciona una capacidad a nivel físico de 6, 9, 12, 18, 24, 36 y 48 Mbps. En WiMAX, los números son mucho menos redondos (37.7 Mbps por ejemplo), y siempre dependen del prefijo cíclico empleado.
3. Si no es posible cambiar el prefijo cíclico de la modulación OFDM, no es WiMAX. WiFi sólo permite un prefijo cíclico de 1/4, mientras que WiMAX permite 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32. Si el equipo en cuestión no permite seleccionar el prefijo cíclico, o simplemente no lo menciona, no es WiMAX en absoluto.
4. Si el equipo soporta ocho niveles de modulación, nuevamente es un Post-WiFi, pues ocho son las modulaciones de WiFi, mientras que en WiMAX sólo hay siete.

A nivel MAC:

1. Si en el manual se menciona alguna de las siguientes palabras: “AIFS”, “DIFS” y “SIFS”, estamos ante un Post-WiFi. Estos parámetros regulan las ventanas de contienda de WiFi, para regular el acceso al medio compartido. WiMAX, como cualquier tecnología profesional no permite contienda, al usar una MAC entramada y totalmente determinista.
2. Si en el manual de usuario aparece la palabra “ESSID”, nuevamente es un Post-WiFi. Este tipo de identificador de red es exclusivo a WiFi. WiMAX usa BSID para identificar las estaciones base.
3. Si la priorización de tráfico se hace a nivel IP y no se mencionan las calidades de servicio WiMAX (BE, RTPS, nRTPS y UGS), no puede ser WiMAX.
4. Si soporta cifrado WEP, es un Post-WiFi. En WiMAX, el cifrado es AES, DES y 3DES. De todos es conocida la vulnerabilidad del cifrado WEP de WiFi.
5. Si cada paquete transmitido se confirma mediante un ACK, no es WiMAX. En WiMAX hay un protocolo de ARQ, no ACK por paquete.
6. Si en el manual aparece la palabra “Beacon”, estaremos ante un Post-WiFi. Los sistemas Post-WiFi intentan paliar las grandes desventajas de la capa MAC WiFi mediante el uso de beacon. WiMAX emplea transmisión en tramas, por lo que no usa Beacon, ni lo necesita.
7. Si la potencia de transmisión en las estaciones suscriptoras se puede fijar, no es WiMAX. En WiMAX la potencia la controla la estación base.

Si algún fabricante o distribuidor os ofrece un equipo en el que se da alguna de las situaciones indicadas, aunque sólo sea una, no dudéis, ese equipo no es WiMAX, ni Pre-WiMAX. En todo caso será un Post-WiFi.

La pregunta entonces es: ¿Quién fabrica equipamiento WiMAX interoperable en banda libre de 5 GHz?. Hay varios fabricantes de estaciones suscriptoras (CPEs) extranjeros. Fabricante de estaciones base, por lo menos hay uno: Albentia Systems.

WiMAX en banda libre: WiMAX, PreWiMAX y soluciones propietarias

La banda libre de 5 GHz, conocida como 5.4 GHz en Europa (aunque cubre la banda 5470-5725 MHz) y 5.8 GHz en la regulación FCC, se está empleando con frecuencia para proporcionar acceso radio en banda ancha en zonas rurales carentes de otros tipos de conectividad en banda ancha.

Hasta el momento el equipamiento empleado en esta banda se basaba en soluciones propietarias de algunos fabricantes. Muchas de estas soluciones eran adaptaciones del estándar IEEE 802.11a (WiFi), y ninguna de ellas se basaba en el estándar IEEE 802.16-2004 (WiMAX).

Desafortunadamente estas soluciones propietarias han sido denominadas “Pre-WiMAX”. Este término es realmente confuso, pues transmite la idea de similitud con WiMAX, cuando se trata de tecnologías totalmente diferentes a WiMAX y con un rendimiento muy inferior. En este sentido debería leerse el término PreWIMAX como “No-WiMAX”, y no como “Casi-WiMAX” que es el concepto que generalmente se transmite erróneamente.

Afortunadamente ya existe equipamiento WiMAX en banda libre, tanto estaciones base como estaciones de usuario o CPEs. Para no dejar espacio a dudas, cuando digo WiMAX, me refiero a “Equipamiento interoperable 100% estándar IEEE 802.16-2004”.

Es cierto que el foro WiMAX no certifica equipos en banda libre, por lo que estrictamente hablando no es posible denominar a estos equipos con la palabra WiMAX. Pero eso no se debe a que los equipos no cumplen el estándar o no son interoperables, sino a motivos organizativos del foro.

En cualquier caso estamos hablando de equipamiento IEEE 802.16-2004 al cien por cien (OFDM de 256 subportadoras, capa MAC entramada, eficiente, determinista, con QoS…), y más aún, equipamiento interoperable. Y es que este último concepto es fundamental, incluso para equipos WiMAX de 3.5 GHz, donde sí existe perfil de certificación. La realidad dice que la certificación no garantiza interoperabilidad (aunque teóricamente es parte de su objetivo), pero los juegos y estrategias de algunos fabricantes destinados a “atar” a sus clientes conducen en ocasiones a equipamiento “WiMAX no interoperable”, por paradójico que parezca.

Pero estamos de suerte. La interoperabilidad se demuestra. Nada tan sencillo como pedir al fabricante que demuestre que sus equipos son interoperables con los de otros fabricantes. Si se demuestra, nada aportan ya las nomenclaturas y etiquetas. El equipamiento es interoperable y punto.

Albentia Systems es el primer fabricante a nivel mundial en ofrecer equipamiento cien por cien EEE 802.16-2004 y realmente interoperable. Ya son varios los fabricantes de CPEs con los que se ha demostrado interoperabilidad. Y esto es sólo el principio.

WiMAX por fin ha llegado a la banda libre. El rendimiento del estándar IEEE 802.16-2004 es abrumador en comparación con las soluciones propietarias, y la interoperabilidad garantiza mercados de escala que minimizan los costes y maximizan la oferta y variedad de productos.

La MAC WiMAX: Eficiente, determinista y entramada

En alguna entrada anterior ya hemos mencionado las implicaciones de la capa MAC en el rendimiento global del sistema, throughput neto, distancia de cobertura y coste de la solución.

En esta entrada del blog comenzaremos a ver las posibles implementaciones de la capa MAC, y sus implicaciones en el rendimiento del sistema. Introduciremos conceptos importantes como el de Eficiencia MAC, y definiremos qué es una MAC determinista y una MAC estadística, y la importancia de la transmisión en tramas en sistemas inalámbricos punto-multipunto, realizando una comparativa entre WiMAX y WiFi. En futuras entregas analizaremos otros detalles de la capa MAC.

Nos centramos en esta ocasión en las características que debe reunir una capa MAC para un sistema inalámbrico punto-multipunto. Al tratarse de un sistema inalámbrico, el medio físico es escaso, ya que el espectro es limitado. Al ser un sistema punto-multipunto, varias estaciones deben compartir ese medio físico. Es decir, un sistema inalámbrico punto-multipunto reúne las condiciones más complejas de compartición del medio: el medio es escaso y son muchos los que intentan acceder a él. Vemos cómo la capa MAC, responsable de regular este acceso compartido, tiene un papel de gran importancia en el rendimiento global del sistema.

Para que la compartición de un canal radioeléctrico de escaso ancho de banda entre muchas estaciones se lleve a cabo de la mejor manera, hay dos reglas básicas que se deben cumplir:

1) No debe haber colisiones entre diferentes estaciones. Es decir, no puede haber más de una estación transmitiendo en un momento determinado. De no ser así, la comunicación no llegará a buen término, por lo que se habrá desperdiciado el espectro al tener que volver a transmitir. En lenguaje técnico, se dice que la capa MAC debe garantizar transmisión libre de contienda (“contention-free transmission”)

2) No puede haber momentos de silencio en los que nadie utiliza el canal, ya que nuevamente se estaría desaprovechando el canal.

Una capa MAC eficiente no debe permitir por tanto ni colisiones ni silencios.

La primera parte (ausencia de colisiones) exige la presencia de un árbitro que regule el acceso al medio entre las diferentes estaciones, de modo que ninguna estación pueda transmitir sin autorización. Este árbitro garantiza por tanto que no haya dos estaciones transmitiendo simultáneamente. Algoritmos de contienda tipo CSMA/CD como los implementados en Ethernet o 802.11 no son válidos, ya que nunca garantizan la ausencia de colisiones. La presencia de un árbitro es indispensable.

La segunda parte (ausencia de silencios) exige que el árbitro organice el acceso al medio de modo que todas las necesidades de las estaciones sean satisfechas y que se haga uso constante del canal.

Una capa MAC que logre cumplir esos dos objetivos reunirá dos características importantes:

a) Alta Eficiencia MAC. La eficiencia MAC mide el aprovechamiento de la capacidad a nivel físico y su habilidad para convertirlo en throughput neto. Ya que se hace un uso constante del canal, sin riesgo de colisiones, el aprovechamiento será máximo, luego la eficiencia espectral alta (cercana al 100%).

b) La capa MAC será determinista, es decir, se puede predecir su comportamiento. Esto es imposible en implementaciones MAC que permiten contienda y basan el control de acceso al medio en algoritmos de escucha y espera aleatoria. Estas implementaciones se basan en mecanismos aleatorios, por lo que su comportamiento será estadístico, nunca determinista. Es decir, aunque la capacidad a nivel físico sea conocida, no será posible conocer el throughput neto que la capa MAC es capaz de proporcionar.

Las dos características anteriores (alta eficiencia y comportamiento determinista) son fundamentales para garantizar el máximo rendimiento del sistema, ya que si la MAC no es determinista no será posible garantizar nada, y si no es eficiente no se logrará el mejor rendimiento.

La mejor forma de lograr los dos objetivos de ausencia de colisiones y silencios, y así lograr la máxima eficiencia con un comportamiento determinista, se basa en el uso del medio de forma totalmente organizada en tramas. La trama es una estructura perfectamente definida, formada por símbolos o slots, que se repite periódicamente. El árbitro asigna esos slots a las diferentes estaciones. La trama tiene una longitud determinada y constante. Así funcionan todas las tecnologías radio usadas por operadores profesionales, como PDH (trama de 125 microsegundos y 256 slots por trama), o GSM (tramas con 8 slots).

Si comparamos dos tecnologías inalámbricas usadas en la actualidad como 802.11 (WiFi) y 802.16 (WiMAX), veremos la enorme diferencia en la implementación de la capa MAC, lo que se traduce en un rendimiento totalmente diferente.

• 802.11 (WiFi) usa una MAC muy similar a la MAC Ethernet. El acceso al medio no está controlado, por lo que se basa en algoritmos de escucha y espera aleatoria. Si una estación quiere transmitir, escucha el canal, y si está libre, transmite, si no, espera un tiempo aleatorio. Estos algoritmos no garantizan la ausencia de colisiones, especialmente dado que no todas las estaciones inalámbricas son capaces de escucharse. El propio concepto de espera aleatoria indica la presencia de instantes de silencio en los que el canal no está siendo empleado. En definitiva, la MAC no es determinista (se basa en algoritmos aleatorios) y no es eficiente. De hecho, la eficiencia MAC del estándar 802.11 llega como mucho al 40%, proporcionando 22 Mbps netos de una capa física de 54 Mbps. Esa eficiencia además varía, ya que el comportamiento no es determinista. Por eso los fabricantes de equipamiento WiFi nunca indican el throughput neto, sino la capacidad a nivel físico. No es posible garantizar el throughput neto en una MAC estadística.
• 802.16 (WiMAX) usa una MAC muy similar a Docsis 2.0. El acceso al medio está controlado por la estación base. Ninguna estación suscriptora transmite sin permiso de la estación base. La transmisión se realiza en tramas de longitud constante perfectamente organizadas por la estación base. De este modo se garantiza la ausencia de colisiones y silencios, por lo que se logra la máxima eficiencia MAC con un comportamiento determinista. La eficiencia MAC de WiMAX llega al 92%, proporcionando un throughput de casi 35 Mbps de una capa física de 37.7 Mbps. WiMAX puede garantizar el throughput neto, que es un parámetro mucho más interesante a nivel de sistema que la capacidad a nivel físico. Eso sólo se puede lograr gracias al determinismo de la MAC.

En resumen:

La Eficiencia MAC mide cómo la capa MAC es capaz de traducir la capacidad bruta del medio físico en throughput neto útil. Se mide como la relación entre el throughput neto y la capacidad bruta de la capa física.

Una MAC determinista se comporta siempre de la misma manera. Es predecible. Esto permite garantizar un throughput neto si la capacidad física es conocida. Una MAC determinista no permite el uso de algoritmos aleatorios de acceso al medio.

Una  MAC estadística, o no determinista, no se comporta siempre de la misma manera, por lo que no es predecible. La principal consecuencia es que resulta imposible garantizar un throughput neto determinado incluso a pesar de conocer la capacidad bruta de la capa física.

Una capa MAC determinista y eficiente no permite colisiones entre diferentes estaciones que transmitan simultáneamente, y aprovechan al máximo el medio físico, sin permitir intervalos de silencio.

Todos los sistemas profesionales (GSM, PDH, SDH, UMTS, WiMAX) se basan en una capa MAC altamente eficiente y totalmente determinista. Esto se logra mediante la transmisión en tramas organizadas y controladas por un árbitro (la estación base o nodo maestro).

QoS(III): ¿Cómo conseguirla?

En esta entrada, la penúltima en la serie sobre la calidad de servicio (QoS), intentaremos explicar cómo se puede garantizar la QoS en una interfaz. Hasta ahora hemos acotado el concepto en las entradas sobre la definición y el campo de aplicación de la QoS.

Teniendo en cuenta que estamos hablando de la calidad de servicio en una interfaz y no a nivel de una red global, podemos decir lo que se intenta explicar en la siguiente figura:

Esquema para análisis de QoS

Este es un modelo que es bastante útil para comprender de qué formas podemos intentar garantizar la QoS y con cuáles conseguirlo. En esta figura están representadas las dos acciones fundamentales asociadas a garantizar la QoS:

• Clasificación: El tráfico que entra al equipo y que se ha de transmitir se tiene que clasificar. Pueden usarse muchos criterios de clasificación: Por equipo destino, por marcas en los paquetes, por aplicación… Es algo que siempre hay que hacer ya que si no el propio concepto de QoS no existe. Básicamente, la clasificación es buscar a qué parámetros de QoS negociados o contratados pertenece un paquete (o tráfico) en particular: Tráfico máximo en ráfaga, tráfico mínimo sostenido, latencia máxima, variación en la latencia…
• Asignación de recursos: Una vez que se tiene el tráfico clasificado, y por tanto se saben qué parámetros de QoS se deben cumplir, hay que asignar los recursos en la interfaz. Hay que permitir que los paquetes se transmitan al medio (el aire o un cable).

La fase de clasificación es común a todos los tipos de interfaz que necesitan garantizar la QoS, pero la principal diferencia viene en la fase de asignación de recursos. Existen dos mecanismo que son lo bastante generales como para merecer que les demos un nombre “QoS a nivel 3 (L3QoS o IPQoS)” y “QoS a nivel 2 (L2QoS o MACQoS)”.

L3QoS: QoS a nivel IP

Las técnicas que se usan en este tipo de mecanismos de QoS son los típicos de los conformadores de tráfico o traffic shapers (TS). El TS clasifica el tráfico que entra en función de los criterios que se establezcan para cada una de los contratos de QoS. Es también conocida como QoS a nivel IP.

Una vez que el tráfico está clasficado, el TS asigna de una forma estadística los recursos de transmisión al medio. Por ejemplo si la cola de un servicio de baja latencia está muy llena, intentará vaciarla lo más rápido posible o por ejemplo si la cola de un servicio con tasa mínima garantizada tiene paquetes, intentará mantener en promedio a la salida esa tasa.

Estas técnicas de QoS a nivel 3, a veces llamados a nivel IP, son las clásicas basadas en colas de prioridades asociadas al DSCP o al TOS de las cabeceras IP, por ejemplo.

El problema que presentan las técnica L3QoS es que no se conoce con exactitud la capacidad y la disponibilidad del medio sobre el que se transmiten. Imaginemos que tenemos un medio sin cables. El tráfico bruto puede depender del usuario al que se transmita, ya que podrían estar mas lejos u obstruidos. Usar técnicas de L3QoS en estos casos, al desconocer la capacidad real por usuario destino, por ejemplo, lleva a una ineficiencia insalvable: “No se puede garantizar una QoS en términos absolutos, solo relativos”.

Esto quiere decir que si tenemos un servicio de 1Mbps y otro de 2Mbps, la única garantía que puede hacer un sistema de L3QoS es que el tráfico del primero va a ser la mitad que el del segundo, pero no puede garantizar cuál va a ser en realidad ese mínimo, ya que desconoce el estado y disponibilidad del medio.

Este problema aún se agrava mucho más en el caso en el que el medio está gestionado en contienda (WiFi, ethernet…) En estos casos el propio uso del medio es estadístico, ni siquiera el nivel 2 puede saber si podrá transmitir en un momento dado. Es más, en el caso de que la red empiece a cursar mucho tráfico, es posible que un paquete jamás sea transmitido debido a las contínuas colisiones.

L2QoS: QoS a nivel MAC

Cuando la asignación de recursos se hace a nivel 2, el sistema que va asignando los slots de transmisión conoce en todo momento tanto la disponibilidad del medio como la calidad o tráfico neto que es capaz de transmitir para cada usuario. Es también conocida como QoS a nivel MAC.

Esto hace posible implementar algoritmos que permitan garantizar de forma absoluta la asignación de tráfico.

Por ejemplo, en un caso que nos pilla bastante de cerca, WiMAX es un sistema de L2QoS. La estación base es el nodo maestro de la red, que asigna la transmisión de datos tanto en la bajada hacia los usuarios (Downlink) como en la subida desde los usuarios (Uplink). El tener un nodo central permite eliminar la contienda, lo que garantiza que la BS puede, si así se desea, conocer en todo momento la disponibilidad del medio radio. Además la BS WiMAX conoce la calidad del enlace de cada uno de los clientes que tiene conectados, con lo que puede asignar de una forma totalmente determinista el tráfico, tanto en bajada como en subida.

Por supuesto la calidad de servicio a nivel MAC no es exclusiva de WiMAX, por ejemplo DVB-RCS, un protocolo estándar para el acceso múltiple vía satélite, es un esquema parecido: un nodo central que asigna tráfico, un conocimiento exhaustivo de la capacidad y disponibilidad del medio… una QoS que se puede garantizar.

Nos dejamos para una última entrada en la serie sobre QoS, las comparativas reales entre las diferentes tecnologías.

Entradas anteriores en esta serie:

• QoS(2): ¿Dónde se aplica?
• QoS(1): ¿De qué estamos hablando?

QoS(II): ¿Dónde sea aplica?

Siguiendo la serie sobre la calidad de servicio (QoS), hoy toca hablar sobre su ámbito de aplicación. Como dijimos en el primer post, hay casi tantas definiciones posibles sobre QoS como campos de estudio de las redes, pues esto mismo ocurre con la pregunta ¿Dónde se aplica la QoS?.

Clásicamente, por QoS se ha hablado siempre de la calidad que proporcionan las redes como un todo. Imaginemos una clásica red de paquetes, ATM por ejemplo, que proporciona servicios extremo a extremo a los usuarios que la contratan. En este caso cuando se habla de QoS se habla de los parámetros, como por ejemplo la tasa mínima garantizada, se entiende que son entre los extremos de la red, entre los usuarios finales.

Sin embargo, y desde ahora en adelante, nosotros hablaremos de otra aplicación de la QoS: En el interfaz (aire). La diferencia es bastante clara, en el primer caso estamos hablando de QoS extremo a extremo, mientras que en el segundo hablamos de la QoS que es capaz de proporcionar un interfaz.

Para que la QoS tenga sentido en un interfaz se tienen que dar alguna de las siguientes circunstancias. Cuantas más se den, más importante es la garantía de la QoS:

• Que la capacidad neta máxima de la interfaz sea menor que la capacidad de conexión a la red.
• Que sobre la interfaz se sirvan múltiples usuarios, es decir, sea una interfaz punto a multipunto.
• Que sobre la interfaz se transporte múltiples servicios con distintas necesidades de capacidad, latencia…

En general, en un interfaz radio se suelen dar al menos alguna de estas circunstancias. Por ejemplo, en un acceso inalámbrico en banda ancha como mínimo se van a servir múltiples usuarios y probablemente múltiples servicios y además en general la capacidad de la interfaz radio (algunos Mbps) será mucho menor que la capacidad del enlace a la red (decenas de Mbps).

Incluso si el interfaz radio es en una conexión punto a punto es muy probable que se transporten múltiples servicios y que incluso la capacidad radio sea menor que la capacidad cableada.

En general se puede decir que la garantía de cumplimiento de la QoS es especialmente importante en las redes inalámbricas.

Entradas anteriores en esta serie:

• QoS(1): De qué estamos hablando.