WiMAX vs WiFi en aplicaciones punto-punto: Eficiencia MAC

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Desde la aparición de sistemas inalámbricos orientados a la transmisión de paquetes IP, el mundo de los radioenlaces punto-punto ha cambiado radicalmente. Ahora es posible encontrar equipamiento para radioenlaces punto-punto a precios impensables hace sólo cinco años. Gran parte de este fenómeno se debe a la aparición de la tecnología 802.11 (WiFi), que aunque fue concebida para redes LAN en interior de oficinas y viviendas, está siendo empleada en enlaces punto-punto debido a su bajo coste.

WiMAX (802.16) también se presenta como una tecnología apta para enlaces punto-punto. En esta entrada de blog analizaremos las ventajas técnicas de 802.16 (OFDM) sobre 802.11a/g (también OFDM) en enlaces punto-punto, y veremos cómo el uso de 802.16 puede suponer un importante ahorro económico frente al uso de sistemas 802.11, a pesar del aparente mayor coste del equipamiento 802.16, no tan económico como algunos equipos 802.11.

Una de las diferencias reside en la capa física, es decir, en los diferentes parámetros de la modulación OFDM, en un caso diseñada para propagación en interiores (802.11) y en el otro para propagación en exteriores (802.16), pero de eso hablaremos otro día.

Me propongo hablar ahora del enorme impacto de la capa MAC en el rendimiento y coste global de radioenlaces punto-punto, algo que casi siempre se pasa por alto. La eficiencia de la capa MAC es un parámetro que prácticamente nunca se indica y al que nadie presta atención, pero cuya importancia es crítica. Definiremos la eficiencia de la capa MAC como la relación entre el throughput neto a nivel Ethernet (carga útil) y la capacidad bruta de la capa física. Cuanto más eficiente sea la capa MAC, más se aproximará a la capacidad máxima del nivel físico.

A la hora de evaluar las prestaciones de un determinado equipo punto-punto IP, existe una tendencia a valorar dos parámetros: la capacidad del enlace (Mbps) y la potencia de transmisión. Cuanta más capacidad, mejor, y cuanta más potencia, más lejos se llega. Así de sencillo. Tres comentarios al respecto:

  • En primer lugar cabe mencionar que en el alcance del enlace también entra en juego la sensibilidad del receptor, parámetro que muchas veces se pasa por alto.

  • También se suele indicar la capacidad como capacidad bruta del nivel físico (54 Mbps en 802.11a/g), no como throughput neto a nivel Ethernet, que es el parámetro realmente útil. De poco sirve una capa física de altísima capacidad si se traduce en una baja capacidad a nivel Ethernet. Ahí es donde entra la eficiencia de la capa MAC, en la traducción de la capacidad a nivel físico en capacidad a nivel Ethernet.

  • Por último, realmente no importa la capacidad ni el alcance, sino ambos al mismo tiempo. En una aplicación punto-punto de nada sirve mucha capacidad a poca distancia ni un largo alcance con un enlace de mínima capacidad. Nuevamente entra en juego la eficiencia de la capa MAC.

¿Por qué es tan importante la eficiencia de la capa MAC?

En ambas tecnologías la capa física permite el uso de diferentes modulaciones de subportadora, desde BPSK hasta 64QAM. Cuanto más compleja es la modulación, más capacidad tiene la capa física. De hecho, la capacidad de la modulación 64QAM-3/4 es nueve veces la capacidad de la modulación BPSK-1/2. Esta mayor capacidad se consigue a cambio de una mayor relación Señal-Ruido (SNR), que se traduce en un menor alcance del radioenlace. A igualdad de potencia de transmisión, sensibilidad y ganancia de antenas, a mayor modulación más capacidad pero menor alcance.

Como hemos dicho, la eficiencia de la capa MAC nos indica qué parte de la capacidad bruta a nivel físico se traduce en capacidad neta a nivel Ethernet. Esta eficiencia se puede definir como un porcentaje. La dependencia entre la capacidad bruta y la distancia se traslada por tanto al throughput neto a nivel Ethernet a través de la eficiencia de la capa MAC.

Ahora comenzamos a ver la enorme importancia de la eficiencia de la capa MAC en el rendimiento del enlace. Una capa MAC altamente eficiente es capaz de exprimir al máximo la capacidad proporcionada por la capa física. Una capa MAC poco eficiente desperdicia gran parte de esta capacidad. Por lo tanto, para proporcionar un mismo throughput neto a nivel Ethernet, que es lo que realmente importa, cada caso requerirá una capacidad determinada al nivel físico. Cuanto peor sea la eficiencia MAC, más capacidad se necesitará a nivel físico para proporcionar el throughput neto deseado, por lo que será necesario emplear modulaciones más complejas capaces de proporcionar dicha capacidad, lo que se traduce en un menor alcance del enlace debido a la mayor SNR necesaria.

Es decir, una capa MAC eficiente es capaz de proporcionar un alto throughput con menor SNR, es decir, a mayor distancia que una capa MAC poco eficiente.

Vamos a poner un ejemplo comparativo entre 802.11a/g y 802.16:

  • 802.11 tiene una capacidad máxima en 64QAM-3/4 de 54 Mbps con un canal de 20 MHz (realmente el ancho de banda ocupado es de unos 16 MHz). La capa MAC es poco eficiente por ser una MAC estadística basada en ráfagas con mecanismos de contienda, algo de lo que hablaremos otro día. De hecho, el máximo throughput Ethernet que se puede encontrar en equipos comerciales 802.11 es de 22 Mbps, aunque lo general es que esté por debajo de 15Mbps. Esto quiere decir que de los 54Mbps físicos sólo se aprovechan 22Mbps a nivel Ethernet. La eficiencia MAC es inferior al 50%
  • 802.16 tiene una capacidad máxima en 64QAM-3/4 de 37.7 Mbps para canales de 10 MHz (realmente son de 9 MHz ocupados). La capa MAC es determinista, entramada y libre de contienda (ya hablaremos de esto), por lo que es altamente eficiente. Los equipos 802.16 pueden proporcionar 34.4 Mbps a nivel Ethernet, es decir, la eficiencia MAC es superior al 90%.

Ahora comparemos ambos casos suponiendo idéntica potencia de transmisión, figura de ruido del receptor y antenas. Para empezar, 802.11 tiene una sensibilidad 3dB peor que 802.16 por emplear un canal el doble de ancho. Además, en base a los datos anteriores, 802.16 puede transmitir la misma capacidad que el mejor equipo 802.11 del mercado empleando una modulación más baja. De hecho, con 16QAM-3/4 excede los 22 Mbps netos a nivel Ethernet. Esta modulación requiere 6 dB menor SNR que 64QAM-3/4. En total, 802.16 puede entregar el mismo throughput neto con 9 dB menos de potencia (3 dB por sensibilidad y 6 dB por eficiencia MAC). En condiciones de propagación con línea de vista, estos 9 dB se traducen en un alcance que es casi tres veces el que puede proporcionar 802.11 dando la misma capacidad neta. Este fenómeno se hace más palpable aún cuando los equipos 802.11 tienen peor eficiencia que el caso expuesto, que es lo que suele ocurrir.

En conclusión, una mejor eficiencia MAC se traduce en un mayor alcance para un mismo throughput Ethernet. Esto puede tener importantes implicaciones económicas:

1) Ahorro en antenas: Para una misma distancia de enlace, un enlace 802.16 es capaz de entregar el mismo throughput Ethernet que uno 802.11 empleando antenas más de menor ganancia (más baratas)

2) Ahorro en potencia: Para la misma distancia y antenas, el enlace 802.16 necesita transmitir menor potencia que el enlace 802.11 para entregar el mismo throughput, por lo que no es necesario comprar equipos de mayor potencia, de mayor coste

3) Mayor throughput: Para la misma distancia, antenas y potencia, 802.16 entrega un mayor throughput Ethernet que un enlace 802.11a/g.

Y esto es sólo el principio. Volveremos sobre las ventajas técnicas y económicas de emplear 802.16 en enlaces punto-punto.

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8 comentarios to “WiMAX vs WiFi en aplicaciones punto-punto: Eficiencia MAC”

  1. José Miguel Gómez Says:

    Después de leer tu excelente artículo, me queda una duda. Hablas del mecanismo de contienda del Wifi, pero en enlaces punto a punto no existe esta contienda, porque cada punto de acceso (cada extremo del radioenlace) sólo tiene un interlocutor. Viene a ser como la mejora de poner redes ethernet conmutadas, con lo que el medio es para uso de un único usuario (o más exactamente para dos: el switch y el propio usuario).
    Me refiero a que es precisamente en enlaces punto a punto donde aparentemente esto debería tener menor importancia, y sin embargo el artículo insiste en esa importancia.
    Gracias y un saludo.

    • iratxo Says:

      Hola José Miguel. Muchas gracias por tu comentario.

      Con respecto a lo que comentas de los punto a punto, si que existe un problema de contienda, ya que el medio es compartido, a diferencia de los switches que se usan pares independientes en Tx y en Rx. Es más, los enlaces punto a punto basados en WiFi tienen un gran problema y es el tiempo de propagación. Los extremos no saben cuánto están separados. En este caso uno de los nodos (A) escucha el aire y se lo encuentra libre, pero en realidad el otro nodo (B) está transmitiendo pero aún no ha llegado esta transmisión por la distancia. El nodo (A) comienza su transmisión, y se produce una colisión en el aire, que no es más que los dos están transmitiendo a la vez y ninguno escucha al otro extremo. Esto lleva a que no se reciban los ACKs y se tenga que retransmitir.

      Alternativamente, y sigo hablando de un PtP, se podría habilitar el metodo RTS/CTS, pero debido a la distancia es bastante ineficiente ya que se gastan 2x tiempo de propagación en transmitir el mensaje de RTS y recibir la respuesta CTS para transmitir un mensaje muy corto para evitar colisiones que se pueden seguir produciendo. Este doble retraso añadido baja la tasa efectiva mucho, sobre todo cuando hay muchos paquetes por transmitir.

      En WiMAX esto no ocurre, ya que la BS, incluso en PtP, es la que gobierna la trama, tanto en DL como en UL, y las colisiones no pueden ocurrir. Además WiMAX es cosciente de la distancia a la que están los nodos y transmite correcciones temporales al estilo de GSM, para mantener la perfecta sincronización en tiempo entre BS y sus SSs.

  2. Edgar Says:

    Estoy haciendo un trabajo de investigación sobre WiMax y me gustaría saber si tiene información de como varia el ancho de banda con respecto a la distancia para esta tecnología

  3. Santiago Says:

    Una consulta;

    Dado que WiMAX trabaja en una banda de menor frecuencia que WiFi, puede alcanzar mayores distancias con equipos de igual potencia, sensibilidad y ganancia.

    Esto está contenido dentro de la posibilidad de obtener mayor capacidad utilizando una modulación mas baja? O es otro punto a favor de WiMAX?

    Saludos,
    Santiago

  4. Marco Says:

    La consulta es la siguiente, realize la siguiente pregunta a un proveedor de venta de equipos WIMAX, muy respetada a nivel Internacional, con respecto a que si me puede vender una solucion WIMAX punto a punto para interconectar dos sedes y me respondio lo siguiente: “Estimado marco WIMAX solo se usa en aplicaciones Multipunto segun el estandar”, entonces segun esto no se puede realizar aplicaciones punto a punto utilizando WIMAX ??? es cierto ?? y el me ofrecio equipos prewimax!!.
    Agradecere su comentario y aclaracion respecto a esta duda.

    • iratxo Says:

      Marco,

      La afirmación “…WiMAX solo se usa en aplicaciones Multipunto…” unida a una oferta de equipamiento prewimax como alternativa, creo que es una declaración de intenciones bastante tendenciosa, cuanto menos.

      El estándar 802.16-2009 está pensando para punto a multipunto, es verdad, pero ¿no es un punto a punto un caso particular del punto a multipunto?

      De hecho, una de las aplicaciones para las que se pensó WiMAX, y además para las cuales está mejor preparado, es precisamente para este tipo de operación punto a punto en escenarios como los del backhaul de otras estaciones WiMAX, 3G o enlaces entre sedes de empresas.

      Usar WiMAX en este tipo de aplicaciones tiene ventajas que, en general, otro tipo de soluciones no pueden proporcionar como son:
      * QoS a nivel 2, muy importante cuando por el enlace punto a punto se transmiten servicios diferenciados.
      * Una eficiencia a nivel MAC muy alta que permite aprovechar prácticamente toda la capacidad disponible en el medio radio.
      * Modulación adaptativa que permite ajustar la capacidad de transmisión a la capacidad del medio radio sin necesidad de perder el enlace cuando estas condiciones empeoran.
      * Gran capacidad de configuración a nivel radio y MAC, permitiendo conseguir enlaces donde otras tecnologías no pueden.
      * Y por último y que es muy importante en muchos casos, la posibilidad de convertir un escenario punto a punto en uno punto a multipunto protegiendo la inversión realizada.

      Muchas gracias por tu comentario y un saludo.

  5. Obscuro Says:

    Y si comparamos un equipo Wimax con un equipo tipo Ubiquiti Rocket M, ¿existe tanta diferencia de throughput neto y de potencia necesaria?

    Saludos,

  6. Gustavo Says:

    Buenas estimado! Gracias por el artículo, se nota que está bien empapado en el tema. Me atrevo a realizarle una consulta: tengo dos netbooks con wimax y necesito una conexión ad hoc entre las mismas pero no consigo información sobre su creación… ¿Sabrá usted ayudarme? Sea cual fuere la respuesta, muchas gracias y felicitaciones por el trabajo realizado!

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