Escuela Politcnica Superior Departamento de Ingeniera Telemtica Ingeniera de Telecomunicacin PROYECTO FIN DE CARRERA Desarrollo de una herramienta de planificacin para redes WiMAX. Autor: Ignacio Prieto Egido Director: Francisco Javier Sim Reigadas Tutor: Simon Pickin II Ttulo:Autor:Director: EL TRIBUNAL Presidente:Vocal:Secretario: _ Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el da __ de _______ de 20__ en Legans, en la Escuela Politcnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIN de VOCAL SECRETARIOPRESIDENTE III IV Agradecimientos V VI Resumen Las comunidades que habitan en las reas rurales de pases con bajos o medios ingresosseencuentranmuchasvecesaisladasdelosprocesosdedesarrollodelpas debidoalasdeficienciasenlascomunicacionesconlosncleosurbanos.Eneste escenariolasTecnologasdelaInformacinylasComunicaciones(TIC)han demostradotenerunefectomultiplicadoreneldesarrollohumanodotandode conectividadaescuelas,centrosdesalud,ayuntamientosotelecentros,ymejorando aslacalidaddevidadeesascomunidades.Actualmenteseestinvestigandoen solucionestecnolgicasapropiadasyconuncostereducidoquepermitanofrecerla mencionadaconectividad.EnestalnealatecnologaWiMAX,basadaenelestndar 802.16-2009, permite desplegar redes inalmbricas punto-multipunto de largo alcance empleandobandaslibresolicenciadas.Sinembargoeldiseoyplanificacindeeste tipoderedesrequieredeunconocimientodetalladodelestndarodisponerde herramientas de diseo que tienen un coste alto en el mercado.Esteestudiosehadesarrolladounaherramientadeplanificacinderedes WiMAXparabandaslibresydebajocoste.Elobjetivohasidoreducirelcostedel diseo y planificacin deeste tipo deredes, facilitando as su despliegue en pases en desarrollo.Enprimerlugarsehaefectuadounestudiodelestndar802.16-2009yuna revisinbibliogrficasobreel problemadelclculodelthroughputylalatencia de un flujo.Apartirdeesteestudiosehapropuestounmodeloparaelclculodel throughputbasado en el estudio del estndar. Tambin se ha desarrollado un modelo para el clculo de la latencia basado en el funcionamiento de los sistemas TDMA y en el anlisis de medidas empricas mediante un estimador MMSE. Despus se ha llevado a cabo una revisin de herramientas gratuitas de anlisis de radioenlaces que calcularan la SNR y la longitud de los enlaces usando datos sobre el terreno. Tras comparar estas herramientas se ha decidido trabajar con Radio Mobile enesteproyectoporquedisponedeuninterfazgrficoysoportaredesinalmbricas con decenas de usuarios.EmpleandoellenguajeJAVAsehaimplementadolaherramientade planificacinderedesWiMAXqueaplicalosmodelospropuestosdeclculode throughput y latencia. Esta herramienta lee los datos sobre el enlace (SNR y longitud) deunficheroexportadodeRadioMobileydistribuyelosrecursosqueofrecela tecnologa WiMAX en funcin de los flujos definidos por el usuario. Finalmente se ha validado el funcionamiento de la herramienta y los resultados queproporcionaatravsdemedidasempricassobreescenariosdepruebas.El anlisis de estas medidas demuestra que la herramienta desarrollada permite disear y planificar redes WiMAX con un error bajo y acotado. VII ndice general I.Introduccin ................................................................................. 1 1PRESENTACIN ................................................................................................................... 2 2MOTIVACIN ..................................................................................................................... 3 3OBJETIVOS ......................................................................................................................... 5 4INTRODUCCIN AWIMAX .................................................................................................. 6 4.1Funciones de la estacin base ................................................................................... 7 4.2Funciones de las estaciones subscriptoras ................................................................ 7 4.3Modelo de referencia del sistema ............................................................................. 7 4.4La capa MAC.............................................................................................................. 8 4.5La capa PHY ............................................................................................................. 11 4.6Descripcin de la trama WiMAX.............................................................................. 16 II.Metodologa y materiales ....................................................... 19 5METODOLOGA Y PLANIFICACIN DEL PROYECTO ..................................................................... 20 6EQUIPAMIENTO ................................................................................................................ 22 7HERRAMIENTAS SOFTWARE ................................................................................................. 23 III.Resultados obtenidos .............................................................. 24 8PROPUESTA PARA EL CLCULO DEL THROUGHPUT Y LA LATENCIA ................................................. 25 8.1Modelo para el obtener el throughput de cada flujo .............................................. 25 8.2Modelo para calcular la latencia de cada flujo ....................................................... 27 9HERRAMIENTA DE ANLISIS DE RADIOENLACES ........................................................................ 31 10HERRAMIENTA DE PLANIFICACIN WIMAX............................................................................ 33 10.1Diagrama de Clases ................................................................................................. 34 10.2Casos de Uso ........................................................................................................... 36 11VALIDACIN DE LA HERRAMIENTA DE PLANIFICACIN WIMAX ................................................... 40 11.1Descripcin del escenario de pruebas ..................................................................... 40 11.2Metodologa de validacin ...................................................................................... 41 11.3Diseo de las pruebas .............................................................................................. 43 11.4Presentacin de resultados ..................................................................................... 47 IV.Conclusiones ............................................................................... 61 12CONCLUSIONES ................................................................................................................ 62 13LNEAS FUTURAS DE TRABAJO E INVESTIGACIN ....................................................................... 64 V.Anexos .......................................................................................... 65 ANEXO I.PLANIFICACIN Y PRESUPUESTO DEL PROYECTO.............................................................. 66 ANEXO II.COMPARATIVA ENTRE SPLAT Y RADIO MOBILE ............................................................. 70 ANEXO III.ESTUDIO DEL THROUGHPUT EN REDES WIMAX ............................................................ 81 ANEXO IV.REVISIN SOBRE LATENCIA EN REDES WIMAX .............................................................. 89 ANEXO V.MANUAL DE USUARIO DE LA HERRAMIENTA DE PLANIFICACIN ....................................... 94 ANEXO VI.ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS WIMAX ........................................................... 102 VI.Bibliografa .............................................................................. 105 1 ndice de Figuras Figura 1: Modelo de referencia de la arquitectura IEEE 802.16 [21]. .............................. 8 Figura 2: Estructura temporal de un smbolo OFDM [21]. ............................................. 13 Figura 3: Distribucin en frecuencia de un smbolo OFDM [21]. ................................... 13 Figura 4: Constelaciones BPSK, QPSK, 16 QAM y 64 QAM [21]. .................................... 15 Figura 5: Estructura entramada WiMAX con TDD [21]. ................................................. 16 Figura 6: Composicin de la trama DL PHY PDU [21]. .................................................... 17 Figura 7: Composicin del FCH y de las rfagas de downlink [21]. ................................ 17 Figura 8: Esquema de la subtrama de Uplink [21].......................................................... 18 Figura 9: Modelo de un sistema TDMA .......................................................................... 29 Figura 10: Diagrama de clases de la aplicacin de planificacin WiMAX....................... 34 Figura 11: Diagrama del caso de uso Gestionar Estaciones Subscriptoras .................... 37 Figura 12: Diagrama del caso de uso Gestionar Flujos ................................................... 37 Figura 13: Diagrama del caso de uso Gestionar Archivos .............................................. 38 Figura 14: Diagrama del caso de uso Modificar Configuracin ...................................... 39 Figura 15: Diagrama del caso de uso Modificar Configuracin Avanzada ..................... 39 Figura 16: Esquema del primer escenario de pruebas. .................................................. 40 Figura 17: Esquema del segundo escenario de pruebas ................................................ 41 Figura 18: Throughput de la red en UL frente al tiempo de trama. ............................... 48 Figura 19: Throughput de la red en DL frente al tiempo de trama. ............................... 48 Figura 20: Error relativo del modelo de throughput en funcin del tiempo de trama. . 49 ndice de Figuras 2 Figura 21: Throughput de la red en UL frente a la modulacin empleada. ................... 50 Figura 22: Throughput de la red en DL frente a la modulacin empleada. ................... 50 Figura 23: Error relativo del modelo de throughput en funcin de la modulacin. ...... 51 Figura 24: Throughput de la red en UL frente al prefijo cclico. ..................................... 52 Figura 25: Throughput de la red en DL frente al prefijo cclico. ..................................... 52 Figura 26: Error relativo del modelo de throughput en funcin del prefijo cclico........ 53 Figura 27: Latencia en UL frente al tiempo de trama. .................................................... 54 Figura 28: Latencia en DL frente al tiempo de trama. .................................................... 54 Figura 29: Error del modelo de latencia en funcin del tiempo de trama. .................... 55 Figura 30: Comportamiento de la latencia frente al trfico inyectado. ......................... 56 Figura 31: Comportamiento de la latencia frente al throughput. .................................. 56 Figura 32: Distribucin del throughput de la red entre el flujo UGS y BE. ..................... 57 Figura 33: Distribucin del throughput con varios flujos y modulacin 64 QAM-3/4. .. 57 Figura 34: Distribucin del throughput con varios flujos y modulacin 16 QAM-1/2. .. 58 Figura 35: Esquema de la red en Radio Mobile. ............................................................. 59 Figura 36: Distribucin de throughput en el segundo escenario con tramas de 10 ms. 60 Figura 37: Distribucin de throughput en el segundo escenario con tramas de 20 ms. 60 Figura 38: Diagrama de Gantt con la planificacin del proyecto. .................................. 68 Figura 39: Mapa de cobertura generado con SPLAT. ..................................................... 74 Figura 40: Mapa de cobertura generado con Radio Mobile .......................................... 75 Figura 41: Perfil del terrino dibujado con Radio Mobile ................................................ 76 Figura 42: Perfil del terreno y primera zona de Fresnel. ................................................ 78 Figura 43: Estructura temporal de un smbolo OFDM ................................................... 82 Figura 44: Pestaa de Flujos Solicitados ......................................................................... 96 ndice de Figuras 3 Figura 45: Pestaa de Flujos Asignados.......................................................................... 98 Figura 46: Pestaa de Trama WiMAX ........................................................................... 100 Figura 47: Ventana de Configuracin Avanzada .......................................................... 101 4 ndice de Tablas Tabla 1: Parmetros de la seal OFDM .......................................................................... 14 Tabla 2: SNR requerida por cada modulacin ................................................................ 15 Tabla 3: Coordenadas del los puntos del segundo escenario. ....................................... 46 Tabla 4: Error del modelo del throughput frente al tiempo de trama. .......................... 49 Tabla 5: Error del modelo del throughput frente a la modulacin. ............................... 51 Tabla 6: Estadsticas del modelo del throughput frente al prefijo cclico. ..................... 53 Tabla 7: Error del modelo de latencia frente al tiempo de trama. ................................ 55 Tabla 8: Modulaciones asignadas a cada enlace en el segundo escenario. ................... 59 Tabla 9: Fases y subfases en las que se divide el proyecto. ........................................... 67 Tabla 10: Coste del personal asociado al proyecto ........................................................ 69 Tabla 11: Costes de amortizacin de los equipos empleados. ....................................... 69 Tabla 12: Resumen de los costes totales del proyecto .................................................. 69 Tabla 13: Duracin y nmero de smbolos OFDM con trama de 20 ms y BW=10 MHz . 84 Tabla 14: Relacin entre bits por smbolo transmitidos y la modulacin empleada ..... 84 Tabla 15: Cotas para la Capacidad (MHz) de la capa PHYcon BW=10Mhz. .................. 85 Tabla 16: Smbolos de cabecera para redes de 1 y 10 SS. .............................................. 87 Tabla 17: Cota para la Capacidad (MHz) de la capa MACcon BW=10Mhz ................... 88 5 Acrnimos ARQAutomatic Repeat Request ASCIIAmerican Standard Code for Information Interchange ATMAsynchronous Transfer Mode BEBest EffortBPSKBinary Phase-Shift Keying BSBase Station BTCBlock Turbo Codes BWA Broadband Wireless Access BW-ReqBandwidth RequestCACCall Admission Control CINRCarrier to Interference Noise Ratio CPSCommon Part Sublayer CPSCiclix PrefixCRCCyclic Redundancy Check CSConvergence Sublayer CTCConvolutional Turbo Codes DCDirect Current DCDDownlink Channel Descriptor DEMDigital Elevation Model DITGDistributed Internet Traffic Generator DLDownlink DLFPDownlink Frame Prefix DTEDDigital Terrain Elevation Data EHASEnlace Hispano Americano de Salud ERPEffective Radiated Power ertPSExtended rtPSFCHFrame Control Header FDDFrequency Division Multiplexing FDMFrequency Division Multiplexing FECForward Error CorrectionFFTFast Fourier Transform GUIGraphical User Interface HUMANHigh-speed Unlicensed Metropolitan Area Network ICIInter Carrier InterferenceIDEIntegrated Development Environment IFFTInverse Fast Fourier Transform Acrnimos 6 IPInternet Protocol IPDVIP-Delay-Variation ISIInter Symbol InterferenceITMIrregular Terrain Model JVMJava Virtual Machine LOSLine Of Sight MACMedium Access Control MANMetropolitan Area Network MMSEMinimum Mean Square Error MPEGMoving Pictures Experts Group MSMobile Station NCMSNetwork Control and Management System nrtPSNon-real-time Polling ServiceOFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexion OFDMAOrthogonal Frequency Division Multiple Access PAPRPeak to Average Power RatioPDUProtocol Data Unit PHYPhysical Layer PIB Producto Interior Bruto PLRPacket Loss Ratio PtMPoint-to-Multipoint PtPPoint-to-PointQAMQuadrature Amplitude ModulationQoSQuality Of Service QPSKQuadrature Phase-Shift Keying RRRound RobinRS-CCReed-Solomon Convolutional Codes RTGReceive/Transmit Transition GaprtPSReal-time Polling ServiceSAPService Access Point SCSingle Carrier SDFStandard Data Format SDUService Data Units SNRSignal to Noise Ratio SPLATSignal Propagation, Loss, And Terrain SRTMShuttle Radar Topography Mission SSSubscriber Station TCPTransmission Control ProtocolTDDTime Division MultiplexingTDMATime Division Multiple Access TICTecnologas de la Informacin y la Comunicacin TOTransmition Opportunity TTGTransmit/Receive Transition GapAcrnimos 7 UCDUplink Channel Descriptor UDPUser Datagram Protocol UGSUnsolicited Grant ServiceUITUnin Internacional de Telecomunicaciones UL UplinkUMLUnified Modeling Language WiMAXWorldwide Interoperability for Microwave Access XastirX Amateur Station Tracking and Information Reporting 1 I.INTRODUCCIN Introduccin 2 1Presentacin Elpresentedocumentoeselresultadodeltrabajorealizadoporelautoren colaboracinconlaFundacinEHAS(EnlaceHispanoAmericanodeSalud)dentrodel marcodeunproyectofindecarrera.LaFundacinEHASesunainstitucinsinnimo delucrocuyofinespromoverelusoapropiadodelasnuevasTecnologasdela InformacinylaComunicacin(TIC)paramejorarlosprocesosdesaludenzonas rurales aisladas de pases en desarrollo [1].Ladescripcindelproyectocomenzarexplicandosumotivacinydetallando sus objetivos para pasar despus a una introduccin sobre WiMAX.En el segundo captulo sedetallar la metodologa desarrollada, que incluye la planificacin del proyecto,y el equipamiento y el software empleados. Eltercercaptulomostrarlosresultadosdeesteproyectoexplicandolas decisionestomadascomoresultadodelainvestigacin,elcdigodesarrollado,ylos experimentos realizados para la validacin de todo el proceso. En el cuarto captulo se presentarn las conclusiones mostrando posibles lneas para investigaciones futuras. Alfinaldeldocumentoestarndisponibleslosanexosconinformacin complementaria y la bibliografa. Motivacin 3 2Motivacin Hoyendarealizarunasimplellamadatelefnicaestfueradelalcancede 800.000poblacionesenelmundo,loquesuponeun30%deltotal,segnpublicala Unin Internacional de Telecomunicaciones (UIT) [2]. A esto hay que aadir que slo el 30%delapoblacinmundialtieneaccesoaInternet[3].Peroestasdiferenciasno existensloenelaccesoalastecnologasdelainformacinylacomunicacin,sino tambinenlacalidaddelmismo.Enlospasesconaltosingresos(quesuman942 millones de habitantes) el acceso a los servicios de telefona, tanto fija como mvil, es 5vecesmejor queenlospases deingresosbajosomedios(querenenal85% dela poblacin mundial). Adems el acceso a Internet de los primeros es 9 veces mejor. Existeportantounagrandiferenciaentrelas posibilidadesdeaccesoa lasTIC queseconocecomobrechadigital.Esteconceptoserefierehabitualmentealas diferenciasentrepases(brechadigitalinternacional),aunquetambinexisten importantes desigualdades de acceso dentro de cada pas (brecha digital nacional). La brechadigitalnacionalestasociadaadiferenciasentreciudadesyzonasrurales aisladas, los distintos niveles de educacin y el nivel de riqueza de los ciudadanos [4].Frenteaesto,distintasinvestigacioneshandemostradoquelasTICpueden ampliarlasoportunidadesdedesarrolloeconmicoysocialdeunpas,talcomose explicaen[5],[6]y[7].UnestudiodelBancoMundialcorroborqueunincremento del 10% en la penetracin de los servicios de banda ancha conlleva un crecimiento del 1.4% en el PIB (Producto Interior Bruto) de los pases en desarrollo [8].Laspoblacionesruralesaisladasdepasesendesarrollosecaracterizanporsu bajadensidaddepoblacin,laeconomadesubsistenciadesushabitantesysus deficientes vas de acceso [9]. La tecnologa WiMAX, basada en la familia de estndares 802.16, podra ayudar a mejorar el acceso a las TIC enreas con estas caractersticas. Originalmentefuediseadaparaofrecerunaalternativainalmbricaalaccesode ltimamilla,estableciendocomunicacionesdevariasdecenasdekilmetrosatravs debandasdefrecuenciastantolicenciadascomolibres.Adems,esunatecnologa diseadaparaofrecerunagranrobustezylaposibilidaddegestionaraldetallelas calidades de servicio de las comunicaciones que establece. EneldiseoyplanificacinderedesWiMAXesnecesarioconsiderardiversos factores como las distancias, nmero de usuarios, requisitos de los servicios, calidad de los enlaces Todo esto supone manejar gran cantidad de parmetros, lo que unido a la complejidaddelestndarWiMAX,hace que eldiseode unaredWiMAXrequierade personalespecializado.Unaalternativaalpersonalespecializadoesrecurriraalgn tipo de herramienta software de planificacin para abordar el diseo.En el mercado existen numerosas herramientas para el diseo y la planificacin deredesWiMAX,comoEDXSignalPro[10],ICSTelecom[11],Overture[12],OPNET Modeler Wireless Suite [13], Asset 7.0 [14], WinProp [15], Volcano [16] o QualNet [17]. Introduccin 4 El inconveniente de estas soluciones comerciales es su alto coste. A modo de ejemplo, lalicenciaanualdeOverturecuesta2.100,quesuponenunos2.500 aproximadamente. La inversin en este tipo de herramientas est justificada en el caso de grandes operadores que desarrollan importantes despliegues y esperan obtener un retorno de la inversin a travs del cobro de sus servicios. Sin embargo los agentes de desarrolloafrontandesplieguesmenosambiciososyconunpresupuestomuchoms reducido.Enestesegundocasolaslicenciasdesoftwaresuponenunabarrerade entrada para el despliegue de la tecnologa WiMAX en reas rurales aisladas de pases en desarrollo.Dado que el estndar 802.16 plantea un modelo orientado a conexin en el que laasignacinderecursostiendeaserdeterminista,enteoraseraposiblecalculara prioriculseraladistribucindelosrecursosenunescenarioasumiendounas condicionesestticas.Basndoseenestaideaesteproyectoseproponedesarrollar unaherramientadesoftwaredebajocoste que faciliteeldiseoylaplanificacin de redes WiMAX en zonas rurales de pases en desarrollo. Otrasinvestigacioneshantratadoyadereducirelcostedelosdespliegues basados en tecnologa WiMAX mediante el aumento de la cobertura de las estaciones base [18], la implementacin de un equipo hbrido WiFi-WiMAX [19] o el desarrollo de una herramienta de simulacin de redes heterogneas inalmbricas [20]. Objetivos 5 3Objetivos Elobjetivogeneraldelproyectoesdesarrollarunaherramientasoftwareque facilitelaplanificacinderedesWiMAXfijaspunto-multipunto(PtM,oPoint-to-Multipoint)enbandassinlicencia.Paraalcanzaresteobjetivosernecesariocumplir los siguientes objetivos especficos: Seleccionar una herramienta gratuita que permita realizar un anlisis de las caractersticasradiodelaredenlasbandassinlicenciaapartirdelas coordenadas de los puntos y de las caractersticas de los equipos.Buscar un mtodo para calcular el throughput y la latencia en redes WiMAX a partir de los datos proporcionados por herramienta de anlisis radio. Desarrollarunaherramientasoftwareimplementelosmtodosanteriores paracalcularelthroughputylalatenciaapartirdelosdatos proporcionadosporlaherramientadeanlisisderadioenlacesydela informacin introducida por el usuario. Introduccin 6 4Introduccin aWiMAX WiMAX son las siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access, y es lamarcaquecertificaqueunproductoestconformeconelestndardeacceso inalmbricoIEEE802.16.Lasfrecuenciasdeoperacindefinidasparaestatecnologa lleganhastalos66GHz,aunqueactualmentenoexisteunperfildecertificacindel WiMAXForumparaequiposqueoperenenbandaslibres(entre5y6GHz, dependiendodelpas).Aclaradasestasdiferencias,enesteproyectosehablar indistintamente de WiMAX o del estndar 802.16 pese a trabajar en bandas libres. La primera versin del estndar, que estaba diseada para terminales fijos, se publicen2002yendiciembrede2005sepubliclaexpansinquepermitela coexistenciadeterminalesfijosymviles.Laversinenvigorsubstituyealas publicaciones anteriores y esde Mayo de 2009, el IEEE Std 802.16TM-2009 [21].Elestndar802.16estconcebidocomounprotocolodereametropolitana (MAN),definelacapafsica(PHY)ysobretodosecentraenespecificarlacapade control de acceso al medio o MAC (Medium Access Control). La importancia de la capa MAC reside en que permite proporcionar y garantizar distintas calidades de servicio o QoS(QualityOfService)segnlosrequerimientosdelosserviciosofrecidosporel operador. Esta capa est orientada a conexin y la provisin de QoS se realiza a travs deunmecanismodenominadoGrant/Request,dondelasSSsolicitanelanchode banda que necesitan (Request) para cada conexin y la BS asigna los recursos a cada SS (Grant) en funcin del ancho de banda disponible y las caractersticas de QoS de cada conexin. UnaredIEEE802.16estcompuestaportrestiposdedispositivos:estaciones subscriptorasoSS(SubscriberStation),estacionesmvilesoMS(MobileStation),y estaciones base o BS (Base Station). Aunquetodas implementan la capa MAC y la capa PHY,elestndardefine funcionesespecficasparacadaunadeellas.Enesteestudio seanalizarsloelcasoderedesfijasenbandalibreporloquenosehablardelas estacionesmvilesnidelasfuncionalidadesdelaestacinbaseasociadasconla movilidad. Las funcionalidades de la estacin base y de las estaciones subscriptoras se explicarn en el siguiente apartado (4.1). Lacomunicacinentrelasestacionessubscriptorasylaestacinbasees bidireccional,yladuplexacinentreuplinkydownlinkpuederealizarseenfrecuencia (FrequencyDivisionMultiplexingoFDD)oentiempo(TimeDivisionMultiplexingo TDD).Cuandosetrabajaenbandalibreelmtododeduplexacinespecificadoenel estndar es TDD, y por ello ser el analizado en este documento.Otradelascaractersticasdelestndar802.16-2009esquepermitela utilizacindemodulacionesadaptativas.Estosignificaquelasestacionespueden cambiardeformadinmicaelesquemademodulacinutilizadoenlatransmisin segn el estado del canal en cada momento.Introduccin aWiMAX 7 4.1Funciones de la estacin base Laestacinbaseeslaencargadadecontrolarlacomunicacinygestionarlos parmetrosquepermitenestablecerlacomunicacinygarantizarlasdistintas calidades de servicio.En primer lugar debe proporcionar a las estaciones subscriptoras los parmetros bsicos para permitir la comunicacin como son el tiempo de trama, la potencia de transmisin, y el sincronismo. Tambin es la encargada de identificar a las estaciones subscriptoras y permitir el acceso slo a aquellas autorizadas.Unavezqueunaestacinsubscriptorasehaautenticadocorrectamente,la estacinbasedebeclasificareltrficoqueprovienedeesaestacinsubscriptoray asignarlerecursosparaquepuedaproporcionarlosserviciosconlaQoSquetiene configurada.Paraellodebeconsiderarlosparmetrosconfiguradosenelsistemade gestin y las solicitudes de ancho de banda enviadas por la SS.WiMAX emplea un esquema de acceso mltiple por divisin en tiempo (TDMA, TimeDivisionMultipleAccess)paraproporcionaraccesoalassubscriptorasenel uplink.LaBSrealizaunaplanificacindetallada delmomentoenel que trasmitecada sistemadentrodelared,sincronizandotodaslasestacionesparaevitartantolos silencios como las colisiones. 4.2Funciones de las estaciones subscriptoras Lasestacionessubscriptorasnopuedencomunicasedirectamenteentreellas, sinoquedebernconectaseatravsdelaBSenunatopologadeestrella.CadaSS debesincronizarseconlaBS,ajustarsupotenciadetransmisinsiguiendolas indicacionesdelaBSyobtenerlosparmetrosdelacapaMAC.Cuandotengaque transmitirinformacindeberenviarlassolicitudesdeanchodebanda correspondientes teniendo en cuenta los perfiles de conexin y trfico. Una vez que la BS le ha asignado un determinado ancho de banda, la SS debe organizar la transmisin teniendo en cuenta la demanda de trfico.LaSSslopodrtransmitirdentrodelosintervalosdetransmisinoslots asignados por la BS, o cuando tenga informacin de control que pueda enviarse dentro delosslotstemporalesdeaccesoporcontienda.Estosslotsestnreservadospara mensajes con funciones como iniciar la conexin (Initial Ranging) o solicitud de ancho de banda (Bandwidth Request o BW-Req) entre otros. Los mensajes de Initial Ranging y Bandwidth Request se comentarn con mayor detalle en el apartado 4.6.2. 4.3Modelo de referencia del sistema El estndar IEEE 802.16 describe las capas MAC y PHY para sistemasde acceso inalmbricoenbandaanchaoBWA(BroadbandWirelessAccess)fijosymviles.Los Introduccin 8 componentes principales del sistema son el plano de control o de datos, y el plano de gestin [22]. La arquitectura del sistema se muestra en la Figura 1. Enelplanodecontrolsedefinecmoencapsularydesencapsularla informacin en la capa MAC, y cmo modularla y demodularla en la capa PHY. El nivel correspondientealacapaMACsedivideentressubniveles:el deconvergencia(CSo ConvergenceSublayer),eldepartecomn(CPSoCommonPartSublayer),yelde seguridad.Estossubnivelesserncomentadosconmayordetallealhablardelacapa MAC (apartado 4.4). Losequipos802.16puedenformarpartederedesextensasyprecisar interaccionarconentidadesdecontrolygestindeunared.Porestemotivoel estndarintroduceunSistemadeControlyGestindelaRed(NetworkControland ManagementSystemoNCMS).EstaentidadpermitequelascapasPHYyMACsean independientes de la arquitectura de red, de la red detransporte y de los protocolos empleadosenlosextremos,proporcionandomayorflexibilidad.ElNCMSse implementatantoenlassubscriptorascomoenlaBS,ylacoordinacinentre estacionesbaseescursadaatravsdelNCMSdelaBS.Sinembargoelestndarno define los detalles de este plano y lo deja al criterio de los fabricantes. Figura 1: Modelo de referencia de la arquitectura IEEE 802.16 [21]. 4.4La capa MAC El estndar define una subcapa MAC comn (CPS) que puede ser empleada con diversascapasfsicastantoexistentescomofuturas,loquelahaceflexibley Introduccin aWiMAX 9 extensible. Esta subcapa se encarga de las funciones bsicas del sistema de acceso que sonindependientesdelniveldeconvergencia(CS).Estasfuncionessonlaasignacin delanchodebanda,yestablecimientoymantenimientodelasconexiones.Adems tambinsoportadistintostiposdeconfiguracionestantofijascomomviles,ydos topologas de red: punto-punto (Point-to-Point o PtP) o punto-multipunto. LassubcapasdeconvergenciasedefinenparaquelasubcapaCPSsea independientedel tipodetrficocursado, demodoquesoportevariosprotocolos en lacapasuperiorcomoATM(AsynchronousTransferMode),IP(InternetProtocol)o Ethernet.Estoseconsiguedefiniendounasubcapadeconvergenciaparacada protocolo y un interfaz con la subcapa CPS comn a todas ellas.Porsupartelasubcapadeseguridadeslaencargadaderealizarfuncionesde encriptacin, desencriptacin, autenticacin e intercambio seguro de claves. Lascaractersticasdela capaMACsonla principalventaja de esteestndarya queestdiseadaparaextraerlasmximasprestacionesdelcanal.Frenteaotras tecnologas que emplean una capa MAC estadstica con acceso al medio por contienda ytrasmisinporrfagas,elestndar802.16defineunacapaMACdeterministaque emplea tramas predefinidas y est libre de contienda.Elaccesoalmedioporcontiendasuponequelosusuarioscompitenporel medio,producindosecolisionescuandodosusuariostransmitenalavez,loque reducedrsticamentelacapacidaddelaredcuandoelnmerodeusuariosesalto porqueaumentalaprobabilidaddecolisin.Enestascondicionesesimposible garantizar la QoS dado que no es posible garantizar el acceso al medio. En cambio en la capaMACdeWiMAXlacomunicacinserealizamediantetramaspredefinidas:laBS decidequintransmiteencadamomentoydurantecuntotiempo,evitandoasla contienda.DeestemodolasSSslonecesitancompetirporelmediocuandose conectanporprimeravezalaredoparaenviarsolicitudesdeanchodebanda.Por otraparte,laBSpuedeplanificarlascomunicacionesdetodalaredWiMAXconel objetivodegarantizarciertosparmetroscomothroughputolatenciaalosservicios que lo requieran, y minimizar los silencios para aumentar la eficiencia.4.4.1Calidad de Servicio (QoS) LacapaMACdeWiMAXsoportadiferentesclasesdeserviciosparael transportededatos.Cadaclasedeserviciovienedefinidoporunconjuntode parmetros que cuantifican aspectos de su comportamiento. Cada flujo de datosest asociado a una nica clase de servicio.LatransmisindedatosesplanificadaporlaBSenelDLyporlaSSenelUL. Pararealizarlaplanificacincadaestacindebeconsiderarlaclasedeservicio asignadaacadaflujo,losparmetrosdeQoSdecadaflujo,elestadodelascolasde datos, y la capacidad disponible.Introduccin 10 La BS tiene acceso a la informacin sobre el tipo de servicio y los parmetros de QoS de cada flujo. Esta informacin permitea la BS estimar el throughput y la latenciarequeridaporlosflujosdeUL.ConestosdatoslaBSdeberealizarunaplanificacin adicionalparagarantizarunintervalodetransmisinalosflujosdeUL,obienpara proporcionar a las SS oportunidades de solicitar ancho de banda mediante un Request, dependiendo siempre de la clase de servicio del flujo. Estas oportunidades para enviar un Request se denominan polls, y pueden ser individuales (unicast) o para un grupo de SS (multicast). En este segundo caso las SS competirn por acceder al medio mediante mecanismos de contienda. Las clases de servicio definidas en el estndar son:Unsolicited Grant Service (UGS). Real-time Polling Service (rtPS). Extended rtPS (ertPS). Non-real-time Polling Service (nrtPS). Best Effort (BE) service. LaclaseUGSestdiseadaparaproporcionarserviciosentiemporealque transportenpaquetesdetamaofijodeformaperidica.Elserviciogarantizatramas peridicasde tamao fijo segn los parmetros del flujo, reduciendo as el overheady lalatenciaqueintroducenlassolicitudes(Request)delasSS.Estaclasedeservicio puedeemplearseporejemploparaconexiones T1/E1yVozsobreIPsinsupresinde silencios.Losparmetrosque definenestaclasedeservicioy que resultanrelevantes paraesteproyectoson:MnimaTasadeTrfico,MximaLatencia,JitterToleradoy Tamao de SDU (Service Data Units).LaclasertPSestdiseadaparasoportarflujosdeULentiemporealcon paquetes peridicos de datos de tamao variable, como sucede con el video codificado enformatoMPEG(MovingPicturesExpertsGroup).Elservicioproporciona oportunidadesperidicasindividuales(unicastpolls)parasolicitaranchodebanda cumpliendolosrequisitosdetiemporeal,ypermitealaSSespecificareltamao deseado para el intervalo de transmisin en UL. La desventaja de este tipo de servicio es que incrementa el overhead frente a UGS para enviar las solicitudes, pero aumenta laeficienciadeltransportededatosalpermitirquelosintervalosdetransmisin tengantamaovariable.Losparmetrosrelevantesparaesteproyectoquedefinen esta clase de servicio son: Mnima Tasa de Trfico y Mxima Latencia. La clase ertPS pretende aunar las ventajas de UGS y rtPS. La BS asigna intervalos detransmisingarantizadoscomoenUGS,evitandolalatenciadeunasolicitudde anchodebanda.Sinembargoeltamaodelintervalodetransmisinvara dinmicamente y la SS puede solicitar cambiar el tamao del intervalo de transmisin asignado. Esta clase de servicio est diseada para soportar trfico en tiempo real que generepaquetes peridicosde tamaovariable, comoenelcaso devoz sobreIPcon supresindesilencios.Losparmetrosmsimportantesdeestetipodeservicioson: Mnima Tasa de Trfico Reservada y Mxima Latencia. Introduccin aWiMAX 11 La clase nrtPS ofrece unicast pollsde forma regular, lo que asegura que el flujo de UL tenga oportunidades para transmitir solicitudes de ancho de banda incluso con la red congestionada.El parmetro ms importante de esta clase de servicio de cara a este proyecto es la Mnima Tasa de Trfico Reservada.Los flujos BE debern solicitar intervalos de transmisin y su solicitud solo ser atendida si quedan slots libres despus de dar servicio a los flujos con mayor prioridad, es decir, a los flujos con QoS distinta de BE. 4.5La capa PHY Una caracterstica importante de la capa PHY es que determinados parmetros delenlace,comolacodificacinempleada,puedenserdiferentesparadistintas estacionessubscriptoras.Estopermitealaestacinbaseproporcionardiversas calidadesdeservicioenfuncindelasvariacionesdelcanalconeltiempoydelas caractersticas del enlace con cada subscriptora.LascapasMACyPHYsecomunicanatravsdelinterfazPHYSAP(Service Access Point), por el que se intercambian datos, informacin de control y estadsticas. ElestndardefinetresimplementacionesdistintasdelacapaPHYconelfinde adaptarseadistintasaplicacionesyrangosdefrecuencias,peroademses suficientemente flexible como para permitir otras capas PHY que puedan ser definidas enelfuturo.EncadaimplementacinsedeberelegirslounmodelodePHY,de maneraquelasubcapaCPSpuedeinteractuarconvariassubcapasdeconvergencia perosloconunaPHY.LascuatroimplementacionesdelacapaPHYdefinidasenel estndar son:WirelessMAN-SC, basada en una modulacin de una sola portadora (Single Carrier)ydefinidaparatrabajarenfrecuenciasde10a66GHzyen entornos con lnea de vista. WirelessMAN-OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexion)para bandasconlicenciapordebajodelos11GHzyentornossinlneadevista (Non Line Of Sight o NLOS). WirelessMAN-OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para bandas con licencia por debajo de los 11 GHz y entornos sin lnea de vista. WirelessMAN-HUMAN (High-speed Unlicensed Metropolitan Area Network) para bandas sin licencia en frecuencias inferiores a 11 GHz. Puede emplear tanto OFDM como OFDMA. EnestetrabajosloseconsiderarlaespecificacinparaWirelessMAN- HUMAN, por tratarse de entornos donde la lnea de vista no est garantizada y por el intersdetrabajarenbandassinlicencia.NoseconsiderarelcasodeOFDMApor estar orientado a entornos mviles, lo que est fuera del alcance de este proyecto. Introduccin 12 4.5.1Modulacin OFDM OFDMesunatcnicaqueempleamultiplexacinpordivisinenfrecuenciao FDM(FrequencyDivisionMultiplexing),dividiendoelespectroenNsubcanales equiespaciadosporlosqueenvalosdatoscodificadosenNsubportadoras ortogonales. Como las subportadoras son ortogonales sus espectros se pueden solapar sin que se produzca interferencia. Esto hace que la eficiencia espectral de esta tcnica seamuyaltapornonecesitarbandasfrecuencialesdeguarda[23]entre subportadorasdelmismosistema,cosaquesucedeconotrossistemasFDM.Para generar estas subportadoras ortogonales los sistemas OFDM emplean la Transformada Rpida de Fourier Inversa o IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), y para demodular la sealOFDMseemplealaTransformadaRpidadeFourieroFFT(FastFourier Transform).EstosuponeunaventajamsdeOFDMyaqueexistenalgoritmosmuy eficientes para implementar estas transformadas digitalmente.LamodulacinOFDMempleaunprefijocclico(CiclixPrefixoCP)para mantener la ortogonalidad entre las subportadoras al atravesar canales dispersivos en el tiempo [24] y combatir los efectos del multitrayecto. El prefijo cclico es una copia de laltimapartedelsmboloOFDMquesetransmitedelantededichosmbolo,loque introduceperiodicidadenlasealtransmitida.Estoayudaacombatirlainterferencia entresmbolos(InterSymbolInterferenceoISI)porqueactacomountiempode guardaqueproporcionatoleranciaalmultitrayecto.Ademsevitalainterferencia entreportadoras(InterCarrierInterferenceoICI)porqueayudaamantenerla ortogonalidaddelasmismas.LosequiposWiMAXpermitenseleccionardistintos tamaos de prefijo cclico para adaptarse mejor a las condiciones del canal.Ladesventajadeemplearelprefijocclicoesquemientraslaenerga transmitida se incrementa con la longitud prefijo cclico, la energa de la seal recibida y muestreada se mantiene igual, ya que el prefijo cclico se descarta en recepcin. Esto supone una prdida en la SNR (Signal to Noise Ratio) que se puede cuantificar segn la Ecuacin 1.Ecuacin 1

El prefijo cclico tambin aumenta el overhead, sin embargo la tolerancia a la ICI ylaISIjustificanelempleodelprefijocclicoenWiMAX.Laestructuraeneldominio del tiempo de cada smbolo WiMAX resulta entonces la de la Figura 2. Introduccin aWiMAX 13 Figura 2: Estructura temporal de un smbolo OFDM [21]. UnavezdescritaslascaractersticasmsimportantesdelamodulacinOFDM,ahora sevaexponerlaimplementacinqueproponeelestndar802.16paraelcasode WirelessMAN-OFDM,incluyendolosposiblesvaloresparalosparmetrosms importantes.ElestndardefinequelamodulacinOFDMdebetener256 subportadoras,delasque192seempleanparatransmitirdatos,8subportadoras pilotoseutilizanparadetectarcambiosdefase,yelrestosedejancomobandasde guarda.Estasbandasdeguardaprotegenfrenteainterferenciasdecanales adyacentes, cuyas seas no tienen porqu ser ortogonales a las subportadoras OFDM yaqueprovienendesistemasexternos.Ademsenlacomponentecontinua(DCo DirectCurrent)nosetransmitenada.Unesquemadelascomponentesfrecuenciales de la modulacin OFDM en WiMAX se muestra en la Figura 3. Figura 3: Distribucin en frecuencia de un smbolo OFDM [21]. LosparmetrosmsimportantesparacaracterizarelsmboloOFDMsonel anchodebanda(BW),elfactordemuestreon,elnmerodesubportadorasusadas Nusedylarelacinentreelprefijocclicoyeltiempodesmbolotil(CP).Elfactorde muestreo, junto con BW y Nused, determina el espacio entre subportadoras y el tiempo desmbolotil.EnlaTabla1semuestranvaloresdefinidosenelestndarparalos principales parmetros OFDM. Introduccin 14 Tabla 1: Parmetros de la seal OFDM 4.5.2Codificacin de canal La codificacin de canal que se realiza en la capa OFDM PHY y que precede a la IFFT,secomponedecuatropasos:aleatorizacin,ForwardErrorCorrection(FEC), inteleaving y modulacin.Laaleatorizacintieneporobjetoevitarqueenunasecuenciasedenvalores altosdepeaktoaveragepowerratio(PAPR)quepuedanproducirdistorsionesno lineales e irrecuperables de la seal.Por su parte realizar FEC permite recuperar errores en recepcin sin necesidad deretransmisin.PararealizarunacodificacinFECelestndarespecificatres mtodos:Reed-Solomonconcatenadoconcodificacinconvolucional(RS-CCoReed-SolomonConvolutionalCodes),cdigosturbobloqueoBTC(BlockTurboCodes),y cdigos turbo convolucionales o CTC (Convolutional Turbo Codes). Slo es obligatoria la implementacin de RS-CC, por lo que en este estudio se considerar solo este caso. La codificacinRS-CCcoge239bytesdeentrada,quesecodificanen255bytes,siendo este cdigo capaz de recuperarse de 8 errores.Entercerlugarserealizainterleaving,queconsisteenpermutarlosbitsde distintosbytesparaevitarqueundesvanecimientodelcanalounainterferencia afecten a un conjunto de bits que guardan informacin correlada.En ltimo lugar se lleva a cabo la modulacin. Las modulaciones soportadas son BPSK,yQPSK,16QAMy64QAMconcodificacinGray.Lasconstelacionessedeben escalarmediantelamultiplicacindecadapuntodelaconstelacinporunfactorc paraquetodastransmitanconlamismapotenciamedia.Estasconstelacionesse muestran en la Figura 4. La constelacin 64 QAM con codificacin Gray es opcional en bandas sin licencia, aunque se tendr en cuenta en este trabajo. ParmetroValor NFFT256 Nused200 n 8/7 con BW mltiplos de 1.75 MHZ 86/75 con BW mltiplos de 1.5 MHZ 144/125 con BW mltiplos de 1.25 MHZ 316/275 con BW mltiplos de 2.75 MHZ 57/50 con BW mltiplos de 2 MHZ Y 8/7 para cualquier otro BW CP1/4, 1/8, 1/16, 1/32 Introduccin aWiMAX 15 Figura 4: Constelaciones BPSK, QPSK, 16 QAM y 64 QAM [21]. EnWiMAXcadaestacinsubscriptoraempleaunamodulacinquepuedeser distintaalamodulacindelrestodeestaciones.Lamodulacinempleadaporcada estacin subscriptora la determina la estacin base en funcin de los niveles de seal que tiene cada estacin. En concreto la modulacin empleada depende del la relacin sealaruido(SNR)segnsemuestraenlatabla266delestndarreproducidaa continuacin (Tabla 2). Como la SNR de un enlace puede variar en el enlace de uplink y eneldedownlink,lamodulacinempleadapuedevariarnosloentreestaciones subscriptoras,sinoentresentidosdelacomunicacindelamismaestacin subscriptora.Porejemplo,unaestacinsubscriptorapuedetransmitirsmboloscon modulacin 16 QAM-3/4 y recibir smbolos con modulacin 64 QAM- 2/3.Tabla 2: SNR requerida por cada modulacin ModulacinTasa de codificacinSNR recibida (dBm) BPSK1/26.4 QPSK 1/29.4 3/411.2 16 QAM 1/216.4 3/418.2 64 QAM 2/322.7 3/424.4 Introduccin 16 4.6Descripcin de la trama WiMAX EnesteapartadosedescribirlaestructuradelatramaWiMAXenelcasode WirelessMAN-OFDMconTDD.Comprenderlaestructuradelatramaylalongitudde cadacampoesimportanteparapodercalcularlosbitsdedatosquesepueden encapsularencadatiempodetrama.Pararealizaresteanlisissehapartidodela informacin mostrada en el estndar [21] y en [22]. ParacomprenderlaestructuradelatramaWiMAXhayquecomenzarpor conocerelconceptoderfaga(burst).Unarfagaesunconjuntodesmbolos consecutivosasignadosaunusuario,todosellosconlamismamodulaciny codificacin.Elhechodequecadarfagapuedatenerdiferentemodulacinpermite asignar modulaciones distintas a usuarios con distinta SNR. De este modo los usuarios con mejor SNR pueden aprovechar todo el ancho de banda binario que la modulacin OFDMpuedaofrecer.Lalongituddelasrfagasasignadasacadausuariopuedeser distinta.Ademscadarfagadeuplinkodownlinksecaracterizaporunaseriede parmetrosqueserecogenenelperfilderfaga(burstprofile)yqueproporcionan informacinespecficadecadacapaPHY,comoeltipodemodulacin,eltipode prembuloolostiemposdeguarda.EstainformacinesgeneradaporlaBS,yes diferente para el uplink y el downlink, y para cada SS.La estructura general de una trama WiMAX con TDD se muestra en la Tabla5, dondesedistinguendossubtramas:unaparadownlinkyotraparauplink.Estasdos subtramas sern explicadas con detalle en los siguientes apartados. Figura 5: Estructura entramada WiMAX con TDD [21]. Entrelasubtramadedownlinkylasubtramadeuplinkexisteunintervalode tiempo en el que no se transmite ni recibe para permitir que las SS pasen de recepcin atransmisin.Esteintervalodetiemposedenominasaltodetransicin recepcin/transmisin(Receive/TransmitTransitionGapoRTG).Delmismomodo entre la trama de uplink y la de downlink existe un salto de transicin de transmisin a recepcin (Transmit /Receive Transition Gap o TTG). En la Tabla 5 se indica la posicin deambossaltosenlatramaWiMAX.Segnelestndarladuracindeestossaltos debe superar los 5seg y no debe exceder los 100seg. Introduccin aWiMAX 17 4.6.1Subtrama de downlink La subtrama de downlink se compone de una nica PDU (Protocol Data Unit) de nivel fsico (DL PHY PDU). Tal como se observa en laFigura 6, la trama DL PHY PDU se compone de: unprembulo,quesecomponededossmbolosOFDMyseutilizapara sincronizacin a nivel fsico. un campo FCH (Frame Control Header) que tiene la duracin de un smbolo OFDMycontieneelDLFP(DownlinkFramePrefix).ElDLFPespecificael burstprofileylalongituddeunoovariasrfagastransmitidas inmediatamente despus del FCH. varias rfagas. Figura 6: Composicin de la trama DL PHY PDU [21]. UnesquemadelacomposicindelcampoFCHydelasrfagadedownlinkse muestraenlaFigura7.Ademsdemensajesdebroadcast,lasrfagaspueden transportar PDUs de la capa MAC (MAC PDU) que se componen de una cabecera de 6 bytes, y los campos opcionales de datos (payload) y de CRC (Cyclic Redundancy Check). Figura 7: Composicin del FCH y de las rfagas de downlink [21]. EnWiMAXPtMlaBSeslaencargadaderecogertodalainformacinsobreel estadodelcanal,yenfuncindeestainformacinseleccionarlosparmetrosdela Introduccin 18 comunicacinadecuados(modulacin,potenciasdetransmisin).Comoyaseha explicadoestainformacinseconocecomoburstprofile,yseenvadentrodeunos mensajesllamadosdescriptoresdecanal.EldescriptordecanalenelDLeselDCD (Downlink Channel Descriptor)y en el UL es el UCD (Uplink Channel Descriptor). La BS tambin se encarga de asignar a las SS los intervalos de transmisin para eluplinkyeldownlink.ParaellolaBSemplealastramasUplinkMAP(ULMAP)y Downlink MAP (DL MAP). Estos mensajes son enviados por la BS para informar a cada SS sobre los instantes en que debe transmitir y aquellos en los que debe recibir.LosmensajesdeULMAP,DLMAP,UCDyDCDseenvanenelcampode broadcastqueestpresenteenalgunassubtramasdedownlink,yquecuandose transmite debe ir inmediatamente despus del FCH. 4.6.2Subtrama de uplink La subtrama de uplink contiene un intervalo de contienda para los mensajes de Initial Ranging y otro para los mensajes de Bandwidth Request. Los mensajes de Initial RangingseenvancuandounSSquiereregistrarseenlaBSocuandopierdeel sincronismoconlaBS.Estosmensajesseenvanenunintervaloduranteelcualel accesoserealizaporcontienda,yquesecaracterizaporusardossmbolosconla modulacin ms robusta. Los mensajes de Bandwidth Request son enviados por las SS para solicitar un intervalo de transmisin de datos. Este intervalo para envo de datos seconocecomooportunidaddetransmisin(TransmitionOpportunityoTO).Los mensajesdeBandwidthRequestdebencontenerunprembulodeunsmbolode duracin seguido de un smbolo OFDM transmitido con la modulacin ms robusta. Adems esta subtrama puede incluir uno o varios UL PHY PDUs (Uplink Protocol DataUnit),cadauno transmitido por unSSdiferente. DentrodecadaULPHYPDUse transmitirunsmbolodeprembuloyunarfagaformadaporunaovariasMAC PDUs, tal y como muestra el esquema de la Figura 8. Figura 8: Esquema de la subtrama de Uplink [21]. II.METODOLOGA Y MATERIALES Metodologa y materiales 20 5Metodologa y planificacin del proyecto Unavezenunciadoslosobjetivosdeesteproyectoseprocederadescribirla metodologaempleadapararesolverlascuestionesplanteadas.Tambinse especificar el equipamiento y el software utilizado a lo largo de este trabajo.A partir del anlisis de los objetivos de este proyecto se plantea un itinerario de trabajo con cinco fases diferenciadas que se describen a continuacin. En el ANEXO I se encuentradisponibleunresumendelasfasesysubfasesdelproyecto,yeldiagrama de Gantt con la planificacin temporal de las mismas. 1.Estudio de la tecnologa WiMAX. En primer lugar ser necesario estudiar aquellas partes del estndar 802.16 vinculadasalaoperacinenbandaslibres.Elobjetivoserfamiliarizarse conelestndarylosmecanismosdescritosenlparaposteriormente poder evaluar y proponer soluciones al problema de la planificacin de una red WiMAX.Unavezcomprendidoslosmecanismosdefinidosenelestndarse procederarealizarunarevisinbibliogrficaenpublicacionescientficas buscando soluciones para el clculo del throughput y la latencia. A partir de informacin recabada se propondrn modelos para calcular el throughputy la latencia respectivamente.2.Seleccin de una herramienta para el anlisis de radioenlaces. Teniendoencuentalosparmetrosrequeridosporlosmodelosdeclculo dethroughputylatencia,serealizarunabsquedadeherramientasde anlisisderadioenlacesqueproporcionendichosdatos.Acontinuacin efectuarunacomparativaentrelasherramientasencontradaspara proponer el empleo de una de ellas en este proyecto.3.Diseo e implementacin de la herramienta de planificacin. Enestafasesecombinartodalainformacindelasfasesanteriorespara disear e implementar la herramienta de planificacin de redes WiMAX. Las especificacionesquedebercumplirelsoftwaredeplanificacinsonlas siguientes: Leer el fichero de salida del software seleccionado en el apartado 8 y obtener de l los datos necesarios para realizar la planificacin. Teneruninterfazgrfico(GUI,GraphicalUserInterface)amigable, que permitiera introducir todos los datos necesarios para la realizar Metodologa y planificacin del proyecto 21 laplanificacin,yquemostraselosresultadosqueseobtendran usando la tecnologa WiMAX. Permitirguardarelestadodelaplanificacinenunficheropara poder cargarlo posteriormente. Calcularlossmbolosdetransmisindisponiblesenlared,el throughputasignadoenlaplanificacinylossmbolosde transmisin disponibles despus de la asignacin. Estimar el retardo para los servicios UGS y rtPS. Laprimeratareasereldiseodelaherramientaelaborandoeldiagrama declasesydefiniendoloscasosdeuso.Acontinuacinseprocedera implementarelplanificadorteniendoencuentalaherramientadeanlisis deradioenlacesylosmodelosdeclculodethroughputylatencia. Finalmenteseredactarelmanualdeusuariodelaherramientade planificacin WiMAX. 4.Validacin de la herramienta. Trasdesarrollarlaherramientatendrlugarlafasedevalidacinpara contrastarlosresultadosqueestaproporciona.Paraellossedisearuna seriedeescenariosexperimentales,setomarnmedidassobrelos escenarios de pruebas, y finalmente se analizarn los resultados obtenidos. 5.Redaccin de la memoria. Conformeseavanceencadaunadelasfasesmencionadasanteriormente se ir documentando el proceso y elaborando la memoria del proyecto, por lo que la fase de redaccin sern paralela al resto de fases. Metodologa y materiales 22 6Equipamiento Duranteeldesarrollodeesteproyectoserealizarnexperimentossobreuna maqueta con el objetivo de caracterizar las prestaciones de una red WiMAX y validar la herramientadeplanificacin.Elequipamientoqueserutilizadosedetallaa continuacin. Equipamiento WiMAX. Se trata de una estacin base y tres estaciones subscriptoras fabricadas por laempresaAlbentiaSystems.Estosequiposoperanenlasbandasno licenciadasETSI/FCCde5GHzysonconfigurablesatravsdesuinterfaz Web.LaBSesunaEstacinBaseWiMAXARBA-556conlaversinde firmware 3.0.4978 y tiene conectada una antena sectorial de16 dB. Por su parte las estaciones subscriptoras pertenecen al modelo WiMAX ARBA-550 y disponen de antena integrada. La hoja de especificaciones de este equipo est disponible en el ANEXO VI. Ordenadores. Lainyeccinyrecepcindetrficoserealizarcontresordenadores porttilesrespectivamenteconectadosalaestacinbaseyados subscriptorasmediantecableadoEthernet.Elsistemaoperativoinstalado enlosordenadoresesUbuntu9.10conkernel2.6.Paralamedicinde latenciassecursartrficoentredosordenadoresatravsdelenlace WiMAX, estando los relojes de ambos ordenadores sincronizados mediante el protocolo NTP a travs de un enlace Ad-hoc WiFi. Herramientas software 23 7Herramientas software Durante el desarrollo de este proyecto se emplearn las herramientas software que se especifican a continuacin: ArgoUML. El diseo del diagrama de clases y de los casos de uso se realizar utilizando ellenguajedemodeladoUML(UnifiedModelingLanguage)aprovechando lasfuncionalidadesqueparaestelenguajeproporcionalaherramienta ArgoUML.Estaherramientadediseoesdecdigolibreysepuede ejecutar sobre cualquier plataforma JAVA. NetBeans Alahora deimplementarelplanificadorse emplearellenguajeJAVA por ser un lenguaje orientado a objetos independiente de la plataforma. Para el desarrollodelplanificadorseemplearlaplataformaNetBeansqueesun IDE(IntegratedDevelopmentEnvironment)decdigolibreyproporciona herramientas para dotar al programa de un interfaz grfico.D-ITG ElDistributedInternetTrafficGenerator,alquesellamarenadelanteD-ITG,esunsoftwareparalageneracindetrficoentreordenadores. Permitegenerardistintostipodetrfico(TCP,UDP,voz,etc.)ademsde caracterizarestadsticamenteeltrficoinyectado,definirvariosflujos simultneosysimularcomunicacionesbidireccionales.Conestesoftware es posible obtener medidas de desempeo en diferentes escenarios, como por ejemplo mediciones de paquetes perdidos, retardo, jitter o throughput. III.RESULTADOS OBTENIDOS Propuesta para el clculo del throughput y la latencia 25 8Propuesta para el clculo del throughput y la latencia En este apartado se presentarn los modelos implementados en la herramienta deplanificacinparacalcularelthroughputylalatenciadelosflujosWiMAX.Estos modelossehanelaboradopartiendodeunarevisinbibliogrficaydelestudiodel estndar 802.16 realizado en el apartado 4.8.1Modelo para el obtener el throughput de cada flujo Unadelastareasdelaherramientadeplanificacinescalcularelthroughput que proporcionara cada flujo dada una determinada configuracin. Con este objetivo la herramienta de planificacin ejecuta los siguientes pasos: 1.Obtenerennmerode smbolosOFDMdisponiblesparalatransmisin de datos.2.Calcular los smbolos solicitados por cada flujo a partir de la tasa mnima su tasa mnima de transmisin. 3.Distribuir los smbolos de datos disponibles entre los flujos. 4.Calcularlatasadetransmisinqueproporcionanlossmbolos asignados. Acontinuacinseexplicarcmoejecutalaherramientadeplanificacincada unodeestospasos.Lasecuacionesaquexpuestasseencuentranexplicadasy justificadas con ms detalle en el ANEXO III. 1.Obtener en nmero de smbolos OFDM disponibles para la transmisin de datos (Sd).El primer paso requiere calcular los smbolos que se transmiten en la capa fsica (

)yrestarlelossmbolosdecabeceraqueempleaWiMAXenunsegundo (

). Ecuacin 2

Lossmbolostransmitidosporlacapafsicaenunsegundoseobtienenconla Ecuacin3aldividirunsegundoentreladuracindeuntiempodesmbolo.La duracin de un tiempo de smbolo depende del ancho de banda (), del nmero de portadorasOFDM(

,iguala256)ydelprefijocclico().Elfactordemuestreo (n)tomavaloresen funcindelanchodebanda seleccionadosegnse muestraenla Tabla 1 del apartado 4.5.1. Resultados obtenidos 26 Ecuacin 3

ElnmerodesmbolosdecabeceraenUL(

)yDL(

)se calcula teniendoen cuenta los campos de las respectivassubtramas explicados en los apartados 4.6.1 y 4.6.2 [25], lo que resulta en laEcuacin 4 y la Ecuacin 5 . En estas ecuaciones

representaelnmerodeestacionessubscriptorasconectadasala estacin base. Ecuacin 4

Donde:

Ecuacin 5

La duracin de TTG y RTG ser igual al tiempo que tarde en propagarse la seal hasta el nodo ms alejado de la red, aunque el valor mximo que pueden tomar segn el estndar es 100seg. 2.Calcular lossmbolossolicitadosporcadaflujo apartirdelatasamnima su tasa mnima de transmisin. Ensegundolugarlaherramientadeplanificacindebecalcularlossmbolos solicitados por cada flujo a partir de la tasa de transmisin mnima del mismo. Para ello divide la tasa de transmisin mnima entre el nmero de bits que se transmite en cada smbolo (

).Lacantidaddebitsquesetransmitenencadasmbolo(

)secalculan siguiendo la Ecuacin 6 y dependen de: lamodulacinempleada,quedeterminalosbitsporsmbolode portadora (

) y su codificacin (

). elnmerodeportadorasOFDMdedicadasalatransmisindedatos (

), que son 192. La tasa de codificacin del cdigo RS-CC (

). Propuesta para el clculo del throughput y la latencia 27 Ecuacin 6

3.Distribuir los smbolos de datos disponibles entre los flujos. Elcriterioqueaplicaesasignarprimerorecursosalosflujosconrequisitos mnimosenelsiguienteorden:UGS,rtPS,ertPSynrtPS.Llegadosaestepuntose pueden dar dos situaciones: Si quedan smbolos disponibles despus de asignar slots de transmisin aestosflujos,entonceslaherramientadeplanificacindistribuirlos smbolos libres entre los flujos BE solicitados.Siencambionoexistensuficientesrecursosparatodoslosflujoscon requisitosmnimosentonceslaherramientaincluirlosflujosqueno puedenserservidosenlalistadeflujosdenegados.Deestemodoel diseadorsabrqueconlaconfiguracinpropuestanosepueden garantizar las calidades de servicios solicitadas. 4.Calcular la tasa de transmisin que proporcionan los smbolos asignados. Finalmente la herramienta de planificacin procede a calcular el throughput de cadaflujo.Paraellosemultiplicanelnmerodesmbolosasignadosalflujoporel nmero de bits que transporta cada smbolo (Bs). EstemodelorequiereconocerlaSNRdelenlaceencadasentidodela comunicacin,yladistanciadecadaSSalaBS.Estainformacinserdeberser proporcionada por la herramienta de anlisis de radioenlaces.8.2Modelo para calcular la latencia de cada flujo Enesteapartadosepropondrunmodeloparacalcularlalatenciadeun determinadoflujo,entendiendoporlatenciaeltiempomedioquetranscurredesde que la SS recibe un paquete con destino a la BS, hasta que este paquete es recibido por estaltima.Estemodelohasidoseleccionadotrasrealizarunarevisinbibliogrfica sobreelproblemadelclculodelalatenciaenredesWiMAX.Elresumendeesta revisin est disponible en el ANEXO IV.El anlisis de la latencia de un flujo requiere conocer la tasa de transmisin del mismo, por lo que este anlisis se aplicar despus de calcular y asignar, si procede, el slot de transmisin al flujo. El proceso de clculo de la latencia se divide en dos pasos: 1.Obtener la latencia de un paquete que se transmite en una sola trama. Resultados obtenidos 28 2.Calcular el incremento de la latencia si el paquete se transmite en varias tramas. La herramienta de planificacin comprueba adems que el retardo calculado es menor que el requerido por el flujo si el servicio es UGS, rtPS o ertPS. En caso de que el retardocalculadoseamayorqueelrequerido,laherramientaaceptalasolicituddel flujo pero indicando que existe un conflicto con el retardo. 1.Obtener la latencia de un paquete que se transmite en una sola trama. LalatenciadeunsistemaTDMA,asumiendoquelasllegadassepueden modelarmedianteunprocesodePoisson,secalculasegnlaEcuacin7[26].Esta ecuacintambinsuponequecadapaquetecabeenunasolatrama.Losparmetros de esta ecuacin son: es la frecuencia esperada de llegada de paquetes. TF es el tiempo de trama. M es el nmero de slots en que se divide la trama.Ecuacin 7

Estaecuacinrepresentaunsistemaquefuncionasegnelesquemaquese muestra en la Figura 9, en la que se ilustra el significado del parmetro M. Teniendo en cuenta que la divisin fundamental de la trama es entre UL y DL, y que esta suele ser del50%,elvalorqueseotorgahabitualmenteaMes2.Aunquesiseconfiguraotra distribucin del tiempo de trama la aplicacin recalcular el valor de M tanto para UL como para DL.Propuesta para el clculo del throughput y la latencia 29 Figura 9: Modelo de un sistema TDMA [26]. AlcompararlosresultadostericosdelaEcuacin7conlasmedidas experimentales realizadas obre una red WiMAX, se observ que exista una diferencia de TF/2 con las medidas de UL y deTF con las medidas de DL. Se intent proponer una justificacinparaestasdiferenciasperolosresultadosnofueronconcluyentesporlo quesedecidiajustarelmodelodelaEcuacin7medianteunestimadorMMSE (Minimum Mean Squared Error). Como resultado se obtuvo lapara DL y la para UL. Ecuacin 8: Modelo para el clculo de la latencia en DL.

Ecuacin 9: Modelo para el clculo de la latencia en UL.

2.Calcularelincrementodelalatenciasielpaquetesetransmiteenvarias tramas. Enelpasoanteriorseexplicoelclculodelalatenciaparaunpaquetequese transmitieraenunasolatrama.Perohayqueconsiderarelcasodequeelpaquete superelosbitsasignadosalflujoenunatrama.Enestesegundocasolasecuaciones anterioresproporcionaranlalatenciaacumuladaporelprimerfragmento,alaque habraqueaadireltiempodeesperaencoladelrestodefragmentos.Paraellola herramienta de planificacin calcula cuntas tramas sern necesarias para transmitir el Resultados obtenidos 30 paquetecompletoyaadealalatenciadelprimerfragmentoeltiempo correspondiente a esas tramas. Paraelclculodelalatencianoesnecesariainformacinespecficadela herramientadeanlisisderadioenlaces,dadoqueeltiempodepropagacindela sealendecenasdekilmetrosesdespreciablesfrentealretardoqueintroducenlos equipos WiMAX. Herramienta de anlisis de radioenlaces 31 9Herramienta de anlisis de radioenlaces Del apartado anterior se desprende que para realizar la planificacin de una red WiMAX es necesario tener la SNR en cada sentido de los enlaces y la distancia entre las SSylaBS.Portantoelprimer pasodelaplanificacinseranalizarlascaractersticas delosradioenlaces(visibilidad,distancia,prdidasdepropagacin,potenciarecibida, etc.).Unmodelodepropagacinesunconjuntodeexpresionesmatemticas, diagramasyalgoritmosusadospararepresentarlascaractersticasradiodeun entorno.Losmodelosdepropagacinquepermitenestimarestascaractersticasse puedendividirgeneralmenteentrescategoras:losmodelosestadsticos,los deterministas, y los semi-empricos [27]. Losmodelosestadsticosmodelanelentornomedianteunconjuntode variablesaleatoriasapartirdemedidasempricassobreelterreno.Estosmodelosse han desarrollado principalmente a partir de medidas tomadas en reas urbanas donde existenmltiplesreflexionesydifracciones[28],yestngeneralmenteorientadosa entornos mviles.Su principal ventaja es que requieren poca potencia de procesado.Losmodelosdeterministasaplicanlasleyesdepropagacindeondas electromagnticascombinadasconinformacinsobreelterrenoyofrecenbuenos resultadosenreasrurales[29].Sumayordesventajaesrequerir unagrancapacidad de procesado [30]. Tambinexistenmodelosquecombinanlainformacinestadsticaconla informacindelterreno,denominadosmodelossemi-estadsticos.Conesta combinacin se consigue introducir en el modelo informacin relevante reduciendo los requisitosdeprocesadodelosmodelosdeterministas[27].Estasventajashacenque los modelos semi-estadsitcos sean muy interesantes para entornos rurales.Teniendoencuentaestainformacinsedecidibuscarunaherramientaque analizaralosradioenlacesdelaredWiMAXapartirdeunmodelosemi-emprico. Ademslaherramientadebasergratuitaporlosmismosmotivosexpuestosenel apartadodemotivacinparajustificareldesarrollodeunaherramientade planificacin WiMAX de bajo coste. Se realiz una bsqueda exhaustiva de herramientas gratuitas que permitieran realizarunanlisisdelosradioenlacesentrelasestacionesWiMAXysediocontres posibles soluciones: Radio Mobile [31], Radio Works [32] y SPLAT [33]. Radio Works fue inmediatamente descartada dado que no permite exportar los resultados del anlisis a un fichero, haciendo imposible un posterioranlisis por parte de la herramienta de planificacin WiMAX.Resultados obtenidos 32 UnavezdescartadalaopcindeRadioWorksserprocediarealizaruna anlisiscomparativodelasfuncionalidadesofrecidasporRadioMobileySPLAT.A continuacinseresumenlasconclusionesdedichacomparativaaunqueelanlisis completo est disponible en el ANEXO II. LaprincipalventajadeSPLATresideenquesetratadecdigoabierto,lo quepermitiraintegrarlaaplicacindeplanificacinderedesWiMAX dentrodelasfuncionalidadesdeSPLAT.EncambioRadioMobileesun software gratuito pero de cdigo cerrado. RadioMobileySPLATempleanelmismomodelodepropagacin,el Longley-RiceITM(IrregularTerrainModel),quesebasaenlateora electromagntica combinada con el anlisis estadstico de las caractersticas de terreno y de mediciones de seal.Ambasherramientasgeneranunanlisisbastantesimilardeunenlace punto a punto. Sin embargo una de las diferencias ms importantes es que SPLATslopuedetrabajarconunareddehasta4nodos,mientrasque RadioMobilepuedeoperarcondistintasredescompuestaspormltiples nodoscadauna.LatecnologaWiMAXestdiseadaparatrabajarcon decenasdeestaciones,porloqueRadioMobileresultamstileneste aspecto. SPLAT tampoco tiene en cuenta la informacin sobre la vegetacin del terreno. ElinterfazgrficodeRadioMobileesmuchomsamigableyofrece funcionalidades muy tiles a la hora de disear redes con mltiples nodos. EnestesentidoelinterfazwebquesehadesarrolladoparaSPLATsolo ofrecealgunasdelasfuncionalidadesdisponiblesatravsdelalneade comandos.AlcontrarioqueRadioMobile,SPLATnopermiteespecificarlaPotencias deltransmisor,laSensibilidaddelreceptor,prdidasenelcableo adicionales. SPLAT slo permite definir la ERP (Effective Radiated Power). Si se usa SPLAT es necesario descargar los mapas cuadrante por cuadrante y aplicar un software intermedio para convertirlos al formato reconocido por SPLAT,elformatoSDF(StandardDataFormat).EncambioRadioMobile reconocevariosformatosyademspermiteconfigurarladescarga automtica de los mapas desde Internet. Teniendo en cuenta las limitaciones de SPLAT en cuanto al nmero de nodos de la red y las ventajasque ofrece el interfaz grfico deRadio Mobile se decidi trabajar conesteltimo.Portantolaherramientadeplanificacindeberleerlainformacin sobre los radioenlaces del fichero de texto que exporta Radio Mobile. Herramienta de planificacin WiMAX 33 10Herramienta de planificacin WiMAX Hastaahorase hanestudiadolosmecanismos deplanificacinenWiMAXyse haseleccionadounaherramientadeanlisisderadioenlacesqueproporcionala informacin requerida para aplicarlos. En este apartado se partir de esta informacin para proceder al diseo de la herramienta de planificacin WiMAX.Eldiseodelsoftwaresedivideencuatromdulosatendiendoalas especificaciones.Mdulo de lectura. UnmduloparaleerelficherodesalidaRadioMobileyextraerdellos nombresdelasestaciones,identificarlaestacinbaseylassubscriptoras, obtenerlasSNRdelosenlacestantoenuplinkcomoendownlinkyla longituddelosmismos.RadioMobileexportatodosestosdatosenun ficherodetextoconunaestructurafija.Estemduloleecadalneadel ficherodetextoyobtienelosdatosenfuncindelasposiciones.Como salidaestemdulodevuelveunamatrizconlainformacindetodoslos nodos. Interfaz Grfica AdemsdelosdatosproporcionadosporRadioMobile,elplanificador necesita que el usuario defina los flujos y las caractersticas de los mismos. Paraellosediseuninterfazgrficoquepermitecrear,modificary eliminarlosnodosysusflujos,juntoconlascaractersticasdecadauno.Esteinterfazgrficotambinofreceunapestaaparaespecificar parmetros del canal como el ancho de banda o el tamao de trama. Estos parmetrossonpropiosdeWiMAXyportantonoseencuentranenel ficherodeRadioMobile.Finalmente,elinterfazmuestralosresultadosde la planificacin dando a concoer el estado de cada flujo. Mdulo de clculos Seencarga deimplementarlosmodelosquepermiten asignarlosrecursos de la red calculando el throughput y la latencia de cada flujo. Los modelos y frmulasquepermitenefectuarestosclculosfueronpresentadosenel apartado 8.Para ello utiliza los datos proporcionados por los dos mdulos anteriores.Mdulo de almacenamiento Elltimomdulopermiteguardarlasesindetrabajo,loqueimplica almacenarenunficherotodalainformacinobtenidadeRadioMobile,la Resultados obtenidos 34 informacinsobreflujosylosparmetrossobrelaconfiguracindelcanal introducidos por el usuario. Para ello se emplea la librera de cdigo abierto XStream[34]queproporcionaherramientasparaserializarobjetosa formatoXMLyviceversa.Lainformacinsobrelasesindetrabajose serializa en formato XML y se guarda en un fichero, de modo que la sesin puedesercargadadenuevomsadelante.Estemdulotambinpermite exportarlosdatosdelaredplanificadaaunficherodetextoquemuestra todalainformacinsobrelaconfiguracinWiMAXylaplanificacin realizada. 10.1Diagrama de Clases En la Figura10 se muestran las principales clases de la aplicacin y su relacin entreellas.Enestediagramasehanomitidolasclasesauxiliaresconelobjetivode simplificarlafiguraycentraseenlasclasesconunafuncionalidadrelevante.Enlos siguientesprrafossedescribirnlosatributosylasoperacionesfundamentalesde cada clase. Figura 10: Diagrama de clases de la aplicacin de planificacin WiMAX. WimaxSchedulerView:estaclaseeslaencargadadegestionarelinterfaz grficodelaaplicacin.Elusuariointeractaconlaaplicacinnicay exclusivamenteatravsdedichointerfazgrfico,pudiendogestionarlas estaciones subscriptoras definidas, los flujos solicitados por las mismas, y la configuracindelcanalWiMAX.LaclaseWimaxSchedulerrecogelos eventos generados por el usuario y se comunica con la clase Scheduler para enviarle los datos, recoger los resultados y mostrarlos por pantalla. Herramienta de planificacin WiMAX 35 WimaxConfig: almacena los parmetros de configuracin del canal WiMAX: tiempodetrama,anchodebanda,prefijocclicoyporcentajedetiempo dedicado al downlink. Con esta informacin calcula los smbolos por trama, analizando cuntos se dedican a datos y cuntos a smbolos de cabecera. Scheduler:eslaencargadaderealizarlaplanificacin.Paraellodebe accederalaconfiguracindelcanalWiMAXenlaclaseWimaxConfig,de dondeobtienelossmbolosdedatosdisponibles.Tambinalmacenaun vectorcontodaslasestacionessubscriptorasdefinidas,dondepuede recabarinformacinsobrelosflujossolicitados.Partiendodeesta informacinlaclaseSchedulerdefineunflujoasignadoporcadaflujo solicitado,asignndoleunnmerodesmbolos,ycalculandoelretardo correspondiente. La diferencia entre los flujos solicitados y los asignados es queenlosprimeroslosvaloresdelosparmetrossondefinidosporel usuarioenfuncindesusnecesidades,yenlossegundoslosvaloresson asignadosporlaestacinbaseenfuncindelassolicitudesydelas posibilidadesdelcanal.Lainformacinsobrelosflujosasignadoses almacenadaendosvectores:unoparalosflujosdeuplinkyotroparalos flujos de downlink. Subscriber: almacena la informacin relativa a los usuarios: nombre, SNR en cada sentido del enlace, distancia a la estacin base, y flujos solicitados. Los flujos solicitados se almacenan en vectores organizados segn la clase. Flow:estaclasemodelaunflujoWiMAXquepuedesesolicitadoporuna Subscriberoasignadoporlaestacinbase.CadaobjetoFlowsediferencia por la estacin a la que pertenece y por un identificador de flujo. El resto de parmetros(tasa,retardosentido,estado,modulacin)definenlas caractersticas del flujo. Modulation:lossmbolosdecadaflujosetransmitenconunamodulacin diferente,queseguardaenunobjetoModulation.Ladiferencia fundamental entre una modulacin y otra es el nmero de bits por smbolo que proporciona. FileManager:clasequegestionalalecturaoescrituradeficheros, permitiendoimportarredesdiseadasenRadioMobileoexportarlos resultados de la planificacin a un fichero de texto. Resultados obtenidos 36 10.2Casos de Uso En este apartado se presentarn los cinco casos de uso que se plantearon para laherramientadeplanificacinWiMAXjuntoconsuscorrespondientesdiagramas. Estos casos de uso son: Gestionar de Estaciones Subscriptoras Gestionar de flujos Gestionar de Archivos Modificar Configuracin Modificar Configuracin Avanzada En el primer caso de uso, Gestionar Estaciones Subscriptoras, se encuentran las principalesfuncionesrelacionadasconlacreacin,eliminacinymodificacindelos datos de las SS: ParadefinirunaSSesnecesariointroducirelnombredelaSSpara identificarla,lasSNRdeULyDLparaquelaherramientacalculelas respectivas modulaciones, y la distancia de la SS a la BS.AleliminarlaSShayquecomprobarsitenaflujosasociadosysiesas eliminarlos.LaaplicacinpermitirmodificarcadaunodelosparmetrosdelaSS independientemente.Despusdeeliminar flujosodemodificaralgn parmetrodelenlace delaSS habrquerecalcularladistribucinderecursosconsiderandoloscambiosrealizados. El diagrama de flujo correspondiente se muestra en la Figura 11.Herramienta de planificacin WiMAX 37 Figura 11: Diagrama del caso de uso Gestionar Estaciones Subscriptoras EnlaFigura12semuestraeldiagramacorrespondientealagestindeflujos, queincluyelacreacin, modificacinyeliminacindelos mismos.Para crearunflujo es necesario seleccionar el sentido y la clase de servicio, para despus insertar la tasa mnimasolicitada.SilaclaseseleccionadaesUGS,rtPSoertPSsedeberinsertar tambinelretardo.Tantolacreacincomolaeliminacinymodificacindeflujos conllevarecalcularladistribucinderecursosteniendoencuentaelestadoactualde las solicitudes. Figura 12: Diagrama del caso de uso Gestionar Flujos Resultados obtenidos 38 Figura 13: Diagrama del caso de uso Gestionar Archivos La herramienta de planificacin debe gestionar archivos para importar una red de Radio Mobile, exportar los datos de la planificacin a un fichero de texto, guardar el estadodelaplanificacinocargarlosdatosdeunaplanificacinanterior.Entodos estoscasos(Figura13)esnecesariaunafuncinquepermitaseleccionarelarchivo deseado,yaseaunarchivodeorigenodedestino.Ademsalimportarunaredde RadioMobilelaherramientadebepermitirseleccionarunaredentrelasqueexistan definidas en el fichero origen, y aadir las estaciones subscriptoras definidas en dicha red. Cuando se cargue una planificacin anterior se debern aadir las SS existentes y los flujos que estas puedan tener.Laherramientaofrecelaposibilidaddeconfigurarlosprincipalesparmetros delestndarWiMAX:eltiempodetrama,elprefijocclico,elanchodebandadel canal,yladistribucindelatrama(elporcentajequesededicaaDL,elrestantese dedicaraUL).Sisemodificaalgunodeestosparmetrosesnecesariorecalcularlos recursos disponibles con la nueva configuracin y distribuirlos de nuevo entre los flujos solicitados. El diagrama de este caso de uso se representa en la Figura 14. Herramienta de planificacin WiMAX 39 Figura 14: Diagrama del caso de uso Modificar Configuracin Ademsdelosparmetrosbsicoslaherramientapermitemodificaralgunos parmetrosavanzadosrelacionadosconlasprestacionesdecadafabricante.Estos parmetros son el offset que se aade al modelo de latencia en DL y UL, y la figura de ruidodelreceptor.Lamodificacindeestosparmetrostambinhacenecesario recalcularyasignarlosrecursosdisponibles,comosemuestraeneldiagramadela Figura 15. Figura 15: Diagrama del caso de uso Modificar Configuracin Avanzada Resultados obtenidos 40 11Validacin de la herramienta de planificacin WiMAX Enesteapartadosedescribirnlaspruebasrealizadasparavalidarel funcionamiento de la herramienta de planificacin WiMAX. Primero se describirn los escenarios de pruebas diseados, despus se detallar el proceso de los experimentos realizadosyfinalmentesemostrarnlosresultadosobtenidosenlosescenariosde pruebas comparndolos con los datos tericos de la herramienta de planificacin. 11.1Descripcin del escenario de pruebas Paralavalidacindelaherramientadeplanificacinsemontarondos escenariosdepruebasempleandolosequiposdescritosenelapartado5.Conestos escenariossepretendeobtenermedidasdelthroughputylalatenciaenfuncinde distintos parmetros de la red y compararlos con los resultados proporcionados por la herramienta de planificacin.En el primer escenario se establece un enlace WiMAX punto a punto entre la BS yunaestacinsubscriptora,yseconectaunordenadorporttilacadaextremodela red WiMAX mediante un cable Ethernet punto a punto. Adems se establece un enlace WiFiAd-hocentrelosdosporttilespararealizarlasincronizacindesusrelojessin tener que atravesar la red WiMAX.Porttil 2 Porttil 1BSSSDownlinkUplink Figura 16: Esquema del primer escenario de pruebas. En el segundo escenario se establece un enlace WiMAX punto-multipunto entre la estacin base y tres estaciones subscriptoras. En cada extremo de la red se conecta mediantecableadoEthernetunordenadorporttil.Esteescenariopretendeemular unaredexistenteenCusco(Per)queconectalascomunidadesdeAcopia, Marcaconga ySangararaa travs de un repetidor situado en Laykatuyoc y empleando tecnologa WiFi modificada para largas distancias. El esquema de la red se muestra en la Figura 17.Validacin de la herramienta de planificacin WiMAX 41 Porttil 4Porttil 1BS (LAYKATUYOC)SS 3 (SANGARARA)DownlinkUplinkPorttil 2SS 1 (ACOPIA)Porttil 3SS 2 (MARCACONGA) Figura 17: Esquema del segundo escenario de pruebas Losordenadoresporttilessonlosencargadosdeinyectaryrecibirtrfico.En ambosescenarioslosenlacesEthernetseconectana100Mbpsdemodoquela capacidad de la red est limitada por la capacidad del enlace WiMAX.11.2Metodologa de validacin Acontinuacinseexplicaelprocedimientoseguidopararealizaslasmedidas, especificando la configuracin aplicada a los equipos y las tareas propias de cada paso. 1.Configuracin de los equipos La configuracin de los equipos WiMAX se realiz a travs del interfaz Web proporcionado por el fabricante. Todos los equipos WiMAX se configuraron en modo bridge, que permite asignar a cada equipo una nica direccin IP quesercompartidaporsusinterfacesRFyEthernet.Deestemodose evitaconfigurar cada interfaz por separado. La frecuencia de operacinse fij a 5.530GHz y el ancho de banda del canal a 10Mhz.LasinterfacesEthernetdelosordenadoresporttilesseconfiguraroncon direccionesIPdelasubred10.0.10.0/24,aligualquelosequiposWiMAX. Al estar todos los equipos en la misma subred, y gracias al modo bridge de losequiposWiMAX,nofuenecesariomodificarlastablasderutas generadas por defecto. Resultados obtenidos 42 La distribucin del tiempo de trama ser del 50% para uplink y el 50% paradownlink. Esimportantetenerencuentaquedespusdemodificarlaconfiguracin dealgnparmetrodelaredWiMAXesnecesarioreiniciarlaconexin WiMAX para que se aplique la nueva configuracin. Esta configuracin se introduce en la herramienta de planificacin WiMAX pararealizarunaestimacindelosresultadosqueseobtendrnypoder compararlos ms tarde con las medidas experimentales. 2.Sincronizacin de los ordenadores EnelprimerescenarioseestableciunenlaceWiFiAd-hocentrelosdos ordenadoresporttiles.AlosinterfacesWiFideestasubredAd-hocseles asigndireccionesdentrodelrango10.0.11.*/24.Lasincronizacindelos relojesdelosporttilesesimprescindibleparapoderrealizarmedidasde latencia en ambos sentidos de la comunicacin. Si los relojes no estuvieran sincronizadoslasmedidasdelatenciasproporcionadasporDITGno tendran sentido, pudiendo incluso devolver valores negativos. ElordenadorconectadoalaBSfueconfiguradocomoservidorNTP medianteelserviciochronydeLinux,yelporttilconectadoalaSS realizaba ajustes de la deriva del reloj cada segundo mediante las utilidades ntpdate y watch de Linux. 3.Mediciones Unavezconfiguradoelescenarioseprocediainyectartrficomediante DITG y as obtener medidas del throughput y la latencia. Para la medida del throughputsetomaronlosvaloresmximosdeltraficomostradoporla estacin base en su interfaz Web. En el caso de la latencia se consideraron los valores medios proporcionados por la herramienta DITG.4.Procesamiento de medidas y resultados Durantecadainyeccindetrfico,D-ITGguardalosficheroscon informacinsobrelosresultados,llamadosficherosdelogs.Estosficheros sealmacenanenunservidordelogsqueenestosexperimentosfueel ordenador receptor del trfico.Lainformacinrecogidaenlosficherosdelogsseprocesamediante comandosdeD-ITGparaobtenerunosficheros.datquecontienenla informacinsobreelthroughput,lalatencia,lospaquetesperdidosyel jitter.Estosficherospuedenserfcilmenteprocesadosconcualquier herramienta de anlisis de datos para generar las grficas de resultados. Validacin de la herramienta de planificacin WiMAX 43 11.3Diseo de las pruebas Unavezconocidoslosescenariosdetrabajoyestablecidalametodologaque se seguir en los experimentos, se pasar a explicar las medidas realizadas para validar la herramienta de planificacin WiMAX. Elobjetivoeracaracterizarelcomportamientodelthroughputylalatenciaen funcindedistintosparmetrosdelaredWiMAX.Enprimerlugarserealizaron medidasdelthroughputfrenteavariacionesdeltiempodetrama,delprefijocclico, del nmero de flujos y de la modulacin empleada. Ensegundolugarsetomaronmedidasdelalatenciaenfuncindeltiempode tramaydelacargadelared.Durantelarealizacindeestaspruebasfuenecesario comprobarconstantementequelosporttilesqueinyectabanyrecibaneltrfico tenan los relojes correctamente sincronizados.Elobjetivodelsegundoescenarioeravalidartodoelprocesodediseodela redcomenzandoconelanlisisderadiofrecuenciadeRadioMobileparadespus utilizarlaherramientadeplanificacinWiMAX.Seradeseablerealizareste experimento con ms estaciones subscriptoras, pero no fue posible acceder a una red de estas caractersticas. 11.3.1 Pruebas en el Primer Escenario Laspruebassecomenzaronconelprimerescenarioporserel mssencillo.La SNRdelenlaceerade29dBtantoenuplinkcomoendownlink,pudindoseusarla modulacin 64 QAM-3/4 en ambos sentidos. 1.Medida del throughput En primer lugar se realizaron medidas del throughput en funcin del tiempo detrama,delamodulacinempleada,ydelprefijocclico.Paraellose provisionunflujodedatosBEde20000Kbpsencadasentidodela comunicacin.Lainyeccindetrficoserealizmediantelaherramienta DITGcontrficoUDP.Paracadatiempodetramasemidi simultneamente el throughput en uplink y en downlink inyectando trfico bidireccional con paquetes de 512 bytes a una tasa de 20000 Kbps en cada sentido durante 30 segundos. a) frente al tiempo de trama Las medidas se realizaron empleando un prefijo cclico de 1/32 y con una nica estacin subscriptora que empleaba modulacin 64 QAM-3/4 en ambos sentidos.Resultados obtenidos 44 Sefuevariandoeltiempodetramamanualmenteatravsdel interfazdeconfiguracinWebdelosequiposWiMAX.Losvalores soportados para este parmetro son: 2.5, 4, 5, 8, 10, 12.5 y 20 ms.b)frente a la modulacin Seconfiguruntiempodetramade10msyunprefijocclicode 1/4.Sefuevariandomanualmentelamodulacinempleadaporla subscriptoraatravsdelinterfazdeconfiguracinWebdelos equipos WiMAX.c)frente al prefijo cclicoLas medidas se realizaron empleando un tiempo de trama de 10 ms y con una nica estacin subscriptora que empleaba modulacin 64 QAM-3/4 en ambos sentidos.Los valores para el prefijo cclico fueron 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32. Se fue variandoelprefijocclicomanualmenteatravsdelinterfazde configuracin Web de los equipos WiMAX. 2.Medida de la latenciaTrasrealizarlasmedidasdelthroughputseprocediacaracterizarel comportamientodelalatenciafrentealtiempodetramaylacargadela red. a)frente al tiempo de trama Serealizaronmedidasdelcomportamientodelalatenciafrenteal tiempo de trama con flujos UGS y BE. Las medidas para cada tipo de flujoserealizarondeformaindependiente.LosflujosUGS provisionados encadasentido erande4000Kbpsylos flujosBEde 20000 Kbps.Eltrficoinyectadoerade1000paquetesporsegundo uniformementedistribuidosconuntamaode512bytes,yla duracinerade30segundos.Elprefijocclicoseleccionado fue y la modulacin 64 QAM-3/4. Lamodificacindeltiempodetramaseefectumanualmentea travs del interfaz de configuracin Web de los equipos WiMAX. Validacin de la herramienta de planificacin WiMAX 45 b)frente al throughput Para observar el comportamiento del retardo conforme aumenta el trfico en la red se definieron dos tipos de flujos diferenciados por el puertodedestino.EncadaflujoUGSseprovisionaron5000Kbpsy seinyectuntrficouniformede4,1MbpsParacadaflujoBEse solicitaron 20000 Kbps, y se fue variando el trfico inyectado desde 4,1 hasta 12,3 Mbps Paraestasmedidasseempleuntiempodetramade10ms,la modulacin 64 QAM-3/4 y un prefijo cclico de 1/4. 3.Distribucin de la capacidad entre varios flujos Enestecasosetratdeanalizarcmose distribuyelacapacidaddelared entre varios flujos y el comportamiento de los mismos. Para ello se conect una estacin subscriptora a la estacin base y se le asignaron seis flujos: DosflujosUGS,unodeuplinkyotrodedownlink,conun throughput mnimo y mximo de 500Kbps. DosflujosRTPS,unodeuplinkyotrodedownlink,conun throughput mnimo y mximo de 4000Kbps. DosflujosBE,unodeuplinkyotrodedownlink,conun throughput mximo de 20000Kbps. Adems se crearon unos filtros para clasificar y dirigir el trfico a travs de los distintos flujos: PorlosflujosUGSsecursareltrficoUDPcondestinoalpuerto 5002. Por los flujos RTPS se cursar el trfico ICMP. Porlos flujosBEsecursareltrficoUDPque novayanalpuerto 5002. El canal WiMAX se configura con un ancho de banda de 10Mhz, un tiempo detramade10msyunprefijocclicode1/8.Serealizarnmedidascon modulaciones de 64 QAM-3/4 y 16 QAM-1/2. Conestaconfiguracinseesperaquelaredseacapazdeproporcionarel throughput requerido por los flujos prioritarios (UGS y RTPS), pero que no tengasuficientesrecursosparaproporcionarlos20000Kbpsdelosflujos BE. A los flujos BE debera proporcionarles el throughput correspondiente a Resultados obtenidos 46 lossmboloslibresdespusdehaberasignadorecursosalosflujos prioritarios.11.3.2 Pruebas en el Segundo Escenario Como ya se ha comentado este escenario replica una red que existe en Cusco y que actualmente funciona con tecnologa WiFi. Con este ejemplo se pretende mostrar cmo sera el diseo y la planificacin de esta red si se decidiera migrar a la tecnologa WiMAX.EnprimerlugarserealizeldiseodelaredenRadioMobile.Paraellose introdujeronlascoordenadasdelospuntosquesemuestranenlaTabla3quese correspondenalaslocalizacionesrealesdelastorresdecomunicaciones.Despusse configuraronlosenlacesseleccionandolapotenciadetransmisindelosequipos,las antenasylaalturaalaqueestassesituaranparaconseguireldespejamientodela primera zona de Fresnel y una SNR que permitiera la comunicacin. Tabla 3: Coordenadas del los puntos del segundo escenario. SSLatitudLongitud Acopia (SS 1)1403'30"S07131'23"W Marcaconga (SS 2)1358'41"S07133'33"W Sangarara (SS 3)1357'10"S07136'00"W Laykatuyoc (BS)1355'38"S07137'38"W ElanlisisdeRadioMobileseexportaunficherodetextoysecargenla herramientadeplanificacin.Deestemodoseintrodujeronenlaherramientade planificacinlosnombresdelassubscriptorasjuntoconlaSNRydistanciadecada enlace. En funcin de la SNR de cada enlace la herramienta de planificacincalcul la modulacinmsalta(quetransmitemsbitsporsmbolo)quesepodaemplearen cadaenlace.Despusseintrodujeronmanualmentelosflujossolicitadosparacada subscriptora:Flujo UGS de 1000 Kbps en el uplink y downlink de cada subscriptora. Flujo BE de 20000 Kbps en el uplink y downlink de la SS 3. Unavezanalizadoelescenarioconlaherramientadeplanificacinllegel momentodeconfigurarlosequiposyrealizarlasmedidas.ElinterfazWebdela estacinbasepermiteseleccionarlamodulacinqueemplearcadaestacin subscriptora.Estafuncionalidadfueutilizadaparaseleccionarlasmodulaciones calculadas por la herramienta de planificacin. De este modo se consigui que cada SS trabajaraconunamodulacindistintasimulandoquecadaunatenanivelesdeSNR diferentes, tal y como sucedera sobre el terreno con el equipamiento utilizado.Finalmenteseseleccionunprefijocclicode1/4yserealizaronmedidascon tiempos de trama de 10 ms y 20 ms. Con esta configuracin se inyectaron 850 Kbps en losflujosUGSysemidielthroughputenlosflujosBE.SeesperabaquelaBSfuera capazdeproporcionarlacapacidadrequeridaporlosflujosUGSperoquenotuviera Validacin de la herramienta de planificacin WiMAX 47 suficientesrecursos paraproporcionarlos 20000 Kbps delos flujosBE.AlosflujosBE deberaproporcionarleselthroughputcorrespondientealossmboloslibresdespus de haber asignado recursos a los flujos prioritarios (aquellos que solicitan una tasa de transmisinmnima).LamedidadelthroughputenlosflujosBEsecontrastconla estimacinrealizadaporlaherramientadeplanificacinparacomprobarquela herramientatrabajaadecuadamentecuandosecombinandistintosusuarios,tiposde flujos y tiempos de trama.11.4Presentacin de resultados En esta seccin se presentan y analizan los resultados obtenidosal realizar los experimentosdescritosenelapartadoanterior.Estosresultadossecompararncon losvalorestericosoprevistos,quesonloscalculadosconlaherramientade planificacin WiMAX, para validar el funcionamiento de la misma.11.4.1 Primer Escenario Enesteescenarioserealizaronmedidasconunanicaestacinsubscriptora conectada a la estacin base. Primero se tomaron medidas del throughput del enlace, despus de la latencia que sufran los paquetes y finalmente del comportamiento con varios flujos. Los parmetros ms importantes para determinar el throughput de la red son el tiempodetrama,lamodulacin,elprefijocclicoyelnmerodeusuarios.Eneste escenarioseestudiarelcomportamientodelthroughputenfuncindelostres primerosconelobjetivodecontrastarlosresultadosproporcionadosporla herramientadeplanificacin.Tambinseanalizarelcomportamientodelalatencia frente al tiempo de trama y el throughput. 1.a) Medida del throughput frente al tiempo de trama Las grficas mostradas en la Figura 18 y en la Figura 19 representan la evolucin delthroughputmximofrentealtiempodetramaparaULyDLrespectivamente.En estas medidas se ha empleado la modulacin 64 QAM-3/4 y un prefijo cclico de 1/32. Para cada tiempo de trama la primera columna representa elthroughput previsto por laherramientadeplanificacinylasegundacolumnamuestraelthroughputmedido. Enestasgrficassepuedeapreciarquetanto elthroughputmedidocomoelprevisto crecen conforme se emplea un tiempo de trama mayor. Este resultadoes el esperado porqueelnmerodesmbolosdecabeceraessimilarparadistintasduracionesde trama. Sin embargo con una trama ms larga se pueden enviar ms smbolos de datos, haciendounusomseficientedelossmbolosdecabeceraeincrementandoel throughput. Resultados obtenidos 48 Otro aspecto a destacar es que el throughput en UL es mayor que en DL a pesar de que en este caso las subtramas de UL y DL tienen la misma duracin. Esto es debido aquela tramadedownlinktienemssmbolos decabeceraymenos dedatosquela de uplink. Figura 18: Throughput de la red en UL frente al tiempo de trama. Figura 19: Throughput de la red en DL frente al tiempo de trama. EnlaFigura20s